JPH11324391A - 制震躯体構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐震壁を備えた構造物等においても制震性能
を有効に向上させることのできる制震躯体構造を提供す
ることを課題とする。 【解決手段】 高い剛性を有するコアウォール２と外周
躯体３の外柱５との間に、曲げ剛性の高い最上階トラス
１０を架設し、この最上階トラス１０の上弦材１２に極
軟鋼等からなるダンパー部材１８を組み込む構成とし
た。さらに、ダンパー部材１８を、最上階トラス１０の
コアウォール２側の根元に配設する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、超高層ビ
ル等に用いて好適な制震躯体構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、近年、ビル等の建築物の
躯体には高い制震性能が要求されており、このために各
種ダンパー装置や補強材等を組み込んだ免震・制震構造
が多種開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術は、通常のラーメン躯体構造を対象としたものがほ
とんどである。このような技術では、特に鉄筋コンクリ
ート造のビルやコンクリート製の耐震壁を備えた超高層
ビル等、水平剛性の高い構造を適用した構造物において
は、有効に制震効果を発揮できないという問題がある。
これは、構造物の水平剛性が高いと層間変位が小さくな
るために、従来用いられているダンパー等では変位エネ
ルギーを有効に吸収できず、地震時の応答低減効果を思
うように得られないからである。

【０００４】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたもので、耐震壁を備えた構造物等においても制震性
能を有効に向上させることのできる制震躯体構造を提供
することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
躯体の一部を構成し高い剛性を有して上下方向に連続す
る耐震要素と、該耐震要素から離間した位置に配設され
た前記躯体の鉛直部材との間に、曲げ剛性の大きな梁部
材が架設され、該梁部材には、前記耐震要素の曲げ変形
によるエネルギーを吸収するダンパー部材が該梁部材の
弦材として組み込まれていることを特徴としている。

【０００６】請求項２に係る発明は、請求項１記載の制
震躯体構造であって、前記ダンパー部材が、前記梁部材
の前記耐震要素側の端部に配設されていることを特徴と
している。

【０００７】請求項３に係る発明は、前記ダンパー部材
が、他の部材よりも低強度の極低降伏点鋼材からなるこ
とを特徴としている。

【０００８】請求項４に係る発明は、請求項１または２
記載の制震躯体構造であって、前記ダンパー部材が、ゴ
ム系粘弾性体のせん断抵抗を利用した粘弾性ダンパーあ
るいはオイルダンパーからなることを特徴としている。

【０００９】これにより、地震等によって耐震要素に曲
げ変形を生じると、耐震要素と柱や壁等の鉛直部材との
間に架設された梁部材は、鉛直部材からの反力を受け
る。この反力が梁部材に入力され、その軸力のエネルギ
ーが、梁部材の弦材に組み込まれた極低降伏点鋼材、粘
弾性ダンパー、オイルダンパー等からなるダンパー部材
によって吸収されるようになっている。このとき、前記
軸力は、梁部材の耐震要素側の端部、言い換えれば梁部
材の根元で最大となるため、この部分にダンパー部材を
配設することによって効率よく地震エネルギーを吸収で
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る制震躯体構造
の実施の形態の一例を、図１ないし図４を参照して説明
する。ここでは、本発明に係る制震躯体構造を、例えば
中心部に耐震要素を備えたビルに適用する場合の例を用
いて説明する。

【００１１】図１および図２に示すように、ビル１の躯
体は、中心部に位置するコアウォール（耐震要素）２
と、その外周側に位置する外周躯体３とから構成されて
いる。

【００１２】図１に示したように、コアウォール２は、
鉄筋コンクリート造からなるいわゆる耐震壁で、ビル１
の基礎部分を構成するマットスラブ４から最上部まで連
続する筒状とされており、その外周側の外周躯体３より
も高剛性を有している。

【００１３】また、図１および図２に示したように、外
周躯体３は、ビル１の外周部に位置する外柱５と、この
外柱５とコアウォール２との間に位置する中柱６と、外
柱５と中柱６との間に架設された外梁７と、中柱５とコ
アウォール２との間に架設された中梁８とから構成さ
れ、この外周躯体３は、鉄筋コンクリート造、鋼管充填
コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造、または鉄骨
造等とされている。そして、この外周躯体３は、コアウ
ォール２よりも所定階数分（例えば２階分）低く設定さ
れている。

【００１４】図１に示したように、ビル１の最上部に
は、トラス構造の最上階トラス（梁部材）１０が設けら
れている。最上階トラス１０は、例えば断面視略三角形
状をなしたトラス架構で、コアウォール２の側面と外柱
５の上端部との間に架設されて水平方向に延在する下弦
材１１と、コアウォール２の頂部と外柱５の上端部との
間に斜めに延在するよう架設された上弦材１２と、これ
ら下弦材１１と上弦材１２との間に設けられた鉛直材１
３，水平材１４，ラチス材１５とから構成されている。
これによって最上階トラス１０は、コアウォール２と外
柱５との間に架設された構成となっている。

【００１５】最上階トラス１０には、コアウォール２側
の根元の部分、つまりコアウォール２に直接接続される
部分に、上弦材１２としてダンパー１８が組み込まれて
いる。ダンパー１８は、通常の鋼材よりも低強度の、例
えばｆｙ＝１００（Ｎ／ｍｍ ²）程度の極軟鋼（極低降
伏点鋼材）からなり、上弦材１２の他の部分を構成する
通常の鋼材と同一の断面形状を有している。このダンパ
ー１８は、その軸線方向に圧縮方向あるいは引張方向の
軸力が作用したときに、これを最上階トラス１０の他の
部分よりも先行して降伏させることによって、トラスの
曲げによるエネルギーを吸収するようになっている。

【００１６】このような構成のビル１では、地震等によ
り強大な外力が作用した場合に、コアウォール２が曲げ
変形しようとする（例えば図１中矢印Ａ方向）が、その
頂部において、外周躯体３との間に架設されたトラス構
造からなる強固な最上階トラス１０によって、やじろべ
えの原理でコアウォール２に曲げ戻しを与え、変形を緩
和するようになっている。このときに、コアウォール２
の曲げ変形によって最上階トラス１０は、外周躯体３の
外柱５から反力を受ける（図１中矢印Ｂ方向）。この反
力によって最上階トラス１０には圧縮方向あるいは引張
方向の軸力（図１中矢印Ｃ方向）が入力され、そのエネ
ルギーがダンパー１８によって吸収されるようになって
いる。すなわち、ダンパー１８によって、地震エネルギ
ーを効果的に吸収できるようになっている。なお、最上
階トラス１０に生じる軸力は、コアウォール２側にとり
つく上弦材１２で最大となる。このように軸力が集中し
て最大となる箇所に配置されたダンパー１８によって、
エネルギーが効果的に吸収されるようになっている。

【００１７】ここで、上記したような構成のビル１にお
ける地震応答解析を行い、その結果を図３および図４に
示す（図中符号（イ）の線）。ここで、解析モデルとし
ては、図１および図２に示したような構成のビル１を用
い、鉄筋コンクリート造地上４５階、地下２階とし、基
準階の概略平面形状は４２ｍ×３０ｍの長方形とした。
また、比較のために、ダンパー１８に代えてその部分を
通常の高張力鋼材で構成したもの（図中符号（ロ）の
線）、ダンパー１８を極軟鋼に代えて粘弾性ダンパーで
構成したもの（図中符号（ハ）の線）における解析結果
を示す。この結果からも明らかなように、図３の通り、
ビル１における最大応答加速度は、特に中間階以上にお
いて大幅に低減され、これによって家具の転倒等の防止
効果が高められている。また、図４の通り、ビル１にお
ける最大応答層せん断力は全層にわたり大幅に低減され
ている。

【００１８】上述したビル１の制震躯体構造では、高い
剛性を有するコアウォール２と外周躯体３の外柱５との
間に、曲げ剛性の高い最上階トラス１０を架設し、この
最上階トラス１０の上弦材１２にダンパー部材１８を組
み込む構成となっている。これにより、地震等によって
コアウォール２が曲げ変形を生じると、最上階トラス１
０によって曲げ戻しがかけられてその変形が緩和され、
さらにダンパー部材１８によって最上階トラス１０に作
用する軸力のエネルギーが吸収され、地震エネルギーを
効果的に吸収して、高い制震性能を発揮することができ
る。その結果、ビル１の地震時の応答が小さくなるの
で、通常の耐震構造と比較して躯体を構成する角部材の
断面を小さくすることが可能となり、コストダウンに貢
献することができる。また、従来は浮き上がりや転倒の
問題があったアスペクト比（塔状比）の大きなスレンダ
ーな建物でも実現が可能となり、矮小な敷地の有効利用
を図ることもできる。

【００１９】しかも、ダンパー部材１８を最上階トラス
１０の上弦材１２として組み込むことによって、外観上
の形態は一般の耐震要素を含む架構と同様であり、構造
計画、建築計画上の特別な制約を受けずに、従来の耐震
設計と同様の設計作業でこの構造を持ち込むことができ
る。加えて、上弦材１２の一部をダンパー部材１８に置
換した構成であるため、この部位を通常の鋼材にした
り、また他の各種ダンパーにする等の比較検討を容易に
行うことができる。

【００２０】また、ダンパー部材１８が、最上階トラス
１０のコアウォール２側の根元に配設された構成となっ
ている。地震時等において最上階トラス１０に作用する
軸力はダンパー部材１８で最大となるため、この部分を
通常の材料で形成した場合に比較して、より小さな変形
でエネルギー吸収を図ることができ、履歴吸収エネルギ
ーを大きくして、効率の高いダンパーを構築することが
でき、より優れた制震性能を発揮することができる。

【００２１】さらに、ダンパー部材１８が極軟鋼からな
る構成となっている。このようにして鋼材系のダンパー
部材１８を採用することによって、ダンパー部材１８が
降伏した後の状態においても躯体の大部分は依然として
降伏せずに弾性を保持しており、残留変形も最大変形に
比較して十分に小さい。したがって、地震後にビル１に
有害な残留変形を残さず、その機能を維持することがで
きる。また、鋼材系のダンパー部材１８はメンテナンス
フリーであることから、その維持も容易である。さら
に、このようなダンパー部材１８を組み込んだ最上階ト
ラス１８はビル１の最上部に配設されているので、仕上
げや設備との干渉も少なく、点検や交換も容易に行うこ
とができる。加えて、このようなダンパー部材１８は構
成も単純であり、ローコストに製作することができ、ま
た現場での取付施工も通常の軸力部材と同様に極めて簡
単である。ところで、極軟鋼からなるダンパー部材１８
は、採用する材料の材質および部材厚さを変えることに
よってそのダンパー性能を容易にコントロールすること
ができる。

【００２２】なお、上記実施の形態において、最上階ト
ラス１０をコアウォール２と外柱５との間に架設する構
成としたが、ビル１の平面が大きい場合には必ずしもビ
ル１の外周部に位置する柱である必要はなく、それより
も内側に位置する中柱に最上階トラス１０の一端を取り
付ける構成としても良い。

【００２３】また、最上階トラス１０のトラス形状とし
ては、図１に示したものに限らず、図５ないし図７に示
すような各形態でも良い。

【００２４】さらに、上記実施の形態ではダンパー部材
１８を最上階トラス１０のコアウォール２側の根元に組
み込む構成としたが、これについても、図８に示すよう
に、外柱５側にダンパー部材１８を組み込むようにして
も良い。また、上弦材１２側だけでなく、下弦材１１側
にダンパー部材１８を組み込んでも良い。但し、通常は
屋根等の床スラブがあるので、下弦材１１側を避け、上
弦材１２側に設置するのが好ましい。

【００２５】また、最上階トラス１０を略三角形状とし
たが、図９に示すような通常の平行弦タイプの最上階ト
ラス１０’、あるいは立体トラス、梁成の大きなフルウ
ェブの大断面梁等であっても良い。

【００２６】加えて、上記実施の形態では、ダンパー部
材１８として極軟鋼からなる鋼材を用いたが、これに代
えて、例えば他の鋼材ダンパー、あるいはゴム系粘弾性
体のせん断抵抗を利用した粘弾性ダンパー，オイルダン
パーなどの他の種類のダンパーを採用することも可能で
ある。他の鋼材ダンパーとしては、アンボンドブレース
ダンパーや２重鋼管ダンパー、粘弾性ダンパーとしては
ゴム系粘弾性体を用いたブレースダンパー、オイルダン
パーとしては制震構造用のリリーフ機構付オイルダンパ
ー等がある。

【００２７】さらに加え、ダンパー部材１８は、必ずし
も１台あたり１箇所に限らず、複数箇所に設置しても良
い。また、最上階トラス１０の全体ではなく、一部のみ
にダンパー部材１８を設置する構成とし、他の部分は通
常の耐震構造を採用する構成としても良い。

【００２８】また、最上階トラス１０だけでなく、コア
ウォール２に曲げ戻しをかける梁部材を他の中間階など
に設置してもよい。

【００２９】また、コアウォール２については、鉄筋コ
ンクリート造に限らず、鉄骨トラス構造としても良い
し、またプレキャストコンクリート板で組み上げる構成
としても良い。

【００３０】これ以外に、上記したようなダンパー部材
１８を組み込んだ最上階トラス１０に加えて、極軟鋼に
よる境界梁ダンパーをコアウォール２に一体化した構成
を組み合わせても良く、これによって一層高い制震効果
を期待することもできる。

【００３１】これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない
範囲内であれば、いかなる構成を採用しても良く、また
上記したような構成を適宜選択的に組み合わせたものと
しても良いのは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る制
震躯体構造によれば、高い剛性を有して上下方向に連続
する耐震要素と、離間した位置に配設された鉛直部材と
の間に、曲げ剛性の大きな梁部材が架設され、梁部材に
は、耐震要素の曲げ変形のエネルギーを吸収するダンパ
ー部材が弦材として組み込まれた構成となっている。ま
た、請求項３、４に係る制振躯体構造によれば、ダンパ
ー部材が、極低降伏点鋼材、粘弾性ダンパー、オイルダ
ンパー等からなる構成となっている。これにより、地震
等によって耐震要素が曲げ変形を生じると、曲げ剛性の
大きな梁部材によって曲げ戻しがかけられるので変形が
緩和され、さらに極低降伏点鋼材、粘弾性ダンパー、オ
イルダンパー等からなるダンパー部材によって梁部材に
生じる曲げによるエネルギーが吸収され、地震エネルギ
ーを効果的に吸収し、高い制震性能を発揮することがで
きる。しかも、ダンパーを梁部材の弦材として組み込む
ことによって、外観上の形態は一般の耐震要素を含む架
構と同様であり、構造計画、建築計画上の特別な制約を
受けずに、従来の耐震設計と同様の設計作業でこの構造
を持ち込むことができる。また、梁部材の弦材をダンパ
ー部材に置換した構成であるため、この部位を通常の鋼
材や各種ダンパーにする等の検討を容易に行うことがで
きる。さらに、上記制震架構の採用により、地震時の応
答が小さくなる。したがって、通常の耐震構造と比較し
て躯体を構成する部材の断面を小さくすることが可能と
なり、コストダウンに貢献することができる。また、従
来は浮き上がりや転倒の問題があったアスペクト比（塔
状比）の大きなスレンダーな建物でも実現が可能とな
り、矮小な敷地の有効利用を図ることもできる。このよ
うに、本発明に係る制震躯体構造によれば、従来の耐震
設計でも用いられている連層耐震壁等の耐震要素を含ん
だ架構と同様の使い方で、地震エネルギーの吸収効率が
より大きい制震構造を容易に構築することができる。こ
れにより、従来から連層耐震壁等を採用していたオフィ
スビル、ホテル、住宅をはじめとする種々の形態の建物
に容易に適用することができ、コスト・工期等の面から
も他の制震架構にひけをとらない効果的な構造形式の一
つを提供することが可能となる。加えて、上記したよう
な制震躯体構造に類似する構造として、耐震要素から外
周部の柱に向けて延出する梁部材を設け、梁部材と外周
部の柱との間にダンパーを介在させる構成もあるが、こ
のような構成では建物の外壁と、梁部材上に形成される
屋根スラブとの間に相対変形が生じることになるので、
これに対応したエキスパンションジョイントや目地等を
採用する必要があり、意匠性を損なったり、施工に余計
な手間が掛かったりする等も問題がある。これに対して
上記制震躯体構造によれば、ダンパーを梁部材の弦材と
して組み込む構成となっているので、このような問題は
一切生じない、という利点もある。

【００３３】請求項２に係る制震躯体構造によれば、ダ
ンパー部材が、梁部材の耐震要素側端部に配設された構
成となっている。これにより、地震時等において耐震要
素の変形によって梁部材に生じる曲げ応力は、梁部材の
耐震要素側端部、言い換えれば梁部材の根元で最大とな
るため、この部分にダンパー部材を配設することによっ
て、この部分を通常の材料で形成した場合に比較して、
小さな変形でエネルギー吸収を図ることができ、履歴吸
収エネルギーを大きくして効率の高いダンパーを構築す
ることができ、より優れた制震性能を発揮することがで
きる。

【００３４】さらに、請求項３に係る制震躯体構造によ
れば、ダンパー部材が、他の部材よりも低強度の極低降
伏点鋼材からなる構成となっている。このようにして鋼
材系のダンパーを採用することによって、ダンパーが降
伏した後の状態においても架構の大部分は依然として降
伏せずに弾性を保持しており、架構の残留変形も最大変
形に比較して十分に小さい。したがって、地震後に建物
に有害な残留変形を残さず、その機能を維持することが
できる。また、鋼材系のダンパーはメンテナンスフリー
であることから、その維持も容易である。さらに、この
ようなダンパーを組み込んだ梁部材を建物の最上部に配
設することによって、仕上げや設備との干渉も少なく、
点検や交換も容易に行うことができる。加えて、このよ
うなダンパーは構成も単純であり、ローコストで製作す
ることができ、また現場での取付施工も通常の軸力部材
と同様に極めて簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る制震躯体構造を適用した建物の
一例を示す立断面図である。

【図２】 前記建物の平断面図である。

【図３】 同建物における地震応答解析結果を示す図で
ある。

【図４】 同建物における他の地震応答解析結果を示す
図である。

【図５】 本発明に係る制震躯体構造の他の一例を示す
立断面図である。

【図６】 本発明に係る制震躯体構造のさらに他の一例
を示す立断面図である。

【図７】 本発明に係る制震躯体構造のさらに他の一例
を示す立断面図である。

【図８】 本発明に係る制震躯体構造のさらに他の一例
を示す立断面図である。

【図９】 本発明に係る制震躯体構造のさらに他の一例
を示す立断面図である。

【符号の説明】

２ コアウォール（耐震要素） ５ 外柱（鉛直部材） １０ 最上階トラス（梁部材） １８ ダンパー部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 躯体の一部を構成し高い剛性を有して上
   下方向に連続する耐震要素と、該耐震要素から離間した
   位置に配設された前記躯体の鉛直部材との間に、曲げ剛
   性の大きな梁部材が架設され、該梁部材には、前記耐震
   要素の曲げ変形によるエネルギーを吸収するダンパー部
   材が該梁部材の弦材として組み込まれていることを特徴
   とする制震躯体構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の制震躯体構造であって、
   前記ダンパー部材が、前記梁部材の前記耐震要素側の端
   部に配設されていることを特徴とする制震躯体構造。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の制震躯体構造で
   あって、前記ダンパー部材が、他の部材よりも低強度の
   極低降伏点鋼材からなることを特徴とする制震躯体構
   造。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の制震躯体構造で
   あって、前記ダンパー部材が、ゴム系粘弾性体のせん断
   抵抗を利用した粘弾性ダンパーあるいはオイルダンパー
   からなることを特徴とする制震躯体構造。