特開 2024-148313 制震構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024148313

(43)【公開日】2024-10-18

(54)【発明の名称】制震構造

(51)【国際特許分類】

   E04H 9/02 20060101AFI20241010BHJP

   E04H 9/14 20060101ALI20241010BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20241010BHJP

   F16F 7/00 20060101ALN20241010BHJP

【ＦＩ】

E04H9/02 351

E04H9/14 G

F16F15/02 L

F16F7/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023061347

(22)【出願日】2023-04-05

(71)【出願人】

【識別番号】507011611

【氏名又は名称】株式会社進富

(71)【出願人】

【識別番号】516152952

【氏名又は名称】構法開発株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129849

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 雅一

(72)【発明者】

【氏名】大西 克則

(72)【発明者】

【氏名】依田 佳幸

【テーマコード（参考）】

2E139

3J048

3J066

【Ｆターム（参考）】

2E139AA01

2E139AA05

2E139AA17

2E139AC04

2E139AD03

2E139BA23

2E139BA30

2E139BD41

3J048AA01

3J048AC01

3J048AD05

3J048AD16

3J048BA02

3J048BA10

3J048EA38

3J066AA22

3J066BA04

3J066BB01

3J066BC01

3J066BD05

(57)【要約】

【課題】上層階のみならず一階の揺れも軽減可能な制震構造を提供する。
【解決手段】地盤２に打ち込まれた杭２０の上に構築される建築物１０に適用される制震構造１であって、杭２０の設置位置において、地盤２を掘削し地盤表面３よりも低い位置に形成された杭設置面３０と、杭設置面３０の上方に位置する杭可動域４０と、杭設置面３０と建築物１０の一階床部との間で延在する杭２０の上端部に設置された減衰材５０とを備えている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤に打ち込まれた杭の上に構築される建築物に適用される制震構造であって、
前記杭の設置位置において、前記地盤を掘削し地盤表面よりも低い位置に形成された杭設置面と、前記杭設置面の上方に位置する杭可動域と、前記杭設置面と前記建築物の一階床部との間で延在する前記杭の上端部に設置された減衰材とを備えた
ことを特徴とする制震構造。

【請求項2】

前記杭可動域は、前記杭の上端部を囲う円柱形状を呈している
ことを特徴とする請求項１に記載の制震構造。

【請求項3】

前記杭可動域は、筒体にて外周面が区画され、
前記減衰材は、前記筒体の上端開口部を覆う蓋体にて構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の制震構造。

【請求項4】

前記減衰材は、弾塑性部材にて形成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の制震構造。

【請求項5】

前記杭可動域は、前記杭設置面から上方に向かって拡径する円錐台形状を呈しており、
前記減衰材は、前記杭可動域に充填された砂にて構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の制震構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制震構造に関する。

【背景技術】

【0002】

地震に耐えるための構造には、現在大きく分けて「耐震構造」と「免震構造」と「制震構造」の三種類がある。耐震構造は、柱や梁を大きくし建物全体で地震の揺れに耐える構造である。免震構造は、基礎と建物を切り離してその間に免震装置を入れ、建物本体への揺れを軽減させる構造である。制震構造は、建物内部に制震装置を取り付けてエネルギーを吸収する構造である。

【0003】

免震構造は、地震により振幅する地盤と建物を絶縁するため、建物を載せる架台と基礎との間にアイソレータを介し、ダンパーで架台を減衰させるとともに、配管類を変位に追従できる構造にしているため、高価な費用がかかる。また、免震構造は、国土交通省認定を取得するか、建設省告示第２００９号に従った構造にしなければならない。そのため、免震装置は大型の建築物に採用されることが多い。一方、低層住宅においては、建物免震構造と比較して低価格である耐震構造と制震構造（例えば特許文献１参照）が採用されることが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９－００７８６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

耐震構造は、太く頑丈な柱、梁で建物自体が地震に耐えることができるものの、地震のエネルギーが直接建物に伝わるため、制震構造や免震構造に比べて、建物の揺れが大きくなってしまう問題があった。一方、制震構造では、制震装置が地震エネルギーを吸収するので、建物の構造体の損傷を抑制できるとともに、二階以上の上層階の揺れを軽減できるものの、一階の揺れは大きいままであった。具体的には、例えば三階建ての場合、一階に制震装置を設けることで、二階と三階の揺れを軽減できるが、一階の床の揺れは軽減できなかった。

【0006】

そこで、本発明は、三層以上の建物において、一層を基礎部分として制震装置を設け、その二層を一階、その三層以上を二階以上とすることで、二階以上の上層階のみならず一階の揺れも軽減可能な制震構造を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

このような課題を解決するための本発明は、地盤に打ち込まれた杭の上に構築される建築物に適用される制震構造である。前記杭の設置位置において、前記地盤を掘削し地盤表面よりも低い位置に形成された杭設置面と、前記杭設置面の上方に位置する杭可動域と、前記杭設置面と前記建築物の一階床部との間で延在する前記杭の上端部に設置された減衰材とを備えたことを特徴とする。

【0008】

本発明の制震構造によれば、建築物の一階床部と前記杭設置面との間で延在する杭の上端部が杭可動域内で移動することで建築物の上層階のみならず一階の揺れを軽減できる。また、減衰材によって、地震の揺れが効率的に減衰され、建築物の揺れがより一層軽減される。したがって、建築物の一階およびそれ以上の上層階における揺れを軽減することができ、建築物全体の揺れを軽減することができる。また、建築物の一階床部と前記杭設置面との間で延在する杭の上端部が杭可動域内で水平移動するのを制震することで建築物の一階および上層階の揺れを軽減できる。また、建築物の一階床部と前記杭設置面との間で延在する杭を柱として構造計算して、地震による水平移動量と剛性を制震装置で効率良く制震させることができる。

【0009】

本発明の制震構造においては、前記杭可動域は、前記杭の上端部を囲う円柱形状を呈しているものが好ましい。このような構成によれば、杭を中心とした前後左右の全方向において杭が変形可能となり、全方向の揺れを効果的に軽減することができる。

【0010】

本発明の制震構造においては、前記杭可動域は、筒体にて外周面が区画され、前記減衰材は、前記筒体の上端開口部を覆う蓋体にて構成されているものが好ましい。このような構成によれば、筒体を挿入することで杭可動域を容易に区画して形成することができる。また、蓋体によって筒体内への異物の混入を抑制できる。

【0011】

本発明の制震構造においては、前記減衰材は、弾塑性部材にて形成されているものが好ましい。このような構成によれば、地震時の揺れを効率的に軽減できる。

【0012】

本発明の制震構造においては、前記杭可動域は、前記杭設置面から上方に向かって拡径する円錐台形状を呈しており、前記減衰材は、前記杭可動域に充填された砂にて構成されているものが好ましい。このような構成によれば、杭可動域の構成が簡単になり、施工費用を軽減できる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の制震構造によれば、二階以上の上層階のみならず一階の揺れも軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（ａ）は本発明の実施形態に係る制震構造を示した全体図、（ｂ）は建築架構を説明するための全体図である。

【図2】本発明の実施形態に係る制震構造の基礎部を示した要部断面図である。

【図3】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施形態に係る制震構造の基礎部の地震時の挙動を示した要部断面図である。

【図4】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施形態に係る制震構造の減衰材の地震時の変形状態を示した平面図である。

【図5】本発明の実施形態に係る制震構造が適用された建築物の地震時の挙動を示した全体図である。

【図6】変形例に係る減衰材を示した図であって、（ａ）は通常時の状態を示した平面図、（ｂ）は地震時の変形状態を示した平面図である。

【図7】本発明の第二の実施形態に係る制震構造の基礎部を示した要部断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の制震構造を実施するための形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態の建築物の形状は一例であって、敷地形状や要求される階数に応じて適宜変更される。図１に示すように、本実施形態に係る建築物１０は二階建ての戸建て住宅である。従来の制震構造では、二階以上の上層階の揺れを軽減できるものの、一階の揺れは大きいままであった。そこで本発明者らは、図１の（ｂ）に示すように、地盤２から突出する杭頭部２１の長さを長くし、杭頭部２１に制振装置２２を設ければ、杭頭部２１が地盤の揺れを吸収し、一階の揺れが軽減されることを見出した。しかし、この場合、一階の階高が高くなるため、一階へ上がるための階段が必要となり、施工手間と費用が大きくなるとともに、居住者への負担が大きくなってしまう。そこで、本発明らは、一階階高を低くできる構造として、制震構造１を発明した。本実施形態に係る制震構造１は、図１の（ａ）に示すように、地盤２に打ち込まれた杭２０の上に構築される杭基礎構造の建築物１０に適用される構造であって、杭設置面３０と、杭可動域４０と、減衰材５０とを備えている。つまり、本実施形態の建築物１０は、三層の建物において、下側となる一層を基礎部分として制震装置を設け、二層を一階とし、三層を二階としている。

【0016】

杭２０は、所定の深さまで地盤２に打ち込まれ、杭頭部２１が地盤２の上に突出している。杭２０は、例えば鋼管にて構成されている。杭２０は、建築物１０の下側で複数設けられ、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に所定間隔をあけて配置されている。杭頭部２１は、減衰材５０を設置した状態で、地震力や風力による移動が杭可動域４０内となるように構造計算されている。杭設置面３０から突出する杭頭部２１は、例えば１０００ｍｍ程度の高さ寸法であるが、杭頭部２１の高さ寸法は、長いほど建築物１０の水平移動量が大きくなり制振効果を大きくできる。水平移動量が建築基準法の制限内で、且つ架構構造材が許容強度内であることで建築可能となる。杭２０は、図示しないボルト等を介して建築物１０に接続されている。なお、杭２０と建築物１０との接合方法は、ボルト接合に限定されるものではなく、溶接接合等の他の方法であってもよい。

【0017】

建築物１０は、例えば溝形鋼からなる基礎梁を格子フレーム状に組み合わせて構成された基盤フレーム１１を備えている。基盤フレーム１１の下部には、杭２０がボルト（図示せず）により接続されている。基盤フレーム１１と杭２０との接合構造は、ピン接合および剛接合のいずれであってもよい。建築物１０の一階および二階には図示しない減衰装置が設けられている。

【0018】

図１の（ａ）および図２に示すように、杭設置面３０は、杭２０の設置位置において、地盤２に打ち込まれた杭２０が上方に露出される地表面である。杭２０の杭頭部２１は、杭設置面３０から上方に向かって突出している。杭設置面３０は、建築物１０を構築する地盤２を掘削して形成されており、地盤表面３よりも低い位置に設けられている。杭設置面３０は、杭２０よりも大径であり、杭２０の外周を囲む環状の平面にて構成されている。

【0019】

杭可動域４０は、杭設置面３０から上方に突出した杭２０の杭頭部２１が地震時に揺動可能な領域である。杭可動域４０は、杭設置面３０の上方に位置しており、杭２０の上端部である杭頭部２１を囲う円柱形状を呈している。杭可動域４０は、筒体４１にて外周面が区画されている。筒体４１は、例えば円筒形のコンクリート枡であり、地盤２に掘削された穴に挿入されている。筒体４１の内部空間が、杭可動域４０となる。筒体４１の下部には、筒体４１が設置される地業３１が形成されている。地業３１は、杭２０が挿通する挿通孔３２を備えており、杭設置面３０に形成されている。筒体４１の上端部には、環状の段部４３が形成されている。段部４３には、減衰材５０が設置される。筒体４１は、コンクリート製の枡にて構成されているが、これに限定されるものではなく、樹脂製の枡であってもよいし、枡以外の筒体であってもよい。

【0020】

減衰材５０は、杭２０の揺れを減衰させる部材であって、杭設置面３０と建築物１０の一階床部に設けられた基盤フレーム１１との間で延在する杭頭部２１（杭２０の上端部）に設置されている。減衰材５０は、筒体４１の上端部に設置された高減衰ゴム等の弾塑性部材からなる蓋体にて構成されている。減衰材５０は、筒体４１の上端部の段部４３に係止される円盤状の部材であって、中央部に杭２０が挿通する挿通孔５１を備えている。減衰材５０は、中央部の厚さ寸法が周縁部の厚さ寸法よりも大きくなっている。杭２０が変形する際には、図４に示すように、杭２０の移動方向前方の減衰材５０が圧縮され、移動方向後方の減衰材５０が伸長されるように、減衰材５０が変形する。杭２０の変形に応じて、減衰材５０の圧縮と伸長とが繰り返し為される。

【0021】

次に、図３乃至図５を参照しながら、本実施形態の制震構造１の地震時の各部の挙動を説明する。杭２０は、地震時に図３に示すような変形を起こす。地盤２から左向きの土圧Ｐ１が作用すると、図３の（ａ）に示すように、建築物１０には右向きの慣性力Ｐ２が作用し、杭設置面３０から上方に突出した杭２０の杭頭部２１が右側に傾斜する。一方、地盤２から右向きの土圧Ｐ１が作用すると、図３の（ｂ）に示すように、建築物１０には左向きの慣性力Ｐ２が作用し、杭設置面３０から上方に突出した杭２０の杭頭部２１が左側に傾斜する。地震時にはこの動作を繰り返すこととなる。

【0022】

このとき、杭設置面３０の近傍の振幅（地際振幅）から、地盤２の表面高さの振幅（地表振幅）、基盤フレーム１１の高さの振幅（基盤振幅）へと、上方に向かうに連れて振幅が大きくなる。基盤振幅と地際振幅との差は、杭２０の杭設置面３０における揺れと、基盤フレーム１１の揺れとの差であって、地震の揺れ（地盤２の揺れ）と建築物１０の揺れとの差となる。

【0023】

また、地盤２の表面高さにおいては、減衰材５０によって杭２０に対して、土圧に対向する向きの抵抗力が作用し（図４の（ａ）および（ｂ）参照）、減衰材５０の圧縮と伸長とが繰り返されて、揺れの応力が熱エネルギーに変換される。これによって、地震の揺れが効率的に減衰され、建築物１０の揺れが軽減される。このように、杭頭部２１の揺れを減衰材５０によって減衰させることで地震の揺れを吸収し、建築物１０の揺れを軽減している。要するに、地盤２から基盤フレーム１１に伝わる揺れが基盤振幅と地際振幅との差の分小さくなり、建築物１０の一階における揺れを軽減することができる。
建築物１０の全体で見れば、図５に示すように、杭頭部２１が杭可動域４０内で振動することで一階の揺れが軽減され、さらに、一階に設けられた減衰装置（図示せず）で二階の揺れがさらに軽減される。

【0024】

以上説明したように、本実施形態の制震構造１によれば、建築物１０の一階の基盤フレーム１１と杭設置面３０との間で延在する杭２０の杭頭部２１が杭可動域４０内で移動するのを減衰させることで建築物１０の二階のみならず一階の揺れを軽減できる。また、減衰材５０によって、地震の揺れが効率的に減衰され、建築物１０の揺れがより一層軽減される。したがって、建築物１０の一階およびそれ以上の上層階（本実施形態では二階）における揺れを軽減することができ、一階も含む建築物１０全体の揺れを軽減することができる。
具体的には、構造計算で用いる大地震である震度６程度までの揺れであれば、揺れが軽減されることで、各階に損傷は発生せず、継続して居住することができる。また、震度７を超える超大地震の揺れが発生した際には、鋼管製の杭２０が塑性変形する場合があるが、強度と剛性は復元可能であるので、軽微な補修で建築物１０を再利用することができる。

【0025】

杭可動域４０は、杭２０の上端部を囲う円柱形状を呈しているので、杭２０を中心とした前後左右の全方向において杭２０が変形可能となり、全方向の揺れを効果的に軽減することができる。また、杭可動域４０は、筒体４１にて外周面が区画されているので、筒体４１を地盤２の掘削部分に挿入することで、杭可動域４０を容易に区画して形成することができる。

【0026】

杭設置面３０は、地盤２を掘削し地盤表面３よりも低い位置に形成されているので、建築物１０の全体の高さを低くすることができる。したがって、一階の階高が必要以上に高くならないので、居住者の生活を快適なものとできる。

【0027】

減衰材５０は、筒体４１の上端開口部を覆う蓋体にて構成されているので、筒体４１内への異物の混入を抑制できる。減衰材５０は、弾塑性部材にて形成されているので、地震時の揺れを効率的に軽減できる。

【0028】

また、制震構造１は、地震時の揺れのみならず、交通振動を含む地盤２の軽微な揺れも軽減できるとともに、強風の脈動による建築物１０の振動揺れも軽減できる。さらに、制震構造１は、従来の免震構造よりも安価に設置できるので、低層の戸建て住宅であっても適用し易い。

【0029】

また、制震構造１によれば、建築物１０の一階基礎と杭設置面と３０の間で延在する杭２０の杭頭部２１を一階の柱として構造計算できる。これによって、各階の振幅や変形率を算出することができる。なお、建築構造計算の方法において、杭２０は、地盤２から延出する一階柱として計算するが、二階建て建築物１０としては、一階床下の架構であり、建物としての一階柱ではない。このような制震構造１によれば、二階建ての一階床部の揺れが軽減されるので、二階建ての一階と二階の揺れを軽減する建物を提供することができる。

【0030】

さらに、制震構造１は、建築基準法による水平力（地震力や風力）に対して、架構構造材（杭２０等）が許容強度内であることと許容変形量内となるように構造計算することで、免震構造や制震構造の特別許可（認可）を取得する必要はない。また、減衰材５０は、付加機能として構造に影響なく指定材料を使用するので、減衰材５０についても認定を取得する必要はない。また、架構構造材を許容強度内で設計しておくことで地震や風による水平変形後に元の状態に復元することができる。
杭頭部２１の移動量は、建築基準法における制限まで大きな数値であることが好ましい。これにより、減衰材５０により杭可動域４０内での移動を効率的に減衰させることができ、減衰材による減衰効果が大きく得られるので、一階床部の揺れを大幅に軽減することができる。

【0031】

次に、図６を参照しながら、変形例に係る減衰材５５の構成を説明する。
かかる減衰材５５は、図６の（ａ）に示すように、金属製の円盤にて構成されている。減衰材５５は、中央部に杭２０が挿通する挿通孔５６を備えている。挿通孔５６の周囲には、貫通孔５７が所定の間隔をあけて複数形成されている。貫通孔５７は、杭２０の変形時に減衰材５５の変形を吸収するものであって、例えば円形を呈している。貫通孔５７は、減衰材５５の芯を中心に４５度ピッチで放射状に形成されている。

【0032】

杭２０が変形する際には、図６の（ｂ）に示すように、杭２０の移動方向前方の貫通孔５７が押し潰され、移動方向後方の貫通孔５７が引き延ばされて、減衰材５５が変形する。各貫通孔５７は、杭２０の変形に応じて押し潰しと、引き延ばしが繰り返し為される。このように、減衰材５５の貫通孔５７の押し潰しと引き延ばしとが繰り返されることで、揺れの応力が熱エネルギーに変換される。これによって、前記実施形態の減衰材５０と同様に、地震の揺れが効率的に減衰され、建築物１０の揺れが軽減される。

【0033】

次に、図７を参照しながら、本発明の第二の実施形態に係る制震構造１ａの構成を説明する。第二実施形態の制震構造１ａでは、杭可動域４５および減衰材５８の形状および構成が実施形態と異なっている。
図７に示すように、第二実施形態の杭可動域４５は、杭設置面３０から上方に向かって拡径する円錐台形状を呈しており、減衰材５８は、杭可動域４５に充填された砂や砂利等にて構成されている。

【0034】

杭設置面３０は、杭２０の設置位置において、地盤２に打ち込まれた杭２０が地盤２の穴から上方に突出される地表面である。杭設置面３０は、杭可動域４５の底面に位置する杭用挿通穴の上端部である。

【0035】

杭可動域４５は、地盤２に掘削された穴の内周面にて区画されており、上部が広がる円錐台形状になっている。円錐台の下端部は、杭２０と同径となっている。杭頭部２１の上方に向かうにつれて、杭２０の外周面と杭可動域４５との隙間が大きくなっている。これによって、杭頭部２１は、杭設置面３０から上方に突出する部分が、杭可動域４５内で変形可能となっている。

【0036】

減衰材５８は、杭可動域４５内で、杭２０の周囲に充填された砂や砂利にて構成されており、上方に向かうに連れて、水平方向の厚さ寸法が大きくなっている。減衰材５８を構成する砂や砂利は、乾燥したものが用いられている。減衰材５８は、砂や砂利に代えて（または加えて）粘土や低強度コンクリートを用いてもよい。減衰材５８は、杭頭部２１の移動になり変形または破壊されることでエネルギーを吸収して、減衰機能を発揮する。なお、その他の構成については、前記実施形態と同様であるので同じ符号を付して説明を省略する。

【0037】

以上のように、杭可動域４５内に砂を充填することで、地震時に杭２０が変形すると、砂を押し退けて移動することになるので、杭頭部２１に反力が作用し、揺れの応力が熱エネルギーに変換される。これによって、前記実施形態の減衰材５０と同様に、地震の揺れが効率的に減衰され、建築物１０の揺れが軽減される。第二実施形態の構成によれば、杭可動域４５の構成が簡単になり、施工手間と費用を軽減できる。

【0038】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。例えば、前記実施形態では、筒体４１の上端部に、減衰材５０として蓋体を設置しているが、これに限定されるものではない。例えば、筒体４１の内部に減衰材として砂や砂利等を充填してもよいし、筒体４１の内部に減衰材として砂や砂利等を充填するとともに、減衰材として蓋体を合わせて設置してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１ 制震構造
２ 地盤
２０ 杭
２１ 杭頭部
３０ 杭設置面
４０ 杭可動域
４１ 筒体
４５ 杭可動域
５０ 減衰材
５５ 減衰材
５８ 減衰材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】