可変質量型制震構造物
【課題】例えば床スラブ等における平常時の遮音性能を確保しながら、地震時に構造物に作用する地震力を低減することを可能にする。
【解決手段】構造部材２と非構造部材を有する構造物１において、構造部材２と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部３を形成し、この空洞部３に流動性を有する流体４を、空洞部３からの排出と空洞部３への流入が可能な状態に充填する。
空洞部３に排出口３１と流入口３２を接続、もしくは形成し、空洞部３に充填されている流体４を地震時に排出口３１を通じて空洞部３から排出させる。
【解決手段】構造部材２と非構造部材を有する構造物１において、構造部材２と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部３を形成し、この空洞部３に流動性を有する流体４を、空洞部３からの排出と空洞部３への流入が可能な状態に充填する。
空洞部３に排出口３１と流入口３２を接続、もしくは形成し、空洞部３に充填されている流体４を地震時に排出口３１を通じて空洞部３から排出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造物を構成する構造部材と非構造部材の少なくともいずれかに形成した空洞部に流体を排出と流入が自在な状態に充填することで、構造物の質量を可変にし、構造物に制震の性能を付与した可変質量型制震構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造物の質量は高層化、またはスラブ厚の増大に伴って増加し、質量の増加に伴い、構造物に作用する慣性力である地震力も増大する。それに伴い、地震力に抵抗させる目的から、柱と梁、壁等、構造部材の断面寸法を増すか、構造部材に高強度材料を使用するか、鉄筋の配筋量を増す等の対応の必要が生じている。柱の断面寸法の増加は床面積の縮小化を、高強度材料の使用は材料費用の高騰をそれぞれ招き、配筋量の増加は作業効率の低下により歩掛りの低下を招いている。
【０００３】
鉄筋コンクリート造は剛性の高さに基づく居住性の面から、主に共同住宅（集合住宅）に採用されることが多く、床スラブには居住空間の快適性に対する要求として高い遮音性能が求められる。スラブにおける遮音性能はスラブの質量に依存するから、遮音性能を上げるには結局、スラブ厚を増すしか方法がなく、要求される遮音性能を満たすために、構造耐力上、必要とされるスラブ厚よりも大きくなり、場合によっては２倍程度のスラブ厚になることもある。
【０００４】
一方、前記の通り、スラブ厚の増加は地震力の増大につながり、地震力に抵抗させる上で、柱・梁の大断面化、配筋量の増加、居住空間の縮小化、材料費の高騰、歩掛りの低下に直結するため、遮音性能の追求は質量の増加と地震力の増大が繰り返される悪循環に陥る。
【０００５】
スラブをボイドスラブにし、見かけ上、スラブ厚を大きくする方法もあるが（特許文献１、２参照）、コンクリートが充填されないボイド内の空間は遮音のために機能することがないから、ボイドスラブは等価質量程度の遮音性能を持つに過ぎない。
【０００６】
柱の断面寸法を上層階に行くに従い、縮小させることで、一部の構造部材の軽量化を図ることは可能であるが、下層階から上層階に向けて柱の断面を縮小させることは、全層の柱の断面を統一したいデザイン上の要求と相容れない。構造物の質量の増加には構造部材のみに限らず、雑壁、パラペット等の非構造部材（二次部材）の質量も影響する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１７０３９８号公報（請求項１、段落００１５、００２４、図１〜図３）
【特許文献２】特開２００４−５２４９１号公報（請求項１、段落００１３〜００１７、図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１ではボイドスラブのボイド（中空部）内に、膨張状態でボイドの内周面から距離が確保される袋体を配置（収納）し、スラブが地震力によって相対移動するときに、袋体の追従を慣性によって遅らせ、袋体の慣性力をスラブに対し、移動の向きと逆向きに作用させることで、スラブの振動減衰のために利用している。しかしながら、袋体はボイド内で空隙を持って配置される以上、スラブの遮音性能を上げることに寄与することはない。
【０００９】
特許文献２ではボイドスラブのボイド内に発泡剤を充填した袋体を隙間のない状態で配置している。但し、特許文献２は衝撃音の遮断を目的として発泡剤を使用しているものの、発泡剤自体に遮音性能はないから、遮音効果を期待することはできない。
【００１０】
本発明は上記背景より、例えば床スラブにおける遮音性能を確保しながら、地震力を低減することが可能な構造の可変質量型制震構造物を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明の可変質量型制震構造物は、構造部材と非構造部材を有する構造物において、前記構造部材と前記非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部が形成され、この空洞部に流動性を有する流体が、前記空洞部からの排出と前記空洞部への流入が可能な状態に充填されていることを構成要件とする。
【００１２】
構造部材は主に柱、梁、耐力壁（耐震壁）、スラブ、基礎、杭等、耐力が期待される部材を指し、非構造部材は袖壁、垂れ壁、腰壁等の雑壁等、構造部材に接続する二次部材を指す。構造物の構造種別は主に鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造であるが、これらと鉄骨造との複合構造の場合もある。少なくとも一部に流体の充填が可能な空洞部が形成可能な構造部材、または非構造部材を持つ構造形式であれば、構造種別は問われず、梁と柱、スラブ等の一部、もしくは全体が鉄骨造の場合もある。
【００１３】
構造部材、または非構造部材（以下、構造部材等）に形成される空洞部は少なくとも流体の排出のための孔（管）である排出口（排出管）を通じて構造部材等の外部と連通すればよい。基本的には例えば排出口（排出管）の内部が流体の排出用と流入用に区分される（仕切られる）等、孔（口）を通過する流体が孔（口）の断面を完全に閉塞しない状態で孔（口）を通過すれば、排出口（排出管）を通じてのみでも空洞部内の流体の排出と流入は行われる。従って空洞部に接続される、あるいは連続して形成される孔（管）は排出口（排出管）のみでも足り、必ずしも流入口が空洞部に接続、あるいは形成される必要はない。
【００１４】
但し、流体自体の粘性に起因し、排出口（排出管）を通じてのみでは流体の排出と流入が円滑に行われないような場合、例えば排出時の流動時間が長くなる、あるいは流動が生じにくいことが想定される場合には、排出口（排出管）と対となる、流体の流動性を上げ、排出と流入を生じ易くするための孔（管）である流入口（流入管）が空洞部に形成、あるいは接続される（請求項２）。流入口と排出口はそれぞれ単なる流入孔と排出孔の場合と、流入管と排出管の場合もある。
【００１５】
流入口（流入管）は開放した状態で流体の、空洞部からの排出時に流体に大気圧を作用させることで、流体の流動を促し、流体の復帰（流入）時には気圧による抵抗を小さくすることで、復帰時の流入をし易くし、排出時間と復帰（流入）時間を短縮する働きをする。構造部材等の空洞部に排出口（排出管）と流入口（流入管）が接続された場合には、空洞部に充填されている流体が地震時に排出管を通じて空洞部から排出され（請求項２）、地震終息後には排出管を通じて、または流入管を通じて空洞部に流入（復帰）する。
【００１６】
外部に連通した空洞部が構造部材等の内部に形成され、この空洞部に流動性を有する流体が排出と流入が可能な状態に充填されていることで、平常時、すなわち地震時以外のときには流体が空洞部内の空間を埋めるため、構造部材は中実断面の部材として機能し、遮音性能を発揮する。流体が空洞部内に充填されているときに、遮音性能を要求されることから、流体には主として遮音性能のある液体、固体、ゲル状物質の使用が適する。
【００１７】
流体を常温での状態で区分すれば、ア）常温で液体の状態にある物質、イ）常温で固体でありながら、電気信号、温度変化、化学変化等の外的要因の作用によって液体に変化する物質、ウ）外的要因の作用によって固体から液体を経て気体になるか、固体から直接、気体に変化する物質等が本発明の流体として使用可能な材料として想定される。
【００１８】
具体的には無害な液体として、水、ポリタングステン酸ナトリウム（ＳＰＴ）、塩化カルシウムがある。有害な重液として、水銀、塩化亜鉛、ブロモフォルム、テトラブロモエタン、ＣＨ３Ｉ（ヨードメタン）、ＳｎＣｌ４（四塩化スズ）、ＣＨ２Ｂｒ２（ジブロモメタン）、ＭｏＦ６（六フッ化モリブデン）、ＳｂＣｌ３（三塩化アンチモン）、ＣＨＢｒ３（トリブロモメタン）、ＣＢｒ４（テトラブロモメタン）、Ｂｒ２ＣＨＣＨＢｒ２（テトラブロモエタン）、ＢａＨｇＢｒ４（四臭化バリウム水銀）、ＣＨ２Ｉ２（ジヨードメタン）、ＳｎＢｒ４（四臭化スズ）、ＣＨ２Ｉ２＋ＣＨＩ３、Ｌ２ＨｇＩ４＋Ｈ２Ｏ、ＨＣＯ2Ｔｌ＋Ｈ２Ｏ、ＳｎＩ４、ＢａＨｇＩ４＋Ｈ２Ｏ、ＯｓＯ４、ＡｇＴｌ（ＮＯ３）２＋Ｈ２Ｏ、ＨＣＯ２Ｔｌ＋Ｃ３Ｈ２Ｏ４Ｔｌ２＋Ｈ２Ｏ、ＨｇＣｌ２＋Ｈｇｌ２＋ＳｂＣｌ３、ＨｇＴｌ（ＮＯ３）２＋Ｈ２Ｏ等がある。有害な重液を使用する場合には、排出口（排出管）と流入口（流入管）に浸食等に対する保護のための被覆等の処理を必要とする。
【００１９】
地震時には流体が空洞部から排出されることで、空洞部は中空になり、構造部材等は質量の小さい中空断面の部材として機能するため、構造部材等が受ける地震力は中実断面の場合より空洞部の容積に相当する質量分、低下する。
【００２０】
地震時に柱、梁、スラブ等の構造部材等が中空断面部材になり、質量が低下することで、構造部材等が地震時に受ける地震力が低下するため、地震力によって受ける構造部材等の損傷が軽減される。構造部材等が受ける地震力が低減されることで、構造部材等に与えておくべき断面寸法を減少させることが可能になり、例えば柱の断面寸法の縮小によって床面積を拡大することが可能になる。
【００２１】
また地震力が低減されることで、構造部材等に高強度の材料を使用する必要がないため、材料費の高騰は回避される。併せて地震力の低減によって構造部材等に高強度を与えておく必要がないことから、プレキャストコンクリートの場合を含め、鉄筋コンクリート造、あるいは鉄骨鉄筋コンクリート造の場合に配筋量の増加を招くことがないため、構造部材等が中実断面部材である場合より施工コストの低減を図ることが可能になる。同時に配筋量の増加に伴う作業効率の低下を招くことはないため、歩掛りの低下は回避される。
【００２２】
例えば鉄筋コンクリート造の集合住宅におけるスラブの厚さは遮音性能を持たせる関係から、通常、２３０ｍｍを超えているが、地震力に対して十分な耐力を確保する上ではスラブは１３０ｍｍ程度以上の厚さを持っていればよいから、約半分程度の質量が地震力に対しては不要であり、削減可能になっている。構造物の上層階では柱と梁の断面寸法も必要以上に大きくなっているから、この不必要な寸法分も削減可能である。
【００２３】
例えば厚さが２３０ｍｍのスラブを持つ構造物が地震時に受ける地震力と、厚さが１３０ｍｍのスラブを持つ構造物が地震時に受ける地震力を図５に対比して示す。破線が２３０ｍｍのスラブを持つ構造物の地震力を、実線が１３０ｍｍのスラブを持つ本発明の構造物の地震力を示している。
【００２４】
図５に示す対比例の場合、スラブ厚を２３０ｍｍから１３０ｍｍに減少させていることで、１３０ｍｍのスラブを持つ構造物の総質量は２３０ｍｍのスラブを持つ構造物の約７５％にまで低減している。このことは、スラブ厚を減少させた構造物に求められる必要保有水平耐力が減少前の構造物の必要保有水平耐力の７５％になることを意味する。この減少分により、構造部材の断面寸法を減少させることが可能になり、また高強度材料を使用する必要はなく、配筋量の低減を図ることも可能になる。
【００２５】
例えば図３、図４に示すようにスラブに空洞部が形成され、この空洞部に流体が充填された構造物において、空洞部に流体が充填された状態の平常時には流体が空洞部内の空隙を閉塞していることで、スラブは中実断面部材となっているため、空洞部を持たないスラブと同等の遮音性能を保有している。
【００２６】
地震の発生時には空洞部から流体が排出され、空洞部が中空になることで、スラブの質量が流体分、減少するため、図５に実線で示すように構造物の各スラブが受ける地震力はスラブが中実断面部材である場合より低下する。図５中、スラブが中実断面部材である場合の構造物に作用する地震力の階毎の分布を破線で示している。地震力は慣性力であるから、下層階程、大きい。
【００２７】
構造部材等の空洞部に充填された状態にある流体が地震時に空洞部から排出されることは具体的には、地震時に検出装置（センサ）が取得した検出信号が排出口（排出管）に接続されている弁の開閉を制御する制御装置（コントローラ）に送信され、制御装置が閉鎖している弁を開放させることで、実行される。あるいは排出口（排出管）の弁の開放と同時に流入管の弁を開放させることで、実行される。地震の検出信号としては地震計（強震計）を始めとする検出装置が検出した信号の他、気象庁が発令し、検出装置が受信した緊急地震速報も使用される。
【００２８】
例えば構造部材等の空洞部が流体の排出先であるタンクより相対的に上に位置している場合には、流体は排出口（排出管）の弁、あるいは排出口の弁と流入口の弁が開放されることで、自動的に空洞部から排出される。タンクに排出された流体は地震の終息後に、例えばポンプによって開放している弁を通じて空洞部内に戻され、流体が空洞部内に復帰した状態で弁が閉鎖状態に保たれる。
【００２９】
空洞部から排出される流体を貯留する排出用のタンクと、地震の終息後に空洞部に流体を充填させる充填用のタンクは同一の場合と相違する場合があり、相違する場合は排出用タンクと充填用タンクは流体移動用の管（流路）によって連通させられ、排出用タンクに排出された流体はポンプによって充填用タンクに移動させられる。排出用のタンクに排出された流体もポンプによって空洞部に復帰させられる。
【発明の効果】
【００３０】
構造部材と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部を形成し、この空洞部に流動性を有する流体を、空洞部からの排出と空洞部への流入が可能な状態に充填し、地震時に流体を空洞部から排出させることで、空洞部を中空にし、構造部材等を質量の小さい中空断面部材として機能させるため、構造部材等が受ける地震力を中実断面の場合より空洞部の容積に相当する質量分、低下させることができる。
【００３１】
地震時に構造部材等の質量が低下することで、構造部材等が地震時に受ける地震力が低減されるため、構造部材等に与えておくべき断面寸法を減少させることができ、例えば柱の断面寸法の縮小によって床面積を拡大することができる。
【００３２】
地震力の低減により、構造部材等に高強度の材料を使用する必要がないため、材料費の高騰を回避することができる他、地震力の低減によって構造部材等に高強度を与えておく必要がないため、鉄筋コンクリート造、あるいは鉄骨鉄筋コンクリート造の場合に配筋量の増加とそれに伴う作業効率の低下を招くことがなくなり、歩掛りの低下を回避することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】地震検出装置が地震の発生を検出したときの検出信号の、制御装置への送信とそれに起因して発生する制御装置による流体の排出指令の、空洞部への送信の流れを示した概要（概念）図である。
【図２】（ａ）は構造物が鉄筋コンクリート造、もしくは鉄骨鉄筋コンクリート造である場合に、構造部材としてのコンクリート造の柱に形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図である。
【図３】構造物が鉄筋コンクリート造、もしくは鉄骨鉄筋コンクリート造である場合に、構造部材としてのコンクリート造のスラブに形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図である。
【図４】構造物が鉄骨造である場合に、デッキプレートとその上に打設されるコンクリートからなる構造部材としてのスラブに形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図である。
【図５】図３に示すようなスラブに形成した空洞部に流体を充填した鉄筋コンクリート造の構造物に作用する地震力（ｋＮ）と、図８に示すような空洞部の形成がない鉄筋コンクリート造の構造物に作用する地震力を階毎に示したグラフである。
【図６】（ａ）は構造部材としてのスラブと柱に空洞部を形成し、各階単位での流体の排出と流入の制御を行う場合の空洞部と、排出管及び流入管の位置関係を示した平面図、（ｂ）は空洞部への流体の流入時の様子を示した（ａ）の縦断面図、（ｃ）は空洞部からの流体の排出時の様子を示した（ａ）の縦断面図である。
【図７】（ａ）は構造部材としてのスラブと柱に空洞部を形成し、複数層単位での流体の排出と流入の制御を行う場合の空洞部と、排出管及び流入管の位置関係を示した平面図、（ｂ）は空洞部への流体の流入時の様子を示した（ａ）の縦断面図である。
【図８】スラブを含めた構造部材全体が中実断面部材である従来の構造物を示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３５】
図１は構造部材２と非構造部材を有する構造物において、構造部材２と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部３が形成され、この空洞部３に流動性を有する流体４が、空洞部３からの排出と空洞部３への流入が可能な状態に充填されている可変質量型制震構造物（以下、構造物）１の構成例を示している。
【００３６】
構造部材２は前記の通り、柱、梁、耐力壁（耐震壁）、スラブ等、地震に対して抵抗力を発揮し得る部材であり、非構造部材は袖壁、垂れ壁、腰壁等の雑壁等、単独では地震に対する抵抗力を期待しない二次部材である。以下、構造部材２と非構造部材を併せて構造部材２等と言う。
【００３７】
地震の発生は例えば図１に示すように構造物１の内部、もしくは外部に設置された地震計等、加速度センサその他の加速度や振動を検出するセンサを備えた地震検出装置５で直接、検出され、その検出信号が実線の矢印で示すように制御装置６に送信され、制御装置６から破線の矢印で示すように各空洞部３に個別に、あるいは全空洞部３に同時に流体４の排出指令（の信号）が発せられる。
【００３８】
排出指令は具体的には空洞部３に接続される排出口３１の、後述する排出制御弁３１ａに、または排出制御弁３１ａと、空洞部３に接続される流入口３２の流入制御弁３２ａに開放指令として伝達される。地震波にはＰ波（初期微動）とＳ波（主要動）があるが、地震検出装置５で検出される地震波はこれらのいずれかの場合と双方の場合がある。Ｐ波とＳ波の双方を検出する場合は、到来（検出）に時刻差があるから、例えばＰ波の検出時に流入制御弁３２ａへの開放指令を送信（発信）し、Ｓ波の検出時に排出制御弁３１ａへの開放指令を送信（発信）する等、検出の時刻差を指令送信の時刻差として利用することができる。
【００３９】
上記のように制御装置６からの排出指令が排出制御弁３１ａと同時に、空洞部３に接続された流入口３２の流入制御弁３２ａにも伝達される場合には、排出制御弁３１ａの開放と同時に流入制御弁３２ａも開放するか、または時刻差が付いて排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａが開放することで、流体４に大気圧を作用させることができるため、流体４の排出時間を短縮することが可能になる。排出指令（の信号）は送信の度に排出制御弁３１ａ、または排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａには弁の開放と閉鎖の指令が交互に繰り返されるため、弁の開放と閉鎖を制御する信号でもある。
【００４０】
地震検出装置５の検出信号は例えば検出信号送信用配線を通じた有線で制御装置６に送信されるか、地震検出装置５に付属する送信機（発信機）から制御装置６に付属する受信機に無線で送信される。地震検出装置５が検出する検出信号には気象庁が発令する緊急地震速報も含まれる。
【００４１】
構造部材２等の空洞部３には排出口３１と流入口３２が接続されるか、連続して形成され、空洞部３に充填されている流体４は地震時に、上記制御装置６からの排出指令を受けた排出制御弁３１ａが開放することにより、排出口３１を通じて空洞部３から排出される。制御装置６からの排出指令も例えば排出指令信号送信用配線を通じた有線で送信される場合と、制御装置６に付属する送信機（発信機）から空洞部３（排出制御弁３１ａ）に付属する受信機に無線で送信される場合がある。排出口３１と流入口３２は単なる孔（排出孔と流入孔）の場合もあり、その場合、排出口３１と流入口３２は空洞部３に連続して形成される。
【００４２】
空洞部３に接続される、もしくは形成される排出口３１には空洞部３内部に充填されている流体４の排出、もしくは排出量を制御する上記排出制御弁３１ａが接続され、流入口３２には空洞部３から排出された流体４の流入、もしくは流入量を制御する流入制御弁３２ａが接続される。排出口３１と流入口３２は各空洞部３に形成、もしくは接続される場合と、図６、図７に示すように複数個の空洞部３単位で形成、もしくは接続される場合がある。後者の場合、複数個の空洞部３は構造部材２等の内部で互いに連通する。
【００４３】
排出制御弁３１ａは制御装置６からの排出指令に基づいて開放し、空洞部３内の流体４を排出させる。流入制御弁３２ａは例えば地震の終息時、あるいは終息後、一定時間の経過時に制御装置６からの流入指令に基づいて排出先である排出用タンク７から、あるいは排出用タンク７とは別に設置された後述の流入用タンク８から流体４を流入させる。排出用タンク７は構造部材２等の空洞部３に接近した位置に配置される場合と、距離を置いた位置に配置される場合がある。距離を置いた位置に配置される場合、空洞部３と排出用タンク７は排出制御弁３１ａに、あるいは排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａに接続される流路９を通じて連通する。
【００４４】
空洞部３に接続された排出口３１から排出された流体４は基本的には一時的に貯留する排出用タンク７から流入口３２を通じて復帰（流入）させられればよく、その場合には空洞部３には排出用タンク７のみが付属すればよい。
【００４５】
但し、図２に示すように地震の終息後に空洞部３に流体４を流入させるための流入用タンク８を、排出用タンク７とは別に設置する場合には、排出用タンク７と流入用タンク８は独立した状態にある場合と、流路９によって互いに連通し、流体４が２種類のタンク７、８間を循環させられる場合がある。流体４が例えば水のような無害の固体、もしくは液体の場合には排出用タンク７を設置することなく、排水管を通じて構造物１の外部に排出し、回収しないこともある。
【００４６】
各構造部材２等の空洞部３が独立している場合には、空洞部３毎に排出口３１と流入口３２が接続されるが、各空洞部３が互いに連通している場合には、少なくともいずれか１個の空洞部３に排出口３１が接続され、少なくとも他のいずれか１個の空洞部３に流入口３２が接続される。空洞部３は構造部材２等毎に独立する場合と、図２〜図４に示すように空洞部３の形成単位で独立する場合がある。排出口３１には流体４を排出用タンク７にまで移動させるための排出管３１ｂが接続され、流入口３２には流体４を排出用タンク７から空洞部３に移動させるための流入管３２ｂが接続される。
【００４７】
図３は構造部材２としての鉄筋コンクリート造のスラブに空洞部３を形成し、この空洞部３に流体４を充填した本発明の具体例を示しているが、図３と対比されるべき、空洞部３を持たない従来の鉄筋コンクリート造のスラブを図８に示している。図４は構造部材２である柱と梁が鉄骨造であり、スラブがデッキプレートとその上に打設される鉄筋コンクリートからなる複合構造の場合の例を示している。
【００４８】
図２〜図４に示すように空洞部３の外部（付近）に排出用タンク７が設置され、空洞部３に排出口３１（排出管３１ｂ）と流入口３２（流入管３２ｂ）が接続される場合、排出口３１に排出制御弁３１ａが接続され、流入口３２に流入制御弁３２ａが接続される。排出用タンク７に排出された流体４は地震の終息後に空洞部３内に復帰（流入）させられるから、流入口３２（流入管３２ｂ）、もしくは流入制御弁３２ａには排出用タンク７内の流体４を空洞部３に戻すためのポンプ１０が接続される。ポンプ１０は空洞部３からの流体４の排出を促すために、排出口３１（排出管３１ｂ）に接続されることもある。
【００４９】
図３、図４に示すように流入用タンク８を兼ねる排出用タンク７が空洞部３より下に位置する場合には、排出口３１に接続される排出管３１ｂから流出する流体４は排出用タンク７に落下するから、排出管３１ｂの端部は排出用タンク７の上端に位置していればよいが、流入口３２に接続される流入管３２ｂの端部は排出用タンク７内、あるいは流入用タンク８内の流体４を吸引するために、排出用タンク７の底に面する深さに位置にする。
【００５０】
図２に示すように排出用タンク７を兼ねない流入用タンク８が空洞部３より上に位置する場合には、流体４の、流入用タンク８から空洞部３への流入は開放している流入制御弁３２ａを通じて自動的に行われるから、流入口３２（流入管３２ｂ）にポンプ１０を接続する必要はないが、流入用タンク８内の流体を空洞部３に流入させるために、流入管３２ｂの端部は流入用タンク８の底に面する深さに配置される。
【００５１】
図２は構造部材２等が柱の場合の例を示している。この場合、柱（構造部材２）の内部に空洞部３が形成され、原則として空洞部３の下端部に排出口３１と流入口３２が接続されるが、図示するように流入口３２は空洞部３の上端部に接続されることもある。
【００５２】
構造部材２等が鉄筋コンクリート造（鉄骨鉄筋コンクリート造を含む）、あるいはプレキャストコンクリートの場合、空洞部３はその形成位置に回収可能な、あるいは埋殺し可能な内型枠を配置し、その周囲に鉄筋２ａ、図２の場合は主筋とせん断補強筋を配筋し、その周囲に外型枠を配置し、内型枠と外型枠間にコンクリートを打設（充填）することにより形成される。空洞部３の形成方法は構造部材２等が梁、スラブ、壁の場合も同様である。
【００５３】
図４は構造部材２であるスラブがデッキプレートとその上に打設される鉄筋コンクリート造の床版、あるいは敷設されるプレキャストコンクリートの床版である場合の例を示す。この場合、空洞部３はデッキプレートの上に例えば平坦な版を敷設することによりデッキプレートと版との間に形成される。平坦な版の敷設によりその上へのコンクリートの打設に拘らず、空洞部３の空間は維持される。
【００５４】
図６は構造部材２としてのスラブに複数個の空洞部３を形成し、そのスラブを包囲する四隅の、構造部材２としての柱にも空洞部３を形成した場合に、（ｂ）に示すように各柱の空洞部３の上端部に流入口３２と流入管３２ｂを接続すると共に、下端部に排出口３１と排出管３１ｂを接続し、各階単位での流体４の排出と流入の制御を行う方式例を示している。
【００５５】
スラブ内における複数個の空洞部３の配列、及び柱内における空洞部３の配置、すなわち柱内にも複数個の空洞部３を形成するか、単一の空洞部３を形成するかは任意であり、複数個の空洞部３を形成する場合の配列状態も任意である。図６の場合、スラブ内の隣接する空洞部３、３は流路９によって互いに連通し、スラブ内の端部、すなわち図示する場合の短スパン方向の梁寄りに位置する空洞部３は柱の空洞部３に連通する。
【００５６】
図６は排出口３１の排出制御弁３１ａと流入口３２の流入制御弁３２ａの開閉を連動させ、例えば空洞部３内に充填されている流体４排出時である排出制御弁３１ａの開放時に、流入制御弁３２ａも開放させる場合の例を示している。
【００５７】
具体的には図６−（ｂ）、（ｃ）は排出口３１の排出制御弁３１ａと流入口３２の流入制御弁３２ａに、制御装置６から同時に排出指令の信号が送信され、地震検出に連動して少なくともいずれか１箇所（１個）の排出制御弁３１ａと少なくともいずれか１箇所（１個）の流入制御弁３２ａが同時に開放し、また閉鎖する場合の例を示している。流入制御弁３２ａの開放時には流入制御弁３２ａから流路９内に空気が入り込み、空気が流体４に大気圧を作用させ、排出制御弁３１ａからの排出を促す働きをする。
【００５８】
但し、排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａの開閉は必ずしも地震検出に連動する必要はなく、僅かな時間差を持ってそれぞれを開閉させることも可能であり、排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａのいずれかの開閉を上記したＰ波の検出に連動させ、他の開閉をＳ波の検出に連動させることも可能である。
【００５９】
柱の上端部に接続された流入制御弁３２ａは図６−（ｂ）に示すように流体４を空洞部３に直接、流入させるために利用される他、上記のように他の流入制御弁３２ａからの流体４流入時に空洞部３と流路９内に存在している空気を排出させるためにも利用される。柱の下端部に接続された排出制御弁３１ａは図６−（ｃ）に示すように空洞部３内に充填されている流体４の排出時に排出のために利用される他、排出用タンク７への排出後の流体４の流入（復帰）のためにも利用される。
【００６０】
図６では（ｂ）に示すように空洞部３への流体４の流入時に、スラブを挟んで両側に位置する柱の下端部における全排出制御弁３１ａを閉鎖させたまま、上端部における流入制御弁３２ａ、３２ａを開放させ、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３１ａから流体４を流入させている。また（ｃ）に示すように空洞部３からの排出時に、全流入制御弁３２ａと全排出制御弁３１ａを開放させ、排出制御弁３１ａからの流体４の排出を、流入制御弁３２ａから流路９内に取り込まれる空気（大気圧）によって促進させている。流体４の排出時には必ずしも全排出制御弁３１ａを開放させる必要はない。
【００６１】
図６−（ｂ）に示すように流体４をいずれかの、柱における空洞部３の上端部に位置する少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから空洞部３内に流入させる場合、流体４の流入時には柱の空洞部３の下端部に位置する全排出制御弁３１ａを閉鎖状態に維持することが必要になり、その際、流体４の流入を促すために、他の少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａからは空気を排出（排気）することが合理的である。流体４流入時に空洞部３内の空気を排出させる上では、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａが開放していればよく、それ以外の少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから流体４を流入させればよい。
【００６２】
流体４が全空洞部３内に完全に充填されたことは、空気が排出されるいずれかの流入制御弁３２ａから流体４が排出されることで確認される。この関係で、空気が排出される流入制御弁３２ａの外側には排出用タンク７を設置しておくことが必要になるか、その流入制御弁３２ａに、例えば排出制御弁３１ａの外部に設置されている排出用タンク７に排出された流体４を導くための流路９を接続することが必要になる。
【００６３】
スラブと柱の空洞部３には少なくともいずれか１箇所の排出制御弁３１ａを通じても流体４を流入させることができるため、柱の空洞部３上端部の、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａを開放状態にしたまま、あるいは全流入制御弁３２ａを開放状態にしたまま、柱の空洞部３下端部のいずれかの、または全排出制御弁３１ａから流体４を空洞部３に流入させることもある。
【００６４】
空洞部３からの流体４排出時には図６−（ｃ）に示すように少なくともいずれか１箇所の排出制御弁３１ａを開放させた状態で、あるいは開放させると同時に、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａを開放させ、空気を取り込むことで、流体４の排出が行われる。「開放させた状態で」とは、時間差を持って開放させることを意味する。
【００６５】
図７は複数層、具体的には２層分のスラブ内の空洞部３と柱内の空洞部３を流路９によって連通させ、これら複数層のスラブと柱に充填される流体４に対する排出と流入の制御を行う方式例を示している。平面図は（ａ）に示すように図６の場合と同様になる。
【００６６】
図７では複数層に亘る空洞部３内の流体４の排出と流入を制御することから、複数層の柱内には図７−（ｂ）に示すように１個の連続した空洞部３が形成されるか、複数個の空洞部３が形成される。後者の場合には複数個の空洞部３が流路９によって互いに連通させられる。各層のスラブ内の空洞部３は各層の柱の空洞部３に連通する。
【００６７】
図７−（ｂ）は全排出制御弁３１ａを閉鎖させると共に、全流入制御弁３２ａを開放させた状態で、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから流体４を空洞部３内に流入させているときの様子を示している。流体４が流入する流入制御弁３２ａ以外の流入制御弁３２ａからは空気は排出される。流体４排出時の様子は図６−（ｃ）と同様になる。
【００６８】
図７のように複数層に亘る空洞部３内に流体４を充填する場合には、流体４を流入させる流入制御弁３２ａに、あるいは流入管３２ｂに流体４に圧力を与えながら流入させるための加圧装置、もしくはポンプ１０を接続しておくことが必要になることもある。
【符号の説明】
【００６９】
１……可変質量型制震構造物（構造物）、２……構造部材、２ａ……鉄筋、
３……空洞部、
３１……排出口、３１ａ……排出制御弁、３１ｂ……排出管、
３２……流入口、３２ａ……流入制御弁、３２ｂ……流入管、
４……流体、
５……地震検出装置、６……制御装置、
７……排出用タンク、８……流入用タンク、９……流路、１０……ポンプ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造物を構成する構造部材と非構造部材の少なくともいずれかに形成した空洞部に流体を排出と流入が自在な状態に充填することで、構造物の質量を可変にし、構造物に制震の性能を付与した可変質量型制震構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
構造物の質量は高層化、またはスラブ厚の増大に伴って増加し、質量の増加に伴い、構造物に作用する慣性力である地震力も増大する。それに伴い、地震力に抵抗させる目的から、柱と梁、壁等、構造部材の断面寸法を増すか、構造部材に高強度材料を使用するか、鉄筋の配筋量を増す等の対応の必要が生じている。柱の断面寸法の増加は床面積の縮小化を、高強度材料の使用は材料費用の高騰をそれぞれ招き、配筋量の増加は作業効率の低下により歩掛りの低下を招いている。
【０００３】
鉄筋コンクリート造は剛性の高さに基づく居住性の面から、主に共同住宅（集合住宅）に採用されることが多く、床スラブには居住空間の快適性に対する要求として高い遮音性能が求められる。スラブにおける遮音性能はスラブの質量に依存するから、遮音性能を上げるには結局、スラブ厚を増すしか方法がなく、要求される遮音性能を満たすために、構造耐力上、必要とされるスラブ厚よりも大きくなり、場合によっては２倍程度のスラブ厚になることもある。
【０００４】
一方、前記の通り、スラブ厚の増加は地震力の増大につながり、地震力に抵抗させる上で、柱・梁の大断面化、配筋量の増加、居住空間の縮小化、材料費の高騰、歩掛りの低下に直結するため、遮音性能の追求は質量の増加と地震力の増大が繰り返される悪循環に陥る。
【０００５】
スラブをボイドスラブにし、見かけ上、スラブ厚を大きくする方法もあるが（特許文献１、２参照）、コンクリートが充填されないボイド内の空間は遮音のために機能することがないから、ボイドスラブは等価質量程度の遮音性能を持つに過ぎない。
【０００６】
柱の断面寸法を上層階に行くに従い、縮小させることで、一部の構造部材の軽量化を図ることは可能であるが、下層階から上層階に向けて柱の断面を縮小させることは、全層の柱の断面を統一したいデザイン上の要求と相容れない。構造物の質量の増加には構造部材のみに限らず、雑壁、パラペット等の非構造部材（二次部材）の質量も影響する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１７０３９８号公報（請求項１、段落００１５、００２４、図１〜図３）
【特許文献２】特開２００４−５２４９１号公報（請求項１、段落００１３〜００１７、図１〜図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１ではボイドスラブのボイド（中空部）内に、膨張状態でボイドの内周面から距離が確保される袋体を配置（収納）し、スラブが地震力によって相対移動するときに、袋体の追従を慣性によって遅らせ、袋体の慣性力をスラブに対し、移動の向きと逆向きに作用させることで、スラブの振動減衰のために利用している。しかしながら、袋体はボイド内で空隙を持って配置される以上、スラブの遮音性能を上げることに寄与することはない。
【０００９】
特許文献２ではボイドスラブのボイド内に発泡剤を充填した袋体を隙間のない状態で配置している。但し、特許文献２は衝撃音の遮断を目的として発泡剤を使用しているものの、発泡剤自体に遮音性能はないから、遮音効果を期待することはできない。
【００１０】
本発明は上記背景より、例えば床スラブにおける遮音性能を確保しながら、地震力を低減することが可能な構造の可変質量型制震構造物を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明の可変質量型制震構造物は、構造部材と非構造部材を有する構造物において、前記構造部材と前記非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部が形成され、この空洞部に流動性を有する流体が、前記空洞部からの排出と前記空洞部への流入が可能な状態に充填されていることを構成要件とする。
【００１２】
構造部材は主に柱、梁、耐力壁（耐震壁）、スラブ、基礎、杭等、耐力が期待される部材を指し、非構造部材は袖壁、垂れ壁、腰壁等の雑壁等、構造部材に接続する二次部材を指す。構造物の構造種別は主に鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造であるが、これらと鉄骨造との複合構造の場合もある。少なくとも一部に流体の充填が可能な空洞部が形成可能な構造部材、または非構造部材を持つ構造形式であれば、構造種別は問われず、梁と柱、スラブ等の一部、もしくは全体が鉄骨造の場合もある。
【００１３】
構造部材、または非構造部材（以下、構造部材等）に形成される空洞部は少なくとも流体の排出のための孔（管）である排出口（排出管）を通じて構造部材等の外部と連通すればよい。基本的には例えば排出口（排出管）の内部が流体の排出用と流入用に区分される（仕切られる）等、孔（口）を通過する流体が孔（口）の断面を完全に閉塞しない状態で孔（口）を通過すれば、排出口（排出管）を通じてのみでも空洞部内の流体の排出と流入は行われる。従って空洞部に接続される、あるいは連続して形成される孔（管）は排出口（排出管）のみでも足り、必ずしも流入口が空洞部に接続、あるいは形成される必要はない。
【００１４】
但し、流体自体の粘性に起因し、排出口（排出管）を通じてのみでは流体の排出と流入が円滑に行われないような場合、例えば排出時の流動時間が長くなる、あるいは流動が生じにくいことが想定される場合には、排出口（排出管）と対となる、流体の流動性を上げ、排出と流入を生じ易くするための孔（管）である流入口（流入管）が空洞部に形成、あるいは接続される（請求項２）。流入口と排出口はそれぞれ単なる流入孔と排出孔の場合と、流入管と排出管の場合もある。
【００１５】
流入口（流入管）は開放した状態で流体の、空洞部からの排出時に流体に大気圧を作用させることで、流体の流動を促し、流体の復帰（流入）時には気圧による抵抗を小さくすることで、復帰時の流入をし易くし、排出時間と復帰（流入）時間を短縮する働きをする。構造部材等の空洞部に排出口（排出管）と流入口（流入管）が接続された場合には、空洞部に充填されている流体が地震時に排出管を通じて空洞部から排出され（請求項２）、地震終息後には排出管を通じて、または流入管を通じて空洞部に流入（復帰）する。
【００１６】
外部に連通した空洞部が構造部材等の内部に形成され、この空洞部に流動性を有する流体が排出と流入が可能な状態に充填されていることで、平常時、すなわち地震時以外のときには流体が空洞部内の空間を埋めるため、構造部材は中実断面の部材として機能し、遮音性能を発揮する。流体が空洞部内に充填されているときに、遮音性能を要求されることから、流体には主として遮音性能のある液体、固体、ゲル状物質の使用が適する。
【００１７】
流体を常温での状態で区分すれば、ア）常温で液体の状態にある物質、イ）常温で固体でありながら、電気信号、温度変化、化学変化等の外的要因の作用によって液体に変化する物質、ウ）外的要因の作用によって固体から液体を経て気体になるか、固体から直接、気体に変化する物質等が本発明の流体として使用可能な材料として想定される。
【００１８】
具体的には無害な液体として、水、ポリタングステン酸ナトリウム（ＳＰＴ）、塩化カルシウムがある。有害な重液として、水銀、塩化亜鉛、ブロモフォルム、テトラブロモエタン、ＣＨ３Ｉ（ヨードメタン）、ＳｎＣｌ４（四塩化スズ）、ＣＨ２Ｂｒ２（ジブロモメタン）、ＭｏＦ６（六フッ化モリブデン）、ＳｂＣｌ３（三塩化アンチモン）、ＣＨＢｒ３（トリブロモメタン）、ＣＢｒ４（テトラブロモメタン）、Ｂｒ２ＣＨＣＨＢｒ２（テトラブロモエタン）、ＢａＨｇＢｒ４（四臭化バリウム水銀）、ＣＨ２Ｉ２（ジヨードメタン）、ＳｎＢｒ４（四臭化スズ）、ＣＨ２Ｉ２＋ＣＨＩ３、Ｌ２ＨｇＩ４＋Ｈ２Ｏ、ＨＣＯ2Ｔｌ＋Ｈ２Ｏ、ＳｎＩ４、ＢａＨｇＩ４＋Ｈ２Ｏ、ＯｓＯ４、ＡｇＴｌ（ＮＯ３）２＋Ｈ２Ｏ、ＨＣＯ２Ｔｌ＋Ｃ３Ｈ２Ｏ４Ｔｌ２＋Ｈ２Ｏ、ＨｇＣｌ２＋Ｈｇｌ２＋ＳｂＣｌ３、ＨｇＴｌ（ＮＯ３）２＋Ｈ２Ｏ等がある。有害な重液を使用する場合には、排出口（排出管）と流入口（流入管）に浸食等に対する保護のための被覆等の処理を必要とする。
【００１９】
地震時には流体が空洞部から排出されることで、空洞部は中空になり、構造部材等は質量の小さい中空断面の部材として機能するため、構造部材等が受ける地震力は中実断面の場合より空洞部の容積に相当する質量分、低下する。
【００２０】
地震時に柱、梁、スラブ等の構造部材等が中空断面部材になり、質量が低下することで、構造部材等が地震時に受ける地震力が低下するため、地震力によって受ける構造部材等の損傷が軽減される。構造部材等が受ける地震力が低減されることで、構造部材等に与えておくべき断面寸法を減少させることが可能になり、例えば柱の断面寸法の縮小によって床面積を拡大することが可能になる。
【００２１】
また地震力が低減されることで、構造部材等に高強度の材料を使用する必要がないため、材料費の高騰は回避される。併せて地震力の低減によって構造部材等に高強度を与えておく必要がないことから、プレキャストコンクリートの場合を含め、鉄筋コンクリート造、あるいは鉄骨鉄筋コンクリート造の場合に配筋量の増加を招くことがないため、構造部材等が中実断面部材である場合より施工コストの低減を図ることが可能になる。同時に配筋量の増加に伴う作業効率の低下を招くことはないため、歩掛りの低下は回避される。
【００２２】
例えば鉄筋コンクリート造の集合住宅におけるスラブの厚さは遮音性能を持たせる関係から、通常、２３０ｍｍを超えているが、地震力に対して十分な耐力を確保する上ではスラブは１３０ｍｍ程度以上の厚さを持っていればよいから、約半分程度の質量が地震力に対しては不要であり、削減可能になっている。構造物の上層階では柱と梁の断面寸法も必要以上に大きくなっているから、この不必要な寸法分も削減可能である。
【００２３】
例えば厚さが２３０ｍｍのスラブを持つ構造物が地震時に受ける地震力と、厚さが１３０ｍｍのスラブを持つ構造物が地震時に受ける地震力を図５に対比して示す。破線が２３０ｍｍのスラブを持つ構造物の地震力を、実線が１３０ｍｍのスラブを持つ本発明の構造物の地震力を示している。
【００２４】
図５に示す対比例の場合、スラブ厚を２３０ｍｍから１３０ｍｍに減少させていることで、１３０ｍｍのスラブを持つ構造物の総質量は２３０ｍｍのスラブを持つ構造物の約７５％にまで低減している。このことは、スラブ厚を減少させた構造物に求められる必要保有水平耐力が減少前の構造物の必要保有水平耐力の７５％になることを意味する。この減少分により、構造部材の断面寸法を減少させることが可能になり、また高強度材料を使用する必要はなく、配筋量の低減を図ることも可能になる。
【００２５】
例えば図３、図４に示すようにスラブに空洞部が形成され、この空洞部に流体が充填された構造物において、空洞部に流体が充填された状態の平常時には流体が空洞部内の空隙を閉塞していることで、スラブは中実断面部材となっているため、空洞部を持たないスラブと同等の遮音性能を保有している。
【００２６】
地震の発生時には空洞部から流体が排出され、空洞部が中空になることで、スラブの質量が流体分、減少するため、図５に実線で示すように構造物の各スラブが受ける地震力はスラブが中実断面部材である場合より低下する。図５中、スラブが中実断面部材である場合の構造物に作用する地震力の階毎の分布を破線で示している。地震力は慣性力であるから、下層階程、大きい。
【００２７】
構造部材等の空洞部に充填された状態にある流体が地震時に空洞部から排出されることは具体的には、地震時に検出装置（センサ）が取得した検出信号が排出口（排出管）に接続されている弁の開閉を制御する制御装置（コントローラ）に送信され、制御装置が閉鎖している弁を開放させることで、実行される。あるいは排出口（排出管）の弁の開放と同時に流入管の弁を開放させることで、実行される。地震の検出信号としては地震計（強震計）を始めとする検出装置が検出した信号の他、気象庁が発令し、検出装置が受信した緊急地震速報も使用される。
【００２８】
例えば構造部材等の空洞部が流体の排出先であるタンクより相対的に上に位置している場合には、流体は排出口（排出管）の弁、あるいは排出口の弁と流入口の弁が開放されることで、自動的に空洞部から排出される。タンクに排出された流体は地震の終息後に、例えばポンプによって開放している弁を通じて空洞部内に戻され、流体が空洞部内に復帰した状態で弁が閉鎖状態に保たれる。
【００２９】
空洞部から排出される流体を貯留する排出用のタンクと、地震の終息後に空洞部に流体を充填させる充填用のタンクは同一の場合と相違する場合があり、相違する場合は排出用タンクと充填用タンクは流体移動用の管（流路）によって連通させられ、排出用タンクに排出された流体はポンプによって充填用タンクに移動させられる。排出用のタンクに排出された流体もポンプによって空洞部に復帰させられる。
【発明の効果】
【００３０】
構造部材と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部を形成し、この空洞部に流動性を有する流体を、空洞部からの排出と空洞部への流入が可能な状態に充填し、地震時に流体を空洞部から排出させることで、空洞部を中空にし、構造部材等を質量の小さい中空断面部材として機能させるため、構造部材等が受ける地震力を中実断面の場合より空洞部の容積に相当する質量分、低下させることができる。
【００３１】
地震時に構造部材等の質量が低下することで、構造部材等が地震時に受ける地震力が低減されるため、構造部材等に与えておくべき断面寸法を減少させることができ、例えば柱の断面寸法の縮小によって床面積を拡大することができる。
【００３２】
地震力の低減により、構造部材等に高強度の材料を使用する必要がないため、材料費の高騰を回避することができる他、地震力の低減によって構造部材等に高強度を与えておく必要がないため、鉄筋コンクリート造、あるいは鉄骨鉄筋コンクリート造の場合に配筋量の増加とそれに伴う作業効率の低下を招くことがなくなり、歩掛りの低下を回避することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】地震検出装置が地震の発生を検出したときの検出信号の、制御装置への送信とそれに起因して発生する制御装置による流体の排出指令の、空洞部への送信の流れを示した概要（概念）図である。
【図２】（ａ）は構造物が鉄筋コンクリート造、もしくは鉄骨鉄筋コンクリート造である場合に、構造部材としてのコンクリート造の柱に形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の横断面図である。
【図３】構造物が鉄筋コンクリート造、もしくは鉄骨鉄筋コンクリート造である場合に、構造部材としてのコンクリート造のスラブに形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図である。
【図４】構造物が鉄骨造である場合に、デッキプレートとその上に打設されるコンクリートからなる構造部材としてのスラブに形成された空洞部に流体が充填されている様子を示した縦断面図である。
【図５】図３に示すようなスラブに形成した空洞部に流体を充填した鉄筋コンクリート造の構造物に作用する地震力（ｋＮ）と、図８に示すような空洞部の形成がない鉄筋コンクリート造の構造物に作用する地震力を階毎に示したグラフである。
【図６】（ａ）は構造部材としてのスラブと柱に空洞部を形成し、各階単位での流体の排出と流入の制御を行う場合の空洞部と、排出管及び流入管の位置関係を示した平面図、（ｂ）は空洞部への流体の流入時の様子を示した（ａ）の縦断面図、（ｃ）は空洞部からの流体の排出時の様子を示した（ａ）の縦断面図である。
【図７】（ａ）は構造部材としてのスラブと柱に空洞部を形成し、複数層単位での流体の排出と流入の制御を行う場合の空洞部と、排出管及び流入管の位置関係を示した平面図、（ｂ）は空洞部への流体の流入時の様子を示した（ａ）の縦断面図である。
【図８】スラブを含めた構造部材全体が中実断面部材である従来の構造物を示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３５】
図１は構造部材２と非構造部材を有する構造物において、構造部材２と非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部３が形成され、この空洞部３に流動性を有する流体４が、空洞部３からの排出と空洞部３への流入が可能な状態に充填されている可変質量型制震構造物（以下、構造物）１の構成例を示している。
【００３６】
構造部材２は前記の通り、柱、梁、耐力壁（耐震壁）、スラブ等、地震に対して抵抗力を発揮し得る部材であり、非構造部材は袖壁、垂れ壁、腰壁等の雑壁等、単独では地震に対する抵抗力を期待しない二次部材である。以下、構造部材２と非構造部材を併せて構造部材２等と言う。
【００３７】
地震の発生は例えば図１に示すように構造物１の内部、もしくは外部に設置された地震計等、加速度センサその他の加速度や振動を検出するセンサを備えた地震検出装置５で直接、検出され、その検出信号が実線の矢印で示すように制御装置６に送信され、制御装置６から破線の矢印で示すように各空洞部３に個別に、あるいは全空洞部３に同時に流体４の排出指令（の信号）が発せられる。
【００３８】
排出指令は具体的には空洞部３に接続される排出口３１の、後述する排出制御弁３１ａに、または排出制御弁３１ａと、空洞部３に接続される流入口３２の流入制御弁３２ａに開放指令として伝達される。地震波にはＰ波（初期微動）とＳ波（主要動）があるが、地震検出装置５で検出される地震波はこれらのいずれかの場合と双方の場合がある。Ｐ波とＳ波の双方を検出する場合は、到来（検出）に時刻差があるから、例えばＰ波の検出時に流入制御弁３２ａへの開放指令を送信（発信）し、Ｓ波の検出時に排出制御弁３１ａへの開放指令を送信（発信）する等、検出の時刻差を指令送信の時刻差として利用することができる。
【００３９】
上記のように制御装置６からの排出指令が排出制御弁３１ａと同時に、空洞部３に接続された流入口３２の流入制御弁３２ａにも伝達される場合には、排出制御弁３１ａの開放と同時に流入制御弁３２ａも開放するか、または時刻差が付いて排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａが開放することで、流体４に大気圧を作用させることができるため、流体４の排出時間を短縮することが可能になる。排出指令（の信号）は送信の度に排出制御弁３１ａ、または排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａには弁の開放と閉鎖の指令が交互に繰り返されるため、弁の開放と閉鎖を制御する信号でもある。
【００４０】
地震検出装置５の検出信号は例えば検出信号送信用配線を通じた有線で制御装置６に送信されるか、地震検出装置５に付属する送信機（発信機）から制御装置６に付属する受信機に無線で送信される。地震検出装置５が検出する検出信号には気象庁が発令する緊急地震速報も含まれる。
【００４１】
構造部材２等の空洞部３には排出口３１と流入口３２が接続されるか、連続して形成され、空洞部３に充填されている流体４は地震時に、上記制御装置６からの排出指令を受けた排出制御弁３１ａが開放することにより、排出口３１を通じて空洞部３から排出される。制御装置６からの排出指令も例えば排出指令信号送信用配線を通じた有線で送信される場合と、制御装置６に付属する送信機（発信機）から空洞部３（排出制御弁３１ａ）に付属する受信機に無線で送信される場合がある。排出口３１と流入口３２は単なる孔（排出孔と流入孔）の場合もあり、その場合、排出口３１と流入口３２は空洞部３に連続して形成される。
【００４２】
空洞部３に接続される、もしくは形成される排出口３１には空洞部３内部に充填されている流体４の排出、もしくは排出量を制御する上記排出制御弁３１ａが接続され、流入口３２には空洞部３から排出された流体４の流入、もしくは流入量を制御する流入制御弁３２ａが接続される。排出口３１と流入口３２は各空洞部３に形成、もしくは接続される場合と、図６、図７に示すように複数個の空洞部３単位で形成、もしくは接続される場合がある。後者の場合、複数個の空洞部３は構造部材２等の内部で互いに連通する。
【００４３】
排出制御弁３１ａは制御装置６からの排出指令に基づいて開放し、空洞部３内の流体４を排出させる。流入制御弁３２ａは例えば地震の終息時、あるいは終息後、一定時間の経過時に制御装置６からの流入指令に基づいて排出先である排出用タンク７から、あるいは排出用タンク７とは別に設置された後述の流入用タンク８から流体４を流入させる。排出用タンク７は構造部材２等の空洞部３に接近した位置に配置される場合と、距離を置いた位置に配置される場合がある。距離を置いた位置に配置される場合、空洞部３と排出用タンク７は排出制御弁３１ａに、あるいは排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａに接続される流路９を通じて連通する。
【００４４】
空洞部３に接続された排出口３１から排出された流体４は基本的には一時的に貯留する排出用タンク７から流入口３２を通じて復帰（流入）させられればよく、その場合には空洞部３には排出用タンク７のみが付属すればよい。
【００４５】
但し、図２に示すように地震の終息後に空洞部３に流体４を流入させるための流入用タンク８を、排出用タンク７とは別に設置する場合には、排出用タンク７と流入用タンク８は独立した状態にある場合と、流路９によって互いに連通し、流体４が２種類のタンク７、８間を循環させられる場合がある。流体４が例えば水のような無害の固体、もしくは液体の場合には排出用タンク７を設置することなく、排水管を通じて構造物１の外部に排出し、回収しないこともある。
【００４６】
各構造部材２等の空洞部３が独立している場合には、空洞部３毎に排出口３１と流入口３２が接続されるが、各空洞部３が互いに連通している場合には、少なくともいずれか１個の空洞部３に排出口３１が接続され、少なくとも他のいずれか１個の空洞部３に流入口３２が接続される。空洞部３は構造部材２等毎に独立する場合と、図２〜図４に示すように空洞部３の形成単位で独立する場合がある。排出口３１には流体４を排出用タンク７にまで移動させるための排出管３１ｂが接続され、流入口３２には流体４を排出用タンク７から空洞部３に移動させるための流入管３２ｂが接続される。
【００４７】
図３は構造部材２としての鉄筋コンクリート造のスラブに空洞部３を形成し、この空洞部３に流体４を充填した本発明の具体例を示しているが、図３と対比されるべき、空洞部３を持たない従来の鉄筋コンクリート造のスラブを図８に示している。図４は構造部材２である柱と梁が鉄骨造であり、スラブがデッキプレートとその上に打設される鉄筋コンクリートからなる複合構造の場合の例を示している。
【００４８】
図２〜図４に示すように空洞部３の外部（付近）に排出用タンク７が設置され、空洞部３に排出口３１（排出管３１ｂ）と流入口３２（流入管３２ｂ）が接続される場合、排出口３１に排出制御弁３１ａが接続され、流入口３２に流入制御弁３２ａが接続される。排出用タンク７に排出された流体４は地震の終息後に空洞部３内に復帰（流入）させられるから、流入口３２（流入管３２ｂ）、もしくは流入制御弁３２ａには排出用タンク７内の流体４を空洞部３に戻すためのポンプ１０が接続される。ポンプ１０は空洞部３からの流体４の排出を促すために、排出口３１（排出管３１ｂ）に接続されることもある。
【００４９】
図３、図４に示すように流入用タンク８を兼ねる排出用タンク７が空洞部３より下に位置する場合には、排出口３１に接続される排出管３１ｂから流出する流体４は排出用タンク７に落下するから、排出管３１ｂの端部は排出用タンク７の上端に位置していればよいが、流入口３２に接続される流入管３２ｂの端部は排出用タンク７内、あるいは流入用タンク８内の流体４を吸引するために、排出用タンク７の底に面する深さに位置にする。
【００５０】
図２に示すように排出用タンク７を兼ねない流入用タンク８が空洞部３より上に位置する場合には、流体４の、流入用タンク８から空洞部３への流入は開放している流入制御弁３２ａを通じて自動的に行われるから、流入口３２（流入管３２ｂ）にポンプ１０を接続する必要はないが、流入用タンク８内の流体を空洞部３に流入させるために、流入管３２ｂの端部は流入用タンク８の底に面する深さに配置される。
【００５１】
図２は構造部材２等が柱の場合の例を示している。この場合、柱（構造部材２）の内部に空洞部３が形成され、原則として空洞部３の下端部に排出口３１と流入口３２が接続されるが、図示するように流入口３２は空洞部３の上端部に接続されることもある。
【００５２】
構造部材２等が鉄筋コンクリート造（鉄骨鉄筋コンクリート造を含む）、あるいはプレキャストコンクリートの場合、空洞部３はその形成位置に回収可能な、あるいは埋殺し可能な内型枠を配置し、その周囲に鉄筋２ａ、図２の場合は主筋とせん断補強筋を配筋し、その周囲に外型枠を配置し、内型枠と外型枠間にコンクリートを打設（充填）することにより形成される。空洞部３の形成方法は構造部材２等が梁、スラブ、壁の場合も同様である。
【００５３】
図４は構造部材２であるスラブがデッキプレートとその上に打設される鉄筋コンクリート造の床版、あるいは敷設されるプレキャストコンクリートの床版である場合の例を示す。この場合、空洞部３はデッキプレートの上に例えば平坦な版を敷設することによりデッキプレートと版との間に形成される。平坦な版の敷設によりその上へのコンクリートの打設に拘らず、空洞部３の空間は維持される。
【００５４】
図６は構造部材２としてのスラブに複数個の空洞部３を形成し、そのスラブを包囲する四隅の、構造部材２としての柱にも空洞部３を形成した場合に、（ｂ）に示すように各柱の空洞部３の上端部に流入口３２と流入管３２ｂを接続すると共に、下端部に排出口３１と排出管３１ｂを接続し、各階単位での流体４の排出と流入の制御を行う方式例を示している。
【００５５】
スラブ内における複数個の空洞部３の配列、及び柱内における空洞部３の配置、すなわち柱内にも複数個の空洞部３を形成するか、単一の空洞部３を形成するかは任意であり、複数個の空洞部３を形成する場合の配列状態も任意である。図６の場合、スラブ内の隣接する空洞部３、３は流路９によって互いに連通し、スラブ内の端部、すなわち図示する場合の短スパン方向の梁寄りに位置する空洞部３は柱の空洞部３に連通する。
【００５６】
図６は排出口３１の排出制御弁３１ａと流入口３２の流入制御弁３２ａの開閉を連動させ、例えば空洞部３内に充填されている流体４排出時である排出制御弁３１ａの開放時に、流入制御弁３２ａも開放させる場合の例を示している。
【００５７】
具体的には図６−（ｂ）、（ｃ）は排出口３１の排出制御弁３１ａと流入口３２の流入制御弁３２ａに、制御装置６から同時に排出指令の信号が送信され、地震検出に連動して少なくともいずれか１箇所（１個）の排出制御弁３１ａと少なくともいずれか１箇所（１個）の流入制御弁３２ａが同時に開放し、また閉鎖する場合の例を示している。流入制御弁３２ａの開放時には流入制御弁３２ａから流路９内に空気が入り込み、空気が流体４に大気圧を作用させ、排出制御弁３１ａからの排出を促す働きをする。
【００５８】
但し、排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａの開閉は必ずしも地震検出に連動する必要はなく、僅かな時間差を持ってそれぞれを開閉させることも可能であり、排出制御弁３１ａと流入制御弁３２ａのいずれかの開閉を上記したＰ波の検出に連動させ、他の開閉をＳ波の検出に連動させることも可能である。
【００５９】
柱の上端部に接続された流入制御弁３２ａは図６−（ｂ）に示すように流体４を空洞部３に直接、流入させるために利用される他、上記のように他の流入制御弁３２ａからの流体４流入時に空洞部３と流路９内に存在している空気を排出させるためにも利用される。柱の下端部に接続された排出制御弁３１ａは図６−（ｃ）に示すように空洞部３内に充填されている流体４の排出時に排出のために利用される他、排出用タンク７への排出後の流体４の流入（復帰）のためにも利用される。
【００６０】
図６では（ｂ）に示すように空洞部３への流体４の流入時に、スラブを挟んで両側に位置する柱の下端部における全排出制御弁３１ａを閉鎖させたまま、上端部における流入制御弁３２ａ、３２ａを開放させ、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３１ａから流体４を流入させている。また（ｃ）に示すように空洞部３からの排出時に、全流入制御弁３２ａと全排出制御弁３１ａを開放させ、排出制御弁３１ａからの流体４の排出を、流入制御弁３２ａから流路９内に取り込まれる空気（大気圧）によって促進させている。流体４の排出時には必ずしも全排出制御弁３１ａを開放させる必要はない。
【００６１】
図６−（ｂ）に示すように流体４をいずれかの、柱における空洞部３の上端部に位置する少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから空洞部３内に流入させる場合、流体４の流入時には柱の空洞部３の下端部に位置する全排出制御弁３１ａを閉鎖状態に維持することが必要になり、その際、流体４の流入を促すために、他の少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａからは空気を排出（排気）することが合理的である。流体４流入時に空洞部３内の空気を排出させる上では、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａが開放していればよく、それ以外の少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから流体４を流入させればよい。
【００６２】
流体４が全空洞部３内に完全に充填されたことは、空気が排出されるいずれかの流入制御弁３２ａから流体４が排出されることで確認される。この関係で、空気が排出される流入制御弁３２ａの外側には排出用タンク７を設置しておくことが必要になるか、その流入制御弁３２ａに、例えば排出制御弁３１ａの外部に設置されている排出用タンク７に排出された流体４を導くための流路９を接続することが必要になる。
【００６３】
スラブと柱の空洞部３には少なくともいずれか１箇所の排出制御弁３１ａを通じても流体４を流入させることができるため、柱の空洞部３上端部の、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａを開放状態にしたまま、あるいは全流入制御弁３２ａを開放状態にしたまま、柱の空洞部３下端部のいずれかの、または全排出制御弁３１ａから流体４を空洞部３に流入させることもある。
【００６４】
空洞部３からの流体４排出時には図６−（ｃ）に示すように少なくともいずれか１箇所の排出制御弁３１ａを開放させた状態で、あるいは開放させると同時に、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａを開放させ、空気を取り込むことで、流体４の排出が行われる。「開放させた状態で」とは、時間差を持って開放させることを意味する。
【００６５】
図７は複数層、具体的には２層分のスラブ内の空洞部３と柱内の空洞部３を流路９によって連通させ、これら複数層のスラブと柱に充填される流体４に対する排出と流入の制御を行う方式例を示している。平面図は（ａ）に示すように図６の場合と同様になる。
【００６６】
図７では複数層に亘る空洞部３内の流体４の排出と流入を制御することから、複数層の柱内には図７−（ｂ）に示すように１個の連続した空洞部３が形成されるか、複数個の空洞部３が形成される。後者の場合には複数個の空洞部３が流路９によって互いに連通させられる。各層のスラブ内の空洞部３は各層の柱の空洞部３に連通する。
【００６７】
図７−（ｂ）は全排出制御弁３１ａを閉鎖させると共に、全流入制御弁３２ａを開放させた状態で、少なくともいずれか１箇所の流入制御弁３２ａから流体４を空洞部３内に流入させているときの様子を示している。流体４が流入する流入制御弁３２ａ以外の流入制御弁３２ａからは空気は排出される。流体４排出時の様子は図６−（ｃ）と同様になる。
【００６８】
図７のように複数層に亘る空洞部３内に流体４を充填する場合には、流体４を流入させる流入制御弁３２ａに、あるいは流入管３２ｂに流体４に圧力を与えながら流入させるための加圧装置、もしくはポンプ１０を接続しておくことが必要になることもある。
【符号の説明】
【００６９】
１……可変質量型制震構造物（構造物）、２……構造部材、２ａ……鉄筋、
３……空洞部、
３１……排出口、３１ａ……排出制御弁、３１ｂ……排出管、
３２……流入口、３２ａ……流入制御弁、３２ｂ……流入管、
４……流体、
５……地震検出装置、６……制御装置、
７……排出用タンク、８……流入用タンク、９……流路、１０……ポンプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材と非構造部材を有する構造物において、
前記構造部材と前記非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部が形成され、この空洞部に流動性を有する流体が、前記空洞部からの排出と前記空洞部への流入が可能な状態に充填されていることを特徴とする可変質量型制震構造物。
【請求項２】
前記空洞部に排出口と流入口が接続、もしくは形成され、前記空洞部に充填されている流体は地震時に前記排出口を通じて前記空洞部から排出されることを特徴とする請求項１に記載の可変質量型制震構造物。
【請求項１】
構造部材と非構造部材を有する構造物において、
前記構造部材と前記非構造部材の少なくともいずれかに、外部に連通した空洞部が形成され、この空洞部に流動性を有する流体が、前記空洞部からの排出と前記空洞部への流入が可能な状態に充填されていることを特徴とする可変質量型制震構造物。
【請求項２】
前記空洞部に排出口と流入口が接続、もしくは形成され、前記空洞部に充填されている流体は地震時に前記排出口を通じて前記空洞部から排出されることを特徴とする請求項１に記載の可変質量型制震構造物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１４９１５５（Ｐ２０１１−１４９１５５Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９０３１（Ｐ２０１０−９０３１）
【出願日】平成２２年１月１９日（２０１０．１．１９）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１９日（２０１０．１．１９）
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【Ｆターム（参考）】
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