既存高層建物の制震改修工法
【課題】既存高層建物を簡易にかつ確実に制震改修するための工法を提供する。
【解決手段】既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素１を撤去して制震機構２を設置する。改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とする。改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくする。改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、 ci＝(5〜25)nf1Mi の範囲に設定する。改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを併用し、また、慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを ψi＝(0.5〜2.0)Mi の範囲に設定する。
【解決手段】既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素１を撤去して制震機構２を設置する。改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とする。改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくする。改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、 ci＝(5〜25)nf1Mi の範囲に設定する。改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを併用し、また、慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを ψi＝(0.5〜2.0)Mi の範囲に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は既存高層建物を対象とする制震改修工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、高さ60mを超える高層建物は建築基準法により地震応答解析で構造安全性を検討し評定審査を経て建設されるものであり、一般的な構造物より耐震性に優れた構造である。
しかし、20年以上も以前に設計された高層建物では、建築時の検討用地震動が現在より小さく、長周期地震動など最近の知見も設計に反映されていないから、このような既存高層建物に対しては新築高層建物と同等の耐震性を確保するための耐震改修が必要とされる。
一方、供用中の既存建物を耐震改修する際には改修範囲をできるだけ少なくしたいという要請があり、特に供用中の基準階（テナント階）を避けて低層部の共用部に改修範囲を限定することが好ましいことから、そのような制約条件を満足し得る効果的な制震改修工法が求められている。
【０００３】
既存建物の制震改修工法に関する既往特許としては特許文献１に示されるものがある。これはＲＣ造のような変形性能に乏しい既存建物に対し、全層数の1/3以下の階層で既存の梁を撤去して地震時の変形量を増加させるようにしたうえで、撤去後の架構の構面内に複数の階層にわたる制震装置を集中的に配置するものであって、地震時に当該階層に変形を集中させて制震装置による制震効果を有効に発揮させるというものであり、したがってこれは既存建物をいわゆる Soft First Story の範疇（発展させた形態）に属する制震構造に改修するものであるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９７２８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示される既往特許方法は、基本的に剛構造（高剛性の耐力構造）とされているＲＣ造の中低層程度の既存建物を対象とするものであり、したがって一部の梁を撤去することのみで自ずと変形能（靱性）が改善されて制震装置による応答低減効果がそれなりに得られるものと考えられる。
【０００６】
しかし、過去に建設された既存高層建物、特に第一世代や第二世代といわれる超高層建物は基本的に鉄骨造による柔構造とされていることが通常であるから、特許文献１に示されるように梁の一部を単に撤去することでは架構の変形能の改善は期待できず、したがってそこに制震装置を設置しても必ずしも有効に機能せずに充分な制震改修効果が得られないことが想定される。
【０００７】
つまり、その種の既存高層建物を対象として制震改修を行うに際しては、特許文献１に示される既往特許のように梁の一部を単に撤去して変形能を改善する方法は効果的ではなく、確実かつ充分に制震効果が得られるためには長周期地震動も含めた地震時の振動特性や応答特性をも考慮したうえでの厳密な条件設定が必要であって、それに基づく有効適切な改修手法の確立が望まれているのが実状である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素を撤去して制震機構を設置する制震改修工法であって、改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とし、改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくし、改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量（当該階より上の合計質量）Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、 ci＝(5〜25)nf1Mi の範囲に設定することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパーと慣性質量ダンパーとを併用し、前記慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを ψi＝(0.5〜2.0)Mi の範囲に設定することが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の制震改修工法によれば、改修した低層階の全体があたかも１つの免震層のように機能して建物全体が免震構造のように挙動し、したがって改修後の建物は制震構造でありながら疑似的な変位抑制型免震構造というべきものとなる。
したがって本発明によれば、低層階の一部でやや層間変位が増大するものの、建物全体の加速度や層間変位、層せん断力が低減して耐震性や居住性を大きく向上させることができ、優れた制震改修効果が得られるものである。
勿論、数層程度の低層階以外には何ら改修を行う必要はないから、建物全体に対して多数の制震ダンパーを分散設置して制震化する場合に比べれば短工期で済むし、所要コストを充分に軽減でき、建物を供用しながらの施工も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の制震改修工法の概念図である。
【図２】本発明における制震機構の一例を示す図である。
【図３】応答解析のためのモデルである既存高層建物の概要を示す図である。
【図４】応答解析に用いる地震動を示す図である。
【図５】応答解析結果を示す図である。
【図６】応答解析結果を示す図である。
【図７】応答解析結果を示す図である。
【図８】応答解析結果を示す図である。
【図９】応答解析結果を示す図である。
【図１０】応答解析結果を示す図である。
【図１１】応答解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は既存高層建物の低層階のみを対象として制震改修を行うことにより、建物全体の耐震性を大幅に向上させることができるものであり、以下、具体的な実施形態を示す。
【００１３】
図１は本発明の制震改修工法の概念図であって、既存高層建物の低層部の複数階を改修対象階（以下、改修階という）とし、そこに設置されていた既存の耐震要素１を撤去したうえで、そこに新たに制震機構２を設置することを基本とするものである。
【００１４】
撤去するべき既存の耐震要素１とは、各改修階の上下の梁間（層間）に設置されていた構造部材であって、たとえば耐震壁やブレース、耐震間柱等がそれに該当する。特許文献１に示される既往特許のように架構の主体である梁自体を撤去するものではない。
【００１５】
改修により新たに設置する制震機構２とは、既存の耐震要素１を撤去した架構の層間に設置されてそこでの層間変形（上下の梁間の水平方向の相対変位）により作動する制震ダンパーであって、既存建物の鉛直荷重を支持せず地震時の水平荷重にだけ抵抗してエネルギーを吸収する機能を有するものとする。
本発明において好適に採用可能な制震機構２としては、オイルダンパー（リリーフ機構付きのものを含む）、各種の粘性ダンパー（粘性体制震壁、減衰こま等）、粘弾性ダンパー、各種の履歴系ダンパー（鋼材ダンパー、摩擦ダンパー等）、慣性質量ダンパー（トルク制限機構付きのものを含む）が挙げられ、それらを単独であるいは任意に組み合わせて用いれば良く、特に図１に示しているようにオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを組み合わせて用いることが好適である。
なお、特許文献１に示される既往特許では梁を撤去したうえでその上下の階層に跨るように制震装置を設置することから、梁の撤去および制震装置の設置のために大がかりな工事が必要となるが、本発明では既存の耐震要素１を撤去した階層内においてそれに置換するように制震機構２を設置すれば良いので、その階層内の工事のみで上下の階層に跨るような工事は必要なく、したがって既往特許に比較して遙かに簡易に改修することが可能である。
【００１６】
制震機構２としてオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを併用する場合の構成例を図２に示す。
図２（ａ）に示すように、耐震要素１を撤去した後の架構に対し、下側の梁上に慣性質量ダンパー４を設置するとともに、上側の梁端部から対のブレース５をＶ状に斜めに架設して、その下端部を接合治具６を介して慣性質量ダンパー４に連結する。
また、慣性質量ダンパー４の側方に固定した固定治具７と上記の接合治具６との間にオイルダンパー３を介装する。
【００１７】
オイルダンパー３としては汎用の制震ダンパーとして一般的なもので良いが、後述の解析例に示されるように想定される層間変位は数cmからせいぜい20cm程度であるので、小ストロークの小型のもので充分である。
また、想定を超える地震時には上層階に過大な加速度が生じないように、油圧逃がし弁によるリリーフ機構を備えたものも好適に採用可能である。
【００１８】
図示例の慣性質量ダンパー４は、層間変形をボールねじ機構によってフライホイールの回転運動に変換する構成のもので、両端が固定されたボールねじ軸１０に対して対のボールナット１１を螺着し、それらボールナット１１を軸方向変位拘束し回転自在に接合した取付台１２を介して上記の接合治具６に連結することにより、層間変形が生じた際にはボールナット１１がリニアガイド１３により案内されつつボールねじ軸１０の軸方向に相対変位して回転せしめられるようになっている。
そして、双方のボールナット１１の間には所定質量のフライホイール（回転錘）１４がボールナット１１とともに回転自在に連結されており、層間変形によりボールナット１１とともにフライホイール１４が回転することによって大きな慣性質量（実際の質量の数百倍にもなる）が得られるものである。
なお、ボールナット１１とフライホイール１４との間にトルク制限機構（トルクキーパー）１５を介装しておくことにより、想定を超える地震時には過大トルクが生じないようにして負担力を頭打ちにするようにしても良い。
【００１９】
上記のように、既存建物の低層部において既存の耐震要素１を撤去して制震機構２を設置すること自体は特許文献１に示される既往特許における改修手法と同様であるが、本実施形態では柔構造の高層建物を対象としていることから、以下の３条件を満足することが必要である。
【００２０】
（１）改修対象とする低層階の層数は建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とする。たとえば後述するように４１層（地上４１階建て）の高層建物に対して適用する場合には、改修階を３層以上、８層以内とする。それ以下であれば充分な制震効果は期待できず、それ以上としても効果が頭打ちとなる。
【００２１】
（２）改修階の層剛性を、その直上にある非改修階の層剛性より小さくすることにより、その層に設置する制震機構２の効きが良くなり、効率的にエネルギーを吸収できることになる。
なお、改修階の層剛性を小さくするほど制震機構の効きが良くなり、その点は特許文献１に示される既往特許と同様であるが、このこと自体は Soft First Story の原理でもあって既に周知の技術事項でもある。
また、仮に改修階の耐震要素１を撤去してもその層剛性が上記条件を満足しない場合には、そのような階を改修階とするのは合理的でない。また、耐震要素１を撤去しても層剛性を充分に低下させることができない場合に、高層階に耐震要素を追加して層剛性を増大させることによって相対的に改修階の層剛性を低下させることも考えられなくはないが、それは高層階に対する耐震改修が許容される場合に限定される。
【００２２】
（３）改修階に設置する制震機構２における減衰要素の減衰係数を、当該階で支持する質量と、建物の１次固有振動数に基づいて、次のように設定する。
すなわち、減衰係数ci、改修階の層数n、減衰定数h、当該階で支持する質量（当該階より上の合計質量）Mi、建物の１次固有振動数f1とすると、
ci＝2nh(2πf１Mi)＝4πnhf１Mi
なる関係があるが、本発明では減衰定数hをh＝0.4〜2.0の範囲に設定し、したがって
ci＝(5〜25)nf1Mi
の範囲となるように設定する。たとえば、後述する４１層の建物への適用の場合において、n＝4、f1＝0.25、Mi＝70,000tonである場合には、ci＝3.5〜17.5MN/kine とすれば良い。
この減衰定数hの値を大きくするほど改修階の変位を抑制できるが、過度に大きくすると高層階への加振力が増大して高層階の加速度や層間変位が増加してしまうため、制震効果を有効に発揮できる範囲で上限を設定して上記のような条件とすべきである。
なお、一般的な建物では減衰定数はh＝0.3±0.1程度であるが、本発明において減衰定数をh＝0.4〜2.0の範囲に設定するのは、既存建物が柔構造であって改修階以外の高層階においてもかなりの変形があること、および慣性質量ダンパー４を用いることを想定してその場合における質量増大効果を見込むためである。したがって、改修階の層剛性が高層階よりも充分に小さい場合には減衰定数hは小さめ（上式における括弧内の値を下限に近くしてたとえば6程度とする）で良く、充分に小さいといえない場合には減衰定数hを大きめ（上式における括弧内の値を上限に近くしてたとえば20程度とする）に設定すれば良い。
【００２３】
本発明の制震改修工法によれば、以上のような条件設定により、改修階の全体があたかも１つの免震層のように機能して建物全体が免震構造のように挙動し、したがって改修後の建物は制震構造でありながら疑似的な変位抑制型免震構造というべきものとなる。
したがって本発明によれば、改修階の一部でやや層間変位が増大するものの、以下に示す解析例から明らかなように建物全体の加速度や層間変位、層せん断力がいずれも低減して耐震性や居住性を大きく向上させることができ、優れた制震改修効果が得られるものである。
勿論、既往特許のように複数の階層に跨るような工事を必要としないばかりでなく、数層程度の改修階以外には何ら改修を行う必要はないから、建物全体に対して多数の制震ダンパーを分散設置して制震化する場合、あるいは建物全体を免震化する場合に比べれば遙かに簡易な改修が可能であり、当然に短工期で済むし、所要コストを充分に軽減でき、建物を供用しながらの施工も可能である。
【００２４】
なお、本発明においては上記の条件の範囲内であれば改修階の範囲や位置は任意に設定可能であって、たとえば１階を改修せず（既存の剛な層のままとしておく）に２〜４階を改修階としたり、また必ずしも上記実施形態のように改修階を連続させることはなく、既存の剛な層を挟んで改修階をとびとびに設定する（たとえば１，３，５階を改修階とする）ことでも良い。
また、必要に応じて、また可能であれば、改修階以外の高層階にも適宜のダンパーを設置することも妨げるものではなく、それによりさらなる応答低減効果が得られるが、それは高層階に対する改修工事が許容される場合に限られる。
【００２５】
また、改修階は既存の耐震要素を撤去することから改修後には層間変位が大きくなるので、そこでの層間変形角が過大にならないように改修階は階高の大きい層を対象とすることが好ましい。ラーメン架構では梁の剛性が大きければ層剛性は階高の３乗に反比例するため、柱断面が同じであれば階高が大きいほど層剛性は低くなり、その点からも階高が大きい方が効果的である。
【００２６】
さらに、改修階に設置する制震機構２として上記のような慣性質量ダンパー４を設置する場合においては、その慣性質量が大きいほど改修階の応答変位を抑制できるが、過度に大きくすると高層階の応答加速度が高振動数域で増大してしまうから、改修階で支持する質量Mi（当該層よりも上層の全質量）に応じて設定することが好ましく、特にその0.5〜2.0倍の範囲とすることが好ましい。
すなわち、各改修階に設置する慣性質量ダンパー４の慣性質量ψiは当該階が支持する質量Miに対し、 ψi＝(0.5〜2.0)Mi の関係を満足するように設定すると良い。たとえば後述する41層の建物において、Mi＝70,000tonの場合には、ψi＝35,000〜140,000tonとすれば良い。
【００２７】
以下、本発明の効果を時刻歴応答解析により実証する。
「解析１」
図３に示す鉄骨造の地上41階建て（41層）の既存高層建物をモデルとし、その１〜４階を改修階としてそれぞれの層剛性を図中のように低下させたうえで、制震機構としてオイルダンパーを設置した場合、およびさらに慣性質量ダンパーを併用した場合を比較する。各ケースの諸元は以下とする。
case1（既存） ：ダンパーなし。１次固有周期は3.87秒である。
case2（制震改修１）：１〜４階を改修階としてそれぞれにオイルダンパー（リリーフ機 構付き）を設置する。オイルダンパーの減衰係数は 8MN/kine（1,2階）、12MN/kine（ 3,4階）とする。リリーフ荷重は 32MN（1,2階）、48MN（3,4階）とする。１次固有周 期は4.05秒である。
case3（制震改修２）：case2に対してさらに慣性質量ダンパーを設置し、それらの慣性質 量ψを120,000ton（1,2階）、80,000ton（3,4階）とする。１次固有周期（慣性質量効 果を考慮した固有値解析による）は4.08秒である。
【００２８】
検討用の地震動は高層評定で一般的に使用されている建築センター波L2（356gal）とし、その波形と応答スペクトルを図４に示す。建物の非線形を無視した線形応答解析とし、減衰は１次に対して2%の振動数比例型（弾性）とした。
【００２９】
上記の各ケースについての時刻歴応答解析結果を図５に示す（グラフの表記上、屋根面であるRFLを42FLとしている）。
図５から、改修階である１〜４階の層間変位が改修前よりやや大きくなるものの問題になるレベルではないこと、高層部にはダンパーを設置していないにも拘わらず高層部での応答も充分に低減（20〜30％低減）していることが分かる。
また、オイルダンパーのみを設置したcase2に比較して、慣性質量ダンパーを併用した
case3では全層にわたり変位も加速度も応答低減効果が上回ることがわかる。
【００３０】
検討用の地震動を変えて同様の解析を行った結果を以下に示す。
「解析２」
図６〜図７は、告示波L2-Kanto NS（440gal 1923関東地震 東京気象庁再現地震動位相 加速度応答スペクトルにフィッティング）によるものである。
図６から、解析１と同様の結果が得られることが分かる。低層部の加速度が改修前よりもやや増加しているが、入力地震動よりも小さく問題にならない。
層間変位が大きい17階（＝18FL）を対象として、case1（既存：ダンパーなし）とcase3（制震改修２：オイルダンパー＋慣性質量ダンパー）の場合の応答波形を図７に示す。
図７から、１７階での最大応答層間変位が29.3mmから17.9mm（0.61倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が235galから153gal（0.65倍）に低減し、また最大応答値の低減のみならず後揺れ低減にも効果的であることが分かる。
【００３１】
「解析３」
図８〜図９は、告示波L2-Kobe NS（424gal 1995兵庫県南部地震 JMA神戸位相 加速度応答スペクトルにフィッティング）によるものである。
本解析においても上記と同様の結果が得られ、特に図９から、１７階での最大応答層間変位が27.4mmから20.4mm（0.74倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が306galから241gal（0.78倍）に低減し、また主要動の後の後揺れが急峻に低減し、居住性の改善に大きく寄与できることが確認できる。
【００３２】
「解析４」
図１０〜図１１は、WOS-大阪湾岸軟弱地盤EW（69.26gal 想定南海地震 経験的グリーン関数で評価）によるものである。
この場合も、図１１から、１７階での最大応答層間変位が21.5mmから18.5mm（0.86倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が108galから94gal（0.87倍）に低減することが分かる。
しかし、この地震動に対しては１次モードが卓越する振動となり、図１０（ｂ）の加速度応答に見られるように直線モードに近いものとなる。そのため、上記解析の場合に比べて制震効果は小さく、最大で10%程度低減するに留まり、図１１からも地震動は小さいものの制震効果があまり発揮されないことがわかる。
そこで、本解析では、case4（制震改修３）として、１〜２階に慣性質量ダンパーを設置することに代えて２層に跨るＴＭＤ機構を設置し、慣性質量100,000tonで建物１次に同調させるように構成した制震機構についての検討を加えた。それによれば、１次モードの振動を抑制できるので応答低減効果を改善（最大２０％低減）でき、また後揺れ低減効果も向上することが分かる。
しかし、この地震動では入力自体がそれほど大きくない（入力が69galから18FLで94galに増幅されるに留まる）から、この地震動が問題になることはないと考えられ、敢えてそのような複雑かつ大がかりな工事を要するＴＭＤ機構を構成するまでもなく、case2（制震改修１：オイルダンパーのみを設置）やcase3（制震改修２：オイルダンパー＋慣性質量ダンパーを設置）で充分であるといえる。
【００３３】
以下、本発明の効果を列挙する。
(1)既存高層建物の低層部の数層程度の特定階だけに制震機構を設置すれば、建物全体の応答を大幅に低減できる。たとえば上記の解析モデルのように鉄骨造41階建ての建物の1〜4階だけに制震機構を設置することのみで高層階の応答（変位、加速度、層間変位、層せん断力）を２０〜３０％も低減することができる。
(2)改修範囲を低層部の数層程度の特定階にのみに限定できて、基準階（テナント階）での改修を不要とすることが可能であるので、テナントの撤去や業務中断などの不具合が生じない。また、改修階がわずかなので工期も短く低コストでの改修が可能である。
(3)改修後の低層階の層間変位は非改修の高層階よりやや大きくなるものの、内外装材やエレベータ等の設備で想定されている範囲に留めることができ、全体を免震化する場合のような特段のディテール（免震ピットを設けて建物全体を積層ゴム等の免震装置により免震支持する）は不要で通常の納まりを踏襲できる。したがって免震化する場合のように大きなコストアップは生じない。
(4)低層部の特定階にだけ制震機構（ダンパー）を設ければ良いので、建物全体にダンパーを設置する場合に比べてその所要数が少なくて済む。また、制震機構に要求されるストロークは通常の制震ダンパーと同程度ないしそれ以下なので、ダンパーのコストを縮減できる。
【００３４】
(5)層せん断力やベースシヤ係数も低減できるので、基礎や杭の設計も合理的になる。基礎に作用する水平力が低減されるので杭のコストダウンも図れる。
(6)本発明は既存建物を Soft First Story と同様の効果をもつ制震構造に改修するものであるといえるが、単層ではなく複数層の低層階の剛性を低減することによって層間変位をP-δ効果が問題にならず通常の仕上材が追随できる程度に小さくできること、また剛性を低減する各層の層間変形角を均等化することが可能である点で Soft First Story とは異なるものであって、それを合理的に発展させたものであるといえる。
また、本発明は Soft First Story の原理を利用する点で特許文献１に示される既往特許との関連性も認められなくはないが、既往特許では梁を撤去して複数の階層にわたる制震装置を設置するものであるのに対し、本発明は層間の耐震要素を撤去してその層間に制震機構を設置するので、その点で両者の具体的な改修手法は全く異なるものであるし、既往特許に比べて遙かに簡易でありながら有効な制震改修手法であるといえる。
(7)制震機構として慣性質量ダンパーを用いることにより、小質量のフライホイールにより大きな慣性質量が得られるので小型のダンパーにより優れた制震効果が得られ、また建物全体が長周期化することによる疑似免震化効果も得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 既存耐震要素
２ 制震機構
３ オイルダンパー
４ 慣性質量ダンパー
５ ブレース
６ 接合治具
７ 固定治具
１０ ボールねじ軸
１１ ボールナット
１２ 取付台
１３ リニアガイド
１４ フライホイール
１５ トルク制限機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は既存高層建物を対象とする制震改修工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、高さ60mを超える高層建物は建築基準法により地震応答解析で構造安全性を検討し評定審査を経て建設されるものであり、一般的な構造物より耐震性に優れた構造である。
しかし、20年以上も以前に設計された高層建物では、建築時の検討用地震動が現在より小さく、長周期地震動など最近の知見も設計に反映されていないから、このような既存高層建物に対しては新築高層建物と同等の耐震性を確保するための耐震改修が必要とされる。
一方、供用中の既存建物を耐震改修する際には改修範囲をできるだけ少なくしたいという要請があり、特に供用中の基準階（テナント階）を避けて低層部の共用部に改修範囲を限定することが好ましいことから、そのような制約条件を満足し得る効果的な制震改修工法が求められている。
【０００３】
既存建物の制震改修工法に関する既往特許としては特許文献１に示されるものがある。これはＲＣ造のような変形性能に乏しい既存建物に対し、全層数の1/3以下の階層で既存の梁を撤去して地震時の変形量を増加させるようにしたうえで、撤去後の架構の構面内に複数の階層にわたる制震装置を集中的に配置するものであって、地震時に当該階層に変形を集中させて制震装置による制震効果を有効に発揮させるというものであり、したがってこれは既存建物をいわゆる Soft First Story の範疇（発展させた形態）に属する制震構造に改修するものであるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９７２８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示される既往特許方法は、基本的に剛構造（高剛性の耐力構造）とされているＲＣ造の中低層程度の既存建物を対象とするものであり、したがって一部の梁を撤去することのみで自ずと変形能（靱性）が改善されて制震装置による応答低減効果がそれなりに得られるものと考えられる。
【０００６】
しかし、過去に建設された既存高層建物、特に第一世代や第二世代といわれる超高層建物は基本的に鉄骨造による柔構造とされていることが通常であるから、特許文献１に示されるように梁の一部を単に撤去することでは架構の変形能の改善は期待できず、したがってそこに制震装置を設置しても必ずしも有効に機能せずに充分な制震改修効果が得られないことが想定される。
【０００７】
つまり、その種の既存高層建物を対象として制震改修を行うに際しては、特許文献１に示される既往特許のように梁の一部を単に撤去して変形能を改善する方法は効果的ではなく、確実かつ充分に制震効果が得られるためには長周期地震動も含めた地震時の振動特性や応答特性をも考慮したうえでの厳密な条件設定が必要であって、それに基づく有効適切な改修手法の確立が望まれているのが実状である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素を撤去して制震機構を設置する制震改修工法であって、改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とし、改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくし、改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量（当該階より上の合計質量）Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、 ci＝(5〜25)nf1Mi の範囲に設定することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパーと慣性質量ダンパーとを併用し、前記慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを ψi＝(0.5〜2.0)Mi の範囲に設定することが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の制震改修工法によれば、改修した低層階の全体があたかも１つの免震層のように機能して建物全体が免震構造のように挙動し、したがって改修後の建物は制震構造でありながら疑似的な変位抑制型免震構造というべきものとなる。
したがって本発明によれば、低層階の一部でやや層間変位が増大するものの、建物全体の加速度や層間変位、層せん断力が低減して耐震性や居住性を大きく向上させることができ、優れた制震改修効果が得られるものである。
勿論、数層程度の低層階以外には何ら改修を行う必要はないから、建物全体に対して多数の制震ダンパーを分散設置して制震化する場合に比べれば短工期で済むし、所要コストを充分に軽減でき、建物を供用しながらの施工も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の制震改修工法の概念図である。
【図２】本発明における制震機構の一例を示す図である。
【図３】応答解析のためのモデルである既存高層建物の概要を示す図である。
【図４】応答解析に用いる地震動を示す図である。
【図５】応答解析結果を示す図である。
【図６】応答解析結果を示す図である。
【図７】応答解析結果を示す図である。
【図８】応答解析結果を示す図である。
【図９】応答解析結果を示す図である。
【図１０】応答解析結果を示す図である。
【図１１】応答解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は既存高層建物の低層階のみを対象として制震改修を行うことにより、建物全体の耐震性を大幅に向上させることができるものであり、以下、具体的な実施形態を示す。
【００１３】
図１は本発明の制震改修工法の概念図であって、既存高層建物の低層部の複数階を改修対象階（以下、改修階という）とし、そこに設置されていた既存の耐震要素１を撤去したうえで、そこに新たに制震機構２を設置することを基本とするものである。
【００１４】
撤去するべき既存の耐震要素１とは、各改修階の上下の梁間（層間）に設置されていた構造部材であって、たとえば耐震壁やブレース、耐震間柱等がそれに該当する。特許文献１に示される既往特許のように架構の主体である梁自体を撤去するものではない。
【００１５】
改修により新たに設置する制震機構２とは、既存の耐震要素１を撤去した架構の層間に設置されてそこでの層間変形（上下の梁間の水平方向の相対変位）により作動する制震ダンパーであって、既存建物の鉛直荷重を支持せず地震時の水平荷重にだけ抵抗してエネルギーを吸収する機能を有するものとする。
本発明において好適に採用可能な制震機構２としては、オイルダンパー（リリーフ機構付きのものを含む）、各種の粘性ダンパー（粘性体制震壁、減衰こま等）、粘弾性ダンパー、各種の履歴系ダンパー（鋼材ダンパー、摩擦ダンパー等）、慣性質量ダンパー（トルク制限機構付きのものを含む）が挙げられ、それらを単独であるいは任意に組み合わせて用いれば良く、特に図１に示しているようにオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを組み合わせて用いることが好適である。
なお、特許文献１に示される既往特許では梁を撤去したうえでその上下の階層に跨るように制震装置を設置することから、梁の撤去および制震装置の設置のために大がかりな工事が必要となるが、本発明では既存の耐震要素１を撤去した階層内においてそれに置換するように制震機構２を設置すれば良いので、その階層内の工事のみで上下の階層に跨るような工事は必要なく、したがって既往特許に比較して遙かに簡易に改修することが可能である。
【００１６】
制震機構２としてオイルダンパー３と慣性質量ダンパー４とを併用する場合の構成例を図２に示す。
図２（ａ）に示すように、耐震要素１を撤去した後の架構に対し、下側の梁上に慣性質量ダンパー４を設置するとともに、上側の梁端部から対のブレース５をＶ状に斜めに架設して、その下端部を接合治具６を介して慣性質量ダンパー４に連結する。
また、慣性質量ダンパー４の側方に固定した固定治具７と上記の接合治具６との間にオイルダンパー３を介装する。
【００１７】
オイルダンパー３としては汎用の制震ダンパーとして一般的なもので良いが、後述の解析例に示されるように想定される層間変位は数cmからせいぜい20cm程度であるので、小ストロークの小型のもので充分である。
また、想定を超える地震時には上層階に過大な加速度が生じないように、油圧逃がし弁によるリリーフ機構を備えたものも好適に採用可能である。
【００１８】
図示例の慣性質量ダンパー４は、層間変形をボールねじ機構によってフライホイールの回転運動に変換する構成のもので、両端が固定されたボールねじ軸１０に対して対のボールナット１１を螺着し、それらボールナット１１を軸方向変位拘束し回転自在に接合した取付台１２を介して上記の接合治具６に連結することにより、層間変形が生じた際にはボールナット１１がリニアガイド１３により案内されつつボールねじ軸１０の軸方向に相対変位して回転せしめられるようになっている。
そして、双方のボールナット１１の間には所定質量のフライホイール（回転錘）１４がボールナット１１とともに回転自在に連結されており、層間変形によりボールナット１１とともにフライホイール１４が回転することによって大きな慣性質量（実際の質量の数百倍にもなる）が得られるものである。
なお、ボールナット１１とフライホイール１４との間にトルク制限機構（トルクキーパー）１５を介装しておくことにより、想定を超える地震時には過大トルクが生じないようにして負担力を頭打ちにするようにしても良い。
【００１９】
上記のように、既存建物の低層部において既存の耐震要素１を撤去して制震機構２を設置すること自体は特許文献１に示される既往特許における改修手法と同様であるが、本実施形態では柔構造の高層建物を対象としていることから、以下の３条件を満足することが必要である。
【００２０】
（１）改修対象とする低層階の層数は建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とする。たとえば後述するように４１層（地上４１階建て）の高層建物に対して適用する場合には、改修階を３層以上、８層以内とする。それ以下であれば充分な制震効果は期待できず、それ以上としても効果が頭打ちとなる。
【００２１】
（２）改修階の層剛性を、その直上にある非改修階の層剛性より小さくすることにより、その層に設置する制震機構２の効きが良くなり、効率的にエネルギーを吸収できることになる。
なお、改修階の層剛性を小さくするほど制震機構の効きが良くなり、その点は特許文献１に示される既往特許と同様であるが、このこと自体は Soft First Story の原理でもあって既に周知の技術事項でもある。
また、仮に改修階の耐震要素１を撤去してもその層剛性が上記条件を満足しない場合には、そのような階を改修階とするのは合理的でない。また、耐震要素１を撤去しても層剛性を充分に低下させることができない場合に、高層階に耐震要素を追加して層剛性を増大させることによって相対的に改修階の層剛性を低下させることも考えられなくはないが、それは高層階に対する耐震改修が許容される場合に限定される。
【００２２】
（３）改修階に設置する制震機構２における減衰要素の減衰係数を、当該階で支持する質量と、建物の１次固有振動数に基づいて、次のように設定する。
すなわち、減衰係数ci、改修階の層数n、減衰定数h、当該階で支持する質量（当該階より上の合計質量）Mi、建物の１次固有振動数f1とすると、
ci＝2nh(2πf１Mi)＝4πnhf１Mi
なる関係があるが、本発明では減衰定数hをh＝0.4〜2.0の範囲に設定し、したがって
ci＝(5〜25)nf1Mi
の範囲となるように設定する。たとえば、後述する４１層の建物への適用の場合において、n＝4、f1＝0.25、Mi＝70,000tonである場合には、ci＝3.5〜17.5MN/kine とすれば良い。
この減衰定数hの値を大きくするほど改修階の変位を抑制できるが、過度に大きくすると高層階への加振力が増大して高層階の加速度や層間変位が増加してしまうため、制震効果を有効に発揮できる範囲で上限を設定して上記のような条件とすべきである。
なお、一般的な建物では減衰定数はh＝0.3±0.1程度であるが、本発明において減衰定数をh＝0.4〜2.0の範囲に設定するのは、既存建物が柔構造であって改修階以外の高層階においてもかなりの変形があること、および慣性質量ダンパー４を用いることを想定してその場合における質量増大効果を見込むためである。したがって、改修階の層剛性が高層階よりも充分に小さい場合には減衰定数hは小さめ（上式における括弧内の値を下限に近くしてたとえば6程度とする）で良く、充分に小さいといえない場合には減衰定数hを大きめ（上式における括弧内の値を上限に近くしてたとえば20程度とする）に設定すれば良い。
【００２３】
本発明の制震改修工法によれば、以上のような条件設定により、改修階の全体があたかも１つの免震層のように機能して建物全体が免震構造のように挙動し、したがって改修後の建物は制震構造でありながら疑似的な変位抑制型免震構造というべきものとなる。
したがって本発明によれば、改修階の一部でやや層間変位が増大するものの、以下に示す解析例から明らかなように建物全体の加速度や層間変位、層せん断力がいずれも低減して耐震性や居住性を大きく向上させることができ、優れた制震改修効果が得られるものである。
勿論、既往特許のように複数の階層に跨るような工事を必要としないばかりでなく、数層程度の改修階以外には何ら改修を行う必要はないから、建物全体に対して多数の制震ダンパーを分散設置して制震化する場合、あるいは建物全体を免震化する場合に比べれば遙かに簡易な改修が可能であり、当然に短工期で済むし、所要コストを充分に軽減でき、建物を供用しながらの施工も可能である。
【００２４】
なお、本発明においては上記の条件の範囲内であれば改修階の範囲や位置は任意に設定可能であって、たとえば１階を改修せず（既存の剛な層のままとしておく）に２〜４階を改修階としたり、また必ずしも上記実施形態のように改修階を連続させることはなく、既存の剛な層を挟んで改修階をとびとびに設定する（たとえば１，３，５階を改修階とする）ことでも良い。
また、必要に応じて、また可能であれば、改修階以外の高層階にも適宜のダンパーを設置することも妨げるものではなく、それによりさらなる応答低減効果が得られるが、それは高層階に対する改修工事が許容される場合に限られる。
【００２５】
また、改修階は既存の耐震要素を撤去することから改修後には層間変位が大きくなるので、そこでの層間変形角が過大にならないように改修階は階高の大きい層を対象とすることが好ましい。ラーメン架構では梁の剛性が大きければ層剛性は階高の３乗に反比例するため、柱断面が同じであれば階高が大きいほど層剛性は低くなり、その点からも階高が大きい方が効果的である。
【００２６】
さらに、改修階に設置する制震機構２として上記のような慣性質量ダンパー４を設置する場合においては、その慣性質量が大きいほど改修階の応答変位を抑制できるが、過度に大きくすると高層階の応答加速度が高振動数域で増大してしまうから、改修階で支持する質量Mi（当該層よりも上層の全質量）に応じて設定することが好ましく、特にその0.5〜2.0倍の範囲とすることが好ましい。
すなわち、各改修階に設置する慣性質量ダンパー４の慣性質量ψiは当該階が支持する質量Miに対し、 ψi＝(0.5〜2.0)Mi の関係を満足するように設定すると良い。たとえば後述する41層の建物において、Mi＝70,000tonの場合には、ψi＝35,000〜140,000tonとすれば良い。
【００２７】
以下、本発明の効果を時刻歴応答解析により実証する。
「解析１」
図３に示す鉄骨造の地上41階建て（41層）の既存高層建物をモデルとし、その１〜４階を改修階としてそれぞれの層剛性を図中のように低下させたうえで、制震機構としてオイルダンパーを設置した場合、およびさらに慣性質量ダンパーを併用した場合を比較する。各ケースの諸元は以下とする。
case1（既存） ：ダンパーなし。１次固有周期は3.87秒である。
case2（制震改修１）：１〜４階を改修階としてそれぞれにオイルダンパー（リリーフ機 構付き）を設置する。オイルダンパーの減衰係数は 8MN/kine（1,2階）、12MN/kine（ 3,4階）とする。リリーフ荷重は 32MN（1,2階）、48MN（3,4階）とする。１次固有周 期は4.05秒である。
case3（制震改修２）：case2に対してさらに慣性質量ダンパーを設置し、それらの慣性質 量ψを120,000ton（1,2階）、80,000ton（3,4階）とする。１次固有周期（慣性質量効 果を考慮した固有値解析による）は4.08秒である。
【００２８】
検討用の地震動は高層評定で一般的に使用されている建築センター波L2（356gal）とし、その波形と応答スペクトルを図４に示す。建物の非線形を無視した線形応答解析とし、減衰は１次に対して2%の振動数比例型（弾性）とした。
【００２９】
上記の各ケースについての時刻歴応答解析結果を図５に示す（グラフの表記上、屋根面であるRFLを42FLとしている）。
図５から、改修階である１〜４階の層間変位が改修前よりやや大きくなるものの問題になるレベルではないこと、高層部にはダンパーを設置していないにも拘わらず高層部での応答も充分に低減（20〜30％低減）していることが分かる。
また、オイルダンパーのみを設置したcase2に比較して、慣性質量ダンパーを併用した
case3では全層にわたり変位も加速度も応答低減効果が上回ることがわかる。
【００３０】
検討用の地震動を変えて同様の解析を行った結果を以下に示す。
「解析２」
図６〜図７は、告示波L2-Kanto NS（440gal 1923関東地震 東京気象庁再現地震動位相 加速度応答スペクトルにフィッティング）によるものである。
図６から、解析１と同様の結果が得られることが分かる。低層部の加速度が改修前よりもやや増加しているが、入力地震動よりも小さく問題にならない。
層間変位が大きい17階（＝18FL）を対象として、case1（既存：ダンパーなし）とcase3（制震改修２：オイルダンパー＋慣性質量ダンパー）の場合の応答波形を図７に示す。
図７から、１７階での最大応答層間変位が29.3mmから17.9mm（0.61倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が235galから153gal（0.65倍）に低減し、また最大応答値の低減のみならず後揺れ低減にも効果的であることが分かる。
【００３１】
「解析３」
図８〜図９は、告示波L2-Kobe NS（424gal 1995兵庫県南部地震 JMA神戸位相 加速度応答スペクトルにフィッティング）によるものである。
本解析においても上記と同様の結果が得られ、特に図９から、１７階での最大応答層間変位が27.4mmから20.4mm（0.74倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が306galから241gal（0.78倍）に低減し、また主要動の後の後揺れが急峻に低減し、居住性の改善に大きく寄与できることが確認できる。
【００３２】
「解析４」
図１０〜図１１は、WOS-大阪湾岸軟弱地盤EW（69.26gal 想定南海地震 経験的グリーン関数で評価）によるものである。
この場合も、図１１から、１７階での最大応答層間変位が21.5mmから18.5mm（0.86倍）に低減し、18FLでの最大応答加速度が108galから94gal（0.87倍）に低減することが分かる。
しかし、この地震動に対しては１次モードが卓越する振動となり、図１０（ｂ）の加速度応答に見られるように直線モードに近いものとなる。そのため、上記解析の場合に比べて制震効果は小さく、最大で10%程度低減するに留まり、図１１からも地震動は小さいものの制震効果があまり発揮されないことがわかる。
そこで、本解析では、case4（制震改修３）として、１〜２階に慣性質量ダンパーを設置することに代えて２層に跨るＴＭＤ機構を設置し、慣性質量100,000tonで建物１次に同調させるように構成した制震機構についての検討を加えた。それによれば、１次モードの振動を抑制できるので応答低減効果を改善（最大２０％低減）でき、また後揺れ低減効果も向上することが分かる。
しかし、この地震動では入力自体がそれほど大きくない（入力が69galから18FLで94galに増幅されるに留まる）から、この地震動が問題になることはないと考えられ、敢えてそのような複雑かつ大がかりな工事を要するＴＭＤ機構を構成するまでもなく、case2（制震改修１：オイルダンパーのみを設置）やcase3（制震改修２：オイルダンパー＋慣性質量ダンパーを設置）で充分であるといえる。
【００３３】
以下、本発明の効果を列挙する。
(1)既存高層建物の低層部の数層程度の特定階だけに制震機構を設置すれば、建物全体の応答を大幅に低減できる。たとえば上記の解析モデルのように鉄骨造41階建ての建物の1〜4階だけに制震機構を設置することのみで高層階の応答（変位、加速度、層間変位、層せん断力）を２０〜３０％も低減することができる。
(2)改修範囲を低層部の数層程度の特定階にのみに限定できて、基準階（テナント階）での改修を不要とすることが可能であるので、テナントの撤去や業務中断などの不具合が生じない。また、改修階がわずかなので工期も短く低コストでの改修が可能である。
(3)改修後の低層階の層間変位は非改修の高層階よりやや大きくなるものの、内外装材やエレベータ等の設備で想定されている範囲に留めることができ、全体を免震化する場合のような特段のディテール（免震ピットを設けて建物全体を積層ゴム等の免震装置により免震支持する）は不要で通常の納まりを踏襲できる。したがって免震化する場合のように大きなコストアップは生じない。
(4)低層部の特定階にだけ制震機構（ダンパー）を設ければ良いので、建物全体にダンパーを設置する場合に比べてその所要数が少なくて済む。また、制震機構に要求されるストロークは通常の制震ダンパーと同程度ないしそれ以下なので、ダンパーのコストを縮減できる。
【００３４】
(5)層せん断力やベースシヤ係数も低減できるので、基礎や杭の設計も合理的になる。基礎に作用する水平力が低減されるので杭のコストダウンも図れる。
(6)本発明は既存建物を Soft First Story と同様の効果をもつ制震構造に改修するものであるといえるが、単層ではなく複数層の低層階の剛性を低減することによって層間変位をP-δ効果が問題にならず通常の仕上材が追随できる程度に小さくできること、また剛性を低減する各層の層間変形角を均等化することが可能である点で Soft First Story とは異なるものであって、それを合理的に発展させたものであるといえる。
また、本発明は Soft First Story の原理を利用する点で特許文献１に示される既往特許との関連性も認められなくはないが、既往特許では梁を撤去して複数の階層にわたる制震装置を設置するものであるのに対し、本発明は層間の耐震要素を撤去してその層間に制震機構を設置するので、その点で両者の具体的な改修手法は全く異なるものであるし、既往特許に比べて遙かに簡易でありながら有効な制震改修手法であるといえる。
(7)制震機構として慣性質量ダンパーを用いることにより、小質量のフライホイールにより大きな慣性質量が得られるので小型のダンパーにより優れた制震効果が得られ、また建物全体が長周期化することによる疑似免震化効果も得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 既存耐震要素
２ 制震機構
３ オイルダンパー
４ 慣性質量ダンパー
５ ブレース
６ 接合治具
７ 固定治具
１０ ボールねじ軸
１１ ボールナット
１２ 取付台
１３ リニアガイド
１４ フライホイール
１５ トルク制限機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素を撤去して制震機構を設置する制震改修工法であって、
改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とし、
改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくし、
改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、
ci＝(5〜25)nf1Mi
の範囲に設定することを特徴とする既存高層建物の制震改修工法。
【請求項２】
請求項１記載の既存高層建物の制震改修工法であって、
改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパーと慣性質量ダンパーとを併用し、
前記慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを
ψi＝(0.5〜2.0)Mi
の範囲に設定することを特徴とする既存高層建物の制震改修工法。
【請求項１】
既存高層建物の低層階を対象として該低層階における既存耐震要素を撤去して制震機構を設置する制震改修工法であって、
改修対象の低層階の層数nを既存高層建物全体の層数の７％以上かつ２０％以内とし、
改修対象の低層階の層剛性を当該階の直上の非改修階の層剛性より小さくし、
改修対象の低層階に設置する制震機構における減衰要素の減衰係数ciを、当該階で支持する質量Mi、建物の一次固有振動数f1に基づき、
ci＝(5〜25)nf1Mi
の範囲に設定することを特徴とする既存高層建物の制震改修工法。
【請求項２】
請求項１記載の既存高層建物の制震改修工法であって、
改修対象の低層階に設置する制震機構としてオイルダンパーと慣性質量ダンパーとを併用し、
前記慣性質量ダンパーの慣性質量ψiを
ψi＝(0.5〜2.0)Mi
の範囲に設定することを特徴とする既存高層建物の制震改修工法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２６１２４０（Ｐ２０１０−２６１２４０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１３５５４（Ｐ２００９−１１３５５４）
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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