JP2007002455A - Vibration control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、建物の制振構造に関する。 The present invention relates to a vibration control structure for a building.
超高層の建物に中間免震層を設けて、その中間免震層より上方の上部構造と下方の下部構造とでその建物を構成し、それによって上部構造を免震化する一方で、上部構造それ自体を、その建物の振動を抑制するチューンドマスダンパの可動マスとして機能させるということが提案されている（例えば、下記の非特許文献１の第１９頁、第２段落を参照されたい）。
非特許文献１に提案されているこの種の建物の構造では、チューンドマスダンパの可動マスとして機能する建物の上部構造が、下部構造の上端に免震支持されている。地震発生時の上部構造の揺れを小さく抑えるためには、下部構造から上部構造へ伝達される地震による水平方向の力をできる限り小さく抑えるべきであるが、そうした場合には、上部構造から下部構造へ伝達される反力も小さなものになるため、チューンドマスダンパとしての機能が弱まることになる。一方、地震発生時の下部構造の揺れを小さく抑えようとするならば、上部構造から下部構造へ水平方向の制振力が充分に伝達されるようにすることが望まれるが、そうした場合には、下部構造から上部構造へ伝達される力も大きなものとならざるを得ない。
In this type of building structure proposed in
従って、建物に中間免震層を設けて、上部構造を免震支持することで、地震発生時の上部構造の振動を抑制する一方で、上部構造をチューンドマスダンパの可動マスとして機能させることによって、下部構造の振動を抑制しようとするこの方式は、本質的に相反する２つの要求を内包している。そして、それら相反する要求を満たして、かかる方式を現実のものとして実施可能にするための方策について、非特許文献１には何ら開示されておらず、示唆もされていない。 Therefore, by providing an intermediate seismic isolation layer in the building and supporting the upper structure in isolation, by suppressing the vibration of the upper structure when an earthquake occurs, the upper structure functions as a movable mass of the tuned mass damper. This method of trying to suppress the vibration of the substructure has two inherently conflicting requirements. Further, NPL 1 does not disclose or suggest any measures for satisfying these conflicting requirements and enabling such a method to be implemented as an actual one.
本発明はかかる事情に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、中層、高層、ないし超高層の建物の中間層に、水平方向の剪断変形に対する剛性をその他の層より小さくした低剛性層を設けて、該低剛性層より上方の上部構造と下方の下部構造とで当該建物を構成し、上部構造を免震支持する一方で、上部構造をチューンドマスダンパの可動マスとして機能させて下部構造の振動を抑制する方式を、現実に実施可能にすることにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a middle layer, a high layer, or an intermediate layer of a super-high-rise building with a low rigidity that is less rigid against horizontal shear deformation than other layers. The building is composed of an upper structure above the low-rigidity layer and a lower structure below the low-rigidity layer, and the upper structure is isolated and supported while the upper structure functions as a movable mass of a tuned mass damper. It is to make it possible to actually implement a method for suppressing vibration of the substructure.
かかる目的を達成するため、本発明に係る建物の制振構造は、中層、高層、ないし超高層の建物の中間層に、水平方向の剪断変形に対する剛性をその他の層より小さくした低剛性層を設けて、該低剛性層より上方の上部構造と下方の下部構造とで当該建物を構成し、前記低剛性層が水平方向の剪断変形を生じて前記上部構造が前記下部構造に対して相対的に水平方向に変位したときに、その水平方向の変位の変位速度に略々比例した減衰力を発生する減衰力発生手段を、前記上部構造と前記下部構造との間に設け、地盤上に構築された前記下部構造から成る振動系の水平方向振動における一次固有振動数ωＬに対する前記低剛性層とそれに支持された前記上部構造とから成る振動系の水平方向振動における一次固有振動数ωＵの比である固有振動数比β＝ωＵ／ωＬが、前記下部構造の質量ＭＬに対する前記上部構造の質量ＭＵの比である質量比μ＝ＭＵ／ＭＬの式で表された第１目標値ｆ１(μ) = (1/(1+μ)) (1+μ/2)１／２ に対して、0.9×ｆ１(μ) ＜β＜1.1×ｆ１(μ) で示される範囲内にあるように、前記低剛性層の前記剛性の値を設定し、前記減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を、前記質量比μの式で表された第２目標値ｆ２(μ) = (3μ/(8×(1+μ))１／２ に対して、0.9×ｆ２(μ) ＜ｈＬＳＳ＜1.1×ｆ２(μ) で示される範囲内に設定したことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the vibration damping structure of a building according to the present invention has a low-rigidity layer in which the rigidity against shear deformation in the horizontal direction is made smaller than that of the other layers in the middle layer, the high-rise building, or the middle-rise building. And the upper structure above and the lower structure below the low-rigidity layer constitute the building, and the low-rigidity layer causes shear deformation in the horizontal direction so that the upper structure is relative to the lower structure. A damping force generating means that generates a damping force that is approximately proportional to the displacement speed of the horizontal displacement when it is displaced horizontally is provided between the upper structure and the lower structure, and is constructed on the ground. The primary natural frequency ω U in the horizontal vibration of the vibration system consisting of the low rigidity layer and the upper structure supported by the low stiffness layer with respect to the primary natural frequency ω L in the horizontal vibration of the vibration system consisting of the lower structure Specific which is a ratio Dynamic ratio β = ω U / ω L is, the first target value represented by the formula mass M is the ratio of the mass M U of said superstructure relative to L mass ratio mu = M U / M L of the substructure For f 1 (μ) = (1 / (1 + μ)) (1 + μ / 2) 1/2 , a range represented by 0.9 × f 1 (μ) <β <1.1 × f 1 (μ) The rigidity value of the low-rigidity layer is set, and the value of the damping constant h LSS of the damping force generating means is set to a second target value f 2 ( μ) = (3μ / (8 × (1 + μ)) 1/2 , 0.9 × f 2 (μ) <h LSS <1.1 × f 2 (μ) Features.
本発明に係る建物の制振構造によれば、地震発生時の建物の上部構造の振動と下部構造の振動とが、共に良好に抑制される。 According to the vibration control structure for a building according to the present invention, vibrations of the superstructure of the building and the vibration of the substructure at the time of the occurrence of the earthquake are well suppressed.
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明して行く。本発明に係る制振構造は、中層、高層、ないし超高層の建物に適用される構造であり、それらのうちでも特に、超高層建物に適用したときに大きな効果が得られるものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The vibration damping structure according to the present invention is a structure applied to a middle-rise, high-rise, or super-high-rise building, and among them, a great effect can be obtained particularly when applied to a super-high-rise building.
本発明に係る建物の制振構造によれば、建物の中間層に、水平方向の剪断変形に対する剛性をその他の層より小さくした低剛性層を設けて、この低剛性層より上方の上部構造と下方の下部構造とでその建物を構成する。また、地震発生時に低剛性層が水平方向の剪断変形を生じて上部構造が下部構造に対して相対的に水平方向に変位したときに、その水平方向の変位の変位速度に略々比例した減衰力を発生する減衰力発生手段を、上部構造と下部構造との間に設ける。 According to the vibration control structure for a building according to the present invention, the intermediate layer of the building is provided with a low-rigidity layer whose rigidity against horizontal shear deformation is smaller than that of the other layers, and the upper structure above the low-rigidity layer and The lower substructure constitutes the building. Also, when an earthquake occurs, the low-rigidity layer undergoes shear deformation in the horizontal direction, and when the upper structure is displaced in the horizontal direction relative to the lower structure, the attenuation is approximately proportional to the displacement rate of the horizontal displacement. Damping force generating means for generating force is provided between the upper structure and the lower structure.
かかる低剛性層を建物に設ける方式としては、様々な方式が採用可能であり、その幾つかの具体例を、図１の（Ａ）〜（Ｄ）に模式図で示した。図１に具体例として示した建物はいずれも、ラーメン構造の骨組を有するものであり、図にはその骨組を構成する柱及び梁を模式的に示した。 Various methods can be adopted as a method of providing such a low-rigidity layer in a building, and some specific examples thereof are schematically shown in FIGS. Each of the buildings shown as specific examples in FIG. 1 has a frame having a ramen structure, and the figure schematically shows columns and beams that constitute the frame.
図１（Ａ）に示した建物１０ａは、その１つの中間層１２ａの柱１４ａの断面を、その他の層の柱の断面より小さくすることにより、この中間層を低剛性層１２ａとしたものである。地震発生時には、低剛性層１２ａの柱１４ａが撓むために、低剛性層が１２ａが比較的大きな剪断変形を発生し、それによって、低剛性層１２ａより上方の上部構造が、低剛性層１２ｂより下方の下部構造に対して相対的に水平方向に変位する。上部構造と下部構造との間には、ブラケット１６を介してシリンダ型のオイルダンパ１８を設けてあり、このオイルダンパ１８は、上部構造が下部構造に対して相対的に水平方向に変位したときに、その水平方向の偏位の変位速度に略々比例した減衰力を発生する減衰力発生手段として機能するものである。
The
図１（Ｂ）に示した建物１０ｂは、その１つの中間層１２ｂの柱１４ｂの柱頭に、積層ゴム２０を介挿することにより、この中間層を低剛性層１２ｂとしたものである。いうまでもないことであるが、積層ゴム２０は、低剛性層１２ｂの柱１４ｂの柱脚に介挿してもよく、柱１４ｂの中間部に嵌装してもよい。また、上部構造と下部構造との間には、ブラケット１６を介して、上述した減衰力発生手段として機能するオイルダンパ１８を設けてある。尚、この構成においては、積層ゴム２０それ自体が発生する減衰力も、減衰力発生手段の一部を構成する。
In the
図１（Ｃ）に示した建物１０ｃは、その１つの中間層１２ｃの幾本かの柱１４ｃの柱頭に滑り支承２４を介挿すると共に、別の柱１４ｃ’の柱頭に復元力発生機構２６を設けてある。それら滑り支承２４と復元力発生機構２６とで、積層ゴム２０と同様の機能を得ており、それによってこの中間層を低剛性層１２ｃとしたものである。復元力発生機構２６としては、一般的に滑り支承を用いて免震支持を行う場合に使用されているものを使用すればよい。また、上部構造と下部構造との間には、ブラケット１６を介して、上述した減衰力発生手段として機能するオイルダンパ１８を設けてある。更に、復元力発生機構２６が発生する減衰力も、減衰力発生手段の一部を構成する。
In the
図１（Ｄ）に示した建物１０ｄは、２つの中間層１２ｄ−１、１２ｄ−２の間を延在する梁の端部を、柱にピン接合してある。そのため、これら中間層１２ｄ−１、１２ｄ−２の部分の柱は、２層分の高さを有する柱となって、撓み易くなっており、これによって、これら中間層を低剛性層１２ｄ−１、１２ｄ−２としたものである。また、上部構造と下部構造との間には、ブレース２８を介して、上述した減衰力発生手段として機能するオイルダンパ１８を設けてある。
In the
建物の層のうち、どの層を低剛性層とするかについては、選択の自由度が高く、建物の基部及び頂部に近接し過ぎていない中ほどの中間層を任意に選択すればよい。建物全体の設計が完了して低剛性層とする層を選択したならば、その時点で、その建物の上部構造の質量（これをＭＵで表す）と、下部構造の質量（これをＭＬで表す）と、地盤上に構築される下部構造から成る振動系が、水平方向に振動するときの一次固有振動数（これをωＬで表す）とが決まるため、それら３つの値を、建物の設計図に基づいて算出することができる。本発明では、算出したそれら３つの値に基づいて、低剛性層の剛性と、減衰力発生手段の減衰定数とを適切に設定し、それによって、地震発生時の上部構造の振動と下部構造の振動とが、共に良好に抑制されるようにするものである。 Of the layers of the building, which layer is to be the low-rigidity layer has a high degree of freedom in selection, and an intermediate layer that is not too close to the base and top of the building may be arbitrarily selected. If the entire building design is selected layers to complete the low-rigidity layer, at which point, the mass of the superstructure of the building (which are expressed as M U), the mass of the lower structure (which M L And the primary natural frequency (this is expressed as ω L ) when the vibration system consisting of the substructure built on the ground vibrates in the horizontal direction is determined. It can be calculated based on the design drawing. In the present invention, the rigidity of the low-rigidity layer and the damping constant of the damping force generating means are appropriately set based on the calculated three values, so that the vibration of the superstructure at the time of the earthquake and the substructure Both vibrations are suppressed satisfactorily.
また、ここでいう低剛性層の剛性とは、既述のごとく、水平方向の剪断変形に対する剛性である。この剛性を適切に設定することにより、低剛性層とそれに支持された上部構造とから成る振動系が水平方向に振動するときの一次固有振動数（これをωＵで表す）を所望の値に設定することができ、ひいては、地盤上に構築された下部構造から成る振動系の水平方向振動の一次固有振動数ωＬに対する、低剛性層とそれに支持された上部構造とから成る振動系の水平方向振動の一次固有振動数ωＵの比である、固有振動数比β＝ωＵ／ωＬを所望の値に設定することができる。そして、本発明においては、この固有振動数比βが、下部構造の質量ＭＬに対する上部構造の質量ＭＵの比である質量比μ＝ＭＵ／ＭＬの式で表された第１目標値ｆ１(μ) = (1/(1+μ)) (1+μ/2)１／２ に対して、0.9×ｆ１(μ) ＜β＜1.1×ｆ１(μ) で示される範囲内にくるように、低剛性層の剛性の値を設定する。 In addition, the rigidity of the low-rigidity layer referred to here is the rigidity against shear deformation in the horizontal direction as described above. By appropriately setting this rigidity, the primary natural frequency (represented by ω U ) when the vibration system composed of the low rigidity layer and the superstructure supported by the layer vibrates in the horizontal direction is set to a desired value. Can be set, and as a result, with respect to the primary natural frequency ω L of the horizontal vibration of the vibration system composed of the substructure constructed on the ground, the horizontal of the vibration system composed of the low rigidity layer and the superstructure supported by the low rigidity layer The natural frequency ratio β = ω U / ω L that is the ratio of the primary natural frequency ω U of the directional vibration can be set to a desired value. Then, in the present invention, the natural frequency ratio β is, the first target represented by the formula is the ratio of the mass M U of the superstructure with respect to the mass M L substructure mass ratio μ = M U / M L For the value f 1 (μ) = (1 / (1 + μ)) (1 + μ / 2) 1/2 , 0.9 × f 1 (μ) <β <1.1 × f 1 (μ) The stiffness value of the low stiffness layer is set so that it is within the range.
また、減衰力発生手段の減衰定数（これをｈＬＳＳで表す）については、その値を、質量比μの式で表された第２目標値ｆ２(μ) = (3μ/(8×(1+μ))１／２ に対して、0.9×ｆ２(μ) ＜ｈＬＳＳ＜1.1×ｆ２(μ) で示される範囲内に設定する。 In addition, for the damping constant of the damping force generating means (which is expressed by h LSS ), the value is expressed as a second target value f 2 (μ) = (3 μ / (8 × ( 1 + μ)) 1/2 , 0.9 × f 2 (μ) <h LSS <1.1 × f 2 (μ).
以上の２つの設定を行う理由について、以下に説明する。先ず、低剛性層の剛性について説明すると、中間層に低剛性層を設けて、その低剛性層より上方の上部構造と下方の下部構造とで構成した建物を、１つの振動系として見るとき、上部構造及び下部構造の各々を質点と見なすことによって、その建物を、図２に模式図で示した振動系で表すことができる。図２において、ＭＬは下部構造の質量、ＫＬは下部構造の剛性、ＣＬは下部構造の減衰係数である。また、ＭＵは上部構造の質量、ＫＬＳＳは低剛性層の剛性、ＣＬＳＳは上部構造と下部構造との間に設けた減衰力発生手段の減衰係数である。更に、ｘ０、ｘＬ、ｘＵは夫々、地震発生時における、水平方向の地動変位、下部構造の水平方向の変位、上部構造の水平方向の変位を表している。尚、図２では、それら変位が上下方向の変位であるかのように描かれているが、このように図示したのは、剛性並びに減衰係数を表す図中記号の方向と変位の方向とを揃えるためであり、実際には、それら変位は、水平方向の振動に伴う変位である。また、下部構造の剛性ＫＬ及び下部構造の減衰係数ＣＬは、建物の下部構造それ自体に付随する特性であり、設計が完了した建物の設計図に基づいて、算出されるものである。 The reason for performing the above two settings will be described below. First, the rigidity of the low-rigidity layer will be described. When a low-rigidity layer is provided in the intermediate layer and a building composed of an upper structure and a lower lower structure above the low-rigidity layer is viewed as one vibration system, By considering each of the upper structure and the lower structure as mass points, the building can be represented by the vibration system shown in the schematic diagram of FIG. 2, the M L mass substructures, the K L rigid substructure, the C L is the attenuation coefficient of the substructure. Further, the M U is the attenuation coefficient of the damping force generating means provided between the mass of the superstructure, K LSS is the low-rigidity layer rigidity, C LSS The upper and lower structures. Further, x 0 , x L , and x U represent horizontal ground motion displacement, horizontal displacement of the lower structure, and horizontal displacement of the upper structure, respectively, at the time of the earthquake. In FIG. 2, these displacements are depicted as if they were vertical displacements, but what is illustrated in this way is the direction of the symbol and the direction of displacement representing the stiffness and damping coefficient. In reality, these displacements are displacements accompanying horizontal vibration. Further, the rigidity K L and damping coefficient C L of the lower structure of the lower structure is a characteristic associated with the lower structure itself of the building, based on the design drawing of a building design is complete and is calculated.
図２に示した振動系において、水平方向の地動速度、下部構造の水平方向の変位速度、及び、上部構造の水平方向の変位速度を、夫々、ｘ０'、ｘＬ'、ｘＵ' で表し、同じく加速度を、夫々、ｘ０"、ｘＬ"、ｘＵ" で表すならば、下部構造の運動方程式は（１）式で与えられる。 In the vibration system shown in FIG. 2, the horizontal ground motion speed, the horizontal displacement speed of the lower structure, and the horizontal displacement speed of the upper structure are respectively represented by x 0 ′, x L ′, and x U ′. If the acceleration is expressed by x 0 ″, x L ″, and x U ″, respectively, the equation of motion of the substructure is given by equation (1).
この（１）式を変形すると、（２）式が得られる。 When this equation (1) is modified, equation (2) is obtained.
一方、上部構造の運動方程式は（３）式で与えられる。 On the other hand, the equation of motion of the superstructure is given by equation (3).
ここで、地動速度ｘ０' に対する下部構造の加速度ｘＬ" の応答倍率（以下「加速度応答倍率Ｒ」という）を求める。この加速度応答倍率Ｒは、地動速度ｘ０' の振幅に対する、その地動速度により誘起される下部構造の加速度ｘＬ" の振幅の比である。地動速度ｘ０' 並びに下部構造の加速度ｘＬ" は周波数スペクトルを有するものであるため、この加速度応答倍率Ｒの値は周波数の関数として表され、ここでは周波数を、円振動数ωをもって表すことにする。また、この加速度応答倍率Ｒを表すのに、α＝ω／ωＬ、β＝ωＵ／ωＬ、μ＝ＭＵ／ＭＬ、ｈＬ＝ＣＬ／２ＭＬωＬ、ｈＬＳＳ＝ＣＬＳＳ／２ＭＵωＵの、５つの変数を用いる。これら変数に関して、ωＬ は、上述した地盤上に構築された下部構造から成る振動系の水平方向振動の一次固有振動数（これも円振動数で表す）であって、ωＬ＝（ＫＬ／ＭＬ）１／２ である。また、ωＵ は、上述した低剛性層とそれに支持された上部構造とから成る振動系が水平方向に振動するときの一次固有振動数（これも円振動数で表す）であって、ωＵ＝（ＫＬＳＳ／ＭＵ）１／２である。更に、ｈＬは下部構造の減衰定数であり、ｈＬＳＳは減衰力発生手段の減衰定数である。以上の５つの変数を用いて加速度応答倍率Ｒを表すと、上の（２）式及び（３）式から、次の（４）式が得られる。 Here, a response magnification (hereinafter referred to as “acceleration response magnification R”) of the acceleration x L ″ of the lower structure with respect to the ground motion speed x 0 ′ is obtained. The acceleration response ratio R is ground motion speed x 0 'with respect to the amplitude of the acceleration x L substructures induced by the ground motion rate "is a ratio of amplitudes. Ground motion speed x 0' and acceleration x L substructure" Since has a frequency spectrum, the value of the acceleration response magnification R is expressed as a function of frequency. Here, the frequency is expressed by a circular frequency ω. Also, to represent the acceleration response ratio R, α = ω / ω L , β = ω U / ω L, μ = M U / M L, h L = C L / 2M L ω L, h LSS = C Five variables of LSS / 2M U ω U are used. Regarding these variables, ω L is the primary natural frequency (also expressed as a circular frequency) of the horizontal vibration of the vibration system composed of the substructure constructed on the ground described above, and ω L = (K L / M L) is 1/2. Further, ω U is a primary natural frequency (also expressed by a circular frequency) when the vibration system including the low-rigidity layer and the upper structure supported by the low-vibration layer is oscillated in the horizontal direction, and ω U = (K LSS / M U ) 1/2 . Furthermore, h L is the damping constant of the lower structure, and h LSS is the damping constant of the damping force generating means. When the acceleration response magnification R is expressed using the above five variables, the following equation (4) is obtained from the above equations (2) and (3).
図３は、上の（４）式で表される加速度応答倍率Ｒが、αを横軸に取ったグラフ上で、いかなる形状の曲線となるかを例示したグラフである。この図３に示した具体例は、建物全体の設計が完了して、その建物の層のうちの低剛性層とする層を選択した結果、ＭＵ、ＭＬ、及び、ωＬの値が決まり、それらに基づいて算出したμ及びＨＬ の値が、μ＝0.3、ｈＬ＝0.01であった場合に、β＝1.0となるように低剛性層の剛性ＫＬＳＳの値を設定し、且つ、減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を0.01と0.3との２通りに設定したときの加速度応答倍率Ｒのグラフである。 FIG. 3 is a graph exemplifying what shape of the acceleration response magnification R represented by the above equation (4) is a curve on the graph with α on the horizontal axis. In the specific example shown in FIG. 3, as a result of selecting the layer to be the low-rigidity layer of the building after the design of the entire building is completed, the values of M U , M L , and ω L are When the values of μ and HL calculated based on them are μ = 0.3 and h L = 0.01, the value of the rigidity K LSS of the low rigidity layer is set so that β = 1.0, Moreover , it is a graph of the acceleration response magnification R when the value of the damping constant h LSS of the damping force generating means is set to two values of 0.01 and 0.3.
図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、加速度応答倍率Ｒの曲線の更に別の具体例を示したグラフである。図４（Ａ）は、μ＝0.1、ｈＬ＝0.0であった場合に、β＝1.0となるように低剛性層の剛性ＫＬＳＳの値を設定し、且つ、減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を0.03、0.1、及び1.0の３通りに設定したときの加速度応答倍率Ｒの曲線を示している。また、図５（Ａ）は、μ＝1.0、ｈＬ＝0.0であった場合に、β＝1.0となるように低剛性層の剛性ＫＬＳＳの値を設定し、且つ、減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を0.03、0.1、及び1.0の３通りに設定したときの加速度応答倍率Ｒの曲線を示している。 4A and 5A are graphs showing still another specific example of the curve of the acceleration response magnification R. FIG. FIG. 4A shows the case where the value of the rigidity K LSS of the low-rigidity layer is set so that β = 1.0 when μ = 0.1 and h L = 0.0, and the damping constant of the damping force generating means is set. h A curve of the acceleration response magnification R when the LSS value is set to three values of 0.03, 0.1, and 1.0 is shown. In FIG. 5A, when μ = 1.0 and h L = 0.0, the value of the rigidity K LSS of the low rigidity layer is set so that β = 1.0, and the damping force generating means The curve of the acceleration response magnification R when the value of the damping constant h LSS is set to three values of 0.03, 0.1, and 1.0 is shown.
加速度応答倍率Ｒの曲線は、図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示した具体例のように、建物の下部構造の減衰定数ｈＬの値が0であるときには、減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値にかかわらず、グラフ平面上の２つの定点Ｐ１、Ｐ２を通る。図３の具体例でも、ｈＬの値が非常に小さい（＝0.01）ため、略々２つの定点Ｐ１、Ｐ２を通っている。２つの定点Ｐ１、Ｐ２の高さ（即ち、それら定点Ｐ１、Ｐ２に対応した周波数における加速度応答倍率Ｒの値）は、固有振動数比βの値に応じて決まるため、地震発生時の下部構造の揺れを小さく抑えるには、２つの定点Ｐ１、Ｐ２のうち、高い方の高さをできるだけ抑えるようにすべきであり、それには固有振動数比βの値を、２つの定点Ｐ１の高さを等しくするような値に設定すればよい。この条件を満たす固有振動数比βの値は、β= (1/(1+μ)) (1+μ/2)１／２ で与えられる。この式の右辺は変数としてμのみを含んでおり、従って、固有振動数比βの最適値は、質量比μの値のみによって決まる。そこで、本発明においては、固有振動数比βが、質量比μの式で表された第１目標値ｆ１(μ) = (1/(1+μ)) (1+μ/2)１／２ に対して、0.9×ｆ１(μ) ＜β＜1.1×ｆ１(μ) で示される範囲内にくるように、低剛性層の剛性ＫＬＳＳを設定するようにしている。これによって、固有振動数比βの値を、下部構造の揺れを小さく抑える上で適切な範囲内に設定することができる。 The curve of the acceleration response magnification R is obtained when the damping force generating means has a value of 0 when the damping constant h L of the lower structure of the building is 0, as in the specific examples shown in FIGS. 4 (A) and 5 (A). Regardless of the value of the attenuation constant h LSS , it passes through two fixed points P1 and P2 on the graph plane. In the embodiment of FIG. 3, the value of h L is very small (= 0.01) for and through substantially two fixed points P1, P2. The height of the two fixed points P1 and P2 (that is, the value of the acceleration response magnification R at the frequency corresponding to the fixed points P1 and P2) is determined according to the value of the natural frequency ratio β. Of the two fixed points P1 and P2, the higher one should be suppressed as much as possible. For this purpose, the value of the natural frequency ratio β is set to the height of the two fixed points P1. Should be set to a value that makes. The value of the natural frequency ratio β that satisfies this condition is given by β = (1 / (1 + μ)) (1 + μ / 2) 1/2 . The right side of this equation includes only μ as a variable, and therefore the optimum value of the natural frequency ratio β is determined only by the value of the mass ratio μ. Therefore, in the present invention, the natural frequency ratio β is the first target value f 1 (μ) = (1 / (1 + μ)) (1 + μ / 2) 1 expressed by the equation of the mass ratio μ. The stiffness K LSS of the low-rigidity layer is set so as to be within a range represented by 0.9 × f 1 (μ) <β <1.1 × f 1 (μ) with respect to / 2 . Thereby, the value of the natural frequency ratio β can be set within an appropriate range in order to suppress the shaking of the lower structure.
図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、図４（Ａ）及び図５（Ａ）に示した具体例において、固有振動数比βの値以外のパラメータを同一としたまま、固有振動数比βの値だけを、最適値であるβ＝ｆ１(μ) に設定した場合に、加速度応答倍率Ｒの曲線がいかなる形状となるかを示したグラフである。図から明らかなように、固有振動数比βの値が変化した結果、定点Ｐ１、Ｐ２の高さが揃っている。 4 (B) and 5 (B) show the natural frequency in the specific examples shown in FIGS. 4 (A) and 5 (A), with the parameters other than the natural frequency ratio β being the same. It is a graph showing what shape the curve of the acceleration response magnification R takes when only the value of the ratio β is set to an optimum value β = f 1 (μ). As is clear from the figure, as a result of the change in the natural frequency ratio β, the heights of the fixed points P1 and P2 are aligned.
以上によって、２つの定点Ｐ１、Ｐ２に対応した周波数における加速度応答倍率Ｒの値が決まる。本発明においては更に、上部構造と下部構造との間に設けた減衰力発生手段の減衰係数ｈＬＳＳの値を適切に設定することによって、２つの定点Ｐ１、Ｐ２に対応した周波数以外の周波数における加速度応答倍率Ｒの値を小さく抑えるようにする。これを達成するには、図３、図４、図５に示した加速度応答倍率Ｒのグラフにおいて、加速度応答倍率Ｒの曲線の最大値ができるだけ小さく、且つ、その曲線より下の部分の面積ができるだけ小さくなるように、減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を設定すればよい。これについて、以下に図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）を参照して説明する。 Thus, the value of the acceleration response magnification R at the frequency corresponding to the two fixed points P1 and P2 is determined. Furthermore, in the present invention, by appropriately setting the value of the damping coefficient h LSS of the damping force generating means provided between the upper structure and the lower structure, the frequency at a frequency other than the frequencies corresponding to the two fixed points P1 and P2. The value of the acceleration response magnification R is kept small. In order to achieve this, in the graphs of the acceleration response magnification R shown in FIGS. 3, 4, and 5, the maximum value of the curve of the acceleration response magnification R is as small as possible, and the area under the curve is as small as possible. What is necessary is just to set the value of the damping constant h LSS of the damping force generating means so as to be as small as possible. This will be described below with reference to FIGS. 4C and 5C.
図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示した具体例において、減衰定数ｈＬＳＳの値以外のパラメータを同一としたまま、減衰定数ｈＬＳＳの値だけを、0.1、0.18、及び0.3の３通りの値に設定した場合に、加速度応答倍率Ｒの曲線がいかなる形状となるかを示したグラフである。尚、図４（Ｃ）の縦軸のスケールは、図４（Ａ）及び（Ｂ）と比べて拡大されていることに注意されたい。図４（Ｃ）から明らかなように、減衰定数ｈＬＳＳ= 0.18としたときに、加速度応答倍率Ｒの曲線の最大値が最も小さくなり、且つ、その曲線より下の部分の面積が最も小さくなっており、減衰定数ｈＬＳＳの値がこれより小さくなっても、また大きくなっても、それら最大値及び面積は増大する傾向が認められる。 FIG. 4 (C) shows only the values of the attenuation constant h LSS of 0.1, 0.18, and 0.3 while keeping the parameters other than the value of the attenuation constant h LSS in the specific example shown in FIG. 4 (B). It is a graph which shows what kind of shape the curve of acceleration response magnification R will be when it sets to three kinds of values. Note that the scale of the vertical axis in FIG. 4C is enlarged compared to FIGS. 4A and 4B. As is clear from FIG. 4C, when the damping constant h LSS is 0.18, the maximum value of the curve of the acceleration response magnification R is the smallest, and the area under the curve is the smallest. Even if the value of the attenuation constant h LSS is smaller or larger than this, the maximum value and the area tend to increase.
同様に、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示した具体例において、減衰定数ｈＬＳＳの値以外のパラメータを同一としたまま、減衰定数ｈＬＳＳの値だけを、0.3、0.43、及び0.5の３通りの値に設定した場合に、加速度応答倍率Ｒの曲線がいかなる形状となるかを示したグラフである。尚、図５（Ｃ）の縦軸のスケールは、図５（Ａ）及び（Ｂ）と比べて拡大されていることに注意されたい。図５（Ｃ）から明らかなように、減衰定数ｈＬＳＳ= 0.43としたときに、加速度応答倍率Ｒの曲線の最大値が最も小さくなり、且つ、その曲線より下の部分の面積が最も小さくなっており、減衰定数ｈＬＳＳの値がこれより小さくなっても、また大きくなっても、それら最大値及び面積は増大する傾向が認められる。 Similarly, FIG. 5C shows only the value of the attenuation constant h LSS in the specific example shown in FIG. 5B, with the parameters other than the value of the attenuation constant h LSS being the same. 6 is a graph showing the shape of the curve of the acceleration response magnification R when the three values of 0.5 and 0.5 are set. Note that the scale of the vertical axis in FIG. 5C is enlarged compared to FIGS. 5A and 5B. As is clear from FIG. 5C, when the damping constant h LSS is 0.43, the maximum value of the curve of the acceleration response magnification R is the smallest, and the area under the curve is the smallest. Even if the value of the attenuation constant h LSS is smaller or larger than this, the maximum value and the area tend to increase.
加速度応答倍率Ｒの曲線の最大値ができるだけ小さくなり、且つ、その曲線より下の部分の面積ができるだけ小さくなるようにするという条件を満たすｈＬＳＳの値は、ｈＬＳＳ = (3μ/(8×(1+μ))１／２ で与えられる。この式の右辺は変数としてμのみを含んでおり、従って、ｈＬＳＳの最適値も、固有振動数比βの最適値と同様に、質量比μの値のみによって決まる。そこで、本発明においては、減衰定数ｈＬＳＳの値を、質量比μの式で表された第２目標値ｆ２(μ) = (3μ/(8×(1+μ))１／２ に対して、0.9×ｆ２(μ) ＜ｈＬＳＳ＜1.1×ｆ２(μ) で示される範囲内に設定するようにしている。これによって、減衰定数ｈＬＳＳの値を、下部構造の揺れを小さく抑える上で適切な範囲内に設定することができる。 The value of h LSS that satisfies the condition that the maximum value of the curve of the acceleration response magnification R is as small as possible and the area under the curve is as small as possible is h LSS = (3 μ / (8 × (1 + μ)) is given by 1/2 , and the right side of this equation contains only μ as a variable, so that the optimum value of h LSS is similar to the optimum value of the natural frequency ratio β, as is the mass ratio Therefore, in the present invention, the value of the attenuation constant h LSS is set to the second target value f 2 (μ) = (3 μ / (8 × (1+ μ)) 1/2 is set within the range of 0.9 × f 2 (μ) <h LSS <1.1 × f 2 (μ), whereby the value of the damping constant h LSS Can be set within an appropriate range for minimizing the shaking of the lower structure.
以上の説明から明らかなように、本発明における、固有振動数比β及び減衰定数ｈＬＳＳの値の最適設定は、地動速度ｘ０' の振幅に対する、その地動速度により誘起される下部構造の加速度ｘＬ" の振幅の比である加速度応答倍率Ｒの値に基づいて行われている。この加速度応答倍率Ｒの値をもって最適設計のための判断基準とすることは、本発明の独創的な特徴であり、これによって、容易に最適設計を行うことができるようになっている。 As is apparent from the above description, the optimum setting of the natural frequency ratio β and the damping constant h LSS in the present invention is the acceleration of the substructure induced by the ground motion speed with respect to the amplitude of the ground motion speed x 0 ′. This is based on the value of the acceleration response magnification R, which is the ratio of the amplitude of x L ". The original feature of the present invention is to use the value of the acceleration response magnification R as a criterion for optimum design. Thus, the optimum design can be easily performed.
図６（Ａ）〜（Ｏ）は、本発明に係る制振構造を採用した建物の振動モードをシミュレートした結果を示したものである。図中のＵ、Ｌ、及びＬＳＳは夫々、建物の上部構造、下部構造、及び低剛性層を示しており、このシミュレーション結果は、１０層の建物に、周波数0.8Ｈｚで正弦波状に変化する地動が入力したときの、上部構造、下部構造、及び低剛性層の水平方向の変位を示している。また、図中の破線は、低剛性層を設けずに全体を耐震構造とした同一仕様の建物の水平方向の変位を、比較例として示したものである。また、図７は、図６（Ａ）〜（Ｏ）に示した建物の振動における、下部構造の上端の変位（実線）と、上部構造の下端の変位（破線）とを示したグラフである。これらの図から明らかなように、本発明に係る制振構造を採用した建物では、上部構造の振動振幅が、下部構造の振動振幅の1.5 〜 2.0倍程度の大きさになるが、これは、全体を耐震構造とした建物の振動振幅と比べれば格段に小さい。更に、本発明に係る制振構造を採用した建物では、下部構造の振動振幅が非常に小さく抑えられる。これは、上部構造がチューンドマスダンパの可動マスとして機能していることによるものであるが、ただし、従来のチューンドマスダンパの可動マスの振動振幅が、建物自体の振動振幅と比べて一桁程度大きかったのと比べて、本発明に係る制振構造における上部構造の振動振幅は、充分に抑制されているということができる。 6A to 6O show the results of simulating the vibration mode of a building that employs the vibration control structure according to the present invention. In the figure, U, L, and LSS indicate the superstructure, substructure, and low-rigidity layer of the building, respectively. The simulation results show that the ground motion changes sinusoidally at a frequency of 0.8 Hz in a 10-layer building. The horizontal displacement of the superstructure, the substructure, and the low-rigidity layer when “” is input is shown. Moreover, the broken line in a figure shows the displacement of the horizontal direction of the building of the same specification which made the whole earthquake-resistant structure without providing a low-rigidity layer as a comparative example. FIG. 7 is a graph showing the displacement of the upper end of the lower structure (solid line) and the displacement of the lower end of the upper structure (broken line) in the vibration of the building shown in FIGS. . As is clear from these figures, in the building adopting the vibration damping structure according to the present invention, the vibration amplitude of the upper structure is about 1.5 to 2.0 times the vibration amplitude of the lower structure. Compared to the vibration amplitude of a building with a seismic structure as a whole, it is much smaller. Furthermore, in the building employing the vibration damping structure according to the present invention, the vibration amplitude of the lower structure can be suppressed to a very small level. This is due to the fact that the superstructure functions as the movable mass of the tuned mass damper, but the vibration amplitude of the movable mass of the conventional tuned mass damper is about an order of magnitude compared to the vibration amplitude of the building itself. It can be said that the vibration amplitude of the upper structure in the vibration control structure according to the present invention is sufficiently suppressed as compared with the case where it is large.
本発明に係る制振構造によれば、建物の上部構造の振動を低減するばかりでなく、下部構造の振動も低減することができ、このことは、下部構造の振動を低減することのできない従来の中間階免震方式と比べたとき、大きな利点をなすものである。また、既述のごとく、本発明を適用するに際して、建物のどの層を低剛性層とするかについて、選択の自由度が大きいことも、従来の中間階免震方式に対する利点となっている。更に、既存の建物にレトロフィットによって制振構造を組み込む場合に、本発明に係る制振構造によれば、低剛性層以外の層は従来の構造でよく、低剛性層のみ特殊な構造に設計すればよいため、建物全体に多数のエネルギ吸収部材を分散配置する従来の制振構造のように、建物全体の改修工事が必要になるということがない。また、本発明では、低剛性層に設けた減衰力発生手段によって、地震時の入力エネルギを集中的に吸収するため、各階でエネルギ吸収を行わせる従来の制振構造に比べて、より効率的にエネルギ吸収を行うことができる。 According to the vibration damping structure of the present invention, not only the vibration of the upper structure of the building can be reduced, but also the vibration of the lower structure can be reduced, which is a conventional technique that cannot reduce the vibration of the lower structure. Compared to the middle floor seismic isolation system, it has a great advantage. In addition, as described above, when applying the present invention, it is an advantage over the conventional intermediate floor seismic isolation system that the degree of freedom in selecting which layer of the building is to be the low rigidity layer is large. Furthermore, when a damping structure is retrofitted into an existing building, according to the damping structure according to the present invention, the layers other than the low-rigidity layer may be conventional structures, and only the low-rigidity layer is designed as a special structure. Therefore, it is not necessary to renovate the entire building as in the conventional vibration damping structure in which a large number of energy absorbing members are distributed and arranged throughout the building. Further, in the present invention, the input energy at the time of earthquake is intensively absorbed by the damping force generating means provided in the low-rigidity layer, so it is more efficient than the conventional vibration control structure that absorbs energy at each floor. Energy absorption.
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ……建物、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ−１、１２ｄ−２……低剛性層（中間層）、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｃ’……中間層の柱、１６……ブラケット、１８……オイルダンパ、２０……積層ゴム、２４……滑り支承、２６……復元力発生機構、２８……ブレース。 10a, 10b, 10c ... Building, 12a, 12b, 12c, 12d-1, 12d-2 ... Low rigidity layer (intermediate layer), 14a, 14b, 14c, 14c '... Intermediate layer pillar, 16 ... Bracket, 18 ... oil damper, 20 ... laminated rubber, 24 ... sliding bearing, 26 ... restoring force generating mechanism, 28 ... brace.
Claims (1)
中層、高層、ないし超高層の建物の中間層に、水平方向の剪断変形に対する剛性をその他の層より小さくした低剛性層を設けて、該低剛性層より上方の上部構造と下方の下部構造とで当該建物を構成し、
前記低剛性層が水平方向の剪断変形を生じて前記上部構造が前記下部構造に対して相対的に水平方向に変位したときに、その水平方向の変位の変位速度に略々比例した減衰力を発生する減衰力発生手段を、前記上部構造と前記下部構造との間に設け、
地盤上に構築された前記下部構造から成る振動系の水平方向振動における一次固有振動数ωＬに対する前記低剛性層とそれに支持された前記上部構造とから成る振動系の水平方向振動における一次固有振動数ωＵの比である固有振動数比β＝ωＵ／ωＬが、前記下部構造の質量ＭＬに対する前記上部構造の質量ＭＵの比である質量比μ＝ＭＵ／ＭＬの式で表された第１目標値ｆ１(μ) = (1/(1+μ)) (1+μ/2)１／２ に対して、
0.9×ｆ１(μ) ＜β＜1.1×ｆ１(μ)
で示される範囲内にあるように、前記低剛性層の前記剛性の値を設定し、
前記減衰力発生手段の減衰定数ｈＬＳＳの値を、前記質量比μの式で表された第２目標値ｆ２(μ) = (3μ/(8×(1+μ))１／２ に対して、
0.9×ｆ２(μ) ＜ｈＬＳＳ＜1.1×ｆ２(μ)
で示される範囲内に設定した、
ことを特徴とする建物の制振構造。
In the vibration control structure of the building,
A middle layer, a high layer, or a super-high-rise building is provided with a low-rigidity layer in which the rigidity against horizontal shear deformation is made smaller than that of the other layers, and an upper structure above and a lower structure below the lower-rigid layer To construct the building,
When the low rigidity layer causes horizontal shear deformation and the upper structure is displaced in the horizontal direction relative to the lower structure, a damping force approximately proportional to the displacement speed of the horizontal displacement is provided. A damping force generating means for generating is provided between the upper structure and the lower structure;
Primary natural vibration in the horizontal vibration of the vibration system composed of the low-rigidity layer and the superstructure supported by the low-stiffness layer with respect to the primary natural frequency ω L in the horizontal vibration of the vibration system composed of the substructure constructed on the ground number omega U ratio natural frequency ratio β = ω U / ω L is of the formula in a ratio of the mass M U of said superstructure relative to the weight M L of the lower structure mass ratio μ = M U / M L For the first target value f 1 (μ) = (1 / (1 + μ)) (1 + μ / 2) 1/2
0.9 × f 1 (μ) <β <1.1 × f 1 (μ)
Set the stiffness value of the low stiffness layer to be within the range indicated by
The value of the damping constant h LSS of the damping force generating means is set to the second target value f 2 (μ) = (3 μ / (8 × (1 + μ)) 1/2 represented by the equation of the mass ratio μ. for,
0.9 × f 2 (μ) <h LSS <1.1 × f 2 (μ)
Set within the range indicated by
A vibration control structure for buildings.
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