JP6402889B2 - 制振構造物 - Google Patents

Description

本発明は、制振構造物に関する。

従来、例えば、複数の建物間や、内側構造と内側構造を囲繞するように設けられた外側構造の両構造間などを制振装置で連結する連結制振は、効果的に地震時の応答を低減させることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、このような連結制振において、制振装置に慣性質量ダンパーを採用し、且つ制振装置を建物の下層部に集中配置すると、オイルダンパー等を単独で用いる場合と比較し、さらに制振装置による効果を発揮させることができ、合理的な制振システムを実現することができる。

特開２０１０−１１２０１３号公報

しかしながら、上記の連結制振システムは、２以上の構造体（建物）を制振装置で連結するため、建築計画との整合上、必然的に適用範囲が限られることになる。このため、単一の多層構造の建物に対しても連結制振システムのような合理的な制振システムを適用し、その制振性能を向上させる手法が強く望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑み、単一の多層構造の構造体に対しても連結制振システムのような合理的な制振システムを適用し、その制振性能を向上させることを可能にする制振構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の制振構造物は、多層構造の構造体に制振装置を設置してなる制振構造物であって、前記構造体が、剛構造領域と、前記剛構造領域よりも剛性が小さい柔構造領域とを備えて構築され、前記構造体に外力が作用した際の前記剛構造領域と前記柔構造領域の変形差が入力されるように前記制振装置が配設されるとともに、前記構造体を下層部と中層部と上層部に分け、前記構造体の下層部に前記剛構造領域と前記柔構造領域と前記制振装置を設け、前記制振装置を設置した制振階層の直上の１階層は、該１階層の前記柔構造領域の剛性を他の階層の前記柔構造領域の剛性の２倍とし、該１階層の前記剛構造領域の剛性を他の階層の前記剛構造領域の剛性の１／２倍とし、且つ、前記制振装置として主系の慣性質量ダンパーと付加振動系の直列バネを設け、前記慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値が設定されていることを特徴とする。

また、本発明の制振構造物においては、前記制振装置が床位置に配設されていることが望ましい。

本発明の制振構造物においては、多層構造の構造体（建物など）を剛構造領域と、意図的にこの剛構造領域よりも剛性を小さくした柔構造領域とを備えて構築し、例えばこれら剛構造領域と柔構造領域の連結部分に制振装置を設置することで、地震等により構造体に外力が作用した際に、剛構造領域と柔構造領域の大きな変位差を制振装置に入力させることが可能になる。また、構造体内の剛性差を利用した１棟完結の制振システムを構築することができ、連結制振システムと比較して建築計画的な自由度を大きく、適用範囲を広くすることが可能になる。

これにより、単一の多層構造の構造体に対しても連結制振システムのような合理的な制振システムを具備・実現させることができ、その制振性能を効果的に向上させることが可能になる。

また、本発明の制振構造物においては、構造体の下層部に剛構造領域と柔構造領域と制振装置を設けることによって、すなわち低層集中制振システムを構成することで、従来の制振構造よりも大きな応答低減効果を得ることが可能になる。

また、本発明の制振構造物においては、制振装置として主系の慣性質量ダンパーと付加振動系の直列バネを設け、慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値が設定されていることにより、小さな慣性質量でも制振性能に優れた同調型制振機構を構成することが可能になる。また、小さな慣性質量でも同調型制振機構とすることができ、高振動数域での加速度応答を低減することが可能になる。

さらに、本発明の制振構造物においては、制振装置を床位置に設置することで、層間に制振用の壁や斜材を設ける場合のように平面計画に制約が生じることをなくすことができる。

本発明の一実施形態に係る制振構造物を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制振構造物を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制振構造物に設けられる制振装置の一例を示す図である。 シミュレーションで用いた制振構造物を示す図である。 シミュレーションで用いた制振構造物の解析モデルを示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る制振構造物について説明する。

本実施形態の制振構造物Ａは、例えば、図１、図２に示すようにマンションやオフィスビル等の多層構造の建物（構造体）であり、制振装置１を設置して地震時の応答低減効果を得るように構成されている。

また、本実施形態の制振構造物Ａは、剛構造領域２と、意図的に剛構造領域２よりも剛性が小さい柔構造領域３とを備えて構築されている。さらに、この制振構造物Ａは、下層部と中層部と上層部に分けた際に、下層部に位置する部分に、剛構造領域２と柔構造領域３と制振装置１が設けられるように構成されている。すなわち、低層集中制振システムを構成するようにして制振装置１等が配設されている。

さらに、本実施形態の制振構造物Ａでは、制振装置１として、慣性質量ダンパーが用いられている。また、このとき、制振装置１として、慣性質量ダンパーと粘性系ダンパーと履歴系ダンパーが選択的に組み合わせて設けることが好ましい。さらに、制振装置１として主系の慣性質量ダンパーと付加振動系の直列バネを設け、慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値が設定されている。また、制振装置１は、建物下部の高さ方向に１箇所、もしくは複数箇所に設置されるとともに、床位置に（床と同高さ位置に）配設されている。

そして、上記構成からなる本実施形態の制振構造物Ａにおいては、例えば、図１に示すように、地下外壁によって剛構造領域２を形成し、コアを柔構造にして柔構造領域３を形成したり、図２に示すように、下層部のコア側を剛構造にして剛構造領域２を形成し、その周囲の構造を柔構造にして柔構造領域３を形成するなどすると、地震などによって制振構造物Ａの建物に外力が作用した際に、剛構造領域２と柔構造領域３に変形量の差（変形差）が生じる。

これにより、剛構造領域２と柔構造領域３の大きな変形差に応じた大きな変形量が制振装置１に生じ、連結制振システムに準じる制振性能が発揮されることになる。

また、本実施形態では、制振装置１として主系の慣性質量ダンパー（慣性質量機構）と付加振動系の直列バネ（付加ばね機構）を設け、慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値（慣性質量と付加ばねの値）が設定されている。

ここで、本実施形態の制振装置１の一例を図３に示す。この制振装置１は、回転慣性質量機構５と付加ばね機構６を備えるとともに、回転慣性質量機構５と付加ばね機構６を直列に連結配置して構成されている。また、直列に接続した回転慣性質量機構５と付加ばね機構６からなる制振装置１はその軸線Ｏ１方向を水平方向に配して設置される。

回転慣性質量機構５は、中心軸線Ｏ１を制振装置１の軸線Ｏ１と同軸上に配して設けられたボールねじ７と、ボールねじ７に螺着して配設されたボールナット８と、ボールナット８に取り付けられ、ボールナット８の回転に従動して回転する回転錘９とを備えて構成されている。

ボールねじ７は、その一端７ａに構造体に接続するためのボールジョイントやクレビスなどの連結部材１０が取り付けられている。

また、ボールねじ７に螺着したボールナット８は、軸受け１１に支持されている。軸受け１１は、軸線Ｏ１周りに回転不能に且つ軸線Ｏ１方向に移動不能に固設される円環状の外輪１１ａと、外輪１１ａの内孔内に配されて軸線Ｏ１周りに回転可能に支持された円環状の内輪１１ｂとを備えて形成されている。そして、ボールねじ７が軸受け１１の内輪１１ｂの中心孔に挿通して配設されるとともに、ボールナット８が軸受け１１の内輪１１ｂに固設されている。これにより、ボールナット８は、軸線Ｏ１周りに回転可能に、且つ軸線Ｏ１方向に移動不能に配設されている。

さらに、ボールナット８に回転錘９が一体に固設されている。回転錘９は例えば略円筒状に形成され、ボールねじ７を内部に挿通し、ボールねじ７と互いの軸線Ｏ１を同軸上に配した状態でボールナット８に固着して配設されている。

次に、付加ばね機構６は、円筒状に形成された外筒１２と、外筒１２よりも外径が小の円筒状に形成され、外筒１２の内部に互いの軸線Ｏ１を同軸上に配して設けられた内筒１３と、外筒１２と内筒１３の間に配設された付加ばね（ばね部材）１４とを備えて構成されている。

外筒１２は、所定長さの高軸剛性かつ高曲げ剛性の中空円筒体であって、その他端１２ｂ（図中左側の端部）に内部を閉塞させるように円板状の接続板１５が固着され、この接続板１５に、制振装置１の他端を構造体に接続するためのボールジョイントやクレビスなどの連結部材１６が取り付けられている。また、外筒１２の一端１２ａ側（図中右側の端部）には、内筒１３を挿通させる挿通孔を中心に貫通形成した円環状の支持板１７が内部を閉塞させるように固着されている。

また、外筒１２には、一端１２ａ側に、支持板１７に固着して設けられ、外筒１２を内筒１３に対して軸線Ｏ１方向に案内して相対的に進退させるためのリニアガイド１８が設けられている。さらに、外筒１２には、他端１２ｂ側に、内面から径方向内側に突出し、他端１２ｂから軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に向けて延びる凸部１９が設けられている。また、この凸部１９は、制振装置１のストローク量に応じた軸線Ｏ１方向の長さ寸法で形成されている。

内筒１３は、所定長さの高軸剛性かつ高曲げ剛性の中空円筒体であって、支持板１７の挿通孔に他端１３ｂ側から挿通して外筒１２内に配設され、一端１３ａ側を外筒１２から外側に配して設けられている。また、このとき、内筒１３は、その一端１３ａを、ボールねじ７を回転可能に軸支する軸受け１１の外輪１１ａに固着し、内輪１１ｂの内孔と互いの軸線Ｏ１が同軸上に配されるようにして設けられている。さらに、内筒１３は、他端１３ｂと外筒１２の他端１２ｂに固着された接続板１５との軸線Ｏ１方向の間に所定の間隔（制振装置１のストローク量を規定する間隔）を設けて外筒１２内に配設されている。

また、内筒１３には、外筒１２の支持板１７から外側に延設された一端１３ａに、径方向外側に突出し、軸線Ｏ１方向に延び、リニアガイド１８が係合して外筒１２を内筒１３に対して軸線Ｏ１方向に案内し相対回転せずに進退させるためのリニアガイドレール２０が設けられている。さらに、内筒１３には、その他端１３ｂに、内筒１３の外径よりも大きく、外筒１２の内径よりも小さい直径を有する円板状の係止板２１が固着されている。

また、内筒１３の他端１３ｂ側には、内筒１３の外径と略等しい内径を備え、外筒１２の内径よりも僅かに小さい外径を備えて略円環状に形成されたストローク規定板２２が、その中心孔に内筒１３の他端１３ｂ側を挿通して取り付けられている。このストローク規定板２２は、外筒１２の内面に当接する外周ローラー２２ａと、内筒１３の外面に当接する内周ローラー２２ｂを備えている。そして、ストローク規定板２２は、これらローラー２２ａ、２２ｂによって外筒１２と内筒１３のそれぞれに対し、相対的に軸線Ｏ１方向に進退自在に設けられている。また、このとき、ストローク規定板２２は、外筒１２の凸部１９の軸線Ｏ１方向一端に当接することで、外筒１２に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端１２ｂ側への移動が規制され、内筒１３の係止板２１に当接することで、内筒１３に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端１３ｂ側への相対移動が規制されている。

次に、付加ばね機構６のばね部材（付加ばね）１４は、内筒１３の外面と外筒１２の内面の間、且つストローク規定板２２と支持板１７の軸線Ｏ１方向の間に設けられている。本実施形態において、ばね部材１４は、複数枚の皿バネが直列に重ねられた１組の皿バネ群を複数組軸線Ｏ１方向に並設して構成されている。なお、図３では軸線Ｏ１方向中間部分のばね部材１４を省略して図示している。

これにより、ばね部材１４による付勢力でストローク規定板２２に軸線Ｏ１方向他端側に押圧する力が作用し、通常時には、この付勢力を受けたストローク規定板２２が凸部１９に当接してそれ以上軸線Ｏ１方向他端側に移動しないように設けられている。また、この状態で、ストローク規定板２２に内筒１３に設けられた係止板２１が当接される。

そして、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、すなわち、制振装置１に圧縮側の力が作用した際には、凸部１９にストローク規定板２２が押圧され、これとともに内筒１３に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１３ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。また、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、すなわち、制振装置１に引張側の力が作用した際には、係止板２１にストローク規定板２２が押圧され、これとともに外筒１２に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。
これにより、本実施形態の付加ばね機構６は、ばね部材１４が縮むことで外力を吸収するとともに圧縮力と引張力の双方の外力に対応できるように構成されている。

なお、ストローク規定板２２や支持板１７のばね部材１４と当接する面や、外筒１２の内面、内筒１３の外面に硬質ゴム等の緩衝材が取り付け、付加ばね機構６の作動時に騒音（機械音）が発生したり、摩耗が生じることを防止するように構成してもよい。

そして、図１、図２、図３に示すように、地震が発生し、制振構造物Ａに振動エネルギーが作用すると、剛構造領域２と柔構造領域３を備えて構成されていることで、これら剛構造領域２と柔構造領域３の間に大きな変位差が生じる。

このように剛構造領域２と柔構造領域３の間に大きな変形差が生じると（入力されると）、この変位差に応じて回転慣性質量機構５のボールねじ７が軸線Ｏ１方向に進退し、軸受け１１の内輪１１ｂに支持されたボールナット８が回転するとともに回転錘９が回転する。これにより、回転錘９の実際の質量の数千倍もの慣性質量効果が得られ、オイルダンパーなどの従来の制振装置を設置した場合と比較し、応答変位が大幅に低減することになる。

また、剛構造領域２と柔構造領域３の間の大きな変形差が入力されると、回転慣性質量機構５によって慣性質量効果が発揮されるとともに、付加ばね機構６にも相対振動が作用する。そして、制振装置１に圧縮側の力が作用し、付加ばね機構６の内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、凸部１９にストローク規定板２２が押圧され、これとともに内筒１３に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１３ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。また、制振装置１に引張側の力が作用し、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、係止板２１にストローク規定板２２が押圧され、これとともに外筒１２に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。

これにより、地震によって剛構造領域２と柔構造領域３の間に大きな変形差が生じることで、その大きさに応じて付加ばね機構６のばね部材１４が縮み、圧縮と引張の双方で変位の一部が吸収される。よって、付加ばね機構６による振動吸収効果によって、制振構造物Ａに高振動数域で過大な力が作用することが防止され、制振構造物Ａの応答加速度が増大することを確実に防止できる。

すなわち、本実施形態の制振構造物Ａにおいては、上記のように回転慣性質量機構５による慣性質量効果で応答変位が効果的に低減され、且つ付加ばね機構６による高振動数成分を吸収させる振動吸収効果が効果的に発揮され、応答加速度の増大を防止できる。

ここで、中央にＲＣコア部Ａ１、その外周に住戸部Ａ２を備えた建物（制振構造物）Ａに対し、ＲＣコア部Ａ１と外周住戸部Ａ２を上記の回転慣性質量機構５と付加ばね機構６からなる制振装置１で連結した場合（本実施形態の制振構造物（制振建物）Ａにした場合）の効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。

図４、図５に示すように、本シミュレーションでは、約５４ｍ×４２ｍの矩形平面を有するＲＣ造３１階建てのマンションを想定し、基準階の高さを３．２５ｍ、建物高さを約１００ｍとしている。また、平面中央部に、最上階までＲＣコア部Ａ１が設けられている。さらに、外周の住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１間を、特定の階において制振装置１で連結している。また、制振階より上層は外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１を剛床で連結し、制振階より下層は外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１を連結せずに独立としている。

さらに、制振階直上の１層のみは、外周住戸部Ａ２の剛性を２倍に割増し、且つＲＣコア部Ａ１の剛性を１／２倍に低減させている。

次に、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の解析モデルは、いずれも３１質点系弾性曲げせん断直列多質点系モデルとし、下から４質点目、５質点目を制振装置にて連結する。また、下から６質点目以上は両端ピンの剛部材にて連結する（剛床連結）。さらに、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の下から６層目（５質点目の上）は、それぞれ剛性を倍増、半減させる。

また、上記のモデル化による建物諸元は、１次固有周期を２．２５秒、総重量を約６３０００ｔｏｎとしている。

次に、本シミュレーションでは、４つの検討ケースについてシミュレーションを行い、その結果を比較した。
ケース１は、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の４質点目、５質点目を連結しない非連結ケースとした。
ケース２は、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の下から５質点目を両端ピンの剛部材（剛床）で連結し、４質点目を非連結にした。
ケース３は、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の下から５質点目をオイルダンパー（従来の制振装置）４台で連結し、４質点目をオイルダンパー（従来の制振装置）４台で連結した。
ケース４は、外周住戸部Ａ２とＲＣコア部Ａ１の下から５質点目を慣性質量ダンパー（本実施形態の制振装置１）４台で連結し、さらに４質点目を慣性質量ダンパー（本実施形態の制振装置１）４台で連結した。

ここで、オイルダンパーは、１台あたり、減衰係数Ｃ＝６５０ｋＮ・ｓ／ｃｍ（ダッシュポットでモデル化）とした。また、慣性質量ダンパーの１台あたりの諸元は、慣性質量ψ＝１００００ｔｏｎ、減衰係数Ｃψ＝７．２ｋＮ・ｓ／ｃｍ、付加ばね（直列ばね）Ｋ＝１２００ｋＮ／ｃｍとした。

なお、上記のいずれのダンパーも実製品をイメージしており、本来リリーフによる非線形性状を示すが、本シミュレーションでは初期特性による線形解析にて検討を行った。

次に、各ケースのシミュレーションの結果を図６に示す。図６は、外周住戸部Ａ２の最上階における地動変位に対する基礎からの相対応答変位（図６（ａ））、及び地動加速度に対する絶対応答加速度（図６（ｂ））の周波数伝達関数を示している。なお、図６の横軸は振動数Ｈｚ、縦軸は応答倍率を示している。

この結果から、非連結のケース１に対して、剛部材連結のケース２は曲線のピークが僅かに高周波側に移動しているが、応答低減効果はほとんどないことが確認された。オイルダンパーを設置したケース３は曲線のピークが低減することが確認されたが、その低減効果は小さい。慣性質量ダンパーを設置したケース４は、曲線のピークが２山化してケース３よりもさらに低減し、最も応答低減効果が大きくなることが確認された。すなわち、ケース４は、明確な応答低減効果が認められた。
なお、ケース３においては、大容量のオイルダンパーを用い、当該位置に設置可能な範囲で極力大きな容量を確保するようにしたが、計算上さらに容量を増やしたとしても（もしくは減じても）大きな応答改善効果はなく、ケース４の効果に達し得ないことを確認している。

したがって、本実施形態の制振構造物Ａにおいては、多層構造の構造体（建物など）を剛構造領域２と、意図的にこの剛構造領域２よりも剛性を小さくした柔構造領域３とを備えて構築し、例えばこれら剛構造領域２と柔構造領域３の連結部分に制振装置１を設置することで、地震等により構造体に外力が作用した際に、剛構造領域２と柔構造領域３の大きな変位差を制振装置１に入力させることが可能になる。また、構造体内の剛性差を利用した１棟完結の制振システムを構築することができ、連結制振システムと比較して建築計画的な自由度を大きく、適用範囲を広くすることが可能になる。

これにより、単一の多層構造の構造体に対しても連結制振システムのような合理的な制振システムを具備・実現させることができ、その制振性能を効果的に向上させることが可能になる。

また、本実施形態の制振構造物Ａにおいては、構造体の下層部に剛構造領域２と柔構造領域３と制振装置１を設けることによって、すなわち低層集中制振システムを構成することで、従来の制振構造よりも大きな応答低減効果を得ることが可能になる。

さらに、本本実施形態の制振構造物Ａにおいては、制振装置１として、慣性質量ダンパーを設けることにより、もしくは慣性質量ダンパーとオイルダンパーを組み合わせて設けることにより、あるいは慣性質量ダンパーと粘性系ダンパーと履歴系ダンパーを選択的に組み合わせて設けることにより、オイルダンパーのみを用いた従来の制振構造物では実現できなかった大きな応答低減効果を得ることが可能になる。

また、本実施形態の制振構造物Ａにおいては、制振装置１として主系の慣性質量ダンパーと付加振動系の直列バネを設け、慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値が設定されていることにより、小さな慣性質量でも制振性能に優れた同調型制振機構を構成することが可能になる。また、小さな慣性質量でも同調型制振機構とすることができ、高振動数域での加速度応答を低減することが可能になる。

さらに、本実施形態の制振構造物Ａにおいては、制振装置１を床位置に設置することで、層間に制振用の壁や斜材を設ける場合のように平面計画に制約が生じることをなくすことができる。

以上、本発明に係る制振構造物の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 制振装置
２ 剛構造領域
３ 柔構造領域
５ 回転慣性質量機構
６ 付加ばね機構
７ ボールねじ
７ａ 一端
８ ボールナット
９ 回転錘
１０ 連結部材
１１ 軸受け
１１ａ 外輪
１１ｂ 内輪
１２ 外筒
１２ａ 一端
１２ｂ 他端
１３ 内筒
１３ａ 一端
１３ｂ 他端
１４ 付加ばね（ばね部材）
１５ 接続板
１６ 連結部材
１７ 支持板
１８ リニアガイド
１９ 凸部
２０ リニアガイドレール
２１ 係止板
２２ ストローク規定板
２２ａ ローラー
２２ｂ ローラー
Ａ 制振構造物（建物、構造体）
Ａ１ ＲＣコア部
Ａ２ 外周住戸部
Ｏ１ 軸線

Claims (2)

1. 多層構造の構造体に制振装置を設置してなる制振構造物であって、
   前記構造体が、剛構造領域と、前記剛構造領域よりも剛性が小さい柔構造領域とを備えて構築され、
   前記構造体に外力が作用した際の前記剛構造領域と前記柔構造領域の変形差が入力されるように前記制振装置が配設されるとともに、前記構造体を下層部と中層部と上層部に分け、前記構造体の下層部に前記剛構造領域と前記柔構造領域と前記制振装置を設け、
   前記制振装置を設置した制振階層の直上の１階層は、該１階層の前記柔構造領域の剛性を他の階層の前記柔構造領域の剛性の２倍とし、該１階層の前記剛構造領域の剛性を他の階層の前記剛構造領域の剛性の１／２倍とし、
   且つ、前記制振装置として主系の慣性質量ダンパーと付加振動系の直列バネを設け、前記慣性質量ダンパーと直列バネから定まる固有の振動数に同調するように、バネ値が設定されていることを特徴とする制振構造物。
2. 請求項１記載の制振構造物において、
   前記制振装置が床位置に配設されていることを特徴とする制振構造物。

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