JP6456774B2 - 制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の上部にチューンド・マス・ダンパ（ＴＭＤ）を設置した制振構造に関するものである。

従来から、下記特許文献１に見られるように、地震等によって建物に生じる揺れを低減させるために、建物の揺れに同調する質量を備えた錘を最上階に設置するＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）が用いられている。このＴＭＤは、外部動力を必要としないところから、簡便な制振装置として多く実用に供されている。

ところで、例えば図１０に示すような、水平構面が１スパン×１スパンの概正方形で、外周の４つの鉛直構面を有し、そのうちの２つの鉛直構面１ａが道路Ｒに面した角地に建設される建物１にあっては、意匠上道路に面する鉛直構面１ａにはブレースや耐震壁等の構成要素を多数設けることができない。このため、上記建物１においては、重心Ｇに対して剛心Ｑがブレース２等の構成要素がより多く設けられた鉛直構面１ｂ側に大きく偏心することになる。

このため、このような建物１の屋上にＴＭＤ３を設置した場合に、地震動に対して並進方向の変位によって生じる振動に対しては、上記ＴＭＤ３によって揺れを抑えることができるものの、上記偏心に基づく水平方向や回転方向（捻れ）の変位に起因する振動に対しては有効に機能させることができない。

このような場合に、偏心による水平方向や回転方向の振動を抑制するために、剛心Ｑを間に挟んで複数のＴＭＤを並列に配置することが一般的であるが、狭小な角地に建つペンシルビル等のように屋上面積が小さい建物には適用することができないという問題点があった。

また、下記特許文献２においては、下部構造体に積層ゴム支承を介して支持された上部構造体を有する構造物が、所定の軸芯周りに捻れ振動すると想定される場合に、上部構造体の回転慣性質量を用いて下部構造体の捻れ振動を抑制すべく、上部構造体の軸芯周りの回転慣性質量Ｉ_２[kN×m×s^２/rad]、下部構造体の軸芯周りの回転慣性質量Ｉ_１[kN×m×s^２/rad]、上部構造体と地盤との間の軸芯周りの回転剛性値Ｋ_１[kN×m/rad]、免震層の軸芯周りの回転剛性値Ｋ_２[kN×m/rad]、および免震層が上部構造体と下部構造体との間の軸芯周りの捻れ振動を減衰する際の回転減衰係数Ｃ_２[kN×m×s/rad]を捻れ振動の制振に係るパラメータとし、これらパラメータＩ_１，Ｉ_２，Ｋ_１，Ｋ_２，Ｃ_２に基づいて、下部構造体の軸芯周りの回転角θ_１[rad]の伝達関数を求め、得られた伝達関数に基づいてパラメータＩ_１，Ｉ_２，Ｋ_１，Ｋ_２，Ｃ_２の値を決めることを特徴とする構造物の捻れ振動の制振に係るパラメータの設定方法が提案されている。

ところが、上記パラメータの設定方法にあっては、上述したような塔状比が大きく、かつ偏心率が大きくて屋上面積が小さい建物の揺れを、積層ゴム支承による１つのＴＭＤで抑制しようとする場合に、決定されたパラメータを具体的に実現することに困難性があった。

特開２０１１−２７１３６号公報 特開２０１０−９５９０９号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、塔状比が大きく、かつ偏心率が大きいことに加えて設置可能な面積が小さい構造物においても、１つのＴＭＤによって効果的に並進振動とねじれ振動を抑制することができる制振構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、重心に対して剛心が偏心した構造物の上部にＴＭＤが設置された制振構造において、上記ＴＭＤは、その重心に対して剛心を上記構造物の上記剛心側に偏心させて設置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記構造物は、外周に４つの鉛直構面を有し、角隅部を介して隣接する２つの上記鉛直構面の剛性が、当該２つの鉛直構面と対向する他の２つの鉛直構面の剛性よりも低い構造であるとともに、上記ＴＭＤは、上記角隅部と対角方向に対向する角隅部側が積層ゴム支承により、かつ他の部分が滑り支承または転がり支承により支持されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記構造物は、外周に４つの鉛直構面を有し、１つの上記鉛直構面の剛性が、他の３つの上記鉛直構面の剛性よりも低い構造であるとともに、上記ＴＭＤは、上記１つの鉛直構面側に位置する辺部の両端が滑り支承または転がり支承により、かつ当該１つの鉛直構面と対向する上記鉛直構面側に位置する辺部の両端が積層ゴム支承により支持されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、上記構造物は、ラーメン構造であり、かつ水平構面が１スパン×１スパンの概正方形であって、４つの上記鉛直構面のうちの少なくとも１つの上記鉛直構面は、他の上記鉛直構面よりもブレースの本数が少なく配置されることにより、上記他の鉛直構面よりも剛性が低いことを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、ＴＭＤの剛心を構造物の剛心と同じ方向に偏心させて設置しているために、１つのＴＭＤによって、地震時に上記構造物の並進方向への振動のみならず、偏心に起因する水平方向およびねじれ方向の振動にも同調させて効率的にエネルギーを吸収することができる。

特に、ＴＭＤの偏心量を調整して、その剛心が構造物の剛心と一致するように設置すれば、上記構造物の並進方向、水平方向およびねじれ方向の振動にＴＭＤの動きを同期させて極めて優れた制振効果を発揮させることができる。このため、塔状比が大きく、かつ偏心率が大きいことに加えて設置可能な面積が小さいペンシルベル等の構造物に対しても、簡易な構造によって効果的な制振を行うことができる。

ここで、上記ＴＭＤを偏心させて構造物の上部に設置する態様としては、例えば請求項２または３に記載の発明のように、構造物の剛心に近い位置において積層ゴム支承により設置し、上記剛心から離間した位置においては上記積層ゴム支承よりも初期剛性が小さい滑り支承または転がり支承によって支持する構造を採用することができる。

当該構成によれば、構造物の偏心量に基づいて、積層ゴム支承と滑り支承または転がり支承の初期剛性との比を適宜調整することにより、容易にＴＭＤの剛心を構造物の剛心に一致させることができる。

本発明の一実施形態を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線視図である。 図１のＢ−Ｂ線視図である。 地震時の並進変位を示す模式図である。 地震時の水平変位およびねじれ変位を示す模式図である。 図４および図５の並進変位および水平変位の合成を示す模式図である。 本発明の実施例における諸元を示す平面図である。 本発明の他の実施形態を示す建物の配置図である。 図８における図１のＢ−Ｂ線視図相当図である。 一般的な角地に建設された建物の配置図である。

図１〜図３は、本発明に係る制振構造を、図１０に示した角地に建設される建物（構造物）１に適用した一実施形態を示すものである。
これらの図において、この建物１は、ラーメン構造であり、かつ水平構面が１スパン×１スパンの概正方形に形成され、外周に４つの鉛直構面１ａ、１ｂを有している。そして、角隅部１ｃを介して隣接する道路側の２つの鉛直構面１ａよりも、これら２つの鉛直構面１ａと対向する道路に面していない他の２つの鉛直構面１ｂに、より多くのブレース２等の構成要素が配置されている。

これにより、道路側の２鉛直構面１ａの剛性が、他の２鉛直構面１ｂの剛性よりも低くなる結果、この建物１においては、重心Ｇに対して剛心Ｑが上記角隅部１ｃと対角方向に対向する角隅部１ｄ側に偏心している。

そして、この制振構造においては、建物１の屋上部に１基のＴＭＤ３が設置されている。このＴＭＤ３は、上記角隅部１ｄ側の角部においては積層ゴム支承４を介して、他の３箇所の角部においては弾性滑り支承５を介して上記屋上部に支持されることにより、その剛心が建物１の剛心Ｑと一致するように偏心して設置されている。また、隣接する弾性滑り支承５間には、一端部が建物１の屋上部に固定されるとともに他端部がＴＭＤ３の基台に固定されたオイルダンパー６が配置されている。

以上の構成からなる制振構造においては、図４に示すように、Ｘ方向に地震力が作用した場合に、建物１の並進方向の変位δ_Ｘが生じるとともに、これと併行して、図５に示すように、建物１の剛心Ｑが重心Ｇに対して角隅部１ｄ側に偏心していることに起因して、水平方向の変位δ_ＸＹおよびねじれ変位δ_θが発生する。

この結果、図６に示すように、建物１には、水平方向の変位の合成成分δ_Ｘ＋δ_ＸＹの振動とねじれ変位δ_θによる振動が発生する。

そして、この制振構造においては、ＴＭＤ３を、その剛心が建物１の剛心Ｑと一致するように偏心させて設置しているために、その付加質量を建物１の水平方向変位δ_Ｘ＋δ_ＸＹの振動とねじれ変位δ_θによる振動に同調させて作動させることができる。この結果、上記振動のエネルギーを効果的に吸収して建物１の偏心に起因する振動を抑制することができる。

ここで、図７に基づいて、ＴＭＤ３の剛心を建物１の剛心Ｑと一致させるための一態様について説明する。まず、以下の解析に用いる変数を以下のように定義する。

ＴＭＤ３の付加質量を建物１の水平方向の変位δ_Ｘ＋δ_ＸＹに同調させるための条件は、下式によって表すことができる。

次いで、ＴＭＤ３の付加質量を建物１のねじれ方向の変位δ_θに同調させるための条件は、並進方向の振動とねじれ方向の振動の周期が等しいことから、建物１の振動に同調させるＴＭＤ３の付加質量の周期Ｔ_ＸとＴ_θも等しいとすると下式によって表すことができる。

したがって、弾性滑り支承５として、初期剛性が積層ゴム支承４の約１／１９のものを用いることにより、地震時に建物１の並進方向、水平方向およびねじれ方向の変位に同調させながら付加質量が建物１の変形に追従可能な制震装置とすることができる。

以上説明したように、上記構成からなる制振構造によれば、建物１の屋上部にＴＭＤ３を、その剛心が建物１の剛心Ｑと一致するように設置しているために、地震時に建物１に生じる並進方向、水平方向およびねじれ方向の振動にＴＭＤ３の付加質量の動きを同期させて効率的にエネルギーを吸収することにより、極めて優れた制振効果を発揮させることができる。

この結果、ペンシルビルのような塔状比が大きく、かつ偏心率が大きいことに加えて設置可能な面積が小さい建物１に対しても、１つのＴＭＤ３によって効果的な制振を行うことができる。

加えて、ＴＭＤ３の付加質量のねじれ変位を許容しているために、オイルダンパー６の設置数を、一般的な４箇所から２箇所に減らすことも可能になる。

なお、上記実施形態においては、積層ゴム支承４と弾性すべり支承５によってＴＭＤ３を偏心させて設置させた場合に付いてのみ示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上述した積層ゴム水平剛性ｋ_１と弾性滑り支承水平剛性ｋ_２との比ａ（＝ｋ_１／ｋ_２）が小さく、よって剛性が小さい（径が小さい）側の積層ゴム支承に所定の変形量が確保し得る場合には、上記剛性比ａを満足する積層ゴム支承のみを用いてＴＭＤ３を偏心させて設置してもよい。

また、上記実施形態においては、道路側の２鉛直構面１ａの剛性が、他の２鉛直構面１ｂの剛性よりも低くなる結果、重心Ｇに対して剛心Ｑが、上記角隅部１ｃと対角方向に対向する角隅部１ｄ側に偏心している建物１に対して、上記角隅部１ｄ側の角部においては積層ゴム支承４を介して、他の３箇所の角部においては弾性滑り支承５を介してＴＭＤ３を、その剛心が建物１の剛心Ｑと一致するように偏心させて設置した場合について説明したが、音発明はこれに限るものではなく。

すなわち、図８および図９は、本発明に係る制振構造を、１鉛直構面１０ａが道路Ｒ側に面して建物１０に適用した他の実施形態を示すものである。
この制振構造においては、建物１０の道路に面していない３つの鉛直構面１０ｂにブレース１２等の構成要素が配置されることにより、道路Ｒ側の１つの鉛直構面１０ａの剛性が他の３つの鉛直構面１０ｂの剛性よりも低くなり、この結果重心Ｇに対して剛心Ｑが、上記１つの鉛直構面１０ａと対向する鉛直構面１０ｂ側に偏心している。

そして、建物１０の屋上部に１基のＴＭＤ１３が設置されるとともに、このＴＭＤ１３は、上記１鉛直構面１０ａ側に位置する辺部１３ａの両端が滑り支承１５により、また１鉛直構面１０ａと対向する鉛直構面１０ｂ側に位置する辺部１３ｂの両端が積層ゴム支承１４により支持されている。

これにより、ＴＭＤ１３は、その剛心を建物１０の剛心Ｑに一致させて建物１０の屋上部に設置されている。なお、図中符号１６は、隣接するすべり支承１５間に配置され、一端部が建物１０の屋上部に固定されるとともに他端部がＴＭＤ１３の基台に固定されたオイルダンパーである。

以上の構成からなる制振構造によっても、図１〜図３に示したものと同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記実施形態においては、いずれも積層ゴム支承４、１４と、滑り支承５、１５とを組み合わせた場合に付いてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記滑り支承５、１５の一部または全部に代えて、ローラー等を用いた転がり支承を用いても同様の効果を得ることが可能である。

１、１０ 建物（構造物）
１ａ、１ｂ、１０ａ、１０ｂ 鉛直構面
３、１３ ＴＭＤ
４、１４ 積層ゴム支承
５、１５ 弾性滑り支承
Ｇ 重心
Ｑ 剛心

Claims (4)

1. 重心に対して剛心が偏心した構造物の上部にＴＭＤが設置された制振構造において、
   上記ＴＭＤは、その重心に対して剛心を上記構造物の上記剛心側に偏心させて設置されていることを特徴とする制振構造。
2. 上記構造物は、外周に４つの鉛直構面を有し、角隅部を介して隣接する２つの上記鉛直構面の剛性が、当該２つの鉛直構面と対向する他の２つの鉛直構面の剛性よりも低い構造であるとともに、上記ＴＭＤは、上記角隅部と対角方向に対向する角隅部側が積層ゴム支承により、かつ他の部分が滑り支承または転がり支承により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
3. 上記構造物は、外周に４つの鉛直構面を有し、１つの上記鉛直構面の剛性が、他の３つの上記鉛直構面の剛性よりも低い構造であるとともに、上記ＴＭＤは、上記１つの鉛直構面側に位置する辺部の両端が滑り支承または転がり支承により、かつ当該１つの鉛直構面と対向する上記鉛直構面側に位置する辺部の両端が積層ゴム支承により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
4. 上記構造物は、ラーメン構造であり、かつ水平構面が１スパン×１スパンの概正方形であって、４つの上記鉛直構面のうちの少なくとも１つの上記鉛直構面は、他の上記鉛直構面よりもブレースの本数が少なく配置されることにより、上記他の鉛直構面よりも剛性が低いことを特徴とする請求項２または３に記載の制振構造。

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