JP2002138701A - 制振構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 風等に起因する振幅が小さな振動から大地震
時に発生する大きな振動に至るまで、効果的に応答振動
を抑制することができる制振構造物、さらにはねじれ振
動に対しても充分な制振効果を発揮することができる制
振構造物を提供する。 【解決手段】 柱２と梁３とによって構成された構面内
に、受動式ダンパ４を用いたブレース５または壁が設け
られるとともに、上層部に、駆動装置により重錘を駆動
して構造物１０の振動に対する応答を抑制する能動式質
量ダンパ（能動式制振装置）１１が設置されてなること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風等による振動か
ら大地震による振動に至るまでの、幅広い振幅レベルの
振動に対して制振効果を得ることができる制振構造物に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、構造物の骨組みの耐震性を向上
させるために、柱と梁とによって構成された単位構面内
に、ブレースを対角方向に介装したり、あるいはＶ字状
や逆Ｖ字状に配設する、いわゆるＫ型ブレース架構とし
たりする耐震構造が採用されている。ところが、上記耐
震構造においては、ブレースの耐圧縮強度によって、架
構の耐震性を高めることはできるものの、強風や地震時
等に構造物に発生する振動に対する減衰効果を有してい
ないために、制振効果を期待することはできない。

【０００３】そこで、従来、架構に制振効果が要求され
る構造物に対しては、図８に示すように、構造物１の柱
２および梁３によって構成される構面内に、オイルダン
パ、粘性ダンパ、粘弾性ダンパまたは極低降伏点鋼を用
いた弾塑性ダンパ等の受動式ダンパ４を用いたブレース
５や壁を設けることにより、構造物１に作用する応答振
動を抑制しようとする構造が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の受動式ダンパ４を用いた制振構造物にあって
は、中規模および大規模の地震時に発生する構造物の応
答振動に対しては、所望の制振効果を発揮するものの、
例えば高層ビルにおける１年期待値風速時の風振動等に
起因する比較的振幅レベルが小さい振動に対しては、充
分な制振性能を得ることができないという問題点があっ
た。すなわち、弾塑性ダンパは、構造物に作用する外力
に対して弾塑性域で変形する際に、そのヒステリシスル
ープの面積に相当するエネルギーが消費されることによ
り振動を減衰させるものであるため、小さな振動では降
伏点に達しない結果、制振効果を期待することができ
ず、また、オイルダンパ、粘性ダンパあるいは粘弾性ダ
ンパにあっても、振幅レベルが小さいために、装置自体
の応答性能や取付部のガタによって、充分な制振効果が
発揮できないからである。

【０００５】加えて、上記振動に起因して構造物に発生
するねじれ振動を抑制するためには、上記受動式ダンパ
４を、構造物の外周部に設置する必要がある。ところ
が、現実的には、展望やスペース上の制約から、当該ダ
ンパ４を用いたブレース５を構造物の外周部に設置する
ことが困難になる場合が多く、この結果ねじれ中心と上
記受動式ダンパ４との間に、ねじれを効果的に抑制する
に充分な距離を確保することができない。このため、上
記従来の制振構造物にあっては、ねじれ振動に対して高
い制振効果を発揮することも難しいという問題点があっ
た。

【０００６】本発明は、上記従来の制振構造物が有する
課題を有効に解決すべくなされたもので、風等に起因す
る振幅が小さな振動から大地震時に発生する大きな振動
に至るまで、効果的に応答振動を抑制することができる
制振構造物、さらにはねじれ振動に対しても充分な制振
効果を発揮することができる制振構造物を提供すること
を目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
に係る制振構造物は、柱と梁とによって構成された構面
内に、受動式ダンパを用いたブレースまたは壁が設けら
れるとともに、上層部に能動式制振装置が設置されてな
ることを特徴とするものである。ここで、能動式制振装
置とは、振動の検知信号に基づいて、積極的に当該振動
を相殺する方向に力を作用させるように駆動制御される
もので、例えばコマの原理を利用したジャイロスタビラ
イザ式制振装置や、重錘を駆動して構造物の振動に対す
る応答を抑制する能動式質量ダンパ（アクティブ・マス
・ダンパやアクティブ・チューンド・マス・ダンパ）が
適用可能である。

【０００８】また、上記受動式ダンパとは、外力として
与えられる振動を、粘性体の剪断抵抗、摩擦力あるいは
塑性変形等によって、受動的に吸収することにより減衰
力を得るダンパであり、各種形態のものが使用可能であ
るが、例えば、請求項２に記載の発明のように、オイル
ダンパ、粘性ダンパ、粘弾性ダンパ、極低降伏点鋼を用
いた弾塑性ダンパまたは摩擦材を用いた摩擦ダンパが好
適に用いられる。

【０００９】さらに、請求項３に記載の発明は、請求項
１または２に記載の能動式制振装置が、駆動装置により
重錘を駆動して構造物の振動に対する応答を抑制する能
動式質量ダンパであり、かつ上記上層部の外周部に、複
数台配設されていることを特徴とするものである。

【００１０】請求項１〜３のいずれかに記載の発明によ
れば、受動式ダンパと能動式制振装置とを組み合わせて
いるので、地震が発生した場合のように構造物の架構に
作用する振幅レベルが大きな振動に対しては、受動式ダ
ンパが有効に減衰効果を発揮し、また上述した風等に起
因する振幅レベルが小さい振動に対しては、能動式制振
装置が作動して当該振動の減衰効果を発揮する。したが
って、本発明に係る制振構造物によれば、風等に起因す
る小さな振動から大地震に起因する大きな振動に至るま
での広い範囲の振動に対して、優れた制振効果を容易に
得ることができる。

【００１１】さらに、請求項３に記載の発明において
は、能動式制振装置として能動式質量ダンパを用い、か
つ構造物の上層部の外周部に、少なくとも２台の上記能
動式質量ダンパを設置しているので、簡易な構造で、容
易に上記構造物のねじれ方向に制御力を作用させて当該
ねじれに対する制振効果を発揮することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１および
図２は、本発明に係る制振構造物の基本形となる第１の
実施形態を示すもので、図８に示したものと同一構成部
分に付いては、同一符号を付してその説明を簡略化す
る。図１に示すように、この制振構造物１０において
は、制振効果を発揮する構造要素として、オイルダン
パ、粘性ダンパ、粘弾性ダンパ、極低降伏点鋼を用いた
弾塑性ダンパまたは摩擦材を用いた摩擦ダンパ等の受動
式ダンパ４を用いたブレース５に加え、さらに当該制振
構造物１０の屋上（上層部）に、能動式質量ダンパ（能
動式制振装置）１１が設置されている。

【００１３】この能動式質量ダンパ１１は、図２に示す
ように、支承壁部１２に一端が固定されたシリンダ等の
駆動装置１３によって、重錘１４が水平方向に移動自在
に設けられるとともに、この重錘１４と支承壁部１２と
の間に、スプリング等の復元力機構１５が介装され、さ
らに必要に応じて減衰材１６が設けられたものである。
この能動式質量ダンパ１１は、制振構造物１０に振動が
発生すると、これを検知した制御信号に基づいて駆動装
置１３が伸縮し、これにより重錘１４が水平方向に往復
移動する際に生じる反力を、振動による水平力と相殺さ
せる方向に作用させて、制振構造物１０の応答を抑制す
るものである。

【００１４】上記構成からなる制振構造物１０によれ
ば、受動式ダンパ４と能動式質量ダンパ１１とを組み合
わせて用いているので、地震が発生した場合のように構
造物１０の架構に作用する振幅レベルが大きな振動に対
しては、受動式ダンパ４が有効に減衰効果を発揮し、ま
た風等に起因する振幅レベルが小さい振動に対しては、
能動式質量ダンパ１１が作動して当該振動の減衰効果を
発揮する。この結果、上記制振構造物１０によれば、風
等に起因する小さな振動から大地震に起因する大きな振
動に至るまでの広い範囲の振動に対して、優れた制振効
果を容易に、かつ簡易な構造によって得ることができ
る。

【００１５】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施形態を示すもので、同様に図１に示したものと
同一構成部分に付いては、同一符号を付してある。図３
に示すように、この制振構造物２０においては、屋上
（上層部）の外周部に、２台の能動式質量ダンパ１１が
設置されている。ここで、能動式質量ダンパ１１は、も
っとも効果的にねじり振動を抑制するために、構造物２
０の中心を境にして、互いに反対側となる外周部に対向
配置されている。

【００１６】したがって、上記構成からなる制振構造物
２０によれば、第１の実施形態に示したものと同様の作
用効果が得られることに加えて、さらに屋上（上層部）
の外周部に、２台の能動式質量ダンパ１１を中心に対し
て対向するように設置しているので、これら能動式質量
ダンパ１１を、構造物２０に発生しようとするねじれ振
動を相殺する方向に作動させることにより、容易に当該
構造物２０のねじれに対する制振効果を発揮することが
できるという効果が得られる。この結果、制振構造物２
０における展望を確保することができ、しかも外周部に
おけるスペース活用の自由度も向上する。

【００１７】（実施例１）図４（ａ）に示すような１０
質点建物モデル３０に対して、図１に示す第１の実施形
態が奏する効果を確認するための数値解析を行なった。
図４（ｂ）の図表に示すように、数値解析にあたって
は、各層重量を１００ｔｏｎ、剪断剛性を同図表の各値
とし、１次固有振動数は１．２Ｈｚである。このモデル
３０について、制振を行なわない非制振の場合、各層に
受動式ダンパとして、２００ｔｏｎｆ・ｓｅｃ／ｃｍの
オイルダンパを設置した受動式ダンパのみを用いた制振
の場合、および上記受動式ダンパと重錘質量を１次振動
モードの一般化質量の１％として４．１４ｔｏｎに設定
した能動式質量ダンパとを併用した制振の場合につい
て、１９４０年エルセントロ地震波ＮＳ性分の最大加速
度を２Ｇａｌに規準化して入力した場合の応答を比較し
た。

【００１８】ちなみに、一次振動モードに対する減衰定
数は、非制振の場合は１％、受動式ダンパによる制振の
場合は４．５％（受動式ダンパの減衰係数は、微小振動
時の性能低下を考慮して低めに設定している。）、受動
式ダンパと能動式質量ダンパとを併用した制振の場合
は、１１．４％まで増加している。上記モデル３０の頂
部における変位の数値解析結果を図５（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）に示す。なお、図５（ａ）は非制振の場合、
（ｂ）は受動式ダンパのみの制振の場合、（ｃ）は受動
式ダンパと能動式質量ダンパとの併用による制震の場合
の結果である。これらの図から、１次振動モードの成分
が卓越しており、かつ本発明に係る受動式ダンパと能動
式質量ダンパとを併用した制振を行うことにより、構造
物に対する制振効果が大幅に改善されていることが判
る。

【００１９】（実施例２）次に、図４に示したものと同
様の１０質点建物モデルを用いて、第２の実施形態が奏
するねじれに対する制振効果を確認するための数値解析
を行なった。この場合においても、実施例１と同一条件
の、非制振の場合、各層にオイルダンパを設置した受動
式ダンパのみを用いた制振の場合、および上記受動式ダ
ンパと能動式質量ダンパとを併用した制振の場合につい
ての比較を行なった。なお、本実施例においては、ねじ
れに対する制振効果を確認するために、並進方向の１次
固有振動数を１．２Ｈｚ、ねじれ方向の１次固有振動数
を１．１Ｈｚとして、両方向に風外力が作用する場合の
解析を行なった。

【００２０】この際に、並進方向およびねじれ方向の一
次振動モードに対する減衰定数は、それぞれ非制振の場
合は共に１％、受動式ダンパによる制振の場合は４．５
％、２．５％（受動式ダンパの減衰係数は、微小振動時
の性能低下を考慮して低めに設定している。）、受動式
ダンパと能動式質量ダンパとを併用した制振の場合は、
共に１０％まで増加している。

【００２１】図６に示す建物の頂部外周Ｐにおける加速
度の数値解析結果を図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示
す。なお、図７（ａ）は非制振の場合、（ｂ）は受動式
ダンパのみの制振の場合、（ｃ）は受動式ダンパと能動
式質量ダンパとの併用による制震の場合の結果である。
これらの図から、並進とねじれ１次の振動モードの成分
が卓越しており、本発明に係る受動式ダンパと能動式質
量ダンパとを併用した制振により、制振効果が大幅に改
善されていることが判る。

【００２２】なお、上記実施の形態においては、いずれ
も制振構造物１０、２０として、ブレース５に受動式ダ
ンパ４を介装した場合について説明したが、これに限る
ものではなく、本発明は、上記ブレース５に代えて、壁
に各種の受動式ダンパを介装した場合についても、同様
に適用することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜３のい
ずれかに記載の発明によれば、受動式ダンパと能動式制
振装置とを組み合わせているので、地震が発生した場合
のように構造物の架構に作用する振幅レベルが大きな振
動に対しては、受動式ダンパが有効に減衰効果を発揮
し、また上述した風等に起因する振幅レベルが小さい振
動に対しては、能動式制振装置が作動して当該振動の減
衰効果を発揮するため、風等に起因する小さな振動から
大地震に起因する大きな振動に至るまでの広い範囲の振
動に対して、優れた制振効果を容易に得ることができ
る。

【００２４】また特に、請求項３に記載の発明によれ
ば、構造物の上層部の外周部に、能動式制御装置として
少なくとも２台の能動式質量ダンパを設置しているの
で、簡易な構成で、かつ容易に上記構造物のねじれ方向
に制御力を作用させて当該ねじれに対する制振効果を発
揮することができるといった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略構成図であ
る。

【図２】図１の能動式質量ダンパを示す概略構成図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す概略構成図であ
り、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【図４】実施例１の参考図であり、（ａ）は１０質点建
物モデル図、（ｂ）はその条件を示す図表である。

【図５】実施例１の結果を示す変位応答のグラフであ
り、（ａ）は非制振の場合、（ｂ）はオイルダンパのみ
による制振の場合、（ｃ）はオイルダンパおよび能動式
質量ダンパ併用の制振の場合である。

【図６】実施例２の加速度応答箇所を示す図である。

【図７】実施例２の結果を示す加速度応答のグラフであ
り、（ａ）は非制振の場合、（ｂ）はオイルダンパのみ
による制振の場合、（ｃ）はオイルダンパおよび能動式
質量ダンパ併用の制振の場合である。

【図８】従来の制振構造物を示す概略構成図である。

【符号の説明】

２ 柱 ３ 梁 ４ 受動式ダンパ ５ ブレース １０、２０ 制振構造物 １１ 能動式質量ダンパ（能動式制振装置） １３ 駆動装置 １４ 重錘 １５ 復元力機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長島 一郎 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 欄木 龍大 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 井上 哲士朗 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 早部 安弘 東京都新宿区西新宿一丁目25番１号 大成 建設株式会社内 (72)発明者 落合 宏 東京都港区元赤坂１丁目５番17号 株式会 社松田平田内 (72)発明者 中野 時衛 東京都港区芝浦三丁目４番１号 株式会社 エヌ・ティ・ティファシリティーズ内 (72)発明者 斉藤 賢二 東京都港区芝浦三丁目４番１号 株式会社 エヌ・ティ・ティファシリティーズ内 (72)発明者 斎藤 堅二郎 東京都港区芝浦三丁目４番１号 株式会社 エヌ・ティ・ティファシリティーズ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱と梁とによって構成された構面内に、
   受動式ダンパを用いたブレースまたは壁が設けられると
   ともに、上層部に能動式制振装置が設置されてなること
   を特徴とする制振構造物。
2. 【請求項２】 上記受動式ダンパは、オイルダンパ、粘
   性ダンパ、粘弾性ダンパ、極低降伏点鋼を用いた弾塑性
   ダンパまたは摩擦材を用いた摩擦ダンパであることを特
   徴とする請求項１に記載の制振構造物。
3. 【請求項３】 上記能動式制振装置は、駆動装置により
   重錘を駆動して構造物の振動に対する応答を抑制する能
   動式質量ダンパであり、かつ上記上層部の外周部に、複
   数台配設されていることを特徴とする請求項１または２
   に記載の制振構造物。