JP2005090101A

JP2005090101A - 制震構造物

Info

Publication number: JP2005090101A
Application number: JP2003325714A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Nakayama; 信雄中山; Tomoaki Ishikawa; 智章石川; Masahiko Tono; 雅彦東野; Masafumi Yamamoto; 雅史山本; Hiroki Hamaguchi; 弘樹濱口
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2003-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】上部構造体を受動式質量ダンパとし、下部構造体を受動式ダンパを用いた構造体として組み合わせることにより、構造物に損傷を与える虞のある強風や大地震などによる大きな震動に対して、効果的に応答震動を抑制することができる制震構造物を提供する。
【解決手段】免震層で分断された上部構造体２と下部構造体３とから成り、上部構造体２は、下部構造体３に免震支持されており、下部構造体３の柱４と梁５の架構面内に受動式ダンパ６を用いたブレース７又は壁などの制震手段が設けられている。
【選択図】
【図１】

Description

この発明は、風や地震などによる震動に対して、応答震動を抑制する制震構造物の技術分野に属し、更に云えば、構造物に損傷を与える虞のある強風や大地震などによる大きな震動に対して、効果的に応答震動を抑制する制震構造物に関する。

従来、風や地震などによる震動に対して応答震動を抑制する制震構造物は、図５Ａ〜Ｄに示したように、種々開示されている。

Ｉ）図５Ａは、構造物ａの頂部にＴＭＤ（チューンドマスダンパ）又はＡＭＤ（アクティブマスダンパ）などの錘（マス）ｂを取り付け、この錘（マス）ｂを構造物ａに入力する震動を打ち消すように振動させる制震構造物を示している。この制震構造物は、風などによる比較的小さな震動を打ち消すように、錘（マス）ｂが振動して応答震動を抑制し居住性を改善する。

II）図５Ｂは、構造物ａの頂部にＴＭＤ（チューンドマスダンパ）又はＡＭＤ（アクティブマスダンパ）などの錘（マス）ｂを取り付けると共に、構造物ａのフレームに受動式ダンパｃを設置した制震構造物を示している（例えば、特許文献１、２参照）。この制震構造物は、風などによる比較的小さな震動を打ち消すように、錘（マス）ｂが振動して応答震動を抑制し居住性を改善する。地震などによる大きな震動に対しては、受動式ダンパｃが効果的に働き応答震動を抑制する。

III）図５Ｃは、構造物ａの中間階に免震層ｄを設けた、いわゆる中間階免震構造物を示している。この構造物ａは、免震層ｄを設置することにより免震層上部の上部構造体ｅを長周期化し、当該上部構造体ｅの応答震動を抑制する。

IV）図５Ｄは、構造物ａの屋上付属建物ｆを、下部構造体ｇに対して構造強度的に切り離して錘（マス）として独立して揺れる構造とした制震構造物を示している。この制震構造物は、強風時又は地震時に、前記屋上付属建物ｆが振り子の錘（マス）として独立して大きく揺れ、他方、下部構造体ｇは逆にそれほど揺れずに応答震動を抑制する（例えば、特許文献３参照）。

特許第２７８５６５１号公報特開２００２−１３８７０１号公報特公平６−６０５３８号公報

図５Ａ、Ｂに示した制震構造物は、ＴＭＤ（チューンドマスダンパ）やＡＭＤ（アクティブマスダンパ）などの錘（マス）ｂを必須の構成要素とするので、錘（マス）ｂに要する費用が発生することは勿論のこと、その制御やメンテナンスに費用が嵩み、経済的でないという問題がある。また、振幅レベルが小さい風荷重程度の震動に対しては効率的に応答震動を抑制するが、大きい震動に対しては装置が大掛かりとなり実用的でないという問題もある。

図５Ｃに示した制震構造物は、免震層上部の上部構造体ｅを長周期化し、当該上部構造体ｅの応答震動を抑制できるものの、下部構造体ｈには制震手段が一切施されておらず、振幅レベルが大きい震動に対して効率的に応答震動を抑制するための工夫の余地が残されていると云える。

図５Ｄは、構造物ａの屋上付属建物ｆを、下部構造体ｇに対して錘（マス）として独立して大きく揺れる構造とするので、当該屋上付属建物ｆを居室として利用できない。また、振幅レベルが小さい風荷重程度の震動に対しては効率的に応答震動を抑制するが、下部構造体ｇには制震手段が一切施されておらず、振幅レベルが大きい震動に対して効率的に応答震動を抑制するための工夫の余地が残されていると云える。

上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明に係る制震構造物は、構造物は、免震層で分断された上部構造体と下部構造体とから成り、上部構造体は下部構造体に免震支持されており、下部構造体の柱梁架構面内に受動式ダンパを用いたブレース又は壁などの制震手段が設けられていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載した制震構造物において、上部構造体は、下部構造体の上面に設置したアイソレータ及び受動式ダンパで免震支持されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載した制震構造物において、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のいずれかであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した制震構造物において、上部構造体は、下部構造体に対する重量比を０．１以上に設定していることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一に記載した制震構造物において、構造物は、アスペクト比が大きい塔状建物であることを特徴とする。

請求項１〜５に記載した発明に係る制震構造物によれば、上部構造体を受動式質量ダンパとし、下部構造体を受動式ダンパを用いた構造体として組み合わせることにより、構造物に損傷を与える虞のある強風や大地震などによる大きな震動に対し、効果的に応答震動を抑制することができる。前記ＴＭＤ又はＡＭＤを一切使用しないので経済的である。構造物のすべての階を居室として利用できるので建物の有効利用が図れる。

図１は、請求項１に記載した発明に係る制震構造物の実施形態を模式的に示している。

この制震構造物１は、免震層で分断された上部構造体２と下部構造体３とから成り、上部構造体２は、下部構造体３に免震支持されており、下部構造体３の柱４と梁５の架構面内に受動式ダンパ６を用いたブレース７又は壁などの制震手段が設けられている（請求項１記載の発明）。

前記上部構造体２は、下部構造体３の上面に設置したアイソレータ８及び受動式ダンパ９で免震支持されている（請求項２記載の発明）。図示例では、前記アイソレータ８として汎用の積層ゴムが使用され、前記受動式ダンパ９としてオイルダンパが使用されているが勿論これに限定されない。

前記下部構造体３の柱４と梁５の架構面内に設けられる受動式ダンパ６は、オイルダンパを使用しているがこれに限定されず、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などが好適に使用される（請求項３記載の発明）。

なお、図示例では、当該受動式ダンパ６を用いたブレース７を、下部構造体３の各階に設置して実施しているがこれに限定されず、構造設計上、必要な減衰効果を十分に発揮できるのであれば、各階に設置する必要はない。また、前記ブレース７の設置箇所も図示例に限定されない。さらに、図示例では、受動式ダンパ６を用いたブレース７を使用しているが、当該ブレース７の代わりに壁で実施することもできるし、ブレース７と壁とを併用して実施することもできる。勿論、その他の公知の制震手段でも実施できる。

ここで、下部構造体３の上面に設けて上部構造体２を免震支持する受動式ダンパ９と、下部構造体３の柱４と梁５の架構面内に設けた受動式ダンパ６について補足説明すると、両者は、前記弾塑性ダンパや摩擦ダンパを任意に使用できる点で共通するが（請求項３記載の発明）、前記受動式ダンパ９は、前記受動式ダンパ６と比して、構造設計上、必要な減衰力を発揮できるダンパがそれぞれ使用されるので異なる場合があることは勿論である。また、前記上部構造体２を免震支持する受動式ダンパ９には、風荷重による震動には効かさず、地震による震動にのみ効く機構とする、公知の多機能型ダンパ（特開２０００−３０２３８４号公報）で実施することもできる。

図２〜図４は、請求項１に記載した発明に係る制震構造物の制震効果を確認するために実施した数値解析を示している。

この数値解析に係る制震構造物１１は、図２Ａに示したように、アスペクト比（建物高さ／建物幅＝１７３ｍ／３８ｍ）が４．６と比較的大きい塔状建物で実施している（請求項５記載の発明）。前記制震構造物１１は、地上３０階と３１階との間に免震層Ｈを設け、上部構造体１２は、下部構造体１３の上面に設けた天然ゴム系積層ゴム（アイソレータ）１８及びオイルダンパ（受動式ダンパ）１９で免震支持され（請求項２記載の発明）、前記下部構造体１３の柱１４と梁１５の架構面内に極低降伏点鋼（受動式ダンパ）１６を用いた座屈補剛ブレース１７が設けられている（請求項１記載の発明）。なお、前記アスペクト比は４．６に限定されないことは勿論である。ただし、制震効果を効率良く発揮できるアスペクト比は、４．０以上が好ましい。

図２Ｂは、耐震壁等を設置した一般の耐震構造物、図２Ｃは、質量系制震構造物、図２Ｄは、下部構造体に受動式ダンパを設置した制震構造物、図２Ｅは、本発明に係る、上部構造体の質量系制震構造（受動式質量ダンパ）と下部構造体の受動式ダンパとを組み合わせた制震構造物についてそれぞれ、１階床位置で固定した質量系建物モデルを示しており、数値解析を行った。

前記各制震構造物の各階の重量はそれぞれ各階に質点として集中的に配置し、図２Ｃと図２Ｅの場合には、さらに上部構造体１２の最下階（地上３０階）にも床を追加し質点を設けた。

下部構造体１３に対する上部構造体１２の重量比（マス比）は０．２７である。このように、下部構造体１３に対する上部構造体１２の重量比（マス比）は、０．１以上が好ましい（請求項４記載の発明）。前記重量比（マス比）が０．１未満で実施する場合は、上部構造体１２が大きく揺れて居住性を確保することが至難であるのに対し、０．１以上で実施すると、上部構造体１２は居住性を十分に確保できる程度の揺れで、下部構造体１３に対して効果的に応答震動を抑制することができるからである。

前記図２Ｂ〜Ｅに示した、各構造物の各層の水平方向剛性は、構造物全体の立体解析モデルを線材置換により作成したものに静的に水平荷重を作用させることにより算出し、その値を質点系モデルに与えた。

図２Ｄと図２Ｅに示した制震構造物の場合には、各階における極低降伏点鋼座屈補剛ブレース１７が取り付けられるフレームの復元力特性を別途算出し、下部構造体１３の各階間にその特性を付加した。

図２Ｃと図２Ｅに示した制震構造物の場合には、上部構造体１２と下部構造体１３とを分断した免震層Ｈに天然ゴム１８の水平剛性として４４．０ｔ／ｃｍ、オイルダンパの減衰力として８．５４ｔ・ｓｅｃ／ｃｍを与えた。

１次固有周期は、図２Ｂに示した制震構造物が４．７８秒、図２Ｃと図２Ｅに示した制震構造物がともに５．６８秒、図２Ｄに示した制震構造物が４．８２秒である。

減衰は、内部粘性型減衰とし、図２Ｂに示した制震構造物には、系の１次モードに対して２％の減衰定数を与えた。その他の制震構造物には、図２Ｂに示した制震構造物の一次固有周期に対応した減衰定数とし、それぞれ、系の一次固有周期に対して、図２Ｃ及び図２Ｅに示した制震構造物には、２％×４．７８秒／５．６８秒＝１．６８％の減衰定数を与え、図２Ｄに示した制震構造物には、２％×４．７８秒／４．８２秒＝１．９８％の減衰定数を与えた。天然ゴム系積層ゴム１８、オイルダンパ１９、極低降伏点鋼座屈補剛ブレース１７の減衰定数は０％とした。

数値解析は、地震波として平成１２年建設省告示第１４６１号に基づき、設計例建物の建設地における極めて稀に発生する地震動を時刻歴で算出したものを質点系解析モデルに入力し、前記図２Ｂ〜Ｅのそれぞれにおける応答最大層せん断力および応答最大層間変形角でその効果を比較した。

前記数値解析の結果、図３に示したように、本発明に係る制震構造物１１（図２Ｅ）は、応答層せん断力では、一般の耐震構造物（図２Ｂ）と比して、３０％程度の低減量を得ることができた。また、上部構造体１２の重量を利用した質量系制震構造物（図２Ｃ）と下部構造体１３に受動式ダンパを設置した制震構造物（図２Ｄ）は、概ね上述の値が１５％程度であった。

層間変形角については、図４に示したように、本発明に係る制震構造物１１（図２Ｅ）は、前記質量系制震構造物（図２Ｃ）とは同程度であったが、一般の制震構造物（図２Ｂ）と前記制震構造物（図２Ｄ）と比して、２０％程度の低減量を得ることができた。

以上のように、本発明に係る制震構造物１１（図２Ｅ）は、従来の各制震構造物（図２Ｃ、図２Ｄ）と比して、制震効果が飛躍的に改善されていることが分かる。

したがって、上記構成の制震構造物１、１１によれば、上部構造体２、１２の重量を利用した質量系制震構造物（受動式質量ダンパ）と下部構造体３、１３の受動式ダンパ６、１６とを組み合わせて実施しているので、従来の一般の制震構造物では構造物に損傷を生じる程度の強さの風や地震などに対しても、構造物の損傷を低減或いは無損傷とすることができる。また、前記ＴＭＤやＡＭＤを一切使用しないので、経済的であることは勿論、構造物のすべての階を居室として有効利用することもできる。

ところで、一般に、アスペクト比が大きい構造物は、水平荷重が作用した場合に、構造物の全体水平変形における曲げ変形の割合が大きくなることが知られている。このような特性を有する構造物は、前記受動式ダンパ６に類似した制震デバイスだけでは大きな制震効果を得ることが難しいことが分かっている。しかしながら、このようなアスペクト比が大きい構造物においても、本発明に係る制震構造物１、１１の上部構造体２、１２の重量を利用した質量系制震構造（受動式質量ダンパ）が効率的に働くので、大きな制震効果を得ることができる。

以上のように、図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の限りでなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。例えば、本発明に係る制震構造物１、１１は、構造物の新設時に適用できることは勿論、既存構造物の改修時にも適用できる。また、既存構造物の上面に上部構造体２、１２を免震支持して増築する工法にも適用できる。

請求項１に記載した発明に係る制震構造物の実施形態を模式的に示した立面図である。Ａは、請求項１に記載した発明に係る制震構造物の異なる実施形態を示した立面図であり、Ｂ〜Ｅはそれぞれ、種々の制震構造物を示した質点系建物モデルである。図２Ｂ〜Ｅに対応する応答最大層せん断力をそれぞれ示したグラフである。図２Ｂ〜Ｅに対応する応答最大層間変形角をそれぞれ示したグラフである。Ａ〜Ｄはそれぞれ、従来の制震構造物を模式的に示した立面図である。

符号の説明

１制震構造物
２上部構造体
３下部構造体
４柱
５梁
６受動式ダンパ
７ブレース
８アイソレータ
９受動式ダンパ
１１制震構造物
１２上部構造体
１３下部構造体
１４柱
１５梁
１６受動式ダンパ
１７ブレース
１８アイソレータ
１９受動式ダンパ

Claims

構造物は、免震層で分断された上部構造体と下部構造体とから成り、上部構造体は下部構造体に免震支持されており、下部構造体の柱梁架構面内に受動式ダンパを用いたブレース又は壁などの制震手段が設けられていることを特徴とする、制震構造物。
上部構造体は、下部構造体の上面に設置したアイソレータ及び受動式ダンパで免震支持されていることを特徴とする、請求項１に記載した制震構造物。
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のいずれかであることを特徴とする、請求項１又は２に記載した制震構造物。
上部構造体は、下部構造体に対する重量比を０．１以上に設定していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した制震構造物。
構造物は、アスペクト比が大きい塔状建物であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載した制震構造物。