JP2008115598A

JP2008115598A - 制震方法並びに装置

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Publication number: JP2008115598A
Application number: JP2006299570A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kanazawa; 健司金澤
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: JP4851914B2

Abstract

【課題】建物の制震装置において、連続して発生する複数回の外力荷重や長時間に亘って発生する外力荷重に対しても安定した制震性能を継続して発揮することを可能とする。
【解決手段】外力荷重を受けて建物の躯体６が変形する際に躯体６の上部梁７に固定された支持部材２に回転可能に支持された円盤３を下部梁９に固定されたストッパー５の表面を回転移動させてからストッパー５から離すことによって外力荷重による力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーに分配して躯体６の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させると共に、躯体６の変形が元に戻る際に円盤３をストッパー５に接触させることによって外力荷重による力学エネルギーを円盤３とストッパー５との衝突のエネルギーとして消費して減少させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、制震方法並びに装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、地震や風などによる建物の振動を速やかに減衰させて建物の主要構造部を健全に保つ仕組みとして用いて好適な制震方法並びに装置に関する。

地震や風などの外力荷重を受けると建物は水平方向に振動する。建物の変形が小さく建物の主要構造を形成する柱、梁及び壁のひずみが弾性範囲内にあるときは、建物に損傷が発生することはない。しかし、過大な外力荷重を受けて建物の水平方向の変形が大きくなって建物の主要構造部材である柱材、梁材及び壁材のひずみが弾性範囲を超えると建物に損傷が発生する。さらに、外力荷重が甚大となって建物の変形がより大きく進行すると主要構造部材が破壊されて建物全体が崩壊に至る。これを防止する方法として建物の層間に振動エネルギーを吸収するための制震装置（ダンパーとも呼ばれる）を設置して建物を制震構造とする方法があり、中高層建物や超高層建物に導入されている。制震構造を構成する制震装置では、地震や風によって建物に発生した運動エネルギーを大きく且つ効率的に減少させる性能が重要である。

従来の制震装置の原理としては、建物層間の運動エネルギーを鋼材などの破壊エネルギーとして消費するものや熱エネルギーに変換して消失させるものがある。建物層間の運動エネルギーを鋼材などの破壊エネルギーとして消費するものは、具体的には、建物層間に例えば低降伏点鋼，鉛，鋼棒など耐力の弱い鋼材を設置し、建物の運動エネルギーを鋼材が破壊されるときに消費されるエネルギーに変換することによって建物の力学エネルギーを減少させて建物の振動を減衰させる。また、建物層間の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して消失させるものは、具体的には、建物層間に摩擦ダンパー，オイルダンパー，粘弾性体ダンパー等を設置し、建物の層間変形によってダンパーを変形させてその際に発生するダンパーの発熱によって建物の力学エネルギーの一部を熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを消失させることによって建物の力学エネルギーを減少させて建物の振動を減衰させる。

建物層間の運動エネルギーを鋼材などの破壊エネルギーとして消費する考え方を適用した従来の制震装置としては、例えば鋼板制震ダンパーがある（特許文献１）。この鋼板制震ダンパー１０１は、図１１に示すように、対をなす端部用鋼板制震ダンパー１０１ａが同一平面上に配置され、垂直に配置されたリブプレート１０５を挟んで側部同士が一体化されたものであり、端部用鋼板制震ダンパー１０１ａは、極軟鋼よりなるせん断変形パネル１０２と、その上下部に一体に設けられた上部本体取付け板１０３及び下部本体取付け板１０４と、リブプレート１０５とにより構成され、上部本体取付け板１０３及び下部本体取付け板１０４は、横幅がせん断変形パネル１０２より長く、端部１０３ａ，１０４ａがせん断変形パネル１０２の側部１０２ａより突き出ていると共に、横幅方向には複数のボルト孔１０３ｂ，１０４ｂが並列に設けられ、せん断変形パネル１０２の一方の側部１０２ａにはリブプレート１０５が設けられている。

特開２００３−９７０８４号

しかしながら、特許文献１の鋼板制震ダンパーは、ダンパー自体を破壊させることで建物を守ろうとする仕組みであるので、最初の揺れに対しては制震性能を発揮し得るが、地震や強風が複数回連続して発生した場合や長時間に亘って発生した場合には最初の一撃で制震装置は破壊され制震性能を継続して発揮することができないという問題がある。

また、建物層間の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して消失させる制震装置では、長時間に亘って作動し続けると装置の温度が上昇して抵抗力が失われてしまう。例えば、摩擦系ダンパーの場合には、摩擦を発生する接触面の温度が上昇して摩擦抵抗が低下する。また、粘性型ダンパーの場合には、減衰力を生むオイルなど粘性体の温度が上昇して粘性度が低下する。したがって、地震や強風が長時間継続した場合には制震性能を継続して発揮することができないという問題がある。

以上のように、従来の制震装置では、複数回の荷重を受ける場合や長時間に亘って荷重を受ける場合には安定した制震性能を継続して発揮することができないという問題がある。したがって、制震装置がその性能を発揮して建物の損壊を防ぐことが特に要求される大規模地震の場合は、余震も含めて大きな揺れが複数回連続して発生することや、超高層ビルなどの長周期構造物において振動が数分間続くことが考えられ、従来の制震装置が適切に機能して建物の振動を十分に減衰させられるとは言い難い。

そこで、本発明は、連続して発生する複数回の外力荷重や長時間に亘って発生する外力荷重に対しても安定した制震性能を継続して発揮することができる制震方法並びに装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の制震方法は、外力荷重を受けて建物の躯体が変形する際に躯体の上下の梁の一方に固定された支持部材に回転可能に支持された円盤を他方の梁に固定されたストッパーの表面を回転移動させてからストッパーから離すことによって外力荷重による力学エネルギーを円盤の回転エネルギーに分配して躯体の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させると共に、躯体の変形が元に戻る際に円盤をストッパーに接触させることによって外力荷重による力学エネルギーを円盤とストッパーとの衝突のエネルギーとして消費して減少させるようにしている。

また、請求項２記載の制震装置は、建物の躯体の上下の梁の一方に固定されたストッパーと、他方の梁に固定された支持部材に回転可能に支持されて外力荷重を受けて躯体が変形する際にストッパーの表面を回転移動してからストッパーから外れると共に躯体の変形が元に戻る際にストッパーに接触する円盤とを有するようにしている。

したがって、請求項１並びに２に記載の制震方法並びに装置によると、建物の躯体の上下の梁の変位に連動する円盤とストッパーとを有し、外力荷重を受けて躯体が変形する際に円盤がストッパーの表面を回転移動してからこのストッパーから外れるようにしているので、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーが円盤の回転エネルギーに分配されて躯体の変形に寄与するひずみエネルギーが減少し、外力荷重の作用による躯体の変形が抑制される。さらに、躯体の変形が元に戻る際に円盤がストッパーに接触するようにしているので、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーが円盤とストッパーとの衝突のエネルギーとして消費されて減少し、両者の衝突が繰り返されることによって力学エネルギーがゼロになる。

また、請求項３記載の制震機構は、建物の躯体の上下の梁の一方に固定されたストッパーと、他方の梁に固定された支持部材に回転可能に支持されて外力荷重を受けて躯体が変形する際にストッパーの表面を回転移動してからストッパーから外れると共に躯体の変形が元に戻る際にストッパーに接触する円盤とによって制震装置が構成され、ストッパーの長さが異なる複数の制震装置が躯体の上下の梁の変位方向に並べて配置されるようにしている。

したがって、請求項３記載の制震機構によると、ストッパーの長さが異なる複数の制震装置を躯体の上下の梁の変位方向に並べて配置するようにしているので、円盤がストッパーから外れるタイミング並びに円盤がストッパーに接触するタイミングが複数の制震装置の間でずれ、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーの円盤の回転エネルギーへの分配による躯体の変形の抑制効果と、円盤とストッパーとの衝突のエネルギーとしての消費による力学エネルギーの減少効果とが建物の振動の大きさに応じて順次発揮される。

なお、ストッパーの長さとは、上下の梁の変位方向であって円盤の回転移動方向のストッパーの長さのことをいう。

本発明の制震方法並びに装置によれば、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーを円盤の回転エネルギーに分配し、躯体の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させて外力荷重の作用による躯体の変形を抑制することができるので、大きな荷重が作用した場合に変形が大きくなって建物が損傷したり破壊されたりすることを防ぐことが可能であり、建物の振動に対する安全性の向上を図ることができる。さらに、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーを円盤とストッパーとの衝突のエネルギーとして消費して減少させ、両者の衝突を繰り返して力学エネルギーをゼロにすることができるので、建物の振動を速やかに減衰させることが可能であり、力学エネルギーが長時間残存して振動が繰り返されることによる建物の損壊を防いで建物の振動に対する安全性の向上を図ることができる。また、本発明の制震装置は制震性能を繰り返し発揮することが可能であるので、複数回の荷重を受ける場合や長時間に亘って荷重を受ける場合にも安定した制震性能を継続して発揮することができ、制震装置の信頼性の向上を図ることができる。

さらに、本発明の制震機構によれば、上記の効果に加え、外力荷重の作用によって躯体の内部に蓄えられた力学エネルギーの円盤の回転エネルギーへの分配による躯体の変形の抑制効果と、円盤とストッパーとの衝突のエネルギーとしての消費による力学エネルギーの減少効果とを建物の振動の大きさに応じて順次発揮することが可能であり、制震機構全体としては強力な制震性能を確保しつつその制震性能を徐々に発揮させることによって、小さい振動に対しても大きい振動に対しても適切な制震性能を発揮すると共に滑らかに変化する制震力を発揮することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１から図５に、本発明の制震方法並びに装置の実施形態の一例を示す。この制震方法は、外力荷重を受けて建物の躯体６が変形する際に躯体６の上部梁７に固定された支持部材２に回転可能に支持された円盤３を下部梁９に固定されたストッパー５の表面を回転移動させてからストッパー５から離すことによって外力荷重による力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーに分配して躯体６の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させると共に、躯体６の変形が元に戻る際に円盤３をストッパー５に接触させることによって外力荷重による力学エネルギーを円盤３とストッパー５との衝突のエネルギーとして消費して減少させるようにしている。

上記制震方法は、本発明の制震装置として装置化される。本実施形態の制震装置１は、建物の躯体６の下部梁９に固定されたストッパー５と、上部梁７に固定された支持部材２に回転可能に支持されて外力荷重を受けて躯体６が変形する際にストッパー５の表面を回転移動してからストッパー５から外れると共に躯体６の変形が元に戻る際にストッパー５に接触する円盤３とを備える。

制震装置１は、建物の躯体６に取り付けられ、地震や風などによる建物の振動を減衰させるものとして機能する。建物の躯体６は、上部梁７と柱８と下部梁９とから構成される。なお、図１から図７において躯体６として示しているものは、単層即ち一階建ての建物であっても良いし、複層即ち複数階建ての建物の一部の層であっても良い。そして、単層の建物の場合には、上部梁７は建物の屋根部分となり、下部梁９は建物の基礎部分となる。また、複層建物の中間層の場合には、上部梁７は当該層の天井部分であって上層の床部分となり、下部梁９は当該層の床部分であって下層の天井部分となる。なお、図１は、建物に外力荷重が作用しておらず、躯体６が変形していない平常時の状態を表す。

制震装置１は、支持部材２と円盤３と支持軸４とストッパー５とからなる。

支持部材２は、支持軸４を介して円盤３を回転可能に支持する柱状の部材である。支持部材２は上部梁７と同等以上の剛性を有する。そして、例えばボルト締めによって上端が上部梁７の下面に強固に固定される。また、支持部材２は、上部梁７に固定された側と反対側の端部付近に、支持軸４を貫通させて摺動可能に支持する貫通孔２ａを有する。このとき、支持軸４が円滑に摺動するように、支持軸４と貫通孔２ａとの間には十分な摺動性が確保され、摺動の抵抗が小さければ小さいほど好ましい。

円盤３は、中心部に支持軸４が貫通して固定され、この支持軸４を介して支持部材２に回転可能に支持される。なお、支持軸４は円盤３と一体成型されるようにしても良い。そして、支持軸４は、円盤３がストッパー５と接したり噛み合ったりして支持軸４を中心に回転しながらストッパー５の上面を移動可能な位置に調整されて支持される。

このように、支持部材２が剛性を有すると共に上部梁７に強固に固定され、この支持部材２に円盤３が支持される構成により、上部梁７が下部梁９に対して水平方向に変位すると上部梁７と一体に円盤３も同じだけ下部梁９に対して水平方向に変位する。なお、上部梁７が横方向に変位するとき、柱８の長さは変わらないので、厳密には上部梁７は平常時の位置から僅かに沈むことになるが、その量は僅かであるのでここでは水平方向の変位と表現する。

ストッパー５は、例えばボルト締めによって下部梁９の上面に強固に固定されるブロック状の部材である。ストッパー５の長さは、建物の特性や制震装置１が制御すべき躯体６の振動の振幅に基づいて設定される。具体的には、大きい振動に対して制震力を発揮させる場合にはストッパー５の長さを長く設定し、小さい振動に対しても制震力を発揮させる場合にはストッパー５の長さを短く設定する。

ここで、円盤３とストッパー５とは、躯体６が変形してお互いが相対的に変位する場合に、両者の間に摩擦力が発揮されて滑ることなく円盤３が回転する材質で形成され又は構造を有する。具体的には例えば、両者の表面を摩擦係数が大きい樹脂で覆ったり、円盤３の周面に歯車を形成すると共にストッパー５の上面に円盤３周面の歯車と噛み合うリニアガイドを形成したりすることが考えられる。なお、例えば円盤３とストッパー５とを樹脂で覆う場合には両者が接触する際に破損したり劣化したりすることがない程度の強度を少なくとも有する樹脂が用いられ、また、歯車とリニアガイドを形成する場合には両者が噛み合った際に破損することがない程度の剛性を少なくとも有する鋼材等が用いられる。

上述した制震装置１の動作を図２から図５を用いて以下に説明する。

図２に示すように、躯体６が矢印１０の向きの地震荷重や風荷重などの外力荷重を受けると、上部梁７は下部梁９に対して相対的に矢印１１の向きに動き始める（第一局面）。そして、円盤３は、支持部材２及び支持軸４を介して上部梁７の水平変位に連動して矢印１１の向きに動き出し、矢印１２の向きに回転を始めストッパー５の上面を転がりながら移動する（第二局面）。

そして、図３（Ａ）に示すように、上部梁７の水平変位の幅がストッパー５の範囲を超えると円盤３がストッパー５から外れる（第三局面）。

ストッパー５から外れた時点の円盤３の角速度をω_０とすると、円盤３はストッパー５から外れた後も角速度ω_０を維持しながら矢印１２の向きに回転を続ける（図３（Ｂ）；第四局面）。すなわち、円盤３の回転エネルギーはストッパー５から外れた時点以降変化しない。なお、建物の躯体６の振動周期を考慮すると円盤３がストッパー５から外れている時間は短時間であり、支持軸４と支持部材２の貫通孔２ａとの間の摺動性が十分に確保されていれば、円盤３がストッパー５から外れている間の回転抵抗による角速度の低下は僅かであるのでここでは無視して考える。

続いて、上部梁７が矢印１１の向きに変位する速度は徐々に低下し、速度がゼロになった時点で躯体６の変形が最大となる（第五局面）。

ここで、最大変形時の水平変位量をｘ_ｍａｘ、躯体６の水平剛性をｋ、円盤３の回転慣性をＩとすると、最大変形時の力学エネルギーＥは躯体６の変形によるひずみエネルギーと円盤３の回転エネルギーとの和で表され、具体的には数式１で表される。

ここで、躯体６の減衰がゼロ即ち散逸エネルギーがゼロであると仮定すると、外力荷重の作用によって躯体６の内部に蓄えられた入力エネルギーＥ_０は、躯体６のひずみエネルギー及び運動エネルギー並びに円盤３の回転エネルギーの和として保存される。言い換えると、外力荷重による入力エネルギーＥ_０は最大変形時の力学エネルギーＥと等しい。したがって、数式１の左辺は外力荷重による入力エネルギーＥ_０でもあり、数式２の関係が成り立つ。

数式２に示す関係からも解るとおり、本発明によれば、入力エネルギーＥ_０が円盤３の回転エネルギーにも分配されるので、本発明の制震装置１を用いない場合と比べて躯体６のひずみエネルギーを減少させることができる。すなわち、本発明によれば、躯体６の最大変形量ｘ_ｍａｘを小さく抑えることができる。

最大変形になると同時に、図４（Ａ）に示すように、上部梁７の変位の向きが矢印１１’の向きへと変わる。そして、変位の向きが矢印１１’の向きに変わってから円盤３がストッパー５に再び接触する前までの間は、躯体６の変形量が徐々に小さくなる一方で、上部梁７の矢印１１’の向きの速度が増加していく（第六局面）。すなわち、躯体６のひずみエネルギーが運動エネルギーに変換される。

ここで、前述のとおり、第三局面から円盤３がストッパー５に再び接触するまでの時間は短時間であり、支持軸４と支持部材２の貫通孔２ａとの間の摺動性が十分に確保されていれば回転抵抗による角速度の低下は僅かであるのでここでは無視して考える。したがって、円盤３はストッパー５から外れた時点（即ち第三局面）での角速度ω_０を維持して回転を続ける。すなわち、円盤３の回転エネルギーは第三局面以降変化しない。

上部梁７が矢印１１’の向きに変位を続けると、図４（Ｂ）に示すように、円盤３とストッパー５とが再び接触する（第七局面）。円盤３とストッパー５とが接触する直前には円盤３は矢印１２の向きに角速度ω_０で回転しているので、円盤３とストッパー５とが接触した瞬間に円盤３はストッパー５を矢印１１’の向きに押し、その反力によって円盤３は矢印１１’と反対向きに押し返される。この円盤３への反力は支持部材２を介して上部梁７を矢印１１’と反対向きに押す。すなわち、円盤３の矢印１２の向きの回転力は、上部梁７の矢印１１’の向きの水平運動に対する制動力（即ちブレーキ）として作用する。

円盤３とストッパー５とは、接触面が滑ることなく衝突する。このときの円盤３とストッパー５との接触は、はね返り係数（反発係数とも呼ばれる）がゼロの完全非弾性衝突であり、接触時に力学エネルギーの一部が衝突のエネルギーとして散逸し、力学エネルギーの和が保存されない。したがって、外力荷重の作用によって躯体６の内部に蓄えられた力学エネルギーを円盤３とストッパー５とを接触させることで減少させることができ、外力荷重による入力エネルギーＥ_０が大きい場合には円盤３とストッパー５とを繰り返し接触させることで躯体６の振動を止めることができる。

ここで、円盤３の回転慣性をＩ、半径をｒ、上部梁７と円盤３と支持部材２と支持軸４との質量の合計をｍ、ストッパー５との接触前の円盤３の角速度をω_０、上部梁７の水平方向の変位速度をｖ_０とすると、ストッパー５との接触後の円盤３の角速度ω_ｃと上部梁７の速度ｖ_ｃとは、角運動量保存則に基づいて数式３と数式４とで表される。

そして、ストッパー５との接触後（第八局面）の円盤３の運動としては、数式３の右辺分子を半径ｒで割った後の二つの項の大小によって以下のｉ）からiii）の三通りの場合が考えられる。

ｉ）ｍｒｖ_０＞−Ｉω_０の場合
これは、上部梁７の運動に起因する角運動量が円盤３の角運動量よりも大きい場合である。この場合は、衝突によって速度は低減するものの、上部梁７の変位の向きは円盤３とストッパー５との接触時から変化しない。したがって、円盤３は、図５（Ａ）に示すように、上部梁７の変位に連動して変位し、ストッパー５の上面を矢印１２’の向き即ち第七局面における回転の向きから反転して回転しながら移動する。

そして、運動の向きを上述したものと逆向きにして第二局面から第八局面までを繰り返す。そして、円盤３とストッパー５との接触を繰り返すことにより、躯体６の内部に蓄えられた力学エネルギーを徐々に減少させる。

ii）ｍｒｖ_０＝−Ｉω_０の場合
これは、上部梁７の運動に起因する角運動量が円盤３の角運動量と等しい場合である。この場合は、円盤３とストッパー５とが接触した状態（第七局面；図４（Ｂ））で上部梁７及び円盤３の運動が停止し、躯体６の振動が止まる。

iii）ｍｒｖ_０＜−Ｉω_０の場合
これは、上部梁７の運動に起因する角運動量が円盤３の角運動量よりも小さい場合である。この場合は、図５（Ｂ）に示すように、第七局面における変位の向き（図４（Ｂ）の矢印１１’）から上部梁７の変位の向きが矢印１１の向きに反転すると共に、上部梁７の変位速度が第七局面における速度よりも小さくなる。また、円盤３の回転の向きは第七局面から変わらない一方で角速度は低減する。

そして、上述した第四局面から第七局面までを繰り返し、場合によっては上記ｉ）の場合も経て、力学エネルギーを徐々に減少させながら最後には上部梁７及び円盤３の運動が停止し、躯体６の振動が止まる。

なお、上記iii）は円盤３の回転慣性Ｉが過剰となる場合であり、円盤３の回転慣性Ｉや重量は軽量の方が経済的あることを考慮すると、上記iii）を引き起こすような円盤３の仕様は最適とは言えない。したがって、上記ｉ）又はii）の状態になるように円盤３の仕様を決定することが望ましい。

本発明の制震装置１によれば、以上の説明でも明らかなとおり、躯体６の力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーに分配し、躯体６の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させることができる。また、躯体６の力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーとして蓄積し、揺れの向きが逆向きになったときにその蓄積した円盤３の回転エネルギーを躯体６の揺れのブレーキとして利用して効果的に揺れを減衰させることができる。さらに、振動減衰の原理として衝突によるエネルギー消費を利用しているので、繰り返して且つ長時間に亘って安定した制震性能を発揮することができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、建物の躯体６において、上部梁７の変位方向に一つの制震装置１を設けるようにしているが、これに限られず、上部梁７の変位方向に複数の制震装置１を並べて設けるようにしても良い。

さらに、躯体６において上部梁７の変位方向に複数の制震装置１を並べて設ける場合、図６に示すように、ストッパー５の長さを変えることによって段階的に制振効果を発揮させるようにすることもできる。具体的には、上部梁７の変位方向に三つの制震装置１を並べて設ける場合、中央の制震装置１のストッパー５の長さを両側の制震装置１のストッパー５の長さよりも長くする。この構成により、まず、躯体６が平常時の状態から変形する際、最初に両側の制震装置１の円盤３がストッパー５から外れることによって外力荷重による力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーに分配してひずみエネルギーに変換される分を減少させ、変形が更に続く場合には中央の制震装置１の円盤３がストッパー５から外れることによって力学エネルギーを円盤３の回転エネルギーに分配してひずみエネルギーに変換される分を更に減少させる。また、躯体６が大きく変形して全ての制震装置１の円盤３がストッパー５から外れた後、躯体６が平常時の状態に戻ろうとして再び円盤３がストッパー５に接触する際には、最初に中央の制震装置１の円盤３がストッパー５に接触して振動を減衰させ、それでも振動が完全に収まらない場合には両側の制震装置１の円盤３がストッパー５に接触して振動を更に減衰させる。このように、複数の制震装置１を設けると共にストッパー５の長さを調整することにより、振動の大きさに合わせて制振効果を発揮させることができると共に、段階的に制振効果を発揮させることによって全体としては強力な制震力を有しながら変位速度の急激な変化を防止して滑らかな制振効果の発揮を実現することができる。

また、図７に示すように、上部梁７の変位方向に二つの制震装置１を並べて設け、同じ長さのストッパー５を平常時の円盤３の中心位置からずらして配置することによっても段階的な制震効果の発揮を実現することができる。このとき、上部梁７の変位方向に並べられた二つのストッパー５が離れるようにその中心５ａを平常時の円盤３の中心位置からずらして配置するようにしても良いし（図７）、二つのストッパー５が近付くようにずらして配置するようにしても良い。

また、本実施形態では、円盤３を支持する支持部材２を上部梁７の下面に固定すると共に、ストッパー５を下部梁９の上面に固定するようにしているが、これに限られず、上部梁７の下面にストッパー５を固定すると共に、下部梁９の上面に支持部材２を固定するようにしても良い。

さらに、本実施形態では、一本の柱状部材を用いて支持部材２を構成するようにしているが、これに限られず、円盤３を剛に支持できる構成であれば支持部材２はどのような構成でも良い。例えば、二本の柱状部材を用い、上部梁７と二本の柱状部材とで下に凸の三角形のラーメン構造を形成し、下側の頂点部に支持軸４を貫通させる貫通孔２ａを設けて支持部材２を構成するようにしても良い。

本発明の制震方法並びに装置の制震性能評価の実施例を図８及び図９を用いて説明する。

本実施例では、単層（即ち一階建て）の建物を想定した。したがって、上部梁７は屋根に相当し、下部梁９は建物の基礎に相当する。建物の躯体６の仕様は、上部梁７の重量は１０トン、固有振動数は１Ｈｚとした。また、本実施例では、建物の減衰定数を０％とし、建物自体には減衰性能がないとした。

そして、本発明の制震装置１を設置した場合の実施例１、並びに、実施例１と対比するために比較例１−１及び比較例１−２について数値解析を行った。実施例１並びに比較例１−１及び１−２の概要は以下のとおりとした。

実施例１は、躯体６に制震装置１を設置し、数値解析で想定する振動振幅に対して制振効果が効果的に発揮されるようにストッパー５の長さを設定した（図８（Ａ））。

比較例１−１は、制震装置１を設置しない場合とした（図８（Ｂ））。

また、比較例１−２は、躯体６に制震装置１を設置し、ストッパー５の長さを数値解析で想定する振動振幅よりも長く設定した（図８（Ｃ））。

制震装置１の仕様は、円盤３の重量は０．１トン（即ち躯体重量の１／１００）とし、半径は０．１ｍとした。また、円盤３の支持部材２に対する転がり抵抗はゼロとした。ストッパー５の長さは、実施例１は０．０１ｍ、実施例３は２．１ｍとした。なお、円盤３の重量の影響を把握し易くするために、支持部材２及び支持軸４の重量はゼロとした。

そして、上部梁７を水平方向に１．０ｍ引っ張った後に解放して自由振動させ、変位の時刻歴波形の解析を行い、図９に示す結果が得られた。

実施例１（図９（Ａ））は、上部梁７の変位波形が二周期目でほぼゼロとなっており、速やかに振動が減衰したことが確認された。

一方、比較例１−１（図９（Ｂ））は、建物自体には減衰性能がないとしたため、振動周期が１秒で振動振幅が１ｍの正弦波形のままで減衰しなかった。

また、比較例１−２（図９（Ｃ））は、振動周期が１．２３秒の正弦波形となった。これは、比較例１−２は、躯体６のみの比較例１−１と比べて円盤３の慣性質量が躯体６への質量増加要因となって付加質量効果が現れたためと考えられた。そして、比較例１−２の場合にはストッパー５が上部梁７及び円盤３の変位範囲よりも長いため、躯体６が振動しても円盤３がストッパー５から外れることがなく制振効果が発揮されないために振動は減衰しなかった。

本発明の制震方法並びに装置の制震性能評価の他の実施例を図８及び図１０を用いて説明する。

本実施例では、建物の減衰性能を２．０％とし、その他の条件は実施例１と同様とした。

そして、本発明の制震装置１を設置した場合を実施例２（図８（Ａ））、制震装置１を設置しない場合を比較例２−１（図８（Ｂ））、ストッパー５の長さを数値解析で想定する振動振幅よりも長く設定した場合を比較例２−２（図８（Ｃ））として数値解析を行った。

そして、実施例１と同様に、上部梁７を水平方向に１．０ｍ引っ張った後に解放して自由振動させ、変位の時刻歴波形の解析を行い、図１０に示す結果が得られた。

実施例２（図１０（Ａ））は、上部梁７の変位波形が二周期目でほぼゼロとなっており、速やかに振動が減衰したことが確認された。

比較例２−１（図１０（Ｂ））は、振動周期１秒の波形が時間の経過と共に徐々に小さくなった。これは、建物自体の減衰性能によるものであり、実際には、建物の振動エネルギーが建物内部の構造材料の接合部の摩擦や空気抵抗や地盤への逸散減衰などで消失されることによるものである。

また、比較例２−２（図１０（Ｃ））は、振動周期１．２３秒の波形が時間の経過と共に徐々に小さくなった。ここで、比較例２−２は、ストッパー５が上部梁７及び円盤３の変位範囲よりも長いために躯体６が振動しても円盤３がストッパー５から外れることがなく制振効果が発揮されない。したがって、振動の減衰は、制震装置１の制震性能によるものではなく、建物自体の減衰性能によるものであると考えられた。また、振動周期が長くなったのは、比較例２−２は躯体６のみの比較例２−１と比べて円盤３の慣性質量が躯体６への質量増加要因となって付加質量効果が現れたためと考えられた。そして、比較例２−１と比べると振動の減衰が鈍くなっており、これは、付加質量の効果によって質点の慣性力が大きくなって減衰力が相対的に低下したためであると考えられた。

以上の実施例１及び実施例２の結果から、本発明の制震装置１は良好な制震性能を発揮することが確認された。また、良好な制震性能を発揮させるためには円盤３とストッパー５とを衝突させることによって力学エネルギーを消費させることが必要であり、そのためには建物の特性や制御対象とすべき振動の種類等に基づいて上部梁７の変位方向のストッパー５の長さを設定する必要があることが確認された。

本発明の制震装置の実施形態の一例の概略構造を示す側面図で、平常時の状態を示す図である。本実施形態の躯体が上部梁に外力荷重を受けた瞬間の状態を説明する図である。本実施形態の躯体の上部梁が外力荷重を受けて変位した状態を説明する図である。（Ａ）は円盤がストッパーから外れる瞬間の図である。（Ｂ）は円盤がストッパーから外れて回転する状態の図である。本実施形態の躯体の上部梁が外力荷重を受けて変位した状態を説明する図である。（Ａ）は上部梁の変位が最大の状態の図である。（Ｂ）は円盤がストッパーに再び接触した状態の図である。本実施形態において円盤がストッパーに再び接触した後の状態を説明する図である。（Ａ）は上部梁の運動に起因する角運動量が円盤の角運動量よりも大きい場合の図である。（Ｂ）は上部梁の運動に起因する角運動量が円盤の角運動量よりも小さい場合の図である。本発明の制震装置の他の実施形態の一例の概略構造を示す側面図で、平常時の状態を示す図である。本発明の制震装置の更に他の実施形態の一例の概略構造を示す側面図で、平常時の状態を示す図である。実施例１及び２の解析対象を説明する図である。（Ａ）は本発明の制震装置を有する場合（実施例１及び２）の図である。（Ｂ）は制震装置を有しない場合（比較例１−１及び２−１）の図である。（Ｃ）は制震装置のストッパーが長い場合（比較例１−２及び２−２）の図である。実施例１の解析結果を示す図である。（Ａ）は実施例１の結果の図である。（Ｂ）は比較例１−１の結果の図である。（Ｃ）は比較例１−２の結果の図である。実施例２の解析結果を示す図である。（Ａ）は実施例２の結果の図である。（Ｂ）は比較例２−１の結果の図である。（Ｃ）は比較例２−２の結果の図である。従来の制震装置を示す斜視図である。

符号の説明

１制震装置
２支持部材
２ａ貫通孔
３円盤
４支持軸
５ストッパー
６躯体
７上部梁
８柱
９下部梁

Claims

外力荷重を受けて建物の躯体が変形する際に前記躯体の上下の梁の一方に固定された支持部材に回転可能に支持された円盤を他方の梁に固定されたストッパーの表面を回転移動させてから前記ストッパーから離すことによって前記外力荷重による力学エネルギーを前記円盤の回転エネルギーに分配して前記躯体の変形に寄与するひずみエネルギーを減少させると共に、前記躯体の変形が元に戻る際に前記円盤を前記ストッパーに接触させることによって前記外力荷重による力学エネルギーを前記円盤と前記ストッパーとの衝突のエネルギーとして消費して減少させることを特徴とする制震方法。
建物の躯体の上下の梁の一方に固定されたストッパーと、他方の梁に固定された支持部材に回転可能に支持されて外力荷重を受けて前記躯体が変形する際に前記ストッパーの表面を回転移動してから前記ストッパーから外れると共に前記躯体の変形が元に戻る際に前記ストッパーに接触する円盤とを有することを特徴とする制震装置。
建物の躯体の上下の梁の一方に固定されたストッパーと、他方の梁に固定された支持部材に回転可能に支持されて外力荷重を受けて前記躯体が変形する際に前記ストッパーの表面を回転移動してから前記ストッパーから外れると共に前記躯体の変形が元に戻る際に前記ストッパーに接触する円盤とによって制震装置が構成され、前記ストッパーの長さが異なる複数の前記制震装置が前記躯体の上下の梁の変位方向に並べて配置されることを特徴とする制震機構。