JP2009174144A

JP2009174144A - 振動低減機構

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Publication number: JP2009174144A
Application number: JP2008011844A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Isoda; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2028-01-22
Also published as: JP5088617B2

Abstract

【課題】機械的なメカニズムによることなく高性能かつ高耐力、大きな応答低減効果が得られ、大規模構造物にも適用可能な振動低減機構を提供する。
【解決手段】構造物におけるフレーム内に層間変形により加力されてロッキングを生じる壁体３を設置し、そのロッキングによる回転慣性質量効果によって振動低減効果を得る。壁体の下部偶角部をフレームの下部入隅部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である下部回転中心ＯＡを壁体の重心位置ないし重心近傍位置に設定する。壁体の上部偶角部をフレームの上部入角部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である上部回転中心ＯＢを下部回転中心よりも上方に偏位する位置に設定する。フレームの入隅部および入隅部に壁体の偶角部を滑動可能に支持する円弧面からなる滑り面５を有する治具４を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は建物等の構造物に適用して好適な振動低減機構、特に壁体のロッキングにより生じる回転慣性質量効果を利用して振動低減効果を得る構造の振動低減機構に関する。

近年、小さな質量で大きな質量効果を発揮できる方策として回転慣性質量（慣性接続要素）を用いる方法が脚光をあび、それを利用する種々の応答低減機構が提案されている。たとえば特許文献１には、免震対象構造物の上下振動を長周期化する上下免震装置において、免震対象構造物の上下動に連動することで上下振動に関与する慣性質量を増加させる質量付加機構を設けた上下免震装置が提案されている。
この種の機構において慣性質量を生むための具体的な装置としては、ボールねじとフライホイール（回転錘）によるものが一般的であり、特許文献１に示される上下免震装置においても所定の質量を有する円盤をボールねじ式の運動変換機構により回転させる構成の慣性質量付加機構を採用している。
特開２００４−４４７４８号公報

上記のようなボールねじとフライホイールによる機構は、コンパクト化できるもののボールねじの負担を考慮するとあまり大きな負担力には対応できないものである。
すなわち、そのような機構では負担力の全てがボールねじに作用することからボールねじに座屈等が生じない範囲で使用する必要があり、それにより得られる慣性質量は現実的には1,000ton程度が限界であってそれ以上の高耐力化を図ることは困難であり、したがって大規模構造物には適用し難いものである。
そのため、上記のような機械的なメカニズムによらずに巨大な回転慣性質量効果が得られる有効適切な機構の開発も望まれていた。

上記事情に鑑み、本発明は機械的なメカニズムによることなく高性能かつ高耐力、大きな応答低減効果が得られて、大規模構造物にも適用可能な振動低減機構を提供することを目的とする。

本発明は、構造物における左右の柱とそれらの間に架設された下階梁と上階梁とにより構成されたフレーム内に、該フレームの面内において下階梁と上階梁との間で生じる相対振動により加力されてロッキングを生じる壁体を設置し、該壁体のロッキングによる回転慣性質量効果によって前記相対振動を低減せしめる構成の振動低減機構であって、前記壁体の下部偶角部を前記フレームの下部入隅部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である下部回転中心を該壁体の重心位置ないし重心近傍位置に設定し、前記壁体の上部偶角部を前記フレームの上部入角部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である上部回転中心を前記下部回転中心よりも上方に偏位する位置に設定してなり、前記フレームの下部入隅部に前記壁体の下部偶角部を滑動可能に支持する下部滑り面を有する下部治具を設けて、該下部治具における前記下部滑り面を、前記下部回転中心を通りかつ前記壁体に直交する水平軸線を中心線とする円弧面により形成し、前記フレームの上部入隅部に前記壁体の上部偶角部を滑動可能に支持する上部滑り面を有する上部治具を設けて、該上部治具における前記上部滑り面を、前記上部回転中心を通りかつ前記壁体に直交する水平軸線を中心線とする円弧面により形成してなることを特徴とする。

本発明においては、前記上部治具における前記上部滑り面としての円弧面を、前記壁体が前記下部回転中心を中心として回転した際における前記上部回転中心の上下方向の変位を考慮して補正した疑似円弧面とすることが望ましい。

また、前記壁体の下部偶角部と前記下部治具との間、および前記壁体の上部偶角部と前記上部治具との間に、前記壁体を回転可能に支持する滑動機構を介装しても良い。

さらに、前記上部治具または前記下部治具を主治具の両端部に設けて、該主治具を前記上階梁または下階梁に対して面内水平方向に相対変位可能に設置するとともに、該主治具と前記上階梁または下階梁の間に付加バネを介装することも考えられる。

本発明の振動低減機構は、建物等の構造体の水平振動時における層間変形に追随させて壁体をロッキングさせることにより、そのロッキングによる回転慣性質量効果を利用して壁体を回転慣性質量ダンパーとして機能させるものであり、小質量の壁体により巨大な回転慣性質量効果が得られ、構造物の長周期化、地震動入力の低減、遮断振動数における振動低減効果を有効に発揮できる。
特に、壁体を鉄筋コンクリートや鋼材等の一般的な建設資材により形成できるので、従来のボールねじとフライホイールによる機械的なねじ機構による回転慣性質量ダンパーに比べて安価に製作し施工することができるし、応力処理が容易であるので大規模構造物にも支障なく適用可能であり、さらには建物内に躯体として設置される壁体をそのまま回転慣性質量ダンパーとして機能する回転錘として有効利用することが可能である。
また、壁体の質量と寸法、上部回転中心と下部回転中心との間の中心間距離の設定のみで回転慣性質量を任意にかつ幅広く定めることができるし、さらには壁体のロッキングによる回転慣性質量と付加バネとによる固有振動数の設定によりＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー：動吸振器）として機能させることも可能である。

図１〜図３は本発明の振動低減機構の基本的な一実施形態を示すものである。これは建物の架構を構成しているフレームの内側、すなわち左右の柱１と上下の梁２（下階梁２Ａおよび上階梁２Ｂ）との間に壁体３をロッキング可能に設置したものであって、地震時における架構の層間変形に追随して生じる壁体３のロッキングによる回転慣性質量効果を利用して振動低減効果を得るものである。
なお、以下の実施形態は基本的に上下対称形をなしているので、上下に対称配置されている同一構成要素には同一符号を付すが、必要に応じて下部に係わる構成要素には符号に添字Ａを付し、上部に係わる構成要素には符号に添字Ｂを付して両者を区別する。

本実施形態における壁体３は鉄筋コンクリート造ないし鉄骨造もしくはそれらを適宜組み合わせた複合構造の矩形平板状のものであって、その下部偶角部および上部偶角部がそれぞれ治具４（下部治具４Ａおよび上部治具４Ｂ）を介してフレームの下部入隅部および上部入隅部に対して面内相対回転可能に支持されることにより、そのフレームの内側においてロッキング可能に配置されているものである。

すなわち、図１に示すように、フレームの下部入隅部には滑り面５（下部滑り面５Ａ）を有する下部治具４Ａが設置されているとともに、壁体３の下部偶角部にはその下部滑り面５Ａ上を転動する滑動機構６が取り付けられていて、その滑動機構６が下部滑り面５Ａ上を滑らかに転動することによって壁体３は下階梁２Ａに対して面内相対回転が可能とされている。そして、下階梁２Ａに対する壁体３の回転中心である下部回転中心ＯＡは壁体３の重心位置ないし重心近傍位置に設定されていて、下部治具４Ａにおける下部滑り面５Ａはその下部回転中心ＯＡを通って壁体３に直交する水平軸線を中心線とする下部回転半径R₂の円弧面（円筒面）として形成されている。
また、フレームの上部入隅部には滑り面５（上部滑り面５Ｂ）を有する治具４（上部治具４Ｂ）が設置されているとともに、壁体３の上部偶角部にはその上部滑り面５Ｂを転動する滑動機構６が取り付けられていて、その滑動機構６が上部滑り面５Ｂ上を滑らかに転動することによって壁体３は上階梁２Ｂに対して面内相対回転が可能とされている。そして、上階梁２Ｂに対する壁体３の回転中心である上部回転中心ＯＢは上記の下部回転中心ＯＡよりも偏位寸法ａだけ上方に偏位する位置に設定されており、上部治具４Ｂにおける上部滑り面５Ｂはその上部回転中心ＯＢを通って壁体３に直交する水平軸線を中心線とする上部回転半径R₁の円弧面（円筒面）として形成されている。
なお、上部回転半径R₁と下部回転半径R₂とは同一であっても良いが、必ずしも同一である必要はない。

上記の滑動機構６としてはたとえば図２に示すものが好適に採用可能である。（ａ）はローラ支承によるもの、（ｂ）は円弧状に湾曲させたガイドレール７にスライダー８を滑らかにスライド可能に組み付けた構成のリニアガイドと称される形式のものである。これらの滑動機構６はいずれも摩擦係数をμ＝0.006程度以下とできるばかりでなく、1台当たりの耐荷重を1,000tonf程度にもできる。しかも（ｂ）に示すリニアガイドでは圧縮力のみならず引張力に対しても抵抗できるので壁体３の浮き上がりを防止することも可能である。
さらに、滑動機構６としては滑り支承によるもの、特にたとえば図２（ｃ）に示すような滑り板９に対して滑り材１０を滑らせる構成のものも好適に採用可能であり、それによってもμ＝0.013程度以下、耐荷重2,000ton以上とすることが可能である。
なお、（ａ）のローラ支承および（ｃ）の滑り支承では、一方の滑り面と滑動機構の間に隙間が生じた場合でも、圧縮側の支承で力を伝達できるので問題ない。

また、上記で例示したような滑動機構６における摩擦係数μの設定は、壁体３を有効にロッキングさせるように設定した上で適度の摩擦抵抗を与えるように設定することも考えられ、そのようにすればそれら滑動機構６自体を摩擦ダンパーとしても機能させることも可能であってそれにより壁体３のロッキングを有効に減衰させることが可能となる（この点についての検討は後述する）。

上記構造による本実施形態の振動低減機構では、図１（ａ）に示す通常時（静止時）の状態から図１（ｂ）に示すように地震時に架構が層間変形を生じた場合、たとえば図示例のように上階梁２Ｂが下階梁２Ａに対して右方向に水平変位δが生じた場合には、壁体３の上部は上部治具４Ｂを介して水平右方向に加力され、それにより壁体３は加力方向に微小角度だけ回転してロッキングを生じる。
その際の回転角をθとすると、上部回転中心ＯＢは水平方向にδ＝ａsinθだけ変位し、下部回転中心ＯＡと上部回転中心ＯＢとの間の鉛直距離はａcosθとなる（上部回転中心ＯＢが下方にａ（1-cosθ）だけ変位する）。

そして、そのようなロッキングが生じると、壁体３には大きな回転慣性質量Ψが生じ、それによる回転慣性質量効果により優れた振動低減効果が得られる。すなわち、壁体３の回転慣性モーメントをIpとし、下部回転中心ＯＡを壁体３の重心位置とした場合、壁体３による回転慣性質量Ψは以下となる。

その回転慣性質量Ψは、壁体３の実際の質量に比べて遙かに大きなものとなる。例えば、壁体３が鉄筋コンクリート造であって厚さ500mm、幅8,000mm、高さ6,200mm、密度ρ＝2.4の場合、その質量は59.5tonに過ぎないが、回転慣性モーメントはIp＝508ton・m²となり、中心間偏位寸法ａ＝500mの場合には壁体３の回転により得られる回転慣性質量はΨ＝2,032tonにもなって実際の質量の数十倍にも拡大されることになり、したがって単なる１面のＲＣ壁のみで大規模建物を対象とする場合に必要とされる1,000tonを超えるような大きな慣性質量を容易に確保することが可能である。
なお、中心間偏位寸法ａの値をあまり小さくすると回転に対する摩擦抵抗や精度誤差の影響が大きくなるので、壁体３の最大寸法の５％以上の値とすることが望ましい。

また、壁体３の回転に伴い上部回転中心ＯＢはわずかに鉛直変位するが、解析上は高次の微小項であるし、通常はロッキング時の傾斜角θは1/10（6°）程度以下と充分に小さいために回転機構上には殆ど影響がなく、通常は無視して差し支えなく、その場合は上述したように上部滑り面５Ｂを下部滑り面５Ａと同様に単なる円弧面（円筒面）とすることで充分である。
しかし、回転角θがそれ以上に大きくなることを想定する場合、厳密には上部回転中心ＯＢの鉛直偏位を考慮して上部滑り面５Ｂの形状を以下の手法で補正することが望ましい。

図３に示すように、上階梁２Ｂの下面中央を原点とするＸＹ座標系を想定し、原点から下部回転中心ＯＡまでの距離b、中心間偏位寸法aとする。この場合、下部回転中心ＯＡおよび上部回転中心ＯＢの座標はそれぞれ(0,-b)、(0,-b+a)である。
壁体３が静止状態にある通常時の場合、上部治具４Ｂに対する壁体３の上部偶角部の支持点の座標(x₀,y₀)は、上部回転半径R₁、上部回転中心ＯＢとその支持点を結ぶ直線と鉛直線のなす角度φとすると、(x₀,y₀)＝(R₁sinφ,-b+a+R₁cosφ)である。
その状態から壁体３が図示時計回りに回転角θだけ回転し、上部回転中心ＯＢが下方に変位するとともに下部回転中心ＯＡも時計回りに水平変位して、下部回転中心ＯＡおよび上部回転中心ＯＢの座標がそれぞれ(-asinθ,-b)、(0,-b+acosθ)になったとすると、それに伴い、上部治具４Ｂによる壁体３の上部偶角部に対する支持点(x,y)の座標は、
(x,y)＝(R₁sin(φ+θ),-b+acosθ+R₁cos(φ+θ)) となる。

具体的な一例を上げれば、R₁＝5,000mm、φ＝60°、a＝500mm、b＝4,000mmの場合、回転角θが−15°〜＋15°の範囲では支持点(x,y)の回転軌跡は図３（ｂ）に実線で示すものとなる。これは破線で示している単なる円弧（半径R₁＝5,000mm）とほぼ同様ではあるが、回転角θが大きい範囲では単なる円弧よりも曲率がやや大きくなる。
したがって、上部治具４Ｂにおける上部滑り面５Ｂの形状をそのような回転軌跡に厳密に合致する形状の疑似円弧面としておくことにより、回転角θが大きくなった場合にも壁体３の上部偶角部が上部滑り面５Ｂから浮いて離間してしまうことが回避され、壁体３は常に上部治具４Ｂにより支持されつつ滑らかに滑動して壁体３を安定にロッキングさせることが可能である。

上記の実施形態の振動低減機構による得られる基本的な効果を以下に列挙する。
(1)上記の振動低減機構は壁体３のロッキングにより生じる回転慣性質量を利用する回転慣性質量ダンパーとして機能するものであって、その回転慣性質量ダンパーを構造体バネ（構造剛性）と並列配置した構造の応答低減機構であるので、構造物の長周期化、地震動入力の低減、遮断振動数における振動低減効果を有効に発揮できる。
(2)従来一般のボールねじとフライホイールによる機械的な機構による回転慣性質量ダンパーと比較して回転錘としての壁体３に対する慣性質量の比は小さくなるものの、1,000tonを超えるような巨大な慣性質量効果を容易に実現することができる。
(3)壁体３は鉄筋コンクリートや鋼材ないしそれらの組合せにより安価に製作できるし（但しそれに限定されるものではなく、所望の質量が得られるものであれば適宜の材料が採用可能である）、質量と寸法の設定により回転慣性質量が定まるものであって、下部回転中心ＯＡと上部回転中心ＯＢの双方の回りで回転できるという条件を満たすことのみで巨大な慣性質量が得られるので、従来の機械的なねじ機構によるものよりも安価に製作し施工することができる。

(4)下部回転中心ＯＡと上部回転中心ＯＢとの間の中心間偏位寸法ａと壁体３の回転慣性モーメントによって慣性質量が決定されるので、中心間偏位寸法ａの値を調整することで慣性質量を任意にかつ幅広く設定することができる。
(5)壁体３と上下の梁２との間での力は円弧状の滑り面４と滑動機構６との間で伝達されるが、その伝達面積は必要に応じて大きくとることができるから、従来のボールねじの断面積だけで負担力を全て処理する機械的な機構と比較して単位面積当たりの応力は小さくなり、応力処理が容易である。
(6)滑動機構６として図２（ａ）に示したようなローラ支承や図２（ｃ）に示したような滑り支承を採用すれば、支承部と滑り面との間で引張力を伝達せずに圧縮力のみとすることができる。引張と圧縮の両方を伝達する機構だと逃げ寸法を確保することができないが、圧縮のみならば滑り面と支承との間にわずかな隙間があっても問題なく滑動でき、精度管理が容易になることから安価に製造できる。
また、滑動機構６として図２（ｂ）に示したようなようなリニアガイドを採用すれば、圧縮力のみならず引張力に対しても抵抗できて壁体３の浮き上がり（滑り面との離間）を防止することができる。
(7)壁体の四隅の偶角部を滑動可能に支持するので、滑動機構や滑り支承は壁体の四隅部に対してのみ設置することで充分であり、したがって壁体と構造体との接触面積が小さく、支承部品も小さくなることから安価にできる。また、滑り面での接触長さが小さくなることで寸法精度管理も容易である。
(8)上部回転中心ＯＢの回転時の鉛直変位を考慮して上部滑り面４Ｂを疑似円弧面とすれば、ロッキング回転角が大きくなっても壁体３と上部滑り面４Ｂとが離間せずに円滑にロッキング振動させることができる。
(9)建物内に躯体として設置される壁体３を回転錘として有効利用することにより、格別の制震機構を設置することによる有効面積の減少を防止することができる。

以上、本発明の基本的な一実施形態について説明したが、以下に他の実施形態を説明する。

上記実施形態では治具４をフレーム内の入隅部に直接固定したが、治具４を他の部材を介して間接的に設置することでも良い。たとえば図４に示すように、上階梁２Ｂの下面に主治具１４を固定してその主治具１４の両端部に上部治具４Ｂを固定することでも良い。勿論、下部治具４Ａについても同様の主治具を介して下階梁２Ａに対して固定することでも良い。

上記実施形態では上部治具４Ｂおよび下部治具４Ａをいずれもフレームに対して固定したが、上部治具４Ｂまたは下部治具４Ａをフレームに対して面内水平方向に相対変位可能に設置することでも良く、その場合の構成例を図５（ａ）、（ｂ）に示す。
これは図４に示したように上部治具４Ｂを主治具１４の両端部に設置したうえで、その主治具１４を上階梁２Ｂに対して軸方向に相対変位可能に設置し、主治具１４とフレームとの間に付加バネ１５および付加減衰１６を介装したものである。図５（ａ）は主治具１４と上階梁２Ｂとの間に付加バネ１５としての積層ゴムと付加減衰１６としてオイルダンパーを設置したもの、（ｂ）は主治具１４の両端部と両側の柱１との間に付加バネ１５としてのコイルバネと付加減衰１６としてダッシュポットを介装したものであり、いずれも同様に機能するものである。

この場合、壁体３により構成される回転慣性質量ダンパーは付加バネ１５に対して直列配置されたうえで構造体バネ（構造剛性）に対して並列配置されることになり、この壁体３による回転慣性質量と付加バネ１５とによる振動系をＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー：動吸振器）と同様に機能させることができる。
すなわち、付加バネ１５のバネ定数k₀、壁体３の回転慣性質量Ψ、振動抑制対象振動数f₀（振動抑制対象角振動数ω₀）の場合、それらの間に次式の関係が成り立つように各諸元を設定する。

上式は、壁体３による回転慣性質量Ψと付加バネ１５とによる振動系の固有振動数を振動抑制対象振動数f₀に同調させることを意味し、そのような設計とすることによりその振動数での共振特性を大幅に改善して応答低減を図ることができる。特に、振動抑制対象振動数f₀を構造物（建物）の固有１次振動数とすることにより、地震時における構造物の固有１次振動数での応答低減を有効に図ることができる。

図５（ａ）に示す実施形態の場合の具体的な設計例を以下に示す。
壁体３をＲＣ壁とし、壁厚0.5m、幅9m、高さ6m、質量64.8tonとする。
壁体３の中心間偏位寸法ａ＝0.5mとすると、壁体３の回転慣性モーメントIp＝632ton・m²、回転慣性質量Ψ＝2,527tonとなる。
上記の壁体３により構成される回転慣性質量ダンパーをＴＭＤとして機能させて、周期２秒、固有振動数f₀＝0.5Hz、ω₀＝2πf₀＝3.14rad/sの建物に同調させる設計とする。
付加バネ１５として３台の積層ゴムを用いる場合、所要バネ定数はk₀＝Ψω₀ ²＝25.4tonf/cmである。積層ゴムの材質G12、ゴム厚60mmとすると、ゴムの総所要せん断面積A＝12,700cm²、したがって１台当たりの所要せん断面積A＝4,200cm²、故に積層ゴムとしては500×850×3台を用いることで充分である。
付加振動系の減衰定数h＝0.07とすると、減衰係数c₀＝2mω₀＝1,100kN・s/m＝11kN/kineであり、汎用の小容量の免震用オイルダンパーを用いることで充分である。
なお、付加減衰１６は上記のように付加バネ１５に対して並列に設置するばかりでなく、壁体３と上部治具４Ｂとの間に設置しても良く、その場合は上述したように壁体３と上部治具４Ｂとの間の滑動機構６における摩擦係数を適正に設定して所望の減衰性能を持たせることにより、それ自体を付加減衰１６として機能させることも考えられる。
また、上部治具４Ｂに代えて下部治具４Ａに対して同様の構成を採用することによっても（つまり図５の天地を逆にした構成とすることによっても）、同様の効果が得られる。

さらに、壁体３は上記実施形態のように単純な平板状であることに限らず、所望の質量を確保できかつ上下の偶角部を滑動可能に支持できるものであれば壁体３全体の形状は任意であり、たとえば図６（ａ）、（ｂ）に示すように所望位置に窓や出入り口等に使用する開口部２０を設けたり、さらには（ｃ）に示すように所望形状の変形壁としたうえで窓用の開口部２０や配管類を通すための開口部２１等を形成することが可能である。
特に、回転錘としての壁体３の中央部の質量は回転慣性質量効果を得る上ではあまり寄与しないし、下部回転中心ＯＡおよび上部回転中心ＯＢは単に仮想中心であってそれらの位置に実際に回転軸やピンの類を設ける必要もないから、壁体３の中央部を切り欠いてそこに開口部２０、２１を形成することは何らの支障がないばかりか、寧ろ壁体３に好適な質量分布を持たせることになって合理的である。
さらになお、複数の壁体３を組み合わせて中空箱状のユニットを構成してその内部を室として利用することとし、その室全体をロッキングさせることも不可能ではない。

次に、円弧状の滑り面において支承と滑り面の間に作用する摩擦を考慮した検討を行い、滑り面に適切な減衰を与えることによって慣性質量ダンパー機能と減衰機能とを同時に持つ機構となることを説明する。なお、本検討では上部回転半径と下部回転半径をいずれもR₁とする。

図３（ａ）の左上の支承を例にとって、そこでの力の釣り合いを図７（ａ）に示す。滑り面を介して壁体に加えられる力は、法線方向にF_R、接線方向（滑りと逆向き）にF_θである。滑り面の摩擦係数をμとすると F_θ＝μF_Rである。これらの水平方向合力が加力Fであり、次式で表される。

一方、下部回転中心点まわりの回転に対する釣り合いは、時計まわりの外力モーメントとして次式となる。

壁体の下部右側の支承にも同じ圧縮力が作用するので、この摩擦力F_θも考慮すると、

壁体の慣性モーメントI_θ、壁体がθだけ回転してφが変化すると壁体の慣性モーメントは

下部に対する上部治具の水平変位をｘとすると、

摩擦を無視した場合の加力F、慣性質量Ψはそれぞれ

であるから、摩擦を考慮することにより慣性質量Ψが

に増大することとなる。

図７（ｂ）に示すように、加力が上記と同じであって逆方向に回転する場合には、上記と同様に滑り面の摩擦係数をμとすると F_θ＝μF_R、これらの水平方向合力が加力Fであり、次式で表される。

下部に対する上部治具の水平変位をｘとすると、

摩擦を無視した場合の加力F、慣性質量Ψはそれぞれ

であるから、摩擦を考慮することにより慣性質量Ψが

と低減することとなる。

いま、単位の変位振幅に対して荷重−変位関係の履歴を示すと、図３（ｃ）のような形（くびれたドッグボーン状）となる。なお、摩擦を無視した場合を破線で示してある。
破線の勾配と同じで符号を正にしたバネ剛性をもつ付加振動系を考えたとき、等価減衰定数h_eqは次式となる。

ここで、図３に示した設計例のようにφ＝60°，R₁／a＝１０とすると等価減衰定数h_eqは次式となる。

摩擦係数μと等価減衰定数H_eqとの関係を図３（ｄ）に示し、その縦軸を拡大してH_eqを0.5までの範囲としたものを図３（ｅ）に示す。摩擦係数μがμ≦0.042なら減衰定数が求められ、これを超えると壁体が回転しなくなる。
また、同調時の減衰定数をh＝0.07とすると、摩擦係数μ＝0.016となる。図２（ｃ）に示したような一般的な市販の滑り支承においても摩擦係数μ＝0.013程度とできるので、そのような滑り支承による摩擦抵抗で適切な減衰を付与することが可能であることが分かる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、要は壁体３を回転慣性質量ダンパーとして機能させるようにフレーム内にロッキング可能に設置する構成とする限りにおいて、上記各実施形態を様々に組み合わせることをはじめとしてさらに適宜の設計的変形や応用が可能であることはいうまでもない。

本発明の振動低減機構の一実施形態を示す概略構成図である。同、滑動機構の例を示す図である。同、上部滑り面の補正についての説明図である。本発明の振動低減機構の他の実施形態を示す概略構成図である。同、さらに他の実施形態を示す概略構成図である。同、壁体の形態例を示す図である。同、滑り面の摩擦を考慮する場合の説明図である。

符号の説明

１柱
２梁
２Ａ下階梁
２Ｂ上階梁
３壁体
４治具
４Ａ下部治具
４Ｂ上部治具
５滑り面
５Ａ下部滑り面
５Ｂ上部滑り面
６滑動機構
７ガイドレール
８スライダー
９滑り板
１０滑り材
１４主治具
１５付加バネ
１６付加減衰
２０，２１開口部

Claims

構造物における左右の柱とそれらの間に架設された下階梁と上階梁とにより構成されたフレーム内に、該フレームの面内において下階梁と上階梁との間で生じる相対振動により加力されてロッキングを生じる壁体を設置し、該壁体のロッキングによる回転慣性質量効果によって前記相対振動を低減せしめる構成の振動低減機構であって、
前記壁体の下部偶角部を前記フレームの下部入隅部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である下部回転中心を該壁体の重心位置ないし重心近傍位置に設定し、
前記壁体の上部偶角部を前記フレームの上部入角部に対して面内相対回転可能に支持するとともに、その回転中心である上部回転中心を前記下部回転中心よりも上方に偏位する位置に設定してなり、
前記フレームの下部入隅部に前記壁体の下部偶角部を滑動可能に支持する下部滑り面を有する下部治具を設けて、該下部治具における前記下部滑り面を、前記下部回転中心を通りかつ前記壁体に直交する水平軸線を中心線とする円弧面により形成し、
前記フレームの上部入隅部に前記壁体の上部偶角部を滑動可能に支持する上部滑り面を有する上部治具を設けて、該上部治具における前記上部滑り面を、前記上部回転中心を通りかつ前記壁体に直交する水平軸線を中心線とする円弧面により形成してなることを特徴とする振動低減機構。
請求項１記載の振動低減機構であって、
前記上部治具における前記上部滑り面としての円弧面を、前記壁体が前記下部回転中心を中心として回転した際における前記上部回転中心の上下方向の変位を考慮して補正した疑似円弧面としてなることを特徴とする振動低減機構。
請求項１または２記載の振動低減機構であって、
前記壁体の下部偶角部と前記下部治具との間、および前記壁体の上部偶角部と前記上部治具との間に、前記壁体を回転可能に支持する滑動機構を介装してなることを特徴とする振動低減機構。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動低減機構であって、
前記上部治具または前記下部治具を主治具の両端部に設けて、該主治具を前記上階梁または下階梁に対して面内水平方向に相対変位可能に設置するとともに、該主治具と前記上階梁または下階梁の間に付加バネを介装してなることを特徴とする振動低減機構。