JP2011106136A - Vertical vibration control system of base-isolated building - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は建物の水平振動と上下振動をともに低減させるための3次元免震構造に係り、特に免震建物の上下振動を効果的に減衰させ得る上下制振システムに関する。 The present invention relates to a three-dimensional seismic isolation system for reducing both horizontal and vertical vibrations of a building, and more particularly to a vertical vibration control system that can effectively attenuate vertical vibrations of a base-isolated building.
建物を水平方向と上下方向の双方に免震支持するための3次元免震装置として、特許文献1や特許文献2に示されるものが提案されている。前者は積層ゴムからなる水平免震装置と皿ばね積層体からなる上下免震装置とを上下方向に積み重ねて一体に直列配置したものであり、後者はそれらを横方向に並設して並列配置したものである。
それらの3次元免震装置ではいずれも上下免震装置としての皿ばね積層体それ自体が振動減衰機能を有するものであって、それによる上下方向の減衰効果が自ずと得られるとされている。また、特許文献2には上下方向の振動エネルギーを吸収して必要な減衰を確保するとともに、減衰量の設定を容易に行うために、油圧ダンパー等のエネルギー吸収装置を上下免震装置と並列に別途設けるとの記載もある。
As a three-dimensional seismic isolation device for isolating and supporting a building in both the horizontal direction and the vertical direction, those shown in
In any of these three-dimensional seismic isolation devices, the disc spring laminate itself as a vertical seismic isolation device has a vibration damping function, and it is said that a vertical damping effect is naturally obtained. In
しかし、特許文献1〜2に示される従来の3次元免震装置による場合には、特に上下方向の振動に対する充分な免震効果や減衰効果が得られず、したがってそれを可能とするより有効適切な上下制振システムの開発が望まれているのが実情である。
However, in the case of the conventional three-dimensional seismic isolation device shown in
上記事情に鑑み、本発明の免震建物の上下制振システムは、免震建物とその基礎との間に、該免震建物を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための3次元免震装置を介装するとともに、該3次元免震装置と並列にTMD機構を設置し、前記TMD機構は、前記免震建物が基礎に対して上下方向に相対振動を生じた際に作動する慣性質量ダンパーを支持部材により支持してなり、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と前記支持部材の剛性により定まる前記TMD機構の固有周期を免震建物の上下方向の固有周期に同調させてなることを特徴とする。 In view of the above circumstances, the vertical vibration control system for a base-isolated building according to the present invention is provided between the base-isolated building and its foundation for base-isolating and supporting the base-isolated building in both the horizontal and vertical directions. A three-dimensional seismic isolation device is installed and a TMD mechanism is installed in parallel with the three-dimensional seismic isolation device. When the TMD mechanism generates a relative vibration in the vertical direction with respect to the foundation, The inertial mass damper that operates is supported by a support member, and the natural period of the TMD mechanism determined by the inertial mass by the inertial mass damper and the rigidity of the support member is synchronized with the natural period in the vertical direction of the base-isolated building. It is characterized by that.
前記慣性質量ダンパーとしては、両端部に錘を装着した揺動アームの中心部を前記支持部材により支持して該揺動アームを鉛直面内において揺動自在に略水平に配設し、該揺動アームが免震建物の上下方向の相対振動に追随して揺動することによって前記錘の上下方向振動による慣性質量効果を生じる構成のものが好適に採用可能である。
また、そのような揺動アームによる慣性質量ダンパーを用いる場合においては、揺動アームに生じる揺動を減衰させるための減衰装置を備えることがより好ましい。
As the inertia mass damper, the central portion of a swing arm having weights attached to both ends is supported by the support member, and the swing arm is swingably arranged in a vertical plane substantially horizontally. A structure in which an inertial mass effect due to the vertical vibration of the weight is generated when the moving arm swings following the vertical relative vibration of the base-isolated building can be suitably employed.
In addition, when an inertial mass damper using such a swing arm is used, it is more preferable to provide a damping device for damping the swing generated in the swing arm.
本発明によれば、地震時における免震建物の水平方向と上下方向の応答加速度を3次元免震装置によって充分に低減可能であり、特に慣性質量ダンパーによるTMD機構を3次元免震装置と並列に設置してそのTMD機構の固有周期を免震建物の固有周期に同調させることによって、免震建物の上下方向の応答加速度を大幅に低減させることができる。
また、慣性質量ダンパーとして揺動アームの両端部に錘を装着した形式のものを用いることにより、小質量の錘であっても大きな慣性質量効果が得られて優れた振動低減効果が得られる。
さらに、慣性質量ダンパーとしての揺動アームの揺動を減衰させるための減衰装置を備えることにより、上下方向の振動低減効果をより高めることができる。
According to the present invention, the horizontal and vertical response accelerations of a base-isolated building during an earthquake can be sufficiently reduced by a three-dimensional seismic isolation device. In particular, a TMD mechanism using an inertial mass damper is parallel to the three-dimensional base isolation device. The vertical acceleration of the base-isolated building can be greatly reduced by installing it on the base station and synchronizing the natural period of the TMD mechanism with the natural period of the base-isolated building.
Further, by using a type in which weights are attached to both ends of the swing arm as the inertial mass damper, a large inertial mass effect can be obtained even with a small mass, and an excellent vibration reduction effect can be obtained.
Furthermore, the vibration reducing effect in the vertical direction can be further enhanced by providing a damping device for damping the swing of the swing arm as the inertia mass damper.
本発明の一実施形態を図1〜図2に示す。図1は免震建物1の底部と基礎2との間に設けた免震ピットを示すもので、その免震ピット内には、免震建物1を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための3次元免震装置3が設置されている。
One embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 shows a seismic isolation pit provided between the bottom of the
本例における3次元免震装置3は、水平免震装置3Aと上下免震装置3Bとを上下に積み重ねて一体に直列配置したものである。
下段の水平免震装置3Aは通常の積層ゴムからなり、鉛直剛性が高く水平剛性が低いという特性により免震建物1の水平方向の固有周期を増大させる(長周期化する)ものである。
一方、上段の上下免震装置3Bは、積層ゴムと同様に鋼板とゴムとを交互に積層して一体に接着したものであるが、通常の積層ゴムに比べて鉛直剛性が低く設定され、それにより免震建物1の上下方向(鉛直方向)の固有周期を増大させるものである。
その上下免震装置3Bは、水平免震装置3Aとしての積層ゴムの上部フランジ4と、免震建物1の底面に固定されたホルダ5との間に介装されているが、ホルダ5の周縁部に形成されたストッパ6が水平免震装置3Aの上部フランジ4に係合することによって、それら上部フランジ4とホルダ5は上下方向の相対変位が許容されつつ水平方向の相対変位は拘束されるようになっており、これにより上下免震装置3Bは水平方向の剪断力を受けることなく鉛直力のみを支持し得るものとなっている。
The three-dimensional seismic isolation device 3 in this example is obtained by stacking a horizontal seismic isolation device 3A and a vertical
The lower horizontal seismic isolation device 3A is made of an ordinary laminated rubber, and increases (longens) the natural period in the horizontal direction of the base-isolated
On the other hand, the upper vertical
The vertical seismic isolation device 3 </ b> B is interposed between an
上記の3次元免震装置3は、特許文献1〜2に示される従来の3次元免震装置と同様に機能して水平方向と上下方向の双方に対して免震効果が得られるものであるが、特に上下免震装置3Bを積層ゴムと同様の形態のものとしたので、それを構成する鋼板とゴムとの積層枚数やそれらの厚みを調整することで上下方向の固有周期を自由にかつ幅広く調整することが可能なものである。
The three-dimensional seismic isolation device 3 functions in the same manner as the conventional three-dimensional seismic isolation devices disclosed in
したがって本実施形態の制振システムでは、地震時における免震建物1の水平方向と上下方向の応答加速度を上記の3次元免震装置3によって充分に低減可能であるが、本実施形態ではそれに加えて上下方向の応答加速度をさらに低減させるべく、3次元免震装置3と並列にTMD機構(チューンドマスダンパー機構)10を設置している。
Therefore, in the vibration damping system of the present embodiment, the horizontal and vertical response accelerations of the base-isolated
周知のように、TMD機構は錘の質量効果を利用して振動低減効果を得るものであって、その固有周期を振動低減対象物の固有周期に同調させることによって優れた振動低減効果が得られるものであるが、本実施形態では3次元免震装置3により免震支持した免震建物1が上下方向に振動した際にそれに追随してTMD機構10を作動させるとともに、その固有周期を免震建物1の上下方向の固有周期に同調させることによって、免震建物1の上下方向の応答加速度を大幅に低減させることが可能である。
特に本実施形態におけるTMD機構10は、両端部に錘11を有する揺動アーム12を揺動させるといういわば天秤式の形式の慣性質量ダンパーを用いたものとされており、それにより小質量の錘11であっても大きな慣性質量効果が得られて優れた振動低減効果が得られるものである。
As is well known, the TMD mechanism obtains a vibration reduction effect by utilizing the mass effect of the weight, and an excellent vibration reduction effect can be obtained by synchronizing its natural period with the natural period of the vibration reduction object. However, in this embodiment, when the
In particular, the
すなわち、図1に示すように本実施形態のTMD機構10は、両端部に錘11を装着した揺動アーム12による慣性質量ダンパーを主体とするものであり、その揺動アーム12の中心に支点13aを設定するとともに、そこから若干偏心する位置に支点13bを設定し、免震建物1の底面に固定した上部支持部材14の先端に一方の支点13aを軸支し、他方の支点13bには下部支持部材15の先端を連結してその下端を基礎2上面に設けた滑り面16上に水平方向に滑動自在に支持させている。また、揺動アーム12の両端部に装着した錘11にはそれぞれオイルダンパー等の減衰装置17の先端を連結し、それら減衰装置17の基端を免震建物1の底面に対して固定している。
That is, as shown in FIG. 1, the
上記構成のTMD機構10は、免震建物1が水平方向に振動した際(3次元免震装置3における水平免震装置3Aが作動した際)にはそのまま免震建物1とともに水平方向に振動し、その際には下部支持部材15の下端が滑り面16上を水平方向に滑動してTMD機構10全体の水平方向の変位が拘束されることはない。
また、免震建物1が上下方向に振動した際(3次元免震装置3における上下免震装置3Bが作動した際)には、上部支持部材14と下部支持部材15を介してそれぞれの支点13a、13bが上下方向に離接する方向に変位し、したがって揺動アーム12はその全体が鉛直面内において揺動して図示しているようにその両端部が上下方向に振動することになる。その際、免震建物1と基礎2との間の上下方向の相対変位が「てこの原理」により拡大されて錘11に伝達され、それら錘11により生じる慣性質量は錘11の実際の質量に比べて遙かに大きなものとなる。
具体的には、揺動アーム12の中心から錘11までの距離をLとし、支点13a、13b間の距離をeとすると、錘11の上下方向の振動加速度は免震建物1と基礎2との間の相対加速度に対してL/e倍に拡大される。したがって、錘11の実際の質量をWとすると、免震建物1には(L/e)2×Wの慣性質量に相対加速度を乗じた反力が伝達され、このような慣性質量をもつTMD機構10により免震建物1の上下方向の加速度を効果的に低減させることができる。
The
When the seismic isolation building 1 vibrates in the vertical direction (when the vertical
Specifically, if the distance from the center of the
そして、このような形式のTMD機構10では、錘11が生じる慣性質量を実際の質量Wの数百倍にも増大させることができ、したがって錘11が充分に小型軽量であっても大きな慣性質量効果を発揮させることができる。
しかも、このTMD機構10の固有周期は、慣性質量ダンパーとしての揺動アーム12による慣性質量と、上部支持部材14および下部支持部材15の鉛直剛性とにより定まるものであり、揺動アーム12による慣性質量は錘11の質量Wや、揺動アーム12に対する錘11の装着位置(中心からの距離L)、支点13a、13b間の距離eを調整することにより自由にかつ幅広く設定可能であるから、TMD機構10の固有周期を免震建物1の上下方向の固有周期に容易にかつ高精度で同調させることができる。
In the
Moreover, the natural period of the
さらに、錘11と免震建物1との間にオイルダンパー等の減衰装置17を設置して、それら減衰装置17により揺動アーム12の揺動に対して適切な減衰を与えることにより、上下方向の制振システムとしてより効果的なものとなる。
Further, by installing an
図2は具体的な一設計例の場合における振動低減効果の検討結果を示す。
検討対象の諸元は、公知のG4タイプの積層ゴムを3次元免震装置と見なし、長期荷重M=2000ton、鉛直剛性K=10000ton/cm、上下方向の固有振動数を11.1Hzと想定し、建物の上下振動での減衰定数h=0.01とした。
TMD機構10における錘11の実際の質量Wを1ton(片側)、L=150cm、e=15cmとすると、揺動による慣性質量m=0.1M=200ton、上部支持部材14および下部支持部材15の鉛直剛性k=550ton/cm、減衰c=2.8ton/kineとした。
FIG. 2 shows the examination result of the vibration reduction effect in the case of one specific design example.
The specifications to be studied are based on the assumption that the known G4 type laminated rubber is a three-dimensional seismic isolation device, long-term load M = 2000 tons, vertical stiffness K = 10000 tons / cm, and the natural frequency in the vertical direction is 11.1 Hz. The damping constant h = 0.01 in the vertical vibration of the building.
Assuming that the actual mass W of the
上記諸元の場合、3次元免震装置のみでTMD機構なしの場合には応答倍率が50倍程度であるのに対し、TMD機構を設置した場合には減衰装置がない場合であっても応答倍率を35〜40倍程度まで低減させることができ、さらに減衰装置を備えた場合には応答倍率を5倍程度にまで激減(TMD機構なしの場合に比べて最大応答値が88%低下)させることができる。 In the case of the above specifications, the response magnification is about 50 times in the case of only the three-dimensional seismic isolation device and no TMD mechanism, whereas the response even when there is no attenuation device when the TMD mechanism is installed. The magnification can be reduced to about 35 to 40 times, and when a damping device is provided, the response magnification is drastically reduced to about 5 times (the maximum response value is reduced by 88% compared to the case without the TMD mechanism). be able to.
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明の要旨は慣性質量ダンパーを用いたTMD機構を3次元免震装置と並列に設置して免震建物の上下振動を低減させることにあり、その限りにおいて具体的な構成については上記実施形態に限定されることなく、たとえば以下に列挙するような設計的変更や応用が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the gist of the present invention is to reduce the vertical vibration of the seismic isolation building by installing the TMD mechanism using the inertial mass damper in parallel with the three-dimensional seismic isolation device, To that extent, the specific configuration is not limited to the above-described embodiment, and for example, design changes and applications listed below can be made.
本発明におけるTMD機構としては、上記実施形態のような揺動アームによる天秤式の慣性質量ダンパーを用いるものが好適ではあるが、それに限るものでもなく、たとえばフライホイールを回転させることにより得られる回転慣性質量を利用する形式のもの等、他の形式の慣性質量ダンパーを採用することも考えられる。 As the TMD mechanism in the present invention, a balance type inertial mass damper using a swing arm as in the above-described embodiment is suitable, but is not limited to this. For example, rotation obtained by rotating a flywheel It is also conceivable to employ other types of inertial mass dampers, such as those utilizing inertial mass.
慣性質量ダンパーとして揺動アームによる天秤式のものを採用する場合においては、免震建物が基礎に対して相対的に上下振動を生じた際にそれに追随して揺動アームが上下方向に揺動し、かつ揺動アームやそれを支持する上下の支持部材に無用な水平力が作用しないように設置すれば良く、その限りにおいて揺動アームの形状や寸法、設置位置、揺動中心点となる支点の位置の設定、支持部材による支持の形態、その他の具体的な構成は適宜で良い。
たとえば上記実施形態では揺動アーム12を上部支持部材14を介して免震建物1に対して取り付け、下部支持部材15は基礎2に対して滑り面16により水平方向に変位可能としたが、全体の天地を逆にしてTMD機構を基礎2に対して取り付けて免震建物1に対しては水平方向に変位可能に構成しても同様に機能させることができる。
When using a balance type with a swing arm as the inertial mass damper, the swing arm swings up and down following the vertical motion of the base-isolated building relative to the foundation. In addition, the swing arm and the upper and lower support members that support it may be installed so that unnecessary horizontal force does not act on them. The setting of the position of the fulcrum, the form of support by the support member, and other specific configurations may be appropriate.
For example, in the above embodiment, the
TMD機構にはその作動を減衰させるための減衰装置を設置することが好ましく、上記実施形態の場合には慣性質量ダンパーとしての揺動アーム(すなわち錘)の揺動を減衰させるための減衰装置としてオイルダンパー等を付加することが好ましいが、それに限るものでもなく、慣性質量ダンパーの回転摩擦抵抗力のみで所望の減衰効果が得られる場合には減衰装置は省略可能である。
勿論、減衰装置を設置する場合にはオイルダンパーに限らず各種の減衰装置を採用可能であることはいうまでもないし、必ずしも揺動アームの両端部に設けることもない。
It is preferable to install a damping device for damping the operation of the TMD mechanism, and in the case of the above embodiment, as a damping device for damping the swing of the swing arm (ie, the weight) as the inertia mass damper. Although it is preferable to add an oil damper or the like, the present invention is not limited to this, and the damping device can be omitted when a desired damping effect can be obtained only by the rotational friction resistance force of the inertia mass damper.
Of course, when installing a damping device, it is needless to say that various damping devices can be employed in addition to the oil damper, and they are not necessarily provided at both ends of the swing arm.
本発明における3次元免震装置は、上記実施形態のように水平免震装置としての積層ゴムの上部に、同じく積層ゴムの形態の上下免震装置を一体に組み付けた構成のものが好適に採用可能であるが、水平振動と上下振動の双方に対する免震効果が得られる(双方に対して長周期化し得る)ものであれば良く、その限りにおいて水平免震装置と上下免震装置とを別体としても良いし、それぞれの構成も任意である。 The three-dimensional seismic isolation device according to the present invention preferably employs a configuration in which a vertical seismic isolation device in the form of a laminated rubber is integrally assembled on top of a laminated rubber as a horizontal seismic isolation device as in the above embodiment. It is possible to use a seismic isolation effect for both horizontal vibrations and vertical vibrations (which can increase the period for both). It is good also as a body, and each structure is also arbitrary.
1 免震建物
2 基礎
3 3次元免震装置
3A 水平免震装置
3B 上下免震装置
4 上部フランジ
5 ホルダ
6 ストッパ
10 TMD機構
11 錘
12 揺動アーム(慣性質量ダンパー)
13a,13b 支点
14 上部支持部材(支持部材)
15 下部支持部材(支持部材)
16 滑り面
17 減衰装置
DESCRIPTION OF
13a,
15 Lower support member (support member)
16 Sliding
Claims (3)
前記TMD機構は、前記免震建物が基礎に対して上下方向に相対振動を生じた際に作動する慣性質量ダンパーを支持部材により支持してなり、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と前記支持部材の剛性により定まる前記TMD機構の固有周期を免震建物の上下方向の固有周期に同調させてなることを特徴とする免震建物の上下制振システム。 A three-dimensional seismic isolation device is interposed between the base isolation building and its foundation to support the seismic isolation building in both the horizontal and vertical directions. A TMD mechanism was installed in parallel,
The TMD mechanism includes a support member that supports an inertial mass damper that operates when the base-isolated building generates a relative vibration in a vertical direction with respect to a foundation, and the inertial mass by the inertial mass damper and the support member A vertical vibration control system for a base-isolated building, wherein the natural period of the TMD mechanism determined by rigidity is synchronized with the natural period in the vertical direction of the base-isolated building.
前記慣性質量ダンパーは、両端部に錘を装着した揺動アームの中心部を前記支持部材により支持して該揺動アームを鉛直面内において揺動自在に略水平に配設してなり、該揺動アームが免震建物の上下方向の相対振動に追随して揺動することによって前記錘の上下方向振動による慣性質量効果を生じることを特徴とする免震建物の上下制振システム。 A vertical vibration control system for a base-isolated building according to claim 1,
The inertia mass damper is configured such that a center portion of a swing arm having weights attached to both ends thereof is supported by the support member, and the swing arm is swingably arranged in a vertical plane substantially horizontally. A vertical vibration control system for a base-isolated building, wherein an inertial mass effect is generated by the vertical vibration of the weight when the swing arm swings following the vertical relative vibration of the base-isolated building.
前記慣性質量ダンパーは、前記揺動アームに生じる揺動を減衰させる減衰装置を備えることを特徴とする免震建物の上下制振システム。 A vertical vibration control system for a base-isolated building according to claim 2,
The inertial mass damper includes a damping device for damping the swing generated in the swing arm.
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