JP2013177744A - 免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な設備によって、構造物の高次モードの振動に対する応答低減効果を得ることができるとともに、保守管理も容易な免震構造物を提供する。
【解決手段】上部構造１と下部構造３との間に免震層６が形成された免震構造物において、免震層６における上部構造１の下面に、当該上部構造１のｎ次モード（ｎは１以上の整数）の固有振動数に同調させた同調質量ダンパー７を設置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震構造物の高次モードの振動を選択的に低減することが可能な免震構造物に関するものである。

一般的に、基礎部分や中間階に免震層を形成した免震構造物においては、上記免震層に鋼材ダンパー、鉛ダンパー、粘弾性ダンパー、オイルダンパー等の減衰ダンパーを介装して、上部構造の振動を減衰させている。

ところで、上記減衰ダンパーの減衰力の設定においては、上記免震層における上下部構造間の相対変位と、上部構造への振動伝達率には、相反する関係がある。
すなわち、上記減衰力を低く設定すると、上部構造への振動伝達率を下げ、上部構造の加速度応答を低減させることはできるものの、反面上記免震層における相対変位が大きくなるため、上部構造と周囲の建物との間に大きなクリアランスを設定する必要が生じてしまう。

これに対して、上記減衰力を高く設定すると、免震層における相対変位を小さくすることができるが、上部構造への２次モード以上の高い振動数成分の伝達率が大きくなって加速度応答が増大する。

したがって、敷地が狭い等の理由から、充分な上記クリアランスを確保することが難しい場合には、上記減衰力を高く設定せざるを得ず、この結果上部構造に対する加速度低減効果が小さくなってしまうという問題点があった。
そこで、上記問題点を解決する手段として、上記免震構造物の免震装置に、減衰力を可変とした減衰装置を設置し、振動の大小によって上記減衰力を制御する各種のシステムや方法が提案されている。

例えば、下記特許文献１において、本出願人は、免震層に減衰力が可変な減衰装置を介装し、予め上下部構造間における基準振幅値を設定するとともに、センサ等によって上下部構造間の相対的な振幅値および速度を測定し、これら振幅値および速度から振動の一定時間後の予測振幅値を算出して、上記予測振幅値が上記基準振幅値よりも大きい場合に上記減衰力を増加させ、上記予測振幅値が上記基準振幅値よりも小さい場合に上記減衰力を減少させる免震制御方法を提案した。

しかしながら、上記免震制御方法にあっては、センサ等によって上下部構造間の相対的な振幅値および速度を時々刻々測定して、これらから上記振動の一定時間後の予測振幅値を常時算出しておく必要があるために、大地震時における制御の信頼性やコストの観点から問題があり、より一層簡易で、しかも保守・信頼性に優れたセミアクティブ免震システムに代わる免震システムの開発が望まれていた。

そこで、本出願人は、下記特許文献２において、上記免震層に減衰係数を２段階または３段階に切り換え可能な可変減衰ダンパーを設け、上部構造の応答検出手段からの検出信号に基づいて、地震発生時に上記可変減衰ダンパーの減衰係数を最小にし、設定値を超える上部構造の応答量を検出した際に、可変減衰ダンパーの減衰係数を上げて減衰力を増大させることにより、大地震時等に上下部構造間に過度の相対変位を生じることを防ぐようにした免震システムを提案した。

上記構成からなる免震システムによれば、演算装置や複雑な制御装置等を要することなく、簡易な設備によって地震時に高い振動絶縁効果を発揮させることができ、かつ大地震時等には上下部構造間に過度の相対変位を生じることを防ぐことができるという効果が得られる。

ところが、上記免震システムにおいては、可変減衰ダンパーの減衰係数が大きく切り替わった後は、復旧されるまで加速度の低減効果が小さいままの状態が続くことになる。このため、大地震後に、再度可変減衰ダンパーの減衰係数を最小値に設定する必要があるという欠点があった。また、大地震時における過度の相対変位を抑制することを優先するものであるために、中小地震時には上部構造の加速度応答を低減することができるものの、大地震時には当該加速度応答低減効果を十分に得ることができないという問題もあった。

他方、下記特許文献３においては、高次モードの振動を選択的に低減させる免震構造物として、免震層に、上部構造物の高次モードの振動に対して応答低減効果を発揮する回転慣性質量ダンパーを、免震装置と並列に設置したものが提案されている。

しかしながら、上記免震構造物においては、回転慣性質量ダンパーを免震装置と並列に設置して、上下部構造間に生じる相対変位により錘を回転させて応答低減効果を発揮させるものであるために、構造が複雑化するとともに、地震時に確実に錘の機械的な回転運動を生じるように、平常時においても回転慣性質量ダンパーのボールネジ部分等の保護やメンテナンスが必要になるという欠点があった。加えて、一般的に、回転慣性質量ダンパーは、高次モードの振動に対しては、地盤から入力された揺れを増幅させる傾向にあるため、逆に構造物の加速度応答を増幅させるおそれもある。

特許第４５５６３８４号公報 特開２００９−１９３８３号公報 特開２００９−２６３９２５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な設備によって、構造物の高次モードの振動に対する加速度応答の低減効果を得ることができるとともに、保守管理も容易な免震構造物を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、上部構造と下部構造との間に免震層が形成された免震構造物において、上記免震層における上記上部構造の下面に、当該上部構造のｎ次モード（ｎは１以上の整数）の固有振動数に同調させた同調質量ダンパーを設置したことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記ｎが２以上の整数であることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記下部構造が地盤上に構築された基礎であるとともに、上記上部構造の下面に設置した上記同調質量ダンパーの錘を、上記基礎上において水平方向に移動自在に支持したことを特徴とするものである。

これに対して、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記免震層が、中間階に設けられるとともに、上記上部構造の下面に設置した上記同調質量ダンパーの錘を、上記下部構造となる下階の壁の上面において水平方向に移動自在に支持したことを特徴とするものである。

図９に示すように、構造物が地震や強風等の外乱を受けて揺れを生じる場合には、各モードが合成された振動となる。この際に、１次モード、２次モード、３次モードは、各々１次固有振動数、２次固有振動数、３次固有振動数で振動する。そして、同図に示す免震構造物においては、一般的に、免震層が大きく変形する１次モードによる振動の占める割合が大きいものの、免震構造物自体の固有振動数や、地震動等の条件によっては、２次モード以上の高次モードによる振動が無視できない場合もある。

そして、請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、免震構造物の上部構造の下面に、当該上部構造の１次以上のモードの固有振動数に同調させた同調質量ダンパーを設置しているために、大地震時のみならず中小地震や強風時においても、演算装置や複雑な制御装置等を要することなく、簡易な設備によって地震時に高い振動絶縁効果を発揮させることができるとともに、大地震時等には上下部構造間に過度の相対変位を生じることを防ぐことができる。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、２次モード以上の固有振動数に同調させた同調質量ダンパーを設置しているために、上部構造への伝達率が大きい２次モード以上の高い振動数成分を吸収して、上部構造物の加速度応答を確実に低減させることができる。

加えて、減衰係数を切り替える可変減衰ダンパーとは異なり、切替操作を必要としないうえに、さらに回転慣性質量ダンパーのような錘の機械的な回転運動を要しないために、構造が簡易であるとともに、作動の確実性や保守の容易性に優れる。

また、上部構造の下面に設置されている同調質量ダンパーは、水平方向において下部構造と力学的に縁が切れているために、可変減衰ダンパーや回転慣性質量ダンパーのように地盤（下部構造）の揺れを上部構造に伝えることが無く、確実に上部構造における加速度応答を低減させることができる。
しかも、上記同調質量ダンパーを、本来デッドスペースとなる免震層に配置しているために、構造物全体としてのスペースの有効利用にも資する。

また、請求項３または請求項４に記載の発明によれば、同調質量ダンパーの錘の鉛直荷重を、下部構造となる基礎あるいは下階の壁において支持しているために、当該錘を揚重する必要が無く、施工性にも優れる。

なお、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、上記同調質量ダンパーを、揺れが大きくなり易い構造物の短辺方向に作動するように設置すれば、より一層効果的に上部構造の加速度応答を低減することができるために好適である。

本発明に係る免震構造物の第１の実施形態を示す概略構成図である。 図１のＡ部を拡大して示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。 上記第１の実施形態の第１変形例を示す平面図である。 同、第２変形例を示す平面図である。 同、第３変形例を示す平面図である。 同、第３変形例の配置例を示す平面図である。 本発明の他の実施形態を示す要部の縦断面図である。 本発明の効果を検証するために行った解析結果を示す加速度応答関数のグラフである。 構造物に外乱が作用した際の各モードにおける振動の形態を示す概略図である。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明に係る免震構造物の一実施形態を示すものであり、図３〜図６は、その変形例を示すものである。
図１および図２において、この免震構造物は、構造物（上部構造）１の柱２ａが積層ゴムによる免震装置４および減衰ダンパー５を介して地盤上に構築された基礎（下部構造）３上に支持されることにより、構造物１と基礎３との間に免震層６が形成されたものである。

そして、免震層６における床梁２ｂの下面に、同調質量ダンパー７が設置されている。この同調質量ダンパー７は、錘８と、当該錘８と柱２ａとの間に介装されたスプリング９およびオイルダンパー１０とによって概略構成されたものである。ここで、錘８は、ローラやガイドレール等の滑動手段１１を介して、基礎３と床梁２ｂとの間に力を伝達することなく、当該基礎３上を水平２方向に移動自在に設けられている。

また、この錘８には、各々四方に位置する柱２ａ間に向けて直交４方向に延出する支持部材８ａが一体化されており、各支持部材８ａの先端部と、当該先端部を間に挟む一方の柱２ａとの間にスプリング９が介装され、他方の柱２ａとの間にオイルダンパー１０が介装されている。ちなみに、これらスプリング９およびオイルダンパー１０は、図２（ｂ）に示す平面視において、それぞれ錘８の中心に対して点対称となる位置に配置されている。

そして、上記同調質量ダンパー７は、錘８、スプリング９およびオイルダンパー１０の諸元が、構造物１の２次モードの固有振動数に同調するように設定されている。この際に、一般的には、構造物１におけるＸ方向とＹ方向との振動特性が異なるために、Ｘ方向に作用するスプリング９およびオイルダンパー１０並びにＹ方向に作用するスプリング９およびオイルダンパー１０は、各々当該Ｘ方向およびＹ方向の振動特性に応じて設定されている。

以上の構成からなる免震構造物にあっては、構造物１の床梁２ｂの下面に、この構造物１の２次モードの固有振動数に同調させた同調質量ダンパー７を設置しているために、大地震時のみならず中小地震や強風時においても、図８の解析結果に示すように、構造物１への伝達率が大きい２次モードの振動数成分を吸収して、構造物１の加速度応答を確実に低減させることができる。

しかも、同調質量ダンパー７は、従来の減衰係数を切り替える可変減衰ダンパーとは異なり、切替操作を必要としないうえに、さらに回転慣性質量ダンパーのような錘の機械的な回転運動を要しないために、構造が簡易であるとともに、作動の確実性や保守の容易性に優れる。

また、構造物１の床梁２ｂの下面に設置されている同調質量ダンパー７は、水平方向において基礎３と力学的に縁が切れているために、回転慣性質量ダンパーのように基礎３の揺れを構造物１に伝えることが無く、確実に構造物１における加速度応答を低減させることができる。加えて、同調質量ダンパー７を、本来デッドスペースとなる免震層６に配置しているために、構造物全体としてのスペースの有効利用にも資する。

さらに、同調質量ダンパー７の錘８の鉛直荷重を、基礎３において支持しているために、錘８を構造物１側に揚重する必要が無く、施工性にも優れる。
さらに、本発明に係る免震構造は、免震層６に同調質量ダンパー７を設置しているために、様々な形態を採ることが可能である。

例えば、図３は、上記第１の実施形態の第１変形例を示すもので、この免震構造は、第１の実施形態と同様に、四方の柱２ａ間に錘８を水平２方向に移動自在に設けるとともに、この錘８と、当該錘８を間に挟む対角方向の柱２ａとの間に、それぞれスプリング９およびオイルダンパー１０を介装することにより、錘８の慣性力をＸ方向およびＹ方向の両方向に作用させるものである。

また、図４に示す第２変形例においては、同調質量ダンパー７の錘８をＸ方向（図中左右方向）に敷設されたレール（図示を略す。）上を当該Ｘ方向にのみ移動自在に設け、両端部と上記移動方向に対向する柱２ａとの間に、スプリング９とオイルダンパー１０を介装したものである。

ちなみに、この変形例においては、上記同調質量ダンパー７の錘８を、揺れが大きくなり易い構造物１の短辺方向に移動自在に設置して、当該錘８、スプリング９およびオイルダンパー１０の諸元を、構造物１の短辺方向における２次モードの固有振動数に同調するように設定することが好ましい。

さらに、図５および図６は、第３の変形例およびその配置例を示すものである。
この免震構造においては、複数の錘８が、各々柱２ａ間においてＸ方向またはＹ方向の一方向に移動自在に設置されるとともに、当該錘８と移動方向に対向する一方の柱２ａとの間にスプリング９が介装され、他方の柱２ａとの間にオイルダンパー１０が介装されている。

この際に、免震層６において、錘８を大梁に沿って移動自在に設置すれば、大掛かりな補強を要することなく、簡易に設置することができて好適である。また、図６に示すような配置をすることにより、Ｘ方向とＹ方向とにおいて振動特性が異なる場合にも、容易に対応することが可能になる。

（第２の実施形態）
なお、上記第１の実施形態においては、本発明を、免震層６を構造物１と地盤上に構築された基礎３との間に形成した基礎免震の免震構造物に適用した場合について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図７に示す第２の実施形態のように、構造物の中間階に免震層を形成した場合にも同様に適用することができる。

すなわち、この免震構造物においては、構造物２０の中間階において、その下部構造２１の柱２１ａと、その上階（上部構造）の梁２２との間に免震装置４が介装されることにより、柱２１ａ間に構築された壁２３と、上記梁２２との間に免震層２４が形成されている。

そして、上階の梁２２の下面に、同調質量ダンパー２５が設置されている。
図中符号２６は、この同調質量ダンパー２５の錘を示すもので、この錘２６は、壁２３の上面に敷設されたレール２７上を図中左右方向に走向自在に設けられている。また、この錘２６の上面には、間隔をおいて取付板２８ａ、２８ｂが立設されるとともに、梁２２の下面には、各々の取付板２８ａ、２８ｂと間隔をおいて対向するように、支持板２９ａ、２９ｂが垂設されている。そして、取付板２８ａと支持板２９ａとの間に、スプリング３０が介装されるとともに、取付板２８ｂと支持板２９ｂとの間にオイルダンパー３１が介装されることにより、上記同調質量ダンパー２５が構成されている。

そして、上記同調質量ダンパー２５においても、錘２６、スプリング３０およびオイルダンパー３１等の諸元が、免震層２４の上部構造の２次モードの固有振動数に同調するように設定されている。
したがって、上記構成からなる免震構造物によっても、免震層２４の上部構造に対して図１および図２に示したものと同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記第１および第２の実施形態においては、いずれも同調質量ダンパー７、２５を、構造物（上部構造）１の２次モードの固有振動数に同調するように設定した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、構造物の構造等の特性によって、１次モードによる振動の占める割合が大きい場合には、上記同調質量ダンパーを１次モードの固有振動するに同調するように設定してもよい。

１ 構造物（上部構造）
３ 基礎（下部構造）
６、２４ 免震層
７、２５ 同調質量ダンパー
８、２６ 錘
９、３０ スプリング
１０、３１ オイルダンパー

Claims (4)

1. 上部構造と下部構造との間に免震層が形成された免震構造物において、
   上記免震層における上記上部構造の下面に、当該上部構造のｎ次モード（ｎは１以上の整数）の固有振動数に同調させた同調質量ダンパーを設置したことを特徴とする免震構造物。
2. 上記ｎは、２以上の整数であることを特徴とする請求項１に記載の免震構造物。
3. 上記下部構造は地盤上に構築された基礎であるとともに、上記上部構造の下面に設置した上記同調質量ダンパーの錘を、上記基礎上において水平方向に移動自在に支持したことを特徴とする請求項１または２に記載の免震構造物。
4. 上記免震層は、中間階に設けられるとともに、上記上部構造の下面に設置した上記同調質量ダンパーの錘を、上記下部構造となる下階の壁の上面において水平方向に移動自在に支持したことを特徴とする請求項１または２に記載の免震構造物。

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