JP2015081464A - 制振構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】制振装置の設置数を少なくし、制振装置で連結される一方の構造体と他方の構造体の地震時応答を効率的且つ効果的に低減することを可能にした制振構造物を提供する。
【解決手段】一方の構造体１と他方の構造体２とを複数の制振装置４で連結してなる制振構造物Ｂにおいて、少なくとも一部の制振装置４を、回転慣性質量効果で応答変位を低減させる回転慣性質量機構を備えるとともに、ばね部材の伸縮によって応答変位を低減させる付加ばね機構を回転慣性質量機構に直列に連結して構成する。また、一方の構造体１と他方の構造体２の床位置に制振装置４を配置して、一方の構造体１と他方の構造体２を連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、制振構造物に関する。

従来、例えば、複数の建物間や、内側構造と内側構造を囲繞するように設けられた外側構造の両構造間などを制振装置で連結して地震時の応答を低減させることが有効な手段として採用されている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図７に示すように高層マンションの住戸部等の外側構造（一方の構造体）１とタワーパーキング等の内側構造（他方の構造体）２をオイルダンパーなどの制振装置３で連結したり、図８に示すように事務所などの種々な用途の建物の高層部（他方の構造体）２と外周低層部（一方の構造体）１をオイルダンパーなどの制振装置３で連結して制振建物（制振構造物Ａ）とし、地震時の応答低減効果を得るようにしている。

また、特許文献２には、並立する２つの建物間に配置され、両建物間の相対変位量を出力側部材の回転量として取り出すボールネジ機構と、このボールネジ機構の出力側部材に一体化されて両建物間に配置されるとともに、バネ要素と並列配置された回転質量体とを備え、回転質量体の回転慣性力を反力にして減衰力を得るように構成した制振装置が開示されている。

特開２０１０−１１２０１３号公報 特開２００３−５６２０４号公報

しかしながら、オイルダンパーなどの従来の制振装置３を用いて内側構造２と外側構造１を連結する場合には、制振装置３の効果を十分に発揮させるため、図７や図８に示したように、高さ方向にある程度分散して制振装置３を設置することが必要になる。

このため、連結制振構造（制振構造物Ａ）としての応答低減効果を期待するには、内側構造２や外周低層部１の高さが小さい方の構造体に建築計画的な必要性に関わらず、ある程度の高さが必要になってしまう。例えば中央にタワーパーキングを内包した高層マンションであるとすると、本体建築計画的には内側のタワーパーキングの高さは外側の住戸部ほどは必要ない場合が多いが、連結制振構造を採用するためにタワーパーキングの高さを大きくとる必要が生じてしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、制振装置の設置数を少なくし、制振装置で連結される一方の構造体と他方の構造体の地震時応答を効率的且つ効果的に低減することを可能にした制振構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の制振構造物は、一方の構造体と他方の構造体とを複数の制振装置で連結してなる制振構造物において、少なくとも一部の前記制振装置が、慣性質量効果で応答変位を低減させる回転慣性質量機構を備えるとともに、ばね部材の伸縮によって応答変位を低減させる付加ばね機構を前記回転慣性質量機構に直列に連結して構成されていることを特徴とする。

また、本発明の制振構造物においては、前記一方の構造体と前記他方の構造体の床位置に前記制振装置を配置して、前記一方の構造体と前記他方の構造体が連結されていることが望ましい。

さらに、本発明の制振構造物において、前記一方の構造体と前記他方の構造体は、高さが大きい方の構造体に対して高さが小さい方の構造体の高さが前記高さが大きい方の構造体の高さの２割以下であることがより望ましい。

本発明の制振構造物においては、一方の構造体と他方の構造体を連結する制振装置が慣性質量機構を備えていることにより、連結部における制振装置の設置台数を少なくして優れた制振性能（応答低減効果）を得ることが可能になる。

また、一方の構造体と他方の構造体の床位置に制振装置を設置するようにしたことで、制振装置を設置するにあたり、層間に設ける壁や斜材のように平面計画に制約が生じることをなくすことができる。

さらに、高さが大きい方の構造体に対して小さい方の構造体が２割以下の高さであることにより、低層集中連結制振構造にすることができ、オイルダンパー等を用いた従来の制振構造物では実現できなかった大きな応答低減効果を得ることが可能になる。

また、減衰のみでは大きな減衰を付与すると高振動数域での加速度が増大してしまうが、慣性質量機構と付加ばね機構を直列配置した付加制振系を採用することで、小さな慣性質量でも同調型制振機構とすることができ、高振動数域での加速度応答を低減することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る制振構造物を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制振構造物を示す図である。 本発明の一実施形態に係る制振構造物に設けられる制振装置の一例を示す図である。 シミュレーションで用いた制振構造物を示す図である。 シミュレーションで用いた制振構造物の解析モデルを示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 従来の制振構造物を示す図である。 従来の制振構造物を示す図である。

以下、図１から図６を参照し、本発明の一実施形態に係る制振構造物について説明する。

本実施形態の制振構造物Ｂは、例えば、図１に示すように高層マンションの住戸部等の外側構造（一方の構造体）１とタワーパーキング等の内側構造（他方の構造体）２を制振装置４で連結したり、図２に示すように事務所などの種々な用途の建物の高層部（他方の構造体）２と外周低層部（一方の構造体）１を制振装置４で連結して、地震時の応答低減効果を得るように構成されている。

また、本実施形態の制振構造物Ｂにおいては、従来の粘性系・履歴系等のダンパーのみではなく、高層建物に配置する場合であっても下層に集中して配置すれば優れた制振効果を発揮する特徴を有する慣性質量ダンパー（慣性質量機構）を備えた制振装置４を採用して構成されている。

さらに、このような制振装置４を下部側（高さが大きい方の構造体の下部側）の同一高さ位置に、もしくは必要に応じて高さ方向に間隔をあけ、複数の高さ位置に設置する。これにより、内側構造２や外周低層部１（高さが小さい方の構造体）は、構造的な制約に左右されず、本来建築的に必要な高さのみを有し、合理的な設計・計画をもって構築される。

また、本実施形態では、複数の制振装置の少なくとも一部に、慣性質量機構と付加ばね機構を直列に配置して主系と付加振動系（連結部）から定まる固有の振動数に同調するように慣性質量と付加ばねの値を設定した制振装置４を用いる。

具体的に、本実施形態の少なくとも一部の制振装置４は、図３に示すように、回転慣性質量機構５と付加ばね機構６を備えるとともに、回転慣性質量機構５と付加ばね機構６を直列に連結配置して構成されている。また、直列に接続した回転慣性質量機構５と付加ばね機構６からなる制振装置４はその軸線Ｏ１方向を水平方向に配して設置される。

回転慣性質量機構５は、中心軸線Ｏ１を制振装置４の軸線Ｏ１と同軸上に配して設けられたボールねじ７と、ボールねじ７に螺着して配設されたボールナット８と、ボールナット８に取り付けられ、ボールナット８の回転に従動して回転する回転錘９とを備えて構成されている。

ボールねじ７は、その一端７ａに構造体１に接続するためのボールジョイントやクレビスなどの連結部材１０が取り付けられている。

また、ボールねじ７に螺着したボールナット８は、軸受け１１に支持されている。軸受け１１は、軸線Ｏ１周りに回転不能に且つ軸線Ｏ１方向に移動不能に固設される円環状の外輪１１ａと、外輪１１ａの内孔内に配されて軸線Ｏ１周りに回転可能に支持された円環状の内輪１１ｂとを備えて形成されている。そして、ボールねじ７が軸受け１１の内輪１１ｂの中心孔に挿通して配設されるとともに、ボールナット８が軸受け１１の内輪１１ｂに固設されている。これにより、ボールナット８は、軸線Ｏ１周りに回転可能に、且つ軸線Ｏ１方向に移動不能に配設されている。

さらに、ボールナット８に回転錘９が一体に固設されている。回転錘９は例えば略円筒状に形成され、ボールねじ７を内部に挿通し、ボールねじ７と互いの軸線Ｏ１を同軸上に配した状態でボールナット８に固着して配設されている。

次に、付加ばね機構６は、円筒状に形成された外筒１２と、外筒１２よりも外径が小の円筒状に形成され、外筒１２の内部に互いの軸線Ｏ１を同軸上に配して設けられた内筒１３と、外筒１２と内筒１３の間に配設された付加ばね（ばね部材）１４とを備えて構成されている。

外筒１２は、所定長さの高軸剛性かつ高曲げ剛性の中空円筒体であって、その他端１２ｂ（図中左側の端部）に内部を閉塞させるように円板状の接続板１５が固着され、この接続板１５に、制振装置４の他端を構造体２に接続するためのボールジョイントやクレビスなどの連結部材１６が取り付けられている。また、外筒１２の一端１２ａ側（図中右側の端部）には、内筒１３を挿通させる挿通孔を中心に貫通形成した円環状の支持板１７が内部を閉塞させるように固着されている。

また、外筒１２には、一端１２ａ側に、支持板１７に固着して設けられ、外筒１２を内筒１３に対して軸線Ｏ１方向に案内して相対的に進退させるためのリニアガイド１８が設けられている。さらに、外筒１２には、他端１２ｂ側に、内面から径方向内側に突出し、他端１２ｂから軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に向けて延びる凸部１９が設けられている。また、この凸部１９は、制振装置４のストローク量に応じた軸線Ｏ１方向の長さ寸法で形成されている。

内筒１３は、所定長さの高軸剛性かつ高曲げ剛性の中空円筒体であって、支持板１７の挿通孔に他端１３ｂ側から挿通して外筒１２内に配設され、一端１３ａ側を外筒１２から外側に配して設けられている。また、このとき、内筒１３は、その一端１３ａを、ボールねじ７を回転可能に軸支する軸受け１１の外輪１１ａに固着し、内輪１１ｂの内孔と互いの軸線Ｏ１が同軸上に配されるようにして設けられている。さらに、内筒１３は、他端１３ｂと外筒１２の他端１２ｂに固着された接続板１５との軸線Ｏ１方向の間に所定の間隔（制振装置４のストローク量を規定する間隔）を設けて外筒１２内に配設されている。

また、内筒１３には、外筒１２の支持板１７から外側に延設された一端１３ａに、径方向外側に突出し、軸線Ｏ１方向に延び、リニアガイド１８が係合して外筒１２を内筒１３に対して軸線Ｏ１方向に案内し相対回転せずに進退させるためのリニアガイドレール２０が設けられている。さらに、内筒１３には、その他端１３ｂに、内筒１３の外径よりも大きく、外筒１２の内径よりも小さい直径を有する円板状の係止板２１が固着されている。

また、内筒１３の他端１３ｂ側には、内筒１３の外径と略等しい内径を備え、外筒１２の内径よりも僅かに小さい外径を備えて略円環状に形成されたストローク規定板２２が、その中心孔に内筒１３の他端１３ｂ側を挿通して取り付けられている。このストローク規定板２２は、外筒１２の内面に当接する外周ローラー２２ａと、内筒１３の外面に当接する内周ローラー２２ｂを備えている。そして、ストローク規定板２２は、これらローラー２２ａ、２２ｂによって外筒１２と内筒１３のそれぞれに対し、相対的に軸線Ｏ１方向に進退自在に設けられている。また、このとき、ストローク規定板２２は、外筒１２の凸部１９の軸線Ｏ１方向一端に当接することで、外筒１２に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端１２ｂ側への移動が規制され、内筒１３の係止板２１に当接することで、内筒１３に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端１３ｂ側への相対移動が規制されている。

次に、付加ばね機構６のばね部材（付加ばね）１４は、内筒１３の外面と外筒１２の内面の間、且つストローク規定板２２と支持板１７の軸線Ｏ１方向の間に設けられている。本実施形態において、ばね部材１４は、複数枚の皿バネが直列に重ねられた１組の皿バネ群を複数組軸線Ｏ１方向に並設して構成されている。なお、図３では軸線Ｏ１方向中間部分のばね部材１４を省略して図示している。

これにより、ばね部材１４による付勢力でストローク規定板２２に軸線Ｏ１方向他端側に押圧する力が作用し、通常時には、この付勢力を受けたストローク規定板２２が凸部１９に当接してそれ以上軸線Ｏ１方向他端側に移動しないように設けられている。また、この状態で、ストローク規定板２２に内筒１３に設けられた係止板２１が当接される。

そして、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、すなわち、制振装置４に圧縮側の力が作用した際には、凸部１９にストローク規定板２２が押圧され、これとともに内筒１３に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１３ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。また、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、すなわち、制振装置４に引張側の力が作用した際には、係止板２１にストローク規定板２２が押圧され、これとともに外筒１２に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。
これにより、本実施形態の付加ばね機構６は、ばね部材１４が縮むことで外力を吸収するとともに圧縮力と引張力の双方の外力に対応できるように構成されている。

なお、ストローク規定板２２や支持板１７のばね部材１４と当接する面や、外筒１２の内面、内筒１３の外面に硬質ゴム等の緩衝材が取り付け、付加ばね機構６の作動時に騒音（機械音）が発生したり、摩耗が生じることを防止するように構成してもよい。

そして、地震が発生し、一方の構造体１と他方の構造体２に相対振動（相対変位）が発生した際には、これに応じて回転慣性質量機構５のボールねじ７が軸線Ｏ１方向に進退し、軸受け１１の内輪１１ｂに支持されたボールナット８が回転するとともに回転錘９が回転する。これにより、回転錘９の実際の質量の数千倍もの慣性質量効果が得られ、オイルダンパーなどの従来の制振装置３を設置した場合と比較し、応答変位が大幅に低減することになる。

また、一方の構造体１と他方の構造体２に相対振動が発生し、回転慣性質量機構５によって慣性質量効果が発揮されるとともに、付加ばね機構６にも相対振動が作用する。そして、制振装置４に圧縮側の力が作用し、付加ばね機構６の内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、凸部１９にストローク規定板２２が押圧され、これとともに内筒１３に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１３ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。また、制振装置４に引張側の力が作用し、内筒１３に対して外筒１２が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、係止板２１にストローク規定板２２が押圧され、これとともに外筒１２に対してストローク規定板２２が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材１４が縮む。

これにより、地震によって一方の構造体１と他方の構造体２に相対振動が発生した際に、付加ばね機構６のばね部材１４が縮むことで圧縮と引張の双方で変位の一部が吸収される。よって、付加ばね機構６による振動吸収効果によって、制振構造物Ｂの一方の構造体１と他方の構造体２に高振動数域で過大な力が作用することが防止され、制振構造物Ｂの応答加速度が増大することを確実に防止できる。

すなわち、本実施形態の制振構造物Ｂにおいては、上記のように回転慣性質量機構５による慣性質量効果で応答変位を効果的に低減しつつ、付加ばね機構６で高振動数成分を吸収させる振動吸収効果で応答加速度の増大を防止できる。

ここで、中央にＲＣコア部（他方の構造体２）、その外周に住戸部（一方の構造体１）を備えた建物（制振構造物）に対し、ＲＣコア部２と住戸部１を上記の回転慣性質量機構５と付加ばね機構６からなる制振装置４で連結した場合（本実施形態の制振構造物（制振建物）Ｂにした場合）の効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。

図４、図５に示すように、本シミュレーションでは、約５４ｍ×４２ｍの矩形平面を有するＲＣ造３１階建てのマンションを想定し、基準階の高さを３．２５ｍ、建物高さを約１００ｍとしている。また、平面中央部の下から５階分に、機械式駐車場等を想定してＲＣコア部２を設けている。

次に、外周住戸部１の解析モデルは、弾性曲げせん断直列多質点系モデルとし、外周部のみの１次固有周期を２．５秒、総重量を約５５０００ｔｏｎとしている。また、中央のコア部２の解析モデルは、５質点系弾性曲げせん断直列多質点系モデルとし、コア部２のみの１次固有周期を０．２秒としている。また、上記の住戸部１とコア部２は、コア部Ｒ階（下から５質点目）とその下の階（下から４質点目）に制振装置３、４を設けて連結するようにした。

次に、本シミュレーションでは、４つの検討ケースについてシミュレーションを行い、その結果を比較した。
ケース１は、住戸部１とコア部２を制振装置３、４で連結しない非連結ケースとした。
ケース２は、住戸部１とコア部２の下から５質点目のみを剛バネで連結し、住戸部１とコア部２を床位置で一体化（剛床）した。
ケース３は、住戸部１とコア部２の下から５質点目をオイルダンパー（従来の制振装置３）４台で連結し、さらに住戸部１とコア部２の下から４質点目をオイルダンパー（従来の制振装置３）４台で連結した。
ケース４は、住戸部１とコア部２の下から５質点目を慣性質量ダンパー（本実施形態の制振装置４）４台で連結し、さらに住戸部１とコア部２の下から４質点目をオイルダンパー（従来の制振装置３）４台で連結した。

ここで、オイルダンパーは、１台あたり、減衰係数Ｃ＝１７０ｋＮ・ｓ／ｃｍ（ダッシュポットでモデル化）とした。また、慣性質量ダンパーの１台あたりの諸元は、慣性質量ψ＝６０００ｔｏｎ、減衰係数Ｃψ＝１２ｋＮ・ｓ／ｃｍ、付加ばねＫ＝５９２ｋＮ／ｃｍとした。

なお、上記のいずれのダンパーも実製品をイメージしており、本来リリーフによる非線形性状を示すが、本シミュレーションでは初期特性による線形解析にて検討を行った。また、上記のオイルダンパー、慣性質量ダンパーは、いずれも実製品では概ねリリーフ荷重が１０００〜１５００ｋＮ程度である。さらに、建物の固有周期（２．５秒）にて定常正弦波振動をしている場合の抵抗力は、オイルダンパーがＦ＝４２７×Ｘ（Ｘはダンパーの変位）に対して慣性質量ダンパーがＦ＝３７９×Ｘであり、概ね同等の容量を有する。

次に、各ケースのシミュレーションの結果を図６に示す。図６は、外周の住戸部最上階における地動変位に対する基礎からの相対応答変位（図６（ａ））、及び地動加速度に対する絶対応答加速度（図６（ｂ））の周波数伝達関数を示している。なお、図６の横軸は振動数Ｈｚ、縦軸は応答倍率を示している。

この結果から、非連結のケース１に対して、剛性バネ連結のケース２は曲線のピークが若干高周波側に移動しているが、応答低減効果はほとんどないことが確認された。オイルダンパーを設置したケース３は曲線のピークが低減することが確認された。慣性質量ダンパーを設置したケース４は、曲線のピークが２山化してケース３よりもさらに低減し、最も応答低減効果が大きくなることが確認された。

したがって、本実施形態の制振構造物Ｂにおいては、一方の構造体１と他方の構造体２を連結する制振装置４が回転慣性質量機構５を備えていることにより、連結部における制振装置３、４の設置台数を少なくして優れた制振性能（応答低減効果）を得ることが可能になる。

また、一方の構造体１と他方の構造体２の床位置に制振装置４を設置するようにしたことで、制振装置３、４を設置するにあたり、層間に設ける壁や斜材のように平面計画に制約が生じることをなくすことができる。

さらに、このとき、高さが大きい方の構造体に対して小さい方の構造体が２割以下の高さであることにより、低層集中連結制振構造にすることができ、オイルダンパー等を用いた従来の制振構造物Ａでは実現できなかった大きな応答低減効果を得ることが可能になる。

また、減衰のみでは大きな減衰を付与すると高振動数域での加速度が増大してしまうが、回転慣性質量機構５と付加ばね機構６を直列配置した付加制振系を採用することで、小さな慣性質量でも同調型制振機構とすることができ、高振動数域での加速度応答を低減することが可能になる。

以上、本発明に係る制振構造物の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 一方の構造体
２ 他方の構造体
３ 従来の制振装置
４ 制振装置
５ 回転慣性質量機構
６ 付加ばね機構
７ ボールねじ
７ａ 一端
８ ボールナット
９ 回転錘
１０ 連結部材
１１ 軸受け
１１ａ 外輪
１１ｂ 内輪
１２ 外筒
１２ａ 一端
１２ｂ 他端
１３ 内筒
１３ａ 一端
１３ｂ 他端
１４ 付加ばね（ばね部材）
１５ 接続板
１６ 連結部材
１７ 支持板
１８ リニアガイド
１９ 凸部
２０ リニアガイドレール
２１ 係止板
２２ ストローク規定板
２２ａ 外周ローラー
２２ｂ 内周ローラー
Ａ 従来の制振構造物
Ｂ 制振構造物
Ｏ１ 制振装置の軸線

Claims (3)

1. 一方の構造体と他方の構造体とを複数の制振装置で連結してなる制振構造物において、
   少なくとも一部の前記制振装置が、慣性質量効果で応答変位を低減させる回転慣性質量機構を備えるとともに、ばね部材の伸縮によって応答変位を低減させる付加ばね機構を前記回転慣性質量機構に直列に連結して構成されていることを特徴とする制振構造物。
2. 請求項１記載の制振構造物において、
   前記一方の構造体と前記他方の構造体の床位置に前記制振装置を配置して、前記一方の構造体と前記他方の構造体が連結されていることを特徴とする制振構造物。
3. 請求項１または請求項２に記載の制振構造物において、
   前記一方の構造体と前記他方の構造体は、高さが大きい方の構造体に対して高さが小さい方の構造体の高さが前記高さが大きい方の構造体の高さの２割以下であることを特徴とする制振構造物。

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