JP2015232212A - 建物の制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】建物変位に係るコストや工期の増加、建築計画の制約を抑え、経済的且つ合理的に変位を抑制して優れた振動低減性能を発揮する建物の制振構造を提供する。
【解決手段】地盤を掘削し、掘削面に沿って構築された擁壁４で囲繞されるように配設される建物Ｔの地下部３を、この地下部３の上方の建物Ｔの地上部２よりも剛性を小にして柔層構造で構築する。また、建物Ｔと擁壁４を接続するように慣性質量機構及び／又は減衰機構を有する制振機構５を配設して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の地震時応答を低減させる制振構造に関する。

例えば中高層建物が特大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。

これに対し、従来から、例えばオフィスビルなどの中・高層建物は、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設し、地震時に、上部構造体の固有周期を例えば地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるように構築されている（例えば、特許文献１参照）。

また、建物の柱と梁で囲まれた架構面内などに種々の制振装置（制振ダンパー、エネルギー吸収機構）を設置することにより地震時や強風時の建物の応答を低減させる対策が多用されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−９７２４３号公報 特開２０１２−１２２２２８号公報

ここで、従来の免震建物では、建物の自重を支持しつつ大きな水平変位に対応できる免震装置が用いられており、設計上で想定した以上の地震動が入力されると免震層に過大な水平変位が生じ、免震装置が損傷したり、上部構造体と下部構造体同士が衝突したりするおそれがある。特に、２０００年の建築基準法改正前に建設された免震建物においては、長周期地震動の影響が考慮されていないため、設計時に想定した免震層変位が小さく、免震クリアランス（免震層の上下に位置する構造体同士の隙間）が不足するおそれがある。

また、免震層の変形が例えば６０ｃｍ程度と大きく、これに対応するために免震ピットに大きなクリアランスを設けたり、配管に変形対応のジョイントを設ける必要が生じる。さらに、地面や隣接建物と接続するための渡り廊下やエキスパンションジョイント等においても免震層の変形に対応したディテールが求められる。このため、想定される変形量が大きいほどに免震建物がコスト高になってしまう。

また、一般的な基礎免震構造においては、上部構造体の建物基礎と下部構造体の免震基礎の間に免震装置を介装して免震層を構築・形成するようにしており、免震層と基礎を合わせた厚さ分、掘削深さが大きくなり、施工コスト、工期の増大の一要因となっていた。

一方、建物の制振性能を向上させる制振技術においても、オイルダンパー等の制振装置を建物内に設置する必要があり、この制振装置がその配置によって平面計画上での阻害要因となるケースがある。また、制振装置として回転慣性質量ダンパーを用いた同調型制振機構を採用すると、共振域での振動特性が大幅に改善され、制振装置を設置する層数が少なくても大きな応答低減効果が得られるが、この場合においても、やはり制振装置を設置する階層で建築計画に制約が生じるケースがある。

上記事情に鑑み、本発明は、建物変位に係るコストや工期の増加、建築計画の制約を抑え、経済的且つ合理的に変位を抑制して優れた振動低減性能を発揮する建物の制振構造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。

本発明の建物の制振構造は、地盤を掘削し、掘削面に沿って構築された擁壁で囲繞されるように配設される建物の地下部を、該地下部の上方の建物の地上部よりも剛性を小にして柔層構造で構築するとともに、前記建物と前記擁壁に接続するように慣性質量機構及び／又は減衰機構を有する制振機構を配設して構成されていることを特徴とする。

また、本発明の建物の制振構造においては、前記制振機構が前記擁壁の壁長方向に軸方向を向けて設置されていることが望ましい。

さらに、本発明の建物の制振構造においては、前記制振機構が、前記慣性質量機構の回転慣性質量ダンパーと前記減衰機構の粘性ダンパー又は粘弾性ダンパーとを並列配置して構成されていることがより望ましい。

また、本発明の建物の制振構造においては、前記建物の地下部がその壁構造を乾式壁構造として構築されていることがさらに望ましい。

本発明の建物の制振構造においては、例えば、従来の免震構造の場合に免震ピットなどの擁壁と建物の地下部との隙間（クリアランス）が６０ｃｍ程度必要になるのに対し、地下部を柔層化することで１０〜２０ｃｍ程度（あるいはそれ以下）に大幅に隙間を小さくすることが可能になる。
これにより、出入り口など、建物外部との接続部におけるエキスパンションジョイントの可動変位なども小さく設定することができ、低コスト化を図ることが可能になる。

また、一般的な鉄骨造の建物は、地下外壁などのＲＣ壁を有するため、地下階の層剛性が１階の１０倍以上になるが、本発明の制振構造においては、擁壁基礎より上にある地下階の層剛性を１階の０．５倍以上２倍以下にすることができる（柔層にする）。

また、擁壁基礎より上に位置する地下階が２層以上ある場合、建物１階と擁壁頂部との間に制振機構を設置することで層間設置するよりも相対変位が大きくなり、制振機構の変位（制振ダンパーの変位）も大きくすることができる。これにより、同じダンパー諸元でも応答低減効果を増大することができ、その結果として少ないダンパー設置台数で優れた制振性能を発揮させることが可能になる。

さらに、例えば地下階の層剛性は１階層剛性の０．５〜２倍として柔層化すれば、免震層のように極端に剛性を小さくしているわけではない。このため、地下階の層間変位や層間変形角も過大にならず、階段室やエレベータシャフトなどがある場合にはそれを特別な使用にする必要がなく、従来の一般的な仕様を適用することができる。このため、通常の構成を踏襲することができ、コストアップを招くことがない。

また、免震層が不要になる。これにより、免震層やその下部に設ける基礎のために掘削深さを増す必要がなく、従来の耐震構造の建物と同じ掘削深さで建物を構築することができる。

本発明の一実施形態に係る建物及び建物の制振構造を示す図である。 図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る建物及び建物の制振構造をモデル化した図である。 本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の慣性質量機構を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の設置状態を示す図である。 図５のＸ１−Ｘ１線矢視図である。 図５のＸ２−Ｘ２線矢視図である。 本発明の一実施形態に係る建物及び建物の制振構造をモデル化した図である。 シミュレーションで用いたＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の建物及び建物の制振構造をモデル化した図である。 シミュレーション結果であり、建物頂部と１０階と１階におけるＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の変位を比較した図である。 シミュレーション結果であり、建物頂部と１０階と１階におけるＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の加速度を比較した図である。 シミュレーションで入力した地震動の加速度波形を示す図である。 図１２の地震動を入力したときのシミュレーション結果であり、建物頂部と１０階と１階におけるＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の応答変位の経時変化を示す図である。 図１２の地震動を入力したときのシミュレーション結果であり、建物頂部と１０階と１階におけるＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の応答加速度の経時変化を示す図である。

以下、図１から図１４を参照し、本発明の一実施形態に係る建物の制振構造について説明する。

はじめに、本実施形態は、図１から図３に示すように、例えば地中に構築される免震ピット１を備え、地上部２と地下部３で構成されてその地下部３を免震ピット１内に配設して構築される建物の制振構造Ａに関するものである。

そして、本実施形態の建物の制振構造Ａは、地下部３をそれより上方の地上部２よりも剛性が小さい柔層とし、地下部３を囲繞するように配設された擁壁４の頂部と建物Ｔの１階との間に制振機構５を設置して構成されている。

具体的に、本実施形態の建物の制振構造Ａは、建物地下部３の外周部に土水圧に抵抗する擁壁４を設け、地下部３との間を空隙（ドライエリア、隙間）とする。
なお、本実施形態では、擁壁４の下端の基礎６を地下部３と一体化するが、必ずしもこの基礎６まで擁壁４を延長する必要はない。すなわち、例えば、建物Ｔが地下４階のとき、擁壁基礎６を地下２階床位置で一体化してもよい。

また、建物地下部３を鉄骨構造として柔層化し、外壁も含めて乾式壁とする。
ここで、柱をＣＦＴ（コンクリート充填鋼管構造）やＳＲＣ（鉄骨鉄筋コンクリート構造）、ＲＣ（鉄筋コンクリート構造）とし、梁を鉄骨造としても、乾式壁とすることで従来のＲＣ造より柔層化できる。

すなわち、従来、地下階にＲＣ地下外壁や耐震壁などを設けることで、地下部は地上階よりも大幅に層剛性が高くなっている。
これに対し、本実施形態の制振構造Ａでは、地下部３にＡＬＣやＰＣａ壁（プレキャストコンクリート壁）等の乾式壁を採用し、この乾式壁と構造躯体をファスナーを介して接続することにより、地上階と同等の層剛性となり、従来の地下階と比べて大幅に柔層化される。

さらに、本実施形態の建物の制振構造Ａにおいては、擁壁４の頂部と建物１階との間に配設される制振機構５が、回転慣性質量ダンパー等の慣性質量機構７とオイルダンパー（粘性ダンパー（粘弾性ダンパー）等の減衰機構８を並列配置して構成されている。また、本実施形態では、構造減衰は小さいのでこれを無視すると、この制振機構５に付与する諸元が次のように設定されている。

図３に示すように、建物Ｔを地下部３と地上部２の２質点系にモデル化し、地下部３の質点を１階床位置に、地上部２の質点を代表高さ（限界耐力計算法）に設定する。地下部３の質量と剛性をそれぞれ、ｍ_１、ｋ_１、地上部２の質量と剛性をそれぞれ、ｍ_２、ｋ_２とすると、制振機構５の最適諸元（慣性質量ψ、減衰係数Ｃ）が次の式（１）と式（２）のようになる。なお、この最適諸元は、方向毎に設置される制振機構５の合計値を示す。
また、このときの変位応答倍率の最大値（最大変位応答倍率Ｐ）は次の式（３）となる。

なお、建物の制振構造Ａは、擁壁４の頂部と建物１階との間に、オイルダンパー等の減衰機構８のみの制振機構５を設置して構成してもよいが、この場合には、慣性質量機構７を用いないことで応答低減効果はやや劣る。しかし、上記の制振機構５よりも簡易な構成となる。

ついで、本実施形態の制振機構５に付与する最適減衰（Ｃ’）は、ｍ_１の影響が小さいことから、次の式（４）のように設定される。また、この時の変位応答倍率の最大値（最大変位応答倍率Ｐ’）は式（５）となる。

ここで、本実施形態の制振機構５の慣性質量機構７について、より具体的な構成例を挙げて説明する。本実施形態の慣性質量機構７は、例えば、図４に示すように、回転慣性質量機構１０と付加ばね機構１１を備えるとともに、回転慣性質量機構１０と付加ばね機構１１を直列に連結配置して構成されている。
なお、慣性質量機構７は回転慣性質量機構（回転慣性質量ダンパー）１０のみで構成してもよい。

本実施形態の回転慣性質量機構１０は、ボールねじ１２と、ボールねじ１２に螺着して配設されたボールナット１３と、ボールナット１３に取り付けられ、ボールナット１３の回転に従動して回転する回転錘１４とを備えて構成されている。

ボールねじ１２は、その一端１２ａにボールジョイントやクレビスなどの連結部材１５が取り付けられている。

また、ボールねじ１２に螺着したボールナット１３は、軸受け１６に支持されている。軸受け１６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１６ａと、外輪１６ａ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１６ｂとを備えて形成されている。そして、ボールねじ１２が軸受け１６の内輪１６ｂの中心孔に挿通して配設されるとともに、ボールナット１３が軸受け１６の内輪１６ｂに固設されている。これにより、ボールナット１３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１３に回転錘１４が一体に固設されている。回転錘１４は例えば略円筒状に形成され、ボールねじ１２を内部に挿通し、ボールねじ１２と互いの軸線Ｏ１を同軸上に配した状態でボールナット１３に固着して配設されている。

付加ばね機構１１は、円筒状に形成された外筒１７と、外筒１７よりも外径が小の円筒状に形成され、外筒１７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２０と、外筒１７と内筒２０の間に配設された付加ばね（ばね部材）２８とを備えて構成されている。

外筒１７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１７ｂ（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１８が固着され、この接続板１８にボールジョイントやクレビスなどの連結部材１９が取り付けられている。また、外筒１７の一端１７ａ側（図中右側の端部）には、内筒２０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２１が内部を閉塞させるように固着されている。

また、外筒１７には、一端１７ａ側に、支持板２１に固着して設けられ、外筒１７を内筒２０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２２が設けられている。さらに、外筒１７には、他端１７ｂ側に、内面から径方向内側に突出し、他端１７ｂから軸線Ｏ１方向一端１７ａ側に向けて延びる凸部２３が設けられている。また、この凸部２３は、慣性質量機構７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２０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２１の挿通孔に他端２０ｂ側から挿通して外筒１７内に配設され、一端２０ａ側を外筒１７から外側に配して設けられている。また、このとき、内筒２０は、その一端２０ａを、ボールねじ１２を回転可能に軸支する軸受け１６の外輪１６ａに固着し、内輪１６ｂ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２０は、他端２０ｂと外筒１７の他端１７ｂに固着された接続板１８との軸線Ｏ１方向の間に所定の間隔（ストローク量を規定する間隔）を設けて外筒１７内に配設されている。

また、内筒２０には、外筒１７の支持板２１から外側に延設された一端２０ａに、径方向外側に突出し、軸線Ｏ１方向に延び、リニアガイド２２が係合して外筒１７を内筒２０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２５が設けられている。さらに、内筒２０には、その他端２０ｂに、内筒２０の外径よりも大きく、外筒１７の内径よりも小さい直径を有する円板状の係止板２６が固着されている。

また、内筒２０の他端２０ｂ側には、内筒２０の外径と略等しい内径を備え、外筒１７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２７が、その中心孔に内筒２０の他端２０ｂ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２７は、外筒１７の内面に当接する外周ローラー２７ａと、内筒２０の外面に当接する内周ローラー２７ｂを備えている。そして、ストローク規定板２７は、これらローラー２７ａ、２７ｂによって外筒１７と内筒２０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２７は、外筒１７の凸部２３の軸線Ｏ１方向一端に当接することで、外筒１７に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端１７ｂ側への移動が規制され、内筒２０の係止板２６に当接することで、内筒２０に対し、さらなる軸線Ｏ１方向他端２０ｂ側への相対移動が規制されている。

次に、付加ばね機構１１のばね部材（付加ばね）２８は、内筒２０の外面と外筒１７の内面の間、且つストローク規定板２７と支持板２１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２８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４では軸線Ｏ１方向中間部分のばね部材２８を省略して図示している。

これにより、ばね部材２８による付勢力でストローク規定板２７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２７が凸部２３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２７に内筒２０に設けられた係止板２６が当接される。

そして、内筒２０に対して外筒１７が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、すなわち、慣性質量機構７に圧縮側の力が作用した際には、凸部２３にストローク規定板２７が押圧され、これとともに内筒２０に対してストローク規定板２７が軸線Ｏ１方向一端２０ａ側に相対変位し、ばね部材２８が縮む。また、内筒２０に対して外筒１７が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、すなわち、慣性質量機構７に引張側の力が作用した際には、係止板２６にストローク規定板２７が押圧され、これとともに外筒１７に対してストローク規定板２７が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材２８が縮む。
これにより、本実施形態の付加ばね機構１１は、ばね部材２８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２７や支持板２１のばね部材２８と当接する面や、外筒１７の内面、内筒２０の外面に硬質ゴム等の緩衝材が取り付け、付加ばね機構１１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、地震が発生した際には、これに応じて回転慣性質量機構１０のボールねじ１２が軸線Ｏ１方向に進退し、軸受け１６の内輪１６ｂに支持されたボールナット１３が回転するとともに回転錘１４が回転する。これにより、回転錘１４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、回転慣性質量機構１０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１１にも相対振動が作用する。そして、制振機構に圧縮側の力が作用し、付加ばね機構１１の内筒２０に対して外筒１７が軸線Ｏ１方向一端側に相対変位する際には、凸部２３にストローク規定板２７が押圧され、これとともに内筒２０に対してストローク規定板２７が軸線Ｏ１方向一端２０ａ側に相対変位し、ばね部材２８が縮む。また、慣性質量機構７に引張側の力が作用し、内筒２０に対して外筒１７が軸線Ｏ１方向他端側に相対変位する際には、係止板２６にストローク規定板２７が押圧され、これとともに外筒１７に対してストローク規定板２７が軸線Ｏ１方向一端１２ａ側に相対変位し、ばね部材２８が縮む。

これにより、地震が発生した際に、付加ばね機構１１のばね部材２８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１１による振動吸収効果によって、建物に過大な力が作用することが防止され、応答加速度が増大することが確実に防止される。

次に、慣性質量機構７と減衰機構８を備えた（慣性質量と減衰を持つ）本実施形態の制振機構（ダンパー）５を設置する手法について、具体的に一例を挙げて説明する。

この具体例では、図５、図６、図７に示すように、建物Ｔの鉄骨柱３０に一端を接続し、ウェブ面を水平にしてＨ型断面のブラケット３１を擁壁（ＲＣ擁壁）４の頂部側に延出させて設置する。また、擁壁４の頂部に、上方に突出する立ち上がり部３２を設ける。

そして、両端をそれぞれ、クレビスなどの連結部材を介して鉄骨ブラケット３１と擁壁４の立ち上がり部３２に回転自在に接続し、制振機構５を設置する。また、このとき、制振機構５のダンパー軸が擁壁４の壁長方向Ｓ１に沿うように制振機構５を設置することが好ましい。
すなわち、従来のように壁厚方向Ｓ２にダンパー軸方向を向けて制振機構５を設置すると、地震時に制振機構５から作用する力（ダンパー軸力）に擁壁４の面外曲げで抵抗する必要が生じるが、壁長方向Ｓ１に沿わせて制振機構５を設置すると、擁壁４の面内せん断力で抵抗することができる。これにより、大きなダンパー軸力でも小さな壁厚で無理なく合理的に処理することが可能になる。

〔実施例〕
次に、上記構成からなる本実施形態の建物の制振構造Ａの優位性を確認するために行なった地震応答解析について説明する。
ここでは、図８（ａ）に示すように、地上１３階、地下２階の１５層モデルの建物Ｔについて検討を行った。

はじめに、表１に、本実施例の建物Ｔの各階の質量と層剛性を示す。なお、表１において、Ｂ１、Ｂ２階は地下階を示す。また、１３階の質量には屋上設備と塔屋が含まれている。さらにＢ１階の層剛性は１階の０．５〜２倍の範囲にある。

そして、この１５層モデルの建物Ｔの固有値解析結果は、１次固有振動数が０．５８Ｈｚ（１次固有周期Ｔ１＝１．７２秒）であった。また、制振機構５は、この建物Ｔの１次固有周期に同調させるようにしている。

次に、図８（ｂ）は、図８（ａ）の１５層モデルを２質点系（２層）モデルに縮合置換し、各諸元を示したものである。この２層モデルの１次固有周期もＴ１＝１．７２秒で同じである。また、ｍ_１／ｍ_２（地下部３の質量／地上部２の質量）＝０．１７０、ｋ_１／ｋ_２（地下部３の剛性／地上部２の剛性）＝４．０２である。

制振機構５の慣性質量ψと粘性減衰Ｃは下記のように設定した。各方向とも２辺に制振機構５を３台ずつ配置している。
上記式（１）より、ψ＝ｋ_１／ｋ_２×ｍ_２−ｍ_１／２＝４３７００ｔｏｎ→７２００ｔｏｎ×６台＝４３２００ｔｏｎ
上記式（２）より、Ｃ＝１１１０００ｋＮ・ｓ／ｍ→２００００ｋＮ・ｓ／ｍ×６台＝１２００００ｋＮ・ｓ／ｍ
上記式（３）より、ｍ_２の最大応答倍率Ｐは３．０３となる。

一方、慣性質量なしで減衰Ｃ’のみとした場合は、
上記式（４）より、Ｃ’＝２１５０００ｋＮ・ｓ／ｍ→３６０００ｋＮ・ｓ／ｍ×６台＝２１６０００ｋＮ・ｓ／ｍとなる。

なお、慣性質量ダンパーは、現在、慣性質量ψ＝１００００ｔｏｎ級まで実用化されていることから、１台当たりの慣性質量ψ＝７２００ｔｏｎと設定することは現実的である。また、減衰の粘性ダンパー（オイルダンパー）においても、現在、減衰係数Ｃ＝６００００ｋＮ・ｓ／ｍ（６０ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ）級まで製品化されていることから、１台当たりの減衰Ｃ＝３６０００ｋＮ・ｓ／ｍ（３６ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ）と設定することは現実的である。

そして、本実施例では、上記の１５層モデル（地上１３階、地下２階）に対して振動特性・応答特性を検討する。なお、構造減衰は１次に対して２％の剛性比例型とした。

さらに、検討対象は、下記のＣａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３の３モデルとした。
Ｃａｓｅ１：構造体（建物）のみ（図９（ａ））
Ｃａｓｅ２：構造体＋減衰Ｃ’（２１６０００ｋＮ・ｓ／ｍ）（図９（ｂ））
Ｃａｓｅ３：構造体＋慣性質量ψ（４３２００ｔｏｎ）＋減衰Ｃ（１２００００ｋＮ・ｓ／ｍ）（図９（ｃ））

以下、検討結果を示す。
構造体（建物Ｔ）のみの固有値解析結果（Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２）は、１次固有振動数０．５８Ｈｚ（１次固有周期１．７２秒）、２次固有振動数１．６７Ｈｚ（２次固有周期０．６０秒）、３次固有振動数２．７６Ｈｚ（３次固有周期０．３６秒）であった。

一方、慣性質量を付加した場合の固有値解析結果（Ｃａｓｅ３）は、１次固有振動数０．５０Ｈｚ（１次固有周期１．９９秒）、２次固有振動数０．８２Ｈｚ（２次固有周期１．２２秒）、３次固有振動数１．９２Ｈｚ（３次固有周期０．５２秒）であった。

次に、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３に対し、１階（図１０（ａ）、図１１（ａ））、１０階（図１０（ｂ）、図１１（ｂ））、Ｒ階（建物頂部の屋根：図１０（ｃ）、図１１（ｃ））における基礎６から地震動を入力したときの変位、加速度（伝達関数）を比較した（図９（ａ）参照）。
なお、１階、１０階の位置はそれぞれ、等価２質点系に置換したときの代表高さで設定している。

この結果、ダンパーがなく構造体のみのＣａｓｅ１と比較し、ダンパーがあるＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３は共振域での応答倍率が大きく低減することが確認された。
さらに、慣性質量ダンパーがあるＣａｓｅ３は、粘性ダンパー減衰のみのＣａｓｅ２と比較し、頂部も１０階も最大応答倍率が半減することが確認された。

なお、変位応答倍率で最適化したので、等価２質点系モデルの上部質点に応答する高さ（１０階）の変位応答倍率は２つのピーク高さがほぼ同じになっている。また、制振機構を構造体の１次固有周期に同調させているため、頂部や１０階の応答倍率は１次のみ大幅に低減している。

また、ダンパーがあるＣａｓｅ２とＣａｓｅ３、特に慣性質量ダンパーを備えたＣａｓｅ３は、１階の応答倍率が加振振動数によらず、ほぼ１．０以下となっており、基礎への入力地震動に対して１階床の応答が増幅されないことが確認された。

そして、上記の結果から、本実施形態の建物の制振構造Ａ（本発明のＣａｓｅ３）によれば、１階と擁壁４の間に制振機構５を設置するだけで、建物全体の応答を大幅に低減できることが実証された。また、慣性質量ダンパー７と粘性ダンパー８を併用することで、粘性ダンパーのみの場合（Ｃａｓｅ２）と比較して減衰が半分しかないにもかかわらず最大応答倍率を半減できるという非常に優れた制振効果が発揮されることが実証された。

次に、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３に対し、図１２に示す建築センター波Ｌ２（最大加速度３５６ｇａｌ）を入力した際の変位の変化を時刻歴応答解析で求めた結果を示す。なお、ここでは、解析時間刻みを０．０１秒とした。

図１３（ａ）はＲ階（建物頂部の屋根）、図１３（ｂ）は１０階、図１３（ｃ）は１階における各Ｃａｓｅの変位の経時変化（応答波形）を示している。縦軸は応答変位（ｍ）、横軸は時間（ｓｅｃ）である。

この結果から、ダンパーがないＣａｓｅ１と比較し、１階と擁壁４の間に制振機構５を設けたＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３は、いずれも大幅に応答が低減することが確認された。また、地上部２での最大応答値を比較すると、Ｃａｓｅ１に対し、最大応答値の大きさがＣａｓｅ２は約６割、Ｃａｓｅ３は５割に低減することが確認され、且つ大きな揺れの継続時間も大幅に短縮されることが確認された。

一方、ダンパーがないＣａｓｅ１に対し、ダンパーを設けたＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の１階の応答変位がおおむね半減するが、Ｃａｓｅ２に対し、慣性質量ダンパーを設けたＣａｓｅ３の１階の応答変位はＣａｓｅ２よりもやや大きくなることが確認された。

しかしながら、この１階の応答変位は、「擁壁４と１階との相対変位」であり、ダンパーのストロークでもある。このため、この変位量が大きい方が地震エネルギーの吸収効果が高いとも言える。また、この相対変位は０．０５１ｍ≒５ｃｍ程度であり、従来の免震構造における免震層変位に比べると、極めて小さな値となっている。

すなわち、この相対変位が小さいので、建物１階と擁壁４（地盤）とのクリアランスも小さくすることができ、エキスパンションジョイントなども軽微なもので済むことになる。

次に、図１４（ａ）はＲ階（建物頂部の屋根）、図１４（ｂ）は１０階、図１４（ｃ）は１階における各Ｃａｓｅの応答加速度の経時変化（応答波形）を示している。縦軸は応答加速度（ｍ／ｓｅｃ^２）、横軸は時間（ｓｅｃ）である。

頂部と１０階の応答加速度については、ダンパーがないＣａｓｅ１に対し、１階と擁壁４の間のみにダンパーを設けたＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３ともに、大幅に応答が低減することが確認された。また、最大応答値を比較すると、Ｃａｓｅ１に対してＣａｓｅ２は概ね６割、Ｃａｓｅ３は概ね５割５分に低減することが確認され、且つ応答変位と同様に、大きな揺れの継続時間も大幅に短縮されることが確認された。

また、１階の応答加速度は、最大値がＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３ともに入力地震動（３５６ｇａｌ）と大差ないが、加速度３００ｇａｌ（０．３ｍ／ｓｅｃ^２）を超える回数は入力地震動が１２回であるのに対し、Ｃａｓｅ３は５回となり加速度が低減されていると言える。

以上の実施例から、Ｃａｓｅ３の本実施形態の建物の制振構造Ａ（本発明の建物の制振構造）においては、１階と擁壁４の間に制振機構５を設置するだけで、上層階を含め建物全体の応答を大幅に低減できることが確認された。また、１階と擁壁４の相対変位は５ｃｍ程度と免震に比べて桁違いに小さく、クリアランスが小さくて済むことも確認された。なお、１階の応答加速度は基礎６への入力加速度に比べてやや小さく、地下部３で増幅されていないことが確認された。

したがって、本実施形態の建物の制振構造Ａにおいては、擁壁４と建物地下部３との隙間（クリアランス）が免震構造の場合に６０ｃｍ程度必要になるのに対し、例えば１０〜２０ｃｍ程度以下に大幅に隙間を小さくすることが可能になる。これにより、出入り口など、建物外部との接続部におけるエキスパンションジョイントの可動変位なども小さく設定することができ、低コスト化を図ることが可能になる。

また、一般的な鉄骨造の建物Ｔは、地下外壁などのＲＣ壁を有するため、地下階の層剛性が１階の１０倍以上になるが、本実施形態の制振構造Ａにおいては、擁壁基礎６より上にある地下階の層剛性を１階の０．５倍以上、２倍以下にすることができる（柔層にすることができる）。

さらに、慣性質量機構７の回転慣性質量機構１０がボールねじ１２と回転錘（フライホイール）１４を組み合わせて構成されていることにより、回転錘１４の質量の数千倍の慣性質量効果を得ることができる。

また、付加減衰機構８にオイルダンパーを使用することにより、従来の一般的な免震構造と比較して変位量が極めて少なくなるため、オイルダンパーのストロークも小さくて済み、免震クリアランスを６０ｃｍ程度としていた従来と比較し、安価なオイルダンパーを適用することができる。すなわち、低コスト化を図ることができる。

さらに、オイルダンパーにリリーフ機構を設け、このリリーフ機構のリリーフ弁によりピストンの内圧力を頭打ちにしてダンパーの負担力をリリーフ荷重で頭打ちにし、オイルダンパーの負担力が過大にならないようにすることもできる。また、慣性質量機構７の回転慣性質量機構１０において、摩擦材を介して回転錘１４とボールねじ機構とを接合することで、両者間の伝達トルクを頭打ちにし、ダンパー負担力が過大にならないようにする過負荷防止機構を付加することもできる。

また、擁壁基礎６より上に位置する地下階が２層以上ある場合、建物１階と擁壁頂部との間に制振機構５を設置することで層間設置するよりも相対変位が大きくなり、制振機構５の変位（制振ダンパーの変位）も大きくすることができる。これにより、同じダンパー諸元でも応答低減効果を増大することができ、その結果として少ないダンパー設置台数で優れた制振性能を発揮させることが可能になる。

また、建物内部に制振機構（制振ダンパー）５を配置する必要がないので、建築計画の自由度が増大する。

さらに、地下階の層剛性は１階層剛性の０．５〜２倍としており、免震層のように極端に剛性を小さくしているわけではない。このため、地下階の層間変位や層間変形角も過大にならず、階段室やエレベータシャフトなどがある場合にはそれを特別な使用にする必要がなく、従来の一般的な仕様を適用することができる。このため、通常の構成を踏襲することができ、コストアップを招くことがない。

また、免震建物ではないので免震層が不要になる。これにより、免震層やその下部に設ける基礎６のために掘削深さを増す必要がなく、従来の耐震構造の建物と同じ掘削深さで建物Ｔを構築することができる。

以上、本発明に係る建物の制振構造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 免震ピット
２ 地上部
３ 地下部
４ 擁壁
５ 制振機構
６ 擁壁基礎
７ 慣性質量機構
８ 減衰機構
１０ 回転慣性質量機構（回転慣性質量ダンパー）
１１ 付加ばね機構
１２ ボールねじ
１２ａ 一端
１３ ボールナット
１４ 回転錘
１５ 連結部材
１６ 軸受け
１６ａ 外輪
１６ｂ 内輪
１７ 外筒
１７ａ 一端
１７ｂ 他端
１８ 接続板
１９ 連結部材
２０ 内筒
２０ａ 一端
２０ｂ 他端
２１ 支持板
２２ リニアガイド
２３ 凸部
２５ リニアガイドレール
２６ 係止板
２７ ストローク規定板
２７ａ 外周ローラー
２７ｂ 内周ローラー
２８ 付加ばね（ばね部材）
３０ 鉄骨柱
３１ ブラケット
３２ 立ち上がり部
Ａ 建物の制振構造
Ｏ１ 軸線
Ｔ 建物
Ｓ１ 壁長方向
Ｓ２ 壁厚方向

Claims (4)

1. 地盤を掘削し、掘削面に沿って構築された擁壁で囲繞されるように配設される建物の地下部を、該地下部の上方の建物の地上部よりも剛性を小にして柔層構造で構築するとともに、
   前記建物と前記擁壁に接続するように慣性質量機構及び／又は減衰機構を有する制振機構を配設して構成されていることを特徴とする建物の制振構造。
2. 請求項１記載の建物の制振構造において、
   前記制振機構が前記擁壁の壁長方向に軸方向を向けて設置されていることを特徴とする建物の制振構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の建物の制振構造において、
   前記制振機構が、前記慣性質量機構の回転慣性質量ダンパーと前記減衰機構の粘性ダンパー又は粘弾性ダンパーとを並列配置して構成されていることを特徴とする建物の制振構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の建物の制振構造において、
   前記建物の地下部がその壁構造を乾式壁構造として構築されていることを特徴とする建物の制振構造。