JP2016056875A

JP2016056875A - 制振機能付き免震構造物

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Publication number: JP2016056875A
Application number: JP2014183776A
Authority: JP
Inventors: 下田　郁夫; Ikuo Shimoda; 郁夫下田; 澤田　毅; Takeshi Sawada; 毅澤田; 雄一岩崎; Yuichi Iwasaki
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-04-21

Abstract

【課題】高層建築物の上層階における制振機能に優れる制振機能付き免震構造物を提供する。
【解決手段】地盤と構造物３との間に配置され、構造物を支持すると共に、構造物の地盤に対する水平方向Ｈの振動を免震する免震装置４と、構造物の地盤に対する水平方向の振動を制振する制振手段と、地盤に固定された支持台６とを備える制振機能付き免震構造物１であって、制振手段は、下面で支持台の上面に接触して支持台に水平方向に低摩擦で移動自在に支持される質量体５ａと、構造物の支持台に対する水平方向の振動に応答して質量体を弾性的な伸縮により水平方向に振動させるように、一端で構造物に他端で質量体に各々連結された弾性体５ｂと、質量体の支持台に対する水平方向の振動に応じてその振動エネルギを吸収するように、一端で構造物に他端で質量体に各々連結された振動エネルギ吸収手段５ｃで構成される質量ダンパ５を複数備える制振機能付き免震構造物。
【選択図】図１

Description

本発明は、免震化された事務所ビル、集合住宅、橋梁、戸建住宅等の構造物にさらに制振機能を付加した制振機能付き免震構造物に関する。

従来、構造物と基礎との間に免震装置を配して免震化した構造物は、免震装置により構造物の振動の固有周期を長周期化し、大きな地震による構造物の共振を回避して構造物の破壊を防止している。しかし、長周期の振幅が大きく長時間にわたると構造物が破壊される虞がある上に、その居住者にきわめて大きな不快感、不安感を与える。

そこで、本出願人は、特許文献１において、免震装置を介して支持された構造物の振動を効果的に減小させると共に、その振動を早期に減衰させることができ、加えて、質量体の質量に起因する構造物及び免震装置の耐荷重性能の増大を必要としない制振機能付き免震構造物を提供した。

特許第４８０３６２０号公報

上記特許文献に記載の制振機能付き免震構造物は有効に機能するが、近年の建築物の高層化に鑑み、特に建築物の上層階におけるより一層の制振機能の向上が求められていた。

そこで、本発明は、高層建築物の上層階における制振機能に優れる制振機能付き免震構造物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、地盤と構造物との間に配置され、該構造物を支持すると共に、該構造物の地盤に対する水平方向の振動を免震する免震装置と、該構造物の地盤に対する水平方向の振動を制振する制振手段と、該地盤に固定された支持台とを備える制振機能付き免震構造物であって、前記制振手段は、下面で支持台の上面に接触して該支持台に水平方向に低摩擦で移動自在に支持される質量体と、前記構造物の前記支持台に対する水平方向の振動に応答して前記質量体を弾性的な伸縮により水平方向に振動させるように、一端で前記構造物に他端で前記質量体に各々連結された弾性体と、前記質量体の支持台に対する水平方向の振動に応じてその振動エネルギを吸収するように、一端で前記構造物に他端で前記質量体に各々連結された振動エネルギ吸収手段とで構成される質量ダンパを複数備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の質量ダンパを備えるため、高層建築物の上層階における制振機能を向上させることができる。

上記制振機能付き免震構造物において、前記複数の質量ダンパに設けられた前記質量体の全体の質量を前記構造物の質量の１０％以上２０％以下とすることができる。また、該構造物を事務所ビル、集合住宅又は橋梁とすることができる。

以上のように、本発明によれば、高層建築物の上層階における制振機能に優れる制振機能付き免震構造物を提供することができる。

本発明に係る制振機能付き免震構造物（以下「免震構造物」と略称する。）の一実施の形態を示す全体構成図である。本発明に係る免震構造物の解析条件を説明するための概略図である。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は比較例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第１の実施例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第２の実施例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第３の実施例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第４の実施例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第５の実施例を示す。免震構造物の解析結果を示すグラフであって、（ａ）は通常免震時、（ｂ）は第６の実施例を示す。免震構造物の加速度に関する解析結果を示すグラフである。免震構造物の免震層変位に関する解析結果を示すグラフである。免震構造物のせん断力係数に関する解析結果を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る免震構造物の一実施の形態を示し、この免震構造物１は、地盤に固定された基礎２と構造物３との間に配置され、構造物３を支持すると共に、構造物３の地盤に対する水平方向Ｈの振動を免震する免震装置４と、構造物３の地盤に対する水平方向Ｈの振動を制振する制振手段としての複数の質量ダンパ５（５Ａ、５Ｂ）と、地盤に固定された支持台６等を備える。

免震装置４は、薄い鋼板等の剛性層と、ゴム板等の弾性層とが鉛直方向に交互に積層された積層ゴム４ａを備え、積層ゴム４ａは下面が基礎２に、上面が構造物３に各々固着される。免震装置４として、積層ゴム４ａに代えて、上方に向かって凹な下半凹球面と、下方に向かって凹な上半凹球面と、これらの間に介在する転動自在な転がり体、又はこれらの間で摺動自在であって、下半凹球面及び上半凹球面と同一の曲率半径の上半凹球面及び下半凹球面を有した摺動体とを備える振り子型のものであってもよい。尚、図１の紙面には免震装置４を２個表示しているが、紙面に直交する方向にも同様に複数の免震装置４が設けられ、以下の説明では、他の構成要素についても、図示を省略するが、紙面に直交する方向にも紙面に記載したものと同様のものが配置される。

質量ダンパ５は、図１の紙面には２個（５Ａ、５Ｂ）表示しているが、３つ以上設けてもよい。

各々の質量ダンパ５は、水平方向Ｈに振動自在な質量体５ａと、構造物３の水平方向Ｈの振動に応答して質量体５ａを弾性的な伸縮により水平方向Ｈに振動させるように、質量体５ａに連結された弾性体としての複数個のコイルばね５ｂと、質量体５ａの水平方向Ｈの振動に応じてその振動エネルギを吸収する複数個の振動エネルギ吸収手段５ｃとを備える。

質量体５ａは、支持台６に水平方向Ｈに移動自在に支持され、質量体５ａの下面と、支持台６の上面とは低摩擦面（μ＝０．００００２〜０．２）とされ、質量体５ａは支持台６を介して地盤に水平方向Ｈに移動自在に支持される。

図１には１個の質量ダンパ５について２個のコイルばね５ｂを示すが、地震による構造物３の振動が図１の紙面に平行な方向及びそれに直交する方向を含めて水平方向Ｈのあらゆる方向にも生じるため、コイルばね５ｂは、水平面内で質量体５ａを取り囲んで周囲に２個以上配される。

各コイルばね５ｂの一端は、球面継手（不図示）を介して連結部材８に連結され、他端は、球面継手（不図示）を介して質量体５ａに連結され、連結部材８は、構造物３の下面に固着される。コイルばね５ｂに代えて、又はコイルばね５ｂと共に、空気ばね、ゴム部材等を用いてもよい。

図１には１個の質量ダンパ５について２個の振動エネルギ吸収手段５ｃを示すが、コイルばね５ｂと同様に、水平面内で質量体５ａを取り囲んで周囲に２個以上配されている。

各振動エネルギ吸収手段５ｃは、例えば、内部に鉛を充填したシリンダと、シリンダの内部において膨大部を有してシリンダ内を水平方向Ｈに振動し、これによって鉛に塑性流動を生じさせて振動エネルギを吸収する構造を備えたものを使用することができる。振動エネルギ吸収手段５ｃの一端は、球面継手（不図示）を介して連結部材８に連結され、振動エネルギ吸収手段５ｃの他端は、球面継手（不図示）を介して質量体５ａに連結される。

上記構成を有する免震構造物１では、地震により基礎２が水平方向Ｈに振動すると、免震装置４の積層ゴム４ａが水平方向Ｈにせん断変形し、基礎２の水平方向Ｈの振動エネルギの一部が構造物３に伝達されて、構造物３は、該構造物３の質量ｍ１並びに積層ゴム４ａのばね定数ｋ１及び減衰係数ｃ１等に基づく固有周期Ｔ１をもって水平方向Ｈに振動する。構造物３のこの振動で、質量体５ａも該質量体５ａの質量ｍ２、コイルばね５ｂのばね定数ｋ２及び振動エネルギ吸収手段５ｃの減衰係数ｃ１等に基づく、固有周期Ｔ１に略々等しい固有周期Ｔ２をもって水平方向Ｈに、構造物３の振動位相と概略逆位相で振動し、質量体５ａのこの振動で構造物３の振動振幅が大きく減小すると共に、構造物３の振動エネルギが主に振動エネルギ吸収手段５ｃにおいて熱エネルギとして消費され吸収され、構造物３の振動が早期に減衰される。

そして、免震構造物１では、質量体５ａが地盤に水平方向Ｈに移動自在に支持されているために、質量体５ａの荷重が構造物３に実質的に付加されず、質量体５ａの質量に起因する構造物３及び免震装置４の耐荷重性能の増大を必要としない。

また、免震構造物１では、質量体５ａが低摩擦面である下面及び支持台６の上面を介して地盤に水平方向Ｈに移動自在に支持されているため、質量体５ａを地盤に対してほとんど抵抗なしに水平方向Ｈに移動させることができる結果、免震装置４の免震機能を阻害せず、地震に際して効果的に構造物３を免震できる。

尚、上記の免震構造物１では、質量体５ａを構造物３と別体に設けたが、これに代えて、質量体５ａを構造物３の一部である床部材等で構成することもできる。

次に、本発明に係る免震構造物の解析（シミュレーション）結果について説明する。本解析では、図２に示すように、５階建ての建築物２１の免震層に、免震層ばね２２（２次剛性周期５ｓ、切片荷重／上部荷重：０．０２）と、同図の左右方向に複数（同図では４つ）の質量ダンパ２５（２５Ａ〜２５Ｄ）を設け、各質量ダンパ２５と支持台６との間の摩擦係数μ＝０．００１とした場合を解析した。また、質量ダンパ２５については、各々を免震建物の各固有周期（１次〜４次モード）に同調させた質量体・ばね要素・振動吸収要素として解析した。

図３は、本発明の比較例として質量ダンパ２５を４個設け、４個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２％とした場合の解析結果（１次〜４次モードを同調とした（以下実施例においても同じ）を示すグラフであって、この場合、ほとんど加速度の低減が見られないことが判る。尚、同図のＮｏ．１〜Ｎｏ．７は、基礎に入力した７波の代表的な地震動を示し、以下の実施例においても同様である。

図４は、本発明の第１の実施例として質量ダンパ２５を４個設け、４個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合（１次〜４次モードを同調とした）の解析結果を示すグラフであって、この場合には加速度が低減していることが判る。

図５は、本発明の第２の実施例として質量ダンパ２５を２個設け、２個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合（１次・２次モードを同調とした）の解析結果を示すグラフであって、この場合も加速度が低減していることが判る。

図６は、本発明の第３の実施例として質量ダンパ２５を４個設け、４個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合の解析結果を示すグラフであって、この場合、免震層変位も低減するため、積層ゴムの変形量が小さくなることが判る。

図７は、本発明の第４の実施例として質量ダンパ２５を２個設け、２個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合（１次・２次モードを同調とした）の解析結果を示すグラフであって、この場合も免震層変位も低減することが判る。

図８は、本発明の第５の実施例として質量ダンパ２５を４個設け、４個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合の解析結果を示すグラフであって、この場合、層せん断力係数が低減し、建物設計で考慮する地震力も小さくなることが判る。

図９は、本発明の第６の実施例として質量ダンパ２５を２個設け、２個の質量ダンパの質量体の総重量を建築物２１の２０％とした場合（１次・２次モードを同調とした）の解析結果を示すグラフであって、この場合も層せん断力係数が低減し、建物設計で考慮する地震力も小さくなることが判る。

図１０は、上記免震構造物の加速度に関する解析結果をまとめたグラフであって、通常免震に比較して本発明の免震構造物によれば、最大応答加速度が低減していることが判る。質量ダンパ２５を４個設けた方が２個の場合よりも効果が大きく、質量ダンパ２５の質量体の総重量を大きくする方が効果的であることが判る。

図１１は、上記免震構造物の免震層変位に関する解析結果をまとめたグラフであって、通常免震に比較して本発明の免震構造物によれば、免震層変位が低減していることが判る。質量ダンパ２５を２個設けた方が４個の場合よりも効果が大きく、質量ダンパ２５の質量体の総重量を変化させると免震層変位が若干変動する。

図１２は、上記免震構造物のせん断力係数に関する解析結果をまとめたグラフであって、通常免震に比較して本発明の免震構造物によれば、最大せん断力係数が低減していることが判る。質量ダンパ２５を２個設けた方が４個の場合よりも効果が大きく、質量ダンパ２５の質量体の総重量を大きくする方が効果的であることが判る。

１免震構造物
２基礎
３構造物
４免震装置
４ａ積層ゴム
５（５Ａ、５Ｂ）質量ダンパ
５ａ質量体
５ｂコイルばね
５ｃ振動エネルギ吸収手段
６支持台
８連結部材
２１建築物
２２免震層ばね
２５（２５Ａ〜２５Ｄ）質量ダンパ

Claims

地盤と構造物との間に配置され、該構造物を支持すると共に、該構造物の地盤に対する水平方向の振動を免震する免震装置と、
該構造物の地盤に対する水平方向の振動を制振する制振手段と、
該地盤に固定された支持台とを備える制振機能付き免震構造物であって、
前記制振手段は、
下面で支持台の上面に接触して該支持台に水平方向に低摩擦で移動自在に支持される質量体と、前記構造物の前記支持台に対する水平方向の振動に応答して前記質量体を弾性的な伸縮により水平方向に振動させるように、一端で前記構造物に他端で前記質量体に各々連結された弾性体と、前記質量体の支持台に対する水平方向の振動に応じてその振動エネルギを吸収するように、一端で前記構造物に他端で前記質量体に各々連結された振動エネルギ吸収手段とで構成される質量ダンパを複数備えることを特徴とする制振機能付き免震構造物。
前記複数の質量ダンパに設けられた前記質量体の全体の質量を前記構造物の質量の１０％以上２０％以下としたことを特徴とする請求項１に記載の制振機能付き免震構造物。
該構造物は、事務所ビル、集合住宅又は橋梁であることを特徴とする１又は２に記載の制振機能付き免震構造物。