JP2020002545A - 振り子式制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、かつコンパクトで、なおかつ長周期・長時間地震動に対する高層建物の制振に効果的な振り子式制振装置を提案する。【解決手段】構造物に固定された固定フレーム２と、固定フレーム２の内側の同心状に配設された複数の吊フレーム３，３と、内側の吊フレーム３の内側に配設された錘４と、錘４と内側の吊フレーム３との間、吊フレーム３同士の間および外側の吊フレーム３と固定フレーム２との間に横架された複数の水平ダンパー５，５，…とを備える振り子式制振装置１である。吊フレーム３には、複数の水平ダンパー５，５，…が周方向に等間隔に配設されていて、吊フレーム３を挟んで対向する内外一対の水平ダンパー５，５は、平面視Ｖ字状に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、地震用の振り子式制振装置に関する。

高層建物の振動制御技術として、振り子式制振装置が知られている。振り子式制振装置は、強風等によって建物が揺れた際に、屋上などに設置された錘が、建物の揺れる方向と逆方向に振れることで振動エネルギーを相殺して制振するものである。このような振り子式制振装置として、錘を多段式に吊持することで装置の小型化を図る振り子式制振装置がある。
近年、振り子式制振装置の大型化および大ストローク化によって長周期・長時間地震動を制御する制振装置が開発されている。
例えば、本出願人は、特許文献１に示すように、構造物に立設された外フレームに、複数本の吊材を介して１以上のフレームが同軸的に吊持され、最も内側のフレームに錘が吊持された振り子式制振装置を開発し、実用化に至っている。
なお、建物の屋上等の用途によっては、振り子式制振装置の設置スペースが限られている場合がある。そのため、長周期・長時間地震動を制御することを目的として、大型化された制振装置が設置できない場合がある。
特許文献２には、フレームの内側において当該フレームによって吊持された複数のフレームを同軸的に配置するとともに、最も内側のフレームによって錘を水平移動可能に吊持し、フレーム同士および最も内側のフレームと錘とを水平アクチュエータにより接続したアクティブ型の制振装置が開示されている。特許文献２の制振装置は、コンピュータによりアクチュエータの駆動量を制御することで、制振性を確保するとともに、装置の小型化を可能にしている。

特開２０１７−００８６３４号公報 特開平０７−０３４７２０号公報

特許文献２の制振装置は、アクチュエータの動力が必要なため、装置の維持管理に手間と費用がかかる。また、多数のアクチュエータをコンピュータ制御するため、装置が複雑である。
このような観点から、本発明は、アクチュエータ等の動力を必要とせず、コンパクトで、かつ長周期・長時間地震動に対する高層建物の制振に効果的な振り子式制振装置を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の振り子式制振装置は、構造物に固定された固定フレームと、この固定フレームの内側で同心状に配設された吊フレームと、最も内側に配設された吊フレームの内側に配設された錘と、錘と吊フレームとの間およびフレーム同士（吊フレーム同士または吊フレームと固定フレーム）の間に横架された複数の水平ダンパーとを備えるものである。吊フレームは外側に隣接する他の吊フレームまたは固定フレームによって吊持されており、錘は最も内側に配設された吊フレームによって吊持されている。また、水平ダンパーは、吊フレームに対して傾斜している。吊フレームには、複数の水平ダンパーが周方向に等間隔に配設されていて、吊フレームを挟んで対向する内外一対の水平ダンパーは、平面視Ｖ字状に配置されている。なお、固定フレームおよび吊フレームが平面視矩形状を呈している場合には、水平ダンパーは吊フレームの各辺に取り付ける。

かかる振り子式制振装置によれば、錘とフレームおよびフレーム同士の間に介設された水平ダンパーにより振幅量が制御されるため、長周期・長時間地震動に対する高層建物の制振に効果的であるとともに、装置の小型化が可能である。また、複数の水平ダンパーは、ジグザグ状に配置されているため、錘が揺れた際にねじれることが防止されている。そのため、制振装置の作動の安定性が向上する。また、アクチュエータを使用していないため、装置の駆動手段を要しない。その結果、維持管理の簡素化およびランニングコストの低減化を図ることができる。

本発明の振り子式制振装置によれば、アクチュエータ等を用いないため、動力を必要としない。そのため、装置の簡素化とコンパクトが可能になった。また、錘とフレームおよびフレーム同士の間に介設された水平ダンパーにより振幅量が制御されるため、長周期・長時間地震動に対して高層建物の制振性に優れている。さらに、複数の水平ダンパーをジグザグ状に配置することで、錘が揺れた際にねじれることが防止され、その結果、制振装置の作動の安定性が向上した。

本発明の実施形態に係る振り子式制振装置を示す平面図である。 同制振装置の側面図である。 図２のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図１のＩ−Ｉ断面図である。 比較例の振り子式制振装置に地震動が作用した状況を示す平面図であって、（ａ）は常時、（ｂ）は地震動作用時である。 本実施形態の振り子式制振装置に地震動が作用した状況を示す平面図であって、（ａ）は常時、（ｂ）は地震動作用時である。

本実施形態では、地震時の長周期・長時間地震動に効果的な多段振り子式制振装置（地震用ＴＭＤ１）について説明する。地震用ＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）１は、建物に地震動等が作用した際に、建物の揺れる方向と逆方向に錘４が振れることで、振動エネルギーを相殺して、建物を制振する。また、地震用ＴＭＤ１は、錘４を多段式に吊持することで、錘４のストローク長を大きくしている。
本実施形態の地震用ＴＭＤ１は、図１に示すように、固定フレーム２と、２つの吊フレーム３，３と、錘４と、複数の水平ダンパー５，５，…（図３参照）とを備えている。

固定フレーム２は、図２に示すように、建物（構造物）Ｂの屋上に固定されていて、吊フレーム３，３、錘４および水平ダンパー５を支持している。固定フレーム２は、土台２１，２１，…と、複数の支柱２２，２２，…と、本体部２３と、吊持部２４とを備えている。
土台２１は、建物Ｂに固定された鋼板である。土台２１は、建物Ｂに埋め込まれたアンカーを介して固定されている。なお、土台２１の建物Ｂへの固定方法は限定されるものではない。また、土台２１の構成は支柱２２を支持することが可能であれば限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼等の鋼材を組み合わせたものであってもよい。さらに、土台２１は必要に応じて形成すればよい。
支柱２２は、土台２１の上面に立設されて、本体部２３を支持している。本実施形態の支柱２２は、Ｈ形鋼からなる。なお、支柱２２を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、溝形鋼や角鋼等であってもよい。支柱２２は、本体部２３の角部において、土台２１と本体部２３との間に介設されている。なお、支柱２２の配置および数は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。支柱２２の両端は、それぞれ土台２１および本体部２３に溶接されている。なお、支柱２２の土台２１または本体部２３への固定方法は限定されるものではなく、例えば、ボルト接合してもよい。

本体部２３（固定フレーム２）は、図３に示すように、平面視矩形状に形成された枠材である。本体部２３は、Ｈ形鋼を組み合わせることにより形成されている。なお、本体部２３は、水平ダンパー５を取り付けることが可能であればよく、その平面形状は限定されるものではない。例えば、矩形以外の多角形状、円形、楕円形等であってもよいし、本体部２３を一対の支柱２２，２２に横架された鋼材により形成してもよい。また、本体部２３を構成する材料は、Ｈ形鋼に限定されるものではなく、例えば溝形鋼等であってもよい。
図２に示すように、吊持部２４は、ワイヤ６を介して外側の吊フレーム３（第一吊フレーム３１）を吊持している。本実施形態の吊持部２４は、図１に示すように、鋼材を組み合わせることにより平面視八角形状に形成されている。なお、吊持部２４の平面形状は限定されるものではない。また、吊持部２４を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼を使用すればよい。図４に示すように、吊持部２４は、本体部２３の上方に配置されており、本体部２３の上面に立設された支持柱２５によって支持されている。支持柱２５は、鋼材からなり、吊持部２４の角部において、本体部２３と吊持部２４との間に介設されている。なお、支持柱２５を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼を使用すればよい。

図１および図３に示すように、吊フレーム３は、固定フレーム２の内側に配設されている。本実施形態では、二つの吊フレーム３，３（第一吊フレーム３１および第二吊フレーム３２）が、固定フレーム２と同心状に配設されている。各吊フレーム３は、平面視矩形状の本体部（第一本体部３３および第二本体部３４）を備えている。本体部３３，３４は、Ｈ形鋼を組み合わせることにより形成されている。なお、本体部３３，３４を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、溝形鋼や角鋼等であってもよい。また、各本体部３３，３４の平面形状は矩形に限定されるものではなく、例えば、矩形以外の多角形状、円形、楕円形等であってもよい。

第一吊フレーム３１は、図２および図３に示すように、ワイヤ６を介して固定フレーム２の吊持部２４によって吊持されている。ワイヤ６は、固定フレーム２の吊持部２４と第一吊フレーム３１の本体部（以下「第一本体部３３」という）との間に介設されていて、第一本体部３３の角部を吊持している。第一本体部３３は、固定フレーム２の本体部２３よりも低い位置に配置されている。すなわち、本体部２３と第一本体部３３は段差を有している。なお、本体部２３と第一本体部３３の高さ関係は限定されるものではなく、例えば、同じ高さに配置されていてもよい。第一吊フレーム３１は、第二吊フレーム３２の本体部（以下、「第二本体部３４」という）を吊持する第一吊持部３５を備えている。図１に示すように、第一吊持部３５は、Ｈ形鋼を組み合わせることにより、平面視八角形状に形成されている。なお、第一吊持部３５を構成する材料はＨ形鋼に限定されるものではない。また、第一吊持部３５の平面形状も八角形に限定されるものではない。図４に示すように、第一吊持部３５は、第一本体部３３の上方に配置されており、第一本体部３３の上面に立設された支持柱３６によって支持されている。支持柱３６は、鋼材からなり、第一吊持部３５の角部において、第一本体部３３と第一吊持部３５との間に介設されている。なお、支持柱３６を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼を使用すればよい。

第二吊フレーム３２は、ワイヤ６を介して第一吊持部３５によって吊持されている（図２〜図４参照）。ワイヤ６は、第一吊持部３５と第二本体部３４との間に介設されていて、図３に示すように、第二本体部３４の角部を吊持している。第二本体部３４は、第一本体部３３よりも低い位置に配置されている。すなわち、第一本体部３３と第二本体部３４は段差を有している。なお、第一本体部３３と第二本体部３４の高さ関係は限定されるものではなく、例えば、同じ高さに配置されていてもよい。第二吊フレーム３２は、図１および図４に示すように、錘４を吊持する第二吊持部３７を備えている。図１に示すように、第二吊持部３７は、Ｈ形鋼を組み合わせることにより、平面視矩形状に形成されている。なお、第二吊持部３７を構成する材料はＨ形鋼に限定されるものではない。また、第二吊持部３７の平面形状は矩形状に限定されるものではない。図４に示すように、第二吊持部３７は、第二本体部３４および錘４の上方に配置されており、第二本体部３４の上面に立設された支持柱３８によって支持されている。支持柱３８は、鋼材からなり、第二吊持部３７の角部において、第二本体部３４と第二吊持部３７との間に介設されている。なお、支持柱３８を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、Ｈ形鋼や溝形鋼を使用すればよい。

図１および図３に示すように、錘４は、第二吊フレーム３２の内側に配設されている。本実施形態の錘４（錘本体４１）は、平面視矩形状を有した柱状（直方体状）部材である。錘４は、第二吊フレーム３２によって吊持されている。本実施形態の錘４は、錘本体４１と支持板４２とを備えている。錘本体４１は、支持板４２の上面に固定されている。支持板４２は、平面視矩形状の鋼板からなり、角部にワイヤ６，６，…が取り付けられている。ワイヤ６は、第二吊持部３７から吊り下げられて、錘４を吊持している。支持板４２は、第二本体部３４よりも低い位置に配置されている。すなわち、第二本体部３４と支持板４２は段差を有している。なお、第二本体部３４と支持板４２との高さ関係は限定されるものではなく、例えば同じ高さであってもよい。

図３に示すように、吊フレーム３には、複数の水平ダンパー５，５，…が周方向に等間隔に取り付けられている。本実施形態では、吊フレーム３（本体部３３，３４）の各辺に内外一対の水平ダンパー５，５が取り付けられている。また、本実施形態では、水平ダンパー５として、いわゆるオイルダンパーを使用する。なお、水平ダンパー５は、オイルダンパーに限定されるものではなく、例えばスプリングダンパーやエアダンパー等であってもよい。
水平ダンパー５は、固定フレーム２と第一吊フレーム３１（吊フレーム３）との間、第一吊フレーム３１と第二吊フレーム３２との間（吊フレーム３同士の間）、および第二吊フレーム３２（吊フレーム３）と錘４との間にそれぞれ横架されている。
水平ダンパー５は、平面視で吊フレーム３に対して傾斜しており、水平ダンパー５の一端は吊フレーム３の各辺（本実施形態では本体部３３，３４の各辺）に取り付けられている。吊フレーム３を挟んで対向する内外一対の水平ダンパー５，５は、平面視Ｖ字状（互い違い）に配置されている。水平ダンパー５の他端は、他の吊フレーム３、固定フレーム２または錘４に取り付けられている。なお、水平ダンパー５は、固定フレーム２、吊フレーム３または錘４に対して、縦軸を中心に回動可能に固定されている。

本実施形態の地震用ＴＭＤ１によれば、固定フレーム２と第一吊フレーム３１との間、第一吊フレーム３１と第二吊フレーム３２との間、および第二吊フレーム３２と錘４との間に介設された水平ダンパー５，５，５によって振幅量が制御されているため、長周期・長時間地震動に対する高層建物の制振に効果的である。また、錘４が、複数の吊フレーム３，３によって多段式に吊持されているため、装置が小型化されており、その結果、省スペース化が可能である。
また、水平ダンパー５，５，…は、本体部２３と支持板４２との間にジグザグ状に配置されているため、錘４が揺れた際にねじれることが防止されている。すなわち、吊フレーム３を挟む内外一対の水平ダンパー５，５を、図５（ａ）に示すように、平行に配置すると、地震動を受けた際に、図５（ｂ）に示すように錘４が回転してしまうおそれがある。一方、図６（ａ）に示す本実施形態の地震用ＴＭＤ１によれば、吊フレーム３を挟む内外一対の水平ダンパー５，５が互い違いになるように平面視Ｖ字状に配置されているため、地震動を受けた場合であっても、図６（ｂ）に示すように、錘４の回転（ねじれ）を制御することができる。そのため、地震用ＴＭＤ１の作動の安定性が向上する。また、錘４にねじれが生じると、地震用ＴＭＤ１が設置された躯体にねじれ反力が作用するが、本実施形態の地震用ＴＭＤ１によれば、ねじれ反力を小さくすることが可能となり、その結果、躯体への負担が小さくなる。さらに、錘４のねじれを抑制することで、地震用ＴＭＤ１の各フレーム（固定フレーム２および吊フレーム３）屁の負担の軽減、ひいては、各部材の小断面化を図ることが可能となる。
また、本実施形態の地震用ＴＭＤ１は、アクチュエータを使用していないため、駆動手段を要しない。その結果、維持管理の簡素化およびランニングコストの低減化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、地震用ＴＭＤ１が２つの吊フレーム３を備えている場合について説明したが、地震用ＴＭＤ１が備える吊フレーム３の数は限定されるものではなく、例えば、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。吊フレーム３が１つの地震用ＴＭＤ１（２段振り子式制振装置）は、固定フレーム２と、固定フレーム２の内側で同心状に配設されて固定フレーム２によって吊持された１つの吊フレーム３と、吊フレーム３の内側に配設されて吊フレーム３によって吊持された錘４と、錘４と吊フレーム３の間および吊フレーム３と固定フレーム２との間に横架された複数の水平ダンパー５，５，…とを備えるものとする。
前記実施形態では、矩形状の吊フレーム３（本体部３３，３４）の各辺に内外一対の水平ダンパー５，５が取り付けられているものとしたが、水平ダンパー５の取り付け個所は、周方向に対して等間隔であれば限定されるものではない。すなわち、吊フレーム３（本体部３３，３４）の平面形状が矩形以外の多角形の場合には、必ずしも各辺に取り付ける必要はない。また、吊フレーム３（本体部３３，３４）の平面形状が円形や楕円形の場合には、複数の水平ダンパー５，５，…を等間隔に配置すればよい。

１ 地震用ＴＭＤ（振り子式制振装置）
２ 固定フレーム
３ 吊フレーム
３１ 第一吊フレーム
３２ 第二吊フレーム（最も内側に配設された吊フレーム）
４ 錘
５ 水平ダンパー
６ ワイヤ

Claims (3)

1. 構造物に固定された固定フレームと、
   前記固定フレームの内側で同心状に配設された複数の吊フレームと、
   最も内側に配設された前記吊フレームの内側に配設された錘と、
   前記錘と前記吊フレームとの間、前記吊フレーム同士の間および前記吊フレームと前記固定フレームとの間に横架された複数の水平ダンパーと、を備える振り子式制振装置であって、
   前記各吊フレームは、前記固定フレームまたは外側に隣接する他の前記吊フレームによって吊持されており、
   前記錘は、最も内側に配設された前記吊フレームによって吊持されていて、
   前記水平ダンパーは、平面視で前記吊フレームに対して傾斜しており、
   前記吊フレームには、複数の前記水平ダンパーが周方向に等間隔に配設されていて、
   前記吊フレームを挟んで対向する内外一対の前記水平ダンパーは、平面視Ｖ字状に配置されていることを特徴とする振り子式制振装置。
2. 構造物に固定された固定フレームと、
   前記固定フレームの内側で同心状に配設された１つの吊フレームと、
   前記吊フレームの内側に配設された錘と、
   前記錘と前記吊フレームの間および前記吊フレームと前記固定フレームとの間に横架された複数の水平ダンパーと、を備える振り子式制振装置であって、
   前記吊フレームは、前記固定フレームによって吊持されており、
   前記錘は、前記吊フレームによって吊持されていて、
   前記水平ダンパーは、平面視で前記吊フレームに対して傾斜しており、
   前記吊フレームには、複数の前記水平ダンパーが周方向に等間隔に配設されていて、
   前記吊フレームを挟んで対向する内外一対の前記水平ダンパーは、平面視Ｖ字状に配置されていることを特徴とする振り子式制振装置。
3. 前記吊フレームは、平面視矩形状を呈しており、
   前記水平ダンパーは、前記吊フレームの各辺に固定されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の振り子式制振装置。

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