JP2022061197A

JP2022061197A - 制振建物

Info

Publication number: JP2022061197A
Application number: JP2020169037A
Authority: JP
Inventors: 翼谷; Tsubasa Tani; 龍大欄木; Ryota Maseki
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-04-18
Anticipated expiration: 2040-10-06
Also published as: JP7374875B2

Abstract

【課題】水を備蓄可能であり、水の使用に起因する耐震性能の低下が抑制可能な質量ダンパーを備えた制振建物を提供する。【解決手段】上層に質量ダンパー１０が設けられた制振建物１は、質量ダンパー１０は、放水可能な複数の貯水タンク２１を備える水槽２０と、水槽２０を支える滑り支承部３０と、水槽２０の振動を減衰させる減衰装置４０と、を備え、滑り支承部３０は、第１の球面滑り支承３１と、第１の球面滑り支承３１より大きな摩擦係数を有する第２の球面滑り支承３２を備え、水槽２０から放水する際には、第２の球面滑り支承３２の上方に設置される貯水タンク２１を、第１の球面滑り支承３１の上方に設置される貯水タンク２１よりも先に放水することにより、水槽２０の質量の変化に応じて応答変位が調整される。【選択図】図１

Description

本発明は、上層に質量ダンパーが設けられた制振建物に関する。

高層ビルディング等をはじめとする建築構造物において、地震や風等に起因する長周期の振動を低減する手段の一つとして、質量ダンパーやスロッシングダンパ等のダイナミックダンパーが用いられている。このようなダイナミックダンパーは、その振動低減効果を高めるために、様々な工夫が成されている。
例えば特許文献１には、内部に液体を収容し構造物に設置されたタンクと、タンクの両側壁に接続されタンク内に連通する配管と、配管に設けられたポンプと、構造物の振動と配管を流れる液体の流量に基づいてポンプを制御する制御装置と、を備えるスロッシングダンパが開示されている。
また、特許文献２には、スロッシング槽内に、水よりも粘性の高い泥水を満たしてなるスロッシングダンパが開示されている。
また、特許文献３には、液体を収納した筒状の水槽と、水槽内を分割して複数のスロッシング溝を形成する分割整流板と、水槽の中心縦軸の回りに水槽を回転させる回転機構とを備え、液体が水槽内でスロッシング溝の長手方向に揺れるようにしたスロッシングダンパが開示されている。

ところで、特許文献１～３に開示されたような構成をはじめ、各種の耐震構造、免震構造、制振構造は、建築基準法に示される耐震基準に基づいて設計される。建築基準法に示される耐震基準は、極めてまれに起こる地震に対して人命を保護することを目的としている。そのため建物自体は、地震による損壊を逃れたとしても、その後、利用者が建物を継続して使用することが難しい場合がある。
現代の快適な生活は安定した水や電気等の供給により実現されている。これまでも、地震時等に、建物が損壊しなくとも、水道や電気といったライフラインが停止することで、建物内で生活を継続することができず、避難所等に避難せざるを得ない場合も生じている。例えば、高層マンション等で、停電によりエレベータが停止すれば、居住者が建物内の居住スペースから建物外に出入りすることすら困難となる。また、水等は、非常時に備えて備蓄することもできるが、備蓄するためのスペース等との関係もあり、生活に十分な量の備蓄を行うのは難しいケースも生じる。更に、特に高層マンション等においては、地震等に伴って火災が発生した場合に備えての消火用水の確保も重要となる。

これらの課題に対し、非常時に備えた水の備蓄に、特許文献１～３に開示されたようなスロッシングダンパのタンクを用いることも考えられる。あるいは、質量ダンパーの質量を水により実現することも考えられる。しかしながら、スロッシングダンパや質量ダンパーに蓄えた水を非常時に利用すると、タンク内の水が減少し、水を蓄えたタンクの質量が減少してしまう。すると、その後に余震等が発生した場合、十分な耐振性能が得られなくなってしまう可能性がある。

特開平８－３３４１４７号公報特開平１１－３５０７８８号公報特開２０１７－２６０６３号公報

本発明の目的は、水を備蓄可能であり、水の使用に起因する耐震性能の低下が抑制可能な質量ダンパーを備えた制振建物を提供することである。

本発明者らは、建物の頂部付近の階に設けた水槽を利用した質量ダンパーとして、放水可能な複数の貯水タンクを備える水槽を複数の摩擦係数の異なる球面滑り支承で支持させ、かつ貯水タンクからの放水順番を調整することにより、質量変動に関わらず、復元力と減衰性能を調整して常に質量ダンパーを適切な周期帯に確保出来ることで、建物の応答変位を低減できる点に着眼して、本発明に至った。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の制振建物は、上層に質量ダンパーが設けられた制振建物であって、前記質量ダンパーは、放水可能な複数の貯水タンクを備える水槽と、前記水槽を支える滑り支承部と、前記水槽の振動を減衰させる減衰装置と、を備え、前記滑り支承部は、第１の球面滑り支承と、前記第１の球面滑り支承より大きな摩擦係数を有する第２の球面滑り支承を備え、前記水槽から放水する際には、前記第２の球面滑り支承の上方に設置される前記貯水タンクを、前記第１の球面滑り支承の上方に設置される前記貯水タンクよりも先に放水することにより、前記水槽の質量の変化に応じて応答変位が調整される。
このような構成によれば、複数の貯水タンクに貯えた水の質量を利用した質量ダンパーを上層に備えている。この制振建物では、水を蓄えた複数の貯水タンクを備える水槽が、滑り支承部によって建物に生じた振動にともなって変位しつつ、その変位が、滑り支承部の摩擦による減衰力と、減衰装置の減衰力とによって減衰される。貯水タンクに蓄えた水を放水する場合、第２の球面滑り支承の上方に設置される貯水タンクから先に放水することで、第２の球面滑り支承の上方に位置する質量が優先的に減少し、第２の球面滑り支承の摩擦係数が、質量ダンパー全体の摩擦係数に対する影響が低下する。ここで、第２の球面滑り支承は第１の球面滑り支承より大きな摩擦係数を有する。したがって、質量ダンパー全体の摩擦係数は低下する。このように、水槽の質量の減少に応じて質量ダンパー全体の摩擦係数が低下し、これにより建物の応答変位が調整される。したがって、質量ダンパーにおける、水の使用に起因する耐震性能の低下が抑制可能となる。
また、質量ダンパーの質量として、固形体や巨大な貯水量ではなく、複数の貯水タンクに蓄えた水の質量を利用する。このため、建物上層における水槽の設置面積や設置面形状などの制約を受けることが抑えられ、設計自由度の高い質量ダンパーを設置できる。

本発明の一態様においては、本発明の制振建物は、前記第１の球面滑り支承、及び前記第２の球面滑り支承は、それぞれ、上下に互いに対向して設けられる、各々が球面状の凹部として形成された一対の滑り面と、前記一対の滑り面の間に設けられてこれらに対して摺動する滑り体を備え、前記第１の球面滑り支承及び前記第２の球面滑り支承の一方は、前記水槽の重心に近い側に配置され、前記第１の球面滑り支承及び前記第２の球面滑り支承の他方は、前記水槽の重心から遠い側に配置される。
このような構成によれば、第１の球面滑り支承、及び第２の球面滑り支承を、上下に互いに対向して設けられる球面状の凹部からなる一対の滑り面と、一対の滑り面の間に設けられた滑り体と、を備える、いわゆる二面摺動タイプとしている。このような球面滑り支承においては、一対の滑り面の球面の曲率半径によって周期が決まるため、質量ダンパーの質量が変動しても周期は変動しない。このため、質量ダンパーを、常に適切な周期にしておくことができる。また、建物重心に対して重心に近い側と遠い側に設置した第１の球面滑り支承、及び第２の球面滑り支承で、貯水タンクを支持することによって、様々な多方向から作用する地震荷重に対応可能な質量ダンパーが実現される。

本発明の一態様においては、本発明の制振建物は、前記貯水タンクには放水口が設けられ、前記放水口には下層階に向かう放水管が設置され、前記放水管には、内部を流れる水により発電する発電装置が設けられ、前記発電装置を通過した少なくとも一部の水が生活用水として供給される。
このような構成によれば、貯水タンクに蓄えた水を、放水管を通して放水することで、発電装置で発電を行うとともに、発電装置を通過した少なくとも一部の水を、生活用水として利用可能となる。

本発明によれば、水を備蓄可能であり、水の使用に起因する耐震性能の低下が抑制可能な質量ダンパーを備えた制振建物を提供することができる。

本発明の実施形態に係る制振建物の上層階の構成を示す断面図である。図１の制振建物に備えられた質量ダンパーを示す平面図である。質量ダンパーを構成する滑り支承の構成を示す断面図である。制振建物についてケーススタディモデルを用いたシミュレーションを行う際に想定した、超高層マンションの平面規模と屋上階に設置する水槽の配置を示す平面図である。質量ダンパーを設置しない状態での建物本体の最大層間変形角の解析結果を示す図である。水槽が満水時の質量を２５００ｔとし、５００ｔ刻みで変化させた場合の告示波４波に対する最大層間変形角を示す図である。シミュレーションの際に設定した解析諸元を示す図である。シミュレーションにおける比較例として、滑り支承の摩擦係数が一定であった場合における告示波４波に対する質量ダンパーの最大応答変位を示す図である。シミュレーションにおける比較例として、滑り支承の摩擦係数が一定であった場合における告示波４波に対する最大層間変形角の基本モデルに対する比率を示す図である。シミュレーションで設定した摩擦を滑り支承で実現するための水槽内の水量の分布と各滑り支承の摩擦係数の一検討例を示す図である。シミュレーションで設定した摩擦を滑り支承で実現するための水槽内の水量の分布と各滑り支承の摩擦係数の他の検討例を示す図である。

本発明は、建物の頂部付近の階に設けた貯水タンクの水量を放水することで、貯水タンクの質量が変化した場合であっても、建物の応答変位が調整可能な質量ダンパーが設けられた制振建物である。質量ダンパーは、複数の貯水タンクを有する水槽と、各貯水タンクを支える球面滑り支承と、水槽の振動を減衰させる減衰装置とで構成される。
以下、添付図面を参照して、本発明による制振建物を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態に係る制振建物の上層階の構成を示す断面図を図１に示す。図２は、図１の制振建物に備えられた質量ダンパーを示す平面図である。
図１、図２に示されるように、制振建物１は、建物本体２と、質量ダンパー１０と、を備えている。
建物本体２は、例えば高層マンション等として用いられる。本実施形態において、建物本体２は、平面視矩形で、中央部に上下方向に連続する吹き抜け部３が形成された構成をなしている。建物本体２は、吹き抜け部３の外周部に、上下方向に複数の階層４を有している。建物本体２は、各階層４に、住居等の複数の専有区画Ｓを有している。なお、ここで示した建物本体２の用途や形状は一例に過ぎず、他の用途、他の形状であってもよい。

質量ダンパー１０は、建物本体２の上層に設けられている。本実施形態において、質量ダンパー１０は、建物本体２の最上層である屋上に設置されている。質量ダンパー１０は、水槽２０と、滑り支承部３０と、減衰装置４０と、を備えている。
水槽２０は、建物本体２において、吹き抜け部３を上方から塞ぐように配置されている。水槽２０は、平面視矩形で、屋上面２ｒに沿って配置された底板２０ａと、底板２０ａの上方に間隔をあけて配置された天板２０ｂと、水槽２０の外周部で底板２０ａと天板２０ｂとの間を塞ぐ外壁板２０ｃと、を有した中空箱状をなしている。水槽２０内には、複数の隔壁２２が格子状に設置されている。これら複数の隔壁２２によって水槽２０内が複数に区画されることで、複数の貯水タンク２１が形成されている。各貯水タンク２１内には、不図示の給水部により、水Ｗが蓄えられている。

図３は、質量ダンパーを構成する滑り支承の構成を示す断面図である。
滑り支承部３０は、建物本体２の屋上面２ｒにおいて、水槽２０の下側に設置されている。滑り支承部３０は、建物本体２の屋上で、水槽２０を下方から支える。滑り支承部３０は、第１の球面滑り支承３１と、第２の球面滑り支承３２と、を備えている。
図３に示されるように、第１の球面滑り支承３１、及び第２の球面滑り支承３２は、それぞれ、上部部材３３と、下部部材３４と、滑り体３５と、を備えている。
上部部材３３は、水槽２０の底板２０ａの下面に固定されている。上部部材３３の下面には、下方を向く滑り面３３ｆが形成されている。下部部材３４は、上部部材３３に対して上下方向で対向する位置に配置されている。下部部材３４は、建物本体２の屋上面２ｒに固定されている。下部部材３４の上面には、上方を向く滑り面３４ｆが形成されている。これにより、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆは、上下に互いに対向して設けられている。一対の滑り面３３ｆ、３４ｆは、各々、平面視円形状を成している。一対の滑り面３３ｆ、３４ｆは、各々が球面状の凹部として形成されている。上方に配置された滑り面３３ｆを形成する凹部は、外周部から中心部に向かって上方に窪むように湾曲している。下方に配置された滑り面３４ｆを形成する凹部は、外周部から中心部に向かって下方に窪むように湾曲している。
滑り体３５は、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆの間に挟み込まれることで、上部部材３３と下部部材３４との間で鉛直荷重を伝達する。滑り体３５の上面３５ｆ及び下面３５ｇは、球面状の凸部によって形成されている。滑り体３５の上面３５ｆは、外周部から中心部に向かって上方に突出するように湾曲している。滑り体３５の下面３５ｇは、外周部から中心部に向かって下方に突出するように湾曲している。滑り体３５は、上面３５ｆ、及び下面３５ｇが、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆに沿って摺動することで、上部部材３３と下部部材３４との水平方向の相対移動を許容している。

第１の球面滑り支承３１と、第２の球面滑り支承３２とは、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆと、滑り体３５との間の摩擦係数が異なる。第２の球面滑り支承３２は、第１の球面滑り支承３１より大きな摩擦係数を有している。
図２に示すように、滑り支承部３０を構成する第１の球面滑り支承３１と、第２の球面滑り支承３２とは、摩擦係数に応じて水槽２０の重心２０ｇからの距離が決定されている。本実施形態では、第１の球面滑り支承３１は、水槽２０の重心２０ｇに近い側（中央部側）に配置されている。第２の球面滑り支承３２は、重心２０ｇから離れた側（外周部側）に配置されている。

減衰装置４０は、水槽２０の振動を減衰させる。図１に示すように、減衰装置４０は、例えばオイルダンパーからなる。減衰装置４０は、水槽２０の下面に設けられた水槽側ブラケット４２と、建物本体２側に設けられた建物側ブラケット４３との間に配置されている。減衰装置４０は、水槽側ブラケット４２と建物側ブラケット４３との間で水平方向に延びている。減衰装置４０は、水槽２０と一体に変位する水槽側ブラケット４２と、建物本体２側の建物側ブラケット４３との間で生じる水平方向の相対変位を減衰する。

また、制振建物１は、水槽２０に蓄えた水Ｗを建物本体２の下層階に向けて放水する放水管５０を備えている。放水管５０は、屋上から建物本体２の下層階に向けて上下方向に延びている。本実施形態において、放水管５０は、吹き抜け部３の内側に配置されている。放水管５０の上端は、水槽２０の各貯水タンク２１にそれぞれ設けられた放水口２１ｈに接続されている。各放水口２１ｈには、貯水タンク２１と放水管５０とを断続する弁（図示無し）が設けられている。この弁を開くことで、貯水タンク２１内に蓄えられた水Ｗを、放水管５０を通して下層階に放水できるようになっている。水槽２０に設けられた複数の貯水タンク２１内の水Ｗは、各貯水タンク２１の放水口２１ｈに設けられた弁（図示無し）を個別に開閉することで、複数の貯水タンク２１間で、放水管５０に放水する順序を適宜設定できるようになっている。

放水管５０には、内部を流れる水Ｗにより発電する発電装置５１が設けられている。発電装置５１は、放水管５０内に設けられた螺旋状の水車５１ｒを備えている。発電装置５１は、放水管５０内に放水された水Ｗによって水車５１ｒが回転することで、発電装置５１の発電部（図示無し）が駆動され、電力が発生される。発電装置５１で発生した電力は、建物本体２の各階層４に、不図示の電線を介して供給される。
また、放水管５０には、建物本体２の各階層４に水Ｗを供給する供給管５２が接続されている。供給管５２は、建物本体２内の水道管に接続され、建物本体２の各階層４の専有区画Ｓに、放水管５０内の水Ｗを生活用水として供給する。

このような質量ダンパー１０を備えた制振建物１では、地震や強風等によって建物本体２が振動した場合に、各貯水タンク２１に水Ｗを蓄えた水槽２０は、建物本体２の振動による変位の方向と反対向きに相対変位し、水槽２０の質量によって、建物本体２に対して建物本体２の振動方向と反対向きの力を付与する。このようにして、質量ダンパー１０を構成する水槽２０によって、建物本体２の振動を打ち消すような減衰力が発揮される。
また、水槽２０は、滑り支承部３０によって支持されている。水槽２０と建物本体２との間に水平方向の相対変位が生じた場合、第１の球面滑り支承３１、第２の球面滑り支承３２において、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆと、滑り体３５との間で生じる摩擦力によって、水槽２０と建物本体２との間の水平方向の相対変位エネルギーが減衰される。
更に、水槽２０と建物本体２との間の水平方向の相対変位エネルギーは、減衰装置４０によっても減衰される。
制振建物１では、停電や断水が生じた場合、水槽２０の複数の貯水タンク２１に蓄えた水Ｗを、放水管５０に放水することで、建物本体２内に、発電装置５１による電力供給と、給水を行う。これにより、制振建物１内におけるライフラインが確保される。

上記のように、水槽２０からの放水を行うと、質量ダンパー１０の質量が減少することになる。質量ダンパー１０が有効に作用するには、質量ダンパー１０の周期と減衰が適切に設定されている必要がある。通常の質量ダンパーであれば質量は変動しないため、その質量に応じて周期と減衰を適切に設定しておけばよい。しかし、本実施形態における制振建物１の質量ダンパー１０は、質量として有する水Ｗを放水するために、質量が減少していく。質量の減少に合わせてバネや減衰の値が変化しなければ、放水する前において、質量ダンパー１０が最初の大きな揺れには有効に作用し得たとしても、放水した後に、続く本震や余震に対して有効に作用し得ない可能性が有る。
例えば、質量ダンパー１０の周期が建物本体２より短い場合、質量ダンパー１０があることにより、かえって建物応答が大きくなってしまう場合がある。質量ダンパー１０の質量が最大のときに合わせて復元力を設定すると、質量ダンパー１０の質量の減少に伴い、建物本体の応答性状が悪化することがある。逆に、質量ダンパー１０の質量が最小のときに合わせて復元力を設定すると、満水時の質量ダンパー１０の質量が大きい時点では、質量ダンパー１０の変形が過大となってしまうことがある。
このため、本実施形態の制振建物１においては、放水によって質量ダンパー１０の質量が減少しても、質量の変化に応じて適切な復元力と減衰が設定された状態となって、所要の制震性能を確保する必要がある。
そこで、本実施形態においては、質量ダンパー１０の復元力を、上記のような滑り支承部３０で与えている。球面滑り支承３１、３２においては、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆの球面の曲率半径によって周期が決まるため、質量ダンパー１０の質量が変動しても周期は変動しない。このため、質量ダンパー１０を、常に適切な周期にしておくことができる。

また、質量ダンパー１０による応答低減効果は、質量ダンパー１０の応答変位が大きいほど大きくなる。そのため、質量ダンパー１０の可動範囲の中で、できるだけ質量ダンパー１０の応答変位が大きくなるように、減衰を設定する必要がある。例えば、減衰を、上記のような球面滑り支承３１、３２との摩擦のみにより与えた場合においては、減衰を、質量の変動にあわせて適切な値としておくことは可能ではある。しかし、球面滑り支承３１、３２の摩擦による減衰だけでは、中小地震や風揺れ、あるいは地震の後揺れ等による、小さな揺れに対して、制振効果を適切に発揮することができない。
一方、オイルダンパー等のように速度に応じて減衰力を発揮する、上記のような減衰装置４０のみを用いた場合においては、微小な揺れに対してもエネルギー吸収を行うことができる。しかし、オイルダンパーによる減衰は質量に依らず一定であり、質量の減少に伴い減衰力が過大となってしまう。
そこで、本実施形態においては、上記のように、球面滑り支承３１、３２と減衰装置４０の組み合わせにより減衰が与えられる構成としている。
ただし、減衰装置４０による減衰力は、上記のように、質量ダンパー１０の質量の変動に関わらず一定である。質量ダンパー１０の質量変動に伴って変化するのは、滑り支承部３０における摩擦による減衰力のみである。滑り支承部３０における摩擦による減衰力、及び減衰装置４０による減衰力の、質量ダンパー１０の質量に対する割合を、質量ダンパー１０の質量変動に関わらず、なるべく一定に保つには、質量ダンパー１０の質量変動に対し、滑り支承部３０における摩擦による減衰力の変動割合を大きくする必要がある。

このため、本実施形態の制振建物１では、水槽２０を複数の貯水タンク２１に区画し、摩擦係数が異なる第１の球面滑り支承３１と第２の球面滑り支承３２との配置に応じて、複数の貯水タンク２１からの放水順序を調整する。
ここで、摩擦係数が小さい第１の球面滑り支承３１に支持された貯水タンク２１から放水し、第１の球面滑り支承３１に支持された質量が減少しても、質量ダンパー１０の全体としての摩擦係数はあまり低下せず、したがって減衰力はほとんど変化しない。逆に、摩擦係数が大きい第２の球面滑り支承３２に支持された貯水タンク２１から放水し、第２の球面滑り支承３２に支持された質量が減少すれば、質量ダンパー１０の全体としての摩擦係数の低下量は大きくなり、したがって、減衰力は質量の減少割合以上に低下する。
このため、本実施形態では、摩擦係数が大きい第２の球面滑り支承３２によって支持された、水槽２０の外周側の貯水タンク２１の水Ｗを、摩擦係数が小さい第１の球面滑り支承３１によって支持された、水槽２０の中央部側の貯水タンク２１よりも先に放水する。
このように、水槽２０の複数の貯水タンク２１から放水する順序を、第１の球面滑り支承３１と第２の球面滑り支承３２との配置に応じて適切に調整することで、滑り支承部３０における摩擦による減衰力、及び減衰装置４０による減衰力の、質量ダンパー１０の質量に対する割合が、質量ダンパー１０の質量変動に関わらず、なるべく一定に保たれるようにされている。これにより、質量と減衰力のバランスを取ることができる。

上記したような構成の制振建物について、ケーススタディモデルを設定し、シミュレーションを行ったので、その結果を以下に示す。
制振建物１としては、一般的な超高層マンションを想定して検討を行った。想定した超高層マンションの平面規模と屋上階に設置する水槽の配置を図４に示す。超高層マンションは、４０階建て、全層同じ平面形状・階高（面積：１、１８８ｍ^２、階高：３．５ｍ、建物高さ：１４０ｍ）とした。
解析には多質点の非線形せん断質点系モデルを用いることとし、諸元は、平均的な超高層マンションの値となるよう設定した。ただし応答性状の調整のため、１次固有周期（ｓ）は建物高さ（ｍ）に０．０２ではなく０．０２１を乗じた２．９４ｓとした。減衰は、瞬間剛性比例型とし、１次固有周期に対し３％とした。入力地震動は告示スペクトルに適合する告示波４波（位相特性：Ｅｌｃｅｎｔｒｏ、Ｔａｆｔ、Ｈａｃｈｉｎｏｈｅ、Ｋｏｂｅ、レベル２）（以下、これらを告示波ＥＬ、ＴＦ、ＨＡ、ＫＢ）を用いている。
質量ダンパーを設置しない状態（以下、基本モデル）での建物本体の最大層間変形角の解析結果を、図５に示す。この図５に示すように、最大層間変形角は１／１００以下に納まっており、一般的な建物と同程度の耐震性を有していると言えるが、１０階から３０階付近では降伏変位を上回っている。

質量ダンパーは、球面状の滑り支承の許容最大変位を１０００ｍｍ、滑り出し以後の接線周期を６．０ｓ、摩擦係数は０．０１から０．１２まで自由に選択できるものとした。許容最大変位の設定はやや大きいものの、設定値は既製品から大きく外れるものではない。水槽が満水時の質量を２５００ｔとし、５００ｔ刻みで変化させた場合の告示波４波に対する最大層間変形角を図６に、解析諸元を図７に示す。
満水時の建物質量に対する質量ダンパーの割合は３．６％、減衰装置を構成するオイルダンパーによる質量ダンパーの付加減衰定数は２０％である。滑り出し前の質量ダンパーの周期は質量によらず０．１ｓとした。図６に示すように、質量ダンパーの質量が変動しても応答低減効果を有しており、質量が２０００ｔ以上であれば全層で応答変位を降伏変位以下とすることができる。
図８に、告示波４波に対する質量ダンパーの最大応答変位を示す。図８においては、滑り支承の摩擦係数が０．０１の場合が線Ｌ１として、及び滑り支承の摩擦係数が０．０３５の場合が線Ｌ２として、それぞれ示されている。図９に、告示波４波に対する最大層間変形角の基本モデルに対する比率（応答低減率）を示す。図９においては、滑り支承の摩擦係数が０．０１の場合が線Ｌ５として、及び滑り支承の摩擦係数が０．０３５の場合が線Ｌ６として、それぞれ示されている。
図８に示すように、摩擦係数を０．０１で一定とした場合、質量ダンパーの質量が大きいときに、線Ｌ３として示される許容変位を超える。また、図９に示すように、摩擦係数を０．０３５で一定とした場合、質量ダンパーの質量が小さいときに応答低減率が１．０近くとなり、応答低減効果が低下する。図８、図９において摩擦係数調整として、線Ｌ４、Ｌ７として示されているように、摩擦係数を、質量ダンパーの質量に応じて０．０１から０．０３５の間で自由に設定することで、質量ダンパーの応答変位を許容値に収めながら、応答低減効果を大きくすることができる。

次に、設定した摩擦を滑り支承で実現するための水槽内の水量の分布と各滑り支承の摩擦係数を図１０に示す。水槽自身の重量は１００ｔとし、その大部分が摩擦係数０．０１の支承に支持されているものとして算出している。水槽は、８個の貯水タンクを備えるものとした。
まず、図１０に示すように、８個の貯水タンクを、５個の滑り支承で支持する場合について検討した。最も外側（両端）に配置された２個の滑り支承（第２の球面滑り支承３２に相当）の摩擦係数を０．１１４とし、内側に配置された３個の滑り支承（第１の球面滑り支承３１に相当）の摩擦係数を０．０１とした。
摩擦係数が高い球面滑り支承の上方の、最も外側に位置する貯水タンクと、最も外側から２番目の貯水タンクとから、２：３の割合の流量で放水し、最も外側の貯水タンクが空になった後に、摩擦係数が低い球面滑り支承の上方の、中央の貯水タンクから放水すれば、質量ダンパー全体としての摩擦係数が０．０３５から０.０１へと順次低下し、ほぼ図７で設定した値と同じ値を実現できる。
次に、図１１に示すように、６個の貯水タンクを、４個の滑り支承で支持する場合について検討した。最も外側（両端）に配置された２個の滑り支承（第２の球面滑り支承３２に相当）の摩擦係数を０．０８８とし、内側に配置された２個の滑り支承（第１の球面滑り支承３１に相当）の摩擦係数を０．０１とした。
摩擦係数が高い球面滑り支承の上方の、最も外側に位置する貯水タンクと、最も外側から２番目の貯水タンクから、３：１の割合の流量で放水し、最も外側から２番目の貯水タンクが空になった後に、摩擦係数が低い球面滑り支承の上方の、中央の貯水タンクから放水すれば、質量ダンパー全体としての摩擦係数が０．０３５から１．００へと順次低下し、概ね図７で設定した値と同じ値を実現できる。

次に、制振建物における電気及び水の供給能力を検証した。
水槽内に蓄えられた水の位置エネルギーを利用し、重力による発電を行うように建物の吹抜けに放水管を配し、管内部に螺旋状の水車を設けた。放水管に水を流し、水車を回すことでゆっくりと水を落下させた。水力発電のエネルギー変換効率は８０％程とされており、高さ１４０ｍに位置する２４００ｔの水により、７３２ｋＷｈの発電が可能である。また、一般的な蓄電池と違い、自己放電による損失もない。
電気の復旧に一週間かかると想定し、それまでの期間を賄うものとすると、一日に消費できる電力は、約１０５ｋＷｈとなる。全住戸（１０戸／階、４０階）で均等に電力を分配すると０．２６ｋＷｈ／戸となるが、これは一般家庭の一日の電力使用量と比べ非常に小さい。各住戸で消費するには十分な備蓄量とは言えない。しかし、エレベータの消費電力は５ｋＷ程度であり、７３２ｋＷｈの発電により、２１時間のエレベータの稼働が可能となる。例えば、深夜や早朝の運行を制限すれば、共用部の照明を確保しながらエレベータを一台運行させることができる。専有部への電力供給は難しいが、住み慣れた自宅に留まることが可能となる。

家庭で一人が一日に使う水の量は平均２１９Ｌである。例えば、当該マンションの住人数を９３２人（４００戸、２．３３名／戸）とすれば、マンション全体での一日の水の使用量は約２０４ｍ^３である。しかし、その大半は入浴や炊事、洗濯に費やされる。水の復旧までに水の使用を不可欠な用途に限定すると、トイレの洗浄が大部分を占め、その量は５０Ｌ程と考えられる。その場合、マンション全体での一日の水の使用量は約４７ｍ^３となる。
屋上の水槽からは発電用に一日に約３４３ｍ^３の水を放水する。マンション全体での水の使用料は、放水量に比べ小さく、発電への影響は小さい。螺旋状の水車により水の落下速度は弱められているので、どの階からでも共用廊下の蛇口をひねることで取水が可能である。水の復旧には最大で二週間から三週間を要することがあるが、屋上の水槽には十分な量の水が蓄えられている。一週間後には全ての水が発電のため下階に落ちることとなるが、その頃には電気が復旧していると考えられる。排出した水の一部を下水に流さず下階に蓄えておくことで、電気復旧後は水を再度上方へ送って水槽に蓄えることが可能である。ただし飲料水は各自で備蓄しておく必要がある。
電気、及び水の復旧が完了した後は、屋上階に設けた蛇口から簡単に水槽の水を再度満たすことができる。

上述したような制振建物１によれば、質量ダンパー１０は、放水可能な複数の貯水タンク２１を備える水槽２０と、水槽２０を支える滑り支承部３０と、水槽２０の振動を減衰させる減衰装置４０と、を備える。滑り支承部３０は、第１の球面滑り支承３１と、第１の球面滑り支承３１より大きな摩擦係数を有する第２の球面滑り支承３２を備え、水槽２０から放水する際には、第２の球面滑り支承３２の上方に設置される貯水タンク２１を、第１の球面滑り支承３１の上方に設置される貯水タンク２１よりも先に放水することにより、水槽２０の質量の変化に応じて応答変位が調整される。
このような構成によれば、複数の貯水タンク２１に貯えた水Ｗの質量を利用した質量ダンパー１０を上層に備えている。この制振建物１では、水Ｗを蓄えた複数の貯水タンク２１を備える水槽２０が、滑り支承部３０によって建物本体２に生じた振動にともなって変位しつつ、その変位が、滑り支承部３０の摩擦による減衰力と、減衰装置４０によって減衰される。貯水タンク２１に蓄えた水Ｗを放水する場合、大きな摩擦係数を有する第２の球面滑り支承３２の上方に設置される貯水タンク２１から先に放水することで、第２の球面滑り支承３２の上方に位置する質量が優先的に減少し、第２の球面滑り支承３２の摩擦係数が、質量ダンパー１０全体の摩擦係数に対する影響が低下する。ここで、第２の球面滑り支承３２は第１の球面滑り支承３１より大きな摩擦係数を有する。したがって、質量ダンパー１０全体の摩擦係数は低下する。このように、水槽２０の質量の減少に応じて質量ダンパー１０全体の摩擦係数が低下し、これにより建物本体２の応答変位が調整される。したがって、質量ダンパー１０における、水Ｗの使用に起因する耐震性能の低下が抑制可能となる。
また、質量ダンパー１０の質量として、固形体や巨大な貯水量ではなく、複数の貯水タンク２１に蓄えた水Ｗの質量を利用する。このため、建物本体２上層における水槽２０の設置面積や設置面形状などの制約を受けることが抑えられ、設計自由度の高い質量ダンパー１０を設置できる。

特に、本実施形態においては、滑り支承部３０は、異なる摩擦係数を有する複数の球面滑り支承３１、３２を備え、水槽２０の中央部側に設置される第１の球面滑り支承３１に比べて、外周部側に設置される第２の球面滑り支承３２が大きな摩擦係数を有し、水槽２０から放水する際には、水槽２０の外周部側に設置される貯水タンク２１から、中央部側に設置される貯水タンク２１の順序で放水することにより、水槽２０の質量の変化に応じて応答変位が調整される。
このような構成によれば、制振建物１を適切に実現可能である。

また、第１の球面滑り支承３１、及び第２の球面滑り支承３２は、それぞれ、上下に互いに対向して設けられる、各々が球面状の凹部として形成された一対の滑り面３３ｆ、３４ｆと、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆの間に設けられてこれらに対して摺動する滑り体３５を備える。第１の球面滑り支承３１は、水槽２０の重心２０ｇに近い側に配置され、第２の球面滑り支承３２は、水槽２０の重心２０ｇから遠い側に配置される。
このような構成によれば、第１の球面滑り支承３１、及び第２の球面滑り支承３２を、上下に互いに対向して設けられる球面状の凹部からなる一対の滑り面３３ｆ、３４ｆと、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆの間に設けられた滑り体３５と、を備える、いわゆる二面摺動タイプとしている。このような球面滑り支承３１、３２においては、一対の滑り面３３ｆ、３４ｆの球面の曲率半径によって周期が決まるため、質量ダンパー１０の質量が変動しても周期は変動しない。このため、質量ダンパー１０を、常に適切な周期にしておくことができる。また、第１の球面滑り支承３１が水槽２０の重心２０ｇに近い側に配置され、第２の球面滑り支承３２が水槽２０の重心２０ｇから離れた側に配置されている。これにより、様々な多方向から作用する地震荷重に対応可能な質量ダンパー１０が実現される。

また、上記制振建物１は、貯水タンク２１には放水口が設けられ、放水口２１ｈには下層階に向かう放水管５０が設置され、放水管５０には、内部を流れる水Ｗにより発電する発電装置５１が設けられ、発電装置５１を通過した少なくとも一部の水Ｗが生活用水として供給される。
このような構成によれば、貯水タンク２１に蓄えた水Ｗを、放水管５０を通して放水することで、発電装置５１で発電を行うとともに、発電装置５１を通過した少なくとも一部の水Ｗを、生活用水として利用可能となる。

なお、上記実施形態では、第１の球面滑り支承３１が水槽２０の重心２０ｇに近い側に配置され、摩擦係数が高い第２の球面滑り支承３２が水槽２０の重心２０ｇから離れた側に配置されているようにしたが、これに限られない。第１の球面滑り支承３１を水槽２０の重心２０ｇから離れた側に配置し、摩擦係数が高い第２の球面滑り支承３２を水槽２０の重心２０ｇに近い側に配置してもよい。この場合、水槽２０から放水するときには、第２の球面滑り支承３２の上方に設置される、水槽２０の中央部の貯水タンク２１を、第１の球面滑り支承３１の上方に設置される、水槽２０の外周部側の貯水タンク２１よりも先に放水する。
すなわち、水槽２０の外周部側と中央部側のいずれか一方に設けられる球面滑り支承を、他方に設けられる球面滑り支承に比べて、大きな摩擦係数を有するようにし、水槽２０から放水する際には、水槽２０の一方側に設置される貯水タンク２１から、他方側に設置される貯水タンク２１の順序で放水することにより、水槽２０の質量の変化に応じて応答変位が調整されるようにしてもよい。

あるいは、例えば水槽を平面視して円形に構築し、球面滑り支承を、摩擦係数に応じて水槽の重心からの距離が決定されて、重心を中心として同心円状に設置されるようにしてもい。
第１の球面滑り支承３１と第２の球面滑り支承３２は、上記に限られず、どのように配置されていても、水槽２０から放水する際に、第２の球面滑り支承３２の上方に設置される貯水タンク２１を、第１の球面滑り支承３１の上方に設置される貯水タンク２１よりも先に放水するようにされていればよい。

また、上記実施形態においては、水槽２０は隔壁２２によって区画されて貯水タンク２１が形成されるように説明したが、これに限られない。例えば、各貯水タンク２１を独立した器により個別に形成して、この器を敷き詰めることによって水槽２０を実現してもよい。
この場合においては、各貯水タンク２１の下に対応して球面滑り支承を配したうえで、隣接する貯水タンク２１どうしを互いに接合せず、各貯水タンク２１の荷重が直下の対応する球面滑り支承にのみ支持されるようにすることで、より緻密かつ正確に、質量ダンパー全体としての摩擦係数を管理することができる。

１制振建物３２第２の球面滑り支承
１０質量ダンパー３３ｆ、３４ｆ滑り面
２０水槽３５滑り体
２０ｇ重心４０減衰装置
２１貯水タンク５０放水管
２１ｈ放水口５１発電装置
３０滑り支承部Ｗ水
３１第１の球面滑り支承

Claims

上層に質量ダンパーが設けられた制振建物であって、
前記質量ダンパーは、
放水可能な複数の貯水タンクを備える水槽と、
前記水槽を支える滑り支承部と、
前記水槽の振動を減衰させる減衰装置と、を備え、
前記滑り支承部は、第１の球面滑り支承と、前記第１の球面滑り支承より大きな摩擦係数を有する第２の球面滑り支承を備え、
前記水槽から放水する際には、前記第２の球面滑り支承の上方に設置される前記貯水タンクを、前記第１の球面滑り支承の上方に設置される前記貯水タンクよりも先に放水することにより、前記水槽の質量の変化に応じて応答変位が調整されることを特徴とする制振建物。
前記第１の球面滑り支承、及び前記第２の球面滑り支承は、それぞれ、上下に互いに対向して設けられる、各々が球面状の凹部として形成された一対の滑り面と、前記一対の滑り面の間に設けられてこれらに対して摺動する滑り体を備え、
前記第１の球面滑り支承及び前記第２の球面滑り支承の一方は、前記水槽の重心に近い側に配置され、前記第１の球面滑り支承及び前記第２の球面滑り支承の他方は、前記水槽の重心から遠い側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の制振建物。
前記貯水タンクには放水口が設けられ、前記放水口には下層階に向かう放水管が設置され、前記放水管には、内部を流れる水により発電する発電装置が設けられ、前記発電装置を通過した少なくとも一部の水が生活用水として供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の制振建物。