JP2023137874A - 免制振複合システム - Google Patents

Abstract

【課題】地震時に上部構造体及び吊り構造体の加速度を共に低減することができる免制振複合システムを提供する。【解決手段】免制振複合システム２は、上部構造体１７と上部構造体１７に吊り下げられた吊り構造体１９と備える建物１に設置される免制振複合システムであって、上部構造体１７の最上部１７ｕに設けられ、ＴＭＤとして機能する上側制振装置２０Ａと、上部構造体１７の下部を支持する滑り支承３０と、吊り構造体１９の最下部１９ｄに設けられ、ＴＭＤとして機能する下側制振装置２０Ｂと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、免制振複合システムに関するものである。

従来から、すべり支承のすべり面を傾斜面とした傾斜すべり支承が知られている。直角に交わる２本の案内レール（鋼材製の上部案内部及び下部案内部）と、それらを連結しつつ摩擦面をスライドする摺動子と、を備えている。摺動子の上下面には傾斜面に当接する摩擦材が設けられ、摺動子が摩擦面を摺動する際に発生する摩擦抵抗力を減衰力とし、構造物の自重が傾斜した摩擦面に作用することで傾斜復元力を得ている。

また、摩擦材の摩擦係数μと傾斜角度θとの関係をtanθ=(０．１～０．４)μ程度とすれば残留変位をほぼなくせることが加振実験で確認されており、すでに自動ラック倉庫の免震化に実施案件展開されている（下記の特許文献１参照）。

しかしながら、曲げ変形が卓越している高くて柔らかい構造に傾斜滑り支承を適用した場合、高次モードの影響で構造の上端部は加速度が大きくなることがある。この課題に対して、傾斜滑り免震とＴＭＤを併用する技術が提案されている（下記の特許文献１参照）。

特許第５８５０２３１号公報 特許第６８０４７３８号公報

しかしながら、例えば、エレベーター等の吊り構造を有する構造では、上部構造体と吊り構造体の周期が同じではなく、別々動きが生じるため、傾斜滑り支承と上部ＴＭＤの併用による上部構造体の頂部の加速度低減の効果が悪くなる可能性がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、地震時に上部構造体及び吊り構造体の加速度を共に低減することができる免制振複合システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る免制振複合システムは、上部構造体と前記上部構造体に吊り下げられた吊り構造体と備える建物に設置される免制振複合システムであって、前記上部構造体の最上部に設けられ、ＴＭＤとして機能する上側制振装置と、前記上部構造体の下部を支持する滑り支承と、前記吊り構造体の最下部に設けられ、ＴＭＤとして機能する下側制振装置と、を備える。

このように構成された免制振複合システムでは、上部構造体の最上部にＴＭＤとして機能する上側制振装置を設けて、吊り構造体の最下部にＴＭＤとして機能する下側制振装置を設けている。上部構造体の下部を支持する滑り支承は固有周期をもたないため、滑り支承の剛性に影響されることなくＴＭＤ機構の同調周期は非免震時の（免震層を固定した）構造物の１次周期とすることができ、ＴＭＤの諸元を決定しやすくなる。入力地震波の特性による影響を受けにくくなり、地震波と共振を生じることもなくなる。地震時に、上部構造体のような構造重心位置以上の場所の加速度及び吊り構造体のような重心位置以下の場所の加速度を共に低減することができる。

また、本発明に係る免制振複合システムでは、前記上側制振装置の質量は、前記上部構造体の有効質量の７％～９％であってもよい。

このように構成された免制振複合システムでは、上部構造体及び吊り構造体の加速度を確実に低減することができる。

また、本発明に係る免制振複合システムでは、前記下側制振装置の質量は、前記吊り構造体の有効質量の１０％～２０％であってもよい。

このように構成された免制振複合システムでは、上部構造体及び吊り構造体の加速度を確実に低減することができる。

本発明に係る免制振複合システムによれば、地震時に上部構造体及び吊り構造体の加速度を共に低減することができる。

本発明の一実施形態に係る免制振複合システムを示す模式的な図である。 本発明の一実施形態の制震装置を説明する模式図である。 １次周期と有効質量の算出法を説明する図である。 本発明の一実施形態の（ａ）滑り支承の摺動子の分解斜視図であり、（ｂ）滑り支承の分解斜視図である。 本発明の一実施形態の滑り支承の（ａ）平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ－ｂ線断面図であり、（ｂ）（ａ）のｃ－ｃ線断面図である。 本発明の一実施形態の滑り支承の常時の状態を示す図である。 本発明の一実施形態の滑り支承の地震時時の状態を示す図である。 解析モデルを示す図である。 解析用地震波の波形を示す図であり、（ａ）エルセントロ、（ｂ）タフト、（ｃ）八戸を示す。 解析結果であり、上部構造体最上部における加速度を示し、（ａ）エルセントロ、（ｂ）タフト、（ｃ）八戸を示す。 解析結果であり、吊り構造体最下部における加速度を示し、（ａ）エルセントロ、（ｂ）タフト、（ｃ）八戸を示す。 解析結果であり、免震変位を示し、（ａ）エルセントロ、（ｂ）タフト、（ｃ）八戸を示す。

本発明の一実施形態に係る免制振複合システムについて、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る免制振複合システムを示す模式的な図である。
図１に示すように、本実施形態に係る免制振複合システム２は、建物１に設置されている。建物１は、ピット１０と、上部構造体１７と、吊り構造体１９と、を備えている。

ピット１０は、底盤１１と、底盤１１の外縁部から立設された周壁１２と、を有している。周壁１２の上端部には、外側に張り出した張出し部１２ａが設けられている。ピット１０の内部には、吊り構造体が収容可能な収容空間部１０ｓが形成されている。

上部構造体１７は、梁１５と、建物本体１６と、を有している。梁１５は、建物本体１６を支持している。梁１５は、張出し部１２ａの上方に配置されている。平面視で、梁１５は、張出し部１２ａの延在方向に沿って配置されている。建物本体１６の下端部の外縁部は、梁１５に支持されている。例えば、建物本体１６は、複数の層で形成されている。

吊り構造体１９の上端部１９ｕは、上部構造体１７の下端部１７ｄに支持されている。吊り構造体１９は、上部構造体１７の下端部１７ｄから吊り下げられ、ピット１０の収容空間部１０ｓに収容されている。吊り構造体１９は、ピット１０の周壁１２と間隔を空けて配置されている。吊り構造体１９は、例えばエレベーターである。

免制振複合システム２は、上側制振装置２０Ａと、下側制振装置２０Ｂと、滑り支承３０と、を備えている。

上側制振装置２０Ａは、上部構造体１７の最上部１７ｕに設置されている。吊り構造体１９の最下部１９ｄには、コンクリート板等の支持板が設けられている。下側制振装置２０Ｂは、吊り構造体１９の最下部１９ｄに設置されている。

上側制振装置２０Ａ及び下側制振装置２０Ｂを、総称して制振装置２０とする。制振装置２０は、ＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ）として機能する。制振装置２０が設置される設置面を、設置面２０ａとする。設置面２０ａは、上側制振装置２０Ａならば上部構造体１７の最上部１７ｕであり、下側制振装置２０Ｂならば吊り構造体１９の最下部１９ｄである。

図２は、制振装置２０を説明する模式図である。
図２に示すように、制振装置２０は、固定部２１と、可動質量２２と、減衰部２３と、減衰部２３と、水平ばね２４と、を有している。

固定部２１は、設置面２０ａに固定されている。固定部２１は、設置面２０ａに対して変位しないように固定されている。固定部２１は、可動質量２２を水平方向に移動可能に支持するスライダ２１ａを有している。

可動質量２２は、固定部２１に支持され、固定部２１と水平方向に相対移動可能である。

減衰部２３は、固定部２１と可動質量２２との間に配置され、固定部２１に対する可動質量２２の相対振動を許容しつつこの相対振動を減衰させる。減衰部２３は、オイルダンパーや粘弾性ゴムなどを用いた減衰装置で構成され、本実施形態では、減衰定数ｈは１０％程度に設定されている。

水平ばね２４は、固定部２１と可動質量２２との間に減衰部２３と並列に配置され、固定部２１に対する可動質量２２の相対振動を許容しつつ可動質量２２を付勢する。

図３は、１次周期と有効質量の算出法を説明する図である。
図３に示すように、制振装置２０がＴＭＤとして機能していない（無ＴＭＤ）状態で、上部構造体１７と吊り構造体１９の共同節点Ｑ１とＱ２を固定端とする。固有値解析で上部構造体１７の１次周期Ｔｕ及び吊り構造体１９の１次周期Ｔｄと、上部構造体１７の有効質量Ｍｅｕ及び吊り構造体１９の有効質量Ｍｅｄを算出する。

上側制振装置２０Ａの可動質量は、上部構造体１７の有効質量Ｍｅｕの７％～９％程度が好ましく、７％がより一層好ましい。下側制振装置２０Ｂの可動質量は、吊り構造体１９の有効質量Ｍｅｄの１０％～２０％程度が好ましく、１０％がより一層好ましい。

本実施形態では、滑り支承３０は、傾斜滑り支承である。滑り支承３０は、上部構造体１７をその支持構造物であるピット１０に対して水平各方向に滑動自在に支持するためのものである。滑り支承３０は、複数設置されている。

図４は、（ａ）滑り支承３０の摺動子３５の分解斜視図であり、（ｂ）滑り支承３０の分解斜視図である。
図４に示すように、滑り支承３０は、上部案内部材３３と、下部案内部材３４と、摺動子３５と、を有している。上部案内部材３３は、上部構造体１７の梁１５の下部１５ｄ（図１参照）に固定されている。下部案内部材３４は、ピット１０の張出し部１２ａの上部１２ｕに固定されている。摺動子３５は、上部案内部材３３と下部案内部材３４との間に介装されている。摺動子３５は、上部案内部材３３に対して水平一方向（図４ではＸ－Ｘ方向として示す）にのみ摺動可能に保持されている。摺動子３５は、下部案内部材３４に対しては水平一方向と直交する水平他方向（図４ではＹ－Ｙ方向として示す）にのみ摺動可能に保持されている。

図５は、滑り支承３０の（ａ）平面図であり、（ｂ）（ａ）のｂ－ｂ線断面図であり、（ｂ）（ａ）のｃ－ｃ線断面図である。
上部案内部材３３及び下部案内部材３４は、いずれも断面矩形の横長のブロック状をなす同一形状及び同一寸法の部材である。上部案内部材３３及び下部案内部材３４は、長さ方向が互いに直交する向きとされている。上部案内部材３３及び下部案内部材３４は、上下方向に間隔をおいた状態で対向配置されている。図５（ｂ）,（ｃ）に示すように、この状態で、上部案内部材３３が上部構造体１７に固定され、下部案内部材３４がピット１０に固定されている。

図４（ｂ）に示すように、上部案内部材３３及び下部案内部材３４の対向面側（すなわち上部案内部材３３の下面側及び下部案内部材３４の上面側）には、それぞれの長さ方向に沿う溝が形成されている。溝の深さは中央部から両側に向かって漸次浅くなるようにされている。溝の底面は緩慢なＶ形に傾斜する傾斜面とされている。

上部案内部材３３の溝が下向きとなり、溝の延在方向がＸ－Ｘ方向に沿う向きで、上部案内部材３３は上部構造体１７に固定されている。これによって、上部案内部材３３に形成されている溝の底面は、Ｘ－Ｘ方向に沿って逆Ｖ形に緩慢に傾斜する下向きの上部傾斜面３６となっている。

下部案内部材３４の溝が上向きとなり、溝の延在方向がＹ－Ｙ方向に沿う向きで、下部案内部材３４はピット１０に固定されている。これによって、下部案内部材３４に形成されている溝の底面は、Ｙ－Ｙ方向に沿ってＶ形に緩慢に傾斜する上向きの下部傾斜面３７となっている。

図６は、滑り支承３０の常時の状態を示す図である。
図６に示すように、滑り支承３０の支持する軸力（自重）をＷとすると、傾斜による復元力（水平力）Ｆは、水平面に対する傾斜角をθとして、式（１）で表される。摺動子３５の接触面は、上面全体である。なお、μは傾斜面の摩擦係数であり、μＷは摩擦力を意味する。

図７は、滑り支承３０の地震時時の状態を示す図である。
地震時の免震層に生じる水平変位に対し、図７に示すように滑り支承３０は可動する。摺動子３５の接触面は、上面の半分である。なお、実際の勾配は１／１００～１／２０だが、図を分かりやすくするために、傾斜角θを大きく図示している。

傾斜角θと傾斜面の摩擦係数μは、式（２）で表される関係にある。

tanθは摩擦係数μの０．１～０．４に相当することする。また、免震設計変位によって摩擦係数を調整する必要あるが、低摩擦材を使用することでμ≦０．０６とする。

次に、解析結果について説明する。

＜解析条件＞
・解析対象：図８に示すモデル図
・構造：上部構造（上部構造体１７）１３段、吊り構造（吊り構造体１９）１段
・傾斜滑り支承（滑り支承３０）：μ＝０．０１２、傾斜角度θ＝１．５°
・減衰１０％のオイルダンパーを使用することとした
・上部構造の１次周期Ｔｕ＝０．４１５ｓｅｃ、有効質量Ｍｅｕ＝５４８３１ｋｇ
・吊り構造の１次周期Ｔｄ＝０．１６４ｓｅｃ、有効質量Ｍｅｄ＝５１７０ｋｇ

＜パラメータ＞
（１）地震波
解析に用いた地震波を、表１に示す。解析用地震波の波形を図９に示す。

（２）ＴＭＤの有効質量に対する比率
・上ＴＭＤ（上側制振装置２０Ａ）の場合
使用するＴＭＤの質量ｍｕと上部構造体の有効質量Ｍｅｕの比率（ｍｕ／Ｍｅｕ）: ｍｕ／Ｍｅｕ＝３％、５％、７％、9％とする。
・下ＴＭＤ（下側制振装置２０Ｂ）の場合
使用するＴＭＤの質量ｍｄと吊り構造体の有効質量Ｍｅｄの比率（ｍｄ／Ｍｅｄ）: ｍｄ／Ｍｅｄ＝１０％、２０％、３０％、４０％とする。

＜解析結果＞
図１０に上部構造上端部における加速度を示し、図１１に吊り構造上端部における加速度を示し、図１２に免震変位を示す。いずれの図も、（ａ）エルセントロ、（ｂ）タフト、（ｃ）八戸である。
免震ＥＶＡ（エレベーター）の上下端にＴＭＤを設置する場合の解析を行った。
（加速度について）
・ＥＶＡの上端部の加速度に対して、上ＴＭＤの効果は下ＴＭＤより大きい。
上ＴＭＤの質量比（ｍｕ／Ｍｅｕ）をみると、有効質量Ｍｅｕの７％～９％程度であれば、全ケースの加速度の低減変化が一番大きい。９％以上になると、７％より効果があるものの、それほど著しく変化がなかった。
・ＥＶＡの下端部の加速度に対して、下ＴＭＤの効果は上ＴＭＤより大きい。
ＴＭＤの質量比（ｍｄ／Ｍｅｄ）をみると、有効質量のＭｅｄの１０％～２０％程度は、全ケースの加速度の低減変化が一番大きい。２０％を超えると、逆に悪くなるケースもある。コストを考えると下端部ＴＭＤの質量は有効質量の１０％程度はベストである。
・上部構造上端部でと吊り構造の下端部でそれぞれの周期特性に合わしてＴＭＤをつけることで加速度の低減に相乗効果があることがわかった。
（免震変位）
上ＴＭＤと下ＴＭＤを設置することによる影響は小さいが分かる。

このように構成された免制振複合システム２では、上部構造体１７の最上部にＴＭＤとして機能する上側制振装置２０Ａを設けて、吊り構造体１９の最下部にＴＭＤとして機能する下側制振装置２０Ｂを設けている。上部構造体１７の下部を支持する滑り支承３０は固有周期をもたないため、滑り支承３０の剛性に影響されることなくＴＭＤ機構の同調周期は非免震時の（免震層を固定した）構造物の１次周期とすることができ、ＴＭＤの諸元（可動質量、バネ、減衰の諸元）を決定しやすくなる。入力地震波の特性による影響を受けにくくなり、地震波と共振を生じることもなくなる。地震時に、上部構造体１７のような構造重心位置以上の場所の加速度及び吊り構造体１９のような重心位置以下の場所の加速度を共に低減することができる。

また、上側制振装置２０Ａの質量は上部構造体１７の有効質量の７％～９％であるため、上部構造体１７及び吊り構造体１９の加速度を確実に低減することができる。

また、下側制振装置２０Ｂの質量は吊り構造体１９の有効質量の１０％～２０％であるため、上部構造体１７及び吊り構造体１９の加速度を確実に低減することができる。

また、上部構造体１７の最上部１７ｕと吊り構造体１９の最下部１９ｄとでそれぞれの周期特性に合わしてＴＭＤをつけることで加速度の低減に相乗効果がある。

また、滑り支承３０と上下のＴＭＤ（上側制振装置２０Ａ及び下側制振装置２０Ｂ）とを併用することで、エレベーターのような剛性が小さいものにも剛体移動と同じ効果を齎せることができる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、吊り構造体１９としてエレベーターを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。吊り構造体１９として、一般の吊り構造を有する構造も適用することができる。

また、上記に示す実施形態では、滑り支承３０として傾斜滑り支承を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。滑り支承３０として、特開２０１９－１３８３７６で開示されているような傾斜弾性すべり支承や球面滑り支承を採用することもできる。

１ 建物
２ 免制振複合システム
１７ 上部構造体
１７ｕ 最上部
１９ 吊り構造体
１９ｄ 最下部
２０ 制振装置
２０Ａ 上側制振装置
２０Ｂ 下側制振装置

Claims (3)

1. 上部構造体と前記上部構造体に吊り下げられた吊り構造体と備える建物に設置される免制振複合システムであって、
   前記上部構造体の最上部に設けられ、ＴＭＤとして機能する上側制振装置と、
   前記上部構造体の下部を支持する滑り支承と、
   前記吊り構造体の最下部に設けられ、ＴＭＤとして機能する下側制振装置と、を備える免制振複合システム。
2. 前記上側制振装置の質量は、前記上部構造体の有効質量の７％～９％である請求項１に記載の免制振複合システム。
3. 前記下側制振装置の質量は、前記吊り構造体の有効質量の１０％～２０％である請求項１または２に記載の免制振複合システム。

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