JP2600559B2 - 高減衰建物 - Google Patents

高減衰建物

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JP2600559B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高層建物の柱梁架構内に
設置したダンパーとしての減衰装置により、風や地震等
の振動外力に対し、高い減衰性を与えた高減衰建物に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】出願人は構造物の柱梁架構内に、ブレー
スや壁等の形で可変剛性要素(耐震要素)を組み込み、
可変剛性要素自体の剛性、あるいは架構本体と可変剛性
要素との連結状態を可変とし、地震や風等の振動外力に
対し、振動外力の特性をコンピューターにより解析し
て、非共振となるよう構造物の剛性を変化させて構造物
の安全を図る能動型制震システム、可変剛性構造等を種
々提案している(例えば特開昭62−268479号、
特開昭63−114770号、特開昭63−11477
1号等)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の可変剛性要素を
組み込んだ形式の能動型制震システムは、主として地震
動等の卓越周期と、構造物の固有振動数との関係に着目
し、卓越周期に対し、構造物の固有振動数を能動的にず
らすことにより、共振現象を避け、応答量の低減を図っ
ている。
【0004】しかし、能動型制震システムの場合、制御
用のコンピューターの他、駆動装置や、各種センサーを
用いるため、何らかの異常があった場合に対し、種々の
安全維持機構を必要とする等、制御機構が複雑となり、
コスト面での問題も考えられる。また、制御の遅れによ
り十分な効果を発揮するまで時間を要するような場合も
考えられる。
【0005】これに対し、柱梁架構内にダンパーとして
の減衰装置を設置し、減衰装置の減衰係数c(t/kine)
を適切な値に設定することで、建物の振動を低減する受
動型制振システムが構成される。
【0006】この場合、振動低減の目標とする外力が地
震であるか、風外力であるかによって、最適な減衰係数
cの値が異なる。例えば、風による構造物の揺れは、日
常、頻繁に起こるものであり、特に高層建物等では固有
周期が長くなるため、風により長周期の大きな揺れが生
じやすく、船酔い現象の原因となっている。このような
風による建物の揺れは、建物の1次振動モードが支配的
であり、減衰装置に生じる速度と荷重の関係がほぼ線形
となるよう設定した場合において、減衰定数hが大きい
ほど、建物の応答が低減される。また、建物の剛性が大
きい(短周期)ほど、揺れは小さくなる。これに対し、
比較的規模の大きい地震を振動低減の目標と考えた場
合、最適な減衰係数cは、風外力に対する最適な減衰係
数cに比べ、小さい値となる。
【0007】一方、これらの外力に対し、最適な減衰係
数cを与えようとする場合、従来、種々の用途で用いら
れている一般的なダンパーでは、減衰係数が小さく、建
物における最適な減衰係数cを実現するためには、装置
の数が多くなり過ぎ、建物の設計が困難となるという問
題がある。特に、風振動の低減を目的として、建物の剛
性が大きく、1次固有周期が短くなる範囲に減衰係数c
を設定しようとすると、通常、最適減衰係数cがかなり
大きな値となるため、装置の設計やその配置に関する設
計が困難となる場合が多い。本発明はコンピュータープ
ログラム等による制御システムを必要としない受動型の
制震システムにおいて、減衰装置の配置を工夫すること
で、上述のような問題点の解決を図ったものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の高減衰建物は受
動型の制震システムを構成するものであり、多層階の建
物の柱梁架構に対し、複数層にわたる耐震要素を設け、
柱梁架構と耐震要素間、または耐震要素の中間に、ダ
パーとしての減衰装置を介在させ、建物内に設置した減
衰装置の減衰係数cの値を、複素固有値解析によって求
まる前記建物の3次の振動モードに対する減衰定数h 3
の最大値を与える減衰係数c 3 と、1次の振動モードに
対する減衰定数h 1 の最大値を与える減衰係数c 1 に対
し、 3 ≦c≦c 1 となるように設定し、 風振動や地震動に対し、建物の応
答を効果的に低減させるものである。
【0009】複数層にわたる耐震要素の形式としては、
例えば2層以上を通して逆V形に設けたブレースや、連
続する2層の上層階のV形ブレースと下層階の逆V型ブ
レースとを減衰装置を介してX形に連結したもの等が考
えられる。
【0010】
【実施例】以下、実施例として、本発明の高減衰建物に
おける減衰装置の配置及びその減衰特性を、各層ごと配
置した場合と比較しながら説明する。
【0011】図3は比較例として各層ごと減衰装置10
を配置した場合の建物架構1を概略的に示したもので、
各層の柱梁架構内に逆V形ブレース4を配置し、ブレー
ス4の頂部と上側の梁3を減衰装置10を介して連結し
た場合である。図4(a) はこれを解析モデルの形で示し
たもので、図中、各層の重量mi =m、耐震要素として
のブレースの剛性ki =k、減衰装置による各層の減衰
係数ci =cとしている。
【0012】図1は本発明の一実施例における耐震要素
及び減衰装置の配置例を示したもので、耐震要素とし
て、2層を通した逆V形ブレース5を設置し、1層おき
に設置した減衰装置10でブレース5の頂部と梁3を連
結した場合である。
【0013】図2は本発明の他の実施例における耐震要
素及び減衰装置の配置例を示したもので、耐震要素とし
て、連続する2層の上層階にV形ブレース6を、下層階
に逆V型ブレース7を設置し、これらの頂部どうしを減
衰装置10で連結することにより、2層に跨がるX形の
耐震要素を構成した場合である。
【0014】図4(b) は図1、図2に対応する解析モデ
ル図であり、図4(b) の場合は、各ブレースの剛性をk
としている。また、図4(c) も図1、図2に対応する解
析モデル図であり、図4(c) の場合は各ブレースの剛性
をk/2とおいている。
【0015】図5は図4(a) 〜(c) の解析モデルに対す
る複素固有値解析結果を示したもので、縦軸には減衰固
有周期T(秒)と建物全体の減衰定数h(%)をとり、
横軸に1層分の減衰装置の減衰係数c(t/kine) をとっ
ている。
【0016】図5のグラフにおいて、破線が図4(a) の
比較例の場合であり、a(T1 )の曲線で示されるよう
に、減衰係数cが増大するに従って、建物の固有周期
(このグラフでは1次固有周期のみ示している)が短く
なっている。風振動を対象とする場合には、減衰係数c
を建物の剛性が大きく、短い周期で安定する範囲に設定
することで、効果的な制振が図れる。また、a
(h1 )、a(h2 )、a(h3)の曲線はそれぞれ図
4(a) の比較例における1層分の減衰係数cと1〜3次
の減衰定数h1 〜h3 の関係を示したものである。地震
動に対しては、減衰係数cを、これら1〜3次の減衰定
数h1 〜h3 が大きくなる範囲に設定することで、減衰
性の高い振動抑制効果が得られる。
【0017】図4(a) の比較例における減衰特性に対
し、剛性kはそのままで、2層にわたるブレース5(ま
たは6及び7)を設け、減衰装置を1層おきの配置とし
た図4(b) の実施例では、b(T1 )の曲線で示される
ように、1次固有周期の変化が減衰係数の変化に対して
敏感になり、周期変化が急峻となる。従って、a
(T1)の曲線との比較でも明らかなように、減衰係数
cの選択範囲を絞ることができ、かつより小さい減衰係
数で短い周期側に安定するため、減衰装置に生じる減衰
力を小さくすることができ、設計が容易となる。あるい
は、減衰装置の設置数を減らすことで、建物架構の設計
が容易となる。
【0018】また、b(h1 )の曲線は、減衰係数cと
1次減衰定数h1 の関係を示したもので、曲線a
(h1 )との比較で明らかなように、より小さい減衰係
数でピークに達し、かつピークの近傍ではより大きな減
衰定数が得られる。従って、地震動に対しても、風振動
の場合と同様、減衰装置の設計が容易で、減衰装置の設
置数を減少させることができるとともに、建物に高い減
衰性を与えることができる。
【0019】図4(b) の実施例に対し、ブレース5(ま
たは6及び7)の剛性を1/2にした図4(c) の実施例
の場合、曲線c(T1 )とb(T1 )、及び曲線c(h
1 )とb(h1 )の比較で明らかなように、周期変化の
急峻性やピークにおける1次減衰定数h1 の値では劣る
ものの、1次固有周期が短い周期に移行する点、及び1
次減衰定数h1 のピークを与える減衰係数が、図4(b)
の実施例に比べてより小さい値となるため、減衰装置自
体の機構やその配置等に関する設計に関しては有利とな
る。また、振動を抑制するための最適な減衰係数がより
小さくなることで、風振動に対する最適減衰係数と、地
震動に対する最適減衰係数の差も小さくなり、両者に対
処させるのが容易となる。
【0020】本発明で使用する減衰装置は装置部に生じ
る荷重Fと速度Vの関係が線形に近くなる特性を有する
装置であり、構造物にとって最適となる減衰係数(F/
V〔t/kine〕) を実現できるものであれば、特に限定さ
れない。例えば、図6に概念的に示すように、シリンダ
ー11とピストン12及び比例弁等の調圧弁13で構成
されたオイルダンパーが使用できる。この場合、シリン
ダー11がブレース等の耐震要素側に連結され、シリン
ダー11内で往復動する両ロッド形式のピストン12が
柱梁架構側に連結され、調圧弁13の開度の調節により
所定の減衰係数が得られる。
【0021】図7は減衰装置10の一例をより具体的に
示したもので、基本構造は図6の概念図に示される通り
であり、シリンダー11内に両ロッド形式のピストン1
2が組み込まれている。ただし、ロッド12aは一方向
のみシリンダー11から突出し、その突出部分及び反対
側のシリンダー11の外面に、耐震要素または柱梁架構
と連結するための取付部15、16を設けている。
【0022】高減衰、高剛性を確保するための条件とし
ては、まずピストン12移動方向と反対側の油圧室14
を負圧としないことが必要で、そのためピストン12を
貫通する流路に調圧弁17a、17bを設け、移動油量
が直接的に反対側の油圧室14へ流れる構造としてい
る。また、作動中の油の圧縮を考慮して不足油量を補償
する必要があるので、補給用のアキュムレーター18が
必要となり、アキュムレーター18を設けたバイパス1
9にはチェック弁20a、20bを設けている。さらに
停止すると、油が元の状態に戻る(膨張)ので、補償さ
れた油をアキュムレーター18に戻す必要があり、チェ
ック弁20a、20bと並列にオリフィス(絞り)21
a、21bを設けている。
【0023】
【発明の効果】本発明の高減衰建物では、複素固有値解
析によって求まる建物の各次振動モードに対する減衰係
数cと減衰定数hとの関係において、減衰係数cを風に
対して最も有効と考えられる1次の振動モードに対する
減衰定数h1 の最大値を与える減衰係数c1 を含み、地
震動に対して最も効果的と考えられる1〜3次の減衰定
数h1 〜h3 が大きくなる範囲に設定することで、受動
型の制震システムとして地震や風等に対する高い減衰性
能が得られ、かつ多層階の建物の柱梁架構に対し、複数
層にわたる耐震要素に対して減衰装置を介在させたこと
で、以下のような効果が得られる。 各層ごとに耐震要素を設け、減衰装置で連結する場
合に比べ、より小さな減衰係数で1次減衰定数のピーク
に達し、かつより大きな減衰定数が得られる。
【0024】 1次固有周期の変化が減衰係数の変化
に対して敏感になり、周期変化が急峻となる。
【0025】 、より、小さい減衰係数で大きな
減衰性、振動低減効果が得られるため、減衰装置の設計
が容易となり、また減衰装置の数を減らすことができ、
建物架構への減衰装置の配置に関する設計も容易とな
る。
【0026】 風振動に対する応答低減に最適な減衰
係数と、比較的規模の大きい地震動に対する応答低減に
最適な減衰係数との差も小さくなるため、両者、それぞ
れに対し振動低減を図る場合にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における耐震要素及び減衰装
置の配置例を示す建物架構の概要図である。
【図2】本発明の他の実施例における耐震要素及び減衰
装置の配置例を示す建物架構の概要図である。
【図3】比較例として各層ごと減衰装置を配置した場合
の建物架構の概要図である。
【図4】(a) は比較例としての各層ごと減衰装置を設け
た場合の解析モデル図、(b) 、(c) は本発明の高減衰建
物における減衰装置の配置例に対応する解析モデル図で
あり、(c) は耐震要素としてのブレースの断面剛性を1
/2とした場合である。
【図5】図4(a) 〜(c) の解析モデルに対する複素固有
値解析結果を示すグラフである。
【図6】本発明で用いる減衰装置を概念的に示した断面
図である。
【図7】本発明で用いる減衰装置の一例を示す装置全体
の概略説明図である。
【符号の説明】
1…建物架構、2…柱、3…梁、4〜7…ブレース 10…減衰装置、11…シリンダー、12…ピストン、
14…油圧室、15…取付部、17…調圧弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 直幹 東京都港区元赤坂1丁目2番7号 鹿島 建設株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−261171(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多層階の建物の柱梁架構に対し、複数層
    にわたる耐震要素を設け、前記柱梁架構と前記耐震要素
    間、または前記耐震要素の中間に、ダンパーとしての減
    衰装置を介在させ、前記建物内に設置した減衰装置の
    衰係数cの値を、複素固有値解析によって求まる前記建
    物の3次の振動モードに対する減衰定数h 3 の最大値を
    与える減衰係数c 3 と、1次の振動モードに対する減衰
    定数h 1 の最大値を与える減衰係数c 1 に対し、 3 ≦c≦c 1 となるように設定した ことを特徴とする高減衰建物。
  2. 【請求項2】 前記耐震要素は2層以上を通して逆V形
    に設けたブレースである請求項1記載の高減衰建物。
  3. 【請求項3】 前記耐震要素は連続する2層の上層階の
    V形ブレースと下層階の逆V型ブレースとを減衰装置を
    介してX形に連結したものである請求項1記載の高減衰
    建物。
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