JP3208093B2

JP3208093B2 - 建築構造物の制振構造

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Publication number: JP3208093B2
Application number: JP19205697A
Authority: JP
Inventors: 辰治石丸; 功一大塚
Original assignee: Kawada Industries Inc
Current assignee: Kawada Industries Inc
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: JPH1122237A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆる動吸振器
と呼ばれるパッシブ系のエネルギー吸収機構を利用して
地震あるいは強風時に建築構造物に作用する振動を制御
する建築構造物の制振構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】地震や強風などによる建物の振動を制御
するための制振構造としては、大別して、地震あるいは
強風時に電気あるいは油圧式アクチュエーターを用いた
外部から供給されるエネルギーを構造物に加えて振動を
低減させようとするアクチィブ（能動的）制振と、外乱
以外の他のエネルギーを加えることなく、構造物の一部
に構造物の振動エネルギーを吸収するためのダンパー装
置を備えて、その振動を抑えようとするパッシブ（受動
的）制振とが知られている。

【０００３】上記の制振構造のうち、アクティブ制振
は、制振エネルギーを外部から与えるので、装置のコス
トを考えなければ制振効果を大きくすることは可能であ
るが、長い年数にわたって装置の性能を維持して信頼性
を常時確保しておくためのメンテナンスを必要とするな
どの問題点を有している。

【０００４】これに対してパッシブ制振は、装置の経済
性から盛んに研究されている。この制振方式には二つの
流れがあり、その一つは、各階もしくは複数の特定階の
壁やブレースと柱・梁との取合い部分などに設置したダ
ンパーによりエネルギーを吸収する減衰器直接設置方式
であって、他の一つは、構造物の頂部に構造物の固有周
期とほぼ同じ固有周期をもつ重りとばねのシステムに減
衰器を付加した装置を設置するマスダンパー方式であ
り、このマスダンパー方式は、装置の固有周期を建物の
周期と同調させるという意味で、同調質量ダンパーとも
呼ばれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のマスダンパーを
用いた制振構造システムには、従来からも多くの提案が
あり、大地震にも対応させるためには、主要構造物の質
量に対して１割以上の補助質量が必要であるとされてい
ることから、このような処理として、主要構造物の上層
の２〜３割を補助質量をとして利用するという考え方が
提案されている。しかし、高層構造物の途中階を構造シ
ステム的に分割することは、当然のことながらそれに応
じて建築計画も大きく変わり、特に設備設計については
当該階で設備システムが分断されることになるため、設
計上大きな困難が生ずるという欠点があった。

【０００６】また、上記のように高層構造物の途中階を
構造システム的に分割することは、構造システムとして
も、補助質量と主要構造物の分断層における剛性が低く
なるので、水平２方向の地震入力に伴うねじれ振動の発
生を抑制することが難しく、ひいては、それによって生
ずる変位に対する余裕度が、設備設計を含めた建築計画
に要求されることになり、結局、大容量の補助質量を有
する構造物の実現を難しくしているという問題点があ
る。

【０００７】また、大容量の補助質量というマスダンパ
ー方式の制振装置を構成する場合には、それに見合う大
きな減衰器を装備しなければならないこと、さらには台
風時の構造物の周期は一般的には短い方が優位であるの
に対して、地震時では実効周期は長い方が有利であると
いう相反する設計上の要求を整然と解決する方法がなか
なか見つからないという問題点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
大容量のマスダンパーを用いた制振構造システムの問題
点を解決することを目的としたものであり、その具体的
手段として、請求項１の建築構造物は、下部構造物上
に、門型もしくはＴ型もしくはそれらの結合型に立設さ
れた第１の構造物と、前記下部構造物に支持され、前記
門型もしくはＴ型等構造物内で、相互に異なる挙動が可
能なように構成された第２の構造物とからなり、前記第
１の構造物と第２の構造物間に、粘性減衰型の減衰装置
と弾塑性履歴型の減衰装置を有していることを特徴とす
る。

【０００９】請求項２の建築構造物は、台風時に、第１
の構造物と第２の構造物との間に効果的な位相差が生ず
るように、第１の構造物と第２の構造物の剛性、弾塑性
履歴型の減衰装置の弾性剛性及び粘性減衰力が調整され
ることを特徴とする。

【００１０】さらに、請求項３の建築構造物は、地震時
に、第１の構造物と第２の構造物との間に効果的な位相
差が生じ、かつ弾塑性履歴型の減衰装置が大きな履歴ル
ープを描けるように降伏耐力が調整されることを特徴と
する。

【００１１】請求項１の発明では、下部構造物上に、門
型もしくはＴ型もしくはその結合型の第１の構造物を立
設することにより、高層構造物の建築計画としての上下
方向の生活動線を確保するとともに、この第１の構造物
が下部構造物と一体であることにより、構造システム上
不足ぎみであったねじれ剛性の向上が確保されることに
なる。

【００１２】しかも第２の構造物を、前記第１の構造物
のふところ内に、相互に異なる挙動が可能になるように
内蔵することで、大容量のマスダンパーとしての役割を
有効な形で分担させることができる。すなわち、第１の
構造物と第２の構造物の挙動差は、第２の構造物の頂
部、側面、底部という第２の構造物の周囲を含む非常に
広い範囲で生じさせることができるので、従来大容量の
マスダンパー方式で要求されている大きな粘性減衰を付
与する空間が確保されることになる。

【００１３】さらに、この制振システムは、補助質量比
を最大の５割に達成させることも可能であり、あたかも
構造物内に異なる２つの構造物を連結させることによ
り、大きな効果を発揮できる２棟連結型制振システムの
ような利点を発揮することができる。

【００１４】また、台風時には、弾塑性履歴型のダンパ
ーは降伏させず、地震時のみに大きな塑性化を許すよう
に設計すれば、構造物全体の固有周期は、台風時には実
効周期を短く、地震時には実効周期を長くすることが可
能となる。

【００１５】さらに、台風時の実効周期が短ければ、要
求される粘性減衰はその分小さくてすみ、地震時には弾
塑性ダンパーの塑性化により、実効周期が伸びるので、
実効粘性減衰定数は増大するという利点も加わり、経済
的な設計を可能としている。

【００１６】さらに、前記第１の構造物と第２の構造物
に異なる挙動が可能なるように空間が構成されるところ
から、これを設備装置の取り替えのための空間としても
利用でき、機械設備のメンテナンスが容易になるという
利点をもたらしている。

【００１７】

【発明の実施の形態】

【実施例】次に、本発明に係る制振構造を備えた建築構
造物の構成を図面に示す実施例について説明すると、図
１は、本発明の建築構造物の正面図であり、この構造物
１０は、下部構造物１１の上に左右１２ａ，１２ｂ及び
上部１２ｃを一体に連結して門形に構成された第１の構
造物としての覆い堂１２と、この覆い堂１２の内側に形
成される空間部内に設置される第２の構造物としての主
要構造物１３との組み合わせにより構造されている。

【００１８】下部構造物１１内がロビー等の空間域、覆
い堂１２の左右側面部１２ａ，１２ｂ内の各階がエレベ
ーター、階段、便所等の各種設備空間域、上部１２ｃ内
が各種機械類の設置空間域として使用され、主要構造物
１３内の各階が事務室等の居住空間域として使用され
る。もちろん、建築計画的には、各構造物の使用形態
は、上記は全く逆の場合も、またその複合形式もあるこ
とはいうまでもない。

【００１９】覆い堂１２の内側面と主要構造物１３の外
側面とは、それぞれの構造物１２及び１３が互いに異な
る方向へ動き得るような所定幅の空間１４を介して配置
されている。すなわち、主要構造物１３はその全体が覆
い堂１２における下部構造物１１の上に支持されように
して、正面と背面を除いた下面、左右両側面及び上面
が、覆い堂１２の内側面にそれぞれ前記所定幅の空間１
４を隔てて嵌め込まれるように配置されている。

【００２０】図１乃至図３に示すように、前記主要構造
物１３の最下面と前記覆い堂１２の下部構造物１１との
間の空間１４には、粘性減衰型の減衰装置１５と弾塑性
履歴型の減衰装置１６がそれぞれ設けられることにより
下部免震層１７が構成され、また、覆い堂１２の内側上
面１２ｃと主要構造物１３の最上面との間の空間１４に
は、同様に粘性減衰型の減衰装置１５と弾塑性履歴型の
減衰装置１６がそれぞれ設けられることで上部免震層１
８が構成されている。さらに、図４に示すように、主要
構造物１３の左右両側面と覆い堂１２の左右側面部１２
ａ，１２ｂとの間の空間１４には、それぞれの複数段の
所定階毎に粘性減衰型の減衰装置１５と弾塑性履歴型の
減衰装置１６が配置されることにより中間制振空間１９
が構成されている。

【００２１】前記空間１４に設けられる減衰装置のう
ち、粘性減衰型の減衰装置１５としては例えばオイルダ
ンパー、弾塑性履歴型の減衰装置１６としては、例えば
鉛プラグ入りアイソレーター、高減衰ゴムアイソレータ
ー、高減衰積層ゴムアイソレーター等が好適に使用され
る。

【００２２】本発明に係る構造物の制振システムは、図
５に示すように、基本的には、質点１，質点２１，質点
２とばねＢ，ばねＢＢで構成される前記主要構造物１３
の下面と、質点０で構成される前記下部構造物１１との
間を、前記下部免震層１７としての粘性減衰型減衰装置
１５と弾塑性履歴型減衰装置１６とにより接続し、主要
構造物１３の上部と覆い堂１２の上部１２ｃに相当する
質点３との間を、前記上部免震層１８としての粘性減衰
型減衰装置１５と弾塑性履歴型減衰装置１６とにより接
続して、覆い堂１２の中間層に相当する質点３１は位相
調整用ばねＡ及びＡＡを介して下部構造物１１に相当す
る質点０と結ばれていて、中間制振空間１９には、覆い
堂１２の途中階の質点３１と、主要構造物１３の途中階
の質点２１との間に粘性減衰型減衰装置１５と弾塑性履
歴型減衰装置１６が設けられているものと理解すること
ができる。

【００２３】ここではより簡単なモデルとして、中間制
振空間１９の効果を無視した図６を考え、その動特性に
より本発明の基本的な特徴を説明する。今、覆い堂１２
を質量ｍ₃とばねｋ₄及び小さな減衰係数ｃ₄で表現
し、主要構造物１３はその主要質量ｍ₂がばねｋ₂及び
小さな粘性減衰係数ｃ₂を介して、主要構造物１３の最
下層の床ｍ₁と結ばれているとする。この床ｍ₁の下の
下部免震層１７には、粘性減衰係数ｃ₁なる粘性減衰型
減衰装置１５と弾性時のばね定数がｋ_e,ep1なる弾塑性
履歴型減衰装置１６が設置されている。また、覆い堂１
２の質量ｍ₃と主要構造物１３の主要質量ｍ₂との間の
上部免震層１８には粘性減衰係数ｃ₃なる粘性減衰型減
衰装置１５と弾性時のばね定数がｋ_e,ep3なる弾塑性履
歴型減衰装置１６が設置されている。

【００２４】表１は、本発明の一つの事例としてのモデ
ルの諸元を示したものである。

【００２５】

【表１】

【００２６】この系に対する弾性時の運動を状態方程式
の形で示すと（１）式となる。

【００２７】

【数１】

【００２８】ｘ₃,ｘ₂,ｘ₁はそれぞれ上部免震層１８の
層間変形、主要構造物１３の主要質量ｍ₂と主要構造物
１３の最下層の床ｍ₁との間の変形、下部免震層１７の
層間変形である。

【００２９】また、Ｍ，Ｃ，Ｋはそれぞれ質量、粘性減
衰、剛性に関わるマトリックスで、本例の場合、次のよ
うになる。

【００３０】

【数２】

【００３１】この場合の状態方程式の解を次の形でおく
ものとする。

【００３２】

【数３】

【００３３】この形式は（３）の第２式から分かるよう
に基準座標を粘性減衰を含む１自由度系として表現する
ためである。

【００３４】表１の諸元を代入して固有値問題

【００３５】

【数４】

【００３６】を解き、各モードの固有円振動数ω_eと粘
性減衰定数ｈ_eを求めると、次のようになる。

【００３７】

【表２】

【００３８】本発明では、台風時には弾塑性履歴型ダン
パーは弾性ばねのみで抵抗するものとしている。したが
って、上記は台風時の構造物の動特性で、１次モードと
して７％の粘性減衰が付されていることを示している。

【００３９】次に、大地震時には上部及び下部免震層の
弾塑性履歴型ダンパーは塑性化し、ｋ_e,ep1とｋ_e,ep3
の塑性化の大きさ、すなわち弾性限変形を１とした時の
最大変形の比率である塑性率μを１０と設定した場合の
効果を算出する。ここでは上述の弾性率の値で定常振動
していると仮定し、これを複素ばねに変換して等価線形
化する。これは弾塑性履歴型ダンパーをバイリニヤ履歴
として、そのバイリニヤ係数ｐ（弾性剛性を１としたと
きの塑性剛性の値）と塑性率μの大きさを与えることに
より、次のように計算される。

【００４０】

【数５】

【００４１】したがって、この時の固有振動問題は次の
ように表現できる。

【数６】

【００４２】この時のＫ_eqは（２）式の剛性マトリック
スの中のｋ_e,ep1とｋ_e,ep3に指定した塑性率の大きさ
に応じて（５）式を利用して求めて複素数を乗じてやれ
ばよい。具体的には塑性率μを１０、バイリニヤ係数ｐ
を０．１にすればＣ＝０．１１６８、Ｓ＝−０．０５４
４となる。

【００４３】この固有値問題の結果は、（３）式の場合
と同じ手順で計算を進めると、つぎのように整理され
る。

【００４４】

【数７】

【００４５】固有値計算の結果は表３に示すとおりであ
る。

【００４６】

【表３】

【００４７】この結果は弾塑性ダンパーが働き、塑性率
が１０程度になると、塑性化の影響で粘性減衰定数は１
次モードでは０．０７０８より０．２４２８に効果が増
大することを示している。また、表中のｃ_j, ｓ_jは
（７）式のω_e,j ²の係数であり、（５）式の第２にｃ
_j, ｓ_jを代入して逆算すると各モードの塑性率とバイ
リニヤ係数、すなわちｊ次モードのモーダル塑性率とモ
ーダルバイリニヤ係数を求めることができる。このこと
は各ばね毎に特定した塑性化の効果を、モード毎の塑性
化の効果として認識できることを示している。

【００４８】すなわち、上記の結果は、各弾塑性ダンパ
ーの塑性率１０としての挙動は、１次モードのモーダル
塑性率では３．６９で、モーダルバイリニヤ係数は０．
３０２という効果に相当していることを表している。塑
性化の効果は減ずるものの粘性減衰の形で応答制御の効
果が現れているのである。一方、２次モード及び３次モ
ードに対しては、粘性減衰の効果はほぼ同等で、弾塑性
ダンパーの効果は塑性率１０が保たれている。

【００４９】図７及び図８は、本発明の別の実施例を示
すものであり、この場合の構造物２０は、下部構造物２
１の上部に中心部２２ａと、この中心部２２ａの上端を
前後左右方向へ突出させた上部２２ｂとが一体に連結さ
れた第１の構造物としての覆い堂２２と、この覆い堂２
２の周囲における空間部内に設置される第２の構造物と
しての主要構造物２３との組み合わせにより構成されて
いる。

【００５０】覆い堂２２の周囲と主要構成物２３の内側
周囲とはそれぞれの構成物２２および２３が互いに異な
る方向へ動き得るような所定幅の空間２４を介して配置
されている。

【００５１】前記覆い堂２２と主要構成物２３との間に
形成される前記空間２４には、粘性減衰型の減衰層２５
と弾塑性履歴型の減衰装置２６がそれぞれ設けられてお
り、これらの減衰装置２５，２６を配置することによ
り、主要構成物２３の下面と覆い堂２２の下部構成物２
１との間には下部免震層２７が、主要構成物２３の上面
と覆い堂２２の上部２２ｃとの間には上部免震層２８が
設けられ、また、主要構成部２３の内側周囲と覆い堂２
２の中心部２２ａの周囲との間の所定階毎に、それぞれ
複数段の中間制振空間２９が設けられるようになってい
る。

【００５２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、下部構成物上に、門型もしくはＴ型もしくはそれら
の結合型の第１の構造物を一体に立設するとことによ
り、構造システム上不足ぎみであったねじれ剛性の向上
が確保することができる。しかも第２の構造物を前記第
１の構造物のふところ内に、相互に異なる挙動が可能な
るように内蔵することで、大容量のマスダンパーとして
の役割を有効な形で分担させることができる。すなわ
ち、第１の構造物と第２の構造物の挙動差は、第２の構
造物の頂部、側面、底部という第２の構造物の周囲全体
を含む非常に広い範囲で生じさせることができるので、
従来大容量のマスダンパー方式で要求されている大きな
粘性減衰を付与する空間が確保することができる。

【００５３】さらに、本発明によれば、補助質量比を最
大の５割程に達成させることも可能であり、あたかも構
造物内に異なる２つの構造物を連結させることより、大
きな制振効果を発揮できる２棟連結制振システムのよう
な利点を発揮することができる。

【００５４】また、本発明によれば、台風時には、弾塑
性履歴型のダンパーは降伏させず、地震時のみ大きな塑
性化を許すように設計すれば、構造物全体の固有周期
は、台風時には実効周期は短く、地震時には実効周期は
長くすることができる。

【００５５】また、台風時の実効周期が短かければ、要
求される粘性減衰はその分小さくてすみ、応答変位はド
リフトを生じず、すなわち一方向に偏る挙動とはならな
い。しかも、地震時には弾塑性ダンパーの塑性化によ
り、実効周期が伸びるので、有効粘性減衰定数は増大す
るという利点も加わり、経済的で制振効果の高い設計が
可能となる。

【００５６】さらに、本実施例のように、前記第１の構
造物と第２の構造物に異なる挙動が可能なような空間が
構成されるところから、これを設備装置の取り替えのた
めの空間としても利用でき、機械設備のメンテナンスが
容易になるという利点をもたらすことができる。

【００５７】さらに、本実施例のように、下部構造物上
に門型の第１の構造物である覆い堂を立設し、その左右
側面部内の各階がエレベーター、階段、便所等の各種設
備空間域、覆い堂の最上部を各種機械類の設備空間域と
して使用し、下部構造物内をロビー等の空間域、覆い堂
の内懐に配置される主要構造物内の各階を事務室等の居
住空間域として使用すれば、高層構造物の建築計画とし
ての上下方向の生活動線を確保するとともに、この第１
の構造物が下部構造物と一体であることにより、従来の
大容量マスダンパー方式のねじれ剛性の不足ぎみという
不安を確実に解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制振構造を備えた構造物の正面
図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。

【図３】同じく図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面
図。

【図４】同じく図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。

【図５】本発明の制振システムの基本構成図。

【図６】図５の制振システムの振動モデル図。

【図７】別の実施例を示す構造物の正面図。

【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。

【符号の説明】

１０，２０：構造物１１，２１：下部構造部１２，２２：覆い堂１３，２３：主要構造物１４，２４：空間部１５，２５：粘性減衰型減衰装置１６，２６：弾塑性履歴型減衰装置１７，２７：下部免震層１８，２８：上部免震層１９，２９：中間制振空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大塚功一東京都北区滝野川１丁目３番11号川田工業株式会社内 (56)参考文献特開平７−11809（ＪＰ，Ａ) 特開平７−324517（ＪＰ，Ａ) 特開平９−25736（ＪＰ，Ａ) 特開平２−101267（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E04H 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下部構造物上に、門型もしくはＴ型もしく
はそれらの結合型に立設された第１の構造物と、前記下
部構造物に支持され、前記門型もしくはＴ型等の第１の
構造物のふところ内の上面、下面、左右両側面に、前記
第１の構造物とは相互に異なる挙動が可能となるような
空間を隔てて配置される第２の構造物とからなり、前記
第１の構造物と第２の構造物との間の前記上面、下面、
左右両側面の前記各空間内に、粘性減衰型の減衰装置と
弾塑性履歴型の減衰装置とからなる下部免震層、上部免
震層、左右の中間制振空間とが設けられていることを特
徴とする建築物構造物の制振構造。
【請求項２】台風時に、第１の構造物と第２の構造物と
の間に効果的な位相差が生ずるように、第１の構造物と
第２の構造物の剛性、弾塑性履歴型の減衰装置の弾性剛
性及び粘性減衰力が調整されることを特徴とする請求項
１に記載の建築物構造物の制振構造。
【請求項３】地震時に、第１の構造物と第２の構造物と
の間に効果的な位相差が生じ、かつ弾塑性履歴型の減衰
装置が大きな履歴ループを描けるように降伏耐力が調整
されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
建築物構造物の制振構造。