JP4986506B2 - 建物の制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、地震や風や交通振動などによって生じる建物の揺れを抑えるための建物の制振構造に関するものである。

従来、地震などによって発生する建物の揺れを低減して、建物の損壊や居住者の安全性を高める制振構造が知られている（特許文献１など参照）。

この制振構造としては、例えば、柱と梁やそれらの接合部に、粘弾性ダンパー、粘性ダンパー、オイルダンパーなどの制振ダンパーを配置して、地震時に建物に入力された振動エネルギーをその制振ダンパーに吸収させて振動を減衰させる構造がある。

また、特許文献１には、矩形に組まれた建物の骨組み部材に配置するブレース材に弾性ばねを備えた制振ダンパーを使用し、地震後に弾性ばねによって制振性能を復元させる技術が開示されている。
特開２００３−４９５５７号公報

しかしながら、前記した従来の建物の制振構造は、建物に部分的に配置された制振ダンパーだけで振動エネルギーを吸収させるものであり、上階の揺れを低減させる効果は小さかった。

また、小規模な地震では、建物の変形量（層間変形）が少ないために、制振ダンパーの変形量も少なくその機能が発揮できない場合があった。

そこで、本発明は、小規模な振動が建物に入力された場合でも効果的に建物の揺れを低減できる建物の制振構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の建物の制振構造は、壁の少なくとも一部が壁パネルによって形成された建物の制振構造であって、前記壁パネルの前記建物の構造体への固定又は解除をおこなう連結切替手段が備えられ、前記建物又はそれを支持する地盤に発生する振動の周波数によって前記連結切替手段の切り替えをおこなうことを特徴とする。

ここで、前記建物又はそれを支持する地盤の振動を計測するセンサーと、前記センサーによって計測された振動の周波数を判定する判定部とが備えられている構成とすることが好ましい。

また、前記建物は多層構造であって、前記連結切替手段を備えた壁パネルが一階の複数箇所に配設され、前記振動の周波数によって前記連結切替手段を作動させる位置を決定するように構成することができる。

さらに、前記連結切替手段は、凸部とその凸部を上下方向に可動させるアクチュエータとから構成することができる。

このように構成された本発明の建物の制振構造は、梁や柱などの建物の構造体に固定又は解除の切替が可能な壁パネルを備えており、この固定又は解除の切り替えを建物に入力される振動の周波数によっておこなう。

すなわち、建物の固有振動数は、壁パネルを建物の構造体に固定すると高くなり、解除すると低くなるので、振動の周波数と建物の固有振動数が一致しないように連結切替手段を制御することで、建物の揺れを低減することができる。

また、振動を計測するセンサーとその計測結果を判定する判定部とを備えることで、地震以外の交通振動や風などによる建物固有の局所的な振動に対しても制振機能を発揮させることができる。

さらに、一階の複数箇所に連結切替手段を備えた壁パネルを配置することで、固定される壁パネルと連結が解除される壁パネルの位置の組み合わせによって、建物の固有振動数を多段階に変化させることができる。

また、連結切替手段を凸部とその凸部を上下動させるアクチュエータとによって構成することで、簡単な構成で壁パネルを構造体に固定したり連結を解除したりすることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の建物の制振構造の構成を説明するためのブロック図である。

まず、建物１の構成から説明すると、この建物１は図２の平面図及び図３の立面図（図２のＡ−Ａ矢視図）に示すような戸建て住宅であって、基礎部１０の上に一階１１と二階１２が積層された多層構造となっている。

この建物１は、図２の一階１１の平面図に示されているように、外壁が複数の壁パネル（２，２１，２３）で構成されている。すなわち、建物１の四隅には平面視Ｌ字形の角部パネル２３，・・・が配置され、その角部パネル２３，２３間には建物１に固定する固定パネル２１，・・・、窓などの開口部２２，・・・、固定と解除の切替が可能な調整パネル２が配置される。

この調整パネル２は、図３に示すように、建物１の構造体としての床梁１１ａや天井梁１１ｂに対して固定したり、連結を解除したりすることができるように構成されている。

この調整パネル２の固定と解除をおこなう連結切替手段は、図４に示すように例えば壁パネル２の幅方向の略中央であって、上部と下部の２箇所にそれぞれ設けられた凸部２ａ，２ａとアクチュエータ２ｂ，２ｂとによって構成される。

この凸部２ａは、床梁１１ａや天井梁１１ｂに穿孔された孔２ｄに抜き差しさせるピン状の部材で、この凸部２ａをアクチュエータ２ｂによって上方に移動させたり下方に移動させたりする。

このアクチュエータ２ｂの作動は、電磁石によるものであっても、油圧や空気圧などの流体圧によるものであってもいずれの機構であってもよい。

そして、調整パネル２の上部の凸部２ａが上方に移動し、下部の凸部２ａが下方に移動したときに調整パネル２は天井梁１１ｂ及び床梁１１ａに固定され、上部の凸部２ａが下方に移動し、下部の凸部２ａが上方に移動したときに調整パネル２と天井梁１１ｂ及び床梁１１ａとの連結は解除される。

また、床梁１１ａと天井梁１１ｂとの間には、調整パネル２の幅に合わせて間柱１１ｃ，１１ｃが立設されている。この間柱１１ｃは、壁パネル（２，２１，２３）を取り付けるために立設されるもので、建物１の構造体といえるものではない。

この間柱１１ｃ，１１ｃの上下方向の略中央において、図４に示すように調整パネル２をピン支持用ボルト２ｃ，２ｃで連結しておくことで、凸部２ａ，２ａによる連結が解除された際にも調整パネル２が建物１から脱落しないようにしておく。

このピン支持用ボルト２ｃ，２ｃは、回転を拘束しないピン支承であり、このピン支持用ボルト２ｃ，２ｃによって調整パネル２と間柱１１ｃ，１１ｃとを連結しておけば、調整パネル２が間柱１１ｃ，１１ｃに対して上下左右方向に移動することはない。

また、凸部２ａ，２ａによる連結が解除されているときは、調整パネル２は構造体である床梁１１ａや天井梁１１ｂの変形を拘束しないので、建物１全体の剛性が変化して固有振動数も変わることになる。

すなわち、床梁１１ａ及び天井梁１１ｂに固定された調整パネル２の数が多いほど建物１は硬くなって固有振動数が高くなり、床梁１１ａ及び天井梁１１ｂとの連結が解除された調整パネル２が多いほど建物１はやわらかくなって固有振動数が低くなる。

このような調整パネル２は、本実施の形態では、図２に示すように角部パネル２３と開口部２２との間の８箇所に配置される。

そして、この調整パネル２，・・・のすべてが床梁１１ａ及び天井梁１１ｂに固定されているときが最も建物１の剛性が高くなり、固有振動数も大きくなる。また、すべての調整パネル２，・・・と床梁１１ａ及び天井梁１１ｂとの連結が解除されているときが最も建物１の剛性が低くなり、固有振動数も小さくなる。

一方、地震や風や交通振動などによって建物１を支持する地盤７や建物１自体に発生する振動は、センサーとしての加速度センサー３で計測する。

この加速度センサー３は、例えば水平動２成分及び上下動１成分の３方向成分の揺れの加速度を時系列で測定するセンサーで、図２に示すように建物１の基礎部１０の略中央に設置しておく。

この加速度センサー３によって検出された加速度信号は、図１に示すようにフィルター回路部４に伝送される。このフィルター回路部４と加速度センサー３は、信号伝送中にノイズが混入しないようにシールド線（図示せず）によって接続される。

このフィルター回路部４では、地震などの建物１を揺らす振動と関係の低い周波数の振動をカットし、主要成分となる振動だけを取り出す。すなわち、地震の周波数は、多くの場合、数Ｈｚ〜数十Ｈｚであり、高くても20〜30Ｈｚ程度であるため、フィルター回路部４のバンドパスフィルタでノイズを除去して地震の主要成分の振動だけを取り出すことができる。

図５に、４つの地震の周波数と加速度の関係を示した図を列挙した。

図５（ａ）は、兵庫県南部地震の周波数と加速度の関係を示した加速度応答スペクトル図で、3Ｈｚ付近の周波数の揺れが最も加速度が大きくなっており、この周波数が兵庫県南部地震の卓越振動数といえる。

例えば建物１の固有振動数を3〜7Ｈｚの間であるとすると、地震の卓越振動数である3Ｈｚと一致する固有振動数を持つ柔らかい建物１は共振現象を起こして激しく揺れる可能性が高い。

これに対して、固有振動数が7Ｈｚの硬い建物１は、地震の卓越周波数3Ｈｚと離れているため、共振現象が発生し難いといえる。

一方、地震が異なると卓越周波数も変化することになり、図５（ｂ）に示す想定東海地震では1Ｈｚ付近と2.5Ｈｚ付近という２つの卓越した周波数が現れたが、兵庫県南部地震と同様に低周波数の地震といえる。これに対して、中越地震（図５（ｃ））では卓越周波数が4.5Ｈｚ付近となり、千葉地震（図５（ｄ））では卓越周波数が5Ｈｚ付近と10Ｈｚ付近となっているため、硬い建物１の方が共振現象を起こしやすく、揺れが激しくなる可能性がある。

そこで本実施の形態では、図１に示すように0〜8Ｈｚまでの周波数の振動を、第１周波数４１（0〜2Ｈｚ）、第２周波数４２（2〜4Ｈｚ）、第３周波数４３（4〜6Ｈｚ）、第４周波数４４（6〜８Ｈｚ）の４つの帯域に分けて取り出す。

そしてフィルター回路部４で取り出された周波数を判定回路部５に送り、加速度センサー３で計測された振動の卓越周波数を前記した４段階で判定する。

この４帯域の周波数に対しては、それぞれ建物１の固有振動数をどのように変更するかが予め決められて記憶されている。

例えば振動が第１周波数４１及び第２周波数４２と判定されたときには、建物１の固有振動数を高くして硬い構造物にするために、８枚の調整パネル２，・・・のすべてを床梁１１ａ及び天井梁１１ｂに固定するための信号を生成する。

また、振動が第３周波数４３及び第４周波数４４と判定されたときには、建物１の固有振動数を低くしてやわらかい構造物にするために、８枚の調整パネル２，・・・のすべてに対して床梁１１ａ及び天井梁１１ｂとの連結を解除する信号を生成する。

さらに、振動が第１周波数４１と第４周波数４４というように低周波数と高周波数の両方が卓越している判定された場合は、８枚の調整パネル２，・・・のうち例えば４箇所の調整パネル２，・・・の連結を解除して、建物１の固有振動数が中程度になるように調整する。

ここで、どの位置の調整パネル２，・・・の連結を解除するとどの程度の固有振動数の建物１になるかは、予め解析又は実験しておき、そこで得られた結果に基づいて振動毎の固定及び解除の制御データを判定回路部５に記憶させておく。

そして判定回路部５で生成された信号を切替制御部６に伝送し、その信号に従って所定のアクチュエータ２ｂ，・・・を作動させて凸部２ａ，・・・による固定と解除の切り替えをおこなう。

次に、本実施の形態の建物の制震構造の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の建物１の制振構造は、床梁１１ａや天井梁１１ｂなどの建物１の構造体に固定又は解除の切替が可能な調整パネル２を備えており、この固定又は解除の切り替えを建物１に入力される振動の周波数によっておこなう。

すなわち、建物１の固有振動数は、調整パネル２を建物１の構造体に固定すると高くなり、解除すると低くなるので、振動の周波数と建物１の固有振動数が一致しないように凸部２ａを抜き差しすることで、建物１の揺れを低減することができる。

例えば建物１が二階建ての場合、従来の制振構造では二階１２の揺れを地震動の１／２程度までにしか低減できなかったが、本実施の形態のように建物１の固有振動数を調整することで、二階１２の揺れを地震動の１／８程度まで大幅に低減することができる。

また、建物１が振動を計測する加速度センサー３とその計測結果を判定する判定回路部５とを備えることで、地震以外の交通振動や風などによってその建物１にだけ発生する局所的な振動に対しても制振機能を発揮させることができる。

さらに、一階１１の複数箇所に調整パネル２，・・・を配置することで、固定される調整パネル２，・・・と連結が解除される調整パネル２，・・・の位置の組み合わせによって、建物１の固有振動数を多段階に変化させることができる。

また、連結切替手段を凸部２ａとその凸部２ａを上下動させるアクチュエータ２ｂとによって構成することで、簡単な構成で調整パネル２を床梁１１ａや天井梁１１ｂの孔１１ｄに差し込んで固定したり連結を解除したりすることができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、加速度センサー３が建物１の基礎部１０に設置された場合について説明したが、これに限定されるものではなく、建物１から離れた場所に設置されたセンサーによって建物１を支持する地盤の振動又は振動の周波数を予測した結果を受信し、その結果によって連結切替手段を作動させる構成であってもよい。例えば、気象庁の地震観測データを受信して連結切替手段を作動させる構成であってもよい。

また、前記実施の形態では、建物１の一階１１の角部に近い８箇所の壁パネルを調整パネル２にした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、一階１１のすべての壁パネルを調整パネル２のように固定と解除の切り替えをおこなうことができる構成にしてもよい。

さらに、前記実施の形態では、凸部２ａと孔１１ｄによって固定又は解除をおこなったが、これに限定されるものではなく、ディスクブレーキのように挟持によって固定又は解除をおこなう構成であってもよい。このような構成であれば、卓越する周波数が時間を置いて複数現れた場合でも、建物１が揺れている最中に任意の位置で調整パネル２を固定して固有振動数を変更することができる。

本発明の最良の実施の形態の建物の制振構造の構成を説明するためのブロック図である。 建物の一階の平面図である。 図２のＡ−Ａ方向から見た建物の立面図である。 調整パネルの構成を説明する部分拡大図である。 複数の地震の周波数と加速度の関係を示した加速度応答スペクトル図である。

符号の説明

１ 建物
１１ａ 床梁（構造体）
１１ｂ 天井梁（構造体）
２ 調整パネル（壁パネル）
３ 加速度センサー（センサー）
５ 判定回路部（判定部）

Claims (7)

1. 壁の少なくとも一部が壁パネルによって形成された建物の制振構造であって、
   間柱にピン支持された前記壁パネルの前記建物の構造体への固定又は解除をおこなう連結切替手段が該壁パネルの上部及び下部に備えられ、
   前記建物又はそれを支持する地盤に発生する振動の周波数によって前記連結切替手段の切り替えをおこなうとともに、
   前記建物又はそれを支持する地盤の振動を計測する、周波数の段階的な区分が可能なフィルター回路部が接続された加速度センサーと、前記加速度センサーによって計測されるとともに、前記フィルター回路部によって段階的に区分けされた振動の周波数を判定する判定部とが備えられていることを特徴とする建物の制振構造。
2. 前記フィルター回路部と前記加速度センサーとは、シールド線によって接続されていることを特徴とする請求項１に記載の建物の制振構造。
3. 前記フィルター回路部には、バンドパスフィルタが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の建物の制振構造。
4. 振動毎の固定及び解除の制御データを前記判定部に記憶させておくことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の建物の制振構造。
5. 壁の少なくとも一部が壁パネルによって形成された建物の制振構造であって、
   間柱にピン支持された前記壁パネルの前記建物の構造体への固定又は解除をおこなう連結切替手段が該壁パネルの上部及び下部に備えられ、
   前記建物又はそれを支持する地盤に発生する振動の周波数によって前記連結切替手段の切り替えをおこなうとともに、
   前記建物から離れた場所に設置されたセンサーによって前記建物を支持する地盤の振動又は振動の予測した結果を受信し、その結果によって前記連結切替手段を作動させる構成であることを特徴とする建物の制振構造。
6. 前記建物は多層構造であって、前記連結切替手段を備えた壁パネルが一階の複数箇所に配設され、前記振動の周波数によって前記連結切替手段を作動させる位置を決定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の建物の制振構造。
7. 前記連結切替手段は、凸部とその凸部を上下方向に可動させるアクチュエータとから構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の建物の制振構造。

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