JP5251936B2 - 構造物の制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、同一又は接近した振動特性を有する複数のビルやタワー等の構造物を振動振幅の異なる場所で連結し、構造物同士の相互作用力を利用して、一蓮托生に構造物を振動制御する制振構造に関する。

現在、ビルの高層化が進んでいる。しかし、ビルの高層化が進めば進むほど、ビルの剛性が低くなり、固有振動数が低下する。そのため、風などの外乱によって、振動が起こり易くなる。これらの振動は居住性の悪化や、ビルの破損の原因となる。阪神淡路大地震によって、１０階建てのビルが壊滅的破壊を招いたり、高層ビルが破壊に至らなくとも大きな被害を受けた。そこで、この問題を解決するために振動制御が必要となる。そのために従来、高層ビルの制振方法の研究は数多くなされてきた。中でも、錘の慣性力を利用したアクティブマスダンパー（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ、以下、ＡＭＤと略称）方式がよく知られている。しかし、この方式は、風などの中小レベルの外乱に対して有効であるが、大きな制振力を得ることが難しいために大地震に対応できない。さらに、ビルが更に超高層化するとビルの固有振動数が低下するので、慣性力を制御力として利用しているＡＭＤ方式では十分な制御力が得られず、風による揺れさえ制御できないという問題がある。

それらの問題を解決するために提案された制振法が連結制振方式である。これは、ビル等の構造物と構造物とをダンパやアクチュエータなどの制振装置で連結することにより、互いの作用・反作用力を制御力として利用して、ビル等の構造物相互の振動を制御する方式である。この方式はＡＭＤ方式に比べて大きな制御力が得られ、しかもその制御力は振動数に依存しないので、超高層ビルの風による揺れのみならず大地震にも対応できる。この方式は、晴海再開発地区のトリトンスクエアに建設された３棟の高層ビル（トリトンタワーズ）を２機のアクティブブリッジと呼ばれる制振装置で連結してこれら高層ビルの風による揺れを制御するためにすでに実用化されている。

特開平７−１９０１３６号公報

しかし、上記の提案された連結制振方式では、同一高さを有して固有振動数の同じビル同士の制御は不可能であり、また連結された構造物の固有振動数が近づくと、その制振効果は低下する。また、同一高さを有する複数のビルを、上記方式で制御する要請もあるが、ビルの固有振動数が接近するためにこの方式を採用することは困難である。また、連結制振方式は、複数のビルや構造物の相互反力を活用して制御する方法なので、独立したビルや構造物には採用できないと言う本質的な問題もある。

以上述べたように、従来のＡＭＤ方式はビルの風や小地震の制御にしか適用できない上に、５００メートルを超える超高層ビルにはＡＭＤ方式の適用は困難である。そこで提案されたのが連結制振方式であるが、この方式はビルとビル、あるいはタワー構造物同士を制振装置で連結して振動を制御する方法であって、相互の固有振動数が異なる場合に有効である。しかし、ビルやタワー構造物相互の固有振動数が等しい場合には作用・反作用力が得られず、振動制御ができない。また、固有振動数が異なっていたとしても、それが接近している場合は振動制御の効果は僅かである。

また、ビルやタワー構造物が独立して立っている場合に、上記連結制振方式を適用するには、外塔と内塔とに分けてビルやタワー構造物を建設し、両者を制振装置で連結することになるが、その場合は外塔と内塔との間に剛性に大きな差が生じるので、剛性の大きい外塔を制御するために内塔が大きく揺れることになり、肝心の外塔が制御できないという問題もある。

本発明は前記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、互いに同一又は接近した固有振動数を有する構造物の振動を効果的に制御でき、風による揺れは勿論のこと大地震に対しても対応することができる上に、簡単に最適設計が可能な制振構造を提供することにある。

本発明の複数の構造物の制振構造は、同一又は接近した固有振動数を有する少なくとも一対の構造物をその振動振幅の異なる部位で連結手段を介して連結し、一対の構造物同士の相互作用力により当該一対の構造物の振動を制御するようにしたものである。

本発明では、連結手段により一対の構造物をその振動振幅の異なる部位で連結し、斯かる一対の構造物同士の相互作用力により当該一対の構造物の振動を制御するようにしたものであるために、大きな相互作用力が得られる結果、構造物の振動を効果的に制御でき、風による揺れは勿論のこと大地震に対しても対応することができる。

本発明は、対称構造物、並立する同一高さ若しくは同一若しくは接近した振動特性を有する一対の構造物、同一高さをもつ複数の中層、高層、超高層ビル等の構造物、更には例えば宇宙ステーション用太陽電池パドルや平行に置かれた配管系等の構造物に適用でき、一般の柔軟構造物の風による揺れから大地震による揺れの制振まで幅広く適用でき、更に本発明によれば、構造物の高さが同じでなくとも、固有振動数が接近している場合は、従来の連結制振方式では得ることができない程度の大きな制振性能を得ることができる。

また本発明の構造物の制振構造は、一個の構造物を分割して少なくとも一対の分割構造物を形成し、この分割された一対の分割構造物をその振動振幅の異なる部位で連結手段を介して連結し、一対の分割構造物同士の相互作用力により当該一対の分割構造物の振動を制御するようにしたものである。

斯かる制振構造によれば、一対の分割構造物同士の相互作用力により当該一対の分割構造物の振動を制御するようにしたものであるために、１棟のビル等を分割構造にした構造物であっても、大きな相互作用力が得られる結果、構造物の振動を効果的に制御でき、風による揺れは勿論のこと大地震に強い構造物を提供できる。

本発明において、連結手段は、好ましくは、制振装置と弾性装置とを有しており、この場合、制振装置と弾性装置とは直列に配されているとよい。

制振装置の好ましい例として、油圧ダンパ、磁気ダンパ、摩擦ダンパ、粘性ダンパ、粘弾性ダンパ等を挙げることができるが、より好ましい例としては、永久磁石等を用いた磁気ダンパを挙げることができる。弾性装置の好ましい例として、コイルバネ、片持ち梁等を挙げることができる。

本発明では、振動制御の対象となる振動レベルによって制振装置を選択すれば幅広い振動問題に対処できる。例えば、超高層ビルの風による揺れの制御には、アクティブ制振装置が適している。また、大地震にはアクティブ制振装置では不経済であり、エネルギー消費のないダンパや、少ない可変減衰ダンパなどを選択すればよい。本発明では、制振装置にダンパを用いた場合の最適設計法を得ているので、それを用いれば大地震にも効果的に対処できる。さらに連結手段をオイルダンパなどのパッシブ機器とアクティブ機器とを組み合わせてハイブリッド化することで大地震にも対応できる。

また本発明の制振構造は、上記のいずれかの制振構造において最適振動減衰が得られるように、連結手段のバネ剛性と減衰係数とを、一対の構造物の夫々を連結部位で分けられた２質点モデルで表した場合に得られる制振構造の等価モデルに基づいて決定してなるものである。

斯かる本発明は、一対の連結手段を介して連結された一対の構造物の夫々を連結部位で分けられた２質点モデルで表した場合に、各々簡単な等価モデル（動吸振器型モデル）に縮退できることの知見に基づくものであり、この等価モデルを用いれば、連結手段に例えば片持ち梁状構造物とダンパとを用いたとき、これら片持ち梁状構造物をバネで表したときのバネ剛性とダンパの減衰係数との値を最も効果的に制振できるという観点から決定することができ、而して、最適設計が容易に可能となるのである。

本発明では、連結手段は、上記のような制振装置と弾性装置とを有していてもよいが、制振装置と弾性装置との両方の機能を兼ね備えたもの、例えば減衰機能と弾性機能とを有した減衰バネ装置を具備していてもよい。

互いに同一又は接近した固有振動数を有する構造物の振動を効果的に制御でき、風による揺れは勿論のこと大地震に対しても対応することができる上に、簡単に最適設計が可能な連結制振構造を提供することができる。

本発明による好ましい実施例の斜視説明図である。 図１に示す例の制振効果を確認するためのビル模型構造物の説明図である。 図２に示す例のビル模型構造物と振動モード形との説明図であって、（ａ）はビル模型構造物の説明図、（ｂ）は一次振動モードの説明図、（ｃ）は二次振動モードの説明図である。 ２自由度系モデルと物理パラメータとの説明図である。 連結された２自由度系モデルと物理パラメータとの説明図である。 図５に示す２自由度系モデルの等価モデルの説明図である。 質点１の周波数応答曲線図である。 インパルス応答曲線図である。 実験で得られた周波数応答曲線図である。 実験で得られたインパルス応答曲線図である。 本発明による好ましい他の実施例の正面説明図である。 図１１に示す例の一部拡大説明図である。 本発明による好ましい更に他の実施例の正面説明図である。 本発明による好ましい更に他の実施例の正面説明図である。 本発明による好ましい更に他の実施例の正面説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図に示す例に基づいて更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら例に何等限定されないのである。

図１に示す制振構造１は、互いに同一又は接近した固有振動数を有して同一振動特性をもつ一対の構造物、本例では塔状の構造物であるビル２及び３を、その振動振幅の異なる部位４、５、６及び７で一対の連結手段８及び９を介して連結し、ビル２及び３同士の相互作用力により当該ビル２及び３の振動を制御するようにしたものである。

ビル２及び３の夫々は基礎１０上に構築されており、連結手段８は、一端でビル２の上端である部位４に固着された弾性装置としての片持ち梁１１と、一端で片持ち梁１１の下方端である自由端１２に連結されていると共に他端でビル３の上端よりも下方の部位５に連結されている制振装置としてのダンパ１３とを有しており、片持ち梁１１は、部位４を支点として自由端１２側で弾性的に略水平方向に揺動可能となっており、ダンパ１３は、略水平方向において伸縮自在となっていると共に斯かる略水平方向の振動伸縮においてその振動を減衰させるようになっている。

連結手段９は、一端でビル３の上端である部位６に固着された弾性装置としての片持ち梁１５と、一端で片持ち梁１５の下方端である自由端１６に連結されていると共に他端でビル２の上端よりも下方の部位７に連結されている制振装置としてのダンパ１７とを有しており、片持ち梁１５もまた、片持ち梁１１と同様に、部位６を支点として自由端１６側で弾性的に略水平方向に揺動可能となっており、ダンパ１７は、ダンパ１３と同様に、略水平方向において伸縮自在となっていると共に斯かる略水平方向の振動伸縮においてその振動を減衰させるようになっている。

連結手段８及び９を含めて対称構造をもつ図１に示す制振構造１の動作解析及び作用効果を確認するために、制振構造１に相当する図２に示すような模型制振構造Ａを作成した。模型制振構造Ａにおいて、２Ａは、ビル２に、３Ａはビル３に、１１Ａは片持ち梁１１に、１３Ａはダンパ１３に、１５Ａは片持ち梁１５に、１７Ａはダンパ１７に夫々相当し、ビル２に相当するビル模型２Ａは、図３の（ａ）に示すように、高さ１０００［ｍｍ］、幅１５０［ｍｍ］、厚さ２［ｍｍ］のアルミ製の２枚の平板２１と、縦１５０［ｍｍ］、横８０［ｍｍ］、厚さ２５［ｍｍ］のアクリル製の２枚の板２２とからなり、ダンパ模型１３Ａを取り付けるために２階層構造物にしてあり、下端から３０［ｍｍ］までを完全固定している。図３の（ｂ）及び（ｃ）には、ビル模型２Ａのモード解析によって得られた一次モード（４．１６Ｈｚ）及び二次モード（１１．１４Ｈｚ）の振動モード形を夫々実線で示す。ビル３に相当するビル模型３Ａも、ビル模型２Ａと同様に形成されている。

本解析では、制御対象モードは一次及び二次モードとし、低次元化物理モデル作成法を用いて２自由度系に低次元化する。一次モードは最上階で、二次モードは中層階でそれぞれ同定する。図４にビル模型２Ａにおける２自由度系の概略図と物理パラメータを示す。ここで、ｍ_１は、ビル模型２Ａ及び３Ａの夫々における上階の質量であって、０．６３７９（ｋｇ）、ｍ_２は、ビル模型２Ａ及び３Ａの夫々における下階の質量であって、０．８８９３（ｋｇ）、ｋ_１０は、ビル模型２Ａ及び３Ａの夫々の全体のバネ剛性であって、−１４０．６５（Ｎ／ｍ）、ｋ_１２は、ビル模型２Ａ及び３Ａの夫々の上階のバネ剛性であって、１５１３（Ｎ／ｍ）、ｋ_２０は、ビル模型２Ａ及び３Ａの夫々の下上階のバネ剛性であって、１５３９（Ｎ／ｍ）である。

図５に、片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａをバネとして表し、直列に配された斯かる片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａ並びにダンパ模型１３Ａ及び１７Ａで互いに連結した時の模型制振構造Ａの解析モデルを示し、ｍ_１１は、ビル模型２Ａにおける上階の質量、ｍ_１２は、ビル模型２Ａにおける下階の質量、ｋ_１１０は、ビル模型２Ａ全体のバネ剛性、ｋ_１１２は、ビル模型２Ａの上階のバネ剛性、ｋ_１２０は、ビル模型２Ａの下上階のバネ剛性、ｍ_２１は、ビル模型３Ａにおける上階の質量、ｍ_２２は、ビル模型３Ａにおける下階の質量、ｋ_２１０は、ビル模型３Ａ全体のバネ剛性、ｋ_２１２は、ビル模型３Ａの上階のバネ剛性、ｋ_２２０は、ビル模型３Ａの下上階のバネ剛性、ｋは、片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａの夫々のバネ剛性、そして、ｃは、ダンパ模型１３Ａ及び１７Ａの夫々の減衰係数である。ここで、模型制振構造Ａでは一対の互いに同一振動特性をもつビル模型２Ａ及び３Ａを並列に配しているので、左右の２自由度系モデルは同じ物理パラメータを有することになる。このモデルの特徴は、片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａ（バネ要素）とダンパ模型１３Ａ及び１７Ａ（減衰要素）とが直列に配置されていることにある。また、この連結されたモデルは左右対称であるので、地面（基礎１０）加振時においては図６のような簡単な等価モデルとして表せる。これは動吸振器型モデルに他ならないので、動吸振器の最適設計法を参考に最適設計のためのパラメータを導出できる。

本発明では、制振構造１の最適設計法には、動吸振器の設計に用いられている定点理論を適用する。図６によれば、基礎１０の変位ｕに対する質点１の変位ｘ１の周波数応答曲線は図７のようになる。一点鎖線は減衰係数ｃがゼロの場合の応答であり、点線は減衰係数ｃが無限大の場合の応答である。この周波数応答には交点（小円で示す）が３つ存在する。減衰が変わっても全て周波数応答曲線はこの交点を通るので、これを定点という。したがって、定点を最大値とするような応答曲線を作る条件を求めれば連結手段８及び９の最適設計となる。その設計手順は以下のようになる。

１．減衰係数ｃがゼロの場合と無限大の場合の周波数応答曲線を描き、バネ剛性ｋの値を変化させて、３つの交点(定点)の内、一次モードに関する低周波数の定点の高さが低くなる様なバネ剛性ｋの値を決定する。
２．低周波数の定点で、周波数応答曲線が最大値を持つ減衰係数ｃを決定する。

以上の手順によって、最適バネ剛性ｋ_ｏｐｔ＝２８００［Ｎ／ｍ］、最適減衰係数ｃ_ｏｐｔ＝３３［Ｎｓ／ｍ］となる。

これらの最適値を用いて周波数応答曲線を計算したものを図７の実線で示す。大地震でビルを破壊に至らしめるのは一次モードの振動であるが、この一次モードの共振ピークが良く抑制されており、しかもそのピーク値は定点を通っていることから、連結手段８及び９のバネ剛性ｋと減衰係数ｃとが最適に設計されていることになる。この時の、地面をインパルス的に加振したことによる質点１のインパルス応答を図８に示す。ビル模型２Ａ及び３Ａの振動が速やかに減衰していることが分かる。これは一対のビル模型２Ａ及び３Ａで同時に同じに減衰されている。

以上のように得られたシミュレーション結果を実験的に確認することにより、本発明の効果を示す。最適設計されたバネ剛性ｋ_ｏｐｔと減衰係数ｃ_ｏｐｔとを基に連結手段８及び９に係る片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａとダンパ模型１３Ａ及び１７Ａとを作成した。

片持ち梁模型１１Ａ及び１５Ａは厚さ６［ｍｍ］×長さ５５０［ｍｍ］×幅５０［ｍｍ］のアルミ製で、厚さは最適バネ剛性ｋ_ｏｐｔを使って、理論式より決定した。また、ダンパは、銅板と磁石とを使った磁気ダンパであり、最適減衰係数ｃ_ｏｐｔをもつように、理論式を用いて設計した。

図９の周波数応答より、シミュレーションと同様に各共振ピークがよく低減されている。また、図１０のインパルス応答でも、振動発生から約３［ｓｅｃ］と振動が素早く収束しており、本発明の効果が示されている。

以上のように制振構造１において連結手段８又は９のバネ剛性ｋと減衰係数ｃとを、一対のビル２及び３の夫々を連結部位５及び７で分けられた図５に示す２質点ｍ_１１及びｍ_１２並びにｍ_２１及びｍ_２２モデルで表した場合に得られる図６に示す制振構造１の等価モデルに基づいて決定して、最適振動減衰が得られるようにしている。

図１１及び図１２に示す他の例の制振構造１では、ビル２の頂部である部位４に連結手段８の片持ち梁１１が固着されており、その自由端１２には制振装置の内筒３１が取り付けられており、ビル３の中ほどの部位５には制振装置の外筒３２の一端が剛に固着されて取り付けられており、その外筒３２の他端はビル２の中ほどでスライド機構３３によって水平方向に移動自在に支持されており、内筒３１は外筒３２の内部でガイド３４によって滑らかに軸方向に移動できるようになっており、内筒３１と外筒３２とは単数又は複数の油圧ダンパ等のダンパ３５で結合されている。連結手段９側も図示しないが同様に構成されている。

以上のように図１１及び図１２に示す制振構造１もまた、内筒３１、外筒３２、スライド機構３３、ガイド３４及びダンパ３５を具備した制振装置と片持ち梁１１を具備した弾性装置とを有した連結手段８を介してビル２及び３をその振動振幅の異なる部位４及び５で連結しており、同様の連結手段９を介してビル２及び３をその振動振幅の異なる部位６及び７で連結しており、而して、ビル２及び３の相互作用力によりビル２及び３の振動を制御するようにしている。

図１１及び図１２に示す制振構造１の例では、制振のための制振装置としてパッシブなダンパ３５を用いているが、これに代えて、セミアクティブ制振器又はアクティブ制振器を用いてもよく、また、パッシブ制振器とアクティブ制振器とを組み合わせたハイブリッド制振器を用いて、風などの微振動に対してアクティブ制振器が働き、大地震に対してパッシブ制振器が働くようにすると、あらゆる振動外乱に対して対応することができる。図１１及び図１２に示す例において、内筒３１に通路を施せば火災などの緊急時に避難路として機能させることができる。

また連結手段８及び９を上下逆に配置して制振構造１を構成してもよい。即ち、図１３に示すように、片持ち梁１１の一端を部位５に固着すると共にその自由端１２をダンパ１３の一端に連結し、ダンパ１３の他端を部位４に連結し、片持ち梁１５の一端を部位７に固着すると共にその自由端１６をダンパ１７の一端に連結し、ダンパ１７の他端を部位６に連結してもよい。

更に、一対の連結手段８及び９のうち一方の連結手段、例えば図１４に示すように連結手段９を用いて制振構造１を構成してもよい。この場合は、前記した最適減衰程ではないがある程度の制振効果は持たすことができる。

さらに本発明は、一対以上のビル、一個のビル又は並立する一般構造物にも適用できる。例えば、図１５に示すようにビル４０を四つ割りにして分割ビル４１を形成し、これら分割ビル４１を連結手段８及び／又は９で連結して制振構造４２にすれば、あたかも１棟のビル４０でありながら、大地震や強風に強い高層ビルが実現できる。また、図１５の制振構造４２によれば、あらゆる方向からの風又は地震が襲っても全方向に耐える制振構造が実現できる。

１ 制振構造
２、３ ビル
４、５、６、７ 部位
８、９ 連結手段

Claims (3)

1. 同一又は接近した固有振動数を有する少なくとも一対の構造物をその振動振幅の異なる部位で連結手段を介して連結し、一対の構造物同士の相互作用力により当該一対の構造物の振動を制御するようにした複数の構造物の制振構造であって、直列に配された制振装置と弾性装置とを有した連結手段は、一端で一対の構造物のうちの一方の構造物に固着された弾性装置としての片持ち梁と、一端で片持ち梁の自由端に連結されていると共に他端で一対の構造物のうちの他方の構造物に連結されている制振装置としてのダンパとを有しており、片持ち梁は、一方の構造物を支点としてその自由端側で弾性的に略水平方向に揺動可能となっており、ダンパは、略水平方向において伸縮自在となっていると共に当該略水平方向の振動伸縮においてその振動を減衰させるようになっている複数の構造物の制振構造。
2. 一対の構造物をその振動振幅の異なる部位で一対の連結手段を介して連結してなる請求項１に記載の複数の構造物の制振構造。
3. 請求項１又は２に記載の制振構造において最適振動減衰が得られるように、連結手段のバネ剛性と減衰係数とを、一対の構造物の夫々を連結部位で分けられた２質点モデルで表した場合に得られる制振構造の等価モデルに基づいて決定してなる制振構造。

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