JP5294125B2 - 接続構造及び制振構造物 - Google Patents
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ダンパには、鉛を用いた履歴ダンパ、オイルを利用した粘性ダンパ等がある。これらのダンパは局所的な変形抑制には効果があるが、構造物全体の共振特性を大きく変えることはなく、補助装置として考えるべきである。
このようなダンパが有効に働かない代表的な例として高層構造物がある。高層構造物の振動は長周期の曲げ振動が卓越するが、曲げ振動は高剛性である軸長方向(鉛直方向)の剛性に依存するうえに層間変位も小さい。粘性ダンパ、履歴ダンパなどは、低剛性部分に用いるか、層間変位が大きい部分に用いるか、振動周波数が高いときに用いる場合には効きが良いが、高層ビルの場合にはこのいずれにも当てはまらないため、ダンパを挿入しても効果が低い。従って、長周期地震の影響を受け易い高層ビルは、振動減衰を大きく設計することが困難であるため、長周期地震が問題となっている。
例えば1つめの例として、特許文献1に示す動的制振装置は、建築物上部と下部を分断することによりマスダンパ効果で制振する手法であり、この手法は中間免震にも部類される。
この動的制振装置の原理は、中間免震とすることで構造物全体の固有周期を長くすることにより、通常着目する地震周期領域でのビルの振動が、節の無い1次モードではなく中間免震部付近を節とする2次モードで振動するように設計したものであり、振動の2次モードが1次モードより振幅が小さいことを利用して制振する手法である。
しかし、一般の複数周期の混入した振動で2次モードが卓越して表れなければ、上記動的制振装置は、単に固有周期を長周期側にシフトしたに過ぎず、逆に長周期地震の影響が顕著に表れる可能性がある。また、この動的制振装置は強風に対しても有効とされているが、強風による振動では卓越モードが顕著に表れるため、地震動で意図したような2次モードでは振動せず1次モードでの振動となり、逆に振幅を増大させる可能性がある。これらの理由は、2次モードが卓越する構造となっていないことによる。
上記特許文献3及び特許文献4に示す多層構造物では、地震振動、風振動の主体となる水平方向が剛となる構造を用いているため、従来の高層構造物より小振幅高周波振動となる。この水平方向の振動の実態は縦剪断振動である。そして、縦剪断振動から円弧振動への内部共振により高次モードが卓越した多節振動となるため、低剛性の円弧方向でのダンピングで構造物全体の減衰を得ている。
第2に、減衰量自体の大きさの改善である。アイソレータを特異配置とした場合では、内部共振により円弧方向が高次モード振動となった場合の層間変位により減衰を得るが、内部共振で得たエネルギー量は構造物全体の振動を減衰させるエネルギーとしては不足である。従って、遷移した高次円弧振動の減衰は速いが、十分に円弧方向にエネルギー遷移していない縦剪断振動の減衰は大きくはないため、定常的には縦剪断振動だけが残ることが考えられる。
この制振構造物は、水平方向の振動である縦剪断振動の擾乱により、高次円弧振動に類似した各層が逆方向に運動する振動モードとなる。これより、ダイレクトに高次円弧振動を励振する速応性、両振動の類似性から得られる大きな層間変位から、内部共振という間接的なエネルギー遷移手段を経ずに高減衰を得ている。さらに、上記特許文献3及び特許文献4に示された多層構造物に無い減衰効果として、縦剪断振動と高次円弧振動の重ね合わせにより、構造物全体の振動を減少させている。
本発明の接続構造は、上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、前記鉛直面上で、前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定され、前記一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴としている。
なお、以下では、本請求項における、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置された一対の支持面とによる接続構造の構成を、「上接続」と称する。また、以下では、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面の配置を、「下に凸」と称する。
従って、この鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
なお、ここで言う安定とは、着目する範囲内での局所的な安定を意味する。
また、支持面における支持部に当接する部分での法線が、上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く(以下では、支持面のこの配置を「下方配置」と称する。)という、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方構造物で下方から安定して支持することができる。
以下、本発明に係る制振構造物の第1実施形態を、図1から図11を参照しながら説明する。本実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合を例にとって説明する。
図1に示すように、本実施形態の高層構造物1は、複数の層からなる上層構造物(上方構造物)2と、上層構造物2の下方に設けられ上層構造物2を支持する下層構造物(下方構造物)3と、上層構造物2と下層構造物3との間に設けられた一対のアイソレータ(接続構造)4a、4bと、を備えている。
図中に示すように、鉛直方向をYとし、鉛直方向Yに直交するとともに互いに直交するX方向とZ方向を定める。なお、図中、Y1方向が下方となっている。
本実施形態では、上層構造物2は、Z方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物2の重心Gを含みX方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されている。
このため、以下では、高層構造物1を2次元状のモデルとして説明を行う。
また、本実施形態では、アイソレータ4a、4bが上接続の場合について説明するが、まず、後述する支持面8aと支持面8bが上述の下に凸の場合について説明し、次に、支持面8aと支持面8bが上に凸について説明する。
同様に、アイソレータ4bは、鉛直面S1上において、下層構造物3の上部に設けられた支持部7bと、上層構造物2の下部に設けられた支持面8bと、を有する。支持部7bは、球状の回転体9bと、一端が下層構造物3の天面に固定され、他端に回転体9bを回転可能に支持する支持体10bとを備えている。
なお、支持面8aと支持面8bの鉛直面S1による断面は、それぞれ直線状になっている。
回転体9a、9bの軸線は、Z方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面8aと支持面8bは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物2の下部に設けられた一対の支持面8a、8bは、鉛直面S1上を、一対の支持部7a、7bにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。なお、上層構造物2を鉛直面S1上で移動させるために、上記のアイソレータ4a、4bをZ方向に複数備えても良い。
上層構造物2、下層構造物3、支持部7a、7bは、例えばコンクリートや鉄筋等の硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
なお、後述する図10、図11、図20、及び図21では角度の単位を(°)とし、これら以外の図では角度の単位を(rad)としている。
また、当接部11aと当接部11bの間の距離は、一般的に、実際の上層構造物2の幅より狭くなる。
当接部11aと当接部11bを点A、点Bとし、支持面8aと支持面8bが交差する点を点Oとする。支持面8aにおける当接部11aでの法線が中心Cを通るので、角OACは直角になる。同様に、角OBCも直角になる。
ここで、図3に、モデル化した上層構造物2が方向D1回りに回転し、上層構造物2が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線L1’と元の位置の鉛直線L1がなす角を回転角φとする(図中に示すφの向きを正とする)。なお、回転角φは、上層構造物2の鉛直線L1に対する角度とみることもできる。
重心G’、中心C’、点A’、点B’、及び点O’は、それぞれ重心G、中心C、点A、点B、及び点Oの移動後の点である。支持面8a、8bは、支持部7a、7bにそれぞれ当接しながら移動するので、点Aは直線O’A’上に位置し、点Bは直線O’B’上に位置する。そして、角OAC及び角OBCが直角なので、角O’AC’及び角O’BC’もそれぞれ直角になる。
図4に示すように、上層構造物2が回転したときに直線OB上を点B’が移動した距離をdとする。
距離dを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形O’ABに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
この場合におけるアイソレータ4a、4bは、図5に示すような構成となる。
支持面8aにおける当接部11aでの法線が中心Cを通るので、図6において、角OACは直角になる。同様に、角OBCも直角になる。また、支持面8a、8bは、支持部7a、7bにそれぞれ当接しながら移動するので、図7において、点Aは直線O’A’上に位置し、点Bは直線O’B’上に位置する。そして、角OAC及び角OBCが直角なので、角O’AC’及び角O’BC’もそれぞれ直角になる。
図8において、距離dを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形O’ABに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
従って、上層構造物2の対称性も考えて、上層構造物2が安定する条件は、次式のようになる。
図9(a)は、重心Gに中心Cが一致する場合で、アイソレータのこの配置が上述の「特異配置」である。図9(b)は、重心Gの上方に中心Cが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「上方配置」である。図9(c)は、重心Gの下方に中心Cが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「下方配置」である。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上層構造物2において、−10(°)以上10(°)以下とした。なお、高層構造物1は上層構造物2の重心Gを含みX方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、0(°)以上10(°)以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物2の高さが20(m)の場合を図10に、200(m)の場合を図11に示す。図10及び図11において、横軸は(G’C’)x、縦軸は(G’C’)yである。
同様に、図11において、角度θが11.31(°)のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲(角度θが10(°))のときにアイソレータ4a、4bは上方配置となる。また、角度θが11.31(°)のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲(角度θが−80、−70、−60、−50、−40、−30、−20、−10、20、30、40、50、60、70、80(°))のときにアイソレータ4a、4bは下方配置となる。
上層構造物2が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、(21)式を満たす場合に上層構造物2が安定する。すなわち、図10の場合には、角度θが10、20、30、40、50、60、70、80(°))のときに上層構造物2が安定する。また、図11の場合には、角度θが10、20、80(°))のときに上層構造物2が安定する。
なお、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、アイソレータ4a、4bが下方配置であって上層構造物2が安定するのは、図10の場合には角度θが70、80(°)のとき、図11の場合には角度θが20、80(°)のときである。
従って、鉛直面S1上で上層構造物2が回転することを抑えて、上層構造物2を下方から安定して支持することができる。
また、アイソレータ4a、4bが下方配置とされる、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上層構造物2を下方から安定して支持することができる。
次に、本発明に係る第2実施形態について説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図12に示すように、本実施形態の高層構造物21は、上記実施形態の高層構造物1の上接続の構成とされたアイソレータ4a、4bに代えて、下接続の構成とされたアイソレータ(接続構造)24a、24bを備えている。
また、本実施形態において、まず、後述する支持面27aと支持面27bが下に凸の場合について説明し、次に、支持面27aと支持面27bが上に凸の場合について説明する。
同様に、アイソレータ24bは、鉛直面S1上において、下層構造物3の上部に設けられた支持面27bと、上層構造物2の下部に設けられた支持部28bと、を有する。支持部28bは、球状の回転体29bと、一端が上層構造物2の底面に固定され、他端に回転体29bを回転可能に支持する支持体30bとを備えている。
なお、支持面27aと支持面27bの鉛直面S1による断面は、それぞれ直線状になっている。
回転体29a、29bの軸線は、Z方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面27aと支持面27bは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物2の下部に設けられた一対の支持部28a、28bは、鉛直面S1上を、一対の支持面27a、27bにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。
本実施形態のアイソレータ24a、24bは硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
当接部31aと当接部31bを点A、点Bとし、支持面27aと支持面27bが交差する点を点Oとする。支持面27aにおける当接部31aでの法線が中心Cを通るので、角OACは直角になる。同様に、角OBCも直角になる。
ここで、図14に、モデル化した上層構造物2が方向D1回りに回転し、上層構造物2が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線L1’と元の位置の鉛直線L1がなす角を回転角φとする(図中に示すφの向きを正とする)。
重心G’、中心C’、点A’、及び点B’は、それぞれ重心G、中心C、点A、及び点Bの移動後の点である。支持部28a、28bは、支持面27a、27bにそれぞれ当接しながら移動するので、点A’は直線OA上に位置し、点B’は直線OB上に位置する。そして、角OAC及び角OBCが直角なので、角OA’C’及び角OB’C’もそれぞれ直角になる。
図15に示すように、上層構造物2が傾いたときに直線OB上を点B’が移動した距離をdとする。
B’C’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形A’B’C’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
この場合におけるアイソレータ24a、24bは、図16に示すような構成となる。
支持面27aにおける当接部31aでの法線が中心Cを通るので、図17において、角OACは直角になる。同様に、角OBCも直角になる。また、支持部28a、28bは、支持面27a、27bにそれぞれ当接しながら移動するので、図18において、点A’は直線OA上に位置し、点B’は直線OB上に位置する。そして、角OAC及び角OBCが直角なので、角OA’C’及び角OB’C’もそれぞれ直角になる。
図19において、B’C’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形A’B’C’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
本実施形態の場合、上層構造物2が安定する条件は、次式のようになる。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上記実施形態と同様に、上層構造物2において、−10(°)以上10(°)以下とした。なお、高層構造物21は上層構造物2の重心Gを含みX方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、0(°)以上10(°)以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物2の高さが20(m)の場合を図20に、上層構造物2の高さが200(m)の場合を図21に示す。図20及び図21において、横軸は(G’C’)x、縦軸は(G’C’)yである。
同様に、図21において、角度θが11.31(°)のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲(角度θが10(°))のときにアイソレータ24a、24bは上方配置となる。また、角度θが11.31(°)のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲(角度θが−80、−70、−60、−50、−40、−30、−20、−10、20、30、40、50、60、70、80(°))のときにアイソレータ24a、24bは下方配置となる。
上層構造物2が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、(32)式を満たす場合に上層構造物2が安定する。すなわち、図20の場合には、角度θが−80、−70、−60、−50、−40、−30(°))のときに上層構造物2が安定する。また、図21の場合には、角度θが−80(°))のときに上層構造物2が安定する。
このように、上層構造物2が安定するのは、支持面8aと支持面8bが上に凸となる図16に示す場合、より詳しくは、(32)式を満たす場合となる。
従って、鉛直面S1上で上層構造物2が傾くことを抑えて、上層構造物2を下方から安定して支持することができる。
例えば、上記第1実施形態及び第2実施形態では、上層構造物2は、Z方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物2の重心Gを含みX方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されているとした。しかし、上層構造物の重心を含む鉛直面上(鉛直面上とは、この鉛直面における断面のことを意味する)において、アイソレータが前記上接続又は下接続の構成になっていれば良い。
また、上層構造物の水平面による断面が、正六角形、正八角形等の、辺の数が偶数である正多角形でも良い。また、上層構造物の水平面による断面は、円形であっても良い。この場合、アイソレータは、上層構造物の重心を含む鉛直線回りに回転対称となるように設けても良い。
例えば、支持部は円柱状に形成され、支持体によりZ方向に平行な回転軸回りに回転可能に支持されていても良い。
また、支持部が多角柱状で硬質の材料で形成され、その軸線に平行な一辺で支持面と当接し、その支持部の一つの側面が上層構造物2又は下層構造物3に支持されていても良い。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合に、上層構造物2の回転角φの許容範囲を−10(°)以上10(°)以下とした。しかし、回転角φの許容範囲は高層構造物の仕様に応じて適宜設定することができる。また、制振構造物が荷台等の場合にも、その仕様や目的に応じて適宜設定することができる。
2 上層構造物(上方構造物)
3 下層構造物(下方構造物)
4a、4b、24a、24b アイソレータ(接続構造)
7a、7b、28a、28b 支持部
8a、8b、27a、27b 支持面
11a、11b、31a、31b 当接部
G 重心
L1 鉛直線
S1 鉛直面
θ 角度
φ 回転角
Claims (3)
- 上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、
前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、
前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、
前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、
前記鉛直面上で、前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定され、
前記一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴とする接続構造。 - 前記上方構造物と、
前記下方構造物と、
該上方構造物と該下方構造物との間に設けられた請求項1または2に記載の接続構造と、
を備えることを特徴とする制振構造物。
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