JP5316849B2 - 制震構造 - Google Patents
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Description
地震時における応答を低減する手段としてはチューンド・マス・ダンパー(Tunned mass damper:TMD)機構も知られているが、地震のような過渡応答にも効果を発揮するためには建物重量の数%もの錘重量を建物の頂部付近に設置する必要があり、建物への負荷や設置スペースを考慮すると現実的ではない。
以上のことから、制震ダンパーの所要台数を削減でき、大きな錘質量を必要とせず、1次モードの振動のみならず高次モードの振動に対する振動低減効果やさらには機械振動等の特定振動数の振動に対する振動遮断効果も同時に得られるような、有効適切な制震構造の開発が望まれていた。
特に、TMD機構や振動遮断機構は建物全体に設置することはなく、たとえば低層部の任意の階に設置することのみでも建物全体の応答特性を大幅に抑制できるものであり、したがって建物全体に多数の制震ダンパーを設置する必要のある従来の制震構造に比べてダンパーの所要台数を大幅に低減でき、また建築計画への制約も小さく、ローコストに耐震性能の向上が図れる。また、本発明のTMD機構は慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので小質量の錘でも充分な効果が得られる。
なお、本実施形態では1階から4階までの各階にそれぞれオイルダンパー3も設置しているが、これは粘性系のダンパーであれば適宜の形式のダンパーを採用可能であるし、リリーフ機構付きとすることもできるし、TMD機構1や振動遮断機構2の諸元によっては一部の階で省略することも可能である。
そして、このTMD機構1は、回転慣性質量ダンパー1aの回転慣性ψ1と付加バネ1bの剛性k0とにより定まる固有振動数f01が次式の関係によりこの建物の1次固有振動数f1に同調するように設定されており、そのような設定によりTMD機構1は建物の1次固有振動数f1近傍での振動エネルギーを効果的に吸収して1次モードでの振動を大幅に低減し、共振特性を改善し得るものとなっている。
なお、上記の振動遮断機構2によれば、減衰がなければ同調した遮断振動数f02での加振力はゼロとなり、その振動遮断機構2よりも上層側は加振されなくなるが、その場合には遮断層にはその遮断振動数f02での変形が集中することになる。したがって減衰を用いて変形集中を緩和することが好ましく、そのために上記実施形態のように振動遮断機構2を2層重ねとして設置して減衰による遮断効果の低減を補うことが好ましい。
また、本発明ではTMD機構1としての付加振動系の設置位置や設置数は任意であって、上記実施形態のように上下に隣接させて2層に設置するばかりでなく、任意の1層にのみ設置することでも良いし、階を跨いで(たとえば3FLと5FLとの間に)設置することでも良い。
また、振動遮断機構2としての回転慣性質量ダンパーもTMD機構1と別の層に設置する限りにおいてその設置位置や設置数は任意であって、建物内の任意の1層あるいは複数層に設置すれば良く、上記実施形態のようにTMD機構1の下層側に設置することに限らずその上層側に設置することでも良い。
但し、いずれにしてもTMD機構1と振動遮断機構2は層間変位が大きい方に設置する方がより効果的である。
構造架構は鉄骨造18階建てであり、その振動諸元を表1に示す。この建物の1次固有振動数f1=0.4Hz、2次固有振動数f2=0.8Hz(上述したようにいずれも全体振動系の値)、減衰は1次に対して2%の振動数比例型とする。
・オイルダンパー(1階〜4階に設置):c=200MN/(m/s)=2MN/kine=200tonf/kine
・TMD機構(3階〜4階に設置):
いずれも固有振動数f01を建物の1次固有振動数f1=0.4Hzに同調(f01=f1=0.4Hz)とし、慣性質量ψ1=40,000ton、付加バネの剛性k0=270kN/mm、付加減衰c0=15MN/(m/s)=150kN/kine(付加振動系の減衰定数h=0.07)とする。
・振動遮断機構(1階〜2階に設置):
2Fにおける慣性質量ψ2=70,000ton、1Fにおける慣性質量ψ2=100,000tonとし、いずれも遮断振動数f02を建物の2次固有振動数f2=0.8Hzに同調させる(f02=f2=0.8Hz)。
・Case-1:構造架構のみで制震なし
・Case-2:Case-1に対し、1階〜4階にオイルダンパー設置
・Case-3:Case-2に対し、3階〜4階にTMD機構設置
・Case-4:Case-2に対し、1階〜2階に振動遮断機構設置
・Case-5(本発明モデル):Case-1に対し、1階〜4階にオイルダンパー設置、3階〜4階にTMD機構設置、1階〜2階に振動遮断機構設置
特に、本発明で採用したTMD機構1は比較的小さな諸元でも1次モードの振動を充分に抑制できるので大きな変位低減効果が得られ、また振動遮断機構2の設置によりオイルダンパー3だけを設置する場合に比べて加速度低減効果も向上するので、本発明ではそれらの相乗効果により変位も加速度も変形角も全層にわたって応答が小さくなるという優れた効果が得られる。
(1)特定の階だけにTMD機構と振動遮断機構を設置することで建物全体の応答特性を大幅に抑制できるので、建物全体に制震ダンパーを設置する場合に比べてダンパーの所要台数を大幅に低減でき、また建築計画への制約も小さく、ローコストに耐震性能の向上が図れる。
本発明のTMD機構は慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので省質量の錘で充分な効果が得られるし、一般的な鋼材ダンパーのように鋼材が降伏した後だけ効果を発揮するものとは異なり微小振幅から効果を発揮できる。
勿論、本発明のTMD機構は一般のTMD機構と同様に付加バネの値を調整することで容易に振動数同調が可能である。
また、TMD機構は固定端(地面)から加速度加振される地震だけでなく、建物へ加振力として作用する風荷重にも効果的な応答低減機構であり、特に風荷重など長時間にわたり1次モードが卓越する振動を効果的に抑制でき、居住性の向上が図れる。
1a 回転慣性質量ダンパー
1b 付加バネ
1c 付加減衰
2 振動遮断機構(回転慣性質量ダンパー)
3 オイルダンパー(粘性ダンパー)
Claims (2)
- 多層建物に適用される制震構造であって、
多層建物を構成する構造体の任意の層間に回転慣性質量ダンパーと付加バネとを直列配置した付加振動系を設置して、前記回転慣性質量ダンパーの慣性質量と前記付加バネの剛性とにより定まる前記付加振動系の固有振動を構造体の1次固有振動数に同調させることにより該付加振動系をTMD機構として機能せしめ、
かつ、前記構造体の他の任意の層間に回転慣性質量ダンパーを設置して、該回転慣性質量ダンパーの慣性質量と該回転慣性質量ダンパーを設置した層の層剛性とにより定まる固有振動数を任意の遮断振動数に同調させることにより、該回転慣性質量ダンパーを振動遮断機構として機能せしめることを特徴とする制震構造。 - 請求項1記載の制震構造であって、
前記TMD機構としての付加振動系を設置した層に該TMD機構と並列に粘性ダンパーを設置し、前記振動遮断機構としての回転慣性質量ダンパーを設置した層に該回転慣性質量ダンパーと並列に粘性ダンパーを設置したことを特徴とする制震構造。
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