JP6143064B2

JP6143064B2 - 大スパン架構建物の制振構造

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Publication number: JP6143064B2
Application number: JP2013043243A
Authority: JP
Inventors: 徹也半澤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP2014169604A

Description

本発明は、大スパン架構建物の制振構造に関する。

例えば、工場施設や屋内競技場施設等の建物では、内部空間を極力大きく確保することが求められ、これに伴い、階高を大きく、内部空間側の柱を少なくし、３０ｍを超えるほどに架構のスパンを大スパンにして構築することが要求されるケースが多々ある。また、建物の上部構造に大スパンの床スラブ（や梁、天井などの吊下げ対象）を吊り下げ支持して配設し、居室などを中２階に位置させて構成し、階下を通路や展示場などに有効利用できるように構築するケースもある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００５−３５０９５０号公報特開平０５−１８１３６号公報

しかしながら、上記のように上部構造に吊り下げ支持して床スラブや梁などを配した大スパン架構建物においては、上部構造が大スパンであるために、上下方向の固有振動数が必ずしも高くなく、例えば、吊り下げ支持した床スラブなどで居室を形成する場合、この居室の居住性を確保することが容易でない。

また、大梁の梁成を大きくし剛性を上げることで所望の固有振動数が得られるようにすることも考えられるが、この場合には、下方の空間が狭くなるという不都合を招く。

本発明は、上記事情に鑑み、内部に吊り下げ支持して配設された床スラブや梁、天井などの吊下げ対象の耐振性能を向上させることができ、この吊下げ対象で居住階を構成する場合であっても居室の居住性を好適に確保することを可能にする大スパン架構建物の制振構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の大スパン架構建物の制振構造は、上部構造から吊り下げ支持された吊下げ対象を備えてなる大スパン架構建物の制振構造であって、下端を前記吊下げ対象に接続して斜設される方杖材と、前記方杖材の上端と前記上部構造との間に、付加振動系として直列に配設されて前記方杖材と前記上部構造を接続する回転慣性質量ダンパー及びばね部材とを備えて構成されており、付加振動系の周期を前記上部構造の周期に同調させることを特徴とする。

また、本発明の大スパン架構建物の制振構造においては、前記吊下げ対象が床スラブであり、且つ、前記方杖材と前記回転慣性質量ダンパー及びばね部材とからなる制振機構を複数備えており、前記複数の制振機構は、前記床スラブの外周縁側に配設されるとともに、一対の制振機構が横方向の対称位置に配されるようにして設けられていることが望ましい。

本発明の大スパン架構建物の制振構造においては、階高が大きく、スパンも３０ｍを超えるような工場施設や屋内競技場施設等の大スパン建物に適用すると、内部に吊り下げて配設された吊下げ対象の耐震性能を向上させることができ、例えば吊下げ対象を床スラブとして中２階に居住階を設ける場合には、その居住性を好適に確保することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る大スパン架構建物の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る大スパン架構建物の制振構造を示す図である。本発明の一実施形態に係る大スパン架構建物の制振構造の慣性質量ダンパーのボールねじ機構を示す図である。本発明の一実施形態に係る大スパン架構建物の制振構造の制振機構を示す図である。シミュレーションに用いた本発明に係る制振構造を備えていない大スパン架構建物のモデル図である。シミュレーションに用いた本発明に係る制振構造を備えていない大スパン架構建物のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションに用いた本発明に係る制振構造を備えた大スパン架構建物のモデル図である。シミュレーションの加振点及び評価点を示す図である。各加振点及び評価点における加速度応答と加振力のフーリエスペクトル比を求めた結果を示す図であり、（ａ）が制振構造を備えていない場合、（ｂ）が制振構造を備えた場合の結果を示す図である。歩行荷重に関するシミュレーションに用いた歩行荷重波形を示す図である。本発明に係る制振構造を備えていない場合の歩行荷重に関するシミュレーションの結果を示す図である。本発明に係る制振構造を備えた場合の歩行荷重に関するシミュレーションの結果を示す図である。

以下、図１から図１２を参照し、本発明の一実施形態に係る大スパン架構建物の制振構造について説明する。

はじめに、図１及び図２に示すように、本実施形態における大スパン架構建物Ａは、例えば、工場施設や屋内競技場施設等の建物であり、内部空間を極力大きく確保することが求められ、階高を大きく、内部空間側の柱を少なくし、３０ｍを超えるような大スパン架構１を備えて構築されている。

また、本実施形態の大スパン架構建物Ａは、上部構造の架構１が大トラスで構成されている。そして、建物内部には、上部構造の架構１に吊り下げ支持して床スラブ（吊下げ対象）２が配設され、この床スラブ２によって例えば中２階の居室空間３が形成されている。

一方、吊下げ対象の床スラブ２の上下振動を抑制し、その振動特性を改善するための本実施形態の制振構造Ｂは、図２に示すように、下端を床スラブ２にピン結合（接続）して斜設される方杖材４と、方杖材４の上端側に一端をピン結合し、他端を建物の柱などにピン結合して横方向に延設された方杖支持材５と、方杖材４の上端と上部構造１のスパン端部側の間に介設され、方杖材４と上部構造１を接続する回転慣性質量ダンパー６と同調ばね（ばね部材）７を直列に配置した付加振動系８とを備えて構成されている。

また、本実施形態では、方杖材４と回転慣性質量ダンパー６及び同調ばね７とからなる制振機構Ｂ１、Ｂ２を複数備えており、これら複数の制振機構Ｂ１、Ｂ２は、床スラブ２の外周縁側に配設されるとともに、一対の制振機構Ｂ１、Ｂ２が横方向（スパン方向）の対称位置に配されるようにして設けられている。

そして、この複数の制振機構Ｂ１、Ｂ２を備えた本実施形態の大スパン架構建物の制振構造Ｂは、回転慣性質量ダンパー６と同調ばね７を直列に配置した付加振動系８を、大トラス架構１の主振動系に同調させることで、吊下げ対象の床スラブ２の上下振動を抑制し、その振動特性を改善する。

ここで、振動機構Ｂ１、Ｂ２の回転慣性質量ダンパー６は、例えば特開２０１０−０３８３１８号公報に開示されるような回転慣性質量を利用したダンパーであり、装置自体が軽量でありながら、内蔵された回転錘の数百倍から数千倍の質量と同等の質量効果を発揮する。

具体的に、図３及び図４に示すように、ボールねじ１０とボールナット１１（鋼球１２）とフライホイール１３からなるボールねじ機構１４を備え、振動エネルギーが作用した際に、この振動エネルギーによる直動運動を回転運動に変換する。これにより、質量ではなく回転慣性モーメントに比例する反力を生じさせることができ、この反力を生み出す質量効果を、実際の装置及び回転錘の質量の数百倍から数千倍に拡大させることができ、振動エネルギーを効果的に吸収して減衰させることができる。

また、本実施形態の大スパン架構建物の制振構造Ｂにおいて、力学的に、ダンパーにより付加される質量効果は非常に大きいが、実際の装置の質量は回転慣性質量ダンパー６を用いることによって、必要な付加質量の数百から数千分の１でよい。さらに、装置は摩擦や材料特性に起因する減衰性能を有しており、減衰性が不足すればさらに減衰機構を付加することで、容易に必要なエネルギー吸収性能、減衰性能を付与することができる。

また、本実施形態では、振動機構Ｂ１、Ｂ２の同調ばね７として板バネが適用され、この板バネ７の両端部をそれぞれ、取付金具１５を介して上部構造１に接合するとともに、板バネ７の中央部にボールねじ１０の端部を結合させて、回転慣性質量ダンパー６と板バネ７が直列に配設されている。

そして、このように設けられた板バネ７によって確実に付加振動系８を大トラス架構１の主振動系に同調させることができ、上記の回転慣性質量ダンパー６による作用効果を確実に発揮させて、吊下げ対象の床スラブ２の上下振動を抑制し、その振動特性を改善することができる。

［実施例］
次に、本実施形態の大スパン架構建物の制振構造Ｂの優位性を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。

このシミュレーションにおける大スパン架構（上部構造）１は、スパンが３３ｍ、梁成が３ｍのトラス架構とした。また、軒高を１８ｍ、中２階の階高（吊下げ対象の床スラブ２の高さ）を４ｍ、奥行きのスパンを６．３ｍとした。さらに、柱は、７００×７００×２５ｍｍの角形鋼、中２階の梁とトラス弦材は３００×３００×１０×１５ｍｍのＨ形鋼、トラス斜め材は２５０×２５０×９×１４ｍｍのＨ形鋼、中２階を吊り下げ支持する吊り下げ支持部材は直径４６ｍｍの鋼棒とした。

そして、まず、本実施形態の制振構造Ｂを備えていない場合の吊下げ対象２の解析モデルは、中２階をトラス架構１に吊り下げた図５に示す通りである。表１はこの解析モデルの吊下げ対象２の固有値解析結果を示し、図６は１次、２次、３次、４次の固有モード図を示している。この図６の３次が上下振動のモードであり、約３．５Ｈｚであった。

一方、図７は、本実施形態の制振構造Ｂを備えた場合の解析モデルを示している。制振構造Ｂは、中２階の左右に方杖材４を設け、同調ばね７と慣性質量ダンパー６を直列に接続して配設している。そして、表２はこの解析モデルの諸元を示している。さらに、図８は、加振点及び評価点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を示し、最も揺れの大きいＴ１点に、２．５〜１０．５Ｈｚで１００Ｎの一定の力のスウィープ加振を与えてシミュレーションを行った。

そして、各点Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の加速度応答を求め、加振力とのフーリエスペクトル比を求めた。図９（ａ）は制振構造Ｂを備えていない場合の結果を示し、図９（ｂ）は制振構造Ｂを備えた場合の結果を示しており、制振構造Ｂを備えた場合には、ダンパー６を設置した位置をトラス架構１の端部としても、トラス架構１に吊り下げられた中２階（床スラブ２）の中央部分の３．５Ｈｚ付近の振幅が大幅に低減されることが確認された。

次に、中２階の居住性の検討を行うために、中２階の中央部に歩行荷重を与えた場合の同位置における加速度応答波形の１／３オクターブバンド分析結果を示す。表３は歩行荷重の与え方に関する諸元を示している。

ここで、表１及び図８からＴ１点は３次（３．４８Ｈｚ）と１０次（９．５７Ｈｚ）の増幅が顕著であることが分かる。一般に、歩行による卓越振動数は一人歩行〜小走りの場合には、１．６Ｈｚ〜３．３Ｈｚと言われており、吊下げ対象の床スラブ２の固有振動数がこれらの振動数とそのｎ倍にあたる場合に応答が大きくなる。これに基づき、ここでは、荷重波（原波の卓越振動数は１．８５６Ｈｚ）の時間刻みを変更し、卓越振動数を表３のように設定した。なお、荷重レベルは二人歩行を想定し、原波の１．５倍とした。

図１０は歩行荷重の原波形を示す。また、図１１、図１２に加速度応答波形の１／３オクターブバンド分析結果を示す。図１１は制振構造Ｂを備えていない場合の分析結果を示し、図１２は制振構造Ｂを備えた場合の分析結果を示している。これらの結果から、ダンパー６がない場合にはＶ−９０レベルを超えているが、ダンパー６がある場合には、それを下回ることが確認された。

したがって、本実施形態の大スパン架構建物の制振構造Ｂおいては、階高が大きく、スパンも３０ｍを超えるような大スパンの工場施設や屋内競技場施設等に適用すると、内部に吊り下げて配設された吊下げ対象２の耐震性能を向上させることができ、吊下げ対象２が中２階に位置する居住階である場合には、その居住性を向上させることが可能になる。

以上、本発明に係る大スパン架構建物の制振構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、吊下げ対象が床スラブ２であるものとしたが、本発明に係る吊下げ対象は床スラブに限定する必要はなく、例えば梁や天井などであってもよい。また、本実施形態では、上部構造がトラス架構１であるものとしたが、この上部構造においてもトラス架構に限定する必要はない。

１上部構造（大スパン架構）
２床スラブ（吊下げ対象）
３居室空間
４方杖材
５方杖支持材
６回転慣性質量ダンパー
７同調ばね（ばね部材、板バネ）
８付加振動系
１０ボールねじ
１１ボールナット
１２鋼球
１３フライホイール
１４ボールねじ機構
１５取付金具
Ａ大スパン架構建物
Ｂ大スパン架構建物の制振構造
Ｂ１制振機構
Ｂ２制振機構
Ｔ１加振点（評価点）
Ｔ２評価点
Ｔ３評価点

Claims

上部構造から吊り下げ支持された吊下げ対象を備えてなる大スパン架構建物の制振構造であって、
下端を前記吊下げ対象に接続して斜設される方杖材と、
前記方杖材の上端と前記上部構造との間に、付加振動系として直列に配設されて前記方杖材と前記上部構造を接続する回転慣性質量ダンパー及びばね部材とを備えて構成されており、付加振動系の周期を前記上部構造の周期に同調させることを特徴とする大スパン架構建物の制振構造。
請求項１記載の大スパン架構建物の制振構造において、
前記吊下げ対象が床スラブであり、
且つ、前記方杖材と前記回転慣性質量ダンパー及びばね部材とからなる制振機構を複数備えており、
前記複数の制振機構は、前記床スラブの外周縁側に配設されるとともに、一対の制振機構が横方向の対称位置に配されるようにして設けられていることを特徴とする大スパン架構建物の制振構造。