JP6456779B2

JP6456779B2 - 制振構造

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Publication number: JP6456779B2
Application number: JP2015117138A
Authority: JP
Inventors: 龍大欄木; 長島　一郎; 一郎長島; 木村　雄一; 雄一木村; 英志青野
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: JP2017002555A

Description

本発明は、構造物の上部に風等に起因する微小振幅の揺れから大地震時の大振幅の揺れまで対応可能なチューンド・マス・ダンパ（ＴＭＤ）を設置した制振構造に関するものである。

従来から、強風等に起因する建物の微小振動に対する制振技術として、建物の屋上部分に当該建物の揺れに同調する質量を備えた錘を設置するＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）が用いられている。

一方、先の東日本大震災の発生を受けて、南海トラフ沿いの海溝型巨大地震の想定震源域が見直され、大振幅で繰り返し回数の多い長周期・長時間の地震動の発生が危惧されている。そして、固有周期の長い超高層ビルは、長周期地震動によって建物が共振して応答が大きくなるという特徴があるため、設計当初に想定していなかった長周期・長時間地震動によって、構造物の被害や内部設備の損傷などが生じるおそれがある。

そこで、近年においては、長周期・長時間地震動に対する超高層建物の振動を制御するために、上記ＴＭＤを大型化・大ストローク化して、地震の大振幅の揺れの制御まで適用範囲を広げた各種の地震用ＴＭＤが開発されている。

このような上記地震用ＴＭＤとしては、例えば下記特許文献１に見られるように、錘をワイヤーや鋼棒で懸垂した振り子型の装置や、リニアガイド上に走向自在に配置した錘に周期調整用のバネを設置した直動レール型の装置などが広く知られている。また、振り子型の装置には、下記特許文献２に見られるように、多段型の振り子とすることにより、吊り長さを確保しつつＴＭＤ全体の高さを低減した装置も提案されている。

これらの地震用ＴＭＤによれば、錘の吊り長さやバネの剛性を調整してＴＭＤの周期を建物の水平方向の固有周期に同調させ、建物の振動エネルギーを効率的にＴＭＤに集めて当該ＴＭＤに設置したオイルダンパーなどのエネルギー吸収装置で吸収することにより、上記建物の揺れを抑制することができる。

ところで、上記ＴＭＤの制振効果は、錘の重さとストロークに比例するが、ＴＭＤのストロークには実用上の限界値があり、一般的にはオイルダンパーの限界ストロークによって決まっていることが多い。このため、地震用ＴＭＤにおいては、大地震時においてもＴＭＤの揺れ幅を上記ストローク以内に収めるために、オイルダンパーの減衰係数をＴＭＤの最適減衰比（P.Q点理論に基づく設計式から得られる値）よりも大きな値に設定することにより対応している。

しかしながら、このようにオイルダンパーの減衰係数を大きな値に設定している結果、常時の風揺れや中小地震の後揺れなどに対しては、制振効果が低下してしまうという問題点があった。

そこで、図９に示すように、錘５１をワイヤーや鋼棒５２で懸垂した振り子型のＴＭＤ５０において、減衰性能が変化する可変式のオイルダンパー５３を用いて、常時は図９（ａ）に示すように最適減衰比に設定して風揺れや中小地震の後揺れに対する制振効果を高め、大地震時には図９（ｂ）に示すように減衰性能を高めてＴＭＤ５０の錘５１の変位をオイルダンパー５３のストローク以内に抑制し、地震時の安全性を向上させた制振構造も提案されている。

ところが、上記構成からなる制振構造においては、例えば超高層ビル等の固有周期が長い建物に用いる場合に、可変式のオイルダンパー５３に必要とされるストロークが数ｍといった大きなものになり、この結果当該オイルダンパー５３を製作することが難しくなるとともに、コストが嵩むという問題点があった。

また、オイルダンパー５３の大きさによっては、汎用の試験装置では試験することができず、充分に実際の性能を確認することができないという問題点があった。しかも、ストロークの大きな可変式のオイルダンパー５３は、その大きさのみならず重量も嵩むために、設置工事に多大の手間を要するという問題点もあった。

特開２０１１−２７１３６号公報特開平７−３４７２０号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低コストで設置が容易なストロークが小さいオイルダンパーを用いて、風等に起因する微小振動に対する制振効果と、大地震時におけるＴＭＤの安全性の確保とを両立させることができる地震用ＴＭＤを用いた制振構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、構造物の上部にＴＭＤを設置した制振構造において、上記構造物と上記ＴＭＤとの間に複数のダンパーを直列に設け、少なくとも１の上記ダンパーとして、平常時に減衰係数が他の上記ダンパーよりも低く、かつ予め設定された値以上の大きさの揺れに対して上記減衰係数が上記他のダンパーと同等またはこれよりも高い値に切り替わるパッシブ型の可変ダンパーを用いたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記ＴＭＤが、上記構造物に立設された外側フレームと、この外側フレーム内に配置されて水平方向に変位自在に上記外側フレームに吊持された内側フレームと、この内側フレームから当該内側フレーム内に垂設された錘とを備えた多段型振り子式のＴＭＤであるとともに、上記ダンパーは、上記錘と上記内側フレームとの間および上記内側フレームと上記外側フレームとの間に配置され、かつ何れか一方の上記ダンパーが上記パッシブ型の可変ダンパーであることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記ＴＭＤの錘の下方に支持部材が水平方向に移動自在に設けられ、上記錘の下部と支持部材の外周部との間に上記ダンパーおよび上記パッシブ型の可変ダンパーのいずれか一方が設置されるとともに、上記支持部材の下部中央と上記構造物の上部との間に上記ダンパーおよび上記パッシブ型の可変ダンパーの他方が配置されていることを特徴とするものである。

ここで、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、可変ダンパーの減衰係数を切り替えるための揺れの大きさの設定値としては、ダンパーにおける変位量や速度値を採用することができる。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明によれば、構造物の揺れの大きさが予め設定した値未満である平常時には、パッシブ型の可変ダンパーの減衰係数が他のダンパーの減衰係数よりも低い値に設定されているために、ＴＭＤに最適減衰を与えて風揺れや中小地震に対して高い制振効果を発揮させることができる。

そして、地震時に構造物の揺れの大きさが予め設定した値以上になった場合には、パッシブ型の可変ダンパーの減衰係数が他のダンパーの減衰係数よりも高い値に切り替わる。これにより、ＴＭＤの揺れ幅をストローク以内に抑えて安全性を確保することができる。

この際に、可変ダンパーの減衰係数が他のダンパーの減衰係数よりも高い値に切り替わることにより、平常時に減衰係数が低い可変ダンパーに集中していたＴＭＤの変形が、他のダンパーにも分配される。これにより、大地震時に、特定のダンパーにＴＭＤの大きな変形が集中することを防止して、各ダンパーの変位を均一化することができる。

この結果、低コストで設置が容易なストロークが小さいオイルダンパー等のダンパーを用いて、全体として大きなストロークを得ることが可能になり、よって風等に起因する微小振動に対する制振効果と、大地震時におけるＴＭＤの安全性の確保とを両立させることができる。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、上記ＴＭＤとして、多段型振り子式のものを用いるとともに、内側フレームと錘との間あるいは当該内側フレームと外側フレームとの間に、各々上記ダンパーあるいはパッシブ型の可変ダンパーを配置しているために、単にダンパーと可変ダンパーを直列に配置する場合と比較して、面外座屈に対する安全性と高めることができ、よって一層細い外径のオイルダンパー等の小型のダンパーを用いることが可能になる。

また、請求項３に記載の発明によれば、支持部材を介在させることにより、上記ダンパーと可変ダンパーとを直列に、かつ高さ方向に積層状に配置しているために、屋上部が狭小な構造物においても容易に設置することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を示す概略構成図である。図１のオイルダンパーおよび可変オイルダンパーの減衰係数の変化を示すグラフである。本発明の第２の実施形態を示す概略構成図である。本発明の第３の実施形態を示す概略構成図である。図４のオイルダンパーおよび可変オイルダンパーの減衰係数の変化を示すグラフである。本発明の第４の実施形態を示す縦断面図である。図６のＡ−Ａ線視図である。図６のＢ−Ｂ線視図である。従来の制振装置を示す概略構成図である。

（第１の実施形態）
図１および図２は、本発明に係る制振構造の第１の実施形態を示すもので、図中符号１が建物（構造物）２の屋上部に設置されたＴＭＤである。
このＴＭＤ１は、枠体１ａに錘３がワイヤーや鋼棒４を介して懸垂された振り子型のもので、ＴＭＤ１の錘３と枠体１ａとの間には、錘３の揺動エネルギーを吸収するためのオイルダンパー５とパッシブ型の可変オイルダンパー６とが直列に配置されている。

ここで、オイルダンパー５は、大地震を想定して高めの減衰係数Ｃ_１（一定）に設定された一般のパッシブオイルダンパーである。また、錘３側に配置されたパッシブ型の可変オイルダンパー６は、図２（ａ）に示すように、予め設定された変位量Ｌ（例えば、７０ｃｍ）までは上記オイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも低い低減衰Ｃ_２（Ｌｏｗ）に設定されているとともに、上記設定変位量Ｌを超えるとオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも高い高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）に切り替わるように設定されている。

なお、可変オイルダンパー６における減衰係数を低減衰Ｃ_２（Ｌｏｗ）から高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）に切り替える手段としては、図２（ａ）に示した変位に代えて、図２（ｂ）に示すように速度を用い、予め設定された速度ｖまでは上記オイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも低い低減衰Ｃ_２（Ｌｏｗ）に設定されているとともに、上記速度ｖを超え際にオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも高い高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）に切り替わるように設定してもよい。

いずれの場合においても、可変オイルダンパー６は、大地震時に設定値Ｌ、ｖを超えた後は、ＴＭＤ１における錘３の揺れ幅を抑制することを目的に、高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）を保持し続けるように設定されていることが好ましい。

以上の構成からなる制振構造においては、建物２の揺れの大きさが予め設定した変位量Ｌ以下である平常時には、図１（ａ）に示すように、パッシブ型の可変オイルダンパー６の減衰係数がオイルダンパー５の減衰係数よりも低い低減衰Ｃ_２（Ｌｏｗ）に設定されているために、ＴＭＤ１に最適減衰を与えて風揺れや中小地震に対して高い制振効果を発揮させることができる。

そして、地震時に建物２の揺れの大きさが予め設定した変位量Ｌ以上になった場合には、図１（ｂ）に示すように、パッシブ型の可変オイルダンパー６の減衰係数がオイルダンパー５の減衰係数よりも高い高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）に切り替わる。これにより、ＴＭＤ１の揺れ幅をストローク以内に抑えて安全性を確保することができる。

この結果、低コストで設置が容易なストロークが小さいオイルダンパー５および可変オイルダンパー６を用いて、全体として大きなストロークを得ることが可能になり、よって風等に起因する微小振動に対する制振効果と、大地震時におけるＴＭＤ１の安全性の確保とを両立させることができる。

これを具体的に説明すると、図９に示した従来の制振構造において、仮にストロークが２ｍである１台の可変オイルダンパー５３を用いて最適減衰比１５％を実現するための減衰係数Ｃ（Ｌｏｗ）＝１とし、大地震時における減衰比４５％を実現するための減衰係数Ｃ（Ｈｉｇｈ）＝３とする。

これに対して、本実施形態に示した制振構造においては、オイルダンパー５および可変オイルダンパー６を直列に配置しているために、ダンパー全体の等価減衰係数Ｃ_ｅｆｆは、個々のオイルダンパー５、６の減衰係数をＣ_１、Ｃ_２とした場合に、Ｃ_ｅｆｆ＝（Ｃ_１×Ｃ_２）／（Ｃ_１＋Ｃ_２）で求めることができる。

そこで、上記オイルダンパー５および可変オイルダンパー６として、各々ストロークが１ｍのものを用い、かつオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１＝６とするとともに、可変オイルダンパー６を低減衰Ｃ_２（Ｌｏｗ）＝１．２および高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）＝７になるように設定すれば、ＴＭＤ１全体の減衰係数は、風揺れや中小地震に対しては最適減衰比１５％（Ｃ_ｅｆｆ＝１）となるとともに、大地震時に対しては４６％（Ｃ_ｅｆｆ＝３．２３）になり、よって図９に示したものと同等の効果を得ることができる。

加えて、ＴＭＤ１の変位量Ｌが上記設定値（例えば７０ｃｍ）に至るまでは、その変位が減衰係数の小さい可変オイルダンパー６に集中するが、上記設定値を超えて可変オイルダンパー６の減衰係数がオイルダンパー５の減衰係数よりも高い高減衰Ｃ_２（Ｈｉｇｈ）値に切り替わると、オイルダンパー５とほぼ等しい変位になる。この結果、大地震時に、特定のオイルダンパーにＴＭＤの大きな変形が集中することを防止して、各オイルダンパー５、６の変位を均一化することもできる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示すもので、図１および図２に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図３に示すように、この制振構造においては、ＴＭＤとして多段型振り子式のＴＭＤ１０が用いられている。このＴＭＤ１０は、建物２の屋上部に立設された筒状の外側フレーム１１と、この外側フレーム１１内に配置された筒状の内側フレーム１２と、この内側フレーム１２の中心部に吊持された錘１３とを備えたものである。

ここで、外側フレーム１１の上端部には、内包に突出する鍔部１１ａが一体に形成されており、この鍔部１１ａから垂下されたワイヤーあるいは鋼棒１４によって内側フレーム１２が水平方向に変位自在に吊持されている。さらに、この内側フレーム１２の上端部には、天板１２ａが一体に形成され、この天板１２ａ中心部から垂下されたワイヤーあるいは鋼棒１５の下端部に上記錘１３が取り付けられている。

そして、この制振構造においては、外側フレーム１１の内壁と内側フレーム１２の外壁との間にオイルダンパー５が配置されるとともに、内側フレーム１２の内壁と錘１３との間にパッシブ型の可変オイルダンパー６が配置されている。

上記構成からなる制振構造によれば、第１の実施形態に示したものと同様の効果を得ることができるとともに、さらに多段型振り子式のＴＭＤ１０の、錘１３と内側フレーム１２との間に可変オイルダンパー６を設け、内側フレーム１２と外側フレーム１１との間にオイルダンパー５を配置している結果、両オイルダンパー５、６の間に内側フレーム１２が介在しているために、第１の実施形態のようにオイルダンパー５と可変オイルダンパー６を直接連結する場合と比較して、面外座屈に対する安全性と高めることができ、よって一層細い外径のオイルダンパーを用いることが可能になる。

（第３の実施形態）
図４および図５は、本発明の第３の実施形態を示すもので、同様に第１の実施形態に示したものと同一構成部分については同一符号を付してある。
この制振構造が第１の実施形態に示したものと相違する点は、ＴＭＤ１の錘３と枠体１ａとの間に、３台のオイルダンパー５およびパッシブ型の可変オイルダンパー６ａ、６ｂが直列に配置されていることにある。

ここで、オイルダンパー５は、第１の実施形態に示したものと同様に、大地震を想定して高めの減衰係数Ｃ_１（一定）に設定された一般のパッシブオイルダンパーである。また、２台の可変オイルダンパー６ａ、６ｂのうち、錘３側に配置されたパッシブ型の可変オイルダンパー６ａは、図５に示すように、当該可変オイルダンパー６ａにおける変位量がＬ_１（例えば、５０ｃｍ）に至るまでは、上記オイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１および可変オイルダンパー６ｂの低減衰Ｃ_４（Ｌｏｗ）よりも低い低減衰Ｃ_３（Ｌｏｗ）に設定されている。

そして、この可変オイルダンパー６ａは、上記設定変位量Ｌ_１を超えると、可変オイルダンパー６ｂの低減衰Ｃ_４（Ｌｏｗ）よりも高く、かつオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも低い高減衰Ｃ_３（Ｈｉｇｈ）に切り替わるように設定されている。

また、他の可変オイルダンパー６ｂは、上記変位量Ｌ_１（例えば、５０ｃｍ）よりも大きな変位量Ｌ_２（例えば、７５ｃｍ）までは、上記オイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも低い低減衰Ｃ_４（Ｌｏｗ）に設定されている。

そして、この可変オイルダンパー６ｂは、上記設定変位量Ｌ_２を超えると、可変オイルダンパー６ａの高減衰Ｃ_３（Ｈｉｇｈ）およびオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１よりも高い高減衰Ｃ_４（Ｈｉｇｈ）に切り替わるように設定されている。

以上の構成からなる制振構造においては、本実施形態に示した制振構造においては、３台のオイルダンパー５および可変オイルダンパー６ａ、６ｂを直列に配置しているために、ダンパー全体の等価減衰係数Ｃ_ｅｆｆは、個々のオイルダンパー５、６ａ、６ｂの減衰係数をＣ_１、Ｃ_３、Ｃ_４とした場合に、Ｃ_ｅｆｆ＝（Ｃ_１×Ｃ_３×Ｃ_４）／（Ｃ_１＋Ｃ_３＋Ｃ_４）で求めることができる。

そこで、仮に図９に示した従来の制振構造において、ストロークが３ｍである１台の可変オイルダンパー５３を用いて最適減衰比１５％を実現するための減衰係数Ｃ（Ｌｏｗ）＝１とし、大地震時における減衰比４５％を実現するための減衰係数Ｃ（Ｈｉｇｈ）＝３とした場合と比較する。

先ず、上記オイルダンパー５および可変オイルダンパー６ａ、６ｂとして、各々ストロークが１ｍのものを用い、かつオイルダンパー５の減衰係数Ｃ_１＝１２とするとともに、可変オイルダンパー６ａの低減衰Ｃ_３（Ｌｏｗ）＝１．３に設定し、可変オイルダンパー６ｂの低減衰Ｃ_４（Ｌｏｗ）＝７に設定することにより、図４（ａ）に示すように、風揺れや中小地震に対しては、ＴＭＤ１全体の等価減衰を最適減衰比１５％（Ｃ_ｅｆｆ＝１）に設定する。この際に、ＴＭＤ１の変位は、減衰係数が最も小さい可変オイルダンパー６ａに集中している。

そして、ＴＭＤ１の変位が概ね５０ｃｍを超えると、図４（ｂ）に示すように、可変オイルダンパー６ａの減衰係数が高減衰Ｃ_３（Ｈｉｇｈ）＝８に切り替わる。これにより、大地震に対しては、可変オイルダンパー６ａの減衰係数が高減衰Ｃ_３（Ｈｉｇｈ）＝８、可変オイルダンパー６ｂの減衰係数が低減衰Ｃ_４＝７となり、ＴＭＤ１全体の等価減衰比は４２％（Ｃ_ｅｆｆ＝２．８）になる。この状態においては、ＴＭＤ１の変位は、可変オイルダンパー６ａ、６ｂによってほぼ均等に負担されている。

次いで、ＴＭＤ１の変位が概ね１５０ｃｍを超えると、図４（ｃ）に示すように、可変オイルダンパー６ｂの減衰係数が高減衰Ｃ_４（Ｈｉｇｈ）＝１３に切り替わる。これにより、巨大地震に対しては、可変オイルダンパー６ａの減衰係数が高減衰Ｃ_３（Ｈｉｇｈ）＝８、可変オイルダンパー６ｂの減衰係数が高減衰Ｃ_４（Ｈｉｇｈ）＝１３になり、ＴＭＤ１全体の減衰係数は約５２．５％（Ｃ_ｅｆｆ＝３．５）になる。

このように、本実施形態の制振構造によっても、低コストで設置が容易なストロークが小さい３台のオイルダンパー５、６ａ、６ｂを直列に配置することにより、全体として大きなストロークを得ることが可能になり、よって特に図９に示した可変オイルダンパー５３に要求されるストロークが過度に大きくなる場合に好適であるとともに、大地震時に、特定のオイルダンパーにＴＭＤの大きな変形が集中することを防止して、各オイルダンパー５、６ａ、６ｂの変位を均一化することもできる。

（第４の実施形態）
図６〜図８は、本発明の第４の実施形態を示すものであり、この制振構造が第１の実施形態と異なる点は、オイルダンパー５および可変オイルダンパー６の配置にある。
すなわち、この制振構造においては、ＴＭＤ１の錘３の下方に、枠部材（支持部材）２０が配置されている。この枠部材２０は、方形板状の底板２０ａの外周に小壁部２０ｂが立設されたもので、底板２０ａの四隅に設けられた滑り部材２１を介して建物２の屋上部に水平方向に移動自在に設けられている。

そして、錘３の下面に垂設された取付部３ａと、枠部材２０の小壁部２０ｂとの間に、４台の上記パッシブ型の可変オイルダンパー６が設置されている。ここで、可変オイルダンパー６は、上記取付部３ａを中心としてＸ−Ｙ４方向に放射状に配置されており、各々の両端部が取付部３ａおよび小壁部２０ｂにピン結合されている。

そして、枠部材２０の底板２０ａの下面中央には、下方に突出する取付部２２が一体に形成されており、この取付部２２と建物２の屋上部に固定された取付部２３との間に、４台の上記オイルダンパー５が配置されている。これらオイルダンパー５も、上記取付部２２を中心としてＸ−Ｙ４方向に放射状に配置されており、各々の両端部が取付部２２、２３にピン結合されている。

上記構成からなる制振構造にあっても、第１の実施形態に示したものと同様の作用効果を得ることができる。加えて、この制振構造においては、枠部材２０を介在させることにより、オイルダンパー５と可変オイルダンパー６とを直列に、かつ高さ方向に積層状に配置しているために、屋上部が狭小な建物２においても容易に設置することができるという効果が得られる。

１、１０ＴＭＤ
２建物（構造物）
３、１３錘
５オイルダンパー
６、６ａ、６ｂパッシブ型の可変オイルダンパー
１１外側フレーム
１２内側フレーム
２０枠部材（支持部材）

Claims

構造物の上部にＴＭＤを設置した制振構造において、
上記構造物と上記ＴＭＤとの間に複数のダンパーを直列に設け、少なくとも１の上記ダンパーとして、平常時に減衰係数が他の上記ダンパーよりも低く、かつ予め設定された値以上の大きさの揺れに対して上記減衰係数が上記他のダンパーと同等またはこれよりも高い値に切り替わるパッシブ型の可変ダンパーを用いたことを特徴とする制振構造。
上記ＴＭＤは、上記構造物に立設された外側フレームと、この外側フレーム内に配置されて水平方向に変位自在に上記外側フレームに吊持された内側フレームと、この内側フレームから当該内側フレーム内に垂設された錘とを備えた多段型振り子式のＴＭＤであるとともに、
上記ダンパーは、上記錘と上記内側フレームとの間および上記内側フレームと上記外側フレームとの間に配置され、かつ何れか一方の上記ダンパーが上記パッシブ型の可変ダンパーであることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
上記ＴＭＤの錘の下方に支持部材が水平方向に移動自在に設けられ、上記錘の下部と支持部材の外周部との間に上記ダンパーおよび上記パッシブ型の可変ダンパーのいずれか一方が設置されるとともに、上記支持部材の下部中央と上記構造物の上部との間に上記ダンパーおよび上記パッシブ型の可変ダンパーの他方が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。