JP6456779B2 - 制振構造 - Google Patents

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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(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よりも低い低減衰C(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よりも高い高減衰C(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(Low)から高減衰C(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よりも低い低減衰C(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よりも高い高減衰C(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(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(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(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Ceffは、個々のオイルダンパー5、6の減衰係数をC、Cとした場合に、Ceff=(C×C)/(C+C)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=6とするとともに、可変オイルダンパー6を低減衰C(Low)=1.2および高減衰C(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%(Ceff=1)となるとともに、大地震時に対しては46%(Ceff=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(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(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(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および可変オイルダンパー6bの低減衰C(Low)よりも低い低減衰C(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を超えると、可変オイルダンパー6bの低減衰C(Low)よりも高く、かつオイルダンパー5の減衰係数Cよりも低い高減衰C(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(例えば、50cm)よりも大きな変位量L(例えば、75cm)までは、上記オイルダンパー5の減衰係数Cよりも低い低減衰C(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を超えると、可変オイルダンパー6aの高減衰C(High)およびオイルダンパー5の減衰係数Cよりも高い高減衰C(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Ceffは、個々のオイルダンパー5、6a、6bの減衰係数をC、C、Cとした場合に、Ceff=(C×C×C)/(C+C+C)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=12とするとともに、可変オイルダンパー6aの低減衰C(Low)=1.3に設定し、可変オイルダンパー6bの低減衰C(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%(Ceff=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(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(High)=8、可変オイルダンパー6bの減衰係数が低減衰C=7となり、TMD1全体の等価減衰比は42%(Ceff=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(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(High)=8、可変オイルダンパー6bの減衰係数が高減衰C(High)=13になり、TMD1全体の減衰係数は約52.5%(Ceff=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、10 TMD
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 (3)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
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