JP6706551B2 - 制震装置、制震システム及び制震方法 - Google Patents

Description

本発明は、建物に適用される制震装置、制震システム及びそれらを利用した制震方法に関する。

建物の制震技術として、特許文献１に開示されているような同調質量ダンパ（Tuned Mass Dumper：ＴＭＤ）が知られている。同調質量ダンパは、制震対象である建物に連結される弾性体と弾性体に取り付けられる質量体とを有する。同調質量ダンパは、建物が加震されたとき、質量体が振動することにより、建物に生じる振動の振幅や加速度を低減する。

特開平６−２１２８３４号公報

同調質量ダンパは、例えば、建物の固有周期の近傍において所望の制震効果が発揮されるように設計される。従って、建物の固有周期が変化したとき、制震効果が発揮される周期と建物の固有周期とが互いにずれるので、制震効果が低下する虞がある。

そこで、本発明は、建物の固有周期の変化に対応することにより制震効果の低下を抑制可能な制震装置、制震システム及び制震方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、建物に適用される制震装置であって、質量部と、質量部を建物に連結する連結部と、を備え、連結部は、建物と質量部との連結方向における第１の弾性係数を有する第１の弾性部と、連結方向における第２の弾性係数を有し、第１の弾性部に対して直列に連結される第２の弾性部と、第２の弾性部に対して並列に設けられ、所定の減衰力を発生させると共に、減衰係数を調整可能な第１の減衰部と、を有する。

この制震装置は、質量部と第１の弾性部と第２の弾性部と減衰部とにより構成される。さらに第１の弾性部及び第２の弾性部が一定の弾性係数を有するものとしながら、第２の弾性部に対して並列に設けられた減衰部の減衰係数を調整させる。従って、減衰部が設けられた第２の弾性部の弾性係数を見かけ上調整することができる。弾性係数が調整されると、制震装置の固有周期が変化する。従って、減衰係数を制御することにより、建物の固有周期の変化に対応するように制震装置の固有周期を調整することが可能になるので、建物の固有周期の変化に伴う制震効果の低下を抑制することができる。

第２の弾性部の一端は、質量部に連結され、第２の弾性部の他端は、第１の弾性部の一端に連結され、第１の弾性部の他端は、建物に連結されてもよい。これらの構成によれば、簡易な構成で制震装置の特性を建物の固有周期の変化に対して好適に追従させることができる。

第１の弾性部の一端は、質量部に連結され、第１の弾性部の他端は、第２の弾性部の一端に連結され、第２の弾性部の他端は、建物に連結されてもよい。これらの構成によれば、簡易な構成で制震装置の特性を建物の固有周期の変化に対して好適に追従させることができる。

連結部は、第１の弾性部に対して並列に接続される第２の減衰部と、第１の弾性部と第２の弾性部とを有する合成弾性部に対して並列に接続される第３の減衰部と、をさらに有してもよい。この構成によれば、制震装置の特性を建物の固有周期の変化に対して好適に追従させることができる。

連結部は、連結方向における第３の弾性係数を有し、第１の弾性部又は第２の弾性部に対して直列に連結される第３の弾性部をさらに有してもよい。この構成によれば、制震装置の制震効果を建物の固有周期の変化に対してさらに好適に追従させることができる。

連結部は、第３の弾性部に対して並列に接続される第４の減衰部をさらに有してもよい。また、連結部は、第２の弾性部と、第２の弾性部に連結された第１の弾性部又は第３の弾性部とを含む合成弾性部に対して並列に接続される第３の減衰部をさらに有してもよい。これらの構成によれば、制震装置の特性を建物の固有周期の変化に対してさらに好適に追従させることができる。

第１の減衰部は、可変減衰ダンパであってもよい。この構成によれば、制震装置を簡易な構成とすることができる。

本発明の別の形態は、建物に適用される制震システムであって、上記の制震装置と、建物の固有周期を得る固有周期取得部と、固有周期を利用して、第１の減衰部における減衰係数を制御する制御部と、を備える。この制震システムによれば、上記制震装置が、固有周期取得部で得られた建物の固有周期に対応するように制御部によって制御される。従って、建物の固有周期の変化に対応することが可能となり、制震効果の低下を抑制することができる。

上記の制震システムが設けられた建物の制震方法であって、建物の固有周期を得る第１のステップと、固有周期を利用して、第１の減衰部における減衰係数を決定する第２のステップと、第２のステップにおいて決定された減衰係数となるように、第１の減衰部を制御する第３のステップと、を有する。この制震方法によれば、固有周期取得部で得られた建物の固有周期に対応するように制御部によって上記制震装置を制御する。従って、建物の固有周期の変化に対応することが可能となり、制震効果の低下を抑制することができる。

本発明によれば、建物の固有周期の変化に対応することにより制震効果の低下を抑制可能な制震装置、制震システム及び制震方法が提供される。

図１は実施形態に係る制震装置を示すモデル図である。 図２は図１に示された制震装置の具体例を示す図である。 図３は変形例１に係る制震装置を示すモデル図である。 図４は変形例２に係る制震装置を示すモデル図である。 図５の（ａ）部は変形例３に係る制震装置を示すモデル図であり、図５の（ｂ）部は変形例４に係る制震装置を示すモデル図である。 図６は実施例１の結果を示すグラフである。 図７は実施例２の結果を示すグラフである。 図８は周期ずれと最適減衰係数との関係を示すグラフである。 図９の（ａ）部は実施例３の結果を示すグラフであり、図９の（ｂ）部は実施例４の結果を示すグラフである。 図１０は、建物の最大応答変位を示すグラフである。 図１１は、制震装置を建物に適用した構成における最大応答ストロークを示す。 図１２の（ａ）部は、比較例１に係る制震装置を示すモデル図であり、図１２の（ｂ）部は、比較例２に係る制震装置を示すモデル図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る制震システム１のモデル図である。図１に示されるように、制震システム１は、建物１００に適用される。制震システム１は、地震等により基礎１０１から建物１００に振動が印加されたとき、建物１００の振動を抑制する。具体的には、制震システム１は、水平方向における建物１００の振幅を低減する。

制震システム１は、制震装置１０と、制御装置２０と、を有する。制震装置１０は、建物１００の振動を低減させる力を発生させるものであり、いわゆる同調質量ダンパ（ＴＭＤ）である。制御装置２０は、制震装置１０の特性を制御する。具体的には、制震対象である建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に対応するように、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）を制御する。

なお、以下の説明において、固有周期（Ｔ）、固有周期（Ｔ０）、及び固有周期（Ｔｄ）を適宜用いる。固有周期（Ｔ０）は、周期変動前の建物１００の固有周期である。固有周期（Ｔ）は、周期変動後の建物１００の固有周期であり、Ｔ＝η×Ｔ０（ηは建物１００の周期ずれ（詳細は後述））として示される。固有周期（Ｔｄ）は、制震装置１０の固有周期であり、Ｔｄ＝（１＋μ）×Ｔとして示される（ただし、μ＝Ｍ／Ｍ０（質量体１１の質量（Ｍ）と建物１００の質量（Ｍ０）との質量比））。固有周期（Ｔｄ）は、建物１００の固有周期と等しくされるわけではなく、固有周期（Ｔｄ）を（１＋μ）×建物１００の固有周期とした場合に、制震効果が大きくなる。

制震装置１０は、質量体１１（質量部）と、連結部１２と、を有する。質量体１１は、連結部１２を介して建物１００に連結される。質量体１１は、建物１００に対して水平方向に移動可能とされる。

連結部１２は、第１のバネ１３（第１の弾性部）と、第２のバネ１４（第２の弾性部）と、可変減衰ダンパ１６（第１の減衰部）と、を有する。第１のバネ１３は、一端が建物１００に連結され、他端が第２のバネ１４の一端に連結される。第１のバネ１３は、第１のバネ定数（ｋ１）（第１の弾性係数）を有する。第２のバネ１４は、一端が第１のバネ１３の他端に連結され、他端が質量体１１に連結される。第２のバネ１４は、第２のバネ定数（ｋ２）（第２の弾性係数）を有する。第１のバネ１３と第２のバネ１４とは、互いに直列に連結される。

可変減衰ダンパ１６は、第２のバネ１４の両端の速度差に対応する減衰力を発生させる。また、可変減衰ダンパ１６は、減衰器としての機能に加えて、第２のバネ１４の見かけ上のバネ定数（ｋ２ｎ）を調整する機能を併せ持っている。第２のバネ１４の見かけ上のバネ定数（ｋ２ｎ）を調整する機能の詳細については、後述する。

可変減衰ダンパ１６は、第２のバネ１４に対して並列に連結される。具体的には、可変減衰ダンパ１６は、一端が第２のバネ１４の一端に連結され、他端が第２のバネ１４の他端に接続される。また、可変減衰ダンパ１６は、一端が第１のバネ１３の他端に連結され、他端が質量体１１に連結されているともいえる。可変減衰ダンパ１６は、減衰係数（Ｃ）が変更可能である。すなわち、可変減衰ダンパ１６は、第２のバネ１４の両端の速度差に対応する減衰力の大きさを変化させることができる。このような可変減衰ダンパ１６として、例えば、可変減衰機能を有するオイルダンパが挙げられる。可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）は、制御装置２０から提供される信号に基づいて、電気的に制御される。

制御装置２０は、センサ２１（固有周期取得部）と、制御部２２と、を有する。センサ２１は、建物１００に取り付けられて、建物１００の固有周期（Ｔ）に関する情報を得る。このようなセンサ２１としては、例えば、加速度センサが挙げられる。センサ２１に加速度センサを用いた場合には、取得された加速度を利用して制御部２２において建物１００の固有周期（Ｔ）が算出される。センサ２１は、固有周期（Ｔ）に関する情報を制御部２２に出力する。

制御部２２は、センサ２１から提供された情報を利用して、制震装置１０を制御する。制御部２２は、例えば、コンピュータである。制御部２２は、固有周期入力部２２ａと、データベース２２ｂと、制御信号出力部２２ｃと、を有する。固有周期入力部２２ａは、センサ２１から提供された情報を利用して、固有周期（Ｔ）を得る。センサ２１から提供されたデータは、固有周期（Ｔ）そのものを示す情報であってもよいし、固有周期（Ｔ）を算出可能なデータであってもよい。固有周期入力部２２ａは、固有周期（Ｔ）を示す情報を制御信号出力部２２ｃに提供する。データベース２２ｂは、建物１００の固有周期（Ｔ）と、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）とが関連付けられた情報を保持する。この情報は、あらかじめ数値計算などにより準備されて、メモリ等に記録されたものである。データベース２２ｂは、制御信号出力部２２ｃから参照可能に構成される。制御信号出力部２２ｃは、固有周期入力部２２ａから提供された固有周期（Ｔ）を示す情報を利用して、当該固有周期（Ｔ）に対応する減衰係数（Ｃ）をデータベース２２ｂから読み出す。そして、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）が読み出した減衰係数（Ｃ）となるように、可変減衰ダンパ１６を制御する信号を生成し、当該信号を可変減衰ダンパ１６に出力する。

図２は、図１に示された制震システム１の例示である。図２の制震システム１Ａは、建物１００の屋上に配置される。制震システム１Ａは、制震装置１０Ａと、制御装置２０と、を有する。制震装置１０Ａは、筐体３１と、吊りワイヤ３２と、錘３３と、可変減衰ダンパ３４と、支承装置３６と、を有する。吊りワイヤ３２は、図１における第２のバネ１４に対応する。錘３３は、図１における質量体１１に対応する。可変減衰ダンパ３４は、図１における可変減衰ダンパ１６に対応する。支承装置３６は、図１における第１のバネ１３に対応する。支承装置３６には、積層ゴム構造、転がり支承、すべり支承、球面すべり支承等が挙げられる。また、筐体３１と吊りワイヤ３２と可変減衰ダンパ３４と支承装置３６とが組み合わされた構成は、図１における連結部１２に対応する。

筐体３１は、吊りワイヤ３２と、錘３３と、可変減衰ダンパ３４とを収容する。筐体３１は、例えば、鉄性や鋼製の部材を組み合わせた鉄骨構造で有り得る。筐体３１は、吊りワイヤ３２と、錘３３と、可変減衰ダンパ３４とを所定の位置に配置するための構造体である。

吊りワイヤ３２は、上端が筐体３１の上部横梁に連結され、下端には錘３３が連結される。このような構造によれば、錘３３は、水平方向に移動可能である。可変減衰ダンパ３４は、一端が錘３３の側部に連結され、他端が筐体３１の柱に連結される。このような構造によれば、錘３３が水平方向に移動したとき、錘３３の速度に対応する減衰力が可変減衰ダンパ３４により発生する。

次に、制震装置１０及び制震システム１が建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に対応できる理由について説明する。まず、建物１００の固有周期（Ｔ）に対応するとは、固有周期（Ｔ）を有する建物１００に振動が印加されたとき、振動によって生じる建物１００の振幅（或いは加速度）を低減するように、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）が設定されていることをいう。従って、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に対応するとは、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に追従して、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）も変化することをいう。

図１に示されるように、制震装置１０は、第１のバネ１３と第２のバネ１４とを有する。今、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）がゼロとして設定され、減衰力が発生しない状態を仮定する。そうすると、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）は、質量体１１の質量（Ｍ）と、第１のバネ１３のバネ定数（ｋ１）と第２のバネ１４のバネ定数（ｋ２）により決定される。すなわち、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）は、下記式（１）及び式（２）により示される。

Ｔｄ：制震装置１０の固有周期
Ｍ：質量体１１の質量
ｋａ：第１のバネ１３と第２のバネ１４とを直列に連結した場合の合成バネ定数

次に、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）が大きく設定され、大きな減衰力が生じる状態を仮定する。そうすると、質量体１１の移動に対して第２のバネ１４が伸縮し難くなる。そして、最終的に第２のバネ１４は、剛体としてみなされることとなり、弾性体としての機能を奏しない。この場合には、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）は、質量体１１の質量（Ｍ）と、第１のバネ１３のバネ定数（ｋ１）とにより決定される。すなわち、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）は、下記式（３）により示される。

さらに、第２のバネ１４の見かけのバネ定数（ｋ２ｎ）、すなわち質量体１１の移動量と第２のバネ１４の伸びとの関係は、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）に対応する。従って、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を制御することにより、第２のバネ１４の見かけのバネ定数（ｋ２ｎ）を変化させることが可能になる。具体的には、第２のバネ１４の見かけのバネ定数（ｋ２ｎ）は、（ｋ２＜ｋ２ｎ＜∞）の範囲を取り得る。第２のバネ１４のバネ定数（ｋ２ｎ）は、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）に関係するので（式（４）及び式（５）参照）、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を制御することにより、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）を所望の値に設定することができる。具体的には、制震装置１０の最大固有周期（Ｔｍａｘ）は、式（１）に示される値であり、制震装置１０の最小固有周期（Ｔｍｉｎ）は式（３）に示される値である。そして、最大固有周期（Ｔｍａｘ）と最小固有周期（Ｔｍｉｎ）の間の固有周期（Ｔｄ）は、式（４）及び式（５）により示される値である。

次に、制震システム１を用いた建物１００の制震方法について説明する。まず、建物１００の固有周期（Ｔ）の範囲に基づいて、第１のバネ１３のバネ定数（ｋ１）と第２のバネ１４のバネ定数（ｋ２）を決定する。具体的には、建物１００の最小固有周期（Ｔｍｉｎ）と最大固有周期（Ｔｍａｘ）とを設定する。建物１００の最小固有周期（Ｔｍｉｎ）によれば、第１のバネ１３のバネ定数（ｋ１）が決定される。すなわち、式（３）のＴｄが（１＋μ）×Ｔ０に等しくなるように第１のバネ１３のバネ定数（ｋ１）を設定する。同様にして、建物１００の最大固有周期（Ｔｍａｘ）によれば、第１のバネ１３と第２のバネ１４とを直列に連結した場合の合成バネ定数（ｋａ）が得られる（式（１）参照）。第１のバネ定数（ｋ１）は、別に決定されているので、合成バネ定数（ｋａ）と第１のバネ定数（ｋ１）から、第２のバネ定数（ｋ２）が得られる。

次に、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を得る。具体的には、建物１００の固有周期（Ｔ）を最小固有周期（Ｔｍｉｎ）から最大固有周期（Ｔｍａｘ）までの間の所望の値に設定する。続いて、建物１００の固有周期（Ｔ）と、質量体１１の質量（Ｍ）、第１のバネ定数（ｋ１）、第２のバネ定数（ｋ２）と、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）とを利用して、振動に対する建物１００の平均応答を得る。このとき、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を変化させて、複数の応答を得る。そして、平均応答が最小となる減衰係数（Ｃ）を、固有周期（Ｔ）と関連付けて保存する。このような処理を、建物１００の固有周期（Ｔ）を変化させながら、繰り返し行う。

この建物１００の固有周期（Ｔ）と可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）との関係を得る作業は、制震システム１を建物１００に設ける前に行われる。

次に、地震が発生し、建物１００に横揺れが生じたときにおける制震方法について説明する。建物１００に横揺れが生じたとき、センサ２１は、建物１００の固有周期（Ｔ）に関する情報を取得する（第１のステップ）。すなわち、地震が作用している間の建物１００の固有周期をオンラインで同定する。当該情報は、制御部２２に出力される。制御部２２は、固有周期（Ｔ）に関する情報を利用して、可変減衰ダンパ１６のための制御信号を発生する（第２のステップ）。具体的には、固有周期（Ｔ）に関する情報を利用して、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を決定する。まず、制御部２２の固有周期入力部２２ａは、固有周期（Ｔ）を得る。次に、制御信号出力部２２ｃは、固有周期（Ｔ）に対応する減衰係数（Ｃ）をデータベース２２ｂから読み出す。そして、制御信号出力部２２ｃは、読み出された減衰係数（Ｃ）となるように、可変減衰ダンパ１６を設定するための制御信号を生成する。そして、制御信号出力部２２ｃは、制御信号を可変減衰ダンパ１６に出力することにより、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を所定の値に制御する（第３のステップ）。

上記の第１のステップ、第２のステップ及び第３のステップは、建物１００の横揺れが生じている間、繰り返し実行される。

次に、制震装置１０、制震システム１及び制震方法の作用効果について、比較例１に係る制震装置２００及び比較例２に係る制震装置３００と対比しつつ説明する。

図１２の（ａ）部には、比較例１に係る制震装置２００のモデルが示される。比較例１の制震装置２００は、基本的な同調質量ダンパ（ＴＭＤ）構成を有する。具体的には、制震装置２００は、質量体２０１と、質量体２０１を建物１００に連結するバネ２０２と、バネ２０２に並列に設けられたダンパ２０３とを有する。バネ２０２は、所定のバネ定数を有する。ダンパ２０３も同様に、所定の減衰係数を有する。従って、比較例１の制震装置２００は、バネが単独である点と、ダンパ２０３の減衰係数が固定である点とで、本実施形態の制震装置１０と相違する。比較例１に係る制震装置２００は、振動特性（ここでは制震装置２００の固有周期（Ｔｄ））が一つの値しか取り得ない。すなわち、比較例１の制震装置２００は、建物１００のある固有周期（Ｔ）に対応するように設計されているので、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に対応することができない。従って、建物１００の固有周期（Ｔ）が変化すると、制震効果が低下することがあり得る。例えば、地震等により建物１００にひび割れが生じた場合には、建物１００の固有周期（Ｔ）がひび割れのない建物１００の固有周期（Ｔ）よりも大きくなることがある。

そこで、図１２の（ｂ）部に示されるように、比較例２に係る制震装置３００が考えられる。比較例２の制震装置３００は、第１の制震部３０１と第２の制震部３０２とを備えている。第１の制震部３０１は、質量体３０３と、質量体３０３を建物１００に連結するバネ３０４と、ダンパ３０５と、を有する。そして、これら質量体３０３の質量とバネ３０４のバネ定数とに基づく第１の固有周期を有する。また、第２の制震部３０２は、質量体３０６と、質量体３０６を建物１００に連結するバネ３０７と、ダンパ３０８と、を有する。そして、これら質量体３０６の質量とバネ３０７のバネ定数とに基づく第２の固有周期を有する。第１の制震部３０１の第１の固有周期と第２の制震部３０２の第２の固有周期とは互いに異なっている。このような制震装置３００によれば、建物１００の固有周期（Ｔ）が第１の固有周期の近傍であるときと、建物１００の固有周期（Ｔ）が第２の固有周期の近傍であるときと、に対応できる。しかし、建物１００の固有周期（Ｔ）が第１の固有周期と第２の固有周期との間である場合には、制震効果が低下することがあり得る。また、対応可能な固有周期の範囲を広げる場合には、制震部を増やす等の対応が必要となる。従って、制震装置の規模が大きくなり易い。

さらに、制震のための制御力を発生する機構としてアクチュエータを利用する構成も考えられる。しかし、大地震下においては制震に要する力が非常に大きいため、要求される力を得るためには、アクチュエータが巨大になる虞がある。また、能動的な駆動を行うアクチュエータでは、そもそも要求される力が得られないこともあり得る。

本実施形態の制震装置１０は、質量体１１と第１のバネ１３と第２のバネ１４と可変減衰ダンパ１６とにより構成される。さらにバネ自体は一定のバネ定数（ｋ１，ｋ２）を有するものとしながら、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を調整することにより第２のバネ１４が有する第２のバネ定数（ｋ２）を見かけ上調整することができる。従って、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に対応するように、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）を調整することが可能になるので、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に伴う制震効果の低下を抑制し得る。また、本実施形態の制震装置１０は、バネとダンパとにより構成される単純な機構であり、アクチュエータのように能動的な駆動を行う必要ないため、大質量を有する質量体１１を採用することが可能になる。従って、許容可能な地震の大きさを拡大することができる。

また、本実施形態の制震装置１０によれば、制震装置１０が有する第１のバネ１３及び第２のバネ１４のそれら自体の剛性条件を変更することなく、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）の制御のみで、制震装置１０の特性を建物１００の周期変動に追従させることができる。従って、第１のバネ１３及び第２のバネ１４のそれぞれの剛性は一定でよく、制震装置１０の構造を単純化できる。

さらに、本実施形態の制震装置１０は、建物１００に作用する比較的小さい横揺れ（例えば風による揺れ）と、比較的大きい揺れ（例えば大地震による揺れ）の両方に好適に対応することができる。そのうえ、制震装置１０が図２に示されるような構成として適用された場合に、錘３３の吊り長さの制限が緩和されるので、制震装置１０を小型化することが可能になる。また、大地震時におけるダンパストロークを低減することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、図３に示されるように、変形例１に係る制震装置１０Ｂの連結部１２Ｂは、第１の可変減衰ダンパとしての可変減衰ダンパ１６に加えて、可変減衰ダンパ１６Ａ（第２の減衰部）と可変減衰ダンパ１６Ｂ（第３の減衰部）とをさらに有していてもよい。可変減衰ダンパ１６Ａは、第１のバネ１３に対して並列に接続される。具体的には、可変減衰ダンパ１６Ａは、一端が第１のバネ１３の一端に連結され、他端が第１のバネ１３の他端に連結される。可変減衰ダンパ１６Ｂは、第１のバネ１３及び第２のバネ１４のそれぞれに対して並列に接続される。即ち、可変減衰ダンパ１６Ｂは、合成バネ１５（合成弾性部）に対して並列に接続される。合成バネ１５は、互いに直列に連結された第１のバネ１３と第２のバネ１４と、により構成される。具体的には、可変減衰ダンパ１６Ｂは、一端が第１のバネ１３の一端に連結され、他端が第２のバネ１４の他端に連結される。このような連結部１２Ｂを有する制震装置１０Ｂによれば、制震装置１０Ｂの振動特性をより細かく調整することが可能になるので、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に伴う制震効果の低下をさらに抑制し得る。

また、制震装置は、合成バネ（合成弾性部）を構成する直列バネの数が２個に限定されることはなく、例えば、図４に示されるように、変形例２に係る制震装置１０Ｃは、３個以上のバネを有していてもよい。制震装置１０Ｃは、連結部１２Ｃを有する。連結部１２Ｃは、第３のバネ１７（第３の弾性部）と、可変減衰ダンパ１８（第４の減衰部）とを有する。第３のバネ１７は、連結方向における第３の弾性係数（ｋ３）を有する。第３のバネ１７は、一端が第１のバネ１３の他端に連結され、他端が第２のバネ１４の一端に連結される。可変減衰ダンパ１８は、一端が第３のバネ１７の一端に連結され、他端が第３のバネ１７の他端に連結される。このような連結部１２を有する制震装置１０Ｃによれば、制震装置１０Ｃの制震特性をより細かく調整することが可能になるので、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に伴う制震効果の低下をさらに抑制し得る。

また、変形例３に係る制震装置は、図５の（ａ）部に示される構成を備えていてもよい。図５の（ａ）部に示されるように、制震装置１０Ｄは、質量体１１と、質量体１１を建物１００に連結する連結部１２Ｄとを有している。連結部１２Ｄは、第１のバネ１３Ｄと第２のバネ１４Ｄとを有している。第２のバネ１４Ｄには可変減衰ダンパ１６が設けられている。ここで、第１のバネ１３Ｄは、一端が質量体１１に連結され、他端が第２のバネ１４Ｄの一端に連結されている。また、第２のバネ１４Ｄは、一端が第１のバネ１３Ｄの他端に連結され、他端が建物１００に連結されている。すなわち、制震装置１０Ｄは可変減衰ダンパ１６が設けられた第２のバネ１４Ｄが建物１００に直接に連結されている点で、可変減衰ダンパ１６が設けられた第２のバネ１４が第１のバネ１３を介して建物１００に連結されている実施形態に係る制震装置１０と相違する。このような構成によっても、制震装置１０Ｄは、制震装置１０と同様の効果を得ることができる。

また、変形例４に係る制震装置は、図５の（ｂ）部に示される構成を備えていてもよい。図５の（ｂ）部に示されるように、制震装置１０Ｅは、制震装置１０Ｄ（図５の（ａ）部参照）に対して、２個の可変減衰ダンパ１６Ａ，１６Ｂを追加したものである。可変減衰ダンパ１６Ａは、第１のバネ１３Ｅに設けられている。可変減衰ダンパ１６Ｂは、第１のバネ１３Ｅと第２のバネ１４Ｅとが直列に接続された合成バネに対して設けられている。このような連結部１２Ｅを有する制震装置１０Ｅによっても、制震装置１０Ｅの振動特性をより細かく調整することが可能になるので、建物１００の固有周期（Ｔ）の変化に伴う制震効果の低下をさらに抑制し得る。

次に、比較例１の制震装置２００及び比較例２の制震装置３００の特性と比較しながら、制震装置１０，１０Ｂの特性を実施例１〜６により確認した。例えば、実施例１の制震装置１０Ｂは、図３に示された変形例１に係る構成を有する。実施例２〜６の制震装置１０は、主系の質量（Ｍ０）である建物１００と副系の質量（Ｍ）である質量体１１とを第１のバネ１３及び第２のバネ１４により連結した。そして、第２のバネ１４に可変減衰要素としての可変減衰ダンパ１６を設けた。このような振動系を有する制震装置１０は、直列可変型の同調質量ダンパ（ＴＭＤ）と呼ぶこともできる。直列可変型の制震装置１０によれば、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）を制御することにより、同調周期を制御することが可能である。例えば、減衰係数（Ｃ）を大きくすると、第２のバネ１４のバネ定数（ｋ２）が見かけ上大きくなるので、制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）が式（３）に示される周期に漸近する。本実施例２では、このときの制震装置１０の固有周期（Ｔｄ）が、周期変動前の建物１００の固有周期（Ｔ０）に同調するように、下記式（６）によって第１のバネ定数（ｋ１）を設定した。

制震装置１０が対応可能な範囲は、質量比（μ）や、剛性比（ｋ２／ｋ１）による。以下の実施例１〜６においては、２倍程度の周期ずれ（η）を想定した建物１００を対象とし、基本的な設定として、質量比（μ＝５．０％）、剛性比（ｋ２／ｋ１＝０．５０）とした。ここで、周期ずれ（η）は、式（７）により示される。

Ｔ：周期変動後の建物の固有周期
Ｔ０：周期変動前の建物の固有周期

実施例１〜４では、ランダム振動論に基づき、伝達関数を利用して各制震装置を設置したときの建物の平均応答（σ）を得ることにより種々の確認を行った。

＜実施例１＞
実施例１では、変形例１の制震装置１０Ｂにおいて、可変減衰ダンパ１６の減衰係数（Ｃ）、可変減衰ダンパ１６Ａの減衰係数（ＣＡ）及び可変減衰ダンパ１６Ｂの減衰係数（ＣＢ）を変化させたときの応答を確認した。制震装置１０Ｂに対して、下記式（８）により伝達関数を利用して、その平均応答（σ）を得た。具体的には、式（７）に示される建物１００の周期ずれ（η）を設定し、当該周期ずれ（η）のもとに、可変減衰ダンパ１６、可変減衰ダンパ１６Ａ及び可変減衰ダンパ１６Ｂの減衰係数（Ｃ，ＣＡ，ＣＢ）を変化させて平均応答（σ）を得た。

Ｈ（ｉω）：建物の伝達関数
ω ：角振動数

図６は、計算の結果を示すグラフである。横軸は周期ずれ（η）を示し、縦軸は平均応答（σ）を示す。グラフＧ５ａは、平均応答（σ）が最小となるように可変減衰ダンパ１６、可変減衰ダンパ１６Ａ及び可変減衰ダンパ１６Ｂの減衰係数（Ｃ，ＣＡ，ＣＢ）を変化させた場合の結果である。グラフＧ５ｂは、平均応答（σ）が最小となるように可変減衰ダンパ１６のみ減衰係数（Ｃ）を変化させた場合の結果である。なお、可変減衰ダンパ１６Ａ及び可変減衰ダンパ１６Ｂの減衰係数（ＣＡ，ＣＢ）はゼロとした。すなわち、グラフＧ５ｂを得た設定は、制震装置１０（図１参照）に対応する。

グラフＧ５ａ及びグラフＧ５ｂに示されるように、周期ずれ（η）が１から２．５の間では、グラフＧ５ａ及びグラフＧ５ｂ共に同様の傾向を示すことがわかった。従って、制震装置１０のように、第２のバネ１４にのみ可変減衰ダンパ１６を設けた構成であっても、変形例１の制震装置１０Ｂと同等の制震効果を得られることが確認できた。これにより、制震装置１０は、簡易な構造で広い範囲の建物１００の周期変動に対応可能な合理的な構成であることがわかった。

＜実施例２＞
実施例２では、制震装置１０，２００，３００において、周期ずれ（η）と平均応答（σ）との関係を確認した。制震装置１０，２００，３００における設定は、表１のとおりである。なお、制震装置１０の剛性比（ｋ２／ｋ１）は、０．５０とした。また、制震装置２００，３００の減衰係数（Ｃ）は、式（９）に示す定点理論による最適減衰定数（ｈ）をもとにして算定した。なお、表１において、質量比（μ１）は、μ１＝Ｍ１／Ｍ０である。質量比（μ２）は、μ２＝Ｍ２／Ｍ０である。

図７は、計算の結果を示すグラフである。横軸は周期ずれ（η）を示し、縦軸は平均応答（σ）を示す。グラフＧ６ａは制震装置１０の応答であり、グラフＧ６ｂは制震装置２００の応答であり、グラフＧ６ｃは制震装置３００の応答である。グラフＧ６ａに示されるように、周期ずれ（η）が１から２までの範囲において、制震装置１０は、周期ずれ（η）に対応可能であり、良好な制震効果を有することがわかった。グラフＧ６ｂに示されるように、周期ずれ（η）に対応できない制震装置２００は、周期ずれ（η）がない（即ちη＝１）であるときには、良好な特性が得られる。しかし、周期ずれ（η）が大きくなると平均応答（σ）が大きくなり、制震効果が低下していることがわかった。また、グラフＧ６ｃに示されるように、比較例２の制震装置３００によれば、制震装置３００が有する第１の固有周期と第２の固有周期の近傍において平均応答（σ）を低減させる効果が得られることがわかった。従って、例えば、第１の固有周期と第２の固有周期の間では、平均応答（σ）が大きくなりやすいことがわかった。

さらに、実施例２の制震装置１０において、図８に示されるように、周期ずれ（η）と平均応答（σ）が最小となる減衰係数（Ｃ）との関係を得た。図８において、横軸は周期ずれ（η）であり、縦軸は減衰係数（Ｃ）である。算定条件は、Ｔ０＝３秒、質量比（μ）＝５．０％、剛性比（ｋ２／ｋ１）＝０．５０である。範囲（η＞１）における近似式は、式（１０）であることがわかった。式（１０）は、図の破線に対応する。

＜実施例３＞
実施例３では、制震装置１０における質量比（μ）と平均応答（σ）との関係を確認した。図９の（ａ）部は、計算の結果を示すグラフである。横軸は周期ずれ（η）を示し、縦軸は平均応答（σ）を示す。グラフＧ８ａは質量比（μ＝２．５％）であり、グラフＧ８ｂは質量比（μ＝５．０％）であり、グラフＧ８ｃは質量比（μ＝１０．０％）であり、グラフＧ８ｄは質量比（μ＝２０．０％）である。また、剛性比は（ｋ２／ｋ１＝０．５０）である。グラフＧ８ａ〜Ｇ８ｄに示されるように、質量比（μ）が大きくなるほど、平均応答（σ）が低減されることがわかった。さらに、質量比（μ）が大きくなるほど、周期ずれ（η）に対する対応可能な範囲が拡大することがわかった。

＜実施例４＞
実施例４では、制震装置１０における剛性比（ｋ２／ｋ１）と平均応答（σ）との関係を確認した。図９の（ｂ）部は、計算の結果を示すグラフである。横軸は周期ずれ（η）を示し、縦軸は平均応答（σ）を示す。グラフＧ８ｅは剛性比（ｋ２／ｋ１＝０．３３）であり、グラフＧ８ｆは剛性比（ｋ２／ｋ１＝０．５０）であり、グラフＧ８ｇは剛性比（ｋ２／ｋ１＝１．００）であり、グラフＧ８ｈは剛性比（ｋ２／ｋ１＝２．００）である。また、質量比は（μ＝５．０％）である。グラフＧ８ｅ〜Ｇ８ｈに示されるように、剛性比（ｋ２／ｋ１）が小さくなるほど、対応可能な周期ずれ（η）の範囲が拡大するが、中間領域における制震効果は小さくなることがわかった。

実施例５，６では、地震応答解析を行い、制震装置１０，２００，３００の特性を確認した。また、実施例５では、比較例３として、同調質量ダンパを備えない場合の建物の変位も確認した。実施例５，６における制震対象である建物は、ＲＣ造超高層建物を想定した４０質点モデルとした。建物における復元力特性は、武田モデルを採用し、瞬間剛性比例型減衰（ｈ＝３％）を与えた。計算に利用される制震装置の設定は、表２のとおりである。

実施例５，６の解析における直列可変型の制震装置１０は、次のような動作を行う。まず、予め準備された入力地震動に対してローパスフィルタを適用し、高周波成分を除く。次に、各階（質点）の加速度応答をモード分解し、１次モードの波形を得る。そして、ローパスフィルタを適用し、高周波成分を除く。地動加速度を入力、１次モード波形を出力とみなして、ＡＲＸ（Auto-Regressive with eXogenous）モデルを適用し、建物の１次の固有周期を同定する。そして、得られた固有周期に対応する制震装置の減衰係数（Ｃ）を得る。この実施例５，６では、周期ずれ（η）と減衰係数（Ｃ）との関係を示す近似式（例えば式（９）参照）を予め準備し、当該近似式を用いて建物の固有周期（Ｔ）から減衰係数（Ｃ）を得た。

＜実施例５＞
実施例５では、制震装置１０，２００，３００を建物に適用した構成における地震応答解析を行い、建物の最大応答変位を確認した。図１０は、建物の最大応答変位を示す。グラフＧ９ａは、制震装置１０を適用した場合の変位である。グラフＧ９ｂは、制震装置２００を適用した場合の変位である。グラフＧ９ｃは、制震装置３００を適用した場合の変位である。グラフＧ９ｄは、制震装置を適用しない場合の変位である。周期ずれ（η）に対応できない比較例１，３の変位（グラフＧ９ｂ，Ｇ９ｄ）と、周期ずれ（η）に対応可能な制震装置１０の変位（グラフＧ９ａ）との違いが確認された。従って、制震装置１０によれば、周期変動をおこす建物においても地震動に起因する水平方向への変位を好適に抑制し得ることがわかった。

＜実施例６＞
実施例６では、制震装置１０、制震装置２００及び制震装置３００を建物に適用した構成における、最大応答ストロークを確認した。図１１は、制震装置を建物に適用した構成における最大応答ストロークを示す。まず、制震装置２００である場合（比較例１）は、周期ずれに対応できないため、制震装置が効いておらず、応答ストロークが大きくならないことが確認できた。また、実施例６の場合には、周期ずれに対応可能であり、なおかつ、並列固定型である制震装置３００（比較例２）よりもストロークが小さいことが確認できた。ストロークが小さいことは、制震装置の設置スペースの縮小につながり、実施において有利である。

１…制震システム、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，２００，３００…制震装置、１１，２０１…質量体（質量部）、１２，１２Ｂ，１２Ｅ…連結部、１３，１３Ｄ，１３Ｅ…第１のバネ（第１の弾性部）、１４，１４Ｄ，１４Ｅ…第２のバネ（第２の弾性部）、１６…可変減衰ダンパ（減衰部）、１６Ａ…可変減衰ダンパ（第２の減衰部）、１６Ｂ…可変減衰ダンパ（第３の減衰部）、１７…第３のバネ（第３の弾性部）、１８…可変減衰ダンパ（第４の減衰部）、２０…制御装置、２１…センサ（固有周期取得部）、２２…制御部、２２ａ…固有周期入力部、２２ｂ…データベース、２２ｃ…制御信号出力部、３１…筐体、３２…ワイヤ、３３…錘、３４…可変減衰ダンパ、３６…支承装置、１００…建物、１０１…基礎、２０２…バネ、２０３…ダンパ、Ｔ０…周期変動前の建物の固有周期、Ｔ…周期変動後の建物の固有周期、Ｔｄ…制震装置の固有周期。

Claims (4)

1. 建物に適用される制震装置であって、
   質量部と、
   前記質量部を前記建物に連結する連結部と、を備え、
   前記連結部は、
   前記建物と前記質量部との連結方向において、それぞれが固有の弾性係数を有し相互に直列に接続される少なくとも２つ以上の弾性部と、
   ２つ以上の前記弾性部において少なくとも１つの前記弾性部に対して並列に設けられ、所定の減衰力を発生させると共に減衰係数を調整可能な、前記弾性部よりも少ない数の減衰部と、を有し、
   ２つ以上の前記弾性部から選択される１つの前記弾性部は、前記建物に連結され、
   前記減衰部は、減衰係数を調整することにより、前記減衰部が並列に設けられた前記弾性部の見かけのバネ定数を制御する、制震装置。
2. 前記減衰部は、可変減衰ダンパである、請求項１に記載の制震装置。
3. 建物に適用される制震システムであって、
   請求項１又は２に記載の制震装置と、
   前記建物の固有周期を得る固有周期取得部と、
   前記固有周期を利用して、前記減衰部における減衰係数を制御する制御部と、を備える、制震システム。
4. 請求項３に記載の制震システムが設けられた建物の制震方法であって、
   前記建物の固有周期を得る第１のステップと、
   前記固有周期を利用して、前記減衰部における減衰係数を決定する第２のステップと、
   前記第２のステップにおいて決定された前記減衰係数となるように、前記減衰部を制御する第３のステップと、を有する、制震方法。

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