JP6853869B2

JP6853869B2 - 建物の制振構造

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Publication number: JP6853869B2
Application number: JP2019210851A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　泰志; 泰志渡辺; 仁志佐々木; 田中　鉄也; 鉄也田中; 伸也牛坂; 千明大泉
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: JP2020037862A

Description

本発明は、建物の制振構造に関する。

従来、マンションやオフィスビルなどの多層構造の建物では、建物内に設置した制振ダンパーによって、地震時に作用した地震エネルギー（振動エネルギー）を吸収して減衰させ、建物の応答を低減させるようにしている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。

また、このような制振ダンパーには、鋼材等の降伏耐力やすべり材の摩擦抵抗を利用した履歴系ダンパー、粘性体の粘性抵抗を利用したオイルダンパーなどの粘性系ダンパー、粘弾性体のせん断抵抗を利用した粘弾性系ダンパーが多用されている。

一方、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制振装置を建物の頂部側（屋上など）に設置し、建物の地震時応答を低減させることも提案、実用化されている。

具体的に、ＴＭＤは、例えば、付帯フレームに振り子（錘体（重錘））を取り付け、錘体が往復振動する１自由度振動系として構成されている。そして、建物の１次固有周期と同調させて、建物の振動と逆方向に錘体を振動させることにより、すなわち、錘体が振動することによる慣性抵抗力（慣性質量効果）を利用することにより、建物に作用した地震エネルギーを減衰させ、建物の応答を低減させることができる。

特開２００２−４８１８７号公報特開２００１−２０８１２９号公報特開平１１−２９４５２２号公報特開平０７−１１３３５９号公報再公表ＷＯ２００９／１７１６２号公報

ここで、上記従来のＴＭＤを制振装置として用いる場合には、ＴＭＤの周期を建物の１次モード固有周期に同調させることによって建物の応答を低減するようにしている。すなわち、超高層建物等の応答が主として１次モードで振動していることを前提にしている。

しかしながら、超高層建物などにおいては、建物の高さあるいは地震動の性質によって２次モードが卓越するような応答が生じる場合もあり、このような場合に対し１次モードの固有周期のみに同調させたＴＭＤでは建物の応答低減効果が期待できない場合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、１次モード及び２次モードの建物の応答を効果的に低減することを可能にする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。

本発明の建物の制振構造は、建物に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振構造であって、１層目の水平バネ要素上の連結材の上に２層目の水平バネ要素を設け、前記２層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体を設けるとともに、前記建物と前記連結材に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパーを設け、前記１層目と前記２層目の水平バネ要素によって２自由度を備えてなる制振装置を建物の頂部側に設置し、少なくとも水平の２方向の周期調整を行うように構成されており、前記制振装置は、前記１層目の水平バネ要素および前記２層目の水平バネ要素を備えた複数の制振柱と、前記複数の制振柱同士の間に架設された前記連結材と、前記回転慣性質量ダンパーと、を備え、前記連結材は、平面視方形枠状に配設され、前記回転慣性質量ダンパーは、前記連結材の各辺に沿うように、且つダンパー軸を水平方向に配し、少なくとも水平の直交する２方向の周期調整を行うように配置されていることを特徴とする。
また、本発明の建物の制振構造は、前記制振柱が、下方側に配設された前記１層目の水平バネ要素と、該１層目の水平バネ要素の上方に配設された第１連結構造体と、該第１連結構造体の上方に配設された前記２層目の水平バネ要素と、該２層目の水平バネ要素の上方に配設された第２連結構造体と、を備えていてもよい。
また、本発明の建物の制振構造は、隣り合う前記制振柱の前記第１連結構造体同士の間に第１の連結材が架設され、隣り合う前記制振柱の前記第２連結構造体同士の間に第２の連結材が架設され、前記第２の連結材上に前記錘体が配設されていてもよい。

本発明の一実施形態に係る建物の制振構造を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る建物の制振構造を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の制振装置を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る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建物の制振構造の解析モデルを示す図である。本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の基本モデルの固有値解析結果を示す図である。２層目のみに付加マスを設置した場合の固有値解析結果を示す図である。１層目のみに付加マスを設置した場合の固有値解析結果を示す図である。１層目と２層目に均等に付加マスを設置した場合の固有値解析結果を示す図である。

以下、図１から図９を参照し、本発明の一実施形態に係る建物の制振構造について説明する。

本実施形態の建物Ａは、図１及び図２に示すように、超高層部ビルなどの多層構造の建物であり、本実施形態の建物の制振構造Ｃは、この建物Ａの頂部（屋上）に制振装置Ｂを設置して構成されている。なお、本発明に係る建物は、制振装置Ｂが建物の頂部側（上層部）に設置されていればよく、必ずしも屋上に設置されていなくてもよい。

そして、本実施形態の制振装置Ｂは、２自由度を有するＴＭＤが用いられている。

具体的に、例えば、本実施形態の制振装置Ｂは、図３に示すように、積層ゴム体（水平バネ要素）１、２を備えた複数の制振柱３と、複数の制振柱３の積層ゴム体１、２よりも上方に連結して架設された連結梁（連結材）４、５と、連結梁４、５に支持されて連結梁４、５上に設置された錘体１５と、一端を建物Ａに、他端を連結梁５に接続して配設された回転慣性質量ダンパー６とを備えて構成されている。
なお、本実施形態では、水平バネ要素が積層ゴム体１、２であるものとして説明を行うが、本発明に係る水平バネ要素は水平の多方向の振動に対して減衰効果を発揮することが可能であれば、例えばバネ部材など、他の水平バネ要素であってもよい。

また、積層ゴム体１、２は、一般に免震建物などで使用される積層ゴムと同様に構成したものであり、例えばゴムと鋼板を上下方向に交互に重ね合せるようにして形成されている。そして、本実施形態では、４本の制振柱３が所定位置に立設されており、各制振柱３が、下方側に第１積層ゴム体１、この第１積層ゴム体１上に鋼製の第１連結構造体７、連結構造体７上に第２積層ゴム体２、第２積層ゴム体２上に鋼製の第２連結構造体８を配置し、これら第１積層ゴム体１、第１連結構造体７、第２積層ゴム体２、第２連結構造体８を上下方向に一体に並設して形成されている。すなわち、本実施形態の制振柱３は、複数の積層ゴム体１、２を上下方向に並設して構成されている。

さらに、本実施形態の制振装置Ｂは、隣り合う制振柱３の第１連結構造体７に一端、他端を連結してＨ形鋼やＩ形鋼などの連結梁５が架設されている。また、４本の制振柱３にそれぞれ連結梁５を架設することにより、方形状の第１鉄骨フレーム９が形成されている。

さらに、隣り合う制振柱３の第２連結構造体８に一端、他端を連結してＨ形鋼やＩ形鋼などの連結梁４が架設され、これら４本の制振柱３にそれぞれ連結梁４を架設することにより、方形状の第２鉄骨フレーム１０が形成されている。

そして、第２鉄骨フレーム１０上（及び第１鉄骨フレーム９上）に方形盤状の錘体１５が設置され、第２鉄骨フレーム（及び第１鉄骨フレーム９）を介して４本の制振柱３によって錘体１５が支持されている。

さらに、本実施形態では、第１鉄骨フレーム９の各連結梁５に上端を接続して下方に鉄骨が延設され、この鉄骨からなる制振装置側連結部１１に一端を、建物Ａの屋上に一体形成されたコンクリートブロックなどの建物側連結部１２に他端をそれぞれ接続して、回転慣性質量ダンパー６が設置されている。

また、回転慣性質量ダンパー６は、第１鉄骨フレーム９の各連結梁５、すなわち方形枠状の第１鉄骨フレーム９の各辺に沿うように、且つダンパー軸を横方向（水平方向）に配し、４台配設されている。さらに、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー６によって付加質量を与え、少なくとも水平の２方向（直交する水平方向のＸ方向とＹ方向）の周期調整を行うように構成されている。

そして、上記構成からなる本実施形態の建物の制振構造Ｃにおいては、水平の多方向の振動に対して減衰効果を発揮する積層ゴム体１、２を備えて制振柱３が構成され、この積層ゴム体１、２を備えた複数の制振柱３に錘体１５を支持させて構成されているため、地震時に建物に作用した振動エネルギーを積層ゴム体１、２で吸収し、建物Ａの少なくとも水平の２方向の応答を低減させることができる。

また、制振柱３が複数の積層ゴム体１、２を並設して（積み上げて）構成されていることで、これら複数の積層ゴム体１、２による振動エネルギーの減衰効果が相乗的に発揮され、より確実に建物Ａの応答を低減させることが可能になる。

さらに、本実施形態の建物の制振構造Ｃにおいては、減衰を与えるための回転慣性質量ダンパー６を備えることにより、ＴＭＤとしての適切な減衰効果を発揮させることが可能になるとともに、回転慣性質量ダンパー６によって付加質量を与え、少なくとも水平の２方向の周期調整を行うことができる。

これにより、図４に示すように、積層ゴム体１、２などの水平バネ要素を１層目と２層目に設け、２層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体１５を設けるとともに、１層目に実マスを設ける代わりに連結材４と建物に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパー６を設けてなるＴＭＤとしての制振装置Ｂを用いることで、実マスを２層配置することなく、１次モード及び２次モードの建物Ａの応答を効果的に低減させることが可能になる。
すなわち、１層目の実マスをなくし、重量を増やすことなく、建物の１次モード及び２次モードの建物Ａの応答を低減させることが可能になる。

さらに、本実施形態の建物の制振構造Ｃにおいては、個々の部材数も少なく、コンパクトに構成することが可能になるとともに、組み立ても容易で、且つ錘体１５等の各部材を分割して（錘体１５も分割して）運搬することができ、従来と比較して施工性を大幅に向上させることも可能である。

よって、本実施形態の建物の制振構造Ｃにおいては、制振装置Ｂの占有空間を極力小さくすることができるとともに、多方向での固有周期調整が容易に行え、建物Ａの多方向の応答を低減させることが可能になる。

すなわち、本実施形態の建物の制振構造Ｃにおいては、超高層建物等の建物の応答を１次モードのみならず２次モードも含めて制御することが可能になり、建物に１次モードのみに同調させたＴＭＤと比べて２次モードが卓越するような応答が生じる建物に対してもその応答低減を効果的に行うことが可能になる。よって、従来と比較し、ＴＭＤを用いて広範の建物及び地震動に対し、優れた応答低減効果を付与することが可能になる。

ここで、超高層建物のＴＭＤとして、本実施形態に示した積層ゴム体１、２を２段積にして水平剛性を小さくした制振装置Ｂを用いた場合、１つの実マスをその頂部に設置すると、１自由度のバネ−マス系を水平のＸ，Ｘに直交する水平のＹそれぞれの方向に対して構築することが可能であるが、どちらも同じ固有周期を有するバネ−マス系となる。このため、Ｘ，Ｙ２方向で固有周期が異なる超高層建物のような場合は、それぞれの方向について独立に同調させるＴＭＤを設置する必要が生じる。

これに対し、本願の発明者らは、実マスを増やさずにＸ，Ｙ２方向の１方向のみの固有周期を伸ばす方法として、本実施形態の建物の制振構造Ｃのように、その方向に対して慣性質量を付加させる方法を考えた。但し、積層ゴム体１、２を２段積にし、その頂部変位（相対変位）に対して慣性質量効果を得ようとする場合、慣性質量効果を期待するデバイス（装置：回転慣性質量ダンパー６）には大きなストローク（例えば１００ｃｍ程度）への追従性が要求され、そのままでは対応できない可能性があった。一方、通常の免震層に設置するオイルダンパーは免震層にて想定される層間変形（例えば６０ｃｍ程度）に対する追従性能を有しているので、技術的に層間変形で６０ｃｍ程度を実現するのはさほど困難ではないと考えられる。

このような知見から、積層ゴム体１、２を２段積とし、その頂部に実マス１５を設置し、各段の積層ゴム体１、２の変形に対して検討を行い、慣性質量を付加した場合のＴＭＤの基本的な性質を把握することとした。

はじめに、検討対象ＴＭＤモデル及び固有値解析式について説明する。
積層ゴム体１、２を２段積にして用いるＴＭＤ（制振装置Ｂ）の検討を行うために、図５に示すような付加質量を有する２質点系ＴＭＤモデルを想定する。このＴＭＤモデルの振動方程式は、式（１）、式（２）、式（３）に示す通り、質量マトリックス、減衰マトリックス、剛性マトリックスを有する。

式（１）〜（３）で示されるマトリックスを用いて表現される振動方程式の固有値は、式（４）で表され、この行列式の特性方程式を解くことによって計算することができる。
すなわち、式（４）は最終的に式（５）となり、ω^２についての２次方程式となる。

したがって、有効なω_ｉ、Ｔ_ｉは、次の式（６）で表せる。

また、ｉ次の固有ベクトルは次の式（７）で表せる。

さらに、各次の刺激係数、刺激関数及び略算法（複素固有値解析によらず、実固有値解析のモードベクトルと減衰マトリックスを用いる方法）より求められる減衰定数は、それぞれ、式（１）〜（３）、式（７）より式（８）、式（９）、式（１０）となる。

（ｉ次の刺激関数）

（ｉ次の減衰定数）

次に、本検討では、２層のＴＭＤの２層目（頂部）のみに実マスを設置した場合に、付加マスの配置によってＴＭＤの固有周期及び刺激関数がどのように変化するかを調べる。

付加マスはＴＭＤのモードを直線モードと仮定した場合に一次の有効マスが等しくなるように設定する。ここでは、実マスのみによるＴＭＤを基本モデルとし、その実マス重量を４００ｔｏｎ、水平バネはＴＭＤの固有周期が約４．０ｓｅｃとなるように設定する。

そして、本検討では、表１に示すように、基本モデルを含めた４ケースについて検討を行った。

基本モデルの固有値解析結果を図６に示す。
基本モデルは実質的に１質点系モデルであるが、以降の解析上の都合もあり、解析モデルとして２質点系モデルを採用している。そのため、１層のマスを１．０ｔｏｎとして解析上の工夫をしており、結果として２次モードが出ている。しかし、１層目に実マスが無く、その位置における慣性力が存在しないため、２次モードは事実上意味を持たないものとなっている。また、ここでは減衰係数はすべて０としている。

検討ケースＭ、Ｎ、Ｌの結果をそれぞれ、図７、図８、図９に示す。
検討ケースＭ、Ｎでは、付加マスの大きさによって一次の固有モードが当初設定していた固有モードと異なってくるため、固有周期は付加マスの大きさに応じて変化することが確認された。

また、検討ケースＭ、Ｎでは付加マスの大きさが同じであれば、ほぼ同じ１次固有周期を与えることがわかる。さらに、付加マスの大きさが同じ場合の検討ケースＭ、Ｎの各次刺激関数は互いに転倒させた形となっている点、どちらも付加マスの大きさが大きくなるに従って１次の刺激関数が全体的に小さくなり、付加マスが設置されている部位の層間変形を生じさせにくい形に２次の刺激関数が変化してゆくという興味深い結果が得られた。

一方、検討ケースＬでは付加マスが固有モードを変化させることが無いため、付加マスの大きさによらず１次固有周期の値はほとんど変化しないことが確認された。また、付加マスの割合が大きくなるに従って１次の刺激関数は０に近づいてゆき、２次の刺激関数は常に０になることが確認された。

以上のように、簡単な固有値解析によって１つの実マスと１〜２の付加マスを有した２層ＴＭＤの動的性質を調べた結果、１つの実マスに付加マスを組み合わせた２層ＴＭＤによって、付加マスの配置パターンによって様々な２自由度振動系を実現できることがわかった。これにより、この性質を応用すれば、１つの実マスを用いて２つの振動系を制御するＴＭＤを構築可能であることが実証された。

以上、本発明に係る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、水平バネ要素が積層ゴム体であるものとして説明を行ったが、必ずしも積層ゴム体でなくてもよい。

１積層ゴム体（水平バネ要素）
２積層ゴム体（水平バネ要素）
３制振柱
４連結梁
５連結梁
６回転慣性質量ダンパー
７第１連結構造体
８第２連結構造体
９第１鉄骨フレーム
１０第２鉄骨フレーム
１１制振装置側連結部
１２建物側連結部
１３凹部（クランク、段部）
１４ダンパー接続用梁部
１５錘体（実マス）
Ａ建物
Ｂ制振装置
Ｃ建物の制振構造

Claims

建物に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振構造であって、
１層目の水平バネ要素上の連結材の上に２層目の水平バネ要素を設け、前記２層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体を設けるとともに、前記建物と前記連結材に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパーを設け、前記１層目と前記２層目の水平バネ要素によって２自由度を備えてなる制振装置を建物の頂部側に設置し、
少なくとも水平の２方向の周期調整を行うように構成されており、
前記制振装置は、
前記１層目の水平バネ要素および前記２層目の水平バネ要素を備えた複数の制振柱と、
前記複数の制振柱同士の間に架設された前記連結材と、
前記回転慣性質量ダンパーと、を備え、
前記連結材は、平面視方形枠状に配設され、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記連結材の各辺に沿うように、且つダンパー軸を水平方向に配し、少なくとも水平の直交する２方向の周期調整を行うように配置されていることを特徴とする建物の制振構造。
前記制振柱は、
下方側に配設された前記１層目の水平バネ要素と、
該１層目の水平バネ要素の上方に配設された第１連結構造体と、
該第１連結構造体の上方に配設された前記２層目の水平バネ要素と、
該２層目の水平バネ要素の上方に配設された第２連結構造体と、を備えている請求項１に記載の建物の制振構造。
隣り合う前記制振柱の前記第１連結構造体同士の間に第１の連結材が架設され、
隣り合う前記制振柱の前記第２連結構造体同士の間に第２の連結材が架設され、
前記第２の連結材上に前記錘体が配設されている請求項２に記載の建物の制振構造。