JP7409809B2 - チューンドマスダンパー及び建物 - Google Patents
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Description
本発明は、建築物の屋上に設置される制振用のチューンドマスダンパー及び建物に関する。
超高層建物の揺れ対策に屋上に設置される制振用のパッシブ型のＴＭＤ（チューンドマスダンパー）が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＴＭＤは、ケーブルで吊り下げられた錘を備えている。ＴＭＤは、振り子の原理を用いており、ケーブル長を調整して錘が振れる周期を建物の固有周期と同調させ、建物の揺れと逆方向に錘の揺れを与えることで建物に制振効果を付加する。ＴＭＤは、この他、多段に積層された積層ゴムの上に錘が載置されたタイプも知られている。
ＴＭＤを構築するためには、錘を吊るための空間やそれを支持するフレームの構築など広いスペースが必要になる。振り子形式では広いスペースが必要になり、振り子の支持架台も大掛かりになりやすい。ＴＭＤは、主に建物の屋上に設置される場合が多く、屋上には空調設備等の他の設備が設置され、ＴＭＤを設置するスペースには制約があるという課題がある。
多段に積層された積層ゴムを備えるＴＭＤの場合、水平剛性が積層ゴムの剛性に依存するため、製造上のバラツキ、経年変化、及び環境温度変化等の要因により、剛性のバラツキが大きくなり周期調整が難しくなるという課題がある。また、積層ゴムには変形限界があるため、大変形をさせることが出来ず、４秒を超えるような長周期のＴＭＤの構築が難しくなるという課題がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、狭あいな設置場所であっても設置可能であると共に、長周期の揺れにも対応するチューンドマスダンパー及び建物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、本発明は、建物の制振のために設置されるチューンドマスダンパーであって、前記建物の上方の設置面に設けられた複数の滑り支承と、前記複数の滑り支承に支持される制振用の錘と、を備え、前記錘は、平面視でＬ形に形成されており、前記複数の滑り支承は、前記錘の前記建物に対する２次元的な水平方向の変位量の増加に応じて前記錘の前記建物に対する鉛直方向上方の変位量が増加するように構成されると共に、前記錘の荷重を支持する支配面積が略同じとなるように前記設置面に配置されている、チューンドマスダンパーである。
本発明によれば、水平変位に応じて鉛直方向上方の変位が生じる複数の滑り支承に支持された錘により所定の周期を有する自己復元性を有するチューンドマスダンパーが構成される。また、本発明によれば、複数の滑り支承を支配面積が同じとなるように配置することにより、任意の形状の錘に適用でき、狭あいな異形の設置対象の場所にもチューンドマスダンパーを後付けできる。
また、本発明は、前記複数の滑り支承は、前記錘の重心の位置と前記錘の剛心の位置との偏心率が許容範囲以内となるように前記設置面に配置されていることを特徴とするように構成されていてもよい。
本発明によれば、複数の滑り支承が錘の偏心率が許容範囲以内となるように配置されているため、錘が動いた際に生じる捩じれを抑制できる。
また、本発明は、前記滑り支承は、前記建物の設置面に固定され、球面状に下方に窪んだ第１滑り面が形成された第１滑り板と、前記錘を支持し前記第１滑り板の上方に対向して配置されると共に、球面状に上方に窪んだ第２滑り面が形成された第２滑り板と、前記第１滑り面に支持され下方に凸状に湾曲した第１曲面と、前記第２滑り面を支持し上方に凸状に湾曲した第２曲面とが形成されたスライダと、を備えるように構成されていてもよい。
本発明によれば、建物と錘とが相対的に水平方向に変位が生じた場合、第１滑り板と第２滑り板とが相対的に反対方向に移動すると共に、スライダが第１滑り面と第２滑り面とに対して摺動する。スライダは、第１滑り面を上るように移動し、第２滑り面は、スライダを上るように移動し、錘が建物に対して鉛直方向上方の変位量が増加するので、錘の位置エネルギーが増加し、錘に元の位置に戻ろうとする自己復元性を与えることができる。
また、本発明は、前記滑り支承は、揺れの固有周期に応じて前記第１滑り面及び前記第２滑り面の曲率が設定されているように構成されていてもよい。
本発明によれば、第１滑り面及び第２滑り面の曲率を変更することによって固有周期が調整自在となるので、長周期の揺れに対応するチューンドマスダンパーを実現できる。
また、本発明は、上記のチューンドマスダンパーを備える建物であってもよい。
本発明によれば、後付けのチューンドマスダンパーを有する建物を実現できる。
本発明によれば、狭あいな設置場所であっても設置可能であると共に、長周期の揺れにも対応することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るチューンドマスダンパーの実施形態について説明する。
図１に示されるように、チューンドマスダンパー１は、建物Ｔの屋上に設置される制振装置である。チューンドマスダンパー１は、例えば、錘２と、錘２を支持する複数の滑り支承２０を備える。建物Ｔの屋上には、複数の設備Ｍ１，Ｍ２が設けられており、チューンドマスダンパー１は、空きスペースに設けられる。そのため、錘２は、空きスペースの形状に合わせてＬ字形等の異形に形成されている。錘２の形状に合わせて複数の滑り支承２０が配置されている。
滑り支承２０は、例えば、球面を用いた自己復元性を有する支承である。滑り支承２０によれば、後述のように支持対象物である錘２の質量が周期に影響しないので、錘２の形状や質量を空きスペースの形状に合わせて自由に設定できる。
図２に示されるように、滑り支承２０は、例えば、建物Ｔの設置面Ｅに設置される第１滑り板２１と、第１滑り板２１の上方に対向して配置された第２滑り板３１と、第１滑り板２１と第２滑り板３１との間に設けられたスライダ２５とを備える。
第１滑り板２１は、例えば、ステンレス鋼で矩形の板状体に形成されている。第１滑り板２１の上面側には、平面視して円形の第１滑り面２２が形成されている。第１滑り面２２は、球面状に下方に窪んで形成されている。第１滑り面２２は、例えば、曲率半径がＲの第１曲率で形成されている。第１滑り板２１は、下面側にベースプレートＰ１を介して設置面Ｅに固定されている。設置面Ｅは、例えば、建物Ｔの屋上等に設けられた台座Ｄの上面である。
ベースプレートＰ１は、矩形の板状体に形成されている。ベースプレートＰ１は、鋼材で形成されている。ベースプレートＰ１の四隅は、設置面ＥにアンカーボルトＡ等で確実に固定されている。ベースプレートＰ１と第１滑り板２１とは、例えば、ボルトＢ等を用いて確実に固定されている。
第２滑り板３１は、例えば、ステンレス鋼で矩形の板状体に形成されている。第２滑り板３１は、第１滑り板２１と上下対象に同じ形状に形成されている。第２滑り板３１の下面側には、平面視して円形の第２滑り面３２が形成されている。第２滑り面３２は、球面状に上方に窪んで形成されている。第２滑り面３２は、例えば、曲率半径がＲの第２曲率で形成されている。第２滑り板３１は、上面側がベースプレートＰ２を介して錘２の下面３側に固定されている。
ベースプレートＰ２は、矩形の板状体に形成されている。ベースプレートＰ２は、ベースプレートＰ１と同じ形状に形成されている。ベースプレートＰ２は、鋼材で形成されている。ベースプレートＰ２の四隅は、錘２の下面３にアンカーボルトＡ等で固定されている。ベースプレートＰ２と第２滑り板３１とは、例えば、ボルトＢ等を用いて確実に固定されている。
第１滑り面２２と第２滑り面３２の間には、移動自在なスライダ２５が挟持されている。スライダ２５は、鋼材で形成されている。スライダ２５の幅は、第１滑り面２２と第２滑り面３２の径よりも小さい径で形成されている。スライダ２５は、下方に凸状に湾曲した第１曲面２７と、上方に凸状に湾曲した第２曲面２８とが形成されている。第１曲面２７は、第１滑り面２２に摺動自在に当接している。第２曲面２８は、第２滑り面３２に摺動自在に当接している。
スライダ２５は、少なくとも第１曲面２７及び第２曲面２８の表面には、フッ化炭素樹脂(polytetrafluoroethylene：PTFE)の層が貼り付けられている。これにより、スライダ２５と第１滑り面２２及び第２滑り面３２との間の摩擦が低減される。滑り支承２０の摩擦係数μは、例えば、０．０１～０．０５程度に設定される。第１曲面２７及び第２曲面２８は、例えば、上下対象に同じ形状に形成されている。第１曲面２７は、第１滑り面２２の曲率と同じ曲率となる球面形状に形成されている。第２曲面２８は、第２滑り面３２の曲率と同じ曲率となる球面形状に形成されている。
図３に示されるように、滑り支承２０は、錘２の建物Ｔに対する２次元的な水平方向の変位量の増加に応じて錘の鉛直方向上方の変位量が相対的に増加するように構成される。滑り支承２０は、固有周期が第１滑り面２２及び第２滑り面３２の曲率に基づいて設定される。従って、滑り支承２０は、揺れの固有周期に応じて第１滑り面２２及び第２滑り面３２の曲率が設定される。滑り支承の固有周期は、振り子の固有周期と同様の考え方に基づいて重力加速度をｇとすると、２π√（２Ｒ／ｇ）と算出される。
このため、滑り支承２０の固有周期は、錘２の質量に依存せず、第１滑り面２２及び第２滑り面３２の曲率半径Ｒにより決定される。このため、滑り支承２０の第１滑り面２２及び第２滑り面３２の曲率半径Ｒを調整することにより任意の周期を設定できる。また、変位量を大きくするためには第１滑り面２２及び第２滑り面３２の寸法を大きく形成すればよい。
建物Ｔが水平方向に変位すると錘２は、慣性力によりその場に留まろうとして相対的に建物Ｔの変位方向と反対方向に移動する。この時、第１滑り板２１と第２滑り板３１とが相対的に反対方向に移動すると共に、スライダ２５が第１滑り面２２と第２滑り面３２とに対して摺動する。スライダ２５は、第１滑り面２２を上るように移動し、第２滑り面３２は、スライダ２５を上るように移動する。この時、スライダ２５は、第１滑り面２２及び第２滑り面３２に沿って傾きが生じる。その結果、錘２の建物Ｔに対する鉛直方向上方の変位量が増加する。
即ち、複数の滑り支承２０に支持された錘２は、建物Ｔに対して水平方向に変位するに従って、位置エネルギーが増加する共に、元の位置である第１滑り面２２及び第２滑り面３２の中心に戻ろうとする自己復元性が生じる。
上記実施形態では、滑り支承２０を使用したチューンドマスダンパー１を例示したが、これに限らず、錘２の建物Ｔに対する２次元的な水平方向の変位量の増加に応じて錘の鉛直方向上方の変位量が相対的に増加するように構成されるのであれば、移動方向が水平面で直交するように構成された傾斜滑り支承が用いられてもよい。この他、チューンドマスダンパー１は、積層ゴムを用いた支承が用いられてもよい。
複数の滑り支承２０により支持された錘２は、異形に形成されているので、建物Ｔに対して変位した際に、平面視して錘２が設置面Ｅに対して回転方向の変位が生じるという捩じれ現象が生じ得る。
図４に示されるように、複数の滑り支承２０は、剛心Ｆの位置と錘２の重心Ｇの位置とが一致するように設置面Ｅに配置されている。即ち、複数の滑り支承２０の配置関係は、剛心Ｆの位置と錘２の重心Ｇの位置とのずれを示す偏心率がゼロから許容範囲内になるように設定されている。
偏心率がゼロであれば、錘２の支持状態が地震に対して捩じれるような変形を起こさないからである。錘２の重心Ｇの位置を水平（横方向）に押したときの重心Ｇの位置は、偏心がある場合偏心率に応じて変形が大きくなる。従って、偏心率はゼロであることが望ましいが、現実的には多少の誤差を考慮してゼロから許容範囲が設定される。許容範囲は、例えば、０．１５以下に設定される。偏心率が０．１５を超えると捩じれ変形が大きくなるからである。
剛心Ｆは、例えば、水平方向の回転中心として算出される。剛心Ｆの座標を（Ｓｘ，Ｓｙ）とすると、剛心Ｆは、下記の式（１）から（３）に基づいて算出される。
ＳＸ＝Σ（Ｋ×ＬＹ）／Σ（Ｋ） （１）
ＳＹ＝Σ（Ｋ×ＬＸ）／Σ（Ｋ） （２）
Ｋ＝μ×Ｎ （３）
但し、Ｋ：滑り支承２０の剛性、ＬＹ：支承までのＹ方向の距離、ＬＸ：支承までのＸ方向の距離、μ：摩擦係数、Ｎ：軸力（支配面積（後述）の錘２の重量）である。
ＳＸ＝Σ（Ｋ×ＬＹ）／Σ（Ｋ） （１）
ＳＹ＝Σ（Ｋ×ＬＸ）／Σ（Ｋ） （２）
Ｋ＝μ×Ｎ （３）
但し、Ｋ：滑り支承２０の剛性、ＬＹ：支承までのＹ方向の距離、ＬＸ：支承までのＸ方向の距離、μ：摩擦係数、Ｎ：軸力（支配面積（後述）の錘２の重量）である。
図５に示されるように、滑り支承２０は、動き出す直前の荷重と動き出しの荷重が変化する。滑り支承２０は、一旦動き出すと、μ×Ｎの剛性で水平力を負担する。
剛心Ｆは、ある点（通常は、支持対象物の左下の原点）を基準とし、複数の滑り支承２０のそれぞれの剛性が支持対象物の回転抵抗に寄与しているか否かに基づいて算定される。
図６に示されるように、例えば、複数の滑り支承２０（Ａ～Ｄ）により支持された錘２の剛心Ｆは、式（１）から（３）に基づいて以下の通り求められる。
ＳＸ＝（ＫＡ×ＬＡＹ＋ＫＢ×ＬＢＹ＋ＫＣ×ＬＣＹ＋ＫＤ×ＬＤＹ）／（ＫＡ＋ＫＢ＋ＫＣ＋ＫＤ）＝Σ（Ｋｉ×ＬｉＹ）／Σ（Ｋｉ） 式（４）
ＳＹ＝（ＫＡ×ＬＡＸ＋ＫＢ×ＬＢＸ＋ＫＣ×ＬＣＸ＋ＫＤ×ＬＤＸ）／（ＫＡ＋ＫＢ＋ＫＣ＋ＫＤ）＝Σ（Ｋｉ×ＬｉＸ）／Σ（Ｋｉ） 式（５）
錘２がＬ形等の異形に形成されている場合、剛心Ｆと錘２の重心Ｇとの偏心率を許容範囲内にするために、複数の滑り支承２０の配置位置が解析的に調整される。
ＳＸ＝（ＫＡ×ＬＡＹ＋ＫＢ×ＬＢＹ＋ＫＣ×ＬＣＹ＋ＫＤ×ＬＤＹ）／（ＫＡ＋ＫＢ＋ＫＣ＋ＫＤ）＝Σ（Ｋｉ×ＬｉＹ）／Σ（Ｋｉ） 式（４）
ＳＹ＝（ＫＡ×ＬＡＸ＋ＫＢ×ＬＢＸ＋ＫＣ×ＬＣＸ＋ＫＤ×ＬＤＸ）／（ＫＡ＋ＫＢ＋ＫＣ＋ＫＤ）＝Σ（Ｋｉ×ＬｉＸ）／Σ（Ｋｉ） 式（５）
錘２がＬ形等の異形に形成されている場合、剛心Ｆと錘２の重心Ｇとの偏心率を許容範囲内にするために、複数の滑り支承２０の配置位置が解析的に調整される。
複数の滑り支承２０の剛心の位置と錘２の重心Ｇの位置とを一致させるため、複数の滑り支承２０は、錘２の荷重を支持する支配面積が略同じとなるように設置面Ｅに配置されている。複数の滑り支承２０の支配面積は、錘２の形状に応じて複数の滑り支承２０の位置を変更しながら解析的に求められる。これにより、錘２が建物Ｔに対して変位しても捩じれ現象が防止される。従って、剛心の位置が錘２の重心の位置と一致させるように複数の滑り支承２０を配置すれば錘２の形状は、Ｌ形に限らず任意の形状に設定してもよい。
上述したように、チューンドマスダンパー１によれば、周期を自在に調整可能な制振システムを構築することでき、揺れが大きい中高層建物の制振に適用できる。チューンドマスダンパー１によれば、制振システムが設けられていない既存の中高層建物の屋上に追加的に設置し、制振効果を付加できる。チューンドマスダンパー１によれば、複数の滑り支承２０に支持された錘２の偏心率をゼロに近い値に設定でき、Ｌ型などの異形の錘２の形状に適用できる。チューンドマスダンパー１によれば、錘２の質量や形状が自由に設定できるため、既存の設備が設けられた狭あいな場所や変形した場所にも設置できる。
以上、本発明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、チューンドマスダンパーのフェールセーフ対策として、第１滑り面２２及び第２滑り面３２の周囲に突起を延在して設けてスライダ２５の逸脱を防止してもよい。また、錘２の周囲に防舷材等を用いてストッパを設けてもよい。
１ チューンドマスダンパー
２ 錘
２０ 滑り支承
２１ 第１滑り板
２２ 第１滑り面
２５ スライダ
２７ 第１曲面
２８ 第２曲面
３１ 第２滑り板
３２ 第２滑り面
Ａ アンカーボルト
Ｂ ボルト
Ｄ 台座
Ｅ 設置面
Ｆ 剛心
Ｇ 重心
Ｐ１ ベースプレート
Ｐ２ ベースプレート
Ｔ 建物
２ 錘
２０ 滑り支承
２１ 第１滑り板
２２ 第１滑り面
２５ スライダ
２７ 第１曲面
２８ 第２曲面
３１ 第２滑り板
３２ 第２滑り面
Ａ アンカーボルト
Ｂ ボルト
Ｄ 台座
Ｅ 設置面
Ｆ 剛心
Ｇ 重心
Ｐ１ ベースプレート
Ｐ２ ベースプレート
Ｔ 建物
Claims (5)
- 建物の制振のために設置されるチューンドマスダンパーであって、
前記建物の上方の設置面に設けられた複数の滑り支承と、
前記複数の滑り支承に支持される制振用の錘と、を備え、
前記錘は、平面視でＬ形に形成されており、
前記複数の滑り支承は、前記錘の前記建物に対する２次元的な水平方向の変位量の増加に応じて前記錘の前記建物に対する鉛直方向上方の変位量が増加するように構成されると共に、前記錘の荷重を支持する支配面積が略同じとなるように前記設置面に配置されていることを特徴とする、
チューンドマスダンパー。 - 前記複数の滑り支承は、前記錘の重心と剛心の位置との偏心率が許容範囲内となるように前記設置面に配置されている、
請求項１に記載のチューンドマスダンパー。 - 前記滑り支承は、
前記建物の設置面に固定され、球面状に下方に窪んだ第１滑り面が形成された第１滑り板と、
前記錘を支持し前記第１滑り板の上方に対向して配置されると共に、球面状に上方に窪んだ第２滑り面が形成された第２滑り板と、
前記第１滑り面に支持され下方に凸状に湾曲した第１曲面と、前記第２滑り面を支持し上方に凸状に湾曲した第２曲面とが形成されたスライダと、を備える、
請求項１または２に記載のチューンドマスダンパー。 - 前記滑り支承は、揺れの固有周期に応じて前記第１滑り面及び前記第２滑り面の曲率が設定されている、
請求項３記載のチューンドマスダンパー。 - 請求項１から４のうちいずれか１項に記載された前記チューンドマスダンパーを備える建物。
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