JP7658763B2

JP7658763B2 - 制振装置

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Publication number: JP7658763B2
Application number: JP2021040094A
Authority: JP
Inventors: 徹也半澤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2025-04-08
Anticipated expiration: 2041-03-12
Also published as: JP2022139621A

Description

本発明は、制振装置に関するものである。

従来から、風や地震による構造物の振動を低減する目的で、構造物の振動モードに同調させた振動系（同調吸振器、ＴＭＤ＝ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）を付加する方法が知られている。建築物の場合には、その水平方向の振動を低減するべく、主として建物の上階部にＴＭＤを設置する。ＴＭＤの力学的な諸元は、建物側の周期及び対象とする振動モードにおける有効な質量の値とＴＭＤ側の質量との比（質量比）に応じて、適切な剛性（ＴＭＤの周期）及び減衰定数が理論的に求められている。

ＴＭＤの具体的な構成は、コンクリートや鋼材等から成る質量体をケーブルで懸垂して振子状にしたり、質量体を免震構造で使用されるような積層ゴムで支持したりするものがある。ＴＭＤには減衰性の付加も必要であるが、オイルダンパーなどの免震・制振部材が使用される場合が多い。

一方、構造物が建築物の場合には、その平面において、長辺方向及び短辺方向等の直交する２方向の周期が異なる場合がある。単純に懸垂した振子や円形状の積層ゴムには、その周期及び剛性に、方向による差異を付け難く、したがって、２方向の周期を同一とせざるを得ない。その場合、建物の２方向に対して適切に設定するべきＴＭＤの諸元を、同時には設定できないことになる。

この問題に対して、積層ゴムを用いた２方向に同一の周期を有するＴＭＤに関して、回転慣性質量装置を用いて、１方向の周期のみを伸張させる方法（下記の特許文献１参照）が提案されている。

特開２０１５－２２７６０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の制振装置では、制振柱に水平バネ要素を設けたり、減衰を与えるためにオイルダンパー又は回転慣性質量ダンパーを設置したりするため、制振装置が煩雑であるという問題点がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水平２方向の周期が異なる構造物において、簡易な構成で、制振効果を発揮することができる制振装置を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る制振装置は、構造物に設置される制振装置であって、水平面内の第一方向に沿う第一列に設置される第一積層ゴムの剛性の総和は、前記第一方向に沿い前記第一列とは異なる第二列に設置される第二積層ゴムの剛性の総和よりも小さく、前記第一列よりも、水平面内の前記第一方向と直交する第二方向の中央側と反対側には、リニアガイド及び滑り摺動子のいずれか一方が設置されている。

このように構成された制振装置では、第一方向に沿う第一列に設置される第一積層ゴムの剛性の総和は、第一方向に沿う第二列に設置される第二積層ゴムの剛性の総和よりも小さい。よって、制振装置に揺れ振動モードを故意与えることができ、水平２方向の周期が異なる構造物において、制振効果を発揮することができる。また、積層ゴムの総和を第一列と第二列とで異なるようにすればよいため、簡易な構成とすることができる。
また、リニアガイド及び滑り摺動子のいずれか一方を設置することがで、第一積層ゴムの台数を減らすことができる。

また、本発明に係る制振装置では、前記第一積層ゴムの剛性は、前記第二積層ゴムの剛性よりも小さくてもよい。

このように構成された制振装置では、第一積層ゴムの剛性は第二積層ゴムの剛性よりも小さいため、第一積層ゴム及び第二積層ゴムを同数設置して、第一列に設置される積層ゴムの剛性の総和を、第二列に設置される積層ゴムの剛性の総和よりも小さくすることができる。

また、本発明に係る制振装置では、前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムは、前記第二方向に沿う第三列及び第四列に設置され、前記第三列に設置される前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムの剛性の総和は、前記第四列に設置される前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムの剛性の総和と等しくてもよい。

このように構成された制振装置では、第二方向に沿う第三列に設置される第一積層ゴム及び第二積層ゴムの剛性の総和は、第二方向に沿う第四列に設置される第一積層ゴム及び第二積層ゴムの剛性の総和と等しい。よって、第三列と第四列との間では偏心していないため、２軸偏心よりも制御が簡易な１軸偏心とすることができる。

本発明に係る制振装置によれば、水平２方向の周期が異なる構造物において、簡易な構成で、制振効果を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る制振装置を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る制振装置を示す立面図である。本発明の一実施形態に係る制振装置に回転モードを利用した柔方向の制御を示す。本発明の一実施形態に係る制振装置の設計例を示す平面図である。本発明の一実施形態に係る制振装置の設計例を示す立面図である。本発明の一実施形態に係る制振装置の設計例のＣａｓｅ２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制振装置の設計例のＣａｓｅ３のＴＭＤ部分の捩れモードの様子を示す図である。本発明の一実施形態に係る制振装置の設計例の地震応答変位波形の比較を示し、地震波ＫＡ１を入力した場合を示す。本発明の一実施形態に係る制振装置の設計例の地震応答変位波形の比較を示し、地震波ＯＳ２を入力した場合を示す。本発明の一実施形態の変形例１に係る制振装置を示す平面図である。本発明の一実施形態の変形例１に係る制振装置を示す立面図である。本発明の一実施形態の変形例２に係る制振装置を示す平面図である。本発明の一実施形態の変形例２に係る制振装置を示す立面図である。

本発明の一実施形態に係る制振装置について、図面を用いて説明する。
図１及び図２に示すように、制振装置１は、支持体１１と、第一積層ゴム２と、第二積層ゴム３と、錘４と、を備えている。制振装置１は、構造物の上部等の設置面１０に設置される。錘４は、コンクリートや鋼材等で構成されている。

制振装置１は、ＴＭＤ（同調吸振器、ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）に、捩れ振動モードを故意に与えることにより、水平方向に異なる固有周期を備えさせ、建物側の長短異なる水平２方向の固有モードに対して、適切な振動諸元をＴＭＤに付加するものである。

図１に示すように、支持体１１は、平板状に形成されている。複数の支持体１１が、設置面１０と平行に、水平面に沿って配置されている。図２に示すように、支持体１１は、複数設置されていて、下側から順に、支持体１１ａ、支持体１１ｂ、支持体１１ｃとする。

支持体１１ａは、設置面１０の上方に間隔を有して配置されている。支持体１１ｂは、支持体１１ａの上方に間隔を有して配置されている。支持体１１ｃは、支持体１１ｂの上方に間隔を有して配置されている。

本実施形態では、支持体１１ａ、支持体１１ｂ及び支持体１１ｃの平面形状は、略矩形状をしている。支持体１１ａと支持体１１ｂとは、略同一の平面形状をしている。支持体１１ｃの平面形状は、支持体１１ａ及び支持体１１ｂの平面形状よりも大きい。

図１に示すように、支持体１１の水平面に沿う一方向をＸ方向（第二方向）とし、Ｘ方向に直交する方向（第一方向）をＹ方向とする。Ｘ方向は、支持体１１の長辺方向に沿っている。Ｙ方向は、支持体１１の短辺方向に沿っている。

図２に示すように、設置面１０と支持体１１ａとの間及び上下の支持体１１どうしの間には、第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３が設置されている。

第一積層ゴム２を、下側から順に、第一積層ゴム２ａ、第一積層ゴム２ｂ、第一積層ゴム２ｃとする。第二積層ゴム３を、下側から順に、第二積層ゴム３ａ、第二積層ゴム３ｂ、第二積層ゴム３ｃとする。換言すると、第一積層ゴム２ａ及び第二積層ゴム３ａは、設置面１０と支持体１１ａとの間に設置されている。第一積層ゴム２ｂ及び第二積層ゴム３ｂは、支持体１１ａと支持体１１ｂとの間に設置されている。第一積層ゴム２ｃ及び第二積層ゴム３ｃは、支持体１１ｂと支持体１１ｃとの間に設置されている。

図１に示すように、各層において、第一積層ゴム２は、Ｙ方向に離間して２箇所に設置されている。第二積層ゴム３は、Ｙ方向に離間して２箇所に設置されている。第一積層ゴム２と第二積層ゴム３とは、Ｘ方向に離間して配置されている。

第一積層ゴム２は、Ｘ方向の座標Ｘ１を通るＸ１列（第一列）上に配置されているとする。第二積層ゴム３は、Ｘ方向の座標Ｘ２を通るＸ２列（第二列）上に配置されているとする。一方の第一積層ゴム２及び一方の第二積層ゴム３は、Ｙ方向の座標Ｙ１を通るＹ１列（第三列）上に配置されているとする。他方の第一積層ゴム２及び他方の第二積層ゴム３は、Ｙ方向の座標Ｙ２を通るＹ２列（第四列）上に配置されているとする。Ｘ１列及びＸ２列は、制振装置１のＸ方向の中央から互いに反対側であり、制振装置１のＸ方向の中央からの離間距離が等しい。Ｙ１列及びＹ２列は、制振装置１のＹ方向の中央から互いに反対側であり、制振装置１のＹ方向の中央からの離間距離が等しい。

各層において、一の第一積層ゴム２はＸ１列とＹ１列との交差箇所に配置され、他の第一積層ゴム２はＸ１列とＹ２列との交差箇所に配置されている。一の第二積層ゴム３はＸ２列とＹ１列との交差箇所に配置され、他の第二積層ゴム３はＸ２列とＹ２列との交差箇所に配置されている。

第一積層ゴム２の剛性は、第二積層ゴム３の剛性よりも低い。Ｘ１列には第一積層ゴム２が２台配置されＸ２列には第二積層ゴム３が２台配置されているため、Ｘ１列の積層ゴムの剛性の総和Ａ１は、Ｘ２列の積層ゴムの剛性の総和Ａ２よりも低い。Ｙ１列及びＹ２列には第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３が１台ずつ配置されているため、Ｙ１列の積層ゴムの剛性の総和Ｂ１とＹ２列の積層ゴムの剛性の総和Ｂ２とは等しい。

ＴＭＤの諸元のうち、剛性をなす複数の積層ゴム２，３の諸元はＸ方向に対応するものとして選定する。ここで選定された積層ゴム２，３の水平剛性の合計（総和Ｂ１，Ｂ２）は、円形の積層ゴム単体の剛性には方向による差異がないため、ＴＭＤのＹ方向にも同一となる。しかし、重心からのＸ方向側の距離と個々の積層ゴムの剛性は、剛心が重心とずれるように、また、回転剛性が必要なだけ小さくなるように決めることができる。このようにして、Ｘ方向には無偏心、Ｙ方向には偏心を有する系を構成している。なお、図１では減衰装置は省略されているが、オイルダンパーなどの１軸方向に作用する部材を用いれば、ＸＹ方向に異なる諸元を設定することは可能である。

次に、本実施形態に係る制振装置の設計例について説明する。
対象とする建築構造は、平面規模を３２ｍ×５０ｍとする。各層の質量を０．８ｔｏｎ／ｍ^２とする（１階当たり１２８０ｔｏｎ）。３０階建て（総質量３８４００ｔｏｎ）の１次モードを対象として、その等価質量を総質量の２／３程度として２５６００tonと考える。ＴＭＤの質量を１８００ｔｏｎ（質量比μ=５％）とする。

軒高に対応する建物の固有周期は、一般に４ｍ×３０階×０．０２５秒／ｍ＝３秒である。ここでは、長辺方向（Ｘ方向）に３．０秒とし、短辺方向に３．７５秒として、２方向に対して差異を設けた想定とする。

定点理論による最適パラメータとして、ここではＴＭＤの最適な振動数比γを下記の式（１）とし、減衰定数ｈ_ｄを下記の式（２）で与えるものとする。

長辺方向のＴＭＤの最適な周期は３．１１秒、質量１８００ｔｏｎに対する最適な剛性は５．２２０×１０^６Ｎ／ｍである。減衰定数ｈ_ｄは１３％で、減衰係数は６．９０８×１０^５Ｎｓｅｃ／ｍである。同様に、短辺方向のＴＭＤの最適な周期は３．８９秒となる。

実施後のＴＭＤを図４及び図５に示す。錘４のサイズは２２ｍ×１０ｍで、質量は１８００ｔｏｎ、回転慣性モーメントは６．２３×１０^４Ｎｔｏｎ・ｍ^２である。積層ゴム２，３は長辺方向（Ｘ方向）に２列（各２台）及び短辺方向（Ｙ方向）に２列（各２台）が配置されている。長辺方向（Ｘ方向）の各列の積層ゴム２，３の剛性を合計すると、列において等しく、剛性の図心に対する偏りはない。一方、短辺方向（Ｙ方向）の各列の積層ゴム２，３の剛性の合計は、左右で大小異なっており、剛性の中心（剛心）は、図心（ここでは重心と一致している）に対して、偏っている。

ここで、第一積層ゴム２の剛性を６．７８６×１０^５Ｎ／ｍとし、第二積層ゴム３の剛性を１．９３１×１０^６Ｎ／ｍとする。短辺方向（Ｙ方向）の列ではそれぞれ２台ずつ設置されているため、低剛性側（Ｘ１列）では１．３５７×１０^６Ｎ／ｍとなり、高剛性側（Ｘ２列）では３．８６３×１０^６Ｎ／ｍとなる（合わせて５．２２０×１０^６Ｎ／ｍ)。長辺方向（Ｘ方向）の列では、第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３の剛性の和は２．６１０×１０^６Ｎ／ｍとなる（２列分では５．２２０×１０^６Ｎ／ｍで、短辺方向（Ｙ方向）と同じ)。なお、本設計例では十分なストロークを確保するため、積層ゴム２，３を３段に重ねているので、実際は概３倍の物性を設定することになる。

Ｘ１列には、第一積層ゴム２の間に、第一ダンパー５ａが設置されている。Ｘ２列には、第一積層ゴム２の間に、第二ダンパー５ｂが設置されている。Ｙ１列及びＹ２列には、第一積層ゴム２と第二積層ゴム３との間に、第三ダンパー５ｃが設置されている。

この系の振動特性は、１軸偏心の問題として求めることができ、長辺方向の固有周期は３．１１秒、短辺方向の回転を伴うモード（図３のようなモード）の固有周期は３．８９秒となる。ところで、これらの値は長辺方向および短辺方向のＴＭＤに必要な周期とほぼ等しい。

なお、減衰は、必要な減衰係数を剛性に比例させて配すればよい。解析上、剛性比例型減衰として簡便に扱うことができる。

確認のため、地震応答解析により、その効果を検証する。解析モデルは以下とする。建物は質量２５６００ｔｏｎ、周期３．７５秒、減衰１％とする。建物の捩じれ剛性は高いとし、１自由度系で、長辺方向（周期３秒）は省略する。

Ｃａｓｅ１は、ＴＭＤを設置していないケースである。Ｃａｓｅ２は目的とする周期（長辺３．１１秒と短辺３．８９秒）と減衰を有するＴＭＤを、偏心を与えることで設定したケースである。Ｃａｓｅ２の解析モデルを図６に、Ｃａｓｅ２におけるＴＭＤの捩れモードを図７に示す。

上記のモデルに以下の地震動を入力し、主系の応答加速度及び応答変位の最大値を比較して表１に示す。

主系の応答変位の時刻歴波形の例として、地震波ＫＡ１を入力した地震応答変位波形を図８に示し、地震波ＯＳ２を入力した地震応答変位波形を図９に示す。なお、入力地震動は表２の長周期地震動５波とした。表１、図８及び図９に記載の「制振」は、本実施形態に係る制振装置である。

建物の最大変位及び最大加速度、その波形を見ると、本実施形態に係る制振装置のＴＭＤにより、主系の地震時応答が低減していることがわかる。

このように構成された制振装置１では、Ｙ方向に沿うＸ１列に設置される第一積層ゴム２の剛性の総和Ａ１は、Ｙ方向に沿うＸ２列に設置される第二積層ゴム３の剛性の総和Ａ２よりも小さい。よって、制振装置１に揺れ振動モードを故意与えることができ、水平２方向（Ｘ方向及びＹ方向）の周期が異なる構造物において、制振効果を発揮することができる。また、積層ゴム２，３の総和Ａ１，Ａ２をＸ１列とＸ２列とで異なるようにすればよいため、簡易な構成とすることができる。

また、第一積層ゴム２の剛性は第二積層ゴム３の剛性よりも小さいため、第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３を同数設置して、Ｘ１列に設置される積層ゴムの剛性の総和を、Ｘ２列に設置される積層ゴムの剛性の総和よりも小さくすることができる。

また、Ｘ方向に沿うＹ１列に設置される第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３の剛性の総和Ｂ１は、Ｘ方向に沿うＹ２列に設置される第一積層ゴム２及び第二積層ゴム３の剛性の総和Ｂ２と等しい。よって、Ｙ１列とＹ２列との間では偏心していないため、２軸偏心よりも制御が簡易な１軸偏心とすることができる。

（変形例１）
次に、上記に示す実施形態の変形例１に係る制振装置について、主に図１０及び図１１を用いて説明する。
以下の変形例において、前述した実施形態で用いた部材と同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１０及び図１１に示すように、Ｘ１列には、第一積層ゴム２が１台設置されている。第一積層ゴム２は、Ｙ１列とＹ２列との中間位置に配置されている。Ｘ１列側、詳細にはＸ１よりも外側（制振装置１のＸ方向の中央側と反対側）には、リニアガイド６が２台設置されている。リニアガイド６は、Ｙ１列とＹ２列との間のＹ３列及びＹ４列に配置されている。Ｙ３列及びＹ４列は、制振装置１のＹ方向の中央から互いに反対側であり、制振装置１のＹ方向の中央からの離間距離が等しい。リニアガイド６は、例えばＸ方向及びＹ方向の移動を案内するガイドである。重心を偏在させるため、錘４Ａの形状を図心に対してＸ１列側に偏りをもたせて形状としている。

一般に、ＴＭＤでは大きな変形能（ストローク）が必要となるが、積層ゴム２，３の変形能を高めるには口径を大きくする必要があり、それにより、剛性も大きくなる。本変形例では、低剛性側の第一積層ゴム２の数を減らすとともに、錘４Ａの自重を安定して支持するために、第一積層ゴム２よりも抵抗が小さいリニアガイド６を用いていている。

このように構成された制振装置１Ａでは、Ｙ方向に沿うＸ１列に設置される第一積層ゴム２の剛性の総和は、Ｙ方向に沿うＸ２列に設置される第二積層ゴム３の剛性の総和よりも小さい。よって、制振装置１に揺れ振動モードを故意与えることができ、水平２方向（Ｘ方向及びＹ方向）の周期が異なる構造物において、制振効果を発揮することができる。また、積層ゴム２，３の総和をＸ１列とＸ２列とで異なるようにすればよいため、簡易な構成とすることができる。

また、Ｘ１列に近いＸ３列にリニアガイド６を設置することがで、Ｘ１列に設置される第一積層ゴム２の台数を減らすことができる。

（変形例２）
次に、上記に示す実施形態の変形例２に係る制振装置について、主に図１２及び図１３を用いて説明する。
図１２及び図１３に示すように、本変形例では、リニアガイド６の代わりに長大な摺動子７を２台使用して、リニアガイド６を減数している。摺動子７は、制振装置１のＸ方向の端部の列Ｘ４に設置されている。摺動子７は、Ｙ１列及びＹ２列に配置されている。支持体１１ａ１及び支持体１１ｂ１のＸ方向の長さを短くして、設置面１０に支持台１０ａを設置して、摺動子７を支持台１０ａと支持体１１ｃとの間に設置している。

このように構成された制振装置１Ｂでは、Ｙ方向に沿うＸ１列に設置される第一積層ゴム２の剛性の総和は、Ｙ方向に沿うＸ２列に設置される第二積層ゴム３の剛性の総和よりも小さい。よって、制振装置１に揺れ振動モードを故意与えることができ、水平２方向（Ｘ方向及びＹ方向）の周期が異なる構造物において、制振効果を発揮することができる。また、積層ゴム２，３の総和をＸ１列とＸ２列とで異なるようにすればよいため、簡易な構成とすることができる。

また、Ｘ１列に近いＸ４列に滑り摺動子７を設置することがで、Ｘ１列に設置される第一積層ゴム２の台数を減らすことができる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、捩れ振動モードの与え方として１軸偏心（水平二方向のうち一方向のみに偏心を有する）としているが、ＴＭＤの二方向に異なる固有周期を捩れモードを利用して発現せしめて、建物の制御に用いるという点で、２軸偏心であってもよい。

また、上記に示す実施形態では、平面視でＴＭＤの錘４の図心と重心とが一致しており、積層ゴム２，３の剛心をＴＭＤの錘４の図心及び重心とずらすことにしているが、本発明はこれに限られない。例えば、錘４の版厚を不均等とし、錘４の図心と重心とを異なるものとし、積層ゴム２，３の剛心を錘４の図心と一致させてもよい（ＴＭＤが偏心しているため）。

１，１Ａ，１Ｂ…制振装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ…第一積層ゴム
３，３ａ，３ｂ，３ｃ…第二積層ゴム
６…リニアガイド
７…摺動子
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２…総和
Ｘ１…第一列
Ｘ２…第二列
Ｙ１…第三列
Ｙ２…第四列

Claims

構造物に設置される制振装置であって、
水平面内の第一方向に沿う第一列に設置される第一積層ゴムの剛性の総和は、前記第一方向に沿い前記第一列とは異なる第二列に設置される第二積層ゴムの剛性の総和よりも小さく、
前記第一列よりも、水平面内の前記第一方向と直交する第二方向の中央側と反対側には、リニアガイド及び滑り摺動子のいずれか一方が設置されている制振装置。
前記第一積層ゴムの剛性は、前記第二積層ゴムの剛性よりも小さい請求項１に記載の制振装置。
前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムは、前記第二方向に沿う第三列及び第四列に設置され、
前記第三列に設置される前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムの剛性の総和は、前記第四列に設置される前記第一積層ゴム及び前記第二積層ゴムの剛性の総和と等しい請求項１または２に記載の制振装置。