制振構造
【課題】多層構造の建物の一部の層に制振機構を設置して、建物全体の応答低減効果を得ることが可能な制振構造を提供する。
【解決手段】多層構造の建物１に、この建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振機構２を設置してなる制振構造Ａであって、制振機構２が回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続して構成され、この制振機構２を、建物１の中間層の架構１ｂを挟んで上下に位置する上層と下層の架構１ａ、１ｃに接続して複数層に跨って設ける。
【解決手段】多層構造の建物１に、この建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振機構２を設置してなる制振構造Ａであって、制振機構２が回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続して構成され、この制振機構２を、建物１の中間層の架構１ｂを挟んで上下に位置する上層と下層の架構１ａ、１ｃに接続して複数層に跨って設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマンションやオフィスビルなどの多層構造の建物に、この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機構を設けて構成した制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マンションやオフィスビルなどの多層構造の建物においては、建物内に設置した制震ダンパーによって、例えば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。すなわち、制震ダンパーを設置することで耐震性能を向上させ、建物を制震構造（制振構造）にしている。また、このような制震ダンパーには、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。
【０００３】
そして、一般に、この種の制震ダンパーは、地震時に生じる建物の変形に抵抗するようにブレース、壁、間柱の形状として各階（各層）の柱と梁の架構内（層間）に設置される。しかしながら、このように制震ダンパーの設置箇所を各階の架構内に限定することで、建物の階数が多くなるほど制震ダンパーの設置台数が増え、建築計画を行う上で必要十分な台数の制震ダンパーの配置に苦慮する場合が多々ある。
【０００４】
これに対し、特許文献１の制震構造物（制振構造）では、ブレースと制震ダンパー（可変減衰装置）からなる制震機構（制振機構）を、応答最大せん断力が大きくなる下層階においては各層（各階）ごとに設置し、下層階に比べて応答最大せん断力が小さい上層階においては２層または３層以上に跨る柱梁架構ごとに設置している。これにより、少ない設置台数で、各階ごとに制震ダンパーを設置する場合と同様の応答低減効果を得ることを可能にしている。なお、制震とは制振のうち専ら地震のみを対象としたものを指している。
【０００５】
一方、地震時の応答を低減する手段として、いわゆるＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制震装置（制振機構）を採用する場合もある。このＴＭＤは、錘体（重錘）と付加バネとオイルダンパーなどの付加減衰装置とを備え、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って、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を可能にしている。
【特許文献１】特開平１１−２５６８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の制震構造においては、ブレースに履歴系ダンパー、粘性系ダンパー、粘弾性系ダンパーを接続して制震機構が構成され、ＴＭＤのように慣性質量効果を利用して地震エネルギーを減衰させるものではないため、建物の最下層から最上層（１階から最上階）まで連続的に制震機構（制震ダンパー）を配置することが必要になる。このため、上層階において２層または３層以上に跨る柱梁架構ごとに設置するようにしても、十分な応答低減効果を得るためには、やはり多くの制震機構（制震ダンパー）を設置することが必要になってしまう。また、制震機構の設置箇所が架構内（層間）に限定されるため、やはり建築計画を行う上で、その配置に苦慮することになる。
【０００７】
一方、ＴＭＤにおいても、地震のような過渡応答に対して応答低減効果を確実に発揮させるためには、建物重量の数％の重量の錘体を建物の頂部近傍に設置することが必要になる。このため、ＴＭＤを屋上庭園に一体に設けた実施例があるものの、建物への荷重負荷が大きくなり、且つ大きな設置スペースを要するため、現実的には採用できない場合が多い。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、多層構造の建物への制振機構の設置台数を大幅に少なくして、確実に建物全体の応答低減効果を得ることが可能な制振構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の制振構造は、多層構造の建物に、該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機構を設置してなる制振構造であって、前記制振機構が、回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、前記建物の中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して、複数層に跨って設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、制振機構が回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成されているため、ＴＭＤと同様に回転慣性質量と付加バネからなる付加振動系の固有振動数を建物と同調させることで、回転慣性質量ダンパーの錘体の回転慣性を利用し、その慣性抵抗力によって、同調振動数における建物の応答を低減させることができる。
【００１２】
また、この制振機構を、複数層に跨って中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して設けることで、例えば建物の外周部（外側）や建物内の上下に連通する吹き抜け部（床開口部）などに設置できる。このため、従来の制震ダンパーのように架構内（層間）に設置したり、従来のＴＭＤのように建物の頂部近傍に設置するものと比較し、設置箇所の制約が少なく、建築計画を行う上でその配置を容易に決めることが可能になる。
【００１３】
さらに、この制振機構を、例えば建物の階高が大きく層剛性が小さい階など、特定箇所（特定した複数階の間）にのみ設置して、建物全体の応答を低減することが可能になる。このとき、制振機構を複数層に跨って設けることにより、１層だけでは層間変位が小さい場合においても、複数層全体の相対変位（層間変位を合計した比較的大きな相対変位）を制振機構に作用させることが可能になるため、大きな制振効果を発揮させることが可能になる。このため、従来のように、各階（各層）ごとに制震ダンパー（層間ダンパーとしてブレースダンパーや制震壁などの制震機構）を設置する場合と比較し、制振機構の設置台数を大幅に減らすことが可能になる。これにより、建築平面計画を阻害することなく建物への荷重負荷を軽減して、低コストで耐振性能を向上させることが可能になる。
【００１４】
さらに、付加バネ（付加バネのバネ剛性）を調整することによって、制振機構の固有振動数を容易に調整することができる。このため、例えば建物の１次固有振動数に制振機構の固有振動数を容易に同調させることができ、建物に作用した１次モードの振動エネルギーを確実に吸収して減衰させ、建物の応答を低減させることが可能になる。また、このとき、制振機構がＴＭＤと同様に慣性質量効果を利用して振動エネルギーを減衰させるものであるため、微小振幅から制振効果を発揮させることが可能である。
【００１５】
また、本発明の制振構造においては、前記制振機構が、付加減衰装置を備え、該付加減衰装置を前記回転慣性質量ダンパーあるいは前記付加バネに対して並列に接続して構成されていることが望ましい。
【００１６】
この発明においては、制振機構が例えばオイルダンパーなどの付加減衰装置を備えて構成されているため、回転慣性質量ダンパーと付加バネと付加減衰からなる動吸振機構により、建物に作用した振動エネルギーを消費して建物の応答を低減させることが可能になる。
【００１７】
さらに、本発明の制振構造においては、前記制振機構が、前記上層と下層の架構に接続して設けられて前記上層と下層の架構が相対変位するとともに該上層と下層の架構の相対変位量よりも大きな変位量を生じる変位拡大機構を備えており、前記回転慣性質量ダンパーと前記付加バネ、及び／又は前記付加減衰装置が前記変位拡大機構に接続して設けられていることがより望ましい。
【００１８】
この発明においては、建物に振動エネルギーが作用して上層と下層の架構が相対変位した際に、この相対変位量よりも大きな変位量で変位拡大機構が変位するため、この変位拡大機構に接続した回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置を大きく変位させることが可能になる。これにより、回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置が、上層と下層の架構の相対変位に対して大きな慣性質量効果、減衰効果を発揮することになり、より確実に建物に作用した振動エネルギーを減衰させて建物の応答を低減させることが可能になる。また、変位拡大機構に組込むことで、回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置に作用する力が小さくてすみ、安価な装置を用いることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の制振構造によれば、制振機構が回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、この制振機構を複数層に跨って中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して設けることにより、設置箇所を限定することなく、少ない設置台数で、確実に建物全体の応答を低減させる大きな制振効果を得ることが可能になる。これにより、建築計画を行う上で、制振機構の配置を容易に決めることができ、低コストで確実に耐振性能を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図１から図１３を参照し、本発明の第１実施形態に係る制振構造について説明する。
【００２１】
本実施形態の制振構造Ａは、図１及び図２に示すように、例えばマンションやオフィスビルなどの多層構造の建物１に、制振機構２を設けて構成されている。ここで、本実施形態においては、建物１が鉄骨造の１５階建てで建造されているものとし、図１はこの建物１に制振機構２を設けてなる制振構造Ａの架構モデル（軸組図）、図２は制振構造Ａの振動モデルをそれぞれ示している。
【００２２】
また、本実施形態の制振機構２は、回転慣性質量ダンパー３と、積層ゴムなどの付加バネ４と、オイルダンパーなどの付加減衰装置５とを備えて構成されている。また、回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続し、付加減衰装置５を付加バネ４に対して並列に接続して、制振機構２が構成されている。
【００２３】
そして、このように構成した制振機構２は、建物１の１階（１ＦＬ）と２階（２ＦＬ）の複数階に跨って（建物１の複数層に跨って）、例えば建物１の外周部（外側）や建物１内の上下に連通する吹き抜け部などに設置されている。具体的に、この制振機構２は、２階の床梁（中間層の架構１ｂ）を挟んで、上方に位置する３階（３ＦＬ）の床梁（上層の架構１ｃ）に付加バネ４と付加減衰装置５とをそれぞれ接続し、下方に位置する１階の床梁（下層の架構１ａ）に回転慣性質量ダンパー３を接続して、２階の床梁１ｂに接続することなく設置されている。
【００２４】
また、本実施形態において、回転慣性質量ダンパー３は、図１、図３及び図４に示すように、錘体３ａと、この錘体３ａを収容する外枠（ケース）３ｂとを備えて構成されている。錘体３ａは、その上端側が外枠３ｂに軸支された回転軸（ピン）３ｃに繋げられ、この回転軸３ｃの軸線回りに回動自在に懸吊状態で支持されている。そして、回転慣性質量ダンパー３は、外枠３ｂの下端を１階の床梁１ａに固定して設置され、錘体３ａの回転軸３ｃよりも上方に位置する上端部分に付加バネ４と付加減衰装置５をそれぞれ接続して設置されている。
【００２５】
ついで、上記構成からなる制振構造Ａの作用及び効果について説明する。
【００２６】
例えば地震や風などによって建物１に振動エネルギーが作用し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが相対変位するとともに、付加バネ４を通じて回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの上端側に横方向の加力が作用する。そして、このように加力された錘体３ａが回転軸３ｃの軸線回りに回動し、この錘体３ａの回動による慣性抵抗力が回転慣性質量ダンパー３の負担力となって、建物１に作用した振動エネルギーを吸収し減衰させる。このとき、錘体３ａの上端側が回転軸３ｃに軸支されているため、加力点変位（錘体３ａの上端の変位）より錘体３ａの重心位置の変位が大きくなり、これにより、錘体３ａの質量よりも大幅に大きな慣性抵抗力が発生し、効果的に振動エネルギーが減衰することになる。
【００２７】
また、このとき、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが相対変位するとともに、付加減衰装置５が作動し、この付加減衰装置５によっても振動エネルギーが吸収されて減衰する。これにより、回転慣性質量ダンパー３の慣性質量効果と付加減衰装置５の減衰効果とによってエネルギーを消費することで、建物１に作用した振動エネルギーが減衰し、建物１の応答が低減される。
【００２８】
また、上記のように制振機構２で建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるためには、この制振機構２の固有振動数（回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの固有振動数）を、建物１の固有振動数（例えば建物の１次固有振動数）に同調させる必要がある。ここで、制振機構２の固有振動数ｆ０は、制振機構２の回転慣性質量をΨ、付加バネ４の剛性をｋ０としたとき、式（１）で表される。なお、この式（１）において等号を用いないのは、減衰によりわずかに固有振動数がずれるからである。
【００２９】
【数１】
【００３０】
このため、付加バネ４の剛性ｋ０を調整することによって、容易に制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させることが可能になる。そして、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させることで、回転慣性質量ダンパー３の慣性質量効果と付加減衰装置５の減衰効果とにより、振動エネルギーを減衰させ、建物１の応答が低減される。
【００３１】
ついで、制振機構２を設置して建物１を制振構造Ａにした場合と、制振機構２を設置していない場合における応答解析を行った結果を示す。
【００３２】
ここで、制振機構２は、回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの質量Ψを１００００ｔｏｎ、付加バネ４の剛性ｋ０を１００ｋＮ／ｍｍ、付加減衰装置５の減衰定数Ｃ０を４４ｋＮ／ｋｉｎｅとし、固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させるように設定した。このとき、付加振動系の減衰定数は０．０７である。
【００３３】
また、建物１の階高ｈ、各階の質量ｍ、層間バネの剛性ｋは図５に示すようにした。この建物１の１次固有周期（１次固有振動数の逆数）は１．９８秒であり、減衰は１次固有振動数に対して２％の振動数比例型としている。
【００３４】
ここでは、入力地震動に建築センター波Ｌ２を用いている。入力地震動の加速度波形は図６に示す通りであり、最大加速度は３５６ｇａｌで１方向入力とした。また、解析モデルは、基礎固定で等価せん断型の振動モデルとし、応答解析は、継続時間１２０秒として、架構の非線形を無視した弾性応答解析としている。
【００３５】
以下に、上記の振動モデルに対して時刻歴応答解析を行った結果を示す。
図７は、制振機構２を設置した場合（制震あり）と、設置してない場合（制震なし）における建物１の変位、図８は各階の加速度、図９は各階の層間変位、図１０は各階の層せん断力をそれぞれ示している。
【００３６】
これらの結果から、本実施形態の制振機構２を建物１に設けて制振構造Ａにすることによって、最大で３０％以上の応答低減効果が得られることが確認された。また、この制振機構２は、１階と３階の床梁１ａ、１ｃを連結しただけであるが、建物１全体の応答を効果的に抑制できることが確認された。なお、図７に示すように、制振機構２の回転慣性質量ダンパー３の変位が０．１４９ｍとなり、１階と３階の架構１ａ、１ｃの相対変位の３．４倍となるが、これは十分ダンパーのストロークでカバーできる範囲であり特に問題となる大きさではない。
【００３７】
また、図１１は建物１の頂部変位の時間変化、図１２は頂部加速度の時間変化、図１３は７階における層間変位の時間変化を示している。
【００３８】
これらの結果から、いずれも制振機構２を付加することで大きな応答低減効果が得られることが確認された。また、振動が励起されていく過程での応答低減はあまり認められないが、その後に続く、特に５０秒以降で一定周期の揺れ（後揺れ）が効果的に低減されることが確認された。
【００３９】
したがって、本実施形態の制振構造Ａにおいては、制振機構２が回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続して構成されているため、ＴＭＤと同様に、回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの回転慣性を利用し、付加振動系となる制振機構Ａの固有振動数を建物１と同調することで、建物１に作用した振動エネルギーを効果的に消費して建物１の応答を低減させることができる。
【００４０】
また、この制振機構２を、複数階に跨って（複数層に跨って）中間層の架構１ｂを挟んで上下に位置する上層と下層の床梁（架構）１ａ、１ｃに接続して設けることで、建物１の外周部（外側）や建物１内の上下に連通する吹き抜け部（床開口部）などに設置できる。このため、従来の制震ダンパーのように架構内（層間）に設置したり、従来のＴＭＤのように建物１の頂部近傍に設置するものと比較し、設置箇所の制約が小さくなり、建築計画を行う上でその配置を容易に決めることが可能になる。
【００４１】
さらに、この制振機構２を、特定箇所（本実施形態では１階床から３階床の間）にのみ設置することで、建物１全体の応答を低減することが可能になる。このとき、制振機構２を複数階に跨って設けることにより、１層だけでは層間変位が小さい場合においても、複数層全体の相対変位（この間の層間変位の合計となる比較的大きな相対変位）を制振機構２に作用させることが可能になるため、大きな制振効果を発揮させることが可能になる。また、特に、地震動の継続時間が長く、後揺れが問題になる場合には、絶大な応答低減効果を得ることが可能である。また、風荷重など長時間にわたり１次モードが卓越する振動を効果的に抑制できるため、建物１の居住性を向上させることが可能である。
【００４２】
これにより、従来のように、各階（各層）ごとに制震ダンパー（層間ダンパー、ブレースダンパーや制震壁などの制震機構）を設置する場合と比較し、制振機構２の設置台数を大幅に減らすことが可能になる。よって、建物１への荷重負荷を軽減して、低コストで確実に且つ好適に耐振性能を向上させることが可能になる。
【００４３】
さらに、付加バネ４（付加バネ４の剛性ｋ０）を調整することによって、制振機構２の固有振動数を容易に調整することが可能である。このため、例えば建物１の１次固有振動に制振機構２の固有振動数を容易に同調させることができ、建物１に作用した１次モードの振動エネルギーを確実に吸収して減衰させ、建物１の応答を低減させることが可能になる。また、このとき、制振機構２がＴＭＤと同様に慣性質量効果を利用して振動エネルギーを減衰させるものであるため、微小振幅から制振効果を発揮させることが可能である。
【００４４】
また、制振機構２が例えばオイルダンパーなどの付加減衰装置５を備えて構成されているため、回転慣性質量ダンパー３による慣性質量効果に加えてこの付加減衰装置５による減衰効果によって、さらに建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【００４５】
このとき、付加減衰装置５の減衰定数Ｃ０を４４ｋＮ／ｋｉｎｅと桁違いに小さくしても建物１の応答を低減させることが可能である。このため、従来の制震ダンパーと比べて付加減衰装置５の減衰は小さくてよく、安価なダンパーを付加減衰装置５として使用できる。
【００４６】
さらに、本実施形態のように建物１の最下部（１階から３階の間）に制振機構２を設けることで、建物頂部に設置する従来のＴＭＤのように建物１への荷重負荷が大きくなることがなく、制振機構２の自重や反力処理を容易に行うことも可能である。
【００４７】
以上、本発明に係る制振構造の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の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、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させるものとしたが、本発明の制振構造は、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の２次や３次の高次の振動数に同調させるようにしたり、建物１内に収納され、振動を嫌う装置機器類の固有振動数に同調させて、任意の固有振動数の揺れを低減させるために適用してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、付加減衰装置５が付加バネ４と並列に配置して設けられているものとしたが、回転慣性質量ダンパー３と並列に配しても本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。また、特定の振動数で加振される場合には付加減衰装置５を備えずに制振機構２を構成してもよい。
【００４９】
さらに、本実施形態では、制振機構２が１階と３階の床梁１ａ、１ｃに接続して設けられているものとしたが、例えば地震時に層間変位が大きくなる階を含めるようにして制振機構２を設置することが効果的であり、制振機構２を設置する階を限定する必要はない。また、制振機構２を特定の階間にだけ設置することに限定せず、建物１内の全ての層に配置したり、複数の制振機構２を例えば１階と３階の間、４階と６階の間というように不連続に配置してもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー３が、錘体３ａと外枠３ｂとを備え、この錘体３ａを回転軸３ｃによって回動自在に支持して構成されているものとしたが、回転慣性質量ダンパー３は、必ずしもこのように構成されていなくてもよく、周知の他の回転慣性質量ダンパーを採用してもよい。
【００５１】
ついで、図１４及び図１５を参照し、本発明の第２実施形態に係る制振構造について説明する。本実施形態においては、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５２】
本実施形態の制振構造Ｂは、図１４に示すように、第１実施形態と同様、建物１の１階（１ＦＬ）と２階（２ＦＬ）の複数階に跨って（建物１の複数層に跨って）、制振機構１０を設置して構成されている。
【００５３】
本実施形態の制振機構１０は、変位拡大機構１１と回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４とからなり、変位拡大機構１１は、上下一対のＶ型鉄骨ブレース１１ａ、１１ｂと変位拡大部材１１ｃとを備えて構成されている。
【００５４】
そして、変位拡大機構１１の一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａは、両端部を２階の床梁（中間層の架構１ｂ）を挟んで上方に位置する３階（３ＦＬ）の床梁（上層の架構１ｃ）に固定して設置されている。また、他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂが、両端部を２階の床梁１ｂを挟んで下方に位置する１階の床梁（下層の架構１ａ）に固定して設置されている。
【００５５】
変位拡大部材１１ｃは、例えばＨ形鋼であり、一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａの下端と他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂの上端の間に配置されている。そして、この変位拡大部材１１ｃは、その長さ方向中央において一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａの下端と他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂの上端とにそれぞれ回転軸（ピン）１３、１４を介して回転可能に接続して支持されている。これにより、変位拡大部材１１ｃは、建物１に振動エネルギーが作用していない状態で水平に保持され、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが横方向に相対変位して一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａと他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂとが横方向に相対変位するとともに、図１５に示すように回転軸１３、１４を中心に上下方向に回転する。
【００５６】
一方、回転慣性質量ダンパー１２は、ボールネジとフライホイール（回転錘、錘体）を組み合わせて構成され、図１４に示すように、その下端に高減衰積層ゴムなどの付加減衰機能を併せもつ付加バネ４が直列に接続されている。そして、本実施形態の制振機構１０においては、直列に接続した回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４が２組設けられており、一方の付加バネ４（４ａ）が１階の左右一対の柱１ｄ、１ｅの一方の柱（下層の架構）１ｄに、他方の付加バネ４（４ｂ）が他方の柱（下層の架構）１ｅにそれぞれ固定されている。また、一方の付加バネ４ａに接続した一方の回転慣性質量ダンパー１２（１２ａ）の上端が変位拡大部材１１ｃの長さ方向一端側に回転軸（ピン）１５を介して回転可能に接続されている。さらに、他方の付加バネ４ｂに接続した他方の回転慣性質量ダンパー１２（１２ｂ）の上端が変位拡大部材１１ｃの長さ方向他端側に回転軸（ピン）１６を介して回転可能に接続されている。
【００５７】
このように構成した本実施形態の制振機構１０（制振構造Ｂ）においては、図１５に示すように、例えば地震によって建物１に振動エネルギーが作用し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが横方向に相対変位して変位拡大部材１１ｃが回転すると、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位量ｔ１に対して変位拡大部材１１ｃの両端側の上下方向の変位量ｔ２（変位拡大機構１１の変位量）が大きくなる。このため、変位拡大部材１１ｃの両端側にそれぞれ回転可能に接続した各回転慣性質量ダンパー１２（１２ａ、１２ｂ）と付加バネ４との合計の変位量ｔ２が１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位量ｔ１に対して大きくなる。
【００５８】
これにより、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃに回転慣性質量ダンパー１２を直接接続した場合と比較し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位に対して回転慣性質量ダンパー１２が大きな慣性質量効果を発揮することになる。
【００５９】
したがって、本実施形態の制振構造Ｂによれば、建物１に振動エネルギーが作用して床梁１ａ、１ｃが相対変位した際に、この相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で変位拡大機構１１が変位するため、この変位拡大機構１１に接続した回転慣性質量ダンパー１２を大きく変位させることが可能になる。これにより、回転慣性質量ダンパー１２が床梁１ａ、１ｃの相対変位に対して大きな慣性質量効果を発揮することになり、より確実に且つ効率的に建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【００６０】
また、制振機構１０が建物１の複数階に跨って設けられることで、第１実施形態と同様に、設置箇所を限定することなく、少ない設置台数で、確実に建物１全体の応答を低減させる大きな制振効果を得ることが可能になる。これにより、建築計画を行う上で、制振機構１０の配置を容易に決めることができ、建物１への荷重負荷を軽減して、低コストでさらに耐振性能を向上させることが可能になる。
【００６１】
なお、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態に示した変更例を含め、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、変位拡大機構１１が上下一対のＶ型鉄骨ブレース１１ａ、１１ｂとＨ形鋼からなる変位拡大部材１１ｃとで構成されているものとしたが、変位拡大機構１１は、建物１の床梁１ａ、１ｃの相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で変位し、回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４とを直列にしてこの大きな変位量ｔ２で変位させることが可能であれば、特にその構成を限定する必要はない。
【００６２】
また、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー１２の慣性質量効果によって建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるように構成しているが、第１実施形態と同様に、高減衰ゴムを用いないでオイルダンパーなどの付加減衰装置を設けて、慣性質量効果に加えこの付加減衰装置の減衰効果で振動エネルギーを減衰させるようにしてもよい。例えば図１６に示すように、一端を建物１の架構に、他端を変位拡大機構１１の変位拡大部材１１ｃに接続して付加減衰装置１７を設置することで、減衰効果を発揮させることが可能である。そして、この場合、建物１に振動エネルギーが作用して床梁１ａ、１ｃが相対変位した際に、回転慣性質量ダンパー１２と同様に、この相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で付加減衰装置１７が変位することになる。このため、付加減衰装置１７が床梁１ａ、１ｃの相対変位に対して大きな減衰効果を発揮することになり、さらに確実に且つ効率的に建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制振構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る制振構造の振動モデルを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る制振構造において、制振機構が備える回転慣性質量ダンパーを示す図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対して応答解析を行う際の建物の設定条件を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行う際の入力地震動の加速度波形を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、建物の変位を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の加速度を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の層間変位を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の層せん断力を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、頂部変位の時間変化を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、頂部加速度の時間変化を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、７階における層間変位の時間変化を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る制振構造を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る制振構造において、制振機構の変位拡大機構が変位した状態を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る制振構造の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 建物
１ａ １階の床梁（下層の架構）
１ｂ ２階の床梁（中間層の架構）
１ｃ ３階の床梁（上層の架構）
１ｄ １階の柱（下層の架構）
１ｅ １階の柱（下層の架構）
２ 制振機構
３ 回転慣性質量ダンパー
３ａ 錘体
３ｂ 外枠
３ｃ 回転軸
４ 付加バネ
５ 付加減衰装置
１０ 制振機構
１１ 変位拡大機構
１１ａ 一方のＶ型鉄骨ブレース
１１ｂ 他方のＶ型鉄骨ブレース
１１ｃ 変位拡大部材
１２ 回転慣性質量ダンパー
１３ 回転軸
１４ 回転軸
１５ 回転軸
１６ 回転軸
１７ 付加減衰装置
Ａ 制振構造
Ｂ 制振構造
ｔ１ 架構の相対変位量
ｔ２ 変位拡大機構の変位量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマンションやオフィスビルなどの多層構造の建物に、この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機構を設けて構成した制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マンションやオフィスビルなどの多層構造の建物においては、建物内に設置した制震ダンパーによって、例えば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。すなわち、制震ダンパーを設置することで耐震性能を向上させ、建物を制震構造（制振構造）にしている。また、このような制震ダンパーには、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。
【０００３】
そして、一般に、この種の制震ダンパーは、地震時に生じる建物の変形に抵抗するようにブレース、壁、間柱の形状として各階（各層）の柱と梁の架構内（層間）に設置される。しかしながら、このように制震ダンパーの設置箇所を各階の架構内に限定することで、建物の階数が多くなるほど制震ダンパーの設置台数が増え、建築計画を行う上で必要十分な台数の制震ダンパーの配置に苦慮する場合が多々ある。
【０００４】
これに対し、特許文献１の制震構造物（制振構造）では、ブレースと制震ダンパー（可変減衰装置）からなる制震機構（制振機構）を、応答最大せん断力が大きくなる下層階においては各層（各階）ごとに設置し、下層階に比べて応答最大せん断力が小さい上層階においては２層または３層以上に跨る柱梁架構ごとに設置している。これにより、少ない設置台数で、各階ごとに制震ダンパーを設置する場合と同様の応答低減効果を得ることを可能にしている。なお、制震とは制振のうち専ら地震のみを対象としたものを指している。
【０００５】
一方、地震時の応答を低減する手段として、いわゆるＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制震装置（制振機構）を採用する場合もある。このＴＭＤは、錘体（重錘）と付加バネとオイルダンパーなどの付加減衰装置とを備え、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って、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を可能にしている。
【特許文献１】特開平１１−２５６８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の制震構造においては、ブレースに履歴系ダンパー、粘性系ダンパー、粘弾性系ダンパーを接続して制震機構が構成され、ＴＭＤのように慣性質量効果を利用して地震エネルギーを減衰させるものではないため、建物の最下層から最上層（１階から最上階）まで連続的に制震機構（制震ダンパー）を配置することが必要になる。このため、上層階において２層または３層以上に跨る柱梁架構ごとに設置するようにしても、十分な応答低減効果を得るためには、やはり多くの制震機構（制震ダンパー）を設置することが必要になってしまう。また、制震機構の設置箇所が架構内（層間）に限定されるため、やはり建築計画を行う上で、その配置に苦慮することになる。
【０００７】
一方、ＴＭＤにおいても、地震のような過渡応答に対して応答低減効果を確実に発揮させるためには、建物重量の数％の重量の錘体を建物の頂部近傍に設置することが必要になる。このため、ＴＭＤを屋上庭園に一体に設けた実施例があるものの、建物への荷重負荷が大きくなり、且つ大きな設置スペースを要するため、現実的には採用できない場合が多い。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、多層構造の建物への制振機構の設置台数を大幅に少なくして、確実に建物全体の応答低減効果を得ることが可能な制振構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の制振構造は、多層構造の建物に、該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機構を設置してなる制振構造であって、前記制振機構が、回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、前記建物の中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して、複数層に跨って設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、制振機構が回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成されているため、ＴＭＤと同様に回転慣性質量と付加バネからなる付加振動系の固有振動数を建物と同調させることで、回転慣性質量ダンパーの錘体の回転慣性を利用し、その慣性抵抗力によって、同調振動数における建物の応答を低減させることができる。
【００１２】
また、この制振機構を、複数層に跨って中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して設けることで、例えば建物の外周部（外側）や建物内の上下に連通する吹き抜け部（床開口部）などに設置できる。このため、従来の制震ダンパーのように架構内（層間）に設置したり、従来のＴＭＤのように建物の頂部近傍に設置するものと比較し、設置箇所の制約が少なく、建築計画を行う上でその配置を容易に決めることが可能になる。
【００１３】
さらに、この制振機構を、例えば建物の階高が大きく層剛性が小さい階など、特定箇所（特定した複数階の間）にのみ設置して、建物全体の応答を低減することが可能になる。このとき、制振機構を複数層に跨って設けることにより、１層だけでは層間変位が小さい場合においても、複数層全体の相対変位（層間変位を合計した比較的大きな相対変位）を制振機構に作用させることが可能になるため、大きな制振効果を発揮させることが可能になる。このため、従来のように、各階（各層）ごとに制震ダンパー（層間ダンパーとしてブレースダンパーや制震壁などの制震機構）を設置する場合と比較し、制振機構の設置台数を大幅に減らすことが可能になる。これにより、建築平面計画を阻害することなく建物への荷重負荷を軽減して、低コストで耐振性能を向上させることが可能になる。
【００１４】
さらに、付加バネ（付加バネのバネ剛性）を調整することによって、制振機構の固有振動数を容易に調整することができる。このため、例えば建物の１次固有振動数に制振機構の固有振動数を容易に同調させることができ、建物に作用した１次モードの振動エネルギーを確実に吸収して減衰させ、建物の応答を低減させることが可能になる。また、このとき、制振機構がＴＭＤと同様に慣性質量効果を利用して振動エネルギーを減衰させるものであるため、微小振幅から制振効果を発揮させることが可能である。
【００１５】
また、本発明の制振構造においては、前記制振機構が、付加減衰装置を備え、該付加減衰装置を前記回転慣性質量ダンパーあるいは前記付加バネに対して並列に接続して構成されていることが望ましい。
【００１６】
この発明においては、制振機構が例えばオイルダンパーなどの付加減衰装置を備えて構成されているため、回転慣性質量ダンパーと付加バネと付加減衰からなる動吸振機構により、建物に作用した振動エネルギーを消費して建物の応答を低減させることが可能になる。
【００１７】
さらに、本発明の制振構造においては、前記制振機構が、前記上層と下層の架構に接続して設けられて前記上層と下層の架構が相対変位するとともに該上層と下層の架構の相対変位量よりも大きな変位量を生じる変位拡大機構を備えており、前記回転慣性質量ダンパーと前記付加バネ、及び／又は前記付加減衰装置が前記変位拡大機構に接続して設けられていることがより望ましい。
【００１８】
この発明においては、建物に振動エネルギーが作用して上層と下層の架構が相対変位した際に、この相対変位量よりも大きな変位量で変位拡大機構が変位するため、この変位拡大機構に接続した回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置を大きく変位させることが可能になる。これにより、回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置が、上層と下層の架構の相対変位に対して大きな慣性質量効果、減衰効果を発揮することになり、より確実に建物に作用した振動エネルギーを減衰させて建物の応答を低減させることが可能になる。また、変位拡大機構に組込むことで、回転慣性質量ダンパーや付加減衰装置に作用する力が小さくてすみ、安価な装置を用いることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の制振構造によれば、制振機構が回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、この制振機構を複数層に跨って中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して設けることにより、設置箇所を限定することなく、少ない設置台数で、確実に建物全体の応答を低減させる大きな制振効果を得ることが可能になる。これにより、建築計画を行う上で、制振機構の配置を容易に決めることができ、低コストで確実に耐振性能を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図１から図１３を参照し、本発明の第１実施形態に係る制振構造について説明する。
【００２１】
本実施形態の制振構造Ａは、図１及び図２に示すように、例えばマンションやオフィスビルなどの多層構造の建物１に、制振機構２を設けて構成されている。ここで、本実施形態においては、建物１が鉄骨造の１５階建てで建造されているものとし、図１はこの建物１に制振機構２を設けてなる制振構造Ａの架構モデル（軸組図）、図２は制振構造Ａの振動モデルをそれぞれ示している。
【００２２】
また、本実施形態の制振機構２は、回転慣性質量ダンパー３と、積層ゴムなどの付加バネ４と、オイルダンパーなどの付加減衰装置５とを備えて構成されている。また、回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続し、付加減衰装置５を付加バネ４に対して並列に接続して、制振機構２が構成されている。
【００２３】
そして、このように構成した制振機構２は、建物１の１階（１ＦＬ）と２階（２ＦＬ）の複数階に跨って（建物１の複数層に跨って）、例えば建物１の外周部（外側）や建物１内の上下に連通する吹き抜け部などに設置されている。具体的に、この制振機構２は、２階の床梁（中間層の架構１ｂ）を挟んで、上方に位置する３階（３ＦＬ）の床梁（上層の架構１ｃ）に付加バネ４と付加減衰装置５とをそれぞれ接続し、下方に位置する１階の床梁（下層の架構１ａ）に回転慣性質量ダンパー３を接続して、２階の床梁１ｂに接続することなく設置されている。
【００２４】
また、本実施形態において、回転慣性質量ダンパー３は、図１、図３及び図４に示すように、錘体３ａと、この錘体３ａを収容する外枠（ケース）３ｂとを備えて構成されている。錘体３ａは、その上端側が外枠３ｂに軸支された回転軸（ピン）３ｃに繋げられ、この回転軸３ｃの軸線回りに回動自在に懸吊状態で支持されている。そして、回転慣性質量ダンパー３は、外枠３ｂの下端を１階の床梁１ａに固定して設置され、錘体３ａの回転軸３ｃよりも上方に位置する上端部分に付加バネ４と付加減衰装置５をそれぞれ接続して設置されている。
【００２５】
ついで、上記構成からなる制振構造Ａの作用及び効果について説明する。
【００２６】
例えば地震や風などによって建物１に振動エネルギーが作用し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが相対変位するとともに、付加バネ４を通じて回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの上端側に横方向の加力が作用する。そして、このように加力された錘体３ａが回転軸３ｃの軸線回りに回動し、この錘体３ａの回動による慣性抵抗力が回転慣性質量ダンパー３の負担力となって、建物１に作用した振動エネルギーを吸収し減衰させる。このとき、錘体３ａの上端側が回転軸３ｃに軸支されているため、加力点変位（錘体３ａの上端の変位）より錘体３ａの重心位置の変位が大きくなり、これにより、錘体３ａの質量よりも大幅に大きな慣性抵抗力が発生し、効果的に振動エネルギーが減衰することになる。
【００２７】
また、このとき、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが相対変位するとともに、付加減衰装置５が作動し、この付加減衰装置５によっても振動エネルギーが吸収されて減衰する。これにより、回転慣性質量ダンパー３の慣性質量効果と付加減衰装置５の減衰効果とによってエネルギーを消費することで、建物１に作用した振動エネルギーが減衰し、建物１の応答が低減される。
【００２８】
また、上記のように制振機構２で建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるためには、この制振機構２の固有振動数（回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの固有振動数）を、建物１の固有振動数（例えば建物の１次固有振動数）に同調させる必要がある。ここで、制振機構２の固有振動数ｆ０は、制振機構２の回転慣性質量をΨ、付加バネ４の剛性をｋ０としたとき、式（１）で表される。なお、この式（１）において等号を用いないのは、減衰によりわずかに固有振動数がずれるからである。
【００２９】
【数１】
【００３０】
このため、付加バネ４の剛性ｋ０を調整することによって、容易に制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させることが可能になる。そして、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させることで、回転慣性質量ダンパー３の慣性質量効果と付加減衰装置５の減衰効果とにより、振動エネルギーを減衰させ、建物１の応答が低減される。
【００３１】
ついで、制振機構２を設置して建物１を制振構造Ａにした場合と、制振機構２を設置していない場合における応答解析を行った結果を示す。
【００３２】
ここで、制振機構２は、回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの質量Ψを１００００ｔｏｎ、付加バネ４の剛性ｋ０を１００ｋＮ／ｍｍ、付加減衰装置５の減衰定数Ｃ０を４４ｋＮ／ｋｉｎｅとし、固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させるように設定した。このとき、付加振動系の減衰定数は０．０７である。
【００３３】
また、建物１の階高ｈ、各階の質量ｍ、層間バネの剛性ｋは図５に示すようにした。この建物１の１次固有周期（１次固有振動数の逆数）は１．９８秒であり、減衰は１次固有振動数に対して２％の振動数比例型としている。
【００３４】
ここでは、入力地震動に建築センター波Ｌ２を用いている。入力地震動の加速度波形は図６に示す通りであり、最大加速度は３５６ｇａｌで１方向入力とした。また、解析モデルは、基礎固定で等価せん断型の振動モデルとし、応答解析は、継続時間１２０秒として、架構の非線形を無視した弾性応答解析としている。
【００３５】
以下に、上記の振動モデルに対して時刻歴応答解析を行った結果を示す。
図７は、制振機構２を設置した場合（制震あり）と、設置してない場合（制震なし）における建物１の変位、図８は各階の加速度、図９は各階の層間変位、図１０は各階の層せん断力をそれぞれ示している。
【００３６】
これらの結果から、本実施形態の制振機構２を建物１に設けて制振構造Ａにすることによって、最大で３０％以上の応答低減効果が得られることが確認された。また、この制振機構２は、１階と３階の床梁１ａ、１ｃを連結しただけであるが、建物１全体の応答を効果的に抑制できることが確認された。なお、図７に示すように、制振機構２の回転慣性質量ダンパー３の変位が０．１４９ｍとなり、１階と３階の架構１ａ、１ｃの相対変位の３．４倍となるが、これは十分ダンパーのストロークでカバーできる範囲であり特に問題となる大きさではない。
【００３７】
また、図１１は建物１の頂部変位の時間変化、図１２は頂部加速度の時間変化、図１３は７階における層間変位の時間変化を示している。
【００３８】
これらの結果から、いずれも制振機構２を付加することで大きな応答低減効果が得られることが確認された。また、振動が励起されていく過程での応答低減はあまり認められないが、その後に続く、特に５０秒以降で一定周期の揺れ（後揺れ）が効果的に低減されることが確認された。
【００３９】
したがって、本実施形態の制振構造Ａにおいては、制振機構２が回転慣性質量ダンパー３と付加バネ４を直列に接続して構成されているため、ＴＭＤと同様に、回転慣性質量ダンパー３の錘体３ａの回転慣性を利用し、付加振動系となる制振機構Ａの固有振動数を建物１と同調することで、建物１に作用した振動エネルギーを効果的に消費して建物１の応答を低減させることができる。
【００４０】
また、この制振機構２を、複数階に跨って（複数層に跨って）中間層の架構１ｂを挟んで上下に位置する上層と下層の床梁（架構）１ａ、１ｃに接続して設けることで、建物１の外周部（外側）や建物１内の上下に連通する吹き抜け部（床開口部）などに設置できる。このため、従来の制震ダンパーのように架構内（層間）に設置したり、従来のＴＭＤのように建物１の頂部近傍に設置するものと比較し、設置箇所の制約が小さくなり、建築計画を行う上でその配置を容易に決めることが可能になる。
【００４１】
さらに、この制振機構２を、特定箇所（本実施形態では１階床から３階床の間）にのみ設置することで、建物１全体の応答を低減することが可能になる。このとき、制振機構２を複数階に跨って設けることにより、１層だけでは層間変位が小さい場合においても、複数層全体の相対変位（この間の層間変位の合計となる比較的大きな相対変位）を制振機構２に作用させることが可能になるため、大きな制振効果を発揮させることが可能になる。また、特に、地震動の継続時間が長く、後揺れが問題になる場合には、絶大な応答低減効果を得ることが可能である。また、風荷重など長時間にわたり１次モードが卓越する振動を効果的に抑制できるため、建物１の居住性を向上させることが可能である。
【００４２】
これにより、従来のように、各階（各層）ごとに制震ダンパー（層間ダンパー、ブレースダンパーや制震壁などの制震機構）を設置する場合と比較し、制振機構２の設置台数を大幅に減らすことが可能になる。よって、建物１への荷重負荷を軽減して、低コストで確実に且つ好適に耐振性能を向上させることが可能になる。
【００４３】
さらに、付加バネ４（付加バネ４の剛性ｋ０）を調整することによって、制振機構２の固有振動数を容易に調整することが可能である。このため、例えば建物１の１次固有振動に制振機構２の固有振動数を容易に同調させることができ、建物１に作用した１次モードの振動エネルギーを確実に吸収して減衰させ、建物１の応答を低減させることが可能になる。また、このとき、制振機構２がＴＭＤと同様に慣性質量効果を利用して振動エネルギーを減衰させるものであるため、微小振幅から制振効果を発揮させることが可能である。
【００４４】
また、制振機構２が例えばオイルダンパーなどの付加減衰装置５を備えて構成されているため、回転慣性質量ダンパー３による慣性質量効果に加えてこの付加減衰装置５による減衰効果によって、さらに建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【００４５】
このとき、付加減衰装置５の減衰定数Ｃ０を４４ｋＮ／ｋｉｎｅと桁違いに小さくしても建物１の応答を低減させることが可能である。このため、従来の制震ダンパーと比べて付加減衰装置５の減衰は小さくてよく、安価なダンパーを付加減衰装置５として使用できる。
【００４６】
さらに、本実施形態のように建物１の最下部（１階から３階の間）に制振機構２を設けることで、建物頂部に設置する従来のＴＭＤのように建物１への荷重負荷が大きくなることがなく、制振機構２の自重や反力処理を容易に行うことも可能である。
【００４７】
以上、本発明に係る制振構造の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の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、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の１次固有振動数に同調させるものとしたが、本発明の制振構造は、制振機構２の固有振動数ｆ０を建物１の２次や３次の高次の振動数に同調させるようにしたり、建物１内に収納され、振動を嫌う装置機器類の固有振動数に同調させて、任意の固有振動数の揺れを低減させるために適用してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では、付加減衰装置５が付加バネ４と並列に配置して設けられているものとしたが、回転慣性質量ダンパー３と並列に配しても本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。また、特定の振動数で加振される場合には付加減衰装置５を備えずに制振機構２を構成してもよい。
【００４９】
さらに、本実施形態では、制振機構２が１階と３階の床梁１ａ、１ｃに接続して設けられているものとしたが、例えば地震時に層間変位が大きくなる階を含めるようにして制振機構２を設置することが効果的であり、制振機構２を設置する階を限定する必要はない。また、制振機構２を特定の階間にだけ設置することに限定せず、建物１内の全ての層に配置したり、複数の制振機構２を例えば１階と３階の間、４階と６階の間というように不連続に配置してもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー３が、錘体３ａと外枠３ｂとを備え、この錘体３ａを回転軸３ｃによって回動自在に支持して構成されているものとしたが、回転慣性質量ダンパー３は、必ずしもこのように構成されていなくてもよく、周知の他の回転慣性質量ダンパーを採用してもよい。
【００５１】
ついで、図１４及び図１５を参照し、本発明の第２実施形態に係る制振構造について説明する。本実施形態においては、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５２】
本実施形態の制振構造Ｂは、図１４に示すように、第１実施形態と同様、建物１の１階（１ＦＬ）と２階（２ＦＬ）の複数階に跨って（建物１の複数層に跨って）、制振機構１０を設置して構成されている。
【００５３】
本実施形態の制振機構１０は、変位拡大機構１１と回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４とからなり、変位拡大機構１１は、上下一対のＶ型鉄骨ブレース１１ａ、１１ｂと変位拡大部材１１ｃとを備えて構成されている。
【００５４】
そして、変位拡大機構１１の一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａは、両端部を２階の床梁（中間層の架構１ｂ）を挟んで上方に位置する３階（３ＦＬ）の床梁（上層の架構１ｃ）に固定して設置されている。また、他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂが、両端部を２階の床梁１ｂを挟んで下方に位置する１階の床梁（下層の架構１ａ）に固定して設置されている。
【００５５】
変位拡大部材１１ｃは、例えばＨ形鋼であり、一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａの下端と他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂの上端の間に配置されている。そして、この変位拡大部材１１ｃは、その長さ方向中央において一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａの下端と他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂの上端とにそれぞれ回転軸（ピン）１３、１４を介して回転可能に接続して支持されている。これにより、変位拡大部材１１ｃは、建物１に振動エネルギーが作用していない状態で水平に保持され、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが横方向に相対変位して一方のＶ型鉄骨ブレース１１ａと他方のＶ型鉄骨ブレース１１ｂとが横方向に相対変位するとともに、図１５に示すように回転軸１３、１４を中心に上下方向に回転する。
【００５６】
一方、回転慣性質量ダンパー１２は、ボールネジとフライホイール（回転錘、錘体）を組み合わせて構成され、図１４に示すように、その下端に高減衰積層ゴムなどの付加減衰機能を併せもつ付加バネ４が直列に接続されている。そして、本実施形態の制振機構１０においては、直列に接続した回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４が２組設けられており、一方の付加バネ４（４ａ）が１階の左右一対の柱１ｄ、１ｅの一方の柱（下層の架構）１ｄに、他方の付加バネ４（４ｂ）が他方の柱（下層の架構）１ｅにそれぞれ固定されている。また、一方の付加バネ４ａに接続した一方の回転慣性質量ダンパー１２（１２ａ）の上端が変位拡大部材１１ｃの長さ方向一端側に回転軸（ピン）１５を介して回転可能に接続されている。さらに、他方の付加バネ４ｂに接続した他方の回転慣性質量ダンパー１２（１２ｂ）の上端が変位拡大部材１１ｃの長さ方向他端側に回転軸（ピン）１６を介して回転可能に接続されている。
【００５７】
このように構成した本実施形態の制振機構１０（制振構造Ｂ）においては、図１５に示すように、例えば地震によって建物１に振動エネルギーが作用し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃとが横方向に相対変位して変位拡大部材１１ｃが回転すると、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位量ｔ１に対して変位拡大部材１１ｃの両端側の上下方向の変位量ｔ２（変位拡大機構１１の変位量）が大きくなる。このため、変位拡大部材１１ｃの両端側にそれぞれ回転可能に接続した各回転慣性質量ダンパー１２（１２ａ、１２ｂ）と付加バネ４との合計の変位量ｔ２が１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位量ｔ１に対して大きくなる。
【００５８】
これにより、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃに回転慣性質量ダンパー１２を直接接続した場合と比較し、１階の床梁１ａと３階の床梁１ｃの相対変位に対して回転慣性質量ダンパー１２が大きな慣性質量効果を発揮することになる。
【００５９】
したがって、本実施形態の制振構造Ｂによれば、建物１に振動エネルギーが作用して床梁１ａ、１ｃが相対変位した際に、この相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で変位拡大機構１１が変位するため、この変位拡大機構１１に接続した回転慣性質量ダンパー１２を大きく変位させることが可能になる。これにより、回転慣性質量ダンパー１２が床梁１ａ、１ｃの相対変位に対して大きな慣性質量効果を発揮することになり、より確実に且つ効率的に建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【００６０】
また、制振機構１０が建物１の複数階に跨って設けられることで、第１実施形態と同様に、設置箇所を限定することなく、少ない設置台数で、確実に建物１全体の応答を低減させる大きな制振効果を得ることが可能になる。これにより、建築計画を行う上で、制振機構１０の配置を容易に決めることができ、建物１への荷重負荷を軽減して、低コストでさらに耐振性能を向上させることが可能になる。
【００６１】
なお、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態に示した変更例を含め、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、変位拡大機構１１が上下一対のＶ型鉄骨ブレース１１ａ、１１ｂとＨ形鋼からなる変位拡大部材１１ｃとで構成されているものとしたが、変位拡大機構１１は、建物１の床梁１ａ、１ｃの相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で変位し、回転慣性質量ダンパー１２と付加バネ４とを直列にしてこの大きな変位量ｔ２で変位させることが可能であれば、特にその構成を限定する必要はない。
【００６２】
また、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー１２の慣性質量効果によって建物１に作用した振動エネルギーを減衰させるように構成しているが、第１実施形態と同様に、高減衰ゴムを用いないでオイルダンパーなどの付加減衰装置を設けて、慣性質量効果に加えこの付加減衰装置の減衰効果で振動エネルギーを減衰させるようにしてもよい。例えば図１６に示すように、一端を建物１の架構に、他端を変位拡大機構１１の変位拡大部材１１ｃに接続して付加減衰装置１７を設置することで、減衰効果を発揮させることが可能である。そして、この場合、建物１に振動エネルギーが作用して床梁１ａ、１ｃが相対変位した際に、回転慣性質量ダンパー１２と同様に、この相対変位量ｔ１よりも大きな変位量ｔ２で付加減衰装置１７が変位することになる。このため、付加減衰装置１７が床梁１ａ、１ｃの相対変位に対して大きな減衰効果を発揮することになり、さらに確実に且つ効率的に建物１に作用した振動エネルギーを減衰させて建物１の応答を低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る制振構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る制振構造の振動モデルを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る制振構造において、制振機構が備える回転慣性質量ダンパーを示す図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対して応答解析を行う際の建物の設定条件を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行う際の入力地震動の加速度波形を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、建物の変位を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の加速度を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の層間変位を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、各階の層せん断力を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、頂部変位の時間変化を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、頂部加速度の時間変化を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態に係る制振構造に対し応答解析を行った結果であり、７階における層間変位の時間変化を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る制振構造を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る制振構造において、制振機構の変位拡大機構が変位した状態を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る制振構造の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 建物
１ａ １階の床梁（下層の架構）
１ｂ ２階の床梁（中間層の架構）
１ｃ ３階の床梁（上層の架構）
１ｄ １階の柱（下層の架構）
１ｅ １階の柱（下層の架構）
２ 制振機構
３ 回転慣性質量ダンパー
３ａ 錘体
３ｂ 外枠
３ｃ 回転軸
４ 付加バネ
５ 付加減衰装置
１０ 制振機構
１１ 変位拡大機構
１１ａ 一方のＶ型鉄骨ブレース
１１ｂ 他方のＶ型鉄骨ブレース
１１ｃ 変位拡大部材
１２ 回転慣性質量ダンパー
１３ 回転軸
１４ 回転軸
１５ 回転軸
１６ 回転軸
１７ 付加減衰装置
Ａ 制振構造
Ｂ 制振構造
ｔ１ 架構の相対変位量
ｔ２ 変位拡大機構の変位量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造の建物に、該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機構を設置してなる制振構造であって、
前記制振機構が、回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、前記建物の中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して、複数層に跨って設けられていることを特徴とする制振構造。
【請求項２】
請求項１記載の制振構造において、
前記制振機構が、付加減衰装置を備え、該付加減衰装置を前記回転慣性質量ダンパーあるいは前記付加バネに対して並列に接続して構成されていることを特徴とする制振構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の制振構造において、
前記制振機構が、前記上層と下層の架構に接続して設けられて前記上層と下層の架構が相対変位するとともに該上層と下層の架構の相対変位量よりも大きな変位量を生じる変位拡大機構を備えており、
前記回転慣性質量ダンパーと前記付加バネ、及び／又は前記付加減衰装置が前記変位拡大機構に接続して設けられていることを特徴とする制振構造。
【請求項１】
多層構造の建物に、該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機構を設置してなる制振構造であって、
前記制振機構が、回転慣性質量ダンパーと付加バネを直列に接続して構成され、前記建物の中間層の架構を挟んで上下に位置する上層と下層の架構に接続して、複数層に跨って設けられていることを特徴とする制振構造。
【請求項２】
請求項１記載の制振構造において、
前記制振機構が、付加減衰装置を備え、該付加減衰装置を前記回転慣性質量ダンパーあるいは前記付加バネに対して並列に接続して構成されていることを特徴とする制振構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の制振構造において、
前記制振機構が、前記上層と下層の架構に接続して設けられて前記上層と下層の架構が相対変位するとともに該上層と下層の架構の相対変位量よりも大きな変位量を生じる変位拡大機構を備えており、
前記回転慣性質量ダンパーと前記付加バネ、及び／又は前記付加減衰装置が前記変位拡大機構に接続して設けられていることを特徴とする制振構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−１５５８０１（Ｐ２００９−１５５８０１Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３１６１１（Ｐ２００７−３３１６１１）
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２５日（２００７．１２．２５）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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