接続構造及び制振構造物
【課題】支持面における上方構造物を支持する部分での法線が上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く場合であっても、上方構造物を下方から安定して支持する接続構造及び制振構造物を提供する。
【解決手段】上方構造物２と、上方構造物の下方に設けられ上方構造物を支持する下方構造物３との間に設けられる接続構造４ａ、４ｂであって、上方構造物の重心Ｇを含む鉛直面Ｓ１上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線Ｌ１に対して対称に配置された一対の支持部７ａ、７ｂと、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面８ａ、８ｂと、を備え、一対の支持面は、鉛直面上を一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動する。
【解決手段】上方構造物２と、上方構造物の下方に設けられ上方構造物を支持する下方構造物３との間に設けられる接続構造４ａ、４ｂであって、上方構造物の重心Ｇを含む鉛直面Ｓ１上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線Ｌ１に対して対称に配置された一対の支持部７ａ、７ｂと、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面８ａ、８ｂと、を備え、一対の支持面は、鉛直面上を一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を支持する接続構造及び制振構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、地震や風等の外力に対して、上方に配置された上方構造物を下方から安定して支持するために、様々な接続構造が検討されてきた。構造物が高層ビル等の建築構造物である場合には、上方構造物を制振させる接続構造として、種々のダンパが用いられている。
ダンパには、鉛を用いた履歴ダンパ、オイルを利用した粘性ダンパ等がある。これらのダンパは局所的な変形抑制には効果があるが、構造物全体の共振特性を大きく変えることはなく、補助装置として考えるべきである。
このようなダンパが有効に働かない代表的な例として高層構造物がある。高層構造物の振動は長周期の曲げ振動が卓越するが、曲げ振動は高剛性である軸長方向（鉛直方向）の剛性に依存するうえに層間変位も小さい。粘性ダンパ、履歴ダンパなどは、低剛性部分に用いるか、層間変位が大きい部分に用いるか、振動周波数が高いときに用いる場合には効きが良いが、高層ビルの場合にはこのいずれにも当てはまらないため、ダンパを挿入しても効果が低い。従って、長周期地震の影響を受け易い高層ビルは、振動減衰を大きく設計することが困難であるため、長周期地震が問題となっている。
【０００３】
近年、高層構造物の制振で注目されているのは、以下に示す構造的なダンパである。
例えば１つめの例として、特許文献１に示す動的制振装置は、建築物上部と下部を分断することによりマスダンパ効果で制振する手法であり、この手法は中間免震にも部類される。
この動的制振装置の原理は、中間免震とすることで構造物全体の固有周期を長くすることにより、通常着目する地震周期領域でのビルの振動が、節の無い１次モードではなく中間免震部付近を節とする２次モードで振動するように設計したものであり、振動の２次モードが１次モードより振幅が小さいことを利用して制振する手法である。
しかし、一般の複数周期の混入した振動で２次モードが卓越して表れなければ、上記動的制振装置は、単に固有周期を長周期側にシフトしたに過ぎず、逆に長周期地震の影響が顕著に表れる可能性がある。また、この動的制振装置は強風に対しても有効とされているが、強風による振動では卓越モードが顕著に表れるため、地震動で意図したような２次モードでは振動せず１次モードでの振動となり、逆に振幅を増大させる可能性がある。これらの理由は、２次モードが卓越する構造となっていないことによる。
【０００４】
また、２つ目の例として、特許文献２では、固有周期の異なる構造物を連結した構築構造が提案されている。しかし、構造物を連結することにより１つの構造物となるため、異なる周期振動によるダンピング効果は期待できない。連結構造で得られるのは、連結したことによる曲げ剛性の向上、連結部での大きな運動による連結部のダンパの減衰性能の向上などであり、高層構造物で問題となる共振特性を大きく変えるものではない。
【０００５】
これに対し、高層の構造物を中心として用いられる新しい概念の接続構造として、上方構造物が鉛直下向きに凸の円弧軌道を描くように、上方構造物の下方においてこの上方構造物の重心を含む鉛直面に対して対称に配置された一対又は複数対のアイソレータを備えるものが提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。これらのアイソレータに作用する合力は、上方構造物の重心を向いている（以下、アイソレータのこの配置を「特異配置」と称する）。
上記特許文献３及び特許文献４に示す多層構造物では、地震振動、風振動の主体となる水平方向が剛となる構造を用いているため、従来の高層構造物より小振幅高周波振動となる。この水平方向の振動の実態は縦剪断振動である。そして、縦剪断振動から円弧振動への内部共振により高次モードが卓越した多節振動となるため、低剛性の円弧方向でのダンピングで構造物全体の減衰を得ている。
【０００６】
しかし、アイソレータを特異配置とした場合では減衰性能向上に関して幾つかの課題を残していた。まず第１に、減衰応答の速応性、すなわち減衰応答の速さである。特許文献３及び特許文献４に示す多層構造物では、減衰を得るプロセスとして、縦剪断振動から円弧振動への内部共振を用いている。このため、振動初期には減衰が小さく、内部共振により円弧方向へのエネルギー遷移が十分になったときに減衰効果が顕著となるため、減衰応答が遅い。
第２に、減衰量自体の大きさの改善である。アイソレータを特異配置とした場合では、内部共振により円弧方向が高次モード振動となった場合の層間変位により減衰を得るが、内部共振で得たエネルギー量は構造物全体の振動を減衰させるエネルギーとしては不足である。従って、遷移した高次円弧振動の減衰は速いが、十分に円弧方向にエネルギー遷移していない縦剪断振動の減衰は大きくはないため、定常的には縦剪断振動だけが残ることが考えられる。
【０００７】
そこで、上記特許文献３及び特許文献４の制振性能を向上させるため、特許文献５に示された制振構造物が提案されている。この特許文献５に示された制振構造物では、各層におけるアイソレータは、上記の特異配置だけでなく、一対又は複数対のアイソレータに作用する合力が上方構造物の重心の上方、下方の所定の場所に向く配置（以下、アイソレータのこの配置を「上方配置」、「下方配置」と称する）が組み合わせて用いられている。
この制振構造物は、水平方向の振動である縦剪断振動の擾乱により、高次円弧振動に類似した各層が逆方向に運動する振動モードとなる。これより、ダイレクトに高次円弧振動を励振する速応性、両振動の類似性から得られる大きな層間変位から、内部共振という間接的なエネルギー遷移手段を経ずに高減衰を得ている。さらに、上記特許文献３及び特許文献４に示された多層構造物に無い減衰効果として、縦剪断振動と高次円弧振動の重ね合わせにより、構造物全体の振動を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平０６−６０５３８号公報
【特許文献２】特公平０４−２６３８５号公報
【特許文献３】特開２００７−２３１７１８号公報
【特許文献４】特願２００８−１５１０３０号
【特許文献５】特願２００８−１９２４２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献５に示す制振構造物では、アイソレータの上方配置という安定な振子構造の他に、アイソレータの下方配置という不安定な倒立振子型の構造を用いている。重力下において、アイソレータを下方配置としたときに、このアイソレータに円弧方向の剛性があればその剛性により倒立振子の不安定性をカバーするよう設計できるが、円弧方向の接続が平面（支持面）による滑りあるいは転がりなどの場合には、円弧方向剛性の設計自由度が小さいため不安定になり易い。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、支持面における上方構造物を支持する部分での法線が上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く場合（下方配置）であっても、上方構造物を下方から安定して支持する接続構造及び制振構造物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の接続構造は、上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、該一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴としている。
なお、以下では、本請求項における、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置された一対の支持面とによる接続構造の構成を、「上接続」と称する。また、以下では、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面の配置を、「下に凸」と称する。
【００１２】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、上方構造物は、下部に設けられた一対の支持面を一対の支持部にそれぞれ当接させながら移動する。そして、上方構造物が傾いて所定方向回りに回転したときに、上方構造物に作用する重力により、上方構造物に所定方向とは逆方向回りのトルクが作用する。
従って、この鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
なお、ここで言う安定とは、着目する範囲内での局所的な安定を意味する。
【００１３】
また、上記の接続構造において、前記鉛直面上で、前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（１）式を満たすように設定されていることがより好ましい。
【００１４】
【数１】
【００１５】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、所定方向回りに回転した上方構造物に、所定方向とは逆方向回りのトルクをより確実に作用させることができる。
【００１６】
また、上記の接続構造は、前記鉛直面上で、前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定されていても良い。
この発明によれば、支持面における支持部に当接する部分での法線が、上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く（以下では、支持面のこの配置を「下方配置」と称する。）という、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【００１７】
また、本発明の接続構造は、上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面と、前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、を備え、該一対の支持部は、前記鉛直面上を前記一対の支持面にそれぞれ当接しながら移動することを特徴としている。
なお、以下では、本請求項における、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持面と、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部とによる接続構造の構成を、「下接続」と称する。また、以下では、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面の配置を、「上に凸」と称する。
【００１８】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、上方構造物は、下部に設けられた一対の支持部を一対の支持面にそれぞれ当接させながら移動する。そして、上方構造物が傾いて所定方向回りに回転したときに、上方構造物に作用する重力により、上方構造物に所定方向とは逆方向回りのトルクが作用する。
従って、この鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【００１９】
また、上記の接続構造において、前記鉛直面上で、前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（２）式を満たすように設定されていることがより好ましい。
【００２０】
【数２】
【００２１】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、所定方向回りに回転した上方構造物に、所定方向とは逆方向回りのトルクをより確実に作用させることができる。
【００２２】
また、本発明の制振構造物は、前記上方構造物と、前記下方構造物と、該上方構造物と該下方構造物との間に設けられた上記のいずれかに記載の接続構造と、を備えることがより好ましい。
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方構造物で下方から安定して支持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の接続構造及び制振構造物によれば、支持面における上方構造物を支持する部分での法線が上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く場合（下方配置）であっても、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態のアイソレータが上接続の高層構造物で、一対の支持面が下に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図２】同高層構造物をモデル化した図である。
【図３】モデル化した同高層構造物の上層構造物が回転した状態を示す図である。
【図４】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図５】本発明の第１実施形態のアイソレータが上接続の高層構造物で、一対の支持面が上に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図６】同高層構造物をモデル化した図である。
【図７】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図８】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図９】同高層構造物の重心に対する中心の位置の位置を示す説明図である。
【図１０】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２０（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図１１】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２００（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態のアイソレータが下接続の高層構造物で、一対の支持面が下に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図１３】同高層構造物をモデル化した図である。
【図１４】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図１５】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図１６】本発明の第２実施形態のアイソレータが下接続の高層構造物で、一対の支持面が上に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図１７】同高層構造物をモデル化した図である。
【図１８】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図１９】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図２０】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２０（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図２１】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２００（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る制振構造物の第１実施形態を、図１から図１１を参照しながら説明する。本実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合を例にとって説明する。
図１に示すように、本実施形態の高層構造物１は、複数の層からなる上層構造物（上方構造物）２と、上層構造物２の下方に設けられ上層構造物２を支持する下層構造物（下方構造物）３と、上層構造物２と下層構造物３との間に設けられた一対のアイソレータ（接続構造）４ａ、４ｂと、を備えている。
図中に示すように、鉛直方向をＹとし、鉛直方向Ｙに直交するとともに互いに直交するＸ方向とＺ方向を定める。なお、図中、Ｙ１方向が下方となっている。
本実施形態では、上層構造物２は、Ｚ方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されている。
このため、以下では、高層構造物１を２次元状のモデルとして説明を行う。
また、本実施形態では、アイソレータ４ａ、４ｂが上接続の場合について説明するが、まず、後述する支持面８ａと支持面８ｂが上述の下に凸の場合について説明し、次に、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸について説明する。
【００２６】
アイソレータ４ａは、上層構造物２の重心Ｇを含みＺ方向に直交する鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持部７ａと、上層構造物２の下部に設けられた支持面８ａと、を有する。支持部７ａは、球状の回転体９ａと、一端が下層構造物３の天面に固定され、他端に回転体９ａを回転可能に支持する支持体１０ａとを備えている。
同様に、アイソレータ４ｂは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持部７ｂと、上層構造物２の下部に設けられた支持面８ｂと、を有する。支持部７ｂは、球状の回転体９ｂと、一端が下層構造物３の天面に固定され、他端に回転体９ｂを回転可能に支持する支持体１０ｂとを備えている。
なお、支持面８ａと支持面８ｂの鉛直面Ｓ１による断面は、それぞれ直線状になっている。
【００２７】
支持部７ａと支持部７ｂ、支持面８ａと支持面８ｂは、それぞれ上層構造物２の重心Ｇを含む鉛直線Ｌ１に対して対称に配置されている。支持面８ａにおける支持部７ａに当接する部分である当接部１１ａでの法線、及び支持面８ｂにおける支持部７ｂに当接する部分である当接部１１ｂでの法線は、鉛直線Ｌ１上の中心Ｃに向くように配置されている。すなわち、それぞれの法線が中心Ｃを通っている。
回転体９ａ、９ｂの軸線は、Ｚ方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面８ａと支持面８ｂは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物２の下部に設けられた一対の支持面８ａ、８ｂは、鉛直面Ｓ１上を、一対の支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。なお、上層構造物２を鉛直面Ｓ１上で移動させるために、上記のアイソレータ４ａ、４ｂをＺ方向に複数備えても良い。
上層構造物２、下層構造物３、支持部７ａ、７ｂは、例えばコンクリートや鉄筋等の硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
【００２８】
ここで、当接部１１ａ、１１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離をそれぞれｗとする（このとき、当接部１１ａと当接部１１ｂの間の距離は２ｗとなる）。さらに、当接部１１ａ、１１ｂから重心Ｇまでの鉛直方向Ｙの高さをｈ、水平面と支持面８ａ、８ｂがなす角度をθとする。
なお、後述する図１０、図１１、図２０、及び図２１では角度の単位を（°）とし、これら以外の図では角度の単位を（ｒａｄ）としている。
また、当接部１１ａと当接部１１ｂの間の距離は、一般的に、実際の上層構造物２の幅より狭くなる。
【００２９】
本実施形態の高層構造物１をモデル化したものを図２に示す。
当接部１１ａと当接部１１ｂを点Ａ、点Ｂとし、支持面８ａと支持面８ｂが交差する点を点Ｏとする。支持面８ａにおける当接部１１ａでの法線が中心Ｃを通るので、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。
ここで、図３に、モデル化した上層構造物２が方向Ｄ１回りに回転し、上層構造物２が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線Ｌ１’と元の位置の鉛直線Ｌ１がなす角を回転角φとする（図中に示すφの向きを正とする）。なお、回転角φは、上層構造物２の鉛直線Ｌ１に対する角度とみることもできる。
重心Ｇ’、中心Ｃ’、点Ａ’、点Ｂ’、及び点Ｏ’は、それぞれ重心Ｇ、中心Ｃ、点Ａ、点Ｂ、及び点Ｏの移動後の点である。支持面８ａ、８ｂは、支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、点Ａは直線Ｏ’Ａ’上に位置し、点Ｂは直線Ｏ’Ｂ’上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角Ｏ’ＡＣ’及び角Ｏ’ＢＣ’もそれぞれ直角になる。
図４に示すように、上層構造物２が回転したときに直線ＯＢ上を点Ｂ’が移動した距離をｄとする。
距離ｄを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ｏ’ＡＢに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３０】
【数３】
【００３１】
ＢＣ’（点Ｂと中心Ｃ’との距離のこと。以下同様に示す。）を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形ＡＢＣ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３２】
【数４】
【００３３】
ここで、図４に示すように、Ｘ方向及び鉛直方向Ｙにそれぞれ平行にｘ軸及びｙ軸を定める。このとき、点Ｇ’から点Ｃ’に向かうベクトルＧ’Ｃ’のｘ軸成分（以下、「（Ｇ’Ｃ’）x」のように示す。）及びｙ軸成分（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００３４】
【数５】
【００３５】
次に、アイソレータ４ａ、４ｂが上接続である本実施形態において、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となるように配置されている場合について説明する。なお、前述の場合と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
この場合におけるアイソレータ４ａ、４ｂは、図５に示すような構成となる。
支持面８ａにおける当接部１１ａでの法線が中心Ｃを通るので、図６において、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。また、支持面８ａ、８ｂは、支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、図７において、点Ａは直線Ｏ’Ａ’上に位置し、点Ｂは直線Ｏ’Ｂ’上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角Ｏ’ＡＣ’及び角Ｏ’ＢＣ’もそれぞれ直角になる。
図８において、距離ｄを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ｏ’ＡＢに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３６】
【数６】
【００３７】
また、ＢＣ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形ＡＢＣ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３８】
【数７】
【００３９】
また、この場合の（Ｇ’Ｃ’）x及び（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
ここで、（１７）式及び（１８）式において、θ＝−θ’と置換すると（９）式及び（１０）式に一致することが解る。従って、図５に示すように支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる場合は、図１に示すように支持面８ａと支持面８ｂが下に凸となる場合において、θが負の場合として扱えばよいことになる。これより、以下で上層構造物２の安定性を検討するときには、（９）式及び（１０）式で統一して行う。
【００４２】
本発明で安定とは、着目する範囲内での局所的な安定を意味し、上層構造物２が回転した方向Ｄ１とは逆方向Ｄ２回りのトルクが上層構造物２に作用する場合を安定とする。具体的には、図３のように上層構造物２が回転したときに、中心Ｃ’に対して重心Ｇ’がｘ軸の正の方向（図４におけるｘ軸の矢印の方向）にあれば、上層構造物２に逆方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、上層構造物２の対称性も考えて、上層構造物２が安定する条件は、次式のようになる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
ここで、本実施形態において、上層構造物２の中心Ｃと重心Ｇとの位置関係について説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、重心Ｇと中心Ｃはそれぞれ鉛直線Ｌ１上に配置されるが、支持面が水平面となす角度により、アイソレータ４ａ、４ｂは３種類に分類される。
図９（ａ）は、重心Ｇに中心Ｃが一致する場合で、アイソレータのこの配置が上述の「特異配置」である。図９（ｂ）は、重心Ｇの上方に中心Ｃが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「上方配置」である。図９（ｃ）は、重心Ｇの下方に中心Ｃが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「下方配置」である。
【００４５】
上層構造物２のＸ方向の幅を４０（ｍ）とし、上層構造物２の高さを２０（ｍ）及び２００（ｍ）としたモデルで検討を行った。この場合、当接部１１ａ、１１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離ｗは２０（ｍ）、当接部１１ａ、１１ｂから重心Ｇまでの高さｈは１０（ｍ）及び１００（ｍ）となる。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上層構造物２において、−１０（°）以上１０（°）以下とした。なお、高層構造物１は上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、０（°）以上１０（°）以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合を図１０に、２００（ｍ）の場合を図１１に示す。図１０及び図１１において、横軸は（Ｇ’Ｃ’）x、縦軸は（Ｇ’Ｃ’）yである。
【００４６】
角度θとして、−８０（°）から８０（°）までの、０（°）を除く１０（°）刻みの値を用いた。さらに、アイソレータが特異配置のときの角度θを求め、図中に示した。アイソレータが特異配置となるのは、ｔａｎθの値と（ｗ／ｈ）の値とが等しくなるときなので、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合は角度θが６３．４３（°）とき、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合は角度θが１１．３１（°）ときである。
【００４７】
図１０及び図１１は、重心Ｇ’を基準とした中心Ｃ’の変位を示している。このため、例えば図１０において、角度θが６３．４３（°）のグラフより上方に示されている（（Ｇ’Ｃ’）yの値が大きい）グラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは上方配置となる。また、角度θが６３．４３（°）のグラフより下方に示されている（（Ｇ’Ｃ’）yの値が小さい）グラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、７０、８０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは下方配置となる。
同様に、図１１において、角度θが１１．３１（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは上方配置となる。また、角度θが１１．３１（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは下方配置となる。
【００４８】
シミュレーションを行った範囲においては、（２０）式の両辺をφｓｉｎφで除して得られる次式を満たす場合に上層構造物２が安定する。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
図１０に示すように、上層構造物２の高さが比較的低いときには、角度θが正の場合、すなわち、支持面８ａと支持面８ｂが下に凸となる図１に示す場合に（２１）式を満たし、上層構造物２が安定する。一方、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる図５に示す場合には、上層構造物２は安定しない。
上層構造物２が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、（２１）式を満たす場合に上層構造物２が安定する。すなわち、図１０の場合には、角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときに上層構造物２が安定する。また、図１１の場合には、角度θが１０、２０、８０（°））のときに上層構造物２が安定する。
なお、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、アイソレータ４ａ、４ｂが下方配置であって上層構造物２が安定するのは、図１０の場合には角度θが７０、８０（°）のとき、図１１の場合には角度θが２０、８０（°）のときである。
【００５１】
こうして、本発明の第１実施形態の高層構造物１によれば、鉛直面Ｓ１上において、上層構造物２は、下部に設けられた一対の支持面８ａ、８ｂを一対の支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接させながら移動する。そして、上層構造物２が傾いて方向Ｄ１回りに回転したときに、上層構造物２に作用する重力により、上層構造物２に方向Ｄ１とは逆方向の方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、鉛直面Ｓ１上で上層構造物２が回転することを抑えて、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
また、アイソレータ４ａ、４ｂが下方配置とされる、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１２に示すように、本実施形態の高層構造物２１は、上記実施形態の高層構造物１の上接続の構成とされたアイソレータ４ａ、４ｂに代えて、下接続の構成とされたアイソレータ（接続構造）２４ａ、２４ｂを備えている。
また、本実施形態において、まず、後述する支持面２７ａと支持面２７ｂが下に凸の場合について説明し、次に、支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸の場合について説明する。
【００５３】
アイソレータ２４ａは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持面２７ａと、上層構造物２の下部に設けられた支持部２８ａと、を有する。支持部２８ａは、球状の回転体２９ａと、一端が上層構造物２の底面に固定され、他端に回転体２９ａを回転可能に支持する支持体３０ａとを備えている。
同様に、アイソレータ２４ｂは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持面２７ｂと、上層構造物２の下部に設けられた支持部２８ｂと、を有する。支持部２８ｂは、球状の回転体２９ｂと、一端が上層構造物２の底面に固定され、他端に回転体２９ｂを回転可能に支持する支持体３０ｂとを備えている。
なお、支持面２７ａと支持面２７ｂの鉛直面Ｓ１による断面は、それぞれ直線状になっている。
【００５４】
支持面２７ａと支持面２７ｂ、支持部２８ａと支持部２８ｂは、それぞれ鉛直線Ｌ１に対して対称に配置されている。支持面２７ａにおける支持部２８ａに当接する部分である当接部３１ａでの法線、及び支持面２７ｂにおける支持部２８ｂに当接する部分である当接部３１ｂでの法線は、鉛直線Ｌ１上の中心Ｃに向くように配置されている。すなわち、それぞれの法線が中心Ｃを通っている。
回転体２９ａ、２９ｂの軸線は、Ｚ方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面２７ａと支持面２７ｂは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物２の下部に設けられた一対の支持部２８ａ、２８ｂは、鉛直面Ｓ１上を、一対の支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。
本実施形態のアイソレータ２４ａ、２４ｂは硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
【００５５】
ここで、当接部３１ａ、３１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離をそれぞれｗとする（このとき、当接部３１ａと当接部３１ｂの間の距離は２ｗとなる）。さらに、当接部３１ａ、３１ｂから重心Ｇまでの鉛直方向Ｙの高さをｈ、水平面と支持面２７ａ、２７ｂがなす角度をθとする。
【００５６】
本実施形態の高層構造物２１をモデル化したものを図１３に示す。
当接部３１ａと当接部３１ｂを点Ａ、点Ｂとし、支持面２７ａと支持面２７ｂが交差する点を点Ｏとする。支持面２７ａにおける当接部３１ａでの法線が中心Ｃを通るので、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。
ここで、図１４に、モデル化した上層構造物２が方向Ｄ１回りに回転し、上層構造物２が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線Ｌ１’と元の位置の鉛直線Ｌ１がなす角を回転角φとする（図中に示すφの向きを正とする）。
重心Ｇ’、中心Ｃ’、点Ａ’、及び点Ｂ’は、それぞれ重心Ｇ、中心Ｃ、点Ａ、及び点Ｂの移動後の点である。支持部２８ａ、２８ｂは、支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、点Ａ’は直線ＯＡ上に位置し、点Ｂ’は直線ＯＢ上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角ＯＡ’Ｃ’及び角ＯＢ’Ｃ’もそれぞれ直角になる。
図１５に示すように、上層構造物２が傾いたときに直線ＯＢ上を点Ｂ’が移動した距離をｄとする。
Ｂ’Ｃ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
ここで、図１５に示すように、Ｘ方向及び鉛直方向Ｙにそれぞれ平行にｘ軸及びｙ軸を定める。このとき、（Ｇ’Ｃ’）x及び（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
次に、アイソレータ２４ａ、２４ｂが下接続である本実施形態において、支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸となる場合について説明する。なお、前述の場合と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
この場合におけるアイソレータ２４ａ、２４ｂは、図１６に示すような構成となる。
支持面２７ａにおける当接部３１ａでの法線が中心Ｃを通るので、図１７において、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。また、支持部２８ａ、２８ｂは、支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、図１８において、点Ａ’は直線ＯＡ上に位置し、点Ｂ’は直線ＯＢ上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角ＯＡ’Ｃ’及び角ＯＢ’Ｃ’もそれぞれ直角になる。
図１９において、Ｂ’Ｃ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００６１】
【数１３】
【００６２】
また、この場合の（Ｇ’Ｃ’）x及びは（Ｇ’Ｃ’）yは、（２７）式を用いて次式のようになる。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
ここで、（２８）式及び（２９）式において、θ＝−θ’と置換すると（２４）式及び（２５）式に一致することが解る。従って、図１６に示すように支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸となる場合は、図１２に示すように支持面２７ａ、２７ｂが下に凸となる場合において、θが負の場合として扱えばよいことになる。これより、以下で上層構造物２の安定性を検討するときには、（２４）式及び（２５）式で統一して行う。
本実施形態の場合、上層構造物２が安定する条件は、次式のようになる。
【００６５】
【数１５】
【００６６】
上記実施形態と同様に、上層構造物２のＸ方向の幅を４０（ｍ）とし、上層構造物２の高さを２０（ｍ）及び２００（ｍ）としたモデルで検討を行った。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上記実施形態と同様に、上層構造物２において、−１０（°）以上１０（°）以下とした。なお、高層構造物２１は上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、０（°）以上１０（°）以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合を図２０に、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合を図２１に示す。図２０及び図２１において、横軸は（Ｇ’Ｃ’）x、縦軸は（Ｇ’Ｃ’）yである。
【００６７】
角度θとして、−８０（°）〜８０（°）までの、０（°）を除く１０（°）刻みの値を用いた。さらに、アイソレータが特異配置のときの角度θを求め、図中に示した。アイソレータが特異配置となるのは、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合は角度θが６３．４３（°）とき、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合は角度θが１１．３１（°）ときである。
【００６８】
図２０において、角度θが６３．４３（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは上方配置となる。また、角度θが６３．４３（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、７０、８０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは下方配置となる。
同様に、図２１において、角度θが１１．３１（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは上方配置となる。また、角度θが１１．３１（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは下方配置となる。
【００６９】
シミュレーションを行った範囲においては、（３１）式の両辺をφｓｉｎφで除して得られる次式を満たす場合に上層構造物２が安定する。
【００７０】
【数１６】
【００７１】
図２０及び図２１に示すように、角度θが正の場合、すなわち、支持面２７ａと支持面２７ｂが下に凸となる図１２に示す場合に、本実施形態の高層構造物２１は安定しないことが分かる。
上層構造物２が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、（３２）式を満たす場合に上層構造物２が安定する。すなわち、図２０の場合には、角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０（°））のときに上層構造物２が安定する。また、図２１の場合には、角度θが−８０（°））のときに上層構造物２が安定する。
このように、上層構造物２が安定するのは、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる図１６に示す場合、より詳しくは、（３２）式を満たす場合となる。
【００７２】
こうして、本発明の第２実施形態の高層構造物２１によれば、鉛直面Ｓ１上において、上層構造物２は、下部に設けられた一対の支持部２８ａ、２８ｂを一対の支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接させながら移動する。そして、上層構造物２が傾いて方向Ｄ１回りに回転したときに、上層構造物２に作用する重力により、上層構造物２に方向Ｄ１とは逆方向の方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、鉛直面Ｓ１上で上層構造物２が傾くことを抑えて、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
【００７３】
なお、本実施形態に比較して上記第１実施形態では、アイソレータを上方配置及び下方配置にした場合のいずれにおいても安定であることが分かった。これにより、アイソレータの上方配置及び下方配置にする場合には、上記第１実施形態のアイソレータの上接続の仕様にすることが好ましい。
【００７４】
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記第１実施形態及び第２実施形態では、上層構造物２は、Ｚ方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されているとした。しかし、上層構造物の重心を含む鉛直面上（鉛直面上とは、この鉛直面における断面のことを意味する）において、アイソレータが前記上接続又は下接続の構成になっていれば良い。
また、上層構造物の水平面による断面が、正六角形、正八角形等の、辺の数が偶数である正多角形でも良い。また、上層構造物の水平面による断面は、円形であっても良い。この場合、アイソレータは、上層構造物の重心を含む鉛直線回りに回転対称となるように設けても良い。
【００７５】
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、支持部は、球状の回転体と支持体とを備えていた。しかし、支持部の構成はこれに限ることなく、上層構造物の重心を含む鉛直面上において、支持部が支持面と一点で当接するように構成され、支持面がこの一点に当接しながら移動するように構成されるものであれば良い。
例えば、支持部は円柱状に形成され、支持体によりＺ方向に平行な回転軸回りに回転可能に支持されていても良い。
また、支持部が多角柱状で硬質の材料で形成され、その軸線に平行な一辺で支持面と当接し、その支持部の一つの側面が上層構造物２又は下層構造物３に支持されていても良い。
【００７６】
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合について説明したが、制振構造物はこれに限ることなく、例えば荷物を支持する荷台としても良い。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合に、上層構造物２の回転角φの許容範囲を−１０（°）以上１０（°）以下とした。しかし、回転角φの許容範囲は高層構造物の仕様に応じて適宜設定することができる。また、制振構造物が荷台等の場合にも、その仕様や目的に応じて適宜設定することができる。
【００７７】
また、上記実施形態の接続構造及び制振構造物は、地球上の構造物だけでなく、月といった衛星や、火星等の惑星上でも用いることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１、２１ 高層構造物（制振構造物）
２ 上層構造物（上方構造物）
３ 下層構造物（下方構造物）
４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ アイソレータ（接続構造）
７ａ、７ｂ、２８ａ、２８ｂ 支持部
８ａ、８ｂ、２７ａ、２７ｂ 支持面
１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ 当接部
Ｇ 重心
Ｌ１ 鉛直線
Ｓ１ 鉛直面
θ 角度
φ 回転角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を支持する接続構造及び制振構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、地震や風等の外力に対して、上方に配置された上方構造物を下方から安定して支持するために、様々な接続構造が検討されてきた。構造物が高層ビル等の建築構造物である場合には、上方構造物を制振させる接続構造として、種々のダンパが用いられている。
ダンパには、鉛を用いた履歴ダンパ、オイルを利用した粘性ダンパ等がある。これらのダンパは局所的な変形抑制には効果があるが、構造物全体の共振特性を大きく変えることはなく、補助装置として考えるべきである。
このようなダンパが有効に働かない代表的な例として高層構造物がある。高層構造物の振動は長周期の曲げ振動が卓越するが、曲げ振動は高剛性である軸長方向（鉛直方向）の剛性に依存するうえに層間変位も小さい。粘性ダンパ、履歴ダンパなどは、低剛性部分に用いるか、層間変位が大きい部分に用いるか、振動周波数が高いときに用いる場合には効きが良いが、高層ビルの場合にはこのいずれにも当てはまらないため、ダンパを挿入しても効果が低い。従って、長周期地震の影響を受け易い高層ビルは、振動減衰を大きく設計することが困難であるため、長周期地震が問題となっている。
【０００３】
近年、高層構造物の制振で注目されているのは、以下に示す構造的なダンパである。
例えば１つめの例として、特許文献１に示す動的制振装置は、建築物上部と下部を分断することによりマスダンパ効果で制振する手法であり、この手法は中間免震にも部類される。
この動的制振装置の原理は、中間免震とすることで構造物全体の固有周期を長くすることにより、通常着目する地震周期領域でのビルの振動が、節の無い１次モードではなく中間免震部付近を節とする２次モードで振動するように設計したものであり、振動の２次モードが１次モードより振幅が小さいことを利用して制振する手法である。
しかし、一般の複数周期の混入した振動で２次モードが卓越して表れなければ、上記動的制振装置は、単に固有周期を長周期側にシフトしたに過ぎず、逆に長周期地震の影響が顕著に表れる可能性がある。また、この動的制振装置は強風に対しても有効とされているが、強風による振動では卓越モードが顕著に表れるため、地震動で意図したような２次モードでは振動せず１次モードでの振動となり、逆に振幅を増大させる可能性がある。これらの理由は、２次モードが卓越する構造となっていないことによる。
【０００４】
また、２つ目の例として、特許文献２では、固有周期の異なる構造物を連結した構築構造が提案されている。しかし、構造物を連結することにより１つの構造物となるため、異なる周期振動によるダンピング効果は期待できない。連結構造で得られるのは、連結したことによる曲げ剛性の向上、連結部での大きな運動による連結部のダンパの減衰性能の向上などであり、高層構造物で問題となる共振特性を大きく変えるものではない。
【０００５】
これに対し、高層の構造物を中心として用いられる新しい概念の接続構造として、上方構造物が鉛直下向きに凸の円弧軌道を描くように、上方構造物の下方においてこの上方構造物の重心を含む鉛直面に対して対称に配置された一対又は複数対のアイソレータを備えるものが提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。これらのアイソレータに作用する合力は、上方構造物の重心を向いている（以下、アイソレータのこの配置を「特異配置」と称する）。
上記特許文献３及び特許文献４に示す多層構造物では、地震振動、風振動の主体となる水平方向が剛となる構造を用いているため、従来の高層構造物より小振幅高周波振動となる。この水平方向の振動の実態は縦剪断振動である。そして、縦剪断振動から円弧振動への内部共振により高次モードが卓越した多節振動となるため、低剛性の円弧方向でのダンピングで構造物全体の減衰を得ている。
【０００６】
しかし、アイソレータを特異配置とした場合では減衰性能向上に関して幾つかの課題を残していた。まず第１に、減衰応答の速応性、すなわち減衰応答の速さである。特許文献３及び特許文献４に示す多層構造物では、減衰を得るプロセスとして、縦剪断振動から円弧振動への内部共振を用いている。このため、振動初期には減衰が小さく、内部共振により円弧方向へのエネルギー遷移が十分になったときに減衰効果が顕著となるため、減衰応答が遅い。
第２に、減衰量自体の大きさの改善である。アイソレータを特異配置とした場合では、内部共振により円弧方向が高次モード振動となった場合の層間変位により減衰を得るが、内部共振で得たエネルギー量は構造物全体の振動を減衰させるエネルギーとしては不足である。従って、遷移した高次円弧振動の減衰は速いが、十分に円弧方向にエネルギー遷移していない縦剪断振動の減衰は大きくはないため、定常的には縦剪断振動だけが残ることが考えられる。
【０００７】
そこで、上記特許文献３及び特許文献４の制振性能を向上させるため、特許文献５に示された制振構造物が提案されている。この特許文献５に示された制振構造物では、各層におけるアイソレータは、上記の特異配置だけでなく、一対又は複数対のアイソレータに作用する合力が上方構造物の重心の上方、下方の所定の場所に向く配置（以下、アイソレータのこの配置を「上方配置」、「下方配置」と称する）が組み合わせて用いられている。
この制振構造物は、水平方向の振動である縦剪断振動の擾乱により、高次円弧振動に類似した各層が逆方向に運動する振動モードとなる。これより、ダイレクトに高次円弧振動を励振する速応性、両振動の類似性から得られる大きな層間変位から、内部共振という間接的なエネルギー遷移手段を経ずに高減衰を得ている。さらに、上記特許文献３及び特許文献４に示された多層構造物に無い減衰効果として、縦剪断振動と高次円弧振動の重ね合わせにより、構造物全体の振動を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平０６−６０５３８号公報
【特許文献２】特公平０４−２６３８５号公報
【特許文献３】特開２００７−２３１７１８号公報
【特許文献４】特願２００８−１５１０３０号
【特許文献５】特願２００８−１９２４２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献５に示す制振構造物では、アイソレータの上方配置という安定な振子構造の他に、アイソレータの下方配置という不安定な倒立振子型の構造を用いている。重力下において、アイソレータを下方配置としたときに、このアイソレータに円弧方向の剛性があればその剛性により倒立振子の不安定性をカバーするよう設計できるが、円弧方向の接続が平面（支持面）による滑りあるいは転がりなどの場合には、円弧方向剛性の設計自由度が小さいため不安定になり易い。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、支持面における上方構造物を支持する部分での法線が上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く場合（下方配置）であっても、上方構造物を下方から安定して支持する接続構造及び制振構造物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の接続構造は、上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、該一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴としている。
なお、以下では、本請求項における、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置された一対の支持面とによる接続構造の構成を、「上接続」と称する。また、以下では、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面の配置を、「下に凸」と称する。
【００１２】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、上方構造物は、下部に設けられた一対の支持面を一対の支持部にそれぞれ当接させながら移動する。そして、上方構造物が傾いて所定方向回りに回転したときに、上方構造物に作用する重力により、上方構造物に所定方向とは逆方向回りのトルクが作用する。
従って、この鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
なお、ここで言う安定とは、着目する範囲内での局所的な安定を意味する。
【００１３】
また、上記の接続構造において、前記鉛直面上で、前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（１）式を満たすように設定されていることがより好ましい。
【００１４】
【数１】
【００１５】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、所定方向回りに回転した上方構造物に、所定方向とは逆方向回りのトルクをより確実に作用させることができる。
【００１６】
また、上記の接続構造は、前記鉛直面上で、前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定されていても良い。
この発明によれば、支持面における支持部に当接する部分での法線が、上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く（以下では、支持面のこの配置を「下方配置」と称する。）という、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【００１７】
また、本発明の接続構造は、上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面と、前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、を備え、該一対の支持部は、前記鉛直面上を前記一対の支持面にそれぞれ当接しながら移動することを特徴としている。
なお、以下では、本請求項における、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、下方構造物の上部に設けられ、上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持面と、上方構造物の下部に設けられ、鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部とによる接続構造の構成を、「下接続」と称する。また、以下では、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面の配置を、「上に凸」と称する。
【００１８】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、上方構造物は、下部に設けられた一対の支持部を一対の支持面にそれぞれ当接させながら移動する。そして、上方構造物が傾いて所定方向回りに回転したときに、上方構造物に作用する重力により、上方構造物に所定方向とは逆方向回りのトルクが作用する。
従って、この鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【００１９】
また、上記の接続構造において、前記鉛直面上で、前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（２）式を満たすように設定されていることがより好ましい。
【００２０】
【数２】
【００２１】
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上において、所定方向回りに回転した上方構造物に、所定方向とは逆方向回りのトルクをより確実に作用させることができる。
【００２２】
また、本発明の制振構造物は、前記上方構造物と、前記下方構造物と、該上方構造物と該下方構造物との間に設けられた上記のいずれかに記載の接続構造と、を備えることがより好ましい。
この発明によれば、上方構造物の重心を含む鉛直面上で上方構造物が回転することを抑えて、上方構造物を下方構造物で下方から安定して支持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の接続構造及び制振構造物によれば、支持面における上方構造物を支持する部分での法線が上方構造物の重心の下方の所定の場所に向く場合（下方配置）であっても、上方構造物を下方から安定して支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態のアイソレータが上接続の高層構造物で、一対の支持面が下に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図２】同高層構造物をモデル化した図である。
【図３】モデル化した同高層構造物の上層構造物が回転した状態を示す図である。
【図４】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図５】本発明の第１実施形態のアイソレータが上接続の高層構造物で、一対の支持面が上に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図６】同高層構造物をモデル化した図である。
【図７】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図８】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図９】同高層構造物の重心に対する中心の位置の位置を示す説明図である。
【図１０】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２０（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図１１】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２００（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図１２】本発明の第２実施形態のアイソレータが下接続の高層構造物で、一対の支持面が下に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図１３】同高層構造物をモデル化した図である。
【図１４】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図１５】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図１６】本発明の第２実施形態のアイソレータが下接続の高層構造物で、一対の支持面が上に凸の場合を模式的に示した正面図である。
【図１７】同高層構造物をモデル化した図である。
【図１８】モデル化した同高層構造物の上層構造物が傾いた状態を示す図である。
【図１９】モデル化した同高層構造物のアイソレータの周辺の拡大図である。
【図２０】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２０（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【図２１】同高層構造物の安定性を上層構造物の高さが２００（ｍ）の場合でシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る制振構造物の第１実施形態を、図１から図１１を参照しながら説明する。本実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合を例にとって説明する。
図１に示すように、本実施形態の高層構造物１は、複数の層からなる上層構造物（上方構造物）２と、上層構造物２の下方に設けられ上層構造物２を支持する下層構造物（下方構造物）３と、上層構造物２と下層構造物３との間に設けられた一対のアイソレータ（接続構造）４ａ、４ｂと、を備えている。
図中に示すように、鉛直方向をＹとし、鉛直方向Ｙに直交するとともに互いに直交するＸ方向とＺ方向を定める。なお、図中、Ｙ１方向が下方となっている。
本実施形態では、上層構造物２は、Ｚ方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されている。
このため、以下では、高層構造物１を２次元状のモデルとして説明を行う。
また、本実施形態では、アイソレータ４ａ、４ｂが上接続の場合について説明するが、まず、後述する支持面８ａと支持面８ｂが上述の下に凸の場合について説明し、次に、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸について説明する。
【００２６】
アイソレータ４ａは、上層構造物２の重心Ｇを含みＺ方向に直交する鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持部７ａと、上層構造物２の下部に設けられた支持面８ａと、を有する。支持部７ａは、球状の回転体９ａと、一端が下層構造物３の天面に固定され、他端に回転体９ａを回転可能に支持する支持体１０ａとを備えている。
同様に、アイソレータ４ｂは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持部７ｂと、上層構造物２の下部に設けられた支持面８ｂと、を有する。支持部７ｂは、球状の回転体９ｂと、一端が下層構造物３の天面に固定され、他端に回転体９ｂを回転可能に支持する支持体１０ｂとを備えている。
なお、支持面８ａと支持面８ｂの鉛直面Ｓ１による断面は、それぞれ直線状になっている。
【００２７】
支持部７ａと支持部７ｂ、支持面８ａと支持面８ｂは、それぞれ上層構造物２の重心Ｇを含む鉛直線Ｌ１に対して対称に配置されている。支持面８ａにおける支持部７ａに当接する部分である当接部１１ａでの法線、及び支持面８ｂにおける支持部７ｂに当接する部分である当接部１１ｂでの法線は、鉛直線Ｌ１上の中心Ｃに向くように配置されている。すなわち、それぞれの法線が中心Ｃを通っている。
回転体９ａ、９ｂの軸線は、Ｚ方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面８ａと支持面８ｂは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物２の下部に設けられた一対の支持面８ａ、８ｂは、鉛直面Ｓ１上を、一対の支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。なお、上層構造物２を鉛直面Ｓ１上で移動させるために、上記のアイソレータ４ａ、４ｂをＺ方向に複数備えても良い。
上層構造物２、下層構造物３、支持部７ａ、７ｂは、例えばコンクリートや鉄筋等の硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
【００２８】
ここで、当接部１１ａ、１１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離をそれぞれｗとする（このとき、当接部１１ａと当接部１１ｂの間の距離は２ｗとなる）。さらに、当接部１１ａ、１１ｂから重心Ｇまでの鉛直方向Ｙの高さをｈ、水平面と支持面８ａ、８ｂがなす角度をθとする。
なお、後述する図１０、図１１、図２０、及び図２１では角度の単位を（°）とし、これら以外の図では角度の単位を（ｒａｄ）としている。
また、当接部１１ａと当接部１１ｂの間の距離は、一般的に、実際の上層構造物２の幅より狭くなる。
【００２９】
本実施形態の高層構造物１をモデル化したものを図２に示す。
当接部１１ａと当接部１１ｂを点Ａ、点Ｂとし、支持面８ａと支持面８ｂが交差する点を点Ｏとする。支持面８ａにおける当接部１１ａでの法線が中心Ｃを通るので、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。
ここで、図３に、モデル化した上層構造物２が方向Ｄ１回りに回転し、上層構造物２が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線Ｌ１’と元の位置の鉛直線Ｌ１がなす角を回転角φとする（図中に示すφの向きを正とする）。なお、回転角φは、上層構造物２の鉛直線Ｌ１に対する角度とみることもできる。
重心Ｇ’、中心Ｃ’、点Ａ’、点Ｂ’、及び点Ｏ’は、それぞれ重心Ｇ、中心Ｃ、点Ａ、点Ｂ、及び点Ｏの移動後の点である。支持面８ａ、８ｂは、支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、点Ａは直線Ｏ’Ａ’上に位置し、点Ｂは直線Ｏ’Ｂ’上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角Ｏ’ＡＣ’及び角Ｏ’ＢＣ’もそれぞれ直角になる。
図４に示すように、上層構造物２が回転したときに直線ＯＢ上を点Ｂ’が移動した距離をｄとする。
距離ｄを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ｏ’ＡＢに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３０】
【数３】
【００３１】
ＢＣ’（点Ｂと中心Ｃ’との距離のこと。以下同様に示す。）を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形ＡＢＣ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３２】
【数４】
【００３３】
ここで、図４に示すように、Ｘ方向及び鉛直方向Ｙにそれぞれ平行にｘ軸及びｙ軸を定める。このとき、点Ｇ’から点Ｃ’に向かうベクトルＧ’Ｃ’のｘ軸成分（以下、「（Ｇ’Ｃ’）x」のように示す。）及びｙ軸成分（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００３４】
【数５】
【００３５】
次に、アイソレータ４ａ、４ｂが上接続である本実施形態において、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となるように配置されている場合について説明する。なお、前述の場合と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
この場合におけるアイソレータ４ａ、４ｂは、図５に示すような構成となる。
支持面８ａにおける当接部１１ａでの法線が中心Ｃを通るので、図６において、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。また、支持面８ａ、８ｂは、支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、図７において、点Ａは直線Ｏ’Ａ’上に位置し、点Ｂは直線Ｏ’Ｂ’上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角Ｏ’ＡＣ’及び角Ｏ’ＢＣ’もそれぞれ直角になる。
図８において、距離ｄを角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ｏ’ＡＢに正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３６】
【数６】
【００３７】
また、ＢＣ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形ＡＢＣ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００３８】
【数７】
【００３９】
また、この場合の（Ｇ’Ｃ’）x及び（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
ここで、（１７）式及び（１８）式において、θ＝−θ’と置換すると（９）式及び（１０）式に一致することが解る。従って、図５に示すように支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる場合は、図１に示すように支持面８ａと支持面８ｂが下に凸となる場合において、θが負の場合として扱えばよいことになる。これより、以下で上層構造物２の安定性を検討するときには、（９）式及び（１０）式で統一して行う。
【００４２】
本発明で安定とは、着目する範囲内での局所的な安定を意味し、上層構造物２が回転した方向Ｄ１とは逆方向Ｄ２回りのトルクが上層構造物２に作用する場合を安定とする。具体的には、図３のように上層構造物２が回転したときに、中心Ｃ’に対して重心Ｇ’がｘ軸の正の方向（図４におけるｘ軸の矢印の方向）にあれば、上層構造物２に逆方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、上層構造物２の対称性も考えて、上層構造物２が安定する条件は、次式のようになる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
ここで、本実施形態において、上層構造物２の中心Ｃと重心Ｇとの位置関係について説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）に示すように、重心Ｇと中心Ｃはそれぞれ鉛直線Ｌ１上に配置されるが、支持面が水平面となす角度により、アイソレータ４ａ、４ｂは３種類に分類される。
図９（ａ）は、重心Ｇに中心Ｃが一致する場合で、アイソレータのこの配置が上述の「特異配置」である。図９（ｂ）は、重心Ｇの上方に中心Ｃが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「上方配置」である。図９（ｃ）は、重心Ｇの下方に中心Ｃが配置される場合で、アイソレータのこの配置が上述の「下方配置」である。
【００４５】
上層構造物２のＸ方向の幅を４０（ｍ）とし、上層構造物２の高さを２０（ｍ）及び２００（ｍ）としたモデルで検討を行った。この場合、当接部１１ａ、１１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離ｗは２０（ｍ）、当接部１１ａ、１１ｂから重心Ｇまでの高さｈは１０（ｍ）及び１００（ｍ）となる。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上層構造物２において、−１０（°）以上１０（°）以下とした。なお、高層構造物１は上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、０（°）以上１０（°）以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合を図１０に、２００（ｍ）の場合を図１１に示す。図１０及び図１１において、横軸は（Ｇ’Ｃ’）x、縦軸は（Ｇ’Ｃ’）yである。
【００４６】
角度θとして、−８０（°）から８０（°）までの、０（°）を除く１０（°）刻みの値を用いた。さらに、アイソレータが特異配置のときの角度θを求め、図中に示した。アイソレータが特異配置となるのは、ｔａｎθの値と（ｗ／ｈ）の値とが等しくなるときなので、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合は角度θが６３．４３（°）とき、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合は角度θが１１．３１（°）ときである。
【００４７】
図１０及び図１１は、重心Ｇ’を基準とした中心Ｃ’の変位を示している。このため、例えば図１０において、角度θが６３．４３（°）のグラフより上方に示されている（（Ｇ’Ｃ’）yの値が大きい）グラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは上方配置となる。また、角度θが６３．４３（°）のグラフより下方に示されている（（Ｇ’Ｃ’）yの値が小さい）グラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、７０、８０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは下方配置となる。
同様に、図１１において、角度θが１１．３１（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは上方配置となる。また、角度θが１１．３１（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときにアイソレータ４ａ、４ｂは下方配置となる。
【００４８】
シミュレーションを行った範囲においては、（２０）式の両辺をφｓｉｎφで除して得られる次式を満たす場合に上層構造物２が安定する。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
図１０に示すように、上層構造物２の高さが比較的低いときには、角度θが正の場合、すなわち、支持面８ａと支持面８ｂが下に凸となる図１に示す場合に（２１）式を満たし、上層構造物２が安定する。一方、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる図５に示す場合には、上層構造物２は安定しない。
上層構造物２が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、（２１）式を満たす場合に上層構造物２が安定する。すなわち、図１０の場合には、角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときに上層構造物２が安定する。また、図１１の場合には、角度θが１０、２０、８０（°））のときに上層構造物２が安定する。
なお、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、アイソレータ４ａ、４ｂが下方配置であって上層構造物２が安定するのは、図１０の場合には角度θが７０、８０（°）のとき、図１１の場合には角度θが２０、８０（°）のときである。
【００５１】
こうして、本発明の第１実施形態の高層構造物１によれば、鉛直面Ｓ１上において、上層構造物２は、下部に設けられた一対の支持面８ａ、８ｂを一対の支持部７ａ、７ｂにそれぞれ当接させながら移動する。そして、上層構造物２が傾いて方向Ｄ１回りに回転したときに、上層構造物２に作用する重力により、上層構造物２に方向Ｄ１とは逆方向の方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、鉛直面Ｓ１上で上層構造物２が回転することを抑えて、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
また、アイソレータ４ａ、４ｂが下方配置とされる、倒立振子に類似した構成となる場合であっても、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１２に示すように、本実施形態の高層構造物２１は、上記実施形態の高層構造物１の上接続の構成とされたアイソレータ４ａ、４ｂに代えて、下接続の構成とされたアイソレータ（接続構造）２４ａ、２４ｂを備えている。
また、本実施形態において、まず、後述する支持面２７ａと支持面２７ｂが下に凸の場合について説明し、次に、支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸の場合について説明する。
【００５３】
アイソレータ２４ａは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持面２７ａと、上層構造物２の下部に設けられた支持部２８ａと、を有する。支持部２８ａは、球状の回転体２９ａと、一端が上層構造物２の底面に固定され、他端に回転体２９ａを回転可能に支持する支持体３０ａとを備えている。
同様に、アイソレータ２４ｂは、鉛直面Ｓ１上において、下層構造物３の上部に設けられた支持面２７ｂと、上層構造物２の下部に設けられた支持部２８ｂと、を有する。支持部２８ｂは、球状の回転体２９ｂと、一端が上層構造物２の底面に固定され、他端に回転体２９ｂを回転可能に支持する支持体３０ｂとを備えている。
なお、支持面２７ａと支持面２７ｂの鉛直面Ｓ１による断面は、それぞれ直線状になっている。
【００５４】
支持面２７ａと支持面２７ｂ、支持部２８ａと支持部２８ｂは、それぞれ鉛直線Ｌ１に対して対称に配置されている。支持面２７ａにおける支持部２８ａに当接する部分である当接部３１ａでの法線、及び支持面２７ｂにおける支持部２８ｂに当接する部分である当接部３１ｂでの法線は、鉛直線Ｌ１上の中心Ｃに向くように配置されている。すなわち、それぞれの法線が中心Ｃを通っている。
回転体２９ａ、２９ｂの軸線は、Ｚ方向と平行になるように配置されている。さらに、支持面２７ａと支持面２７ｂは、下に凸となるように配置されている。
そして、上層構造物２の下部に設けられた一対の支持部２８ａ、２８ｂは、鉛直面Ｓ１上を、一対の支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するように構成されている。
本実施形態のアイソレータ２４ａ、２４ｂは硬質の材料で形成され、変形は無視できるものとする。
【００５５】
ここで、当接部３１ａ、３１ｂから鉛直線Ｌ１までの距離をそれぞれｗとする（このとき、当接部３１ａと当接部３１ｂの間の距離は２ｗとなる）。さらに、当接部３１ａ、３１ｂから重心Ｇまでの鉛直方向Ｙの高さをｈ、水平面と支持面２７ａ、２７ｂがなす角度をθとする。
【００５６】
本実施形態の高層構造物２１をモデル化したものを図１３に示す。
当接部３１ａと当接部３１ｂを点Ａ、点Ｂとし、支持面２７ａと支持面２７ｂが交差する点を点Ｏとする。支持面２７ａにおける当接部３１ａでの法線が中心Ｃを通るので、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。
ここで、図１４に、モデル化した上層構造物２が方向Ｄ１回りに回転し、上層構造物２が傾いたときの状態を示す。移動後の鉛直線Ｌ１’と元の位置の鉛直線Ｌ１がなす角を回転角φとする（図中に示すφの向きを正とする）。
重心Ｇ’、中心Ｃ’、点Ａ’、及び点Ｂ’は、それぞれ重心Ｇ、中心Ｃ、点Ａ、及び点Ｂの移動後の点である。支持部２８ａ、２８ｂは、支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、点Ａ’は直線ＯＡ上に位置し、点Ｂ’は直線ＯＢ上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角ＯＡ’Ｃ’及び角ＯＢ’Ｃ’もそれぞれ直角になる。
図１５に示すように、上層構造物２が傾いたときに直線ＯＢ上を点Ｂ’が移動した距離をｄとする。
Ｂ’Ｃ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００５７】
【数１１】
【００５８】
ここで、図１５に示すように、Ｘ方向及び鉛直方向Ｙにそれぞれ平行にｘ軸及びｙ軸を定める。このとき、（Ｇ’Ｃ’）x及び（Ｇ’Ｃ’）yは、次式のようになる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
次に、アイソレータ２４ａ、２４ｂが下接続である本実施形態において、支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸となる場合について説明する。なお、前述の場合と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
この場合におけるアイソレータ２４ａ、２４ｂは、図１６に示すような構成となる。
支持面２７ａにおける当接部３１ａでの法線が中心Ｃを通るので、図１７において、角ＯＡＣは直角になる。同様に、角ＯＢＣも直角になる。また、支持部２８ａ、２８ｂは、支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接しながら移動するので、図１８において、点Ａ’は直線ＯＡ上に位置し、点Ｂ’は直線ＯＢ上に位置する。そして、角ＯＡＣ及び角ＯＢＣが直角なので、角ＯＡ’Ｃ’及び角ＯＢ’Ｃ’もそれぞれ直角になる。
図１９において、Ｂ’Ｃ’を、角度θと回転角φの関数として表すため、三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’に正弦定理を用いる。このとき、次式が成り立つ。
【００６１】
【数１３】
【００６２】
また、この場合の（Ｇ’Ｃ’）x及びは（Ｇ’Ｃ’）yは、（２７）式を用いて次式のようになる。
【００６３】
【数１４】
【００６４】
ここで、（２８）式及び（２９）式において、θ＝−θ’と置換すると（２４）式及び（２５）式に一致することが解る。従って、図１６に示すように支持面２７ａと支持面２７ｂが上に凸となる場合は、図１２に示すように支持面２７ａ、２７ｂが下に凸となる場合において、θが負の場合として扱えばよいことになる。これより、以下で上層構造物２の安定性を検討するときには、（２４）式及び（２５）式で統一して行う。
本実施形態の場合、上層構造物２が安定する条件は、次式のようになる。
【００６５】
【数１５】
【００６６】
上記実施形態と同様に、上層構造物２のＸ方向の幅を４０（ｍ）とし、上層構造物２の高さを２０（ｍ）及び２００（ｍ）としたモデルで検討を行った。
本実施形態では、回転角φとして許容される角度の範囲を、上記実施形態と同様に、上層構造物２において、−１０（°）以上１０（°）以下とした。なお、高層構造物２１は上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に配置されているので、回転角φは、０（°）以上１０（°）以下の範囲だけシミュレーションを行った。
シミュレーションの結果を、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合を図２０に、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合を図２１に示す。図２０及び図２１において、横軸は（Ｇ’Ｃ’）x、縦軸は（Ｇ’Ｃ’）yである。
【００６７】
角度θとして、−８０（°）〜８０（°）までの、０（°）を除く１０（°）刻みの値を用いた。さらに、アイソレータが特異配置のときの角度θを求め、図中に示した。アイソレータが特異配置となるのは、上層構造物２の高さが２０（ｍ）の場合は角度θが６３．４３（°）とき、上層構造物２の高さが２００（ｍ）の場合は角度θが１１．３１（°）ときである。
【００６８】
図２０において、角度θが６３．４３（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０、２０、３０、４０、５０、６０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは上方配置となる。また、角度θが６３．４３（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、７０、８０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは下方配置となる。
同様に、図２１において、角度θが１１．３１（°）のグラフより上方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが１０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは上方配置となる。また、角度θが１１．３１（°）のグラフより下方に示されているグラフに対応する角度θの範囲（角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０（°））のときにアイソレータ２４ａ、２４ｂは下方配置となる。
【００６９】
シミュレーションを行った範囲においては、（３１）式の両辺をφｓｉｎφで除して得られる次式を満たす場合に上層構造物２が安定する。
【００７０】
【数１６】
【００７１】
図２０及び図２１に示すように、角度θが正の場合、すなわち、支持面２７ａと支持面２７ｂが下に凸となる図１２に示す場合に、本実施形態の高層構造物２１は安定しないことが分かる。
上層構造物２が安定する範囲を詳細に検討すると、シミュレーションを行った上記の角度θの範囲において、（３２）式を満たす場合に上層構造物２が安定する。すなわち、図２０の場合には、角度θが−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０（°））のときに上層構造物２が安定する。また、図２１の場合には、角度θが−８０（°））のときに上層構造物２が安定する。
このように、上層構造物２が安定するのは、支持面８ａと支持面８ｂが上に凸となる図１６に示す場合、より詳しくは、（３２）式を満たす場合となる。
【００７２】
こうして、本発明の第２実施形態の高層構造物２１によれば、鉛直面Ｓ１上において、上層構造物２は、下部に設けられた一対の支持部２８ａ、２８ｂを一対の支持面２７ａ、２７ｂにそれぞれ当接させながら移動する。そして、上層構造物２が傾いて方向Ｄ１回りに回転したときに、上層構造物２に作用する重力により、上層構造物２に方向Ｄ１とは逆方向の方向Ｄ２回りのトルクが作用する。
従って、鉛直面Ｓ１上で上層構造物２が傾くことを抑えて、上層構造物２を下方から安定して支持することができる。
【００７３】
なお、本実施形態に比較して上記第１実施形態では、アイソレータを上方配置及び下方配置にした場合のいずれにおいても安定であることが分かった。これにより、アイソレータの上方配置及び下方配置にする場合には、上記第１実施形態のアイソレータの上接続の仕様にすることが好ましい。
【００７４】
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記第１実施形態及び第２実施形態では、上層構造物２は、Ｚ方向に直交する平面での断面形状が一定であり、上層構造物２の重心Ｇを含みＸ方向に直交する鉛直面に対して対称に形成されているとした。しかし、上層構造物の重心を含む鉛直面上（鉛直面上とは、この鉛直面における断面のことを意味する）において、アイソレータが前記上接続又は下接続の構成になっていれば良い。
また、上層構造物の水平面による断面が、正六角形、正八角形等の、辺の数が偶数である正多角形でも良い。また、上層構造物の水平面による断面は、円形であっても良い。この場合、アイソレータは、上層構造物の重心を含む鉛直線回りに回転対称となるように設けても良い。
【００７５】
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、支持部は、球状の回転体と支持体とを備えていた。しかし、支持部の構成はこれに限ることなく、上層構造物の重心を含む鉛直面上において、支持部が支持面と一点で当接するように構成され、支持面がこの一点に当接しながら移動するように構成されるものであれば良い。
例えば、支持部は円柱状に形成され、支持体によりＺ方向に平行な回転軸回りに回転可能に支持されていても良い。
また、支持部が多角柱状で硬質の材料で形成され、その軸線に平行な一辺で支持面と当接し、その支持部の一つの側面が上層構造物２又は下層構造物３に支持されていても良い。
【００７６】
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合について説明したが、制振構造物はこれに限ることなく、例えば荷物を支持する荷台としても良い。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、制振構造物が高層構造物である場合に、上層構造物２の回転角φの許容範囲を−１０（°）以上１０（°）以下とした。しかし、回転角φの許容範囲は高層構造物の仕様に応じて適宜設定することができる。また、制振構造物が荷台等の場合にも、その仕様や目的に応じて適宜設定することができる。
【００７７】
また、上記実施形態の接続構造及び制振構造物は、地球上の構造物だけでなく、月といった衛星や、火星等の惑星上でも用いることができる。
【符号の説明】
【００７８】
１、２１ 高層構造物（制振構造物）
２ 上層構造物（上方構造物）
３ 下層構造物（下方構造物）
４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ アイソレータ（接続構造）
７ａ、７ｂ、２８ａ、２８ｂ 支持部
８ａ、８ｂ、２７ａ、２７ｂ 支持面
１１ａ、１１ｂ、３１ａ、３１ｂ 当接部
Ｇ 重心
Ｌ１ 鉛直線
Ｓ１ 鉛直面
θ 角度
φ 回転角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、
前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、
前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、
前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、
該一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴とする接続構造。
【請求項２】
請求項１に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（１）式を満たすように設定されていることを特徴とする接続構造。
【数１】
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定されていることを特徴とする接続構造。
【請求項４】
上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、
前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、
前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面と、
前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、を備え、
該一対の支持部は、前記鉛直面上を前記一対の支持面にそれぞれ当接しながら移動することを特徴とする接続構造。
【請求項５】
請求項４に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（２）式を満たすように設定されていることを特徴とする接続構造。
【数２】
【請求項６】
前記上方構造物と、
前記下方構造物と、
該上方構造物と該下方構造物との間に設けられた請求項１から請求項５のいずれかに記載の接続構造と、
を備えることを特徴とする制振構造物。
【請求項１】
上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、
前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、
前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、
前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに離間するように配置された一対の支持面と、を備え、
該一対の支持面は、前記鉛直面上を前記一対の支持部にそれぞれ当接しながら移動することを特徴とする接続構造。
【請求項２】
請求項１に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（１）式を満たすように設定されていることを特徴とする接続構造。
【数１】
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記支持部に当接する部分での前記一対の支持面の法線が、前記上方構造物の重心の下方の所定の場所にそれぞれ向くように設定されていることを特徴とする接続構造。
【請求項４】
上方構造物と、該上方構造物の下方に設けられ当該上方構造物を支持する下方構造物との間に設けられる接続構造であって、
前記上方構造物の重心を含む鉛直面上において、
前記下方構造物の上部に設けられ、前記上方構造物の重心を含む鉛直線に対して対称に配置されるとともに、上方に向かうに従って互いに接近するように配置された一対の支持面と、
前記上方構造物の下部に設けられ、前記鉛直線に対して対称に配置された一対の支持部と、を備え、
該一対の支持部は、前記鉛直面上を前記一対の支持面にそれぞれ当接しながら移動することを特徴とする接続構造。
【請求項５】
請求項４に記載の接続構造において、
前記鉛直面上で、
前記一対の支持面の前記一対の支持部にそれぞれ当接する当接部間の距離を２ｗ、前記当接部から前記前記上方構造物の重心までの鉛直方向の高さをｈ、水平面と前記支持面がなす角度をθ、前記上方構造物の前記鉛直線に対する回転角をφとしたときに、（２）式を満たすように設定されていることを特徴とする接続構造。
【数２】
【請求項６】
前記上方構造物と、
前記下方構造物と、
該上方構造物と該下方構造物との間に設けられた請求項１から請求項５のいずれかに記載の接続構造と、
を備えることを特徴とする制振構造物。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１０−２８１４２７（Ｐ２０１０−２８１４２７Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３７３２５（Ｐ２００９−１３７３２５）
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【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２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]