(57)【要約】【課題】多層建物を対象とする有効適切な制震構造を実現する。【解決手段】多層建物に適用される制震構造であって、多層建物を構成する構造体の任意の層間に回転慣性質量ダンパー１ａと付加バネ１ｂとを直列配置したＴＭＤ機構１を設置し、その固有振動数を構造体の１次固有振動数に同調させる。構造体の他の任意の層間に振動遮断機構２としての回転慣性質量ダンパーを設置して、その慣性質量と層剛性とにより定まる固有振動数を任意の遮断振動数に同調させる。ＴＭＤ機構１および振動遮断機構２を設置した層にオイルダンパー３等の粘性ダンパーを設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層建物に適用される制震構造であって、
多層建物を構成する構造体の任意の層間に回転慣性質量ダンパーと付加バネとを直列配置した付加振動系を設置して、前記回転慣性質量ダンパーの慣性質量と前記付加バネの剛性とにより定まる前記付加振動系の固有振動を構造体の１次固有振動数に同調させることにより該付加振動系をＴＭＤ機構として機能せしめ、
かつ、前記構造体の他の任意の層間に回転慣性質量ダンパーを設置して、該回転慣性質量ダンパーの慣性質量と該回転慣性質量ダンパーを設置した層の層剛性とにより定まる固有振動数を任意の遮断振動数に同調させることにより、該回転慣性質量ダンパーを振動遮断機構として機能せしめることを特徴とする制震構造。
【請求項２】
請求項１記載の制震構造であって、
前記ＴＭＤ機構としての付加振動系を設置した層に該ＴＭＤ機構と並列に粘性ダンパーを設置し、前記振動遮断機構としての回転慣性質量ダンパーを設置した層に該回転慣性質量ダンパーと並列に粘性ダンパーを設置したことを特徴とする制震構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層建物に適用して好適な制震構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
建物の耐震性能を向上させるために建物内に制震ダンパーを設置して地震時の応答を低減する制震構造が普及している。しかし、制震ダンパーを設置することは建物の平面計画を阻害する場合が多く、できるだけ設置個所数を少なくすることが望ましい。
地震時における応答を低減する手段としてはチューンド・マス・ダンパー（Tunned mass damper：ＴＭＤ）機構も知られているが、地震のような過渡応答にも効果を発揮するためには建物重量の数％もの錘重量を建物の頂部付近に設置する必要があり、建物への負荷や設置スペースを考慮すると現実的ではない。
【０００３】
近年、特許文献１に示されるように回転慣性質量ダンパー（慣性接続要素ともいわれる）を付加バネと直列に設置することによりＴＭＤ機構と同等に機能して共振特性の改善効果が得られる振動低減機構が開発された。この機構の固有振動数を建物の１次固有振動数に同調させることにより１次モードの振動に対する振動低減効果が得られ、任意の振動数に同調させることにより高次モードの振動や機械振動等の特定振動数の振動に対する振動低減効果が得られる。
【特許文献１】特開２００８−１３３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、従来一般の制震構造は建物全体に多数の制震ダンパーを設置する必要があり、従来一般のＴＭＤ機構は大きな錘質量を必要とするものであり、また特許文献１に示される振動低減機構も１次モードの振動あるいは特定振動数の振動に対する振動低減効果が選択的に得られるだけで様々なモードの振動に対する振動低減低減効果や振動遮断効果を同時には得られるものではない。
以上のことから、制震ダンパーの所要台数を削減でき、大きな錘質量を必要とせず、１次モードの振動のみならず高次モードの振動に対する振動低減効果やさらには機械振動等の特定振動数の振動に対する振動遮断効果も同時に得られるような、有効適切な制震構造の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は多層建物に適用される制震構造であって、多層建物を構成する構造体の任意の層間に回転慣性質量ダンパーと付加バネとを直列配置した付加振動系を設置して、前記回転慣性質量ダンパーの慣性質量と前記付加バネの剛性とにより定まる前記付加振動系の固有振動を構造体の１次固有振動数に同調させることにより該付加振動系をＴＭＤ機構として機能せしめ、かつ、前記構造体の他の任意の層間に回転慣性質量ダンパーを設置して、該回転慣性質量ダンパーの慣性質量と該回転慣性質量ダンパーを設置した層の層剛性とにより定まる固有振動数を任意の遮断振動数に同調させることにより、該回転慣性質量ダンパーを振動遮断機構として機能せしめることを特徴とする。
【０００６】
本発明においては、前記ＴＭＤ機構としての付加振動系を設置した層に該ＴＭＤ機構と並列に粘性ダンパーを設置し、前記振動遮断機構としての回転慣性質量ダンパーを設置した層に該回転慣性質量ダンパーと並列に粘性ダンパーを設置することが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＴＭＤ機構により１次モードでの振動に対する応答低減効果（共振特性の改善）が得られ、かつ振動遮断機構により高次モードの振動や特定振動数の振動を遮断することができ、それらＴＭＤ機構と振動遮断機構を組み合わせて設置することによりそれらの相乗効果により優れた制震効果が得られる。
特に、ＴＭＤ機構や振動遮断機構は建物全体に設置することはなく、たとえば低層部の任意の階に設置することのみでも建物全体の応答特性を大幅に抑制できるものであり、したがって建物全体に多数の制震ダンパーを設置する必要のある従来の制震構造に比べてダンパーの所要台数を大幅に低減でき、また建築計画への制約も小さく、ローコストに耐震性能の向上が図れる。また、本発明のＴＭＤ機構は慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので小質量の錘でも充分な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に本発明の実施形態を示す。これは鉄骨造の１８階建ての高層建物（高層オフィスビル、１８階は塔屋階）への適用例であって、３階（より厳密には３層目）と４階（同、４層目）にＴＭＤ機構１として機能する付加振動系をそれぞれ設置するとともに、１階（同、１層目）と２階（同、２層目）には振動遮断機構２として機能する回転慣性質量ダンパーをそれぞれ設置したことを主眼とする。
なお、本実施形態では１階から４階までの各階にそれぞれオイルダンパー３も設置しているが、これは粘性系のダンパーであれば適宜の形式のダンパーを採用可能であるし、リリーフ機構付きとすることもできるし、ＴＭＤ機構１や振動遮断機構２の諸元によっては一部の階で省略することも可能である。
【０００９】
３階と４階に付加振動系として設置されているＴＭＤ機構１は、回転慣性質量ダンパー１ａと付加バネ１ｂとが直列に配置され、付加バネ１ｂに並列に付加減衰１ｃが配置されたものである。回転慣性質量ダンパー１ａとしては、ボールねじと回転錘（フライホイール）を組み合わせた周知の構成のものが好適に採用可能である。付加減衰１ｃについては図示例のように付加バネ１ｂに並列に設置することに代えて回転慣性質量ダンパー１ａに並列に設置することでも良いし、回転慣性質量ダンパー１ａが減衰要素を備えている場合には格別の付加減衰１ｃを省略することも可能である。
そして、このＴＭＤ機構１は、回転慣性質量ダンパー１ａの回転慣性ψ1と付加バネ１ｂの剛性k0とにより定まる固有振動数f01が次式の関係によりこの建物の１次固有振動数f1に同調するように設定されており、そのような設定によりＴＭＤ機構１は建物の１次固有振動数f1近傍での振動エネルギーを効果的に吸収して１次モードでの振動を大幅に低減し、共振特性を改善し得るものとなっている。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
一方、１階と２階に設置されている振動遮断機構２は回転慣性質量ダンパーからなるもので、これが設置されている層の層剛性kに対応させてその慣性質量ψ2を適切に設定することにより、それらにより定まる固有振動数を任意の遮断振動数f02として設定可能なものである。本実施形態では、その遮断振動数f02を次式の関係によりこの建物の２次固有振動数f2に同調するように設定されていて、これによりこの振動遮断機構２は建物の２次モードの振動を遮断して上層に伝達させない（地震時に上層を加振しない）振動遮断機構２として機能するものである。
なお、上記の振動遮断機構２によれば、減衰がなければ同調した遮断振動数f02での加振力はゼロとなり、その振動遮断機構２よりも上層側は加振されなくなるが、その場合には遮断層にはその遮断振動数f02での変形が集中することになる。したがって減衰を用いて変形集中を緩和することが好ましく、そのために上記実施形態のように振動遮断機構２を２層重ねとして設置して減衰による遮断効果の低減を補うことが好ましい。
【００１２】
【数２】
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【００１３】
なお、上記における建物の固有振動数（１次固有振動数f1、２次固有振動数f2）とは、ＴＭＤ機構１における回転慣性質量ダンパー１ａや振動遮断機構２としての回転慣性質量ダンパーを含む全体振動系の固有振動数である。一般に建物に回転慣性質量ダンパーを設置するとそれを設置しない建物自体の固有振動数がやや長周期化する傾向にある。
また、本発明ではＴＭＤ機構１としての付加振動系の設置位置や設置数は任意であって、上記実施形態のように上下に隣接させて２層に設置するばかりでなく、任意の１層にのみ設置することでも良いし、階を跨いで（たとえば３ＦＬと５ＦＬとの間に）設置することでも良い。
また、振動遮断機構２としての回転慣性質量ダンパーもＴＭＤ機構１と別の層に設置する限りにおいてその設置位置や設置数は任意であって、建物内の任意の１層あるいは複数層に設置すれば良く、上記実施形態のようにＴＭＤ機構１の下層側に設置することに限らずその上層側に設置することでも良い。
但し、いずれにしてもＴＭＤ機構１と振動遮断機構２は層間変位が大きい方に設置する方がより効果的である。
【００１４】
また、上記実施形態では振動遮断機構２としての回転慣性質量ダンパーによる遮断振動数f02を建物の２次固有振動数f2に設定してそれを１階と２階に設置したが、３次、４次・・等のさらに高次の固有振動数に同調させることでも良いし、特定振動数の機械振動を対象とするような場合にはその振動数に同調させることでも良く、さらに様々な振動数に同調させた設定の異なる複数の振動遮断機構２をそれぞれ異なる層に設置することでも良い。
【００１５】
本実施形態の制震構造の具体的な設計例とその特性について以下に示す。
構造架構は鉄骨造１８階建てであり、その振動諸元を表１に示す。この建物の１次固有振動数f1＝0.4Hz、２次固有振動数f2＝0.8Hz（上述したようにいずれも全体振動系の値）、減衰は１次に対して2%の振動数比例型とする。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
各要素の諸元は以下のとおりである。
・オイルダンパー（1階〜4階に設置）：c＝200MN/(m/s)＝2MN／kine＝200tonf／kine
・ＴＭＤ機構（3階〜4階に設置）：
いずれも固有振動数f01を建物の1次固有振動数f1＝0.4Hzに同調（f01＝f1＝0.4Hz）とし、慣性質量ψ1＝40,000ton、付加バネの剛性k0＝270kN/mm、付加減衰c0＝15MN/(m/s)＝150kN／kine（付加振動系の減衰定数h＝0.07）とする。
・振動遮断機構（1階〜2階に設置）：
2Fにおける慣性質量ψ2＝70,000ton、1Fにおける慣性質量ψ2＝100,000tonとし、いずれも遮断振動数f02を建物の２次固有振動数f2＝0.8Hzに同調させる（f02＝f2＝0.8Hz）。
【００１８】
上記の振動モデルをCase-5とし、比較例として以下のCase-1〜Case-4について併せて検討する（各Caseの要素を表２に一覧として示す）。
・Case-1：構造架構のみで制震なし
・Case-2：Case-1に対し、1階〜4階にオイルダンパー設置
・Case-3：Case-2に対し、3階〜4階にＴＭＤ機構設置
・Case-4：Case-2に対し、1階〜2階に振動遮断機構設置
・Case-5（本発明モデル）：Case-1に対し、1階〜4階にオイルダンパー設置、3階〜4階にＴＭＤ機構設置、1階〜2階に振動遮断機構設置
【００１９】
【表２】
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【００２０】
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、入力地震動は建築センター波L2とし、その入力地震動の加速度波形を図２に示す。最大加速度は365galで１方向入力とする。応答解析は継続時間120秒とし、架構の非線形を無視した弾性応答解析とする。
【００２１】
各Caseに対する時刻歴応答解析結果（各階の最大応答変位、最大応答加速度、最大応答層間変位、最大応答層間変形角）を図３に示す。図３から、本発明(Case-5)では18FLのうちの最下層の４層にのみ制震架構（ＴＭＤ機構、振動遮断機構、オイルダンパー）を設置するだけで制震なし(Case-1)の場合に較べて30%以上の応答低減効果が得られることが分かる。これは建物の全階に制震ダンパーを設置する場合に比べて同等以上の性能であるといえる。
【００２２】
図４はCase-1（制震なし）とCase-1（本発明）の場合について、18FLでの応答変位と応答加速度、7FLでの応答層間変位を時刻歴波形で比較した結果を示す。図４から本発明によれば最大値が30%以上低下するだけでなく、大きな応答の継続時間も短縮され、したがって居住性の向上に大きく寄与することが分かる。
【００２３】
以上のように、本発明によればＴＭＤ機構１により１次モードでの振動に対する応答低減効果（共振特性の改善）が得られ、かつ振動遮断機構２により高次モードの振動や特定振動数の振動を遮断することができ、それらＴＭＤ機構１と振動遮断機構２を組み合わせて設置することにより優れた制震効果が得られるものである。
特に、本発明で採用したＴＭＤ機構１は比較的小さな諸元でも１次モードの振動を充分に抑制できるので大きな変位低減効果が得られ、また振動遮断機構２の設置によりオイルダンパー３だけを設置する場合に比べて加速度低減効果も向上するので、本発明ではそれらの相乗効果により変位も加速度も変形角も全層にわたって応答が小さくなるという優れた効果が得られる。
【００２４】
本発明の効果をより具体的に以下に列挙する。
(1)特定の階だけにＴＭＤ機構と振動遮断機構を設置することで建物全体の応答特性を大幅に抑制できるので、建物全体に制震ダンパーを設置する場合に比べてダンパーの所要台数を大幅に低減でき、また建築計画への制約も小さく、ローコストに耐震性能の向上が図れる。
【００２５】
(2)従来一般のＴＭＤ機構は大質量の錘を建物頂部に設置することから建物への荷重負荷が大きかったが、本発明ではそのような制約がなく建物の下層部に設置することが可能であるので、ダンパー自重や反力処理が容易である。
本発明のＴＭＤ機構は慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので省質量の錘で充分な効果が得られるし、一般的な鋼材ダンパーのように鋼材が降伏した後だけ効果を発揮するものとは異なり微小振幅から効果を発揮できる。
勿論、本発明のＴＭＤ機構は一般のＴＭＤ機構と同様に付加バネの値を調整することで容易に振動数同調が可能である。
【００２６】
(3)ＴＭＤ機構によって１次モードの振動を有効に抑制できることから、特に長周期地震でのあと揺れ（自由振動に近くて１次モードが卓越し、継続時間が長い）が問題になる場合には絶大な効果を発揮する。
また、ＴＭＤ機構は固定端（地面）から加速度加振される地震だけでなく、建物へ加振力として作用する風荷重にも効果的な応答低減機構であり、特に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、居住性の向上が図れる。
【００２７】
(4)振動遮断機構は特定の遮断振動数での加振力を大幅に低減することから、遮断振動数を建物の２次固有振動数や機械振動等の特定振動数に同調させることでその振動数での振動を効果的に抑制することができる。なお、３次や４次のさらに高次の固有振動数に同調させることも可能であるが、高次になるほど刺激係数が小さく応答に寄与し難くなる。
【００２８】
(5)本発明の制震構造は、通常の粘性系や履歴系の制震ダンパー、あるいは建物の頂部に設置する通常のＴＭＤ機構と併用することも可能であり、それにより応答低減効果をさらに高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態である制震構造を示す図である。
【図２】同、時刻歴応答解析に用いる入力地震動を示す図である。
【図３】同、解析結果を示す図である。
【図４】同、解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ＴＭＤ機構（付加振動系）
１ａ  回転慣性質量ダンパー
１ｂ  付加バネ
１ｃ  付加減衰
２  振動遮断機構（回転慣性質量ダンパー）
３  オイルダンパー（粘性ダンパー）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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