(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固有周期が異なる複数の構造物の上部に、支持材を介して一体の大屋根を上記構造物に対して水平方向に相対変位可能に設置するとともに、少なくとも一棟の上記構造物と上記大屋根との間に、互いの上記相対変位により回転して付加質量を付与する回転慣性質量ダンパと上記相対変位により伸縮するバネ材とを直列に接続し、かつ上記相対変位を減衰させる減衰要素を上記回転慣性質量ダンパまたは上記バネ材と並列に配置してなる複合ダンパを設置し、かつ上記回転慣性質量ダンパによる上記付加質量と上記バネ材の剛性から決定される上記複合ダンパの固有周期を、当該複合ダンパが接続された各々の上記構造物の固有周期に対して同調させたことを特徴とする大屋根を用いた複数構造物の制震システム。
【請求項２】
上記大屋根は、固有周期が異なる３棟の構造物の上部に配置され、当該３棟の構造物のうちの耐震性のより高い１棟または２棟の上記構造物に固定されるとともに、他の上記構造物に水平方向に相対変位可能に設置され、かつ当該他の構造物と上記大屋根との間に上記複合ダンパが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の大屋根を用いた複数構造物の制震システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立した複数の構造物の上部に、共通の屋根となる一体構造の大屋根を設置した際に、当該大屋根を利用して地震時に上記複数の構造物に対して高い制震効果を発揮することを可能にする大屋根を用いた複数構造物の制震システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、公共施設等において、独立した複数の構造物の上部間にわたって、共通の大屋根を設置することにより、これら構造物間に広いアトリウム空間を創出した一体感のある施設計画が実施されている。また、ドーム等の大規模構造物においては、構造的に分離した複数の構造物をエキスパンションジョイント等によって連結するとともに、これら複数の構造物の上部に、大屋根を一体で設置する計画が実施されている。
【０００３】
ところで、複数の構造物にわたって大屋根を設置する場合には、地震時における各々の構造物の応答が異なることから、一般に各構造物上に積層ゴム支承、すべり支承、ローラー支承、ゴム材等の支持材を設置して、上記大屋根を上記構造物に対して相対変位可能に支持する構造が採用されている。
【０００４】
図１１および図１２は、従来のこのような大屋根の支持構造を示すもので、アトリウムとなる空間Ｓを間に挟んで構築された２棟の建物Ａ、Ｂの各々の柱１上に接続架台２を設け、これら接続架台２上に積層ゴム支承等の支持材３を介して、両建物Ａ、Ｂに共通となる一体型の大屋根４を水平方向に相対変位可能に支承するとともに、当該大屋根４と接続架台２との間に、水平方向の応答を減衰させるオイルダンパ等のダンパ５を設置したものである。
【０００５】
上記大屋根４の支持構造によれば、支持材３によって、地震時に、応答が異なる２棟の建物Ａ、Ｂから大屋根４に強制変位が作用することを防ぐことができるとともに、大屋根４の質量ＭRと支持材３の水平剛性ＫRから決定される大屋根４の固有周期ＴR＝２π（ＭR／２ＫR）１／２を、建物Ａ、Ｂの固有周期ＴA、ＴBに対して長周期化することにより、地震時に生じる大屋根４のせん断力（応答加速度）を低減して、安全性を高めることができるといった効果が得られる。
【０００６】
ところで、図１１および図１２に示した従来の大屋根４の支持構造に加えて、さらに大屋根４と建物Ａ、Ｂとの間に、スプリング等のバネ材を設置して、大屋根４の固有周期を建物Ａ、Ｂの固有周期と同調させることにより、大屋根４を付加質量型の制震装置（ＴＭＤ）として利用し、建物Ａ、Ｂの応答低減を図ることも、理論的には可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、一般に２棟の建物Ａ、Ｂの固有周期ＴA、ＴBがほぼ等しい事は、ごく希であり、特に一方の建物Ａにブレース６等の耐震部材が設置されている場合には、両者の固有周期ＴA、ＴBは、大きく異なるものとなる。
【０００８】
このため、大屋根４を付加質量型の制震装置（ＴＭＤ）として利用しようとしても、大屋根４の固有周期ＴRを、建物Ａおよび建物Ｂのいずれか一方の固有周期ＴA、ＴBと同調させると、互いの固有周期が同調されていない他方の建物Ｂまたは建物Ａに対しては、その応答を低減することができないという問題点がある。また、大屋根４に作用するせん断力（応答加速度）が増大して安全性が損なわれてしまうという問題点も生じる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、固有周期が異なる複数の構造物に対して、共通の屋根となる一体型の大屋根を設置する際に、当該大屋根を活用して、これら複数の構造物の応答を効果的に低減させることが可能になる大屋根を用いた複数構造物の制震システムを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係る大屋根を用いた複数構造物の制震システムは、固有周期が異なる複数の構造物の上部に、支持材を介して一体の大屋根を上記構造物に対して水平方向に相対変位可能に設置するとともに、少なくとも一棟の上記構造物と上記大屋根との間に、互いの上記相対変位により回転して付加質量を付与する回転慣性質量ダンパと上記相対変位により伸縮するバネ材とを直列に接続し、かつ上記相対変位を減衰させる減衰要素を上記回転慣性質量ダンパまたは上記バネ材と並列に配置してなる複合ダンパを設置し、かつ上記回転慣性質量ダンパによる上記付加質量と上記バネ材の剛性から決定される上記複合ダンパの固有周期を、当該複合ダンパが接続された各々の上記構造物の固有周期に対して同調させたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記大屋根は、固有周期が異なる３棟の構造物の上部に配置され、当該３棟の構造物のうちの耐震性のより高い１棟または２棟の上記構造物に固定されるとともに、他の上記構造物に水平方向に相対変位可能に設置され、かつ当該他の構造物と上記大屋根との間に上記複合ダンパが設置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、上記支持材としては、積層ゴム支承、すべり支承、ローラー支承、ゴム材等が適用可能である。また、バネ材としては、コイルスプリングや板バネ等を用いることができる。さらに、上記減衰要素としては、オイルダンパ、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ等が好適である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１または２に記載の発明においては、大屋根と個別の構造物との間に設置した複合ダンパについて、その回転慣性質量ダンパの付加質量と上記バネ材の剛性から決定される固有周期を当該複合ダンパが接続された構造物の固有周期に対応して調整しておく。これにより、地震時に、各構造物に接続された上記複合ダンパが、当該構造物の揺れに各々共振してその振動エネルギーを集めるとともに、この振動エネルギーを当該複合ダンパの減衰要素によって効率よく吸収することができる。
【００１４】
この結果、共通の屋根となる一体型の大屋根を活用して、固有周期が異なる複数の構造物に対し、個別に地震時の応答を効果的に低減させることができる。
【００１５】
この際に、特に上記回転慣性質量ダンパによる付加質量と上記バネ材の剛性から決定される複合ダンパの固有周期を、当該複合ダンパが接続された各構造物の固有周期に対して同調させているために、最も効果的に上記応答を低減させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る大屋根を用いた複数構造物の制震システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は、図１の模式図、（ｂ）はその変形例を示す要部の模式図である。
【図３】図１の複合ダンパを示す要部を断面視した正面図である
【図４】図３の複合ダンパの変形例を示す要部を断面視した正面図である。
【図５】図３の複合ダンパの他の変形例を示す要部を断面視した正面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す概略構成図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す概略構成図である。
【図９】本発明の実施例に用いた本発明および比較例に係る解析モデルを示す図である。
【図１０】本発明の実施例の解析結果を示すグラフである。
【図１１】従来の大屋根の支持構造を示す概略構成図である。
【図１２】図１１の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
図１〜図５は、本発明に係る大屋根を用いた複数構造物の制震システムを、２棟の建物（構造物）Ａ、Ｂに一体の大屋根１０を設置した場合に適用した第１の実施形態およびその変形例を示すものである。
上記２棟の建物Ａ、Ｂは、その間にアトリウムとなる空間Ｓを形成すべく所定間隔をおいて構築されたもので、それぞれの柱１１上に、大屋根１０から作用する水平力を伝達可能な剛性を有する接続架台１２が一体的に設けられ、これら接続架台１２上に、積層ゴム等の支持材１３を介して両建物Ａ、Ｂの共通の屋根になるとともに上記空間Ｓも覆う一体型の大屋根１０が水平方向に相対変位可能に設置されている。
【００１８】
また、大屋根１０の骨組み部材１４と、接続架台１２との間に、地震時における水平方向の応答を減衰させるダンパ１５が設置されている。ちなみに、ダンパ１５としては、オイルダンパ、粘弾性ダンパ、粘性ダンパ等が用いられている。
【００１９】
さらに、本実施形態においては、建物Ａ、Ｂの双方を制震対象とするために、建物Ａ、Ｂにおける所定箇所の柱１１間に、各々複合ダンパ１６が設置されている。この上記複合ダンパ１６は、直列に接続されたボールネジを用いた回転慣性質量ダンパ１７およびバネ材１８と、図２（ａ）に示すように、このバネ材１８と並列に配置された減衰要素１９とから構成されたものである。
【００２０】
図３は、このような複合ダンパ１６の構成を示すものであり、接続架台１２に回転慣性質量ダンパ１７のねじ軸２０の一端部２０ａが、軸線方向の移動を阻止された状態で回転自在に設けられるとともに、ねじ軸２０の他端部２０ｂが、可動体２１のナット部２１ａ内に挿入されている。そして、このナット部２１ａの内壁に設けられたボール２２が、ねじ軸２０の雄ねじ２０ｃに回転自在に係合されている。また、ねじ軸２０の外周には、円板状の重り２３が固定されている。これにより、接続架台１２に対して可動体２１が接離方向に相対変位すると、ねじ軸２０および重り２３が回転して、当該重り２３の回転慣性力に相当する付加質量ΔＭが発生するようになっている。
【００２１】
そして、この可動体２１と大屋根１０の骨組み部材１４との間に、板バネからなる上記バネ材１８が介装されている。また、このバネ材１８と並列に、可動体２１と大屋根１０の骨組み部材１４との間にオイルダンパからなる上記減衰要素１９が設置されている。
【００２２】
また、図４は、図３に示したものの変形例であって、バネ材１８としてコイルバネを用いた複合ダンパ１６を示すものである。この複合ダンパ１６においては、上記バネ材１８内にオイルダンパからなる減衰要素１９が挿入されることにより、当該減衰要素１９がバネ材１８に対して並列に配置されている。そして、バネ材１８の先端部１８ａおよび減衰要素１９のシリンダ側端部１９ａが、図示されない大屋根１０の骨組み部材１４に連結されている。
【００２３】
さらに、図５は、その他の変形例として、可動体２１内に空洞部を形成し、図４に示した回転慣性質量ダンパ１７の重り２３に代えてねじ軸２０の端部２０ｂに内筒２０ｄを一体に形成し、この内筒２０ｄを上記空洞部内に移動可能かつ回転自在に挿入するとともに、上記空洞部内の可動体２１内壁と内筒２０ｄとの間の空間に粘性体２４を充填することにより減衰要素１９としたものである。なお、図中符号１８ｂは、コイルバネからなるバネ材１８の座屈防止ガイドである。
【００２４】
このように、図２（ａ）および図３、図４に示した複合ダンパ１６においては、いずれも減衰要素１９をバネ材１８と並列に配置したが、これに限るものではなく、図２（ｂ）および図５に示すように、回転慣性質量ダンパ１７およびバネ材１８を直列に接続するとともに、減衰要素１９を回転慣性質量ダンパ１７と並列に配置することもできる。
【００２５】
そして、制震対象となる建物Ａに設置した複合ダンパ１６は、回転慣性質量ダンパ１７の重り２３（または内筒２０ｄ）による付加質量ΔＭ1とバネ材１８の剛性Ｋm1から決定される固有周期Ｔm1＝２π（ΔＭ1／Ｋm1）1/2が、建物Ａの固有周期ＴAに同調するように設定されている。
【００２６】
他方、制震対象となる建物Ｂに設置した複合ダンパ１６は、回転慣性質量ダンパ１７の重り２３（または内筒２０ｄ）による付加質量ΔＭ2とバネ材１８の剛性Ｋm2から決定される固有周期Ｔm2＝２π（ΔＭ2／Ｋm2）1/2が、建物Ｂの固有周期ＴBに同調するように設定されている。
【００２７】
なお、この際に、本実施形態においては、回転慣性質量ダンパ１７としてボールネジを用いた構造のものを用いているために、付加質量ΔＭは、重り２３（または内筒２０ｄ）の質量をｍｐ、重り（または内筒２０ｄ）の半径をＲ、ボールネジの雄ねじ２０ｃのリードをＬとすると、ΔＭ＝２・ｍｐ・（π・Ｒ／Ｌ）２によって算出することができる。このため、上記重り２３（または内筒２０ｄ）の質量ｍ、半径Ｒ、リードＬを適宜調整してΔＭを決定することにより、容易に各々の複合ダンパ１６の固有周期Ｔm1、Ｔm2を、対応する各建物Ａ、Ｂの固有周期ＴA、ＴBに同調させることが可能である。
【００２８】
以上の構成からなる大屋根を用いた複数構造物の制震システムによれば、大屋根１０の質量ＭRと積層ゴム等からなる支持材１３の水平剛性ＫRから決定される大屋根１０の固有周期ＴR＝２π（ＭR／２ＫR）1/2を、建物Ａ、Ｂの固有周期ＴA、ＴBに対して長周期化することにより、地震時に生じる大屋根１０のせん断力（応答加速度）を低減して、安全性を高めることができる。
【００２９】
加えて、大屋根１０と建物Ａ、Ｂとの間に各々複合ダンパ１６を設置し、かつ建物Ａに設置した複合ダンパ１６については、回転慣性質量ダンパ１７の重り２３（または内筒２０ｄ）による付加質量ΔＭ1とバネ材１８の剛性Ｋm1から決定される固有周期Ｔm1＝２π（ΔＭ1／Ｋm1）1/2が、建物Ａの固有周期ＴAに同調するように設定するとともに、建物Ｂに設置した複合ダンパ１６については、回転慣性質量ダンパ１７の重り２３（または内筒２０ｄ）による付加質量ΔＭ2とバネ材１８の剛性Ｋm2から決定される固有周期Ｔm2＝２π（ΔＭ2／Ｋm2）1/2が、建物Ｂの固有周期ＴBに同調するように設定している。
【００３０】
これにより、地震時に、各建物Ａ、Ｂに接続された各々の複合ダンパ１６が、当該建物Ａ、Ｂの揺れに共振してその振動エネルギーを集めるとともに、この振動エネルギーを当該複合ダンパ１６の減衰要素１９によって効率よく吸収することができる。この結果、共通の屋根となる一体型の大屋根１０を活用して、固有周期が異なる２棟の建物Ａ、Ｂに対し、個別に地震時の応答を効果的に低減させることができる。
【００３１】
（第２〜第４の実施形態）
なお、第１の実施形態においては、２棟の建物Ａ、Ｂに共通の大屋根１０を設置するとともに、これら建物Ａ、Ｂを、共に制震対象とした場合について説明したが、本発明は、これに限るものではなく、以下に第２〜第４の実施形態（図６〜８）として例示するように、様々の複数構造物の制震システムとして応用可能である。なお、これらの図においては、図１〜図５に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
【００３２】
図６に示す第２の実施形態は、固有周期が異なる３棟の建物（構造物）Ａ、Ｂ、Ｃに対して、共通の屋根となる一体型の大屋根１０を設置するとともに、ブレース６によって耐震補強が施工されている建物Ａを除いて、他の建物Ｂ、Ｃを制震対象とするべく、当該大屋根１０と建物Ｂ、Ｃとの間に、各々上記複合ダンパ１６を設置したものである。
【００３３】
そして、同様に、建物Ｂに設置した複合ダンパ１６は、その固有周期が、建物Ｂの固有周期に同調するように設定されるとともに、建物Ｃに設置した複合ダンパ１６は、その固有周期が、建物Ｃの固有周期に同調するように設定されている。
【００３４】
また、図７に示す第３の実施形態は、固有周期が異なる３棟の建物（構造物）Ａ、Ｂ、Ｃに対して、共通の屋根となる一体型の大屋根１０を設置するとともに、ブレース６によって耐震補強が施工されている建物Ａ、Ｃを除いて、中央の建物Ｂのみを大屋根１０による制震対象とするべく、当該大屋根１０と建物Ｂとの間に、その固有周期が建物Ｂの固有周期に同調する上記複合ダンパ１６を設置したものである。
【００３５】
さらに、図８に示す第４の実施形態は、大屋根１０を有する１つの建物を、コアＡ1とその周辺部Ａ2、Ａ3との間で縁を切ることにより固有周期が異なる複数の構造物Ａ1、Ａ2、Ａ3に対して共通の屋根となる一体型の大屋根１０を設置した構造とし、コアＡ1を除いた周辺部Ａ2、Ａ3を制震対象とするべく、当該大屋根１０と周辺部Ａ2、Ａ3との間に、各々上記複合ダンパ１６を設置したものである。
【００３６】
そして、本実施形態においても、周辺部Ａ2に設置した複合ダンパ１６は、その固有周期が、当該周辺部Ａ2の固有周期に同調するように設定されるとともに、周辺部Ａ3に設置した複合ダンパ１６は、その固有周期が、周辺部Ａ3の固有周期に同調するように設定されている。
【００３７】
したがって、第２〜第４の実施形態に示した制震システムにおいても、第１の実施形態に示したものと同様の効果を得ることができる。
【実施例】
【００３８】
本発明に係る大屋根を用いた複数構造物の制震システムの効果を検証するために、独立した２棟の建物Ａ、Ｂに大屋根を設置した図９（ａ）〜（ｄ）に示すような４つの解析モデルについて、それぞれ地震時の応答を比較した。
ここで、図９（ａ）は、建物Ａ、Ｂの上部に積層ゴム支承を介して一体の大屋根を設置した従来の支持構造である。また、図９（ｂ）は、大屋根を建物Ａに同調するＴＭＤとした場合であり、図９（ｃ）は、大屋根を建物Ｂに同調するＴＭＤとした場合である。
【００３９】
そして、図９（ｄ）は、本発明に係る制震システムであって、建物Ａ、Ｂと大屋根との間に各々複合ダンパを設置するとともに、建物Ａに設置した複合ダンパの固有周期ＴmAを、建物Ａの固有周期ＴAに設定するとともに、建物Ｂに設置した複合ダンパの固有周期ＴmBを、建物Ａの固有周期ＴBに設定した場合である。
【００４０】
解析条件の詳細は、以下の通りである。
先ず、固有周期の異なる２棟の建物Ａ（固有周期１．０秒、構造減衰１％）と建物Ｂ（固有周期０．３秒、構造減衰１％）は、それぞれ１質点でモデル化した。そして、図９（ａ）に示す場合は、大屋根のせん断力および応答加速度が過大にならないように、積層ゴム支承を介して設置することを想定し、固有周期を４．０秒、減衰定数を１５％とした。また、図９（ｂ）、（ｃ）に示す場合において、ＴＭＤとする大屋根は、ＴＭＤの最適理論により算出したばね定数（ＫRAまたはＫRB）と減衰係数（ＣRAまたはＣRB）とにより同調する方の建物Ａまたは建物Ｂに取り付け、他方の建物Ｂまたは建物Ａにおいては、図９（ａ）の場合と同じ積層ゴム支承を想定した値とした。
【００４１】
これに対して、図９（ｄ）に示す本発明に係る制震システムにおいては、建物Ａと大屋根との間に設ける複合ダンパの付加質量（ΔＭA）を、建物Ａの質量ＭAの８％、建物Ｂと大屋根との間に設ける複合ダンパの付加質量（ΔＭB）を、建物Ｂの質量ＭBの２％とし、各建物Ａ、Ｂの固有周期ＴA、ＴBに同調するように、ばね材のばね定数ＫmA、ＫmBを設定した。また、大屋根の質量は、全ての場合で一定とし、建物合計質量の２％とした。
【００４２】
なお、入力の地動は、周波数特性をもたないホワイトノイズ（振動数成分０．０５Ｈｚ〜１５Ｈｚ、最大値２２９．３Ｇａｌ）とした。
その他の定量的な解析条件は、以下の通りである。
【００４３】
（１）建物Ａ
質量  ＭA＝１５００ｔ
剛性  ＫA＝６０．４ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣA＝０．１９２ｔｆ・ｓ／ｃｍ
（２）建物Ｂ
質量  ＭB＝１５００ｔ
剛性  ＫB＝５４３．８ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣB＝０．５７７ｔｆ・ｓ／ｃｍ
（３）大屋根
質量  ＭR＝６０ｔ
剛性  ＫR＝０．０７５５ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣR＝０．０１４ｔｆ・ｓ／ｃｍ
【００４４】
（４）ＴＭＤ  Ａ  （図９（ｂ））
剛性  ＫRA＝２．２４ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣRA＝０．０８９ｔｆ・ｓ／ｃｍ
（５）ＴＭＤ  Ｂ  （図９（ｃ））
剛性  ＫRB＝２０．１１ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣRB＝０．２６７ｔｆ・ｓ／ｃｍ
【００４５】
（６）複合ダンパＡ（図９（ｄ））
質量  ΔＭA＝１２０ｔ
剛性  ＫmA＝４．８３ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣmA＝１．１５４ｔｆ・ｓ／ｃｍ
（７）」複合ダンパＢ（図９（ｄ））
質量  ΔＭB＝３０ｔ
剛性  ＫmB＝１０．８８ｔｆ／ｃｍ
減衰  ＣmB＝０．８６６ｔｆ・ｓ／ｃｍ
【００４６】
図１０は、この解析結果を示すものである。これらの結果から、大屋根を建物Ａまたは建物Ｂのいずれか一方の建物に対してＴＭＤとして利用した図９（ｂ）、（ｃ）に示す場合には、いずれも同調した建物ＡまたはＢに対しては相応の制震効果が得られるものの、同調していない、すなわち制震対象となっていない建物ＢまたはＡについては、図９（ａ）に示した従来の場合と同等の応答になっている。
【００４７】
加えて、特に剛性が高い建物Ｂに同調させた図９（ｃ）に示す場合には、大屋根の応答加速度が過大になってしまうことが判る。
【００４８】
これに対して、図９（ｄ）に示す本発明に係る制震システムにおいては、建物Ａおよび建物Ｂ共に、図９（ａ）の従来の支持構造と比較して加速度応答が小さくなっており、大屋根の応答も過大になっていない。このように、本発明の制震システムによれば、固有周期が異なる複数の構造物に対して、共通の屋根となる一体型の大屋根を設置する際に、当該大屋根を活用して、これら複数の構造物の応答を効果的に低減させ得ることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
固有周期が異なる複数の構造物に対して、共通の屋根となる一体型の大屋根を設置する際に、当該大屋根を活用して、これら複数の構造物の応答を効果的に低減させるために利用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  大屋根
１１  柱
１３  支持材
１６  複合ダンパ
１７  回転慣性質量ダンパ
１８  バネ材
１９  減衰要素
Ａ、Ｂ、Ｃ  建物（構造物）
【図１】
0005557606.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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