(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の床を対象とする床制振システムであって、
制振対象の床と該床と一体に設けられている梁とによる主系に対して、前記梁の上下振動により作動して錘が回転することにより回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーと直列に接続された付加ばねとにより構成される付加振動系としての制振機構を設置して、前記付加ばねのばね剛性の調整により該制振機構の固有振動数を前記主系の固有振動数に同調させるとともに、該付加ばねの耐力を地震時に所定の降伏耐力で降伏して前記回転慣性質量ダンパーへの過大入力が制限されるように設定して構成され、
且つ、上下のフランジとウェブを備えて形成された前記主系の梁の上下のフランジの間に配されるように設けられるとともに、前記床に一体化することなく前記主系の梁の側部に並設、あるいは前記主系の梁に交差して配設された付加梁を備え、
前記主系の梁の上下のフランジの間に前記制振機構を配し、前記主系の梁と前記制振機構と前記付加梁を直列に接続して構成されていることを特徴とする床制振システム。
【請求項２】
請求項１記載の床制振システムであって、
前記付加ばねを、地震時に所定の降伏耐力で降伏する板ばねにより構成したことを特徴とする床制振システム。
【請求項３】
請求項１記載の床制振システムであって、
前記付加ばねを、ばね部材と該ばね部材に直列に接続されて地震時に所定の降伏耐力で塑性化して降伏する塑性化部材により構成したことを特徴とする床制振システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の床を対象とする床制振システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建物の梁や床では剛性の不足や外乱振動との共振などによって居住者が不快感を覚える振動障害が生じる場合がある。
これに対処する従来技術としてはＴＭＤがある。これは梁・床の振動周期に対して同調するように設定され、それ自体が大きく振動することにより梁・床自体の振動の低減を図るものであるが、一般にＴＭＤに必要な質量は1ton程度と大きく、制振対象の梁・床に荷重の負担がかかり、施工に手間を有するという問題がある。
【０００３】
それに対して、たとえば特許文献１に示されるように、回転慣性質量を利用することによって小質量の回転錘によっても従来のＴＭＤと同等程度の振動制御が可能な制振機構が提案されている。
これは、床を支持する梁と下階の床との間に、梁・床の上下振動をボールねじ機構によって小質量の錘の回転に変換する構成の回転慣性質量ダンパーと、同調用の付加ばねとしての板材（すなわち板ばね）からなる制振機構を支柱を介して設置するもので、その制振機構を制振対象の梁・床（主系）に対して付加振動系として設置するとともに、付加振動系としての制振機構の固有振動数を主系としての梁・床の固有振動数に同調させることにより、主として居住者の歩行荷重により梁・床の振動を有効に低減可能なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１７４６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の制振機構は歩行荷重による振動抑制には効果的ではあるが、地震などの想定以上の過大な外乱に対する考慮は特になされておらず、そのため大地震時に制振機構が破損したり主系としての梁や柱に対して衝突してしまう等の事態が想定されることから、その点で改良の余地が残されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記事情に鑑み本発明は建物の床を対象とする床制振システムであって、制振対象の床と該床と一体に設けられている梁とによる主系に対して、前記梁の上下振動により作動して錘が回転することにより回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーと直列に接続された付加ばねとにより構成される付加振動系としての制振機構を設置して、前記付加ばねのばね剛性の調整により該制振機構の固有振動数を前記主系の固有振動数に同調させるとともに、該付加ばねの耐力を地震時に所定の降伏耐力で降伏して前記回転慣性質量ダンパーへの過大入力が制限されるように設定して構成され、且つ、上下のフランジとウェブを備えて形成された前記主系の梁の上下のフランジの間に配されるように設けられるとともに、前記床に一体化することなく前記主系の梁の側部に並設、あるいは前記主系の梁に交差して配設された付加梁を備え、前記主系の梁の上下のフランジの間に前記制振機構を配し、前記主系の梁と前記制振機構と前記付加梁を直列に接続して構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、前記付加ばねを地震時に所定の降伏耐力で降伏する板ばねにより構成するか、あるいは、前記付加ばねをばね部材と該ばね部材に直列に接続されて地震時に所定の降伏耐力で塑性化して降伏する塑性化部材により構成することが考えられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、同調用の付加ばねを同調のために必要なばね剛性に設定しながらその耐力を適切に設定して地震時には所定の降伏耐力で降伏するような非線形特性をもたせることにより、常時には従来と同等の歩行時応答低減効果を発揮しつつ、地震時にダンパーの過大応力の発生による損傷や主系との衝突といった事態を未然に回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態である床制振システムの概要図である。
【図２】同、解析モデルである。
【図３】同、解析用の歩行荷重波形を示すものである。
【図４】同、線形解析による結果（歩行荷重に対する床応答）を示すものである。
【図５】同、線形解析による結果（地震応答）を示すものである。
【図６】同、非線形解析による結果（地震応答）を示すものである。
【図７】同、非線形解析による結果を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態である床制振システムの概要図である。
【図９】本発明の他の実施形態である床制振システムの概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の床制振システムの一実施形態を図１に示す。これは柱１間に架設された梁２（大梁）に支持されて設置された床３（スラブ）を制振対象とするもので、梁２の側部にトラス梁（付加梁）４を並設してそれら梁２とトラス梁４の間に制振機構５を介装したものである。
【００１１】
本実施形態の制振機構５は、基本的には特許文献１に示されるものと同様に回転慣性質量ダンパー６と付加ばねとしての板ばね７により構成されたもので、梁２と床３とによる主系に対して付加振動系として設置されてその固有振動数を主系の固有振動数と同調させることでＴＭＤとして機能して制振効果を得るものである。また、主系の梁２が上下のフランジとウェブを備えて形成されており、トラス梁４が梁２の上下のフランジの間に配設されるとともに、床３に一体化することなく梁２の側部に並設されている。そして、本実施形態では、主系の梁２の上下のフランジの間に、直列に接続した回転慣性質量ダンパー６と板ばね７を配し、主系の梁２と回転慣性質量ダンパー６及び板ばね７とトラス梁４を直列に接続して構成されている。
【００１２】
すなわち、本実施形態の制振機構５は、梁２の中央側部に回転慣性質量ダンパー６を下向きに設置してその先端に同調用の付加ばねとしての板ばね７を直列に接続し、その板ばね７をトラス梁４の中央部に対して接続したものである。
そして、従来の制振機構では上記の付加ばねとして単なる板ばねを用いていたのに対し、本実施形態の制振機構５では付加ばねとしての板ばね７の耐力を所定の降伏耐力で降伏するように設定することにより、地震時における回転慣性質量ダンパー６への過大入力が制限されるような非線形特性を有するものとしており、これにより地震時においても制振機構５が損傷したり主系と衝突するといった事態を未然に防止し得るものである。
【００１３】
以下に具体的な設計例を示す。
制振対象の床３（スラブ）を幅6.4m×スパン19.2m、自重および積載荷重を4750N/m2とする。床３を支持する梁２（大梁）を、H-800×250×16×25mmとし、その断面積247.8cm２、断面二次モーメント248000cm4、自重195kg/mとし、床３との合成効果により曲げ剛性は2倍に評価する。
【００１４】
上記の床付き梁（主系）の固有振動数は5.02Hzであり、常時の歩行振動低減のための回転慣性質量ダンパー６として、ダンパー質量Md＝2565.6kg、ダンパーばねKd＝3.2852×106N/m、減衰係数Cd＝3.63×104N/(m/s)を設定する（減衰係数Cdはボールねじ機構の内部抵抗によるものとする）。上記のダンパー質量Mdは理想的な値であり、リード（ボールネジのピッチ）が10mmの場合、ダンパー内のフライホイールは直径120.5mm、厚さ40mm、質量3.58kgの円盤とする。
【００１５】
制振対象の梁２に並設するトラス梁４として、平鋼PL-250×12mm、山形鋼L-90×90×10mm、腹材山形鋼L-70×70×7mm、梁せい650mm、腹材角45度で構成し、断面二次モーメントI＝1.1137×105cm4、このトラス梁４の鉛直ばね剛性はKs＝6.193×106N/mとなる。
付加ばねとしての板ばね７の剛性Kaの設定は上記のトラス梁４の鉛直ばね剛性Ksも考慮して、板ばね７とトラス梁４とを直列に接続した場合の合成ばね値がこの制振機構５全体の所要ばね剛性（上記のダンパーばね）Kdとなるように設定することにより、制振機構５の固有振動数を主系の固有振動数に同調させる。本例では、Kd＝1/(1/Ks＋1/Ka)の関係からKa＝6.9968×106N/mとする。
【００１６】
以上の構成の制振機構５を図２（ａ）に示すようにモデル化し、まず従来システムのように付加ばね７が単に線形特性である場合の歩行時荷重に対する基本性能について検討する。
梁２の中央位置に図３に示すような歩行荷重（塩谷、早川：人の歩行による動的加重の時刻歴モデル(その１，その２)、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造(１)、pp.77-80、1995.8  参照）を，卓越振動数が2.5Hz（主系の固有振動数の1/2）となるように刻み時間を調整して与え、倍調共振をさせる。荷重レベルは二人歩行を想定して原波形の1.5倍とする。
制振機構５（ダンパー）がある場合とない場合とで加力位置の応答加速度を求め、1/3オクターブバンド解析して得られた結果を図４に示す。ダンパーの設置により応答レベルはピーク値において15％以下に低下しており、共振特性が大幅に改善されて居住性が向上することから歩行用の制振システムとしてダンパー設計が妥当であることが確認できた。
【００１７】
次に、従来システムのように付加ばね７が単に線形特性である場合における地震時の挙動について検討する。地震荷重として、1995年JMA神戸の上下動および告示波を20階建てのモデル建物に入力して得られた建物の上下応答波を与えた場合の弾性解析結果を図５に示す。
この結果から、ダンパーに発生する力は40kNと大きく、ダンパーが損傷を受ける懸念がある。また、梁２とトラス梁４との間は片側で15mm程度の相対変位が生じるのでそれ以上の間隔を確保しないと地震時にそれらが衝突することが分かる。さらに、回転慣性質量ダンパー６には片側21mm程度の変位が生じ、それ以上のストロークを確保しないと地震時にはダンパー破損の恐れがあることが分かる。
【００１８】
そこで、本発明のように板ばね７を非線形化した場合について検討する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、同調に必要なばね剛性Kdはそのままとして、板ばね７が降伏耐力Qduにおいて降伏するような非線形特性を付与した設定とする。
本解析では、板ばね７の降伏耐力Qduを、Qdu＝4kN、8kN、12kN、16kN、20kNとなるように５段階に設定し、降伏耐力Qduを折れ点とするバイリニアーでモデル化し、二次勾配は初期剛性の1/1000とした。
具体的には、たとえばQdu＝16kNとするためには、板ばね７の材長L＝437mm、幅B＝103mm、厚さt＝12mm、降伏応力σ＝235N/mm2、両端条件は固定とすれば良い。この場合、断面二次モーメントI＝Bt3/12＝14832mm4、Zp＝Bt2／4＝3708mm3、最大曲げ耐力Mu＝σZp＝871380Nmmであり、梁中心での最大荷重とMuの関係はMu＝QudL/8であるから、Qud＝8Mu/L＝15952N≒16kNとなる。また、剛性はKa＝192EL/L3＝6995N/mm＝6.995×106N/mより同調に必要な剛性とほぼ一致する。
【００１９】
上記のように板ばね７を非線形化した場合の解析結果を図６，図７に示す。図７から従来の線形システム（図７では付加ばね降伏力＝0として示してある）に比較して、付加ばね７を非線形化することによってダンパー力、梁とトラス梁との間の相対変位、ダンパー変位がいずれも小さくなり、充分な改善効果が得られることが分かる。
なお、加速度については線形の場合よりもやや大きくなるが、ダンパーなしと比較すると大きく低減され、特に問題にはならない。
【００２０】
以上のように、本発明によれば、同調用の付加ばねとしての板ばねの材長、長さ、鋼種を設定して、同調のために必要なばね剛性を確保しながら降伏耐力を適切に設定することにより、常時には従来の線形システムと同等の歩行時応答低減効果を発揮しつつ、地震時にダンパーに過大応力が生じることによる損傷や主系との衝突といった事態を未然に回避することが可能となる。
【００２１】
なお、上記実施形態では制振対象の梁２の側方にトラス梁４を並設してそれらの間に制振機構５を介装したが、図８に示すようにトラス梁４を２本の制振対象の梁２に交差させて設置して、各梁２とトラス梁４との間に上記実施形態と同様に回転慣性質量ダンパー６と非線形特性を有する板ばね７からなる制振機構５をそれぞれ介装することでも良く、この場合は複数の梁２に対する制振効果を同時に得ることができる。
【００２２】
また、図９に示すように、特許文献１に示されるものと同様に、下階の床に立設した支柱８と梁２との間に、回転慣性質量ダンパー６と非線形特性を有する板ばね７とによる制振機構５を介装することも考えられる。
【００２３】
さらに、上記実施形態では付加ばねとしての板ばね７自体が非線形特性を有して所定の降伏耐力で降伏するものとしたが、それに代えて、付加ばねを、単なる線形特性を有する適宜のばね部材と非線形特性を有する適宜の塑性化部材とを直列に接続して、地震時にはばね部材が線形を維持しても塑性化部材が塑性化して降伏するように構成しても良く、それによっても付加ばねが上記実施形態の場合と同様の非線形特性を有するものとなって同等の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２４】
１  柱
２  梁
３  床
４  トラス梁
５  制振機構
６  回転慣性質量ダンパー
７  板ばね（付加ばね）
８  支柱
【図１】
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【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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