(57)【要約】【課題】高度の居住性が重要視される上層部の架構を対象としてその床構造の中央部の上下方向の振動を有効に低減させ得る上下制振構造を提供する。【解決手段】多層建築物における上層部の複数層を制振対象層とするとともに下層の低層部を支持層として、支持層により制振対象層の架構の中央部の振動エリアを上下方向に相対振動可能に支持する。制振対象層としての上層部の各層の架構をそれぞれ間柱１ａを有するフィーレンデール架構１として構成するとともに、各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアを連結して構造的に一体に挙動する主架構２として構成する。支持層における架構を主架構を支持する支持架構３として構成し、支持架構と主架構との間に回転慣性質量ダンパー５を主体とする同調型の付加制振機構４を介装しその固有振動数を主架構の固有振動数に同調させる。【選択図】図１
2014101678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層建築物における上層部の架構を対象としてその床構造の中央部の上下方向の振動を制御するための上下制振構造であって、
前記多層建築物における上層部の複数層を制振対象層とするとともに、該制振対象層としての上層部よりも下層の低層部を支持層として、該支持層により前記制振対象層の架構の中央部の振動エリアを上下方向に相対振動可能に支持してなり、
前記制振対象層としての上層部の各層の架構をそれぞれ間柱を有するフィーレンデール架構として構成するとともに、前記各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアを連結して構造的に一体に挙動する主架構として構成し、
前記支持層における架構を前記主架構を支持する支持架構として構成して、該支持架構と前記主架構との間に回転慣性質量ダンパーを主体として構成された同調型の付加制振機構を介装して、該付加制振機構の固有振動数を前記主架構の固有振動数に同調させてなることを特徴とする上下制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層建築物を対象とする制振構造に関わり、特に多層建築物における上層部の架構を対象としてその床構造の中央部の上下方向の振動を抑制するための上下制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多層建築物の構造形式としてはたとえば特許文献１〜２に示されるようないわゆるメガストラクチャーによるもの、特にメガストラクチャーを実質的に高剛性のフィーレンデール架構により構成するものが提案されている。
また、そのような多層建築物に制震構造を適用するものとして、たとえば特許文献３には低層階に制震装置を設置するとともにフェールセーフ機能を持たせた能動制御型制震構造物が提案されている。
【０００３】
さらに、多層建築物に好適に適用可能な制振機構として、たとえば特許文献４〜７に示されるような回転慣性質量ダンパーを利用した同調型の制振機構が提案されている。
周知のように、回転慣性質量ダンパーとは回転慣性質量効果を利用したダンパーであって、装置自体は軽量でありながら、内蔵された回転錘の数百倍から数千倍の質量と同等の質量効果を発揮し得るものである。
具体的には、制振対象物の振動による直動運動をボールねじ機構を利用して回転錘の回転運動に変換することにより、その回転錘に生じる回転慣性モーメントに比例する反力によって回転錘の実際の質量を数百倍〜数千倍にも拡大せしめて大きな質量効果が得られるものである。
【０００４】
そして、そのような回転慣性質量ダンパーに対して付加ばねとして機能する要素（格別の付加ばね要素の他、制振対象物の躯体のばね剛性を利用することも可能である）を直列に設けて付加振動系を構成し、その付加振動系の振動特性を制振対象物に対して同調させてＴＭＤとして機能せしめることにより、本来のＴＭＤにおいては必要となる大きな付加質量のわずか数百分の一から数千分の一の質量の小型軽量の回転錘を用いることのみで、本来のＴＭＤと同等以上の優れた制振効果が得られるものである。
また、減衰機能を有する回転慣性質量ダンパーを用いることによりそれ自体で所望の減衰性能を持たせることができるし、回転慣性質量ダンパーのみでは減衰性能が不足するような場合には付加振動系に対して適宜の減衰要素を備えることで所望のエネルギ吸収性を与えることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０７４６１号公報
【特許文献２】特開２００４−３００６８１号公報
【特許文献３】特開平１１−１３３０４号公報
【特許文献４】特開２００９−１７４６７７号公報
【特許文献５】特開２０１０−１８９９０２号公報
【特許文献６】特開２０１０−２８１４０７号公報
【特許文献７】特開２０１１−２５２３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、多層からなる架構形式の建築物のなかでもたとえば病院施設やホテル等の宿泊施設では、病室や客室が配置される上層階を比較的短スパンの架構として構成したうえで、ロビーや宴会場等が配置される低層階は大スパン架構により構成することが望まれるが、低層階を単に大スパン架構とすると、居住性が重視される上層階においては特にその中央部において必要な振動特性を確保することが困難な場合がある。
さらに、多層建築物全体を免震構造とすることも一般化しつつあるが、従来一般的な免震構造では地震時の水平振動は低減できるものの上下振動の低減は困難である。
【０００７】
上記事情に鑑み、本発明はたとえば病院施設や宿泊施設等を用途とする多層建築物を対象として、特に居住性が重要視される上層部の中央部における上下方向の振動を確実に低減させ得る有効適切な上下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】
【０００８】
本発明は、多層建築物における上層部の架構を対象としてその床構造の中央部の上下方向の振動を制御するための上下制振構造であって、前記多層建築物における上層部の複数層を制振対象層とするとともに、該制振対象層としての上層部よりも下層の低層部を支持層として、該支持層により前記制振対象層の架構の中央部の振動エリアを上下方向に相対振動可能に支持してなり、前記制振対象層としての上層部の各層の架構をそれぞれ間柱を有するフィーレンデール架構として構成するとともに、前記各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアを連結して構造的に一体に挙動する主架構として構成し、前記支持層における架構を前記主架構を支持する支持架構として構成して、該支持架構と前記主架構との間に回転慣性質量ダンパーを主体として構成された同調型の付加制振機構を介装して、該付加制振機構の固有振動数を前記主架構の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、多層建築物における上層部の複数層を制振対象層としてそこでの架構を間柱を有するフィーレンデール架構により構成するとともに、各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアを連結して構造的に一体に挙動する主架構として構成し、その主架構の全体を低層部の支持架構により支持してそれらの間に回転慣性質量ダンパーを主体とする同調型の付加制振機構を介装することにより、付加制振機構をＴＭＤとして機能せしめて地震時における主架構（各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアの全体）の上下振動を有効に抑制することができる。
したがって、本発明をたとえば病院やホテル等のような多層建築物に適用することにより、病室や客室等の高い居住性が要求される居室が配置される上層部を比較的短スパンのフィーレンデール架構とするとともに、ロビーや宴会場等の大空間を確保するために低層部を無柱の大スパン架構とするという最適な架構形式を支障なく採用しつつ、上層部の複数層の架構に対する優れた上下制振効果が得られるものとなり、この種の多層建築物に適用する上下制振構造として極めて有効であり合理的である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の上下制振構造の実施形態を示すもので、（ａ）は制振対象の多層建築物を構造モデルとして示す立面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】同、付加制振機構の一構成例を示す図である。
【図３】同、具体的な設計例を示すもので、（ａ）は振動解析のための解析モデルとして示す立面図、（ｂ）は振動解析による振動モードを示す図、（ｃ）はモデル諸元を示す図である。
【図４】同、振動特性を示す図であり、（ａ）は比較例としての非制振の場合における伝達関数を示し、（ｂ）は本実施形態による制振の場合における伝達関数を示す図である。
【図５】同、（ａ）は振動解析のための入力波形を示す図、（ｂ）は入力波の応答スペクトルを示す図である。
【図６】同、解析結果を示す図であり、（ａ）は比較例としての非制振の場合の変位および加速度についての応答波形を示す図、（ｂ）は本実施形態による制振の場合の変位および加速度についての応答波形を示す図、（ｃ）は非制振の場合に対する制振の場合の応答の最大値の比率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜図６を参照して本発明の上下制振構造の実施形態について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は制振対象の多層建築物を構造モデルとして示す図であり、図２は付加制振機構の一構成例を示す図である。
本実施形態における多層建築物の用途としてはたとえば病院施設やホテル等の宿泊施設を想定しており、したがって上層部には病室や宿泊室等の比較的小さな居室が多数配置され、低層部にはロビーや宴会場の大空間が設けられることを想定している。
【００１２】
本実施形態の上下制振構造は多層建築物における上層部の架構を対象としてその床構造の中央部の上下方向の振動を制御するための構造であって、この多層建築物における上層部の複数層（図示例では１１層。ここに病室や宿泊室等が配置される）を制振対象層として各層の架構中央部の全体を制振対象の振動エリアとするとともに、制振対象層よりも下層の低層部を支持層（上記のようにここにロビーや宴会場等の大空間が設けられる）として、その支持層の架構によって上記の振動エリアの全体を上下方向に相対振動可能に支持することを基本とする。
【００１３】
そして、制振対象層としての上層部の各層の架構をそれぞれ間柱１ａを有する比較的短スパンのフィーレンデール架構１として構成するとともに、各層のフィーレンデール架構１の中央部を制振対象とする振動エリア（図１（ａ）参照）としてそれらの全体を連結し、その全体を構造的に一体に挙動する主架構２として構成している。
なお、本発明において「フィーレンデール架構の中央部」および「振動エリア」とは、フィーレンデール架構全体のうち両端部の柱に対する接合部を除く部分、すなわち実質的に上下方向に振動する部分を意味している。
一方、低層部の支持層における架構を、主架構２の全体を安定に支持可能な大スパンかつ高剛性の支持架構３として構成し、これら主架構２と支持架構３との間に、回転慣性質量ダンパー５を主体として構成された同調型の付加制振機構４を介装している。
【００１４】
本実施形態における付加制振機構４の具体的な一構成例を図２に示す。これはたとえば特許文献５においてダンパー機構として示されているものと同様のものであって、ボールねじ機構を利用した公知の回転慣性質量ダンパー５と、それに直列に接続された板ばねからなる付加ばね６から構成されたものである。
図示例の付加制振機構４は、回転慣性質量ダンパー５をパイプ材等の支柱７を介して低層部の支持架構３に対して接続し、付加ばね６を適宜の取付部材８を介して上層部の主架構２（制振対象層のうちの最下層のフィーレンデール架構１）に対して接続することによって、それら主架構２と支持架構３との間に介装されている。そして、支持架構３に対する主架構２の上下振動に対してＴＭＤとして機能して制振効果を発揮するように、回転慣性質量ダンパー５の質量効果と付加ばね６によって定まる固有周期が主架構２の固有周期に同調するものとされている。
【００１５】
回転慣性質量ダンパー５は、支柱７の上端部に対して固定されているボールナット５ａと、ボールナット５ａの内部を貫通していてその上端部が付加ばね６の中央部に対して回転自在かつ軸方向変位不能に軸支されているボールねじ軸５ｂと、ボールねじ軸５ｂの下端に取り付けられているフライホイール５ｃから構成されている。
なお、図１に示す付加制振機構４における符号９は減衰要素であって、その減衰要素９としては回転慣性質量ダンパー５自体が有する減衰機能を利用可能であるが、必要であればオイルダンパー等の適宜の減衰機構を回転慣性質量ダンパー５と並列に接続すれば良い。
【００１６】
上記構成の付加制振機構４は、制振対象とする振動エリアの全体を構成している主架構２が、支持層を構成している低層部の支持架構３に対して上下方向に振動した際には、付加ばね６を介してボールねじ軸５ｂがボールナット５ａに対して回転（自転）しつつ上下方向に変位し、それに伴い、ボールねじ軸５ｂとともにフライホイール５ｃが回転してその回転慣性質量が制振力として主架構２に対して作用し、それにより付加制振機構４がＴＭＤとして機能して主架構２に対する優れた制振効果が得られる。
したがって、本実施形態の上下制振構造を病院施設やホテル等の宿泊施設に適用することにより、上層部に配置する病室や宿泊室での地震時における上下振動を有効に抑制し得て優れた居住性能を確保し得るものである。
【００１７】
なお、付加制振機構４の変形例として、ボールねじ軸５ｂを付加ばね６に対して回転不能に軸支してそれに螺着したボールナット５ａを軸方向変位不能かつ回転可能とし、そのボールナット５ａに対してフライホイール５ｃを一体に回転可能に設けることでも良く、それによっても同様に機能するものとなる。要は、支持架構３に対する主架構２の上下方向の相対振動をボールねじ軸５ｂとボールナット５ａによるボールねじ機構によって回転運動に変換してフライホイール５ｃを回転させるように構成すれば良い。
【００１８】
以下、図３〜図６を参照して本発明の上下制振構造の具体的な設計例を示し、その有効性を振動解析結果により実証する。
図３（ａ）に解析モデルを示す。上述したように、本設計例では低層部の架構を主架構を支持するための支持架構としているとともに、その支持架構を主としてロビーや宴会場等の大空間を確保するための大スパンかつ高剛性の架構としている。
また、上層部の架構は病室や宿泊室等の個室を設けるために間柱を設けた比較的小スパンのフィーレンデール架構としており、各層のフィーレンデール架構によって各層の水平剛性を確保するとともに、各層のフィーレンデール架構の中央部の全体を構造的に一体に連結して制振対象とする振動エリアの全体が構造的に一体に挙動する主架構を構成するものとしている。
【００１９】
図３（ｂ）に固有値解析による振動モードを示す。これにより制振対象とする振動エリアとしての主架構の全体が一体として上下振動することがわかる。
この場合、固有一次固有周期は0.21秒である。主架構部分の等価な質量は約3000tonであるが、これは図１（ｂ）に示したように付加制振機構を配置した構面の直交方向に３構面分を想定したものである。
これに対し、回転慣性質量ダンパーの慣性質量を約30ton（主架構部分の等価な質量に対する質量比μ＝１％）とした場合のモデル諸元を図３（ｃ）に示す。すなわち、本設計例では１台の回転慣性質量ダンパーで３構面分の振動を制御するものである。
【００２０】
振動特性を調べるために、地震動として2〜8Hzのスウィープ波を与えた（時間刻み0.005秒、継続時間966.56秒）。主系の減衰係数は1％である。
主系の加速度に対するフーリエスペクトル比を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示す制振系（本設計例）では、図４（ａ）に示す非制振系に比べて固有振動数でのピークが大きく低下していることがわかる。
【００２１】
次に、地震応答解析を行う。入力地震動は対象架構の全体モデルに対して設計用入力地震動（告示波）の上下地震動を入力して得られた対象架構の外柱の基部での応答加速度とし、基礎固定モデルに入力した。解析に用いた加速度波形を図５（ａ）に示し、その応答スペクトルを図５（ｂ）に示す。
【００２２】
応答結果を図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図６（ａ）は非制振系における変位および加速度であり、図６（ｂ）は制振系（本設計例）における変位および加速度であり、図６（ｃ）はそれらの応答値の最大値の比較を示す。
これらの図から、最大加速度は非制振系においては１Ｇ以上であるのに対し、制振系（本設計例）では０．８Ｇ程度となり、什器の飛び跳ねなどを防止できる程度に抑制できることがわかる。
また、最大変位については非制振系では12mm以上であるのに対し、制振系（本設計例）では9.5mm程度に低減できることがわかる。
【００２３】
以上で説明したように、本発明によれば、多層建築物における上層部の複数層を制振対象層としてそこでの架構を間柱を有するフィーレンデール架構により構成するとともに、各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアを連結して構造的に一体に挙動する主架構として構成し、その主架構の全体を低層部の支持架構により支持してそれらの間に回転慣性質量ダンパーを主体とする同調型の付加制振機構を介装することにより、付加制振機構をＴＭＤとして機能せしめて地震時における主架構（各層のフィーレンデール架構の中央部の振動エリアの全体）の上下振動を有効に抑制することができる。
したがって、本発明は、たとえば病院やホテル等のように上層部に高い居住性が要求されるとともに低層部に大空間を有する架構形式の多層建築物に適用するための上下制振構造として極めて有効であり合理的なものである。
【００２４】
なお、本発明の上下制振構造を適用する多層建築物は、その全体もしくは制振対象の上層部の全体を積層ゴム等の免震装置によって水平方向に免震支持する免震構造と併用することも可能であり、それにより少なくとも上層部の制振対象層については上下方向のみならず水平方向についても十分な振動抑制効果を得ることができる。
勿論、上記実施形態はあくまで一例であって、本発明を適用する多層建築物の規模や用途はもとより主架構や支持架構の具体的な構造や形態その他の諸元については、本発明の要旨の範囲内において適宜の設計的変更が可能であることは当然である。
【符号の説明】
【００２５】
１  フィーレンデール架構
１ａ  間柱
２  主架構（制振対象とする振動エリア）
３  支持架構
４  付加制振機構
５  回転慣性質量ダンパー
５ａ  ボールナット
５ｂ  ボールねじ軸
５ｃ  フライホイール
６  付加ばね
７  支柱
８  取付部材
９  減衰要素
【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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