(57)【要約】      （修正有）【課題】建築物の屋上又は屋内に設置される制振装置（ＴＭＤ）の過渡応答初期の応答低減効果を大きく高め、安価で取り付け容易で制振効果の高い建築物のＴＭＤ制振システムを提供する。【解決手段】制振システムは、地震時に建物への入力地震動を打ち消す方向に作用する重錘と、該重錘と建物との間に介装されるバネ及びダンパーとから成る制振装置（ＴＭＤ）と、該制振装置をロック状態に維持し、地震時にロック解除するトリガー装置４を備え、前記ＴＭＤのバネは、予め所定長さ伸縮させてＴＭＤの付加により建築物単体のときの振動モードの近傍に生じる固有振動数の近接した複数の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用して設定した初期変位が与えられると共に該初期変位がトリガー装置４で維持されており、地震時にロック状態が解除されて該初期変位が解放される。【選択図】図３
2011012427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築物の屋上又は屋内に設置される制振システムであって該制振システムは、地震時に建物への入力地震動を打ち消す方向に作用する重錘と、該重錘と建物との間に介装されるバネ及びダンパーとから成る制振装置（ＴＭＤ）と、該制振装置をロック状態に維持し、地震時にロック解除にするトリガー装置を備え、前記ＴＭＤのバネは、予め所定長さ伸縮させてＴＭＤの付加により建築物単体のときの振動モードの近傍に生じる固有振動数の近接した複数の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用して設定した初期変位が与えられると共に該初期変位がトリガー装置で維持されており、地震時にロック状態が解除されて該初期変位が解放されることを特徴とする建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システム
【請求項２】
前記初期変位は、うなりの包絡線の位相変化の大きさに係わる係数αの大きさで分けて、次の２つの近似式を用いて設定されることを特徴とする請求項１に記載の建築物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システム。
【数１】
2011012427.tif 000006
ただし、ｙ0は初期変位（ｍ）、ωaは制振建物とＴＭＤの固有円振動数の平均値、ｘ0はトリガーを解放する閾値として設定した制振建物の応答速度である。式中の（−）は制振建物の振動方向と逆の向き（ＴＭＤの振幅が大きくなる向き）に初期変位ｙ0を与えることを示す。初期変位の単位はm、速度の単位はm/secである。
【請求項３】
前記トリガー装置は、地震時の振動を検知する地震感知装置からの信号を受けて、地震時にトリガー装置のロック状態を解除する制御装置を備えていることを特徴とする請求項１乃至２に記載の建築物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システム。
【請求項４】
建築物内に前記制振装置（ＴＭＤ）とトリガー装置を具備する初期変位付与型ＴＭＤ制振システムが少なくとも２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の建築物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物に過渡応答初期の制振効果を高めることが可能な初期変位付与型ＴＭＤを設けた制振システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建物に地震動が作用したときの振動制御手法として、アクティブ型の振動制御手法とパッシブ型の振動制御手法が取られる。アクティブ型の振動制御手法は、アクチュエーターを用いて外乱を打ち消すように重錘を強制的に運動させて外乱による建物の振動を制御する手法である。しかし、この制御手法では、アクチュエーターを作動させるために別途外部からの大きなエネルギーが必要であり、振動制御装置が長大になるだけでなく、低次元化によるスピルオーバーのような危険な不安定現象が生じる可能性もあることから、アクチュエーターを制御するための複雑な制御則も必要となる。
【０００３】
パッシブ型の振動制御手法としては、建物にＴＭＤを設けるものがある。このＴＭＤは、重錘とバネとダンパーで構成され、構造物に取り付け共振させ大きく振動させることにより構造物の振動エネルギーを重錘の運動エネルギーとして吸収し、ダンパーの減衰力によりエネルギーを消散する振動制御手法である。このＴＭＤは支点を必要としないため設計の自由度が高く、吊り橋や斜張橋の主塔の強風振動に対する制振対策、スレンダーな高層ビルや鉄塔の強風や地震に対する制振対策、最近多く見られる大スパン床スラブの環境振動に対する対策など多くの分野で実績がある。
【０００４】
しかしながら、ＴＭＤの制振効果は定常状態を基本としているため、非定常な地震動に対するＴＭＤの制振効果はあまり大きくないことが分かっている。特に地震動を受けた場合には、応答の初期におけるＴＭＤを取り付けた建物の制振効果はあまり期待できない。これは、パッシブ型のＴＭＤでは、重錘を強制的に運動させる外部エネルギーがないため、重錘が外乱（地震動）により自ら動きだして安定した振動状態に至るまでは、制振効果が発現されないためである。このことがＴＭＤを地震動に対して適用を難しくする大きな課題となっている。
【０００５】
パッシブ型のＴＭＤを建物に組み込んで地震力に対する応答制御に利用した特許文献は多々あるが、ＴＭＤに初期変位を与えることにより代表的な過渡応答である衝撃力を受けたときの応答低減効果を高める先行技術としては、次の非特許文献１と非特許文献２に記述されているだけである。これら２件の文献には、建物にＴＭＤを取り付けることにより生じる近接した２つの（若しくはそれ以上）の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用して、ＴＭＤの初期変位の大きさでコントロールすることにより、過渡応答初期の応答低減効果を大きく高める方法については開示されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M.Abe and T.Igusa：Semi-Active Dynamic Vibration Absorbers for Controlling Transient Response, Journal of Sound and Vibration, Vol.198(5), pp.547-569, 1996．
【非特許文献２】田中信雄著「振動制御」養賢堂  ２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、建築物の屋上又は屋内に設置される制振装置（ＴＭＤ）のバネに、予め所定長さ伸縮させて初期変位を与えると共に該初期変位をトリガー装置で維持しておき、地震時にロック状態を解除して初期変位を解放し、その際にＴＭＤの初期変位を適切に与えることにより過渡応答初期の応答低減効果を大きく高め、安価で取り付け容易で制振効果の高い建築物のＴＭＤ制振システム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】
本発明の請求項１に係る建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムは、建築物の屋上又は屋内に設置される制振システムであって、該制振システムは、地震時に建物への入力地震動を打ち消す方向に作用する重錘と、該重水と建物との間に介装されるバネ及びダンパーとから成る制振装置（ＴＭＤ）と、該制振装置をロック状態に維持し、地震時にロック解除にするトリガー装置を備え、前記ＴＭＤのバネは、予め所定長さ伸縮させてＴＭＤの付加により建築物単体のときの振動モードの近傍に生じる固有振動数の近接した複数の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用して設定した初期変位が与えられると共に該初期変位がトリガー装置で維持されており、地震時にロック状態が解除されて該初期変位が解放されることを特徴としている。
【０００９】
従来の制振建築物に設けたＴＭＤは、制振効果は定常状態を基本としているため、非定常な地震動に対するＴＭＤの制振効果はあまり大きくないことが分かっている。特に地震動を受けた場合には、応答の初期におけるＴＭＤを取り付けた建物の制振効果はあまり期待できない。これは、パッシブ型のＴＭＤでは、重錘を強制的に運動させる外部エネルギーがないため、重錘が外乱（地震動）により自ら動きだして安定した振動状態に至るまでは、制振効果が発現されないためである。このことがＴＭＤを地震動に対して適用を難しくする大きな問題となっている。
【００１０】
しかし、本発明のＴＭＤは、単に初期変位を与えることによる減衰効果の向上を狙ったものではなく、固有振動数の近接した複数の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用するものである。具体的には、建築物にＴＭＤを１つ取り付けることにより、建築物単体のときの振動モードの近傍に固有振動数の近接した２つの振動モードが新たに生じる。これら２つの振動モードが時刻歴で重畳すると“うなり”が発生する。この場合、建物に複数個のＴＭＤを取り付ければ、その個数に応じた振動モードが新たに生じる。ＴＭＤの初期変位の付与により“うなり”の包絡線の位相を変化させることが可能となり、時刻歴応答曲線をコントロールすることが可能となる。ここで、ＴＭＤの初期変位を大きく設定すると、衝撃力を受けた直後の応答低減効果を極めて大きくすることができる。初期変位を小さめに設定すると、初期変位の大きい場合に比較して衝撃力を受けた直後の応答低減効果は若干劣るものの、時刻歴全体に亘る応答低減効果を大きく高めることができる。そのため、設計者は設計目的に応じて初期変位の大きさを変えることで、時刻歴応答曲線を制御可能となる。
【００１１】
図１に構造物単体の場合と、構造物に１個のＴＭＤを取り付けた場合の振動数応答曲線を比較する。図１に示すようにＴＭＤを１つ取り付けることにより、ＡモードとＢモードの２つの振動モードが構造物単体のときの振動モードの固有振動数の両脇に微小の振動数差を持って生じる。２個のＴＭＤを取り付けた場合は、３個の振動モードが生じることとなる。これらＡモードとＢモードの２つの振動モードが応答の時刻歴で重畳することにより“うなり”が生じる。本発明は“うなり”の周期中で包絡線の振幅が徐々に小さくなる領域を利用して、振幅が小さくなる時刻をＴＭＤの初期変位の大きさでコントロールすることにより、過渡応答初期の応答低減効果を大きく高めることができることに特徴を有し、そして、バネに予め“うなり”を考慮した初期変位(プレストレス)を与えておき、地震外力の入力の途中の適切な時刻に重錘を解放するという簡易な機構を用いることで、従来の制振建築物に設けたＴＭＤに比べてより高い制振効果を奏する建物のＴＭＤ制振システムを提供するものである。
【００１２】
本発明の請求項２に係る建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムは、請求項１において、前記初期変位が、うなりの包絡線の位相変化の大きさに係わる係数αの大きさで分けて、次の２つの近似式を用いて設定されることを特徴としている。
【数１】
2011012427.tif 000003
ただし、ｙ0は初期変位（ｍ）、ωaは制振建物とＴＭＤの固有円振動数の平均値、ｘ0はトリガーを解放する閾値として設定した制振建物の応答速度である。式中の（−）は制振建物の振動方向と逆の向き（ＴＭＤの振幅が大きくなる向き）に初期変位ｙ0を与えることを示す。初期変位の単位はm、速度の単位はm/secである。
【００１３】
上記構成によれば、うなりの包絡線の位相変化の大きさに係わる係数αの大きさで分けた式（１）を用いることにより、予めＴＭＤのバネを所定長さ伸縮させる初期変位を容易に設定できる。
【００１４】
本発明の請求項３に係る建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムは、請求項１乃至２において、前記トリガー装置が、地震時の振動を検知する地震感知装置からの信号を受けて、地震時にトリガー装置のロック状態を解除する制御装置を備えていることを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、前記トリガー装置が、地震時の振動を検知する地震感知装置からの信号を受けて、地震時にトリガー装置のロック状態を解除するので、地震時の振動の大きさに応じて、任意にトリガー装置のロック状態を解除するように調整できるだけでなく、地震発生時から任意の時間経過後にトリガー装置のロック状態を解除するように調整可能となる。
【００１６】
本発明の請求項４に係る建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムは、請求項１乃至３において、建築物内に前記制振装置（ＴＭＤ）とトリガー装置を具備する初期変位付与型ＴＭＤ制振システムが少なくとも２つ以上設けられていることを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、建築物内に前記制振装置（ＴＭＤ）とトリガー装置を具備する初期変位付与型ＴＭＤ制振システムが少なくとも２つ設けられるので、例えば、ビル等の多層式骨組構造の場合には、異なる層に分散して設けて各層毎の制振制御を可能とするのみならず、建築物内に設置した複数の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムの各トリガー装置の解放時期を調整することによって、本震に続いてやってくる複数回の余震に対しても対処可能となる。この場合、前記トリガー装置を、地震時の振動を検知する地震感知装置からの信号を受けて、地震時にトリガー装置のロック状態を解除するようにすれば、その制御も、もっと確実にできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の建物の初期変位付与型ＴＭＤ制振システムは、上記構成としたので、単にＴＭＤのバネに予め初期変位を与えることによる減衰効果の向上を狙ったものではなく、建築物へのＴＭＤの付加に起因して、固有振動数の近接した複数の振動モードが重畳することにより生じる“うなり”の包絡線の位相変化を利用して設定した初期変位を与えるものであることから、安価で取り付け容易な制振効果が高い建築物のＴＭＤ制振装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】構造物単体の場合と、構造物にＴＭＤを取り付けた場合における振動数応答曲線の比較を示した概念図である。
【図２】制振建物の構成を示した説明図である。
【図３】制振装置の初期変位の与え方を示した説明図である。
【図４】係数αとＴＭＤ初期変位の関係を示した説明図である。
【図５】初期変位付与型ＴＭＤの制御フローを示した説明図である。
【図６】ＴＭＤを数個に分割する方法を示した説明図である。
【図７】分割したＴＭＤを空間に分散式に配置する方法を示した説明図である。
【図８】ＴＭＤを２個に分割した場合の制御フローを示した説明図である。
【図９】モーターを用いたＴＭＤ装置の構成を示した説明図である。
【図１０】モーターを用いた場合の制御フローを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ＴＭＤの弱点である過渡応答初期における振動低減効果の向上を図るという目的を、バネに予め初期変位(プレストレス)を与えておき、地震入力の適切な時刻に重錘を解放するという簡易な機構を用いることにより実現した。
【実施例】
【００２１】
図２は初期変位付与型ＴＭＤが設置された制振建物の構成を示したものである。初期変位付与型ＴＭＤの装置は、重錘１、バネ２、ダンパー３、トリガー装置４で構成される。バネ２とダンパー３は制振建物を支点とし、他端に重錘１が接続されている。重錘１の重さは建物重量の１〜２％程度である。バネ２の固有円振動数ωTおよびダンパー３の減衰比ξTは、一般的に用いられている調和地盤振動に対する最適化の計算式である式（３）、式（４）、式（５）で計算される。地震が発生して制振建物の振動が始まると、制振建物内に設置された地震センサー５により制振建物の応答を観測して制御装置６に入力される。地震センサー５は設計時に実施した解析の結果得られた建物内で最も応答が大きいと予想される箇所に設置するか、制振建物内の数ヶ所に分散式に設置する。制御装置６で制振建物の応答速度を出力する。地震センサー５を数ヶ所に設置する場合は、数ヶ所の応答速度の最大値または平均値を求めて制振建物の応答速度とする。制振建物の応答速度がある閾値以下のときはトリガー装置４はロックされた状態にあり制振装置は作動しない。設計時に設定した応答速度の閾値を超えたときにトリガー装置４のロックが解除されて重錘１が解放されて制振装置が作動し、制振建物の応答が制御される。なお、本実施例では、トリガー装置４のロック解除が、地震センサー５及び制御装置６で制御される構成となっているが、これを、地震センサー５及び制御装置６を用いずに、トリガー装置４を地震の負荷により破断する材料で形成して、当該地震による負荷がトリガー装置４に作用したときトリガー装置４が破断してロックが解除され、次いで重錘１が解放されて制振装置が作動する構成にしてもよい。
【００２２】
【数２】
2011012427.tif 000004
ここで、ωsは制振建物の制御モードにおける固有円振動数、μは重錘１の質量比である。質量比μは重錘１の質量ｍの制振建物の制御モードにおける等価質量Ｍに対する比である。
【００２３】
制振装置の重錘１は、地震の無い平常時は図３に示すようにバネの伸縮が無い状態７から所定の長さにバネ２が伸縮されて初期変位ｙ0が付与された状態８にあり、トリガー装置４でロックされている。
【００２４】
初期変位ｙ0は、構造物にＴＭＤを組み込んだことにより生じる２つの振動モードが応答の時刻歴で重畳する結果生じる“うなり”の包絡線の位相変化の大きさに係わる係数αを用いて設定する。αを大きくすると“うなり”の包絡線の振幅が小さい領域が時刻歴の前方に移動することにより、トリガーを解放した直後の応答制御効果は非常に優れるが、後期の応答は逆に大きくなる。αを小さくすると、トリガーを解放した直後の応答制御効果はαが大きい場合に比べて若干劣るものの、時刻歴全体に亘る応答はよく制御される。通常はα＝0.2〜1.0の間に設定する。図４に建築物に設置されるＴＭＤの一般的な質量比である2.0％のときの係数αと（ωa・ｙ0／ｘ0)の関係を示す。ωaは制振建物とＴＭＤの固有円振動数の平均値、ｘ0はトリガーを解放する閾値として設定した制振建物の応答速度である。実用上は図４を線形で近似した式を用いて計算するものとし、初期変位ｙ0を“うなり”の包絡線の位相変化の大きさに係わる係数αの大きさで分けて、以下の２種類の式（１）又は式（２）を用いて設定する。
【数１】
2011012427.tif 000005
ωaは制振建物とＴＭＤの固有円振動数の平均値、ｘ0はトリガーを解放する閾値として設定した制振建物の応答速度である。式中の（−）は制振建物の振動方向と逆の向き（ＴＭＤの振幅が大きくなる向き）に初期変位ｙ0を与えることを示す。初期変位の単位はm、速度の単位はm/secである。
【００２５】
図５に本発明の初期変位付与型ＴＭＤの制御フローを示す。小さい地震動のように制振建物の応答速度が小さい場合にはトリガーは解放されずに維持された状態にあり、制振装置は作動しない。大地震を受けた場合のように、制振建物の応答速度が設計時に設定した閾値であるトリガー４を解除する制御目標速度を超えた場合は、時刻歴における応答速度のピーク時点でトリガー４を解放して制振装置を作動させる。
【００２６】
継続時間の長い地震動を受けた場合のように、制振建物を加力時間の全体に亘って１回の初期変位の解放のみで制振建物の応答を完全に制御することが難しい場合には、２回またはそれ以上の複数回の初期変位の付与と解放の動作を行う。
【００２７】
複数回の初期変位の解放を行うための手段として、ＴＭＤを数個に分割する方法がある。図６に示すように、初期変位を与えた数個の小型のＴＭＤを用意し、制振建物がトリガー装置４の閾値である制御目標速度に達した時点で、あらかじめ設定した順番で順次小型のＴＭＤを１個ずつ解放する。
【００２８】
ＴＭＤは図７に示すように空間に分散式に配置してもよい。ビル等の重層式骨組構造の場合は同一階ではなく、異なる階に分散式に配置してもよい。
【００２９】
図８にＴＭＤを２個に分割した場合の制御フローを示す。
【他の実施例】
【００３０】
複数回の初期変位の解放を行うための手段として、図９に示すように、重錘と支点の間にモーター９とワイヤー１０を取り付けて、モーター９でバネを縮めて重錘１に初期変位を与えたロック状態と、モーター９のロックを解除した状態を繰り返す方法がある。本方式はモーターの動力源が必要であるが、初期変位の解放は何回でも実行することが可能である。
【００３１】
重錘１を解放してから所定の初期変位の位置まで重錘１を移動するためにはモーターの作業時間が必要となる。そこでＴＭＤのロックを解除してからある設定時間Δtが経過した時点で重錘１を一度ロックし、制振建物がトリガー４の閾値となる制御目標速度に再び到達するまでの時間間隔をモーターの作業時間とし、構造物が制御目標速度に到達後に重錘１を再び解放する。Δtは初期変位の無い一般的なＴＭＤよりも初期変位付与型ＴＭＤの制振効果が高い時間である。ＴＭＤの質量比μが2.0％で、係数αが1.0のとき、Δtは1.31秒に設定する。図１０に本方式の制御フローを示す。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
制振効果が高く安価で取り付けが容易な制振装置を提供できることから、高層建築物や戸建て住宅などの地震に対する耐震補強、高層建築物での強風に対する制振補強全般への活用、さらに近年苦情が多発している大スパン床スラブの環境振動対策としての活用も期待できる。またＴＭＤは支点を必要としないことから設計の自由度が高く、形状が複雑な大スパン屋根構造への適用も有効である。
【符号の説明】
【００３３】
１  重錘
２  バネ
３  ダンパー
４  トリガー装置
５  地震センサー
６  制御装置
７  初期変位付与前の重錘の位置
８  初期変位付与後の重錘の位置
９  モーター
１０  ワイヤー
【図１】
2011012427.tif 000007
【図２】
2011012427.tif 000008
【図３】
2011012427.tif 000009
【図４】
2011012427.tif 000010
【図５】
2011012427.tif 000011
【図６】
2011012427.tif 000012
【図７】
2011012427.tif 000013
【図８】
2011012427.tif 000014
【図９】
2011012427.tif 000015
【図１０】
2011012427.tif 000016