(57)【要約】【課題】３次元免震構造の免震建物に適用して、特に上下方向の振動を効果的に低減させ得る有効適切な上下制振システムを提供する。【解決手段】免震建物１とその基礎２との間に、免震建物を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための３次元免震装置３を介装するとともに、ＴＭＤ機構１０を３次元免震装置と並列に設置する。ＴＭＤ機構は、免震建物が基礎に対して上下方向に相対振動を生じた際に作動する慣性質量ダンパーを支持部材により支持してなり、慣性質量ダンパーによる慣性質量と支持部材の剛性により定まるＴＭＤ機構の固有周期を免震建物の上下方向の固有周期に同調させる。ＴＭＤ機構として、両端部に錘１１を装着した揺動アーム１２の中心部を支持して揺動アームを鉛直面内において揺動自在に略水平に配設した構成のものを用いる。揺動アームに生じる揺動を減衰させるための減衰装置１７を備える。【選択図】図１
2011106136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
免震建物とその基礎との間に、該免震建物を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための３次元免震装置を介装するとともに、該３次元免震装置と並列にＴＭＤ機構を設置し、
前記ＴＭＤ機構は、前記免震建物が基礎に対して上下方向に相対振動を生じた際に作動する慣性質量ダンパーを支持部材により支持してなり、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と前記支持部材の剛性により定まる前記ＴＭＤ機構の固有周期を免震建物の上下方向の固有周期に同調させてなることを特徴とする免震建物の上下制振システム。
【請求項２】
請求項１記載の免震建物の上下制振システムであって、
前記慣性質量ダンパーは、両端部に錘を装着した揺動アームの中心部を前記支持部材により支持して該揺動アームを鉛直面内において揺動自在に略水平に配設してなり、該揺動アームが免震建物の上下方向の相対振動に追随して揺動することによって前記錘の上下方向振動による慣性質量効果を生じることを特徴とする免震建物の上下制振システム。
【請求項３】
請求項２記載の免震建物の上下制振システムであって、
前記慣性質量ダンパーは、前記揺動アームに生じる揺動を減衰させる減衰装置を備えることを特徴とする免震建物の上下制振システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の水平振動と上下振動をともに低減させるための３次元免震構造に係り、特に免震建物の上下振動を効果的に減衰させ得る上下制振システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
建物を水平方向と上下方向の双方に免震支持するための３次元免震装置として、特許文献１や特許文献２に示されるものが提案されている。前者は積層ゴムからなる水平免震装置と皿ばね積層体からなる上下免震装置とを上下方向に積み重ねて一体に直列配置したものであり、後者はそれらを横方向に並設して並列配置したものである。
それらの３次元免震装置ではいずれも上下免震装置としての皿ばね積層体それ自体が振動減衰機能を有するものであって、それによる上下方向の減衰効果が自ずと得られるとされている。また、特許文献２には上下方向の振動エネルギーを吸収して必要な減衰を確保するとともに、減衰量の設定を容易に行うために、油圧ダンパー等のエネルギー吸収装置を上下免震装置と並列に別途設けるとの記載もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２１８６７８号公報
【特許文献２】特開２００１−４１２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１〜２に示される従来の３次元免震装置による場合には、特に上下方向の振動に対する充分な免震効果や減衰効果が得られず、したがってそれを可能とするより有効適切な上下制振システムの開発が望まれているのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明の免震建物の上下制振システムは、免震建物とその基礎との間に、該免震建物を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための３次元免震装置を介装するとともに、該３次元免震装置と並列にＴＭＤ機構を設置し、前記ＴＭＤ機構は、前記免震建物が基礎に対して上下方向に相対振動を生じた際に作動する慣性質量ダンパーを支持部材により支持してなり、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と前記支持部材の剛性により定まる前記ＴＭＤ機構の固有周期を免震建物の上下方向の固有周期に同調させてなることを特徴とする。
【０００６】
前記慣性質量ダンパーとしては、両端部に錘を装着した揺動アームの中心部を前記支持部材により支持して該揺動アームを鉛直面内において揺動自在に略水平に配設し、該揺動アームが免震建物の上下方向の相対振動に追随して揺動することによって前記錘の上下方向振動による慣性質量効果を生じる構成のものが好適に採用可能である。
また、そのような揺動アームによる慣性質量ダンパーを用いる場合においては、揺動アームに生じる揺動を減衰させるための減衰装置を備えることがより好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、地震時における免震建物の水平方向と上下方向の応答加速度を３次元免震装置によって充分に低減可能であり、特に慣性質量ダンパーによるＴＭＤ機構を３次元免震装置と並列に設置してそのＴＭＤ機構の固有周期を免震建物の固有周期に同調させることによって、免震建物の上下方向の応答加速度を大幅に低減させることができる。
また、慣性質量ダンパーとして揺動アームの両端部に錘を装着した形式のものを用いることにより、小質量の錘であっても大きな慣性質量効果が得られて優れた振動低減効果が得られる。
さらに、慣性質量ダンパーとしての揺動アームの揺動を減衰させるための減衰装置を備えることにより、上下方向の振動低減効果をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である免震建物の上下制振システムの概要図である
【図２】同、ＴＭＤ機構による振動低減効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を図１〜図２に示す。図１は免震建物１の底部と基礎２との間に設けた免震ピットを示すもので、その免震ピット内には、免震建物１を水平方向と上下方向の双方に対して免震支持するための３次元免震装置３が設置されている。
【００１０】
本例における３次元免震装置３は、水平免震装置３Ａと上下免震装置３Ｂとを上下に積み重ねて一体に直列配置したものである。
下段の水平免震装置３Ａは通常の積層ゴムからなり、鉛直剛性が高く水平剛性が低いという特性により免震建物１の水平方向の固有周期を増大させる（長周期化する）ものである。
一方、上段の上下免震装置３Ｂは、積層ゴムと同様に鋼板とゴムとを交互に積層して一体に接着したものであるが、通常の積層ゴムに比べて鉛直剛性が低く設定され、それにより免震建物１の上下方向（鉛直方向）の固有周期を増大させるものである。
その上下免震装置３Ｂは、水平免震装置３Ａとしての積層ゴムの上部フランジ４と、免震建物１の底面に固定されたホルダ５との間に介装されているが、ホルダ５の周縁部に形成されたストッパ６が水平免震装置３Ａの上部フランジ４に係合することによって、それら上部フランジ４とホルダ５は上下方向の相対変位が許容されつつ水平方向の相対変位は拘束されるようになっており、これにより上下免震装置３Ｂは水平方向の剪断力を受けることなく鉛直力のみを支持し得るものとなっている。
【００１１】
上記の３次元免震装置３は、特許文献１〜２に示される従来の３次元免震装置と同様に機能して水平方向と上下方向の双方に対して免震効果が得られるものであるが、特に上下免震装置３Ｂを積層ゴムと同様の形態のものとしたので、それを構成する鋼板とゴムとの積層枚数やそれらの厚みを調整することで上下方向の固有周期を自由にかつ幅広く調整することが可能なものである。
【００１２】
したがって本実施形態の制振システムでは、地震時における免震建物１の水平方向と上下方向の応答加速度を上記の３次元免震装置３によって充分に低減可能であるが、本実施形態ではそれに加えて上下方向の応答加速度をさらに低減させるべく、３次元免震装置３と並列にＴＭＤ機構（チューンドマスダンパー機構）１０を設置している。
【００１３】
周知のように、ＴＭＤ機構は錘の質量効果を利用して振動低減効果を得るものであって、その固有周期を振動低減対象物の固有周期に同調させることによって優れた振動低減効果が得られるものであるが、本実施形態では３次元免震装置３により免震支持した免震建物１が上下方向に振動した際にそれに追随してＴＭＤ機構１０を作動させるとともに、その固有周期を免震建物１の上下方向の固有周期に同調させることによって、免震建物１の上下方向の応答加速度を大幅に低減させることが可能である。
特に本実施形態におけるＴＭＤ機構１０は、両端部に錘１１を有する揺動アーム１２を揺動させるといういわば天秤式の形式の慣性質量ダンパーを用いたものとされており、それにより小質量の錘１１であっても大きな慣性質量効果が得られて優れた振動低減効果が得られるものである。
【００１４】
すなわち、図１に示すように本実施形態のＴＭＤ機構１０は、両端部に錘１１を装着した揺動アーム１２による慣性質量ダンパーを主体とするものであり、その揺動アーム１２の中心に支点１３ａを設定するとともに、そこから若干偏心する位置に支点１３ｂを設定し、免震建物１の底面に固定した上部支持部材１４の先端に一方の支点１３ａを軸支し、他方の支点１３ｂには下部支持部材１５の先端を連結してその下端を基礎２上面に設けた滑り面１６上に水平方向に滑動自在に支持させている。また、揺動アーム１２の両端部に装着した錘１１にはそれぞれオイルダンパー等の減衰装置１７の先端を連結し、それら減衰装置１７の基端を免震建物１の底面に対して固定している。
【００１５】
上記構成のＴＭＤ機構１０は、免震建物１が水平方向に振動した際（３次元免震装置３における水平免震装置３Ａが作動した際）にはそのまま免震建物１とともに水平方向に振動し、その際には下部支持部材１５の下端が滑り面１６上を水平方向に滑動してＴＭＤ機構１０全体の水平方向の変位が拘束されることはない。
また、免震建物１が上下方向に振動した際（３次元免震装置３における上下免震装置３Ｂが作動した際）には、上部支持部材１４と下部支持部材１５を介してそれぞれの支点１３ａ、１３ｂが上下方向に離接する方向に変位し、したがって揺動アーム１２はその全体が鉛直面内において揺動して図示しているようにその両端部が上下方向に振動することになる。その際、免震建物１と基礎２との間の上下方向の相対変位が「てこの原理」により拡大されて錘１１に伝達され、それら錘１１により生じる慣性質量は錘１１の実際の質量に比べて遙かに大きなものとなる。
具体的には、揺動アーム１２の中心から錘１１までの距離をＬとし、支点１３ａ、１３ｂ間の距離をｅとすると、錘１１の上下方向の振動加速度は免震建物１と基礎２との間の相対加速度に対してＬ／ｅ倍に拡大される。したがって、錘１１の実際の質量をＷとすると、免震建物１には（Ｌ／ｅ）２×Ｗの慣性質量に相対加速度を乗じた反力が伝達され、このような慣性質量をもつＴＭＤ機構１０により免震建物１の上下方向の加速度を効果的に低減させることができる。
【００１６】
そして、このような形式のＴＭＤ機構１０では、錘１１が生じる慣性質量を実際の質量Ｗの数百倍にも増大させることができ、したがって錘１１が充分に小型軽量であっても大きな慣性質量効果を発揮させることができる。
しかも、このＴＭＤ機構１０の固有周期は、慣性質量ダンパーとしての揺動アーム１２による慣性質量と、上部支持部材１４および下部支持部材１５の鉛直剛性とにより定まるものであり、揺動アーム１２による慣性質量は錘１１の質量Ｗや、揺動アーム１２に対する錘１１の装着位置（中心からの距離Ｌ）、支点１３ａ、１３ｂ間の距離ｅを調整することにより自由にかつ幅広く設定可能であるから、ＴＭＤ機構１０の固有周期を免震建物１の上下方向の固有周期に容易にかつ高精度で同調させることができる。
【００１７】
さらに、錘１１と免震建物１との間にオイルダンパー等の減衰装置１７を設置して、それら減衰装置１７により揺動アーム１２の揺動に対して適切な減衰を与えることにより、上下方向の制振システムとしてより効果的なものとなる。
【００１８】
図２は具体的な一設計例の場合における振動低減効果の検討結果を示す。
検討対象の諸元は、公知のＧ４タイプの積層ゴムを３次元免震装置と見なし、長期荷重Ｍ＝２０００ton、鉛直剛性Ｋ＝１００００ton/cm、上下方向の固有振動数を１１．１Hzと想定し、建物の上下振動での減衰定数ｈ＝０．０１とした。
ＴＭＤ機構１０における錘１１の実際の質量Ｗを１ton（片側）、Ｌ＝１５０ｃｍ、ｅ＝１５ｃｍとすると、揺動による慣性質量ｍ＝０．１Ｍ＝２００ton、上部支持部材１４および下部支持部材１５の鉛直剛性ｋ＝５５０ton/cm、減衰ｃ＝２．８ton/kineとした。
【００１９】
上記諸元の場合、３次元免震装置のみでＴＭＤ機構なしの場合には応答倍率が５０倍程度であるのに対し、ＴＭＤ機構を設置した場合には減衰装置がない場合であっても応答倍率を３５〜４０倍程度まで低減させることができ、さらに減衰装置を備えた場合には応答倍率を５倍程度にまで激減（ＴＭＤ機構なしの場合に比べて最大応答値が８８％低下）させることができる。
【００２０】
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明の要旨は慣性質量ダンパーを用いたＴＭＤ機構を３次元免震装置と並列に設置して免震建物の上下振動を低減させることにあり、その限りにおいて具体的な構成については上記実施形態に限定されることなく、たとえば以下に列挙するような設計的変更や応用が可能である。
【００２１】
本発明におけるＴＭＤ機構としては、上記実施形態のような揺動アームによる天秤式の慣性質量ダンパーを用いるものが好適ではあるが、それに限るものでもなく、たとえばフライホイールを回転させることにより得られる回転慣性質量を利用する形式のもの等、他の形式の慣性質量ダンパーを採用することも考えられる。
【００２２】
慣性質量ダンパーとして揺動アームによる天秤式のものを採用する場合においては、免震建物が基礎に対して相対的に上下振動を生じた際にそれに追随して揺動アームが上下方向に揺動し、かつ揺動アームやそれを支持する上下の支持部材に無用な水平力が作用しないように設置すれば良く、その限りにおいて揺動アームの形状や寸法、設置位置、揺動中心点となる支点の位置の設定、支持部材による支持の形態、その他の具体的な構成は適宜で良い。
たとえば上記実施形態では揺動アーム１２を上部支持部材１４を介して免震建物１に対して取り付け、下部支持部材１５は基礎２に対して滑り面１６により水平方向に変位可能としたが、全体の天地を逆にしてＴＭＤ機構を基礎２に対して取り付けて免震建物１に対しては水平方向に変位可能に構成しても同様に機能させることができる。
【００２３】
ＴＭＤ機構にはその作動を減衰させるための減衰装置を設置することが好ましく、上記実施形態の場合には慣性質量ダンパーとしての揺動アーム（すなわち錘）の揺動を減衰させるための減衰装置としてオイルダンパー等を付加することが好ましいが、それに限るものでもなく、慣性質量ダンパーの回転摩擦抵抗力のみで所望の減衰効果が得られる場合には減衰装置は省略可能である。
勿論、減衰装置を設置する場合にはオイルダンパーに限らず各種の減衰装置を採用可能であることはいうまでもないし、必ずしも揺動アームの両端部に設けることもない。
【００２４】
本発明における３次元免震装置は、上記実施形態のように水平免震装置としての積層ゴムの上部に、同じく積層ゴムの形態の上下免震装置を一体に組み付けた構成のものが好適に採用可能であるが、水平振動と上下振動の双方に対する免震効果が得られる（双方に対して長周期化し得る）ものであれば良く、その限りにおいて水平免震装置と上下免震装置とを別体としても良いし、それぞれの構成も任意である。
【符号の説明】
【００２５】
１  免震建物
２  基礎
３  ３次元免震装置
３Ａ  水平免震装置
３Ｂ  上下免震装置
４  上部フランジ
５  ホルダ
６  ストッパ
１０  ＴＭＤ機構
１１  錘
１２  揺動アーム（慣性質量ダンパー）
１３ａ，１３ｂ  支点
１４  上部支持部材（支持部材）
１５  下部支持部材（支持部材）
１６  滑り面
１７  減衰装置
【図１】
2011106136.tif 000003
【図２】
2011106136.tif 000004