(57)【要約】【課題】１つの高層建築物に対して簡便な構造で振動を低減させることができる制振システムを提供する。【解決手段】高層建築物２に構築される制振システム１において、高層建築物２における高さ方向の中間部から上側に位置する層の少なくとも一部に構築された柔層部３を有し、柔層部３は、柔層部３が構築されていない層よりも水平剛性が小さくなるように設定され、高層建築物２における中間層部分２１および上層部分２２（柔層部３が構築された層から上側に位置する層全体）の振動周期と、下層部分２３（柔層部３が構築された層よりも下側に位置する層全体）の振動周期とが同調するように構成されている。【選択図】図１
2019163678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高層建築物に構築される制振システムにおいて、
前記高層建築物における高さ方向の中間部から上側に位置する層の少なくとも一部に構築された柔層部を有し、
前記柔層部は、前記柔層部が構築されていない層よりも水平剛性が小さくなるように設定され、
前記高層建築物における前記柔層部が構築された層から上側に位置する層全体の振動周期と、前記柔層部が構築された層よりも下側に位置する層全体の振動周期とが同調するように構成されていることを特徴とする制振システム。
【請求項２】
前記柔層部は、前記高層建築物における高さ方向の中間部に構築されていることを特徴とする請求項１に記載の制振システム。
【請求項３】
前記柔層部は、前記高層建築物における高さ方向の上側に位置する複数層全体に構築されていることを特徴とする請求項１に記載の制振システム。
【請求項４】
前記柔層部が構築される層は、躯体の接合部の少なくとも一部がピン接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制振システム。
【請求項５】
前記柔層部は、複数の層に構築され、
前記柔層部が構築される複数の層は、それぞれ免震層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制振システム。
【請求項６】
前記柔層部は、複数の層に構築され、
前記柔層部が構築される複数の層は、１つの層が免震層で、その他の層が免震層以外で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制振システム。
【請求項７】
前記柔層部には、制振装置が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制振システム。
【請求項８】
前記柔層部は、変形量が所定値以上となる場合に変形を抑制する変形抑制機構を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の制振システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高層建築物に構築される制振システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、東北太平洋沖地震（２０１１年）や熊本地震（２０１６年）のように、これまでの想定を超える大地震が頻発しており、特に高さが２００ｍを超えるような超々高層建築物は、民間建築物であっても社会的な公共性を有し、通常の建築物以上に耐震安全性や災害時の建築物としての機能の継続性が求められる。一方、超々高層建築物特有の問題として、台風などの暴風時における揺れ、または遠隔地で起こった長周期地震での揺れがある。このため、超々高層建築物では、これらの問題に対して居住性を確保するニーズが高まっている。
【０００３】
高層建築物では、地震に対して以前から、オイルダンパーなどの制振装置を層間に付加することで応答低減を図る技術が広く採用されている。しかしながら、そうした層間にダンパーを設置して応答低減を図る設計方法では、建築計画上の設置台数の制約やダンパーそのものの最大減衰力といった性能の頭打ちによって、それら大地震に対して無被害や無損傷といったレベルまで応答性能を向上させることは困難であった。
また、地震による応答加速度は上階ほど大きくなる傾向があり、高層建築物の最上階といった一般に付加価値の高い居室ほど応答加速度が大きくなるといった課題があった。それらの問題を解決する方法として、高層建築物の重量をマスダンパーとして利用することにより、大きな制振効果を得る方法がある。以下に、従来技術の事例を挙げる。
【０００４】
（連結制振）
連結制振は、それぞれ異なる周期で揺れる２棟（または複数）の高層建築物をオイルダンパーなどの減衰機構で継ぎ、互いの揺れを干渉（同調）させることで揺れを打ち消し合って高層建築物の応答を低減する方法である。高層建築物が揺れる際の慣性力を利用するため、層間にダンパーを設置してエネルギーを吸収する方法と比べて、大きな減衰力が得られ応答低減効果が著しく大きい。
【０００５】
（中間階に免震層を配置した制振構造）
高層建築物の頂部からおよそ全高さの１/３程度に中間階免震層を設けて、高層建築物における免震層よりも上側の部分の重量をマスダンパーとして同調させて制振する設計方法がある。既に実際の高層建築物で実施された例もあり、連結制振同様に高層建築物の重量を利用するため制振効果は極めて高い。
【０００６】
（慣性質量ダンパーの周期伸長効果を利用して上側の部分と下側の部分とで同調させる制振構造）
１つの高層建築物を上側の部分と下側の部分とに区分けして、上側の部分のみに慣性質量ダンパーを付与することで、その付与したことによる周期の伸長効果を利用して、区分けした上側の部分と下側の部分とを同調させる制振構造の設計方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法では、高層建築物の本体の静的な水平剛性を変えることなく慣性質量ダンパーの付加のみで同調させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５２３８７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、連結制振では、２棟以上隣接して同規模程度の高層建築物が必要であること、互いの高層建築物の周期がちょうど同調するような異なる周期であることなど、実現するには条件が多く汎用性が低いといった問題がある。
また、中間階に免震層を配置した制振構造では、免震層に地震時または暴風時の応答変形が集中するため、数十ｃｍから１ｍ以上の変形がその層に生じる可能性がある。よって、エレベーター・設備配管といった縦シャフトは免震層の動きに追従できる必要があり、それら設備機器には大掛かりな免震エキスパンションが必要である。また、万が一、免震層の変形が限界変形を超えるような場合の対処としてフェールセーフを検討しておく必要があるといった課題がある。
また、慣性質量ダンパーの周期伸長効果を利用して、高層建築物の上側の部分と下側の部分とを同調させる制振構造では、周期を同調させるのに必要な慣性質量が現実的な値に対し非常に大きく（例えば、１層あたりの慣性質量が数十万ｔｏｎから数百万ｔｏｎ必要となる）、実在する慣性質量ダンパーを用いて必要なだけの質量を、実際の高層建築物の限られたフロアエリアに設置するのは極めて困難であった（例えば、１層あたりの設置台数が数十台から数百台となる）。ゆえに、未だこの設計方法が広く普及するに至っていない。
【０００９】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、１つの高層建築物に対して簡便な構造で振動を低減させることができる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】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る制振システムは、高層建築物に構築される制振システムにおいて、前記高層建築物における高さ方向の中間部から上側に位置する層の少なくとも一部に構築された柔層部を有し、前記柔層部は、前記柔層部が構築されていない層よりも水平剛性が小さくなるように設定され、前記高層建築物における前記柔層部が構築された層から上側に位置する層全体の振動周期と、前記柔層部が構築された層よりも下側に位置する層全体の振動周期とが同調するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、高層建築物の中間部から上側の層に柔層部を構築し、柔層部から上側の層前端の振動周期と、柔層部よりも下側の層全体の振動周期とが同調するように構成されている。これにより、１つの高層建築物において、地震や風による振動が生じた際に、柔層部から上側の層と、柔層部よりも下側の層とが互いに振動を打ち消すような振動系を形成することができ、高層建築物の重量の一部をマスダンパーとして利用することができる。
これにより、中小地震から大地震まで幅広い範囲での加速度応答および変形応答の大幅な低減を実現することができるとともに、季節風から極めてまれに発生する風まで幅広い範囲での加速度応答および変形応答の大幅な低減を実現することができる。
このように、本発明では、１つの高層建築物に対して簡便な構造で生じた振動を低減させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部は、前記高層建築物における高さ方向の中間部に構築されていてもよい。
このような構成とすることにより、前記柔層部が構築された中間部の層よりも上側の層は、その水平剛性を柔層部の水平剛性よりも大きく設定することができるため、中間層よりも上側の層における層間変形を小さく設定することができる。
【００１３】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部は、前記高層建築物における高さ方向の上側に位置する複数層全体に構築されていてもよい。
このような構成とすることにより、地震や風による変形を柔層部の複数層全体に分散させることができるため、柔層部が１つの層に構築されている場合と比べて、柔層部が構築された各層の層間変形を小さく設定することができる。
【００１４】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部が構築される層は、躯体の接合部の少なくとも一部がピン接合されていてもよい。
このような構成とすることにより、柔層部の水平剛性を低下させることができる。また、各接合部をピン接合とするかどうかを設定することで、所望の水平剛性を有する柔層部を容易に設計することができる。
【００１５】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部は、複数の層に構築され、前記柔層部が構築される複数の層は、それぞれ免震層であってもよい。
このような構成とすることにより、柔層部の水平剛性を低下させることができる。
また、免震層が複数の層に構築されることにより、免震層の変形を分散できて１つの免震層あたりの変形を抑えることができる。このため、免震層の免震装置に過大な変形が生じることを防止することができる。
【００１６】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部は、複数の層に構築され、前記柔層部が構築される複数の層は、１つの層が免震層で、その他の層が免震層以外で構成されていてもよい。
このような構成とすることにより、柔層部のうちの免震層となる層とその他の層とを異なる挙動となるように構成することができる。例えば、柔層部のうちの免震層となる層の変形をその他の層よりも大きく設定することにより、免震層以外の層の変形を抑えることができ、居住性を高めることができる。
【００１７】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部には、制振装置が設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、柔層部において集中的に振動エネルギーを吸収することができ、さらに同調効果によって通常建物よりも大きな減衰が得られ、建物全体の振動を低減させることができる。特に、大きな応答加速度が生じる最上階付近の振動を低減させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る制振システムでは、前記柔層部は、変形量が所定値以上となる場合に変形を抑制する変形抑制機構を有してもよい。
このような構成とすることにより、柔層部が過大変形することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、１つの高層建築物に対して簡便な構造で振動を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態による制振システムが構築された高層建築物を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部分拡大図である。
【図２】（ａ）は柔層部の大梁と柱との端部接合部の第１例を示す図、（ｂ）は柔層部の大梁と柱との端部接合部の第２例を示す図、（ｃ）は柔層部の大梁と柱との端部接合部の第３例を示す図、（ｄ）は柔層部の大梁と柱との端部接合部の第４例を示す図である。
【図３】ＴＭＤの振動モデルを示す図である。
【図４】（ａ）は多質点系モデルを示す図、（ｂ）は１次縮約質点系モデルを示す図である。
【図５】２質点系固定ベクトルを示す図である。
【図６】第１実施形態における略算に基づく中間層柔層剛性を有する系の応答倍率曲線（２０層を示すグラフである。
【図７】本実施形態における有効質量比と同調剛性係数の適用範囲を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態による制振システムが構築された高層建築物を示す正面図である。
【図９】（ａ）は同調剛性係数と有効質量比との関係を示すグラフ、（ｂ）は同調剛性係数と有効質量比との関係を示すグラフである。
【図１０】第２実施形態における略算に基づく中間層柔層剛性を有する系の応答倍率曲線（２０層を示すグラフである。
【図１１】質量比と最適減衰定数の関係を示すグラフである。
【図１２】第３実施形態による制振システムが構築された高層建築物の柔層部示す図である。
【図１３】各階に制振装置を設置した柔層部を示す図である。
【図１４】（ａ）は制振装置を複数並列配置した柔層部を示す図、（ｂ）は制振装置の配列の第１例を示す図で（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する図、（ｃ）は制振装置の配列の第２例を示す図で（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する図、（ｄ）は制振装置の配列の第３例を示す図で（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する図、（ｅ）は制振装置の配列の第４例を示す図で（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する図である。
【図１５】（ａ）は第４実施形態による制振システムが構築された高層建築物を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部分拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１６】（ａ）は変形前のフェールセーフ機構を示す図、（ｂ）は変形後のフェールセーフ機構を示す図である。
【図１７】フェールセーフ機構が設けられたシアリンクの要素モデルを示す図である。
【図１８】（ａ）は検討用入力地震動の告示八戸ＮＳＬｖ２を示す図、（ｂ）は検討用入力地震動の相模トラフ地震模擬波を示す図、（ｃ）は検討用入力地震動の都心南部直下地震模擬波を示す図である。
【図１９】（ａ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｂ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｃ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフである。
【図２０】（ａ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層変形を示すグラフ、（ｂ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層変形を示すグラフ、（ｃ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層変形を示すグラフである。
【図２１】（ａ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｂ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｃ）は第１モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフである。
【図２２】（ａ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｂ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｃ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフである。
【図２３】（ａ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層変形を示すグラフ、（ｂ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層変形を示すグラフ、（ｃ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層変形を示すグラフである。
【図２４】（ａ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｂ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｃ）は第２モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフである。
【図２５】（ａ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｂ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフ、（ｃ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する最大応答値を示すグラフある。
【図２６】（ａ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層変形を示すグラフ、（ｂ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層変形を示すグラフ、（ｃ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層変形を示すグラフである。
【図２７】（ａ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（告示八戸ＮＳＬｖ２）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｂ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（相模トラフ地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフ、（ｃ）は第３モデルおよび従来の制振システムの入力地震動（都心南部直下地震模擬波）に対する層間変形角を示すグラフである。
【図２８】上層部分（５０Ｆ）の風応答時刻歴の例（再現期間５００年風荷重）を示すグラフである。
【図２９】下層部分（３０Ｆ）の風応答時刻歴の例（再現期間５００年風荷重）を示すグラフである。
【図３０】上層部分（５０Ｆ）の応答倍率曲線を示すグラフである。
【図３１】下層部分（２０Ｆ）の応答倍率曲線を示すグラフである。
【図３２】（ａ）は相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と絶対加速度応答との関係を示すグラフ、（ｂ）は相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と層変位応答との関係を示すグラフ、（ｃ）は相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と層間変形角との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による制振システムについて、図１乃至図７に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、第１実施形態による制振システム１は、例えば２００ｍを超えるような高層建築物（超々高層建築物）２に構築されている。高層建築物２における高さ方向の中間部分の連続する複数の階（層）を中間層部分２１、中間層部分２１よりも上側の連続する複数の階全体を上層部分２２、中間層部分２１よりも下側の連続する複数の階全体を下層部分２３とする。図１（ａ）では、高層建築物２の３０−４５階が中間層部分２１、４６−６５階が上層部分２２、１−２９階が下層部分２３となっている。
本実施形態による制振システム１は、高層建築物２の中間層部分２１を上層部分２２および下層部分２３よりも水平剛性の小さい柔層部３とし、上層部分２２の振動周期と下層部分２３の振動周期とが同調するように構成されている。
【００２２】
柔層部３は、例えば、以下（ａ）〜（ｅ）のような方法で上層部分２２および下層部分２３と比べて水平剛性が小さくなるように柔層化されている。
（ａ）柔層部３の各階の階高を上層部分２２および下層部分２３の各階の階高よりも大きくする。
（ｂ）柔層部３の各階の大梁３１や柱３２の端部接合部３３の少なくとも一部をピン接合とする（例えば図１（ｂ）および図２参照）。
（ｃ）柔層部３では水平剛性を高めるために用いられる耐震間柱や耐震ブレースなどを省略、または上層部分２２および下層部分２３よりも少なく配置し、柔層部３の水平剛性を上層部分２２および下層部分２３の水平剛性よりも相対的に小さくする。
（ｄ）上層部分２２および下層部分２３に耐震間柱や耐震ブレースを追加して、上層部分２２および下層部分２３の水平剛性を柔層部３の水平剛性よりも相対的に大きくする。
（ｅ）柔層部３の各階の大梁３１の梁せいを上層部分２２および下層部分２３の各階の大梁３１の梁せいよりも小さくし、柔層部３の水平剛性を上層部分２２および下層部分２３の水平剛性よりも相対的に小さくする。
【００２３】
本実施形態による制振システム１では、中間層部分２１を上層部分２２および下層部分２３よりも水平剛性の小さい柔層部３とすることによって、上層部分２２と下層部分２３とが同調するような振動系を形成するように構成されている。
一般に、建築物（高層建築物）の制振デバイスとしては、例えば、ＴＭＤ（チューンドマスダンパー）などと呼ばれるマスダンパーが知られている。通常、マスダンパーは、質量比（μ：ＴＭＤ質量と建築物の有効質量の比）が大きいほど制振効果が増加する性質がある。主に風揺れ用のＴＭＤでは建築物の頂部などに質量比１％程度以下が付加される。
近年では、１０００ｔｏｎを超えるような地震対策用の大型ＴＭＤが開発され、実用化されてはいるが、付加した質量比（μ）の実積としては５％程度が最大である。
これに対し、本実施形態による制振システム１では、単一の高層建築物２における高層建築物２そのものの質量を利用するため、５０％を超えるような質量比（μ）を実現することが可能である。したがって、従来のＴＭＤよりもはるかに大きい制振効果（減衰力）を得ることができる。
【００２４】
次に、高層建築物２の上層部分２２をマスダンパーとして下層部分２３に同調させるために、柔層部３をどの程度柔層化させれば良いかについて説明する。
通常、柔層部３をどの程度柔層化させれば良いかについては、ＴＭＤの設計に用いられる「定点理論」を利用して設定する。ただし、本実施形態においては、柔層部３の水平剛性を利用して、上層部分２２をマスダンパーとして下層部分２３に同調させるため、柔層部３の複数層の水平剛性を以下のように設定する。
【００２５】
図３に示すように、一般に、ＴＭＤの設計においては、高層建築物２全体の１次有効質量からなる質点に、ＴＭＤの質量を付加した２質点系で構成したうえで定点理論を適用し、ＴＭＤの周期（剛性）を決定している。例えば、振り子形式のＴＭＤにおいては、その吊り長さを利用して同調させている。レール形式や支承材で錘を支持する形式のＴＭＤにおいては、コイルバネや積層ゴムといった復元材の剛性を利用して同調させている。
【００２６】
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、柔層部３の各層の水平剛性を直列するバネと見なすことによって、同調剛性を実現させる。また、定点理論を基にした水平剛性の最適同調条件を求めるため、中間層部分２１（柔層部３）および上層部分２２を合わせた領域における１次有効質量および１次有効剛性を求めるとともに、下層部分２３における１次有効質量および１次有効剛性を求め、図４（ｂ）に示すような１次縮約の２質点系を構成して有効質量比を算出する。
【００２７】
１次縮約の２質点系の有効質量比は、まず、中間層部分２１および上層部分２２を合わせた領域における１次有効質量を下式（１）から求め、下層部分２３における１次有効質量を下式（２）から求める。そして、下式（３）から１次縮約の２質点系の有効質量比を算出する。
【００２８】
【数１】
2019163678.tif 000003
【００２９】
この１次縮約の２質点系に対してＴＭＤと同様に定点理論における最適値を導出し、マスダンパー化する中間層部分２１および上層部分２２からなる質点の周期が最適同調周期を満足するように中間層部分２１（柔層部３）の水平剛性を決定する。
実際の高層建築物２においては、決定した柔層部３の水平剛性に近づくように架構の部材断面や端部接合条件、またはブレースなどの耐震要素の追加または省略で調整する。
【００３０】
すなわち、柔層部３の各階に設定すべき水平剛性は、最適同調となる縮約した２質点系と同様の周期または有効水平剛性となるようにすれば良い。ただし、具体的な値については、トライ＆エラーで複数回、固有値解析を行って見つけ出す必要がある。
本実施形態では、そういった煩雑な作業を回避するために、略算的に設計パラメータを求めることが可能である。以下に、その柔層部３の水平剛性を決定するための略算手法を示す。
【００３１】
（ステップ１−１）
Ａｉ分布を想定した高層建築物２の水平剛性として、上層部分２２と中間層部分２１（柔層部３）の層数を決定し、下式（４）を用いて１次有効質量を求める。
【００３２】
【数２】
2019163678.tif 000004
【００３３】
（ステップ１−２）
下式（５）を用いて下層部分２３の１次有効質量を求める。
【００３４】
【数３】
2019163678.tif 000005
【００３５】
（ステップ１−３）
下式（６）を用いて１次の有効質量比を求める。
【００３６】
【数４】
2019163678.tif 000006
【００３７】
（ステップ１−４）
下式（７）を用いて最適振動数比λoptを求める。
【００３８】
【数５】
2019163678.tif 000007
【００３９】
（ステップ１−５）
下式（８）を用いて下層部分２３の１次周期１ＴＢを略算する。
ここで、１ＴＢは高層建築物２全体の１次周期、ｎは全層数、ｋは下層部分２３の層数を示す。
【００４０】
【数６】
2019163678.tif 000008
【００４１】
（ステップ１−６）
下式（９）を用いて上層部分２２の１次周期１ＴＵを略算する。
ここで、β＝（ｈ／ｎ）＾０．２５、ｈは上層部分２２の層数（ｈ＝ｎ−ｋ）を示す。
【００４２】
【数７】
2019163678.tif 000009
【００４３】
（ステップ１−７）
下式（１０）を用いて最適(１次)有効剛性１Ｋｕ，оｐｔを求め、下式（１１）を用いて上層部分２２の最適(１次)周期１Ｔｕ,ｏｐｔを求める。
【００４４】
【数８】
2019163678.tif 000010
【００４５】
（ステップ１−８）
下式（１２）を用いてτ（＝１Ｔｕ/１Ｔｕ,ｏｐｔ）を求め、下式（１３）−（１７）を用いて中間層部分２１のみを柔層化する場合の同調剛性係数ζを求める。
図５に示すような２質点系の固有ベクトルの比ｒ＝ｒ２／ｒ１を定義する。
【００４６】
【数９】
2019163678.tif 000011
【００４７】
（ステップ１−９）
式（１７）で求めた中間層部分２１の同調剛性係数ζを中間層部分２１の各層に乗じて、略算的に中間層部分２１の各層の水平剛性を求める。
このようにして柔層部３（中間層部分２１）の各層の水平剛性が求められる。
【００４８】
次に、上記ステップ１−１〜９に基づく柔層部３の水平剛性を決定するための略算手法で求めた柔層部３の水平剛性を付与した検討例を以下に示す。対象となる高層建築物２は、全体が５０層の高層建築物２とし、中間層部分２１が１０層、上層部分２２が１０層、下層部分２３が３０層とする。
【００４９】
（ステップ１−１）
Ａｉ分布を想定した高層建築物２の水平剛性として、上層部分２２と中間層部分２１の層数を決定し、上記の式（４）を用いて１次有効質量を求める。
【００５０】
【数１０】
2019163678.tif 000012
【００５１】
（ステップ１−２）
上記の式（５）を用いて下層部分２３の１次有効質量を求める。
【００５２】
【数１１】
2019163678.tif 000013
【００５３】
（ステップ１−３）
式（６）を用いて１次の有効質量比を求める。
【００５４】
【数１２】
2019163678.tif 000014
【００５５】
（ステップ１−４）
上記の式（７）を用いて最適振動数比λoptを求める。
【００５６】
【数１３】
2019163678.tif 000015
【００５７】
（ステップ１−５）
上記の式（８）を用いて下層部分２３の１次周期１ＴＢを略算する。
【００５８】
【数１４】
2019163678.tif 000016
【００５９】
（ステップ１−６）
上記の式（９）を用いて上層部分２２の１次周期１ＴＵを略算する。
【００６０】
【数１５】
2019163678.tif 000017
【００６１】
（ステップ１−７）
上記の式（１０）を用いて最適(１次)有効剛性１Ｋｕ，оｐｔを求め、上記の式（１１）を用いて上層部分２２の最適(１次)周期１Ｔｕ,ｏｐｔを求める。
【００６２】
【数１６】
2019163678.tif 000018
【００６３】
（ステップ１−８）
上記の式（１２）を用いてτ（＝１Ｔｕ/１Ｔｕ,ｏｐｔ）を求め、上記の式（１３）−（１７）を用いて中間層部分２１のみを柔層化する場合の同調剛性係数ζを求める。
【００６４】
【数１７】
2019163678.tif 000019
【００６５】
（ステップ１−９）
中間層部分２１の各層の水平剛性ｋｉを０．１５７倍し、最適同調剛性に近似する柔層部３の水平剛性を求める。
【００６６】
図６に上記の略算に基づき決定した柔層部３が水平剛性を有する５０質点系について、２０層における周波数応答倍率を示す。これより、略算で求めた柔層部３の水平剛性によって同調していることが確認できる。
【００６７】
本実施形態における柔層部３の設計範囲は、下記の通り定義することができる。図７には、本実施形態における有効質量比と同調剛性係数の適用範囲を示す。
【００６８】
【数１８】
2019163678.tif 000020
【００６９】
次に、上述した第１実施形態による制振システム１の作用・効果について図面を用いて説明する。
上述した第１実施形態による制振システム１では、高層建築物２の上層部分２２に柔層部３を設け、柔層部３から上側の上側部分の振動周期と、柔層部３の下側の下側部分の振動周期とが同調するように構成されている。これにより、１つの高層建築物２において、地震や風による振動が生じた際に、柔層部３から上層部分２２と、柔層部３の下層部分２３とが互いに振動を打ち消すような振動系を形成することができ、高層建築物２の重量の一部をマスダンパーとして利用することができる。
これにより、中小地震から大地震まで幅広い範囲での加速度応答および変形応答の大幅な低減を実現することができるとともに、季節風から極めてまれに発生する風まで幅広い範囲での加速度応答および変形応答の大幅な低減を実現することができる。
このように、１つの高層建築物２に対して簡便な構造で生じた振動を低減させることができる。
【００７０】
また、第１実施形態では、柔層部３は、高層建築物２の高さ方向の中間部に位置する中間層部分２１に設けられている。これにより、柔層部３が設けられた中間層部分２１以外の上層部分２２および下層部分２３は、その水平剛性を中間層部分２１（柔層部３）の水平剛性よりも大きく設定することができるため、中間層部分２１よりも層間変形を小さく設定することができる。
【００７１】
（第２実施形態）
次に、他の実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。
図８に示すように、第２実施形態による制振システム１Ｂでは、高層建築物２Ｂにおける高さ方向の上側の連続する複数の階全体を上層部分２２Ｂ、上層部分２２Ｂよりも下側の連続する複数の階全体を下層部分２３Ｂとしている。
第２実施形態による制振システム１Ｂは、高層建築物２の上層部分２２Ｂ全体を下層部分２３Ｂよりも水平剛性の小さい柔層部３Ｂとし、上層部分２２Ｂの振動周期と下層部分２３Ｂの振動周期とが同調するように構成されている。
【００７２】
第２実施形態における上層部分２２Ｂの水平剛性は、第１実施形態において、中間層部分２１の水平剛性を上層部分２２および下層部分２３の水平剛性と比べて小さくなるようにするのと同様の方法で、下層部分２３Ｂの水平剛性と比べて小さくなるように設定されている。
【００７３】
以下に、第２実施形態における柔層部３Ｂの水平剛性を決定するための略算手法を示す。
【００７４】
（ステップ２−１）
Ａｉ分布を想定した高層建築物２の水平剛性として、上層部分２２Ｂの層数を決定し、式（１８）を用いて１次有効質量を求める。
【００７５】
【数１９】
2019163678.tif 000021
【００７６】
（ステップ２−２）
同様に式（１９）を用いて、下層部分２３の１次有効質量を求める。ただし、下層部分２３においては下式による係数を乗じた値を採用する。
【００７７】
【数２０】
2019163678.tif 000022
【００７８】
（ステップ２−３）
式（２０）を用いて１次の有効質量比を求める。
【００７９】
【数２１】
2019163678.tif 000023
【００８０】
（ステップ２−４）
式（２１）を用いて最適振動数比λoptを求める。
【００８１】
【数２２】
2019163678.tif 000024
【００８２】
（ステップ２−５）
式（２２）を用いて下層部分２３の１次周期１ＴＢを略算する。
【００８３】
【数２３】
2019163678.tif 000025
【００８４】
（ステップ２−６）
式（２３）を用いて上層部分２２Ｂの１次周期１ＴＵを略算する。
【００８５】
【数２４】
2019163678.tif 000026
【００８６】
（ステップ２−７）
式（２４）を用いて最適(１次)有効剛性を求め、式（２５）を用いて上層部分２２Ｂの最適(１次)周期１Ｔｕ,ｏｐｔを求める。
【００８７】
【数２５】
2019163678.tif 000027
【００８８】
（ステップ２−８）
式（２３）で求めた上層部分２２Ｂの１次周期１ＴＵと、式（２５）で求めた上層部分２２Ｂの最適(１次)周期１Ｔｕ,ｏｐｔと、の比：τを求め（式（２６）参照）、その２乗を柔層化する層の各層に乗じる（式（２７）参照）ことで、最適同調を満足するような柔層化後の各層剛性ｋｉ´を求めることができる。
ここで、ｋｉは上層部分２２の任意の層ｉの水平剛性と定義し、τ２を同調剛性係数ζ（ゼータ）と定義する（式（２８）参照）。
【００８９】
【数２６】
2019163678.tif 000028
【００９０】
図９（ａ）に略算で求めた同調剛性係数ζと有効質量比との関係を示し、図９（ｂ）に略算で求めた同調剛性係数ζと層数との関係を示す。
【００９１】
次に、上記ステップ２−１〜８に基づく柔層部３Ｂの水平剛性を決定するための略算手法で求めた柔層部３Ｂの水平剛性を付与した検討例を以下に示す。対象となる高層建築物２は、全体が５０層の高層建築物２とし、上層部分２２Ｂが２０層、下層部分２３が３０層とする。
【００９２】
（ステップ２−１）
Ａｉ分布を想定した高層建築物２の水平剛性として、上層部分２２Ｂの層数を決定し、上記の式（１８）を用いて１次有効質量を求める。
【００９３】
【数２７】
2019163678.tif 000029
【００９４】
（ステップ２−２）
上記の式（１９）を用いて、下層部分２３の１次有効質量を求める。
【００９５】
【数２８】
2019163678.tif 000030
【００９６】
（ステップ２−３）
上記の式（２０）を用いて１次の有効質量比を求める。
【００９７】
【数２９】
2019163678.tif 000031
【００９８】
（ステップ２−４）
上記の式（２１）を用いて最適振動数比λoptを求める。
【００９９】
【数３０】
2019163678.tif 000032
【０１００】
（ステップ２−５）
式（２２）を用いて下層部分２３の１次周期１ＴＢを略算する。
【０１０１】
【数３１】
2019163678.tif 000033
【０１０２】
（ステップ２−６）
上記の式（２３）を用いて上層部分２２Ｂの１次周期１ＴＵを略算する。
【０１０３】
【数３２】
2019163678.tif 000034
【０１０４】
（ステップ２−７）
上記の式（２４）を用いて最適(１次)有効剛性を求め、上記の式（２５）を用いて上層部分２２Ｂの最適（１次）周期１Ｔｕ，ｏｐｔを求める。
【０１０５】
【数３３】
2019163678.tif 000035
【０１０６】
（ステップ２−８）
上記の式（２６）〜（２８）を用いて上層部分２２Ｂの最適(１次)周期１Ｔｕ,ｏｐｔと、の比：τ、および同調剛性係数ζを求める。
【０１０７】
【数３４】
2019163678.tif 000036
【０１０８】
したがって、上層部分２２Ｂの各層の水平剛性ｋｉを０．２６６倍すれば最適同調を満足する柔層部３Ｂの水平剛性が得られる。
ここで、略算と固有値解析で求めた１ＴＢ、１ＴＵおよび１ＴＵ,ｏｐｔを比較する。
・固有値解析
１ＴＢ＝３．４８８秒、１ＴＵ＝３．０２３秒、１ＴＵ,ｏｐｔ＝５．６７５秒→ζ＝τ２＝０．２８４
・略算
１ＴＢ＝３．６１４秒、１ＴＵ＝３．０３１秒、１ＴＵ,ｏｐｔ＝５．８７６秒→ζ=τ２＝０．２６６
【０１０９】
このように、固有値解析による清算と略算の比は、０．２６６/０．２８４＝０．９３７であり、７％以下の誤差程度と軽微であるため実用上は問題なく略算法を使用できるといえる。
図１０に略算に基づき決定した柔層部３Ｂの水平剛性を有する５０質点系について、２０層における周波数応答倍率を示す。３．８秒および６．５秒付近を通る減衰に依らない定点の高さが、ほぼ等しいことから同調していることが確認できる。
なお、最適減衰は定点理論より下式（２９）で求められる。
【０１１０】
【数３５】
2019163678.tif 000037
【０１１１】
この例においてμ＝０．６２７より、ｈｏｐｔ＝０．３８０で３８％となる。
図１１に質量比と最適減衰定数との関係を示す。
【０１１２】
第２実施形態による制振システム１Ｂでは、第１実施形態と同様の効果を奏する。
また、第２実施形態による制振システム１Ｂでは、柔層部３Ｂは、高層建築物２の高さ方向の中間部から上側となる上層部分２２Ｂの全体に構築されている。これにより、地震や風による変形を柔層部３Ｂの上層部分２２Ｂの全体に分散させることができるため、柔層部３Ｂの各層の層間変形を小さく設定することができる。
【０１１３】
（第３実施形態）
図１２に示す第３実施形態による制振システム１Ｃでは、第１実施形態と同様に、中間層部分２１に柔層部３Ｃが構築されている。第３実施形態による制振システム１Ｃでは、柔層部３Ｃに制振装置４が設けられている。
制振装置４としては、例えば、オイルダンパーなどの粘性系の制振装置４  や、履歴性、質量系の制振装置４などが採用されている。
【０１１４】
柔層部３は上層部分２２や下層部分２３（図１参照）よりも変形しやすいため、制振装置４は、柔層部３に設置されたほうが上層部分２２や下層部分２３に設置された場合よりも効率的にエネルギー吸収が可能となる。また、図１１に示すように、定点理論における最適減衰は、質量比が大きいほど最適減衰定数も増加するため、柔層部３に制振装置４を設置することにより、減衰量を増加することができる。
したがって、第３実施形態では、大きな質量比を実現できることによって、一般的な各層に制振装置を配置するような制振構造よりも大きな減衰を付与することが出来る。なお、柔層部３に付与する減衰は必ずしも最適減衰が上限ではなく、柔層部３の変形を抑制するためには、最適減衰よりも大きな減衰を付与した方が良い場合がある。このため、柔層部３には、最適減衰より大きな減衰を付与してもよい。
【０１１５】
第３実施形態では、制振装置４を以下のように配置している。
まず、制振装置４を複数の層にわたって層跨ぎ配置する場合について説明する。
図１２に示すように、制振装置４を層跨ぎ配置すると、通常の設計では各層間に配置する制振装置４を、２層もしくは３層などの複数層に渡って配置することにより、制振装置４への入力変形を２倍もしくは３倍等に大きくすることができる。このため、制振装置４を層跨ぎ配置したほうが、図１３に示すような同数の層それぞれに制振装置４を配置するよりも、大きな減衰係数を得ることができる。これにより、柔層部３における最適な減衰定数（大きな減衰係数）を付与することが可能である。
【０１１６】
続いて、制振装置４を並列配置する場合について説明する。
図１４に示すように、制振装置４を並列配置すると、層跨ぎ配置の場合は、ダンパー１台あたりの見かけの減衰係数を大きくすることができる。また、同じ減衰係数を付与した場合には、ダンパー台数を削減することができる。
ただし、層跨ぎ配置の場合に、各層配置した場合よりもより大きな減衰係数を付与するためには、ダンパー台数は削減せずに同程度の台数を配置することが望ましい。そこで、図１２に示すように、層跨ぎしたシアリンク型に、通常左右１台ずつ配置するダンパーを左右２〜４台程度ずつ並列に集約配置することが望ましい。
【０１１７】
これらの方法を組み合わせることによって例えば、通常の各層配置の場合と比べ制振装置４  を配置する架構面数を増やすことなしに、同じダンパー台数であっても、２層跨ぎで２台並列集約配置した場合には２倍の減衰効果を発揮させることが可能である。
【０１１８】
第３実施形態による制振システム１Ｃによれば、柔層部３に制振装置４が設けられていることにより、大きな減衰を付与することができる。
また、制振装置４を層跨ぎ配置したり、並列配置したりすることによって、少ない制振装置４（オイルダンパー）の台数で大きな減衰が得ることができる。これにより、各層に一般的なオイルダンパーを配置して定点理論における最適減衰に近い減衰を与えようとすると、通常の建築平面計画では設置箇所数が不足し必要な減衰係数が不足してしまうことに対処することができる。
【０１１９】
（第４実施形態）
図１５に示すように、第４実施形態による制振システム１Ｄでは、第１実施形態と同様に、中間層部分２１に柔層部３Ｄが構築されている。
中間階免震に限らず一般的な高層建築物２におけるピロティー構造の様に、特定の層が柔層（または弱層）となる場合、変形が集中して、想定を超えるような外力に対しては、脆性的な損傷をする可能性がある。そこで、第４実施形態による制振システム１Ｄでは、柔層部３Ｄの変形量が所定値以上となる場合に変形を抑制するフェールセーフ機能（変形抑制機構）５を有している。
【０１２０】
図１５および図１６に示すように、フェールセーフ機能５は、オイルダンパー等の制振装置４を配置するシアリンク機構（ブレース）に設けられ、ある限界変形を超えた場合、ロックまたは層の水平剛性を付加するような機能（可変剛性）を有している。フェールセーフ機能５は、具体的には、ギャップのある弾塑性ダンパーをオイルダンパー等の制振装置４と並列に配置し、所定の変形以上ではそのギャップが消失し弾塑性ダンパーとして作用するように構成されている。したがって、弾塑性ダンパーとシアリンクブレースとの直列剛性が層の水平剛性に付加されることとなる。そのときの要素モデルを図１７に示す。
【０１２１】
また、変形に依存する通常の弾塑性ダンパーと同様にエネルギー吸収も同時に行う。すなわち、これは、一種の可変剛性架構システムを形成することとなり、過大な変形に対しては変形を抑制するような働きをする。ゆえに、提案するフェールセーフ付きシアリンクにより、想定を超えるような外力に対しても、柔層部３における変形集中を抑制し、想定外に対してもロバスト性のあるレジリエンスの高い架構が形成可能となる。よって、第４実施形態では、柔層部３の弱点が克服されている。
【０１２２】
第４実施形態による制振システム１Ｄによれば、第１実施形態の制振システムと同様の効果を奏する。また、柔層部３が過大変形することを防止することができる。
【０１２３】
次に、本発明による制振システムの効果を検証するための地震応答解析について説明する。
地震応答解析は、本発明による制振システム１の３つのモデル（第１〜第３モデル）を対象に行い、従来の制振システム１と応答加速度、層変形および層間変形角について比較した。
第１モデルは、５０質点系の上層部分２２の２０層が柔層部３となる等価せん断バネモデルである。第２モデルは、０質点系の中間層部分２１の１０層が柔層部３となる等価せん断バネモデルである。第３モデルは、６５質点系で等価せん断バネモデルである。
従来の制振システム１には、本発明の制振システム１の柔層部３に配置する粘性ダンパーと同じ台数のダンパーが各層均等に分配して配置されている。
【０１２４】
図１８に検討に使用した入力地震動を示す。また、表１に入力地震動の最大加速度を示す。
【０１２５】
【表１】
2019163678.tif 000038
【０１２６】
それぞれの入力地震動に対し最大応答値を、第１モデルについては図１９〜図２１に、第２モデルについては図２２〜図２４に、第３モデルについて図２５〜図２７に示す。
第３モデルにおいては、頂部における最大応答加速度が従来の制振システム１と比べて約１／４以下に低減している。これは、従来の制振システム１では上層階になるほど応答加速度が増加する性質があるが、本発明の制振システム１では、同調効果による大きな減衰力により上層階であっても応答加速度が増加しにくい性質があるためである。
【０１２７】
また、第１〜第３モデルそれぞれにおける層間変形角の最大値は、柔層部３で比較しても同等程度で、層変形は従来の制振システム１と比べて半減しており、効果が示されている。なお、第２モデルの応答結果の通り、柔層部３の層数が少ないと、フェールセーフを設けたとしても柔層部３での変形が過大になる傾向がある。したがって、本解析においては、柔層部３の層数は２０層を下限の目安とすることが好ましい。
【０１２８】
図２８には、本発明の制振システムおよび従来の制振システムの上層部分（５０Ｆ）の風応答時刻歴の例を示し、図２９には、本発明の制振システムおよび従来の制振システムの下層部分（３０Ｆ）の風応答時刻歴の例を示す。本発明の制振システムでは、中間層に２層以上の免震層を設け、上層部分をマスダンパー化しており、２層以上の免震層に変形を分散することで、免震装置に性能を超える過大な変形を生じさせないようにしている。
図２８および図２９から、本発明の制振システムは、風揺れに対しても応答低減効果を有していることがわかる。
【０１２９】
図２９には、本発明の制振システムおよび従来の制振システムの上層部分（５０Ｆ）の応答倍率曲線の例を示し、図３０には、本発明の制振システムおよび従来の制振システムの下層部分（３０Ｆ）の応答倍率曲線の例を示す。
図２９および図３０から、本発明の制振システム１では、従来の制振システム１と比較して、応答倍率のピークが大きく低減しており、上述した本発明の効果を奏していることがわかる。
【０１３０】
図３２（ａ）には、相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と絶対加速度応答との関係を示し、図３２（ｂ）には、相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と層変位応答との関係を示し、図３２（ｃ）には、相模トラフ地震模擬波が生じた際の階と層間変形角との関係を示している。
図２１の第１モデルの層間変形角応答最大値に示した「相模トラフ地震模擬」の応答結果のように、地震動の入力が大きな場合には柔層部３に変形が集中して、応答クライテリアを満足できない場合がある。そこで、図３２に、可変剛性システム（フェールセーフ機構）を導入した場合の応答結果を示す。図３２からわかるように、フェールセーフ機構のモデル化は、層間変形角１/１００を超えると非線形弾性として初期剛性の４倍になるような非線形剛性をバイリニアで与えた。
結果としてフェールセーフ機構により１／８０以下に変形が抑制されている。一方、加速度は増加する傾向にあるがほぼ従来の制振システム１以下に抑えられている。
【０１３１】
以上、本発明による制振システム１の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の第１実施形態による制振システム１では、柔層部３が中間層部分２１の連続する複数の層全体で構成され、第２実施形態による制振システム１では、柔層部３が上層部分２２の連続する複数の全体で構成されている。
これに対し、柔層部３は、中間層の連続する複数の層、または互いに離間する複数の層それぞれに構築された免震層で構成されていてもよい。免震層が複数の層に構築されることにより、免震層の変形を分散できて１つの免震層あたりの変形を抑えることができる。このため、免震層の免震装置に過大な変形が生じることを防止することができる。
また、柔層部３は、中間層の連続する複数の層、または互いに離間する複数の層それぞれに構築されて、そのうちの１つの層が免震層で、その他の層が免震層以外で構成されていてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１，１Ｂ〜１Ｄ  制振システム
２  高層建築物
３  柔層部
４  制振装置
５  フェールセーフ機構（変形抑制機構）
２１  中間層部分
２２  上層部分
２３  下層部分
【図１】
2019163678.tif 000039
【図２】
2019163678.tif 000040
【図３】
2019163678.tif 000041
【図４】
2019163678.tif 000042
【図５】
2019163678.tif 000043
【図６】
2019163678.tif 000044
【図７】
2019163678.tif 000045
【図８】
2019163678.tif 000046
【図９】
2019163678.tif 000047
【図１０】
2019163678.tif 000048
【図１１】
2019163678.tif 000049
【図１２】
2019163678.tif 000050
【図１３】
2019163678.tif 000051
【図１４】
2019163678.tif 000052
【図１５】
2019163678.tif 000053
【図１６】
2019163678.tif 000054
【図１７】
2019163678.tif 000055
【図１８】
2019163678.tif 000056
【図１９】
2019163678.tif 000057
【図２０】
2019163678.tif 000058
【図２１】
2019163678.tif 000059
【図２２】
2019163678.tif 000060
【図２３】
2019163678.tif 000061
【図２４】
2019163678.tif 000062
【図２５】
2019163678.tif 000063
【図２６】
2019163678.tif 000064
【図２７】
2019163678.tif 000065
【図２８】
2019163678.tif 000066
【図２９】
2019163678.tif 000067
【図３０】
2019163678.tif 000068
【図３１】
2019163678.tif 000069
【図３２】
2019163678.tif 000070