(57)【要約】【課題】通常の短周期地震動に対する制震効果が高く、且つ長周期地震動による共振を抑制できるような制震装置を備えた高層制震建物を提供すること。【解決手段】高層建物各層の建物ユニットの天井と床の間に、減衰力発生型ダンパー（制震装置Ａ）を取り付け、且つ一次元ガタ発生機構７（又は二次元ガタ発生機構９）を介して減衰力及び慣性力発生型のマスダンパー（制震装置Ｂ）を取り付けた。これにより、通常の短周期地震動を受けた時は制震装置Ａが作動して建物の揺れを抑制し、長周期地震動を受けて建物が共振した時は制震装置ＡとＢが共に作動して、共振を抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物各層の建物ユニットの天井と床の間に、両端をピン止めして取り付ける減衰力発生型のダンパー（制震装置Ａ）と、
同じ建物ユニットの天井と床の間に、一端を一次元又は二次元ガタ発生機構を介して取り付け、他端をピン止めして取り付ける減衰力及び慣性力発生型のマスダンパー（制震装置Ｂ）と、
により構成した制震装置を備えたことを特徴とする制震建物。
【請求項２】
請求項１に記載した制震建物において、
減衰力及び慣性力発生型のマスダンパーを用いた制震装置Ｂの代わりに、
減衰力発生型のダンパーを用いた制震装置Ｂを備えたことを特徴とする制震建物。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の制震建物において、
減衰力発生型ダンパーを用いた制震装置Ａの代わりに、
減衰力及び慣性力発生型のマスダンパーを用いた制震装置Ａを備えたことを特徴とする制震建物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高層建物の制震に係わり、通常の短周期地震動に対する建物の揺れを減少させるだけでなく、長周期地震動による建物の共振をも減少させるような制震装置を用いた制震建物に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の水平方向から大きな地震動が到来すると、何も地震対策を行っていない高層・超高層建物（以後、単に高層建物と呼ぶ）は大きく振動する。この大きな地震動による高層建物の揺れをできるだけ小さくするために、１９８０年代の中頃から、制震装置を取り付けた制震建物が数多く建設されてきた。
【０００３】
制震建物に用いられる制震装置は、大きく２種類に分類される。一方は、高層建物頂部に設置した振動体の慣性力を利用するタイプのものであり、他方は、高層建物各層の床と天井の間にダンパーを設置するタイプのものである。
振動体の慣性力を利用するタイプのものは、慣性力がそれ程大きくないので、中小地震や風による高層建物の振動を抑制するために用いられる。
一方、ダンパーを設置した制震建物は、大地震に対しても制震効果を持つ。このタイプの制震建物に用いられるダンパーとしては、油圧ダンパー、摩擦ダンパー、弾塑性ダンパー等のように、主として振動エネルギーを熱に変換して消散させるものが多い。これらのエネルギー消散型ダンパーの性質に加えて、慣性力を発生させるタイプのダンパー（マスダンパー）も提案されている。
【０００４】
家屋やインフラに甚大なる被害をもたらした、阪神大震災（１９９５年）、新潟県中越地震（２００４年）、或いは東日本大震災（２０１１年）における地震動は、主として周期が０．２〜１秒程度の短周期成分が卓越した地震動（以後、短周期地震動と呼ぶ）であった。
一方、３０年以内に７０％程度の確率で起こるとされる南海トラフに沿った巨大地震が発生すると、東京、名古屋、大阪等の大都市には、周期が２秒以上の長周期成分が卓越した地震動（以後、長周期地震動と呼ぶ）が到来するであろうと予想されている。
【０００５】
大きな短周期地震動による高層建物の揺れを抑制するためには、建物各層の床と天井の間にダンパーを取り付けることが有効である。ダンパーは、床と天井の間の相対変位によって作動する。
一方、１次の固有周期が２秒以上の高層建物が大きな長周期地震動を受けて共振する時には、この共振を抑制するために、建物各層の床と天井の間に減衰性能の大きなダンパーを取り付けるか、或いは建物の等価質量を増加させて建物の固有周期を変化させ、共振状態から脱出させることが有効であると考えられる。
【０００６】
大きな地震動による高層建物の揺れを減少させることを目的として、建物各層の床と天井の間にダンパーを設置した制震建物としては、下記の特許文献が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８５５３１号公報
【特許文献２】特開２０１０−９０９２６号公報
【０００８】
上記特許文献１の制震建物は、建物各層の床と天井の間にダンパー（油圧ダンパー、摩擦ダンパー、粘弾性ダンパー、低降伏点鋼ダンパー、又はこれらを複合したダンパー）を取り付けた建物であるが、地震の性質に応じてその都度ダンパーの強さを変化させることはできない。
【０００９】
一方、上記特許文献２で用いられるマスダンパーは、ボールねじのような雌ねじに嵌め合う雄ねじの先端に固着した回転円板が、円板を覆う容器内に封入された粘性流体の間を回転することにより、粘性減衰力と慣性力を発生する粘性マスダンパーである。
この粘性マスダンパーを建物各層の床と天井の間に取り付けると、地震時に建物に粘性減衰力と慣性力を与えて建物の揺れを抑制するが、地震の性質に応じてその都度ダンパーの強さを変化させることはできない。慣性力は、建物の等価質量を増加させ、建物の固有周期を変化させる働きをする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高層建物の制震に対して効果が大きいダンパーの減衰性能は、一般に、短周期地震動を受けた場合と長周期地震動を受けた場合で異なり、長周期地震動による高層建物の共振を抑えるためには、できるだけ減衰性能が大きいことが望ましい。
又、長周期地震動により高層建物が共振状態にある時、建物を共振状態から脱出させるためには、建物が共振状態に入ると同時に建物各層の等価質量を増大させて（即ち建物各層の等価慣性力を増大させて）、建物の固有周期を変化させる方法が考えられる。
【００１１】
このような観点から考えると、特許文献１の制震建物及び特許文献２の粘性マスダンパーは、短周期地震動による高層建物の揺れ又は長周期地震動による高層建物の共振の何れかに対して高い制震効果を持つように設計することは可能であるが、短周期地震動による揺れと長周期地震動による共振の両方に対して高い制震効果を持つように設計することは難しい。
（発明の目的）
【００１２】
本発明は、短周期地震動による高層建物の揺れと、長周期地震動による高層建物の共振の両方に対して高い制震効果を持つような制震装置及び制震建物を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の制震建物においては、短周期地震動による建物の揺れに対して高い制震効果を持つような減衰性能を有する通常のダンパー（制震装置Ａ）と、長周期地震動により建物が共振して大きく揺れた時にのみ作動し、建物各層に拡大された摩擦力と慣性力を与えるような摩擦マスダンパー（制震装置Ｂ）を設置することによって、上記問題点を解決しようとするものである。
【００１４】
本発明の中心となる制震装置Ｂはボールねじを用いており、ボールねじ軸の先端に慣性力を発生するための円板と、その円板に押し付けられたブレーキシューから成る摩擦マスダンパーである。この摩擦マスダンパーのボールナット側を建物各層の床にピン止めし、他端をガタ発生機構を介して建物各層の天井に固着すれば、建物各層の水平相対変位が±ε1を超えると作動する摩擦マスダンパーとなる。
上記の取り付け方法とは逆に、摩擦マスダンパーのボールナット側を、ガタ発生機構を介して建物各層の天井に固着し、他端を床にピン止めしてもよい。又、ガタ発生機構を建物各層の床に固着し、このガタ発生機構と天井の間に摩擦マスダンパーを取り付けてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
水平地震動により高層建物が水平Ｘ方向に揺れる時、建物各層の水平相対変位が±ε1より小さければ、制震装置Ａのみが作用して建物の揺れを抑制する。
この高層建物に長周期地震動が作用して、地震動の卓越成分と建物のＸ方向固有周期がほぼ一致すると、建物は共振状態となり、大きく揺れることになる。その際、建物各層の水平相対変位が±ε1を超えると、制震装置Ｂの摩擦マスダンパーが作動して、ボールねじによって拡大された摩擦力を建物に与えてこの共振を抑制する。更に、ボールねじによって拡大された慣性力により、振動系の固有周期が変化して、建物を共振状態から脱出させることができる。
【００１６】
高層建物が水平Ｙ方向（水平Ｘ方向と直角な方向）にも大きく揺れる時は、Ｙ方向にも設置した本制震装置によって、Ｘ方向と同様な制震効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の制震装置の設置状態を示す。
【図２】本発明の制震装置で用いられる摩擦マスダンパーの構造を示す。
【図３】本発明で用いられる一次元ガタ発生機構の構造を示す。
【図４】本発明で用いられる二次元ガタ発生機構の構造を示す。
【図５】摩擦マスダンパーを取り付けた１自由度振動系を示す。
【図６】本発明の他の設置状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図１乃至図６を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の制震装置の一実施例である。本発明の制震装置は、高層建物１の揺れに対して常に作動する＜制震装置Ａ＞４と、建物の揺れが大きくなり、床３ｂと天井３ａの間の水平相対変位が±ε1を超えると作動する＜制震装置Ｂ＞６によって構成されている。
【００２０】
制震装置Ａ４に用いられるダンパーは、通常の油圧ダンパー、摩擦ダンパー、弾塑性ダンパー等であり、これらのダンパーの一つ４１と、その両端に固着した取り付け棒４２、４３を併せて制震装置Ａと呼ぶことにする。その上端はボージョイント５ａを介して天井３ａにピン止めされ、下端は床３ｂに固着した支持台１０に、ボールジョイント５ｂを介してピン止めされる。
【００２１】
制震装置Ｂ６にはボールねじ式摩擦ダンパー（摩擦マスダンパー）６１が使用される。このボールねじ式摩擦ダンパー６１と、その両端に固着した取り付け棒６２、６３を併せて制震装置Ｂと呼ぶことにする。制震装置Ｂ６の一端は、天井３ａに固着したガタ発生機構７の移動体７１に、ボールジョイント８ａを介してピン止めされ、他端は床３ｂに固着した支持台１０に、ボールジョイント８ｂを介してピン止めされる。ガタ発生機構７を床に固着して、制震装置Ｂの下端をガタ発生機構７の移動体７１にピン止めし、上端を天井３ａにピン止めしてもよい。
【００２２】
図２は、本発明で使用する摩擦マスダンパー６１の構造を示す。図２（Ａ）は摩擦マスダンパーの正面断面図を示し、図２（Ｂ）は摩擦マスダンパーの上面断面図（Ａ−Ａ矢視図）を示す。
本摩擦マスダンパーは、先端にボールナット６１ｈを固着した振動伝達管６１ｉ、ボールナット６１ｈと噛み合っているボールねじ軸６１ｇ、ボールねじ軸の回転を支えるスラストベアリング６１ｆ、ボールねじ軸６１ｇの先端に固着した円板６１ｃ、この円板に接触するように押し付けられたブレーキシュー６１ｄ、ブレーキシューの押し付け力を調整する弾性体６１ｅ、及び弾性体を固着する二段円管状容器６１ｂから構成されている。 
【００２３】
二段円管状容器先端の取り付け孔６１ａと、振動伝達管先端の取り付け孔６１ｋとの間に相対直線運動ｕを与えると、振動伝達管６１ｉ及びボールナット６１ｈはキー６１ｊに沿って移動し、ボールナット６１ｈによってボールねじ軸６１ｇ及び円板６１ｃが回転する。その際に、相対直線運動に対して、次式で表わされる抵抗力Fsが発生する。
（式１）
Fs＝βNμPR sign(du/dt)＋β2J(d2u/dt2) ・・・・・（１）
（式２）
β＝2π/L ・・・・・（２）
式（１）の第１項は摩擦力を表し、第２項は慣性力を表す。上式において、Lはボールねじ軸６１ｇのリード、μは摩擦係数、Nはブレーキシュー６１ｄの数、Pはブレーキシュー６１ｄの１個当たりの押し付け力、Rは円板６１ｃの中心からブレーキシュー６１ｄの中心までの距離、Jは円板６１ｃの慣性モーメント、u は相対変位、du/dtは相対直線運動の速度、d2u/dt2は相対直線運動の加速度であり、sign(du/dt) はdu/dtの負、零、正に応じて−１、０、１の値を取る符号関数である。
一般のボールねじでは、β(＝2π/L) はかなり大きな値になるので、本制震装置Ｂによって摩擦力及び慣性力は大きく増幅されることになる。
【００２４】
なお、図２において、ブレーキシュー６１ｄ及び弾性体６１ｅを取り除き、円管状容器６１ｂの上部内部に粘性の強い粘性体を封入すれば、粘性マスダンパー（図示せず）となる。また、ブレーキシュー６１ｄを取り除き、弾性体６１ｅの代わりに希土類磁石を固着すれば、磁気マスダンパー（図示せず）となる。摩擦マスダンパーの代わりに、このような粘性マスダンパー或いは磁気マスダンパーを用いてもよい。
粘性マスダンパー及び磁気マスダンパーの場合の抵抗力は、次式で与えられる。
（式３）
Fs＝β2[C(du/dt)＋J(d2u/dt2)] ・・・・・（３）
上式中のCは、粘性マスダンパーの場合はねじりの粘性減数係数を表し、磁気マスダンパーの場合はCmR2（Cm：磁気減衰係数）を表す。
【００２５】
制震装置Ｂにおいて、摩擦マスダンパーの代わりに通常のダンパー（油圧ダンパー、摩擦ダンパー、粘弾性ダンパー、弾塑性ダンパー、又はこれらを複合したダンパー）を用いてもよい。
【００２６】
図３は、一次元ガタ発生機構７の構造を示した図である。図３（Ａ）はガタ発生機構の正面図であり、図３（Ｂ）はガタ発生機構の側面断面図（Ｂ−Ｂ矢視図）を示す。又、図３（Ｃ）は移動体７１の断面図（Ｃ−Ｃ矢視図）を示す。
一次元ガタ発生機構７は、２枚の支持板７３、７４、支持板に両端を嵌めこまれたガイド軸７２、ベアリングを内蔵したことによってガイド軸上を滑らかに移動する移動体７１、移動体に固着した取り付け板７５によって構成されている。取り付け板７５には、制震装置Ｂを取り付けるためのボールジョイント８ａが取り付けられている。
移動体７１がガイド軸方向（Ｘ方向とする）に沿って移動する時、高層建物各層における天井と床の間の相対変位が±ε１に達するまでは移動体は抵抗力を受けないが、±ε１に達すると移動体は支持板７３又は７４に接触し、制震装置Ｂの抵抗力を受けて高層建物の変位を抑制しようとする。高層建物の大きな変位が、主としてＸ方向にのみ起きる時は、このような一次元ガタ発生機構を用いればよい。
【００２７】
図４は、二次元ガタ発生機構９の構造を示した図である。図４（Ａ）はガタ発生機構９の正面図であり、図４（Ｂ）はガタ発生機構の側面図（Ｄ−Ｄ矢視図）を示す。
二次元ガタ発生機構の場合は、ガイド軸９２に嵌めこまれる移動体９１が長孔９１ｃを有しており、Ｙ方向（Ｘ方向に直角な方向）に±ε２のガタを有している。Ｘ方向に配置されたガイド軸９２は、その両端を支持板９３、９４で支持されており、移動体９１に対してＸ方向に±ε１のガタを与える。又、移動体９１には、取り付け板９５が取り付けられており、取り付け板９５には、制震装置Ｂを取り付けるためのボールジョイント８ａが取り付けられている。
移動体９１のＸ方向相対変位が±ε１に達すると、移動体が支持板９３又は９４に接触し、或いは移動体のＹ方向相対変位が±ε２に達すると、移動体が長穴９１ｃの端に接触し、制震装置Ｂが作動して、高層建物に抵抗力を与える。
なお、長孔９１ｃの内面は摩耗が少なく摩擦係数の小さな硬い物質９１ｂで覆われている。図４のようなＸ−Ｙ移動機構の代わりに、市販のＸ−Ｙレール（図示せず）を用いてもよい。
【００２８】
摩擦マスダンパー６１の振動特性を知るために、図５に示すような、変位加振を受ける１自由度振動系を考える。質量mの振動体は、ばね定数kのばね、粘性減数係数cの粘性ダンパー、及び慣性モーメントJとねじりの粘性減数係数Cを持つ粘性マスダンパーで支持されており、床と壁にはz＝a cosωtなる変位加振が作用するものと考える。
系の運動方程式は
（式４）
(m＋β2J)(d2u/dt2)＋(c＋β2C)(du/dt)＋ku＝−m(d2z/dt2) ・・・・・（４）
上式より、系の固有周期は
（式５）
Tn＝2π[(m+β2J)/k]1/2 ・・・・・（５）
であることがわかる。
【００２９】
本発明の制震装置を用いた場合、高層建物の揺れが大きくなって制震装置Ｂが作動すると、制震装置を設置した層の等価質量が、それぞれβ2J(d2u/dt2)だけ大きくなり、高層建物全体の固有周期が大きくなる。これによって建物が共振状態から脱出することが可能となる。又、制震装置を設置した層に作用する減衰力もβ2C(du/dt)（摩擦マスダンパーの場合はβNμPR sign(du/dt)）だけ増加し、共振を抑制するのに必要な減衰性が増大する。
【００３０】
図６は、高層建物各層の建物ユニット２への、本制震装置の設置状態を示した図である。図６（Ａ）は、建物ユニットのＸ方向壁及びＹ方向壁に沿って、天井３ａと床３ｂの間に本制震装置を取り付けた状態を示す。
図６（Ｂ）は、建物ユニット天井３ａに固着した硬い棒１１と、床３ｂに固着した硬い棒１２の間に、本制震装置を取り付けた状態を示す。図６（Ｂ）において、制震装置Ａ４は２本の硬い棒１１、１２の間にボールジョイント５ａ、５ｂを介して取り付けられている。又、制震装置Ｂ６の一端は、ボールジョイント８ａを介して硬い棒１１に取り付けられており、他端は硬い棒１２に固着したガタ発生機構７の取り付け板７５に、ボールジョイント８ｂを介して取り付けられている。
ガタ発生機構７を硬い棒１１の方に取り付け、ガタ発生機構の取り付け板７５と硬い棒１２の間に制震装置Ｂを取り付けてもよい。
【００３１】
建物ユニットの床と天井の間の相対変位を取り出す方法は、図６の方法以外にも、いくつか考えられる。本制震装置を、図６以外の相対変位を取り出す方法（図示せず）を用いて、床と天井の間に設置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、短周期成分が卓越した通常の地震動に対する高層建物の揺れを抑制できるだけでなく、長周期地震動による高層建物の共振をも抑制できる制震装置であって、最近問題となっている、高層建物の長周期地震動に対する対策として、実用化の可能性を有している。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・・高層建物
２・・・・建物ユニット
３ａ・・・・建物ユニットの天井
３ｂ・・・・建物ユニットの床
４（４１、４２、４３）・・・・制震装置Ａ
５ａ、５ｂ・・・・ボールジョイント
６（６１、６２、６３）・・・・制震装置Ｂ
６１（６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈ，６１ｉ，６１ｊ，６１ｋ）・・・・摩擦マスダンパー
７（７１、７２、７３、７４、７５）・・・・一次元ガタ発生機構
８ａ、８ｂ・・・・ボールジョイント
９（９１、９２、９３、９４、９５）・・・・二次元ガタ発生機構
１０・・・・支持台
１１・・・・剛体棒
１２・・・・剛体棒
【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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