(57)【要約】【課題】構造物の減衰性能を高め、地震や風による振動被害を防止しようとするのが、制震・免震理論に基づく各種の振動制御工法の基本的な特徴である。その場合、構造物の減衰性能を高める手段として減衰特性を付与するための機械装置(ダンパー等)が従来用いられてきた。このような状況に対して、本発明が解決しようとする課題はこのような減衰特性付与のための機械(ダンパー等)を用いることなく、幾何学的な構造部材の配置・組み合わせだけで、減衰効果を発揮させることである。【解決手段】地震や風による構造部材の変形をそれに連結する部材群に伝達させ、その部材群が有する幾何学的な減衰特性により構造物の振動を低減することを特徴とする減衰方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を構成する第１構造部材と第２構造部材の連結部付近において、前記第１構造部材または第２構造部材にピン結合された第１棒状部材と、前記第１棒状部材にピン結合されたくの字状の第２棒状部材を備え、第２棒状部材のくの字状の折れ曲がり部で前記第２構造部材にピン結合されている構造において、第２棒状部材の端部にピン結合された第３棒状部材を備えていることを特徴とする振動低減装置。
【請求項２】
前記第３棒状部材は前記第２棒状部材との結合部側と反対側の端部で第１または第２構造部材にピン結合されていることを特徴とする振動低減装置。
【請求項３】
前記第３棒状部材は構造物に作用する振動荷重に対してそれ自体が振動の減衰効果・性能を有する材料からなる部材、または装置ではない。振動荷重作用時に前記第３棒状部材は前記第１構造部材とのピン結合部を中心に回転し、一方、前記第２棒状部材は前記第２構造部材とのピン結合部を中心に回転するため、前記第２、第３棒状部材間の結合部に復元力が発生し、その力を振動低減に用いることを特徴とする振動低減装置。
【請求項４】
前記ピン結合とは軸を中心に自在な回転のみ可能な結合構造であり、かつ、前記第１構造部材および第２構造部材とはそれらの一方が構造物の柱とすれば、他方が構造物の梁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造物の振動低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は土木・建築分野において建造物を地震や風による振動被害から護るための構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地震や風により振動被害から構造物を護るための制振理論の基本的な考え方は次のとおりである。
式（１）は地震や風等の振動荷重を受ける構造物の運動方程式である。
【０００３】
【数１】
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【０００４】
式（１）において、右辺は構造物が受ける外力であり、左辺はそれに対する構造物の抵抗力である。左辺の第１項が加速度項、第２項が速度項、第３項が変位項である。これらのうち、右辺は人為的に大きさを操作することはできない。しかし、左辺については第２項のパラメータ（減衰マトリックス[Ｃ]）を変えることにより、第１項〜第３項の割合を変化させることができる。
【０００５】
制振理論の基本的な考え方は、式（１）の左辺の第２項（速度項）の割合を大きくすることにより、残りの第１項、第３項の割合をその分、小さくしようとするものである。第１項（加速度項）、第３項（変位項）が小さくなれば、加速度や変位が小さくなり、構造物に発生する断面力が小さくなり、結果として構造物を破壊から護ることができる。
式（１）の左辺の第２項（速度項）を大きくするために、第２項の減衰マトリックス[Ｃ]に含まれる減衰係数Ｃを大きくする必要がある。従来の多くの制振構造は以上のような考え方に基づき減衰係数Ｃをコントロールするための構造となっている（例えば、特許文献１等）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１-８２００１（第１頁、図１）
【０００７】
以上のような方法により振動を制御する場合、構造物やそれに装着した構造にはガタが有り、そのガタが構造物の変形量と大差なければ、変形量がガタに吸収されてしまい、減衰係数をうまくコントロールすることができない。そこで、地震や風による構造物の変形を拡大して取り出し、減衰係数のコントロールを効率的に行う方法も試みられている（例えば、特許文献２）。
【特許文献２】特願２００２-１４１０９１（特許出願明細書図面、第１頁、第１図）
【０００８】
図１は特許文献２の構造と地震時におけるその変形状態を示している。特許文献２の装置の動作原理は次のようなものである。地震等の振動によりフレーム（構造物の骨組みの主要部分）が図１（Ｂ）に点線で示すように変形する。地震によるフレームの変形は微小なものである。そこで、図１の装置ではてこの原理を応用してこのフレームの変形を拡大し、上部に有るダンパーに伝達し、ダンパーの振動減衰効果によりフレームの振動を抑え、地震や風により振動被害から構造物を護るよう図られている。この例に見られるように、過去の振動低減工法の多くは、減衰効果を司る部分にダンパーのような減衰のための機械装置を採用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述したように、構造物の減衰性能を高め、地震や風による振動の低減を図るのが、制震理論に基づく各種の振動制御工法の基本的な特徴である。その場合、構造物の減衰性能を高める手段として減衰特性を付与するための機械装置（ダンパー等）が従来用いられてきた（例えば、特許文献２）。しかし、構造物の耐用年数は数十年であり、そのような長期間、前述の減衰のための機械装置（ダンパー等）を故障なく維持管理することは困難である。また、価格も高価であり、複雑な自然条件の中で要求どおり機能させる必要があり、性能面で満足なものを作り出すことは容易なことではない。
このような状況に対して、本発明が解決しようとする課題はダンパーのような減衰性能を付与するための機械を用いることなく、単純・明快な構造・動作原理で高性能・低コストな減衰性能を付与するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
減衰用の機械装置を用いることなく幾何学的な構造部材の配置・組み合わせだけで、減衰効果を発揮させることである。すなわち、地震や風による構造部材の変形をそれに連結する部材群に伝達させ、その部材群が有する幾何学的な減衰特性により構造物の振動を低減することを特徴とする装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、地震や風による構造部材の変形をそれに連結する部材群に伝達させ、その部材群が有する幾何学的な減衰特性により構造物の振動を低減することが可能となる。また、従来の減衰装置（ダンパー等）と比べ、構造がシンプルで動作原理が明快なため、長期間装置を長期間故障なく維持することでき、価格も低廉で、複雑な自然条件にも対応し、確実に優れた効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明に係る構造物の振動制御のための減衰装置の構成を説明すると、図２は同装置を構造物に取り付けた状態の図である。
図２のうち、第１棒状部材３・第２棒状部材４部分の構造は既存の特許申請（特許文献２）の内容と同一であり、その部分は本発明の申請対象ではない。本発明の特許申請対象は図２のうち、第３棒状部材５の存在とそれと第２棒状部材４の組み合わせにより生じる減衰効果である。
図２において、６は柱７、７は柱であり、これらは何れか一方が構造物の第１構造部材、他方が第２構造部材を構成している（例えば、柱７を第１構造部材とすれば、柱は第２構造部材となる）。第１構造部材と第２構造部材の接続部付近において、第１構造部材に第１棒状部材３がその一方の端部でピン結合されている。ピン結合とは軸を中心に自在な回転のみ可能な結合方式を意味する。
一方、くの字状の第２棒状部材４はてこの原理を利用するために、その中間位置よりも片側にずれた位置で第２構造部材にピン結合されている。そして、第２棒状部材４の一方の端部は第１棒状部材３とピン結合され、他方の端部は第３棒状部材５とピン結合されている。さらに、第３棒状部材５は第２棒状部材４との結合側と反対の側で第１構造部材または第２構造部材にピン結合されている。第１棒状部材３と第２棒状部材４、それぞれの中心線がなす角は図２に示すように上向きに凸な方がより効果が高いが、下向きに凸でも効果が期待できる。
【００１３】
動作原理
上記構造からなる減衰性能付与のための装置の動作を説明する。図３は図２に示した構造を模式的に表し、風・地震時における構造体の変形状態を示している。図３において振動前にほぼ直線状に並んでいた点Ａ・Ｂ・Ｃは地震によるフレームの変形によって、点線で示すように変形する。Ａ点の下側位置Ａ１ではＢ点を中心とする円周上を回転するのに対して、Ａ点の上側位置Ａ２ではＣ点を中心とする円周上を回転する。そのため、Ａ１とＡ２が結合されていない場合、両者は地震の変形が大きければ大きいほど図３に示すように離れてしまう。
実際にはＡ１とＡ２は結合されているので、風・地震によるフレームの変形が大きいほど、部材ＡＣ、ＡＢの軸力が大きくなり、かつ部材ＡＣと部材ＡＢのなす角∠ＣＡＢも大きくなる。そのため、直線ＢＣに直交する方向の分力が大きくなり、結果としてＡ点を変形前の位置に戻そうとする力が指数関数的に（変位に単純比例ではなく、変位のｎ乗に比例して（ｎ>１））大きくなる。このように変位に対する指数関数的な履歴特性は、振動学の教えるところによれば、減衰性能を生む源に他ならない。
【００１４】
有限要素解析による効果の確認
提案する制震構造の効果を確かめるために、一般的な木造家屋を対象にして有限要素法による時刻歴応答解析を実施した。解析対象は次の３ＣＡＳＥである。
ＣＡＳＥ１:  無対策の場合
ＣＡＳＥ２:  本発明の制震構造を組み込んだ場合
ＣＡＳＥ３:  特許文献２の制震構造を組み込んだ場合
解析では住宅の基礎部分に関東大地震クラスに相当する加速度波形（Ｅｌ-Ｃｅｎｔｒｏ１９４０ＮＳ波,
最大加速度２５０ｃｍ/ｓ２）を入力し、構造物の挙動を時々刻々と求めた。
図４は解析の結果、得られたＣＡＳＥ１の地震時の変形状態図である。変形前と最大変形時の状態が重ね合わせて表示されている。図４によると、左端の柱の頂部の最大水平変位は２８.２ｍｍである。
一方、図５はＣＡＳＥ２の解析結果（地震時の変形状態図）である。図４と比較すると、１階の中央部付近の左側の斜材部分に本発明の制震構造が組み込まれているのがわかる。
図５によると、左端の柱の頂部の最大水平変位は１２.４ｍｍであり、図４の場合の最大変位量２８.２
ｍｍと比べると値が５０%以下になっており、変位に関して本発明の制震構造が振動低減に効果のあることがわかる。
【００１５】
図６は部材に生じる最大曲げモーメント分布について、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ２の解析結果を比較したものである。図によると、ＣＡＳＥ１（図６（Ａ））,無対策）の場合、図に●印で示す位置の最大曲げモーメントが７.５ｋＮｍなのに対して、ＣＡＳＥ２（図６（Ｂ）, 本発明） の場合にはその部分の最大曲げモーメントが２.９ｋＮｍである。つまり、制震構造を採用することにより、最大曲げモーメントの値を５０%以下に低減できており、断面力に関しても本発明の制震構造が振動低減に効果のあることがわかる。
表１はＣＡＳＥ１〜ＣＡＳＥ３の有限要素解析の全解析結果をまとめて表示している。表１で「幾何学ダンパー」という表現が用いられているが、その意味するところは次のとおりである。前述の図１に相当するダンパー構造を従来型ダンパー構造と呼び、図２で示した本発明のダンパー構造を幾何学的な位置関係により減衰効果を生み出す構造であるので、幾何学ダンパーと呼ぶ。
表１によると、制震構造（ＣＡＳＥ２,ＣＡＳＥ３）を家屋に適用すると、１）地震時の最大変位や断面力を５０%程度低減できること、２）制震構造のうち、本発明（ＣＡＳＥ２,幾何学ダンパー）と特許文献２（ＣＡＳＥ１,従来型ダンパー）とでは、振動低減に関する性能に大差の無いことがわかる。
【表１】
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【００１６】
図７は図３に示したＡ点に関して、横軸に水平変位を取り、縦軸に[減衰力＋復元力]を取り、両者の関係をプロットしたものである。図７のうち、（Ａ）は本発明（幾何学ダンパー）の結果であり、（Ｂ）は特許文献２（従来型ダンパー）の結果である。
振動学の教えるところによれば、図に示す楕円で囲まれた面積部分が減衰機構により吸収されるエネルギーを表している。地震の振幅は時々刻々と変化するため楕円の大きさは複雑に変化している。そのため、（Ａ）と（Ｂ）の楕円の大きさを単純に比較することは困難であるが、図によると時刻歴全区間を通じて（Ａ）と（Ｂ）はほぼ同一の軌跡を描いている。
すなわち、幾何学ダンパーと従来型のダンパーとでは、減衰機構の性能に大差が無いと考えられる。つまり、幾何学ダンパーは従来型ダンパーと同程度の効果を有していると考えられる。幾何学ダンパーは従来型ダンパーと比べ、コスト・耐久性等、その他の面でも優れている。したがって、総合的な評価では本発明の制震構造（幾何学ダンパー）の方が特許文献２の制震構造（従来型ダンパー）よりも上位に有ると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】振動低減のための従来構造（特許文献２）の例である。（Ａ） 構造仕様,  （Ｂ）地震時における変形状態
【図２】本発明の構造仕様である。
【図３】本発明を適用した構造物の地震時における変形状態である。
【図４】無対策な住宅の地震時の変形状態である。
【図５】本発明を適用した住宅の地震時の変形状態である。
【図６】本発明を適用した場合としない場合の曲げモーメント分布を比較して示している。（Ａ）振動低減に関して無対策な住宅,  （Ｂ）本発明を適用した住宅
【図７】従来の構造と本発明の構造について、ダンパー部分の変位−力関係を比較して示している。（Ａ） 本発明（幾何学ダンパー）,  （Ｂ）特許文献２（従来型のダンパー）
【符号の説明】
【００１８】
１    フレーム
２    ダンパー
３    第１棒状部材
４    第２棒状部材
５    第３棒状部材
６    梁
７    柱
【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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【図７】
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