(57)【要約】【課題】共振時の振動特性を向上させることが可能な方杖型制振装置を提供する。【解決手段】構造物の柱と梁で囲まれた構面内に設置される方杖型の制振装置であって、  減衰要素２及び／又は慣性質量要素３と、減衰要素２及び／又は慣性質量要素３に直列した付加ばね要素４とを備え、減衰係数及び／又は慣性質量とばね定数を、慣性質量要素３と付加ばね要素４から定まる付加振動系の固有振動数が構造物の固有振動数に同調するように設定して構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の柱と梁で囲まれた構面内に設置される方杖型の制振装置であって、
減衰要素及び／又は慣性質量要素と、前記減衰要素及び／又は慣性質量要素に直列した付加ばね要素とを備え、
減衰係数及び／又は慣性質量とばね定数を、前記慣性質量要素と前記付加ばね要素から定まる付加振動系の固有振動数が構造物の固有振動数に同調するように設定して構成されていることを特徴とする方杖型制振装置。
【請求項２】
請求項１記載の方杖型制振装置において、
前記減衰要素及び／又は前記慣性質量要素と前記付加ばね要素とを、トグル機構を介して前記構造物に接続して構成されていることを特徴とする方杖型制振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方杖型制振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば中高層建物が特大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。
【０００３】
これに対し、例えばオフィスビルなどの中・高層建物では、各層間にダンパー装置（減衰装置／制振装置）を設置し、地震時の振動エネルギーを吸収させて架構躯体の地震応答（加速度や変位、層間変位）を低減させる対策が多用されている。また、ブレースタイプや間柱タイプ、壁型タイプのダンパー装置が多用されている。
【０００４】
しかしながら、上記のブレースタイプや間柱タイプ、壁型タイプのダンパー装置は、柱梁で囲まれた１スパンをダンパー装置の構成部材で塞いでしまい、構面内を建築的に利用できなくなるという不都合がある。
【０００５】
これに対し、柱梁が接合する構面内の上方に柱梁に架け渡して方杖材を設けるとともに、この方杖材に粘弾性体を組み込んでダンパー装置（方杖ダンパー／方杖型制振装置）を構成する手法が提案・実用化されている。このダンパー装置においては、柱梁の上方だけに構成部材が配設されるため、構面内を建築的に利用することが可能になる。
しかしながら、構面内の上方に柱梁に架け渡して設置されるため、ブレースタイプや間柱タイプ、壁型タイプのダンパー装置などと比較すると柱や梁の変形（変形量）に対するダンパー装置の効きが低くなってしまい、応答低減効果、すなわち制振効果が劣るという問題があった。
【０００６】
一方、梁端部でハンチ梁のように方杖ダンパーを用いることでの効きを高める手法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。また、このダンパー装置では、鋼材ダンパーを方杖材に組み込み、降伏に伴う履歴吸収エネルギーを減衰に利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１９９２７９号公報
【特許文献２】特開２００３−２６１９９３号公報
【特許文献３】特開２０１０−３１４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、上記従来のハンチ梁のように方杖ダンパーを用いたダンパー装置においては、ダンパー装置の効きを高めることが可能であるが、共振時における振動特性を改善することは実現できていない。このため、共振時の振動特性を向上させる手法の開発が強く望まれていた。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑み、共振時の振動特性を向上させることが可能な方杖型制振装置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】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１１】
本発明の方杖型制振装置は、構造物の柱と梁で囲まれた構面内に設置される方杖型の制振装置であって、減衰要素及び／又は慣性質量要素と、前記減衰要素及び／又は慣性質量要素に直列した付加ばね要素とを備え、減衰係数及び／又は慣性質量とばね定数を、前記慣性質量要素と前記付加ばね要素から定まる付加振動系の固有振動数が構造物の固有振動数に同調するように設定して構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の方杖型制振装置においては、前記減衰要素及び／又は前記慣性質量要素と前記付加ばね要素とを、トグル機構を介して前記構造物に接続して構成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の方杖型制振装置によれば、ダンパーの設置形態が方杖形式であるため、従来のブレースや壁の設置形態と比べて建築計画上の阻害要因となる（邪魔になる）ことを抑えることができる。
【００１４】
また、柱や梁の中間部に取りつくことで生じる曲げ変形を考慮した同調型制振装置、すなわち、共振特性を大幅に改善した優れた制振構造（応答低減機構）を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る方杖型制振装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る方杖型制振装置の振動モデルの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る方杖型制振装置を示す図であり、トグル機構を備えた方杖型制振装置を示す図である。
【図４】シミュレーションのＣａｓｅ１（構造架構のみ）、Ｃａｓｅ２（方杖剛部材）、Ｃａｓｅ３（本発明）を示す図である。
【図５】シミュレーションのＣａｓｅ３（本発明）の振動モデルを示す図である。
【図６】構造架構（構造物）の層剛性を示す図である。
【図７】シミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１から図７を参照し、本発明の一実施形態に係る方杖型制振装置（以下、方杖ダンパーと称する）について説明する。
【００１７】
本実施形態の方杖ダンパーは、地震時（あるいは強風時）に例えばオフィスビルやマンションなどの多層構造の建物に作用した地震エネルギー（振動エネルギー）を吸収して減衰させ、建物の応答を低減させるとともに建物の共振を抑止するためのものである。
【００１８】
また、本実施形態の方杖ダンパーは、方杖材にダンパーを使用し、且つ共振特性を改善し、優れた応答低減効果を発揮するように構成したものである。
【００１９】
具体的に、まず、本実施形態の方杖ダンパー１は、図１及び図２に示すように、方杖材１ａにダンパー１ｂを組み込んで構成されている。また、本実施形態において、方杖材１ａに組み込むダンパー１ｂとしてオイルダンパー等の粘性系ダンパー（減衰要素）２及び／又は慣性質量ダンパー（慣性質量要素）３を適用する。
【００２０】
粘性系ダンパー２はダンパー両端の相対速度に比例した減衰力を反力とするものであり、慣性質量ダンパー３はダンパー両端の相対加速度に比例した慣性力を反力とするものである。なお、これらを併せ持つ装置（粘性減衰と慣性質量の両方を付与する装置）を用いてもよい。
【００２１】
そして、この方杖ダンパー１の振動モデルは、図２に示すように、慣性質量ψと減衰ｃをモデル化したダンパー１ｂと、付加ばねｋ（付加ばね要素４）とを直列したものとなる。さらに、付加ばねは、柱梁架構５に接続する際の取付部材による剛性又は付加振動系の振動数を調整するために設けられたばね部材であり、この付加ばねが共振特性の改善に主として寄与する。なお、以下、慣性質量ψと付加ばねｋとから定まる振動数を「付加振動系の固有振動数」と称する。
【００２２】
次に、上記ダンパー（２、３）のいずれか、または両方を方杖材に組み込み、方杖ダンパー１として構面内に設置する。このとき、方杖ダンパー１は一端を梁５ａに、他端を柱５ｂにそれぞれピン接合して設置される。また、方杖ダンパー１（方杖材１ａ）の水平面からの角度はφ＝２５°〜６５°の範囲とする（本実施形態では４５°）。また、方杖ダンパー１（方杖材１ａ）の柱５ｂへの取り付け高さは、柱の長さＬｃとして柱端部からＬｃ／２〜Ｌｃ／８の範囲とする（本実施形態ではＬｃ／４）。
【００２３】
ここで、図３に示すように一端を梁５ａに、他端を柱５ｂにそれぞれピン接合し、互いにピン接合した一対のトグルアーム（複数のトグルアーム）６ａを備えるトグル機構６を構面内に設置し、一端を柱梁の角部（もしくは柱梁のいずれか）に、他端をトグル機構６の一対のトグルアーム６ａのピン接合部にそれぞれピン接合してダンパー（２、３）を設けるようにしてもよい。この場合には、トグル機構６とダンパー（２、３）とで方杖ダンパー（方杖型制振装置／ダンパー装置）１が構成される。
【００２４】
また、このトグル機構６を備えた方杖ダンパー１においては、変位拡大率（トグル両端間の相対変位に対するダンパー両端間の相対変位の比）を４以下とし、トグル端部取付高さを、柱の長さＬｃとして柱端部からＬｃ／２〜Ｌｃ／８の範囲とする（本実施形態ではＬｃ／４）。
【００２５】
次に、方杖ダンパー１の諸元の設定方法について説明する。
上記のように構成した方杖ダンパー１を構造架構モデルに組み込み、周波数伝達関数を求める。周波数伝達関数は入力（地震動）に対する各部応答の倍率を周波数毎に示したものである。
【００２６】
伝達関数は、地震動を正弦波で入力したときの、各質点（要素）の加振振幅に対する比で表せる。加振入力ｇｉｎ（ｔ）、応答出力ｇｏｕｔ（ｔ）に対するフーリエ変換Ｇｉｎ（ω） 、Ｇｏｕｔ（ω） とすると、伝達関数Ｈ（ω）は次の式（１）で表すことができる。伝達関数Ｈ（ω）の絶対値を応答倍率と称する。また、この実部と虚部の比から位相角が得られる。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
通常の設計では変位が問題となることから、建物頂部または階高が大きかったり重量施設があったりして変位の検討を要する階の変位応答倍率を図示し、その最大値を最小化する最適化を行う。
【００２９】
具体的には、方杖ダンパー１の諸元（減衰係数ｃや慣性質量ψや付加ばねｋ）を付加振動系の固有振動数が構造物の固有振動数に同調するように調整し、変位応答倍率のピークを最小化する値（減衰係数ｃや慣性質量ψ）を定め、最適諸元とする。
これにより、共振特性を大幅に改善できることから応答低減効果が得られる。
【００３０】
なお、この最適諸元を定式化するのは複雑で困難だが、構造架構が複雑であっても伝達関数の数値計算は容易なので、上記手順によれば何回かの試行錯誤によって最適諸元を得ることができる。
【００３１】
次に、本実施形態の方杖ダンパー１の優位性を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
【００３２】
本シミュレーションでは、柱脚ピンの門形架構を対象とし、方杖下部取付高さを柱上部から１／４の高さとした。また、トグル機構６を適用し、変位拡大率を４とした。
【００３３】
そして、方杖ダンパー１による応答低減効果を検討するため、下記の３ケースについて変位伝達関数を求め比較を行った。ここでは地表面に対する梁の相対変位の比（応答倍率）を伝達関数で示す。
【００３４】
さらに、図４に示すように、構造架構は１層門形ラーメンであり、質量Ｍを曲げ剛性の大きい梁５ａで支持した架構とした。
【００３５】
Ｃａｓｅ１に示す構造架構のみの層剛性をＫとする。
【００３６】
Ｃａｓｅ２は、Ｃａｓｅ２の柱５ｂと梁５ａの間に「軸伸縮しない剛な方杖７」を両端ピン接合で追加したものであり、柱高さの上から１／４の位置から４５°の方向に設置したものである。
【００３７】
Ｃａｓｅ３は、図４及び図５に示すように、Ｃａｓｅ２の方杖をトグル機構付きダンパー（方杖ダンパー１）としたものであり、トグル両端の取付高さはＣａｓｅ２と同じでトグル機構６によりダンパー変位を４倍に拡大している。トグル機構６を設けることによる変位ロスはダンパー（２、３）に直列する付加ばねｋ（４）で評価し、振動モデルにおける直列ばねｋ＝１０Ｋ（層剛性Ｋの１０倍）とする。
ここで、トグル機構６の変位拡大率が４倍なので、方杖ダンパー１に設けたダンパー諸元は振動モデルでは４２＝１６倍となる。すなわち、トグル機構６を設けることにより、１６倍の慣性質量ψや減衰ｃが方杖に組み込まれたのと同じ性能にすることができる。
【００３８】
また、Ｃａｓｅ３ａはダンパーに粘性減衰ｃ（オイルダンパー２）のみを設けて最適化しｃ＝√（ＭＫ）／２を設置したものであり、Ｃａｓｅ３ｂはダンパーとして慣性質量ψ（慣性質量ダンパー３）と粘性減衰ｃ（オイルダンパー２）を併用して最適化しψ＝Ｍ／２及びｃ＝３√（ＭＫ）／１６を設置したものである。
【００３９】
上記各ケースについて変位伝達関数を求め比較を行った。
ここでは、図６、図７に示すように、地表面変位（地動変位）ｘ０に対する梁の相対変位ｘ１の比を応答倍率とし、構造架構の固有振動数に対する地動の加振振動数の比を加振振動数比ξとする。なお、例示は１層モデルなので１次のみを対象とすればよく、構造架構の固有振動数ｆ１と固有角振動数ω１との関係は質量Ｍと層剛性Ｋから次の式（２）で表される。
なお、構造減衰ｈ（減衰定数）は１次に対して２％とする。
【００４０】
【数２】
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【００４１】
図７に示すように、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３ａを比較すると、方杖を剛にしたＣａｓｅ２は層剛性が高くなるので固有振動数（共振振動数）が増加するが共振点の応答倍率は低下せず共振特性の改善にはなっていないが、方杖にオイルダンパー２（粘性減衰ｃ）を組み込んだＣａｓｅ３ａは共振点の応答倍率が半減し優れた応答低減効果が認められた。
【００４２】
一方、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３ｂを比較すると、方杖にダンパーとして慣性質量ψ（３）と減衰ｃ（２）を併用したＣａｓｅ３ｂは共振点の応答倍率がＣａｓｅ１の１／５以下と大幅に低減し、ＴＭＤ（動吸振器）のような２峰性（ピークが２カ所に現れる特性）が認められた。
【００４３】
Ｃａｓｅ３ｂは、図５（ｂ）に示した振動モデルのように、慣性質量８Ｍ（設置量Ｍ／２をトグル機構６で増大）と直列ばね剛性１０Ｋによる振動数は√（１０Ｋ／８Ｍ）×√（１０／８）×ω１＝１．１２ω１となり、構造架構の固有振動数に同調される。
【００４４】
本実施形態の方杖ダンパー（方杖型制振装置）１においては、ダンパーの設置形態が方杖形式であるため、従来のブレースや壁の設置形態と比べて建築計画上の阻害要因となる（邪魔になる）ことを抑えることができる。
【００４５】
また、柱５ｂや梁５ａの中間部に取りつくことで生じる曲げ変形を考慮した同調型制振装置、すなわち、共振特性を大幅に改善した優れた制振構造（応答低減機構）を実現することが可能になる。
【００４６】
さらに、方杖の剛性を単に大きくしたのと異なり、方杖ダンパー１の設置による構造架構の固有振動数の増加が生じないため、高振動数側の応答倍率が増加せず、応答加速度を増大させる不都合が生じない。
【００４７】
また、ダンパーを方杖式に設置するだけなので、特別な技能を要さず容易に施工することができる。さらに、新築だけでなく、既存構造物の制震改修にも適用できる。
【００４８】
以上、本発明に係る方杖型制振装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一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。
【符号の説明】
【００４９】
１      方杖ダンパー（方杖型制振装置）
１ａ    方杖材
１ｂ    ダンパー
２      粘性系ダンパー（減衰要素）
３      慣性質量ダンパー（慣性質量要素）
４      付加ばね（付加ばね要素）
５      架構（構造物）
５ａ    梁
５ｂ    柱
７      方杖（剛部材）
【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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