(57)【要約】【課題】原理的にはＴＭＤと同様に機能するものの、従来一般のＴＭＤのように格別の付加質量を必要とせずに、充分な応答低減効果が得られる制振構造とその諸元設定方法を提供する。【解決手段】建物内の任意の層間（たとえば１階と２階との間）に中段階（たとえば中２階）として使用する中間層５を設置し、中間層の躯体を上層および下層の躯体に対してそれぞれ上下の支持部材（吊り材６および間柱７）を介して水平変位可能に支持し、中間層と上層または下層との間には付加バネ１０を介装し、中間層と上下の支持部材と付加バネにより構成される付加振動系を建物内に設ける。中間層の質量ｍ０と、中間層と上層との間の層剛性ｋ０１と、中間層と下層との間の層剛性ｋ０２と、付加バネのバネ定数ｋ０とにより定まる付加振動系の固有振動数を、建物の固有振動数に同調させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物内の任意の層間に中段階として使用する中間層を設置し、該中間層の躯体を上層および下層の躯体からそれぞれ支持部材を介して水平変位可能に支持するとともに、該中間層と上層または下層との間には付加バネを介装することによって、それら中間層と上下の支持部材と付加バネにより構成される付加振動系を建物内に設けてなる制振構造であって、
前記中間層の質量ｍ０と、該中間層と上層との間の層剛性ｋ０１と、該中間層と下層との間の層剛性ｋ０２と、前記付加バネのバネ定数ｋ０とにより定まる付加振動系の固有振動数を、建物の固有振動数に同調させてなることを特徴とする制振構造。
【請求項２】
建物内の任意の層間に中段階の床として使用する中間層を設置し、該中間層の躯体を上層および下層の躯体に対してそれぞれ上下の支持部材を介して水平変位可能に支持するとともに、該中間層と上層または下層との間には付加バネを介装することによって、それら中間層と上下の支持部材と付加バネにより構成される付加振動系を建物内に設けてなる制振構造における諸元設定方法であって、
前記中間層の質量ｍ０と、該中間層と上層との間の層剛性ｋ０１と、該中間層と下層との間の層剛性ｋ０２と、前記付加バネのバネ定数ｋ０とにより定まる付加振動系の固有振動数を、建物の固有振動数に同調させることを特徴とする制振構造における諸元設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物の振動を低減させるための制振構造およびその諸元設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建物の振動を低減するための機構として、たとえば特許文献１に示されるような所謂チューンド・マス・ダンパー（Tuned Mass Damper:ＴＭＤ）が知られている。これは、建物に対して付加質量を付加バネおよび付加減衰を介して設置して、付加質量と付加バネとにより定まる付加振動系の固有振動数を主振動系としての建物の固有振動数に同調させることによって共振点近傍における応答を低減させるものである。
【０００３】
また、特許文献２には、建物の下層階における外周部と内部架構とに分離するとともに内部架構と基礎とを分離してそれらの間に減衰装置を設置することにより、建物の下層階において水平剛性を低下させて長周期化し、下層階に集中する水平変形を減衰装置により効果的に減衰させるという制振方法および制振構造についての開示がある。
【特許文献１】特開昭６３−１５６１７１号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されるような従来一般のＴＭＤでは充分な振動低減効果を得るためには付加質量を充分に大きくする必要があるが、建物にあまり大きな質量を付加することは現実的ではないので、通常は建物自重の１〜２％程度とすることが限度であり、したがって制振効果にも自ずと限界がある。
また、特許文献２に示される制振方法および制振構造は制振と免震の双方の効果が得られるものではあるが、ＴＭＤのような振動数同調による制振効果を意図したものではないので共振点近傍での応答を充分に低減できるものではない。
【０００５】
上記事情に鑑み、本発明は原理的にはＴＭＤと同様に機能するものの、従来一般のＴＭＤのように格別の付加質量を必要とせずに充分な応答低減効果が得られる制振構造とその諸元設定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の制振構造およびその諸元設定方法は、建物内の任意の層間に中段階として使用する中間層を設置し、該中間層の躯体を上層および下層の躯体に対してそれぞれ上下の支持部材を介して水平変位可能に支持するとともに、該中間層と上層または下層との間には付加バネを介装することによって、それら中間層と上下の支持部材と付加バネにより構成される付加振動系を建物内に設け、前記中間層の質量ｍ０と、該中間層と上層との間の層剛性ｋ０１と、該中間層と下層との間の層剛性ｋ０２と、前記付加バネのバネ定数ｋ０とにより定まる付加振動系の固有振動数（あるいは固有角振動数）を、建物の固有振動数（あるいは固有角振動数）に同調させるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、建物の主体構造を構成している本来の層間にたとえば中２階等の中段階として使用する中間層を設けて、その中間層の質量をＴＭＤ機構における錘として利用することにより、従来のＴＭＤ機構のように建物に対して大きな負荷となる錘やバネが不要であり、しかもその質量を建物の全質量のたとえば１０％以上にも充分に大きくすることが可能であり、したがって優れた制振効果が得られ、風荷重や交通振動のような小振幅だけでなく大地震時の応答低減にも効果的であり、極めて合理的にして有効な制振機構を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の一実施形態を図１〜図３に示す。図示例の実施形態は３階建ての建物への適用例であって、図１に建物全体の軸組を架構モデルとして示し、また図２に振動モデルとして示すように、１階の床梁を構成している第１層１、２階の床梁を構成している第２層２、３階の床梁を構成している第３層３，屋上階の床梁を構成している第４層４を有する架構を主体とするものであるが、そのような主体構造の内部には第１層（１階）１と第２層（２階）２との間に大きな吹き抜け空間を確保してそこに中段階（この場合は中２階）の床梁を構成している中間層５を設け、その中間層５の躯体の質量を付加質量として利用してＴＭＤ機構として機能させることを主眼としている。
【０００９】
すなわち、本実施形態では第１層１と第２層２との間に中２階として使用される中間層５を設け、その中間層５は上層である第２層２から上側の支持部材としての吊り材６により吊り支持されるとともに、下層である第１層１から下側の支持部材としての間柱７により支持されている。
本実施形態においては間柱７の柱脚は第１層１に対してピン接合されており、それにより中間層５は第１層１と第２層２との間で水平方向に相対振動可能とされ、かつその中間層５の相対振動は制振装置８により制御されるようになっている。
図示例の制振装置８は中間層５と第２層２との間に間柱の形態で設置されているが、これは図２に示すように中間層５の水平振動を減衰させるためのダンパー９と、それに並列に設置された付加バネ１０とから構成されている。なお、この制振装置８は中間層５の上下のいずれかに設置すれば良く、図示例のように中間層５と第２層２との間に設置することに代えて中間層５と第１層１との間に設置しても良い。
【００１０】
上記構造による本実施形態の制振構造は、振動モデルとしては建物全体の主体構造による主振動系に対して、中間層５と、上下の支持部材である吊り材６と間柱７と、制振装置８とにより構成される付加振動系を組み込んだものであり、その付加振動系の固有振動数は、図２に示す各諸元、すなわち中間層５の質量ｍ０と、中間層５とその上層である第２層２との間の層剛性ｋ０１と、中間層５とその下層である第１層１との間の層剛性ｋ０２と、制振装置８を構成している上記の付加バネ１０のバネ定数ｋ０とによって定まるものである。
具体的には、付加振動系の固有振動数を固有角振動数として表した場合、その固有角振動数ωｄは、上記各諸元から次式の関係で定まるものである。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
そして本実施形態では、上式で定まる付加振動系の固有角振動数ωｄを建物の固有角振動数、特に１次固有角振動数ω１に同調させることにより、中間層５による付加振動系の全体をＴＭＤ機構として機能させる、換言すれば、中間層５の質量ｍ０をＴＭＤ機構における付加質量として利用するものであり、それにより通常のＴＭＤ機構のように格別の付加質量を必要とすることなく、また所望の制振効果を得るために必要となる充分な付加質量を支障なく確保でき、それにより建物全体の１次モードの共振点近傍における振動を有効に減衰させることができるものである。
【００１３】
なお、中間層５は必ずしも１階と２階との間に中２階として設けることはなく、任意の層間に設ければ良いが、特に地震時に層間変位が大きくなる位置に設置することが好ましい。
また、共振点の設定は建物の１次固有（角）振動数に限られず、制振対象とする特定の固有（角）振動数に同調させればその共振点近傍での応答を低減させることができる。
また、中間層５の面積は本来の各階を構成している他の層の面積よりも小さくても良いし、中間層５の平面重心位置は建物の中心となるのが好ましいが、偏芯していても構わない。これは、一般に中間層制振による応答低減効果の方がその偏芯によるねじり応答の影響（割増効果）より大きいためである。
また、上記のように中間層５を上下の支持部材としての吊り材６および間柱７により上下からそれぞれ支持していることから、中間層５の固有振動数が小さい（長周期となる）場合でも安定して支持できて過大な変位振幅を生じ難いものとなっている。なお、そのように中間層５を上下から支持することは中間層５の上下にそれぞれバネが取り付くことになり、その点で上下の一方だけにバネが取り付く従来一般のＴＭＤ機構とは振動特性がやや異なるものとなるが、ほぼ同様の効果を発揮することには変わりがない。
【００１４】
以下、本実施形態の制振構造の具体例をさらに説明する。
図２に示す振動モデルにおいて、質点ｊ（ｊ＝１〜３）の加振方向変位をｘｊとし、質点ｊの静止座標系（絶対変位）の釣り合い式で表示すると次式となる。
【００１５】
【数２】
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【００１６】
図２に示しているように主体構造の各層の質量ｍ１、ｍ２、ｍ３、剛性ｋ１、ｋ２、ｋ３、減衰ｃ１、ｃ２、ｃ３が均等であるとし、ｍ１＝ｍ２＝ｍ３、ｋ１＝ｋ２＝ｋ３、ｃ１＝ｃ２＝ｃ３とする。
変位ｘが角振動数ωの正弦波振動ｘｊ＝ｘｊｅｉωｔであるとし、ω０２＝ｋ１／ｍ１、
ｈ１＝ｃ１／（２ｍ１ω０）、ξ＝ω／ω０とする。
中間層の構造減衰は無視し、ｃ０１＝ｃ０２＝０とする。
質量については、（￣ｍ０）＝ｍ０／ｍ１とし、バネについては（￣ｋ０１）＝ｋ０１／ｋ１、（￣ｋ０２）＝ｋ０２／ｋ１とする。付加バネについては（￣ｋ０）＝ｋ０／ｋ１、付加減衰ｈ０はｈ０＝ｃ０／（２ｍ１ω０）とする。
なお、（￣ｍ０）は、ｍ０の上部に￣（バー）がつくことを表すものである（他の記号についても同様）。
【００１７】
それらの値を用いて振動方程式をマトリクス形式でまとめると次式となる。
【００１８】
【数３】
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【００１９】
この式から求まるｘｊ／ｘｇ（複素数の絶対値、ｊ＝１〜３）が、加振入力に対する各質点の変位応答倍率を示す。なお、加振入力に対する応答倍率は変位、速度、加速度とも同じになる。
【００２０】
各諸元を具体的に次のように設定した場合における解析結果を以下に示す。
中間層５の質量を他の層の質量ｍ１〜ｍ３の０．２倍とする。すなわち、ｍ０＝０．２ｍ１とする（ｍ１＝ｍ２＝ｍ３）。
中間層５と第２層２との間の層剛性ｋ０１は他の層剛性ｋ１〜ｋ３の０．０１５倍であり、中間層５と第１層１との間の層剛性ｋ０２は他の層剛性ｋ１〜ｋ３の０．００７５倍とする。すなわち、ｋ０１＝０．０１５ｋ１、ｋ０２＝０．００７５ｋ１とする（ｋ１＝ｋ２＝ｋ３）。
ダンパー９の減衰係数ｃ０による付加減衰は、ｈ０＝ｃ０／（２ｍ１ω０）＝０．１
とする。主体構造の構造減衰はｈ１＝０．０２とする。
ダンパー９と並列にする付加バネ１０はｋ０＝０．００１ｋ１とし、これにより付加振動系の固有角振動数ωｄを建物全体の１次固有角振動数ω１（≒０．３５ω０）に同調させる。
【００２１】
各諸元を上記のように設定した場合における応答低減効果を伝達関数で示し、その結果を図３に示す。
図３に示される結果から、中間層（中２階）の質量効果を利用した応答低減機構（ＴＭＤ機構）が地震に対しても有効であることがわかる。
すなわち、一般階の２０％（０．２倍）程度の質量を利用するだけで、最大値が１／４以下（最大応答が７８％低減）と大きな応答低減効果が得られる。したがってたとえば吹き抜けの一部を中２階として利用するような建築計画にも充分に適用可能である。また、中２階の床も過大な振幅にならず、制振しないときの２階床と同等以下の揺れに納まる。
また、上記は建物の１次固有振動数に同調させた場合の解析例であるので、当然に１次モードの振動が大きく低減している。すなわち、図中でξ＝ω／ω０＝０．３５が建物の１次モードの共振点であり、この近傍だけ応答低減している。しかも、中２階で制振することで２階近傍だけでなく頂部まで建物全体の振動を効果的に抑制できることがわかる。
【００２２】
本発明の制振構造によれば、以下に列挙するような効果が得られる。
（１）中２階のような中段階として使用する中間層の質量を錘として利用するので、従来のＴＭＤ機構のように建物の負荷となる錘やバネ（積層ゴム、コイルバネ等）が不要となる。中間層という建築計画上で必要な部分の質量を錘として利用するため、ＴＭＤ機構として新たに格別の錘を設ける必要のある従来型のＴＭＤ機構よりはるかにローコストに実現できる。
（２）従来のＴＭＤ機構では錘質量を建物の１〜２％程度しか与えることが現実的にできなかったが、本発明によれば建物の一部を錘として利用するのでたとえば１０％以上でも比較的容易に実現できる。そのため、風荷重や交通振動のような小振幅だけでなく大地震時の応答低減にも効果的となる。また、固定端（地表面）から加速度加振される地震のみならず、建物へ加振力として作用する風荷重にも効果的な応答低減機構である。また、従来のＴＭＤより錘質量が大きいため応答低減できる振動数範囲は広く、中間層の重量が１割程度変動しても、あるいは積載荷重が５割程度変動しても、問題なく機能することができ、安定した応答低減効果を発揮できる。
【００２３】
（３）中間層の質量を錘として利用することから従来のＴＭＤ機構と比較して大きな錘質量を付与できるため、中間層を主体構造と一体化した場合（つまり中間層を制振に利用しない場合）と比較して主体構造と中間層のいずれも応答を低減することができる。これは、２棟間にダンパーを介して連結することで双方の応答を低減できる２棟間制振と同等の効果である。したがって、この制振機構を採用することによって中間層の居住性が低下するということはない（制振しないときと同等以上の居住性を確保できる）。
（４）中間層は中２階のように主体構造の階高の大きい位置に設けられるのが一般的であるが、階高の大きい階は自ずと層剛性が小さくなりかつ層間変位が大きくなるため、自ずと制振効果を発揮し易くなり合理的である。
（５）建物の特定箇所だけに中間層を設置しても微小振幅から大振幅まで広範囲の外乱に対して大きな応答低減効果が得られるので、各階に層間ダンパー（ブレースダンパーや制振壁など）を設置する通常の制振構造の場合よりも建築計画上で組み込み易い。特定箇所とは必ずしも中２階（１階と２階との間）に限らないが、層間変形の大きい箇所の方が効果的である。また、高さ方向に２カ所以上に設置すれば応答をより低減することができる。
【００２４】
（６）中間層は特定箇所だけに設置すれば良く、その中間層の上下のいずれかに制振装置を設置すれば良いので、設置コストは充分に安くて済む。
（７）従来のＴＭＤ機構と同様に慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので、微小振幅から効果を発揮できるし、一般的な鋼材ダンパーのような制振ダンパーを用いる通常の制振構造のように鋼材が降伏してから後だけ効果を発揮するものとは異なる。
（８）本発明は建物の共振による応答増大を防止する機構であり、共振点近傍での応答変位、反力を大きく低減することができ、地下基礎部への負担低減や浮き上がり防止にも効果的である。また、一般部の応答変位を低減することで居住性も向上する。
（９）本発明のＴＭＤ機構を設置した後の振動数同調作業は、従来のＴＭＤ機構の場合と同様に付加バネの値を調整することで容易に対応できる。
【００２５】
（１０）本発明の制振構造は、通常の粘性系や履歴系の制振ダンパーと併用することも可能であり、それにより応答低減効果を更に高めることも可能である。
（１１）本発明は建築計画と密接に絡む制振架構といえる。建物の一部をさりげなく錘として利用した質量効果型の制振機構であり、積層ゴムや滑り支障を用いた可動機構を持たず、外見上や架構からは通常の耐震架構との差異はない。また、従来のＴＭＤ機構では一般に建物頂部に配置していたが、本発明では中２階のように低層部に配置しても効果的である。さらに、従来のＴＭＤ機構では錘部分の振幅が非常に大きくなって居住には適さないものであったが、本発明では中間層の振幅を制振しない場合と同等以下に抑えられる。このような特性を生かした建築計画を立案することで、ローコストで耐震性に優れた魅力的な建物を設計することが可能になる。
【００２６】
以上で本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、建物の規模や形態、構造、用途、中間層の位置、中間層を上下各層に対して相対振動可能に支持するための支持部材の構造やそれらによる支持の形態、中間層の振動を制御するための制振装置の構成や設置形態、その他、細部の具体的な構成については、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意の設計的変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態である制振構造を示すもので、建物全体の軸組を架構モデルとして示した図である。
【図２】同、振動モデルとして示した図である。
【図３】同、効果を説明するための解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  第１層（１階）
２  第２層（２階）
５  中間層（中段階）
６  吊り材（支持部材）
７  間柱（支持部材）
８  制振装置
９  ダンパー
１０  付加バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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