特許第6622568号(P6622568)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 清水建設株式会社の特許一覧
<>
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000013
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000014
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000015
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000016
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000017
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000018
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000019
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000020
  • 特許6622568-建物の制振構造 図000021
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6622568
(24)【登録日】2019年11月29日
(45)【発行日】2019年12月18日
(54)【発明の名称】建物の制振構造
(51)【国際特許分類】
   E04H 9/02 20060101AFI20191209BHJP
   F16F 15/02 20060101ALI20191209BHJP
【FI】
   E04H9/02 341C
   F16F15/02 C
【請求項の数】2
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2015-217464(P2015-217464)
(22)【出願日】2015年11月5日
(65)【公開番号】特開2017-89151(P2017-89151A)
(43)【公開日】2017年5月25日
【審査請求日】2018年6月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002299
【氏名又は名称】清水建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100161506
【弁理士】
【氏名又は名称】川渕 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100108578
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 詔男
(74)【代理人】
【識別番号】100146835
【弁理士】
【氏名又は名称】佐伯 義文
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 泰志
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 仁志
(72)【発明者】
【氏名】田中 鉄也
(72)【発明者】
【氏名】牛坂 伸也
(72)【発明者】
【氏名】大泉 千明
【審査官】 土屋 保光
(56)【参考文献】
【文献】 特開平07−127306(JP,A)
【文献】 特開2008−133947(JP,A)
【文献】 特許第2660340(JP,B2)
【文献】 特許第2938095(JP,B2)
【文献】 特許第2544984(JP,B2)
【文献】 特開2008−101769(JP,A)
【文献】 特開2006−125110(JP,A)
【文献】 特開2011−144831(JP,A)
【文献】 特開平04−237778(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
E04H 9/02
F16F 15/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
建物に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振構造であって、
1層目の水平バネ要素上の連結材の上に2層目の水平バネ要素を設け、前記2層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体を設けるとともに、前記建物と前記連結材に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパーを設け、前記1層目と前記2層目の水平バネ要素によって2自由度を備えてなる制振装置を建物の頂部側に設置し、
且つ、前記制振装置の1次固有周期を前記建物の1次固有周期に、前記制振装置の2次固有周期を前記建物の2次固有周期にそれぞれ同調させて構成されていることを特徴とする建物の制振構造。
【請求項2】
前記制振装置は、
前記1層目の水平バネ要素および前記2層目の水平バネ要素を備えた複数の制振柱と、
前記複数の制振柱同士の間に架設された前記連結材と、
前記連結材に支持されて該連結材上に設置された前記錘体と、
前記回転慣性質量ダンパーと、を備え、
前記連結材は、平面視方形枠状に配設され、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記連結材の各辺に沿うように、且つダンパー軸を水平方向に配し、少なくとも水平の直交する2方向の周期調整を行うように配置されている請求項1に記載の建物の制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、建物の制振構造に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、マンションやオフィスビルなどの多層構造の建物では、建物内に設置した制振ダンパーによって、地震時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ようにしている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5参照)。
【0003】
また、このような制振ダンパーには、鋼材等の降伏耐力やすべり材の摩擦抵抗を利用した履歴系ダンパー、粘性体の粘性抵抗を利用したオイルダンパーなどの粘性系ダンパー、粘弾性体のせん断抵抗を利用した粘弾性系ダンパーが多用されている。
【0004】
一方、TMD(Tuned Mass Damper)と称する制振装置を建物の頂部側(屋上など)に設置し、建物の地震時応答を低減させることも提案、実用化されている。
【0005】
具体的に、TMDは、例えば、付帯フレームに振り子(錘体(重錘))を取り付け、錘体が往復振動する1自由度振動系として構成されている。そして、建物の1次固有周期と同調させて、建物の振動と逆方向に錘体を振動させることにより、すなわち、錘体が振動することによる慣性抵抗力(慣性質量効果)を利用することにより、建物に作用した地震エネルギーを減衰させ、建物の応答を低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−48187号公報
【特許文献2】特開2001−208129号公報
【特許文献3】特開平11−294522号公報
【特許文献4】特開平07−113359号公報
【特許文献5】再公表WO2009/17162号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ここで、上記従来のTMDを制振装置として用いる場合には、TMDの周期を建物の1次モード固有周期に同調させることによって建物の応答を低減するようにしている。すなわち、超高層建物等の応答が主として1次モードで振動していることを前提にしている。
【0008】
しかしながら、超高層建物などにおいては、建物の高さあるいは地震動の性質によって2次モードが卓越するような応答が生じる場合もあり、このような場合に対し1次モードの固有周期のみに同調させたTMDでは建物の応答低減効果が期待できない場合がある。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑み、1次モード及び2次モードの建物の応答を効果的に低減することを可能にする建物の制振構造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】
本発明の建物の制振構造は、建物に作用した振動エネルギーを減衰させるための制振構造であって、1層目の水平バネ要素上の連結材の上に2層目の水平バネ要素を設け、前記2層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体を設けるとともに、前記建物と前記連結材に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパーを設け、前記1層目と前記2層目の水平バネ要素によって2自由度を備えてなる制振装置を建物の頂部側に設置し、且つ、前記制振装置の1次固有周期を前記建物の1次固有周期に、前記制振装置の2次固有周期を前記建物の2次固有周期にそれぞれ同調させて構成されていることを特徴とする。
また、本発明の建物の制振構造は、前記制振装置が、前記1層目の水平バネ要素および前記2層目の水平バネ要素を備えた複数の制振柱と、前記複数の制振柱同士の間に架設された前記連結材と、前記連結材に支持されて該連結材上に設置された前記錘体と、前記回転慣性質量ダンパーと、を備え、前記連結材は、平面視方形枠状に配設され、前記回転慣性質量ダンパーは、前記連結材の各辺に沿うように、且つダンパー軸を水平方向に配し、少なくとも水平の直交する2方向の周期調整を行うように配置されていてもよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明の建物の制振構造においては、2自由度を備えるTMDとしての制振装置を建物に設置し、この制振装置の1次固有周期を建物の1次固有周期に、制振装置の2次固有周期を建物の2次固有周期にそれぞれ同調させることによって、地震などが発生した際の1次モード及び2次モードの建物の応答を効果的に低減させることが可能になる。
【0013】
また、積層ゴム体などの水平バネ要素を1層目と2層目に設け、2層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体を設けるとともに、1層目に実マスを設ける代わりに連結材と建物に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパーを設けてなるTMDとしての制振装置を用いることで、実マスを2層配置することなく、1次モード及び2次モードの建物の応答を効果的に低減させることが可能になる。
すなわち、1層目の実マスをなくし、重量を増やすことなく、建物の1次モード及び2次モードの建物の応答を低減させることが可能になる。
【0014】
これにより、本実施形態の建物の制振構造によれば、超高層建物等の建物の応答を1次モードのみならず2次モードも含めて制御することが可能となり、建物の1次モードのみに同調させた従来のTMDに比べて2次モードが卓越するような場合であっても建物の応答を効果的に低減させることができる。そして、従来に比べ、広範の建物、地震動に対して適用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建物の制振構造を示す斜視図である。
図2】本発明の一実施形態に係る建物の制振構造を示す斜視図である。
図3】本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の制振装置を示す斜視図である。
図4】本発明の一実施形態に係る建物の制振構造を示す図である。
図5】本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の解析モデルを示す図である。
図6】本発明の一実施形態に係る建物の制振構造の基本モデルの固有値解析結果を示す図である。
図7】2層目のみに付加マスを設置した場合の固有値解析結果を示す図である。
図8】1層目のみに付加マスを設置した場合の固有値解析結果を示す図である。
図9】1層目と2層目に均等に付加マスを設置した場合の固有値解析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9を参照し、本発明の一実施形態に係る建物の制振構造について説明する。
【0017】
本実施形態の建物Aは、図1及び図2に示すように、超高層部ビルなどの多層構造の建物であり、本実施形態の建物の制振構造Cは、この建物Aの頂部(屋上)に制振装置Bを設置して構成されている。なお、本発明に係る建物は、制振装置Bが建物の頂部側(上層部)に設置されていればよく、必ずしも屋上に設置されていなくてもよい。
【0018】
そして、本実施形態の制振装置Bは、2自由度を有するTMDが用いられている。
【0019】
具体的に、例えば、本実施形態の制振装置Bは、図3に示すように、積層ゴム体(水平バネ要素)1、2を備えた複数の制振柱3と、複数の制振柱3の積層ゴム体1、2よりも上方に連結して架設された連結梁(連結材)4、5と、連結梁4、5に支持されて連結梁4、5上に設置された錘体15と、一端を建物Aに、他端を連結梁5に接続して配設された回転慣性質量ダンパー6とを備えて構成されている。
なお、本実施形態では、水平バネ要素が積層ゴム体1、2であるものとして説明を行うが、本発明に係る水平バネ要素は水平の多方向の振動に対して減衰効果を発揮することが可能であれば、例えばバネ部材など、他の水平バネ要素であってもよい。
【0020】
また、積層ゴム体1、2は、一般に免震建物などで使用される積層ゴムと同様に構成したものであり、例えばゴムと鋼板を上下方向に交互に重ね合せるようにして形成されている。そして、本実施形態では、4本の制振柱3が所定位置に立設されており、各制振柱3が、下方側に第1積層ゴム体1、この第1積層ゴム体1上に鋼製の第1連結構造体7、連結構造体7上に第2積層ゴム体2、第2積層ゴム体2上に鋼製の第2連結構造体8を配置し、これら第1積層ゴム体1、第1連結構造体7、第2積層ゴム体2、第2連結構造体8を上下方向に一体に並設して形成されている。すなわち、本実施形態の制振柱3は、複数の積層ゴム体1、2を上下方向に並設して構成されている。
【0021】
さらに、本実施形態の制振装置Bは、隣り合う制振柱3の第1連結構造体7に一端、他端を連結してH形鋼やI形鋼などの連結梁5が架設されている。また、4本の制振柱3にそれぞれ連結梁5を架設することにより、方形状の第1鉄骨フレーム9が形成されている。
【0022】
さらに、隣り合う制振柱3の第2連結構造体8に一端、他端を連結してH形鋼やI形鋼などの連結梁4が架設され、これら4本の制振柱3にそれぞれ連結梁4を架設することにより、方形状の第2鉄骨フレーム10が形成されている。
【0023】
そして、第2鉄骨フレーム10上(及び第1鉄骨フレーム9上)に方形盤状の錘体15が設置され、第2鉄骨フレーム(及び第1鉄骨フレーム9)を介して4本の制振柱3によって錘体15が支持されている。
【0024】
さらに、本実施形態では、第1鉄骨フレーム9の各連結梁5に上端を接続して下方に鉄骨が延設され、この鉄骨からなる制振装置側連結部11に一端を、建物Aの屋上に一体形成されたコンクリートブロックなどの建物側連結部12に他端をそれぞれ接続して、回転慣性質量ダンパー6が設置されている。
【0025】
また、回転慣性質量ダンパー6は、第1鉄骨フレーム9の各連結梁5、すなわち方形枠状の第1鉄骨フレーム9の各辺に沿うように、且つダンパー軸を横方向(水平方向)に配し、4台配設されている。さらに、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー6によって付加質量を与え、少なくとも水平の2方向(直交する水平方向のX方向とY方向)の周期調整を行うように構成されている。
【0026】
そして、上記構成からなる本実施形態の建物の制振構造Cにおいては、水平の多方向の振動に対して減衰効果を発揮する積層ゴム体1、2を備えて制振柱3が構成され、この積層ゴム体1、2を備えた複数の制振柱3に錘体15を支持させて構成されているため、地震時に建物に作用した振動エネルギーを積層ゴム体1、2で吸収し、建物Aの少なくとも水平の2方向の応答を低減させることができる。
【0027】
また、制振柱3が複数の積層ゴム体1、2を並設して(積み上げて)構成されていることで、これら複数の積層ゴム体1、2による振動エネルギーの減衰効果が相乗的に発揮され、より確実に建物Aの応答を低減させることが可能になる。
【0028】
さらに、本実施形態の建物の制振構造Cにおいては、減衰を与えるための回転慣性質量ダンパー6を備えることにより、TMDとしての適切な減衰効果を発揮させることが可能になるとともに、回転慣性質量ダンパー6によって付加質量を与え、少なくとも水平の2方向の周期調整を行うことができる。
【0029】
これにより、図4に示すように、積層ゴム体1、2などの水平バネ要素を1層目と2層目に設け、2層目の水平バネ要素上に実マスとしての錘体15を設けるとともに、1層目に実マスを設ける代わりに連結材4と建物に接続して付加質量を与える回転慣性質量ダンパー6を設けてなるTMDとしての制振装置Bを用いることで、実マスを2層配置することなく、1次モード及び2次モードの建物Aの応答を効果的に低減させることが可能になる。
すなわち、1層目の実マスをなくし、重量を増やすことなく、建物の1次モード及び2次モードの建物Aの応答を低減させることが可能になる。
【0030】
さらに、本実施形態の建物の制振構造Cにおいては、個々の部材数も少なく、コンパクトに構成することが可能になるとともに、組み立ても容易で、且つ錘体15等の各部材を分割して(錘体15も分割して)運搬することができ、従来と比較して施工性を大幅に向上させることも可能である。
【0031】
よって、本実施形態の建物の制振構造Cにおいては、制振装置Bの占有空間を極力小さくすることができるとともに、多方向での固有周期調整が容易に行え、建物Aの多方向の応答を低減させることが可能になる。
【0032】
すなわち、本実施形態の建物の制振構造Cにおいては、超高層建物等の建物の応答を1次モードのみならず2次モードも含めて制御することが可能になり、建物に1次モードのみに同調させたTMDと比べて2次モードが卓越するような応答が生じる建物に対してもその応答低減を効果的に行うことが可能になる。よって、従来と比較し、TMDを用いて広範の建物及び地震動に対し、優れた応答低減効果を付与することが可能になる。
【0033】
ここで、超高層建物のTMDとして、本実施形態に示した積層ゴム体1、2を2段積にして水平剛性を小さくした制振装置Bを用いた場合、1つの実マスをその頂部に設置すると、1自由度のバネ−マス系を水平のX,Xに直交する水平のYそれぞれの方向に対して構築することが可能であるが、どちらも同じ固有周期を有するバネ−マス系となる。このため、X,Y2方向で固有周期が異なる超高層建物のような場合は、それぞれの方向について独立に同調させるTMDを設置する必要が生じる。
【0034】
これに対し、本願の発明者らは、実マスを増やさずにX,Y2方向の1方向のみの固有周期を伸ばす方法として、本実施形態の建物の制振構造Cのように、その方向に対して慣性質量を付加させる方法を考えた。但し、積層ゴム体1、2を2段積にし、その頂部変位(相対変位)に対して慣性質量効果を得ようとする場合、慣性質量効果を期待するデバイス(装置:回転慣性質量ダンパー6)には大きなストローク(例えば100cm程度)への追従性が要求され、そのままでは対応できない可能性があった。一方、通常の免震層に設置するオイルダンパーは免震層にて想定される層間変形(例えば60cm程度)に対する追従性能を有しているので、技術的に層間変形で60cm程度を実現するのはさほど困難ではないと考えられる。
【0035】
このような知見から、積層ゴム体1、2を2段積とし、その頂部に実マス15を設置し、各段の積層ゴム体1、2の変形に対して検討を行い、慣性質量を付加した場合のTMDの基本的な性質を把握することとした。
【0036】
はじめに、検討対象TMDモデル及び固有値解析式について説明する。
積層ゴム体1、2を2段積にして用いるTMD(制振装置B)の検討を行うために、図5に示すような付加質量を有する2質点系TMDモデルを想定する。このTMDモデルの振動方程式は、式(1)、式(2)、式(3)に示す通り、質量マトリックス、減衰マトリックス、剛性マトリックスを有する。
【0037】
【数1】
【0038】
【数2】
【0039】
【数3】
【0040】
式(1)〜(3)で示されるマトリックスを用いて表現される振動方程式の固有値は、式(4)で表され、この行列式の特性方程式を解くことによって計算することができる。
すなわち、式(4)は最終的に式(5)となり、ωについての2次方程式となる。
【0041】
【数4】
【0042】
【数5】
【0043】
したがって、有効なω、Tは、次の式(6)で表せる。
【0044】
【数6】
【0045】
また、i次の固有ベクトルは次の式(7)で表せる。
【0046】
【数7】
【0047】
さらに、各次の刺激係数、刺激関数及び略算法(複素固有値解析によらず、実固有値解析のモードベクトルと減衰マトリックスを用いる方法)より求められる減衰定数は、それぞれ、式(1)〜(3)、式(7)より式(8)、式(9)、式(10)となる。
【0048】
(i次の刺激係数)
【数8】
【0049】
(i次の刺激関数)
【数9】
【0050】
(i次の減衰定数)
【数10】
【0051】
次に、本検討では、2層のTMDの2層目(頂部)のみに実マスを設置した場合に、付加マスの配置によってTMDの固有周期及び刺激関数がどのように変化するかを調べる。
【0052】
付加マスはTMDのモードを直線モードと仮定した場合に一次の有効マスが等しくなるように設定する。ここでは、実マスのみによるTMDを基本モデルとし、その実マス重量を400ton、水平バネはTMDの固有周期が約4.0secとなるように設定する。
【0053】
そして、本検討では、表1に示すように、基本モデルを含めた4ケースについて検討を行った。
【0054】
【表1】
【0055】
基本モデルの固有値解析結果を図6に示す。
基本モデルは実質的に1質点系モデルであるが、以降の解析上の都合もあり、解析モデルとして2質点系モデルを採用している。そのため、1層のマスを1.0tonとして解析上の工夫をしており、結果として2次モードが出ている。しかし、1層目に実マスが無く、その位置における慣性力が存在しないため、2次モードは事実上意味を持たないものとなっている。また、ここでは減衰係数はすべて0としている。
【0056】
検討ケースM、N、Lの結果をそれぞれ、図7図8図9に示す。
検討ケースM、Nでは、付加マスの大きさによって一次の固有モードが当初設定していた固有モードと異なってくるため、固有周期は付加マスの大きさに応じて変化することが確認された。
【0057】
また、検討ケースM、Nでは付加マスの大きさが同じであれば、ほぼ同じ1次固有周期を与えることがわかる。さらに、付加マスの大きさが同じ場合の検討ケースM、Nの各次刺激関数は互いに転倒させた形となっている点、どちらも付加マスの大きさが大きくなるに従って1次の刺激関数が全体的に小さくなり、付加マスが設置されている部位の層間変形を生じさせにくい形に2次の刺激関数が変化してゆくという興味深い結果が得られた。
【0058】
一方、検討ケースLでは付加マスが固有モードを変化させることが無いため、付加マスの大きさによらず1次固有周期の値はほとんど変化しないことが確認された。また、付加マスの割合が大きくなるに従って1次の刺激関数は0に近づいてゆき、2次の刺激関数は常に0になることが確認された。
【0059】
以上のように、簡単な固有値解析によって1つの実マスと1〜2の付加マスを有した2層TMDの動的性質を調べた結果、1つの実マスに付加マスを組み合わせた2層TMDによって、付加マスの配置パターンによって様々な2自由度振動系を実現できることがわかった。これにより、この性質を応用すれば、1つの実マスを用いて2つの振動系を制御するTMDを構築可能であることが実証された。
【0060】
以上、本発明に係る建物の制振構造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。
【0061】
例えば、本実施形態では、水平バネ要素が積層ゴム体であるものとして説明を行ったが、必ずしも積層ゴム体でなくてもよい。
【符号の説明】
【0062】
1 積層ゴム体(水平バネ要素)
2 積層ゴム体(水平バネ要素)
3 制振柱
4 連結梁
5 連結梁
6 回転慣性質量ダンパー
7 第1連結構造体
8 第2連結構造体
9 第1鉄骨フレーム
10 第2鉄骨フレーム
11 制振装置側連結部
12 建物側連結部
13 凹部(クランク、段部)
14 ダンパー接続用梁部
15 錘体(実マス)
A 建物
B 制振装置
C 建物の制振構造
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9