(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023176371
(43)【公開日】2023-12-13
(54)【発明の名称】制振構造
(51)【国際特許分類】
E04H 9/02 20060101AFI20231206BHJP
【ＦＩ】
E04H9/02 351
E04H9/02 321C
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022088621
(22)【出願日】2022-05-31
(71)【出願人】
【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
(72)【発明者】
【氏名】西谷 隆之
(72)【発明者】
【氏名】兼光 知巳
(72)【発明者】
【氏名】牛坂 伸也
(72)【発明者】
【氏名】村瀬 充
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 広大
【テーマコード（参考）】
2E139
【Ｆターム（参考）】
2E139AA01
2E139AA05
2E139AB01
2E139AC08
2E139AC53
2E139AD01
2E139BA12
2E139BA19
2E139BA24
2E139BD33
2E139BD34
2E139BD46
2E139CA02
2E139CA11
2E139CA21
2E139CB08
2E139CC08
(57)【要約】
【課題】温度変化によって生じる応力および地震時の振動を低減できる制振構造を提供する。
【解決手段】下部構造体２と、下部構造体２と連結されて下部構造体２に支持される屋根部３と、下部構造体２と屋根部３との連結部４に設けられる第１制振装置５と、下部構造体２と屋根部３との連結部４に設けられるばね装置６と、下部構造体２に設けられる第２制振装置７と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】下部構造体２と、下部構造体２と連結されて下部構造体２に支持される屋根部３と、下部構造体２と屋根部３との連結部４に設けられる第１制振装置５と、下部構造体２と屋根部３との連結部４に設けられるばね装置６と、下部構造体２に設けられる第２制振装置７と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下部構造部と、
前記下部構造部と連結されて前記下部構造部に支持される屋根部と、
前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられる第１制振装置と、
前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられるばね装置と、
前記下部構造部に設けられる第２制振装置と、を有する制振構造。
前記下部構造部と連結されて前記下部構造部に支持される屋根部と、
前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられる第１制振装置と、
前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられるばね装置と、
前記下部構造部に設けられる第２制振装置と、を有する制振構造。
【請求項2】
前記下部構造部は、複数の層を有し、
前記複数の層の一部の層を他の層よりも柔構造とするとともに、前記一部の層に前記第２制振装置を設ける請求項１に記載の制振構造。
前記複数の層の一部の層を他の層よりも柔構造とするとともに、前記一部の層に前記第２制振装置を設ける請求項１に記載の制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、制振構造に関する。
【背景技術】
【0002】
各種スポーツや催し物などが行われるスタジアム、アリーナ、ホールなどの大空間を構築する建物で、下部構造体が大スパンで屋根を支持する建物が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１９－０７３９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
大スパンで支持される屋根が温度変化によって伸縮すると、下部構造体の柱や梁に大きな応力が生じるという問題がある。
また、大スパンで支持される屋根は、下部構造体と比べて重量が小さいため、地震が生じると、下部構造体よりも大きく変位する。これにより、屋根の応答加速度、応答せん断力が大きくなるため、下部構造体に大きな力が作用する。耐震性を向上させるためには、下部構造体に多数の制振装置を設置することが考えられる。しかしながら、スタジアムなどの建物は大空間を構築し、スパン数が少ないため、制振装置を設置する箇所が限られてしまう。更に、下部構造体に多数の制振装置を設置すると、動線計画などに支障が生じるという問題がある。
また、大スパンで支持される屋根は、下部構造体と比べて重量が小さいため、地震が生じると、下部構造体よりも大きく変位する。これにより、屋根の応答加速度、応答せん断力が大きくなるため、下部構造体に大きな力が作用する。耐震性を向上させるためには、下部構造体に多数の制振装置を設置することが考えられる。しかしながら、スタジアムなどの建物は大空間を構築し、スパン数が少ないため、制振装置を設置する箇所が限られてしまう。更に、下部構造体に多数の制振装置を設置すると、動線計画などに支障が生じるという問題がある。
【0005】
そこで、本発明は、温度変化によって生じる応力および地震時の振動を低減できる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】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明に係る制振構造は、下部構造部と、前記下部構造部と連結されて前記下部構造部に支持される屋根部と、前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられる第１制振装置と、前記下部構造部と前記屋根部との連結部に設けられるばね装置と、前記下部構造部に設けられる第２制振装置と、を有する。
【0007】
本発明では、下部構造部と屋根部との連結部にばね装置が設けられることにより、屋根部が温度変化によって伸縮した際の変形をばね装置が吸収できる。このため、温度変化による屋根部の収縮によって下部構造部の柱や梁に生じる応力を低減できる。
本発明では、第１制振装置、ばね装置および屋根部がマスダンパーとして機能するとともに、第１制振装置、ばね装置および第２制振装置が下部構造部と屋根部とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。これにより、下部構造部、屋根部を合わせた建物全体の応答および地震時の振動を低減させることができる。その結果、下部構造部に多数の制振装置を設置しなくても、耐震性を向上できる。従来の制振構造と比べて、下部構造部２に設置する制振装置を削減した場合でも従来と同等の必要な耐震性を確保できる。
本発明では、第１制振装置、ばね装置および屋根部がマスダンパーとして機能するとともに、第１制振装置、ばね装置および第２制振装置が下部構造部と屋根部とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。これにより、下部構造部、屋根部を合わせた建物全体の応答および地震時の振動を低減させることができる。その結果、下部構造部に多数の制振装置を設置しなくても、耐震性を向上できる。従来の制振構造と比べて、下部構造部２に設置する制振装置を削減した場合でも従来と同等の必要な耐震性を確保できる。
【0008】
また、本発明に係る制振構造では、前記下部構造部は、複数の層を有し、前記複数の層の一部の層を他の層よりも柔構造とするとともに、前記一部の層に前記第２制振装置を設けてもよい。
【0009】
このような構成とすることにより、下部構造部の一部の層に地震による変形を集中させて、その一部の層に設けられた第２制振装置によって地震エネルギーを効率的に吸収できる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、温度変化によって生じる応力および地震時の振動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態による制振構造について、図１に基づいて説明する。
図１に示す本実施形態による制振構造１は、屋根があるスタジアム、ホール、アリーナなどの大空間を構築する建物１１に採用される。制振構造１は、下部構造部２と、屋根部３と、下部構造部２と屋根部３との連結部４に設けられる第１制振装置５と、下部構造部２と屋根部３との連結部４に設けられるばね装置６と、下部構造部２に設けられる第２制振装置７と、を有する。
図１に示す本実施形態による制振構造１は、屋根があるスタジアム、ホール、アリーナなどの大空間を構築する建物１１に採用される。制振構造１は、下部構造部２と、屋根部３と、下部構造部２と屋根部３との連結部４に設けられる第１制振装置５と、下部構造部２と屋根部３との連結部４に設けられるばね装置６と、下部構造部２に設けられる第２制振装置７と、を有する。
【0013】
下部構造部２は、地盤に支持されている。下部構造体２は、柱や梁を有する。下部構造部２が複数階（層）を有する。建物１１がスタジアムの場合、下部構造部２には、観客席が設けられる。第２制振装置７は、例えば、筋交い型，シアリンク型あるいは間柱型に配置したオイルダンパーや、粘性壁等で構成される。
本実施形態の下部構造部２は、１階を２階以上の階よりも柔構造にし、１階に第２制振装置７を設けた、いわゆる第１層集中制振構造である。第１層集中制振構造は、地震による変形を特定の階に集中させ、その階において地震エネルギーを吸収する構造である。図１に示す建物１１は、４階を有する。
本実施形態の下部構造部２は、１階を２階以上の階よりも柔構造にし、１階に第２制振装置７を設けた、いわゆる第１層集中制振構造である。第１層集中制振構造は、地震による変形を特定の階に集中させ、その階において地震エネルギーを吸収する構造である。図１に示す建物１１は、４階を有する。
【0014】
屋根部３は、上下方向からみた平面視における縁部が、下部構造部２の上端部と連結されている。屋根部３は、大スパンで下部構造部２に支持されている。
第１制振装置５は、例えば、オイルダンパーなどである。
ばね装置６は、皿ばねやコイルばねあるいは積層ゴム支承などを適宜組み合わせて構成されている。例えば、ばね装置６には、積層ゴム支承のように鉛直荷重を支持できる水平方向のばねを用いたり、皿ばねやコイルばねなどのように水平方向の復元力しか期待しないばねを、鉛直荷重を支持する支承（滑り支承や転がり支承）と併用して用いたりする。
第１制振装置５とばね装置６とは、下部構造部２と屋根部３との連結部４に並列に設けられる。さらに、年に数回あるような強風時に屋根部３が常に揺れてしまうことを防止するため、ばね装置６と第１制振装置５に並列して耐風ロック装置、またはすべり出し荷重が風荷重よりも大きい摩擦係数を持ったすべり支承を設置してもよい。
第１制振装置５、ばね装置６および第２制振装置７は、下部構造部２と屋根部３とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。
第１制振装置５は、例えば、オイルダンパーなどである。
ばね装置６は、皿ばねやコイルばねあるいは積層ゴム支承などを適宜組み合わせて構成されている。例えば、ばね装置６には、積層ゴム支承のように鉛直荷重を支持できる水平方向のばねを用いたり、皿ばねやコイルばねなどのように水平方向の復元力しか期待しないばねを、鉛直荷重を支持する支承（滑り支承や転がり支承）と併用して用いたりする。
第１制振装置５とばね装置６とは、下部構造部２と屋根部３との連結部４に並列に設けられる。さらに、年に数回あるような強風時に屋根部３が常に揺れてしまうことを防止するため、ばね装置６と第１制振装置５に並列して耐風ロック装置、またはすべり出し荷重が風荷重よりも大きい摩擦係数を持ったすべり支承を設置してもよい。
第１制振装置５、ばね装置６および第２制振装置７は、下部構造部２と屋根部３とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。
【0015】
次に、本実施形態による制振構造の作用・効果について説明する。
本実施形態による制振構造１では、下部構造部２と屋根部３との連結部４にばね装置６が設けられることにより、屋根部３が温度変化によって伸縮した際の変形をばね装置６が吸収できる。このため、温度変化による屋根部３の収縮によって下部構造部２の柱や梁に生じる応力を低減できる。
本実施形態による制振構造では、第１制振装置５、ばね装置６および屋根部３がマスダンパーとして機能するとともに、第１制振装置５、ばね装置６および第２制振装置７が下部構造部２と屋根部３とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。これにより、下部構造部２、屋根部３を合わせた建物１１全体の応答を低減させることができる。その結果、下部構造部２に多数の制振装置を設置しなくても、耐震性を向上できる。従来の制振構造と比べて、下部構造部２に設置する制振装置を削減した場合でも従来と同等の必要な耐震性を確保できる。
本実施形態による制振構造１では、下部構造部２と屋根部３との連結部４にばね装置６が設けられることにより、屋根部３が温度変化によって伸縮した際の変形をばね装置６が吸収できる。このため、温度変化による屋根部３の収縮によって下部構造部２の柱や梁に生じる応力を低減できる。
本実施形態による制振構造では、第１制振装置５、ばね装置６および屋根部３がマスダンパーとして機能するとともに、第１制振装置５、ばね装置６および第２制振装置７が下部構造部２と屋根部３とが定点理論に基づいて同調するように設定されている。これにより、下部構造部２、屋根部３を合わせた建物１１全体の応答を低減させることができる。その結果、下部構造部２に多数の制振装置を設置しなくても、耐震性を向上できる。従来の制振構造と比べて、下部構造部２に設置する制振装置を削減した場合でも従来と同等の必要な耐震性を確保できる。
【0016】
下部構造部２に設けられた第２制振装置７によって、高次モードなど、下部構造部２と屋根部３とを同調させていない周期帯に対しても、減衰して応答低減を図ることができ、建物１１にロバスト性を付与できる。
【0017】
本実施形態による制振構造１では、下部構造部２の１階を２階以上の階よりも柔構造にし、１階に第２制振装置７を設けた、いわゆる第１層集中制振構造である。
このような構成とすることにより、地震による変形を下部構造部２の１階に集中させ、下部構造部２の１階に設けられた第２制振装置７によって地震エネルギーを効率的に吸収できる。
このような構成とすることにより、地震による変形を下部構造部２の１階に集中させ、下部構造部２の１階に設けられた第２制振装置７によって地震エネルギーを効率的に吸収できる。
【0018】
本実施形態の制振構造１を採用した建物の時刻歴応答解析を実施した。
解析は、以下の条件で行う。
解析では、開閉式の屋根を有する建物を想定している。開閉式の屋根は、開閉する開閉屋根が下部構造部２の上端部に設けられた固定屋根に支持されている。開閉屋根は、固定屋根と第１制振装置５およびばね装置６を介して連結されている。開閉屋根が上記の実施形態の屋根部３に相当し、固定屋根は下部構造部２に含まれるものとする。
解析は、以下の条件で行う。
解析では、開閉式の屋根を有する建物を想定している。開閉式の屋根は、開閉する開閉屋根が下部構造部２の上端部に設けられた固定屋根に支持されている。開閉屋根は、固定屋根と第１制振装置５およびばね装置６を介して連結されている。開閉屋根が上記の実施形態の屋根部３に相当し、固定屋根は下部構造部２に含まれるものとする。
【0019】
（想定重量）
屋根部３の重量は、約２６５０ｔである。
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の重量は、約５２３００ｔである。
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）には、下部構造部２における基礎から１階床までは含まない。第２制振装置７は、下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）に設けられる。
屋根部３の重量は、約２６５０ｔである。
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の重量は、約５２３００ｔである。
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）には、下部構造部２における基礎から１階床までは含まない。第２制振装置７は、下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）に設けられる。
【0020】
（質量比）
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の固定屋根位置で基準化した１次等価質量と屋根部３（開閉屋根）の重量の質量比は、およそ１５％（＝２６５０／（５２３００×０．３５））である。
下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の固定屋根位置で基準化した１次等価質量と屋根部３（開閉屋根）の重量の質量比は、およそ１５％（＝２６５０／（５２３００×０．３５））である。
【0021】
（最適ばね）
質量比１５％に対する下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の１次固有周期を約０．７秒としたときの定点理論に基づく最適同調時の水平ばね剛性は、およそＫｄ＝１５０，０００ｋＮ/ｍである。
質量比１５％に対する下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の１次固有周期を約０．７秒としたときの定点理論に基づく最適同調時の水平ばね剛性は、およそＫｄ＝１５０，０００ｋＮ/ｍである。
【0022】
解析結果は、以下である。
（時刻歴応答解析結果）
定点理論に基づく最適減衰を与えた２質点系等価せん断型モデルにおいて、時刻歴応答解析でＬｖ２地震動の告示八戸位相を入力して求めたばねの最大応答変形は約２００ｍｍである。一方、変形を抑制するために最適減衰の５倍の減衰を与えると応答変形は約８０ｍｍである。
（時刻歴応答解析結果）
定点理論に基づく最適減衰を与えた２質点系等価せん断型モデルにおいて、時刻歴応答解析でＬｖ２地震動の告示八戸位相を入力して求めたばねの最大応答変形は約２００ｍｍである。一方、変形を抑制するために最適減衰の５倍の減衰を与えると応答変形は約８０ｍｍである。
【0023】
（付加減衰効果）
質量比１５％に対する定点理論における最適同調時の付加減衰はおよそ９％となり、最適減衰の５倍を付与した場合でも２％程度の付加減衰が得られる。
質量比１５％に対する定点理論における最適同調時の付加減衰はおよそ９％となり、最適減衰の５倍を付与した場合でも２％程度の付加減衰が得られる。
【0024】
（応答低減効果）
付加減衰に基づき予想される下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の応答層せん断力の低減効果は１０～２０％程度である。
付加減衰に基づき予想される下部構造部２（１階立上りから固定屋根まで）の応答層せん断力の低減効果は１０～２０％程度である。
【0025】
本発明の制振構造を採用したスタジアムの一部を切り取った解析モデルを用いて、地震応答低減効果の検証解析を実施した。
図２に使用した解析モデルを示す。図中の数値は各節点の質量を示す。１階の斜材の下端には、すべり支承が設けられている。図中のすべり支承の位置の数値は、上側がすべり支承上部節点の質量、下側がすべり支承下部節点の質量を示す。
解析モデルは、地下１階から地上５階、屋上階を有する建物を想定している。図面および以下に記載の「屋根制振」は上記の実施形態の制振構造１の第１制振装置５およびばね装置６（図１参照）を示し、「スタンド制振」は上記の実施形態の制振構造１の第２制振装置７（図１参照）を示す。「屋根制振あり・スタンド制振あり」は、上記の実施形態の制振構造１を示し、「デュアル制振」とも表記する。
図２に使用した解析モデルを示す。図中の数値は各節点の質量を示す。１階の斜材の下端には、すべり支承が設けられている。図中のすべり支承の位置の数値は、上側がすべり支承上部節点の質量、下側がすべり支承下部節点の質量を示す。
解析モデルは、地下１階から地上５階、屋上階を有する建物を想定している。図面および以下に記載の「屋根制振」は上記の実施形態の制振構造１の第１制振装置５およびばね装置６（図１参照）を示し、「スタンド制振」は上記の実施形態の制振構造１の第２制振装置７（図１参照）を示す。「屋根制振あり・スタンド制振あり」は、上記の実施形態の制振構造１を示し、「デュアル制振」とも表記する。
【0026】
左側スタンドには屋根制振として、減衰係数が０．２２３ｋＮｓｅｃ／ｍｍのオイルダンパーを用いた第１制振装置５と、ばね剛性が４．２５ｋＮ／ｍｍであるばね装置６とを並列に設けた。右側スタンドには屋根制振として、減衰係数が０．１８６ｋＮｓｅｃ／ｍｍのオイルダンパーを用いた第１制振装置５と、ばね剛性が３．５４ｋＮ／ｍｍであるばね装置６とを並列に設けた。
左側スタンドおよび右側スタンドのいずれにも１階にスタンド制振の第１制振装置５として、２００ｔоｎオイルダンパーを設けた。
左側スタンドおよび右側スタンドのいずれにも１階にスタンド制振の第１制振装置５として、２００ｔоｎオイルダンパーを設けた。
【0027】
右側スタンドおよび左側スタンド単体時の１次固有周期はいずれも０．８４秒である。
入力地震動は、図３に示す告示波レベル２八戸位相の地表面波（最大加速度３２６ｃｍ／ｓｅｃ）である。
比較対象として、屋根制振なし・スタンド制振あり（屋根部のばね装置のばね剛性を非常に大きくしたモデル）、屋根制振あり・スタンド制振なし、屋根制振なし・スタンド制振なしの解析モデルも作成した。
入力地震動は、図３に示す告示波レベル２八戸位相の地表面波（最大加速度３２６ｃｍ／ｓｅｃ）である。
比較対象として、屋根制振なし・スタンド制振あり（屋根部のばね装置のばね剛性を非常に大きくしたモデル）、屋根制振あり・スタンド制振なし、屋根制振なし・スタンド制振なしの解析モデルも作成した。
【0028】
応答解析の結果、図４に示すように、本実施形態の制振構造（デュアル制振）は、最も応答低減効果が高く、特に１階の最大層間変形角を屋根制振なし・スタンド制振なしのモデルに比べ５５％低減できることがわかる。
ばね装置の最大変形量は１０２ｍｍで、最大荷重は３６８ｋＮである。いずれも設計可能な値である。
ばね装置の最大変形量は１０２ｍｍで、最大荷重は３６８ｋＮである。いずれも設計可能な値である。
【0029】
以上、本発明による制振構造の実施形態について説明したが、本発明は上記の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。
例えば、上記の実施形態では、下部構造部２は、第１層集中制振構造であり、他の階よりも柔構造の１階に第２制振装置７が設けられているが、このように構成されていなくてもよい。例えば、第２制振装置７を１階以外の層（階）に設けてもよいし、複数の層に設けてもよい。第２制振装置７を複数の層に設ける場合は、連続する複数の層に設けてもよいし、例えば１層および３層に設けるなど、連続しない複数の層に設けてもよい。第２制振装置７を設ける層を設けない層よりも柔構造としなくてもよい。
屋根部３は、開閉式の屋根であってもよいし、開閉しない屋根であってもよい。
例えば、上記の実施形態では、下部構造部２は、第１層集中制振構造であり、他の階よりも柔構造の１階に第２制振装置７が設けられているが、このように構成されていなくてもよい。例えば、第２制振装置７を１階以外の層（階）に設けてもよいし、複数の層に設けてもよい。第２制振装置７を複数の層に設ける場合は、連続する複数の層に設けてもよいし、例えば１層および３層に設けるなど、連続しない複数の層に設けてもよい。第２制振装置７を設ける層を設けない層よりも柔構造としなくてもよい。
屋根部３は、開閉式の屋根であってもよいし、開閉しない屋根であってもよい。
【0030】
２０１５年９月の国連サミットにおいて採択された１７の国際目標として「持続可能な開発目標（Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＧｏａｌｓ：ＳＤＧｓ）」がある。本実施形態に係る制振構造は、このＳＤＧｓの１７の目標のうち、例えば「１１．住み続けられるまちづくりを」の目標などの達成に貢献し得る。
【符号の説明】
【0031】
１ 制振構造
２ 下部構造体
３ 屋根部
４ 連結部
５ 第１制振装置
６ ばね装置
７ 第２制振装置
２ 下部構造体
３ 屋根部
４ 連結部
５ 第１制振装置
６ ばね装置
７ 第２制振装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】