JP7351732B2 - 建物の制振機構 - Google Patents

Description

本発明は、建物の制振機構に関する。

建物には、常時においては、地球自体の微動、鉄道を含む車両の走行による交通振動や工場設備等の稼働時の振動、風荷重による振動などのいわゆる環境振動に起因する常時微動が生じ、地震時においては、地震動の規模に応じて常時微動よりも振幅の大きな振動が一般に生じる。建物の建設においては、地震時の建物振動の検討もさることながら、上記する常時の微動レベルにおける建物障害の有無や住環境への影響を検討することも重要であり、常時微動を可及的に低減することが要請されている。

従来、このような環境振動等の水平振動を制御する方策として、制振装置であるＴＭＤ（Tuned Mass Damper：チューンドマスダンパー）やＡＭＤ（Active Mass Damper：アクティブマスダンパー）を建物に設置することが行われている。チューンドマスダンパーは、揺れに同調するマス（錘）を用いて建物の揺れを抑制する装置であり、アクティブマスダンパーは、建物に据え付けた錘を能動的に動かすことにより建物の揺れを抑制する装置である。いずれの装置であっても、一般に建物の上階（例えば最上階）に錘をスライド自在に載置する形態が採用されている。このように、従来のＴＭＤやＡＭＤは、装置が比較的大規模となり易く、大きなスペースを占有するといった課題を有している。

ところで、上記する環境振動等の水平振動と異なり、建物を構成する床面を居住者等が歩行する際に、床面には鉛直方向の振動（歩行振動である鉛直振動）が生じ、鉛直振動が水平方向に伝播される結果、同階に居住する居住者に不快感を生じさせる要因となり得る。そこで、この鉛直振動を制御するべく、床を支持する床梁と床梁の間の床下空間に、バネとマスにより構成されるＴＭＤを設置する方策も従来行われているが、この形態では、建物を構成する部材以外にＴＭＤを構成する各部材を別途用意して建物に設置することから、ＴＭＤを構成する部材点数が多く、さらには、上記するようにＴＭＤ専用の設置スペースを確保する必要がある。

ここで、床等の制振対象物の鉛直方向の振動を効果的に減衰することを可能とした、鉛直振動用チューンドマスダンパーが提案されている。より具体的には、水平ブレースを復元力要素とし、その長さ方向中間部にマスが取り付けられ、マスと上方の床板との間にスポンジ状の減衰材が設けられ、床板の鉛直方向の振動を減衰するようになされている、鉛直振動用チューンドマスダンパーである。ここで、水平ブレースに対するマスの取付け位置は、ブレース長さ方向において変更できるようになされている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２８０７１３号公報

特許文献１に記載の鉛直振動用チューンドマスダンパーによれば、建物を構成する水平ブレースをＴＭＤ構成部材として適用することにより、大きなスペースを占有することなく、床板の鉛直方向の振動を効果的に減衰することができる。しかしながら、水平ブレースと床板の間に減衰材が配設されている構成を有していることから、減衰材には、床板と水平ブレースの鉛直方向の振動に起因する圧縮力と引張力が作用するに過ぎない。そのため、この外力に対して減衰材による圧縮力と引張力からなる減衰作用が付与されるに過ぎず、減衰材の有する減衰性能を最大限発揮し得るＴＭＤとは言い難い。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、大きなスペースを占有することなく、減衰材の有する減衰性能を効果的に発揮できる建物の制振機構を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明による建物の制振機構の一態様は、
復元力要素であるブレースと、
前記ブレースの途中位置において、該ブレースを包囲するように配設されている減衰材と、
前記減衰材の周囲を包囲するように配設されているマスと、を有していることを特徴とする。

本態様によれば、ブレースを包囲するように減衰材が配設され、減衰材の周囲を包囲するようにマスが配設されていることにより、減衰材による圧縮力や引張力に加えてせん断力が減衰力となることから、減衰材の有する減衰性能を最大限発揮し得る制振機構を形成することができる。このせん断力は、ブレースの周囲に減衰材が配設されていることにより、その部位（上方部位、下方部位、中間部位）ごとに減衰材の厚み方向で奏される力の向きが変わることにより、特に中間部位においてせん断力が奏される。また、建物を構成するブレースを構成要素とすることにより、大きなスペースを不要にでき、構成部材の部材点数を低減しながら制振機構を形成することができる。例えば、ブレースが水平ブレースの場合に、床と水平ブレースが鉛直方向に振動することにより、減衰材の上下の領域では圧縮力と引張力が交互に奏されるが、上下の領域の間の中間の領域では、斜め方向や水平方向のせん断力が奏されることになり、従って、このせん断力を含む減衰力により、高い減衰性能が発揮される。

ここで、ブレースには、間隔を置いて並設されている床梁の間に配設される水平ブレース、壁の柱間に配設される鉛直ブレースのいずれであってもよい。また、ブレースの周囲に配設される減衰材は例えば筒状を呈し、同様に、筒状の減衰材の周囲に配設されるマスも例えば筒状を呈する。尚、本態様の制振機構が制御対象とする建物としては、戸建て住宅や、例えば五階以下の低層の集合住宅等が挙げられる。

また、本発明による建物の制振機構の他の態様において、前記マスは、複数の分割マスがヒンジを介して相互に変位自在に接続されていることを特徴とする。

本態様によれば、複数の分割マスがヒンジを介して相互に変位自在に接続されていることにより、それぞれの分割マスが独立して動きながら、各分割マスが当接する領域の減衰材に対して圧縮力や引張力、及びせん断力を作用させるため、各分割マスに対応する領域の減衰材により、様々な方向の圧縮力や引張力、及びせん断力からなる減衰力が奏され、より一層高い減衰性能が発揮される。尚、分割マス同士が完全に分離せず、ヒンジを介して相互に接続されていることから、例えば隣接する分割マス同士は、互いに独立して動作しながらも、互いの動きを打ち消し合うように動くことはない。従って、隣接する分割マスの相互の動きを設計者はある程度予測することができるため、各分割マスが完全に分離されている形態に比べて、制振機構の設計が容易になる。

ここで、相互にヒンジを介して接続される分割マスの数は、設計容易性と減衰性の双方の観点から、四つ乃至八つ程度の範囲の数であるのが好ましい。分割マスの数が多過ぎると、マスの有する振動モード数が増加し、設計に要する時間が長くなる。一方、分割マスの数が少な過ぎると、減衰材により奏される減衰力が少なくなり、優れた減衰性を期待できなくなる。

また、本発明による建物の制振機構の他の態様は、前記減衰材が粘弾性体により形成されていることを特徴とする。

本態様によれば、粘弾性体により形成されている減衰材を適用することにより、減衰材がマス（分割マスを含む）とブレースの双方に密着した状態で減衰力を付与することにより、優れた減衰性能を有する制振機構を形成することができる。ここで、粘弾性体としては、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系樹脂等を挙げることができる。

また、本発明による建物の制振機構の他の態様は、前記減衰材が、前記マスと前記ブレースの双方に接着していることを特徴とする。

本態様によれば、接着性のある粘弾性体により形成されている減衰材を適用することにより、減衰材がマス（分割マスを含む）とブレースの双方に接着した状態で減衰力を付与することにより、より一層優れた減衰性能を有する制振機構を形成することができる。ここで、接着性と粘弾性の双方の性能を有する素材として、ウレタンゴム等を挙げることができる。

また、本発明による建物の制振機構の他の態様は、前記ブレースが水平ブレースであることを特徴とする。

本態様によれば、建物の中で、鉛直方向に振動する主たる重量部材である、床の下方の構面内に配設されている水平ブレースを、制振機構の構成要素とすることにより、床の鉛直振動を減衰し、居住性に優れた建物を実現することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の建物の制振機構によれば、大きなスペースを占有することなく、減衰材の有する減衰性能を効果的に発揮することを可能とした建物の制振機構を提供することができる。

第１、第２実施形態に係る建物の制振機構の一例が、床梁に取り付けられる状態を説明する側面図である。 第１実施形態に係る建物の制振機構の一例の斜視図である。 第２実施形態に係る建物の制振機構の一例の斜視図である。

以下、各実施形態に係る建物の制振機構の一例について、添付の図面を参照しながら説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く場合がある。

［第１実施形態に係る建物の制振機構］
はじめに、図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る建物の制振機構の一例について説明する。ここで、図１は、第１、第２実施形態に係る建物の制振機構の一例が、床梁に取り付けられる状態を説明する側面図である。すなわち、図１は、制振機構を構成する水平ブレースが間隔を置いて並設される床梁に架け渡されている状態を説明する図であり、第２実施形態に係る建物の制振機構の説明においても参照する。また、図２は、第１実施形態に係る建物の制振機構の一例の斜視図である。尚、図示例の制振機構５０，５０Ａは、建物の床を支持する床梁の間に架け渡される水平ブレースを構成要素とするものであるが、壁の左右にある柱間に架け渡される鉛直ブレースを構成要素とするものであってもよい。

建物の制振機構５０は、間隔を置いて並設する床梁２０の間に架け渡されている復元力要素である水平ブレース１０（ブレースの一例）と、水平ブレース１０の途中位置において、水平ブレース１０を包囲するように配設されている減衰材３０と、減衰材３０の周囲を包囲するように配設されているマス４０とを有している。建物は、例えば、戸建て住宅や五階以下の低層の集合住宅等であり、建物を構成する各階の床（床材で、図示せず）を支持する床梁２０に取り付けられている水平ブレース１０ごとに、制振機構５０が形成されている。尚、併設する床梁２０の間に配設される水平ブレース１０は、平面視矩形の一つの構面内において、一つの対角線に沿うように配設されていてもよいし、二つの対角線に沿うように交差する態様で配設されていてもよい。そして、後者の場合は、交差する水平ブレース１０ごとに制振機構５０が形成されてもよいし、交差する水平ブレース１０のうちの一方にのみ制振機構５０が形成されていてもよい。

床梁２０はＨ形鋼により形成され、Ｈ形鋼を構成するウエブ２１の側方に鋼製の張り出しプレート２４が溶接にて接合されている。Ｈ形鋼を構成する下フランジ２３は下階の壁や柱等に支持され、上フランジ２２は上階の床材を支持する。

水平ブレース１０は、一端に螺子切り１２を備えた鋼棒からなる二本のブレース本体１１と、二本のブレース本体１１の螺子切り１２に螺合して双方を繋ぐターンバックル１３と、各ブレース本体１１の他端において溶接にて接続されている鋼製の連絡プレート材１４と、連絡プレート材１４に対してボルトナット１７を介して接続されている鋼製の端部プレート１５とを有する。

左右の端部プレート１５の外側端部が、左右の床梁２０から側方に張り出す張り出しプレート２４に対してボルトナット１６を介して接続され、ターンバックル１３を締めることにより、二つの床梁２０間に水平ブレース１０が張設される。

図２に詳細に示すように、制振機構５０は、ブレース本体１１の周囲を包囲するように、円筒状の減衰材３０が配設され、減衰材３０の周囲を包囲するように、同様に円筒状のマス４０が配設されている。

ここで、減衰材３０は、粘弾性体により形成されており、その一例として、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂、ゴム系樹脂等が挙げられ、より具体的には、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンゴム、ポリエチレン、シリコーンゴム、ふっ素ゴム等が挙げられる。また、減衰材３０は、接着性のある粘弾性体であるのがより好ましく、その一例として、ウレタン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ポリスチレン等が挙げられる。

また、マス４０は、例えば鋼製のパイプ材からなり、その質量は、例えば制御対象となる範囲の床の重量の１％乃至数％程度に設定することができる。例えば、水平ブレース１０が設置される範囲の床が、当該水平ブレース１０を含む制振機構５０の制御対象範囲となる。従って、例えば２Ｐ×２Ｐの矩形範囲（Ｐはモジュールを示し、８００ｍｍ乃至１１００ｍｍの間で、例えば９１０ｍｍ幅等、モジュール設計仕様により任意に設定可能）における床の重量をおよそ１００ｋｇ乃至２００ｋｇ程度とした場合、この範囲の床を制御範囲とする制振機構５０を構成するマス４０の質量を、例えば５ｋｇ程度に設定することができる。

床材が振動し、この床材の振動に起因して床梁２０が振動し、床梁２０の振動に起因して水平ブレース１０（を構成するブレース本体１１）がＸ方向に鉛直振動した際に、減衰材３０の上方領域や下方領域には、圧縮力や引張力といった鉛直方向の減衰力Ｐ１、Ｐ２が発生する。そして、減衰材３０の中間領域には、水平方向や斜め方向のせん断力である減衰力Ｓ１乃至Ｓ４が発生する。

このように、ブレース本体１１の周囲に減衰材３０を配し、減衰材３０の周囲にマス４０を配した構成により、鉛直方向の減衰力Ｐ１、Ｐ２に加えて水平方向や斜め方向のせん断力である減衰力Ｓ１乃至Ｓ４が生じることから、粘弾性体からなる減衰材３０の有する減衰性能を最大限に発揮することができる。

ここで、粘弾性体からなる減衰材３０が適用されることにより、減衰材３０とマス４０及びブレース本体１１との間の密着性が高められ、特にせん断力である減衰力Ｓ１乃至Ｓ４を効果的に生じさせることができる。そして、さらに接着性を有する減衰材３０が適用されることにより、せん断力である減衰力Ｓ１乃至Ｓ４をより一層効果的に生じさせることができる。

また、建物を構成する水平ブレース１０を構成要素とすることにより、大きなスペースを不要にでき、構成部材の部材点数を低減しながら制振機構５０を形成することができる。

［第２実施形態に係る建物の制振機構］
次に、図１及び図３を参照して、第２実施形態に係る建物の制振機構の一例について説明する。ここで、図３は、第２実施形態に係る建物の制振機構の一例の斜視図である。

図３に示す制振機構５０Ａは、制振機構５０の有する筒状のマス４０に代えて、筒が四つ割りされた四つの鋼製の分割マス４１が、ヒンジ４７を介して相互に変位自在に接続されているマス４０Ａを有している点において、制振機構５０と相違している。

ヒンジの形態は様々あるが、図示例のヒンジ４７は、分割マス４１が、周方向の一端の中央に係合突起４２を備え、周方向の他端の中央に係合溝４３を備えており、隣接する一方の分割マス４１の係合溝４３に対して他方の分割マス４１の係合突起４２が遊嵌することにより形成される。そして、この遊嵌姿勢において、係合突起４２に設けられているピン孔４５と係合溝４３の左右に設けられているピン孔４４が位置合わせされて連通孔が形成され、この連通孔にピン４６が挿通されることにより、ヒンジ４７が形成されている。

水平ブレース１０（を構成するブレース本体１１）がＸ方向に鉛直振動した際に、ヒンジ４７を介して相互に接続されるそれぞれの分割マス４１は、独立してＹ１方向に回動変位する。そして、各分割マス４１に対応する領域の減衰材３０には、圧縮力や引張力といった鉛直方向の減衰力Ｐ１，Ｐ２の他に、周方向や水平方向、傾斜方向といった多方向のせん断力である減衰力Ｓ５乃至Ｓ８が生じる。

また、分割マス４１同士が完全に分離せず、ヒンジ４７を介して相互に接続されていることから、例えば隣接する分割マス４１同士は、互いに独立して動作しながらも、互いの動きを打ち消し合うように動くことはない。従って、隣接する分割マス４１の相互の動きを設計者はある程度予測することができるため、各分割マス４１が完全に分離されている形態に比べて、制振機構５０Ａの設計が容易になる。

ここで、相互にヒンジ４７を介して接続される分割マス４１の数は、設計容易性と減衰性の双方の観点から、図示例の四つ以外にも、五つ乃至八つ程度の範囲の数であるのが好ましい。分割マス４１の数が多過ぎると、マス４０Ａの有する振動モード数が増加し、設計に要する時間が長くなる。一方、分割マス４１の数が少な過ぎると、減衰材３０により奏される減衰力が少なくなり、優れた減衰性を期待できなくなる。

尚、図示例のマス４０Ａは、隣接する分割マス４１同士が回動変位する形態であるが、このような回動変位に加えて、分割マス４１間の隙間が広くなったり狭くなるといった具合に、伸縮自在なヒンジであってもよい。例えば、ピン４６による接続に代わり、コイルバネ等による接続により伸縮自在なヒンジが形成される。

尚、上記実施形態に挙げた構成等に対し、その他の構成要素が組み合わされるなどした他の実施形態であってもよく、また、本発明はここで示した構成に何等限定されるものではない。この点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０：水平ブレース（ブレース）
１１：ブレース本体
１２：螺子切り
１３：ターンバックル
１４：連絡プレート材
１５：端部プレート材
１６，１７：ボルトナット
２０：床梁（Ｈ形鋼）
２１：ウエブ
２２：上フランジ
２３：下フランジ
２４：張り出しプレート
３０：減衰材
４０，４０Ａ：マス
４１：分割マス
４２：係合突起
４３：係合溝
４４，４５：ピン孔
４６：ピン
４７：ヒンジ
５０，５０Ａ：制振機構（建物の制振機構）

Claims (5)

1. 建物の制振機構であって、
   復元力要素であるブレースと、
   前記ブレースの途中位置において、該ブレースを包囲するように配設されている減衰材と、
   前記減衰材の周囲を包囲するように配設されているマスと、を有していることを特徴とする、建物の制振機構。
2. 前記マスは、複数の分割マスがヒンジを介して相互に変位自在に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の建物の制振機構。
3. 前記減衰材が粘弾性体により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の建物の制振機構。
4. 前記減衰材が、前記マスと前記ブレースの双方に接着していることを特徴とする、請求項３に記載の建物の制振機構。
5. 前記ブレースが水平ブレースであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の建物の制振機構。

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