第2回 免震建物に用いる新しいダンパーの開発と適用

前回、複素減衰の特性を持つダンパーを免震層に用いると、速度非依存性を表現することにより、免震層変位を低減しながら上部構造の加速度を抑制することができることを理論的に示しました。しかしながら、「因果律」を満たすことができないため現実には実装することができません。そこで、発想を変えて、速度非依存性を一部だけ表現できる機構を持つダンパーを2種類考えましたので、以下に述べます。

免震建物に用いる性能可変オイルダンパーの開発と適用例

速度非依存型ダンパーは、免震層の応答変位を抑制する時に、1次モードに起因する免震層変位―ダンパー力関係が速度に依存せず変位に依存するようにすることがもっとも大切ですので、その特性を表すことが可能な完全にパッシブである「性能可変オイルダンパー、Variable Orifice Damper、VOD」を開発しました。その外観を【図2.1】に示します。

【図2.1】性能可変オイルダンパーの外観

このダンパーの機構を【図2.2】に示しますが、ユニフロー式のオイルダンパーの外側に、オイルが充填された小型ピストンが設置されている点が特徴です。ガイドロッドの端部と その両側の小型シリンダーとの間隔を設定クリアランス$\scriptsize Ls$と称し、$\scriptsize Ls$以上の変位がダンパーに生じると、ピストンロッドの変位に追従したガイドロッドが小型シリンダーを作動させて、減衰バルブのばね座を押し込み、増加した免震層変位に比例して、自動的に減衰力が増加します。なお、地震終了後には、性能変化前の減衰特性に戻り余震に対して備えることができます。

【図2.2】機構模式図

速度と減衰力の関係は【図2.3】に示す通りで、性能変化前は、黒線で示す通常のリリーフ付きオイルダンパーです。免震層の変位が設定クリアランス$\scriptsize Ls$に達すると減衰性能が変化し、赤い実線のように、大きな減衰係数になりますが、免震層変位が最大値を経験した以降にその変位が更新されず、速度だけが大きくなると減衰バルブが開いて、再び赤い破線のような性能変化前の減衰係数の値に戻ります。この時の折れ点$\scriptsize Fr$は、免震層の応答変位増分に比例して大きくなり、無段変速的にダンパー性能が向上して、過大な変位を抑制することができます。

【図2.3】速度と減衰力の関係

設計するにあたっては、擁壁とのクリアランスを考慮して、中地震、大地震、巨大地震に対するクライテリアを満たすように、適切な設定クリアランス$\scriptsize Ls$を決める必要があります。その基本的な考え方を【図2.4】に示します。■ で示す従来の免震構造では、地震動が大きくなれば免震層のクリアランスを超えて衝突が起きます。これを回避するために、▲ のようにダンパーの減衰定数を大きくすると、肝心な大地震時に上部構造で過大な応答が生じてしまい、免震効果がなくなってしまいます。これに対して、要求される免震性能を ● のように設定し、大地震近くまでは従来と同じで、$\scriptsize Ls$を超えた時に、$\scriptsize Ls$を超えた分に応じて大きな減衰特性を付加すると、巨大地震時には、上部構造の応答はやや大きくなるものの、クリアランス以下にすることができます。この関係は、$\scriptsize Ls$を大地震時よりも少し手前に設定しておくことによって達成できます。ここでは、巨大地震対策として書きましたが、もし、巨大地震ではなく大地震を対象として、都心の狭隘な敷地に免震建物を小さめのクリアランスで設計する場合には、巨大地震を大地震と読み替えて、同様な方法で小さめの$\scriptsize Ls$を設定すればよいことになります。

【図2.4】免震層の水平変位と上部構造の応答

このダンパーを、既存建物のレトロフィットに適用した例を紹介します。この建物は、名古屋に建つ6階の鉄骨造基礎免震建物で、50tonのオイルダンパー2台が設置されており、通常のL2までの地震波に対しては問題ありませんが、名古屋の長周期地震動に対しては、現状のクリアランス40cmでは衝突が起こってしまいます。ここで、「性能可変オイルダンパー」の効果を確認するために、3ケースの解析が行われました。Case1は現状のオイルダンパー2台、Case2は、もう一台追加したもの、Case3は、「性能可変オイルダンパー」を2台設置したものです。【表2.1】に免震層の最大応答変位、【図2.5】にL2時の最大応答値分布を示します。これらの結果より、Case3は、免震層の応答を小さくして長周期地震動に対する擁壁の衝突を防ぎながら、L2時の応答を現状と大差なく抑えており、「性能可変オイルダンパー」の優位性を示しています。この結果より、現状のオイルダンパーを撤去して、「性能可変オイルダンパー」2台に取り換えることになりました。

【表2.1】免震層の最大応答変位

【図2.5】L2時の最大応答値分布

（この項は、奥村組のご協力を頂きました）

複素減衰を因果的に近似する減衰指定型ダンパーシステムの開発

免震層の変位を支配する1次モードと、上部構造の応答加速度を支配する2次モードの、二つのモードだけを取り出して減衰定数を同一にすることを目標にするならば、【図2.6】のダンパーシステムで、「因果律」を満足しながら実現できることが理論的に証明できます。複雑なシステムに見えますが、積層ゴムと粘性ダンパーを並列配置する部分はKelvinモデルであり、入力波の$\scriptsize \omega$が大きくなると減衰定数が大きくなります。一方、ダイナミックマス、粘性減衰、ばねが直列になっている部分は、Maxwellモデルにダイナミックマスが付加されたもので、ダイナミックマスとばねとで決まる1次周期部分で減衰定数を大きくすることができ、かつ、入力波の$\scriptsize \omega$の増大に対して減衰定数を小さくすることができます。よって、両モデルを加えると、1次と2次の減衰定数を同一にすることが可能になります。ただし、入力波の$\scriptsize \omega$が大きくなるとMaxwellモデルの剛性が大きくなってしまうので、別途、負の剛性を持つダイナミックマスを付加して免震層全体の剛性を調整します。ここでは、解析的検討のみを述べていますが、実大のダンパーを製作するために工夫された、新たなダンパー開発については第6回に述べることとします。

＊ダイナミックマスとは、2点間の相対加速度に比例した慣性力を発揮する機械的な見掛け質量装置であり、制振用としては第3回と第6回で、免震用としては第6回で詳しく解説します。

【図2.6】減衰指定型ダンパーシステム

本システムの有用性を明らかにするために、10層基礎免震建物を想定し、基礎部に、粘性減衰、複素減衰、減衰指定型システムの3種類のダンパーを設置して比較検討を行います。減衰定数は、粘性減衰では1次モードに、複素減衰ではすべてのモードに40％、減衰指定型モデルでは1次と2次モードに同一の 40%の減衰定数を与えています。この大きな減衰定数は、長周期地震動による免震層変位を抑えるために設定します。

【図2.7】に、粘性減衰と複素減衰の応答倍率比較を示します。両者を比較すると、1次モードにおける免震層変位応答倍率はほぼ同じ程度の値ですが、2次モードにおける最上層加速度応答倍率をみると、複素減衰が大幅に小さくなっていることが分かります。これは、粘性減衰では2次モードに対して過大な減衰定数になっており、上部構造に大きな応答加速度、ひいては大きな層せん断力が生じることを示しています。

※図中の1次、2次の破線は、それぞれ1次モード固有振動数、2次モード固有振動数を示す。

【図2.7】粘性減衰と複素減衰の応答倍率比較

【図2.8】に、複素減衰と減衰指定型ダンパーシステムの応答倍率比較を示します。減衰指定型では、1次モードと2次モードに40%の同一減衰を与えることにより、両者はほぼ同じ値を示しており、このシステムにより、複素減衰を概ね模擬できることが分かります。

※図中の1次、2次の破線は、それぞれ1次モード固有振動数、2次モード固有振動数を示す。

【図2.8】複素減衰と減衰指定型ダンパーシステムの応答倍率比較

【図2.9】に、大阪の長周期地震動OS1と阪神淡路大震災（1995）の観測波JMA神戸波に対する最大応答値分布を示します。粘性減衰と減衰指定型システムを比較すると、免震層の変位はおおむね同一ですが、減衰指定型ダンパーシステムにより、神戸波のような短周期成分が卓越する地震動に対しては、上部建物の応答加速度を大幅に低減できていることが分かります。

※粘性減衰ダンパーは1次モードに28%、減衰指定型ダンパーシステムは1次、2次モードに40%

【図2.9】地震応答解析による最大応答値分布

（この項は、安藤ハザマのご協力を頂きました）