JP2009030695A - 変位拡大機構および制振ダンパーならびに免震機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な機構で安定かつ確実に作動して微小変形もロスなく伝達し得る有効適切な変位拡大機構と、それを利用した制振ダンパーおよび免震機構を提供する。
【解決手段】変位拡大機構４は、直線状のレール７に沿って直線的に往復移動可能な可動体８を備えた直動機構３（３ａ、３ｂ）を２台１組として、双方の直動機構におけるレールどうしを所定の傾斜角度βで非平行状態で対向配置し、双方の可動体どうしを連結体により一体に連結した構成である。制振ダンパーＡは直動機構における連結体を錘５としてその慣性質量を利用して慣性質量ダンパーとして機能させる。それに代えて、あるいはそれに加えて、１組の錘の間に減衰要素を設置しても良い。構造物と基礎との間に構造物を上下方向に免震支持するための上下免震機構として制振ダンパーを設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は建物等の構造物を対象とする制振および免震技術に係わり、特に互いに離接する方向の相対振動を生じる構造体間に設置してその相対振動を制動するための制振ダンパーの構成要素としての変位拡大機構、およびその変位拡大機構を用いた制振ダンパー、ならびにその制振ダンパーによる免震機構に関する。

周知のように建物等の構造物に各種の制振装置（制振ダンパー）を設置する場合、制振装置を有効に作動させるためには構造物の変形を確実に制振装置に伝達する必要があることは言うに及ばず、微小振動に対しても制振装置を効果的に作動させるためには構造物に生じる微小変形を拡大して制振装置に伝達してすることが有効である。
従来、そのための変位拡大機構としてたとえば特許文献１に示されるものが提案されている。これは複数のロッドをピンジョイントによりパンタグラフ状に組み合わせた構成の変形拡大機構（いわゆるトグル機構）にダンパーを組み込むものであって、これによれば建物の躯体フレームの微小な層間変形に対してもダンパーを効果的に作動させて充分な制振効果が得られるとされている。
特開平５−２３１０３１号公報

しかし、上記のようなトグル機構による変形拡大機構ではピンジョイント部にガタが生じることが不可避であるので、微小変形を対象とする場合にはガタによる無視し得ない伝達ロスが生じて必ずしも有効ではない。
また、他の機構として、てこの原理を利用して変形を拡大すものや、ボールネジの微小な軸方向の直線運動をフライホイールの回転運動に変換して大きな制御力を得る構成のものも考えられてはいるが、安定した作動や性能が保証されないものであったり、耐荷重や耐久性が充分ではなかったり、機構が複雑に過ぎて著しく高価である等の問題があり、いずれも広く普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な機構で安定かつ確実に作動して微小変形もロスなく伝達し得る有効適切な変位拡大機構を提供し、併せてそれを利用した制振ダンパーおよび免震機構を提供することにある。

請求項１記載の発明は、間隔をおいて対向状態で配置されて互いに離接する方向の相対振動を生じる２つの構造体間に設置されて、それら構造体間に生じる前記相対振動を制動するための制振ダンパーの構成要素としての変位拡大機構であって、直線状のレールに沿って直線的に往復移動可能な可動体を備えた直動機構を２台１組として、各直動機構を前記各構造体の対向面に対向配置するとともに、双方の直動機構におけるレールどうしを所定の傾斜角度で非平行状態で対向配置することにより、それらレール間の対向間隔を一端側で大きく他端側で小さくなるように設定し、かつ双方の可動体どうしを連結体により一体に連結して、該連結体が双方の直動機構により案内されて対向面に平行な方向に沿って直線的に移動しつつ構造体に対して離接する方向に相対変位可能に構成することにより、前記構造体間に前記相対振動が生じた際には、前記連結体が対向面に平行な方向に直線移動して構造体間の相対変位を許容し、かつその際の連結体の移動距離を、構造体間に生じる相対変位量よりも双方のレール間の傾斜角度に応じて拡大する機構であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の変位拡大機構を備えた制振ダンパーであって、変位拡大機構における連結体を所定質量の錘により構成し、該錘およびそれを案内して直線移動させる直動機構とによって、構造体間の相対振動により錘が直線移動した際に生じる慣性質量を制動力とする慣性質量ダンパーを構成してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の変位拡大機構を備えた制振ダンパーであって、２組の変位拡大機構を一直線上に対向配置して、双方の変位拡大機構における連結体どうしが互いに離接するように逆方向に直線移動可能に構成し、かつ双方の連結体間にそれら連結体どうしが逆方向に直線移動した際に作動して制動力を得る減衰要素を設置してなることを特徴とする。なお、ここでいう減衰要素とは、バネやダッシュポットや回転慣性質量からなる抵抗要素を総称しており、具体的にはバネ部材やオイルダンパー、ボールネジとフライホイールからなる回転慣性ダンパー（慣性接続要素）等を指している。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の制振ダンパーであって、２組の変位拡大機構における連結体をそれぞれ所定質量の錘により構成し、それら錘が逆方向に直線移動した際にそれらの間に設置した減衰要素の作動により制動力を得るとともに、その際に双方の錘により生じる逆方向の慣性質量を制動力とする慣性質量ダンパーとしても機能せしめてなることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の発明の制振ダンパーを備えた免震機構であって、構造物とそれを支持する基礎との間に、構造物を上下方向に免震支持するための上下免震装置として前記制振ダンパーを設置してなることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の発明の制振ダンパーを備えた免震機構であって、構造物とそれを支持する基礎との間に、構造物を水平方向に免震支持する水平免震装置を設置するとともに、構造物を上下方向に免震支持するための上下免震装置として前記制振ダンパーを水平方向に変位自在に設置してなることを特徴とする。

本発明の変位拡大機構によれば、直線状のレールによって可動体を直線的に移動させるだけの単純な直動機構を２台１組として用いて、それら直動機構を若干の傾斜角度を持たせて対向配置することのみで、構造体間に生じる相対変位を大きく拡大して可動体の移動距離に転換することができ、したがってこの変位拡大機構を構成要素とする制振ダンパーや免震機構を効率的に確実に作動させることができ、優れた制振効果、免震効果を得ることができる。また、耐荷重性能に優れ、構成が単純であるので高精度かつ安定した作動を保証でき、汎用製品を利用して安価に製作することも可能である。

本発明の制振ダンパーによれば、上記の変位拡大機構によって構造体間の相対変位を拡大して錘を直線移動させてそれにより慣性質量を利用して制動力を得るか、あるいは２組の変位拡大機構によって連結体を逆方向に直線移動させることによってそれらの間に設置した減衰要素を作動させて制動力を得るか、あるいはそれらの双方を併用することにより、いずれも微小変位に対しても効率的に作動して優れた制振効果が得られる。

本発明の免震機構によれば、上記の制振ダンパーを構造物を上下方向に免震支持するための上下免震装置として使用することにより、建物等の構造物の上下振動に対する優れた免震効果が得られる。

図１は本発明の第１実施形態である制振ダンパーＡを示す概略構成図である。図中符号１は上部の構造体、２は下部の構造体であって、それら上下の構造体１，２は上下方向に若干の間隔をおいて対向しており、地震あるいは内外の加振源からの加振力を受けた際には互いに離接するような上下方向の相対変位を生じる余地があり、したがってその際には上下方向の相対振動を生じるものである。本第１実施形態の制振ダンパーＡは、それら構造体１，２間に生じる上下方向の相対変位を制動して相対振動を減衰させるべくそれらの間に設置されるものである。

本第１実施形態の制振ダンパーＡは、２台１組の直動機構３（３ａ、３ｂ）と錘５とによって変位拡大機構４を構成し、それにより上下方向の相対振動を錘５の水平方向の直線運動に転換するとともにその際に錘５の水平移動距離を構造体１，２間の上下方向の相対変位よりも大きく拡大するものであって、錘５が生じる慣性質量を制動力として利用する慣性質量ダンパーとして機能するものである。

具体的には、上部の構造体１の下面には取付架台６を介して上部の直動機構３ａが下向きに固定され、下部の構造体２の上面には下部の直動機構３ｂが上向きに固定されている。
それら上下の直動機構３はいずれも直線状のレール７に沿って可動体８が直線的にかつガタつきなく滑らかに往復移動可能なものであって、それら上下の直動機構３が２台１組とされて対向配置されたうえで、双方の可動体８どうしが錘５を連結体として一体に連結され、それによりその錘５は上下の直動機構３により案内されて上下の可動体８とともに水平方向に滑らかに直線移動可能とされている。

ここで、下部の直動機構３ｂは下部の構造体２の上面に直接的にかつ実質的に水平に固定されているが、上部の直動機構３ａを固定している取付架台６の下面は水平面に対して傾斜角度βで傾斜するような傾斜面とされており、したがって上部の直動機構３ａにおけるレール７も水平面に対して傾斜角度βだけ傾斜したものとなっており、これにより上下のレール７どうしは非平行状態で対向配置されていてそれらの対向間隔は一端側（図示例では右側）で大きく他端側（同、左側）で小さくなるように設定されている。

このように、上下のレール７どうしの間隔が連続的に若干変化しているのに対し、上下の可動体８どうしを連結している錘５の高さ寸法は当然に不変であるから、構造体１，２間に上下方向の相対変位が生じてその間隔が変化した場合、つまり上下のレール７間の間隔が変化した際には、それに伴って錘５をレール７に沿って水平方向に移動させるような力が惹起され、錘５は可動体８とともにレール７に沿って滑らかに水平方向に直線移動することになる。
たとえば図１（ａ）に示す基準状態から上部の構造体１が下方に変位してレール７間の間隔が狭まった際には、錘５は間隔の拡がっている方向へ押し出されて（ｂ）に示すように右方向に移動することになる。逆に上部の構造体１が上方へ変位してレール７間の対向間隔が拡がった際には、錘５は間隔の狭まっている方向へ引き寄せられて左方向へ移動することになる。

この場合、錘５の水平方向の移動距離は、構造体１，２間に生じる実際の相対変位量に対して、双方のレール７間に形成されている傾斜角度βに応じて拡大され、その拡大率は１／βとなる。つまり、図１（ａ）〜（ｂ）に示しているように、レール７間の傾斜角度βがたとえば１／１０であり、構造体１，２間に生じる上下方向の相対変位がｖである場合には、錘５の移動距離（水平方向の変位）は相対変位ｖに対して１０倍に拡大されて１０ｖとなる。
また、（ｂ）に示しているように錘５に外力が作用した際には、楔を打ち込む場合と同様の原理により上部の構造体１の反力はその１/β倍となり、β＝１／１０の場合には加力Ｐに対して反力は１０Ｐになる。

そして、本第１実施形態の制振ダンパーＡは、上記の錘５の質量ｍを、これが構造体１，２間に生じる上下方向の相対変位に対して拡大されて直線運動した際に所望の慣性質量を生じるように設定しており、これによりその慣性質量を制動力として利用する慣性質量ダンパーとして機能するものとなっている。
この場合、錘５に作用する水平加速度は構造体１，２間の相対振動の加速度αに対し１／β倍となり、錘５による構造体１，２間の慣性質量効果は実際の質量ｍの１／β^２倍となる。つまり、上記のようにβ＝１／１０の場合においては錘５の水平加速度は１０α、慣性質量は１００ｍとなる。
なお、傾斜角度βは小さくなるほど変位拡大率が大きくなるので、慣性質量効果を高めるうえではβは小さいほど有利であるが、直動機構３の機械的精度や構造体１，２の施工精度、構造体１，２に対する直動機構３の取付精度等を考慮すればβ≧１／３０程度とすることが現実的である。

このように、本第１実施形態の制振ダンパーＡによれば、構造体１，２間に生じる微小な上下方向の相対変位を変位拡大機構４によって拡大して錘５を水平方向に大きく変位させることができ、それにより小質量の錘５であっても大きな慣性質量が得られるものであって、その慣性質量効果により上下方向の微小振動に対しても優れた制振効果が得られるものである。

特に、本第１実施形態の制振ダンパーＡにおける変位拡大機構４は、２台１組の直動機構３によって錘５を直線移動させるものであり、その直動機構３は単に可動体８を直線状のレール７に沿って直線移動させるだけの単純な構成であるから、たとえばボールネジとフライホイールによる機構のように全体が徒に複雑化することはないし、またトグル機構のようにガタつきや変形による無視し得ない変位伝達ロスが生じることも無い。
そして、この種の直動機構３としては、可動体８を滑らかに移動させ得ることはもとより、鉛直方向の圧縮力と引張力の双方（つまり、可動体８をレール７に対して押し付けるような力とレールから引きはがすような力）に対する充分な耐力と耐久性を有するものが、各種用途、各種仕様の汎用製品として多数市販されているので、それを利用することで変位拡大機構４を充分に安価に製作することができる。
また、２台の直動機構３と錘５とを予め一体化してユニットとしておくことにより、構造体１，２間への設置や調整、特に傾斜角度βの厳密な設定も何ら困難ではなく、以上のことから本第１実施形態の制振ダンパーＡは特に建物の微小な上下振動を対象とする制振手段として極めて有効である。

なお、上記第１実施形態においては下部の直動機構３ｂを水平に設置して上部の直動機構３ａをそれに対して傾斜させたが、全体の天地を逆にして上部の直動機構３ａを水平に設置して下部の直動機構３ｂをそれに対して傾斜させても同様である。
また、第１実施形態の変形例として、図２（ａ）に示すように上下の直動機構３をいずれも傾斜させたり、あるいは図２（ｂ）に示すように上記の制振ダンパーＡを２組使用してそれらを一直線上に対向配置した状態で組み合わせることにより、双方の制振ダンパーＡにおける２つの錘５を互いに逆方向に直線移動させて同時に逆方向の慣性質量を発揮させる構成とすることも考えられる。

図３は本発明の本発明の第２実施形態である制振ダンパーＢを示すものである。本第２実施形態の制振ダンパーＢは、図２（ｂ）に示したものを基本として双方の錘５どうしをさらに減衰要素１１で連結したものである。
すなわち、本第２実施形態の制振ダンパーＢは、全く同様に構成した上記の制振ダンパーＡを２台使用してそれらを逆向きにして一直線上に対向配置し、双方の錘５にそれぞればねおよび減衰を並列した減衰要素１１を連結し、それら双方の減衰要素１１どうし連結部材１２により連結した構成とされていて、第１実施形態の場合と同様に双方の錘５がそれぞれ慣性質量効果を発揮して慣性質量ダンパーとして機能することに加え、減衰要素１１自体もダンパーとして作動してそれによる制動力も得られるものである。

この場合、双方の直動機構３の傾斜角度β、錘５どうしを連結しているばね剛性をｋ、減衰係数をｃ、回転慣性質量（慣性接続要素）をΨ、錘５の質量をｍ、連結部の負担力と錘５の慣性力の和をＰとすると、この制振ダンパーＢ全体の負担力は錘が２カ所なので２／β倍となる。また、制振ダンパーＢ全体の慣性質量、減衰係数、ばね剛性はいずれも２／β^２倍になり、たとえばβ＝１／１０の場合にはいずれも２００倍になる。これは、錘５間に小容量のダンパーを設置することでその２００倍もの大容量のダンパーを設けたことと等価であり、錘５の慣性質量効果による制動力と減衰要素１１による制動力の双方により相乗効果的に優れた制振効果が得られる。図示例では錘５にそれぞれ減衰装置１１を設けたが、まとめて１カ所とすることもでき、その場合は、ばね剛性、減衰係数、回転慣性質量が４／β^２倍となる。

なお、本第２実施形態における減衰要素１１とはバネやダッシュポットや回転慣性質量からなる抵抗要素を総称しており、具体的にはバネ部材やオイルダンパー、ボールネジとフライホイールからなる回転慣性ダンパー等を指しているが、それらのうちダッシュポットだけは必須であり、他のものは適宜加えればよい。
また、本第２実施形態の変形例として錘５を使用せず、上下の可動体８どうしを単なる連結体により連結するのみとして、錘の質量ｍを考慮せずに連結体間に設置した減衰要素１１それ自体をダンパーとして機能させるように構成することもできる。
その場合には錘の慣性質量による制動力は期待できないことから第１実施形態のような慣性質量ダンパーとしては機能しないが、構造体１，２間の上下方向の相対変位が変位拡大機構によって拡大されて減衰要素１１に伝達されることには変わりがないから、これは変位拡大機構付きのダンパーとして機能するものになり、微小変形に対しても有効に制振効果を発揮するものとなる。

図４は本発明の第３実施形態を示す。これは、図３に示した第２実施形態の制振ダンパーＢにより建物の上下方向の免震機構を構成したものである。
すなわち、免震対象の構造物である建物２１とそれを支持する下部構造としての基礎２２との間が免震層とされ、そこに建物２１全体を水平方向に免震支持する積層ゴム等の水平免震装置２３が設置されているとともに、建物２１を上下方向に免震する上下免震装置２４として上記の制振ダンパーＢが設置され、この制振ダンパーＢと基礎２２との間には上下免震装置２４を水平各方向に変位可能に支持するための水平支持機構２５が設置されている。

図示例の水平支持機構２５は、制振ダンパーＢを設置するための架台２６を水平各方向に自由に変位させるものであって、それ自体が水平免震架台と同様に機能するものである。つまり、基礎２２の上面と架台２６の下面には２連のレール２７が互いに直交する方向に２段に設けられ、それら各段のレール２７の間には双方のレール２７に沿って移動可能な状態で可動体２８が装着されており、これにより架台２６は水平各方向に自由にかつ滑らかに変位可能とされている。それらレール２７および可動体２８としては上記の変位拡大機構４における直動機構３と同一のものが好適に採用可能である。
したがって、地震等により基礎２２と建物２１との間で水平方向の相対振動が生じて水平免震装置２３が作動した際には、それに追随して水平支持機構２５が作動して上下免震装置２４としての制振ダンパーＢの全体が水平方向に自由に変位し、それにより上下免震装置２４は水平振動を拘束せずに上下振動のみを負担するようになっている。

本第３実施形態の免震機構によれば、積層ゴム等の水平免震装置２３により水平免震効果が得られるばかりでなく、上下免震装置２４としての制振ダンパーＢにより微小な上下振動に対する免震効果も得られる。
そして、この上下免震装置２４としての制振ダンパーＢは、減衰要素１１による制動力が得られるばかりでなく、基本的には錘５の慣性質量を制動力を得る慣性質量ダンパーとして機能するものであるから、慣性質量と支持架台の鉛直剛性による固有振動数を上部構造である建物２１の固有振動数に同調させるように各諸元を設定することにより、この上下免震装置２４は上下振動に対してチューンドマスダンパー（ＴＭＤ）として機能するものとなる。

なお、図３に示した第２実施形態の制振ダンパーＢでは双方の錘５に対してそれぞれ減衰要素１１を連結していたが、図４に示す第３実施形態では錘５の間に単一の減衰要素１１を設置した構成であり、この場合は減衰要素１１におけるばね剛性および減衰定数は図３のそれぞれ１／２で同等の効果が得られる。
また、上下免震装置２４を水平方向に変位可能に支持するためには、上記のような水平支持機構２５に限らず、たとえば単なる滑り支承や転がり支承も採用可能である。勿論、全体の天地を逆にして、上下免震装置２４としての制振ダンパーＢを基礎２２に対して固定して建物２１に対して上記の水平支持機構２５や適宜の支承を介して水平変位可能に支持するものとしても良い。
また、水平免震装置２３としては積層ゴムに限らず適宜の形式のものが採用可能であるし、水平免震装置２３と上下免震装置２４とを併設することに代えてそれらを上下方向に一体に積層することも考えられる。
さらに、水平方向の免震を全く考慮する必要がない場合には水平免震装置２３や水平支持機構２５ないし水平支承を完全に省略しても差し支えない。

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の設計的変形や応用が可能である。
たとえば、上記各実施形態では本発明の変位拡大機構およびそれを構成要素とする制振ダンパー、免震機構をいずれも上下（鉛直）方向の振動を対象とするものとしたが、要は変位拡大機構を構成している直動機構における可動体を振動方向に対してほぼ直交する方向に移動させれば良いのであって、本発明は上下方向の振動のみならず様々な方向の振動を対象とする場合にも同様に適用可能である。

本発明の第１実施形態である変位拡大機構とそれを構成要素とする制振ダンパーを示す概略構成図である。 同、変形例である。 本発明の第２実施形態である変位拡大機構とそれを構成要素とする制振ダンパーを示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態である変位拡大機構とそれを構成要素とする免震機構を示す概略構成図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ 制振ダンパー
１，２ 構造体
３（３ａ、３ｂ） 直動機構
４ 変位拡大機構
５ 錘（連結体）
６ 取付架台
７ レール
８ 可動体
１１ 減衰要素
１２ 連結部材
２１ 建物（構造物）
２２ 基礎
２３ 水平免震装置
２４ 上下免震装置（制振ダンパー）
２５ 水平支持機構
２６ 架台
２７ レール
２８ 可動体

Claims (6)

1. 間隔をおいて対向状態で配置されて互いに離接する方向の相対振動を生じる２つの構造体間に設置されて、それら構造体間に生じる前記相対振動を制動するための制振ダンパーの構成要素としての変位拡大機構であって、
   直線状のレールに沿って直線的に往復移動可能な可動体を備えた直動機構を２台１組として、各直動機構を前記各構造体の対向面に対向配置するとともに、双方の直動機構におけるレールどうしを所定の傾斜角度で非平行状態で対向配置することにより、それらレール間の対向間隔を一端側で大きく他端側で小さくなるように設定し、
   かつ双方の可動体どうしを連結体により一体に連結して、該連結体が双方の直動機構により案内されて対向面に平行な方向に沿って直線的に移動しつつ構造体に対して離接する方向に相対変位可能に構成することにより、
   前記構造体間に前記相対振動が生じた際には、前記連結体が対向面に平行な方向に直線移動して構造体間の相対変位を許容し、かつその際の連結体の移動距離を、構造体間に生じる相対変位量よりも双方のレール間の傾斜角度に応じて拡大する機構であることを特徴とする変位拡大機構。
2. 請求項１記載の変位拡大機構を備えた制振ダンパーであって、
   変位拡大機構における連結体を所定質量の錘により構成し、該錘およびそれを案内して直線移動させる直動機構とによって、構造体間の相対振動により錘が直線移動した際に生じる慣性質量を制動力とする慣性質量ダンパーを構成してなることを特徴とする制振ダンパー。
3. 請求項１記載の変位拡大機構を備えた制振ダンパーであって、
   ２組の変位拡大機構を一直線上に対向配置して、双方の変位拡大機構における連結体どうしが互いに離接するように逆方向に直線移動可能に構成し、かつ双方の連結体間にそれら連結体どうしが逆方向に直線移動した際に作動して制動力を得る減衰要素を設置してなることを特徴とする制振ダンパー。
4. 請求項３記載の制振ダンパーであって、
   ２組の変位拡大機構における連結体をそれぞれ所定質量の錘により構成し、それら錘が逆方向に直線移動した際にそれらの間に設置した減衰要素の作動により制動力を得るとともに、その際に双方の錘により生じる逆方向の慣性質量を制動力とする慣性質量ダンパーとしても機能せしめてなることを特徴とする制振ダンパー。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の制振ダンパーを備えた免震機構であって、
   構造物とそれを支持する基礎との間に、構造物を上下方向に免震支持するための上下免震装置として前記制振ダンパーを設置してなることを特徴とする免震機構。
6. 請求項２〜４のいずれかに記載の制振ダンパーを備えた免震機構であって、
   構造物とそれを支持する基礎との間に、構造物を水平方向に免震支持する水平免震装置を設置するとともに、構造物を上下方向に免震支持するための上下免震装置として前記制振ダンパーを水平方向に変位自在に設置してなることを特徴とする免震機構。

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