JP2011007323A - Base isolation device - Google Patents

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Daisuke Katayama
大助 片山
Hideaki Harada
秀秋 原田
Tatsuhiro Ranki
龍大 欄木
Ichiro Nagashima
一郎 長島
Shoji Katsuta
庄二 勝田
Yuichi Kimura
雄一 木村
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Taisei Corp
MM Bridge Co Ltd
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Taisei Corp
Mitsubishi Heavy Industries Bridge and Steel Structures Engineering Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration in walking performance on a floor surface in a base isolation device improving a quake-absorbing effect.SOLUTION: The base isolation device 100 reduces vertical vibrations transmitted to a quake-absorbing subject 1 while supporting the quake-absorbing subject 1. It includes a disc 21 rotatably configured in a horizontal plane, and a motion converting mechanism 22 converting a vertical motion that acts on the subject 1 into the rotational motion of the disc 21. The rotation inertial mass of the disc 21 is set 0.05-0.3 times of the mass of the subject 1.

Description

本発明は、建築物等を地震の縦揺れから保護する免震装置に関するものである。   The present invention relates to a seismic isolation device that protects a building or the like from vertical shaking of an earthquake.

従来、構造物の固有周期を、地震波の振動周期よりも長くする、すなわち長周期化することによって、地震の揺れに構造物の揺れが追随しないようにする免震装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a seismic isolation device is known in which the natural period of a structure is made longer than the vibration period of a seismic wave, that is, by making the period longer, so that the vibration of the structure does not follow the vibration of the earthquake (for example, , See Patent Document 1).

特許文献1に開示されている免震装置において、免震対象体(床等)と支持構造物との間には、弾性的復元力を発揮する鉛直免震部と、上下振動に関与する慣性質量を増加させる質量付加機構が設けられている。前記質量付加機構は、所定の質量を有する円盤と、前記免震対象構造物の上下動に連動して前記円盤を回転させる運動変換機構とから構成されている。   In the seismic isolation device disclosed in Patent Document 1, between the seismic isolation object (floor or the like) and the support structure, a vertical seismic isolation portion that exhibits elastic restoring force and inertia related to vertical vibration. A mass addition mechanism for increasing the mass is provided. The mass addition mechanism includes a disk having a predetermined mass and a motion conversion mechanism that rotates the disk in conjunction with the vertical movement of the seismic isolation target structure.

特開2004−44748号公報JP 2004-44748 A

ところで、このような免震装置において、運動変換機構によって免震対象体の上下運動に連動して円盤が回転すると、回転慣性モーメントが発生し、免震対象体の鉛直方向の運動に関与する慣性質量が増加して、免震対象体の鉛直方向周期を長周期化できるが、同時に免震対象体と支持構造物間には、質量付加機構によって当該間の相対加速度に比例する慣性力が作用する。この相対加速度は、支持構造物に対し免震対象体が逆位相で振動する短周期側で顕著になるため、短周期成分の慣性力が免震対象体に伝達されやすくなり、免震性能が悪くなるという不都合があった。また、前述の質量付加機構を適用した場合であっても、柔らかいばねで免震対象体を支持することが免震性能確保の前提条件となるため、上記の免震装置を床免震に適用した場合、床面の歩行性が悪くなるという不都合があった。   By the way, in such a seismic isolation device, when the disk rotates in conjunction with the vertical motion of the seismic isolation object by the motion conversion mechanism, a rotational inertia moment is generated, and the inertia involved in the vertical motion of the seismic isolation object. Although the mass increases and the vertical period of the seismic isolation object can be lengthened, an inertial force proportional to the relative acceleration between the seismic isolation object and the support structure acts at the same time by the mass addition mechanism. To do. This relative acceleration becomes prominent on the short period side where the seismic isolation object vibrates in the opposite phase with respect to the support structure, so that the inertial force of the short period component is easily transmitted to the seismic isolation object, and the seismic isolation performance is improved. There was the inconvenience of getting worse. Even if the mass addition mechanism described above is applied, it is necessary to support the seismic isolation object with a soft spring as a prerequisite for seismic isolation performance. In this case, there is a disadvantage that the walking ability of the floor surface is deteriorated.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、免震効果を向上させることができる免震装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、このような免震装置において、床面の歩行性の悪化を抑制することを目的とする。
This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the seismic isolation apparatus which can improve a seismic isolation effect.
Moreover, an object of this invention is to suppress the deterioration of the walkability of a floor surface in such a seismic isolation apparatus.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、免震対象体を支持するとともに該免震対象体に伝達される鉛直方向の振動を低減する免震装置であって、水平面内にて回転可能とされた質量体と、前記免震対象体に作用する鉛直方向の運動を前記質量体の回転運動に変換する運動変換機構とを備え、前記質量体の回転慣性質量が、前記免震対象体の質量の0.05倍以上0.3倍以下とされた免震装置を採用する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention provides a seismic isolation device that supports a seismic isolation object and reduces vertical vibration transmitted to the seismic isolation object, the mass body being rotatable in a horizontal plane, A motion conversion mechanism that converts a vertical motion acting on the seismic object into a rotational motion of the mass body, and the rotational inertial mass of the mass body is not less than 0.05 times the mass of the seismic isolation object 0 • Use seismic isolation devices that are less than 3 times.

本発明によれば、質量体の回転慣性質量を免震対象体の質量の0.3倍以下に制限することになるため、運動変換機構から免震対象体に伝達される短周期成分の慣性力(=回転慣性体質量×相対加速度)を抑制することが可能になる。また、質量体の回転慣性質量を免震対象体の0.05倍以上にすることになるため、免震対象体の鉛直方向の振動を長周期化することが可能であり、免震対象体に伝達される鉛直方向の振動を低減することができる。   According to the present invention, the rotational inertial mass of the mass body is limited to not more than 0.3 times the mass of the seismic isolation object, so that the inertia of the short period component transmitted from the motion conversion mechanism to the seismic isolation object Force (= rotational inertial body mass × relative acceleration) can be suppressed. In addition, since the rotational inertial mass of the mass body is 0.05 times or more that of the seismic isolation object, it is possible to lengthen the vertical vibration of the seismic isolation object. The vibration in the vertical direction transmitted to can be reduced.

この場合において、より好ましくは質量体の回転慣性質量を免震対象体の質量の0.2倍とすることにより、免震対象体の加速度を小さくすることができるので、免震対象体を効果的に免震することができる。   In this case, more preferably, the acceleration of the seismic isolation object can be reduced by setting the rotational inertial mass of the mass body to 0.2 times the mass of the seismic isolation object. Can be seismically isolated.

上記発明において、前記運動変換機構が、ボールネジ軸とボールネジナットとの組合せであって、前記ボールネジ軸と前記ボールネジナットのうち一方が前記免震対象体に設けられ、他方が前記質量体に設けられていることとしてもよい。   In the above invention, the motion conversion mechanism is a combination of a ball screw shaft and a ball screw nut, and one of the ball screw shaft and the ball screw nut is provided on the seismic isolation object, and the other is provided on the mass body. It is good to be.

運動変換機構をボールネジ軸とボールネジナットとの組合せとすることで、例えば、ボールネジナットを免震対象体に、ボールネジ軸を質量体に設けた場合、免震対象体(ボールネジナット)の上下運動がボールネジ軸の回転運動に変換される。これにより、質量体が回転し、その回転慣性モーメントによって免震対象体の鉛直方向の運動に関与する慣性質量が効率良く増加される。また、ボールネジの使用により、免震対象体の上下運動を質量体の回転運動にスムーズに変換することができ、免震効果を向上させることができる。   By combining the motion conversion mechanism with a ball screw shaft and a ball screw nut, for example, when the ball screw nut is provided on the seismic isolation object and the ball screw shaft is provided on the mass body, the vertical motion of the seismic isolation object (ball screw nut) is reduced. It is converted into the rotational motion of the ball screw shaft. Thereby, the mass body rotates, and the inertial mass involved in the vertical motion of the seismic isolation object is efficiently increased by the rotation inertia moment. Further, by using the ball screw, the vertical motion of the seismic isolation object can be smoothly converted into the rotational motion of the mass body, and the seismic isolation effect can be improved.

上記発明において、前記ボールネジ軸のリード角が、10度以上30度以下とされていることとしてもよい。
ボールネジ軸のリード角を大きく、すなわち、ボールネジ軸のリード長を長くすると、ボールネジナットの上下運動をボールネジ軸の回転運動に効率的に変換することができる。一方、ボールネジ軸のリード角を小さく、すなわち、ボールネジ軸のリード長を短くすると、免震対象体の上下運動に伴う質量体の回転角度を大きくすることができるので、その回転慣性質量を増加させることができる。
In the above invention, the lead angle of the ball screw shaft may be 10 degrees or more and 30 degrees or less.
When the lead angle of the ball screw shaft is increased, that is, the lead length of the ball screw shaft is increased, the vertical motion of the ball screw nut can be efficiently converted into the rotational motion of the ball screw shaft. On the other hand, if the lead angle of the ball screw shaft is reduced, that is, the lead length of the ball screw shaft is shortened, the rotation angle of the mass body accompanying the vertical motion of the seismic isolation object can be increased, so that the rotational inertial mass is increased. be able to.

ここで、一般に、回転運動への変換効率は95%以上必要である。したがって、ボールネジ軸のリード角を10度以上30度以下、より好ましくは、ボールネジ軸のリード長が直径と略等しくなる17度程度とすることで、ボールネジナットの上下運動をボールネジ軸の回転運動に効率的に変換するとともに、質量体の回転慣性質量の低下を抑制して効果的な免震を行うことができる。   Here, generally, the conversion efficiency into the rotational motion needs to be 95% or more. Therefore, by setting the lead angle of the ball screw shaft to 10 degrees or more and 30 degrees or less, more preferably about 17 degrees where the lead length of the ball screw shaft is substantially equal to the diameter, the vertical motion of the ball screw nut is changed to the rotational motion of the ball screw shaft. It is possible to perform effective seismic isolation while efficiently converting and suppressing a decrease in rotational inertial mass of the mass body.

上記発明において、前記質量体の回転を制動する制動機構を備えることとしてもよい。
制動機構により質量体の回転を制動することによって、免震対象体の振動減衰効果を得ることができる。これにより、質量体の回転慣性質量が小さい場合にも、免震対象体の鉛直方向の振動を効果的に低減することができる。
また、制動機構により質量体の回転を制動することによって、免震対象体の上下運動を抑制することができ、免震対象体が床である場合に床面の歩行性を向上させることができる。
The said invention WHEREIN: It is good also as providing the braking mechanism which brakes rotation of the said mass body.
By damping the rotation of the mass body by the braking mechanism, the vibration damping effect of the seismic isolation object can be obtained. Thereby, also when the rotational inertia mass of a mass body is small, the vibration of the vertical direction of a seismic isolation object can be reduced effectively.
In addition, by braking the rotation of the mass body by the braking mechanism, the vertical motion of the seismic isolation object can be suppressed, and when the seismic isolation object is the floor, the walking ability of the floor surface can be improved. .

上記発明において、前記免震対象体の鉛直方向の振動数が1.5Hz以上3.5Hz以下となるような防振ゴムや粘弾性体を前記免震対象体と前記運動変換機構との間に備えることとしてもよい。
免震対象体の鉛直方向の振動数が3.5Hz以下となるような防振ゴムや粘弾性体を備えることで、運動変換機構により質量体の回転運動に変換することが難しい高周波振動(例えば10Hz以上の振動)が発生した場合にも、その振動を吸収して、免震対象体を免震することができる。また、免震対象体の鉛直方向の振動数が1.5Hz以上となるような防振ゴムや粘弾性体にすることで、免震対象体が床である場合の床面の歩行性を確保することができる。
In the above invention, an anti-vibration rubber or a viscoelastic body having a vertical frequency of 1.5 to 3.5 Hz between the seismic isolation object and the motion conversion mechanism is provided. It is good also as providing.
High-frequency vibrations that are difficult to convert into a rotational motion of a mass body by a motion conversion mechanism (for example, by providing a vibration-proof rubber or a viscoelastic body such that the vertical frequency of the seismic isolation object is 3.5 Hz or less) Even when vibration of 10 Hz or higher) occurs, the vibration can be absorbed and the seismic isolation object can be isolated. In addition, by using anti-vibration rubber or viscoelastic body so that the vertical frequency of the seismic isolation object is 1.5 Hz or more, the walking ability of the floor surface is ensured when the seismic isolation object is the floor. can do.

上記発明において、前記免震対象体を、鉛直方向に移動自在に保持するとともに、水平方向の動きを拘束する上下動ガイドを備えることとしてもよい。
上下動ガイドにより、免震対象体を鉛直方向に移動自在に保持するとともに、水平方向の動きを拘束することで、運動変換機構に水平方向の荷重が加わることを防止することができる。
In the above invention, the seismic isolation object may be held movably in the vertical direction, and may include a vertical movement guide that restrains movement in the horizontal direction.
By holding the seismic isolation object movably in the vertical direction by the vertical movement guide, it is possible to prevent a horizontal load from being applied to the motion conversion mechanism by restraining the horizontal movement.

本発明によれば、免震効果を向上させることができるという効果を奏する。また、床面の歩行性の悪化を抑制することができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to improve the seismic isolation effect. Moreover, there exists an effect that the deterioration of the walkability of a floor surface can be suppressed.

本発明の一実施形態の概略構成を示す側面図である。It is a side view which shows schematic structure of one Embodiment of this invention. 図1のブレーキ機構の作用を説明する側断面図である。It is a sectional side view explaining the effect | action of the brake mechanism of FIG. 回転慣性質量の検討において図1の免震装置をモデル化した側面図である。It is the side view which modeled the seismic isolation apparatus of FIG. 1 in examination of rotational inertial mass. 減衰定数が0.3の場合の回転慣性質量比と加速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between rotational inertia mass ratio and acceleration in case a damping constant is 0.3. 減衰定数が0.3の場合の回転慣性質量比と変位との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a rotation inertia mass ratio and a displacement in case a damping constant is 0.3. 減衰定数が0.1の場合の回転慣性質量比と加速度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a rotation inertia mass ratio and acceleration in case a damping constant is 0.1. 減衰定数が0.1の場合の回転慣性質量比と変位との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a rotation inertia mass ratio and a displacement in case a damping constant is 0.1. ボールネジのリード角と変換効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the lead angle of a ball screw, and conversion efficiency. 振動試験における振動台の加速度波の周波数分析結果である。It is the frequency analysis result of the acceleration wave of a vibration stand in a vibration test. 振動試験における免震架台の加速度波の周波数分析結果である。It is the frequency analysis result of the acceleration wave of a base isolation frame in a vibration test. 防振ゴムの検討において図1の免震装置をモデル化した側面図である。It is the side view which modeled the seismic isolation apparatus of FIG. 1 in examination of vibration-proof rubber. 図11のモデルの諸元を説明する図である。It is a figure explaining the item of the model of FIG. 定常状態における防振ゴムのばね定数と加速度応答倍率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the spring constant of vibration-proof rubber in a steady state, and an acceleration response magnification. 過渡状態における防振ゴムのばね定数と加速度応答倍率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the spring constant of vibration-proof rubber in a transient state, and an acceleration response magnification. 粘弾性体の検討において図1の免震装置をモデル化した側面図である。It is the side view which modeled the seismic isolation apparatus of FIG. 1 in examination of a viscoelastic body. 図15のモデルの諸元を説明する図である。It is a figure explaining the item of the model of FIG. 定常状態における粘弾性体のばね定数と加速度応答倍率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the spring constant of a viscoelastic body in a steady state, and an acceleration response magnification. 過渡状態における粘弾性体のばね定数と加速度応答倍率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the spring constant of a viscoelastic body in a transient state, and an acceleration response magnification.

以下、本発明の免震装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る免震装置100の概略構成を示す模式図である。
図1において、符号1は免震対象体(例えば床および床上の積載物)、符号2は免震対象体1を支持する支持構造物(例えば建物の梁等)である。免震対象体1は、空気ばね13を介して支持構造物2により支持されている。なお、空気ばね13は、内部の空気圧を変化させることで、免震対象体1のレベル調整が可能である。
Hereinafter, an embodiment of the seismic isolation device of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a seismic isolation device 100 according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a seismic isolation object (for example, a floor and a load on the floor), and reference numeral 2 denotes a support structure (for example, a building beam) that supports the seismic isolation object 1. The seismic isolation object 1 is supported by the support structure 2 via the air spring 13. The air spring 13 can adjust the level of the seismic isolation object 1 by changing the internal air pressure.

免震装置100は、免震対象体1と支持構造物2との間に配置され、免震対象体1を支持するとともに、支持構造物2から免震対象体1に伝達される鉛直方向の振動を低減する装置である。免震装置100は、質量付加機構20と、スプライン機構(上下動ガイド)30と、防振ゴム31と、ブレーキ機構(制動機構)40とを主な構成要素として備えている。   The seismic isolation device 100 is disposed between the seismic isolation object 1 and the support structure 2, supports the seismic isolation object 1, and is transmitted in the vertical direction transmitted from the support structure 2 to the seismic isolation object 1. It is a device that reduces vibration. The seismic isolation device 100 includes a mass addition mechanism 20, a spline mechanism (vertical movement guide) 30, an anti-vibration rubber 31, and a brake mechanism (braking mechanism) 40 as main components.

質量付加機構20は、免震対象体1の上下動に連動して、免震対象体1の慣性質量を増加させる機構である。質量付加機構20は、水平面内にて回転可能とされた円盤(質量体)21と、免震対象体1に作用する鉛直方向の運動を円盤21の回転運動に変換する運動変換機構22とを備えている。   The mass addition mechanism 20 is a mechanism that increases the inertial mass of the seismic isolation object 1 in conjunction with the vertical movement of the seismic isolation object 1. The mass addition mechanism 20 includes a disk (mass body) 21 that is rotatable in a horizontal plane, and a motion conversion mechanism 22 that converts the vertical motion acting on the seismic isolation object 1 into the rotational motion of the disk 21. I have.

円盤21は、所定の質量を有しており、運動変換機構22により回転させられることで、回転慣性モーメントを発生させる。この際の回転慣性質量については後述する。
運動変換機構22は、免震対象体1の下面に固定された支持金物25により支持されたボールネジナット23と、該ボールネジナット23に螺合するボールネジ軸24との組合せにより構成されている。
The disk 21 has a predetermined mass and is rotated by the motion conversion mechanism 22 to generate a rotational moment of inertia. The rotational inertia mass at this time will be described later.
The motion conversion mechanism 22 is configured by a combination of a ball screw nut 23 supported by a support metal 25 fixed to the lower surface of the seismic isolation object 1 and a ball screw shaft 24 screwed into the ball screw nut 23.

ボールネジ軸24は、鉛直方向に軸線を向けて配置され、ボールネジナット23に螺合するとともに、支持構造物2に固定されたベアリング28により回転自在に保持されている。また、軸線方向におけるボールネジナット23とベアリング28との間において、ボールネジ軸24には円盤21が固定されている。なお、ボールネジ軸24のリード角(リード長)については後述する。   The ball screw shaft 24 is disposed with its axis line oriented in the vertical direction, is screwed into the ball screw nut 23, and is rotatably held by a bearing 28 fixed to the support structure 2. A disk 21 is fixed to the ball screw shaft 24 between the ball screw nut 23 and the bearing 28 in the axial direction. The lead angle (lead length) of the ball screw shaft 24 will be described later.

上記のような構成を有することで、運動変換機構22は、免震対象体1(ボールネジナット23)の上下運動をボールネジ軸24の回転運動に変換して、ボールネジ軸24に固定された円盤21を回転させるようになっている。   By having the above-described configuration, the motion conversion mechanism 22 converts the vertical motion of the seismic isolation object 1 (ball screw nut 23) into the rotational motion of the ball screw shaft 24 and is fixed to the ball screw shaft 24. Is supposed to rotate.

スプライン機構30は、支持構造物2に固定された円筒部材33と、円筒部材33の内部に設けられたベアリング34と、免震対象体1に固定された軸体35とを備えている。軸体35は、円筒部材33の内部に挿入されており、ベアリング34により鉛直方向に移動自在に支持されている。このような構成を有することで、スプライン機構30は、免震対象体1を鉛直方向に移動自在に保持するとともに、免震対象体1の水平方向の動きを拘束するようになっている。   The spline mechanism 30 includes a cylindrical member 33 fixed to the support structure 2, a bearing 34 provided inside the cylindrical member 33, and a shaft body 35 fixed to the seismic isolation object 1. The shaft body 35 is inserted into the cylindrical member 33 and is supported by the bearing 34 so as to be movable in the vertical direction. By having such a configuration, the spline mechanism 30 holds the seismic isolation object 1 so as to be movable in the vertical direction and restrains the horizontal movement of the seismic isolation object 1.

防振ゴム31は、免震対象体1と質量付加機構20との間に設けられている。この防振ゴム31は、地震による短い周期の微振動を吸収するものであるが、防振ゴムに換えて、粘弾性体としてもよい。なお、防振ゴム31や粘弾性体の詳細な仕様については後述する。   The anti-vibration rubber 31 is provided between the seismic isolation object 1 and the mass addition mechanism 20. The anti-vibration rubber 31 absorbs micro vibrations of a short period due to an earthquake, but may be a viscoelastic body instead of the anti-vibration rubber. The detailed specifications of the vibration-proof rubber 31 and the viscoelastic body will be described later.

ブレーキ機構40は、円盤21の偏心位置を半径方向に対して直交する方向両側から挟み込むことによって円盤21の回転を制動し、免震対象体1の上下動を制動する機構である。ここで、ブレーキ機構40の詳細な構成を図2に示す。図2に示すように、ブレーキ機構40において、免震対象体1に作用するブレーキ力Fと、円盤21に与えられる押付け力Pとの関係は以下のように表される。

Figure 2011007323
ここで、Lはボールネジ軸24のリード長、Rはボールネジ軸24の軸心と押付け力Pの作用点との間の距離、μは円盤21の摩擦係数を表している。なお、ここでは、運動変換機構22による回転運動と上下運動との変換効率は1.0と仮定している。 The brake mechanism 40 is a mechanism that brakes the rotation of the disk 21 by sandwiching the eccentric position of the disk 21 from both sides perpendicular to the radial direction, and brakes the vertical movement of the seismic isolation object 1. Here, the detailed structure of the brake mechanism 40 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, in the brake mechanism 40, the relationship between the braking force F acting on the seismic isolation object 1 and the pressing force P applied to the disk 21 is expressed as follows.
Figure 2011007323
Here, L represents the lead length of the ball screw shaft 24, R represents the distance between the axis of the ball screw shaft 24 and the point of action of the pressing force P, and μ represents the friction coefficient of the disk 21. Here, it is assumed that the conversion efficiency between the rotary motion and the vertical motion by the motion conversion mechanism 22 is 1.0.

上記構成を有する免震装置100の作用について以下に説明する。
本実施形態の免震装置100によれば、免震対象体1が上下動すると、その運動がボールネジナット23及びボールネジ軸24を介して円盤21の回転運動に変換される。そして、円盤21の回転により回転慣性モーメントが発生し、この回転慣性モーメントにより、免震対象体1の上下振動に関与する慣性質量が増加する。ここで、増加する慣性質量を免震対象体1の0.3倍以下にすることで、免震対象体1に伝達される短周期成分の慣性力が抑制される。また、増加する慣性質量を免震対象体1の0.05倍以上にすることで、免震対象体1の上下振動の固有周期Tが長周期化されて、免震対象体1に伝達される鉛直方向の振動を低減することができる。
The operation of the seismic isolation device 100 having the above configuration will be described below.
According to the seismic isolation device 100 of this embodiment, when the seismic isolation object 1 moves up and down, the motion is converted into the rotational motion of the disk 21 via the ball screw nut 23 and the ball screw shaft 24. A rotation inertia moment is generated by the rotation of the disk 21, and the inertial mass involved in the vertical vibration of the seismic isolation object 1 is increased by the rotation inertia moment. Here, the inertial force of the short period component transmitted to the seismic isolation object 1 is suppressed by making the increasing inertial mass 0.3 times or less that of the seismic isolation object 1. Further, by making the increasing inertial mass 0.05 times or more that of the seismic isolation object 1, the natural period T of the vertical vibration of the seismic isolation object 1 is lengthened and transmitted to the seismic isolation object 1. It is possible to reduce vertical vibrations.

[回転慣性質量の検討]
ここで、円盤21の回転慣性質量について、図3から図7を用いて説明する。
ここでは、上記構成を有する免震装置100において、円盤21の回転慣性質量が免震性能に及ぼす影響を以下のように検討した。
[Examination of rotational inertial mass]
Here, the rotational inertial mass of the disk 21 will be described with reference to FIGS.
Here, in the seismic isolation device 100 having the above configuration, the influence of the rotational inertial mass of the disk 21 on the seismic isolation performance was examined as follows.

(1)免震対象
免震対象体1の具体例として、免震架台とその上に積載された積載物を考える。
免震架台とその上に積載された積載物との合計重量W1(免震対象体1の重量)を3000kgとし、その振動特性(振動数、減衰定数)を以下のように設定した。
・減衰定数:h=0.3、h=0.1の2種類
・振動数:f=1.2Hz、1.0Hz、0.8Hzの3種類
ここで、h=0.3はオイルダンパーおよび空気ばねによる減衰を考慮したケースであり、h=0.1は空気ばねの減衰のみを考慮したケースを想定している。
また、振動数1.2Hzは通常の免震振動数に対応し、0.8Hzはスリーブ型の空気ばねを適用した場合を想定している。
(1) Seismic isolation object As a specific example of the seismic isolation object 1, consider a seismic isolation frame and the load loaded on it.
The total weight W1 (the weight of the seismic isolation object 1) of the base isolation frame and the load loaded thereon was set to 3000 kg, and the vibration characteristics (frequency and damping constant) were set as follows.
・ Damping constant: 2 types of h = 0.3, h = 0.1 ・ Frequency: 3 types of f = 1.2 Hz, 1.0 Hz, and 0.8 Hz Here, h = 0.3 is an oil damper and This is a case in which attenuation by the air spring is considered, and h = 0.1 assumes a case in which only the attenuation of the air spring is considered.
A frequency of 1.2 Hz corresponds to a normal seismic isolation frequency, and 0.8 Hz assumes a case where a sleeve type air spring is applied.

(2)検討モデル
図3は、本検討を行うにあたって免震装置100をモデル化した図である。
図3において、ΔM3は円盤21の回転慣性質量、F3は制動力(ブレーキ力)、K1は空気ばね13のばね定数、C1およびC’1はオイルダンパーおよび空気ばね13の減衰係数、F1はスプライン機構30の摩擦力、W3は免震対象体1とボールネジナット23とを接続する接続金物の重量、K3は防振ゴム31のばね定数、C3は防振ゴム31の減衰係数を表している。
(2) Study Model FIG. 3 is a diagram in which the seismic isolation device 100 is modeled in performing this study.
In FIG. 3, ΔM3 is a rotational inertia mass of the disk 21, F3 is a braking force (braking force), K1 is a spring constant of the air spring 13, C1 and C′1 are damping coefficients of the oil damper and the air spring 13, and F1 is a spline. The frictional force of the mechanism 30, W3 represents the weight of the connection hardware connecting the seismic isolation object 1 and the ball screw nut 23, K3 represents the spring constant of the vibration isolating rubber 31, and C 3 represents the damping coefficient of the vibration isolating rubber 31.

(3)モデル諸元
本検討を行うにあたってのモデル諸元は以下のとおりである。
K1:W1=3000kgの場合に、振動数が1.2Hz、1.0Hz、0.8Hzになるばね定数
C’1:W1=3000kgの場合に、上記振動数で減衰定数h=0.1となる減衰係数
C1:W1=3000kgの場合に、上記振動数で減衰定数h=0.2となる減衰係数
(減衰定数h=0.3についてはC’1+C1として考える。)
F1:スプライン機構の摩擦力=14kg
F3:制動力=200kg
K3:防振ゴムのばね定数=350kg/cm
C3:防振ゴムの減衰係数=2kgs/cm
W3:接続金物重量=20kg
(3) Model specifications The model specifications for this study are as follows.
K1: Spring constant at which the frequency is 1.2 Hz, 1.0 Hz, 0.8 Hz when W1 = 3000 kg C′1: When W1 = 3000 kg, the damping constant h = 0.1 at the above frequency When the damping coefficient C1: W1 = 3000 kg, the damping coefficient at which the damping constant h = 0.2 at the above frequency (the damping constant h = 0.3 is considered as C′1 + C1).
F1: Frictional force of spline mechanism = 14kg
F3: Braking force = 200kg
K3: Anti-vibration rubber spring constant = 350 kg / cm
C3: Damping coefficient of anti-vibration rubber = 2 kgs / cm
W3: Connection hardware weight = 20kg

(4)検討方法
ここでは、ΔM3(回転慣性質量)を変化させ、JMA神戸UD地震(最大加速度=332Gal)に対する免震架台の応答を求めた。
なお、JMA神戸UD地震は、0.5秒〜1秒程度の周期成分を含むため、標準的地震(例えば、エルセントロUD地震、タフトUD地震、八戸UD地震)に比べて免震性能(応答加速度の低減)を得にくい地震である。
(4) Study Method Here, ΔM3 (rotational inertial mass) was changed, and the response of the base isolation frame to the JMA Kobe UD earthquake (maximum acceleration = 332 Gal) was obtained.
Since the JMA Kobe UD earthquake includes a periodic component of about 0.5 seconds to 1 second, seismic isolation performance (response acceleration) compared to standard earthquakes (for example, El Centro UD earthquake, Taft UD earthquake, Hachinohe UD earthquake) It is an earthquake that is difficult to obtain.

(5)検討結果
免震架台の最大応答値(加速度、変位)と回転慣性質量比(回転慣性質量/免震対象体質量)の関係について、免震架台の減衰定数をh=0.3にした場合を図4および図5に、免震架台の減衰定数をh=0.1にした場合を図6および図7にそれぞれ示す。
(5) Examination results Regarding the relationship between the maximum response value (acceleration, displacement) of the base isolation frame and the rotational inertial mass ratio (rotational inertial mass / base isolation object mass), the damping constant of the base isolation frame is set to h = 0.3 FIGS. 4 and 5 show the cases where the above-mentioned cases are performed, and FIGS. 6 and 7 show the cases where the damping constant of the base isolation frame is set to h = 0.1, respectively.

図4から図7に示されるように、免震床(架台)の最大加速度は、免震架台の振動数が1.0Hzや1.2Hzの場合、回転慣性質量比が0.2を中心に、0.1〜0.3の場合に小さくなるが、免震架台の振動数が0.8Hzになると、回転慣性質量比が0.05の場合でも大きな免震性能が得られることが分かる。この傾向は、免震架台の減衰定数が変動した場合でもほぼ同じになる。免震架台の振動数や減衰定数は、積載荷重により変動することを考慮すると、回転慣性質量比は、0.05以上0.3以下の範囲、より好ましくは0.2を目標として設定することにより、効果的な免震を行うことができることが分かる。   As shown in FIGS. 4 to 7, the maximum acceleration of the base isolation floor (mounting base) is centered on the rotational inertial mass ratio of 0.2 when the frequency of the base isolation base is 1.0 Hz or 1.2 Hz. However, when the frequency of the base isolation frame is 0.8 Hz, it is understood that a large base isolation performance can be obtained even when the rotational inertia mass ratio is 0.05. This tendency is almost the same even when the damping constant of the base isolation frame changes. Considering that the frequency and damping constant of the base isolation frame vary depending on the load, the rotational inertial mass ratio should be set in the range of 0.05 to 0.3, more preferably 0.2. It can be seen that effective seismic isolation can be performed.

なお、回転慣性質量比が0.3よりも大きくなるに従い、免震架台の応答加速度は漸増するが、これは回転慣性質量と免震架台の相対加速度との積で表される慣性力が、回転慣性質量比の増加や、地震の揺れに対し免震架台が逆位相で揺れる短周期成分の相対加速度の増加によって大きくなり、その結果として応答加速度が漸増したものと考えられる。また、免震振動数が1.2Hz、1.0Hzの場合、回転慣性質量比が0.1よりも小さくなると免震性能が顕著に低下するが、これは回転慣性質量比が小さくなりすぎると免震周期の長周期化(免震振動数の低下)に対する効果が少なくなるためと考えられる。ただし免震振動数が0.8Hzの場合、即ち元々免震周期が長い場合は、回転慣性質量比が0.05と小さくても大きな免震性能が保持される。   As the rotational inertial mass ratio becomes larger than 0.3, the response acceleration of the base isolation frame gradually increases. This is because the inertial force represented by the product of the rotational inertial mass and the relative acceleration of the base isolation frame is It is thought that the response acceleration increased gradually as a result of an increase in the rotational inertial mass ratio and an increase in the relative acceleration of the short-period component that caused the base isolation frame to swing in antiphase with respect to the shaking of the earthquake. Further, when the seismic isolation frequency is 1.2 Hz and 1.0 Hz, the seismic isolation performance is remarkably lowered when the rotational inertial mass ratio is smaller than 0.1, but this is because the rotational inertial mass ratio becomes too small. This is thought to be because the effect on the lengthening of the base isolation cycle (decreasing the base isolation frequency) is reduced. However, when the base isolation frequency is 0.8 Hz, that is, when the base isolation cycle is originally long, a large base isolation performance is maintained even if the rotational inertial mass ratio is as small as 0.05.

[リード長の検討]
次に、ボールネジ軸24のリード長について図8を用いて説明する。
ここでは、上記構成を有する免震装置100において、ボールネジ軸24のリード長が免震性能に及ぼす影響を以下のように検討した。
(1)検討モデル
ボールナット23の上下運動をボールネジ軸24の回転運動に変換する機構において、そのときの逆効率(変換効率)ηは図8のように示される。
図8に示されるように、逆効率ηは、リード角βと摩擦係数μにより変動するが、リード角βが大きくなるほど摩擦係数μの影響が小さくなり、逆効率ηが100%に近づくことがわかる。
[Examination of lead length]
Next, the lead length of the ball screw shaft 24 will be described with reference to FIG.
Here, in the seismic isolation device 100 having the above configuration, the influence of the lead length of the ball screw shaft 24 on the seismic isolation performance was examined as follows.
(1) Study Model In the mechanism that converts the vertical motion of the ball nut 23 into the rotational motion of the ball screw shaft 24, the reverse efficiency (conversion efficiency) η at that time is shown in FIG.
As shown in FIG. 8, the reverse efficiency η varies depending on the lead angle β and the friction coefficient μ. However, as the lead angle β increases, the influence of the friction coefficient μ decreases, and the reverse efficiency η approaches 100%. Recognize.

また、ボールナット23の推力Fと、ボールネジ軸24のトルクTの関係は、以下に示す(2)式で表される。この式より、変換効率ηが小さい場合には、大きな推力Fが作用しないとボールネジ軸24は回転しないことが分かる。また、ボールネジ軸24のリード長Lが小さい場合も同様であることが分かる。

Figure 2011007323
The relationship between the thrust F of the ball nut 23 and the torque T of the ball screw shaft 24 is expressed by the following equation (2). From this equation, it can be seen that when the conversion efficiency η is small, the ball screw shaft 24 does not rotate unless a large thrust F acts. It can also be seen that the same is true when the lead length L of the ball screw shaft 24 is small.
Figure 2011007323

運動変換機構22は、免震対象体1と支持構造物2との間に設けられるが、上下方向に大きなFが生じると、その力は免震対象体1に伝達されて免震性能を阻害することになるため、リード角β、リード長Lは大きい方が良いことになる。   Although the motion conversion mechanism 22 is provided between the seismic isolation object 1 and the support structure 2, when a large F is generated in the vertical direction, the force is transmitted to the seismic isolation object 1 and inhibits the seismic isolation performance. Therefore, it is better that the lead angle β and the lead length L are larger.

一方、ボールネジ軸24には円盤21が固定され、回転慣性質量体として利用される。
円盤21の回転により免震対象体1に付加される回転慣性質量ΔMは、以下の(3)式で表される。この式より、質量効果はボールネジ軸24のリード長Lが大きくなると、その2乗に反比例して小さくなることがわかる。

Figure 2011007323
On the other hand, a disk 21 is fixed to the ball screw shaft 24 and used as a rotary inertia mass body.
The rotational inertia mass ΔM added to the seismic isolation object 1 by the rotation of the disk 21 is expressed by the following equation (3). From this equation, it can be seen that the mass effect decreases in inverse proportion to the square of the lead length L of the ball screw shaft 24.
Figure 2011007323

(2)検討結果
(2)式に示されるように、ボールネジ軸24のリード角βを大きく、すなわち、ボールネジ軸24のリード長Lを長くすると、ボールネジナット23の上下運動をボールネジ軸24の回転運動に効率的に変換することができる。
一方、(3)式に示されるように、ボールネジ軸24のリード角βを小さく、すなわち、ボールネジ軸24のリード長Lを短くすると、免震対象体1の上下運動に伴う円盤21の回転角度を大きくすることができるので、その回転慣性質量を増加させることができる。
(2) Examination Results As shown in the equation (2), when the lead angle β of the ball screw shaft 24 is increased, that is, when the lead length L of the ball screw shaft 24 is increased, the vertical movement of the ball screw nut 23 is caused to rotate the ball screw shaft 24. It can be efficiently converted into motion.
On the other hand, as shown in the expression (3), when the lead angle β of the ball screw shaft 24 is made small, that is, when the lead length L of the ball screw shaft 24 is made short, the rotation angle of the disk 21 accompanying the vertical motion of the seismic isolation object 1. Can be increased, and its rotational inertial mass can be increased.

ここで、一般に、回転運動への変換効率は95%以上必要である。したがって、ボールネジ軸24のリード角βを10度以上30度以下、より好ましくは、ボールネジ軸24のリード長Lが軸外径と略等しくなる17度程度とすることで、ボールネジナット23の上下運動をボールネジ軸24の回転運動に効率的に変換するとともに、円盤21の回転慣性質量の低下を抑制して効果的な免震を行うことができる。   Here, generally, the conversion efficiency into the rotational motion needs to be 95% or more. Therefore, the vertical movement of the ball screw nut 23 is achieved by setting the lead angle β of the ball screw shaft 24 to 10 degrees or more and 30 degrees or less, more preferably about 17 degrees where the lead length L of the ball screw shaft 24 is substantially equal to the outer diameter of the shaft. Can be efficiently converted into a rotational motion of the ball screw shaft 24, and a reduction in the rotational inertial mass of the disk 21 can be suppressed to achieve effective seismic isolation.

(3)ケーススタディ
上記検討結果のケーススタディとして、軸外径とリード長とが略等しいボールネジ軸24aと、リード長が軸外径の2倍とされたボールネジ軸24bについて、それぞれの変換効率を検討する。
軸外径とリード長とが略等しいボールネジ軸24aの場合、リード角βは17度であり、図8を参照すると、摩擦係数μによらず100%に近い変換効率が得られる。
(3) Case study As a case study based on the above examination results, the conversion efficiency of the ball screw shaft 24a with the shaft outer diameter and the lead length approximately equal to each other, and the ball screw shaft 24b with the lead length twice the shaft outer diameter, respectively. consider.
In the case of the ball screw shaft 24a whose shaft outer diameter and lead length are substantially equal, the lead angle β is 17 degrees, and referring to FIG. 8, a conversion efficiency close to 100% can be obtained regardless of the friction coefficient μ.

リード長が軸外径の2倍とされたボールネジ軸24bの場合、リード角βは31度である。ここで、図8に示されるように、変換効率はリード角βがある程度以上になると100%に漸近する特性を有することから、ボールネジ軸24bの変換効率はボールネジ軸24aの変換効率と大差ないと推測できる。   In the case of the ball screw shaft 24b whose lead length is twice the outer diameter of the shaft, the lead angle β is 31 degrees. Here, as shown in FIG. 8, since the conversion efficiency has a characteristic of gradually approaching 100% when the lead angle β exceeds a certain level, the conversion efficiency of the ball screw shaft 24 b is not much different from the conversion efficiency of the ball screw shaft 24 a. I can guess.

一方、その質量効果ΔMは、取り付けた円盤21が同じであれば、リード長が軸外径の2倍とされたボールネジ軸24bの場合、(3)式に示されるように、軸外径とリード長とが略等しいボールネジ軸24aの1/4となる。   On the other hand, if the mounted disk 21 is the same, in the case of the ball screw shaft 24b in which the lead length is twice the outer diameter of the shaft, the mass effect ΔM is the same as the outer diameter of the shaft as shown in the equation (3). The lead length is ¼ of the ball screw shaft 24a which is substantially equal.

したがって、質量効果の低減を抑えながら100%に近い変換効率を得ることができるのは、軸外径とリード長とが略等しいボールネジ軸24aである。
なお、軸外径(正確には軸の横断面積)は、ボールネジ軸に作用する軸方向の力(=ΔM×相対加速度)で決定するが、大きな軸力の負担を要する場合ほどリード長を長くできるので、その変換効率を向上させることができる。
Therefore, it is the ball screw shaft 24a that has a shaft outer diameter and a lead length substantially equal to each other that can achieve conversion efficiency close to 100% while suppressing a reduction in mass effect.
The outer diameter of the shaft (more precisely, the cross-sectional area of the shaft) is determined by the axial force acting on the ball screw shaft (= ΔM × relative acceleration). The longer the load of the larger axial force is required, the longer the lead length is. Therefore, the conversion efficiency can be improved.

[防振ゴムの仕様検討]
次に、防振ゴム31の仕様について、図9から図14を用いて説明する。
ここでは、上記構成を有する免震装置100において、防振ゴム31の振動吸収域が免震性能に及ぼす影響を以下のように検討した。
[Examination of anti-vibration rubber specifications]
Next, the specifications of the anti-vibration rubber 31 will be described with reference to FIGS.
Here, in the seismic isolation device 100 having the above configuration, the influence of the vibration absorption region of the vibration isolating rubber 31 on the seismic isolation performance was examined as follows.

(1)振動台試験
本実施形態に係る免震装置100を免震架台に直接装着した場合における振動台試験の結果を図9および図10に示す。図9は振動台加速度波の周波数分析結果であり、図10は免震架台加速度波の周波数分析結果である。
(1) Shaking table test FIGS. 9 and 10 show the results of the shaking table test when the seismic isolation device 100 according to the present embodiment is directly attached to the base isolation frame. FIG. 9 shows the frequency analysis result of the shaking table acceleration wave, and FIG. 10 shows the frequency analysis result of the seismic isolation frame acceleration wave.

図9に示されるように、振動台加速度は約5Hzの振動成分が卓越している。これに対し、免震架台加速度については、図10に示されるように、5Hz成分は半分程度に低減するものの、10Hz以上の振動成分が増幅しているのが分かる。これは、ボールネジ軸24のリード長を軸外径と略等しくして、直線運動から回転運動への変換効率を100%に近づけても、10Hzを超える高い振動成分に対しては、その変換が瞬時にできないことを示している。   As shown in FIG. 9, the vibration table acceleration has an excellent vibration component of about 5 Hz. On the other hand, regarding the base isolation frame acceleration, as shown in FIG. 10, although the 5 Hz component is reduced to about half, it can be seen that the vibration component of 10 Hz or more is amplified. This is because even if the lead length of the ball screw shaft 24 is substantially equal to the outer diameter of the shaft and the conversion efficiency from linear motion to rotational motion is close to 100%, the conversion is not performed for high vibration components exceeding 10 Hz. Indicates that it cannot be done instantly.

(2)検討モデル
振動台試験の結果から、本実施形態の免震装置100を装着することで、10Hz以上の高周波成分が免震架台に伝達されることが確認されたことから、図11の解析モデルを用いて高周波成分を除去するための防振ゴム選定を行った。
(2) Study model From the results of the shaking table test, it was confirmed that high-frequency components of 10 Hz or more were transmitted to the seismic isolation frame by installing the seismic isolation device 100 of this embodiment. Anti-vibration rubber was selected to remove high-frequency components using an analytical model.

(3)検討方法
図11に示すモデルにおいて防振ゴム31のばね定数を変化させて、5Hz、7.5Hz、10Hz、15Hzの正弦波(最大加速度=100Gal)を入力した場合の応答解析を行い、防振ゴム31のばね定数と応答加速度の関係を求めた。また、その際のモデル諸元を図12に示す。
(3) Study Method Response analysis is performed when a sine wave (maximum acceleration = 100 Gal) of 5 Hz, 7.5 Hz, 10 Hz, and 15 Hz is input by changing the spring constant of the anti-vibration rubber 31 in the model shown in FIG. Then, the relationship between the spring constant of the anti-vibration rubber 31 and the response acceleration was obtained. In addition, model specifications at that time are shown in FIG.

(4)解析結果
防振ゴム31のばね定数と加速度応答倍率の関係を図13および図14に示す。ここで、図13は正弦波入力後、応答が定常状態になった時の結果であり、図14は過渡状態の結果を含む最大値の結果である。
図13および図14に示されるように、防振ゴム31による振動低減効果が確認できるが、防振ゴム31により10Hz以上の成分を半分以下にするものとすると、防振ゴム31のばね定数Kとしては1500kg/cm以下が必要になる。また、歩行性を確保する場合、体重70kgの人による変形を0.2cm以下に抑えるものとすると、防振ゴム31のばね定数Kとしては350kg/cm以上が必要になる。
(4) Analysis Results FIG. 13 and FIG. 14 show the relationship between the spring constant of the vibration-proof rubber 31 and the acceleration response magnification. Here, FIG. 13 shows the result when the response becomes a steady state after the sine wave input, and FIG. 14 shows the result of the maximum value including the result of the transient state.
As shown in FIG. 13 and FIG. 14, the vibration reduction effect by the vibration isolating rubber 31 can be confirmed. If the vibration isolating rubber 31 reduces the component of 10 Hz or more to half or less, the spring constant K of the vibration isolating rubber 31 is as follows. Is required to be 1500 kg / cm or less. Further, in order to secure walking ability, if the deformation by a person having a weight of 70 kg is suppressed to 0.2 cm or less, the spring constant K of the vibration-proof rubber 31 needs to be 350 kg / cm or more.

このばね定数Kと免震対象体1の質量Mより決定する振動数fを下式より算出する。

Figure 2011007323
The frequency f determined from the spring constant K and the mass M of the seismic isolation object 1 is calculated from the following equation.
Figure 2011007323

ここで、M=3000/980=3.06kgs/cmとなるため、振動数は以下のように算出される。
K=350kg/cmの場合、f≒1.5Hz
K=1500kg/cmの場合、f≒3.5Hz
したがって、免震対象体1が、1.5Hz〜3.5Hzの範囲で振動するようなばね定数を有する防振ゴム31を選定すれば、10Hz以上の振動成分を除去できることが分かる。すなわち、免震対象体1が床である場合の床面の歩行性を確保しながら、防振ゴム31により、運動変換機構22により免震対象体1の上下動を円盤21の回転運動に変換することが困難な短周期の微振動を吸収することができることが分かる。
Here, since M = 3000/980 = 3.06 kgs 2 / cm, the frequency is calculated as follows.
When K = 350kg / cm, f ≒ 1.5Hz
In the case of K = 1500 kg / cm, f≈3.5 Hz
Therefore, it can be seen that if the vibration-isolating rubber 31 having a spring constant such that the seismic isolation object 1 vibrates in the range of 1.5 Hz to 3.5 Hz is selected, a vibration component of 10 Hz or more can be removed. That is, the vertical motion of the seismic isolation object 1 is converted into the rotational motion of the disk 21 by the motion conversion mechanism 22 by the vibration isolating rubber 31 while ensuring the walking ability of the floor surface when the seismic isolation object 1 is a floor. It can be seen that short-period microvibrations that are difficult to do can be absorbed.

[粘弾性体の仕様検討]
次に、防振ゴム31に換えて用いる粘弾性体の仕様について、図15から図18を用いて説明する。
[Examination of viscoelastic body specifications]
Next, the specification of the viscoelastic body used in place of the vibration-proof rubber 31 will be described with reference to FIGS.

(1)検討モデル
図15の解析モデルを用いて10Hz以上の高周波成分を除去するための粘弾性体選定を行った。図16にモデル諸元を示すが、図12のモデル諸元で防振ゴムを粘弾性体に変更したものである。粘弾性体は、温度20℃で使用するものとし、下式で定義する損失係数ηdがほぼ1.0となる材料を用いるものとした。

Figure 2011007323
(1) Study model The viscoelastic body selection for removing the high frequency component of 10 Hz or more was performed using the analysis model of FIG. FIG. 16 shows model specifications. The model specifications shown in FIG. 12 are obtained by replacing the vibration-proof rubber with a viscoelastic body. The viscoelastic body was used at a temperature of 20 ° C., and a material having a loss coefficient ηd defined by the following formula of approximately 1.0 was used.
Figure 2011007323

ここでCは粘弾性体の減衰係数、Kは粘弾性体のばね定数、ωは加振円振動数を表している。   Here, C represents a damping coefficient of the viscoelastic body, K represents a spring constant of the viscoelastic body, and ω represents an excitation circular frequency.

(2)検討方法
図15に示すモデルにおいて粘弾性体のばね定数を変化させて、5Hz、7.5Hz、10Hz、15Hzの正弦波(最大加速度=100Gal)を入力した場合の応答解析を行い、粘弾性体のばね定数と応答加速度の関係を求めた。
(2) Examination method In the model shown in FIG. 15, the spring constant of the viscoelastic body is changed, and a response analysis is performed when a sine wave of 5 Hz, 7.5 Hz, 10 Hz, 15 Hz (maximum acceleration = 100 Gal) is input, The relationship between the spring constant of the viscoelastic body and the response acceleration was obtained.

(3)解析結果
粘弾性体のばね定数と加速度応答倍率の関係を図17および図18に示す。ここで図17は正弦波入力後、応答が定常状態になった時の結果であり、図18は過渡状態の結果を含む最大値の結果である。
図17および図18に示されるように、粘弾性体による振動低減効果が確認できるが、粘弾性体により10Hz以上の成分を半分以下にするものとすると、粘弾性体のばね定数Kとしては、防振ゴムの場合と同様1500kg/cm以下が必要になる。また歩行性を確保する場合、体重70kgの人による変形を0.2cm以下に抑えるものとすると、粘弾性体のばね定数Kとしては350kg/cm以上が必要になる。
(3) Analysis Results FIGS. 17 and 18 show the relationship between the spring constant of the viscoelastic body and the acceleration response magnification. Here, FIG. 17 shows the result when the response is in a steady state after the sine wave is input, and FIG. 18 shows the result of the maximum value including the result of the transient state.
As shown in FIG. 17 and FIG. 18, the vibration reduction effect by the viscoelastic body can be confirmed, but if the viscoelastic body halves the component of 10 Hz or more, as the spring constant K of the viscoelastic body, As in the case of the anti-vibration rubber, 1500 kg / cm or less is required. Further, in order to secure walking ability, if the deformation by a person with a weight of 70 kg is suppressed to 0.2 cm or less, the spring constant K of the viscoelastic body needs to be 350 kg / cm or more.

このばね定数Kと免震対象体1の質量Mより決定する振動数は、防振ゴムの場合と同じになることから、免震対象体1に対し、1.5Hz〜3.5Hzの範囲で振動するばね定数の粘弾性体を選定すれば、10Hz以上の振動成分を除去できることが分かる。   Since the frequency determined from the spring constant K and the mass M of the seismic isolation object 1 is the same as that of the anti-vibration rubber, it is 1.5 Hz to 3.5 Hz with respect to the seismic isolation object 1. It can be seen that vibration components of 10 Hz or more can be removed if a viscoelastic body having a vibrating spring constant is selected.

以上説明してきたように、本実施形態に係る免震装置100によれば、円盤21の回転慣性質量を免震対象体1の質量の0.3倍以下に制限することで、運動変換機構22から免震対象体1に伝達される短周期成分の慣性力を抑制可能になる。また質量体の回転慣性質量を免震対象体1の0.05倍以上にすることで、免震対象体1の鉛直方向の振動を長周期化することができ、免震対象体1が支持構造物2の振動に追従してしまうことを防止して、免震対象体1に伝達される鉛直方向の振動を低減することができる。   As described above, according to the seismic isolation device 100 according to the present embodiment, the motion conversion mechanism 22 is limited by limiting the rotational inertial mass of the disk 21 to 0.3 times or less the mass of the seismic isolation object 1. Thus, it is possible to suppress the inertial force of the short period component transmitted to the seismic isolation object 1 from Further, by making the rotational inertial mass of the mass body 0.05 times or more that of the seismic isolation object 1, the vertical vibration of the seismic isolation object 1 can be lengthened, and the seismic isolation object 1 is supported. By following the vibration of the structure 2, it is possible to reduce the vertical vibration transmitted to the seismic isolation object 1.

この場合において、より好ましくは円盤21の回転慣性質量を免震対象体1の質量の0.2倍とすることにより、免震対象体1の加速度を小さくすることができるので、免震対象体1を効果的に免震することができる。   In this case, more preferably, the acceleration of the seismic isolation object 1 can be reduced by setting the rotational inertial mass of the disk 21 to 0.2 times the mass of the seismic isolation object 1. 1 can be effectively isolated.

また、運動変換機構22をボールネジ軸24とボールネジナット23との組合せとし、ボールネジ軸24のリード角を10度以上30度以下、より好ましくは、ボールネジ軸24のリード長が直径と略等しくなる17度程度とすることで、ボールネジナット23の上下運動をボールネジ軸24の回転運動に効率的に変換するとともに、円盤21の回転慣性質量の低下を抑制して効果的な免震を行うことができる。   Further, the motion converting mechanism 22 is a combination of a ball screw shaft 24 and a ball screw nut 23, and the lead angle of the ball screw shaft 24 is 10 degrees or more and 30 degrees or less, more preferably, the lead length of the ball screw shaft 24 is substantially equal to the diameter. By setting the degree to about 50 degrees, the vertical motion of the ball screw nut 23 can be efficiently converted into the rotational motion of the ball screw shaft 24, and the reduction of the rotational inertial mass of the disk 21 can be suppressed and effective seismic isolation can be performed. .

また、ブレーキ機構40により円盤21の回転を制動することによって、免震対象体1の振動減衰効果を得ることができる。これにより、円盤21の回転慣性質量が小さい場合にも、免震対象体1の鉛直方向の振動を効果的に低減することができる。
また、ブレーキ機構40により円盤21の回転を制動することによって、免震対象体1の上下運動を抑制することができ、免震対象体1が床である場合に床面の歩行性を向上させることができる。
Moreover, the vibration damping effect of the seismic isolation object 1 can be obtained by braking the rotation of the disk 21 by the brake mechanism 40. Thereby, even when the rotational inertial mass of the disk 21 is small, the vibration in the vertical direction of the seismic isolation object 1 can be effectively reduced.
In addition, by braking the rotation of the disk 21 by the brake mechanism 40, the vertical motion of the seismic isolation object 1 can be suppressed, and when the seismic isolation object 1 is a floor, the walking performance of the floor surface is improved. be able to.

また、免震対象体1の鉛直方向の振動数が1.5Hz以上3.5Hz以下となるような防振ゴムや粘弾性体を免震対象体1と質量付加機構20との間に備えることで、運動変換機構22により円盤21の回転運動に変換することが難しい高周波振動(例えば10Hz以上の振動)が発生した場合にも、その振動を吸収して、免震対象体1を免震することができると共に、免震対象体1が床である場合の床面の歩行性を確保することができる。   Further, a vibration isolating rubber or a viscoelastic body having a vertical frequency of 1.5 to 3.5 Hz is provided between the seismic isolation object 1 and the mass addition mechanism 20. Thus, when high-frequency vibration (for example, vibration of 10 Hz or more) that is difficult to be converted into the rotational motion of the disk 21 by the motion conversion mechanism 22 is generated, the vibration is absorbed and the base isolation object 1 is isolated. In addition, the walking ability of the floor surface when the seismic isolation object 1 is a floor can be ensured.

また、スプライン機構30により、免震対象体1を鉛直方向に移動自在に保持するとともに、水平方向の動きを拘束することで、水平方向の荷重に弱い防振ゴム31、運動変換機構22、および空気ばね13に対して、水平方向の荷重が加わることを防止することができる。   In addition, the spline mechanism 30 holds the seismic isolation object 1 so as to be movable in the vertical direction, and restrains the movement in the horizontal direction, so that the anti-vibration rubber 31 that is weak against the load in the horizontal direction, the motion conversion mechanism 22, and It is possible to prevent a horizontal load from being applied to the air spring 13.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本実施形態では、免震対象体1に対して免震装置を1つ設けた例を説明したが、免震対象体1に対して免震装置を複数設けることとしてもよい。その場合には、各免震装置における円盤21の合計回転慣性質量を免震対象体1の質量の0.05倍以上0.3倍以下とすればよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail with reference to drawings, the specific structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, in this embodiment, although the example which provided one seismic isolation apparatus with respect to the seismic isolation object 1 was demonstrated, it is good also as providing multiple seismic isolation apparatuses with respect to the seismic isolation object 1. In that case, what is necessary is just to make the total rotational inertia mass of the disk 21 in each seismic isolation device 0.05 times or more and 0.3 times or less of the mass of the seismic isolation object 1.

また、本実施形態では、運動変換機構22により回転させる質量体が円盤21であるとして説明したが、回転慣性モーメントを発生させて免震対象体1の鉛直方向の運動に関与する慣性質量を増加させることができればよく、回転させる質量体を棒状あるいは板状のものとしてもよい。   In the present embodiment, the mass body rotated by the motion conversion mechanism 22 is described as the disk 21. However, the inertial mass involved in the vertical motion of the seismic isolation object 1 is increased by generating a rotational inertia moment. The mass body to be rotated may be rod-shaped or plate-shaped.

また、本実施形態では、免震対象体1は空気ばね13により支持されていることとして説明したが、復元力を有し、免震対象体1を支持可能なものであればよく、例えばゴムやコイルばねを用いても良い。   In the present embodiment, the seismic isolation object 1 has been described as being supported by the air spring 13. However, any object having a restoring force and capable of supporting the seismic isolation object 1 may be used. For example, rubber Alternatively, a coil spring may be used.

1 免震対象体
2 支持構造物
13 空気ばね
20 質量付加機構
21 円盤
22 運動変換機構
23 ボールネジナット
24 ボールネジ軸
30 スプライン機構
31 防振ゴム
40 ブレーキ機構
100 免震装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Seismic isolation object 2 Support structure 13 Air spring 20 Mass addition mechanism 21 Disk 22 Motion conversion mechanism 23 Ball screw nut 24 Ball screw shaft 30 Spline mechanism 31 Anti-vibration rubber 40 Brake mechanism 100 Seismic isolation device

Claims (6)

免震対象体を支持するとともに該免震対象体に伝達される鉛直方向の振動を低減する免震装置であって、
水平面内にて回転可能とされた質量体と、
前記免震対象体に作用する鉛直方向の運動を前記質量体の回転運動に変換する運動変換機構とを備え、
前記質量体の回転慣性質量が、前記免震対象体の質量の0.05倍以上0.3倍以下とされた免震装置。
A seismic isolation device that supports a seismic isolation object and reduces vertical vibration transmitted to the seismic isolation object,
A mass body that is rotatable in a horizontal plane;
A motion conversion mechanism for converting a vertical motion acting on the seismic isolation object into a rotational motion of the mass body;
A seismic isolation device in which the rotational inertial mass of the mass body is 0.05 to 0.3 times the mass of the seismic isolation object.
前記運動変換機構が、ボールネジ軸とボールネジナットとの組合せであって、前記ボールネジ軸と前記ボールネジナットのうち一方が前記免震対象体に設けられ、他方が前記質量体に設けられている請求項1に記載の免震装置。   The motion conversion mechanism is a combination of a ball screw shaft and a ball screw nut, and one of the ball screw shaft and the ball screw nut is provided in the seismic isolation object, and the other is provided in the mass body. 1. The seismic isolation device according to 1. 前記ボールネジ軸のリード角が、10度以上30度以下とされている請求項2に記載の免震装置。   The seismic isolation device according to claim 2, wherein a lead angle of the ball screw shaft is 10 degrees or more and 30 degrees or less. 前記質量体の回転を制動する制動機構を備える請求項1から請求項3のいずれかに記載の免震装置。   The seismic isolation device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a braking mechanism that brakes rotation of the mass body. 前記免震対象体の鉛直方向の振動数が1.5Hz以上3.5Hz以下となるような防振ゴムや粘弾性体を前記免震対象体と前記運動変換機構との間に備える請求項1から請求項4のいずれかに記載の免震装置。   The anti-vibration rubber | gum and viscoelastic body in which the frequency of the vertical direction of the said seismic isolation object becomes 1.5 Hz or more and 3.5 Hz or less are provided between the said seismic isolation object and the said motion conversion mechanism. The seismic isolation device according to claim 4. 前記免震対象体を、鉛直方向に移動自在に保持するとともに、水平方向の動きを拘束する上下動ガイドを備える請求項1から請求項5のいずれかに記載の免震装置。
The seismic isolation device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a vertical movement guide that holds the seismic isolation object movably in a vertical direction and restrains a movement in a horizontal direction.
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