JP2011236632A - 制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】建物全体としての制震効率を向上させることができるうえ、ダンパー数量を少なくすることで、コストの低減が図れ、維持管理が容易になる。
【解決手段】側面視で建物２の対角方向に交差させた状態でワイヤ３が張設され、ワイヤ３の両下端３ａ、３ａが建物基部２ａに固定され、ワイヤ３の上端どうしが建物頂部２ｂに支持された滑車６に巻き掛けられるとともに建物２に固定された回転慣性質量ダンパー４を介して連結されてなり、ワイヤ３の交差部Ｔには、対角二方向に延びるそれぞれのワイヤ３ｂ、３ｃを摺動可能に挿通させるとともに、挿通孔の内側に減衰機構を有する減衰スリーブ５を設ける構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物に設けられて、建物の地震時等における振動応答を低減させることによりその耐震安全性を向上させる制震構造に関する。

従来、制震構造として、建物内の互いに相対変位する２つの構造部材間にダンパーを設け、地震等の際には、これら構造部材間の変位差を利用してダンパーに仕事をさせることによって、建物の振動エネルギーを吸収させるようにする形式のものが最も一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、構造物を構成する梁（第１構造部材）と柱（第２構造部材）との間に配置され、梁と柱との相対変形を拡大する棒状部材によって変形を拡大し、棒状部材の端部に取り付けた制震体に伝達し、構造物の振動を制御する制震装置について提案されている。

ところで、建物に用いられるダンパーとして、ボールねじ機構による回転慣性質量ダンパーが知られている。回転慣性質量ダンパーは、錘質量より桁違いに大きな慣性質量を付与でき、ダンパーの相対加速度に比例した反力が得られる特徴をもっている。そして、回転慣性質量ダンパーを建物の制震に用いる場合には、層間変形をダンパーの軸方向の変位に伝達する方法が一般的となっている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−４４３７０号公報 特開平１１−２００６６２号公報

しかしながら、従来の制震構造では、以下のような問題があった。
すなわち、建物の層間変形をダンパーの軸方向の変位に伝達する方法は、一層分の変形量が建物全体に比較して小さく、また設置用のブレースや冶具などの変形やガタ等によって変形量にロスが生じること等により、制震効率が低下するといった問題があり、その点で改良の余地があった。
しかも、各層毎にダンパーを設置する必要があり、ダンパーの設置数が増え、コストが高くなるうえ、維持管理が容易ではないという欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、建物全体としての制震効率を向上させることができる制震構造を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、ダンパー数量を少なくすることで、コストの低減が図れ、維持管理が容易になる制震構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る制震構造では、建物の振動を建物全体で低減させるための制震構造であって、側面視で建物の対角方向に交差させた状態でワイヤが張設され、ワイヤの両下端が建物基部に固定され、ワイヤの上端どうしが建物頂部に支持された回転軸に巻き掛けられるとともに建物に固定された制振ダンパーを介して連結されてなり、ワイヤの交差部には、対角二方向に延びるそれぞれのワイヤを摺動可能に挿通させるとともに、挿通孔の内側に減衰機構を有する減衰スリーブを設けた構成とされることを特徴としている。

本発明では、建物基部と建物頂部に支持され対角方向に配置されるワイヤに建物全体に作用するブレースの機能をもたせることができる。そして、地震により建物が水平振動し、建物基部と建物頂部との間に相対変位が生じると、この相対変位に応じてワイヤにも変形力が作用する。このときブレース機能を有するワイヤ自体には元の状態に戻ろうとする力が作用するため、建物とワイヤとの間に相対変位が生じることになる。つまり、建物とワイヤとが相対的に移動することで、その変位量に応じて建物とワイヤとの間に介在された制振ダンパーにより双方が制動される減衰作用が働くことから、建物全体の振動エネルギーが吸収されることになる。
また、建物とワイヤとの相対変位に伴い、ワイヤの交差部に設けられる減衰スリーブの位置も変化し、減衰スリーブに対してワイヤが摺動することになる。このとき減衰スリーブの内側の減衰機構により減衰力が作用することとなり、建物の振動エネルギーの吸収力をより一層高めることができる。

そして、建物全体の減衰機構をワイヤに設けられる制振ダンパーと減衰スリーブのみとすることができ、従来のように層毎にダンパーを設ける必要がないので、維持管理がし易くなる。
また、本発明の制震構造では、ワイヤ、制振ダンパー、および減衰スリーブを建物の外壁に設置することが可能となるので、建物の内部空間に対する制限や影響がないといった利点がある。
さらに、本制震構造では、建物全体の大きな変形を利用する構造であるので、従来のような層間ダンパーでは効果が得られ難かった比較的低層の建物であっても効果的に適用することができる。

また、本発明に係る制震構造では、制振ダンパーは、ワイヤの上端を軸方向両端部に固定させたねじ軸と、ねじ軸に回転可能に螺合するボールナットと、ボールナットの外周に一体的に設けられた回転錘と、ねじ軸を軸方向に進退可能におよび回転錘とともにボールナットを回転可能に収容する外筒とを備え、ねじ軸の軸方向を水平方向に向けた状態で外筒を建物頂部に固定させている回転慣性質量ダンパーであることが好ましい。

この場合、建物の水平振動時において、ワイヤの変位とともにねじ軸が軸方向に変位し、このねじ軸の直線運動がねじ軸に螺合するボールナットの回転運動に変換され、ボールナットに一体的に設けられた回転錘も回転し、この回転トルクを再度ねじ軸によって軸方向力に変換することで、相対加速度に比例した反力を得ることができ、慣性質量が付与されるので、建物の振動エネルギーを吸収することができる。

また、本発明に係る制震構造では、制振ダンパーは、回転軸に円盤状の回転錘を同軸に設けた構成であることがより好ましい。

この場合、回転錘が回転軸に同軸に設けられ、ワイヤの変位によって回転する回転軸の回転が回転錘に直接伝達されるので、摩擦等による減衰効率の低下がなくなる利点がある。
また、回転錘の挙動を目視することが可能であり、回転錘の動きを視覚的に確認できることにより、建物内の人に制震建物としての安心感をもたせることができる。

また、本発明に係る制震構造では、回転軸は歯車であり、歯車に噛合するラック部材がワイヤに設けられていることが好ましい。

本発明では、ラック部材が歯車に噛合してワイヤが歯車に対して滑ってずれないため、ワイヤの変位量に応じて歯車が回転し、歯車とともに回転錘も回転することになる。

本発明の制震構造によれば、建物基部から建物頂部までの相対変位をワイヤに設けられる制振ダンパーと減衰スリーブによって効率的に減衰させることができ、建物に生じる振動エネルギーが吸収されるので、建物全体としての制震効率を向上させることができる。
また、減衰機構を制振ダンパーと減衰スリーブに集約できるため、ダンパーの数量を少なくすることができ、これによりコストの低減が図れ、維持管理が容易になる効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態による制震構造の側面図である。 図１に示す回転慣性質量ダンパーの詳細構造を示す側断面図である。 地震時における減衰状態を示す側面図であって、図１に対応する図である。 本発明の第２の実施の形態による制震構造の側面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態による制震構造について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本第１の実施の形態による制震構造１は、建物２の一側面である外壁に沿って設けられ、建物２の振動を建物全体で低減させるためのものである。
ここで、建物２において、地面Ｇに接地する側の下端部分を建物基部２ａとし、建物の頂部の上端部分を建物頂部２ｂとして、以下説明する。また、建物基部２ａおよび建物頂部２ｂとは、その近傍を含めた位置をいう。

図１に示すように、制震構造１は、側面視で建物２の対角方向に交差させた状態でワイヤ３が張設され、ワイヤ３の両下端３ａ、３ａが建物基部２ａに固定され、ワイヤ３の上端どうしが建物頂部２ｂに支持された滑車６（回転軸）に巻き掛けられるとともに建物２に固定された回転慣性質量ダンパー４（制振ダンパー）を介して連結されてなり、ワイヤ３の交差部Ｔには、対角二方向に延びるそれぞれのワイヤ３ｂ、３ｃを摺動可能に挿通させるとともに、挿通孔の内側に減衰機構（図示省略）を有する減衰スリーブ５を設けて概略構成されている。

ワイヤ３は、同一の長さ寸法からなる一対のワイヤ３Ａ、３Ｂからなる。各ワイヤ３Ａ、３Ｂは、上述したように、それぞれ下端３ａが建物基部２ａの両角部に適宜な固定手段により固定され、対角方向で建物頂部２ｂへ向けて張設され、両角部に回転可能に支持された滑車６に巻き掛けられている。そして、滑車６に巻き掛けられた端部３ｄが後述する回転慣性質量ダンパー４のねじ軸４１の端部４１ａ、４１ｂ（図２参照）に固定されている。
また、一対のワイヤ３Ａ、３Ｂは、それぞれがＸ型の減衰スリーブ５に挿通された状態で交差部Ｔを形成している。

ここで、減衰スリーブ５は、粘性体、粘弾性体、或いは摩擦等の特性を内部に備えた減衰機構を有し、内部に一対のワイヤ３Ａ、３Ｂを摺動自在に挿通支持するものである。すなわち、一対のワイヤ３Ａ、３Ｂは、減衰スリーブ５によって互いに連結された状態で交差部Ｔを形成している。

図２に示すように、回転慣性質量ダンパー４は、ボールねじ機構によるダンパーが採用されており、軸方向（作用方向）を略水平方向に向けて建物頂部２ｂの横方向中央に固定されている。
具体的に回転慣性質量ダンパー４は、ねじ軸４１と、このねじ軸４１に回転可能に螺合するボールナット４２と、ボールナット４２の外周に一体的に設けられた回転錘４３と、ねじ軸４１を軸方向に進退可能におよび回転錘４３とともにボールナット４２を回転可能に収容する外筒４４とを備え、その外筒４４が建物頂部２ｂに固定された構成となっている。

ねじ軸４１は、外周面にねじ４１ａが形成され、軸方向の一端４１ｂ（図２で紙面右側）に一方のワイヤ３Ａが固定され、他端４１ｃ（図２で紙面左側）には他方のワイヤ３Ｂが固定されている。
また、回転慣性質量ダンパー４は、滑車６とねじ軸４１との間に位置するワイヤ３Ａ、３Ｂの向きが水平方向となる位置で建物２に対して固定されている。
このように構成される回転慣性質量ダンパー４は、ねじ軸４１が軸方向に変位することで、ボールナット４２と一体化された回転錘４３が回転し、この回転トルクを再度ねじ軸４１によって軸方向力に変換することで、相対加速度に比例した反力を得る構造となっている。

以上が、本第１の実施の形態における主要な構成であるが、次に、地震時における制振構造１の作用について図面に基づいて詳細に説明する。

図３に示すように、制振構造１においては、建物基部２ａと建物頂部２ｂに支持され対角方向に配置されるワイヤ３に建物全体に作用するブレースの機能をもたせることができる。
そして、地震により建物が水平振動し、建物基部２ａと建物頂部２ｂとの間に相対変位が生じると、この相対変位に応じてワイヤ３にも変形力が作用する。このときブレース機能を有するワイヤ自体には元の状態に戻ろうとする力が作用するため、建物２とワイヤ３との間に相対変位が生じることになる。つまり、建物２とワイヤ３とが相対的に移動することで、その変位量に応じて建物２とワイヤ３との間に介在された回転慣性質量ダンパー４の回転錘４３が回転し、この回転とともに慣性質量が付与され、双方が制動される減衰作用が働くことから、建物全体の振動エネルギーが吸収されることになる。

さらに、図２および図３に示すように、回転慣性質量ダンパー４がボールねじ機構による構成であるので、建物２の水平振動時において、ワイヤ３の変位とともにねじ軸４１が軸方向Ｘに変位し、このねじ軸４１の直線運動がねじ軸４１に螺合するボールナット４２の回転運動に変換され、ボールナット４２に一体的に設けられた回転錘４３も回転し、この回転トルクを再度ねじ軸４１によって軸方向力に変換することで、相対加速度に比例した反力を得ることができ、慣性質量が付与されるので、建物２の振動エネルギーを吸収することができる。

また、建物２とワイヤ３との相対変位に伴い、ワイヤ３の交差部Ｔに設けられる減衰スリーブ５の位置も変化し、減衰スリーブ５に対してワイヤ３が摺動することになる。このとき減衰スリーブ５の内側の減衰機構（図示省略）により減衰力が作用することとなり、建物２の振動エネルギーの吸収力をより一層高めることができる。

上述のように本第１の実施の形態による制震構造では、建物基部２ａから建物頂部２ｂまでの相対変位をワイヤ３に設けられる回転慣性質量ダンパー４と減衰スリーブ５によって効率的に減衰させることができ、建物２に生じる振動エネルギーが吸収されるので、建物全体としての制震効率を向上させることができる。
また、減衰機構を回転慣性質量ダンパー４と減衰スリーブ５に集約できるため、ダンパーの数量を少なくすることができ、これによりコストの低減が図れ、維持管理が容易になる効果を奏する。

次に、本発明の制震構造による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

図４に示すように、第２の実施の形態による制震構造１０は、上述した第１の実施の形態のボールねじ機構による回転慣性質量ダンパー４（図１参照）に代えて、円盤状の回転錘７１を備えた回転慣性質量ダンパー７（制振ダンパー）を建物頂部２ｂの両角部に支持された歯車８（回転軸）に同軸に設けた構成となっている。
ここで、減衰スリーブ５、この減衰スリーブ５とワイヤ３との取り合い等の構成は、上述した第１の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

回転慣性質量ダンパー７は、１本のワイヤ３によって巻き掛けられ、外周に歯が形成されている一対の歯車８、８のそれぞれの回転軸に円盤状の回転錘７１を同軸に設けた構成となっている。
なお、歯車８に巻き掛けられるワイヤ３の所定長さの範囲には、とくに図示しないが歯車８の歯部に噛合する樹脂製のラック部材を固定させておくことで、ワイヤ３が歯車８に対して滑ってずれないように構成されている。つまり、ワイヤ３の変位量に応じて歯車８が回転し、歯車８とともに回転錘７１も回転するようになっている。

本第２の実施の形態における制震構造１０では、回転慣性質量ダンパー７の回転錘７１が歯車８に同軸に設けられ、ワイヤ３の変位によって回転する歯車８の回転が回転錘７１に直接伝達され、上述した第１の実施の形態によるボールねじ機構による回転慣性質量ダンパー４（図１参照）のようにボールねじ機構による運動の変換機構が不要となるので、摩擦等による減衰効率の低下がなくなる利点がある。
また、回転錘７１の挙動を目視することが可能であり、回転錘７１の動きを視覚的に確認できることにより、建物２内の人に制震建物としての安心感をもたせることができる。

以上、本発明による制震構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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、本第１の実施の形態では回転慣性質量ダンパー４を建物頂部２ｂの横方向中央に設けているが、このような位置に限定されることはなく、ワイヤ３の一部に設けられていれば良い。
また、本実施の形態では制振ダンパーとして回転慣性質量ダンパーを採用しているが、鋼材ダンパー、オイルダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー等の制振ダンパーを用いても良い。
また、本実施の形態による制震構造１、１０は、建物２の一側面の外壁のみを記載しているが、例えば建物の四方面のそれぞれに対して設けるようにしても勿論かまわない。

さらに、ワイヤ３の径寸法、ワイヤ３の建物基部２ａにおける固定位置、滑車６および歯車８の固定位置、回転錘４３、７１の大きさ、質量などの構成は、建物２の大きさ、形状などの条件に応じて適宜設定することができる。

１、１０ 制震構造
２ 建物
２ａ 建物基部
２ｂ 建物頂部
３ ワイヤ
４、７ 回転慣性質量ダンパー（制振ダンパー）
５ 減衰スリーブ
６ 滑車（回転軸）
８ 歯車（回転軸）
４１ ねじ軸
４２ ボールナット
４３、７１ 回転錘
Ｔ 交差部

Claims (4)

1. 建物の振動を建物全体で低減させるための制震構造であって、
   側面視で建物の対角方向に交差させた状態でワイヤが張設され、該ワイヤの両下端が建物基部に固定され、前記ワイヤの上端どうしが建物頂部に支持された回転軸に巻き掛けられるとともに建物に固定された制振ダンパーを介して連結されてなり、
   前記ワイヤの交差部には、対角二方向に延びるそれぞれの前記ワイヤを摺動可能に挿通させるとともに、挿通孔の内側に減衰機構を有する減衰スリーブを設けた構成とされることを特徴とする制震構造。
2. 前記制振ダンパーは、前記ワイヤの上端を軸方向両端部に固定させたねじ軸と、該ねじ軸に回転可能に螺合するボールナットと、該ボールナットの外周に一体的に設けられた回転錘と、前記ねじ軸を軸方向に進退可能におよび前記回転錘とともに前記ボールナットを回転可能に収容する外筒とを備え、前記ねじ軸の軸方向を水平方向に向けた状態で前記外筒を前記建物頂部に固定させている回転慣性質量ダンパーであることを特徴とする請求項１に記載の制震構造。
3. 前記制振ダンパーは、前記回転軸に円盤状の回転錘を同軸に設けた構成であることを特徴とする請求項１に記載の制震構造。
4. 前記回転軸は歯車であり、該歯車に噛合するラック部材が前記ワイヤに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の制震構造。
   

Images