JP2013210004A - 変位依存型可変減衰ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な応答低減効果を達成する変位依存型可変減衰ダンパを提供する。
【解決手段】粘性流体が充填された流体室（１１１）を有するシリンダ（１１）と、シリンダ（１１）の流体室（１１１）を第１の流体室（１１１ａ）と第２の流体室（１１１ｂ）とに仕切ると共に流体室（１１１）内で軸方向に移動可能のピストン（１２）と、第１の流体室（１１１ａ）と第２の流体室（１１１ｂ）とを連絡すると共に粘性流体に対する抵抗要素（１１３ａ、１１４ａ、１２１ｃ、１２２ｃ）を有する連絡通路（１１３、１１４、１２１、１２２）と、ピストン（１２）を流体室（Ｍ１）の中立点（Ｍ１）へ向けて付勢する剛性要素（１５）を有し、抵抗要素（１１３ａ、１１４ａ、１２１ｃ、１２２ｃ）と剛性要素（１５）とは変位に依存した可変粘性減衰を規定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築構造物の耐震補強に用いる変位依存型可変減衰ダンパに関する。

建築構造物は、地震や大風などの外乱によって大きな被害を受ける可能性を有する。これらの外乱による振動エネルギーを吸収・消費するために、様々な制振ダンパが開発されている。特に、パッシブ型のダンパ（例えば、オイルダンパ、粘弾性ダンパ、鋼材ダンパなど）は豊富な種類や性能を有し、既に多くの実建築構造物に適用されている。一方で、アクティブ制御、あるいはセミアクティブ制御などのコンピュータ制御を伴うことで、性能を高めるダンパの研究・開発がなされているものの、その実用例は比較的少ない。

特開２００３−２２７２４３号公報

しかし、パッシブダンパはコンピュータ制御を必要としないが、ダンパが発揮できる性能を外乱に応じて任意に変更することは容易ではない。一方、アクティブ制御あるいはセミアクティブ制御を組み入れたダンパは、履歴特性や抵抗力をある程度任意に発生させるので、外乱の特性（大きさや周波数特性など）に応じた制御効果を発生することができる。ただし、アクティブ制御は、地震のように瞬間的に大きな作用力が発生する場合の機械的対応に困難である。また、セミアクティブ制御の必要な制御力は小さく、瞬間的な作用力の発生は問題を有しない。しかし、セミアクティブ制御は、コンピュータ制御を伴うため、コンピュータのメンテナンスを必要とする。

そこで、本発明の目的は、効率的な応答低減効果を達成する変位依存型可変減衰ダンパを提供することにある。

以下、符号を付して本発明の特徴を説明する。なお、符号は参照のためであり、本発明を実施形態に限定するものでない。

本発明の特徴に係わる変位依存型可変減衰ダンパ（１０）は、粘性流体が充填された流体室（１１１）を有するシリンダ（１１）と、シリンダ（１１）の流体室（１１１）を第１の流体室（１１１ａ）と第２の流体室（１１１ｂ）とに仕切ると共に流体室（１１１）内で軸方向に移動可能のピストン（１２）と、第１の流体室（１１１ａ）と第２の流体室（１１１ｂ）とを連絡すると共に粘性流体に対する抵抗要素（１１３ａ、１１４ａ、１２１ｃ、１２２ｃ）を有する連絡通路（１１３、１１４、１２１、１２２）と、ピストン（１２）を流体室（Ｍ１）の中立点（Ｍ１）へ向けて付勢する剛性要素（１５）を有し、抵抗要素（１１３ａ、１１４ａ、１２１ｃ、１２２ｃ）と剛性要素（１５）とは変位に依存した可変粘性減衰を規定する。

以上の特徴において、シリンダ（１１）は第１の流体室（１１１ａ）および第２の流体室（１１１ｂ）の内壁の少なくとも一方に規定されると共に軸方向に延びる溝（１１５、１１６）を有し、連絡通路（１１３、１１４、１２１、１２２）は、ピストン（１２）に規定されると共に並列に配置され、溝（１１５、１１６）と連絡するための複数の分岐通路（１２１ｂ、１２２ｂ）を有する。

同ダンパ（１０）は、ピストン（１２）に固定されたピストンロッド（１４）と、シリンダ（１１）に固定された筒体（１３）とを有し、ピストンロッド（１４）はシリンダ（１１）を貫通すると共に筒体（１３）の中へ突出し、剛性要素（１５）は、筒体（１３）内のピストンロッド（１４）と筒体（１３）とに取り付けられた。

本発明の変位依存型可変減衰ダンパは、機械的に作用し、外乱の特性に関係なくエネルギーを吸収するので、効率的な応答低減効果を達成する。

第１の実施形態に係る変位依存型可変減衰ダンパを備えた橋上駅を示す概要図である。 図１に示す変位依存型可変減衰ダンパを示す概要図である。 図２に示す変位依存型可変減衰ダンパの動作を示す概要図である。 図２に示すスプリング群の作用を説明する図である。 図２に示す変位依存型可変減衰ダンパの作用を説明する図である。 図２に示す変位依存型可変減衰ダンパの作用原理の説明図である。 図２に示す変位依存型可変減衰ダンパを備えた高架駅の上家を示す概要図である。

以下、図面を参照して実施の形態を詳細に説明する。

第１の実施形態
図１に示すように、橋上駅１００は、鉛直方向に延びる柱１０１、１０１と、柱１０１、１０１同士を連結する梁１０２、１０２と、列車Ｔ１が停車するホーム１０３と、柱１０１、１０１と梁１０２とに連結した変位依存型可変減衰ダンパ１０、１０を有する。

図２に示すように、各変位依存型可変減衰ダンパ１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１内に配置されたピストン１２と、シリンダ１１から軸方向に延びる筒体１３と、ピストン１２に固定されたピストンロッド１４と、ピストンロッド１４と筒体１３とに取り付けられた剛性要素としてのスプリング群１５と、ピストンロッド１４に固定されたブッシュ１６と、筒体１３の端に固定されたブッシュ１７と、ピストンロッド１４に付与したマークを有する。

シリンダ１１は、粘性流体としてのオイルが充填される。シリンダ１１は、ピストン１２が配置された流体室としてのオイル室１１１を規定する。オイル室１１１は、ピストン１２によって第１の流体室としての第１のオイル室１１１ａと第２の流体室としての第２のオイル室１１１ｂとに仕切られる。

シリンダ１１は、第１のオイル室１１１ａと第２のオイル室１１１ｂとを連絡する第１の連絡通路１１３および第２の連絡通路１１４を有する。第１の連絡通路１１３は、流入口の近くにオリフィス１１３ａを有し、流出口の近くに一方向弁１１３ｂを有する。一方向弁１１３ｂは、第２のオイル室１１１ｂから第１のオイル室１１１ａへのオイルの流動を許容し、第１のオイル室１１１ａから第２のオイル室１１１ｂへのオイルの流動を阻止する。

第２の連絡通路１１４は流入口の近くにオリフィス１１４ａを有し、流出口の近くに一方向弁１１４ｂを有する。一方向弁１１４ｂは、第１のオイル室１１１ａから第２のオイル室１１１ｂへのオイルの流動を許容し、第２のオイル室１１１ｂから第１のオイル室１１１ａへのオイルの流動を阻止する。

ピストン１２の変位速度が小さく、第１の連絡通路１１３、第２の連絡通路１１４を通過するオイルの流量が小さい場合、オリフィス１１３ａ、１１４ａは、小流量のオイルの通過を許容する。ピストン１２の変位速度が大きく、第１の連絡通路１１３、第２の連絡通路１１４を通過するオイルの流量が大きい場合、オリフィス１１３ａ、１１４ａは抵抗要素として機能する。

シリンダ１１は、第１のオイル室１１１ａ側の内壁に規定され、軸方向へ延びる第１の溝１１５を有する。シリンダ１１は、第２のオイル室１１１ｂ側の内壁に規定され、軸方向へ延びる第２の溝１１６を有する。

ピストン１２は、シリンダ１１の内壁に接し、摺動可能である。ピストン１２は、第１のオイル室１１１ａと第２の溝１１６とを連絡する第３の連絡通路１２１と、第２のオイル室１１１ｂと第１の溝１１５とを連絡する第４の連絡通路１２２を有する。第３の連絡通路１２１は、一方向弁１２１ａを有し、これは、第２の溝１１６から第１のオイル室１１１ａへのオイルの流動を許容し、第１のオイル室１１１ａから第２の溝１１６へのオイルの流動を阻止する。第３の連絡通路１２１は、軸方向に並列に配置された複数の分岐通路１２１ｂを有する。分岐通路１２１ｂのそれぞれは、オリフィス１２１ｃを有する。第４の連絡通路１２２は、一方向弁１２２ａを有し、これは、第１の溝１１５から第２のオイル室１１１ｂへのオイルの流動を許容し、第２のオイル室１１１ｂから第１の溝１１５へのオイルの流動を阻止する。第４の連絡通路１２２は、軸方向に並列に配置された複数の分岐通路１２２ｂを有する。分岐通路１２２ｂのそれぞれは、オリフィス１２２ｃを有する。

中空の筒体１３は、シリンダ１１から軸方向へ延び、ピストンロッド１４の先端部分を収容するピストンロッド収容室１３１を規定する。ピストンロッド１４はシリンダ１１を貫通すると共に筒体１３のピストンロッド収容室１３１の中へ突出する。

マーク１８は、例えば、「上」のような文字、符号、しるし、標章、図案である。マーク１８は、シリンダ１１に対するピストン１２を回転方向に位置決めするために用いられる。すなわち、シリンダ１１の所定の位置にマーク１８を位置合わせすることにより、シリンダ１１の第１の溝１１５、第２の溝１１６およびピストン１２の分岐通路１２１ｂ、１２２ｂの位置は互いに一致し、連絡する。

スプリング群１５は、ピストンロッド１４に長手に沿って配置される。スプリング群１５は、互いに直列に連結された第１のスプリング１５ａおよび第２のスプリング１５ｂと、第１のスプリング１５ａおよび第２のスプリング１５ｂの間に介在するブラケット１５ｃを有する。第１のスプリング１５ａは筒体１３の内壁とブラケット１５ｃに固定される。第２のスプリング１５ｂはシリンダ１１の外壁とブラケット１５ｃに固定される。ブラケット１５ｃはピストンロッド１４の先端に固定される。

第１のスプリング１５ａおよび第２のスプリング１５ｂは、例えば、同じバネ定数を有する。図４において、第１のスプリング１５ａは、ピストン１２が同ダンパ１０の最大伸長位置（第２図中右側）にあるとき伸縮のない中立状態に設定される一方、ピストン１２が同ダンパ１０の最大短縮位置（第２図中左側）にあるとき最大圧縮状態に設定する。第２のスプリング１５ｂは、ピストン１２が同ダンパ１０の最大伸長位置にあるとき最大圧縮状態に設定される一方、ピストン１２が同ダンパ１０の最大短縮位置にあるとき伸縮のない中立状態に設定される。第１および第２のスプリング１５ａ、１５ｂは、ピストン１２がシリンダ１１内で中立位置Ｍ１にあるとき、同じ長さ分圧縮された状態にあり、ピストンロッド１４に加わるそれぞれの力は相殺される。すなわち、第１のスプリング１５ａは、第１の流体室１１１ａから第２の流体室１１１ｂへピストン１２を付勢し、第２のスプリング１５ｂは、第２の流体室１１１ｂから第１の流体室１１１ａへピストン１２を付勢し、第１のスプリング１５ａおよび第２のスプリング１５ｂは組み合わされて流体室１１１の中立点Ｍ１にピストン１２を付勢する。この結果、スプリング群１５は、オイル室１１１の中立点Ｍ１へピストン１２を付勢する合成スプリングとなる。

なお、スプリング群１５は第１のオイル室１１１ａ、または、第２のオイル室１１１ｂに配置されてもよい。スプリング群１５はピストンロッド室１３１内でピストンロッド１４とシリンダ１１とに取り付けられる他、第１のオイル室１１１ａ、または、第２のオイル室１１１ｂ内で、まだ、ピストン１２とシリンダ１１、又は、ピストンロッド１４とシリンダ１１に取り付けてもよい。また、スプリング群１５は、シリンダ１１の外側でブッシュ１６と、シリンダ１１の外壁、筒体１３の外壁、又はブッシュ１７とに取り付けてもよい。また、スプリング群１５の代わりに単独で剛性要素を有する機構を用いてもよい。

次に、変位依存型可変減衰ダンパ１０の作用を説明する。

図５はピストン１２の変位と同ダンパ１０の抵抗力との履歴特性Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を示す。同ダンパ１０は、中立点Ｍ１でオリフィスの流量を調整する機構によって変位に依存して粘性減衰係数を可変とするオイルダンパと剛性要素とを組み合わせたものである。ピストン１２が中立点Ｍ１に戻る方向へ移動する場合、同ダンパ１０は、通常のオイルダンパと同様に挙動する。一方、ピストン１２が中立点Ｍ１から離れる方向へ移動する場合、同ダンパ１０は、可変減衰による負剛性を持つ挙動となる。

詳細には、図２において、ピストン１２が短縮側または伸長側の最大変位点から中立点Ｍ１へ向けて戻る場合、同ダンパ１０は、通常のオイルダンパと同様に挙動する。ピストン１２が中立点Ｍ１から短縮側または伸長側へ向けて移動する場合、ピストン１２に対する抵抗力は、負剛性を持つ挙動となる。すなわち、図５に示す変位−抵抗力の履歴特性Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、図６（Ａ）に示すオイルダンパの履歴特性に図６（Ｂ）の剛性要素としてのバネの履歴特性を重ね合わせた図６（Ｃ）に示す履歴特性である。

次に、変位依存型可変減衰ダンパ１０の使用方法を説明する。

図１に示す橋上駅１００が、例えば、地震によって揺れた場合、同ダンパ１０、１０は伸縮して、橋上駅１００の柱１０１、１０１および梁１０２の振動を減衰させる。

図２において、ダンパ１０が柱１０１および梁１０２の間で中立状態から短縮される場合、ピストン１２はピストンロッド１４によってオイル室１１１で中立点Ｍ１から図の左方向へ移動しようとする。

このとき、第１のオイル室１１１ａのオイルは、ピストン１２の圧力によって第２の連絡通路１１４を通って第２のオイル室１１１ｂへ流入し、ピストン１２の移動を許容する。また、第４の連絡通路１２２は、分岐回路１２２ｂオリフィス１２２ｃを経由して第１の溝１１５から第２のオイル室１１１ｂへのオイルの移動を許容する。さらに、ピストン１２が左方向へ移動するにつれて、連絡する分岐回路１２２ｂの数が増加するので、オイルの流量は増加し、ピストン１２に対する抵抗力を小さくする。

一方、図３に示すように、ピストン１２はオイル室１１１内で図の左方向へ移動するにつれて、スプリング群１５の第１のスプリング１５ａは圧縮する一方第２のスプリング１５ｂは伸長し、スプリング群１５の弾性力による抵抗力は大きくなる。その結果、第２の連絡通路１１４のオリフィス１１４ａ、第４の連絡通路１２２のオリフィス１２２ｃ、および、スプリング群１５による抵抗力は変位に依存した可変粘性減衰による挙動を示す（図５に示すグラフの第３象限を参照）。

次に、図３に示す同ダンパ１０が短縮状態から伸長される場合、ピストン１２は中立点Ｍ１へ向けて右方向へ移動する。

第２のオイル室１１１ｂのオイルは第１の連絡通路１１３を通って第１のオイル室へ流入する。第２の連絡通路１１４の一方向弁１１４ｂは第２のオイル室１１１ｂから第１のオイル室１１１ａへのオイルの流通を止める。第３の連絡通路１２１の全ての分岐通路１２１ｂはオイル室１１１の内壁によって閉じている。また、第４の連絡通路１２２のオイルの流通は一方向弁１２２ａによって止められている。よって、同ダンパ１０の粘性減衰係数は、第１の連絡通路１１３のオリフィス１１３ａおよびスプリング群１５によって設定される。

次に、図２において、同ダンパ１０が中立状態から伸長される場合、ピストン１２はピストンロッド１４によってオイル室１１１で中立地点Ｍ１から右方向へ移動しようとする。

このとき、第２のオイル室１１１ｂのオイルは、ピストン１２によって第１の連絡通路１１３を通って第１のオイル室１１１ａへ流入し、ピストン１２の移動を許容する。また、第３の連絡通路１２１は、分岐回路１２１ｂオリフィス１２１ｃを経由して第２の溝１１６から第１のオイル室１１１ａへのオイルの移動を許容する。さらに、ピストン１２が右方向へ移動するにつれて、連絡する分岐回路１２１ｂの数が増加するので、オイルの流量は増加し、ピストン１２に対する抵抗力を小さくする。一方、ピストン１２がオイル室１１１で右方向へ移動するにつれて、スプリング群１５の第１のスプリング１５ａは伸長する一方第２のスプリング１５ｂは圧縮し、スプリング群１５の弾性力による抵抗力は大きくなる。その結果、第１の連絡通路１１３のオリフィス１１３ａ、第３の連絡通路１２１のオリフィス１２１ｃおよびスプリング群１５による抵抗力は負剛性を持つ挙動となる（図５に示すグラフの第１象限を参照）。

以上の実施形態によれば、変位依存型可変減衰ダンパ１０は、機械的に作用し、外乱の特性に関係なくエネルギー吸収を行うことができるので、効率的な応答低減効果を達成する。また、第1、３象限では、ダンパの軸力を制限するようにできるので、ダンパが取り付けられた柱や梁への荷重を抑制することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、また、各実施形態は発明の趣旨を変更しない範囲で変更、修正可能である。図７に示すように、変位依存型可変減衰ダンパ１０は、高架駅２０１の上家２０２に適用してもよい。また、変位依存型可変減衰ダンパ１０は、駅構造物以外の一般の建築建造物にも適用してもよい。

１０ 変位依存型可変減衰ダンパ
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 筒体
１４ ピストンロッド
１５ スプリング群
１５ａ 第１のスプリング
１５ｂ 第２のスプリング
１１１ オイル室
１１３ 第１の連絡通路
１１３ａ オリフィス
１１３ｂ 一方向弁
１１４ 第２の連絡通路
１１４ａ オリフィス
１１４ｂ 一方向弁
１１５ 第１の溝
１１６ 第２の溝
１２１ 第３の連絡通路
１２１ａ 一方向弁
１２１ｂ 分岐通路
１２１ｃ オリフィス
１２２ 第４の連絡通路
１２２ａ 一方向弁
１２２ｂ 分岐通路
１２２ｃ オリフィス

Claims (3)

1. 粘性流体が充填された流体室を有するシリンダと、
   シリンダの流体室を第１の流体室と第２の流体室とに仕切ると共に流体室内で軸方向に移動可能のピストンと、
   第１の流体室と第２の流体室とを連絡すると共に粘性流体に対する抵抗要素を有する連絡通路と、
   ピストンを流体室の中立点へ向けて付勢する剛性要素を有し、
   抵抗要素と剛性要素とは変位に依存した可変粘性減衰を規定する、
   変位依存型可変減衰ダンパ。
2. 前記シリンダは第１の流体室および第２の流体室の内壁の少なくとも一方に規定されると共に軸方向に延びる溝を有し、
   前記連絡通路は、ピストンに規定されると共に並列に配置され、前記溝と連絡するための複数の分岐通路を有する、
   請求項１に記載の変位依存型可変減衰ダンパ。
3. ピストンに固定されたピストンロッドと、シリンダに固定された筒体とを有し、
   ピストンロッドはシリンダを貫通すると共に筒体の中へ突出し、
   前記剛性要素は、筒体内のピストンロッドと筒体とに取り付けられた、
   請求項１又は請求項２に記載の変位依存型可変減衰ダンパ。

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