JP2015169317A - 振動低減装置及び免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた振動低減性能を発揮して建物に作用した振動エネルギーを吸収しつつ効率的且つ確実に変位を抑制することが可能な振動低減装置及びこれを備えた免震構造物を提供する。
【解決手段】相対振動する二部材の間の相対振動を低減させるための振動低減装置Ａであって、一端１ａを一方の部材に接続して配設されるシリンダー１と、シリンダー１の内部を第１隔室３と第２隔室４に区画するピストン５と、ピストン５に一端２ｂを接続してシリンダー１の軸線Ｏ１方向外側に延設され、他端２ａを他方の部材に接続して配設されるピストンロッド２とを備え、且つ、第１隔室３と第２隔室４を連通させる連結管６と、連結管６に設けられたオリフィス７とを備え、第１隔室３と第２隔室４と連結管６とに作動流体Ｓを充填して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば建物に作用した振動エネルギーを吸収して変位を抑える振動低減装置及びこれを備えた免震構造物に関する。

例えば中高層建物が巨大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。

これに対し、従来から、例えばオフィスビルなどの中・高層建物は、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設し、地震時に、上部構造体の固有周期を例えば地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるように構築されている（例えば、特許文献１参照）。

また、建物の柱と梁で囲まれた架構面内などに種々の制振装置（制振ダンパー、エネルギー吸収機構）を設置することにより地震時や強風時の建物の応答を低減させる対策が多用されている（例えば、特許文献２参照）。

そして、このような免震装置や制振装置としてオイルダンパーが多用されている。オイルダンパーは、例えば、シリンダーの内部にピストンを設け、シリンダーの内部を一方の室と他方の室に区画し、ピストンロッドがその一端をピストンに接続しシリンダーと同軸上に設けられるとともにシリンダーの軸線方向一端から外部に延設されている。また、このようなオイルダンパーは、シリンダーの一方の室と他方の室にそれぞれ作動油が充填され、ピストンロッドの他端と、シリンダーの他端に設けられたクレビスなどを、適宜建物の架構に直接的に、又はブレース等を介して間接的に接続して設置される。

特開２００９−９７２４３号公報 特開２０１２−１２２２２８号公報

ここで、従来の免震建物では、建物の自重を支持しつつ大きな水平変位に対応できる免震装置が用いられており、設計上で想定した以上の地震動が入力されると免震層に過大な水平変位が生じ、免震装置が損傷したり、上部構造体と下部構造体同士が衝突したりするおそれがある。特に、２０００年の建築基準法改正前に建設された免震建物においては、長周期地震動の影響が考慮されていないため、設計時に想定した免震層変位が小さく、免震クリアランス（免震層の上下に位置する構造体同士の隙間）が不足する可能性がある。

一方、免震層の変位を抑制する手段としては、免震層の水平剛性を増加したり、減衰を増大したりする方法がある。しかしながら、この方法を採用した場合、設計で想定されている通常の地震においても加速度が増大してしまい、免震性能が不足するという問題がある。

また、所定の変位を超えた場合のみに反力が生じる剛性部材（ゴム等のクッション材）を免震層の上下に位置する構造体同士の隙間に設置し、過大な変位が生じる場合のフェールセーフ機構とする方法も提案されている。しかしながら、この方法を採用した場合においても、剛性部材が圧縮に対してのみ効果を発揮するものであるため、設置数が多く必要になるという問題がある。

このようなことから、より合理的な免震層の過大変位を抑制可能な機構が強く望まれていた。さらに、免震に対してだけでなく、より合理的に変位を抑制可能な制振装置も求められている。

上記事情に鑑み、本発明は、優れた振動低減性能を発揮して建物に作用した振動エネルギーを吸収しつつ効率的且つ確実に変位を抑制することが可能な振動低減装置及びこれを備えた免震構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の振動低減装置は、相対振動する二部材の間の相対振動を低減させるための振動低減装置であって、一端を一方の部材に接続して配設されるシリンダーと、前記シリンダーの内部を第１隔室と第２隔室に区画するピストンと、前記ピストンに一端を接続して前記シリンダーの軸線方向外側に延設され、他端を他方の部材に接続して配設されるピストンロッドとを備え、且つ、前記第１隔室と前記第２隔室を連通させる連結管と、前記連結管に設けられたオリフィスとを備え、前記第１隔室と前記第２隔室と前記連結管とに作動流体を充填して構成されていることを特徴とする。

また、本発明の振動低減装置においては、前記ピストンが、前記第１隔室と前記第２隔室を連通させる連通路を設け、且つ前記連通路にリリーフ弁を設けて構成されていることが望ましい。

さらに、本発明の振動低減装置においては、前記ピストンが前記シリンダーに対して予め設定した所定量で変位するとともに、前記連結管と前記第１隔室または前記第２隔室に連通する連結孔を前記ピストンが閉塞させ、前記連結管への作動流体の流通が停止するように構成されていることがより望ましい。

本発明の免震構造物は、上記のいずれかの振動低減装置を、免震層に備えることを特徴とする。

本発明の振動低減装置においては、連結管にオリフィスを備えていることで、ピストンの変位、すなわち振動低減装置の作用荷重に対する変位量を自在に調節することができる。これにより、予め作用荷重と変位量の関係をオリフィスによって所望の状態に調節した振動低減装置を積層ゴムなどの免震装置とともに免震層に設置することで、設計時に想定する通常の地震よりも大きな地震が発生した際に、振動低減装置によって免震層に過大な変位が生じることを確実且つ効果的に抑止することができる。

よって、本発明の振動低減装置においては、免震層に設置した場合に、設計時に想定する通常の地震時に免震装置の免震性能を十分に発揮させることができ、大きな地震が発生した際に免震層に過大な変位が生じることを防止でき、合理的な免震層の過大変位抑制機構を実現することが可能になる。

また、本発明の振動低減装置においては、通常の減衰としてのオイルダンパーと同じように機能するものであるため、免震層に設置する際に別途過大変位抑制機構を設けるためのスペースを用意する必要がない。

また、本発明の振動低減装置においては、免震層のクリアランス（層厚）に対するピストンと連結管の連結孔（連結部）の距離ａの比率を５０〜７５％程度に設定すると、通常地震時での免震性能を損なわず、大地震時における免震層の過大変位をより確実且つ効果的に抑制することが可能になる。

さらに、圧縮にも引張りにも効くので、ゴムなどのクッション材のように圧縮のみに効くものと比較すると、吸収する振動エネルギーの量が大きく、設置数が少なくても免震層の応答変位を効果的に抑制することが可能になる。

また、静的な剛性をもたないので、地震後には振動低減装置の軸力（ダンパー軸力）や変位をゼロにすることができる。さらに、構成が複雑でないため、過大変位抑制機能としての信頼性が高い装置を実現しつつ、安価に製造することができる。

また、本発明の振動低減装置においては、ピストンに、第１隔室と第２隔室を連通させる連通路を設け、且つこの連通路にリリーフ弁を設けるようにすると、リリーフ弁が作動するリリーフ荷重で振動低減装置の軸力を頭打ちにすることができる。これにより、リリーフ荷重を予め設定することができ、リリーフ荷重を超える過大な荷重が作用して振動低減装置が損傷することを防止できる。

さらに、本発明の振動低減装置においては、ピストンが予め設定した所定量で変位するとともに、連結管と第１隔室または第２隔室に連通する連結孔（連結部）をピストンにより閉塞させて連結管への作動流体の流通を停止させるように構成すると、免震層の変位ｘが｜ｘ｜≦ａ（ａ：ピストンと連結管の連結孔（連結部）の距離）となる設計時に想定内の地震が発生した際には、一般的なオイルダンパーと同じように機能して振動エネルギーを吸収するとともに、オリフィスによって減衰を付与し変位を抑制することができ、且つ免震装置の免震性能を十分に発揮させることができる。

一方、免震層の変位ｘが｜ｘ｜＞ａとなる地震が発生した際には、連結管がピストンによって塞がり、バイパス管として機能しなくなるため、作動流体がリリーフ弁を通過せざるを得なくなり、振動低減装置の軸力をリリーフ荷重まで早期に増加させることができる。これにより、想定外の大地震が発生した場合であっても、リリーフ弁を作動させて振動低減装置が損傷することを確実に防止できる。また、ピストンに小さなオリフィスを設けると、大地震後にはこのオリフィスに作動流体がゆっくり通過することで隔室間の圧力差が解消され、残留変位が生じない。

また、本発明の免震構造物においては、上記の振動低減装置を、免震層に備えていることにより、上記の振動低減装置による作用効果を得ることができ、優れた免震性能を備えた信頼性の高い免震構造物を実現することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る振動低減装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動低減装置の変位ｘが−ａ〜ａの範囲における荷重と変位の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動低減装置の変位ｘが｜ｘ｜＞ａとなった状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る振動低減装置の変位ｘが｜ｘ｜＞ａとなる場合の荷重と変位の関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る免震構造物を示す図である。

以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係る振動低減装置及びこれを備えた免震構造物について説明する。

本実施形態の振動低減装置Ａは、例えば、建物本体と免震ピット１１の間など、建物（免震構造物Ｂ）の上部構造体と下部構造体の間（相対振動する二部材の間）に免震装置（積層ゴムなど）１２を設置して形成される免震層１３に、一端１ａを上部構造体（一方の部材）に、他端２ａを下部構造体（他方の部材）にそれぞれ直接的及び／又は間接的に接続して設置されて、地震時に振動エネルギーを吸収し免震層１３の過大な変位を抑制するために使用される（図１、図５参照）。

そして、本実施形態の振動低減装置Ａは、図１に示すように、一端１ａをクレビス等を介して一方の部材に接続して配設されるシリンダー１と、シリンダー１の内部を第１隔室３と第２隔室４に区画するピストン５と、ピストン５に一端２ｂを接続してシリンダー１の軸線Ｏ１方向外側に延設され、他端２ａを他方の部材に接続して配設されるピストンロッド２とを備えて構成されている。

さらに、振動低減装置Ａは、シリンダー１の第１隔室３と第２隔室４を連通させる連結管６と、連結管６に設けられたオリフィス７とを備え、第１隔室３と第２隔室４と連結管６とに作動油（作動流体）Ｓを充填して構成されている。また、静止位置（地震前の基準位置）におけるピストン５の端部と連結管６の各連結孔（連結部）１０との軸線Ｏ１方向の距離が、いずれも距離ａとなるように構成されている。

また、振動低減装置Ａは、ピストン５が、第１隔室３と第２隔室４を連通させる連通路８を設け、且つ連通路８にリリーフ弁９を設けて構成されている。

さらに、振動低減装置Ａは、図３に示すように、ピストン５がシリンダー１に対して予め設定した所定量（−ａ〜ａ）を超えて変位すると、連結管６と第１隔室３または第２隔室４に連通する連結孔（連結部）１０をピストン５が閉塞させ、連結管６への作動油Ｓの流通が停止するように構成されている。

そして、上記構成からなる本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、図１及び図２に示すように、地震が発生して二部材が相対変位するとともに振動低減装置Ａに荷重が作用した状態で、振動低減装置Ａの変位ｘが±ａ以内の場合、作動油が第１隔室３と第２隔室４の間にあるオリフィス７を通過する。そして、このようにオリフィス７を作動油が通過するとき、本実施形態の振動低減装置Ａは、一般的なオイルダンパーと同じ減衰係数Ｃをもつ速度比例型の減衰装置として機能する。

また、振動低減装置Ａに生じる速度が大きい場合には、ピストン５に設けられたリリーフ弁９が作動するため、過大な軸力が発生しない。

一方、図３及び図４に示すように、地震が発生して二部材が相対変位するとともに振動低減装置Ａに荷重が作用した状態で、振動低減装置Ａの変位ｘが±ａを超える場合、シリンダー１に設けられた連結管６の連結孔１０がピストン５で塞がる。これにより、作動油Ｓがピストン５に設けられたリリーフ弁９を通過せざるを得なくなり、リリーフ荷重で振動低減装置Ａの軸力が摩擦ダンパーのように頭打ちされ、変位ｘの増加を抑制することができる。

したがって、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、連結管６にオリフィス７、ピストン５にリリーフ弁９を備えていることで、ピストン５の変位ｘ、すなわち振動低減装置Ａの作用荷重に対する過大な変位を抑制することができる。

これにより、本実施形態のように、予め作用荷重と変位量の関係をオリフィス７、リリーフ弁９によって所望の状態に調節した振動低減装置Ａを積層ゴムなどの免震装置とともに免震層に設置することで、設計時に想定する通常の地震よりも大きな地震が発生した際に、この振動低減装置Ａによって免震層に過大な変位が生じることを確実且つ効果的に抑止することができる。

よって、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、免震層に設置した場合に、設計時に想定する通常の地震時に免震装置の免震性能を十分に発揮させることができ、大きな地震が発生した際に免震層に過大な変位が生じることを防止でき、合理的な免震層の過大変位抑制機構を実現することが可能になる。

また、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、通常のオイルダンパーと同様に減衰機能も有するため、免震層に設置する際に普通の減衰装置に加えて別途過大変位抑制機構を設けるためのスペースを用意する必要がない。

また、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、免震層のクリアランス（層厚）に対するピストン５と連結管６の連結孔（連結部）１０の距離ａの比率を５０〜７５％程度に設定すると、通常地震時での免震性能を損なわず、大地震時における免震層の過大変位をより確実且つ効果的に抑制することが可能になる。

さらに、圧縮にも引張りにも効くので、ゴムなどのクッション材のように圧縮のみに効くものと比較すると、吸収する振動エネルギーの量が大きく、設置数が少なくても免震層の応答変位を効果的に抑制することが可能になる。

また、静的な剛性をもたないので、地震後には振動低減装置Ａの軸力（ダンパー軸力）や変位をゼロにすることができる。さらに、構成が複雑でないため、過大変位抑制機能としての信頼性が高い装置を実現しつつ、安価に製造することができる。

また、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、ピストン５に、第１隔室３と第２隔室４を連通させる連通路８を設け、且つこの連通路８にリリーフ弁９を設けるようにすると、リリーフ弁９が作動するリリーフ荷重で振動低減装置Ａの軸力を頭打ちにすることができる。これにより、リリーフ荷重を予め設定することができ、リリーフ荷重を超える過大な荷重が作用して振動低減装置Ａが損傷することを防止できる。

さらに、本実施形態の振動低減装置Ａにおいては、ピストン５が予め設定した所定量で変位するとともに、連結管６と第１隔室３または第２隔室４に連通する連結孔１０をピストン５が閉塞させ、連結管６への作動油Ｓの流通を停止させる。
トン５が閉塞させ、連結管６への作動油Ｓの流通を停止させる。

これにより、免震層の変位ｘが｜ｘ｜≦ａ（ａ：ピストン５と連結管６の連結孔１０の距離）となる設計時に想定内の地震が発生した際には、一般的なオイルダンパーと同じように機能して振動エネルギーを吸収するとともに、オリフィス７によって減衰を付与し変位を抑制することができ、且つ免震装置の免震性能を十分に発揮させることができる。

一方、免震層の変位ｘが｜ｘ｜＞ａとなる地震が発生した際には、連結管６がピストン５によって塞がり、バイパス管として機能しなくなるため、作動油Ｓがリリーフ弁９を通過せざるを得なくなり、振動低減装置Ａの軸力をリリーフ荷重まで早期に（好適に）増加させることができる。これにより、想定外の大地震が発生した場合であっても、リリーフ弁９を作動させて振動低減装置Ａが損傷することを確実に防止できる。
なお、小さなオリフィス７ａをピストン５に設けておくと、大地震後に入力がなくなった場合でもオリフィス７ａに作動油Ｓがゆっくり通過することで第１隔室３と第２隔室４の間の圧力差が解消され、残留変位が生じない。

また、本実施形態においては、上記の振動低減装置Ａを備えていることにより、上記の振動低減装置Ａによる作用効果を得ることができる。すなわち、想定内の地震に対しては一般的なオイルダンパーを備えた免震構造物となり、想定外の大地震に対しては振動低減装置Ａの軸力がリリーフ荷重まで増加することで摩擦ダンパーを付加したのと同様になり免震層変位を抑制することができる。このように、想定内地震での加速度を小さくしつつ想定外地震での免震層変位を抑制するという、優れた免震性能を備えた信頼性の高い建物（免震構造物）を実現することが可能になる。

以上、本発明に係る振動低減装置及びこれを備えた免震構造物の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施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、本実施形態では、振動低減装置Ａが建物の免震層に設置され、免震層の過大な変位を抑制するために使用されるものとして説明したが、本発明に係る振動低減装置は、必ずしも免震層に設置して使用することに限定されるものではなく、従来の制振装置としてのオイルダンパーのように建物に設置して使用しても勿論構わない。
また、本実施形態の免震構造物Ｂでは、図５に示すように振動低減装置Ａを建物底部と免震ピット１１の間に設置したが、建物壁部と免震ピット１１の側壁上端部との間でもよい。また、いわゆる中間階免震構造物の場合、免震層を挟んだ上部構造物と下部構造物の間に設置すればよい。すなわち、振動低減装置を設置する場所については、通常の免震構造物において免震装置や減衰装置が設置される場所であればよい。

また、連結管６に、オリフィス７と並列に新たなリリーフ弁を設けるようにしてもよい。この場合には、新たに設けたリリーフ弁のリリーフ荷重をピストン５のリリーフ弁９のリリーフ荷重より小さくすることで、変位ｘが｜ｘ｜≦ａ時のリリーフ荷重を｜ｘ｜＞ａ時のリリーフ荷重より小さく設定することが可能になる。

また、本発明に係る作動流体は、作動油に限定しなくてもよく、あらゆる液体、気体を用いることができる。

１ シリンダー
１ａ 一端
２ ピストンロッド
２ａ 他端
２ｂ 一端
３ 第１隔室
４ 第２隔室
５ ピストン
６ 連結管
７ オリフィス
７ａ オリフィス
８ 連通路
９ リリーフ弁
１０ 連結孔（連結部）
１１ 免震ピット
１２ 免震装置
１３ 免震層
Ａ 振動低減措置
Ｂ 免震構造物
Ｏ１ 軸線
Ｓ 作動油

Claims (4)

1. 相対振動する二部材の間の相対振動を低減させるための振動低減装置であって、
   一端を一方の部材に接続して配設されるシリンダーと、前記シリンダーの内部を第１隔室と第２隔室に区画するピストンと、前記ピストンに一端を接続して前記シリンダーの軸線方向外側に延設され、他端を他方の部材に接続して配設されるピストンロッドとを備え、
   且つ、前記第１隔室と前記第２隔室を連通させる連結管と、前記連結管に設けられたオリフィスとを備え、
   前記第１隔室と前記第２隔室と前記連結管とに作動流体を充填して構成されていることを特徴とする振動低減装置。
2. 請求項１記載の振動低減装置において、
   前記ピストンが、前記第１隔室と前記第２隔室を連通させる連通路を設け、且つ前記連通路にリリーフ弁を設けて構成されていることを特徴とする振動低減装置。
3. 請求項２記載の振動低減装置において、
   前記ピストンが前記シリンダーに対して予め設定した所定量で変位するとともに、前記連結管と前記第１隔室または前記第２隔室に連通する連結孔を前記ピストンが閉塞させ、前記連結管への作動流体の流通が停止するように構成されていることを特徴とする振動低減装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の振動低減装置を、免震層に備えることを特徴とする免震構造物。

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