JP3849624B2 - 制振型免震建物に用いるための振動減衰装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、免震装置で免震化された事務所ビル、集合住宅又は戸建住宅等の上部構造物の風等による微小振動を効果的に減衰させて強風時の制振効果を得るようにした制振型免震建物に用いるための振動減衰装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、地震を対象にした免震建物は、建物の基部を地震による振動に対して免震作動するアイソレータと振動を減衰させるダンパーとからなる免震装置により基礎上に支承されている。斯かる免震建物では、元来、地震の他に小変位の交通振動や風による揺れについては考慮されないのが普通であり、例えば、ロック機構により所定の水平荷重を越える地震が作用するまでは免震装置を不作動にし、それより大きな水平荷重が発生すると、ロック機構を解除して免震装置を作動させるようにしたものが一般的である。
【0003】
ところで、都市に建設される高層建物では、地震の他に小変位の交通振動や風の揺れを減衰させて居住性を改良することが要求されるようになっているが、単に、ロック機構を省いて、小変位の交通振動や風による揺れをも免震装置のダンパーにより減衰させようとしても、斯かる免震装置に用いられるダンパーの多くは弾塑性ダンパー(例えば、特許文献1参照)又は摩擦ダンパー(例えば、特許文献2参照)であって、これらは、その特性上、小変位における振動エネルギの吸収効率が低いために、交通振動や風による揺れを効果的に早期に減衰させることが困難である。
【0004】
【特許文献1】
特公平6−86776号公報
【特許文献2】
特開平11−324401号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、地震による振動に対して免震作動するアイソレータと振動を減衰させる弾塑性系又は摩擦系の振動減衰装置とを具備した免震装置を介して上部構造物を下部構造物上で支承してなる免震建物に用いて好適であって、風等による微小振動をも効果的に早期に減衰できて強風時の制振効果を免震建物に与えることができる振動減衰装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
地震による振動に対して免震作動するアイソレータと振動を減衰させる弾塑性系又は摩擦系の振動減衰装置とを具備した免震装置を介して上部構造物を下部構造物上で支承してなる免震建物に用いるための本発明の第一の態様の粘性系の振動減衰装置は、上部構造物及び下部構造物のうちの一方に固着されるようになっており、上部構造物及び下部構造物のうちの他方に粘性抵抗力により連結されるようになっている粘性ダンパーと、下部構造物に対して上部構造物が相対的に所定の水平変位を越えると、該粘性抵抗力による連結を解除する解除機構とを具備しており、上部構造物に対する振動減衰に関して、所定の水平変位を越えない小さな振動に対しては粘性抵抗力による連結を維持して免震装置と共に粘性ダンパーを作動させ、所定の水平変位を越える大きな振動に対しては粘性抵抗力による連結を解除して免震装置のみを作動させるようになっており、粘性ダンパーは、固定板と、固定板に対して隙間をもって水平方向に可動に粘性体内に配されている可動板と、固定板と可動板との間の隙間に配された粘性体と、可動板を囲繞する囲繞体とを有しており、解除機構は、上下方向に移動自在であって上部構造物の水平方向の振動と共に水平方向に振動するように、上部構造物に連結されるようになっていると共に、可動板との間に微小隙間をもって可動板に対面した粘性抵抗部材と、微小隙間に配された粘性体と、可動板に設けられていると共に、可動板に対する粘性抵抗部材の水平方向の移動で可動板から粘性抵抗部材を離反させる離反体とを具備しており、粘性抵抗部材は、可動板の囲繞体への当接で、可動板に対して水平方向に移動されるようになっている。
【0007】
第一の態様の振動減衰装置によれば、粘性ダンパーが上部構造物に対する振動減衰に関して、小さな振動に対しては免震装置と共に作動するようになっているために、風等による上部構造物の微小振動を効果的に早期に減衰できて強風時の制振効果を免震建物に与えることができ、しかも、所定の水平変位を越える地震による大きな振動に対しては解除機構により免震装置のみを作動させることができるために、風や交通振動等の小さな振動から地震による大きな振動まで効果的に制振することができる。
【0008】
斯かる本発明の振動減衰装置において、解除機構は、好ましくは、第二の態様のそれのように、可動板と粘性抵抗部材との間の微小隙間に粘性体が残存する程度に、粘性抵抗部材を可動板に向かって弾性的に付勢する弾性部材を更に具備しており、粘性抵抗部材は、第三の態様のそれのように、微小隙間への粘性体の流入を許容する貫通孔を有しており、また、離反体は、第四の態様のそれのように、粘性抵抗部材の外縁の周りに配されている。
【0009】
本発明において、免震装置は、好ましくは、剛性層及び弾性層が交互に積層された積層ゴムからなるアイソレータと、この積層ゴムに埋設された鉛支柱からなる振動減衰装置とを具備しており、また上部構造物は、好ましくは、事務所ビル、集合住宅又は戸建住宅であるが、本発明はこれに限定されず、その他の上部構造物であってもよい。
【0010】
次に本発明及びその実施の形態を制振型免震建物に用いた例について、図を参照して更に詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施の形態に何等限定されないのである。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1から図3において、本例の制振型免震建物1は、地盤に杭等により固定されて設置されたコンクリート製の基礎2と、鉛支柱3入りのアイソレータ4からなる免震装置5と、免震装置5を介して基礎2に支持された上部構造物6と、基礎2と上部構造物6との間に配された振動減衰装置7とを具備している。
【0012】
下部構造物としての基礎2と上部構造物6との間に介在されて、上部構造物6の上下方向(鉛直方向)Vの荷重を支持すると共に、地震による水平方向Hの振動に対して上部構造物6に関して免震作動と弾塑性系の振動減衰作動とを行う免震装置5は、鋼板等からなる複数の剛性層11及びゴム等からなる複数の弾性層12が上下方向Vに交互に積層されている積層ゴムからなると共に免震作動を行うアイソレータ4と、アイソレータ4に埋設されていると共に弾塑性系の振動減衰作動を行う鉛支柱3と、アイソレータ4を挟持していると共に基礎2と上部構造物6の事務所ビル15との夫々にアンカーボルト等を介して固着された上下取り付け鋼板13及び14とを具備している。斯かる免震装置5は、上部構造物6の荷重を受けるべく、基礎2上に適当に分散されて複数個配されている。
【0013】
上部構造物6は、本例では、高層の事務所ビル15と、事務所ビル15の下面16にボルト等により固着されている取り付け板部128及び取り付け板部128に溶接等により固着された円柱部129を有した係合部材127とを具備している。
【0014】
免震装置5を介して基礎2に対して水平方向Hの振動に関して基礎2上で免震支持された上部構造物6の当該水平方向Hの振動を減衰させる粘性系の振動減衰装置7は、上部構造物6に粘性抵抗力により連結されていると共に、基礎2に対する上部構造物6の所定の水平変位、例えば略100mm以下の強風等による微小の水平変位では、粘性抵抗力による上部構造物6への連結を維持されて、上部構造物6に対する振動減衰に関して鉛支柱3と共に作動し、上部構造物6の水平方向Hの振動を減衰させる粘性ダンパー131と、地震に起因して基礎2に対して上部構造物6が相対的に所定の水平変位、例えば略100mmを越えると、該粘性抵抗力による連結を解除する解除機構132とを具備している。
【0015】
粘性ダンパー131は、厚肉部135及び薄肉部136を有する円板状の可動板137と、可動板137を囲繞する囲繞体としての円筒部138を有した容器139と、円筒部138内に配されて容器139内に収容された粘性体140と、可動板137を偏倚した位置から元の位置(図2及び図3に示す位置)に戻す戻し機構141とを具備している。
【0016】
容器139は、固定板としてのその底板部145でアンカーボルト等を介して基礎2に固着されている。
【0017】
水平方向に可動に粘性体140内に配された可動板137は、隙間146をもって容器139の底板部145と対面しており、可動板137と容器139の底板部145との間には、底板部145に固着されていると共に可動板137が摺動自在に接触した複数個のスペーサ147が設けられており、スペーサ147により隙間146が保持されている。
【0018】
可動板137は、その水平方向Hの移動により隙間146に配された粘性体140に粘性剪断変形を生じさせ、斯かる粘性体140の粘性剪断変形でその水平方向Hの移動に抗する抵抗力を発生し、而して、その水平方向Hの移動を減衰させるようになっている。
【0019】
粘性ダンパー131は、可動板137の水平方向Hの移動で、可動板137と底板部145との間の隙間146に配された粘性体140に粘性剪断変形を生じさせて減衰力を発生し、而して、可動板137の水平方向Hの移動を減衰させ、延いては上部構造物6の水平方向Hの移動を減衰させる。
【0020】
解除機構132は、上下方向Vに移動自在であって上部構造物6の水平方向Hの振動と共に水平方向Hに振動するように、上部構造物6の係合部材127の円柱部129を上下方向Vに移動自在に受容して当該円柱部129に係合して上部構造物6に連結されている円筒部151に加えて、当該円筒部151が固着されていると共に、可動板137の厚肉部135の上面154との間に微小隙間をもって可動板137に対面した粘性抵抗発生板部152を有する粘性抵抗部材153と、可動板137と粘性抵抗発生板部152との間の微小隙間に配された粘性体140と、上部構造物6の円柱部129と粘性抵抗部材153の粘性抵抗発生板部152との間に介在されていると共に、粘性抵抗部材153の粘性抵抗発生板部152を可動板137の厚肉部135の上面154に向かって、当該上面154と粘性抵抗発生板部152との間の微小隙間に粘性体140が残存する程度の弱い弾性力をもって付勢する弾性部材155と、粘性抵抗部材153の粘性抵抗発生板部152が対面する厚肉部135の上面154に設けられていると共に、可動板137に対する粘性抵抗部材153の所定量以上の水平方向Hの移動で可動板137の厚肉部135から粘性抵抗部材153を図6に示すように離反させる離反体156とを具備している。
【0021】
粘性抵抗発生板部152は、その外周側の下面にテーパ面からなる環状の案内面160と、その上面側と下面側とを連通して、上面154と粘性抵抗発生板部152との間の微小隙間への粘性体140の流入を許容する複数の貫通孔161とを有しており、案内面160は、図6に示すような粘性抵抗発生板部152の離反体156への乗り上げを容易にし、粘性抵抗発生板部152の上下面を連通している貫通孔161は、粘性抵抗発生板部152の離反体156への乗り上げに際して、上面154と粘性抵抗発生板部152との間の微小隙間に粘性体140を供給して、可動板137の厚肉部135の上面154からの粘性抵抗部材153の上方への離反を容易にする。
【0022】
本例では板ばねからなる弾性部材155は、その弾性的な圧縮により可動板137からの粘性抵抗部材153の離反を可能にしている。なお、斯かる弾性部材155を省いて、粘性抵抗部材153の自重でもって、粘性体140が残存する微小隙間が粘性抵抗発生板部152と上面154との間に生じるようにしてもよい。
【0023】
離反体156は、厚肉部135の上面154に一体的に形成されていると共に、粘性抵抗発生板部152の外縁の周りに配されている環状の断面半円形の突起からなる。
【0024】
粘性抵抗発生板部152と上面154との間の微小隙間に残存する粘性体140は、粘性抵抗発生板部152の水平方向Hの移動において粘性剪断変形されて斯かる水平方向Hの移動に抗する粘性抵抗力であって、上部構造物6の水平方向Hの所定振幅以下の振動に起因して可動板137により発生される抵抗力よりも大きな粘性抵抗力を粘性抵抗発生板部152に与えて、斯かる粘性抵抗力により上部構造物6に粘性ダンパー131を連結するようになっており、而して、粘性体140を間にして可動板137と対面して配されている粘性抵抗部材153の粘性抵抗発生板部152は、上部構造物6の水平方向Hの所定振幅以下の振動に起因して可動板137により発生される抵抗力では、水平方向Hの移動と共に可動板137を水平方向Hに移動させることができる一方、上部構造物6の水平方向Hの所定振幅を超える振動に起因して可動板137の円筒部138への当接により発生される抵抗力では、可動板137に対して独立に水平方向Hに移動できるようになっていると共に、この移動で離反体156へ乗り上げて粘性体140から受ける粘性抵抗力を減少させて上部構造物6と粘性ダンパー131との粘性抵抗力による連結を解除するようになっている。
【0025】
戻し機構141は、一端が可動板137の厚肉部135に、他端が円筒部138に球面継手等を介して夫々連結された複数のコイルばね171を具備しており、図2及び図3に示す位置から偏倚した位置に移動した可動板137をコイルばね171の弾性力により図2及び図3に示す元の位置に戻すようになっている。
【0026】
以上の上部構造物6を有すると共に免震装置5でもって上部構造物6が免震支持されてなる制振型免震建物1に用いられている振動減衰装置7では、通常時、図2及び図3に示すように、初期状態では、可動板137は、水平方向Hに関して容器139の中央部に配されており、粘性抵抗部材153は、同じく水平方向Hに関して可動板137の中央部に配されている。この状態で、強風が生じて免震装置5の弾性層12の剪断変形により基礎2に対して上部構造物6が水平方向Hに振動される場合であって、その振動が強風等による上部構造物6の水平方向Hの所定振幅以下の小さな振動の場合は、粘性ダンパー131が可動板137と粘性抵抗発生板部152との間の粘性抵抗力を介して上部構造物6に連結されている結果、上部構造物6の水平方向Hの移動が粘性抵抗発生板部152と可動板137の上面との間に介在する薄膜状の粘性体140を介して可動板137に伝達され、これにより可動板137も上部構造物6の水平方向Hの移動と共に水平方向Hに移動されて、可動板137の水平方向Hの移動により可動板137と底板部145との間の隙間146の粘性体140が粘性剪断変形され、粘性ダンパー131におけるこの粘性剪断変形に起因する抵抗力は、可動板137の水平方向Hの振動を減衰させ、而して、上部構造物6の水平方向Hの振動を減衰させる。強風が収まると、免震装置5の弾性層12による原点復帰機能により制振型免震建物1は、図1に示す状態に戻されると共に、可動板137及び粘性抵抗部材153の夫々もまた、水平方向Hに関して容器139及び可動板137の夫々の中央部に戻される。
【0027】
地震が生じて免震装置5の弾性層12の剪断変形により基礎2に対して上部構造物6が水平方向Hに振動される場合であって、その振動が所定振幅を越える場合には、解除機構132が可動板137を所定振幅まで水平方向Hに移動させた後に、図4に示すように、可動板137の薄肉部136が円筒部138へ当接して可動板137が水平方向Hに移動できなくなる結果、粘性ダンパー131は、上部構造物6の水平方向Hの振動に対する減衰動作を行い得ないようになる一方、粘性抵抗発生板部152は、当該粘性抵抗発生板部152と可動板137との間の微小隙間に存在する粘性体140の粘性剪断変形に起因する粘性抵抗力に打ち勝って、可動板137に対して独立に水平方向Hに移動されて、図5に示すように、離反体156に当接した後に、図6に示すように、弾性部材155の弱い弾性力に抗して離反体156に乗り上げて可動板137から離反して、可動板137との間に大きな隙間を形成して、この隙間に介在する粘性体140で生じる粘性剪断変形に起因する粘性抵抗力を減少し、これにより上部構造物6の水平方向Hの振動が粘性ダンパー131からの粘性剪断変形に起因する抵抗力及び粘性抵抗発生板部152と可動板137の上面154との間に存在する粘性体140に起因する抵抗力を受けることなしに許容されるようになり、而して、更なる上部構造物6の水平方向Hの移動では、鉛支柱3が十分に変形されるために、鉛支柱3のこの変形でもって上部構造物6の水平方向Hの大きな移動が好ましく早期に減衰されることになる。
【0028】
水平方向Hに所定振幅を越えて最大まで変位した上部構造物6が水平方向Hにおいて前記と逆方向に移動すると、粘性抵抗発生板部152は、粘性抵抗発生板部152と可動板137との間に存在する粘性体140の粘性により、離反体156に乗り上げた状態での離間が可動板137の上面154との間で維持されて、換言すれば可動板137の上面154から大きく離間された状態をもって、上部構造物6と共に水平方向Hにおいて前記と逆方向に移動される。以下、上記の動作が繰り返されて、地震が収まると、免震装置5の弾性層12による原点復帰機能により上部構造物6は、図1に示す状態に戻されると共に、粘性抵抗発生板部152もまた、その自重と弾性部材155の弾性力により粘性体140の粘性に抗して徐々にゆっくりと下降されて、上面154との間に薄膜状の粘性体140が介在する程度の微小隙間を残して図2及び図3に示す状態に戻される。また、可動板137は、粘性抵抗発生板部152がその自重と弾性部材155の弾性力により粘性体140の粘性に抗して徐々に下降される間に、戻し機構141の弾性力でもって図4から図6に示す偏倚した位置から図2及び図3に示す状態に戻される。
【0029】
図2及び図3に示す振動減衰装置7は、上部構造物6には解除機構132を介して解除自在に粘性抵抗力により連結され、基礎2には容器139及びアンカーボルト等を介して連結されていると共に、基礎2に対して上部構造物6が相対的に所定の水平変位を越えると上部構造物6に対する連結を解除する解除機構132を備えており、上部構造物6に対する振動減衰に関して、所定の水平変位を越えない地震や風、交通振動等による小さな振動に対しては鉛支柱3と粘性ダンパー131とを共に作動させ、所定の水平変位を越える地震による大きな振動に対しては鉛支柱3のみを作動させるようになっており、粘性系の解除機構132は、上部構造物6が所定の水平変位を越えると、粘性抵抗発生板部152と可動板137との間の微小隙間に存在する粘性体140の粘性剪断変形に起因する粘性抵抗力に打ち勝って粘性抵抗発生板部152が可動板137に対して独立に水平方向Hに移動可能となって、上部構造物6と粘性ダンパー131との間を連結していた粘性抵抗力を減少させて、而して、解除機構132を介する上部構造物6と振動減衰装置7との連結を解除するようになっている。
【0030】
ところで、一般に、減衰率(h)が零の場合(h=0)の高層の免震建物は、風による上部構造物の応答加速度(cm/sec2)と層(階数)との関係の一例を示す図7において曲線aで示すように、上部構造物と基礎とを剛に結合した場合(非免震であって図7において曲線bで示す)よりも風により大きく揺れるのであるが、振動減衰装置7を具備した本例の制振型免震建物1によれば、曲線cで示すように風による揺れを極めて小さくできる。
【0031】
即ち、振動減衰装置7によれば、粘性ダンパー131が上部構造物6に対する振動減衰に関して、小さな振動変位に対しては鉛支柱3と共に作動させるようになっているために、上部構造物6の風等による微小振動を効果的に早期に減衰できて強風時の制振効果を制振型免震建物1に与えることができ、しかも、所定の水平変位を越える地震による大きな振動に対しては解除機構132により鉛支柱3のみを作動させるようにしているために、風や交通振動等の小さな振動から地震による大きな振動まで効果的に制振することができる上に、大きな振動変位に対しても作動することができるように水平方向Hのストロークを長大にする必要もなく、したがって、小型に構成できて上部構造物6と基礎2との間に小さなスペースをもって設置できる。
【0032】
なお、鉛支柱3を用いる代わりに、摩擦系の振動減衰作動を行うものを用いた免震装置を介して支承された免震建物に本発明の振動減衰装置を適用してもよく、また、基礎2に対して上部構造物6が相対的に所定の水平変位を越える場合に、上部構造物6との連結を解除する代わりに、基礎2との連結を解除するように振動減衰装置7を構成してもよい。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、地震による振動に対して免震作動するアイソレータと振動を減衰させる弾塑性系又は摩擦系の振動減衰装置とを具備した免震装置を介して上部構造物を下部構造物上で支承してなる免震建物に用いて好適であって、斯かる免震建物の風等による微小振動を効果的に早期に減衰できて強風時の制振効果を免震建物に与えることができ、しかも、解除機構により所定の水平変位を越える地震による大きな振動に対しては上部構造物に対する振動減衰に関して免震装置のみを作動させることができるために、風や交通振動等の小さな振動から地震による大きな振動まで効果的に制振することができる振動減衰装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施態様の好ましい例を制振型免震建物に適用した正面説明図である。
【図2】図1に示す例の正面説明図である。
【図3】図2に示すIII−III線矢視説明図である。
【図4】図2に示す例の動作説明図である。
【図5】図2に示す例の動作説明図である。
【図6】図2に示す例の動作説明図である。
【図7】図1に示す制振型免震建物の作用説明図である。
【符号の説明】
1 制振型免震建物
2 基礎
3 鉛支柱
4 アイソレータ
5 免震装置
6 上部構造物
7 振動減衰装置
131 粘性ダンパー
132 解除機構
Claims (4)
- 地震による振動に対して免震作動するアイソレータと振動を減衰させる弾塑性系又は摩擦系の振動減衰装置とを具備した免震装置を介して上部構造物を下部構造物上で支承してなる免震建物に用いるための粘性系の振動減衰装置であって、上部構造物及び下部構造物のうちの一方に固着されるようになっており、上部構造物及び下部構造物のうちの他方に粘性抵抗力により連結されるようになっている粘性ダンパーと、下部構造物に対して上部構造物が相対的に所定の水平変位を越えると、該粘性抵抗力による連結を解除する解除機構とを具備しており、上部構造物に対する振動減衰に関して、所定の水平変位を越えない小さな振動に対しては粘性抵抗力による連結を維持して免震装置と共に粘性ダンパーを作動させ、所定の水平変位を越える大きな振動に対しては粘性抵抗力による連結を解除して免震装置のみを作動させるようになっており、粘性ダンパーは、固定板と、固定板に対して隙間をもって水平方向に可動に粘性体内に配されている可動板と、固定板と可動板との間の隙間に配された粘性体と、可動板を囲繞する囲繞体とを有しており、解除機構は、上下方向に移動自在であって上部構造物の水平方向の振動と共に水平方向に振動するように、上部構造物に連結されるようになっていると共に、可動板との間に微小隙間をもって可動板に対面した粘性抵抗部材と、微小隙間に配された粘性体と、可動板に設けられていると共に、可動板に対する粘性抵抗部材の水平方向の移動で可動板から粘性抵抗部材を離反させる離反体とを具備しており、粘性抵抗部材は、可動板の囲繞体への当接で、可動板に対して水平方向に移動されるようになっている振動減衰装置。
- 解除機構は、可動板と粘性抵抗部材との間の微小隙間に粘性体が残存する程度に、粘性抵抗部材を可動板に向かって弾性的に付勢する弾性部材を更に具備している請求項1に記載の振動減衰装置。
- 粘性抵抗部材は、微小隙間への粘性体の流入を許容する貫通孔を有している請求項1又は2に記載の振動減衰装置。
- 離反体は、粘性抵抗部材の外縁の周りに配されている請求項1から3のいずれか一項に記載の振動減衰装置。
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