JP4062259B2 - 戸建て住宅建物の変位増幅型制振構造 - Google Patents

Description

この発明は地震や交通振動等による建物の振動を抑制するための制振構造に関し、特に戸建て住宅建物の制振構造に関する。

近年、地震が生じたときの建物の耐震性が強く求められるようになって来ている。
その対策として建物に制振装置を組み込み、地震のエネルギーをその制振装置で減衰し、建物の揺れを抑制するようになしたものが各種提案されている。
例えば下記特許文献１には、オイルダンパを含む制振装置を建物に組み込み、そのオイルダンパによる減衰によって建物の揺れを小さく抑制するようになした点が開示されている。
この特許文献１に開示のものではまた、制振装置に変位増幅機能も付与しており、外部から加わる振動を増幅してオイルダンパに入力させ、オイルダンパによる制振の機能を高めるようになした点も開示されている。

しかしながらこの制振構造は、鉄筋コンクリート高層建築物等大規模な建物の場合には適用できるものの、例えば戸建て住宅等の小規模の建物の場合、オイルダンパにおける油漏れその他のメンテナンスを各家庭で行うといったことは難しく、また装置も大掛りなものとなるとともに広い設置スペースを必要とすることから、かかる戸建て住宅建物等においてこのような制振構造を適用することには困難がある。

一方戸建て住宅建物用の制振構造として、外壁パネルと柱或いは梁との間にテープ状の制振材を挟み込み、地震によるエネルギーをその制振材で減衰して、建物の揺れを抑制するようになした点が下記特許文献２及び下記特許文献３に開示されている。
これら特許文献２及び特許文献３に開示の制振構造は、簡易的に建物の振動を抑制できるもので必要なスペースも少なくて済み、また複雑且つ面倒なメンテナンス作業を必要とせず、従って戸建て住宅建物用の制振構造として適している。

しかしながら例えば戸建て住宅建物の場合、柱，梁等の軸組の剛性即ちフレーム構造の剛性が弱く、また建物構築部材間に遊びやガタが多いため、地震等によって外部から振動が建物に加わったときに振動が制振材に十分に伝わらず、制振材の変形による振動減衰の機能を十分に発揮させ得ない問題、即ち制振材によって建物の振動を十分に抑制することができないといった問題が内在する。
この場合、建物構築部材間の相対変位を変位増幅機構を用いて増幅し制振材に入力するようにできれば、制振材による減衰の機能を十分に発揮させ得て望ましい。

しかしながら、大規模な建物において上記オイルダンパを用いて制振を行う制振構造の場合には、変位増幅機構を用いて変位増幅し、オイルダンパに入力するといったことは実現できるものの、戸建て住宅建物等の小規模な建物において上記のような制振材を用いて制振を行う制振構造の場合、如何にして変位増幅し、制振材に入力するかといったことが大きな問題となる。

特開平１１−７１９３４号公報 特開２００１−３４５５号公報 特開２００１−３２３６８５号公報

本発明はこのような事情を背景とし、制振材を用いて地震のエネルギーを減衰し、建物の揺れを抑制する制振構造において、外部から加わる振動にて制振材を効果的に変形させ、制振材の減衰性能を良好に発揮させ得て、建物の揺れを良好に抑制することのできる変位増幅型制振構造を提供することを目的としてなされたものである。

而して請求項１のものは、軸組のコーナ部で互いに交叉する柱及び梁の一方から成る第１のフレーム部材と、外部から加わる振動によって該第１のフレーム部材に対して相対変位する、該柱及び梁の他方から成る第２のフレーム部材とにまたがって、該第２のフレーム部材の該相対変位をてこ作用で増幅する、リンク機構にて構成した変位増幅機構を該コーナ部に設けるとともに、該変位増幅機構の増幅作用によって該第２のフレーム部材に対し増幅変位する変位作用部を設け、該変位作用部と該第２のフレーム部材との間に、粘弾性体エラストマーにて構成したシート状の制振材をそれら変位作用部と第２のフレーム部材との相対変位によって該制振材を剪断変形させる状態に挟持状態に介装してあり、且つ前記変位増幅機構は、（イ）長手方向両端間の回転中心部で前記第２のフレーム部材に軸周りに回転可能に固定されたレバーリンクと、（ロ）前記第１のフレーム部材に基端部で軸周りに回転可能に固定され、先端部で前記レバーリンクに軸周りに回転可能に連結された回動リンクと、を有しており、該レバーリンクの前記回転中心部に対して該回動リンクとの連結部と反対側に前記変位作用部が構成されているとともに、該レバーリンクは該回転中心部から該変位作用部までの長さが前記連結部までの長さよりも長くされており、該回転中心部から該変位作用部までがアーム長の長い長アーム部として、また該回転中心部から前記連結部までがアーム長の短い短アーム部として構成してあることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は戸建て住宅建物の軸組のコーナ部で互いに交叉する柱又は梁から成る第２のフレーム部材の変位をてこ作用で増幅する変位増幅機構を設けて、その増幅作用によって変位作用部を第２のフレーム部材に対して増幅変位させ、そして変位作用部と第２のフレーム部材との間に、粘弾性体エラストマーにて構成したシート状の制振材を剪断変形させる状態に挟持状態に介装したもので、本発明によれば、戸建て住宅建物のようにフレーム構造の剛性が弱い場合であっても、また建物構築部材間に遊びやガタがあって、外部からの振動がそれら遊びやガタで一部吸収されることがあっても、変位増幅機構の作用で制振材を十分に剪断変形させることができ、これにより制振材による減衰の機能を十分に発揮させ得て、建物の揺れを効果的に抑制することができる。

本発明ではまた、僅かな振動でも制振材を大きく変形させて減衰の機能を発揮させ得ることから、交通振動のような微振動に対しても十分に効果を発揮することができる。
即ちそのような微震動が建物に加わった場合であっても、十分に制振材を変形させ得て建物の振動を良好に抑制することができる。

本発明では、上記変位増幅機構をリンク機構にて構成してあり、これにより簡単な構造で変位増幅機構を構成することができる。

また本発明では、レバーリンクを長手方向両端間の回転中心部で第２のフレーム部材に軸周りに回転可能に固定して、レバーリンクをアーム長の短い短アーム部及びアーム長の長い長アーム部を有するものとなすとともに、梁又は柱から成る第１のフレーム部材に回動リンクの基端部を、また先端部をレバーリンクの短アーム部にそれぞれ軸周りに回転可能に連結し、以って上記変位増幅機構を構成し、そしてレバーリンクにおける長アーム部に上記変位作用部を構成したもので、このような構成で変位増幅機構及び変位作用部を構成することで、第２のフレーム部材の相対変位を効果高く変位増幅することができ、且つかかる変位増幅機構を簡単な構造で構成することができる。
本発明における制振材としては減衰定数が０．２以上、好ましくは０．３以上の高減衰を有するものを好適に用いることができる。

次に本発明を戸建て住宅建物の制振構造に適用した場合の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１において１０，１２は戸建て住宅建物における柱で、１４は上梁、１６は基礎梁、１８はそれら柱１０，１２，上梁１４，基礎梁１６にて構成された軸組（フレーム）である。
この実施形態では、その軸組１８のコーナ部に制振装置２０が組み込まれている。

この制振装置２０は、柱（第２の建物構築部材）１０に対して相対変位する変位作用部２２と、地震時等において外部から加わる振動により基礎梁（第１の建物構築部材）１６に対し相対変位する柱１０の変位を増幅する変位増幅機構２４とを有している。
変位作用部２２には、図２（Ｂ）に示しているように剛性の挟持部２６が設けてある。
一方柱１０には、これに対応する剛性の挟持部２８が設けてあり、それら挟持部２６と２８とによって制振材３０が挟持されている。

ここで制振材３０は、一方の面が挟持部２６に、また他方の面が挟持部２８にそれぞれ接着固定されている。
尚場合によって何れか一方の面のみを接着により固定し、他方の面を高摩擦圧接しておくこともできるし、或いはまた場合によって両面を高摩擦圧接状態としておくこともできる。

この実施形態において、制振材３０は熱可塑性エラストマーにて構成されている。
但しこの実施形態において、熱可塑性エラストマーには未加硫ゴムが配合されており、その未加硫ゴムの配合によって振動減衰性能が高められている。
本実施形態では減衰定数０．２以上の高減衰の熱可塑性エラストマーが用いられている。この減衰定数は更に高い値、例えば０．３以上としておくことがより望ましい。

尚制振材３０としての熱可塑性エラストマー、更にそこに配合した未加硫ゴムはあくまで粘弾性体エラストマー及びこれに含有させた減衰付与材の一例であって、他の様々な種類の粘弾性体エラストマーを用いることが可能である。例えばかかる粘弾性体エラストマーとしてゴムから成るエラストマーを用いることも可能である。

ここで熱可塑性エラストマーは熱可塑性ゴムとも称されるもので、常温即ち通常の使用状態では弾性を示し、加熱すると溶融し熱可塑性樹脂としての流動性を示すものである。
この熱可塑性エラストマーとしては従来種々のものが知られているが、その代表的なスチレン系熱可塑性エラストマーの場合、ポリスチレンブロックと柔軟なポリオレフィン構造のエラストマーブロックとで構成されており、ポリスチレンのガラス転位温度（Ｔｇ）以下の温度でポリスチレンが架橋点としての役割を果し、分子と分子とを疑似橋架け結合する。
そしてエラストマーブロックがゴム的な働きをし、全体として使用状態で粘弾性挙動を示す。

この種熱可塑性エラストマーはそれ自体粘弾性を有しているが、この実施形態では更にそこに未加硫ゴムが配合により加えられ、その未加硫ゴムの有する粘性的な性質によって振動減衰性能が更に高められている。

ここで上記減衰定数は以下の方法で求められる。
図８（イ）に示すように、エラストマー（A）を金具（B）で挟み且つそれらを接着する。
エラストマー（A）の大きさは２５ｍｍ×２０ｍｍ，厚み４ｍｍである。
これを矢印方向に加振して、図８（ロ）に示す動的荷重−歪みループ曲線を求める。

そして加振の時間に対する剪断歪み値（δ）と、荷重値（Ｑ_ｄ）との解析から、下記の数式（１）〜（３）に従い動的剪断特性を求める。
尚測定条件は、剪断歪み量：±１６ｍｍ（エラストマー（A）の厚みに対して２００％），周波数（ｆ）：０．５Ｈｚ，測定温度：常温とする。
等価剛性：Ｋ_ｅｑ＝Ｑ_ｄ／δ（ｋＮ／ｍ）・・・（１）
等価減衰係数：Ｃ_ｅｑ＝ΔＷ／πωδ^２（ｋＮ・ｓ／ｍ）・・・（２）
減衰定数：Ｈ_ｅｑ＝ΔＷ／４πＷ・・・（３）
（但し式中ω＝２πｆ，Ｗ＝Ｋ_ｅｑδ^２／２，ΔＷは荷重−歪みループで囲まれた面積を表す）。

上記変位増幅機構２４は、この実施形態ではリンク機構から成っており、レバーリンク３２と回動リンク３３とを備えている。
レバーリンク３２は、図２にも示しているように長手方向の中心位置から図中下側に偏心した位置において、柱１０に設けられた剛性の支持部材３４に対し軸３６によって相対回転可能に固定されている。
その結果としてこのレバーリンク３２は、アーム長の短い短アーム部３８及びアーム長の長い長アーム部４０を有している。

一方回動リンク３３は、基端部が基礎梁１６に設けられた支持部材４２に対し軸４４によって相対回転可能に固定されている。
またその先端部が、軸４６によって上記レバーリンク３２における短アーム部３８の端部に相対回転可能に連結されている。
ここで回動リンク３３は、基礎梁１６に対し所定角度βだけ傾いた状態で設けられている。
尚、基礎梁１６と柱１０との成す角度αは９０°である。

本実施形態においては、地震等によって建物に振動が加わり、図３に示すように柱１０が基礎梁１６に対し相対変位したとき、変位増幅機構２４が柱１０の基礎梁１６に対する相対変位を増幅し、変位作用部２２を柱１０の変位量よりも大きく変位させる。
図４にその原理が模式的に表してある。

図４（Ａ）に示しているように、柱１０が基礎梁１６に対し角度αを小さくする方向にθだけ傾くと（相対変位すると）、このときレバーリンク３２が軸３６を中心として図４（Ａ）中右回り（時計回り）に回転運動する。
このときレバーリンク３２は、その下端部が回動リンク３３の回動を伴って図中左方向に押されることによって、柱１０よりも大きい角度で時計方向に回転（傾動）させられる。

その結果として、変位作用部２２は柱１０の対応する部位よりもより大きく変位する。
詳しくは、図３（Ｂ）に示しているように柱１０に固定の挟持部２８よりも、変位作用部２２に設けた挟持部２６が図中右方向により大きく変位する。

即ち、柱１０における図４の変位量Ａに対して、変位作用部２２はこれよりも大きい変位量ΔＤだけ変位する。
その結果として、柱１０に固定の挟持部２８に対し変位作用部２２に設けた挟持部２６が図３中右方向に相対変位する。
そしてその相対変位に基づいて制振材３０が剪断方向に変形させられて減衰作用をなし、挟持部２８と２６との間で即ち柱１０と基礎梁１６との間で変位抑制する。
その結果として軸組１８ひいては建物の揺れないし振動が抑制される。

以上は柱１０が基礎梁１６に対し角度αを小さくする方向に傾いた場合であるが、図４（Ｂ）に示しているように柱１０がこれとは逆に角度αを大きくする方向に基礎梁１６に対して傾いた場合にも、変位増幅機構２４は同様にして柱１０の変位を増幅する。
但しこのとき、回動リンク３３は図中右回り即ち時計方向に回動してレバーリンク３２の下端部を右方向に移動させ、これによりレバーリンク３２を柱１０よりも大きい角度で図中左向きに回転（傾動）させる。

図６は、図５におけるＷ，Ｙ，Ｌ_１の比率をそれぞれ０．１，０．１，０．０２５に固定し、そして柱１０を変形角θで変形させた（傾けた）ときの変位増幅率（ΔＤ／Ａ）を、回動リンク３３の長さ（図５中Ｘの寸法）を種々変えて表したものである。
また図７は、図５のＹ，Ｘ，Ｌ_１の比率をそれぞれ０．１，０．４，０．０２５に固定し、そして変形角θで柱１０を変位させた（傾けた）ときの変位増幅率（ΔＤ／Ａ）を、図５中Ｗの寸法を種々変えて表したものである。

これらに示しているように、本実施形態では変位増幅機構２４によって変位作用部２２を柱１０に対して効果的に増幅変位させ得ること、そしてこのことによって制振材３０を効果的に強制変形させ得ることが理解できる。

尚この実施形態において、回動リンク３３を基礎梁１６に対して図１に示すβが９０°に近い角度と成したときに変位増幅率は大きくなる。
但し軸３６と軸４６と軸４４とは同一直線状に位置しないように配置しておくのが良い。

以上のような本実施形態の制振構造によれば、戸建て住宅建物のようにフレーム構造の剛性が弱い場合であっても、また建物構築部材間に遊びやガタがあって外部からの振動がそれら遊びやガタで一部吸収される場合であっても、変位増幅機構２４の作用で粘弾性体エラストマーにて構成した制振材３０を大きく剪断変形させることができ、これにより制振材３０による減衰の機能を十分に発揮させ得て、建物の揺れを効果的に抑制することができる。
また僅かな振動でも制振材３０を大きく変形させて減衰の機能を発揮させ得ることから、交通振動のような微振動に対しても十分に効果を発揮することができる。

以上に示した変位増幅機構２４は一例であり、例えば図９に示すように変位増幅機構２４を上例とは異なった様々な形態で構成することもできる。

図１０は本発明の他の実施形態を示している。
上記実施形態は、柱１０と基礎梁１６とが交叉する１コーナ部に制振装置２０を設けた例であるが、この図１０に示す実施形態はこれとは対角にある上梁１４と柱１２とが交叉するコーナ部に同様の構成の制振装置２０を設けた例である。
この図１０に示す実施形態では、一対の制振装置２０による制振効果によって軸組１８、ひいては建物全体の揺れないし振動をより効果高く制振することができる。

図１１は本発明の更に他の実施形態を示している。
この例は柱１０と上梁１４との交叉部に制振装置２０を組み込んだ例である。
制振装置２０の基本的構成は上記と同様である。
但しこの実施形態では回動リンク３３が柱１０とほぼ平行に設けられている。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれらはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。

本発明を戸建て住宅の制振構造に適用した場合の一実施形態の制振構造を示した図である。 図１の要部を示す図である。 同実施形態の作用説明図である。 同実施形態における変位増幅機構の原理を模式的に表した図である。 同実施形態における各部の寸法関係を示した図である。 図５のＸを種々変えて変形角θと変位増幅率（ΔＤ／Ａ）の関係を示したグラフである。 図５のＷを種々変えて変形角θと変位増幅率（ΔＤ／Ａ）の関係を示したグラフである。 減衰定数の求め方の説明図である。 図１の変位増幅機構の変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す図である。 本発明の更に他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０，１２ 柱（フレーム部材）
１４ 上梁（フレーム部材）
１６ 基礎梁（フレーム部材）
１８ 軸組（フレーム）
２０ 制振装置
２２ 変位作用部
２４ 変位増幅機構
３０ 制振材
３２ レバーリンク（リンク機構）
３３ 回動リンク（リンク機構）
３６，４４，４６ 軸
３８ 短アーム部
４０ 長アーム部

Claims (1)

1. 軸組のコーナ部で互いに交叉する柱及び梁の一方から成る第１のフレーム部材と、外部から加わる振動によって該第１のフレーム部材に対して相対変位する、該柱及び梁の他方から成る第２のフレーム部材とにまたがって、該第２のフレーム部材の該相対変位をてこ作用で増幅する、リンク機構にて構成した変位増幅機構を該コーナ部に設けるとともに、該変位増幅機構の増幅作用によって該第２のフレーム部材に対し増幅変位する変位作用部を設け、該変位作用部と該第２のフレーム部材との間に、粘弾性体エラストマーにて構成したシート状の制振材をそれら変位作用部と第２のフレーム部材との相対変位によって該制振材を剪断変形させる状態に挟持状態に介装してあり、
   且つ前記変位増幅機構は、（イ）長手方向両端間の回転中心部で前記第２のフレーム部材に軸周りに回転可能に固定されたレバーリンクと、（ロ）前記第１のフレーム部材に基端部で軸周りに回転可能に固定され、先端部で前記レバーリンクに軸周りに回転可能に連結された回動リンクと、を有しており、該レバーリンクの前記回転中心部に対して該回動リンクとの連結部と反対側に前記変位作用部が構成されているとともに、該レバーリンクは該回転中心部から該変位作用部までの長さが前記連結部までの長さよりも長くされており、該回転中心部から該変位作用部までがアーム長の長い長アーム部として、また該回転中心部から前記連結部までがアーム長の短い短アーム部として構成してあることを特徴とする戸建て住宅建物の変位増幅型制振構造。

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