JP4514498B2 - ２方向制振装置とそれを用いた建築構造物の制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物の地震、風などによる２方向制振を行うことができる制振装置と、これを用いた建築構造物の制振装置に関する。

建物などの建築構造物の免震は、主として水平２方向のみに対して考えられてきた。ところが、例えば原子力施設その他の建築物おいて、水平２方向のみならず上下方向の振動に対しても免震や制振を行うという機運が高まっている。制振ダンパーは、主に、１方向の振動に対して、有効に制振効果を発揮するものは従来技術にあるが、２方向の振動に対する制振ダンパーは、技術的に困難であった。

この要望に応えるべく従来技術として、特開平７−１５０８１０号（特許文献１）、特開平９−６０３３４号（特許文献２）、特開平１１−２９４５２１（特許文献３）等が提案されている。

特開平７−１５０８１０号に開示の技術は、支持板で支持したバネにより上部構造を支持すると共に、バネを支持する支持板を上下方向に伸縮するオイルダンパーで支持し、上部構造の水平方向の振動を前記バネの撓みにより免震し、上下方向の振動やロッキング振動と呼ばれる鉛直面内での回転振動を、バネの伸縮とオイルダンパーとの協働で免震するものである。しかし、この従来技術は構造が複雑である。

特開平９−６０３３４号に開示の技術は、三角形の頂部をなす２本の斜め柱の下端を基礎構造に設置した弾性体からなる支承体で支持し、前記斜め柱の上端部で建物の最下部を支持し、左右の斜め柱の下部は軸方向ダンパーで連結している。この従来技術は、建物の水平方向の振動は弾性体からなる支承体により免震し、上下方向の振動は弾性体と共に斜め柱が左右に拡がるのに伴って軸方向ダンパーが伸縮することで制振するものである。この従来例も構造が複雑で各部材を所定配置に組み立てるには手間がかかる。

特開平１１−２９４５２１号に開示の技術は、Ｙ軸方向とＸ軸方向に配置したオイルダンパーを連結機構を用いて連結し、このＹ軸方向とＸ軸方向のオイルダンパーにより構造物の上下方向と水平方向の振動を制振するものである。この従来例は構造が複雑で各部材を組み立てるのに手間がかかると共に、オイルダンパーの作動はオイルの流れ具合により影響されて円滑な伸縮動作が阻害されるなど制振機能に不具合が生じやすいという問題がある。

その他に１方向の制振装置としては、アンボンド制振ブレース、制振間柱、制振壁等が知られている。これらの制振装置は、当該装置に作用する荷重が軸方向力（アンボンドブレースなど）、１方向せん断力（間柱、制振壁など）に対して抵抗し、且つ減衰力を発揮するものであった。
特開平７−１５０８１０号公報 特開平９−６０３３４号公報 特開平１１−２９４５２１号公報

従来の２方向制振装置は、水平方向と上下方向の各振動制振部材が複雑な構成を有し、かつ複雑に組み立てられているため製作の手間と製作コストが嵩む問題があった。また、制振装置の製作のため現場施工が占める割合が多く、この点でも制作費、施工費がコストアップするという問題があった。さらに、従来の２方向制振装置は、設置できる場所が限定されていて、１つの制振装置を各種の用途に共有できなかった。例えば、基本構造は変えないで１つの２方向制振装置を、建物の基礎部に設置し、または、２つの建築構造物の間に設置し、あるいは柱・梁フレームの構面に設置して使用することはできなかった。

また、従来のアンボンドブレースや制振間柱などの１方向の制振装置では、水平方向と上下方向の２方向の振動を円滑に制振できなかった。

本発明は、前記の問題点を解決したもので、２方向制振装置の構成を簡潔化すると共にユニット化することによって、工場製作に適し、かつ、現場での設置作業を簡略化し、さらに、複数の使用形態で実施できるようにした制振装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は次のように構成する。

第１発明は、Ｘ軸方向弾塑性部材とＹ軸方向弾塑性部材を、直交するＸ軸線とＹ軸線上に軸線を揃えて配置し、両弾塑性部材を軸線交差部に配設した連結部材で一体的に結合すると共に、Ｘ軸方向弾塑性部材の端部に第１取付プレートに設けた反力受け部材を固着し、Ｙ軸方向弾塑性部材の端部に第２取付プレートを固着し、上記連結部材は、上記Ｙ軸方向弾塑性部材の一端部に溶接される水平支持板と、上記水平支持板との間で正面Ｔ字状に固着される鉛直支持板とを有し、上記水平支持板の下面と上記鉛直支持板の両側面には、Ｘ軸方向弾塑性部材の軸線上に中間部補強リブと、その両外側に位置する両端部補強リブとが固着され、更に一端部が上記反力受け部材に、下端部が上記第１取付けプレートに固着された反力プレートが、上記Ｘ軸方向弾塑性部材の両側に配設されていることを特徴とする。

第２発明は、第１発明において、上記反力プレートの他の一端部は、上記鉛直支持板の両側面との間に間隙Ｓが形成され、上記両端部補強リブの下端部は、上記第１取付プレートとの間に移動間隙Ｓ１が形成され、上記中間部補強リブは、その下端部と上記Ｘ軸方向弾塑性部材との間に移動間隙Ｓ２が形成されていることを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明において、固有振動数が異なる２つの建築物の間に配置したうえ、第１と第２の取付プレートを前記相対向する建築物に固着することを特徴とする。

第４発明は、第１発明または第２発明の２方向制振装置を、建築物における柱と上下の梁で囲まれる構面内に配置したうえ、前記第１と第２の取付プレートを上下梁に固着し、または相対向する柱に固着したことを特徴とする。

本発明によると、連結部材で一体化したＸ軸方向とＹ軸方向の弾塑性部材が、構造物に作用する水平方向と上下方向の直角２方向の力に対してせん断降伏することで制振効果を発揮でき、従来の２方向制振装置に較べて構成が簡潔で安価に製作できる。また、アンボンブレースや制振間柱等の１方向制振装置に比べても、これらに必要なエネルギー吸収部材の座屈補剛部材（座屈拘束部材、補強リブなど）が不要となり、製作加工が容易で製作コストを低減できる。

Ｘ軸方向とＹ軸方向の弾塑性部材を普通鋼材、低降伏点鋼材、アルミニュウム合金等からなる金属管で構成することにより、該金属管の断面が丸であることによる方向の自由性を生かし製作コストを一層低減できる。

本発明の２方向制振装置はユニット化しているので工場での量産に適し、また、第１と第２の取付プレートにより構造物の取付面に簡単に取付けることができるので施工性が向上する。また、本発明は多用な使用形態で実施でき、例えば、構築物の基礎に設置して制振し、また、２つの建築構造物の間に配設して同時に両建築構造物を制振でき、さらに、柱・梁で囲まれる構面に設置して柱・梁の制振を行うことができる。

次に本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）は、１使用形態として示す２方向制振装置の全体図、（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図とＢ−Ｂ断面図である。

図１によって、実施形態に係る２方向制振装置１の全体を説明すると、互いに交差するＸ軸線（イ）とＹ軸線（ロ）に各々の軸線が揃うようにＸ軸方向弾塑性部材２ａとＹ軸方向弾塑性部材３ａが配置され、この両弾塑性部材２ａ、３ａはＸ軸線（イ）とＹ軸線（ロ）の交差部に配置した連結部材４により連結されており、かつＸ軸方向弾塑性部材２ａの両端部は、第１取付けプレート５の側面に間隔をおいて溶接にて固着した２つの反力受け部材６に固着されている。Ｙ軸方向弾塑性部材３ａの一端部は、連結部材４における水平支持板８に溶接されており、他端部には、第２取付けプレート７が固着されている。

Ｘ軸方向弾塑性部材２ａとＹ軸方向弾塑性部材３ａは何れも、普通鋼材、低降伏点鋼材、アルミニュウム合金等からなる金属管で構成されている。以下では、Ｘ軸方向弾塑性部材２ａの１例として横鋼管ダンパー２を示して説明し、Ｙ軸方向弾塑性部材３ａの１例として縦鋼管ダンパー３を示して説明する。縦鋼管ダンパー３はＸ軸線（イ）とＹ軸線（ロ）の交点よりも上側のＹ軸線（ロ）上に配置され、横鋼管ダンパー２は交点の両側のＸ軸線（イ）上に配置されている。また、縦鋼管ダンパー３には略２００φの管体が使用され、横鋼管ダンパー２には略１５０φの管体が使用されている。

連結部材４は、図示例のように鋼板からなる水平支持板８と鉛直支持板１０を正面Ｔ字状に溶接して構成される。横鋼管ダンパー２は、Ｘ軸線（イ）とＹ軸線（ロ）の交点の両側で分断された左右の鋼管部材２ｃ、２ｃからなっており、各鋼管部材２ｃ、２ｃの端部が鉛直支持板１０の側面に溶接されている。横鋼管ダンパー２は一体物でもよくその場合は、鉛直支持板１０に貫通孔を設け、この貫通孔に横鋼管ダンパー２を挿通させ、その挿通部周縁を溶接して横鋼管ダンパー２と鉛直支持板１０を固着してもよい。

実施形態に係る２方向制振装置１は、全体が簡潔でユニット化された構成である。また、２方向制振装置１の第１取付けプレート５と第２取付けプレート７は、上下で略７００ｍｍ離れて平行に配置されている。したがって、使用形態としては、第１と第２の取付けプレート５、７を上下に配置し構造物に取付けて用いる縦置き使用と、各プレート５、７を左右に配置し構造物に取付けて用いる横置き使用の場合があり、縦、横使用は、用途に応じて使い分けできる。

２方向制振装置１の図１の使用形態を説明すると、第１取付けプレート５が構造物のコンクリート基礎１１にアンカー１２にて固着されている。第２取付けプレート７は、構造物の柱１３の下端に取付けボルト１４によって固着されている。

２方向制振装置１において、横鋼管ダンパー２と縦鋼管ダンパー３は、上下方向、左右方向の力が作用するとき、ある範囲内の振動では上下、水平力により弾性変形にて制振すると共に、ある範囲を越えると塑性変形して降伏する。このとき各鋼管ダンパーは、軸線方向の力よりも軸直角方向の力によって先に塑性変形（せん断降伏）する。図１において、構造物に作用する上下方向の力は、縦鋼管ダンパー３に軸方向の力として伝達され、横鋼管ダンパー２には、連結部材４を介して軸直角方向の力として伝達される。これにより横鋼管ダンパー２が縦鋼管ダンパー３よりも先にせん断降伏して上下方向の振動を制振する。

また、建築構造物に作用する水平方向の力は、縦鋼管ダンパー３に軸直角方向の力として伝達され、かつ、横鋼管ダンパー２には連結部材４を介して軸方向の力として伝達される。そして、横鋼管ダンパー２は軸方向の両端が反力受け部材６で受けられているから、縦鋼管ダンパー３には軸直角方向の力が伝達され、横鋼管ダンパー２よりも先にせん断降伏して水平方向の振動を制振する。

図２〜図７は、２方向制振装置１の各部の詳細構造を示す。

各図に示すように、横鋼管ダンパー２の両側には、反力プレート１５が配設されていて、その一端部は反力受け部材６に溶接され、下端部は第１取付けプレート５に溶接されている。反力プレート１５の他の一端部２０は鉛直支持板１０の両側面に近接しており、両部材間に間隙Ｓが形成されている。

鋼板製の水平支持板８の下面と鉛直支持板１０の両側面に正面から見て直角３角形状の両端部補強リブ１６と中間部補強リブ１７が溶接されている。両端補強リブ１６は平面から見て横鋼管ダンパー２の両外側に位置していて、その下端部１８は正面から見て鉛直支持板１０の下端部まで延びており、第１取付けプレート５との間に移動間隙Ｓ１が形成されている。中間部補強リブ１７は、平面から見て横鋼管ダンパー２の軸線上に位置しており、その下端部１９と横鋼管ダンパー２の上端部との間に若干の移動間隙Ｓ２が形成されている。

反力プレート１５と両端部補強リブ１６と中間部補強リブ１７を設けたのは、次の理由による。

縦鋼管ダンパー３に水平方向の力が作用するとき、連結部材４の水平支持板８と一体の鉛直支持板１０が横鋼管ダンパー２を水平移動（軸線移動）させる力が作用する。このとき横鋼管ダンパー２の端部が反力受け部材６に固着されているので、該横鋼管ダンパー２とその両側に配置された反力プレート１５が反力受けとなって、縦鋼管ダンパー３には軸直角方向のせん断力が伝達されて塑性変形し、水平振動を制振する。その際、鉛直支持板１０は初期の鉛直姿勢を保持していることが、縦鋼管ダンパー３を確実に塑性変形させる上で必要であるが、実際には、鉛直支持板１０にはＸ軸線（イ）とＹ軸線（ロ）の交点を中心に曲げモーメントが作用するので、これを排除する必要がある。

本実施形態では、鉛直支持板１０と水平支持板８を両端部補強リブ１６と中間部補強リブ１７により剛性を高めることで曲げモーメントが作用するのを排除している。また、横鋼管ダンパー２の両側に反力プレート１５を設けたことにより、鉛直支持板１０が横移動するときは、間隙Ｓの距離では横鋼管ダンパー２に軸方向の力を伝達するが、反力プレート１５の一端部２０に当った後は、反力プレート１５で受けられるので、横鋼管ダンパー２には一定以上の軸方向力が伝達されない。

また、鉛直支持板１０は、反力プレート１５の一端部２０の間隙Ｓを介して円滑に上下動してその動きを横鋼管ダンパー２に軸直角方向のせん断力として伝達できる。なお、鉛直支持板８が上下動する際、曲げモーメントで傾いても反力プレート１５の一端部２０で受けられるので、当該鉛直支持板１０は鉛直を保って反力受け部材６と平行に上下動でき、横鋼管ダンパー２に軸直角方向のせん断力を確実に伝達できる。

前記のとおり上下と左右の２方向の振動は、横鋼管ダンパー２と縦鋼管ダンパー３に軸直角方向のせん断力として伝達され、各鋼管ダンパーを塑性変形させることで簡潔な構成により円滑に２方向の振動を制振できる。

図８と図９は、２方向制振装置１の図１と異なる２つの使用形態を示す。

建築構造物には大小各種あり、また、鉄筋コンクリート造建物と鉄骨鉄筋コンクリート造建物があり、これらは固有振動数（振動周期）が異なる。図８は、これらの固有振動数が異なる２つの建築構造物２１、２２の間に配置され、建物の連結制振に応用した例である。この場合、第１取付けプレート５と第２取付プレート７は相対向する建築構造物２１、２２に固着する（つまり、横置き設置する）。２方向制振装置１の配置は、建築構造物２１、２２の間に上下方向および横方向に所定の間隔をあけて複数個設置する。

図８の形態で使用するとき、建築構造物２１、２２の間に発生する水平方向の振動（ホ）は、横鋼管ダンパー２がせん断降伏することで制振し、水平方向の振動（ヘ）は縦鋼管ダンパー３がせん断降伏することで制振し、２つの建物の２方向の振動を同時に制振できる。

図９の使用例では、２方向制振装置１を建築構造物における柱２３と上下の梁２４、２５で囲まれる構面（壁面）内に縦置き配置したうえ、第１取付けプレート５と第２取付プレート７を下部と上部の梁２５、２４にボルト２６、ナット２７で固着している。図９の使用例では、建築構造物に発生する水平方向の振動は、上下梁２４、２５から縦鋼管ダンパー３に軸直角方向のせん断力として伝達され、上下方向の揺れに対しては横鋼管ダンパー２に軸直角方向のせん断力として伝達されることで、各鋼管ダンパーが塑性変形することで水平方向と上下方向の振動を制振できる。

前記のように本実施形態によると、建築構造物に作用する水平と上下方向の２方向の振動を効率的に制振できる。なお、Ｘ軸方向弾塑性部材２ａとＹ軸方向弾塑性部材３ａの1例として方向性がなく取り扱いやすい丸鋼管の例を示したが、その断面形状は丸以外であってもよい。横鋼管と縦鋼管ダンパー２、３の長さは、建物の層間変形を吸収できる管長に設けるのがよい。

（ａ）は、１使用形態として示す２方向制振装置の全体図、（ｂ）、（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図とＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は、２方向制振装置の拡大正面図、（ｂ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 図２（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 図２（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 （ａ）は、２方向制振装置における縦鋼管ダンパーの単体の正面図、（ｂ）は、図５（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。 （ａ）は、２方向制振装置における連結部材付きの横鋼管ダンパーの単体の正面図、（ｂ）は図６（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。 （ａ）は、図６（ａ）のＨ−Ｈ断面図（ｂ）は、図７（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 （ａ）は、２方向制振装置の第１使用例の正面図、（ｂ）は、図８（ａ）の部分平面図である。 ２方向制振装置の第２使用例の正面図である。

符号の説明

１ ２方向制振装置
２ 横鋼管ダンパー
２ａ Ｘ軸弾塑性部材
３ 縦鋼管ダンパー
３ａ Ｙ軸弾塑性部材
４ 連結部材
５ 第１取付けプレート
６ 反力受け部材
７ 第２取付けプレート
８ 水平支持板
１０ 鉛直支持板
１１ コンクリート基礎
１２ アンカー
１３ 柱
１４ 取付けボルト
１５ 反力プレート
１６ 両端部補強リブ
１７ 中間部補強リブ
１８ 下端部
２０ 一端部
２１ 建築構造物
２２ 建築構造物
２３ 柱
２４ 梁
２５ 梁
２６ 取付けボルト
２７ ナット

Claims (4)

1. Ｘ軸方向弾塑性部材とＹ軸方向弾塑性部材を、直交するＸ軸線とＹ軸線上に各軸線を揃えて配置し、両弾塑性部材を軸線交差部に配設した連結部材で一体的に結合すると共に、Ｘ軸方向弾塑性部材の端部に第１取付プレートに設けた反力受け部材を固着し、Ｙ軸方向弾塑性部材の端部に第２取付プレートを固着し、
   上記連結部材は、上記Ｙ軸方向弾塑性部材の一端部に溶接される水平支持板と、上記水平支持板との間で正面Ｔ字状に固着される鉛直支持板とを有し、
   上記水平支持板の下面と上記鉛直支持板の両側面には、Ｘ軸方向弾塑性部材の軸線上に中間部補強リブと、その両外側に位置する両端部補強リブとが固着され、
   更に一端部が上記反力受け部材に、下端部が上記第１取付けプレートに固着された反力プレートが、上記Ｘ軸方向弾塑性部材の両側に配設されていること
   を特徴とする２方向制振装置。
2. 上記反力プレートの他の一端部は、上記鉛直支持板の両側面との間に間隙Ｓが形成され、
   上記両端部補強リブの下端部は、上記第１取付プレートとの間に移動間隙Ｓ１が形成され、
   上記中間部補強リブは、その下端部と上記Ｘ軸方向弾塑性部材との間に移動間隙Ｓ２が形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の２方向制振装置。
3. 請求項１または２記載の２方向制振装置を、固有振動数が異なる２つの建築物の間に配置したうえ、第１と第２の取付プレートを前記相対向する建築物に固着することを特徴とする建築構造物の制振装置。
4. 請求項１または２記載の２方向制振装置を、建築物における柱と上下の梁で囲まれる構面内に配置したうえ、前記第１と第２の取付プレートを上下梁に固着し、または相対向する柱に固着したことを特徴とする建築構造物の制振装置。

Images