JP5530335B2

JP5530335B2 - アクティブ免震装置、及びアクティブ免震構造

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Publication number: JP5530335B2
Application number: JP2010243510A
Authority: JP
Inventors: 雅史山本; 孝行曽根; 和廣鈴木; 敏一猪口
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012097767A

Description

本発明は、地震等により構造物に生じる揺れを低減するアクティブ免震装置、及びアクティブ免震構造に関する。

アクチュエータやセミアクティブダンパー等の免震装置により、構造物に発生する地震時の揺れを制御し低減する免震構造において、地震後に残留変形が生じた場合、構造物を原位置へ復帰させることが求められる。

モータ駆動式のアクチュエータを免震装置とし、このアクチュエータによって構造物を原位置へ復帰させようとする場合、構造物を移動させるためにモータを高トルクで回転させる必要があり、また、構造物に発生する揺れを制御するためにモータを高速で回転させる必要がある。そして、このような高トルクで高回転の大きなパワーのモータを製作するのは難しい。

一方、ストローク変位に対する油圧抵抗や摩擦抵抗等によって、構造物に対して受動的に抵抗力を作用させるセミアクティブダンパーは、構造物に対して能動的に力を作用させることができないので、構造物を原位置へ復帰させることができない。特許文献１には、基礎免震層にセミアクティブダンパーが設けられた免震構造が開示されている。

特開２０１０−１８９９２２号公報

本発明は係る事実を考慮し、地震等により構造物に発生する揺れを低減するとともに、残留変形を生じた構造物を移動させることが可能なアクティブ免震装置、及びアクティブ免震構造を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、下部構造物の上に水平免震支持された上部構造物に発生する揺れを制御するアクティブ免震装置において、前記下部構造物又は前記上部構造物に回転可能に設けられたねじ軸と、前記上部構造物又は前記下部構造物に設けられ、前記ねじ軸が捩じ込まれ貫通するナット部と、前記ねじ軸へ回転力を伝達する第１駆動装置と、前記第１駆動装置が前記ねじ軸へ伝達する回転力よりも大きな回転力を前記ねじ軸へ伝達する第２駆動装置と、前記第２駆動装置から前記ねじ軸へ回転力を伝達又は伝達解除する力伝達装置と、を有するアクティブ免震装置である。

請求項１に記載の発明では、第１駆動装置からねじ軸へ回転力を伝達し、ねじ軸の回転運動をナット部の直線運動に変換して上部構造物へ制御力を作用させることにより、地震等によって上部構造物に発生する揺れを低減することができる。

また、第１駆動装置からねじ軸へ伝達する回転力よりも大きな回転力を第２駆動装置からねじ軸へ伝達し、ねじ軸の回転運動をナット部の直線運動に変換して上部構造物へ移動力を作用させることにより、残留変形を生じた上部構造物を移動させて原位置へ復帰させることができる。

請求項２に記載の発明は、下部構造物の上に上部構造物を水平免震支持する免震支承と、前記下部構造物又は前記上部構造物に回転可能に設けられたねじ軸と、前記上部構造物又は前記下部構造物に設けられ、前記ねじ軸が捩じ込まれ貫通するナット部と、前記ねじ軸へ回転力を伝達する第１駆動装置と、前記第１駆動装置が前記ねじ軸へ伝達する回転力よりも大きな回転力を前記ねじ軸へ伝達する第２駆動装置と、前記第２駆動装置から前記ねじ軸へ回転力を伝達又は伝達解除する力伝達装置と、を有するアクティブ免震構造である。

請求項２に記載の発明では、免震支承によって下部構造物の上に上部構造物を水平免震支持するアクティブ免震構造において、請求項１と同様の効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、前記ねじ軸、前記ナット部、前記第１駆動装置、前記第２駆動装置及び前記力伝達装置により構成されるアクティブ免震装置が、平面２軸方向へそれぞれ配置されているアクティブ免震構造である。

請求項３に記載の発明では、アクティブ免震装置が、平面２軸方向へそれぞれ配置されているので、地震等により上部構造物に発生する平面２軸方向の揺れを低減するとともに、上部構造物を平面２軸方向へ移動させることができる。

本発明は上記構成としたので、地震等により構造物に発生する揺れを低減するとともに、残留変形を生じた構造物を移動させることが可能なアクティブ免震装置、及びアクティブ免震構造を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るアクティブ免震構造を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係るセミアクティブダンパーを示す説明図である。本発明の第１の実施形態に係るアクティブ免震装置を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係るアクティブ免震構造の変形例を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係るアクティブ免震構造の変形例を示す正面図である。本発明の第２の実施形態に係るアクティブ免震構造を示す正面図である。本発明の第１の実施形態に係る移動機構９０を示す拡大図である。

図を参照しながら、本発明のアクティブ免震装置、及びアクティブ免震構造を説明する。なお、本実施形態では、鉄筋コンクリート造の建築物に本発明を適用した例を示すが、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造、ＣＦＴ造（Concrete-Filled Steel Tube：充填形鋼管コンクリート構造）、それらの混合構造など、さまざまな構造や規模の建築物に対して適用することができる。

まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１の立面図に示すように、建築物１０は、地盤１２上に設けられた下部構造物としての鉄筋コンクリート造の基礎１４と、上部構造物としての鉄筋コンクリート造の上部建物１６とを有している。

基礎１４と上部建物１６との間の基礎免震層１８には、基礎１４上に上部建物１６を水平免震支持する免震支承としての直動転がり支承２０が設置されている。また、基礎免震層１８には、セミアクティブダンパー２２とアクティブ免震装置２４とが設けられている。すなわち、建築物１０の基礎免震層１８には、直動転がり支承２０、セミアクティブダンパー２２、及びアクティブ免震装置２４を有するアクティブ免震構造２６が構築されており、セミアクティブダンパー２２及びアクティブ免震装置２４によって、基礎１４上に水平免震支持された上部建物１６に発生する揺れを制御する。

ここで、アクティブ免震構造とは、外部からの直接的な力の入力により建物の振動を制御する免震構造を意味し、図１のアクティブ免震構造２６では、アクティブ免震装置２４により上部建物１６へ作用させる制御力が、「外部からの直接的な力」となる。

直動転がり支承２０は、基礎１４の上面に設けられた支持台５０の上面に取り付けられたレール５２と、上部建物１６の下面に設けられた脚部材７８の下面に取り付けられレール５２上を滑る移動ブロック５４とを有する滑り装置であり、基礎１４の上に上部建物１６を支持するとともに、レール５２と移動ブロック５４との間に生じる摩擦力よりも大きな水平力が上部建物１６に作用したときに、基礎１４に対して上部建物１６を相対移動させる。なお、直動転がり支承には、いわゆるベアリングを内蔵したブロック（滑動体）をレール上で動かすリニアスライダーが含まれる。

セミアクティブダンパー２２は、図２の断面図に示すように、ロッド２８、３０と連動するピストン３２のシリンダー４４内の移動に伴って部屋３４又は部屋３６から排出されたオイルが、油圧管３８、４０を通って部屋３６又は部屋３４に流入する際の流れ抵抗をセミアクティブダンパー２２の抵抗力として上部建物１６に付与する。

また、サーボ弁４２の弁の開口面積（サーボ弁４２内を流れるオイルの流路の大きさ）を変更することによってオイルの流れ抵抗を変え、これによって、セミアクティブダンパー２２の抵抗力を調整することができる。

なお、図２は、セミアクティブダンパー２２の原理を説明するために示したモデル図であり、説明の都合上、図２で示したロッド２８が図１では省略されている。図１では、図２で示したシリンダー４４の左側の端部が上部建物１６の下部に接続され、ロッド３０の右側の端部が基礎１４の上部に接続されていることになる。

アクティブ免震装置２４は、図３の正面図に示すように、アクチュエータ４６と構造物移動用ユニット４８とによって構成されている。アクチュエータ４６は、ねじ軸としてのボールねじ５６、ナット部５８、及び第１駆動装置としての高速モータ６０を備えている。ボールねじ５６は、基礎１４上に設置された軸受け６２、６４に両端部を回転可能に支持されている。ナット部５８は、上部建物１６の下面に固定され、ボールねじ５６が捩じ込まれて貫通している。高速モータ６０は、ボールねじ５６の一方の端部に出力軸６６が接続され、ボールねじ５６に回転力を伝達する。

構造物移動用ユニット４８は、第２駆動装置としての低速モータ６８、及び力伝達装置としてのクラッチ７０を備えている。低速モータ６８は、モータ７２と減速機７４とによって構成されており、モータ７２から得られる回転速度を減速機７４により減らして、高速モータ６０がボールねじ５６に伝達する回転力よりも大きな回転力を出力軸７６から出力させることができる。クラッチ７０は、低速モータ６８の出力軸７６から得られる回転力をボールねじ５６の他方の端部に伝達したり、又はこの伝達を解除したりすることができる。

次に、本発明の第１の実施形態の作用及び効果について説明する。

第１の実施形態のアクティブ免震装置２４及びアクティブ免震構造２６では、図１〜３に示すように、通常は、クラッチ７０を操作して低速モータ６８からボールねじ５６への回転力の伝達を解除した（低速モータ６８からボールねじ５６への回転力が伝達されない）状態にしておく。そして、地震等により上部建物１６に発生する揺れに対して、アクチュエータ４６により上部建物１６へ制御力を作用させる。

アクチュエータ４６により上部建物１６へ作用させる制御力は、高速モータ６０からボールねじ５６へ回転力を伝達し、ナット部５８にボールねじ５６が捩じ込まれたねじ構造により、ボールねじ５６の回転運動をナット部５８の直線運動に変換して生じさせる。

また、上部建物１６が揺れると、セミアクティブダンパー２２のシリンダー４４が上部建物１６と連動して移動するので、上部建物１６に付与する抵抗力がセミアクティブダンパー２２に生じる。

これらにより、地震等により上部建物１６に発生する揺れを低減することができる。なお、アクチュエータ４６に行わせる振動制御の制御則は、地震等により上部建物１６に発生する揺れを、上部建物１６へ制御力を作用させることによって低減できるものであれば、どのような制御則を用いてもよい。

また、上部建物１６を移動させる際には、クラッチ７０の操作により低速モータ６８の回転力がボールねじ５６へ伝達される状態にし、低速モータ６８により上部建物１６へ移動力を作用させる。

低速モータ６８により上部建物１６へ作用させる移動力は、低速モータ６８からボールねじ５６へ回転力を伝達し、ナット部５８にボールねじ５６が捩じ込まれたねじ構造により、ボールねじ５６の回転運動をナット部５８の直線運動に変換して生じさせる。

ここで、低速モータ６８は、高速モータ６０がボールねじ５６へ伝達する回転力よりも大きな回転力をボールねじ５６へ伝達することができるので、低速モータ６８により上部建物１６へ作用させる移動力によって上部建物１６を移動させることができる。これにより、残留変形を生じた上部建物１６を原位置へ復帰させることができる。

低速モータ６８によりボールねじ５６を回転させる場合、高速モータ６０の出力軸６６は、ゆっくり回転するので抵抗にならない。よって、クラッチによってボールねじ５６から高速モータ６０へ回転力が伝達されないようにしなくてもよい。なお、クラッチを設けてボールねじ５６から高速モータ６０への回転力の伝達を遮断してもよい。このようにすれば、低速モータ６８からボールねじ５６への回転力の伝達効率を高めることができる。

また、高速モータ６０により上部建物１６へ作用させる制御力は、静止した状態の上部建物１６を移動させる移動力よりも小さな力（例えば、レール５２と移動ブロック５４との間に生じる摩擦力よりも小さい力）でよいので、高速モータ６０からボールねじ５６へ伝達する回転力は小さくてよい。また、低速モータ６８によって上部建物１６を速いスピードで移動させなくてもよいので、低速モータ６８からボールねじ５６へ伝達する回転運動の回転速度は小さくてよい。

よって、高速モータ６０及び低速モータ６８のパワーは、回転力と回転速度との積に比例するので、高速モータ６０及び低速モータ６８をパワーの小さい装置にすることができ、高速モータ６０及び低速モータ６８の製作を可能にするとともに、装置コストや運転コスト等の設備費を低く抑えることができる。

例えば、高速モータ６０の回転力を低速モータ６８の回転力の０．０５〜０．２倍とし、高速モータ６０のパワーを低速モータ６８のパワーの１０倍とすると、高速モータ６０の回転速度は低速モータ６８の回転速度の５０〜２００倍となり十分に実現可能な値となる。

また、例えば、高速モータ６０の回転力を低速モータ６８の回転力の０．０５〜０．２倍とし、高速モータ６０の回転速度を低速モータ６８の回転速度の１００倍とすると、高速モータ６０のパワーは低速モータ６８のパワーの５〜２０倍となり十分に実現可能な値となる。

なお、高速モータ６０の回転力を低速モータ６８の回転力の０．１倍とし、高速モータ６０の回転速度を低速モータ６８の回転速度の１００倍とすると、高速モータ６０のパワーは低速モータ６８のパワーの１０倍となり、経済性に適した値となるので好ましい。

また、ボールねじ５６の径は、回転による共振や強度上の問題から、一般に、ボールねじ５６に生じる回転力と回転速度とに比例させて大きくしなければならない。しかし、高速モータ６０から伝達される回転運動は高速であるが回転力は小さく、また、低速モータ６８から伝達される回転運動の回転力は大きいが低速であるので、ボールねじ５６の径を過大にしなくてもよい。

また、セミアクティブバンパー２２は、アクチュエータ４６とほぼ同様の免震効果を上部建物１６に対して発揮させることができ、油圧式のアクチュエータのように油圧ポンプ等の付帯設備を必要としないので、低コスト化を図ることができる。よって、図１に示したアクティブ免震構造２６の構成にすれば、免震性能を低下させることなく、アクティブ免震構造の設備コストを低く抑えることができる。

また、滑り装置を直動転がり支承２０とすることにより、レール５２に対して移動ブロック５４が相対移動するときの抵抗力（レール５２と移動ブロック５４との間に生じる摩擦力）を小さくできるので、免震効果（上部建物１６に発生する揺れを低減する効果）の高いアクティブ免震構造２６を構築することができる。

以上、本発明の第１の実施形態について説明した。

なお、第１の実施形態では、ボールねじ５６を基礎１４に回転可能に設け、ナット部５８を上部建物１６に設けた例を示したが、ボールねじ５６を上部建物１６に回転可能に設け、ナット部５８を基礎１４に設けてもよい。

また、第１の実施形態では、セミアクティブダンパー２２及びアクティブ免震装置２４を基礎免震層１８に配置したアクティブ免震構造２６の例を示したが、図４、５の立面図に示すように、セミアクティブダンパー２２をアクチュエータ４６やアクティブ免震装置２４としてもよい。また、図４のアクチュエータ４６を油圧式等の他の機構のアクチュエータにしてもよい。

また、第１の実施形態では、セミアクティブダンパーを油圧式のセミアクティブダンパー２２とした例を示したが、セミアクティブダンパーは、このセミアクティブダンパーのストローク変位量の増分方向（ストローク速度方向）と反対の方向へ抵抗力を作用させることができこの抵抗力を所定の値に変更できる装置であればよく、オイルを送る流路に設けられたオリフィスの面積を変えたり、流路に設けられた弁を切換えたりすることによって抵抗力を変更する方式のオイルダンパーや、摩擦板への押し付け力を変化させて抵抗力を変更する方式の摩擦ダンパー等のセミアクティブダンパーとしてもよい。

また、基礎免震層にアクチュエータのみが配置されたフルアクティブ免震構造において、上部建物を移動させる十分な力がアクチュエータによって得られない場合には、このアクチュエータと第１の実施形態のアクティブ免震装置２４とを基礎免震層に併設してもよい。

また、第１の実施形態では、高速モータ６０の出力軸６６と低速モータ６８の出力軸７６とが、共通のボールねじ５６の両端に接続されている例を示したが、高速モータ６０の出力軸６６と低速モータ６８の出力軸７６とは、共通のボールねじに接続されて回転力を伝達できれば、どのように配置されてもよい。例えば、ウォームとウォームホィールとによるウォームギア構造を用いて、ボールねじの材軸方向と、高速モータ６０や低速モータ６８の出力軸の軸方向とが略直交するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態とその作用及び効果について説明する。

第２の実施形態は、第１の実施形態の基礎免震層１８を２層にしたものである。したがって、第２の実施形態の説明において、第１の実施形態と同じ構成のものは、同符号を付すると共に、適宜省略して説明する。

図６の立面図に示すように、第２の実施形態のアクティブ免震構造８０では、基礎免震層８２の上に上部建物１６が支持されている。基礎免震層８２は、下部免震層８４と上部免震層８６とによって構成されている。下部免震層８４は、基礎１４の上に上部免震層８６を水平免震支持し、上部免震層８６は、下部免震層８４の上に上部建物１６を水平免震支持している。

下部免震層８４及び上部免震層８６には、図１で示した基礎免震層１８と同様に、セミアクティブダンパー２２とアクティブ免震装置２４とが配置されている。なお、説明の都合上、図６の上部免震層８６には、セミアクティブダンパー２２が省略されている。

下部免震層８４及び上部免震層８６には、下部免震層８４が上部免震層８６を水平免震する方向と、上部免震層８６が上部建物１６を水平免震する方向とが略直交するように、セミアクティブダンパー２２とアクティブ免震装置２４とがそれぞれ配置されている。すなわち、アクティブ免震装置２４が、平面２軸方向へそれぞれ配置されている。

よって、第２の実施形態のアクティブ免震構造８０では、地震等により上部建物１６に発生する平面２軸方向の揺れを低減するとともに、上部建物１６を平面２軸方向へ移動させることができる。

以上、本発明の第２の実施形態について説明した。

なお、第２の実施形態では、図１で示した基礎免震層１８と同様に、セミアクティブダンパー２２とアクティブ免震装置２４とを下部免震層８４及び上部免震層８６に配置した例を示したが、図４、５で示した基礎免震層１８と同様に、アクチュエータ４６やアクティブ免震装置２４を下部免震層８４及び上部免震層８６に配置してもよいし、これらの構成を組み合わせてもよい。例えば、図１で示した基礎免震層１８と同様に、セミアクティブダンパー２２とアクティブ免震装置２４とを下部免震層８４に配置し、図５で示した基礎免震層１８と同様に、アクティブ免震装置２４を上部免震層８６に配置してもよい。

また、第２の実施形態では、直交する平面２軸方向への上部建物１６の揺れ及び移動に対応可能なアクティブ免震構造８０の例を示したが、第１の実施形態の図１、４、５で示したような、平面１軸方向への上部建物１６の揺れ及び移動に対応可能なアクティブ免震構造においては、図７の拡大図に示すように、ボールねじ５６の材軸方向と略直交する水平方向へのボールねじ５６の移動を許容する移動機構９０を設けるのが好ましい。移動機構９０では、ボールねじ５６の材軸方向と略直交する水平方向へ移動可能に、上部建物１６の下面に固定された長尺のスライドレール８８にナット部５８が支持されている。なお、図７の移動機構９０は、ボールねじ５６の材軸方向と略直交する水平方向へのボールねじ５６の移動を許容する機構の一例を示したものであり、このような動きを実現できるものであれば、実用性を考慮して他の機構を採用してもよい。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明した。

なお、第１及び第２の実施形態では、免震支承を直動転がり支承２０とした例を示したが、基礎１４の上に上部建物１６を支持するとともに基礎１４に対する上部建物１６の相対移動を可能とするものであればよく、転がり支承、滑り支承、積層ゴム等を用いてもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、基礎免震層１８、８２にアクティブ免震構造２６、８０を構築した例を示したが、アクティブ免震構造２６、８０は、中間免震層に構築してもよい。

また、第１及び第２の実施形態で示したセミアクティブダンパー２２、アクティブ免震装置２４、アクチュエータ４６の数や配置は、上部建物１６の規模や形状、対象とする地震力等に応じて適宜決めればよい。また、第１及び第２の実施形態の基礎免震層１８、８２に、セミアクティブダンパー２２やアクチュエータ４６と異なる機構のセミアクティブダンパーやアクチュエータを併設してもよいし、油圧ダンパー、鋼製ダンパー、粘性ダンパー、積層ゴム等の減衰装置を併設してもよい。

また、第１及び第２の実施形態で示した低速モータ６８（モータ７２、減速機７４）やクラッチ７０が故障した際に人力で操作（上部建物１６を移動）できるように、ボールねじ５６を手動で回転させるためのハンドルが取り付けられるようにしてもよい。

また、第１及び第２の実施形態で示したクラッチ７０は、手動クラッチ、電動クラッチ、電磁クラッチ等のどのような機構のクラッチであってもよい。例えば、クラッチ７０を、モータ駆動により自動で回転力の伝達と伝達解除との切換が可能な電動クラッチにして、地震がおさまった後に上部建物１６の位置を自動計測し、許容値よりも大きな残留変形である場合にクラッチ７０を自動で作動させて低速モータ６８の回転力をボールねじ５６へ伝達するようにしてもよい。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものでなく、第１及び第２の実施形態を組み合わせて用いてもよいし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１４基礎（下部構造物）
１６上部建物（上部構造物）
２０直動転がり支承（免震支承）
２４アクティブ免震装置
２６、８０アクティブ免震構造
５６ボールねじ（ねじ軸）
５８ナット部
６０高速モータ（第１駆動装置）
６８低速モータ（第２駆動装置）
７０クラッチ（力伝達装置）

Claims

下部構造物の上に水平免震支持された上部構造物に発生する揺れを制御するアクティブ免震装置において、
前記下部構造物又は前記上部構造物に回転可能に設けられたねじ軸と、
前記上部構造物又は前記下部構造物に設けられ、前記ねじ軸が捩じ込まれ貫通するナット部と、
前記ねじ軸へ回転力を伝達する第１駆動装置と、
前記第１駆動装置が前記ねじ軸へ伝達する回転力よりも大きな回転力を前記ねじ軸へ伝達する第２駆動装置と、
前記第２駆動装置から前記ねじ軸へ回転力を伝達又は伝達解除する力伝達装置と、
を有するアクティブ免震装置。
下部構造物の上に上部構造物を水平免震支持する免震支承と、
前記下部構造物又は前記上部構造物に回転可能に設けられたねじ軸と、
前記上部構造物又は前記下部構造物に設けられ、前記ねじ軸が捩じ込まれ貫通するナット部と、
前記ねじ軸へ回転力を伝達する第１駆動装置と、
前記第１駆動装置が前記ねじ軸へ伝達する回転力よりも大きな回転力を前記ねじ軸へ伝達する第２駆動装置と、
前記第２駆動装置から前記ねじ軸へ回転力を伝達又は伝達解除する力伝達装置と、
を有するアクティブ免震構造。
前記ねじ軸、前記ナット部、前記第１駆動装置、前記第２駆動装置及び前記力伝達装置により構成されるアクティブ免震装置が、平面２軸方向へそれぞれ配置されている請求項２に記載のアクティブ免震構造。