JP5781387B2 - 減震装置 - Google Patents
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Description
この免震構造の原理は、鉛直方向に保護対象機器を支持しつつ水平方向に柔軟に変位可能なアイソレータやスライドレール等の免震機構を設置し、上記免震機構が水平方向に移動することにより、地震の震動が保護対象機器に伝わらないようにするものである(例えば、特開2001−124139号公報参照)。
これに対し上記の免震構造の場合には、衝撃に弱い部品を内蔵した機器の保護に適しているが、免震機構が水平方向に移動することにより、地震の震動が機器に伝わらないようにする仕組みであることから、大地震に対応するためには免震機構の移動可能距離を大きく確保しておく必要があり、工場等の限られた空間内に多数の機器を設置している場合等には適用困難であった。
もちろん、限られた隙間を活用するものであるため、単一の減衰機構では十分な減衰効果を上げられない可能性があるが、複数の減衰機構を組み合わせることにより、装置全体として実用上十分な減衰効果を確保することができる。
上記の通り、地震による振動から機器を保護するための従来の主な対策としては、地震による振動を限りなくゼロに近づける「免震」と、機器自体あるいはその収納体等の強度を向上させる「耐震」とが存在していたが、この発明が提案する「減震」は、これら既存技術の中間に位置付けられる。
この多段化には、同一種類のエネルギー消費機能間で多段化することはもちろん、複数の種類のエネルギー消費機能の組合せで多段化することも含まれている。
保護対象機器側の挙動が時間の経過に伴って変化する場合(例えば、機器の水平運動から引き抜き上下運動に変化する場合)には、順次、エネルギー消費部及び消費方法を変えていくという多段化も可能となる。
想定される地震の規模に合わせて、作動するエネルギー消費機能を段階的に遷移させることもできる。
まず、運動しているものはすべて、「入力E(エネルギー)=出力E」という釣合い条件、すなわちエネルギー保存則が成り立つ。
ここで、対象機器に対して何らの減震対策を講じない場合、図1(a)に示すように、入力総Eに対しては材料減衰E(通常数%程度)しか減衰要因として機能せず、残りの大部分は弾性変形Eとして作用する結果、対象機器に対して大きな損傷を与えることとなる。
これに対し、この発明に係る減震対策を施すことにより、図1(b)に示すように、減震消費E分が材料減衰Eにプラスして機能することとなり、その分、弾性変形Eを大幅に低減することが可能となる。
以下、この発明に係る減震装置に応用可能なエネルギー消費機能の具体例を説明する。
これは、地震用弾性機構(弾性素材、各種バネ類)を設けることにより、衝撃加速度のピークを低減することを意味する。
(1) 移動距離拡大によるエネルギー消費の促進
これは、地震時に隙間おける移動距離を人為的に拡大することにより、消費運動エネルギーを大きくする機能であり、梃子やローラー、滑車、車輪等の原理を応用したものである。
このように、振動を受けた際に第1の部材10と第2の部材11が別個独立して移動するような仕掛けを講じることにより、隙間16におけるトータルの移動距離が2倍となり、その分、消費エネルギーを稼ぐことが可能となる。
これは、例えば線状運動エネルギーを回転エネルギー等へ変換する過程で、エネルギー消費量の拡大を図るものであり、梃子やねじの原理の応用である。
以上のように、揺動板22の回動及び揺動板22と第1の部材20間の摩擦力により、消費エネルギー量が増大することとなる。
これは、2つの球体衝突理論より、大きい質量体は動かない原理を応用したものであり、機械下に重量剛板(RC板や鉄板)を敷いてから防振装置を支持することなどが該当する。
これは、抵抗要素を用いることにより、強震応答で支配的な1次振動モードを撹乱するものであり、例えばガタ構造(部材間の隙間)を積極的に活用することで撹乱したり、水槽内にスロッシング(水流抵抗板)を設けて撹乱することなどが該当する。
これは、伝搬面積や伝搬距離が大きいと波動エネルギーの逸散が多いという原理を応用したものであり、防振架台の形状設計において寸法上の冗長性を付与することなどが該当する。
これは、防振架台にエネルギー放出特性の大きな素材(ウレタン、ゲル、アクリル、ポリマー、シリコン材等)を取り入れることなどが該当する。
これは、「硬いと揺れない」あるいは「軟いと振動伝達が少なくなる」という原理を応用したものであり、前者の例として「高剛性素材」によって防振架台を構成すること等が該当し、後者の例として「ハニカム構造を備えた素材」や「波板鋼板」を用いて保護対象機器を構成することなどが該当する。
(1) 揺らせ構造によるエネルギー放出
これは、対象機器をバネ等を用いて揺らせることにより、弾性エネルギーを放出するものである。
(2) ガタ構造によるエネルギー放出
これは、数多くの部品間摩擦を用いてエネルギーを放出するものである。
(3) エネルギー転化によるエネルギー放出
これは、外部質量体にエネルギーを転化することによってエネルギーを放出するものであり、例えば衝突ダンパを設置することが該当する。
(1) 移動要素による減衰
これは、移動距離中(運動中)に減衰機能を設けることにより、エネルギー散逸量の拡大を図るものである。
(2) 減衰要素による減衰
これは、粘性摩擦力や滑り摩擦力を利用してエネルギーの減衰を図るものである。前者の例として、オイルダンパ等を設けることが該当する。また後者の例としては、複数の皿バネを積層させた構造や、部材間に滑りシートを介装させることなどが該当する。
これは、大地震であっても装置全体に被害が及ばないように、局所的に破損させる箇所を事前に設けておくものである。
以上の動作を繰り返すことにより、地震による振動エネルギーは各クラッシャブルピン31の曲げ変形を通じて吸収される。また、振動によるエネルギー入力が一定限度を超えた時点で、各クラッシャブルピン31は破断することになる。
なお、車の衝突と異なり、地震の揺れは何度も繰り返すため、変形制限範囲内で繰返し変形に耐え得る素材(例えば低降伏点鋼材)を用いてクラッシャブル部材を構成することが望ましい。
地震終息後には、破損したクラッシャブル部材を交換することにより、極めて容易に復旧することが可能となる。
また後述のように、この意図的な破損を次のより高度な減衰機構を発動させるためのトリガーとして利用することもできる。
これは、減震装置の設計に際し、弾性変形域→塑性変形域→破断などの損傷過程の遷移を明確に想定すると共に、人命に係わる重量支持ボルト等の最終損傷ヶ所については、想定外地震をも考慮して、部品レベルで十分な安全率を確保することを意味する。
この発明に係る減震装置の場合、部材間のわずかな隙間を利用してエネルギーの減衰を図るものであるため、十分な移動距離を確保することができず、単一の機構による消費エネルギー量には限界がある。
そこで、複数の減衰機構を盛り込んだ多段減衰機構を採用している。
この際、地震の規模(大地震/中地震/小地震)や対象機器等の挙動(機器の水平運動から引抜き上下運動などへの移動)に沿って、順次、エネルギー吸収部及び吸収方法を変えていくという多段機能を持たせることが望ましい。
この防振架台41は、建物の基礎42にアンカーボルト43によって強固に固定された下部架台44と、これと所定の間隙を隔てて対向配置された上部架台45とを備えている。
上部架台45と下部架台44との間には、内部に圧縮コイルバネ46を備えた吸振体47が介装されており、この吸振体47によって上部架台45が弾性支持されている。
この第1の揺れ防止ピン52の外周面と各貫通孔49, 51との間には、5mm程度の比較的小さな隙間(可動空間)が設けられている。
このボルト挿通孔53内には、管状の弾性材よりなる第1の減衰部材54が換装されている。
このボルト挿通孔53には第1のストッパーボルト55が挿通され、その先端部が下部架台44の対向面に形成されたネジ穴56に螺合されている。
第1のストッパーボルト55の外周面と第1の減衰部材54の内周面との間には、1.5cm程度の比較的大きな隙間が設けられている。
第1のストッパーボルト55の頭部57とボルト挿通孔53との間には、つば広のワッシャ58が介装されている。
上部架台45の上縁部59、滑りシート60及び取付脚部61には、それぞれの対応箇所にボルト挿通孔59a, 60a, 61aが形成されており、各ボルト挿通孔59a, 60a, 61aには、管状の弾性材よりなる第2の減衰部材62が換装されている。
第2のストッパーボルト63の外周面と第2の減衰部材62の内周面との間には、7mm程度の隙間が設けられている。
この第2の揺れ防止ピン65の外周面と各貫通孔59b, 60b, 61bとの間には、5mm程度の隙間が設けられている。
また上記吸振体47は、枠体の各辺に2個ずつ装着されており、合計8個の吸振体47によって上部架台45は下部架台44上に弾性支持されている。
この際、第2のストッパーボルト63と第2の減衰部材62間の距離にも変動は生じているが、両者間の隙間は第2の揺れ防止ピン65と各貫通孔59b, 60b, 61b間の隙間よりもが距離が長いため、接触することはない。
この場合も、第1のストッパーボルト55と第1の減衰部材54間の距離に変動が生じてはいるが、両者間の隙間は第1の揺れ防止ピン52と各貫通孔49, 51間の隙間よりもが距離が長いため、接触することはない。
また、間隙長の短い方の係合部材をクラッシャブルに構成しておくことで、当該係合部材が破損した時点で、間隙長の長い方の減衰機構を発動させることが可能となる。
また、地震による振動が継続した場合であっても、第1のストッパーボルト55及び第2のストッパーボルト63は想定される地震の震度を遙かに超える十分な強度が確保されているため、保護対象機器40が倒壊することはなく、人身事故の発生という最悪の事態は回避できる。
上部架台45と下部架台44との間には、内部に圧縮コイルバネ46を備えた吸振体47が介装されており、この吸振体47によって上部架台45が弾性支持されている。
この第1の揺れ防止ボルト70の外周面と各貫通孔49, 51との間には、5mm程度の比較的小さな隙間が設けられている。
このボルト挿通孔53内には、管状の第1の減衰部材54が換装されている。
このボルト挿通孔53には第1のストッパーボルト55が挿通され、その先端部が下部架台44の対向面に形成されたネジ穴56に螺合されている。
第1のストッパーボルト55の外周面と減衰部材54の内周面との間には、1.5cm程度の比較的大きな隙間が設けられている。
第1のストッパーボルト55の頭部57とボルト挿通孔53との間には、つば広のワッシャ58と複数枚の皿バネ73が介装されている。
上部架台45の上縁部59、滑りシート60及び取付脚部61には、それぞれの対応箇所にボルト挿通孔59a, 60a, 61aが形成されており、各ボルト挿通孔59a, 60a, 61aには管状の第2の減衰部材62が換装されている。
また、第2のストッパーボルト63の頭部74とボルト挿通孔59aとの間には、複数枚の皿バネ75が介装されている。
第2のストッパーボルト63の外周面と第2の減衰部材62の内周面との間には、7mm程度の隙間が設けられている。
このボルト挿通孔59b, 60b, 61bには、第2の揺れ防止ボルト76が挿通され、その先端部にはナット77が螺合されている。
この第2の揺れ防止ボルト76の外周面と各貫通孔59b, 60b, 61bとの間には、5mm程度の隙間が設けられている。
また、ナット77とボルト挿通孔59bとの間には、複数枚の皿バネ78が介装されている。
この際、各皿バネ71, 73, 75, 78は複数用意されており、相互間で滑り摩擦が生じるため、より効率的な減衰効果が期待できる。
楔受け部材81は弾塑性材よりなり、楔状部材80の先端部80aを受け入れるための凹部81aが設けられている。
保護対象機器40は、建物の基礎42の上に載置されているが、基礎42と保護対象機器40の底面との間には、滑りシート83が介装されている。
この結果、滑りシート83における滑り摩擦効果と、楔状部材80の先端部80a及び楔受け部材81の凹部81a間のブレーキ効果により、振動エネルギーが効果的に消費される。
また、保護対象機器40側に凹部81aを備えた楔受け部材81を固定すると共に、外部に楔状部材80を固定することもできる。
上記滑りシート83の代わりに、ころやベアリング等の滑り部材を用いることもできる。
保護対象機器40がスプリングを内蔵した吸振体等によって弾性支持されている場合には、これによって保護対象機器40の横移動が担保されるため、滑りシート83等の滑り部材を省略することができる。
この連通貫通孔80b, 86aには、固定ボルト88が挿通されており、この固定ボルト88の先端は、滑りシート83を貫通して基礎42に到達し、基礎42に設けられたネジ穴89に螺合されている。また、固定ボルト88と減衰部材87との間には、所定の隙間が設けられている。
同時に、保護対象機器40が左右に往復移動し、楔状部材80の先端部80aが楔受け部材81の凹部81a内に何度も圧入され、そのブレーキ効果によって振動エネルギーが消費される。
もちろん、滑りシート83における滑り摩擦効果によっても、振動エネルギーの消費が実現される。
11 第2の部材
12 ボルト
13 ナット
14 滑り部材
15 貫通孔
16 隙間
17 係止構造
20 第1の部材
21 第2の部材
22 揺動板
23 回動部材
24 ピン
25 係合孔
26 エネルギー変換構造
27 回転軸
30 第1の部材
31 クラッシャブルピン
32 第2の部材
33 貫通孔
34 クラッシャブル構造
35 隙間
40 対象機器
41 防振架台
42 基礎
43 アンカーボルト
44 下部架台
45 上部架台
46 圧縮コイルバネ
47 吸振体
48 下部架台の上縁部
49 貫通孔
50 上部架台の下縁部
51 貫通孔
52 第1の揺れ防止ピン
53 ボルト挿通孔
54 第1の減衰部材
55 第1のストッパーボルト
56 ネジ穴
57 第1のストッパーボルトの頭部
58 ワッシャ
59 上部架台の上縁部
59a, 60a, 61a ボルト挿通孔
59b, 60b, 61b 59a 貫通孔
60 滑りシート
61 対象機器の取付脚部
62 第2の減衰部材
63 第2のストッパーボルト
64 ナット
65 第2の揺れ防止ピン
70 第1の揺れ防止ボルト
71 皿バネ
72 ナット
73 皿バネ
74 第2のストッパーボルトの頭部
75 皿バネ
76 第2の揺れ防止ボルト
77 ナット
78 皿バネ
80 楔状部材
80a 楔状部材の先端部
81 楔受け部材
81a 楔受け部材の凹部
82 第1の楔状減衰機構
83 滑りシート
85 第2の楔状減衰機構
86 保護機器のフランジ
87 減衰材
88 固定ボルト
89 ネジ穴
Claims (10)
- 保護対象機器を載置固定し、地震時の振動エネルギーを減衰して保護対象機器の破壊を防止する減震装置であって、
上記保護対象機器の構成部材とこの装置の構成部材との隣接部、またはこの装置の複数の構成部材同士の隣接部に設けられた複数の隙間と、
上記の各隙間に設けられた振動エネルギー減衰機構を備え、
上記隙間の少なくとも一つが、一方の構成部材に設けられた貫通孔と他方の構成部材に設けられた貫通孔とを重ねた連通貫通孔と、当該連通貫通孔に挿通された係合部材との間に形成される隙間であり、
上記振動エネルギー減衰機構が、振動時に上記係合部材が上記連通貫通孔内面に繰り返し衝突することによる減衰機能を利用したものであることを特徴とする減震装置。 - 上記一方の構成部材と他方の構成部材との間に、滑り部材が介装されていることを特徴とする請求項1に記載の減震装置。
- 上記係合部材が、一方の構成部材の貫通孔から挿通され、他方の構成部材の貫通孔外において先端部にナットが螺合されたボルトよりなり、
このボルトの頭部と一方の構成部材との間に複数の皿バネが介装されていることを特徴とする請求項1または2に記載の減震装置。 - 保護対象機器を載置固定し、地震時の振動エネルギーを減衰して保護対象機器の破壊を防止する減震装置であって、
上記保護対象機器の構成部材とこの装置の構成部材との隣接部、またはこの装置の複数の構成部材同士の隣接部に設けられた複数の隙間と、
上記の各隙間に設けられた振動エネルギー減衰機構を備え、
上記隙間の少なくとも一つが、一方の構成部材に設けられた貫通孔に挿通され、その先端が他方の構成部材に螺合されたボルトと、上記貫通孔との間に形成される隙間であり、
上記振動エネルギー減衰機構が、振動時に上記ボルトが上記貫通孔の内面に繰り返し衝突することによる減衰機能を利用したものであることを特徴とする減震装置。 - 上記ボルトの頭部と一方の構成部材との間に複数の皿バネが介装されていることを特徴とする請求項4に記載の減震装置。
- 上記連通貫通孔内に弾性材よりなる減衰部材が配置されていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の減震装置。
- 保護対象機器を載置固定し、地震時の振動エネルギーを減衰して保護対象機器の破壊を防止する減震装置であって、
上記保護対象機器の構成部材とこの装置の構成部材との隣接部、またはこの装置の複数の構成部材同士の隣接部に設けられた複数の隙間と、
上記の各隙間に設けられた振動エネルギー減衰機構を備え、
上記隙間の少なくとも一つが、水平方向に相対移動する一方の構成部材と他方の構成部材との間に設けられた隙間であり、
上記振動エネルギー減衰機構が、一方の構成部材の対向面に回動自在に設けられた揺動体と、他方の構成部材の対向面に設けられた係合部材からなり、
他方の構成部材が水平方向に相対移動すると、上記係合部材が上記揺動体に当接してこれを回動させ、以て揺動体の端部が他方の構成部材の対向面に圧着する仕組みを備えていることを特徴とする減震装置。 - 想定外の震度の地震が発生した場合にも破損しない強度を備えたストッパーボルトによって、建造物の基礎に係合されると共に、
同じく想定外の震度の地震が発生した場合にも破損しない強度を備えたストッパーボルトによって、上記保護対象機器と係合されることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の減震装置。 - 保護対象機器及び建物基礎の何れか一方に固定された楔状部材と、
保護対象機器及び建物基礎の何れか他方に固定された、上記楔状部材の先端部を受け入れる凹部を備えた弾塑性材よりなる楔受け部材と、
上記保護対象機器と建物基礎との間に配置された滑り部材とを備え、
地震によって水平方向の振動を受けた際に、上記保護対象機器の往復移動により、上記楔状部材の先端部が上記凹部内に繰り返し圧入されることを特徴とする減震装置。 - 保護対象機器側に固定された上記楔状部材または楔受け部材には貫通孔が設けられると共に、当該貫通孔には弾性材よりなる減衰部材が換装されており、
この貫通孔には固定ボルトが挿通されると共に、その先端部が建物基礎に固定され、この固定ボルトと上記減衰部材の内面との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の減震装置。
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