JP6023005B2

JP6023005B2 - 制震装置

Info

Publication number: JP6023005B2
Application number: JP2013111089A
Authority: JP
Inventors: 亮水谷; 栗野　治彦; 治彦栗野; 田中　敬二; 敬二田中
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: JP2014227805A

Description

本発明は、ワイヤで吊り下げられた錘が振り子運動をすることで建物の振動を抑える制震装置に関する。

従来、このような分野の技術としては、特開平４−４３３５号公報がある。この公報には、４本の脚部と、４本の脚部の上端を連結する上枠と、上枠からワイヤによって吊り下げられたマスとを備えた振子式制震装置が開示されている。この振子式制震装置において、マスの上面はロッドによって上枠の下面と接続されており、ロッドの側面と脚部の側面との間には緩衝器（ダンパ）とバネが配置されている。この振子式制震装置では、地震で建物が揺れるとマスが振り子運動をすると共にダンパが伸縮するので建物の揺れが抑えられる。バネはロッドに対して放射状に４個設けられており、各バネのバネ定数を調整することによって、建物の揺れ方向に対応した固有周期の調整がなされている。

特開平４−４３３５号公報

しかしながら、前述したように各バネのバネ定数を調整して建物の固有周期を調整する場合、バネ定数が異なる複数のバネを配置するためのスペースが装置内部で必要となるので、装置内部の構成が複雑化するという課題があった。

本発明は、簡易な構成で周期の調整が行える制震装置を提供することを目的とする。

本発明の制震装置は、支持架構に吊材の上端が取り付けられ、吊材の下端が質量体に取り付けられた制震装置において、支持架構側及び質量体側の少なくとも一方には、第１の水平方向に平行に延在する吊材移動規制部が固定され、吊材移動規制部の間の溝部に吊材を挿通させることにより、第１の水平方向に吊材の移動を許容し、第１の水平方向に対して直交する第２の水平方向に吊材が当たって屈曲することで、吊材の移動が規制されることを特徴とする。

ところで、水平面上における建物の剛性や形状が建物の揺れ方向ごとに異なることに起因して、地震が発生した場合における建物の固有周期も揺れ方向ごとに異なる。例えば、一方の揺れ方向における建物の剛性が高く他方の揺れ方向における建物の剛性が低い場合には、一方の揺れ方向における建物の固有周期が短くなると共に他方の揺れ方向における建物の固有周期が長くなる。また、質量体を振り子運動させて建物の揺れを抑える制震装置で揺れを効果的に抑えるには、質量体の固有周期を建物の固有周期に合わせることが好ましい。よって、揺れ方向ごとに異なる建物の固有周期に、揺れ方向ごとに質量体の固有周期を合わせれば、建物の揺れをより効果的に抑えることが可能となる。また、一般的に、質量体の固有周期を変えるには、質量体の振れる長さを変えればよい。

上記のような事情を踏まえて本発明の制震装置では、支持架構側及び質量体側の少なくとも一方に、第１の水平方向に平行に延在する吊材移動規制部が固定されており、この吊材移動規制部の溝部に、支持架構から質量体を吊る吊材が挿通されている。この吊材は、吊材移動規制部の溝部の中において、第１の水平方向への移動は許容されるが、吊材が吊材移動規制部に当たって屈曲することにより第２の水平方向への移動は規制される。よって、吊材移動規制部で吊材の移動が第２の水平方向に規制される分、第２の水平方向における吊材の振れる長さは、第１の水平方向における吊材の振れる長さよりも短くなっている。従って、第２の水平方向における質量体の固有周期は、第１の水平方向における質量体の固有周期よりも短くなっている。このように第１の水平方向と第２の水平方向とで吊材の振れる長さを変えることによって、第１の水平方向と第２の水平方向とで質量体の固有周期を変えることができる。以上のように、本発明の制震装置では、簡易な構成をもって制震を図ることができる。

また、吊材移動規制部における吊材に対向する当接面は、鉛直方向における基端側から先端側に向かうに従って溝部の幅が広がるように形成されている。
ここで、仮に吊材移動規制部における吊材に対向する当接面の先端側が角張っている場合、吊材が第２の水平方向に移動しようとすると、吊材が角張っている部分に当接することで吊材が損傷してしまう虞がある。しかしながら、本発明においては、吊材移動規制部における吊材に対向する当接面が、先端側に向かうに従って溝部の幅が広がるように形成されている。よって、吊材が第２の水平方向に移動しようとしても、吊材は、吊材移動規制部の当接面に滑らかに接触することとなるので、吊材の摩耗を確実に防止することができる。

また、吊材移動規制部は、支持架構の下面及び質量体の上面の少なくとも一方に固定された支持台によって支持されており、吊材は、支持台を上下に貫通している。
上記の制震装置では、支持架構の下面及び質量体の上面の少なくともいずれか一方に固定された支持台で吊材移動規制部が支持されており、支持台に対して吊材が上下に貫通している。また、支持架構及び質量体に対する支持台の高さを高くすると第２の水平方向における吊材の振れる長さが短くなり、支持架構及び質量体に対する支持台の高さを低くすると第２の水平方向における吊材の振れる長さが長くなる。このように支持台の高さを変えることで第２の水平方向における吊材の振れる長さを調整することができるので、第２の水平方向における質量体の固有周期を簡単に変えることができる。

本発明によれば、簡易な構成で周期の調整を行うことができる。

本発明に係る制震装置の一実施形態を示す側面図である。ワイヤの端部近傍を拡大させた側面図である。建物が揺れたときの制震装置の動きを説明する側面図である。図１の制震装置におけるワイヤ移動規制部を示す斜視図である。ワイヤ移動規制部を示す断面図である。ワイヤの端部を支持する支持構造の変形例を示す側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る制震装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示されるように、建物Ｓの屋上に設置されて地震や風による建物Ｓの揺れを抑える制震装置は、ワイヤ（吊材）２に吊り下げられた錘（質量体）３とオイルダンパ４とを備えた振り子式のＴＭＤ（Tuned Mass Damper）である。制震装置１では、建物Ｓが揺れたときに錘３が振り子運動し、錘３の振動エネルギーはオイルダンパ４によって減衰される。これにより建物Ｓの振動を減衰させることができる。この制震装置１は、建物Ｓから上方に延在する柱５Ａと、柱５Ａの上端を架け渡す梁５Ｂとを備えた支持架構５を備えており、錘３は、支持架構５の梁５Ｂから下方に延びる複数のワイヤ２で吊り下げられている。そして、複数のオイルダンパ４は、錘３の側面と支持架構５における柱５Ａの側面との間を架け渡すように設置され、オイルダンパ４の両端は、錘３と支持架構５の柱５Ａにそれぞれ取り付けられている。

図２及び図３に示されるように、錘３の揺れ時にワイヤ２を支持するための構造１００において、梁５Ｂにはワイヤ２の上端が取り付けられている。この取付けに当たって、受圧部材１０が利用される。この受圧部材１０には、ワイヤ２の上端が貫通する吊材挿通孔１１が形成され、この吊材挿通孔１１を形成する壁面１１ａは、上下方向に延在すると共に、下方に行くに従って徐々に広がるような円弧の回転体形状を有している。そして、錘３の揺れに際して、ワイヤ２は壁面１１ａに沿って変形する。

受圧部材１０は、樹脂又は金属からなる円柱形状をなすと共に、吊材挿通孔１１を含んで上下方向に延在する分割面をもって分割されている。つまり、受圧部材１０は、第１の受圧半部１０Ａと第２の受圧半部１０Ｂとからなる。このような構成を採用すると、支持架構５の梁５Ｂにワイヤ２を吊り下げた状態で、第１の受圧半部１０Ａと第２の受圧半部１０Ｂとを分割面で合わせるようにして、吊材挿通孔１１内にワイヤ２をセットすることができる。このような作業は、ワイヤ２に受圧部材１０を容易に取り付けることができ、受圧部材１０の取付け作業性の向上や交換の容易性が図られている。また、ワイヤ２を吊り下げたまま受圧部材１０の交換が可能になる。

このような受圧部材１０は、ケース１２内に収容される。ケース１２は、支持架構５の梁５Ｂの下面に固定されると共に、受圧部材１０を下から挿入する開口部を有する円筒状のケース本体と、ケース１２の上端に配置されて梁５Ｂの下面に当接すると共に、支圧ソケット１７が挿通可能な開口部１２ｂを有するフランジ部１４とを有している。

なお、ケース１２の下端には、ケース１２に形成された開口部を塞ぐ着脱自在な受圧部材用脱落防止部材（不図示）が取り付けられている。この脱落防止部材は、ケース１２の下端から内方に突出する部材であれば、リング状の部材であっても、複数の爪形状の部材であっても良い。なお、脱落防止部材がリング状の場合は、着脱を容易にするために分割されている。このような構成を採用すると、ケース１２から脱落防止部材を取り除くことで受圧部材１０をケース１２の開口部から下方へ取り出すことができる。これによって、受圧部材１０における吊材挿通孔１１の壁面１１ａが長期の使用により摩耗した場合でも、受圧部材１０自体の交換を可能にしている。

なお、ワイヤ２の上端には、支圧ソケット１７が固定され、この支圧ソケット１７は、梁５Ｂに形成された貫通孔５Ｓを下から通すことができるが、このとき、支圧ソケット１７は、梁５Ｂの上面にネジを介して固定されるフランジ部１８によって、梁５Ｂの上側で保持されることになる。

この制震装置１の吊材支持構造１００において、受圧部材１０の吊材挿通孔１１の壁面１１ａは、下方に行くに従って徐々に広がるような回転体形状を有しているので、地震や強風により建物が揺れる度に錘（質量体）３が揺動すると、ワイヤ（吊材）２の上端も揺動する。このとき、ワイヤ２は吊材挿通孔１１の壁面１１ａに沿って変形する。そして、ワイヤ２が壁面１１ａに当たる接触面積は、錘３の振幅が大きくなる程、大きくなる。すなわち、錘（質量体）３の振れ力に応じてワイヤ２が壁面１１ａに当たる接触面積を増減させることができる。このように、錘３の揺れに対応して接触面積を変えることができるので、ワイヤ２の応力集中が起こり難くなり、これによってワイヤ２が切れ難くなるといった効果を奏する。ワイヤ２の鉛直荷重支持部（支圧ソケット１７）は、振れを生じず可動しないため、ワイヤフックのような摩耗を生じない。また、回転する部分がないため揺動時に抵抗を生じることがなくなり、振れ特性への影響をなくすことができる。なお、ワイヤ２の下端は、上述した吊材支持構造１００と同一構成の吊材支持構造１０１によって錘３の上枠３ａに支持されている。

ところで、制震装置１では、Ｘ方向（第２の水平方向）とＹ方向（第１の水平方向）とでワイヤ２の振れ長さを変更可能な蒲鉾状のワイヤ移動規制部（吊材移動規制部）３０が設けられている。ここで、図１及び図２に示されるように、Ｘ方向とは支持架構５の梁５Ｂが延在する方向であり、Ｙ方向とはＸ方向に対して直交する水平方向である。

図４に示されるように、Ｙ方向に延在するワイヤ移動規制部３０は、ワイヤ２と対向しワイヤ２の当接面として機能する内側面３１と、内側面３１の上端と連続する頂面３２と、頂面３２の外側に位置する外側面３３と、内側面３１の下端及び外側面３３の下端と連続する底面３４とを有しており、頂面３２、外側面３３及び底面３４は平坦面となっている。

内側面３１は、先端側に向かうに従って内側に湾曲している。２個のワイヤ移動規制部３０は、それぞれの内側面３１が向き合うように配置され、それぞれの内側面３１の基端部３１ａ間の長さＬは、ワイヤ２の径とほぼ同程度となっている。そして、内側面３１の基端部３１ａ間にワイヤ２が上下に挿通されており、内側面３１間でワイヤ２が上下に挿通する溝部３５が形成されている。内側面３１間の長さは、先端側に向かうに従って長くなっており、Ｘ方向に移動しようとするワイヤ２はワイヤ移動規制部３０の内側面３１に沿って曲がりながら滑らかに接触する。

以上のように配置される２個のワイヤ移動規制部３０は、図２に示されるように、支持台４０上で固定されている。支持台４０は、下端が錘３の上枠３ａに固定された４本の柱部４１と、柱部４１間を架け渡すようにＹ方向に延在する２本の第１の梁部４２と、柱部４１間を架け渡すようにＸ方向に延在する２本の第２の梁部４３とを備えている。第１の梁部４２の両端部は柱部４１の上端側面に固定されており、第２の梁部４３の両端部は第１の梁部４２の下方位置における柱部４１の側面に固定されている。

第２の梁部４３の高さは第１の梁部４２の高さよりも低くなっており、第２の梁部４３における上側のフランジ面４３ａと、その両側に位置する第１の梁部４２のフランジ面４２ａとでワイヤ移動規制部３０が入り込む凹部４４が形成されている。凹部４４に入り込んだ２個のワイヤ移動規制部３０は、それぞれの底面３４がフランジ面４３ａに載置されると共に、それぞれの外側面３３がフランジ面４２ａに対してＸ方向に接触している。このように凹部４４に入り込んだ状態でワイヤ移動規制部３０は、フランジ面４２ａの外側から挿入された複数のボルトがそれぞれ外側面３３の螺合穴に螺合することによって、第１の梁部４２に固定されている。

次に、地震や風で建物Ｓ（図１参照）が揺れた場合におけるワイヤ２の動作について図３及び図４を参照しながら説明する。まず、揺れ方向がＸ方向である場合におけるワイヤ２の動作については、図３（ａ）に示されるように、支持架構５に対して錘３がＸ方向に振り子運動する。このとき、ワイヤ２の上端は、受圧部材１０の吊材挿通孔１１内でＸ方向に移動し、湾曲した壁面１１ａに滑らかに接触する。

また、錘３が支持架構５に対してＸ方向に振り子運動すると、ワイヤ移動規制部３０の溝部３５に挿通されたワイヤ２は、ワイヤ移動規制部３０の湾曲した内側面３１に当たって屈曲する。よって、ワイヤ移動規制部３０よりも基端側（錘３側）において、ワイヤ２は支持台４０及び錘３側の吊材支持構造１０１に対して上下に貫通した状態を維持している。このように、揺れ方向がＸ方向の場合には、上側（支持架構５側）の受圧部材１０からワイヤ移動規制部３０までの長さがワイヤ２の振れ長さＬ_ｘとなっている。

また、図３（ｂ）に示されるように、建物Ｓの揺れ方向がＹ方向である場合におけるワイヤ２の動作については、支持架構５に対して錘３がＹ方向に振り子運動する。このとき、ワイヤ２の上端は、揺れ方向がＸ方向である場合と同様に、受圧部材１０の壁面１１ａに滑らかに接触する。そして、ワイヤ移動規制部３０の溝部３５に挿通されたワイヤ２は、溝部３５内でＹ方向に移動する。また、ワイヤ２の下端は、吊材支持構造１０１における受圧部材１０の吊材挿通孔１１内でＹ方向に移動し、湾曲した壁面１１ａに滑らかに接触する。以上のように、揺れ方向がＹ方向である場合には、ワイヤ移動規制部３０でワイヤ２の移動が規制されないので、側（支持架構５側）の受圧部材１０から下側（錘３側）の受圧部材１０までの長さがワイヤ２の振れ長さＬ_ｙとなっている。

また、上記のように、ワイヤ移動規制部３０によってワイヤ２の移動がＹ方向に許容されると共にＸ方向に規制されるので、揺れ方向がＸ方向である場合におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｘは、揺れ方向がＹ方向である場合におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｙよりも短くなっている。従って、ワイヤ２によって支持架構５から吊られた錘３におけるＸ方向の固有周期はＹ方向の固有周期よりも短くなっている。

このように制震装置１では、錘３に支持台４０が固定され、Ｙ方向に延在するワイヤ移動規制部３０が支持台４０上で固定されている。そして、図４に示されるように、ワイヤ移動規制部３０でＹ方向に延在する溝部３５にワイヤ２が挿通されている。また、図３に示されるように、ワイヤ移動規制部３０でワイヤ２の移動をＸ方向に規制することで、Ｘ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｘをＹ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｙよりも短くすることで、Ｘ方向における錘３の固有周期をＹ方向における錘３の固有周期よりも短くしている。このようにＸ方向とＹ方向とでワイヤ２の振れ長さを変えることによって、Ｘ方向とＹ方向とで錘３の固有周期を変えることができる。よって、制震装置１では、簡易な構成をもって制震を図ると共に、揺れ方向ごとに異なる建物Ｓの固有周期に、揺れ方向ごとに錘３の固有周期を合わせられるので、建物Ｓの揺れをより効果的に抑えることができる。

また、制震装置１において、ワイヤ２に対向するワイヤ移動規制部３０の内側面３１は、先端側に向かうに従って溝部３５の幅が広がるように湾曲している。よって、ワイヤ２がＸ方向に移動しようとしたときに、ワイヤ２は湾曲している内側面３１に滑らかに接触することとなるので、ワイヤ２の損傷を確実に防止することができる。

また、制震装置１では、錘３の上面に固定された支持台４０でワイヤ移動規制部３０が支持されており、支持台４０に対してワイヤ２が上下に貫通している。この支持台４０の高さを高くするとＸ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｘが短くなり、錘３に対する支持台４０の高さを低くするとＸ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｘが長くなる。このように支持台４０の高さを変えることでＸ方向におけるワイヤ２の振れ長さを調整することができるので、Ｘ方向における錘３の固有周期を簡単に変えることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

ワイヤ移動規制部３０は支持台４０によって錘３側に固定されていたが、支持架構５側に固定されていてもよい。この場合、ワイヤ移動規制部３０は支持架構５の下面に固定された支持台４０で支持されることとなり、上記同様、Ｘ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｘをＹ方向におけるワイヤ２の振れ長さＬ_ｙよりも短くすることができるので、上記実施形態と同様の効果が得られる。更に、支持台４０を用いずに、錘３の上面又は支持架構５の下面に、支持台４０と同等の高さを有するワイヤ移動規制部３０を固定させてもよい。

また、支持台４０は柱部４１、第１の梁部４２及び第２の梁部４３を備えていたが、ワイヤ移動規制部３０を支持する支持台の構成は、錘３の上面又は支持架構５の下面に固定可能であって且つワイヤを上下に挿通可能であれば、適宜変更可能である。

ワイヤ移動規制部３０は、先端側に向かうに従って内側に湾曲する内側面３１と、平坦面である頂面３２を有していたが、ワイヤ移動規制部３０の形状は適宜変更することが可能である。例えば、図５（ａ）の断面に示されるようにサイクロイド曲線状の内側面６１としたり、図５（ｂ）の断面に示されるように曲率半径Ｒの円弧状の内側面６２としたり、図５（ｃ）の断面に示されるように一部に直線６３ａを含む内側面６３としてもよい。ここで、図５（ｃ）に示す内側面６３の直線６３ａは湾曲した部分の接線となっているので、角張った形状となっておらずワイヤ２を内側面６３に滑らかに当接させることができる。また、図２に示される受圧部材における壁面も、サイクロイド曲線状としたり、円弧状の内側面としたり、一部に直線を含む内側面とすることが可能である。

また、上側の吊材支持構造１００と下側の吊材支持構造１０１の構成についても適宜変更することが可能である。下側の吊材支持構造１０１において、例えば受圧部材１０を省略して図６に示されるようなワイヤ支持具７０を用いても良い。このワイヤ支持具７０は、錘３の上枠３ａに固定されたベース７１と、ワイヤ２を保持するワイヤ保持部７３とを備えており、ワイヤ保持部７３はボルト７２によってベース７１に対してＹ方向に回転自在に支持されている。ワイヤ保持部７３の上端にはワイヤ２の下端を挿入するための挿入穴７３ａが設けられており、ワイヤ２の下端は、ワイヤ保持部７３の挿入穴７３ａに挿入された状態でワイヤ保持部７３内で固定されている。このようなワイヤ支持具７０を錘３の上面又は支持架構５の下面に固定させた場合でも、上記実施形態と同様の効果が得られる。

上記実施形態では、図１に示されるように、吊材としてワイヤ２を用いたが、上側の吊材支持構造１００とワイヤ移動規制部３０の間の部分、又は下側の吊材支持構造１０１とワイヤ移動規制部３０の間の部分では、吊材としてロッドを用いてもよい。

また、制震装置１は、ワイヤ２に吊り下げられた錘３とオイルダンパ４を備え、建物Ｓの屋上に設置されたＴＭＤであった。しかしながら、制震装置１の設置場所は建物Ｓの内部であってもよい。また、本発明はＴＭＤ以外の制震装置にも応用可能であり、例えば錘を能動的に動かして建物の揺れを抑えるＡＭＤ（Active Mass Damper）にも本発明を適用させることができる。

１…制震装置、２…ワイヤ（吊材）、３…錘（質量体）、３ａ…上枠、５…支持架構、５Ａ…柱、５Ｂ…梁、３０…ワイヤ移動規制部（吊材移動規制部）、３１…内側面、３５…溝部、４０…支持台。

Claims

支持架構に吊材の上端が取り付けられ、前記吊材の下端が質量体に取り付けられた制震装置において、
前記支持架構側及び前記質量体側の少なくとも一方には、第１の水平方向に平行に延在する吊材移動規制部が固定され、前記吊材移動規制部の間の溝部に前記吊材を挿通させることにより、前記第１の水平方向に前記吊材の移動を許容し、前記第１の水平方向に対して直交する第２の水平方向に前記吊材が当たって屈曲することで、前記吊材の移動が規制されることを特徴とする制震装置。
前記吊材移動規制部における前記吊材に対向する当接面は、鉛直方向における基端側から先端側に向かうに従って前記溝部の幅が広がるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の制震装置。
前記吊材移動規制部は、前記支持架構の下面及び前記質量体の上面の少なくとも一方に固定された支持台によって支持されており、前記吊材は、前記支持台を上下に貫通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の制震装置。