JP6075125B2

JP6075125B2 - 制振ダンパー装置

Info

Publication number: JP6075125B2
Application number: JP2013044274A
Authority: JP
Inventors: 田中　鉄也; 鉄也田中
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP2014173621A

Description

本発明は、変位増幅機構を備える制振ダンパー装置に関する。

従来、地震時などに互いに相対変位する部材間にオイルダンパーを介設し、このオイルダンパーの両端側の相対速度差に比例した外力を負担させつつ、この外力を吸収して減衰させることにより、制振性能を付与する技術が多用されている。また、このようなオイルダンパーにおいては、温度や振動数の変化に対する制振性能の変動が小さく、リリーフ弁を設けることにより過負荷防止を図ることもできるという優れた特性をも備えている。

一方、オイルダンパーの負担力を大きくする場合には、オイルダンパーの径を大きくしたり、肉厚を厚くするなどが必要になり、製造・製品コストが著しく増大する。これに対し、オイルダンパーの変位（ストローク）を大きくする場合には、シリンダー（外筒）を長く形成する必要はあるが、径を大きくしたり肉厚を厚くしたりするよりもその手間や労力が軽微で済むため、製造・製品コストを抑えてストロークが大きいオイルダンパーを得ることができる。

このような背景から、近年、部材間の相対変位（振動）を変位増幅機構で増幅させてダンパーに伝達し、負担力は小さいがストロークが大きいダンパーを使用することにより、制振ダンパー装置の制振性能を向上させることが行われている。

そして、例えば、図３に示すように、一対の上端部１ａ、１ｂを上部梁（一方の部材）２に接続してＶ型のブレース（連結部材）１を構面内に設置し、このブレース１の下端部１ｃに一端部側を、柱などの構造体３に他端部側をそれぞれ接続してオイルダンパー４などのダンパーを設置するシアリンク型の制振ダンパー装置Ａが多用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ブレースの端部にピン接合して梃子やトグルを設置して、変位増幅機構を構成した制振ダンパー装置も提案、実用化されている（例えば、特許文献２参照）。この制振ダンパー装置では、変位増幅機構の梃子やトグルに一端側を接続してダンパーを設置することにより、変位の増幅を図り、さらなる制振性能の向上を図ることができる。

特開２０１２−４７２２１号公報特開２００１−８２００１号公報

しかしながら、図３に示した従来のシアリンクブレース１を用いた制振ダンパー装置Ａは、層間変形角に比例しているため、変形が小さい場合にはダンパー効果を十分に発揮できないという点で改善の余地がある。

また、ブレースの端部にピン接合して梃子やトグルを設けて変位増幅機構を構成した制振ダンパー装置においては、変位増幅機構がダンパーの軸方向（ストローク方向）に交差する部材（すなわち梃子やトグル）によって構成され、このような部材によって建物の層間変形角にストローク量が比例するシアリンクタイプの装置である。このため、ダンパーの軸方向に交差する部材の曲げ変形や軸伸縮などにより、変位が増幅される方向がダンパーの軸方向とずれてしまい、増幅された変位が効率的にダンパーに作用しないおそれがある。

また、部材間の変位を効率的に増幅させてダンパーに作用させるためには、ダンパーや変位増幅機構が配された構面外に、変位増幅機構が変形することを防止する必要が生じたり、さらに、梃子やトグルのピン接合部のガタや部材変形によって、増幅される変位にロスが生じ、ダンパーに作用する変位が設定値よりも小さくなることを防止する必要も生じうる。

本発明は、上記事情に鑑み、変位増幅機構で部材間の相対変位を効率的に増幅させることができ、変位増幅機構から制振ダンパーに変位を伝達させてダンパー効果を十分に発揮させることが可能な制振ダンパー装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の制振ダンパー装置は、部材間の相対変位を増幅させる変位増幅機構と、該変位増幅機構で増幅した変位が伝達されて前記部材間を相対変位させる外力を吸収して減衰させるダンパーとを備えた制振ダンパー装置において、前記変位増幅機構が、前記部材間の相対変位に従動して変位する層間変位伝達機構と、前記層間変位伝達機構を通じて伝達された変位を回転運動に変換する回転運動機構と、前記回転運動機構の回転運動を前記ダンパーに伝達させ、該ダンパーの運動に変換する回転変位伝達機構とを備えて構成され、且つ、前記層間変位伝達機構が、一方の部材に接続して前記部材間に配設された連結部材を備え、前記回転運動機構が、前記連結部材に軸線周りに回転可能に軸支されたボールねじと、前記ボールねじに螺着するとともに他方の部材に接続されたボールナットとを備え、前記回転変位伝達機構が、前記ボールねじの軸線に交差する方向に突出して前記ボールねじに接続されたクランクとを備え、前記ダンパーが、ダンパー軸方向の一端部を前記クランクに接続し、他端部を前記一方の部材又は前記他方の部材に接続して配設されていることを特徴とする。

本発明の制振ダンパー装置においては、地震時などに外力が作用し、部材間に相対変位が生じた際に、この部材間の相対変位に従動して層間変位伝達機構を変位させ、層間変位伝達機構を通じて伝達された変位を回転運動機構で回転運動に変換させ、回転運動機構の回転運動を回転変位伝達機構でダンパーの軸方向の運動に変換させることにより、部材間の相対変位量に対し、ダンパーの変位量を大幅に増幅させることが可能になる。

より具体的に、シアリンクのブレースなどの連結部材（層間変位伝達機構）を一方の部材に接続して設け、この連結部材に軸線周りに回転可能にボールねじ（回転運動機構）を軸支させ、且つ他方の部材に接続したボールナット（回転運動機構）に軸支させて設けることにより、地震時など、外力が作用して部材間に相対変位が生じると、連結部材とボールナットを通じて相対変位がボールねじに伝達され、この部材間の相対変位をボールねじの回転運動に変換することができる。

そして、ボールねじが軸線周りに回転するとともに、ボールねじの軸線に交差する方向に突出して設けられ、ダンパーの端部を接続したクランク（回転変位伝達機構）がボールねじの軸線周りに回転することにより、クランクの突出量に応じて、ダンパーの伸縮変位量を部材間の相対変位量に対し大幅に増幅させることが可能になる。

よって、本実施形態の制振ダンパー装置によれば、部材間に生じる相対変位を大幅に増幅させてダンパーに伝達することができ、ダンパーによって部材間に作用する外力（振動エネルギー）を効果的に吸収して減衰させることが可能になる。すなわち、制振ダンパー装置の制振性能を大幅に向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る制振ダンパー装置を示す図である。本発明の一実施形態に係る制振ダンパー装置のダンパー効果を示す図である。従来の制振ダンパー装置を示す図である。従来の制振ダンパー装置のダンパー効果を示す図である。

以下、図１及び図２（図３、図４）を参照し、本発明の一実施形態に係る制振ダンパー装置について説明する。

本実施形態の制振ダンパー装置Ｂは、図１に示すように、構造物の上下方向に隣り合う上部梁（一方の部材）２と下部梁（他方の部材）５との間に介設されており、上部梁２と下部梁５との相対変位を増幅させる変位増幅機構６と、変位増幅機構６で増幅された変位が伝達され、この増幅された変位のエネルギーを吸収して減衰させるオイルダンパー（ダンパー）４とを備えている。

オイルダンパー４は、軸方向（ストロークの方向）の一端部４ａが、変位増幅機構６に接続され、他端部４ｂが回転自在継手を介して上部梁２にピン接合されている。

一方、変位増幅機構６は、構造物の部材間の変位、すなわち層間変位に従動して変位する層間変位伝達機構７と、層間変位伝達機構７を通じて伝達された構造物の層間変位を回転運動に変換する回転運動機構８と、回転運動機構８の回転運動（回転変位量）をオイルダンパー４に伝達させ、オイルダンパー４のストローク運動（ストローク方向の変位量）に変換する回転変位伝達機構９とを備えて構成されている。

本実施形態の層間変位伝達機構７は、Ｖ型のブレース（連結部材）１を備えている。そして、このＶ型のブレース１は、一対の上端部１ａ、１ｂをそれぞれ、接合金具を介して上部梁２の両端側に接続しつつ、下端部１ｃをスパン中央部の下部梁５側に配して構面内に設けられている。

回転運動機構８は、リードであるボールねじ１０と、ボールねじを回転可能に軸支する軸受け１１と、ボールねじ１０に螺合するボールナット１２とを備えて構成されている。ボールナット１２は、接合治具１３を介して上部梁２に連結されたＶ型ブレース１の下端部１ｃに固着されるとともに、下部梁５に設けられたリニアガイド１４に沿って変位可能に配設されている。そして、ボールねじ１０は、ボールナット１２に螺着して、その軸線Ｏ１方向を下部梁５の材軸方向に沿う水平方向に配して設けられている。すなわち、ボールねじ１０は、Ｖ型ブレース１の下端部１ｃ側にボールナット１２を介して軸線Ｏ１周りに回転可能に軸支され、且つ、軸受け１１に軸線Ｏ１周りに回転可能に軸支されて、水平の横方向に延設されている。

回転変位伝達機構９は、回転運動機構８のボールねじ１０の端部に接続したクランク１５を備えて構成されている。具体的に、本実施形態の回転変位伝達機構９においては、ボールねじ１０の端部に一端を接続し、ボールねじ１０の軸線Ｏ１直交方向（軸線Ｏ１に交差する方向）に突出するコ字状のクランク１５を備えて構成されている。また、このコ字状のクランク１５は、他端に、軸線をボールねじ１０と同軸上に配した軸部材１６が接続され、この軸部材１６を例えば柱などの構造体（建物架構）３に固着した軸受け（不図示）にピン接合して回転可能に軸支させ、ボールねじ１０の回転に従動してボールねじ１０の軸線Ｏ１周りに回転可能に設けられている。

さらに、このクランク１５の最突出部分（ボールねじ１０の軸線Ｏ１と平行に配された部分）に、オイルダンパー４の一端部４ａがピン接合されている。

そして、上記構成からなる本実施形態の制振ダンパー装置Ｂでは、シアリンクのブレース１とオイルダンパー４の端部４ａとの間に回転運動機構８のボールねじ１０と回転変位伝達機構９のクランク１５が介設されている。

このため、図１及び図２に示すように、地震時などに建物に外力Ｐが作用し、建物に層間変位が生じると、この層間変位に従動して層間変位伝達機構７のＶ型ブレース１が変位するとともに、Ｖ型ブレース１の下端部１ｃに接続した回転運動機構８のボールナット１２がリニアガイド１４に案内されて変位する。これにより、回転運動機構８のボールねじ１０が軸線Ｏ１周りに回転し、建物の層間変位が回転運動機構８の回転運動に変換される。

さらに、ボールねじ１０が軸線Ｏ１周りに回転するとともに、回転変位伝達機構９のクランク１５がボールねじ１０の軸線Ｏ１周りに回転する。このクランク１５の回転によって、クランク１５に一端部４ａを接続したオイルダンパー４が伸縮し、建物に作用した外力（振動エネルギー）Ｐがオイルダンパー４で吸収して減衰され、建物の振動が小さく抑えられる。

ここで、従来のシアリンクタイプの制振ダンパー装置Ａにおいては、例えば図４に示すように、階高３０００ｍｍで層間変形角１／２００と仮定し、層間変位が１５ｍｍ生じると、オイルダンパー４もこれに応じて１５ｍｍ変位する。このため、従来の制振ダンパー装置Ａでは、層間変位量に応じた小さなダンパー効果しか発揮されない。

これに対し、本実施形態の制振ダンパー装置Ｂにおいては、図２に示すように、例えばクランク１５の高さを７５ｍｍ、軸線Ｏ１方向のリード３０ｍｍでボールねじ１０が１／２回転するものとした場合、層間変位が１５ｍｍ生じてボールナット１２が１５ｍｍ変位すると、ボールねじ１０が１／２回転する。そして、ボールねじ１０が１／２回転すると、オイルダンパー４の一端部４ａを接続した高さ７５ｍｍのクランク１５もボールねじ１０の軸線Ｏ１周りに１／２回転する。これにより、層間変位が１５ｍｍ生じると、オイルダンパー４がストローク方向に１５０ｍｍ変位することになる。よって、このように層間変位の１０倍にオイルダンパー４の変位量が増幅することで、従来よりも大きなダンパー効果が発揮される。

したがって、本実施形態の制振ダンパー装置Ｂにおいては、ブレース（連結部材）１とオイルダンパー４の下端部１ｃとの間に回転運動機構８のボールねじ１０と回転変位伝達機構９のクランク１５とが介設されているため、地震時などに建物に外力Ｐが作用し、建物に層間変位が生じた際に（部材２、５間に相対変位が生じた際に）、この層間変位に従動して層間変位伝達機構７のＶ型ブレース１が変位するとともにＶ型ブレース１の下端部１ｃに接続した回転運動機構８のボールナット１２を変位させることができる。これにより、回転運動機構８のボールねじ１０が回転し、建物の層間変位を回転運動機構８の回転運動に変換することができる。

そして、ボールねじ１０が軸線Ｏ１周りに回転するとともに、回転変位伝達機構９のクランク１５がボールねじ１０の軸線Ｏ１周りに回転することで、このクランク１５に一端部４ａを接続したオイルダンパー４の伸縮変位量を、大幅に（例えば従来の１０倍に）増幅させることができる。

よって、本実施形態の制振ダンパー装置Ｂによれば、シアリンクタイプの制振ダンパー装置Ｂの制振性能を大幅に向上させることができ、オイルダンパー４によるダンパー効果で建物に作用した振動エネルギーを吸収減衰させ、建物の振動を大幅に小さく抑えることが可能になる。

また、このようにオイルダンパー４によるダンパー効果を増大させることができるため、従来と比較し、ダンパー４の設置個所を少なくすることも可能になり、制振効果を確保しつつ、ダンパー関連コストの削減を図ることも可能になる。例えば、ダンパー量を１／１０にすることができた場合には、ダンパー関連コストをおよそ８０％削減することができる。これにより、制振プラン等の制約を小さくすることが可能になる。

以上、本発明に係る制振ダンパー装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、ダンパーがオイルダンパー４であるものとして説明を行ったが、必ずしもオイルダンパーに限定しなくてもよい。

また、部材２、５間の相対変位が生じるとともに軸線Ｏ１周りに回転するボールねじ１０やクランク１５などに慣性質量ダンパーを取り付け、ボールねじの回転力に変換された振動エネルギーを、オイルダンパー４とともに慣性質量ダンパーでも吸収して減衰させるように構成してもよい。

さらに、本実施形態では、ボールねじ１０に接続して設けられるクランク１５がコ字状に形成されているものとしたが、本発明に係るクランクは、ボールねじ１０の軸線Ｏ１に交差する方向に突出していれば、特にその形状を限定する必要はない。

１ブレース（連結部材）
１ａ上端部
１ｂ上端部
１ｃ下端部
２上部梁（一方の部材）
３柱などの構造体（建物躯体）
４オイルダンパー（ダンパー）
４ａ一端部
４ｂ他端部
５下部梁（他方の部材）
６変位増幅機構
７層間変位伝達機構
８回転運動機構
９回転変位伝達機構
１０ボールねじ
１１軸受け
１２ボールナット
１３接合治具
１４リニアガイド
１５クランク
Ａ従来の制振ダンパー装置
Ｂ制振ダンパー装置
Ｏ１ボールねじの軸線
Ｐ外力（振動エネルギー）

Claims

部材間の相対変位を増幅させる変位増幅機構と、該変位増幅機構で増幅した変位が伝達されて前記部材間を相対変位させる外力を吸収して減衰させるダンパーとを備えた制振ダンパー装置において、
前記変位増幅機構が、前記部材間の相対変位に従動して変位する層間変位伝達機構と、
前記層間変位伝達機構を通じて伝達された変位を回転運動に変換する回転運動機構と、
前記回転運動機構の回転運動を前記ダンパーに伝達させ、該ダンパーの運動に変換する回転変位伝達機構とを備えて構成され、
且つ、前記層間変位伝達機構が、一方の部材に接続して前記部材間に配設された連結部材を備え、
前記回転運動機構が、前記連結部材に軸線周りに回転可能に軸支されたボールねじと、前記ボールねじに螺着するとともに他方の部材に接続されたボールナットとを備え、
前記回転変位伝達機構が、前記ボールねじの軸線に交差する方向に突出して前記ボールねじに接続されたクランクとを備え、
前記ダンパーが、ダンパー軸方向の一端部を前記クランクに接続し、他端部を前記一方の部材又は前記他方の部材に接続して配設されていることを特徴とする制振ダンパー装置。