JP6384726B2

JP6384726B2 - 振動低減装置

Info

Publication number: JP6384726B2
Application number: JP2014180176A
Authority: JP
Inventors: 磯田　和彦; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP2016053404A

Description

本発明は、例えば建物に作用した振動エネルギーを吸収して変位を抑える振動低減装置に関する。

例えば中高層建物が巨大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。

これに対し、従来から、例えばオフィスビルなどの中・高層建物は、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設し、地震時に、上部構造体の固有周期を例えば地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるように構築されている（例えば、特許文献１参照）。

また、建物の柱と梁で囲まれた架構面内などに種々の制振装置（制振ダンパー、エネルギー吸収機構）を設置することにより地震時や強風時の建物の応答を低減させる対策が多用されている（例えば、特許文献２参照）。

そして、このような免震装置や制振装置（振動低減装置）としてオイルダンパーが多用されている。オイルダンパーＡは、図７に示すように、例えば、シリンダー１の内部にピストン２を設け、シリンダー１の内部を一方の室（第１隔室）３と他方の室（第２隔室）４に区画し、ピストンロッド５がその一端５ａをピストン２に接続しシリンダー１と同軸上に設けられるとともにシリンダー１の軸線Ｏ１方向一方の端部（他端１ｂ）から外部に延設されている。また、このようなオイルダンパーＡは、シリンダー１の一方の室３と他方の室４にそれぞれ作動油Ｓが充填され、ピストンロッド５の他端５ｂと、シリンダー１の他方の端部（一端１ａ）に設けられたクレビス６などを、適宜建物の架構に直接的に、又はブレース等を介して間接的に接続して設置される。

また、オイルダンパーＡは、粘性減衰を付与する最も一般的な振動低減装置であり、通常、装置両端の相対速度に比例した反力が生じ、相対速度が過大になった際には、図８に示すように、装置内部に具備されたリリーフ弁７によって反力を頭打ちにする機能を有している。

ここで、オイルダンパーＡを建物などの構造体に設置する場合、構造体の剛性とオイルダンパーＡとを組合せた状態における荷重−変位の関係は図９のように示される。この図９の通り、第１象限及び第３象限では、オイルダンパーＡのみの荷重（反力）が構造体のみの荷重（反力）と同じ向きにあり、これらオイルダンパーＡと構造体の反力が組み合わされて増大してしまう。なお、この特徴はオイルダンパーＡとバネ（取付部剛性）が直列配置された所謂マクスウェルモデルについても同様である。

一方、オイルダンパー本体に外付けバルブ、リンク機構を取り付け、外付けバルブ、リンク機構によって、オイルダンパーの荷重−変位関係の第１象限及び第３象限におけるダンパー反力を小さくするようにしたオイルダンパーが実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。そして、このように構成したオイルダンパーを、例えば多層構造の構造体の複数層に組み込むと、構造体に生じる応力がほとんど増大しないようにすることが可能になる。

特開２００９−９７２４３号公報特開２０１２−１２２２２８号公報

木村雄一、青野英志、細澤治：「変位依存型オイルダンパーによる既存超高層建物の制振補強（その３）」、一般社団法人日本建築学会、日本建築学会学術講演梗概集、２００９年８月、ｐ．５２３−５２４

しかしながら、上記のオイルダンパー本体に外付けバルブ、リンク機構を取り付けてなるオイルダンパーにおいては、非特許文献１に示されている通り、その特性を得るためにダンパー外部に変位検知器や複雑な油圧回路を構築する必要があり、コストが増大し、これが一要因となって広く普及するには至っていない。

上記事情に鑑み、本発明は、簡易な構成で、荷重−変位関係の第１象限及び第３象限におけるダンパー反力を小さくすることを可能にした振動低減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。

本発明の振動低減装置は、相対振動する二部材の間の相対振動を低減させるための振動低減装置であって、一端を一方の部材に接続して配設されるシリンダーと、前記シリンダーの内部を第１隔室と第２隔室に区画するピストンと、前記ピストンに一端を接続して前記シリンダーの軸線方向外側に延設され、他端を他方の部材に接続して配設されるピストンロッドとを備えるとともに、オリフィスと圧力制御弁を有し、それぞれ前記第１隔室と前記第２隔室を連通可能に前記シリンダーに接続して配設された第１連絡管及び第２連絡管と、前記第１隔室と前記第２隔室と前記第１連絡管と前記第２連絡管に充填した作動流体とを備えて構成され、前記第１連絡管の一方の端部と前記シリンダーとを連結する一方の連結孔の位置は、前記ピストンが初期位置にある状態で、該ピストンによって閉塞される位置に設定され、他方の連結孔の位置は、前記シリンダーの一端側端部近傍に設けられ、前記第２連結管の一方の端部と前記シリンダーとを連結する一方の連結孔の位置は、前記ピストンが初期位置にある状態で、該ピストンによって閉塞される位置に設定され、他方の連結孔の位置は、前記シリンダーの他端側端部近傍に設けられ、前記ピストンが初期位置に配された状態を基準として、振動低減装置を圧縮する正方向の力が作用し、且つ正方向に前記ピストンが変位する場合に、前記第１連絡管を通じて前記作動流体を前記第１隔室と前記第２隔室の間で流通させ、前記ピストンが初期位置に配された状態を基準として、振動低減装置を引っ張る負方向の力が作用し、且つ負方向に前記ピストンが変位する場合に、前記第２連絡管を通じて前記作動流体を前記第１隔室と前記第２隔室の間で流通させるように構成されていることを特徴とする。

本発明の振動低減装置においては、従来のオイルダンパーに、オリフィスと圧力制御弁をそれぞれ備えた第１連絡管と第２連絡管を設け、第１連絡管とオリフィスと圧力制御弁からなる第１バイパス回路、第２連絡管とオリフィスと圧力制御弁からなる第２バイパス回路の２つのバイパス回路を付加する。

そして、ピストンが例えばシリンダーの中央の初期位置に配された状態を基準とし、振動低減装置を圧縮する正方向の力が作用し、且つ正方向にピストンが変位する場合には、第１連絡管を通じて作動流体を第１隔室と第２隔室の間で流通（第１隔室から第１連絡管を通じて第２隔室に流通）させることができる。また、基準状態から振動低減装置を引っ張る負方向の力が作用し、且つ負方向にピストンが変位する場合には、第２連絡管を通じて作動流体を第１隔室と第２隔室の間で流通（第２隔室から第２連絡管を通じて第１隔室に流通）させることができる。

これにより、振動低減装置を圧縮する正方向の力が作用し、且つ正方向にピストンが変位する第１象限と、振動低減装置を引っ張る負方向の力が作用し、且つ負方向にピストンが変位する第３象限における振動低減装置の反力（ダンパー反力）を低減させることができる。すなわち、バイパス回路を付加するだけで、ダンパーの変位の減衰特性を好適に変化させることができ、シンプルな構成で、安価な信頼性が高い振動低減装置を実現することが可能になる。

また、バイパス回路に圧力制御弁を付加することにより、変位が同じでも速度の向きに応じた特性を付与でき、確実に振動低減装置の荷重−変位関係における第１象限と第２象限、第３象限と第４象限のそれぞれの減衰特性を変化させることができる。

本発明の一実施形態に係る振動低減装置を示す図である。本発明の一実施形態に係る振動低減装置の荷重−変位の関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る振動低減装置において、第１象限での作動油の流れの状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る振動低減装置において、第２象限での作動油の流れの状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る振動低減装置の変更例を示す図である。但し、この図では、第２連絡管とオリフィス、圧力制御弁からなる第２バイパス回路が省略されている。図５の振動低減装置の荷重−変位の関係を示す図である。従来の振動低減装置示す図である。図７の振動低減装置の荷重−変位の関係を示す図である。図７の振動低減装置のみの場合、構造体のみの場合、振動低減装置と構造体を組合せた場合の各荷重−変位の関係を示す図である。

以下、図１から図４を参照し、本発明の一実施形態に係る振動低減装置について説明する。

本実施形態の振動低減装置Ｂは、図１に示すように、一端１ａをクレビス６等を介して一方の部材に接続して配設されるシリンダー１と、シリンダー１の内部を第１隔室３と第２隔室４に区画するピストン２と、ピストン２に一端５ａを接続してシリンダー１の軸線Ｏ１方向外側に延設され、他端５ｂを他方の部材に接続して配設されるピストンロッド５とを備えて構成されている。

さらに、振動低減装置Ｂは、オリフィス１０と圧力制御弁１１を有し、それぞれ第１隔室３と第２隔室４を連通可能にシリンダー１に接続して配設された第１連絡管（第１バイパス管）１２及び第２連絡管（第２バイパス管）１３を備えて構成されている。そして、第１連絡管１２とオリフィス１０と圧力制御弁１１とによって第１バイパス回路１４が形成され、第２連絡管１３とオリフィス１０と圧力制御弁１１とによって第２バイパス回路１５が形成されている。

また、第１隔室３と第２隔室４と第１連絡管１２と第２連絡管１３に作動油（作動流体）Ｓが充填されている。そして、第１連絡管１２と第２連絡管１３にそれぞれオリフィス１０と直列配置して設けられた圧力制御弁１１は、作動油Ｓの流れを一方向（図１における矢印Ｐ１、Ｐ２）に限定するためのものである。

また、本実施形態において、第１バイパス回路１４は、第１連絡管１２の一端の位置、すなわち第１連絡管１２の一端とシリンダー１を連結する一方の連結孔（連結部）の位置が、ピストン２が初期位置（図１に示す変位ゼロの位置）にある状態で、このピストン２によって閉塞される位置に設定されている。さらに、第１連絡管１２の他端の位置、すなわち他方の連結孔（連結部）の位置が、シリンダー１の一端１ａ側に設けられ、ほぼ常時、第１隔室３に開口して連通するように設定されている。

第２バイパス回路１５は、第２連絡管１３の一端の位置、すなわち第２連絡管１３の一端とシリンダー１を連結する一方の連結孔（連結部）の位置が、ピストン２が初期位置にある状態で、このピストン２によって閉塞される位置に設定されている。さらに、第２連絡管１３の他端の位置、すなわち他方の連結孔（連結部）の位置が、シリンダー１の他端１ｂ側に設けられ、ほぼ常時、第２隔室４に開口して連通するように設定されている。

また、本実施形態の振動低減装置Ｂは、ピストン２に第１隔室３と第２隔室４を連通させる連通路１６を設け、且つこの連通路１６にリリーフ弁７を設けて構成されている。このリリーフ弁７は、振動低減装置Ｂの軸力（ダンパー軸力）を所定の荷重で頭打ちさせるためのものである。さらに、ピストン２を変位ゼロの初期位置に復帰させるため、ピストン２には第１隔室３と第２隔室４を連通させるようにオリフィス１７が設けられている。

そして、上記構成からなる本実施形態の振動低減装置Ｂにおいては、地震が発生して二部材が相対変位するとともに、ピストン２が初期位置に配された状態を基準として、振動低減装置Ｂを圧縮する正方向の力Ｆが作用し、且つ正方向にピストン２が変位する場合に、図３に示すように、第１連絡管１２を通じて作動油Ｓが第１隔室３から第２隔室４に流通する。このとき、第２連絡管１３には圧力制御弁１１によって作動油Ｓが流通しない。また、基準状態から振動低減装置Ｂを引っ張る負方向の力Ｆが作用し、且つ負方向にピストン２が変位する場合には、図４に示すように、第２連絡管１３を通じて作動油Ｓが第２隔室４から第１隔室３に流通し、第１連絡管１２には圧力制御弁１１によって作動油Ｓが流通しない。

すなわち、本実施形態の振動低減装置Ｂにおいては、振動低減装置Ｂに荷重が作用した際に、ダンパー変位が第１象限にある場合、作動油Ｓがピストン２のオリフィス１７を流通するとともに、第１連絡管１２のオリフィス１０を通過して第１バイパス回路１４を流通する。また、ダンパー変位が第３象限にある場合、作動油Ｓがピストン２のオリフィス１７を流通するとともに、第２連絡管１３のオリフィス１０を通過して第２バイパス回路１５を流通する。

これにより、本実施形態の振動低減装置Ｂにおいては、図２に示すように、第１象限と第３象限で、反力が大幅に低下し、従来のオイルダンパーと比較して減衰係数が大幅に小さくなる。

一方、変位が第２象限もしくは第４象限にある場合には、作動油Ｓがピストン２のオリフィス１７を流通するが、圧力制御弁１１が閉じ、第１バイパス回路１４、第２バイパス回路１５を流通しないため、オリフィス１７だけが作用し、従来のオイルダンパーと同じ減衰係数Ｃをもつ速度比例型の振動低減装置Ｂとなる。
なお、図２に示すように、速度が大きい場合には、ピストン２にあるリリーフ弁７が作動し、過大な反力が生じないようになっている。

したがって、本実施形態の振動低減装置Ｂにおいては、従来のオイルダンパーＡに、オリフィス１０と圧力制御弁１１をそれぞれ備えた第１連絡管１２と第２連絡管１３を設け、第１連絡管１２とオリフィス１０と圧力制御弁１１からなる第１バイパス回路１４、第２連絡管１３とオリフィス１０と圧力制御弁１１からなる第２バイパス回路１５の２つのバイパス回路を付加する。

そして、ピストン２が例えばシリンダー１の中央の初期位置に配された状態を基準とし、振動低減装置Ｂを圧縮する正方向の力Ｆが作用し、且つ正方向にピストン２が変位する場合には、第１連絡管１２を通じて作動油Ｓを第１隔室３と第２隔室４の間で流通（第１隔室３から第１連絡管１２を通じて第２隔室４に流通）させることができる。

また、基準状態から振動低減装置Ｂを引っ張る負方向の力Ｆが作用し、且つ負方向にピストン２が変位する場合には、第２連絡管１３を通じて作動油Ｓを第１隔室３と第２隔室４の間で流通（第２隔室４から第２連絡管１３を通じて第１隔室３に流通）させることができる。

これにより、振動低減装置Ｂを圧縮する正方向の力Ｆが作用し、且つ正方向にピストン２が変位する第１象限と、振動低減装置Ｂを引っ張る負方向の力Ｆが作用し、且つ負方向にピストン２が変位する第３象限における振動低減装置Ｂの反力（ダンパー反力）を低減させることができる。すなわち、バイパス回路１４、１５を付加するだけで、振動低減装置（ダンパー）Ｂの変位の減衰特性を好適に変化させることができ、シンプルな構成で、安価な信頼性が高い振動低減装置Ｂを実現することが可能になる。

また、バイパス回路１４、１５に圧力制御弁１１を付加することにより、変位が同じでも速度の向きに応じた特性を付与でき、確実に振動低減装置Ｂの荷重−変位関係における第１象限と第２象限、第３象限と第４象限のそれぞれの減衰特性を変化させることができる。

また、本実施形態の振動低減装置Ｂにおいては、非特許文献１の変位依存型のオイルダンパーのような変位検知器と複雑な油圧回路を構築する必要がなく、圧力制御弁１１とオリフィス１０を備えたバイパス管１２、１３をシリンダー１に接続して構成できるため、コンパクトにすることができる。

また、静的な剛性をもたないので、地震後にはダンパー軸力や残留変形をゼロにすることができる。

さらに、現場施工については、一般的なオイルダンパーＡと同様に両端にクレビス６などを設けて構造体に接続するだけでよく、容易に取り付けることが可能である。

以上、本発明に係る振動低減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、第１象限で効く第１バイパス回路１４の第１連絡管１２、第３象限で効く第２バイパス回路１５の第２連絡管１３がそれぞれ１つの管材で構成されているものとしたが、図５に示すように、第１連絡管１２（や第２連絡管１３）をシリンダー１への連結部の位置が異なる分岐管を付加して構成してもよい。この場合には、図６に示すように、変位ゼロで減衰特性を変化するだけでなく、別の変位位置でも減衰特性を変化させることができる。すなわち、減衰特性の多段変化性能を付加することができる。

ここで、具体的な一例としては、各バイパス回路１４（１５）が、制御弁１１の圧力をほぼゼロとした２つの分岐バイパス回路を備えるようにし、一方の分岐バイパス回路１４ａ（１５ａ）では変位ゼロでピストン２と同じ大きさのオリフィス１０が作動し、他方の分岐バイパス回路１４ｂ（１５ｂ）では例えばストロークの１／２の変位でオリフィス１０より穴径が十分大きいオリフィス１０が作動するように構成する。そして、このように構成すれば、変位に応じて種々の減衰特性を付与できるので、吸収エネルギーをあまり低下させずに構造体に生じる最大応力（変位最大時の組み合わせ応力）を低減することが可能になる。

また、本発明に係る作動流体は、作動油に限定しなくてもよく、あらゆる液体、気体を用いることができる。

１シリンダー
１ａ一端
１ｂ他端
２ピストン
３第１隔室
４第２隔室
５ピストンロッド
５ａ一端
５ｂ他端
６クレビス
７リリーフ弁
１０オリフィス
１１圧力制御弁
１２第１連絡管
１３第２連絡管
１４第１バイパス回路
１４ａ一方の分岐バイパス回路
１４ｂ他方の分岐バイパス回路
１５第２バイパス回路
１５ａ一方の分岐バイパス回路
１５ｂ他方の分岐バイパス回路
１６連通路
１７オリフィス
Ａ従来のオイルダンパー（振動低減装置）
Ｂ振動低減装置
Ｏ１軸線

Claims

相対振動する二部材の間の相対振動を低減させるための振動低減装置であって、
一端を一方の部材に接続して配設されるシリンダーと、前記シリンダーの内部を第１隔室と第２隔室に区画するピストンと、前記ピストンに一端を接続して前記シリンダーの軸線方向外側に延設され、他端を他方の部材に接続して配設されるピストンロッドとを備えるとともに、
オリフィスと圧力制御弁を有し、それぞれ前記第１隔室と前記第２隔室を連通可能に前記シリンダーに接続して配設された第１連絡管及び第２連絡管と、前記第１隔室と前記第２隔室と前記第１連絡管と前記第２連絡管に充填した作動流体とを備えて構成され、
前記第１連絡管の一方の端部と前記シリンダーとを連結する一方の連結孔の位置は、前記ピストンが初期位置にある状態で、該ピストンによって閉塞される位置に設定され、他方の連結孔の位置は、前記シリンダーの一端側端部近傍に設けられ、
前記第２連結管の一方の端部と前記シリンダーとを連結する一方の連結孔の位置は、前記ピストンが初期位置にある状態で、該ピストンによって閉塞される位置に設定され、他方の連結孔の位置は、前記シリンダーの他端側端部近傍に設けられ、
前記ピストンが初期位置に配された状態を基準として、振動低減装置を圧縮する正方向の力が作用し、且つ正方向に前記ピストンが変位する場合に、前記第１連絡管を通じて前記作動流体を前記第１隔室と前記第２隔室の間で流通させ、
前記ピストンが初期位置に配された状態を基準として、振動低減装置を引っ張る負方向の力が作用し、且つ負方向に前記ピストンが変位する場合に、前記第２連絡管を通じて前記作動流体を前記第１隔室と前記第２隔室の間で流通させるように構成されていることを特徴とする振動低減装置。