JP6450516B2 - 制震装置 - Google Patents
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Description
回転慣性質量ダンパー120は、3つの支持体101〜103のうち第1支持体101と第2支持体102とに取り付けられている。ここで、第2支持体102は、第1支持体101に対して相対的に変位可能に配置されている。回転慣性質量ダンパー120は、錘121と、当該一対の支持体101、102の相対変位に応じて錘121を回転させる機構122とを備えている。
図1および図2に示す実施形態では、錘121を回転させる機構122は、ラックギア123と、ピニオンギア124とを備えている。図1に示す例では、ラックギア123は、第1支持体101に取り付けられている。ピニオンギア124の回転軸124aは、第2支持体102に回転可能に支持されている。
この実施形態では、ラックギア123を支持する第1支持体101は、棒状の部材であり、棒状の第1支持体101の一側面にラックギア123が取り付けられている。ラックギア123は、棒状の第1支持体101の一端部において、当該第1支持体101の一側に歯面123aが露出し、かつ、第1支持体101の軸方向に沿って歯が並ぶように取り付けられている。より具体的には、第1支持体101は、断面が方形の棒状の角材であり、一端の上側が軸方向にラックギア123を取り付けるための切り欠き101aが設けられている。ラックギア123は、上方に歯面123aを向けて当該切り欠き101aの上面に装着されている。
第2支持体102は、ピニオンギア124の回転軸124aを支持している。この実施形態では、第2支持体102は、一対の板材102a1、102a2と、ガイド102b1、102b2と、カバーフランジ102c1、102c2とを備えている。
一対の板材102a1、102a2は、ラックギア123が取り付けられた第1支持体101の一端を、第1支持体101の両側から挟むように対向している。当該一対の板材102a1、102a2の間には、第1支持体101に取り付けられたラックギア123に噛み合うように、ピニオンギア124が配置されている。ピニオンギア124の回転軸124aの両端は、それぞれ一対の板材102a1、102a2に回転自在に支持されている。この実施形態では、一対の板材102a1、102a2には、軸受け(図示省略)が装着されており、当該軸受けによってピニオンギア124の回転軸124aの両端がそれぞれ回転自在に支持されている。
ガイド102b1、102b2は、第1支持体101を案内する部材である。この実施形態では、ガイド102b1、102b2は、ローラ軸である。このガイド102b1、102b2は、第1支持体101の下側の面を支持し、かつ、棒状の第1支持体101の軸方向に沿って転がるように、第2支持体102の一対の板材102a1、102a2の間に配置されている。このようにガイド102b1、102b2は、第2支持体102に対して、第1支持体101の軸方向に対して第1支持体101を相対的に変位可能に案内する。なお、ガイド102b1、102b2は、第2支持体102(ここでは、具体的には、板材102a1、102a2)に対して第1支持体101が相対的に移動するのを許容し、かつ、第1支持体101を支持する部材である。ここでは、ガイド102b1、102b2としてローラ軸を例示した。ガイド102b1、102b2は、これに限定されない。例えば、ガイド102b1、102b2は、第2支持体102に対して第1支持体101を滑り支持するスライダで構成してもよい。
また、第2支持体102には制震ゴムダンパー140の粘弾性ゴム141、142が取り付けられている。この実施形態では、第2支持体102には、図2に示すように、粘弾性ゴム141、142を取り付けるためのカバーフランジ102c1、102c2が設けられている。カバーフランジ102c1、102c2は、板状の部材であり、第2支持体102の対向する一対の板材102a1、102a2の外側の側面にそれぞれ取り付けられている。この実施形態では、第2支持体102の一対の板材102a1、102a2の間に棒状の第1支持体101が配置されている。当該棒状の第1支持体101は、その軸方向において、一対の板材102a1、102a2から一の方向に延び出ている。カバーフランジ102c1、102c2は、当該第1支持体101が延び出た方向とは反対の方向に延びるように、一対の板材102a1、102a2に取り付けられている。
錘121は、ピニオンギア124の回転に応じて回転するように、ピニオンギア124に組み付けられている。この実施形態では、錘121は、平板状であり、より具体的には略円板状の部材であり、錘121の中心には、回転軸121aが設けられている(図2参照)。錘121の回転軸121aは、ピニオンギア124の回転軸124aに取り付けられている。なお、錘121は、径方向の外側の質量を大きくすればするほど、大きい慣性力が回転時に得られる。このため、錘121は、径方向の外側ほど質量が大きくなるように質量を分布させてもよい。また、錘121の径方向の外側の部位に、錘121の質量を調整する調整用の錘が取り付けられるようにしてもよい。
次に、制震ゴムダンパー140は、粘弾性ゴム141、142を備えている。この実施形態では、粘弾性ゴム141、142は、平板状のゴムであり、回転慣性質量ダンパー120の支持体102に片面が取り付けられている。この実施形態では、粘弾性ゴム141、142の片面は、第2支持体102のうち対向するカバーフランジ102c1、102c2の内側面にそれぞれ取り付けられている。
ここで、等価粘性減衰定数heqは、粘弾性ゴム141、142(高減衰ゴム)について下記方法で履歴特性の測定を行い、得られた履歴ループL(図5)から水平特性値を得て算出している。
W:ひずみエネルギ(図5の斜線部にて示される1つの三角形の面積。単位はN・mm);
ΔW:吸収エネルギの合計(図5において示される履歴ループLで囲まれた面積。単位はN・mm);
Keq:等価剛性(変位最大点における履歴ループLの傾き。単位はN/mm);
heq=(1/4π)・(ΔW/W) (数1);
ここで、等価粘性減衰定数heqは、一般的には値が大きい程減衰性能に優れることを示す。
Geq=Keq×(d/S) (数2);
d:試験体213の高減衰ゴム210の高さ(厚さ)(mm)
S:試験体213の高減衰ゴム210の断面積(mm2)
この制震装置100では、上述したように回転慣性質量ダンパー120と、粘弾性ゴム141、142とが、第1支持体101、第2支持体102および第3支持体103とによって直列に連結されている。換言すれば、回転慣性質量ダンパー120と、粘弾性ゴム141、142(制震ゴムダンパー140)が第2支持体102を共通させて直列に連結されている。
制震装置100の両端の支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)や狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に荷重を受けると、制震装置100はそれに応じて機能する。図3、図4は、制震装置100の両端の支持体101、103が、第1支持体101が延びた方向に沿って相対的に変位した状態を示している。ここで、図3は、制震装置100の両端の支持体101、103の距離が、広くなった状態を示している。図4は、制震装置100の両端の支持体101、103の距離が、狭くなった状態を示している。
図3および図4に示すように、支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)または狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に荷重を受けると、回転慣性質量ダンパー120は、第1支持体101と第2支持体102とから引っ張り力または圧縮力を受ける。かかる引っ張り力または圧縮力に応じて回転慣性質量ダンパー120の錘121は回転する。この際、錘121の慣性力が第1支持体101と第2支持体102に反力を生じさせる。この場合、錘121が回転を始める際または錘121が回転する方向を変えるときに、大きな慣性力が作用し、第1支持体101と第2支持体102に生じさせる反力が大きくなる。かかる反力は、第1支持体101と第2支持体102とから受ける引っ張り力と圧縮力に対する抵抗になる。
また、支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)または狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に荷重を受けると、粘弾性ゴム141、142は、第2支持体102と第3支持体103とからせん断力を受ける。せん断力を受けると粘弾性ゴム141、142はせん断変形する。粘弾性ゴム141、142はせん断変形に応じた反力を第2支持体102と第3支持体103に生じさせる。かかる反力は、第2支持体102と第3支持体103とから受けるせん断力に対する抵抗になる。
この制震装置100は、両端の支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)や狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に荷重を受けた場合に、当該荷重に対して適当な反力を生じさせる。このため、両端の支持体101、103に当該相対的な変位を伴う振動を受けた場合には、制震装置100は、かかる振動を小さくし、かつ、早期に減衰させる。また、両端の支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)や狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に、大きい荷重が急激に作用する場合と、大きい荷重がゆっくり作用する場合とで、この制震装置100の挙動は異なる。
制震装置100の第1支持体101と第3支持体103とに大きい荷重が急激に作用する場合、当該荷重を受けて回転慣性質量ダンパー120の錘121に回転方向に力が作用する。錘121は、加速度に応じて慣性力が大きくなるので、大きい荷重が急激に作用する場合には、錘121の慣性力が大きくなる。かかる錘121の慣性力は、第1支持体101と第2支持体102に反力として作用する。これに対して、粘弾性ゴム141、142は、第2支持体102と第3支持体103からせん断力を受けてせん断変形する。このため、制震装置100に大きい荷重が急激に作用する場合、初動において粘弾性ゴム141、142がせん断変形する。
制震装置100の第1支持体101と第3支持体103とに大きい荷重がゆっくり作用する場合、当該荷重を受けて回転慣性質量ダンパー120の錘121に回転方向に力が作用する。錘121は、加速度に応じて慣性力が大きくなるので、大きい荷重がゆっくり作用する場合には、錘121の慣性力はそれほど大きくならない。かかる錘121の慣性力は、第1支持体101と第2支持体102に反力として作用するが、この際、第2支持体102に作用する反力はそれほど大きくならない。粘弾性ゴム141、142は、第2支持体102と第3支持体103からせん断力に応じてせん断変形する。このため、制震装置100に大きい荷重がゆっくり作用する場合、初動において粘弾性ゴム141、142のせん断変形は小さく、回転慣性質量ダンパー120の変位が大きくなる。
このように、ここで提案される制震装置100は、第1支持体101と、第2支持体102と、回転慣性質量ダンパー120と、粘弾性ゴム141、142と、第3支持体103とを備えている。ここで、第2支持体102は、第1支持体101に対して相対的に変位可能に配置されている。回転慣性質量ダンパー120は、第1支持体101と第2支持体102とに取り付けられ、当該一対の支持体101、102の相対変位に応じて錘121を回転させる機構122を有している。粘弾性ゴム141、142は、平板状であり、第2支持体102に片面が取り付けられている。第3支持体103は、当該第2支持体102に対向するように配置され、粘弾性ゴム141、142の反対側の面に取り付けられている。
この制震装置100は、上述したように、支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)または狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に変位を伴う振動を受ける場合に、かかる振動を小さく抑え、かつ、早期に減衰させることができる。このため、地震のような振動が生じた際に構造物の相対的に変位する2つの部材に取り付けられることによって、構造体の振動を小さく抑え、かつ、早期に減衰させることができる。この場合、制震装置100は、支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)または狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に変位を伴う振動が生じるように、構造物の相対的に変位する2つの部材に取り付けるとよい。具体的には、制震装置100は、建物用制震装置として用いられる。ここで、図7は、制震装置100が組み込まれた建物10の構造例を示している。
図7は、建物10の壁の構造に、制震装置100が取り付けられた形態を示している。ここで、建物10は木造住宅である。制震装置100(建物用制震装置)は、図7に示すように、建物10の下梁11と柱12、13と上梁14とで囲まれた矩形の枠組み(架構面20)内に取り付けられている。なお、ここで、建物用制震装置100が取り付けられる上梁14と下梁11は、互いに上下に対向する梁(ここで、梁には土台が含まれる。)である。この実施形態では、建物用制震装置100は、建物10の1階に取り付けられている。ここでは、下梁11は、具体的には、アンカーボルトによってコンクリート基礎30に取り付けられた土台であり、以下、適宜に土台11と称する。また、上梁14は、具体的には、下梁としての土台11に立てられた一対の柱12、13に架け渡された2階床梁あるいは胴差しであり、以下、ここでは、適宜に2階床梁14と称する。
建物用制震装置100は、図7に示すように、建物10の土台11(下梁)と、土台11に立てられた一対の柱12、13と、一対の柱12、13に架け渡された2階床梁14(上梁)とで囲まれた矩形の枠組み20内に配置されている。ここで、建物用制震装置100は、上側伝達部材40と、下側伝達部材50とを備えている。
上側伝達部材40は、建物10の2階床梁14(上梁)に固定される上梁側固定部41と、制震装置100に固定される制震装置側固定部(ここでは、頂部42)とを備えている。図7に図示された例では、上側伝達部材40は、建物10の土台11と柱12、13と2階床梁14とで囲まれた矩形の枠組み20内において、左側の柱12と2階床梁14とが交わった角部に沿って取り付けられる直角三角形状のトラスで構成されている。
下側伝達部材50は、建物10の土台11(下梁)に固定される下梁側固定部51と、制震装置100に固定される制震装置側固定部(ここでは、頂部52)とを備えている。ここで、図7に図示された例では、下側伝達部材50は、矩形の枠組み20内において、右側の柱13と土台11とが交わった角部に沿って取り付けられる直角三角形状のトラスで構成されている。ここでは、下側伝達部材50を構成するトラスは、上側伝達部材40を構成するトラストと同様に構成することができる。
大きな地震時に土台11が揺れるのに伴い、慣性力を受けて、建物10全体が揺れる。この際、土台11に対して2階床梁14が凡そ水平方向に相対的に振れ動く。土台11に対して2階床梁14が凡そ水平方向に相対的に振れ動くと、土台11と柱12、13と2階床梁14とで囲まれた矩形の枠組み20はせん断変形する。矩形の枠組み20がせん断変形すると、2階床梁14に取り付けられた上側伝達部材40と、土台11に取り付けられた下側伝達部材50とが相対的に変位する。そして、上側伝達部材40の頂部42と、下側伝達部材50の頂部52との距離が、広くなったり狭くなったりする。
制震装置100は、上述したように、支持体101、103の距離を広くする方向(図1中の矢印Aの方向)または狭くする方向(図1中の矢印Bの方向)に変位を伴う振動を受ける場合に、かかる振動を小さく抑え、かつ、早期に減衰させることができる。このため、制震装置100は、図7に示すように、地震時に相対的に変位する上側伝達部材40の頂部42と下側伝達部材50の頂部52とに、支持体101、103を取り付けるとよい。図7に示す例では、制震装置100の第1支持体101は、下側伝達部材50の頂部52に取り付けられている。制震装置100の第3支持体103は、上側伝達部材40の頂部42に取り付けている。
この制震装置100の両端の支持体101、103が、構造体の相対変位する2部材間に取り付けられる。これによって、かかる2部材の相対変位を伴う振動が小さく抑えられ、かつ、当該振動を早期に減衰させることができる。大きな地震が生じると、加速度を伴う振動が生じ、建物10の2階床梁14に大きな慣性力が作用する。この慣性力に応じた力が、2階床梁14に取り付けられた上側伝達部材40と、土台11に取り付けられた下側伝達部材50とを通じて、制震装置100の第1支持体101と第3支持体103とに作用する。
この制震装置100は、図7に示すように、建物10の構造体に組み込まれ、建物10に生じる振動を小さく抑えるとともに、早期に減衰させる。ここで、建物用制震装置100は、図7に示すように、上側伝達部材40と、下側伝達部材50とを備えているとよい。ここで、上側伝達部材40は、図7に示すように、第1支持体101と第3支持体103とのうち一方の支持体(図7では、第3支持体103)を、建物10の上下に対向する一対の梁14、11のうち上側の梁14に取り付けている。下側伝達部材50は、他方の支持体(図7では、第1支持体101)を下側の梁11に取り付けている。これに対して、上側伝達部材40に第1支持体101を取り付け、下側伝達部材50に第3支持体103を取り付けてもよい。
また、図8は、建物用制震装置の他の形態を示している。ここでは、第1支持体101と第3支持体103とのうち一方の支持体101は、それぞれ建物10のフロア間における上階の構造体10Aに取り付けられている。他方の支持体103は、当該フロア間における下階の構造体10Bに取り付けられている。例えば、図8の形態では、建物用制震装置100A、建物用制震装置100Bは、上階の構造体10Aと、下階の構造体10Bとに繋がれたホールダウンボルト62、64の中間に組み込まれている。
また、ここで提案される建物10は、例えば、図7〜図9に示すように、上述した制震装置100または建物用制震装置100が構造体に組み込まれているとよい。かかる建物としては、木造住宅が例示されるが、制震装置100は、上述したように、フロア間のスペースや1階の床部材と土台との間のスペースなどにも配置されうる。このため、木造住宅以外の建物にも広く適用することができる。
10A 上階の構造体
10B 下階の構造体
11 下梁(土台)
11A 上階の床部材、1階の床部材
12、12A、12B 柱
13、13A、13B 柱
14A 上階の天井部材
14B 下階の天井部材、土台
15、16 ホールダウン金物
20 架構面
30 コンクリート基礎
31、32 ホールダウンボルト
34 基礎パッキン
40 上側伝達部材
41 上梁側固定部
42 上側伝達部材40の頂部
50 下側伝達部材
51 下梁側固定部
52 下側伝達部材50の頂部
62、64 ホールダウンボルト
100 制震装置、建物用制震装置
101 第1支持体
102 第2支持体
103 第3支持体
120 回転慣性質量ダンパー
121 回転軸
121 錘
122 錘121を回転させる機構
123 ラックギア
123a ラックギアの歯面
124 ピニオンギア
140 制震ゴムダンパー
141、142 粘弾性ゴム
Claims (11)
- 第1支持体と、
前記第1支持体に対して相対的に変位可能に配置された第2支持体と、
前記第1支持体と前記第2支持体とに取り付けられ、前記第1支持体と前記第2支持体との相対変位に応じて錘を回転させる機構を有する回転慣性質量ダンパーと、
前記第2支持体に片面が取り付けられた平板状の粘弾性ゴムと、
前記第2支持体に対向するように配置され、前記粘弾性ゴムの反対側の面に取り付けられた第3支持体と
を備え、
前記錘を回転させる機構は、
前記第1支持体と前記第2支持体とのうち一方の支持体に取り付けられたラックギアと、
他方の支持体に取り付けられ、前記ラックギアに噛み合ったピニオンギアと
を備え、
前記錘は、前記ピニオンギアの回転に応じて回転するように、前記ピニオンギアに組み付けられており、
前記錘は平板状の錘であり、当該錘の回転軸は、前記粘弾性ゴムが配置される仮想平面に対して直交する方向に配置されている、
制震装置。 - 前記第1支持体と、前記第2支持体と、前記第3支持体とが、1つの軸方向に沿って相対的に変位する、請求項1に記載された制震装置。
- 請求項1または2に記載された制震装置であって、
前記第1支持体と前記第3支持体とのうち一方の支持体を、建物の上下に対向する一対の梁のうち、上側の梁に取り付ける上側伝達部材と、
他方の支持体を下側の梁に取り付ける下側伝達部材と
を備えた、建物用制震装置。 - 前記上側伝達部材と前記下側伝達部材は、前記一対の梁と一対の柱で囲まれた架構面に向きを揃えて前記粘弾性ゴムを配置する、請求項3に記載された建物用制震装置。
- 請求項1に記載された制震装置であって、
前記第1支持体と前記第3支持体とのうち一方の支持体を、それぞれ建物のフロア間における上階の構造体に取り付ける上側伝達部材と、
他方の支持体を、当該フロア間における下階の構造体に取り付ける下側伝達部材と
を備えた、建物用制震装置。 - 前記上側伝達部材と前記下側伝達部材は、前記下階の天井部材と前記上階の床部材との間において、当該天井部材または当該床部材と平行になるように、前記粘弾性ゴムを配置する、請求項5に記載された建物用制震装置。
- 請求項1に記載された制震装置であって、
前記第1支持体と前記第3支持体とのうち一方の支持体を、それぞれ建物の1階の床部材に取り付ける上側伝達部材と、
他方の支持体を、当該建物の土台に取り付ける下側伝達部材と
を備えた、建物用制震装置。 - 前記上側伝達部材と前記下側伝達部材は、前記1階の床部材と前記土台との間において、前記1階の床部材または前記土台と平行になるように、前記粘弾性ゴムを配置する、請求項7に記載された建物用制震装置。
- 請求項5から8までの何れか一項に記載された建物用制震装置であって、
前記第1支持体と、前記第2支持体と、前記第3支持体とが、1つの軸方向に沿って相対的に変位する、建物用制震装置。 - 請求項9に記載された建物用制震装置であって、
前記第1支持体と前記第2支持体と前記第3支持体とが相対的に変位する前記1つの軸方向が、建物の水平方向または建物の上下方向に沿って配置される、建物用制震装置。 - 請求項1または2に記載された制震装置または請求項3から10までの何れか一項に記載された建物用制震装置が、構造体に組み込まれた建物。
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