JP6756441B2 - 制振装置、及び構造物の制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、制振装置、及び構造物の制振構造に関する。

地震などによって構造物に作用した振動エネルギーを減衰させて建物の応答を低減させる制振装置や、このような制振装置を用いた構造物の制振構造に関する技術がある。例えば、特許文献１には、建物の隣り合う柱と上下方向に隣り合う梁とによって囲まれる架構内に介装される慣性質量ダンパーを用いた制振装置であって、固定端が上階梁及び下階梁のいずれか一方の第１梁に固定されるとともに、摺動端が他方の第２梁に摺動可能に設けられた制振ダンパーの機能を有するブレースと、一端が第２梁に固定され、他端がブレースの摺動端に固定された慣性質量ダンパーと、を備え、ブレースと慣性質量ダンパーとが直列に接合されている制振装置が開示されている。

特開２０１２−１２２２２８号公報

構造物の制振構造の一例として、柱と梁との接合部に例えばＶ字型のブレースを設置する技術がある。このような従来の制振構造では、柱や梁の変形を低減するため、柱や梁に、ＲＣ（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ−Ｃｏｎｃｒｅｔｅ）ではなく鉄骨を用いることが多かった。また、履歴型ダンパーやオイルダンパーは、ハイテンションボルトを用いてガセットプレートに接続する方法や、ガセットプレートにピン接合する方法が一般的であった。

上記のような従来の制振構造は、Ｖ字型のブレースに設けた所謂履歴型ダンパーやオイルダンパーによって、地震等による振動エネルギーを減衰する構造である。柱や梁に変形が生じたり、履歴型ダンパーやオイルダンパーの接続部に緩みがあると、履歴型ダンパーやオイルダンパーの機能が損なわれる。そこで、上記のような従来の制振構造は、変形が生じにくいよう、柱や梁にＲＣではなく鉄骨を用いている。また、同様の理由により、履歴型ダンパーやオイルダンパーの接続部には、緩みや所謂がたつきが生じにくいように、ハイテンションボルトを用いたり、ピン結合を採用している。

一方で、柱や梁にＲＣを用いることができれば、構造物の設計の自由度を従来よりも向上することができる。また、履歴型ダンパーやオイルダンパーを省略したり、これらの性能を従来よりも低減し、かつ、従来の制振構造と同様に振動エネルギーを減衰することができれば、構造物の設計の自由度を従来よりも向上することができる。

本発明は、上記の問題に鑑み、地震などによって構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる新たな技術を提供することを課題とする。

本発明では、上記課題を解決するため、柱や梁とブレースとの接続部が積極的に変形し、変形が発生した際に履歴減衰を得られるようにした。換言すると、上記接続部の塑性化によるエネルギー吸収により、減衰効果を得られるようにした。

詳細には、本発明は、構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる制振装置であって
、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰部と、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、ブレースが接続される、前記柱と梁との接続部に一端部が接続され、他端部が前記減衰部に対して相対移動自在に接続される振動伝達部であって、前記構造物に振動エネルギーが作用した際、前記減衰部に対して相対移動しながら前記振動エネルギーを前記減衰部に伝達する棒状の振動伝達部と、を備える。

本発明に係る制振装置では、振動伝達部によって振動エネルギーが減衰部に伝達され、伝達された振動エネルギーが減衰部で減衰される。その結果、地震等による振動エネルギーを減衰することができ、構造物の制振性能を向上することができる。本発明に係る制振装置は、従来技術と異なり、柱や梁とブレースとの接続部を積極的に変形させるものであるため、柱や梁にＲＣを用いることができる。その結果、構造物の設計の自由度を従来よりも向上することができる。また、制振装置によって振動エネルギーを減衰できるため、従来ブレースに設けていた履歴型ダンバーやオイルダンパーは、その性能を従来よりも低減し、又は、省略することができる。その結果、構造物の設計の自由度を従来よりも向上することができる。また、本発明に係る制振装置は、構造物に埋設されることから、構造物の美観を向上することができる。

本発明に係る制振装置は、既存の構造物を制振補強する際は勿論の事、新規の構造物を構築する際にも制振性能を向上するために用いることができる。構造物には、マンション、ビル等の建物の他、橋脚等も含まれる。構造物の柱、梁、ブレースは、既存の構造物を制振補強する際に構築される、補強柱、補強梁、補強ブレース、新規の構造物の柱、梁、ブレースの何れでもよい。

ここで、前記減衰部は、粘弾性体と、当該粘弾性体を収容する筐体と、を含み、前記振動伝達部は、前記筐体を貫通する軸部と、当該軸部の他端部に設けられることで前記粘弾性体内に位置し、前記構造物に振動エネルギーが作用し当該振動伝達部が前記減衰部に対して相対移動する際に前記粘弾性体に対して抵抗する抵抗体と、を含むものでもよい。

筐体は、粘弾性体を収容するとともに、抵抗体の移動範囲、換言すると、振動伝達部が減衰部に対して相対移動する範囲を規制する。構造物に振動エネルギーが作用すると、振動エネルギーが、軸部、及び抵抗体を介して、粘弾性体に伝達される。粘弾性体の塑性化によるエネルギー吸収により、履歴減衰が得られる。

また、本発明に係る制振装置は、前記振動伝達部の前記減衰部に対する相対移動範囲を規制する規制部を更に備える構成としてもよい。振動伝達部の減衰部に対する相対移動範囲は、上記筐体によって規制することができる。但し、振動エネルギーが大きく、抵抗体が筐体の内壁面に直接接すると、粘弾性体によるエネルギーを吸収する機能が損なわれ、また、減衰部が破損することが懸念される。規制部を設けることで、振動伝達部の減衰部に対する相対移動範囲をより確実に規制することができ、粘弾性体によるエネルギーを吸収する機能を維持し、また、減衰部の破損を抑制できる。

また、本発明に係る制振装置は、前記振動伝達部の前記減衰部に対する相対移動範囲を規制する規制部を更に備え、前記規制部は、前記軸部のうち、前記一端部と前記他端部との間に設けられた、当該軸部よりも大きい外郭を有するストッパと、前記柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に形成された、前記ストッパを移動自在に収容するとともにストッパの移動範囲を規制する収容部と、を含むものでもよい。上記構成は、規制部の一例であるが、規制部を上記のように構成することで、ストッパは、収容部内において移動自在となる。換言すると、振動伝達部の減衰部に対する相対移動範囲が収容部内に制限される。

ここで、本発明は、上述した制振装置を含む、構造物の制振構造として特定してもよい。例えば、本発明は、構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる構造部の制振構造であって、前記構造物の柱と、構造物の柱に接続される構造物の梁と、構造物の柱と梁の接続部に接続されるブレースと、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰装置と、を備え、前記減衰装置は、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰部と、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、ブレースが接続される、前記柱と梁との接続部に一端部が接続され、他端部が前記減衰部に対して相対移動自在に接続される振動伝達部であって、前記構造物に振動エネルギーが作用した際、前記減衰部に対して相対移動しながら前記振動エネルギーを前記減衰部に伝達する棒状の振動伝達部と、を含むことを特徴とする。また、本発明は、制振構造の構築方法として特定してもよい。

本発明によれば、地震などによって構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる新たな技術を提供することができる。

図１は、実施形態に係る制振構造を有する建物の概略図を示す。 図２は、図１の部分拡大図を示す。 図３は、実施形態に係る制振構造の透視図を示す。 図４は、図３のＡ矢視図を示す。 図５は、実施形態に係る制振装置の断面図を示す。 図６は、実施形態に係る制振装置の部分斜視図を示す。 図７は、変形例に係る制振装置の部分斜視図を示す。 図８は、実施形態に係る制振構造の構築方法のフローを示す。

次に、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、一例として、建物を制振補強する補強柱と補強梁とが接続される仕口部の制振構造について説明する。以下の説明は例示であり、本発明は以下の内容に限定されるものではない。

＜制振構造＞
図１から図５に示すように、実施形態に係る制振構造１は、建物２（マンション）を制振補強する。この制振構造１は、ＲＣ外付けフレーム３、ブレース４、第１ガセットプレート５、第２ガセットプレート６、制振装置７を備える。

ＲＣ外付けフレーム３は、制振補強における補強材の一つであり、垂直方向に延びるＲＣ（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ−Ｃｏｎｃｒｅｔｅ）の補強柱３１、補強柱３１と直交して連なるＲＣの補強梁３２を含む。図示では省略するが、ＲＣ外付けフレーム３は、建物２の柱とスラブを介して接続されている。図１では、建物２の一面の一部に、制振構造１が設けられているが、制振構造１は、建物２の制振性能に応じて、例えば建物２の一面の全部に設けるようにしてもよい。また、制振構造１は、建物２の複数面に設けるようにしてもよい。

ブレース４は、制振補強における補強材の一つであり、一端が補強柱３１と補強梁３２との接続部（ＲＣ外付けフレーム３の角部）に設けられた第１ガセットプレート５に接続され、他端が補強梁３２に設けられた第２ガセットプレート６に接続されている。実施形態に係るブレース４は、Ｖ字型になるように、２本のブレース４が、第１ガセットプレー
ト５と第２ガセットプレート６の夫々に接続されている。実施形態に係るブレース４には、Ｃ形鋼材が用いられているが、これに代えてＨ形鋼材やＬ形鋼材など、既存の各種鋼材を用いることができる。また、ブレース４は、Ｘ字型でもよい。

第１ガセットプレート５及び第２ガセットプレート６は、ＲＣ外付けフレーム３とブレース４とを接続する。第１ガセットプレート５は、補強柱３１に接続される、第１ガセットプレートの第１接合部５１、補強梁３２に接続される、第１ガセットプレートの第２接合部５２、ブレース４の一端が接続される、第１ガセットプレートの第３接合部５３を備える。第１ガセットプレートの第１接合部５１と第１ガセットプレートの第２接合部５２は、何れも四角形のプレートであり、側面視においてＬ字型になるように、第１ガセットプレートの第１接合部５１の一辺と第１ガセットプレートの第２接合部５２の一辺が直角に連なっている。第１ガセットプレートの第３接合部５３は、第１ガセットプレートの第１接合部５１及び第１ガセットプレートの第２接合部５２の内側面（補強柱３１や補強梁３２との接合面（外側面）と反対側の面）の幅方向の中心に、第１ガセットプレートの第１接合部５１及び第１ガセットプレートの第２接合部５２と直交して連なっている。第１ガセットプレートの第３接合部５３は、第１ガセットプレートの第１接合部５１と第１ガセットプレートの第２接合部５２との角部の対角付近が切り欠かれた五角形である。この切り欠かれた部分に位置する辺にブレース４の一端が高力ボルトで接続されている。第１ガセットプレートの第１接合部５１及び第１ガセットプレートの第２接合部５２には、制振装置７を固定する際に用いる貫通孔５４が複数形成されている。

第２ガセットプレート６は、補強梁３２に接続される、第２ガセットプレートの第１接合部６１、ブレース４の他端が接続される、第２ガセットプレートの第２接合部６２を備える。第２ガセットプレート６は、何れも四角形のプレートであり、Ｔ字型になるように、第２ガセットプレートの第１接合部６１と第２ガセットプレートの第２接合部６２が連なっている。第２ガセットプレート６は、アンカーボルト（図示せず）によって補強梁３２に接続されている。なお、アンカーボルトに代えて、第１ガセットプレート５と同じく、制振装置７を用いるようにしてもよい。

制振装置７は、補強柱３１又は補強梁３２に埋設され、建物２に作用した振動エネルギーを減衰させる。図５に示すように、制振装置７は、減衰部７１、振動伝達部７２、規制部７３、固定部７４を備える。減衰部７１は、建物２に作用した振動エネルギーを減衰させる。実施形態に係る減衰部７１は、粘弾性体７１１と、粘弾性体７１１を収容する筐体７１２とを含む。筐体７１２は、粘弾性体７１１を収容するとともに、抵抗体７２３の移動範囲、換言すると、振動伝達部７２が減衰部７１に対して相対移動する範囲を規制する。実施形態に係る筐体７１２は、直方体であり、内部に粘弾性体７１１を収容する空間を有している。筐体７１２の一面には、孔７１３が形成され、かつ、振動伝達部７２が接続されている。孔７１３の内面には、粘弾性体７１１の漏れを抑制するためのシール材が形成されている。粘弾性体７１１は、粘性と弾性の両方を合わせた性質をもつものであり、高分子材料やカーボンナノチューブによるものが例示される。

振動伝達部７２は、固定部７４（実施形態では、ナット７４１）によって、一端が第１ガセットプレート５に固定され、他端が減衰部７１に接続され、建物２に作用した振動エネルギーを減衰部７１に伝達する。より詳細には、振動伝達部７２は、筐体７１２の孔７１３を貫通する軸部７２１と、軸部７２１を収容する筒状の筒部７２２と、軸部７２１の他端側に設けられることで粘弾性体７１１内に位置する抵抗体７２３と、を含む。軸部７２１は、棒状であり、建物２に振動エネルギーが作用した際、軸方向に延びる筒部７２２内を、減衰部７１に対して相対移動しながら、振動エネルギーを減衰部７１に伝達する。抵抗体７２３は、建物２に振動エネルギーが作用し、軸部７２１が筒部７２２内を移動する際に粘弾性体７１１に対して抵抗する。図６に示すように、抵抗体７２３は、軸部７２
１の軸方向と面が直交する円盤状であり、軸部７２１の移動に伴って粘弾性体７１１内を移動する際に抵抗が大きくなるように構成されている。これにより、振動エネルギーが効率よく粘弾性体７１１に伝達される。

ここで、図７は、変形例に係る制振装置の部分斜視図を示す。図７に示す変形例に係る制振装置７は、抵抗体７２３が円盤ではなく、上面視においてＨ形形状である。より詳細には、変形例に係る抵抗体７２３は、軸部７２１と直交して連なる四角形のプレート本体部７２３ａと、プレート本体部７２３ａの対向する両辺にプレート本体部７２３ａと直交して連なる四角形のプレート付帯部７２３ｂとを備える。変形例に係る抵抗体７２３は、軸部７２１の移動に伴って粘弾性体７１１内を移動する際、プレート本体部７２３ａに加えてプレート付帯部７２３ｂも抵抗する。したがって、変形例に係る抵抗体７２３は、実施形態に係る抵抗体７２３よりも、軸部７２１の移動に伴って粘弾性体７１１内を移動する際に抵抗が大きくなる。これにより、振動エネルギーが更に効率よく粘弾性体７１１に伝達される。なお、抵抗体７２３の形状は、これらに限定されない。例えば、抵抗体７２３は、円盤状の抵抗体を複数配置してもよく、また、実施形態に係る抵抗体７２３や変形例に係る抵抗体７２３の表面に凹凸を形成するようにしてもよい。また、抵抗体７２３は、球状、立方体、他の多角形状の立体でもよい。

規制部７３は、振動伝達部７２の減衰部７１に対する相対移動範囲を規制する。規制部７３は、筒部７２２の中間（軸部７２１の中間）に設けられた、円盤状のストッパ７３１と、ストッパ７３１を移動自在に収容するとともにストッパ７３１の移動範囲、換言すると軸部７２１の移動範囲を規制する収容部７３２とを備える。実施形態に係る規制部７３は、ストッパ７３１が収容部７３２の内壁に先に接触し、抵抗体７２３が筐体７１２の内壁に直接接しないように構成されている。換言すると、規制部７３が規制する相対移動範囲の方が、筐体７１２が規制する相対移動範囲よりも小さくなるように規制部７３が設計されている。振動伝達部７２の減衰部７１に対する相対移動範囲は、筐体７１２によって規制することができる。但し、振動エネルギーが大きく、抵抗体７２３が筐体７１２の内壁面に直接接すると、粘弾性体によるエネルギーを吸収する機能が損なわれ、また、減衰部７１が破損することが懸念される。規制部７３を設けることで、振動伝達部７２の減衰部７１に対する相対移動範囲をより確実に規制することができ、粘弾性体７１１によるエネルギーを吸収する機能を維持し、また、減衰部７１の破損を抑制できる。なお、規制部７３を省略し、制振装置７は、より簡易な構成としてもよい。

固定部７４は、振動伝達部７２の軸部７２１の一端を第１ガセットプレート５に固定する。実施形態に係る固定部７４は、２つのナット７４１によって構成されている。軸部７２１の一端側にねじ溝が形成されており、このねじ溝に螺合する２つのナット７４１は、第１ガセットプレートの第１接合部５１又は第２接合部５２を挟み込むようにして、軸部７２１の一端側に固定される。なお、振動伝達部７２の軸部７２１の一端と第１ガセットプレート５とを固定できればよく、例えば、軸部７２１と第１ガセットプレート５とは、溶接により固定するようにしてもよい。

＜＜制振構造の構築方法＞＞
図８は、実施形態に係る制振構造の構築方法のフローを示す。ステップＳ０１では、補強柱３１又は補強梁３２の型枠が組み立てられる（型枠の組立工程）。次に、ステップＳ０２では、型枠内に制振装置７が設置される（制振装置の設置工程）。なお、制振装置７の設置は、型枠の組み立てとともに行ってもよい。制振装置７が設置されると、ステップＳ０３では、補強柱３１又は補強梁３２のコンクリートが打設される（コンクリートの打設工程）。コンクリートの養生後、ステップＳ０４では、補強柱３１又は補強梁３２の型枠が解体される（型枠の解体工程）。次に、ステップＳ０５では、補強柱３１と補強梁３２との接続部に第１ガセットプレート５が設置され、補強梁３２に第２ガセットプレート
が設置される（ガセットプレートの設置工程）。第１ガセットプレート５については、２つのナット７４１が、第１ガセットプレート５の第１接合部５１又は第２接合部５２を挟み込むようにして、軸部７２１の一端側に固定される。第２ガセットプレート６については、既存のアンカーボルトで固定される。次に、ステップＳ０６では、ブレース４が第１ガセットプレート５、第２ガセットプレート６に接続される（ブレースの接続工程）。上記ステップ０１から０６の工程が適宜繰り返されることで、制振構造１が完成する。

＜＜作用効果＞＞
実施形態に係る制振構造１又は制振装置７では、振動伝達部７２によって振動エネルギーが減衰部７１に伝達され、伝達された振動エネルギーが減衰部７１で減衰される。より詳細には、建物２に振動エネルギーが作用すると、振動エネルギーが振動伝達部７２の軸部７２１及び抵抗体７２３を介して、減衰部７１の粘弾性体７１１に伝達される。粘弾性体７１１の塑性化によるエネルギー吸収により、履歴減衰が得られる。その結果、地震等による振動エネルギーを減衰することができ、建物２の制振性能を向上することができる。実施形態に係る制振装置７は、従来技術と異なり、補強柱３１や補強梁３２とブレース４との接続部を積極的に変形させるものであるため、補強柱３１や補強梁３２にＲＣを用いることができる。その結果、建物２の設計の自由度を従来よりも向上することができる。また、制振装置７によって振動エネルギーを減衰できるため、従来ブレースに設けていた履歴型ダンバーやオイルダンパーの性能を従来よりも低減し、又は、省略することができる。その結果、建物の設計の自由度を従来よりも向上することができる。また、実施形態に係る制振装置７は、補強柱３１や補強梁３２に埋設されることから、建物２の美観を向上することができる。

ここで、制振装置７や制振構造１は、上述したように、既存の建物２を制振補強する際は勿論の事、新規の建物２を構築する際にも制振性能を向上するために用いることができる。また、建物２（マンション）を例に説明したが、制振装置７や制振構造１は、ビル等の建物の他、橋脚等の土木構造物に用いてもよい。

また、制振構造１は、実施形態に係る制振装置７の減衰部７１に、履歴型ダンバーやオイルダンパーを用いるようにしてもよい。この場合、履歴型ダンパーやオイルダンパーのロッドが補強柱３１や補強梁３２の埋設された状態で移動できるよう、ロッドの周囲に筒部を設ける必要がある。そして、ロッドの端部を第１ガセットプレート５に固定することで、地震等による振動エネルギーを減衰することができ、建物２の制振性能を向上することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、可能な限り実施形態を組み合わせて実施することができる。

１・・・制振構造
２・・・建物
３・・・ＲＣ外付けフレーム
３１・・・補強柱
３２・・・補強梁
４・・・ブレース
５・・・第１ガセットプレート
５１・・・第１ガセットプレートの第１接合部
５２・・・第１ガセットプレートの第２接合部
５３・・・第１ガセットプレートの第３接合部
５４・・・貫通孔
６・・・第２ガセットプレート
７・・・制振装置
７１・・・減衰部
７２・・・振動伝達部
７３・・・規制部
７４・・・固定部

Claims (5)

1. 構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる制振装置であって、
   前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰部と、
   前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、ブレースが接続される、前記柱と梁との接続部に一端部が接続され、他端部が前記減衰部に対して相対移動自在に接続される振動伝達部であって、前記構造物に振動エネルギーが作用した際、前記減衰部に対して相対移動しながら前記振動エネルギーを前記減衰部に伝達する棒状の振動伝達部と、
   を備える制振装置。
2. 前記減衰部は、粘弾性体と、当該粘弾性体を収容する筐体と、を含み、
   前記振動伝達部は、前記筐体を貫通する軸部と、当該軸部の他端部に設けられることで前記粘弾性体内に位置し、前記構造物に振動エネルギーが作用し当該振動伝達部が前記減衰部に対して相対移動する際に前記粘弾性体に対して抵抗する抵抗体と、を含む、請求項１に記載の制振装置。
3. 前記振動伝達部の前記減衰部に対する相対移動範囲を規制する規制部を更に備える請求項１に記載の制振装置。
4. 前記振動伝達部の前記減衰部に対する相対移動範囲を規制する規制部を更に備え、
   前記規制部は、
   前記軸部のうち、前記一端部と前記他端部との間に設けられた、当該軸部よりも大きい外郭を有するストッパと、
   前記柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に形成された、前記ストッパを移動自在に収容するとともにストッパの移動範囲を規制する収容部と、を含む、請求項２に記載の制振装置。
5. 構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる構造部の制振構造であって、
   前記構造物の柱と、構造物の柱に接続される構造物の梁と、構造物の柱と梁の接続部に接続されるブレースと、
   前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰装置と、を備え、
   前記減衰装置は、前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、前記構造物に作用した振動エネルギーを減衰させる減衰部と、
   前記構造物の柱と梁とのうち、少なくとも何れか一方に埋設され、ブレースが接続される、前記柱と梁との接続部に一端部が接続され、他端部が前記減衰部に対して相対移動自在に接続される振動伝達部であって、前記構造物に振動エネルギーが作用した際、前記減衰部に対して相対移動しながら前記振動エネルギーを前記減衰部に伝達する棒状の振動伝達部と、を含む、
   構造物の制振構造。

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