JP7244295B2

JP7244295B2 - 回転慣性質量ダンパー

Info

Publication number: JP7244295B2
Application number: JP2019029391A
Authority: JP
Inventors: 浩一杉本; 輝福喜多; 浩神原; 和彦森川; 伸也牛坂
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: JP2020133786A

Description

本発明は、回転慣性質量ダンパーに関する。

近年建設が盛んに行われている超高層建物は、構造減衰が小さいことから地震時の振動がすぐに収まりにくい問題点や、風による応答も大きくなる問題点が知られている。
この問題点に対し、制振ダンパーを設置することで減衰を付加し、地震や風の応答を抑える制震構造とすることが主流となっている。その制震構造の中で、大きな質量（マス）を建物に設置し、マスと接続部材の剛性から構成される固有周期と、建物の固有周期を同調させることによって制震を図るＴＭＤも多くの超高層建物に採用されている。近年では実質量は小さいが、マスを回転させることにより、質量を数千倍まで増幅することが可能な回転慣性質量ダンパーをＴＭＤに適用した事例も知られている（例えば、特許文献１参照）。これらのＴＭＤでは、定点理論によって最適な減衰量を算出することが可能となり、地震応答や風応答を効率よく低減することが可能となる。

特開２０１２－１２２２２８号公報

しかしながら、建物が竣工した後の実際の固有周期と設計時の固有周期とにズレが生じる虞がある。その理由として、設計時には考慮していない非構造部材の影響や、使用している材料強度にばらつきがあること、設計時に想定している重量が実際と異なること、建物の経年変化による影響等が考えられている。付加するＴＭＤの同調周期は、設計時の周期に同調させるように設定されているため、建物竣工後の周期が設計時の周期と異なることは設計時に想定した制振力が十分に発揮できない虞がある。

そこで、本発明は、建物の竣工後の固有周期が設計時の固有周期と異なる場合に、設計時の固有周期に容易に同調させることができる回転慣性質量ダンパーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る回転慣性質量ダンパーは、ボールねじと、前記ボールねじに螺合するナットと、前記ボールねじおよび前記ナットの外周に配置され、前記ナットの回転運動が伝達される回転錘と、を有する回転慣性質量ダンパーにおいて、前記回転錘は、前記ボールねじおよび前記ナットを囲繞する円筒状の錘本体と、前記錘本体の外周に着脱可能な付加錘と、前記回転錘が収容されて前記回転錘の外周を覆う円筒状のケースと、を有し、前記ケースは、前記回転錘を前記ケースの外部に露出させる開口部と、前記ケースの周方向にスライドして前記開口部を開閉する蓋部と、を有することを特徴とする。

本発明では、建物の竣工後の固有周期が設計時の固有周期と異なる場合に、錘本体に付加錘を取り付けたり、錘本体に取り付けられた付加錘を取り外したりすることにより、建物の竣工後の固有周期を調整して、設計時の固有周期に容易に同調させることができる。
また、本発明に係る回転慣性質量ダンパーでは、前記回転錘が収容されて前記回転錘の外周を覆うケースを有し、前記ケースは、前記回転錘を前記ケースの外部に露出させる開口部と、前記開口部を開閉する蓋部と、を有している。
このような構成とすることにより、回転錘がケースに収容されていても、ケース全体を外さずに蓋部をあけて開口部を開口させることで、錘本体に付加錘を着脱することができる。

また、本発明に係る回転慣性質量ダンパーでは、前記錘本体は、複数の前記付加錘が着脱可能に構成され、前記錘本体の外周には、前記付加錘を係止可能な係止部が周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、錘本体に対して複数の付加錘を着脱することができるため、建物の竣工後の固有周期の調整を精度良く行うことができる。また、錘本体の外周には、前記付加錘を係止可能な係止部が周方向に間隔をあけて複数設けられていることにより、錘本体に対する付加錘の位置決めや取り付けを容易に行うことができる。

本発明によれば、建物の竣工後の固有周期が設計時の固有周期と異なる場合に、設計時の固有周期に容易に同調させることができる。

本発明の実施形態による回転慣性質量ダンパーの一例を示す正面図である。図１のＡ－Ａ線断面図である。回転錘の軸線方向から見た側面図である。錘本体を図３のＢ方向から見た図である。（ａ）は付加錘を径方向の外側から見た図で付加錘を省略した図、（ｂ）は付加錘を軸線方向から見た図である。付加錘の着脱による固有周期の調整を説明する図である。付加錘を取り外した場合（減少時）と、取り付けた場合（増加時）の質量、質量比、および周期比を示す表である。

以下、本発明の実施形態による回転慣性質量ダンパーについて、図１－図７に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態による回転慣性質量ダンパー１は、相対変位可能な柱と梁などの第１部材１１と第２部材１２との間に設けられていて、第１部材１１と第２部材１２との相対変位を低減させるように構成されている。
図２に示すように、回転慣性質量ダンパー１は、ボールねじ２と、ボールねじ２に螺合するナット３と、ボールねじ２およびナット３の外周に配置されナット３の回転運動が伝達される回転錘４と、ナット３を回転可能に保持する保持筒５と、保持筒５を第１部材１１に取り付ける第１取付部６と、ボールねじ２を第２部材１２に取り付ける第２取付部７と、回転錘４の外周を覆うケース８と、を有している。
ボールねじ２、ナット３、回転錘４および保持筒５は、同軸に配置されている。これらの軸線が延びる方向を軸線方向（図１および図２の左右方向）とする。

保持筒５は、円筒状に形成され第１取付部６と固定される外筒部５１と、円筒状に形成され外筒部５１の内部に外筒部５１と同軸に設けられナット３が固定されるナット保持部５２と、外筒部５１とナット保持部５２との間に設けられるボールベアリング５３と、を有している。外筒部５１とナット保持部５２との間にボールベアリング５３が設けられていることにより、外筒部５１とナット保持部５２とは軸線回りに相対回転可能に構成されている。

保持筒５は、外筒部５１の軸線方向の一方側（図１および図２の左側）が第１取付部６と固定され、ナット保持部５２の軸線方向の他方側にナット３が固定されている。
ナット保持部５２は、円筒状のナット保持円筒部５２１と、ナット保持円筒部５２１の軸線方向の他方側の縁部全体から径方向の外側に突出するナット保持フランジ５２２と、を有している。
ナット保持フランジ５２２は、円環板状に形成されている。円環板とは、中央に板面を貫通する円形の孔部が形成された円板を示している。
ナット保持フランジ５２２には、外縁部全体から軸線方向の他方側に突出す筒状の第１支持筒５４１と、外縁部全体から径方向の外側に突出する円環板状の第１フランジ５４２と、設けられている。
第１支持筒５４１および第１フランジ５４２は、ナット保持フランジ５２２と同軸に設けられている。

第１フランジ５４２の軸線方向の他方側には、円環板状の摩擦板５４３が第１フランジ５４２と同軸に設けられている。摩擦板５４３は表面が荒く形成され、当接した部材との間に所定の摩擦が生じるように構成されている。
摩擦板５４３は、第１フランジ５４２と軸線回りの相対回転可能に構成されている。第１支持筒５４１、第１フランジ５４２および摩擦板５４３は、ケース８の内部に配置されている。

ケース８は、保持筒５の軸線方向の他方側に保持筒５と同軸に設けられている。ケース８は、円筒状のケース円筒部８１と、ケース円筒部８１の軸線方向の一方側の端部に設けられた第１キャップ８２と、ケース円筒部８１の軸線方向の他方側の端部に設けられた第２キャップ８３と、を有している。
第１キャップ８２および第２キャップ８３はケース円筒部８１と固定されている。
ケース円筒部８１は、内部に回転錘４が収容されている。ケース円筒部８１は、内外を連通させる開口部８４が形成され、開口部８４を開閉可能な蓋部８５を有している。蓋部８５は、ケース円筒部８１に沿ってケース円筒部８１の周方向にスライドさせることで開口部８４を開閉するように構成されている。

第１キャップ８２は、円環板状に形成され、保持筒５の外筒部５１の軸線方向の他方側に同軸に固定されている。第１キャップ８２の孔部には、保持筒５のナット保持部５２の軸線方向の他方側の縁部が配置されている。

第２キャップ８３は、円環板状に形成されている。第２キャップ８３の孔部には、ボールねじ２およびボールねじガイド８６が挿通されている。ボールねじガイド８６は、ボールねじ２が挿通される筒状の部材で、挿通されたボールねじ２が軸線方向に変位するようにガイドしている。ボールねじガイド８６は、第２キャップ８３に固定されている。
第２キャップ８３には、孔部の縁部全体から軸線方向一方側（ケース８の内側）に突出する第２支持筒８７１が設けられている。第２支持筒８７１は、第２キャップ８３と同軸に設けられている。第２支持筒８７１の軸線方向の一方側の縁部には、第２支持筒８７１の径方向の外側に突出する円環板状の第２フランジ８７２が設けられている。第２支持筒８７１および第２フランジ８７２は、第２キャップ８３と同軸に設けられている。

ケース８は、第１キャップ８２が保持筒５の外筒部５１に固定されているため、ナット保持部５２およびナット３とともに回転しないように構成されている。

ボールねじ２は、外周にネジ溝が形成された棒状の部材で、軸線方向の一方側がケース８に挿入され、軸線方向の他方側が第２取付部７を介して第２部材１２と固定されている。ボールねじ２は、第２部材１２と相対変位および相対回転しないように第２取付部７を介して第２部材１２に固定されている。
ボールねじ２は、ケース８の内部において回転錘４およびナット３に挿通されている。
ボールねじ２は、上述したボールねじガイド８６に挿通され、ケース８と軸線方向に相対変位可能に構成されている。ボールねじ２は、ケース８との軸線方向以外の相対変位が拘束されている。

ナット３は、ケース８の内部で回転錘４の内部に配置されている、ナット３は、円筒状に形成され軸線方向の他方側からボールねじ２が挿入されている。ナット３は、内周にボールねじ２のネジ溝を走行可能なボール（不図示）が設けられていて、ボールねじ２と軸線方向に相対変位すると、ボールねじ２と軸線回りに相対回転し、ボールがネジ溝に沿って走行するように構成されている。
ナット３は、軸線方向の一方側がナット保持部５２と同軸に固定されている。

ナット３がボールねじ２の周りを回転すると、ナット保持部５２もナット３とともに回転する。上述しているようにナット保持部５２は、外筒部５１と相対回転可能に構成されている。このため、ナット保持部５２の回転は、外筒部５１を介して第２部材１２に伝達されない。

回転錘４は、ケース８内に収容されていて、外周がケース８のケース円筒部８１に覆われている。
図２および図３に示すように、回転錘４は、円筒状に形成された錘本体４１と、錘本体４１の外周に着脱可能な付加錘４２と、を有している。
図２に示すように、錘本体４１の軸線方向に貫通する孔部には、ナット３およびボールねじ２が同軸に配置されている。錘本体４１の孔部には、軸線方向の一方側からは第１支持筒５４１が挿入され、軸線方向の他方側から第２支持筒８７１が挿入されている。錘本体４１の孔部の内周面と第１支持筒５４１および第２支持筒８７１それぞれとの間にはベアリング４３，４４が設けられている。錘本体４１は、第１支持筒５４１および第２支持筒８７１と相対回転可能に構成されている。すなわち、錘本体４１は、第１支持筒５４１とナット保持部５２を介して連結され、ナット３、および第２支持筒８７１と連結されたケース８と相対回転可能に構成されている。

錘本体４１の軸線方向の一方側の端面４１ａは、摩擦板５４３と当接している。
錘本体４１の軸線方向の他方側の端面４１ｂと、第２フランジ８７２との間には、錘本体４１と第２フランジ８７２とを軸線方向の互いに離間させる方向に付勢するばね部４５が設けられている。ばね部４５は、その付勢力によって、錘本体４１を摩擦板５４３に押し付け、摩擦板５４３を第１フランジ５４２に押し付けるように構成されている。

第１部材１１と第２部材１２とが軸線方向に相対変位し、ナット３がボールねじ２の周りを回転し、ナット３の回転がナット保持部５２を介して第１フランジ５４２に伝達した場合に、摩擦板５４３と第１フランジ５４２、および摩擦板５４３と錘本体４１との間で滑りが生じない場合は、ナット３とともに錘本体４１が回転する。これに対し、摩擦板５４３と第１フランジ５４２および、摩擦板５４３と錘本体４１の少なくとも一方との間で滑りが生じる場合は、錘本体４１は回転しない、または、ナット３よりも遅い回転速度で回転する。
摩擦板５４３と第１フランジ５４２との摩擦力および、摩擦板５４３と錘本体４１との摩擦力は、それぞれ設定されている。

図３に示すように、付加錘４２は、１つの錘本体４１に対して複数取り付け可能に構成されている。本実施形態では、付加錘４２は、断面形状が扇型の棒状の部材で、長さ寸法が錘本体４１の長さ寸法の略１/２の寸法に設定されている。付加錘４２は、錘本体４１の外周にボルトなどの固定具で固定され、固定具を外すことで錘本体４１から取り外せるように構成されている。付加錘４２は、錘本体４１に固定されると、錘本体４１とともに回転する。

付加錘４２の断面の扇形の内周面は、錘本体４１の外周面と同じ径の円弧面に形成されていて、錘本体４１の外周面と面接触するように構成されている。付加錘４２は、長さ方向が錘本体４１の軸線と平行となる向きで、錘本体４１の外周面に着脱可能に構成されている。
例えば、付加錘４２はボルトで錘本体４１に固定される場合、図４に示すように、錘本体４１の外周部には、周方向に間隔をあけて付加錘４２を取り付けるためボルトが螺合するタップ孔４１１（係止部）が複数形成されている。例えば、付加錘４２をＭ１０のボルトで錘本体４１に固定する場合は、錘本体４１には、Ｍ１０のボルトが螺合するタップ孔４１１が設けられている。

本実施形態では、錘本体４１の軸線回りに４５°ずつ間隔をあけてタップ孔４１１（係止部）が形成されている。付加錘４２は、付加錘４２の長さ方向に間隔をあけた３か所においてボルトなどの固定具で錘本体４１に固定されている。付加錘４２は、錘本体４１に対して軸線方向に２つ並べて取り付け可能となっている。このため、付加錘４２は、１つの錘本体４１に対して、軸線方向に２つ並べた状態で、軸線回りに４５°ずつ間隔をあけた８か所に取り付け可能となっていて、最大１６個取り付けることができる。
付加錘４２は、ケース８の蓋部８５をあけた状態でケース８の開口部８４から錘本体４１に着脱可能に構成されている。

続いて、従来の回転慣性質量ダンパーと、本実施形態による回転慣性質量ダンパー１との比較を具体的な数値を用いて説明する。
まず、回転錘４が錘本体４１のみで付加錘４２が設けられていない従来の回転慣性質量ダンパーについて説明する。
回転錘４（錘本体４１のみ）は、外径（Ｄ_１）が５３２ｍｍ、内径（Ｄ_２）が２１５ｍｍ、長さ（Ｌ_１）が６１４ｍｍ、実質量（ｍ_１）が約９００ｋｇとする。また、ボールねじ２のリード（Ｌ_ｄ）は１６ｍｍとする。回転錘４の慣性質量は式（１）より、約６１１０ｔとなる。ボールねじ２やナット３などの回転錘４以外）の慣性質量は約３９０ｔとなる。従来の回転慣性質量ダンパー１は、合計６５００ｔの慣性質量となる。ケース８の外径は、５７０ｍｍとする。

上記の従来の回転慣性質量ダンパー１を以下のように変更することで本実施形態の回転慣性質量ダンパー１とする。
回転錘４の慣性質量は式（１）より、回転錘４の外径の２乗に比例することから、錘本体４１の外周に付加錘４２を取り付けることによって効率的に慣性質量を増加させることができる。
そこで、錘本体４１の外周に付加錘４２を４５°間隔で軸線方向に２つずつ計１６個設置する。回転錘４の外形Ｄ３は６３２とし、ケース８の外径Ｄ_４を６９０ｍｍとする。
図５に示すように、付加錘４２は、ＳＳ４００で形成され、１つあたりの実質量が１２Ｋｇ、径方向の寸法ｈ_１が５０ｍｍ、長さ方向の寸法ｌ_１が３０５ｍｍ、外径側の幅寸法ｄ_１が８２ｍｍ、内径側の幅寸法ｄ_２が７０ｍｍとする。図３に示す１つの付加錘４２の中心角θは、１５°としている。ケース８に設ける開口部８４は、６００×２５０程度とする。
錘本体４１に付加錘４２を追加することにより、慣性質量は６５００ｔから７８００ｔに増加し、同調周期としては約９．５％伸長可能となる。

付加錘４２の取付作業において、付加錘４２を設置するたびに元々の回転錘４を回転させる必要がある。その時の必要荷重は式（２）から算出できる。

回転慣性質量ダンパー１の摩擦力Ｆは２０ｋＮであるため、必要なトルクＴは５０．９ｋＮ・ｍｍとなる。付加錘４２を押すことによりトルクを発生させるため、回転中心であるねじ軸からの距離は３００ｍｍとなる。よって、必要な荷重は、０．１７ｋＮとなる。すなわち約１７ｋｇの力で回転錘４を回転させることが可能であり、充分人力で作業できる範囲である。
上記は、質量を更に付加することにより周期を伸長させる手法であるが、逆に質量を減少させることで周期を短周期化させることも可能である。

例えば、図６に示すように、取り付け可能な付加錘４２のうちのいくつかを錘本体４１に付けた状態で設計時の固有周期に同調させておき（図６の中央の回転錘４）、取り付けられた付加錘４２を取り外す（図６の左側の回転錘４）ことにより質量を１０％減少（周期で５％短周期化）、逆に更に付加錘４２を追加して取り付ける（図６の右側の回転錘４）ことにより質量を１８％増加（周期を９％伸長化）させることが可能となる。図７に図６に対応する、付加錘を取り外した場合（減少時）と、取り付けた場合（増加時）の質量、質量比、および周期比を示している。
付加錘４２の個数や質量、形状により、変化させる慣性質量の幅は変えることが可能である。

次に、上述した本実施形態による回転慣性質量ダンパー１の作用・効果について図面を用いて説明する。
上述した本実施形態による回転慣性質量ダンパー１では、建物の竣工後の固有周期が設計時の固有周期と異なる場合に、錘本体４１に付加錘４２を取り付けたり、錘本体４１に取り付けられた付加錘４２を取り外したりすることにより、建物の竣工後の固有周期を調整して、設計時の固有周期に容易に同調させることができる。

また、錘本体４１は、複数の付加錘４２が着脱可能に構成され、錘本体４１の外周には、付加錘４２を係止可能な係止部（タップ孔４１１）が周方向に間隔をあけて複数設けられている。このような構成とすることにより、錘本体４１に対して複数の付加錘４２を着脱することができるため、建物の竣工後の固有周期の調整を精度良く行うことができる。また、錘本体４１の外周には、付加錘４２を係止可能な係止部が周方向に間隔をあけて複数設けられていることにより、錘本体４１に対する付加錘４２の位置決めや取り付けを容易に行うことができる。

また、回転錘４が収容されるケース８は、回転錘４をケース８の外部に露出させる開口部８４と、開口部８４を開閉する蓋部８５と、を有している。このような構成とすることにより、回転錘４がケース８に収容されていても、ケース８全体を外さずに蓋部８５をあけて開口部８４を開口させることで、錘本体４１に付加錘４２を着脱することができる。

以上、本発明による回転慣性質量ダンパーの実施形態について説明したが、本発明は上記の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、上記の実施形態では、錘本体４１は、複数の付加錘４２が着脱可能に構成され、錘本体４１の外周には、付加錘４２を係止可能な係止部が周方向に間隔をあけて複数設けられている。これに対し、錘本体４１に対して１つの付加錘４２のみが取り付け可能に構成されていてもよい。また、付加錘４２の質量や形状は上記以外であってもよい。また、錘本体４１に対して、異なる形状や質量の付加錘４２を着脱可能に取り付けられるように構成されていてもよい。また、付加錘４２の錘本体４１への取付位置や、取り付け方法は適宜設定されてよい。
また、上記の実施形態では、回転錘４が収容されて回転錘４の外周を覆うケース８を有し、ケース８は、回転錘４をケース８の外部に露出させる開口部８４と、開口部８４を開閉する蓋部８５と、を有している。これに対し、ケース８には開口部８４や蓋部８５が設けられておらず、ケース８全体を取り外して錘本体４１に対して付加錘４２を着脱するように構成されていてもよい。

１回転慣性質量ダンパー
２ボールねじ
３ナット
４回転錘
８ケース
４１錘本体
４２付加錘
８４開口部
８５蓋部
４１１タップ孔（係止部）

Claims

ボールねじと、
前記ボールねじに螺合するナットと、
前記ボールねじおよび前記ナットの外周に配置され、前記ナットの回転運動が伝達される回転錘と、を有する回転慣性質量ダンパーにおいて、
前記回転錘は、前記ボールねじおよび前記ナットを囲繞する円筒状の錘本体と、
前記錘本体の外周に着脱可能な付加錘と、
前記回転錘が収容されて前記回転錘の外周を覆う円筒状のケースと、を有し、
前記ケースは、前記回転錘を前記ケースの外部に露出させる開口部と、
前記ケースの周方向にスライドして前記開口部を開閉する蓋部と、を有することを特徴とする回転慣性質量ダンパー。
前記錘本体は、複数の前記付加錘が着脱可能に構成され、
前記錘本体の外周には、前記付加錘を係止可能な係止部が周方向に間隔をあけて複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転慣性質量ダンパー。