JP7499200B2

JP7499200B2 - 制振装置

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Publication number: JP7499200B2
Application number: JP2021029503A
Authority: JP
Inventors: 佳也中村
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2041-02-26
Also published as: JP2022130865A

Description

本開示は、制振装置に関する。

鉄塔、タワー、高層建物等の建物は、台風等の強風を受けたり、地震動による力を受けたりすることで大きな揺れを生じやすい。この対策として、免震装置や制振装置を建物に設置して揺れを抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１には、建物の屋上にばね及びダンパを介して錘部材を連結したチューンド・マス・ダンパー（Tuned Mass Damper、以下、ＴＭＤと略す。）を制振装置として用い、ＴＭＤの固有周期を建物の固有周期と同調させることで揺れを抑制する技術が記載されている。

ところで、小地震又は強風等による揺れを制振するためのＴＭＤ装置は、大地震の際に錘部材の変位が想定以上になって可動ストローク不足になり、錘部材が衝突して装置が損傷する可能性がある。衝突を防止する対策の一つとして可動ストロークを大きくすると、ＴＭＤ装置の制振装置の寸法が大きくなってしまう、別の対策の一つとして緩衝材を設けると、緩衝材の最適な設計及び費用が追加でかかってしまう、等の問題があった。この問題に対して、例えば特許文献１のような技術が知られている。

特開２０１６－０５３３８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のＴＭＤ装置では、構成が複雑であること、地震の揺れの大きさによってはストロークが大きくなってしまうこと、等の課題があった。

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、建物の振動を吸収する錘部材の想定以上の過大変位を簡易な構成で抑制することができる制振装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本開示の一態様の制振装置は、構造物に設置可能なフレームと、前記フレームの内側において水平な一方向に移動可能に支持される錘部材と、前記錘部材と前記フレームとを連結し、前記錘部材の変位が所定の閾値を超えた場合に前記錘部材と前記フレームとの間のばね定数が第１値から前記第１値より大きい第２値に変化するばね部材と、を備える。

制振装置の望ましい態様として、前記ばね部材は、前記フレームと前記錘部材とを常に連結する第１ばね部材と、前記フレームと前記錘部材とを連結可能な第２ばね部材と、を含み、前記錘部材の変位が前記閾値を超えた場合に前記第２ばね部材に前記フレームと前記錘部材とを連結させる接続機構をさらに備える。

制振装置の望ましい態様として、前記接続機構は、前記一方向に移動可能かつ前記第２ばね部材を介して前記フレームと常に連結する連結ブロックを含み、前記錘部材の変位が閾値を超えた場合に前記錘部材と連結ブロックとを連結する。

制振装置の望ましい態様として、前記接続機構は、下方が開口する収容孔を有し前記錘部材の上方に支持される前記連結ブロックと、蓋体と、前記蓋体が前記収容孔の下方を覆う位置に前記蓋体を支持する蓋支持部と、前記錘部材が所定位置にある場合に前記収容孔に対向する前記錘部材の上面に設けられる溝部と、前記錘部材の変位が閾値を超えた場合に前記蓋体を前記蓋支持部から脱落させる作動部と、前記収容孔の内部で前記蓋体に支持されかつ前記蓋体に支持されない場合に一部が前記開口より下方に突出して前記溝部に収容される連結部材と、を含む。

本開示によれば、建物の振動を吸収する錘部材の想定以上の過大変位を簡易な構成で抑制することができる。

図１は、実施形態に係る制振装置の構成例を模式的に示す図である。図２は、図１に示す制振装置の接続機構を示す底面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図４は、静止状態における制振装置の要部を示す断面図である。図５は、振動時の一状態における制振装置の要部を示す断面図である。図６は、振動時の別の一状態における制振装置の要部を示す断面図である。図７は、図６の後の一状態における制振装置の要部を示す断面図である。図８は、図７の後の一状態における制振装置の要部を示す断面図である。図９は、図８の後の一状態における制振装置の要部を示す断面図である。図１０は、第１条件における地震波の最大加速度と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１１は、第１条件における地震波の最大加速度と錘部材の最大相対変位との関係を示すグラフである。図１２は、第２条件における地震波の最大加速度と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１３は、第２条件における地震波の最大加速度と錘部材の最大相対変位との関係を示すグラフである。図１４は、第３条件における地震波の最大加速度と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１５は、第３条件における地震波の最大加速度と錘部材の最大相対変位との関係を示すグラフである。

以下に、本開示につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本開示は、以下の実施形態の記載に限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能、且つ、容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した実施形態における構成要素は、本開示の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。以下の実施形態では、本開示の実施形態を例示する上で、必要となる構成要素を説明し、その他の構成要素を省略する。

（実施形態）
まず、実施形態に係る制振装置１の概略構成について、図１から図３までを参照して説明する。図１は、実施形態に係る制振装置１の構成例を模式的に示す側面図である。図２は、図１に示す制振装置１の接続機構５０を示す底面図である。図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。制振装置１は、例えば、高層建物等の建物の屋上に設置される。この際、制振装置１は、平面視で長手方向（図１における左右方向）が建物の短手方向となるように設置されることが好ましい。制振装置１は、実施形態において、フレーム１０と、ガイド機構２０と、錘部材３０と、ばね部材４０と、接続機構５０と、ダンパ７０と、を備える。

フレーム１０は、制振装置１を設置する構造物（例えば、高層建物等の建物の屋上）に設置可能である。フレーム１０は、実施形態において、ガイド機構２０、ばね部材４０及びダンパ７０を支持する。フレーム１０は、ガイド機構２０を介して、錘部材３０を支持する。フレーム１０は、実施形態において、床部１２と、一対の側柱部１４、１６と、を含む。

床部１２の上面側には、後述のガイド機構２０が設けられる。床部１２は、ガイド機構２０を介して錘部材３０を水平な一方向（図１の両矢印に示すＸ軸方向）に移動可能に支持する。Ｘ軸方向は、実施形態において、フレーム１０の長手方向である。

側柱部１４は、床部１２の長手方向の一端部から立設される。側柱部１６は、床部１２の長手方向の他端部から立設される。他端部は、床部１２の長手方向において、側柱部１４が立設される一端部とは反対側の端部を示す。なお、フレーム１０の床部１２及び側柱部１４、１６は、実施形態では短手方向視の断面が図１に示すように凹字形状であるが、本開示ではこれに限定されず、四方が壁に囲まれた箱形状でもよいし、架構フレームであってもよい。

ガイド機構２０は、フレーム１０に対して錘部材３０がＸ軸方向にのみ移動可能であるようにガイドする。ガイド機構２０は、床部１２の上面側に設けられる。ガイド機構２０は、実施形態において、ガイドレール２２と、ガイドブロック２４とを含むリニアガイドであるが、フレーム１０に対して錘部材３０がＸ軸方向にのみ移動可能にするものであればよく、例えば、車輪を含んでもよい。

ガイドレール２２は、Ｘ軸方向に沿って床部１２の上面に固定して設けられる。ガイドレール２２は、ガイドブロック２４をＸ軸方向に移動自在に支持する。ガイドブロック２４は、Ｘ軸方向に移動自在であるようにガイドレール２２に支持される。ガイドブロック２４は、例えば、複数の転動体を介してガイドレール２２に支持される。ガイドブロック２４は、ガイドレール２２上をＸ軸方向に摺動する。ガイドブロック２４の上面側には、錘部材３０が設けられる。

錘部材３０は、制振装置１を設置する建物の揺れ方向と逆の方向に動くことによって建物の揺れを低減させるための重りである。錘部材３０は、ガイドブロック２４の上面側に設けられる。錘部材３０は、ガイドブロック２４がガイドレール２２上をＸ軸方向に摺動することによって、フレーム１０に対してＸ軸方向に移動可能である。

錘部材３０は、移動可能方向であるＸ軸方向の一端側３２が、フレーム１０の側柱部１４と対向する。錘部材３０の一端側３２は、後述のばね部材４０の第１ばね部材４２ａ及びダンパ７０ａを介して側柱部１４と連結される。錘部材３０は、移動可能方向であるＸ軸方向の他端側３４が、フレーム１０の側柱部１６と対向する。錘部材３０の他端側３４は、後述のばね部材４０の第１ばね部材４２ｂ及びダンパ７０ｂを介して側柱部１６と連結される。

錘部材３０は、実施形態において、後述のばね部材４０の第２ばね部材４４ａ、４４ｂと、接続機構５０を介して連結可能である。錘部材３０は、Ｘ軸方向への変位が所定の閾値を超えた場合、接続機構５０を介して第２ばね部材４４ａ、４４ｂと連結する。なお、閾値は、想定した錘部材３０の変位に安全率を考慮して設計される値である。錘部材３０と接続機構５０を介した第２ばね部材４４ａ、４４ｂとの連結の様態については、後述にて説明する。

ばね部材４０は、錘部材３０とフレーム１０とを連結する。ばね部材４０は、実施形態において、引張ばねである。ばね部材４０は、錘部材３０がフレーム１０から離隔する方向に移動した場合に、元の位置に復帰させる方向へ付勢する復元力を有する。ばね部材４０は、実施形態において、第１ばね部材４２と、第２ばね部材４４と、を含む。第１ばね部材４２は、一対の第１ばね部材４２ａ、４２ｂを含む。一対の第１ばね部材４２ａ、４２ｂは、同一のばね定数を有する。第２ばね部材４４は、一対の第２ばね部材４４ａ、４４ｂを含む。一対の第２ばね部材４４ａ、４４ｂは、同一のばね定数を有する。

第１ばね部材４２ａは、フレーム１０の側柱部１４と錘部材３０の一端側３２との間に設けられる。第１ばね部材４２ａは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１４に固定される。第１ばね部材４２ａは、側柱部１４に固定される側とは反対側である他方の端部が、錘部材３０の一端側３２に固定される。第１ばね部材４２ａは、錘部材３０が、側柱部１４から離隔する方向、すなわち側柱部１６に接近する方向に移動した場合、錘部材３０を側柱部１４側に引っ張る。

第１ばね部材４２ｂは、フレーム１０の側柱部１６と錘部材３０の他端側３４との間に設けられる。第１ばね部材４２ｂは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１６に固定される。第１ばね部材４２ｂは、側柱部１６に固定される側とは反対側である他方の端部が、錘部材３０の他端側３４に固定される。第１ばね部材４２ｂは、錘部材３０が、側柱部１６から離隔する方向、すなわち側柱部１４に接近する方向に移動した場合、錘部材３０を側柱部１６側に引っ張る。

第２ばね部材４４ａは、フレーム１０の側柱部１４と後述の接続機構５０の連結ブロック５２の一端側５４との間に設けられる。第２ばね部材４４ａは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１４に固定される。第２ばね部材４４ａは、側柱部１４に固定される側とは反対側である他方の端部が、連結ブロック５２の一端側５４に固定される。第２ばね部材４４ａは、連結ブロック５２が、側柱部１４から離隔する方向、すなわち側柱部１６に接近する方向に移動した場合、連結ブロック５２を側柱部１４側に引っ張る。

第２ばね部材４４ｂは、フレーム１０の側柱部１６と後述の接続機構５０の連結ブロック５２の他端側５６との間に設けられる。第２ばね部材４４ｂは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１６に固定される。第２ばね部材４４ｂは、側柱部１６に固定される側とは反対側である他方の端部が、連結ブロック５２の他端側５６に固定される。第２ばね部材４４ｂは、連結ブロック５２が、側柱部１６から離隔する方向、すなわち側柱部１４に接近する方向に移動した場合、連結ブロック５２を側柱部１６側に引っ張る。

第１ばね部材４２ａ、４２ｂは、フレーム１０と錘部材３０とを常に連結する。第２ばね部材４４ａ、４４ｂは、後述の接続機構５０の連結ブロック５２と錘部材３０とを常に連結する。第２ばね部材４４ａ、４４ｂは、錘部材３０のＸ軸方向への変位が所定の閾値を超えた場合に、連結ブロック５２が錘部材３０に連結することによって、フレーム１０と錘部材３０とを連結可能である。

ばね部材４０は、錘部材３０のＸ軸方向への変位が所定の閾値を超えた場合に、錘部材３０とフレーム１０との間のばね定数が第１値から第２値に変化する。第２値は、第１より大きい。第２値は、実施形態において、第１値の２倍である。ばね定数の第１値は、第１ばね部材４２ａ及び第１ばね部材４２ｂの合成ばね定数である。ばね定数の第２値は、第１ばね部材４２ａ及び第１ばね部材４２ｂと、第２ばね部材４４ａ及び第２ばね部材４４ｂとの合成ばね定数である。

接続機構５０は、錘部材３０の変位が所定の閾値を超えた場合に第２ばね部材４４にフレーム１０と錘部材３０とを連結させる。接続機構５０は、実施形態において、連結ブロック５２と、蓋体６２と、連結部材６４と、作動部６６と、溝部６８と、を含む。

連結ブロック５２は、錘部材３０と独立してＸ軸方向に移動可能に設けられる。連結ブロック５２は、実施形態において、錘部材３０の上方に支持され、下面が錘部材３０の上面に対向する位置に設けられる。連結ブロック５２は、第２ばね部材４４を介してフレーム１０と常に連結する。

連結ブロック５２は、移動可能方向であるＸ軸方向の一端側５４が、フレーム１０の側柱部１４と対向する。連結ブロック５２の一端側５４は、第２ばね部材４４ａを介して側柱部１４と連結される。連結ブロック５２は、移動可能方向であるＸ軸方向の他端側５６が、フレーム１０の側柱部１６と対向する。連結ブロック５２の他端側５６は、第２ばね部材４４ｂを介して側柱部１６と連結される。

連結ブロック５２は、実施形態において、鉛直方向の軸心を有する収容孔５８を有する。収容孔５８は、平面視で連結ブロック５２の中央部に形成される。収容孔５８は、実施形態において、平面視で円形状である。収容孔５８は、実施形態において、連結ブロック５２を鉛直方向に貫通する貫通孔であるが、少なくとも連結ブロック５２の下面側が開口する孔であればよい。収容孔５８は、後述の連結部材６４を内部に収容可能である。

連結ブロック５２は、実施形態において、下面側に蓋支持部６０を有する。蓋支持部６０は、後述の蓋体６２を、収容孔５８の下方を覆う位置に支持する。蓋支持部６０は、Ｘ軸方向視でＬ字形状である一対の爪部材である。一対の蓋支持部６０は、蓋体６２のＸ軸方向の両端部から所定距離ずれた位置の下面を支持する。

蓋体６２は、実施形態において、平板形状である。蓋体６２は、水平姿勢で収容孔５８の下方を覆う位置に蓋支持部６０によって支持される。蓋体６２は、蓋支持部６０によって収容孔５８の下方を覆う位置に支持されている状態において、収容孔５８の内部に収容される連結部材６４を下方から支持する。蓋体６２は、錘部材３０の変位が所定の閾値を超えた場合、後述の作動部６６と接触し、作動部６６に押されることによって、蓋支持部６０から脱落する。

連結部材６４は、実施形態において、円柱形状のピンである。連結部材６４は、収容孔５８の内部に収容可能である。連結部材６４は、収容孔５８に対して、鉛直方向に移動可能である。連結部材６４は、蓋体６２が蓋支持部６０によって支持されて収容孔５８の下方を覆う位置にある場合、収容孔５８の内部で蓋体６２に支持される。連結部材６４は、蓋体６２が蓋支持部６０によって支持されない場合、収容孔５８の下端側の開口より下方に落下する。

連結部材６４は、蓋体６２が蓋支持部６０によって支持されない場合、下端が錘部材３０の上面に接触する。連結部材６４は、蓋体６２が蓋支持部６０によって支持されない場合であって、収容孔５８と後述の溝部６８との位置が平面視で一致する場合、下端側の一部が溝部６８に収容される。

連結部材６４は、錘部材３０の上面に下端が接触している状態、及び溝部６８に下端側の一部が収容される状態において、上端側の一部が収容孔５８に収容された状態を維持する。すなわち、連結部材６４の高さ方向の長さは、収容孔５８の下端側の開口と溝部６８の底面との垂直方向の距離より長い。連結部材６４の下端側の一部が溝部６８に収容されることによって、錘部材３０と連結ブロック５２とが連結される。

作動部６６は、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合に蓋体６２を蓋支持部６０から脱落させ、連結部材６４を収容孔５８から落下させる。落下して錘部材３０の上面に下端が接触した連結部材６４は、収容孔５８と後述の溝部６８との位置が平面視で一致した際にさらに溝部６８に落下する。連結ブロック５２は、連結部材６４の下端側の一部が溝部６８に嵌まることによって、連結部材６４を介して錘部材３０と連結する。すなわち、作動部６６は、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合に錘部材３０と連結ブロック５２とを連結する。作動部６６は、実施形態において、錘部材３０の上面側から上方に突出して設けられる突起である。作動部６６は、実施形態において、一対の作動部６６ａ、６６ｂを含む。

作動部６６ａは、錘部材３０の側柱部１４から離隔する方向への変位が閾値に達した場合、蓋体６２の側柱部１４側の端部に接触する。作動部６６ａは、錘部材３０の側柱部１４から離隔する方向への変位が閾値を超えた場合、蓋体６２を側柱部１６側へ押す。これにより、蓋体６２は、蓋支持部６０から脱落する。

作動部６６ｂは、錘部材３０の側柱部１６から離隔する方向への変位が閾値に達した場合、蓋体６２の側柱部１６側の端部に接触する。作動部６６ｂは、錘部材３０の側柱部１６から離隔する方向への変位が閾値を超えた場合、蓋体６２を側柱部１４側へ押す。これにより、蓋体６２は、蓋支持部６０から脱落する。

溝部６８は、錘部材３０の上面において凹状に設けられる。溝部６８は、錘部材３０が所定位置にある場合に収容孔５８に対向する位置に設けられる。所定位置は、実施形態において、第１ばね部材４２ａと第１ばね部材４２ｂとが釣り合っている位置であるＸ軸方向の中心位置である。溝部６８には、連結部材６４の下端側の一部が収容可能である。

ダンパ７０は、錘部材３０とフレーム１０とを連結する。ダンパ７０は、例えば、オイルダンパである。ダンパ７０は、Ｘ軸方向に振動する錘部材３０の振動を減衰する。ダンパ７０は、一対のダンパ７０ａ、７０ｂを含む。一対のダンパ７０ａ、７０ｂは、同一の減衰係数を有する。

ダンパ７０ａは、第１ばね部材４２ａと並列で設けられる。ダンパ７０ａは、フレーム１０の側柱部１４と錘部材３０の一端側３２との間に設けられる。ダンパ７０ａは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１４に固定される。ダンパ７０ａは、側柱部１４に固定される側とは反対側である他方の端部が、錘部材３０の一端側３２に固定される。ダンパ７０ａは、錘部材３０のＸ軸方向への振動により第１ばね部材４２ａが周期振動する際、第１ばね部材４２ａの周期振動を減衰させる。

ダンパ７０ｂは、第１ばね部材４２ｂと並列で設けられる。ダンパ７０ｂは、フレーム１０の側柱部１６と錘部材３０の他端側３４との間に設けられる。ダンパ７０ｂは、一方の端部が、フレーム１０の側柱部１６に固定される。ダンパ７０ｂは、側柱部１６に固定される側とは反対側である他方の端部が、錘部材３０の他端側３４に固定される。ダンパ７０ｂは、錘部材３０のＸ軸方向への振動により第１ばね部材４２ｂが周期振動する際、第１ばね部材４２ｂの周期振動を減衰させる。

次に、制振装置１が設置される建物がＸ軸方向に振動して錘部材３０がＸ軸方向に振動した際の制振装置１の挙動について、図４から図９までを参照して説明する。図４から図９まででは、制振装置１の要部のみを図示し、フレーム１０の床部１２、ガイド機構２０、及びダンパ７０の記載は省略する。

図４は、静止状態における制振装置１の要部を示す断面図である。図４に示すように、建物が振動せず静止している状態において、錘部材３０は側柱部１４と側柱部１６との間の中心に位置する。この際、第１ばね部材４２ａと第１ばね部材４２ｂとの復元力は釣り合っている。また、連結ブロック５２は、側柱部１４と側柱部１６との間の中心に位置する。この際、第２ばね部材４４ａと第２ばね部材４４ｂとの復元力は釣り合っている。連結ブロック５２の収容孔５８に収容される連結部材６４が蓋体６２によって支持されるため、連結ブロック５２は、錘部材３０と連結せず、錘部材３０に対して相対移動可能である。

図５は、振動時の一状態における制振装置１の要部を示す断面図である。より詳しくは、図５は、閾値を超えない範囲で錘部材３０がＸ軸方向に振動している一状態の制振装置１を示す。図５に示すように、錘部材３０が側柱部１６から離隔する方向へ移動すると、第１ばね部材４２ｂが伸長するとともに、第１ばね部材４２ａが収縮し、作動部６６ｂが蓋体６２に接近する。

一方、連結ブロック５２は、連結ブロック５２の収容孔５８に収容される連結部材６４が蓋体６２によって支持されるため、錘部材３０と連結せず、錘部材３０に対して相対移動可能である。したがって、閾値を超えない範囲で錘部材３０がＸ軸方向に振動している場合、錘部材３０とフレーム１０との間のばね定数は、第１ばね部材４２ａ及び第１ばね部材４２ｂの合成ばね定数（第１値）である。連結ブロック５２は、第２ばね部材４４ａと第２ばね部材４４ｂとの復元力の釣り合いにより、側柱部１４と側柱部１６との間の中心に位置した状態を維持する。

なお、錘部材３０が側柱部１６から離隔する方向へ移動すると、第１ばね部材４２ａ、４２ｂには、錘部材３０を側柱部１６に接近する方向へ復帰させようとする復元力が生じる。外部（建物）からの振動によって錘部材３０が側柱部１６から離隔する方向に移動させる力より復元力が大きくなると、錘部材３０は、側柱部１６に接近する方向へ移動し、振動が減衰するまで、側柱部１６から離隔する方向への移動と側柱部１４から離隔する方向への移動とを繰り返す。

図６は、振動時の別の一状態における制振装置１の要部を示す断面図である。より詳しくは、図６は、錘部材３０の変位が閾値を超えた一状態の制振装置１を示す。図６に示すように、錘部材３０が側柱部１６から離隔する方向へ閾値を超えて移動すると、第１ばね部材４２ｂが伸長するとともに第１ばね部材４２ａが収縮し、作動部６６ｂが蓋体６２に接触して側柱部１４の方向へ押し出す。これにより、蓋体６２が蓋支持部６０から脱落するため、連結部材６４が収容孔５８の下端側の開口より下方に落下する。

図７は、図６の後の一状態における制振装置１の要部を示す断面図である。収容孔５８の下端側の開口より下方に落下した連結部材６４は、下端が錘部材３０の上面に接触する。なお、この際、錘部材３０は、第１ばね部材４２ａ、４２ｂの復元力により、側柱部１６に接近する方向へ移動を開始する。

図８は、図７の後の一状態における制振装置１の要部を示す断面図である。錘部材３０がさらに側柱部１６に接近する方向へ移動して、図４に示す初期位置に復帰して、収容孔５８と溝部６８との位置が平面視で一致すると、連結部材６４は、溝部６８に落下し、下端側の一部が溝部６８に収容される。これにより、連結部材６４を介して錘部材３０と連結ブロック５２とが連結される。

図９は、図８の後の一状態における制振装置１の要部を示す断面図である。錘部材３０は、連結部材６４を介して連結ブロック５２と連結している状態で、側柱部１６に接近する方向への移動を続ける。これにより、第１ばね部材４２ａ及び第２ばね部材４４ａが伸長するとともに、第１ばね部材４２ｂ及び第２ばね部材４４ｂが収縮する。

したがって、錘部材３０の変位が閾値を超えて錘部材３０と連結ブロック５２とが連結された後、錘部材３０とフレーム１０との間のばね定数は、第１ばね部材４２ａ及び第１ばね部材４２ｂと、第２ばね部材４４ａ及び第２ばね部材４４ｂとの合成ばね定数（第２値）である。例えば、実施形態のように、ばね定数の第２値が第１値の２倍である場合、連結ブロック５２が錘部材３０に連結されることによって、制振装置１の固有周期は、（１／２）^１／２倍（約０．７１倍）に減少する。

次に、実施形態の制振装置１における錘部材３０の変位の抑制効果について、本開示の発明者らによる検証結果を、図１０から図１５までを参照して説明する。本検証は、重量が１００ｔ、固有周期が１秒、減衰率が３％である建物と、制振装置１とを模擬した計算モデルを用いて地震応答解析により行った。制振装置１は、本解析において、錘部材３０の重量が１ｔ、錘部材３０の変位量の閾値が３０ｃｍ、ばね部材４０のばね定数の第２値が第１値の２倍であるものとする。なお、第１ばね部材４２のばね定数及びダンパ７０の減衰定数は、連結ブロック５２と連結していない状態の錘部材３０の固有振動数が建物の固有振動数と同調するように設定されているものとする。

本解析では、制振装置が設置されていない建物のモデルと、実施形態の制振装置１が設置される建物のモデルと、比較例の制振装置が設置される建物のモデルと、にそれぞれ第１条件から第３条件までの地震波を付与した時の、制振装置が設置されている建物と設置されていない建物の最大応答加速度の比（以下、「制振装置設置による建物最大応答加速度低減率」と記載）と、錘部材３０の最大相対変位［ｃｍ］とについて比較検証した。比較例の制振装置は、実施形態の制振装置１と比較して、第２ばね部材４４及び接続機構５０を備えない（ばね定数が常に第１値である）点で異なる。第１条件の地震波は、エルセントロ（1940年、NS波）の観測地震波である。第２条件の地震波は、神戸（1995年、NS波）の観測地震波である。第３条件の地震波は、日本建築センターの模擬波（BCJ-L2）である。

図１０は、第１条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１１は、第１条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と錘部材３０の最大相対変位［ｃｍ］との関係を示すグラフである。

図１１に示すように、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置ともに、約２００［ｃｍ／ｓ^２］以下の地震波では、錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）以内である。この範囲において、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置は、制振装置を備えない場合に対して、建物の最大応答加速度を約８８％に減少させている。

錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）を超える約２５０［ｃｍ／ｓ^２］以上の地震波では、実施形態の制振装置１と比較例の制振装置とが異なる挙動を示す。具体的には、錘部材３０の変位が閾値を超えた実施形態の制振装置１は、ばね部材４０のばね定数が第１値から第２値に２倍に増加したことにより、建物と固有周期がずれる。これにより、制振効果が減少するので、図１０に示すように、建物の最大応答加速度が増加する。

一方で、制振装置１の固有周期が建物とずれて錘部材３０の振動が抑制されるため、図１１に示すように、錘部材３０の変位量が比較例に対して減少する。例えば、約１０００［ｃｍ／ｓ^２］の地震波に対する錘部材３０の変位量は、比較例の制振装置では約２００ｃｍであるのに対し、実施形態の制振装置１では約８０ｃｍに抑制することができる。

図１２は、第２条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１３は、第２条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と錘部材３０の最大相対変位［ｃｍ］との関係を示すグラフである。

図１３に示すように、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置ともに、約２００［ｃｍ／ｓ^２］以下の地震波では、錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）以内である。この範囲において、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置は、制振装置を備えない場合に対して、建物の最大応答加速度を約９８％に減少させている。

錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）を超える約２５０［ｃｍ／ｓ^２］以上の地震波では、実施形態の制振装置１と比較例の制振装置とが異なる挙動を示す。具体的には、錘部材３０の変位が閾値を超えた実施形態の制振装置１は、ばね部材４０のばね定数が第１値から第２値に２倍に増加したことにより、建物と固有周期がずれる。

一方で、制振装置１の固有周期が建物とずれて錘部材３０の振動が抑制されるため、図１３に示すように、錘部材３０の変位量が比較例に対して減少する。例えば、約８００［ｃｍ／ｓ^２］の地震波に対する錘部材３０の変位量は、比較例の制振装置では約１４０ｃｍであるのに対し、実施形態の制振装置１では約８０ｃｍに抑制することができる。すなわち、第２の条件の地震波では、図１２に示すように、建物最大応答加速度低減率に顕著な効果はみられないものの、図１３に示すように、錘部材３０の変位量を抑制することができた。

図１４は、第３条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と制振装置設置による建物最大応答加速度低減率との関係を示すグラフである。図１５は、第３条件における地震波の最大加速度［ｃｍ／ｓ^２］と錘部材３０の最大相対変位［ｃｍ］との関係を示すグラフである。

図１５に示すように、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置ともに、約１００［ｃｍ／ｓ^２］以下の地震波では、錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）以内である。この範囲において、実施形態の制振装置１及び比較例の制振装置は、制振装置を備えない場合に対して、建物の最大応答加速度を約８３％に減少させている。

錘部材３０の変位が閾値（３０ｃｍ）を超える約２００［ｃｍ／ｓ^２］以上の地震波では、実施形態の制振装置１と比較例の制振装置とが異なる挙動を示す。具体的には、錘部材３０の変位が閾値を超えた実施形態の制振装置１は、ばね部材４０のばね定数が第１値から第２値に２倍に増加したことにより、建物と固有周期がずれる。これにより、制振効果が減少するので、図１４に示すように、建物の最大応答加速度が増加する。

一方で、制振装置１の固有周期が建物とずれて錘部材３０の振動が抑制されるため、図１５に示すように、錘部材３０の変位量が比較例に対して減少する。例えば、約１０００［ｃｍ／ｓ^２］の地震波に対する錘部材３０の変位量は、比較例の制振装置では約２８０ｃｍであるのに対し、実施形態の制振装置１では約７０ｃｍに抑制することができる。

以上で説明したように、実施形態の制振装置１は、構造物に設置可能なフレーム１０と、フレーム１０の内側において水平な一方向（Ｘ軸方向）に移動可能に支持される錘部材３０と、錘部材３０とフレーム１０とを連結し、錘部材３０の変位が所定の閾値を超えた場合に錘部材３０とフレーム１０との間のばね定数が第１値から第１値より大きい第２値に変化するばね部材４０と、を備える。

制振装置１は、設置される建物に大地震等の大きな揺れが生じて、錘部材３０の変位が所定の閾値を超えた場合、ばね部材４０のばね定数を変化させることによって、固有周期を建物とずらして同調させないようにすることができる。これにより、錘部材３０の想定以上の過大変位を抑制することができるので、可動ストロークを大きく設計することなく、錘部材３０がフレーム１０に衝突して衝撃力が発生したり制振装置１が破損したりすることを抑制することができる。すなわち、大地震等の大きな揺れが生じた場合、制振装置１の制振機能を停止させることにより、大地震に対応する別の大規模な制振装置又は免震装置等の働きを阻害することを抑制することができる。

また、実施形態の制振装置１において、ばね部材４０は、フレーム１０と錘部材３０とを常に連結する第１ばね部材４２と、フレーム１０と錘部材３０とを連結可能な第２ばね部材４４と、を含み、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合に第２ばね部材４４にフレーム１０と錘部材３０とを連結させる接続機構５０をさらに備える。

このように、制振装置１は、２種類のばね部材４０のうち、一方の第２ばね部材４４を錘部材３０に連結するか否かという簡便な方法によってばね定数を変化させることを実現することができる。また、制振装置１は、錘部材３０とフレーム１０とを連結するばね部材４０を増加させ、ばね定数を増加させることによって、固有周期を建物とずらしているので、例えば、第２ばね部材４４のばね定数を増加させることにより、さらに大規模な地震の振動が生じた場合でも想定以上の過大変位を抑制することができる。

また、実施形態の制振装置１において、接続機構５０は、一方向（Ｘ軸方向）に移動可能かつ第２ばね部材４４を介してフレーム１０と常に連結する連結ブロック５２を含み、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合に錘部材３０と連結ブロック５２とを連結する。このように、制振装置１は、２種類のばね部材４０のうち、一方の第２ばね部材４４と常に連結する連結ブロック５２を、錘部材３０に連結するか否かという簡便な方法によってばね定数を変化させることを実現することができる。

また、実施形態の制振装置１において、接続機構５０は、下方が開口する収容孔５８を有し錘部材３０の上方に支持される連結ブロック５２と、蓋体６２と、蓋体６２が収容孔５８の下方を覆う位置に蓋体６２を支持する蓋支持部６０と、錘部材３０が所定位置にある場合に収容孔５８に対向する錘部材３０の上面に設けられる溝部６８と、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合に蓋体６２を蓋支持部６０から脱落させる作動部６６と、収容孔５８の内部で蓋体６２に支持されかつ蓋体６２に支持されない場合に一部が開口より下方に突出して溝部６８に収容される連結部材６４と、を含む。

制振装置１は、錘部材３０の閾値を超えた移動に伴って、連結ブロック５２に収容された連結部材６４を支持する蓋体６２を脱落させ、落下した連結部材６４が錘部材３０の溝部６８に嵌まることによって、連結ブロック５２と錘部材３０とを連結させる。このように、錘部材３０の変位が閾値を超えた場合の連結ブロック５２と錘部材３０との連結を、電気を用いない機構で実現しているため、例えば、大地震等で停電になった場合でも、運用が可能である。また、接続機構５０は、振動が収まった後に、元の状態に簡単に戻すことができる。

１制振装置
１０フレーム
１２床部
１４、１６側柱部
２０ガイド機構
２２ガイドレール
２４ガイドブロック
３０錘部材
３２一端側
３４他端側
４０ばね部材
４２、４２ａ、４２ｂ第１ばね部材
４４、４４ａ、４４ｂ第２ばね部材
５０接続機構
５２連結ブロック
５４一端側
５６他端側
５８収容孔
６０蓋支持部
６２蓋体
６４連結部材
６６、６６ａ、６６ｂ作動部
６８溝部
７０、７０ａ、７０ｂダンパ

Claims

構造物に設置可能なフレームと、
前記フレームの内側において水平な一方向に移動可能に支持される錘部材と、
前記錘部材と独立して前記一方向に移動可能に支持される連結ブロックと、
前記錘部材と前記フレームとを常に連結し、前記錘部材を元の位置に復帰させる方向へ付勢する復元力を有する第１ばね部材と、
前記連結ブロックと前記フレームとを常に連結し、前記錘部材を元の位置に復帰させる方向へ付勢する復元力を有する第２ばね部材と、
を備え、
前記錘部材の変位が所定の閾値を超えた場合に、前記錘部材と前記連結ブロックとが連結して一体となって前記一方向に移動し、
前記錘部材と前記連結ブロックとを連結することで、前記錘部材と前記フレームとの間のばね定数が第１値から前記第１値より大きい第２値に変化する、制振装置。
前記連結ブロックは、下方が開口する収容孔を有し前記錘部材の上方に支持され、
蓋体と、
前記蓋体が前記収容孔の下方を覆う位置に前記蓋体を支持する蓋支持部と、
前記錘部材が所定位置にある場合に前記収容孔に対向する前記錘部材の上面に設けられる溝部と、
前記錘部材の変位が閾値を超えた場合に前記蓋体を前記蓋支持部から脱落させる作動部と、
前記収容孔の内部で前記蓋体に支持され、かつ前記蓋体に支持されない場合に一部が前記開口より下方に突出して前記溝部に収容される連結部材と、
をさらに含む、
請求項１に記載の制振装置。