JPH09287316A - 外乱力を復元力として用いる柱の耐震および強化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】地震によるエネルギーを柱先端の変位を引き戻
すエネルギーに使用し、柱の強度を増大し、柱の破壊を
抑制する装置を提供する。 【解決手段】中空の柱の中に柱先端部に一端が固定され
他端にラックあるいは歯車２のついた剛体腕１、軸が柱
に取り付けられた回転が自由な歯車３および軸が柱に固
定され、かつ軸に固定された歯車４より成り、ラックあ
るいは歯車２と歯車３および歯車３と歯車４が噛み合う
ように構成される機構を有する柱において、柱先端の変
位を剛体腕１を介してラック等により中間歯車３を回転
させ、その歯車と噛み合った歯車４に必要に応じて増速
して回転を伝え、歯車４の固定されている点に復元モー
メントを発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は柱の耐震および強化に
関するものである。この発明は外力あるいは地震荷重を
うける柱の強度あるいは耐震性を向上させるもので、建
築物および構造物に用いられる。

【０００２】

【従来の技術】柱の強度を増大させるにためには、柱の
太さあるいは肉厚を大きくし、すなわち柱の断面二次モ
ーメントを大として、作用応力が許容応力内に収まるよ
うに、従来の柱は設計されてきた。また地震時の設計も
共振周波数領域を避けるため、建物、構造物の固有振動
数を地震の支配周波数よりかなり大きくなるように通常
の建物等は設計されている。この設計では、当然のこと
ながら建物の慣性力による柱の応力は許容応力より小さ
くなければならない。しかし壁の無い部分、すなわち高
速道路の橋脚、駐車場の柱、広い店舗の柱などの部分は
柱一本に作用する外力が大きくなり、そのため十分な強
度を持たせるためには柱の太さと肉厚が大きくなり材料
費が嵩み、またスペースの関係から設計が困難となる等
の欠点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
解消するもので、柱の太さとか肉厚を増大する方法によ
らず、本装置を柱に組み込むことにより柱の強度を増大
させ、耐震性能を向上するものである。すなわち柱先端
に作用する外力あるいは地震によるエネルギーを柱先端
の変位を引き戻すエネルギーに使用し、柱先端の変位お
よび柱の最大曲げモーメントを抑制し、結果的に柱の強
度を増大させる方法を用いて、コンパクトで安価な高強
度の耐震柱を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】柱には一般のはりと異な
り、建物・構造物の重量が鉛直方向に作用するため、地
震時には柱先端が慣性力により変位すると、その変位に
重量を掛け合わせたモーメントが水平方向慣性力による
モーメントのほかに作用し、それにより柱が破壊するこ
とが多い。したがって柱先端の変位を小さくすると、こ
のモーメントが小さくなり、柱の破壊をくい止めること
ができる。本発明はこの点に注目し、柱の先端に作用す
る外力、地震による慣性力のエネルギーを柱先端の変位
を引き戻すエネルギーに使用し、柱の強度を結果的に増
大させ、耐震性を向上させるものである。

【０００５】図１は本発明の原理を説明するための概要
図で、中空の柱の先端に質量が載せられ、柱のなかには
三つの歯車が噛み合うように配置され、歯車２は柱には
結合されずに剛体腕に固着し、歯車３は軸が柱に取り付
けられているが、軸回りには自由に回転し、歯車４は柱
に固着されている。図１で柱先端の変位は剛体腕を介し
て第一歯車を柱とともに（右方あるいは左方）に移動さ
せる。その移動量に相当する分だけ中間歯車３が回転
し、歯車４へその回転角が伝達される。しかし歯車４は
柱に固着されているため、その回転角を零とするような
モーメントＭ_３が外力あるいは慣性力によるモーメント
と逆方向に作用する。このとき床から歯車中心までの距
離ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３の取り方により中間歯車への作用力
２Ｐによるモーメントより反力Ｐによる復元モーメント
の方を大とでき、また歯車３と４による増速により、復
元モーメントＭ_３を大きくすることができる。すなわ
ち、柱先端に作用する外力を復元モーメントに変換する
ことで、柱の変位およびモーメントを抑制することがで
きる。これが本装置の原理である。なお歯車２は単に剛
体腕の変位を歯車３に伝えるだけのものであるので、ラ
ックを使用しても良い。

【０００６】上記装置において、ラックおよび歯車の代
わりにリンクを用い、剛体腕に相当するリンク１と回転
節を有するリンク３の一端を回転結合し、さらに他端を
柱に固着された剛節を有するリンク４の一端に回転結合
し、リンクにより同様に柱先端の変位を回転変位に変換
し、復元モーメントを発生させる機構を取り付けると上
記と同様の復元モーメントが得られ、柱を強化すること
ができる。また歯車あるいはリンクのかわりにプーリー
（あるいはドラム）とベルト（あるいはワイヤ）などを
利用しても同様の効果を得ることができる。

【０００７】上記の装置において、歯車４あるいはリン
ク４を用いずに復元モーメントを得ることもできる。す
なわち剛体腕１として、内部にその軸が柱に取り付けら
れた回転節を有し、一端が柱先端に固着され、他端にラ
ックあるいは歯車を有する剛体リンクを用い、そのラッ
クあるいは歯車が歯車３に噛み合い、歯車３が柱に直接
固着し、歯車３の回転を直接柱に伝え、あるいは歯車３
のかわりにリンク３を用い、その回転を直接柱に伝え、
復元モーメントを発生させ、柱を強化し耐震性能の向上
を図ることができる。ただしこの場合は上記の装置に比
べ、設計の自由度は少なくなる。さらに多くの歯車ある
いはリンクを用いると、設計の自由度は増すが、それに
要する経費は増大する。

【０００８】

【作用】本発明の基本構成は請求項１〜３のようであ
り、柱の先端に作用する外力、地震による慣性力のエネ
ルギーを柱先端の変位を引き戻すエネルギーに使用し、
柱の強度を結果的に増大させ、耐震性を向上させるもの
である。したがって柱の太さおよび肉厚を増大させなく
とも本装置を柱に組み込むことにより柱先端の変位およ
び柱に作用する最大曲げモーメントを大幅に低減するこ
とができる。

【０００９】

【実施例】本装置の有用性を確認するため図２および図
３に示す装置を試作し、実験を行った。実験に用いた柱
は図２および図３のように２枚の鋼板から成り、その間
に本装置が組み込まれている。図で本柱の上端にたとえ
ば右方に力が作用すると、柱の上端に固着された剛体腕
１が右方に移動し、剛体腕１に固着された歯車２が右方
に移動し、それと噛み合っている歯車３を反対方向に回
転させる。さらに歯車３は小歯車４に噛み合い歯車４は
柱に固着されているので、柱に外力と反対方向の復元モ
ーメントを発生させるようになっている。この柱に質量
を搭載し、柱の床を水平加振台に固定し、水平振動を加
えその応答を測定した。測定は柱先端の質量の変位、お
よび柱内部のひずみである。得られた結果を図４および
図５に示す。図中実線は本装置の無い無対策の柱の実験
結果であり、破線が本装置を組み込んだ柱の実験結果で
ある。またｘは床から柱の上方向に取られた座標である
（図１）。まず変位に対して本装置の組み込まれた柱は
低周波数数域で本装置の無い柱に対し約１／５〜１／３
以下に変位が低下していることがわかる（図４）。また
共振周波数は本装置のある柱のほうがかなり大きくな
り、共振振幅も歯車同士の摩擦が減衰力をなるため相当
に低下している（図４）。一方曲げモーメントについて
も本柱のほうが極端に低下している（図５）。本柱の場
合、歯車等の装置は柱の上部に取り付けられ、歯車上部
の剛性は増大しているものの下部の剛性に変化は無いの
で、柱下部のモーメントは本装置の剛性のみでは変化し
ないはずである。しかるに本装置では、柱下部のモーメ
ントも極端に減少している。このことは柱に作用する質
量の慣性力の大部分を本装置が復元モーメントに変換
し、柱の変形を抑制していることを示している。すなわ
ち振動エネルギーを柱の制振エネルギーに用いているこ
とがわかる。

【００１０】上記の実験は地震を想定した耐震性の検討
を行ったものであるが、本装置は地震に限らず柱の上部
に水平な静的外力が作用した場合にも有効である。その
実験をも行った。実験は柱の床を固定し、柱の上部に外
力を加え、柱上部の変位および柱内部のひずみを測定
し、モーメントを得た。結果を図６および図７に示す。
この図において、まず本装置のある柱の変位は本装置の
無い柱に比べ、力の大きいところで減少している（図
６）。このことは外力の小さい領域では、歯車等のバッ
クラッシュなどにより本装置が有効に作用しないが、力
が大きくなると変位も増大し、本装置の効果が現れたた
めである。また曲げモーメントに対しても同様の効果が
本装置を有する柱には認められる（図７）。

【００１１】

【発明の効果】本発明の効果を列記すると次のようであ
る。 （１） 本装の使用により地震時における柱の振動を極
端に抑制できる。とくに共振点をより高振動数側に移す
ことを可能にし、歯車機構等の摩擦減衰により共振ピー
クも極端に抑制できる。 （２）本装置は先端に水平静荷重を受ける場合にもその
変形およびモーメントを抑制できる。 （３）本装置を用いることにより柱を細くかつ肉厚を薄
くできるので、柱をコンパクトにでき、かつ安価とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の装置の原理を示した柱の側面の断
面図

【図２】 実験に使用した柱のモデルの正面図

【図３】 実験に使用した柱のモデルの側面図

【図４】 柱先端の変位の本発明の装置を用いた場合と
用いない場合の周波数応答の比較を示した図

【図５】 柱内部の曲げモーメントの本発明の装置を用
いた場合と用いない場合の周波数応答の比較

【図６】 水平静荷重を受ける柱先端変位の本発明の装
置を用いた場合と用いない場合の比較

【図７】 水平静荷重を受ける柱内部の曲げモーメント
の本装置を用いた場合と用いない場合の比較

【符号の説明】

１・・・ 剛体腕 ２・・・ 歯車あるいはラック ３・・・ 歯車 ４・・・ 歯車

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空の柱の中に柱先端部に一端が固着さ
   れ他端にラックあるいは歯車２の固着した剛体腕１、軸
   が柱に取り付けられた回転自由な歯車３および軸が柱に
   固着され、かつ軸と歯車が固着された歯車４より成り、
   ラックあるいは歯車２と歯車３および歯車３と歯車４が
   噛み合うように構成される機構を有する柱において、柱
   先端の変位を剛体棒を介してラックあるいは歯車２によ
   り歯車３を回転させ、その歯車と噛み合った歯車４に必
   要に応じて増速して回転を伝え、歯車４の固定されてい
   る点に復元モーメントを発生させることを特徴とする柱
   の耐震および強化装置。
2. 【請求項２】請求項１の装置において、ラックと歯車の
   代わりにリンクを用い、剛体腕１と内部に回転節を有す
   るリンク３の一端を回転結合し、さらに他端を柱に固着
   された剛節を有するリンク４の一端に回転結合し、リン
   クにより請求項１と同様に柱先端の変位を回転変位に変
   換し、復元モーメントを発生させる機構を有することを
   特徴とする柱の耐震および強化装置。
3. 【請求項３】 上記の装置において、歯車４あるいはリ
   ンク４を用いずに復元モーメントを得る装置。すなわち
   剛体腕１として、内部にその軸が柱に取り付けられた回
   転節を有し、一端が柱先端に固着され、他端にラックあ
   るいは歯車を有する剛体リンクを用い、そのラックある
   いは歯車２が歯車３に噛み合い、歯車３が柱に直接固着
   し、歯車３の回転を直接柱に伝え、あるいは歯車３のか
   わりにリンク３を用い、その回転を直接柱に伝え、復元
   モーメントを発生させることを特徴とする柱の耐震およ
   び強化装置。