JPH11230249A - 大地震用のパッシブ型マスダンパー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大地震に対する適用性と有効性を発揮する大
地震用のパッシブ型マスダンパーを提供する。 【解決手段】 重錘と復元力要素及びダンパーとで構成
されるパッシブ型マスダンパーにおいて、前記のダンパ
ーは、負荷が特定大きさ以上になると摩擦状の履歴特性
による減衰力を発生する構成とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、地震や風荷重に
よって建物その他の構造物に発生する振動に対して、同
構造物の応答を制御又は抑制して同構造物の居住性を改
善する手段として使用されるパッシブ型マスダンパー
（動吸振器）の技術分野に属し、更に言えば、大地震に
対する適用性と有効性を発揮する大地震用のパッシブ型
マスダンパーに関する。

【０００２】

【従来の技術】建物に対して積極的に減衰力を付加して
共振振動を抑制し又は制御する受動的方式の制震装置、
即ちパッシブ型マスダンパーは、通常、建物用であれば
同建物の有効質量Ｍと、重錘の質量ｍとの比μ（このμ
を質量比と呼ぶ）、μ＝ｍ／Ｍから決まる最適周期およ
び最適減衰で設計される。前記の最適周期、最適減衰を
算出する式として複数の式が提案されているが、どの式
を用いても殆ど同じ値が得られる。因みに、最も一般的
に用いられるのは次の［数１］である。

【０００３】［数１］最適周期＝建物周期×（１＋μ） 最適減衰＝√［３μ／８（１＋μ）］ いま仮に、質量比μが１％とすれば、最適周期≒建物周
期であり、最適減衰は６％となる。

【０００４】通常、マスダンパーは建物の居住性が問題
になる揺れの大きさ、即ち大地震時の揺れに比べて遙に
小さい揺れに対して有効に働くように設計されている。
この条件下では最適周期および最適減衰を有するマスダ
ンパーの設計は十分に可能である。一方、大地震時に最
適周期および最適減衰を有するマスダンパーは、重錘の
ストロークの大きさ及びストローク速度が巨大になり、
マスダンパーを構成するバネやダンパーが設計不可能と
いうべきか、或いは設計可能ではあっても、非常にコス
トの高いものとなる。また、重錘（マス）として建物屋
上の水槽や蓄熱槽、ヘリコプター基地等の設備機器を利
用する場合には、そうした機器に発生する作用力も大き
くなり、機器自体に損傷を来すおそれがある。従って、
大地震時にはマスダンパー自体の揺れをストッパー等に
より止めるか抑制して重錘ストローク量を制限する仕組
みが採用されるから、必然、マスダンパーは大地震時に
効果がないことに帰結する。しかも重錘ストローク量を
制限する仕組みの働きが不十分な場合には、重錘が衝突
して建物及びマスダンパー自体に損傷等の悪影響を与え
る不具合もある。

【０００５】この点に関して、例えば特開平３ー３７４
４８号、特開平８ー１９９８５０号及び特開平９ー１８
９１４４号公報等々に開示された従来のパッシブ型マス
ダンパーは、大地震時にマスダンパーの減衰が上述した
最適減衰よりも大きくなるように構成して、大地震時に
も重錘ストローク量が設計可能範囲に納まるように改善
されている。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】上記特開平３ー３７
４４８号、特開平８ー１９９８５０号及び特開平９ー１
８９１４４号公報などに開示された従来のパッシブ型マ
スダンパーは、例えば減衰力が或る速度レベル以上で速
度二乗比例型に増大するオイルダンパーを使用する方式
（特開平３ー３７４４８号の発明）、減衰係数を大きく
するようにダンパーの減衰係数を多段に切り換える方式
（特開平８ー１９９８５０号の発明）、マスダンパーの
応答変形の増大に対応して減衰力を非線形的に連続して
増大させる方式（特開平９ー１８９１４４号の発明）の
ように、基本的に粘性減衰の減衰係数を重錘の振幅の大
きさに応じて変化させ又は切り換えている。このため相
対的にストロークの低減率が小さく、依然として大きな
重錘ストロークを必要とする。また、ダンパーに発生す
る減衰力も大きくなることがあり、重錘として設備機器
等を利用する場合にはその設備機器に発生する作用力も
大きくなり、機器自体の損傷を引き起こす恐れもある。

【０００７】従って、本発明の主たる目的は、重錘スト
ロークが従前のものに比して格別に小さく、設計が容易
で安価な大地震用のパッシブ型マスダンパーを提供する
ことである。本発明の次の目的は、建物の振動レベルが
小さい微弱地震等にも有効な適用性があり、広範な適用
性を発揮する大地震用のパッシブ型マスダンパーを提供
することである。

【０００８】本発明は、ダンパーが摩擦力に相当する減
衰力（摩擦相当力）を発生し、繰り返し安定して摩擦状
の履歴特性を発揮する構成の大地震用パッシブ型マスダ
ンパーを提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した従来技術の課題
を解決するための手段として、請求項１に記載した発明
に係る大地震用のパッシブ型マスダンパーは、重錘と復
元力要素及びダンパーとで構成されるパッシブ型マスダ
ンパーにおいて、前記のダンパーは、負荷が特定大きさ
以上になると摩擦状の履歴特性による減衰力を発生する
構成とされていることを特徴とする。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１に記載し
た大地震用のパッシブ型マスダンパーにおいて、ダンパ
ーは、作動オイルの圧力がリリーフバルブの設定圧力以
上になると、同オイルがリリーフバルブを通過して摩擦
状の履歴特性による減衰力を発生する構成のオイルダン
パーであることを特徴とする。請求項３記載の発明は、
請求項１に記載した大地震用のパッシブ型マスダンパー
において、ダンパーは、ほぼ一定の摩擦力を発生する摩
擦ダンパーであることを特徴とする。

【００１１】請求項４記載の発明に係る大地震用のパッ
シブ型マスダンパーは、重錘と復元力要素及びダンパー
とで構成されるパッシブ型マスダンパーにおいて、前記
のダンパーは、重錘の振幅が設定値以下では減衰力を発
生せず、振幅が設定値以上になると摩擦状の履歴特性に
よる減衰力を発生する構成とされていることを特徴とす
る。

【００１２】請求項５記載の発明は、請求項４に記載し
た大地震用のパッシブ型マスダンパーにおいて、ダンパ
ーが、重錘の振幅が設定値以下では作動オイルが自由に
通過するバイパス回路を有し、前記設定値を超えると前
記バイパス回路を遮断する機構を備え、前記バイパス回
路が遮断されオイルの圧力がリリーフバルブの設定圧力
以上になると、同オイルがリリーフバルブを通過して摩
擦状の履歴特性による減衰力を発生する構成のオイルダ
ンパーであることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施形態、及び実施例】請求項１に記載した発
明に係る大地震用のパッシブ型マスダンパーは、重錘と
復元力要素及びダンパーとで構成されるパッシブ型マス
ダンパーの形態で実施される。図１に示した実施例の場
合は、制震対象の建物その他の構造物のダンパー設置階
１の上に復元力要素として用いた積層ゴム２によって重
錘（マス）３を支持させ、ダンパー４の一端を前記の重
錘３と連結し、他端は前記ダンパー設置階１へ固定した
反力受け５と連結した構成とされている。

【００１４】前記のダンパー４は、重錘３の負荷が特定
大きさ以上になると減衰力を発生し摩擦状の履歴特性を
発揮する構成とされている。即ち、図２にオイルダンパ
ーの一実施例を示したように、作動オイル６を充満させ
たシリンダ４ａの中を移動するピストン４ｂに、同ピス
トン４ｂの前進、後退時に作動オイルの移動を許容する
油通路４ｃ、４ｄが設けられていると共に、各油通路４
ｃ、４ｄの出口側にリリーフバルブ７が設置されてい
る。各リリーフバルブ７には、油通路の作動オイルの圧
力が或る大きさに達すると油通路４ｃ、４ｄを開路させ
る開閉圧力が設定されている。従って、このオイルダン
パー４は、重錘３に力ないし変位が発生すると瞬時に作
動オイル６の圧力が高くなる。そして、ピストン４ｂの
移動方向前側の室の作動オイル６の圧力がリリーフバル
ブ７の設定圧力以上になると、同オイルがリリーフバル
ブ７を開路してリリーフバルブを通過してゆき、その流
量に相応の変位を生じつつ摩擦状の履歴特性の減衰力を
発生する。

【００１５】ここに言う摩擦状の履歴特性の減衰力の意
味、内容は、図３に例示したように、リリーフバルブ７
の設定圧力で規定される大きさ一定のまま正負の方向に
変位する履歴である。この大地震用のパッシブ型マスダ
ンパーの場合、ダンパー４が発生する摩擦状の減衰力
は、重錘３の重量の１０％程度の大きさとすることが好
ましい。

【００１６】なお、大地震用のパッシブ型マスダンパー
を構成するダンパー４は、繰り返し安定して図３のよう
な摩擦特性を発揮するものであれば良く、上記図２のオ
イルダンパーの限りではない。例えば図４に例示したよ
うに、シリンダ１０の中の閉鎖室に鉛１１が封入され、
同鉛１１の抵抗を受けつつ移動するコブ１２を有する移
動軸１３を直線的に移動させる鉛塑性ダンパー、或いは
図５に例示したようにシリンダ１０の内周面に接して一
定大きさの摩擦力で滑る摺動子１４を備えた移動軸１３
を直線的に移動させる摩擦ダンパーなどを使用しても同
様の作用効果を得ることができる。

【００１７】また、大地震用のパッシブ型マスダンパー
の実施形態も、図１に示した例の限りではない。例えば
図６に示したように、重錘３はダンパー設置階１の上に
敷設したレール１５上を自由に移動するように設置し、
この重錘３と反力受け５との間をダンパー４と並列に復
元力要素であるコイルバネ１６で連結した構成で実施す
ることができる。或いは図７に示したように、ダンパー
設置階１の上に組み立てた吊り架構１７に吊り材１８で
重錘３を吊り下げて復元力を発揮させる構成で実施する
ことができる。更に、図８に例示したように、構造物の
一部分１９へ上端部を取付け固定した復元力要素として
の曲げ部材２０で重錘３を吊り下げた構成で実施するこ
ともできる。

【００１８】次に、請求項４記載の発明は、上記請求項
１の発明と同様の大地震用のパッシブ型マスダンパーで
あって、しかも構造物の振動レベルが小さい小地震の範
囲でも同構造物の応答を制御する、所謂大小の地震に併
用できる形態のパッシブ型マスダンパーに関する。従っ
て、この大地震用のパッシブ型マスダンパーも、図１及
び図６〜図８に例示したように重錘３と復元力要素及び
ダンパー４とで構成した形態で実施される。

【００１９】但し、本発明の場合、ダンパー４は、重錘
３の振幅が設定値以下では減衰力を発生せず、振幅が特
定大きさ以上になると減衰力を発生し摩擦状の履歴特性
を発揮する構成とされている。その具体的な実施例は、
図９と図１０に示したように、ダンパー４は、重錘３の
振幅が設定値以下では作動オイル６が自由に通過するバ
イパス回路２２を有し、重錘３の振幅が前記設定値を超
えると前記バイパス回路２２を遮断する電磁弁機構２１
を備えている。前記バイパス回路２２が電磁弁機構２１
の弁体２１ａによって遮断され、重錘３によって作動オ
イル６の圧力がリリーフバルブ７の設定圧力以上になる
と、同オイルはリリーフバルブ７を通過して摩擦状の履
歴特性を発揮するオイルダンパーの構成である本実施例
のダンパー４は、通常は電磁弁機構２１がバイパス回路
２２を図９のように全開したオンの状態とされ、オイル
はバイパス回路２２を自由に流れる。図示を省略したス
トローク計が設定値を超えると、その計測信号により電
磁弁機構２１はオフとされて、図１０のように弁体２１
ａがバイパス回路２２を遮断する。要するにオンからオ
フへの切り換えが行われるのみであり、それはまた小地
震用から大地震用への切り換えでしかない。このため、
ストローク計のかわりに、設定値を超えた時にそれを検
知し、信号を発生するリミットスイッチも好適に使用す
ることができる。

【００２０】バイパス回路２２が遮断された場合のオイ
ルダンパーの作動は、図２の実施例に基づいて説明した
内容と同一であり、摩擦状の履歴特性による減衰力を発
生する。なお、地震後に図１０のオフ状態から、図９の
オン状態へ自動的に復帰させる手段として、一定時間を
経過すると、自動的に電磁弁機構２１がオン状態になる
リレー回路を組み込むことが好ましい。前記のリレー回
路はアナログ回路で構成でき、非常に信頼性が高い。

【００２１】次に、本発明の実施に関するシュミレーシ
ョン解析の結果を示す。建物のモデルとして、周期が
２．２秒、総重量が約２５０００ｔｆの２３階建ての建
物を想定した。建物の減衰は１％とした。前記建物の屋
上に、５００ｔｆの重錘（マス）を有するマスダンパー
を設置する。

【００２２】この建物の１次モードに対する有効重量は
１００００ｔｆであり、１次モードに対する質量比は５
％となる。このため上述した［数１］の式から、最適減
衰は約１３％と算出される。このように設計されたマス
ダンパーを、以下の説明では便宜上「通常のマスダンパ
ー」と称し、本発明のように減衰を摩擦状の履歴特性に
よるものとし、その摩擦力の大きさを重錘重量の７０％
に設定したものを「大地震用マスダンパー」と称する。
また、従来技術の項に挙げた特開平８ー１９９８５９号
公報に記載されたように減衰係数を重錘ストロークの大
きさに応じて途中で切り換えるものを「可変マスダンパ
ー」と称することとした。

【００２３】各解析モデルについてシュミレーション解
析を行った。「可変マスダンパー」については、切り換
えまでのストロークを２０cm、高減衰側を通常減衰の５
倍（６５％）という設定で解析を行い、その結果を「マ
スダンパーなし」の場合と比較して次の［表１］に示
す。

【００２４】

【表１】

【００２５】［表１］によれば、「通常のマスダンパ
ー」はストローク及びストローク速度が大きく、復元力
要素及びダンパーの設計が不可能に近い。また、「可変
マスダンパー」でも、これらの設計はかなり困難と考え
られる。これに対して、本発明に係る「大地震用マスダ
ンパー」は、建物に与える制震効果は他のマスダンパー
よりも幾分小さくなるものの、ストローク及びストロー
ク速度が十分に設計可能な範囲に納まっている。また、
マスダンパーの重錘に働く加速度は「大地震用マスダン
パー」が最も小さくなり、マスダンパーの重錘及びマス
ダンパー設置部の建物側に与える影響が少ないことが分
かる。

【００２６】「可変マスダンパー」でも減衰係数を大き
くすることによりストローク及びストローク速度を小さ
くすることは可能であるが、このシュミレーション解析
で用いている数値が既にかなり大きめである（粘性ダン
パーとして機能させるには、減衰係数は１００％が最大
限である）。

【００２７】

【本発明が奏する効果】本発明に係る大地震用のパッシ
ブ型マスダンパーは、従来は設計上不可能ないし至難の
こととされていた大地震用としての適用可能性と有効性
を発揮し、構造物の制震に寄与する。のみならず、パッ
シブ型マスダンパーが本来得意にしている小地震用とし
ての適用性と有効性をも合わせ持つので、大小の地震に
併用型としてその適用範囲を大きく広げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る大地震用のパッシブ型マスダンパ
ーの実施例を示した立面図である。

【図２】ダンパーの構造詳細を示した断面図である。

【図３】摩擦状の履歴特性を示したグラフである。

【図４】異なるダンパーの構造詳細を示した断面図であ
る。

【図５】異なるダンパーの構造詳細を示した断面図であ
る。

【図６】大地震用のパッシブ型マスダンパーの異なる実
施例を示した立面図である。

【図７】大地震用のパッシブ型マスダンパーの異なる実
施例を示した立面図である。

【図８】大地震用のパッシブ型マスダンパーの異なる実
施例を示した立面図である。

【図９】大小地震に併用型に適用されるダンパーのオン
状態の実施例を示した断面図である。

【図１０】大小地震に併用型に適用されるダンパーのオ
フ状態の実施例を示した断面図である。

【符号の説明】

３ 重錘 １６ コイルバネ（復元力要素） ４ ダンパー ７ リリーフバルブ ２２ バイパス回路 ２１ 電磁弁機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｆ 9/50 Ｆ１６Ｆ 9/50 (72)発明者 大竹 和夫 千葉県印西市大塚一丁目５番地１ 株式会 社竹中工務店技術研究所内 (72)発明者 片山 丈士 大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会 社竹中工務店大阪本店内 (72)発明者 島野 幸弘 大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会 社竹中工務店大阪本店内 (72)発明者 田中 利幸 大阪市中央区本町四丁目１番13号 株式会 社竹中工務店大阪本店内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重錘と復元力要素及びダンパーとで構成
   されるパッシブ型マスダンパーにおいて、 前記のダンパーは、負荷が特定大きさ以上になると摩擦
   状の履歴特性による減衰力を発生する構成とされている
   ことを特徴とする大地震用のパッシブ型マスダンパー。
2. 【請求項２】 ダンパーは、作動オイルの圧力がリリー
   フバルブの設定圧力以上になると、同オイルがリリーフ
   バルブを通過して摩擦状の履歴特性による減衰力を発生
   する構成のオイルダンパーであることを特徴とする、請
   求項１に記載した大地震用のパッシブ型マスダンパー。
3. 【請求項３】 ダンパーは、ほぼ一定の摩擦力を発生す
   る摩擦ダンパーであることを特徴とする、請求項１に記
   載した大地震用のパッシブ型マスダンパー。
4. 【請求項４】 重錘と復元力要素及びダンパーとで構成
   されるパッシブ型マスダンパーにおいて、 前記のダンパーは、重錘の振幅が設定値以下では減衰力
   を発生せず、振幅が設定値以上になると摩擦状の履歴特
   性による減衰力を発生する構成とされていることを特徴
   とする大地震用のパッシブ型マスダンパー。
5. 【請求項５】 ダンパーは、重錘の振幅が設定値以下で
   は作動オイルが自由に通過するバイパス回路を有し、前
   記設定値を超えると前記バイパス回路を遮断する機構を
   備え、前記バイパス回路が遮断されオイルの圧力がリリ
   ーフバルブの設定圧力以上になると、同オイルがリリー
   フバルブを通過して摩擦状の履歴特性による減衰力を発
   生する構成のオイルダンパーであることを特徴とする、
   請求項４に記載した大地震用のパッシブ型マスダンパ
   ー。