TWI374983B - Negative stiffness device and seismic isolation structure with the device - Google Patents

Description

1374983 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明，是有關朝重力的作用方向（垂直方向）產生滑 動，在水平力及水平變位的關係中，兼具負的剛性及摩擦 衰減之負的剛性裝置，以及利用該負的剛性及摩擦衰減之 建築或是土木所使用之減振構造物。 【先前技術】 高級公寓等的集合住宅、事務所大樓、獨棟住宅及橋 樑等的防止朝構造物過大的輸入的手段，已被提案各種附 加於構造物的裝置。例如，振子型的滑動摩擦裝置等，是 藉由從滑動曲面的圓弧所求得的周期來進行減振，使過大 的輸入不會作用於上部構造物。但是，各種被提案的裝置 皆幾乎具有正的剛性，對於前述振子型的滑動摩擦裝置， 其滑動手法，因爲是朝與重力作用的方向相反的方向滑動 (隨著水平變形而朝上方移動），所以會產生正的剛性。 且，由金屬材料構成的彈塑性緩衝器是藉由加工硬化 ，且，由粘性體材料構成的粘性緩衝器是藉由由高振動數 領域所產生的彈性特性的剛性（彈簧），.一般具有正的剛性 。又，利用水平面上滑動的滑動機構之緩衝器，其剛性雖 爲零，但是無法變化力的變形增分的方向。換言之，對於 構造物整體的剛性無法控制。 作爲解決這種問題的手段，在專利文獻1中，揭示了 :藉由調整構造構件中所發生的應力的大小，或增加制震 -4 - (8) 1374983 相反地對於由被施加的外力以產生的變位位置減少水平力 (阻力）。 而且，組合上述正的剛性裝置及負的剛性裝置的情況 的舉動，是組合上述兩圖表者，係顯示於右側，即對於任 意的變位的水平力爲0且剛性爲零的裝置。 前述負的剛性裝置，是例如，如第2圖所示，由：半 圓錐狀的下構件1、及可以沿著此下構件1的上側表面1 a φ 轉動之上構件的滾子2所構成。又，上側表面la具有曲 率半徑R。 如第2圖（a)所示，水平力F施加於滾子2的話，如第 2圖（b)所示，滾子2，是在上側表面la上朝左方向轉動， 並漸漸地落下。此時，因爲隨著滾子2的變位變大，負的 負荷會施加於滾子2，成爲如第1圖的正中央所示圖表所 示的舉動。又，如第2圖（c)所示，右方向的水平力F施加 於滾子2的情況也同樣。 φ 且，前述負的剛性裝置，是例如，如第3圖所示，沿 著半圓錐狀的下構件4的上側表面4a轉動之上構件的車 輪5所構成也可以。在此，車輪5是承受來自上方的垂直 力W。又，上側表面13是具有曲率半徑R。 即使這種結構，如第3圖（a)所示，水平力F施加於車 輪5的話，車輪5，是如第3圖（b)所示，在上側表面4a 上朝左方向轉動，漸漸地落下。此時，因爲隨著車輪5的 變位變大，負的負荷會施加於車輪5，成爲如第1圖的正 中央所示圖表所示的舉動。又，如第3圖（c)所示，右方向 (9) (9)1374983 的水平力F施加於車輪5的情況也同樣。 又，第3圖所示的負的剛性裝置的剛性（-K)，是從曲 率半徑R及物體的重量W的關係，以（-K) = W/R計算，藉 由與倂用的積層橡膠等的正的剛性K適宜組合，就可任意 調整裝置整體的剛性。 接著，參照圖面詳細說明本發明的負的剛性裝置。 第4圖，是顯示本發明的負的剛性裝置的第1實施例 ，此負的剛性裝置1〇，是由：形成上側凸形狀且半圓錐狀 的下構件11、及具備滚子12b之上構件12所構成。 下構件11，是如第5圖（a)所示，上側表面的預定的 範圍L的部分1 lb(曲率半徑SR")，是形成比兩端部1 la、 1 1 c(曲率半徑SR’）的曲率小（曲率半徑大）。 另一方面，上構件12中，滚子12b可旋轉地被支撐 於旋轉軸l2c，旋轉軸12c被固定於托架12a。 藉由上述結構，上構件12的滾子12b，是沿著下構件 1 1的上側表面1 la〜1 lc轉動的話，如第5圖（b)所示，從 預定的範圍L超出的情況時負剛性變化。即，在預定的範 圍L，圖表的直線的傾斜小，可以附與的小負剛性。而且 。超過預定的範圍L的話，圖表的直線的傾斜變大，成爲 可給與大的負剛性。 又’在上述實施例，雖是組合：形成上側凸形狀且半 圓錐狀的下構件11、及具備滾子12b之上構件12，但是 將這些上下方向反轉，將上構件形成下側凸形狀且半圓錐 狀’在下構件設置滾子，也可以達成與上述同樣的作用效 -12- (10) (10)1374983 果。 第6圖’是顯示本發明的負的剛性裝置的第2實施例 ，此負的剛性裝置，下構件11’是與第5圖所示的下構件 11不同，如第6圖（a)所示，兩端部iia，、lie，（曲率半徑 SR·)是形成曲面狀，但預定的範圍L的部分lib'是形成平 面。又，轉動於下構件11'上的上構件，是具有與第4圖 所示上構件12同樣的結構。 藉由上述結構，上構件12的滾子12b，是沿著下構件 1Γ的上側表面11a'〜ll’c轉動的話，如第6圖（b)所示， 從預定的範圍L超出的情況時負剛性變化。即，在預定的 範圍L’上側表面lib·因爲是平面，所以圖表的直線的傾 斜爲〇，無關於上構件1 2的變位皆爲水平力爲〇的剛性爲 零的狀態。而且，超過預定的範圍L的話，圖表是成爲右 下降的直線，可給與負剛性。 接著，對於本發明的負的剛性裝置的第3實施例，參 照第7圖說明。 此負的剛性裝置2 0，是由：形成上側凸形狀且半圓錐 狀的下構件21、及具備轉動於下構件21的上側表面之滾 子22b並形成上側凸形狀且半圓錐狀的中間構件22、及具 備轉動於中間構件22的上側表面22d的滾子23b之上構 件23所構成。又，滾子22b的軸線、及滾子23b的軸線 相互垂直。 下構件21，是與第4圖所不的下構件1 1同樣，上側 表面的預定範圍的部分21b，是形成比兩端部21a，21c的 -13- (11) 1374983 曲率小（曲率半徑大）。中間構件22中，滾子22b是可旋轉 地被支撐於旋轉軸22c，旋轉軸22c被固定於托架22a。 上構件23中，滾子23b是可旋轉地被支撐於旋轉軸23c, 旋轉軸23c被固定於托架23a。 藉由上述結構，中間構件22的滾子22b，是沿著下構 件21的上側表面21a〜21c轉動，與上述第1實施例的情 況同樣，從上側表面的預定範圍的部分21b超出的情況時 φ 負剛性變化。即，在上側表面的預定的範圍21b的部分， 可以附與小的負剛性，在兩端部2 1 a、2 1 c成爲可給與大 的負剛性。 且’在本實施例中，中間構件22及上構件23，因爲 皆是對於下構件2 1相互垂直配置，所以上構件23，是對 於中間構件22的第7圖的紙面朝表背方向移動可能，另 —方面，中間構件22是成爲對於下構件21的第7圖朝左 右方向移動可能。藉此，上構件2 3，是隔著中間構件2 2 • 對於下構件21全方向移動可能。 又’在上述實施例中，雖是組合：形成上側凸形狀且 半圓錐狀的下構件21、及具備滾子2 2b並形成上側凸形狀 且半圓錐狀的中間構件22、及具備滾子23b之上構件23 ，但是將這些上下方向反轉，將上構件及中間構件形成下 側凸形狀且半圓錐狀，將滾子設在中間構件及下構件，也 可以達成與上述同樣的作用效果。 接著，參照第8圖說明使用了本發明的負的剛性裝置 之減振構造物的一實施例。 -14- (13) 1374983 力特性的裝置之減振構造物的一實施例的前視圖 【主要元件符號說明】 1 :下構件 1 a :上側表面 2 :滾子 4 :下構件

4a :上側表面 5 :車輪 1 〇 :剛性裝置 1 1 :下構件 1 1 ':下構件 1 1 a，1 1 c :端部 1 1 V，1 1 c':端部 1 1 b :上側表面 1 lb’ ：上側表面 1 2 :上構件 12a :托架 12b :滾子 12c :旋轉軸 2 0 :剛性裝置 21 :下構件 2 1 a，2 1 c :端部 2 1 b :上側表面 -16- (14) 1374983 22 :中間構件 22a :托架 22b :滚子 22c :旋轉軸 2 2 d :上側表面

23 :上構件 23a :托架 23b :滾子 23c :旋轉軸 3 〇 :減振構造物 3 1 :構造物 3 2 :積層橡膠 3 3 :衰減器 -17-

Claims (1)

1374983 (1) 十、申請專利範圍 1. 一種負的剛性裝置，其特徵爲，由：具備滾子或是 車輪的上構件、及形成上側凸形狀且具有一定曲率之半圓 錐狀並在包含該上側凸形狀部的頂點之預定的範圍使曲率 比其他的範圍小之下構件所構成，前述上構件的滾子或是 車輪，是藉由沿著前述下構件的上側表面轉動，當超過前 述預定的範圍的前述上構件的變形時負剛性變化。 φ 2.—種負的剛性裝置，其特徵爲，由：具備滾子或是 車輪的上構件、及形成上側凸形狀且具有一定曲率之半圓 錐狀，且在包含該上側凸形狀部的頂點之預定的範圍爲平 面之下構件所構成，前述上構件的滾子或是車輪，是藉由 沿著前述下構件的上側表面轉動，當超過前述預定的範圍 的前述上構件的變形時，負剛性則變化。 3. —種負的剛性裝置，其特徵爲：將申請專利範圍第 1項或是申請專利範圍第2項的負的剛性裝置上下方向2 φ 段配置；或分別將申請專利範圍第1項及申請專利範圍第 2項的負的剛性裝置上下方向2段配置，且將該2段的負 的剛性裝置配置成相互垂直的狀態》 4. 一種負的剛性裝置，其特徵爲，由：形成下側凸形 狀且具有一定曲率之半圓錐狀，且在包含該下側凸形狀部 的頂點之預定的範圍，使曲率比其他的範圍小之上構件、 及具備滾子或是車輪之下構件所構成，前述上構件是在前 述下構件的滚子或是車輪上，藉由一邊旋轉一邊移動該滾 子或是車輪，當超過前述預定的範圍之前述上構件的變形 -18- (2) 1374983 時負剛性變化。 5·—種負的剛性裝置，其特徵爲，由：形成下側凸形 狀且具有一定曲率半圓錐狀’並在包含該下側凸形狀部的 頂點之預定的範圍爲平面之上構件、及具備滚子或是車輪 之下構件所構成，前述上構件是在前述下構件的滾子或是 車輪上，藉由一邊旋轉一邊移動該滾子或是車輪，當超過 前述預定的範圍之前述上構件的變形時負剛性變化。 φ 6.—種負的剛性裝置，其特徵爲：將申請專利範圍第 4項或是申請專利範圍第5項的負的剛性裝置上下方向2 段配置：或分別將申請專利範圍第4項及申請專利範圍第 5項的負的剛性裝置上下方向2段配置，且該2段的負的 剛性裝置配置成相互垂直的狀態。 7.—種減振構造物，其特徵爲，具備：內含申請專利 範圍第1乃至6項中的任一項的負的剛性裝置、及具有復 元力特性的裝置。 -19-