JP2010180669A - 制震ユニット、及び、制震ユニット設置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】場所をとらずに、地震等の長周期振動に対応できるようにする。
【解決手段】制震対象建物に取付自在な制震ユニット本体３と、制震ユニット本体３の中で縦軸芯Ｚ周りに回転自在な状態に支持された質量体５とが設けられ、質量体５は、その重心Ｗが縦軸芯Ｚから偏芯した状態に設けてある。
【選択図】図２

Description

本発明は、制震ユニットに関し、その制震ユニットの複数を制震対象建物に設置してある制震ユニット設置構造に関する。

従来、この種の制震ユニット技術としては、例えば、ＯＡフロアー等を対象にした振動低減技術として、床下の狭小スペースに設置して、歩行等によって発生する上下振動の低減を図れるように構成したものがあった（例えば、特許文献１参照）。
これは、図５に示すように、平面矩形形状で、高さ寸法の小さな偏平フレーム２０の中に、上下揺動自在な状態に矩形板状のマス５を設け、前記マス５の上下揺動に対して抵抗を与えるダンパー２１を、フレーム２０とマス５とにわたって設けてあるものである。
床上の歩行により、上下振動が作用すると、マス５が上下に揺動し、その振動の際に、ダンパー２１によって振動周期をずらして振動低減を図るメカニズムを備えている。
また、地震による振動を対象としたものには、振り子式のものや、壁のブレース設置部分にダンパーを組み込んだものがあった。

特開２００６−３４２８７９号公報

建築物の制振技術は、床の上下動を対象にしたものと、建築物全体の水平動を対象にしたものと、大きく２種類に分類される。本発明は、建築物全体の水平動を対象にした制振機構である。
建築物全体の水平動を対象にした制振にも、風による居住性の低下を改善しようとするものと、地震時にエネルギー吸収を図るものとがある。後者に必要な振幅は前者に必要な振幅を大きく上回るので、現在これらはそれぞれ別々の技術となっているが、本発明は、振幅の制限を受けないため、いかなる外乱の水平動にも対応できる制振機構である。
上述した従来の制震ユニット技術は、あくまで床の上下動という、微小振幅かつ短周期の振動制御に対応した技術であって、これを、建物の水平動のように大振幅かつ長周期の振動に適用することは機構上できなかった。
建築物は、中層、高層、超高層と、高さが高くなるほど一次固有周期が長くなる。固有周期の長い建物に地震や風などの外乱が作用すると、各層が大きな振幅で水平にゆっくりと揺れるが、このような大振幅かつ長周期の振動を対象とする場合には、制振装置自身の一次固有周期が長周期に対応し、かつマスの振幅が充分に大きくなければならない。
風による居住性の低下を改善しようとする制振機構には振り子式のものがあるが、振り子の固有周期を建物の固有周期に同調させるため、既往の装置は大規模なものとなっている。振り子の周期は振り子の吊り下げ長さの平方根に比例するので、建物が長周期化すればするほど吊り下げ長さが必要となり、制振機構のコンパクト化が困難であった。また必要な振幅が十分に確保できないことから、振り子式の制振装置はあくまで居住性改善の用途に限定されるものであった（地震時にはマスがロックされるので、地震エネルギー吸収には用をなさない）。
地震時にエネルギー吸収を図ろうとする制振機構には、鋼材ダンパーのように金属を塑性化させてその塑性変形によりエネルギー吸収を図る履歴ダンパーや、オイルダンパーのように粘性減衰を利用したダンパーが実用化されているが、これらはいずれも、建物の特定の層とその上層をダンパーにて連結させ、上下階の相対的な層間変形に対して抵抗させる必要があることから、ブレースや壁、間柱などの鉛直部材に組み込む必要がある。そのため、その箇所は間仕切りとなって、無柱の広い居室を自由に得るための設計自由度を縮小するものであると同時に、デバイスが大規模なものとなり、コンパクト化が困難であった。
ＯＡフロアー等の上下動振動を対象とした制振の場合は、地震に比べて短周期であり、かつ振幅が微量であることから、床下の狭小スペースに設置できるほどのコンパクト化が可能であるが、もしこれを地震による水平振動に対して有効に作用させる構造とするには、マスの振動を水平方向とし、その振動を長周期かつ大振幅に設定する必要があるため、極めて大規模なものとなってしまう。
このように、上述した従来の各制震ユニット技術によれば、コンパクト化を図りながら、地震等による建築物の水平振動に対応させることが困難であった。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、場所をとらずに、地震等による建築物の水平振動に対応させることができるコンパクトな制震ユニット技術を提供するところにある。

本発明の第１の特徴構成は、制震対象建物に取付自在な制震ユニット本体と、前記制震ユニット本体の中で縦軸芯周りに回転自在な状態に支持された質量体とが設けられ、前記質量体は、その重心が前記縦軸芯から偏芯した状態に設けてあるところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、縦軸芯周りに回転自在な状態に質量体を支持してあるから、制震ユニットに水平方向の外力（例えば、地震による振動）が作用すると、前記質量体が受ける慣性力が縦軸芯周りのモーメントとして作用し、質量体に回転運動を生じる。このように並進による振動外乱のエネルギーを回転運動に変換することで、地震エネルギーの吸収を図ることができる。
また、対象とする振動の周期は、例えば、質量体と縦軸芯との偏芯量を変えて回転半径を調整したり、前記質量体の回転を遅らせるようなバネ等を併用することで、短周期の振動から長周期の振動まで、任意の周期に合わせて振動減衰効果を期待できるようになる。
従って、地震等による建築物の水平振動にも制振効果を発揮することができる。特に、回転周期を遅らせる手段を併用する場合には、質量体の回転半径を大きくせずに長周期振動に対応できるから、制震ユニットを平面的にコンパクト化することができる。
また、制震ユニットの高さ寸法は、直接的な制振効果と無関係であるから、設計の自由性があり、例えば、薄型偏平形状に形成することもできる。その結果、床下空間や天井裏空間等、狭小空間であっても当該制震ユニットを設置することが可能となる。
このように、単独の制震ユニットとしてコンパクト化を図ることができることに加えて、設置する制震ユニットの数を増やすほど、より大きな制振効果を発揮させることができる。

本発明の第２の特徴構成は、前記質量体の前記縦軸芯周りの回転運動に対して復元力を作用させる反発手段が設けてあるところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、前記質量体の前記縦軸芯周りの回転運動に対して復元力を作用させる反発手段が設けてあるから、質量体の回転周期を延ばすことができ、質量体の実質の回転半径を大きくせずに長周期振動に対応できるようになる。
その結果、地震等による建築物の水平振動に対応できながら制震ユニットのコンパクト化を実現することができる。従って、建物に対する制震ユニットの設置個所の選択性を向上させることができる。

本発明の第３の特徴構成は、前記質量体の前記縦軸芯周りの回転運動に対して制動力を付与する抵抗手段が設けてあるところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、前記抵抗手段によるダンパー効果を発揮して、振動の減衰をより強力に実現できる。

本発明の第４の特徴構成は、第１〜第３の特徴構成の何れかを有する制震ユニットの複数を、前記制震対象建物に設置してある制震ユニット設置構造であって、
前記縦軸芯に対する前記質量体の初期位置が、制震ユニット毎で少なくとも二種類となるように各制震ユニットが設置してあるところにある。

制震ユニットに横方向のベクトルを有する振動が作用した時に、前記質量体が前記縦軸芯周りに回転運動を生じる為には、前記振動が質量体と縦軸芯とに偶力が生じる必要がある。即ち、振動のベクトルが、前記質量体の重心と前記縦軸芯とを結ぶ直線に沿うような場合には、前記偶力が発生しないから質量体は回転しない。
本発明の第４の特徴構成によれば、前記縦軸芯に対する前記質量体の初期位置が、制震ユニット毎で少なくとも二種類となるように各制震ユニットが設置してあるから、当該制震ユニットに作用する振動がどの方向のベクトルかに拘わらず、何れかの制震ユニットには前記偶力が作用することになり、質量体が縦軸芯周りに回転運動をする。従って、制振対象建物に対する振動減衰を、何れかの制震ユニットによって確実に叶えることが可能となる。

制震ユニットの設置状態を示す断面図 制震ユニットの平面図 図２におけるIII −III 断面での断面図 制震ユニット設置構造を示す平面図 従来の制震ユニットを示す断面図

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、図面において従来例と同一の符号で表示した部分は、同一又は相当の部分を示している。

図１は、本発明の制震ユニットの一実施形態品を制振対象建物Ｂに設置してある状況を示している。

前記制振対象建物Ｂは、床下空間に複数の当該制震ユニット１を敷き詰めた状態に設置して構成してある。

前記制震ユニット１は、図１〜３に示すように、スラブ２に取付自在なケース（制震ユニット本体に相当）３と、前記ケース３の中に立設された縦軸４と、前記縦軸４の縦軸芯Ｚ周りに回転自在な状態に支持されたマス（質量体に相当）５とを備えて構成してある。

前記ケース３は、平面形状は正方形の偏平な箱として構成してある。
材質は、金属や合成樹脂や木材等、保形性の高い材料であることが好ましい。また、本実施形態においては、床下空間に設置してあり、床荷重を受けないものであるが、床荷重を受けるような設置対応を採用することも可能で、その場合は、床荷重を支持できる強度が必要となる。
スラブ２への取り付けは、図には示していないが、例えば、ボルトや接着材等によって実施することができる。また十分な摩擦力が床と制震ユニット底面に期待できるような場合においては置くだけで制振効果の発揮が期待できる。

前記縦軸４は、ケース３の底板３ａと天板３ｂとにわたって正方形の中心点上に立設するように固定されている。
材質は、金属で構成してあり、この縦軸４に、縦軸芯Ｚ周りに回転自在な状態に前記マス５が外嵌させてある。

前記マス５は、金属等、比重の大なる材料で構成してあり、基端部には、前記縦軸４に外嵌する嵌合部５ａを備え、先端部には、重量部５ｃを備え、前記嵌合部５ａと前記重量部５ｃとを一体的に連結するアーム部５ｂとを備えて構成してある。
マス５の重心Ｗは、前記重量部５ｃに位置するようなバランスで形成してある。従って、マス５を縦軸４に外嵌させた取付状態においては、重心Ｗが前記縦軸芯Ｚから偏芯しており、地震等の横方向の外力が作用すると、マス５と縦軸４との間にモーメントが作用し、それに伴って、前記マス５は縦軸芯Ｚ周りに回転し、振動エネルギーを回転エネルギーに変換して吸収することができる。
マス５の形状は、縦軸の軸芯から重心位置が十分に偏芯し、かつ同一重量でなるべく慣性モーメントが大となるように工夫してある。

また、前記マス５と縦軸４とにわたって、つる巻バネ（反発手段に相当）６が取り付けてあり、前記マス５の回転運動に対して、このつる巻バネ６が復元力を作用させることができるように構成されている。
従って、前記アーム部５ｂの長さが短くても、つる巻バネ６の復元力によって、アーム部５ｂの回転周期を延ばすことができ、例えば、地震のように長周期振動に対しても制振効果を発揮することが可能となる。

一方、重量部５ｃは、前記ケース３の底板３ａに対して当接するように形成してあり、重量部５ｃと底板３ａとの間には、摩擦力が作用している。従って、マス５の回転に伴って、この摩擦力が制動力として作用し、ダンパー効果を発揮することができる。
このように、摩擦力が作用する状態に形成されている前記重量部５ｃと底板３ａとを、抵抗手段７という。

制震ユニット１の設置にあたっては、図４に示すように、縦軸芯Ｚと前記マス５の重心Ｗとを結ぶ直線Ｌの方向が、全ての制震ユニット１において同じにならないように、各制震ユニット１の静止位置を設定してある。地震の振動に伴ってマス５が回転するには、上述のとおりマス５と縦軸４との間にモーメントが発生する必要があるが、地震の振動方向と、前記直線Ｌとが沿った場合は前記モーメントが発生しないからマス５の回転も生じない。従って、いずれの方向の振動が作用しても、設置した制震ユニット１のどれかが作動できるように、前記マス５の初期位置の設定がされている。
当該実施形態においては、設置された全ての制震ユニット１において、前記縦軸芯Ｚに対する前記マス５の初期位置、即ち、前記直線Ｌの方向が、少なくとも二種類となるように初期状態が設定されている。具体的には、各制震ユニット１において前記直線Ｌの方向がランダムとなるように設定されている。

当該実施形態の制振技術によれば、振動エネルギーをマス５の回転エネルギーに変換してエネルギー吸収を図れ、しかも、つる巻バネ６およびマス量の調整によってマス５の回転周期を延ばすことができるから、制震ユニット１のコンパクト化を図りながら地震等による建築物の水平振動に対応した制振効果を発揮することができる。また、前記抵抗手段７によるダンパー効果をも発揮でき、振動の減衰をより強力に実現できる。
制震ユニット１の三次元的なコンパクト化を図れるようになり、例えば、制振対象建物Ｂの床下や天井裏等、わずかなスペースにも当該制震ユニット１を設置することができ、建物に対する制震ユニット１の設置個所の選択性を向上させてることができる。

〔別実施形態〕
以下に他の実施の形態を説明する。

〈１〉 制震ユニット１は、先の実施形態で説明した形状に限るものではなく、例えば、平面形状が正方形の偏平な箱として構成してあることに替えて、平面形状が円形や、長方形等、様々な対応をとることができる。
また、偏平な形状に限るものではなく、例えば、外見が柱状となるように形成してあってもよい。柱状の制震ユニット１を形成する場合、単独の制震ユニット１そのもので柱形状を構成するもの以外に、先の実施形態で説明した偏平形状の制震ユニット１を複数個積み重ねて柱形状となるように構成してもよい。
このように、制震ユニット１そのものの形状設定は自由に実施できるから、当該制震ユニット１の設置対象個所は、先の実施形態で説明した床下空間や天井裏空間等に限るものではなく、制震ユニット１の形状に合わせて、自由に設定することができる。
〈２〉 反発手段６は、先の実施形態で説明したつる巻バネに限るものではなく、例えば、他の形式のバネや、他の弾性体を使用したもので構成してあってもよい。また、磁力の反発力を利用して、質量体５の回転運動に対して制動力を作用させるように反発手段を構成するものであってもよい。要するに、質量体５の回転周期を延ばすことができるものであればよく、それらを含めて反発手段と総称する。
また、反発手段６としてつる巻バネを使用する場合、全ての制震ユニットにおいてつる巻バネの設置方向を、同じ向きに設置することに替えて、つる巻バネの設置方向を反転させた制震ユニットも混在させるものであってもよい。
〈３〉 抵抗手段７は、先の実施形態で説明した底板３ａと重量部５ｃとの摩擦によって抵抗力を生み出すものに限るものではなく、例えば、縦軸４と嵌合部５ａとの摺動摩擦を利用したり、ケース３内に粘性液を充填して、質量体５の回転運動に粘性液が抵抗体となるように構成するものであってもよい。要するに、質量体５の縦軸芯Ｚ周りの回転運動に対して制動力を付与するものであればよく、それらを含めて抵抗手段７と総称する。
〈４〉 制震ユニット本体３は、先の実施形態のように、外周の全面が覆われたケースとして構成することに限るものではなく、例えば、フレームによって制震ユニット本体３を構成するものであってもよい。
材質の選択も、制震ユニットとして適切な性能が得られる範囲内において自由に選択することができる。
また、外周の全面が覆われたケースとして制震ユニット本体３を構成する場合、縦軸芯Ｚ周りの質量体５の位置を表す表示手段が設けてあれば、制震ユニット１の質量体５の位置が一目瞭然となり、設置時の質量体５の初期位置状態を管理し易くなる。
因みに、この表示手段は、例えば、ケースの一部や全部を透視可能な状態に形成しておいたり、質量体５と一体的に回転する指標を外部から確認できる状態に設けておく等の方法で実現することができる。

尚、上述のように、図面との対照を便利にするために符号を記したが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

１ 制震ユニット
３ ケース（制震ユニット本体に相当）
５ マス（質量体に相当）
６ つる巻バネ（反発手段に相当）
７ 抵抗手段
Ｂ 制振対象建物
Ｗ 重心
Ｚ 縦軸芯

Claims (4)

1. 制震対象建物に取付自在な制震ユニット本体と、前記制震ユニット本体の中で縦軸芯周りに回転自在な状態に支持された質量体とが設けられ、前記質量体は、その重心が前記縦軸芯から偏芯した状態に設けてある制震ユニット。
2. 前記質量体の前記縦軸芯周りの回転運動に対して復元力を作用させる反発手段が設けてある請求項１に記載の制震ユニット。
3. 前記質量体の前記縦軸芯周りの回転運動に対して制動力を付与する抵抗手段が設けてある請求項１又は２に記載の制震ユニット。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の制震ユニットの複数を、前記制震対象建物に設置してある制震ユニット設置構造であって、
   前記縦軸芯に対する前記質量体の初期位置が、制震ユニット毎で少なくとも二種類となるように各制震ユニットが設置してある制震ユニット設置構造。

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