JP6143613B2

JP6143613B2 - 揺れ防止装置

Info

Publication number: JP6143613B2
Application number: JP2013181200A
Authority: JP
Inventors: 義仁渡邉; 量司友野; 卓聖中村; 秀行明賀; 中村　誠; 誠中村; 英範木田; 滋樹中南; 田中　久也; 久也田中
Original assignee: THK Co Ltd; Aseismic Devices Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd; Aseismic Devices Co Ltd
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: JP2015048644A

Description

本発明は、免震装置を備えた建物において、例えば地震以外の風や交通振動等の外部振動により建物が揺れるのを防止する揺れ防止装置に関する。

従来より、地震等の外部振動から建物を断絶する目的で、当該建物とその建物基礎との間に免震装置を設ける施工が行われているが、この免震装置が設けられた建物では地震以外の風等により建物が揺れてしまう可能性があることから、建物とその建物基礎との間には揺れ防止装置を設けるのが通常である。

前記揺れ防止装置としては特許文献１に開示されているものが知られている。この揺れ防止装置は、建築躯体に固定される球体保持機構部と、この球体保持機構部に設けられる球体と、建築基礎に固定されると共に前記球体が転走する受け皿と、前記球体保持機構部に設けられると共に油が密封された室と、当該室内の油圧を調整する油圧調整機構と、前記室に対して上下方向に進退する進退作動体と、から構成される。

そして、地震が発生していない状態では、前記進退作動体の上下方向の移動が規制され、この進退作動体と前記受け皿とが強く係合し、建物の横揺れが阻止されるようになっている。その一方で、地震が発生した際には、前記油圧調整機構の作用により前記進退作動体の上下方向の移動が許容され、進退作動体と受け皿との係合が解除される。その結果、免震装置により建物が免震されるようになっている。

特開２００６−１０５１８１号公報

しかし、前記揺れ防止装置を備えた建物の場合、建物に作用する水平方向の外力は揺れ防止装置を構成する進退作動体に直接作用することになる。このため、地震以外の風等に起因した建物の揺れを確実に防止するためには前記進退作動体自体を大型化させる必要があり、ひいては揺れ防止装置全体を大型化させる必要があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、小型化を達成することができる揺れ防止装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、第１の構造体と第２の構造体との間に配置され、振動が一方の構造体から他方の構造体へと直接伝播するのを防止する免震装置と共に使用されるものであり、第１の構造体に結合される固定筒と、一端が第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドと共にボールねじ装置を構成する一方、前記固定筒に対して回転自在に支承されるロータと、前記固定筒とロータとの間に設けられる回転抑止機構と、を備えており、前記回転抑止機構は、ピン部材と、このピン部材が挿入される貫通孔を有すると共に前記固定筒に設けられる第一ピン保持部と、この第一ピン保持部の貫通孔と対向する挿通孔を有して前記ロータに設けられる第二ピン保持部と、を備える。

本発明によれば、前記ロータとスクリューロッドからなるボールねじ装置によりロータを回転させようとする偶力がスクリューロッドを軸方向へと移動させようとする大きな軸力へと変換されるようになっているため、ピン部材が小型であっても、第１の構造体又は第２の構造体が地震以外の風等によって揺れるのを防止することができる。

本発明を適用した揺れ防止装置の第一実施形態を示す半断面図である。スクリューロッドとロータとの組み合わせの一例を示す斜視図である。本発明を適用した減衰装置の一例を示す斜視図である。図３に示す減衰装置が備える回転抑止機構の一例を示す斜視図である。図３に示す減衰装置を建物の免震構造に使用した例を示す模式図である。

以下、添付図面に沿って本発明を適用した揺れ防止装置を詳細に説明する。

図１は本発明を適用した揺れ防止装置の第一実施形態を示すものである。この揺れ防止装置１は、中空部を有すると共に一端に開口部を有して筒状に形成された固定筒２と、この固定筒２の開口端から当該固定筒２の中空部に挿入されるようにして配置されたスクリューロッド３と、多数のボール（図示外）を介して前記スクリューロッド３に螺合するロータとしてのナット部材４と、前記固定筒２とナット部材４との間に設けられた回転抑止機構５と、を備える。

この揺れ防止装置１は、第１の構造体としての建物と第２の構造体としての建物基礎との間に免震装置を備えた建物に利用され、前記固定筒２は建物に固定される一方、前記スクリューロッド３は例えばコネクティングロッドを介して建物基礎に固定される。

図２は、前記ナット部材４と前記スクリューロッド３の組合せの一例を示す斜視図である。このスクリューロッド３とナット部材４は所謂ボールねじ装置の構成をなしている。このボールねじ装置としては市販のものを利用することが可能である。尚、図２では、前記ボールねじ装置の内部構造を理解しやすくするため、ナット部材４の一部を切り欠いて描いている。

前記スクリューロッド３の外周面には螺旋状のボール転動溝３１が形成されており、前記ナット部材４は当該ボール転動溝３１を転動する多数のボール６を介して前記スクリューロッド３に螺合している。前記ナット部材４は前記スクリューロッド３が貫通する貫通孔を有して略円筒状に形成されており、かかる貫通孔の内周面にはスクリューロッド３のボール転動溝３１と対向する螺旋状のボール転動溝４１が形成されている。また、このナット部材４はボール６の無限循環路を有しており、ボール６が無限循環することでナット部材４がスクリューロッド３の周囲を螺旋状に運動することが可能となっている。更に、前記ナット部材４の外周面にはフランジ部４２が形成されると共に、このフランジ部４２には固定ボルトを挿通させるボルト孔４３が設けられている。このナット部材４は固定ボルトの締結によって前記回転抑止機構５に結合されるようになっている。

このようなボールねじ装置において、前記スクリューロッド３の一端部は構造体としての建物基礎に固定されているので、かかる構造体の振動に伴ってスクリューロッド３が軸方向へ運動すると、この並進運動がナット部材４の回転運動に変換されるようになっている。

一方、前記回転抑止機構５は図１に示すように、ピン部材５１と、前記固定筒２と一体に形成される第一ピン保持部５２と、前記ナット部材４に固定される第二ピン保持部５３と、を備える。前記ピン部材５１は、円柱部５１ａと、この円柱部５１ａよりも大きな径で形成された鍔部５１ｂと、を備えている。また、前記円柱部５１ａの外周面にはせん断溝５１ｃが一つ形成され、ピン部材５１はこのせん断溝５１ｃからせん断破壊されるようになっている。尚、前記せん断溝５１ｃはピン部材５１のせん断を補助するものであるため、必要に応じて省略しても差支えない。

また、前記第一ピン保持部５２は固定筒２の一端に形成されると共に当該固定筒２の周方向に沿って連続しており、略円盤状に形成されている。この第一ピン保持部５２にはスクリューロッド３の軸方向に沿った貫通孔５４が一つ形成されており、前記ピン部材５１はこの貫通孔５４内に挿入されるようになっている。

更に、前記第二ピン保持部５３は略円盤状に形成され、固定ボルト４２ａによって前記ナット部材４のフランジ部４２に固定される。この第二ピン保持部５３は前記第一ピン保持部５２と僅かな隙間を介して対向する一方、回転軸受５５によって前記固定筒２に回転自在に支承されている。この回転軸受５５としてはクロスローラ軸受が用いられており、前記ナット部材４から固定筒２に作用するラジアル荷重及びスラスト荷重を十分に支承することができるようになっている。また、この第二ピン保持部５３には、前記第一ピン保持部５２の貫通孔５４と対向する位置に挿通孔５６が形成されている。この挿通孔５６はスクリューロッド３の軸方向に沿って貫通しており、前記貫通孔５４と同一内径に形成されている。尚、本実施形態では回転軸受５５としてクロスローラ軸受が用いられているが、他の回転軸受を用いても差し支えない。

このように形成された回転抑止機構５において、前記ピン部材５１は第一ピン保持部５２の貫通孔５４から第二ピン保持部５３の挿通孔５６へと挿入され、これら第一ピン保持部５２及び第二ピン保持部５３により保持されるようになっている。このとき、ピン部材５１の鍔部５１ｂは第一ピン保持部５２の軸方向端面に係止し、ピン部材５１のせん断溝５１ｃが第一ピン保持部５２と第二ピン保持部５３との隙間に位置するようになっている。

尚、本実施形態では第一ピン保持部５２が前記固定筒２と一体に形成されているが、この第一ピン保持部５２を固定筒２と別の部材としても差し支えない。更に、前記第一ピン保持部５２は固定筒２の周方向に沿って連続した部材であるが、固定筒２の外周面の一部に設けられるようにしても差し支えない。また、前記第二ピン保持部５３は略円盤状に形成されているが、前記第一ピン保持部５２との間でピン部材５１を保持できる構成であれば、略円盤状に形成されていなくとも差支えない。更に、前記ピン部材５１は前記第二ピン保持部５３の挿通孔５６から挿入しても差し支えない。

前記構成からなる揺れ防止装置１は、建物と建物基礎との間に配置される免震装置と共に使用され、かかる建物の振動に伴ってスクリューロッド３が軸方向へ運動すると、前記ナット部材４をスクリューロッド３に対して回転させようとする偶力が当該ナット部材４に作用する。更に、この偶力に応じたせん断力がナット部材４と共に回転しようとする第二ピン保持部５３と前記固定筒２に成形された第一ピン保持部５２との間に配置されたピン部材５１に作用するようになっている。

そして、本実施形態に係る揺れ防止装置１では、地震以外の風等が建物に作用した場合、前記回転抑止機構５によりスクリューロッド３に対するナット部材４の回転運動を制御することができ、もって免震装置を備えた建物が風等により揺れるのを防止することができるようになっている。その一方で、地震による振動が建物に作用した場合にはピン部材５１がせん断破壊され、その結果前記免震装置が作動し、建物の免震が達成されるようになっている。

尚、本実施形態では、前記第一ピン保持部５２及び第二ピン保持部５３に対して夫々一つずつ貫通孔５４及び挿入孔５６が形成されているが、これら貫通孔５４及び挿入孔５６のうち少なくとも一方を各保持部５２，５３に対して周方向に沿って複数設ける構成としても差し支えない。かかる構成とすれば、地震が収束した後に再度ピン部材５１を貫通孔５４及び挿入孔５６に挿入する際、貫通孔５４と挿入孔５６が連通するように前記ナット部材４を回転させる移動量が少なくてよく、その分揺れ防止装置の復元が容易となる。また、ピン部材５１を再度挿入する際、せん断されたピン部材５１が残存している貫通孔５４及び挿入孔５６以外の貫通孔５４及び挿入孔５６に対してピン部材５１を挿入するだけでよく、その分揺れ防止装置の復元が容易となる。

前記構成からなる本実施形態に係る揺れ防止装置１において、この揺れ防止装置１に作用する軸力をＦとし、ナット部材４に伝達される回転トルクをＭとすると、これらは以下の式に倣った関係となる。尚、下記数式１内のＬｄはリードを示し、これはスクリューロッド３を１回転させた際に前記ボール転動溝３１が軸方向へ進行する距離をいう。

つまり、本実施形態に係る揺れ防止装置１ではボールねじ装置により回転トルクＭが２π／Ｌｄ倍され、小さな偶力が大きな軸力Ｆへと変換される。そして上述したように、この偶力に応じたせん断力は前記ピン部材５１に作用する。このせん断力をＦｔとし、前記スクリューロッド３の軸心からピン部材５１までの距離をｅとすると、当該せん断力Ｆｔは回転トルクＭとの関係で以下の数式であらわされる。

そして、数式１及び数式２から、前記軸力Ｆとせん断力Ｆｔとの関係は以下の数式であらわされる。尚、以下の説明において便宜上、下記数式３におけるＬｄ／２πｅを「変位係数α」という。

このような本実施形態に係る揺れ防止装置１によれば、前記変位係数αを１未満となるように、スクリューロッド３に形成されたボール転動溝３１のリードＬｄ及びスクリューロッド３の軸心からピン部材５１までの距離ｅを設定することで、前記ピン部材５１に作用するせん断力Ｆｔを揺れ防止装置１に作用する軸力Ｆよりも小さくなる。従って、本実施形態に係る揺れ防止装置１では、前記せん断力Ｆｔが作用するピン部材５１自体が小型であったとしても、第１の構造体としての建物が地震以外の風等によって揺れるのを防止することが可能となる。換言すると、前記ピン部材５１自体を小径化することができる分、従来の揺れ防止装置に比べて揺れ防止装置全体の小型化に適している。

また本実施形態に係る揺れ防止装置１はでは、前記変位係数αが１未満となる範囲であれば、ボール転動溝３１のリードＬｄ及びスクリューロッド３の軸心からピン部材５１までの距離ｅを自由に設定することが可能であり、従来の揺れ防止装置に比べて汎用性に富んでいる。

次に、本発明を適用した減衰装置について図３及び図４を用いて説明する。

図１では本発明を揺れ防止装置に適用した例を示したが、本発明は建物と建物基礎との間で伝播する振動エネルギを減衰する減衰装置としての回転慣性質量ダンパに適用することも可能である。

本実施形態に係る回転慣性質量ダンパ１０１は、固定筒１０２、スクリューロッド１０３及びナット部材を有しており、これらの構成は前記揺れ防止装置１のそれと同様の構成をなしている。その一方で、前記ナット部材の半径方向外側には円筒状に形成されたロータとしての回転筒１０６が結合されている。このため、図３では、前記ナット部材が図示されていない。この回転筒１０６は回転軸受により固定筒１０２に対して回転自在に支承され、前記ナット部材と共にスクリューロッド１０３に対して回転するようになっている。そして、この回転筒１０６の内周面と前記固定筒１０２の外周面とが対向しており、回転筒１０６と固定筒１０２との間に円筒状の収容室が形成されるようになっている。この収容室にはシリコーンオイル等の粘性流体が充填されている。

また、本実施形態に係る回転慣性質量ダンパ１０１は回転抑止機構１０５を有する。この回転抑止機構１０５を構成するピン部材、第一ピン保持部及び第二ピン保持部の構成は前記回転抑止機構５のそれと変わらないため、各部材の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

その一方で、この回転抑止機構１０５では、前記第一ピン保持部５２が固定筒１０２と別に設けられ、固定ボルト５２ａによって固定筒１０２の外周面に固定されている。また、前記第二ピン保持部５３は固定ボルト５３ａにより前記回転筒１０６の軸方向端面に固定されている。そして、前記回転抑止機構１０５では、ピン部材５１が第二ピン保持部５３の挿通孔５６から前記第一ピン保持部５２の貫通孔５４へと挿入され、鍔部５１ｂが第二ピン保持部５３に係止するようになっている。

このように構成された回転慣性質量ダンパ１０１は、前記固定筒１０２がコネクタ１２０を介して第１の構造体としての建物に固定される一方、前記スクリューロッド１０３はその一端がコネクタ１３０を介して第２の構造体としての建物基礎に固定される。そして、前記揺れ防止装置１と同様に、スクリューロッド１０３及びナット部材からなるボールねじ装置によりスクリューロッド１０３の軸方向運動がナット部材及び回転筒１０６の回転運動へと変換されるようになっている。

図５は前記構成からなる回転慣性質量ダンパ１０１を建物の免震構造１２０に使用した例を示すものである。この免震構造１２０は、建物基礎１２１に対して建物１２２を移動自在に支承する免震案内手段１２３と、前記建物基礎１２１と建物１２２との間に設けられた回転慣性質量ダンパ１０１と、地震の収束後に建物１２２を建物基礎１２１上の所定位置に復帰させる回復手段１２４とから構成されている。前記免震案内手段１２３は、地震による建物基礎１２１の揺れが建物１２２に直接伝播するのを防止し、建物基礎１２１上で建物１２２が自由に移動できるようにするものであり、例えば、軌道レールとこれに沿って運動するスライダとを組み合わせたリニアガイドや、一対の基礎の間で鋼球が自在に転動するように構成したものが知られている。また、前記回復手段１２４は、免震案内手段１２３に支えられた建物１２２の建物基礎１２１に対する変位が地震収束後に残留してしまうのを防止すべく、建物１２２を建物基礎１２１上の所定の位置に引き戻す機能を発揮しており、例えばゴム板を多層に積み重ねて形成された積層ゴムが使用されている。

この免震構造１２０では、地震による振動が建物基礎１２１から建物１２２に伝播した際、前記固定筒１０２とスクリューロッド１０３との間に当該スクリューロッド１０３の軸方向に沿った振動が作用する。このスクリューロッド１０３の軸力が前記ボールねじ装置によりナット部材及び回転筒１０６を回転させようとする偶力に変換され、この偶力に応じたせん断力が前記ピン部材５１に作用することになる。

そして、前記せん断力により前記ピン部材５１がせん断破壊されると、これにより前記スクリューロッド１０３に螺合するナット部材が反転を繰り返しながら当該スクリューロッド１０３の周囲を回転できるようになる。これに伴って、前記回転筒１０６が固定筒１０２の周囲を回転することになる。このようにしてスクリューロッド１０３の軸方向運動が回転筒１０６の回転運動へと変換されることで、当該回転筒１０６の回転運動によって生じた慣性質量効果が反力として作用し、建物１２２と建物基礎１２１との間で伝播する振動が低減され、もって建物１２２の損壊や免震層の過大な変形を軽減することが可能となる。これと同時に、前記回転筒１０６が回転すると、前記収容室内に封入されている粘性流体が回転筒１０６の回転方向と逆方向の粘性力を作用させ、建物１２２と建物基礎１２１との間で伝播する振動エネルギを吸収することができるようになっている。

本実施形態に係るボールねじ装置を利用した回転慣性質量ダンパ１０１によれば、第一実施形態に係る揺れ防止装置１と同様に、前記変位係数αを１未満となるように、スクリューロッド１０３に形成されたボール転動溝のリードＬｄ及びスクリューロッド１０３の軸心からピン部材５１までの距離ｅを設定することで、前記ピン部材５１に作用するせん断力Ｆｔを回転慣性質量ダンパ１０１に作用する軸力Ｆよりも小さくすることが可能となる。このため、このせん断力を負荷するピン部材５１そのもの、ひいては回転抑止機構１０５を小型化させることができる。このように回転抑止機構１０５を小型化させることができる分、ボールねじ装置を利用した従来の回転慣性質量ダンパに対して固定ボルト等の汎用品を用いて前記回転抑止機構１０５を容易に取り付けることが可能となり、もって従来の回転慣性質量ダンパに対して揺れ防止装置としての機能を容易に具備させることが可能となる。

このため、建物１２２と建物基礎１２１との間に、回転慣性質量ダンパ１０１と別に揺れ防止装置を設置する必要がない。それ故、従来では減衰装置としての回転慣性質量ダンパと揺れ防止装置を設置するためのアンカー部材が二つ必要であったのに対して、本発明を適用した回転慣性質量ダンパ１０１では揺れ防止装置としての機能も備えていることから、この回転慣性質量ダンパ１０１を設置するためのアンカー部材を一つ用意するだけで良い。

尚、図４に示す実施形態は、本発明を粘性流体の作用室を有する回転慣性質量ダンパに適用したものであるが、本発明はボールねじ装置を用いた回転慣性質量ダンパであれば、前記作用室を有しないものに適用することも可能である。また、本発明は、ボールねじ装置を利用した粘性減衰装置に適用することも可能である。

尚、図１及び図４に示す揺れ防止装置が備える回転抑止機構では、所定値より大きな水平方向の外力が建物に作用した際にピン部材がせん断破壊されるようになっているが、回転抑止機構の構成はこれに限られない。この回転抑止機構の他の構成としては、例えばピン部材を弾性部材等で第一ピン保持部又は第二ピン保持部に向けて付勢する構成とし、ピン部材に所定値より大きなせん断力が作用した際、このピン部材が前記弾性部材等の付勢力に抗して進退することで回転抑止機構が解除されるようにしても差し支えない。この実施形態によれば、ピン部材がせん断破壊されるわけではないため、新たなピン部材を準備する必要がなく、コストの増加を防ぐことができる。

１…揺れ防止装置、２…固定筒、３…スクリューロッド、４…ナット部材（ロータ）、５…回転抑止機構、５１…ピン部材、５２…第一ピン保持部、５３…第二ピン保持部

Claims

第１の構造体と第２の構造体との間に配置され、振動が一方の構造体から他方の構造体へと直接伝播するのを防止する免震装置と共に使用される揺れ防止装置であって、
第１の構造体に結合される固定筒と、一端が第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドと共にボールねじ装置を構成する一方、前記固定筒に対して回転自在に支承されるロータと、前記固定筒とロータとの間に設けられる回転抑止機構と、を備え、
前記回転抑止機構は、ピン部材と、このピン部材が挿入される貫通孔を有すると共に前記固定筒に設けられる第一ピン保持部と、この第一ピン保持部の貫通孔と対向する挿通孔を有して前記ロータに設けられる第二ピン保持部と、を備えることを特徴とする揺れ防止装置。
第１の構造体と第２の構造体との間に配置され、振動が一方の構造体から他方の構造体へと直接伝播するのを防止する免震装置と共に使用される減衰装置であって、
第１の構造体に結合される固定筒と、一端が第２の構造体に結合されて軸方向に進退すると共に外周面に螺旋状のねじ溝が形成されたスクリューロッドと、このスクリューロッドと相まってボールねじ装置を構成すると共に円筒状に形成されたナット部材と、このナット部材の半径方向外側に設けられると共に前記固定筒に対して回転自在に支承される回転慣性質量としてのロータと、前記固定筒とロータとの間に設けられる回転抑止機構と、を備え、
前記回転抑止機構は、ピン部材と、このピン部材が挿入される貫通孔を有すると共に前記固定筒に設けられる第一ピン保持部と、この第一ピン保持部の貫通孔と対向する挿通孔を有して前記ロータに設けられる第二ピン保持部と、を備えることを特徴とする減衰装置。
前記ロータと固定筒との間には円筒状に形成された収容室が設けられ、この収容室には粘性流体が密封されていることを特徴とする請求項２記載の減衰装置。