JP7277401B2

JP7277401B2 - 制振構造

Info

Publication number: JP7277401B2
Application number: JP2020027591A
Authority: JP
Inventors: 義幸石川; 龍大欄木
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: JP2021131140A

Description

本発明は、床面に対する構造物の振動を低減する制振構造に関する。

従来より、構造物の振動を低減する制振部材として、超弾性合金材を用いることが提案されている（特許文献１～３参照）。
特許文献１には、構造物の曲げ変形する柱に、上層から下層へ数層に亘って引張り材が取り付けられた構造物の減衰装置が示されている。引張り材の途中には、超弾性合金材によるジョイント部が設けられ、プレストレスが導入されている。
特許文献２には、締結具を用いて建造物に取り付けられた制振部材が示されている。この制振部材は、Ａｌ：７．５～９質量％、Ｍｎ：８～１４質量％を含み、さらにＳを０．００１～０．５質量％を含み、残部Ｃｕからなる超弾性合金からなる。
特許文献３には、鋼材と、この鋼材に直列に接合された超弾性合金材と、超弾性合金材の伸びを規制する伸び規制部材と、を有する制振部材が示されている。

特開平７－３４７１８号公報特開２００９－５２０９７号公報特開２０１３－８７９０８号公報

超弾性合金を使用した耐震性能の高い制振構造を提供することを目的とする。

本発明者らは、ユニット式ラック倉庫において、床面に対するラックの振動を低減する制振構造として、超弾性合金からなるばね部材とオイルダンパとを並列に配置し、これらばね部材とオイルダンパの両端同士を連結することで、ばね部材およびオイルダンパによって加速度を低減しつつ、大地震時には過大な変形を防止できる点に着眼して開発を行い、本発明に至った。
第１の発明の制振構造（例えば、後述の制振構造２０、４０）は、床面（例えば、後述の床面２）に対する構造物（例えば、後述のラック３）の振動を低減する制振構造であって、前記床面と前記構造物との間に設けられて鉛直方向に延びる超弾性合金からなるばね部材（例えば、後述のばね部材２１Ｂ、４１）と、前記床面と前記構造物との間に設けられて振動を減衰するオイルダンパ（例えば、後述のオイルダンパ２２、４２）と、を備え、前記ばね部材および前記オイルダンパは、並列に配置されて上下両端部同士が連結されていることを特徴とする。

超弾性合金は、繰り返し荷重によるひずみが約１／１０以上になっても、ひずみと応力とが比例関係を示すハードニング特性を有する。
この発明によれば、大きな地震が発生しても、超弾性合金のハードニング特性により、ばね部材が引張力に抵抗するとともに、オイルダンパが構造物の振動を減衰させる。よって、構造物の振動を確実に低減できるから、耐震性能が向上する。

第２の発明の制振構造は、前記ばね部材および前記オイルダンパは、それぞれ、コンクリート体（例えば、後述のコンクリート体４５）に埋設されていることを特徴とする。

この発明によれば、超弾性合金からなるばね部材をコンクリート体の内部に埋設したので、ばね部材に圧縮力が作用した場合に、コンクリート体がばね部材の変形を拘束して、ばね部材の座屈を防止できる。よって、ばね部材を圧縮材としても利用できる。
また、オイルダンパをコンクリート体の内部に埋設したので、オイルダンパに圧縮力が作用した場合に、コンクリート体がオイルダンパの変形を拘束して、オイルダンパの座屈を防止できる。

第３の発明の制振構造は、前記構造物は、床面に設けられた略Ｖ字形状または棒状の支持部材（例えば、後述の支持部材１２）と、当該支持部材の頂部に設けられた柱部材（例えば、後述の柱部材１３）と、を備え、前記ばね部材およびオイルダンパは、前記床面と前記柱部材の下端部との間に設けられることを特徴とする。

この発明によれば、構造物の自重は支持部材を介して床面で支持しつつ、構造物の倒れ止めとしてばね部材が抵抗することで、構造物を制振化できる。

本発明によれば、超弾性合金を使用した耐震性能の高い制振構造を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る制振構造が設けられたユニット式ラック倉庫の縦断面を示す模式図である。図１のユニット式ラック倉庫の破線Ａで囲んだ部分の拡大図である。制振構造のばね部材を構成する超弾性合金のひずみ－応力関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る制振構造が設けられたユニット式ラック倉庫の縦断面を示す模式図である。図４のユニット式ラック倉庫の破線Ｂで囲んだ部分の拡大図および断面図である。ユニット式ラック倉庫の地震時の挙動についてのシミュレーションの説明図である。ユニット式ラック倉庫のシミュレーション結果を示す図である。本発明の変形例に係る制振構造が設けられたユニット式ラック倉庫の縦断面を示す模式図である。

本発明は、ユニット式ラック倉庫のラックの振動を低減する制振構造である。第１実施形態では、制振構造は、略Ｖ字形状の支持部材を備えており、第２実施形態では、制振構造は、ばね部材およびオイルダンパが埋設されたコンクリート体を備えている。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る制振構造２０が設けられたユニット式ラック倉庫１の縦断面を示す模式図である。図２は、図１の破線Ａで囲んだ部分の拡大図である。
ユニット式ラック倉庫１は、床面２と、この床面２の上に二列に設けられてパレットが複数段に亘って収納された構造物としてのラック３と、を備える。
ラック３のフレーム１０は、床面２に支点１１でピン接合された略Ｖ字形状の支持部材１２と、支持部材１２の２つの頂部に設けられた一対の柱部材１３と、一対の柱部材１３同士を連結するブレース１４および水平部材１５と、を備える。

制振構造２０は、床面２の上に設けられたラック３の振動を低減するものである。制振構造２０は、床面２とフレーム１０の水平方向一端側との間に設けられて鉛直方向に延びるばね部材２１Ａと、床面２とフレーム１０の水平方向他端側との間に並列に設けられて鉛直方向に延びるばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２と、を備える。具体的には、ばね部材２１Ａは、床面２と一方の柱部材１３との間に設けられ、ばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２は、床面２と他方の柱部材１３との間に設けられている。また、これにより、ばね部材２１Ａとばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２とは、フレーム１０の支点１１を挟んで配置されている。

ばね部材２１Ａ、２１Ｂは、形状記憶合金（ＳＭＡ）のうち変態点が常温以下である超弾性合金からなる。この超弾性合金は、具体的には、Ｃｕ－Ａｌ－Ｍｎ合金やＣｕ－Ａｌ－Ｎｉ合金など銅系の合金である。この超弾性合金は、図３に示すように、繰り返し荷重によるひずみが１／１０を超えても、ひずみεと応力σとが比例関係を示すハードニング特性を有する。
また、この超弾性合金は、非線形ばねである。具体的には、図３に示すように、－ε_１≦ε≦ε_１の場合、ひずみεと応力σとが比例関係を示す。しかし、－ε_２≦ε＜－ε_１およびε_１＜ε≦ε_２の場合、ひずみεが増大しても応力σが増大しない。また、ε＜－ε_２およびε_２＜εの場合、再び、ひずみεと応力σとが比例関係を示す（ハードニング特性）。ここで、ε_２は、約１／１０である。

オイルダンパ２２は、オイルの粘性を利用して、フレーム１０の振動を減衰するものである。
床面２上には、下部プレート２３が設けられており、フレーム１０の水平方向他端側の柱部材１３の下端部には、上部プレート２４が設けられている。
ばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２は、下端部が下部プレート２３に接合され、上端部が上部プレート２４に接合されている。これにより、ばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２の両端部同士が、下部プレート２３および上部プレート２４により連結されている。

以上のユニット式ラック倉庫１では、ラック３の自重は、フレーム１０下端の支点１１を介して床面２に支持されており、ラック３の倒れ止めとして、支点１１を挟んでばね部材２１Ａ、２１Ｂが設けられている。各ばね部材２１Ａ、２１Ｂは、圧縮力が作用すると座屈するため、引張力のみに抵抗するものとする。

ユニット式ラック倉庫１のラック３の挙動は、以下のようになる。
地震が発生していない平常時では、ばね部材２１Ａ、２１Ｂのひずみεが０＜ε≦ε_１の範囲にあり、ひずみεと応力σとが比例する。よって、ばね部材２１Ａ、２１Ｂがラック３の回転（倒れ）に抵抗し、ラック３の変形が抑制される。
地震が発生した場合、ばね部材２１Ａ、２１Ｂのひずみεがε_１＜ε≦ε_２の範囲にあり、ひずみεが増大しても応力σが増大しない。よって、ばね部材２１Ａ、２１Ｂがラック３の回転（倒れ）にそれほど抵抗せず、ラック３の固有周期が長期化する。
さらに大きな地震が発生した場合、ばね部材２１Ａ、２１Ｂのひずみεがε_２＜εの範囲にあり、ひずみεと応力σとが比例する。よって、ばね部材２１Ａ、２１Ｂがラック３の回転（倒れ）に抵抗し、ラック３の揺れが抑制されて、ラック３の過大な変形に伴う損傷が防止される。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）大きな地震が発生しても、超弾性合金のハードニング特性によりばね部材２１Ａ、２１Ｂが引張力に抵抗するとともに、オイルダンパ２２がラック３の振動を減衰させる。よって、ラック３の振動を確実に低減できるから、耐震性能が向上する。
（２）ラック３の自重は支持部材１２を介して床面２で支持しつつ、ラック３の倒れ止めとしてばね部材２１Ａ、２１Ｂが抵抗することで、ラック３を制振化できる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係る制振構造４０が設けられたユニット式ラック倉庫１Ａの縦断面を示す模式図である。図５（ａ）は、図４の破線Ｂで囲んだ部分の拡大図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ－Ｃ断面図である。
本実施形態では、ラック３のフレーム３０は、床面２に支点３１でピン接合された柱部材３２と、この柱部材３２に隣接して設けられた柱部材３３と、柱部材３２、３３同士を連結するブレース３４と、を備える。

制振構造４０は、床面２の上に設けられたラック３の振動を低減するものである。制振構造４０は、床面２とフレーム３０の柱部材３３との間に並列に設けられて鉛直方向に延びる４本のばね部材４１およびオイルダンパ４２と、を備える。
ばね部材４１は、第１実施形態のばね部材２１Ａ、２１Ｂと同様の構成である。
オイルダンパ４２は、オイルダンパ２２と同様の構成であり、４本のばね部材４１に囲まれて配置されている。

床面２上には、下部プレート４３が設けられており、フレーム３０の柱部材３３の下端部には、上部プレート４４が設けられている。
４本のばね部材４１およびオイルダンパ４２は、下端部が下部プレート４３に接合され、上端部が上部プレート４４に接合されている。これにより、ばね部材４１およびオイルダンパ４２の両端部同士が、下部プレート４３および上部プレート４４により連結されている。

また、下部プレート４３の上には、コンクリート体４５が構築されており、このコンクリート体４５の上端面と下部プレート４３の下端面との間にはＰＣ鋼棒４６が設けられており、このＰＣ鋼棒４６によりコンクリート体４５に圧縮力が導入されている。
コンクリート体４５の中央部には、上下に貫通する貫通孔が設けられ、この貫通孔には、オイルダンパ４２がアンボンド状態で埋設されている。
また、コンクリート体４５の周縁部には、上下に貫通する４つの貫通孔が設けられ、この貫通孔には、ばね部材４１がアンボンド状態で埋設されている。ばね部材４１をコンクリート体４５に対してアンボンドとした理由は、以下の通りである。ばね部材４１は超弾性合金からなるため、大地震時にはひずみεが大きくなる。よって、ばね部材４１がコンクリート体４５と一体化されていると、コンクリート体４５にひびわれや損傷が発生するおそれがあるためである。

以上のユニット式ラック倉庫１Ａでは、ラック３の自重は、フレーム１０下端の支点１１およびばね部材４１を介して床面２に支持される。ばね部材４１に圧縮力が作用すると、コンクリート体４５がばね部材４１の変形を拘束して座屈を防止するため、ばね部材４１は、圧縮力および引張力に対して抵抗する。

ユニット式ラック倉庫１Ａのラック３の挙動は、以下のようになる。
地震が発生していない平常時では、ばね部材４１のひずみεが－ε_１＜ε≦ε_１の範囲にあり、ひずみεと応力σとが比例する。よって、ばね部材４１がラック３の回転（倒れ）に抵抗し、ラック３の変形が抑制される。
地震が発生した場合、ばね部材４１のひずみεが－ε_２＜ε≦－ε_１あるいはε_１＜ε≦ε_２の範囲にあり、ひずみεが増大しても応力σが増大しない。よって、ばね部材４１がラック３の回転（倒れ）に抵抗しなくなり、オイルダンパ４２がラック３の振動を減衰させて、ラック３の固有周期が長期化する。
さらに大きな地震が発生した場合、ばね部材４１のひずみεがε＜－ε_２あるいはε_２＜εの範囲にあり、ひずみεと応力σとが比例する。よって、ばね部材４１がラック３の回転（倒れ）に抵抗し、ラック３の揺れが抑制されて、ラック３の過大な変形に伴う損傷が防止される。

以下、本実施形態のユニット式ラック倉庫の地震時の挙動についてシミュレーションを行った。
具体的なシミュレーション条件は、以下の通りである。実施例は、図６に示すような上述の制振構造を設けたラック倉庫であり、比較例は、制振構造を設けないラック倉庫である。
幅４ｍの間に２つのラックを配置し、各ラックの高さは１２段の２０ｍとした。また、ラックの１次固有周期を１．４Ｓとし、１次減衰定数を２％とした。また、入力する地震波としては、ＥｌＣｅｎｔｒｏＮＳ原波を用いた。

図７にシミュレーション結果を示す。制振構造を設けない場合、ラック上端の変位（ラック変位）を約６０ｍｍに抑えられるが、最上段（１２段目）の荷物の変位（荷滑変位）が約３００ｍｍとなり、落下変位である２００ｍｍを超えているため、最上段の荷物が落下すると考えられる。これに対し、制振構造を設けた場合、上端のラック変位は約２５０ｍｍになるものの、最上段（１２段目）の荷滑変位が約７０ｍｍに抑えられており、最上段の荷物の落下を防止できることが判る。

本実施形態によれば、上述の（１）の効果に加えて、以下のような効果がある。
（３）超弾性合金からなるばね部材４１をコンクリート体４５の内部にアンボンド状態で埋設したので、ばね部材４１に圧縮力が作用した場合に、コンクリート体４５がばね部材４１の変形を拘束して座屈を防止できる。よって、ばね部材４１を圧縮材として利用して、ラック３の自重を負担できる。
また、オイルダンパ４２をコンクリート体４５の内部にアンボンド状態で埋設したので、オイルダンパ４２に圧縮力が作用した場合に、コンクリート体４５がオイルダンパ４２の変形を拘束して、オイルダンパ４２の座屈を防止できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の第１実施形態では、床面２とラック３との間に制振構造２０を設けたが、これに限らず、図８に示すように、ラック３同士の間にばね部材２１Ｂおよびオイルダンパ２２を備える制振構造２０Ａを設けてもよい。
上述の第１実施形態では、ラック３のフレーム１０を、床面２に支点１１でピン接合された略Ｖ字形状の支持部材１２と、支持部材１２の２つの頂部に設けられた一対の柱部材１３と、を含んで構成したが、これに限らず、支持部材を棒状とし、この支持部材の頂部に一本の柱部材を設けてもよい。
また、上述の各実施形態では、支点１１、３１をピン接合としたが、これに限らず、回転可能な半剛接合としてもよい。

１、１Ａ…ユニット式ラック倉庫２…床面３…ラック（構造物）
１０…フレーム１１…支点１２…支持部材１３…柱部材
１４…ブレース１５…水平部材
２０、２０Ａ…制振構造２１Ａ、２１Ｂ…ばね部材２２…オイルダンパ
２３…下部プレート２４…上部プレート
３０…フレーム３１…支点３２…柱部材３３…柱部材３４…ブレース
４０…制振構造４１…ばね部材４２…オイルダンパ４３…下部プレート
４４…上部プレート４５…コンクリート体４６…鋼棒

Claims

床面に対する構造物の振動を低減する制振構造であって、
前記床面と前記構造物との間に設けられて鉛直方向に延びる超弾性合金からなるばね部材と、前記床面と前記構造物との間に設けられて振動を減衰するオイルダンパと、を備え、
前記ばね部材および前記オイルダンパは、並列に配置されて上下両端部同士が連結されていることを特徴とする制振構造。
前記ばね部材および前記オイルダンパは、それぞれ、コンクリート体に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
前記構造物は、床面に設けられた略Ｖ字形状または棒状の支持部材と、当該支持部材の頂部に設けられた柱部材と、を備え、
前記ばね部材およびオイルダンパは、前記床面と前記柱部材の下端部との間に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の制振構造。