JP2004019271A

JP2004019271A - 制振構造部材

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Publication number: JP2004019271A
Application number: JP2002176281A
Authority: JP
Inventors: Tatsuji Ishimaru; 石丸　辰治
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】改めて制振装置等を設置しなくても、構造物の揺れを抑えることができる制振構造部材を得る。
【解決手段】地震等の外力によって、支柱１４や梁１６が水平方向へ変形すると、対角線上にあるフレーム部の連結ピン３０、３４に相対変位が生じる。この相対変位は、減衰機構１３を構成する第１アーム部材２８と第２アーム部材３２によって増幅されるため、連結シャフト３６に連結されたオイルダンパー４４が大きく変形して連結シャフト３６の相対移動を制限して、構造部材の振動を吸収する。すなわち、柱１４や梁１６のような構造部材間の相対変位による振動を吸収するのではなく、構造部材自体の変位による振動そのものを吸収することで、地震や風による構造物の振動を効果的に制振することができる。このため、別途、構造物に制振装置を取付けるためのスペースを確保する必要がなくなる。
【選択図】　　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の柱・梁等の構造部材自体が、自ら揺れを抑える機能を備えた制振構造部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２５に示すように、長さの等しいロッド１５０を菱形に組み合わせ、ピンジョイント１５２の間にダンパー１５４を配置し、ピンジョイント１５６での変形量を拡大しダンパー１５４による減衰性を向上させた制振用ダンパー装置１５８がある（特開平５−２３１０３１号公報参照）。
【０００３】
また、図２６に示すように、建物１４０と建物１４４の間に制振装置１１０を配置し、トグルを構成するリンク部材１１２によって、相対変位する建物１４０、１４４の変形倍率を大きくして、油圧ダンパー１４２で振動エネルギーを吸収する制振構造も提案されている。
【０００４】
しかし、上記技術は、何れも梁と柱、或は建物と建物のように、異なる構造部材間の相対変位を幾何学的に増幅して制振しようとするもので、設置スペースを必要とし、また、構造物が竣工しないと、制振装置を組み付けることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は係る事実を考慮し、構造物を構築する構造部材に減衰機能を持たせることで、改めて制振装置等を設置しなくても、構造物の揺れを抑えることができる制振構造部材を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、縦材と横材を連結して構成され、構造物を構築する構造部材と、前記構造部材の中に配置され、縦材と横材との連結部に回動可能に連結されて、前記連結部間の相対変位を増幅して減衰する減衰手段と、前記構造部材の中に配置され、縦材と横材との連結部に回動可能に連結されて、前記連結部間の相対変位を増幅して剛性を高めるばね効果増幅手段と、を有することを特徴としている。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、構造物に作用する地震等の外力によって、構造部材が水平方向又は鉛直方向へ変形すると、これにより、対角線上にある縦材と横材の連結部に相対変位が生じる。この相対変位は、減衰手段によって増幅され減衰される。
【０００８】
すなわち、柱や梁のような構造部材間の相対変位による振動を吸収するのではなく、構造部材自体の変位による振動そのものを吸収することで、地震や風による構造物の振動を効果的に制振する。このため、別途、構造物に制振装置を取付けるためのスペースを確保する必要がなくなる。
【０００９】
また、連結部間にばね効果増幅手段を設けることで、連結部間の相対変位を増幅して構造部材の剛性を高めることができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記減衰手段が、前記縦材と横材との連結部に一端が回動可能に連結された２つの第１アーム部材と、前記連結部の対角線上にある連結部に一端が回動可能に連結された２つの第２アーム部材と、前記第１アーム部材の他端と前記第２アーム部材の他端をそれぞれ回動可能に連結してリンク機構を構成する連結部材と、連結部材に連結され、連結部材同士の相対移動を制限するダンパーと、を有することを特徴としている。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、２つの第１アーム部材の一端が縦材と横材との連結部に回動可能に連結され、この連結部の対角線上にある連結部へ２つの第２アーム部材の一端が回動可能に連結されている。そして、第１アームの他端と第２アーム部材の他端がそれぞれ連結部材で回動可能に連結され、リンク機構が構成されている。
【００１２】
ここで、地震等によって、対角線上にある縦材と横材との連結部に相対変位が生じると、この連結部を中心に第１アーム部材と第２アーム部材が回動して、第１アーム部材の他端と第２アーム部材の他端を連結する連結部材が大きく変位する。
【００１３】
この連結部材には、それぞれダンパーが連結されており、ダンパーが大きく変形して連結部材の相対移動を制限する。
【００１４】
このため、小さな変形×大きな力＝大きな変形×小さな力という関係が成立し、連結部材に連結されたダンパーが小さな力によって、構造部材の振動を吸収することで結果として構造物の振動を吸収する。また、対角線上にある縦材と横材との連結部の小さな変位が、大きな変位に増幅されて吸収されるので、中小の地震や風による振動も効果的に吸収することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記連結部材同士又は連結部材と連結部がばね部材で連結されたことを特徴としている。この構成では、連結部材同士又は連結部材と連結部がばね部材で連結されており、第１アーム部材と第２アーム部材の自由な挙動を規制している。このため、強風によって、構造部材が不用意に揺ることが防止される。なお、ばね材としては、圧縮コイルばねや引張コイルばねを用いることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、前記連結部材に質量体が取付けられたことを特徴としている。この構成では、連結部材に質量体が取付けられているため、第１アーム部材と第２アーム部材の振り幅が大きくなり、増幅効果も大きくなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、第１形態に係る制振構造部材は、構造物１０の屋根１２を支える支柱１４や梁１６として利用されている。
（支柱）
図２及び図３に示すように、支柱１４は、４本の鋼製の縦材１８を四方へ平行に配置して、鋼製の横材２０で連結した長箱形状をしており、主として４本の縦材１８の軸力が支柱１４の支持力となっている。
【００１８】
また、横材２０により格子状に区切られた各々のフレーム部の中には、減衰手段としての減衰機構１３が構築されている。フレーム部の連結部には、減衰機構１３を構成するフランジ２２、２４、一対のフランジ２６が対角線上にそれぞれ設けられている。
【００１９】
フランジ２２には、鋼製の第１アーム部材２８の一端が連結ピン３０を介して回転可能に取付けられ、２つの第１アーム部材２８が所定の角度を呈している。また、ブランジ２２と対角線上にあるフランジ２４には、鋼製の第２アーム部材３２の一端が連結ピン３４を介して回転可能に取付けられ、２つの第２アーム部材３２が所定の角度を呈している。
【００２０】
第１アーム部材２８と第２アーム部材３２の他端部は、連結シャフト３６でそれぞれ回動可能に連結されている。すなわち、連結シャフト３６が互いに接近すると、連結ピン２２における２つの第１アーム部材２８がなす角度と連結ピン３４における２つの第２アーム部材３２がなす角度が小さくなり、また、連結シャフト３６が互いに離間すると、連結ピン２２における２つの第１アーム部材２８がなす角度と連結ピン３４における２つの第２アーム部材３２がなす角度が大きくなる。
【００２１】
さらに、向い合う連結シャフト３６の中央部及び両端部は３つコイルばね３８で連結され、連結シャフト３６を互いに接近させる方向へ付勢している。また、連結シャフト３６の中央部とフランジ２６に設けられた連結ピン４０はそれぞれコイルばね４２で連結されており、連結シャフト３６を互いに離間させる方向へ付勢している。このコイルばね３８、４２によって、第１アーム部材２８と第２アーム部材３２との姿勢（菱形形状）は保持され、挙動が抑えられている。
【００２２】
さらに、連結シャフト３６と連結ピン４０との間には、２つのダンパー４４が、コイルばね４２と平行となるように配置されている。ダンパー４４のシリンダー４４Ａが、連結ピン４０に回転可能に連結され、ダンパー４４のロッド４４Ｂが連結シャフト３６に回転可能に連結されている。
【００２３】
なお、図２には、第１アーム部材２８、第２アーム部材３２、ダンパー４４、コイルばね３８、４２で構成される減衰機構１３が、最上部と最下部のフレーム部にしか図示されていないが、全てのフレーム部に配設されている。
（梁）
図１及び図４に示すように、梁１６は、鋼製の上弦材４６（横材）、下弦材４８（横材）、これらを連結する矩形状のフレーム部材５０で構成されたボックス構造であり、両端部が支柱１４の上部に固定されて、ラーメン構造の一部となっている。
【００２４】
この梁１６のフレーム部には、支柱１４に設けた同一構造の減衰機構１３が構築されており、梁１６自体が地震等による揺れを抑えることができる。梁１６の上には、図１に示すように、屋根１２が架橋されており、屋根付きの大空間を構築している。
【００２５】
次に、構造物に地震等による外力が作用したとき、本形態に係る制振構造部材（支柱、梁）がどのように機能するかを説明する。
【００２６】
地震等によって、図１に示す構造物１０が右方向へ水平変形すると、図５に示すように（実際の挙動を強調して描いている）、左側の支柱１４は左へ傾き、フレーム部の連結部に設けられた連結ピン３０と対角線上にある連結ピン３４が相対変位して間隔が広くなる。
【００２７】
これにより、連結ピン３０を中心として第１アーム部材２８が回動して第１アーム部材２８同士がなす角度が小さくなる。また、連結ピン３４を中心として第２アーム部材３２が回動して第２アーム部材３２同士がなす角度が小さくなる。このため、第１アーム部材２８と第２アーム部材３２とを連結する連結シャフト３６の間隔が狭くなる。
【００２８】
この連結シャフト３６の変位量は、菱形のリンク機構の幾何学的特性により連結ピン３０と連結ピン３４の相対変位量より増幅されている。このため、連結ピン４０に連結されたオイルダンパー４２のロッド４４Ｂが伸長し、効率良く熱に変換されて吸収され、連結シャフト３６の変位が制限されることで、構造物１０の振動が減衰される。
【００２９】
なお、効率良くとは、連結ピン３０と連結ピン３４の相対変位量が小さくても、連結シャフト３６が大きく変位しダンパー４４の変位量が大きくなるため、振動エネルギーの吸収効率が良いということである。
【００３０】
また、梁１６の左側の減衰機構１３においては、連結ピン３０とこの連結ピン３０と対角線上に位置する連結ピン３４との間隔が広まり、連結ピン３０を中心として第１アーム部材２８が回動して第１アーム部材２８同士がなす角度が大きくなる。また、連結ピン３４を中心として第２アーム部材３２が回動して第２アーム部材３２同士がなす角度が大きくなる。このため、第１アーム部材２８と第２アーム部材３２とを連結する連結シャフト３６の間隔が広くなる。
【００３１】
この連結シャフト３６の変位量は、連結ピン３０、３４の相対変位量より増幅されているため、連結ピン４０に連結されたオイルダンパー４４のロッド４４Ｂが収縮して、振動エネルギーが熱に変換されて吸収される。
【００３２】
一方、梁１６の右側の減衰機構１３においては、連結ピン３０とこの連結ピン３０と対角線上に位置する連結ピン３４との距離が広がり、連結シャフト３６が接近し、連結ピン４０に連結されたオイルダンパー４４のロッド４４Ｂが伸張して、振動エネルギーが熱に変換されて吸収される。
【００３３】
さらに、右側の支柱１４も変形して、連結シャフト３６の間隔を離間させることで、オイルダンパー４４により、第１アーム部材２８と第２アーム部材３２の移動が制限されて、振動エネルギーが吸収される。
【００３４】
このように、本発明では、支柱１４、梁１６の制振構造部材の振動そのものを吸収することで、地震や風による構造物１０の振動を効果的に制振する。このため、別途、構造物１０に制振装置を取付けるためのスペースを確保する必要がなくなる。
【００３５】
なお、本形態では、図３に示すように、ダンパー４４とコイルばね４２を並列に配置したが、取付スペースを削減するために、図６に示す減衰機構１５のように、コイルばね４２をダンパー４４へ挿通して、コイルばね４２とダンパー４４を一体化してもよい。
【００３６】
また、本形態では、梁の両端部に減衰機構を配置して、揺れ方向に関係なく均等に制振効果を発揮させるようにしたが、全てのフレーム部に減衰機構を配置してもよい。さらに、姿勢保持のための手段してコイルばねを例にとって説明しているが、ばねの形式は特に問わない。
【００３７】
また、ダンパーはオイルダンパーに限定されず、摩擦力、エア等を利用した汎用のダンパーを使用することができる。さらに、第２実施形態で図示するが、第１実施形態で説明した連結シャフト３６に補助質量体を取付けることにより、第１アーム部材２８と第２アーム部材３２の振り幅が大きくなり、変位の増幅率をを上げることができる。
【００３８】
次に、第２形態に係る制振構造部材を説明する。
【００３９】
第２形態以降の実施形態の制振構造部材は、梁を例に採って説明するが、支柱に配設できることは無論である。
【００４０】
図７に示すように、制振構造部材としての梁５６のフレーム部の連結部からは固定アーム５８が対角線上に張り出している。固定アーム５８の先端には、Ｔ字を描くように架材６０が固定されている。架材６０の両端部には、第１アーム部材６２の一端が回動可能に連結されており、固定アーム５８側へ傾倒している。
【００４１】
また、第１アーム部材６２の他端には、第２アーム部材６４の他端が連結シャフト６８を介して回転可能に連結されている。そして、第２アーム部材６４の一端は、固定アーム５８の延長線上にある連結部に連結ピン６６で回転可能に連結されている。
【００４２】
連結シャフト６８同士はコイルばね７０で連結されている。また、固定アーム５８と交差する対角線上にある連結ピン７６と連結シャフト６８がコイルばね７２で連結されている。また、架材６０と連結ピン６６とはコイルばね７６で連結されている。これにより、第１アーム部材６２と第２アーム部材６４とが構成する略三角形状の姿勢が保持され挙動が抑えられている。
【００４３】
さらに、連結シャフト６８と連結ピン７６との間には、オイルダンパー７４が、コイルばね７２と平行となるように配置され、連結シャフト６８と連結ピン７６に回転可能に連結されている。
【００４４】
次に、構造物に地震等による外力が作用したとき、本形態に係る制振構造部材（梁５６）がどのように機能するかを説明する。
【００４５】
梁５６へ外力が右方向へ作用すると、図８に示す模式図のように、つか材５２が右側へ傾き、架材６０と連結ピン６６とが相対変位して間隔が狭くなる。これにより、連結ピン６６を中心として第２アーム部材６４が回動して、第１アーム部材６２と第２アーム部材６４がなす角度が小さくなり、第１アーム部材６２と第２アーム部材６４とを連結する連結シャフト６８の間隔が狭くなる。
【００４６】
この連結シャフト６８の変位量は、リンク機構の幾何学的特性により架材６０と連結ピン６６の相対変位量より増幅されている。このため、連結ピン７６に連結されたオイルダンパー７４のロッドが伸張して、連結シャフト６８の変位を制限することで、構造物１０の振動が減衰される。
【００４７】
また、梁５６が上下に振動すると、図９に示す模式図のように、下方へ揺れたとき、架材６０と連結ピン６６とが相対変位して間隔が広くなる。このため、第１アーム部材６２と第２アーム部材６４とを連結する連結シャフト６８の間隔が広くなる。この連結シャフト６８の変位量は、リンク機構の幾何学的特質により架材６０と連結ピン６６の相対変位量より増幅されている。このため、連結ピン７６に連結されたオイルダンパー７４のロッドが収縮し、連結シャフト６８の変位が制限されることで、構造物１０の上下方向の振動が減衰される。
【００４８】
なお、図１０に示すように、連結シャフト６８に補助質量体７８を取付けることで、第１アーム部材６２と第２アーム部材６４の振りが大きくなり、増幅効果を向上させることができる。
【００４９】
次に、第３形態に係る制振構造部材を説明する。
【００５０】
図１１に示すように、第３形態の梁８０では、第２形態の架材６０がなく、第１アーム部材８２が固定アーム５８の先端部へ直接連結され、第２アーム部材６４との間に略三角形状のリンク機構を構成している。
【００５１】
この構成においても、図１２及び図１３に示すように、構造物の左右及び上下の振動を減衰することができ、また、図１４に示すように、連結シャフト６８に補助質量体８４を取付けることで、第１アーム部材８２と第２アーム部材６４の振り幅を大きくすることができる。
【００５２】
次に、第４形態に係る制振構造部材を説明する。
【００５３】
図１５に示すように、第４形態の梁８６では、第１形態〜第３形態と同様に連結部の変位を増幅してオイルダンバーを大きく変位させて構造部材の振動を抑える点で同一であるが、オイルダンパー８８が第１アーム部材９０と第２アーム部材９２とで星型に組まれたリンク機構の内側へ配置されている点で異なる。
【００５４】
この構成では、第１アーム部材９０の一端が、連結ピン９４に回動可能に連結され、その他端は連結シャフト９６を介して第２アーム部材９２の他端に回転可能に連結されている。第２アーム部材９２の一端は、連結ピン９４の対角線と直交する方向へ配置された支持アーム９８の両端部にそれぞれ回転可能に連結されている。
【００５５】
この支持アーム９８の連結ピン１０１には、コイルばね１００の一端が連結されており、このコイルばね１００の他端を連結部に固定することで、支持アーム９８がフレーム部内に支持される。連結シャフト９６には、たすき掛けとなるように２つのオイルダンパー８８が直列に配置され、連結シャフト９６の大きな相対変位に対応できるようになっている。
【００５６】
この構成においても、図１６及び図１７に示すように、構造物の左右及び上下の振動を減衰することができ、また、図１８に示すように、連結シャフト９６に補助質量体１０２を取付けることで、第１アーム部材９０と第２アーム部材９２の振り幅を大きくすることができる。
【００５７】
さらに、第２アーム部材９２の一端は、コイルばね１００に支持された支持アーム９８に回転可能に連結されているため、どのような角度から地震とによる外力が入力されても、大きな振り幅で連結シャフト９６を移動させることができる。
【００５８】
また、オイルダンパーを直列に配置することで、設置距離が長い場合にも汎用のオイルダンパーで対応できるため、制作コストを削減できる。
【００５９】
さらに、本発明は、建物だけでなく、橋梁等のように常に振動が付加されるような土木構造物にも適用することができる。
【００６０】
また、図１９に示すように、図１に示したラーメン構造の構造部材の梁１６の中央部のフレーム部材５０に束材２３を取付け、さらに、梁１６の両端部に床版２７を取付けている。この束材２３で補強されたフレーム部材５２と、床版２７で補強された梁１６の両端部には、プレテンション部材２９が設けられており、このプレテンション部材２９にプレテンション力を発生させることにより、梁１６の剛性を高めている。
【００６１】
さらに、図１で示した支柱１４及び梁１６では、フレーム部に一対の減衰機構１３を配置したが、図２０〜図２２に示す第５形態の制振構造部材では、フレーム部の中を斜めに横切るように、１つの減衰機構１３を配置した支柱３３，梁３１とされており、部品点数の削減が図られている。
【００６２】
また、梁３１は、斜材５７及び束材５２が配置されたシングルのプラットトラス構造とされており、支柱３３の上部に設けられた架台５４に両端部が支承されている。なお、架台５４は、クロス材５３の中央部に固定されている。
【００６３】
このように、本発明の制振構造部材は、構造形式に関わらず利用することができる。
【００６４】
また、図２３に示すように、第６形態に係る制振構造部材の支柱１４３では、縦材１８と横材２０で構成されたフレーム部の連結部に、ブレス材１４９が連結されており、支柱１４３の剛性が向上されている。さらに、図２４に示すように、第７形態に係る制振構造部材の支柱１４５には、縦材１８と横材２０で構成されたフレーム部の外面部に対向するように減衰機構１３が取付けられている。また、支柱１４５の中央部には、鋼管又はコンクリート製の補助柱１４７が立設されている。この補助柱１４７は、屋根１２を支え、支柱１４５に作用する荷重を軽減させている。
【００６５】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、構造物に改めて制振装置等を設置しなくても、構造部材として構造物の揺れを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１形態に係る制振構造部材で構築された屋根付き大空間の構造物を示した斜視図である。
【図２】第１形態に係る制振構造部材としての支柱を示す斜視図である。
【図３】第１形態に係る制振構造部材の減衰機構を示す平面図である。
【図４】第１形態に係る制振構造部材である支柱、梁の平常時の状態を示す正面図である。
【図５】第１形態に係る制振構造部材である支柱、梁の地震時の状態を示す正面図である。
【図６】他の制振構造部材の減衰機構を示す平面図である。
【図７】第２形態に係る制振構造部材の梁を示す正面図である。
【図８】第２形態に係る制振構造部材の梁が横揺れしている状態を示す模式図である。
【図９】第２形態に係る制振構造部材の梁が縦揺れしている状態を示す模式図である。
【図１０】第２形態に係る制振構造部材の梁に補助質量体を取付けた状態を示す正面図である。
【図１１】第３形態に係る制振構造部材の梁を示す正面図である。
【図１２】第３形態に係る制振構造部材の梁が横揺れしている状態を示す模式図である。
【図１３】第３形態に係る制振構造部材の梁が縦揺れしている状態を示す模式図である。
【図１４】第３形態に係る制振構造部材の梁に補助質量体を取付けた状態を示す正面図である。
【図１５】第４形態に係る制振構造部材の梁を示す正面図である。
【図１６】第４形態に係る制振構造部材の梁が横揺れしている状態を示す模式図である。
【図１７】第４形態に係る制振構造部材の梁が縦揺れしている状態を示す模式図である。
【図１８】第４形態に係る制振構造部材の梁に補助質量体を取付けた状態を示す正面図である。
【図１９】第１形態に係る制振構造部材の変形例を示した斜視図である。
【図２０】第５形態に係る制振構造部材で構築された屋根付き大空間の構造物を示した斜視図である。
【図２１】第５形態に係る制振構造部材としての支柱を示す斜視図である。
【図２２】第５形態に係る制振構造部材の減衰機構を示す平面図である。
【図２３】第６形態に係る制振構造部材としての支柱を示す斜視図である。
【図２４】第７形態に係る制振構造部材としての支柱を示す斜視図である。
【図２５】従来の制振用ダンパーの取付状態を示す正面図である。
【図２６】制振装置が建物間に取付けられた例を示す正面図である。
【符号の説明】
１３　　減衰機構（減衰手段）
１４　　支柱（構造部材）
１６　　梁（構造部材）
２８　　第１アーム部材
３２　　第２アーム部材
３６　　連結シャフト（連結部材）
３８　　コイルばね（ばね部材）
４２　　コイルばね（ばね部材）
４４　　オイルダンパー（ダンパー）
７８　　補助質量体（質量体）

Claims

縦材と横材を連結して構成され、構造物を構築する構造部材と、
前記構造部材の中に配置され、縦材と横材との連結部に回動可能に連結されて、前記連結部間の相対変位を増幅して減衰する減衰手段と、
前記構造部材の中に配置され、縦材と横材との連結部に回動可能に連結されて、前記連結部間の相対変位を増幅して剛性を高めるばね効果増幅手段と、
を有することを特徴とする制振構造部材。
前記減衰手段が、
前記縦材と横材との連結部に一端が回動可能に連結された２つの第１アーム部材と、前記連結部の対角線上にある連結部に一端が回動可能に連結された２つの第２アーム部材と、前記第１アーム部材の他端と前記第２アーム部材の他端をそれぞれ回動可能に連結してリンク機構を構成する連結部材と、前記連結部材に連結され、連結部材同士の相対移動を制限するダンパーと、を有することを特徴とする請求項１に記載の制振構造部材。
前記連結部材同士又は連結部材と連結部がばね部材で連結されたことを特徴とする請求項２に記載の制振構造部材。
前記連結部材に質量体が取付けられたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の制振構造部材。