JP5993300B2 - 建物用制振装置 - Google Patents
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Description
図1は、建物用制振装置100が取り付けられた建物10の壁の構造を示している。ここで、建物10は木造住宅である。建物用制振装置100は、建物10の下梁11と柱12、13と上梁14とで囲まれた矩形の枠組み20内に取り付けられている。なお、ここで、建物用制振装置100が取り付けられる上梁14と下梁11は、互いに上下に対向する梁(ここで、梁には土台が含まれる。)である。この実施形態では、建物用制振装置100は、建物10の1階に取り付けられている。ここでは、下梁11は、具体的には、アンカーボルトによってコンクリート基礎30に取り付けられた土台であり、以下、適宜に土台11と称する。また、上梁14は、具体的には、下梁としての土台11に立てられた一対の柱12、13に架け渡された2階床梁あるいは胴差しであり、以下、ここでは、適宜に2階床梁14と称する。
建物用制振装置100は、図1に示すように、建物10の土台11(下梁)と、土台11に立てられた一対の柱12、13と、一対の柱12、13に架け渡された2階床梁14(上梁)とで囲まれた矩形の枠組み20内に配置されている。ここで、建物用制振装置100は、上側伝達部材40と、下側伝達部材50と、制振ユニット60とを備えている。
上側伝達部材40は、建物10の2階床梁14(上梁)に固定される上梁側固定部41と、制振ユニット60に固定される第1ユニット側固定部42とを備えている。図1に図示された例では、上側伝達部材40は、建物10の土台11と柱12、13と2階床梁14とで囲まれた矩形の枠組み20内において、左側の柱12と2階床梁14とが交わった角部に沿って取り付けられる直角三角形状のトラスで構成されている。
下側伝達部材50は、建物10の土台11(下梁)に固定される下梁側固定部51と、制振ユニット60に固定される第2ユニット側固定部52とを備えている。ここで、図1に図示された例では、下側伝達部材50は、矩形の枠組み20内において、右側の柱13と土台11とが交わった角部に沿って取り付けられる直角三角形状のトラスで構成されている。ここでは、下側伝達部材50を構成するトラスは、上側伝達部材40を構成するトラストと同様に構成することができる。
次に制振ユニット60を説明する。制振ユニット60は、図1に示すように、第1ラックギア61と、第1ピニオンギア62と、錘63とを備えており、回転慣性質量ダンパーを構成している。第1ラックギア61は、第1ユニット側固定部42と第2ユニット側固定部52とのうち一方の固定部に横向きに取り付けられている。第1ピニオンギア62は、第1ユニット側固定部42と第2ユニット側固定部52とのうち他方の固定部に取り付けられ、第1ラックギア61に噛み合っている。
大きな地震時に土台11が揺れに伴い、慣性力を受けて、建物10全体が揺れる。この際、土台11に対して2階床梁14が凡そ水平に触れ動く。このため、建物10の土台11と柱12、13と2階床梁14とで囲まれた矩形の枠組み20は、凡そ水平にせん断変形する。この建物用制振装置100は、土台11に下側伝達部材50が取り付けられており、2階床梁14に上側伝達部材40が取り付けられている。このため、矩形の枠組み20が、水平にせん断変形する。この際、建物用制振装置100の制振ユニット60には、建物用制振装置100の土台11と2階床梁14との相対変位に応じて、上側伝達部材40と下側伝達部材50に相対的な変位が生じる。詳しくは、上側伝達部材40の第1ユニット側固定部42と、下側伝達部材50の第2ユニット側固定部52との距離が近づいたり離れたりする。
ここで、質量効果(慣性質量Z)は、慣性力Maの質量成分Mである。回転慣性質量ダンパーでは、錘63の実際の質量よりも重い質量に相当する慣性力が発揮されうる。この実施形態では、錘63は円盤状の錘であり、質量効果(慣性質量Z)の計算式は、以下の式による。
Z=0.5×(πβ/αδ)2×γ
ここで、
Z:慣性質量
α:第1ピニオンギア62の歯数
β:錘63の直径
δ:第1ラックギア61のギアピッチ
γ:錘63の質量
である。
このように、第1ピニオンギア62の歯数αと、錘63の直径βと、第1ラックギア61のギアピッチδとを適切に調整することによって、錘63の質量γよりも大きな質量効果(慣性質量Z)を得ることができる。このように、この制振ユニット60によれば、錘63の重量のわりに大きな効果が得られる。
ここで、図2と図3は、建物用制振装置の変形例100A,100Bを示している。建物用制振装置100Aでは、例えば、図2に示すように、上側伝達部材40Aと下側伝達部材50Aは、それぞれ二等辺三角形のトラスで構成されている。つまり、上側伝達部材40Aと下側伝達部材50Aを構成する二等辺三角形状のトラスは、横材40aA、50aAと、2本の斜め材40bA、40cA、50bA、50cAとを備えている。
ここで、図4〜図6は、それぞれ建物用制振装置の変形例100C〜100Eを示している。
かかる押し当て機構70としては、例えば、図1に示す形態において上述したバネ45のようなものでもよい。ただし、押し当て機構70は、これに限定されない。図4は、押し当て機構70を備えた形態を例示している。押し当て機構70は、例えば、図4に示すように、第2ラックギア71と、第2ピニオンギア72と、支持部材73とを備えている。
ここで、図4に示す建物用制振装置100Cでは、上側伝達部材40Cは、直角三角形の構造を備えており、建物10の土台11と柱12、13と2階床梁14とで囲まれた矩形の枠組み20の右上に配置され、2階床梁14に固定されている。下側伝達部材50Cは、直角三角形の構造を備えており、矩形の枠組み20の左下に配置されており、土台11に固定されている。そして、上側伝達部材40Cの頂部に設けられた第1ユニット側固定部42は、右側の柱13の中間部近傍に位置しており、下側伝達部材50Cの頂部に設けられた第2ユニット側固定部52は、左側の柱12の中間部近傍に位置している。ここでは、上側伝達部材40Cおよび下側伝達部材50Cの構造は、上述した建物用制振装置100の上側伝達部材40および下側伝達部材50(図1参照)と同様の構造を採用できる。ここでは上側伝達部材40Cおよび下側伝達部材50Cについての詳しい説明は省略する。
また、例えば、図5に示す建物用制振装置100Dのように、支持部材73は、第1ピニオンギア62と第2ピニオンギア72の歯車軸が取り付けられる、支持部材73の上下の横材73a、73bの先端部に、縦材73cを架け渡してもよい。これにより、上下の横材73a、73bの間隔(換言すれば、第1ピニオンギア62と第2ピニオンギア72の歯車軸の間隔)をより精度よく保持することができる。これにより回転慣性質量ダンパーをより適切に機能させることができる。
また、例えば、図6に示す建物用制振装置100Eでは、上側伝達部材40Eは、二等辺三角形のトラス構造を備えており、下側伝達部材50Eは、直角三角形のトラス構造を備えている。ここで、上側伝達部材40Eの頂部に設けられた第1ユニット側固定部42は、矩形の枠組み20の中央部に位置しており、下側伝達部材50Eの頂部に設けられた第2ユニット側固定部52は、左側の柱12の中間部近傍に位置している。ここでは上側伝達部材40Eおよび下側伝達部材50Eについての詳しい説明は省略する。
なお、押し当て機構70の構造は、かかる形態に限定されない。図7は、建物用制振装置の変形例を示している。図7に示す建物用制振装置100Fでは、図6に示された建物用制振装置100Eと、押し当て機構70の構造が相違する。この実施形態では、押し当て機構70は、ローラ74と、支持部材73とで構成されている。ローラ74は、実質的に第1ラックギア61の背面に押し当たっている。つまり、ここでは、第1ピニオンギア62の歯車軸に取り付けられた、押し当て機構70の支持部材となる縦材73は、第1ラックギア61の背面(アーム53の下側)に配設されたローラ74を支持している。そして、支持部材73は、実質的にローラ74と第1ピニオンギア62とが第1ラックギア61を挟むように、第1ピニオンギア62に対してローラ74を支持している。かかる建物用制振装置100Fでは、ローラ74と支持部材73とで構成された押し当て機構70によって、第1ラックギア61に第1ピニオンギア62が押し当たることが保証されている。これにより、矩形の枠組み20に大きなせん断変形が生じても、回転慣性質量ダンパーを適切に機能させることができる。
さらに、押し当て機構70の変形例を示す。図8は、建物用制振装置の変形例を示している。図8に示す建物用制振装置100Gでは、図6および図7に示された建物用制振装置100E、100Fと、押し当て機構70の構造が相違する。この実施形態では、押し当て機構70は、第1ラックギア61に対する第1ピニオンギア62の歯車軸62aの距離を一定にするように、第1ラックギア61に対して第1ピニオンギア62の歯車軸62aを案内するガイド75を備えている。ここで、ガイド75は、一端が第1ラックギア61の側面に固定されており、第1ラックギア61に噛み合う第1ピニオンギア62の歯車軸62aの軌道に延びた板状の部材である。当該ガイド75には、第1ピニオンギア62の歯車軸62aの軌道に沿って、第1ピニオンギア62の歯車軸62aを案内するガイド穴75a(図示例では長穴)が形成されている。
なお、図9は、さらに建物用制振装置の変形例を示している。図9に示す建物用制振装置100Hでは、図8に示された建物用制振装置100Gに対して、下側伝達部材50Hの構造が異なる。ここでは、下側伝達部材50Hは、二等辺三角形のトラス構造を有している。下側伝達部材50Hの頂部に設けられる第2ユニット側固定部52は、矩形の枠組み20の中央部、第1ユニット側固定部42が設けられる上側伝達部材40Eの頂部の下側に対向している。そして、当該第2ユニット側固定部52に第1ラックギア61が揺動自在に取り付けられている。このように、下側伝達部材50は、二等辺三角形のトラス構造を採用してもよい。ここでは下側伝達部材50Hについての詳しい説明は省略する。
上述した実施形態では、回転慣性質量ダンパーを構成する錘63は、第1ピニオンギア62の歯車軸62aに取り付けられているとよい。この場合、回転慣性質量ダンパーの構造は簡単である。これに対して、第1ピニオンギア62に対して錘63の回転を増速させる増速機構を備えていてもよい。
図10は、増速機構を備えた建物用制振装置の一例を示している。図10に示す建物用制振装置100Iは、増速機構80が設けられている点で、図9に示された建物用制振装置100Hと異なる。ここでは、上側伝達部材40Iと下側伝達部材50Iは、それぞれ二等辺三角形のトラス構造を有している。上側伝達部材40Iの頂部と、下側伝達部材50Iの頂部は、それぞれ矩形の枠組み20の中央部で対向している。このうち、下側伝達部材50Iの頂部に第1ラックギア61が揺動自在に設けられており、上側伝達部材40Iの頂部に第1ピニオンギア62が取り付けられている。また、押し当て機構70として、ガイド75が第1ラックギア61に取り付けられており、ガイド75に設けられたガイド穴75aに第1ピニオンギア62の歯車軸62aが挿通されている。
この実施形態では、質量効果(慣性質量Z)の計算式は、以下の式による。
Z=0.5×(πεβ/αδ)2×γ
ここで、
Z:慣性質量
α:第1ピニオンギア62の歯数
β:錘63の直径
δ:第1ラックギア61のギアピッチ
γ:錘63の質量
ε:増速機構80の増速比
である。
このように、建物用制振装置100は回転慣性質量ダンパーの錘63の回転数を増速させる増速機構80を備えていてもよい。かかる増速機構80として、大径歯車81と小径歯車82を備えた構造を例示した。図11は、増速機構80の他の形態を例示するものであり、大径歯車81と小径歯車82をそれぞれスプロケットとし、離れた位置に配置し、これをチェーン83で連結したものである。このように、増速機構80の構造は、種々の構造を例示できる。
図12は、増速機構80の他の変形例を例示する。例えば、図12に示すように、さらに大径歯車81の歯車軸(ここでは、第1ピニオンギア62の歯車軸62a)に、揺動可能なアーム85を取り付け、当該アーム85の先端にアイドルスプロケット86を取り付ける。ここで、アイドルスプロケット86は、2つのスプロケットを重ねている。そして、かかるアイドルスプロケット86の一方のスプロケットと大径歯車81との間に第1チェーン87を掛け回す。さらに、アイドルスプロケット86の他方のスプロケットと小径歯車82との間に第2チェーン88を掛け回す。
なお、この場合、さらに、アイドルスプロケット86に設けられる2つのスプロケットのギヤ比を変えることによって、回転慣性質量ダンパーの錘63の回転速度を第1ピニオンギア62に対してさらに増速させることができる。また、図13は、他の変形例を例示する。図13に示すように、増速機構80の大径歯車81と、アイドルスプロケット86と、小径歯車82とは、1つのチェーン89を掛け回してもよい。
錘63は、図14(図2のXIII−XIII矢視図)に示すように、矩形の枠組み20の表裏に対向するように2つ設けられていてもよい。
11 土台(下梁)
12、13 柱
14 2階床梁(上梁)
15、16 ホールダウン金物
20 矩形の枠組み
20A 隙間
30 コンクリート基礎
31、32 ホールダウンボルト
34 基礎パッキン
40 上側伝達部材
41 上梁側固定部
42 第1ユニット側固定部
43 アーム
45 バネ
50 下側伝達部材
51 下梁側固定部
52 第2ユニット側固定部
53 アーム
60 制振ユニット
61 第1ラックギア
62 第1ピニオンギア
62a 歯車軸(第1ピニオンギアの歯車軸)
63 錘
70 押し当て機構
71 第2ラックギア
72 第2ピニオンギア
73 支持部材
74 ローラ
75 ガイド
75a ガイド穴
80 増速機構
81 大径歯車
82 小径歯車
82a 歯車軸
83 チェーン
85 アーム
86 アイドルスプロケット
87 第1チェーン
88 第2チェーン
89 チェーン
100 建物用制振装置
101 錘(リング状の錘)
102 回転軸
103 棒
111、112 質量体
113 棒
Claims (15)
- 建物の下梁と、前記下梁に立てられた一対の柱と、前記一対の柱に架け渡された上梁とで囲まれた矩形の枠組み内に配置される、建物用制振装置であって、
上側伝達部材と、
下側伝達部材と、
制振ユニットと
を備え、
前記上側伝達部材は、
前記建物の前記上梁に固定される上梁側固定部と、
前記制振ユニットに固定される第1ユニット側固定部と
を備え、
前記下側伝達部材は、
前記建物の前記下梁に固定される下梁側固定部と、
前記制振ユニットに固定される第2ユニット側固定部と
を備え、
前記制振ユニットは、
前記第1ユニット側固定部と前記第2ユニット側固定部とのうち一方の固定部に横向きに取り付けられた第1ラックギアと、
前記第1ユニット側固定部と前記第2ユニット側固定部とのうち他方の固定部に取り付けられ、前記第1ラックギアに噛み合う第1ピニオンギアと、
前記第1ピニオンギアの回転に応じて回転するように、前記第1ピニオンギアに係合させた錘と
を備えた、
建物用制振装置。 - 前記第1ラックギアは、上梁と平行になるように取り付けられている、請求項1に記載された建物用制振装置。
- 前記第1ラックギアは、前記第1ユニット側固定部と前記第2ユニット側固定部とのうち一方にピンリンクによって取り付けられており、
前記第1ピニオンギアを前記第1ラックギアに押し当てる押し当て機構を備えた、請求項1または2に記載された建物用制振装置。 - 前記押し当て機構は、
前記第1ラックギアの背面側に設けられた第2ラックギアと、
前記第2ラックギアに噛み合う第2ピニオンギアと、
前記第2ピニオンギアと第2ラックギアとが噛み合い、かつ、前記第1ピニオンギアと前記第2ピニオンギアとが前記第1ラックギアと第2ラックギアとを挟むように、前記第1ピニオンギアに対して前記第2ピニオンギアを支持する支持部材と
を備えた、請求項3に記載された建物用制振装置。 - 前記押し当て機構は、
前記第1ラックギアの背面に押し当たるローラと、
前記ローラと前記第1ピニオンギアとが、前記第1ラックギアを挟むように、前記第1ピニオンギアに対して前記ローラを支持する支持部材と
を備えた、請求項3に記載された建物用制振装置。 - 前記押し当て機構は、前記第1ラックギアに対する前記第1ピニオンギアの歯車軸の距離を一定にするように、前記ラックギアに対して前記第1ピニオンギアの歯車軸を案内するガイドを備えた、請求項3に記載された建物用制振装置。
- 前記錘は前記第1ピニオンギアの歯車軸に取り付けられている、請求項1から6までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
- 前記第1ピニオンギアに対して前記錘の回転を増速させる増速機構を備えた、請求項1から7までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
- 前記増速機構は、前記第1ピニオンギアの回転に応じて回転する大径歯車と、
前記大径歯車よりもピッチ円直径が小さく、前記錘に連結された小径歯車と、
を備えた、請求項8に記載された建物用制振装置。 - 前記大径歯車と小径歯車は、それぞれスプロケットであり、大径歯車と小径歯車とを連結するチェーンを備えた、請求項9に記載された建物用制振装置。
- 前記大径歯車の歯車軸に揺動自在に取り付けたアームに取り付けられた2つのアイドルスプロケットと、
前記2つのアイドルスプロケットのうち一方を大径歯車に連結する第1チェーンと、
前記2つのアイドルスプロケットのうち他方を小径歯車に連結する第2チェーンと
を備えた、請求項10に記載された建物用制振装置。 - 前記錘は、前記矩形の枠組みの表裏に対向するように2つ設けられている、請求項1から11までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
- 前記錘の質量は、錘の回転軸から離れた位置に偏っている、請求項1から12までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
- 慣性質量Zが、0.1Mg≦Z≦5.0Mgである、請求項1から13までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
- 前記建物用制振装置は、厚さが120mm以下である、請求項1から14までの何れか一項に記載された建物用制振装置。
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