JP6694195B1 - バネ式制震ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】巨大地震時に積層ゴム免震装置の過大変形を防止すると共に、速やかな変形復元機能を付与して積層ゴムの損傷を防ぐことができるバネ式制震ダンパーを提供する。【解決手段】バネ式制震ダンパー１１は、上部構造と基礎構造との間に、免震装置を介在させてある免震建物構造の上部構造と基礎構造との間に取り付けられ、両端に端板２３、２４が設けられたシリンダ１８と、先端にピストン２１が取り付けられたロッド２２と、シリンダ１８内に収納されるコイルバネ１９とからなり、ピストン２１がシリンダ１８内に収納され、コイルバネ１９の一端がシリンダ１８の端板２３に固定され、他端がピストン２１に固定され、上部構造と基礎構造との地震による相対変位に対してコイルバネ１９の圧縮によって相対変位を元の位置に戻す構成とする。【選択図】図３

Description

本発明は、免震構造物に取付けて使用されるバネ式制震ダンパーに関するものである。

この種の制震ダンパーについては複数の技術が公知になっている。
第１の公知技術については、油を充填したシリンダに軸を含む断面が凸字形をなすピストンを摺動自在に嵌合すると共に上記ピストンの小径部が嵌合する円筒体をシリンダの一方の端部に嵌合固定して、ピストンが上記端部に向かって移動するとき閉鎖する逆止弁を具備した油孔とピストンの大径部における両側を連通する微小の油孔とを該ピストンに形成し、かつピストンの小径部が前記円筒体に嵌合したとき該円筒体の内部に形成される密閉油室をシリンダとピストンの小径部との間に形成される円筒状の油室に連通する微小の油路を設けたオイルダンパー、である（特許文献１参照）。

上記第１の公知技術によるダンパーは、全ストローク中の適当な一部の範囲だけで極めて大きな減衰力が発生する。従って、窓あるいはドア等にこれを直結して簡単な機構で使用し得る。かつシリンダに円筒体を嵌合し、ピストンを凸字形に形成するだけであるから、構造製作も簡単である、というものである。

第２の公知技術については、筒体と、この筒体内に収納してあり、積層ゴムの変形を制御するためのばね体（らせん状のコイルバネ）と、一端部が上記筒体の軸心方向に移動可能に挿入し、他端部が筒体の端部より延出し、上記ばね体を押圧する押え部を備えているロッドとを具備し、上記筒体の長さは、少なくとも積層ゴムの許容変形量とばね体を収容できる長さとを加えたものであることを特徴とする免震構造におけるストッパ、である（特許文献２参照）。

上記第２の公知技術によるストッパは、予想を越えた地震入力により積層ゴムＧが過大に変形しようとする際、ロッドの押え部がばね体に当接して、ばね力によって過大変形を制御する、というものである。

第３の公知技術については、相対移動する第１構造体と第２構造体との間に設けられ、減衰力を発生して前記第１構造体と前記第２構造体との相対移動を減衰する減衰手段と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、前記減衰手段よりも大きな減衰力を発生し、前記第１構造体と前記第２構造体との相対移動を抑制するストッパ手段とを有し、前記減衰手段が、流体を収容するシリンダと、前記シリンダ内に挿入され、前記第１構造体と前記第２構造体との相対移動に伴って該シリンダに対して抜き差しされるロッドと、前記ロッドに設けられ、前記第１構造体と前記第２構造体の相対移動が所定値を超えると、前記ストッパ手段に設けられた被押圧部を押して減衰力を発生させる押圧部と、を備える減衰装置、である（特許文献３参照）。

上記第３の公知技術による減衰装置によれば、第１構造体と第２構造体との相対移動に伴ってロッドがシリンダに対して抜き差しされる。これにより、減衰手段が減衰力を発生し、第１構造体と第２構造体との相対移動が減衰される。また、第１構造体と第２構造体との相対移動量が所定値を超えると、ロッドに設けられた押圧部によってストッパ手段に設けられた被押圧部が押され、該ストッパ手段が減衰手段よりも大きな減衰力を発生する。これにより、第１構造体と第２構造体との相対がさらに減衰される。即ち、想定内の地震等に対しては減衰手段が減衰力を発生し、想定以上の地震等に対しては、減衰手段と共にストッパ手段減衰力を発生する。従って、想定内の地震等に対する振動減衰効率を維持しつつ、想定外の地震時にストッパ手段を緩衝材として機能させ、第１構造体と第２構造体との過大変形を抑制することができる、というものである。

実公昭５１−７７４号の公告公報 実公平３−２３００４号の公告公報 特開２０１１−４７４２１号の公開公報

免震構造物に積層ゴム免震装置が多く使用されているが、積層ゴム免震装置自体は地震のエネルギーを吸収できず、振れ幅に沿って変形し振れ幅を抑えることもできない。それを防ぐために、制震ダンパーを設置して積層ゴム免震装置と併用することが必要である。 その制震ダンパーの中で、オイルダンパーが地震エネルギーを熱エネルギーに変換して建物全体の揺れを低減することができるのでよく使用されるようになっており、前記特許文献１のオイルダンパーは、その一種である。
しかしながら、オイルダンパーは、地震エネルギーを吸収することはできるが復元力を持っていないため、地震時に生じた上・下構造物の相対変位に対して元の状態に戻すことができず、積層ゴム免震装置の弾性変形力で戻すことになり、積層ゴム免震装置への負担が大きくなって、免震ゴムが過大変形して破壊されるという問題点を有している。また、オイルダンパーは火災時に高温を受けると爆発して建造物を破壊する危険性もある。

前記特許文献２では、オイルダンパーとストッパと併設して使用することによって、積層ゴムの過大変形を抑制することが可能となったが、ストッパとオイルダンパーを併用することが不可欠である。従って、特許文献２の技術においては、２倍の材料が必要であり材料無駄が生ずるばかりでなく、取付作業についても２倍の労力と時間が必要であり、さらに、ばね体が押え部に片持ち梁の状態で取り付けられているため、繰り返しの地震力を受けると、ばね体が座屈してしまい、斜めになったり先端が弛んでいたりすると、筒体の壁に擦れて平行移動できなくなる懸念があり、一度座屈するとその後においては装置としての正常な作動ができなくなってしまい、要するに、ストッパ機能を失うのであり、継続しての使用が不可になるという問題点を有している。

特許文献３の技術においては、減衰装置にオイル等の流体による減衰手段とスプリングによるストッパ手段とを設ける必要があるため構成が複雑で部品点数が多くなりコスト高になるばかりでなく、オイル等の流体を使用するため前記特許文献１と同様に、火災時の危険性を回避することはできない。
また、ロッドの挿入孔にはオイル等の流体漏れを防止するＯリング等のシール部材を設けることが不可欠であるため、やはり装置としてコスト高になる。仮に、液体（オイル）に替えて気体（空気）にして空気ダンパーとしても、同様に気体漏れのシーリングが必要であるから、同様にコスト高になるという問題点を有する。

そこで、本発明は、前記従来技術における全ての問題点を解決し、オイル等の流体を一切使用せず、地震エネルギーを吸収する機能と、積層ゴム免震装置の過大変形を防止するストッパー機能と、地震による構造物の変形を速やかに復帰させる変形復元機能との三つの機能を備えた制震ダンパーを提供することを目的とするものである。

前述の従来例の課題を解決する具体的手段として、本発明に係る発明は、上部構造と基礎構造との間に、免震装置を介在させてある免震建物構造に使用されるダンパーであって、前記ダンパーは、両端に端板が設けられたシリンダと、該シリンダ内に摺動自在に配設され一端にピストンが取り付けられたロッドと、ピストンの両側にそれぞれ設けられた一対のバネと、両端板の内側にそれぞれ設置された弾性緩衝材とからなり、前記バネの一端部がピストンに固定され、他端部と前記弾性緩衝材との間に遊間部が設けられ、前記上部構造と基礎構造との相対変位が前記遊間部を超えると、前記バネの圧縮によって生じた弾性反力で地震エネルギーを吸収する機能と、免震装置の過大変形を防止するストッパー機能と、地震後の免震建物の変形を復元する機能とを有する構成にしたことを特徴とするバネ式制震ダンパーを提供するものである。

上記発明において、前記遊間部を前記免震装置の限界変形許容値の７０〜８０％とし、且つ、前記相対変位が前記免震装置の限界変形許容値に達する直前に、前記バネが密着するようにしてあること；前記バネをコイルバネとし、該バネの内側に所要の隙間をもって複数の座屈防止材をシリンダ全長に亘って設置されること；及び前記バネが少なくとも二つの異なるバネ係数を一連に長さ方向に組み合わせたものとすること、を付加的な要件として含むものである。

本発明に係るバネ式制震ダンパーによれば、以下の効果を奏することができる。
１.バネと弾性緩衝材との間に遊間部を設けることによって、上部構造と基礎構造との地震による相対変位（相対間距離の伸びまたは縮み）が遊間部を越えない範囲であれば、免震装置の弾性変形可能な範囲内でフリーに水平変形をすることによって、上部構造への地震力が非常に小さくなり上部構造が地震の影響を受けない状態となる。要するに、中小地震時には、通常の積層ゴム型免震装置が水平変形能力を持っているため対応できるのである。従って、中小地震では、積層ゴム型免震装置の復元力を活かして地震後の免震建物を元の状態に復元させることによって、バネ式制震ダンパーのバネの巻き数や直径および強さ等を低減させることができると共に、バネ式制震ダンパーその物の大きさとコストの低減を図ることができるのである。
２.大地震時による上部構造と基礎構造との相対変位（相対間距離の伸びまたは縮み）が遊間部を越えと、バネが弾性緩衝材に当接して圧縮されることによってバネに弾性反力が生ずる。この弾性反力によって地震エネルギーを吸収するという機能が得られる。続いて、相対変量が所定値に達するとコイルバネが圧縮密着される状態になり、シリンダ内におけるピストンの相対移動がストップされることによって、上部構造と基礎構造との相対変位が制限され、免震装置の過大変形を防止するというストッパー機能が得られる。さらに、地震による上部構造と基礎構造との相対変位および免震装置のゴム変形に対し、コイルバネの圧縮によって生じたバネ弾性反力によって、地震後の免震建物の変形を速やかに復元するという変形復元機能が得られる。つまり、従来技術のように、ストッパーとダンパーの両方を設置する必要がなく、一つの装置に地震エネルギー吸収機能、免震装置の過大変形を防ぐストッパー機能および変形復元機能という三つの機能を備えた制震ダンパーになる。なお、上記所定値とは、積層ゴム免震装置の限界変形許容値とすることが好ましい。
３.また、上記の変形復元機能とは、バネの圧縮により弾性反力（復元力）が発生することである。大地震時に、上部構造と基礎構造との相対変位が遊間部を越えて、積層ゴム免震装置が大きく変形する際に、バネの圧縮により弾性反力を発生させて抑制させるのである。要するに、大地震時に、積層ゴム免震装置が受ける大変形をバネの復元力によって抑制し、変形が遊間部まで小さくなれば免震装置自体の弾性復元力で復元させることができ、積層ゴム免震装置が繰り返しの水平力を受けても、免震装置の積層ゴムが荷重疲労による劣化を防止できるのであり、免震装置の使用寿命を長くすることができるのである。
４．さらに、遊間部を積層ゴム型免震装置の限界変形許容値の７０〜８０％とし、且つ、上部構造と基礎構造との相対変位が免震装置の限界変形許容値に達する直前に、バネが密着するようにしてあることによって、設計上で想定した巨大地震に対して余裕をもって対応できるばかりでなく、想定外の巨大地震が発生した場合でも、免震装置の過大変形を抑制して免震装置自体の破損を防止して、免震建物構造全体の安全性を大幅に高めることができる。
５．座屈防止材が設置されることによって、繰り返し地震や強風を受けでも、バネが座屈や先端撓みでシリンダの軸方向に伸縮不能となることを防ぐことができる。とくに、片持ち梁形式で取り付けられたバネでも座屈や先端撓みを防止することができる。
６．さらに、オイル等の流体を一切使用しないことにより、シリンダの端板にロッドが貫通できる孔を設けるだけで良いので、オイルや気体漏れ対策を講じる必要がなく、構成が簡単で安価に提供できる。

本発明に係るバネ式制震ダンパーが取り付けられた免震構造物の要部のみを示した側面図である。 同免震構造物の要部のみを示した平面図である。 本発明に係る実施例のバネ式制震ダンパーの取り付け状態における断面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。 本発明に係る実施例のバネ式制震ダンパーにおける座屈防止材の取り付け状況の要部の一例を示す拡大断面図である。 本発明に係る実施例のバネ式制震ダンパーにおける座屈防止材の取り付け状況の要部を示す他の例の拡大断面図である。 同実施例のバネ式制震ダンパーの地震を受けた時に、図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は基礎構造と上部構造との相対変位についての説明図である。 同実施例におけるコイルバネの特性を示したグラフである。

本発明を図示の実施の形態に係る実施例について説明する。まず、図１と図２について説明する。一般的に免震構造物にとしては図１、２に示したように、基礎構造１の上に上部構造２が構築されるものであり、基礎構造１は、地盤３に複数の基礎杭４を打ち込み、該基礎杭４の上に夫々ラップル基礎５を形成すると共に、各基礎杭４間にコンクリート製のマットスラブ６を形成する。上部構造２は、前記ラップル基礎５との間に積層ゴム型の免震装置７を介してフーチング８を設置し、該フーチング８間には大梁（地中梁）９が配設されると共に、フーチング８の上面には柱１０が建て込まれ、梁やスラブ、壁部（図示せず）等も順次形成されて上部構造２が構築されたものである。

このように構築された免震構造物に対して、基礎構造１と上部構造２との間に本発明に係るバネ式制震ダンパー１１が取り付けられるのであり、その取り付けに当たっては、基礎構造１側（マットスラブ６）に設けた支持台１２と上部構造２側（大梁９）に設けた支持台１３との間に鋼製金具からなる取付基部１４、１５と連結ピン１６、１７とを介してバネ式制震ダンパー１１が水平に、且つ左右方向に自由に回転できるように設置される。なお、図示は省略するが、取付基部１４、１５を球体連結構造とすることにより、バネ式制震ダンパー１１を上下・左右方向にも回転できるように取り付けることができる。

本発明に係る具体的な実施例のバネ式制震ダンパー１１は、図３〜図８に示したように、所要長さのシリンダ１８の内部に、コイルバネ１９と、該コイルバネ１９の座屈を防止する複数の座屈防止材２０と、ピストン２１とが配設され、該ピストン２１はピストンロッド２２の先端に連結（取り付け）されてシリンダ１８内に摺動自在に配設され、該ピストンロッド２２の後端はシリンダ１８の一端部側から所要長さ突出した状態で配設され、該ロッド２２の突出端部を連結ピン１６と取付基部１４とで支持台１２に取り付けている。

これら部材のシリンダ１８内への配設については、円筒状のシリンダ１８の両端部に鋼製金具からなる端板２３、２４がそれぞれ溶接等で強固に取り付けられるのであるが、両端板２３、２４には複数の座屈防止材２０が取り付けられる複数の孔、図示の実施例（図４〜６参照）では４個の孔または螺子孔２５が周縁寄りに均等間隔をもって予め設けられており、奥側（図３では左側）に設けられる端板２３に対して４本の丸鋼からなる座屈防止材２０のヘッド部が当接するように挿通し、挿通端部は右側の螺子孔２５螺着して固定するか又は孔に挿通させて端部をシリンダ１８から所要長さ突出させ、その突出端部にナット２８を螺合させて固定し、座屈防止材２０をシリンダ１８の全長に亘って取り付け、該座屈防止部材２０を内側に所要の隙間をもって抱え込むようにしてコイルバネ１９を配設する。なお、ピストン２１にも座屈防止部材２０が挿通される挿通孔２６が設けられており、ピストンロッド２２の後端部は、端板２４に設けた挿通孔３１に挿通させてシリンダ１８から所要長さ突出させてある。

さらに、図３に示したように、ピストンロッド２２に取り付けたピストン２１がシリンダ１８の中央部に位置するように配設し、該ピストン２１に取り付けられるコイルバネ１９はピストン２１の両側に同じバネ係数とする一対のコイルバネ１９ｃ、１９ｄであって、該コイルバネ１９ｃ、１９ｄと両側の端板２３、２４の内側にそれぞれ設けられている緩衝材２９との間に所要間隔の遊間部３２がそれぞれ設けられる。この遊間部３２は、免震装置７の積層ゴムの弾性変形能力によって適宜に定めるものであるが、免震装置７の限界変形許容値の７０〜８０％の長さとすることが好ましい。

要するに、地震による免震建物の水平変形に対して、通常は、中小の地震時の水平変形が小さいため、コイルバネ１９（１９ｃ、１９ｄ）が緩衝材２９に当接しない水平変形の時には、免震装置７自身が有する弾性復元力によって地震後の免震建物を元の状態に復元させることができるが、大地震時の水平変形に対しては、遊間部３２が無くなってコイルバネ１９が緩衝材２９に当接して圧縮する水平変形に対しては、コイルバネ１９の圧縮による弾性反力で地震後に免震建物の変形を遊間部３２の長さ分迄まで戻し、その後は免震装置７の弾性復元能力によって復元させるのであり、夫々の役割分担で地震後の免震建物を元の状態に復元させるようにしたものである。
なお、緩衝材２９は、バネ１９が密着するまで弾性滑らかに圧縮されるように設けられるものであり、従来の緩衝材と同様である。また、ゴムやバネ等としてもよい。
また、座屈防止材２０の固定については、図５に示したようにネジ式でも良いが、図６に示したように座金２７を介してナット２８による締め付け固定でもよい。
なお、本願発明でいう免震装置の限界変形許容値とは、免震装置７が弾性範囲内の最大水平変形量とする。従って、巨大地震が発生した後にも、免震装置が復元する能力を保持している状態にすることとする。

上記実施例に係るバネ式制震ダンパー１１の地震を受けた時の基礎構造１と上部構造２との相対変位について、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。
まず、（ａ）図は相対変位が矢印ａで示した方向（相対間距離が伸びる方向）に変形して所定値に達した状態を示し、（ｂ）図は設置状態におけるコイルバネ１９ｃ、１９ｄの不作用（相対変位がない）状態を示し、（ｃ）図は相対変位が矢印ｂで示した方向（相対間距離が縮む方向）に変形して所定値に達した状態を示すものである。
例えば、免震構造物は通常想定している地震力に対して免震装置７が設置されており、想定内の場合は、免震装置７における積層ゴムの弾性変形によって元の状態に戻るが、想定を超えた大地震の場合に、積層ゴムが過大変形して免震装置７が破壊されてしまうのである。

いずれの場合でも、同じバネ係数とする一対のコイルバネ１９ｃ、１９ｄをピストン２１の両側に取り付けたことにより、基礎構造１と上部構造２との相対変位が遊間部３２を超えて伸びても縮んでも、いずれかのコイルバネ１９ｃ、１９ｄの弾性反力によって地震エネルギーを吸収しながら復元作用し、基礎構造１と上部構造２との相対変位を復元することができるのである。従って、基礎構造１と上部構造２との相対変位のストロークＬは、ピストン２１がシリンダ１８内の遊間部３２内の中間位置からいずれの端板２３、２４側に（変位）するストロークであっても、両コイルバネ１９ｃ、１９ｄの初期復元力が強く作用するので、疲労荷重による免震装置７の機能の劣化を防止できるばかりでなく、座屈防止材２０を配設してあるので、コイルバネ１９ｃ、１９ｄは座屈することなく、常にスムーズにシリンダ１８内で繰り返し伸縮することができるのである。なお、シリンダ１８の端板２３、２４が過大な相対変位に対してストッパー機能を発揮するのである。

さらに、使用されるコイルバネ１９ｃ、１９ｄについては、異なるパネ係数を有する複数のコイルバネを一連に合成させたものが使用できるし、例えば、バネ線材の直径、巻き数や材質を変えて形成したものが使用できるのであり、いずれにしても、図８に示したように、コイルバネの特性が曲線状（非線形弾性特性）になり、初期のバネ反力を小さくして、基礎構造1と上部構造２との相対移動を強く拘束しないようにしたものである。

本発明に係るバネ式制震ダンパー１１は、上部構造２と基礎構造１との間に、免震装置７を介在させてある免震建物構造に使用されるダンパーであって、前記ダンパー１１は、両端に端板２３，２４が設けられたシリンダ１８と、該シリンダ１８内に摺動自在に配設され一端にピストン２１が取り付けられたロッド２２と、ピストン２１の両側にそれぞれ設けられた一対のコイルバネ１９ｃ、１９ｄと、両端板２３、２４の内側にそれぞれ設置された弾性緩衝材２９とからなり、前記コイルバネ１９ｃ、１９ｄの一端部がピストン２１に固定され、他端部と前記弾性緩衝材２９との間に遊間部３２が設けられ、前記上部構造２と基礎構造１との相対変位が前記遊間部３２を超えると、前記コイルバネ１９ｃ、１９ｄの圧縮によって生じた弾性反力で地震エネルギーを吸収する機能と、免震装置７の過大変形を防止するストッパー機能と、地震後の免震建物の変形を復元する機能とを有する構成にしたので、上部構造２と基礎構造１との相対変位の方向に対して、従来技術のように伸びまたは縮みに夫々効く装置を配置する必要性なく両方効くようにし、装置自体のコストだけでなく、作業の手間も軽減することができる。また、ストッパーとダンパーを両方設置する必要性なく、シリンダ１８に積層ゴム免震装置７の過大変形を防ぐストッパー機能（両側板）を付与すると共に、変形復元機能及び地震エネルギー吸収機能の三つの機能を有する制震ダンパーにしたのである。そして、コイルバネ１９ｃ、１９ｄの圧縮による反力（復元力）により、積層ゴム免震装置７の変形に対して抑制するものであり、また、中小地震や強風等の水平力によって発生する変形を含めて、変形を復元するものであり、積層ゴム免震装置７が繰り返しの水平力を受けても、現状復帰にはコイルバネ１９ｃ、１９ｄの変形復元機能によって大部分を負担し、疲労荷重による積層ゴムの劣化を防止できるのであり、免震装置７の使用寿命を長くすることができるので、この種免震構造物において広い範囲で使用可能である。

１ 基礎構造
２ 上部構造
３ 地盤
４ 基礎杭
５ ラップル基礎
６ マットスラブ
７ 積層ゴム免震装置
８ フーチング
９ 大梁（地中梁）
１０ 柱
１１ バネ式制震ダンパー
１２ 支持台
１３ 支持台
１４、１５ 取付基部
１６、１７ 連結ピン
１８ シリンダ
１９、１９ｃ、１９ｄ コイルバネ
２０ 座屈防止材
２１ ピストン
２２ ロッド（ピストンロッド）
２３、２４ 端板
２５ 孔または螺子孔
２６ 挿通孔
２７ 座金
２８ ナット
２９ 緩衝材
３０ 空間部
３１ 挿通孔
３２ 遊間部
ａ、ｂ 矢印

Claims (4)

1. 上部構造と基礎構造との間に、免震装置を介在させてある免震建物構造に使用されるダンパーであって、
   前記ダンパーは、両端に端板が設けられたシリンダと、該シリンダ内に摺動自在に配設され一端にピストンが取り付けられたロッドと、ピストンの両側にそれぞれ設けられた一対のバネと、両端板の内側にそれぞれ設置された弾性緩衝材とからなり、
   前記バネの一端部がピストンに固定され、他端部と前記弾性緩衝材との間に遊間部が設けられ、
   前記上部構造と基礎構造との相対変位が前記遊間部を超えると、前記バネの圧縮によって生じた弾性反力で地震エネルギーを吸収する機能と、免震装置の過大変形を防止するストッパー機能と、地震後の免震建物の変形を復元する機能とを有する構成にしたこと
   を特徴とするバネ式制震ダンパー。
2. 前記遊間部を前記免震装置の限界変形許容値の７０〜８０％とし、且つ、前記相対変位が前記免震装置の限界変形許容値に達する直前に、前記バネが密着するようにしてあること
   を特徴とする請求項１に記載のバネ式制震ダンパー。
3. 前記バネをコイルバネとし、該バネの内側に所要の隙間をもって複数の座屈防止材をシリンダ全長に亘って設置されること
   を特徴とする請求項１または２に記載のバネ式制震ダンパー。
4. 前記バネが少なくとも二つの異なるバネ係数を一連に長さ方向に組み合わせたものとすること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバネ式制震ダンパー。

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