JP6909465B2 - 免震装置 - Google Patents
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Description
たとえば、特許文献1では、複数の空気ばねを近接配置し、各空気ばねを構成する膜状筒部材を連結部材で連結する構成が提案されている。また、これら各空気ばねは、容積が一定の膜状筒部材で構成され、膜状筒部材内の限られた容積の中には、所定の圧力で空気が充填されている。
そして、このような構成とすることで、地震による揺れが入力された際に、空気ばねが揺れを吸収するとともに、空気ばねが水平面に対して傾斜するように変形することを抑制している。
また、このような空気ばねは、揺れの大きさによって、空気ばね内部の圧力が変化し、振幅の大きな揺れが入力された場合には、内部が高圧になるため、そのばね定数が、さらに大きくなってしまう。
このように、ばね定数を小さくするために、容積が一定の空気ばねを採用しようとしても、意図したほどにはばね定数を小さくすることができない、という問題がある。
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<免震装置の構成>
本実施形態の免震装置1は、地震等による上下方向に沿った一方向の揺れを遮断するための構成であり、図1に示すように、シリンダ側部材10、ピストン側部材20、およびガイド機構30を備えている。また、免震装置1が稼動する際には、作動流体としての空気が、図外の圧縮機から免震装置1に供給される。そして、免震装置1は、建物の基礎部分(図示せず)と、建物本体(図示せず)との間に設置され、建物をバランス良く支えられるように、同一規格のものが、所定の位置に、複数設置されている。
なお、説明の都合上、建物本体による荷重Wを図中ではウェイトの形で表している。
また、水平方向の揺れは、別に用意される水平免震装置(図示せず)によって遮断される。
作動流体としての空気は、圧縮性を有する粘性流体である。
シリンダベース11は、地面側である建物の基礎部分に設置される部位である。
シリンダ12は、円筒形状を備え、地面側の一端がシリンダベース11によって閉止されている。シリンダ12は、筒軸C12が上下方向に沿うように、他端が上方に向かって開口して配置され、筒内には、後述するピストン22が上方から挿通される。また、シリンダ12には、供給管14が接続されている。
供給管14は、圧縮機で昇圧された空気を、シリンダ12の内部に供給する経路である。そして、供給管14のシリンダ側端部には、内径が所定の寸法に設定されたオリフィス15が設置されている。
フランジ13は、ガイド機構30を支持する部位である。
ピストンベース21は、被支持物側である建物本体に設置される部位である。
ピストン22は、シリンダ12内を筒軸方向に沿って変位可能に、シリンダ12内に挿通される部材で、丸棒形状を備えている。また、ピストン22は、その外径であるピストン外径D22が、シリンダ12の内径であるシリンダ内径D12よりも僅かに小さくなるように設定されている。
そして、シリンダ内周面とピストン外周面との間に形成される空間が、流体流路40に設定されている。つまり、流体流路40は、径方向におけるシリンダ12とピストン22との間に形成され、シリンダ12の内部とシリンダ12の外部とを連通している。
ガイド軸31は、丸棒形状を備え、シリンダ12の筒軸C12と平行になるように、ピストンベース21に支持されている。
ガイド軸受32は、ガイド軸31の軸方向への変位を自在に可能としつつ、径方向への変位を規制した状態で、ガイド軸31を支持している。
なお、本実施形態では、ガイド機構30は、シリンダ12の周方向に対して等角度間隔に、4箇所配置されている(図1参照)。
ピストン側部材20は、ガイド機構30にガイドされていることで、ピストン22が、シリンダ12内での径方向への変位が規制されつつ、シリンダ12内での鉛直方向(筒軸方向)への変位が、自在に可能となっている。つまり、ピストンベース21とシリンダベース11とが、筒軸方向に対して、相対的に変位可能に構成されている。
本実施形態の免震装置1は、稼動している間は常に、図外の圧縮機で昇圧された空気が、供給管14を通じて、シリンダ12内に供給される。そして、シリンダ12内に供給された空気は、ピストン22を押上げつつ、流体流路40から外部へ流出する。
供給される空気の圧力と供給量とは、ピストン22を押上げる力と、ピストン22に掛かる荷重Wとが釣合うように設定される。
なお、ピストン22を押上げる力は、供給される空気の圧力と、ピストン22の断面積との積で求められる。また、ピストン22に掛かる荷重Wは、免震装置1が支える建物本体の重量、およびピストン側部材20の重量の和で求められる。
ピストン22が平衡位置よりも上がり、ピストン22とシリンダ12との重なりが小さくなると、粘性抵抗が減少し、空気が抜けやすくなって、シリンダ内圧が下がり、ピストン22に掛かる荷重Wによって、ピストン22が釣り合い位置側へ下がる。
このような働きによって、供給される空気の供給量と、流体流路40から流出する空気の流量とが釣合い、平衡位置に保持される。
揺れが入力されず、平衡位置に保持された状態を維持、継続しているのが、待機状態である。
また、流体流路40からの流出量は、流体流路40で作用する粘性抵抗、およびシリンダ12内の圧力との関係で定まる。
次に、地震などによる上下方向の振動(揺れ)が、免震装置1に入力された場合について説明する。
地震の揺れによって、シリンダ側部材10の位置が上昇する場合、供給される空気の圧力はそのままに、建物本体の重量が、一時的に増加したのと同様の状態になる。このため、増加した重量での平衡位置に向かって、ピストン22とシリンダ12とが相対的に近づく方向へ変位するとともに、流体流路40を通じて流出する空気の量が増加する。
ところが、ピストン22とシリンダ12とが近づくことで、ピストン22とシリンダ12との重なりが、待機状態(平衡位置)よりも大きくなる。
そして、ピストン22とシリンダ12との重なりが大きくなると、流体流路40の流路長が長くなり、流体流路40を通じて流出する空気に働く粘性抵抗が増大し、空気が流体流路40から流出しにくくなる。つまり、ピストン22とシリンダ12との間隔が、縮みにくくなる。
このような働きによって、シリンダ側部材10が上昇する方向の揺れに対する応答に遅れが生じるとともに、入力される揺れに対する応答のオーバーシュートが抑制される。
ところが、ピストン22とシリンダ12とが離れることで、ピストン22とシリンダ12との重なりが、待機状態(平衡位置)よりも小さくなる。
そして、ピストン22とシリンダ12との重なりが小さくなると、流体流路40を通じて流出する空気に働く粘性抵抗が減少し、空気が流体流路40から流出しやすくなる。つまり、ピストン22とシリンダ12との間隔が、縮みやすくなる。そして、ピストン22には、建物本体の重量が掛かっているため、間隔の広がりが抑制される。
このような働きによって、シリンダ側部材10が下降する方向の揺れに対する応答に遅れが生じるとともに、入力に対する応答のオーバーシュートが抑制される。
以上のような働きによって、免震装置1は、ばね定数の小さなばね材を備えているかのように振る舞い、揺れを吸収する。
本実施形態では、粘性流体からなる作動流体としての空気が、密閉されずに、シリンダ12内へ、ピストンを押上げる力と、ピストンに掛かる荷重とが釣合うように設定された圧力と供給量で供給されつつ、シリンダ12外へ流出することで、揺れていない待機状態では、空気の圧力で被支持物としての建物本体を平衡位置で支えることができる。
また、地震等の揺れが入力されて、ピストン22が往復動する揺れ吸収状態では、空気が、ばね定数の小さなばねのように振る舞い、被支持物と免震装置1が構成する固有振動数を下げつつ、揺れを吸収することができる。
このように、作動流体を循環させるための回収手段を設ける必要がないため、装置全体の小型化と、低コスト化を図ることができる。
なお、チョーク流れとは、オリフィス15などの絞りによって、マッハ数M=1の臨界状態になった流れのことである。チョーク流れになると、オリフィス15前後の圧力差をさらに大きくしても流量をそれ以上流すことができないため、流量が一定となる。
このように、内径が所定の寸法に設定されたオリフィス15を、供給管14内に配置するという比較的単純な構成で、空気の供給量を一定にすることができる。
これによって、装置全体の構成、および運用方法を簡素化でき、より高い信頼性を発揮することができる。
これによって、ピストン22が往復動する際に、シリンダ12をこじることがなくなり、よりスムーズな動きで揺れを吸収することができ、さらに免震性能を高めることができる。
これによって、装置全体の構成、および運用方法を簡素化でき、より高い信頼性を発揮することができる。
たとえば、ピストン側部材20が、地面側である建物の基礎部分に固定され、シリンダ側部材10が、被支持物側である建物本体に固定されるように、第1実施形態の配置に対して、逆さまに配置することも可能である。
このような形態で、配置された場合にも、前述の構成と同様の作用効果が得られる。また、このような形態で配置することで、図外の圧縮機を建物本体側に配置することが容易になる。
これによって、震度の大きな揺れの最中であっても、シリンダ12内への圧縮した空気の供給を安定して行えるため、免震装置1の信頼性をさらに高めることができる。
たとえば、免震化されていない建物の室内に、小型化した本実施形態の免震装置1を設置して、室内に配置される物品を支え、物品に対する建物からの揺れを遮断する構成することも可能である。
たとえば、別の運用方法として、待機状態では、空気の供給を停止して、図3(a)に示すような状態で、建物本体を支える。そして、緊急地震速報等を受信するなどして、地震が発生する直前に空気の供給を開始し、図2の状態にする、というような運用方法をとることも可能である。
次に、本発明の第1実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図4(a)、(b)に示すように、本実施形態の免震装置1aと前述の第1実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、シリンダ12a、およびピストン22aの断面形状である。
前述の第1実施形態では、図2(b)に示すように、シリンダ12a、およびピストン22aの断面形状は、ともに円形である。
ところが、本態様では、シリンダ12aが、内歯歯車のような形状を備えとともに、ピストン22aが、外歯歯車のような形状を備えている。そして、スプライン軸が嵌り合うように、ピストン22aがシリンダ12a内に、所定の間隔を空けつつ、挿通されている。
本態様のような形態とすることで、シリンダ12aとピストン22aとが対向する面積を広げることができるため、粘性抵抗をより強く作用させることができる。
これによって、作動流体を別の物質に代えずに粘性抵抗をより強く作用させることができる。
次に、本発明の第2実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図5、図6(a)〜(c)に示すように、本実施形態の免震装置1Aと前述の第1実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、流体流路40の開閉を行う閉止機構50を備えている点である。
閉止機構50は、閉止部材51、および閉止手段52を備えている。
閉止部材51は、円環形状を備え、中央部に開口する閉止円孔51aは、その孔径D51aが、ピストン外径D22とほぼ同一に設定されている。そして、閉止部材51は、ピストン22の外周面上をガタ付くことなく、後述する閉止位置(図6(a)参照)と、後述する開放位置(図6(b)参照)との間で、軸方向に沿って自在に移動可能に配置されている。また、閉止部材51には、閉止円孔51aの縁部に、シール部51bが設けられている。
シール部51bは、半円形状の突起からなり、閉止部材51が閉止位置に保持された状態では、流体流路40の出口に圧接され、流体流路40の出口を密閉する。
閉止シリンダ53は、地面側の一端が閉止された円筒状形状を備え、シリンダ12の外側に、シリンダ12と平行に配置されている。また、閉止シリンダ53の両端部には、作動管55が接続されている。
作動管55は、フランジ側が閉止側作動管55aに設定され、シリンダベース側が開放側作動管55bに設定されている。
閉止ピストン54は、閉止シリンダ53の内径とほぼ同一の外径を備えた円板形状を備えている。また、閉止ピストン54は、閉止シリンダ53の内部を、軸方向に2つの領域に分けつつ、自在に移動可能に配置されている。
このような構成を備えた閉止機構50は、閉止シリンダ53内を閉止ピストン54が往復動することで、ピストンシャフト56を介して閉止ピストン54に連結された閉止部材51が、閉止位置と開放位置との間を変位し、流体流路40の出口を開閉する。
揺れ吸収状態(開放位置)では、図6(b)に示すように、閉止シリンダ53内を大気開放する。大気開放すると、流体流路40内の空気の圧力によって、閉止部材51が開放位置へ移動し、流体流路40が開放される。
待機状態と揺れ吸収状態との切換えは、たとえば、緊急地震速報等を受信し、数秒後に震源からの揺れが到達するというタイミングで行う。
また、開放位置は、閉止部材51が流体流路40の出口を開放し、シリンダ12からの空気の流出を可能にする位置である。そして、開放位置に位置する閉止部材51は、図6(b)に示すように、フランジ13とピストンベース21との間に位置し、シリンダ側部材10とともに変位する。
また、図6(c)に示すような位置に別態様の開放位置を設定することも可能である。この開放位置の場合には、閉止側作動管55a内を大気開放しつつ、開放側作動管55b内を加圧する。そして、閉止側作動管55aと開放側作動管55bとの差圧によって、閉止部材51をピストンベース21に当接させ、ピストン側部材20とともに変位させる。
このような運用方法が可能になることによって、待機時には、空気の供給を停止することができる。
これによって、空気をシリンダ12内へ供給するための運用コストが削減でき、免震装置1を低コストで運用することができる。
したがって、閉止部材51を閉止位置に保持するために用いる閉止手段52は、シリンダ12に比べて、小径のものを採用することができる。
また、震源からの揺れが到達する直前に、空気の供給を開始する運用方法と比較して、本実施形態では、シリンダ12内に空気がピストンを押上げる力と、ピストンに掛かる荷重とが釣合うように設定された圧力と供給量で充填された状態で待機しているため、地震に対して、迅速に対応することができる。
次に、本発明の第3実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図7に示すように、本実施形態の免震装置1Bと前述の第1実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、エアタンク60を備えている点である。
エアタンク60は、所定の容積を具備した略箱形状を備え、シリンダ12の外側に配置されている。また、エアタンク60は、その内部が、シリンダ12の内部と、空気の行き来が自在に連通している。
このようなエアタンク60を備えることによって、急激な揺れや振動に対して、エアタンク60内の空気の圧縮、膨張で、吸収することができる。
これによって、さらに免震性能を高めることができる。
なお、シリンダ12内部は、流体流路40を通じて大気開放されている。このため、空気は圧縮、膨張で、揺れを吸収した後には、膨張、圧縮の振動を繰返さずに、供給される空気の圧力に収束する。つまりエアタンク60は、一定容積の空気ばねよりもばね定数の小さなばねとして機能する。
次に、本発明の第3実施形態の別態様について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第3実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図8に示すように、本態様の免震装置1Baと前述の第3実施形態の免震装置1Bとで、大きく異なる構成は、エアタンク60Baの構成である。
本態様のエアタンク60Baは、ピストン22の内部に形成されている。
本態様のように、エアタンク60Baをピストン22の内部に形成することで、前述の第3実施形態のようにシリンダ12の外側にエアタンク60を配置する形態よりも装置全体が簡素化され、軽量化することができる。
また、本態様の形態とすることで、免震装置1を設置する空間が狭く、シリンダ12の外部にエアタンク60を設置できない場合であっても、エアタンク60Baを設置することができる。
これによって、建物の基礎部分側に設置される部材が、シリンダ側部材10、またはピストン側部材20のどちらであっても、建物の基礎部分側に配置される部材の構成をより簡素化することができ、震度の大きな揺れに対して、安定した動作を行うことができる。
次に、本発明の第4実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図9(a)、(b)に示すように、本実施形態の免震装置1Cと前述の第1実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、流体流路40Cを形成する構成である。
本実施形態では、流体流路40Cが、シリンダ12、ピストン22、およびシリンダ12とピストン22との間に設置されるガイド体70Cで構成されている。
ガイド体70Cは、円環状の外形形状を備え、円環形状の外径D70aが、シリンダ内径D12とほぼ一致し、円環形状の内径D70bが、ピストン外径D22と一致するように設定された部材で構成されている。また、ガイド体70Cには、その円環部分に、筒軸方向に沿って貫通する流路孔71が、周方向に等間隔で複数開口している。
ガイド体70Cは、ピストン22の外周に、筒軸方向に所定の間隔を空けて、複数配置されており、ピストン22とともに往復動する。そして、粘性抵抗は、ガイド体70Cとガイド体70Cとの間の領域で発揮される。
つまり、ガイド体70Cを設置することによって、ピストン22の外周面とシリンダ12の内周面とが対向する面積により、粘性抵抗を調整することができる。
したがって、作動流体の流通を妨げることなく、ピストン22が往復動する際に、径方向に振れることによるシリンダ12との衝突を防止することができる。
これによって、ピストン22が往復動する際に、シリンダ12をこじることがなくなり、よりスムーズな動きで揺れを吸収することができ、さらに免震性能を高めることができる。
また、ガイド体70Cを設置することで、ピストン22の外周面とシリンダ12の内周面とが対向する面積が、ガイド体70Cを設置しない場合よりも小さくなるため、粘性抵抗の作用を低減することができる。
これによって、作動流体を別の物質に代えずに、粘性抵抗の作用を低減することができる。
次に、本発明の第4実施形態の第1別態様について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第4実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図10に示すように、本態様の免震装置1Caと前述の第4実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、ガイド体70Caの構成である。
本態様では、円環状のガイド体70Cの代わりに、筒状のガイド体70Caが配置されている。
本態様のガイド体70Caは、外径D70aがシリンダ内径D12と同一に設定されつつ、内径D70bがピストン外径D22とほぼ同一に設定され、シリンダ12内に固定されている。また、ガイド体70Caは、その内周面に、筒軸方向に沿った矩形溝72が複数形成されており、この矩形溝72とピストン22の外周面とで流体流路40Caが形成されている。そして、ガイド体70Caは、ピストン22が往復動する際に、シリンダ12内に固定された状態で、その内周面がピストン22の外周面に摺接する。
本態様のガイド体70Caの形態とした場合でも、前述の第4実施形態と同様の作用効果が得られる。
次に、本発明の第4実施形態の第2別態様について、図面を参照して詳細に説明する。説明において、前述の第4実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図11に示すように、本態様の免震装置1Cbと前述の第4実施形態の免震装置1とで、大きく異なる構成は、ガイド体70Cbの構成である。
本態様では、円環状のガイド体70Cの代わりに、筒状のガイド体70Cbが配置されている。
本態様のガイド体70Cbは、外径D70aがシリンダ内径D12とほぼ同一に設定されつつ、内径D70bがピストン外径D22と同一に設定され、ピストン22の外周に固定されている。また、ガイド体70Cbは、その内周面に、筒軸方向に沿った台形溝73が複数形成されており、この台形溝73とシリンダ12の内周面とで流体流路40Cbが形成されている。そして、ガイド体70Cbは、ピストン22が往復動する際に、シリンダ12内に固定された状態で、その外周面がシリンダ12の内周面に摺接する。
本態様のガイド体70Cbの形態とした場合でも、前述の第4実施形態と同様の作用効果が得られる。
12 シリンダ
22 ピストン
30 ガイド機構
40 流体流路
51 閉止部材
60 エアタンク
70C ガイド体
Claims (6)
- 一端が閉止された筒形状を具備し、地面側と被支持物側のどちらか一方に設置されるシリンダと、
該シリンダの内部を筒軸方向に沿って相対的に変位可能に構成され、地面側と被支持物側の他方に設置されるピストンと、
径方向における該シリンダと該ピストンとの間に、該シリンダの内部と該シリンダの外部とを連通する流体流路と、
粘性流体からなり、該シリンダの内部に、該ピストンを押上げる力と、該ピストンに掛かる荷重とが釣合うように設定された圧力と供給量で供給されつつ、該流体流路を通じて該シリンダの外部へ流出する作動流体と、
前記流体流路を閉止する閉止位置と、該流体流路を開放する開放位置との間で移動可能な閉止部材と、
を備える
ことを特徴とする免震装置。 - 前記作動流体が、
空気からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の免震装置。 - 前記作動流体は、
チョーク流れの状態で、前記シリンダの内部に供給される
ことを特徴とする請求項2に記載の免震装置。 - 所定の容積を具備し、前記シリンダの内部に連通するエアタンクを備える
ことを特徴とする請求項2、または請求項3に記載の免震装置。 - 前記ピストンと前記シリンダとの径方向への相対的な変位を規制しつつ、該ピストンと該シリンダとの軸方向への相対的な変位を可能に支持するガイド機構を備える
ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の免震装置。 - 径方向における前記シリンダと前記ピストンとの間隔を所定の間隔に保持しつつ、前記流体流路を形成するガイド体を備える
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の免震装置。
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