JP7421191B2 - 減衰装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに直列に連結されるオイルダンパー及び弾性機構を備える減衰装置に関する。

特許文献１には、互いに直列に連結されるオイルダンパー及び弾性機構を有した減衰装置を建物に設置する技術が開示されている。オイルダンパーの減衰係数及び弾性機構のばね定数は、減衰装置が設置される建物に合わせて設計される。ところが、建物の構築の際に誤差が発生した場合、オイルダンパーの弾性機構のばね定数がその建物に適さないことがある。

特開２０１５－１０５５５４号公報

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、減衰装置の弾性機構のばね定数を設置現場の状況に適合できるようにすることである。

以上の課題を解決するために、減衰装置が、オイルダンパーと、前記オイルダンパーに直列に連結される弾性機構と、を備え、前記弾性機構は圧縮量の調整によりばね定数が調整可能である。
よって、弾性機構の圧縮量を調整することによってばね定数を設置現場の状況に適合するように調整することができる。

好ましくは、前記弾性機構が、シリンダーと、前記オイルダンパーに連結され、前記シリンダーの一端に設けられる第１エンドプレートと、前記シリンダーの他端に設けられる第２エンドプレートと、前記第２エンドプレートを貫通して前記シリンダーに挿入され、軸方向に移動可能なピストンロッドと、前記シリンダー内において前記ピストンロッドの外周面から径方向外方に向かって突出するフランジと、前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートに螺合して、軸方向に前記シリンダー内に突き出る調整ボルトと、前記シリンダー内において前記調整ボルトに突き当てられ、軸方向に移動可能な座板と、前記フランジと前記座板との間に挟まれる第１の非線形スプリングと、前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートのうち前記調整ボルトが螺合してしてないエンドプレートと前記フランジとの間に挟まれる第２の非線形スプリングと、を有する。
よって、調整ボルトをねじ込めば、第１及び第２の非線形スプリングの圧縮変位が増加するため、弾性機構のばね定数が調整される。調整ボルトを緩めれば、第１及び第２の非線形スプリングの圧縮変位が減少するため、弾性機構のばね定数が調整される。

本発明によれば、減衰装置の弾性機構のばね定数を設置現場の状況に適合するように調整できる。

減衰装置を一部破断して示した部分断面図である。 図１の一部の拡大図である。 減衰装置のモデル図である。 減衰装置の弾性機構の弾性特性を示したグラフである。 変位の応答特性についてのシミュレーション結果である。 加速度の応答特性についてのシミュレーション結果である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているので、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は減衰装置１の一部を破断して示した部分断面図であり、図２は図１の一部の拡大図であり、図３は減衰装置１を力学的にモデル化して示した図面である。この減衰装置１は、その両端部（つまり、後述の連結部４０，５０）が建物等の構造物に連結されて、地震等による構造物の振動エネルギーを吸収することによって構造物の振動を減衰させる。

減衰装置１は、オイルダンパー１０と、弾性機構３０と、連結部４０，５０と、連結ブロック６０とを備える。オイルダンパー１０と弾性機構３０はこれらの間に連結ブロック６０を介在させて、連結部４０と連結部５０との間において直列に互いに連結される。オイルダンパー１０は、力学的に粘弾性体として機能するため、ばね１１０とダッシュポッド１１２を直列に連結したマクスウェルモデルにモデル化される。弾性機構３０は、力学的にばね１３０として機能する。弾性機構３０がオイルダンパー１０に直列に連結されるため、減衰装置１全体としてのばね定数、つまりばね１１０とばね１３０の直列のばね定数は、オイルダンパー１０のばね１１０のばね定数よりも小さくなる。

弾性機構３０のばね定数は減衰装置１の設置現場の状況に適合させるべく調整可能である。具体的には、図４に示すように、弾性機構３０の変位と荷重の関係は非線形であり、変位が大きくなるにつれて傾きが小さく（剛性が低く）なるものの、変位の狭い範囲では傾きが一定で線形とみなすことができる。したがって、弾性機構３０の初期変位を調整することによって弾性機構３０のばね定数が調整され、弾性機構３０が地震等によって微視的に変位しても荷重と変位は正比例の関係にみなせる。

弾性機構３０のばね定数を調整することにより、減衰装置１全体としてのばね定数、つまりばね１１０とばね１３０の直列のばね定数も調整することができる。

オイルダンパー１０はシリンダー１１、ロッド１２、ピストン及びオイルを備える。オイルがシリンダー１１に封入されている。ロッド１２の一部がシリンダー１１に挿入されて、ピストンがそのロッド１２の基端部に取り付けられており、ロッド１２及びピストンが軸方向に移動可能となっている。ピストンがシリンダー１１内の空間を軸方向に区画する。ピストンには制御弁が設けられ、ピストンによって仕切られた一方の空間内のオイルがピストンの軸方向の移動に伴って他方の空間へ制御弁を通過し、その通過抵抗によりロッド１２の振動が減衰する。なお、シリンダー１１内に、オイルの存在する空間と気体の存在する空間を仕切るフリーピストンが設けられてもよい。

オイルダンパー１０のロッド１２の先端には連結部４０が設けられ、その連結部４０が軸方向に直交するピンの回りに回転可能にビル等の構造体に連結される。シリンダー１１の基端部が連結ブロック６０を介して弾性機構３０に連結されている。

弾性機構３０はシリンダー３１、エンドプレート３２、エンドプレート３３、ピストンロッド３４、フランジ３５、座板３６、調整ボルト３７、非線形スプリング３８及び非線形スプリング３９を有する。

シリンダー３１は両端が開口した筒状に設けられている。エンドプレート３２がシリンダー３１の一端にボルト等によって固定され、エンドプレート３３がシリンダー３１の他端にボルト等によって固定されている。シリンダー３１の両端の開口がそれぞれエンドプレート３２，３３によって蓋をされている。エンドプレート３２の中央には開口３２ａが形成されており、連結ブロック６０がボルト等によってエンドプレート３２に固定されて、開口３２ａが連結ブロック６０によって蓋をされている。

ピストンロッド３４がエンドプレート３３の開口３３ａを貫通して、ピストンロッド３４の一部がシリンダー３１に挿入されている。ピストンロッド３４の一端がシリンダー３１内においてエンドプレート３２の開口３２ａに差し込まれ、ピストンロッド３４の他端がシリンダー３１の外において連結部５０に取り付けられている。連結部５０は軸方向に直交するピンの回りに回転可能にビル等の構造体に連結される。

座板３６はシリンダー３１内のエンドプレート３３寄りに収容されている。この座板３６がリング状に設けられ、ピストンロッド３４が座板３６の穴に挿入されている。この座板３６は軸方向に移動可能に設けられている。

ピストンロッド３４の中間部にはフランジ３５が一体に設けられている。このフランジ３５はピストンロッド３４の外周面から径方向外方に向かって突出している。フランジ３５は、シリンダー３１内に収容されて、座板３６とエンドプレート３２との間に位置している。

非線形スプリング３８がシリンダー３１内においてエンドプレート３２とフランジ３５との間に挟まれており、非線形スプリング３９がシリンダー３１内においてフランジ３５と座板３６との間に挟まれている。非線形スプリング３８は、複数の皿ばね３８ａが軸方向に積み重ねられることにより構成された皿ばね積層体からなる。非線形スプリング３９も、複数の皿ばね３９ａが軸方向に積み重ねられることにより構成された皿ばね積層体からなる。皿ばね３８ａ，３９ａは非線形ばねであり、皿ばね３８ａ，３９ａの圧縮量が大きくなるにつれて皿ばね３８ａ，３９ａのばね定数が小さくなる。なお、逆に、皿ばね３８ａ，３９ａの圧縮量が小さくなるにつれて皿ばね３８ａ，３９ａのばね定数が大きくなってもよい。

エンドプレート３３には複数の雌ねじ穴が周方向に等間隔で形成されている。複数の調整ボルト３７が複数の雌ねじ穴にそれぞれねじ込まれて、各調整ボルト３７の先端が座板３６に突き当てられている。

以上の減衰装置１においては、弾性機構３０のばね定数を設置現場の状況に適合するように調整できる。調整に際しては、作業者が調整ボルト３７を回転させることによって、エンドプレート３３からシリンダー３１内への調整ボルト３７の突出長さを調整して、座板３６の初期位置を軸方向に調整する。具体的には、調整ボルト３７によって座板３６の初期位置をエンドプレート３３から離すにつれて、非線形スプリング３８，３９の圧縮量及び弾性機構３０の初期変位が増加する。これにより、弾性機構３０のばね定数を小さく調整することができる。一方、調整ボルト３７によって座板３６の初期位置をエンドプレート３３に近づけるにつれて、非線形スプリング３８，３９の圧縮量及び弾性機構３０の初期変位が減少する。これにより、弾性機構３０のばね定数、つまりばね１３０のばね定数を大きく調整することができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以上の実施形態からの変更点について以下に説明する。以下に説明する変形点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。

（１） 上述の実施形態では、非線形スプリング３８及び非線形スプリング３９が皿ばね積層体である。それに対して、非線形スプリング３８及び非線形スプリング３９が例えば丸線コイルスプリング（例えば、テーパーコイルスプリング、不等ピッチコイルスプリング）、板ばね又は角ばねであってもよい。

（２） 上述の実施形態では、調整ボルト３７がエンドプレート３３に螺合している。それに対して、調整ボルト３７がエンドプレート３２に螺合してもよい。この場合、座板３６がシリンダー３１内のエンドプレート３２寄りに収容され、調整ボルト３７の先端が座板３６に突き当てられている。更に、非線形スプリング３８がシリンダー３１内において座板３６とフランジ３５との間に挟まれており、非線形スプリング３９がシリンダー３１内においてフランジ３５とエンドプレート３３との間に挟まれている。

実施例１及び実施例２として減衰装置１を不減衰の１自由度の主系（主系は構造物のモデル）と基礎との間に連結した場合と、比較例として減衰装置１を連結していない場合について、主系の応答特性をシミュレーションし、その結果を図５及び図６に示す。図５のグラフの横軸は振動数を表し、縦軸は変位に関する応答倍率を表す。変位に関する応答倍率とは、基礎の変位に対する主系の相対変位の比のことをいい、主系の相対変位は主系の変位と基礎の絶対変位の差分のことをいう。図６のグラフの横軸は振動数を表し、縦軸は加速度に関する応答倍率を表す。加速度に関する応答倍率とは、基礎の加速度に対する主系の絶対加速度の比のことをいう。

比較例のように減衰装置１を連結していない場合、変位に関する応答倍率は次式（１）によって求まり、加速度に関する応答倍率は次式（２）によって求まる。

実施例１及び実施例２のように減衰装置１を連結した場合、変位に関する応答倍率は次式（３）によって求まり、加速度に関する応答倍率は次式（４）によって求まる。

ここで、図５及図６のように応答倍率を算出にするにあたって、各パラメータの値は以下のようにした。

図５及び図６から明らかなように、実施例１及び実施例２のように減衰装置１を設けると、主系の固有振動数近傍で応答倍率が大きく低下していることがわかる。また、実施例１の減衰装置１による応答特性が実施例２の減衰装置１による応答特性と異なることから、調整ボルト３７の回転により弾性機構３０のばね定数ｋ_aを調整すれば、減衰装置１による応答特性を調整できることがわかる。従って、調整ボルト３７の回転により弾性機構３０のばね定数ｋ_aを調整することによって、減衰装置１の設置現場の状況に合わせて減衰装置１による応答特性を最適化することができる。

１…減衰装置
１０…オイルダンパー
３０…弾性機構
３１…シリンダー
３２…エンドプレート
３３…エンドプレート
３４…ピストンロッド
３５…フランジ
３６…座板
３７…調整ボルト
３８…非線形スプリング
３９…非線形スプリング

Claims (2)

1. オイルダンパーと、
   前記オイルダンパーに直列に連結される弾性機構と、を備え、
   前記弾性機構は圧縮量の調整によりばね定数が調整可能である減衰装置。
2. 前記弾性機構が、
   シリンダーと、
   前記オイルダンパーに連結され、前記シリンダーの一端に設けられる第１エンドプレートと、
   前記シリンダーの他端に設けられる第２エンドプレートと、
   前記第２エンドプレートを貫通して前記シリンダーに挿入され、軸方向に移動可能なピストンロッドと、
   前記シリンダー内において前記ピストンロッドの外周面から径方向外方に向かって突出するフランジと、
   前記第１エンドプレート又は前記第２エンドプレートに螺合して、軸方向に前記シリンダー内に突き出る調整ボルトと、
   前記シリンダー内において前記調整ボルトに突き当てられ、軸方向に移動可能な座板と、
   前記フランジと前記座板との間に挟まれる第１の非線形スプリングと、
   前記第１エンドプレート及び前記第２エンドプレートのうち前記調整ボルトが螺合してしてないエンドプレートと前記フランジとの間に挟まれる第２の非線形スプリングと、を有する請求項１に記載の減衰装置。

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