(57)【要約】【課題】強風時には下部構造と上部構造との移動を好適に制御し、無風時は移動制御状態を解除することで、免震効果を従来よりも確実且つ効果的に発揮させることを可能にする風ロック機構を提供する。【解決手段】上部構造Ｔ１と下部構造Ｔ２の間の免震層３に免震装置４と並列に設けられ、コイルに通電する直流電流値の大小に応じて磁場が大小変化し、抵抗力が大小変化するＭＲ抵抗部１と、上部構造Ｔ１に作用する風の大きさに応じて発電し、風の大きさに応じた電力をＭＲ抵抗部１のコイルに供給する風力発電部２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられ、コイルに通電する直流電流値の大小に応じて磁場が大小変化し、抵抗力が大小変化するＭＲ抵抗部と、
前記上部構造に作用する風の大きさに応じて発電し、前記風の大きさに応じた電力を前記ＭＲ抵抗部のコイルに供給する風力発電部とを備えることを特徴とする風ロック機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の免震層に免震装置とともに設けられ、強風時に免震装置の変位を拘束制御するための風ロック機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば中高層建物が巨大地震を受けると、建物の最弱層に損傷が生じて耐力が低下し始め、この層に地震エネルギー（振動エネルギー）が集中して層崩壊が生じ、他の層は健全性が確保されているにもかかわらず、層崩壊モードによって建物が崩壊に至るという現象が発生する。また、崩壊に至らない場合においても、最弱層の被害が甚大となり、補修による復旧が困難になる。
【０００３】
これに対し、周知の通り、オフィスビルや公共施設、集合住宅などの建物には、建物本体と基礎の間など、上部構造体と下部構造体の間の免震層に積層ゴムなどの免震装置を介設することにより、地震時に、上部構造体の固有周期を地震動の卓越周期帯域から長周期側にずらし、応答加速度を小さくして揺れを抑えるようにしたものがある。
【０００４】
一方、免震層を備えた免震建物は、免震層の剛性を限りなく小さくして長周期化するほど大きな地震時応答低減効果を得られるが、免震層の剛性が小さすぎると（免震層が柔らかすぎると）、強風時など、風荷重によって建物が揺れ易くなってしまう。
【０００５】
このため、通常の免震建物／免震設計では、鉛プラグ入り積層ゴムの免震装置を用いたり、鉛ダンパーや鋼材系ダンパーなどを天然ゴム系積層ゴムの免震装置と併用するなどし、その降伏耐力を免震層に作用する風荷重よりも大きくすることによって強風時の揺れを回避するようにしている。
【０００６】
しかしながら、鉛プラグ入り積層ゴムを用いたり、ダンパーを免震装置と併用することにより免震層の降伏耐力を大きくする対策は、当然、その等価剛性を大きくすることを意味し、免震建物の長周期化に相反するため、地震時応答低減効果の低下を招く。
【０００７】
このような背景から、強風（または中小地震）時に免震層を変形させないようにし、且つ、等価剛性を大きくし過ぎず、長周期化による大地震時の応答低減効果を阻害しないようにするための風ロック機構が提案、実用化されている。
【０００８】
具体的に、風荷重よりも大きな設定荷重が作用すると、せん断力で破断するシアピンによって免震建物の下部構造と上部構造を締結し、風荷重作用時に上部構造の移動を拘束する機構（シアピンによる風ロック機構）や、風や地震などの外力をセンサーで検知し、外力の大きさに応じてオイルダンパーの減衰係数をアクティブ制御するもの（アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパー）、台風の接近／通過等に応じて手動で抜き差しするシアピン（ロックピン）をオイルダンパーに設けたもの（パッシブ型風ロック機構付き
オイルダンパー）などが提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、建物上に設置した風車で発電した電力により、電磁石で鋼製吸着板を引き上げて吸着一体化し、下部構造体に設けられた係止孔の環状補強鋼板と鋼製吸着板とが接触することで、免震対象の上部構造体を風荷重時にロック（移動拘束）するように構成したものもある（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
さらに、ＭＲ流体（磁気粘性流体）を利用して抵抗力を可変にしたダンパーが実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。これは、流体に外部から磁界をかけると粘性抵抗が変化するＭＲ流体の特性を利用した装置であり、コイルに流す電流を増せば、摩擦抵抗力と同様、変位によらない減衰力を付与できる特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１７６５２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２３３７０１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】佐藤英児、藤田隆史：ＭＲ流体ダンパを用いたセミアクティブ免震構造、生産研究６７、２００５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、シアピンによる風ロック機構（及びパッシブ型風ロック機構付きオイルダンパー）においては、ロック荷重に達するまでは極めて剛に近い初期剛性を有している。
【００１４】
このため、ロック荷重以下、すなわちロックが解除されない範囲で作用する中小地震などの地動入力加速度については、機構を介して上部建物側へ加速度が直接伝わってしまい、風ロック機構が無い場合と比べて応答を増加させてしまうケースがあった。また、大地震においてもロックが解除されるまでの間は同様に加速度を直接伝えてしまうため、特に装置を設置した直上階及びその上部数層では応答が増加する傾向にあった。
【００１５】
さらに、シアピンによる風ロック機構においては、シアピンのせん断破壊によるロック解除時に、瞬間的に荷重が解放されることから、その荷重が建物の上部構造側に衝撃荷重として伝わり、応答加速度が瞬間的に大きくなるという問題がある。また、シアピンが非常に高価であるという問題がある。
【００１６】
パッシブ型風ロック機構付きオイルダンパーにおいては、風が問題になる前にシアピン（ロックピン）を設置したり、解除したりする作業が必要で、この作業を必ず行えるかという点で疑問が残る。
【００１７】
アクティブ制御型風ロック機構付きオイルダンパーにおいては、万が一故障した場合に風ロック機能が全く発揮されない。このため、電気部品の長期耐久性や信頼性等の観点から万が一故障した場合を想定し、それが作動しないフェールセーフ状態で設計することが必要になる。
【００１８】
風車で発電した電力によって移動拘束制御するように構成したロック機構においても、免震対象の上部構造体が風で変位し始めるときの風力発電量では電磁石の吸着力が小さく、この仕組みで建物を移動拘束することは難しい。また、建物が移動してから吸着したのでは電磁石と鋼製吸着板の位置がずれてしまう問題もある。
【００１９】
また、非特許文献１に開示されたＭＲ流体（磁気粘性流体）を利用して抵抗力を可変にしたダンパーにおいては、単純な構造ではあるがダンパーの寸法に対して反力が小さく、建築用として実用化することは難しい。
【００２０】
上記事情に鑑み、本発明は、風荷重時には下部構造と上部構造とを移動を好適に制御し、地震時には移動制御状態を解除して免震効果を、従来より確実且つ効果的に発揮させることを可能にする風ロック機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００２２】
本発明の風ロック機構は、上部構造と下部構造の間の免震層に免震装置と並列に設けられ、コイルに通電する直流電流値の大小に応じて磁場が大小変化し、抵抗力が大小変化するＭＲ抵抗部と、前記上部構造に作用する風の大きさに応じて発電し、前記風の大きさに応じた電力を前記ＭＲ抵抗部のコイルに供給する風力発電部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の風ロック機構によれば、上部構造と下部構造の間の免震層に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造の拘束や解除を自動的に行うことができ、風荷重時には上部構造と下部構造を移動を制御し、地震時には移動制御状態を解除して上部構造に対する免震効果を従来より確実且つ効果的に発揮させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る風ロック機構を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る風ロック機構のＭＲ抵抗部を備えたＭＲダンパー装置を示す図である。
【図３】図２のＳ１部、Ｓ２部を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＭＲダンパー装置のモデル図である。
【図５】（ａ）は本発明の一実施形態に係る風ロック機構のＭＲ抵抗部を備えたＭＲダンパー装置を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係る風ロック機構について説明する。
【００２６】
本実施形態の風ロック機構Ａは、磁場形成手段であるＭＲ抵抗部１と風力発電部２とを備え、図１に示すように、建物本体と基礎の間など、上部構造Ｔ１と下部構造Ｔ２の間の免震層３に積層ゴムなどの免震装置４と並列にＭＲ抵抗部１を設け、上部構造Ｔ１の頂部に風力発電部２を設けて構成されている。なお、風力発電部２の設置位置を限定する必要はない。
【００２７】
このように構成した本実施形態の風ロック機構Ａは、風荷重によって免震層３を変形させないように、すなわち、強風時に下部構造Ｔ２に対して上部構造Ｔ１を相対変位させないように移動拘束しつつ、大地震時に免震装置による上部構造Ｔ１の免震性能を発揮するものである。すなわち、大地震時には長周期化したまま上部構造Ｔ１の応答低減効果を発揮する。
【００２８】
一方、本実施形態では、図２から図４に示すように、従来の粘性ダンパー（例えばボールねじ機構を利用した「減衰こま」のような粘性ダンパー装置）に風ロック機構ＡのＭＲ抵抗部１を組み込み、ＭＲ抵抗（Ｒ）が粘性減衰（Ｃ）と並列に設けられてＭＲダンパー装置５を構成している。
【００２９】
本実施形態のＭＲダンパー装置５は、図２及び図３に示すように、外殻を形成するケーシング（支持フレーム／シリンダ）６の内側にボールねじ軸７とボールナット８からなるボールねじ機構９を組み込み、ボールねじ軸７をケーシング６にリニアスライダー機構を介して軸方向Ｏ１に変位可能に且つ回転不能に支持させ、さらに、ボールナット８をケーシング６に軸方向Ｏ１に変位不能に且つ回転可能に支持させて構成されている。
【００３０】
また、ケーシング６の一端（上端）とその他端側のボールねじ軸７の一端（下端）を建物の免震層３を挟んで上方の上部構造Ｔ１と下方の下部構造Ｔ２にそれぞれ接続し、ＭＲダンパー装置５は免震層３に設置される。
【００３１】
これにより、ケーシング６の一端とボールねじ軸７の一端を接続した上部構造Ｔ１と下部構造Ｔ２に相対変位が生じると、ＭＲダンパー装置５に軸力が入力され、ボールねじ軸７がケーシング６に対して軸方向Ｏ１に変位しボールナット８が回転する。
【００３２】
本実施形態においては、このように軸方向Ｏ１変位がボールナット８の回転に変換されて風ロック機構ＡのＭＲ抵抗部１に伝達される。
【００３３】
風ロック機構Ａの本体部であるＭＲ抵抗部１は、ボールナット８に内側円筒体１０を介して接続され、ボールナット８とともに回転する回転円盤１１と、ケーシング６に外側円筒体１２を介して接続されて回転不能に設置され、且つ回転円盤１１に対して同軸上に積層配置される固定円盤１３と、回転円盤１１と固定円盤１３との間に挟持されたＭＲ流体コンポジット１４と、ＭＲ流体コンポジット１４に可変磁場を印加するためのコイル１２ａとを備えて構成されている。
【００３４】
ＭＲ流体コンポジット１４は、ＭＲ流体をスポンジや不織布等の多孔質材に含浸させて構成され、ＭＲ流体を作動油等として単独で用いる場合に懸念される強磁性体粒子の沈降を有効に防止できるように構成されている。
【００３５】
ＭＲ流体コンポジット１４は、磁場印加によって形成される強磁性体粒子によるクラスターが多孔質材の繊維に支えられ、ＭＲ流体単体の場合よりも高いＭＲ効果を発揮する。また、コイル１２ａに通電する直流電流値の大小に応じてＭＲ流体コンポジットに印加する磁場が大小変化する。すなわち、印加磁束密度が増加するにつれてＭＲ流体コンポジットに生じるせん断抵抗力が増加するように構成されている。
【００３６】
本実施形態では、このようなＭＲ流体コンポジット１４を回転円盤１１及び固定円盤１３と同様に環状の円盤状に形成し、軸方向Ｏ１に交互に積層配置された複数の回転円盤１１と固定円盤１３の間にそれぞれ挟み込んで、ＭＲ抵抗部１が構成されている。
【００３７】
なお、このようなＭＲ流体コンポジット１４によるせん断抵抗力は、摩擦ダンパーの場合とほぼ同じような特性を示し、ＭＲ流体コンポジット１４が所定のせん断変形を生じるまでは弾性変形によって歪みとともに増大していき、それを超えた後は固定円盤１３や回転円盤１１との界面で滑りが生じ、ほぼ一定の履歴特性となる。
【００３８】
ここで、本実施形態の風ロック機構ＡのＭＲ抵抗部１で生じる荷重Ｆは、ＭＲ流体のせん断抵抗力Ｑ、回転中心からの距離ｒ、ボールナット部の抵抗トルクＴ、ボールねじ軸のリードＬｄ、増速ギアの増速比ｎとすると、次の式（１）及び式（２）で表される。
【００３９】
【数１】
2019002421.tif 000003
【００４０】
【数２】
2019002421.tif 000004
【００４１】
本実施形態の風ロック機構ＡのＭＲ抵抗部１は、単なるダンパーとして機能させるのではなく、免震建物の風に対するロック機能が適切に働くように風速に応じた荷重（ロック荷重）を調整する必要がある。
【００４２】
本実施形態でロック荷重を増大させたい場合、従来のＭＲダンパーよりもＭＲ流体の抵抗力合力の作用位置と回転中心（ボールねじ軸７の中心）との距離ｒを大きくする。これにより、回転円盤１１の径が増加し、抵抗トルクＴを増大させることができる。
【００４３】
また、抵抗トルクＴを軸力に変換する際、リードＬｄに反比例するため、ボールねじ軸７のリード （ねじ山間隔）Ｌｄを小さくする。
【００４４】
さらに、図５に示すように、ＭＲ流体を回転させるボールねじ機構９に増速機構１５を接続してもよい。例えば、遊星ギアなどの増速機構１５を用いてＭＲ流体をボールナット８の５倍で回転させるようにすれば、抵抗トルクＴを５倍にすることができる。増速機構１５としては遊星ギアを用いることができ、外周リングギア１６をケーシング６に固定し、３つのピニオンギア１７をリングギア１６に内接、中央のサンギア１８に外接するように配置し、増速比を例えば５倍にする。
【００４５】
さらに、ＭＲ流体コンポジット１４の材質を選択したり、コイル１２ａの巻数や電流を増加させるなどし、ＭＲ流体に作用する磁界（磁束密度）を増大させる。
【００４６】
このような構成を採用した場合、本実施形態のＭＲダンパー装置５（風ロック機構ＡのＭＲ抵抗部１）は、軸方向Ｏ１に変位ｘが生じると、ボールナット８が回転し、内側円筒体１０が従動回転する。
【００４７】
増速機構１５のサンギア１８が内側円筒体１０に一体に接続され、外側円筒体１２ひいては固定円盤１３がケーシング６に一体に接続されているため、内側円筒体１０がθ回転すると、増速機構１５によりサンギア１８は５θだけ回転し、ＭＲ抵抗部１の内側円筒体１０と外側円筒体１２及び固定円盤１３との相対回転量も５θとなる。
【００４８】
ここで、非特許文献１の小型試験体を製作してＭＲダンパー装置５の反力について検討した結果から、製品化する風ロックダンパーについて説明する。
【００４９】
小型試験体はコイル１２ａに通電する電流０．５Ａで反力（せん断抵抗力）２０ｋＮ程度が得られるものである。
【００５０】
これに基づき、磁界（磁束密度）を同じにしてＭＲ抵抗部１の径を２倍にすると、せん断抵抗合力Ｑは４倍、回転中心からの距離は２倍になることから、抵抗トルクは８倍となる。
【００５１】
試験体はボールねじ軸７の定格荷重が２０ｋＮだったので反力３０ｋＮ以下しか実験していないが、ダンパー耐力を増せば磁界を上げて反力を増やすことが可能なので、ここでは磁界を２倍として計算する。ただし、ボールねじ機構９も大型化するので、実験時のリード３０を５０とする。
【００５２】
増速比５倍の増速機構１５を用いることで、ボールねじ機構９に作用するトルクはＭＲ抵抗部１で生じるトルクの５倍となる。
【００５３】
したがって、小型試験体の２倍のサイズで製品化したときのダンパー反力は、ＭＲ抵抗部１で生じるトルクが試験体の８倍となる。また、磁界を２倍にすることで２倍となる。さらに、リードを３０から５０にすることで、３／５＝０．６倍となる。また、増速機構１５を用いることで５倍となる。よって、これら合計により（８×２×０．６×５）４８倍にできることが分かる。なお、ＭＲ流体面積は２２＝４倍、磁界２倍にする電流と電圧を２倍、消費電力は４×２×２＝１６倍となる。
【００５４】
試験体の反力２０ｋＮなので、製品化したときのダンパー反力は９６０ｋＮ（約１００ｔｏｎｆ）程度となる。これは一般的な免震用オイルダンパーと同程度であることから、実用上で十分な性能が得られると言える。
【００５５】
一方、本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、図１（及び図２から図５）に示すように、建物上部に設置した風力発電部２（風車２ａなどを備えた風力発電機）によって発電した電力をＭＲ抵抗部１のコイル１２ａに供給する。
【００５６】
これにより、本実施形態のＭＲダンパー装置５は、両端の変位が生じるとボールねじ軸７が回転し、これと一体化されている内側円筒体１０が回転する。そして、強風などによって風力発電部２が駆動し、ＭＲ抵抗部１に風力発電部２から電力が供給されると磁場が形成され、ＭＲ流体の粘性抵抗が増して抵抗トルクとなり、ボールねじ機構９に大きな軸抵抗力（反力）が作用する。
【００５７】
なお、発電電力を直接ＭＲ抵抗部１に供給するほか、制御回路を介して下記機能を追加してもよい。
【００５８】
電流（電圧）保護回路を設け、強風で発電量が大きい場合にはＭＲ抵抗部１への供給電力を頭打ちする。このようにすると、所定以上の電力が供給されないため、ＭＲ抵抗部１の反力も頭打ちとなる。
【００５９】
また、風が小さいときでも、建物の上部構造Ｔ１の振動により免震層３に変位が生じる場合がある。これに対し、発電量の一部を蓄電し、風が止んでも例えば１０分程度の間、ＭＲ抵抗部１に電力を供給し続けるように構成すれば、小さな風（風荷重）で上部構造Ｔ１の振動により免震層３が変位することを防止できる。
【００６０】
なお、小型試験体で供給した電力が電流０．５Ａ、電圧３０Ｖより１５Ｗ／台であることから、製品化したダンパーの定格電力は１６倍として１５Ｗ／台×１６倍＝２４０Ｗ／台となる。定格出力２ｋＷの風力発電機を設置したとすると、２０００Ｗ÷２４０Ｗ／台＝８．３台となり、ＭＲダンパー８台分の電力供給が行えることになる。これにより、免震層３における風ロック荷重は８台×９６０ｋＮ＝７６８０ｋＮであるから、平面３０ｍ×３０ｍで２０階建の建物にも十分に適用可能であると言える。
【００６１】
よって、本実施形態の風ロック機構Ａにおいては、免震建物の風揺れを防止する風ロック機構Ａを外部電源の供給がないパッシブシステムとして構成できる。このため停電時にも全く問題ない信頼性の高い機構を実現することができる。
【００６２】
また、風が吹かないときは風力発電部２からＭＲ抵抗部１に電力供給されず、ＭＲ抵抗部１の反力、すなわちロック荷重がほぼ０となるため、ロック機構による残留変位は生じない。また、シアピン（せん断キー）のように破断しないので地震後に取り付けに行く必要がなく、基本的にメンテナンスフリーとなる。
【００６３】
さらに、ＭＲ抵抗部１のコイル電流を制御することにより、風ロック荷重を任意に設定できる。これにより、風力発電部２からＭＲ抵抗部１に電流制御回路を介して電力供給することによってロック荷重（係止荷重）の上限を容易に設定することが可能になる。
【００６４】
また、ＭＲ抵抗部１は摩擦ダンパーと類似した履歴特性をもち、変位拘束時の初期剛性が高いため、風荷重時における免震層３の揺れを極めて小さくできる。
【００６５】
さらに、風力発電部２は、風速が大きいほど発電量も大きくなる。この電力をＭＲ抵抗部１に供給することから、ロック荷重は建物に作用する風荷重が大きいほど増大する。これにより、合理的なシステムを構築することが可能になる。
【００６６】
また、風ロック時に地震が生じた場合には、風ロック荷重を摩擦抵抗力とみなした摩擦ダンパーとして機能する。通常の設計では風と地震が同時に作用することを想定しないのに対し、本発明に係る風ロック機構Ａによって風ロック荷重をもつ摩擦ダンパーが付加されたように扱うことができる。
なお、一般的に設計用の風荷重は地震荷重よりかなり小さいため、風ロックが付加されても耐震性に問題は生じない。また、風ロック荷重が加算されるので上部構造の応答加速度が増加し免震性能はやや劣化するが、通常の設計で考慮しない「風＋地震同時作用時」であるため、特に問題とはならない。
【００６７】
さらに、経年劣化の少ない単純な構成であり、量産化すれば安価に供給できる。
【００６８】
また、ＭＲ抵抗部１の両端接合部は従来のオイルダンパーと同様の構成を採用でき、設置工事に際して特別な技量を要しない。電気工事はコイル１２ａに配線を接続するだけなので容易に施工することも可能である。
【００６９】
さらに、従来の粘性ダンパー装置とＭＲダンパー部（ＭＲ抵抗部１）を一体に組み込んで構成すれば、粘性減衰（Ｃ）とＭＲ抵抗（Ｒ）が並列した装置となり、コンパクトな構成で安価に製造できる。
【００７０】
したがって、本実施形態の風ロック機構Ａを上部構造Ｔ１と下部構造Ｔ２の間の免震層に設けることにより、外部電力を使わずに上部構造Ｔ１の拘束や解除を自動的に行うことができ、強風時には上部構造Ｔ１と下部構造Ｔ２との移動を制御し、無風時は移動制御状態を解除することで、上部構造Ｔ１に対する免震効果を従来よりも確実且つ効果的に発揮させることが可能になる。
【００７１】
以上、本発明に係る風ロック機構の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１      ＭＲ抵抗部
２      風力発電部
３      免震層
４      免震装置
５      ＭＲダンパー装置
６      ケーシング
７      ボールねじ軸
８      ボールナット
９      ボールねじ機構
１０    内側円筒体
１１    回転円盤
１２    外側円筒体
１２ａ  コイル
１３    固定円盤
１４    ＭＲ流体コンポジット
１５    増速機構
１６    リングギア
１７    ピニオンギア
１８    サンギア
Ａ      風ロック機構
Ｏ１    軸方向（軸線）
Ｔ１    上部構造
Ｔ２    下部構造
【図１】
2019002421.tif 000005
【図２】
2019002421.tif 000006
【図３】
2019002421.tif 000007
【図４】
2019002421.tif 000008
【図５】
2019002421.tif 000009