(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平２方向について制震装置としての機能を有し、そのうちの１方向について、
構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる受動型の制震装置、
または構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備えた制震装置、
または構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる制震装置、
または第１の重錘と、構造物に対し前記第１の重錘を支持する支持体と、前記第１の重錘との間に作用する制御力により駆動され前記第１の重錘に対し相対移動可能な第２の重錘とを備えた制震装置
のいずれかの制震装置を構成し、
前記水平２方向のうちの他の方向について、
構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる受動型の制震装置、
または構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備えた制震装置、
または構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる制震装置、
または第１の重錘と、構造物に対し前記第１の重錘を支持する支持体と、前記第１の重錘との間に作用する制御力により駆動され前記第１の重錘に対し相対移動可能な第２の重錘とを備えた制震装置
のいずれかの制震装置を構成し、
前記支持体として、支持面である上端および設置面である下端を円弧状の凸面とし、前記凸面の曲率半径を支持体の長さより大きくした複数の転がり振子を用い、前記転がり振子の周期を転がり振子の振動が前記構造物の振動に同調するように設定することにより、転がり振子に前記バネ機構の機能を持たせてなり、前記転がり振子は、軸部と、前記軸部の上端に設けた上転がり部と、前記軸部の下端に設けた下転がり部とからなり、前記上転がり部と下転がり部が互いに異なる一方向についての凸面を有し、かつ前記上転がり部と下転がり部の凸面の曲率半径がそれぞれ異なることを特徴とする構造物用制震装置。
【請求項２】
前記軸部を長さ調整可能とした請求項１記載の構造物用制震装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、重錘支持機構として転がり振子を用いた構造物用制震装置に関するもので、建物、橋梁、その他の構造物の頂部または構造物内に設置し、地震や風等による構造物の応答を低減するために用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
受動型の制震装置としては、動吸振器と呼ばれるもの〔以下、ＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパの略）と呼ぶ〕があり、構造物に適用したものとしては、例えば特開昭６３−７６９３２号公報や特開昭６３−１１４７７３号公報に記載されたもの等がある。
【０００３】
ＴＭＤの基本的な構成は、主振動系を構成する構造物に対し、吸振系を構成する重錘をバネとダンパで連結したものであり、重錘の質量、バネのバネ定数やダンパの減衰係数などを調整し、吸振系の振動を主振動系の振動に同調させることで、吸振系でエネルギーを消費し、地震や風などの振動外力に対し構造物の応答を低減させるようにしたものである。
【０００４】
なお、同調というのは必ずしも周期を一致させるという意味ではなく、一般的にはわずかに周期がずれた位置で最適制御となる。
【０００５】
また、能動型の振動制御装置としては、例えば特開平１−２７５８６６〜６９号公報に記載されたもの〔以下、ＡＭＤ（アクティブ・マス・ドライバまたはアクティブ・マス・ダンパの略）と呼ぶ〕等がある。
【０００６】
ＡＭＤの基本的な構成は、主振動系を構成する構造物と、カウンターフォースを与える重錘との間にアクチュエータの油圧力あるいは電磁力等による制御力ｕ(t) を作用させるようにしたものであり、地震や風などの振動外力に応じた制御力ｕ(t) を作用させることで、構造物の応答を能動的に制御することができる。この場合、必要に応じ構造物と重錘との間を中立位置を保つための柔らかいバネで連結したり、ダンパを介在させたりする。
【０００７】
この他、上記ＡＭＤに対し、制御力ｕ(t) を与えるアクチュエータ等と並列に、主振動系の振動に同調させる形でバネを付加し、ＡＭＤに比べ少ない制御力でＡＭＤと同程度の振動制御効果を得ようとするもの〔以下、ＨＭＤ（ハイブリッド・マス・ダンパの略）と呼ぶ〕がある。
【０００８】
なお、ＨＭＤには、装置の故障により、あるいは装置の能力以上の外力に対して制御力ｕ(t) を発生させることができない場合に、単にＴＭＤとして機能させることを目的としたものなども含まれる。
【０００９】
また、本願の出願人の一人による特開昭６３−１５６１７１号公報には、ＴＭＤの重錘に対し、それより小さい質量の第２の重錘をバネとアクチュエータを介して連結し、アクチュエータから第２の重錘に対して制御力を加えることにより、地震等による構造物の振動を抑制する形式の能動型振動制御装置〔以下、ＤＭＤ（デュアル・マス・ダンパの略）と呼ぶ〕が記載されており、より小さな制御力で大きな振動制御効果が得られる。
【００１０】
一方、このような重錘を用いた制震装置とは異なる免震装置について、特開２０００−８０８１７号公報には、従来の積層ゴムなどによる免震機構に替え、転がり振子を用いた免震装置が記載されている。
【００１１】
これは、免震層における下構造物と上構造物との間に、柱部本体と、その柱部本体の上下端部にそれぞれ設けられた板状の上転がり部と下転がり部を設けた転がり振子を設置し、下構造物から上構造物への振動の伝達を遮断するようにしたものである。
【００１２】
この転がり振子は、上転がり部と下転がり部に凸の円弧面を形成してあり、かつ上転がり部の円弧面と下転がり部の円弧面が平面視で互いに直交するようにしたものであり、水平方向のどの方向の地震力にも対処できるようになっている。
【００１３】
また、従来、免震装置で一般的な積層ゴムの場合のように、周期の調整において上部構造物の重量の影響を受けることがないため、自由な設計が可能であるという利点を有している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＭＤ、ＡＭＤ、ＨＭＤ、ＤＭＤの構造物設置面に対する支持機構、バネ機構として実用化されているものとしては、設置が比較的容易であることや騒音が少ないこと、ある程度の期間についてはメンテナンスをあまり必要としないことなどから、従来、積層ゴム形式のものが用いられることが多い。
【００１５】
また、レール上を走行するものや滑り面を利用したもの、吊り材によって振子式に吊り支持するものなども考えられているが、騒音を発生したり、所定の周期が得にくかったり、大きな設置スペースを必要とするなど、一長一短がある。
【００１６】
本願発明は、上述のような課題の解決を図ったものであり、バネ機構を兼ねた支持機構を工夫することで、制震装置の構造が簡略化でき、製作性、メンテナンス性に優れ、最小限のスペースで設置できる構造物用制震装置を提供することを目的としたものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る構造物用制震装置は、水平２方向について制震装置としての機能を有し、
そのうちの１方向について、
(1) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる受動型の制震装置、
または
(2) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備えた制震装置、
または
(3) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる制震装置、
または
(4) 第１の重錘と、構造物に対し前記第１の重錘を支持する支持体と、前記第１の重錘との間に作用する制御力により駆動され前記第１の重錘に対し相対移動可能な第２の重錘とを備えた制震装置
のいずれかの制震装置を構成し、
前記水平２方向のうちの他の方向について、
(1) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる受動型の制震装置、
または
(2) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備えた制震装置、
または
(3) 構造物に対し支持体を介して支持される重錘と、前記構造物と前記重錘を連結するバネ機構と、前記構造物と前記重錘との間に介在し、前記構造物と前記重錘との間に振動外力に応じて構造物の応答を低減させるための制御力を作用させる駆動手段とを備え、前記バネ機構のバネ定数を前記重錘の振動が前記構造物の振動に同調するように設定してなる制震装置、
または
(4) 第１の重錘と、構造物に対し前記第１の重錘を支持する支持体と、前記第１の重錘との間に作用する制御力により駆動され前記第１の重錘に対し相対移動可能な第２の重錘とを備えた制震装置
のいずれかの制震装置を構成し、
前記支持体として、支持面である上端および設置面である下端を円弧状の凸面とし、前記凸面の曲率半径を支持体の長さより大きくした複数の転がり振子を用い、前記転がり振子の周期を転がり振子の振動が前記構造物の振動に同調するように設定することにより、転がり振子に前記バネ機構の機能を持たせてなり、前記転がり振子は、軸部と、前記軸部の上端に設けた上転がり部と、前記軸部の下端に設けた下転がり部とからなり、前記上転がり部と下転がり部が互いに異なる一方向についての凸面を有し、かつ前記上転がり部と下転がり部の凸面の曲率半径がそれぞれ異なることを特徴とするものである。
【００１８】
上記の構成における(1)は、従来のＴＭＤの支持機構として転がり振子を適用したものに相当し、上端または下端の凸面の曲率半径Ｒを、転がり振子機構自体の高さである支持体の長さＬとの関係で、Ｒ＞Ｌの範囲で変化させることにより、その周期を変化させることができる。また、逆に支持体Ｌの長さを変えることによっても、周期を変化させることができる。
【００１９】
なお、円弧状の凸面というのは、円弧に限らず、凸面に沿って曲率が変化するような円弧に類する曲線も含む意味であり、曲率を変化させることで回転の非線形性を補正することも可能である。
【００２０】
また、円弧状の凸面は、製作上、主として特開２０００−８０８１７号公報に記載されるように、水平１方向について形成される場合を考えているが、必ずしも水平１方向に限定されたものでなくてもよい。
【００２１】
また、転がり部としての円弧状の凸面を、特開２０００−８０８１７号公報に記載されるように上下に設け、互いに直交するように設けることで、水平何れの方向にも振動可能となる。
【００２２】
さらに、上下の転がり部を水平視で水平２方向に交差するようにしているが、構造物の形態や制御方法に応じて、それぞれの方向で周期が異なるようにする。
【００２３】
上記の構成における(2)は、従来のＡＭＤの支持機構として転がり振子を適用したものに相当し、上端または下端の凸面の曲率半径Ｒを、転がり振子機構自体の高さである支持体の長さＬとの関係で、Ｒ＞Ｌの範囲で変化させることにより、その周期を変化させることができる。また、逆に支持体Ｌの長さを変えることによっても、周期を変化させることができる。
【００２４】
なお、後述するＨＭＤでは転がり振子の周期を構造物の固有周期に同調させる必要があるが、ＡＭＤは同調させない形で制御力を作用させている。
【００２５】
上記の構成における(3)は、従来のＨＭＤの支持機構として転がり振子を適用したものに相当し、上端または下端の凸面の曲率半径Ｒを、転がり振子機構自体の高さである支持体の長さＬとの関係で、Ｒ＞Ｌの範囲で変化させることにより、その周期を変化させることができる。また、逆に支持体Ｌの長さを変えることによっても、周期を変化させることができる。
【００２６】
なお、前述したＡＭＤとこのＨＭＤにおける制御力の方向は、１方向の場合と交差する（通常は直交する）２方向の場合とがあり、重錘に対し２方向の制御力を与える構成も可能である。
【００２７】
上記の構成における(4)は、従来のＤＭＤの支持機構として転がり振子を適用したものに相当し、上端または下端の凸面の曲率半径Ｒを、転がり振子機構自体の高さである支持体の長さＬとの関係で、Ｒ＞Ｌの範囲で変化させることにより、その周期を変化させることができる。また、逆に支持体Ｌの長さを変えることによっても、周期を変化させることができる。
【００２８】
この場合も、ＡＭＤやＨＭＤの場合と同様、第２の重錘に対し２方向の制御力を与える構成が可能であるが、第２の重錘を２個設け、個々に制御力を与える構成も可能である。
【００２９】
また、本発明において、転がり振子は、軸部と、軸部の上端に設けた上転がり部と、軸部の下端に設けた下転がり部とからなり、上転がり部と下転がり部が互いに異なる一方向についての凸面を有している。
【００３０】
これは、前述した特開２０００−８０８１７号公報に記載された発明と同様の構成であり、重錘を支持する各転がり振子が水平何れの方向にも振動できることになる。
【００３１】
さらに、本発明において、上転がり部と下転がり部の凸面の曲率半径はそれぞれ異なり、構造物の形態等によって構造物の各方向の固有周期が異なる場合等に適用される。
【００３２】
また、１方向についてパッシブのＴＭＤの制御とし、他方向についてＡＭＤの制御とする場合などにも適用可能である。
【００３３】
請求項２は、請求項１に係る構造物用制震装置において、前記転がり振子の軸部を長さ調整可能とした場合を限定したものである。
【００３４】
前述したように転がり振子の長さを変えることにより、その周期が変化するため、ねじ式、油圧式、その他任意の手段により、あらかじめ軸部の長さを調整可能とすることにより、周期調整を容易に行うことができる。
【００３５】
また、設計周期と実際の構造物の周期が異なることは多々あり、経年的に見ても構造物の周期が変動することもあるため、周期調整を可能とすることで、より効率的な制御が可能となる。
【００３６】
なお、以上述べた転がり振子を用いたＴＭＤ、ＡＭＤ、ＨＭＤ、ＤＭＤの使い分けのバリエーションとしては、以下のようなパターンが考えられる。
【００３７】
(1) 水平２方向（捩じれを含む場合あり）とも振動が大きい場合水平２方向ともアクティブ制御とし、両方向ともＡＭＤ、ＨＭＤ、ＤＭＤ、またはこれらの組み合わせとすることが望ましい。
【００３８】
(2) 水平１方向（捩じれを含む場合あり）の振動が大きく、他の水平方向の振動はそれほど大きくない場合水平１方向をアクティブ制御、他方向をパッシブ制御とし、振動が大きい方向はＡＭＤ、ＨＭＤ、またはＤＭＤ、振動がそれほど大きくない方向はＴＭＤとすることが望ましい。
【００３９】
(3) 水平１方向（捩じれを含む場合あり）の振動が大きく、他の水平方向の振動は問題ではない場合水平１方向のみアクティブ制御とし、ＡＭＤ、ＨＭＤ、またはＤＭＤとすることが望ましい。
【００４０】
(4) 水平２方向（捩じれを含む場合あり）とも振動がそれほど大きくない場合水平２方向ともパッシブ制御のＴＭＤを適用することが考えられる。
【００４１】
(5) 水平１方向（捩じれを含む場合あり）の振動についてそれほど大きくなく、かつ他の水平方向の振動は問題ではない場合水平１方向のみパッシブ制御のＴＭＤを適用することが考えられる。
【００４２】
なお、以上、全ての場合において、制震装置の個数は、振動方向および設置条件に応じ、１個ないし複数個設置する。
【００４３】
【発明の実施の形態】
図１は本願発明に係る制震装置の一実施形態を示したもので、ＴＭＤを構成する重錘１を４点で転がり振子３で支持する構造となっている。なお、図示を省略しているが、通常、これに重錘１と構造物との間に介在する形で、別個の減衰機構が加わる。減衰機構については、油圧ダンパ、粘性ダンパ、摩擦ダンパ、弾塑性ダンパ等、従来のＴＭＤで用いられている各種の減衰機構を適用することができる。
【００４４】
本実施形態の転がり振子３は、図３(a) 、(b) に示すように、軸部３ａの上下端部に円弧状の凸面を形成する板状の転がり部３ｂ，３ｃを有するものであり、上下の転がり部３ｂ，３ｃは互いに直交する方向に設けられている。
【００４５】
転がり部３ｂ，３ｃの凸面の曲率は、転がり振子３としてＴＭＤの設計に応じて要求される周期（例えば、構造物の１次固有周期に同調させた周期）によって決まり、転がり振子３の長さＬに対し、Ｌ＜Ｒ1 ，Ｌ＜Ｒ2 の範囲で設計される。
【００４６】
図２は本願発明に係る制震装置の他の実施形態を示したもので、制震装置がＡＭＤまたはＨＭＤの場合である。
【００４７】
基本的な構造は、図１のＴＭＤの構造に加え、重錘１と構造物との間にアクチュエータ４を介在させ、別途、設けられたセンサーにより地震動あるいは構造物の応答等を検知し、その情報に基づいてアクチュエータ４を制御するようになっている。
【００４８】
なお、図の例は構造物に反力壁５を設け、反力壁５部分で反力をとるようにしている。また、この例では２方向の制御を考えており、その場合、重錘１の水平振動に対応させるためには、アクチュエータ４と重錘１、反力壁５との間をピン接合とするか、あるいはスライド可能な構造とする必要がある。
【００４９】
ＡＭＤとＨＭＤの違いとしては、ＨＭＤの場合には転がり振子３の上下端の転がり部３ｂ，３ｃの曲率を構造物の固有周期と同調する曲率とし、ＡＭＤの場合には、通常、より小さな曲率半径をとって構造物の固有周期より長い周期に設定する。
【００５０】
また、図２の例において、直交する２方向について制震装置としての機能を同じものとする必要はなく、１方向がＡＭＤまたはＨＭＤで他方向についてＴＭＤとしたり、１方向がＡＭＤで他方向についてＨＭＤとすることもできる。
【００５１】
図４〜図９は本願発明に係る制震装置のさらに他の実施形態を示したもので、制震装置がＤＭＤの場合である。
【００５２】
図４は正面図、図５は正面方向から見た鉛直断面図、図６は側面図、図７〜図９はそれぞれ図４のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図であり、構造物の頂部あるいは構造物内に設置されるＤＭＤの設置面に対し、直交するＸ，Ｙ２方向に振動可能な転がり振子３で第１の重錘１を４点で支持している。
【００５３】
ここで言う第１の重錘１とは、４本の転がり振子３で支持される部分全体の質量について言う。
【００５４】
この第１の重錘１に対し、Ｘ，Ｙそれぞれの方向について、第２の重錘２X ，２Y が設けられ、それぞれＸ，Ｙ方向のレールに沿って電磁力によって駆動されるようになっている。なお、駆動手段は電磁式のものに限らず、アクチュエータなどでもよい。
【００５５】
第２の重錘２X ，２Yの駆動制御の方法は、ＡＭＤあるいはＨＭＤの場合と同様であり、ＨＭＤの場合は例えば第２の重錘２X ，２Yの走行面を円弧状とし駆動力が作用しないときの第２の重錘２X ，２Yの固有周期を、構造物のＸ，Ｙそれぞれの方向の固有周期に同調する周期とすればよい。あるいは、構造物のＸ，Ｙそれぞれの方向の固有周期に同調させるバネを設けてもよい。
【００５６】
装置の重量の一例を挙げると、例えばＸ，Ｙ２方向の振動特性がほぼ等しい、重量１×１０7 ×９．８Ｎ（１００００ｔ）の正方形断面の高層建物の頂部に設置されるＤＭＤとしては、第１の重錘１の重量として５×１０4 ×９．８Ｎ（５０ｔ）、第２の重錘２X ，２Yの重量として、それぞれ１×１０4 ×９．８Ｎ（１０ｔ）といった規模になる。
【００５７】
その場合の寸法としては、図におけるＢX ≒ＢY ≒４．５ｍ、転がり振子３の長さＬ≒１．５ｍ、第１の重錘１のストロークＳX ≒ＳY ≒±５０ｃｍ、第２の重錘２X ，２YのストロークＳ2X≒Ｓ2Y≒±１００ｃｍ、第１の重錘１の上下方向の最大移動量≒２．４ｃｍといった例が挙げられる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、転がり振子が、水平何れの方向にも振動可能であるため、水平全方向に機能する制震装置を構成することができ、かつ、水平２方向の固有周期を独立に設定することができ、構造物の形態や制御方法に応じた制震装置を構成することができる。
【００５９】
また、転がり振子の場合、周期調整は長さと転がり部の曲率で変えることができるため、設計が容易であり、機構が簡単なことから製作性、メンテナンス性にも優れる。
【００６０】
本発明をＴＭＤの支持体として適用した場合には、転がり振子が重錘支持機構と周期調整用のバネ機構を兼ね、制震装置としての構造を大幅に簡略化することができる。
【００６１】
本発明をＡＭＤの支持体として適用した場合には、転がり振子が重錘支持機構として機能し、かつバネ機構としての中立位置を保持する機能を備えており、制震装置としての構造を大幅に簡略化することができる。
【００６２】
本発明をＨＭＤの支持体として適用した場合には、転がり振子が重錘支持機構と周期調整用のバネ機構を兼ね、制震装置としての構造を大幅に簡略化することができる。
【００６３】
本発明をＤＭＤの支持体として適用した場合には、転がり振子が重錘支持機構と周期調整用のバネ機構を兼ね、制震装置としての構造を大幅に簡略化することができる。
【００６４】
さらに、請求項２のように転がり振子の長さを可変とすれば、転がり振子の周期調整が容易となり、設置後に周期調整を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明に係る制震装置の一実施形態を示したもので、(a) は正面図、(b) は側面図、(c) は平面図である。
【図２】  本願発明に係る制震装置の他の実施形態を示した正面図である。
【図３】  本願発明で用いる転がり振子の一形態を示したもので、(a) は正面図、(b) は側面図である。
【図４】  本願発明に係る制震装置のさらに他の実施形態を示した正面図である。
【図５】  図４に対応する鉛直断面図である。
【図６】  図４に対応する側面図である。
【図７】  図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】  図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図９】  図４のＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
１…重錘、２X …第２の重錘（Ｘ方向）、２Y …第２の重錘（Ｙ方向）、３…転がり振子、３ａ…軸部、３ｂ…転がり部（上端）、３ｃ…転がり部（下端）、４…アクチュエータ、５…反力壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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