(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部凹球面座と、この上部凹球面座と同一形状の下部凹球面座とを互いに凹球面が上下に対向するように離間して配置し、
上記両凹球面で形成される空間の中心近傍に大径の球を周方向に等間隔をおいて３つ、各大径の球の中間かつ外側に中径の球を、これらの球が両凹球面に接するように配置し、
上記複数の球をリテーナによって同一径の球が同心状に分布するように保持していることを特徴とする振動抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築構造物を地震等から保護する振動抑制装置、より詳しくはころがり支承部を有する振動抑制装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の振動抑制装置として、例えば図７に示すようなものが知られている(実開平５−３２５０５号公報)。この振動抑制装置は、下部構造Ｂにアンカボルト２８とナット２９により固定されるとともに、上方に向けて凹球面に形成された球面座２２を有する下沓２１と、上部構造Ｇに同様に固定されるとともに、下方に向けて凹球面に形成された球面座２４を有する上沓２３と、上記下沓２１と上沓２３との間に介装され、上面の滑り面２７が上記上沓２３の球面座２４の曲率に合致し、下面の滑り面２６が上記下沓２１の球面座２２の曲率に合致した摺接体２５からなる。
【０００３】
いま、地震により下部構造Ｂと一体となって下沓２１が図中左方向に移動すると、上沓２３に逆方向,即ち右向きに水平方向力Ｈ(慣性力)が作用する。摺接体２５は、下面,上面の各滑り面２６,２７に偶力である法線力Ｆ',Ｆを受け、この法線力の水平分力が上記水平方向力Ｈに相当し、この法線力の鉛直分力が上部構造Ｇの荷重Ｖに相当する。従って、摺接体２５は、偶力である法線力Ｆ',Ｆを受けて反時計方向に回転し、下沓２１に対して上部構造Ｇを載せた上沓２３を右方向に摺動させるとともに上昇させる。その際に、摺接面２２,２６および２４,２７間に抵抗として働く摩擦力および別途下部構造体と上部構造体との間に設けられたダンパ(図示せず)の制動力と相俟って、地震によって上部構造Ｇに作用する水平方向力Ｈが吸収,減衰される。なお、この水平方向力Ｈの吸収,減衰作用は、下沓２１の球面座２２の球面中心と,摺接体２５の中心と,上沓２３の球面座２４の球面中心とが一直線に揃って上記偶力Ｆ,Ｆ'の腕の長さＬが零になる最大摺動位置まで発揮される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記下沓２１,上沓２３は、例えば表面である球面座２２,２４がＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)で被覆された鋼からなる一方、摺接体２５は、硬質クロムめっきされた鋼からなって、両者間の静摩擦係数を比較的小さくしている。
ところが、上記従来の振動抑制装置では、静摩擦係数が小さくても摺接面に加わる上部構造Ｇの荷重Ｖが大きいため、摺接体２５が摺動し始める際の水平方向力Ｈが大きくなって、地震時の初期に上部構造Ｇに過大な水平方向力が急激に加わるという問題がある。
また、摺接体２５が下沓２１と上沓２３の間の中央に１つしかないので、偶力Ｆ,Ｆ'の腕の長さＬが短かくなり、単一の振動抑制装置で上部構造Ｇを支えるには安定性に欠けるため、上下構造物の間に少なくとも３個の振動抑制装置を設けなければならないという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上沓と下沓の対向する凹球面間の介装体の構造を工夫することによって、地震時の初期に、過大な水平方向力が上部構造に急激に加わることを防止できとともに、単一でも大きな上載荷重を安定して支えることができる振動抑制装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の振動抑制装置は、上部凹球面座と、この上部凹球面座と同一形状の下部凹球面座とを互いに凹球面が上下に対向するように離間して配置し、上記両凹球面で形成される空間の中心近傍に大径の球を周方向に等間隔をおいて３つ、各大径の球の中間かつ外側に中径の球を、これらの球が両凹球面に接するように配置し、上記複数の球をリテーナによって同一径の球が同心状に分布するように保持していることを特徴とする。
【０００７】
請求項１の振動抑制装置では、上部と下部の凹球面座の対向する凹球面間に接するように配置された複数の球が、リテーナによって同一径の球が同心状に分布するように保持されている。従って、これらの球の転動によって上部と下部の凹球面座が水平方向に相対移動すると、両凹球面座は水平を保ったまま水平移動距離に応じて鉛直方向に離間することになる。
さて、地震により下部凹球面座が下部構造と一体となって水平方向に移動すると、上部構造の慣性力が上部凹球面座に逆の水平方向力となって作用する。この水平方向力が、両凹球面と複数の球との間の静止ころがり摩擦係数に上部構造に働く重力つまり鉛直荷重を乗じた値を超えると、初めて複数の球が転動し始める。上記水平方向力と鉛直荷重の合力は、両凹球面座からこれらに接する複数の球を含む１つの系としてのリテーナに、法線方向の偶力となって働くので、リテーナに保持された各球は、上記偶力がリテーナの中心を通って一直線に揃う最大移動位置まで転動する。この転動に伴って、上部構造を載せた上部凹球面座は、下部凹球面座に対して水平方向力の方向に移動するとともに上昇し、この上昇に要する仕事および転動の際に球と両凹球面との間に働く動ころがり摩擦力が、地震により上部構造に作用する水平方向力となる。
【０００８】
ここで、上記球の転動開始に関係する静止ころがり摩擦係数は、図７の従来例で述べた摺接体の摺動開始に関係する静止すべり摩擦係数に比べて遥かに小さいので、従来例に比して地震による水平方向力が小さいうちにリテーナの移動と共に球が転動し始めて、上部構造に過大な水平方向力が急激に加わるのが防止される。
球が転動し始めるとき、地震の水平方向力は上部構造に伝達され、上部構造は、その固有周期で振動し始めるとともに、下部構造には続く地震による水平方向力が次々と加わる。そのため、上下の凹球面座はリテーナで保持された複数の球を介して左右に,したがって上下にも相対運動し、上部構造と一体の上部凹球面座の昇降に伴う動ころがり摩擦力と仕事が、同様に地震による水平方向力となって、上部構造に伝達される。この振動抑制装置では、伝わったこれらの水平方向力によって上部構造物が大きく振動しないように、上下の凹球面の曲率を大きくし、振り子運動する上部構造の周期を地震の周期よりも大きくして、上部構造の地震との共振を防止している。
【０００９】
請求項１の振動抑制装置は、リテーナが複数の球を同一径の球が同心状に分布するように保持しているので、両凹球面と球の接触点が増えて載荷能力が向上でき、また、球が両球面座に接触し、球の転動に伴って、上下の球面座は相対的に反対側に同等の距離だけ移動するので、両球面座は常に平行の関係を保つ。従って、この振動抑制装置は、単一でも上部構造を安定的に支えて振動を抑制することができる。
また、上部,下部の凹球面座とその間に介装したリテーナで保持される複数の球によって、上部構造に働く重力を復元力として利用できるので、復元装置を別途必要としない。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の請求項１に記載の振動抑制装置の一例を備えた構造系(さらに図示しないダンパを備えるのが望ましい)の全体図であり、この振動抑制装置は、基礎等の下部構造Ｂと建物等の上部構造Ｇの間に複数配設され、上部構造Ｇに固定された上部凹球面座２３と、この上部凹球面座２３と同一形状を有して下部構造Ｂに固定され,凹球面２２が上部凹球面座２３の凹球面２４と上下に離間して対向する下部凹球面座２１と、両凹球面２２,２４で形成される空間にこの両凹球面に接するように配置された複数の球１と、これらの球１を一括して回転自在に保持する後述するリテーナ２(図２,３参照)とからなる。なお、図７で述べた従来例と同じ部材には同一番号を付している。
【００１３】
図２は単一の上記振動抑制装置の下半分の平面図、図３は図２のIII−III線に沿う断面図であり、複数の球１は、両凹球面２２,２４で形成される空間の中心から外側へ順に配置された大径,中径の各３個の球１a,１bおよび小径の６個の球１cからなり、これらの球は、図２に示すように同一径の球が同心状に全体として周方向に均等に分布するようにリテーナ２によって保持されている。
リテーナ２によってこのように保持された複数の球１のお陰で、地震の際に上部と下部の凹球面座２３,２１が水平方向へ相対移動しても、両凹球面座２３,２１は、図５によって次に証明するように、水平を保ったまま水平移動距離に応じて鉛直方向に離間する。
【００１４】
図５において、図３の通常位置での上下の凹球面２４,２２を、Ｂ1,Ａを夫々中心とする半径Ｒの実線円弧で、図４の移動位置での上の凹球面を、Ｂ2を中心とする半径Ｒの破線円弧で夫々表すとともに、図３の通常位置でのリテーナ２で保持された複数の球１を、凹球面の中央に中心Ｏ1を置く半径ｒの実線円と、これに長さＬのリテーナで連結され、両凹球面２４,２２の左側交点Ｐ1に中心を置く無限小半径の円で置き換える。そして、通常位置にある半径ｒの実線円Ｏ1がθラジアン回転して破線円Ｏ2で示す位置まで移動したとき、移動後の半径ｒの円;無限小の円と上下の凹球面２４’,２２との接点を、夫々Ｆ2,Ｃ2;Ｐ2とし、上の実線凹球面２４上の円Ｏ1との接点が破線凹球面２４’上のＤ2まで移動したとし、∠Ｐ1Ｏ1Ａ＝π／２とする。すると、線分ＡＣ1と線分Ｂ1Ｆ1が鉛直方向なので、円Ｏ1の接点Ｄ1,Ｆ1における接線(破線参照)は水平となる。
【００１５】
次に、ΔＦ1Ｏ1Ｐ1とΔＣ1Ｏ1Ｐ1は合同であり、転動後のΔＦ2Ｏ2Ｐ2とΔＣ2Ｏ2Ｐ2も合同であるので、∠Ｆ2Ｏ2Ｐ2＝∠Ｃ2Ｏ2Ｐ2＝∠Ｐ1Ｏ1Ａ＝π／２となり、従って、線分Ｆ2Ｃ2は直線になる。ここで、線分ＡＣ2と線分Ｂ2Ｆ2とは、線分Ｆ2Ｃ2を共有しているので、線分ＡＢ2は直線である。
円弧Ｃ1Ｃ2と円弧Ｄ2Ｆ2は転動長であるから等しい。また、線分ＡＣ1,ＡＣ2,Ｂ2Ｄ2,Ｂ2Ｆ2は夫々半径長Ｒであるから等しい。従って、ΔＡＣ1Ｃ2とΔＢ2Ｄ2Ｆ2は合同であり、∠Ｃ1ＡＣ2＝∠Ｄ2Ｂ2Ｆ2＝Θであるから、線分ＡＢ2が直線であることと相俟って、線分ＡＢ1と線分Ｂ2Ｄ2とは平行となり、それ故、線分Ｂ2Ｄ2も鉛直線になる。破線凹球面２４’の点Ｄ2における接線は、線分Ｂ2Ｄ2に直交するから水平となる。
こうして、リテーナで保持された複数の球が転動で通常位置から移動位置まで移動すると、下部凹球面座２２から水平を保ったまま離間した上部球面座２３の上昇距離δは、図中の水平接線２３’,２３の間隔に等しい。
この振動抑制装置は、水平振動力を受けると一種の振り子振動をするが、その固有振動周期Ｔは、凹球面の半径Ｒと球の半径ｒによって一意的に次式により決まる。
【数１】
0003976423.tif 000002
なお、凹球面と球が滑らないようにするために、夫々の面を粗面にすることも有効である。
【００１６】
上記構成の振動抑制装置の動作について、図３,４を参照しつつ次に説明する。
地震による水平方向力が作用しない通常時には、振動抑制装置は、図３に示すように、リテーナ２で保持された複数の球１が下部凹球面座２１と上部凹球面座２３の中央にあって、上部構造Ｇに働く重力つまり鉛直荷重Ｖを支えている。
地震により下部構造Ｂと一体になって下部凹球面座２１が水平に左方向に移動すると、上部凹球面座２３に逆方向の水平方向力(慣性力)Ｈが作用し、この水平方向力Ｈが、両凹球面２２,２４と球１との間の静止ころがり摩擦係数μに上記鉛直荷重Ｖを乗じた値を超えると(Ｈ＞μＶ)、水平方向力Ｈと鉛直荷重Ｖの合力Ｆは、球１を含む１つの系としてのリテーナ２に両凹球面２２,２４から法線方向の偶力となって働くので(図７参照)、リテーナ２に保持された各球１a,１b,１cは、上記偶力がリテーナ２の中心を通って一直線に揃う図４に示す最大移動位置に向かって右回転しつつ右方向に転動する。この転動に伴って、上部構造Ｇを載せた上部凹球面座２３は、下部凹球面座２１に対して図中の矢印Ｈで示す右方向に移動するとともに上述のδだけ上昇する。
【００１７】
ここで、球１の転動開始に関係する上記静止ころがり摩擦係数μは、図７の従来例で述べた摺接体２５の摺動開始に関係する静止すべり摩擦係数に比べて遥かに小さいので、地震による水平方向力Ｈが従来例よりも小さいうちに球１が転動してリテーナ２が移動し始めるので、上部構造Ｇに過大な水平方向力が急激に加わるのが防止される。
なお、水平方向力Ｈが更に増大すると、これに釣り合うようにリテーナ２が最大移動位置から更に移動して、両凹球面座２３,２１から外れてしまうことになるので、両凹球面座の幅と球面の曲率およびリテーナ２の大きさは、想定される地震の最大水平変位に対応して決められる。
球が転動し始めるとき、地震の水平方向力は上部構造に伝達され、上部構造は、その固有周期で振動し始めるとともに、下部構造には続く地震による水平方向力が次々と加わる。そのため、上下の凹球面座はリテーナで保持された複数の球を介して左右に,したがって上下にも相対運動し、上部構造と一体の上部凹球面座の昇降に伴う動ころがり摩擦力と仕事が、同様に地震による水平方向力となって、上部構造に伝達される。この振動抑制装置では、伝わったこれらの水平方向力によって上部構造が大きく振動しないようにするために、上下球面座の曲率を大きくし、振り子運動する上部構造の周期(固有周期)を地震の周期よりも大きくすることによって、上部構造の地震との共振を防止している。このようにすることによって、上部構造に左右方向に伝達される水平力は、上部構造を夫々反対方向に移動させる力として作用し、互いに打ち消されることになる。
なお、上部構造物に伝達された水平力を、ダンパを別途設けて吸収することが望ましい。さらに、この振動抑制装置の下部構造を建物とし、上部構造をウエイト部材にし、この装置の固有周期を下部構造建物の固有周期とすると、地震によって建物が揺れるのも防止(制振)することができる。
【００１８】
上記構成の振動抑制装置は、リテーナ２により合計１２個の球１a,１b,１cを同一径の球が同心状にしかも全体として周方向に均等に分布するように保持しているので、両凹球面２２,２４とこれら球との接触点が増えて載荷能力が向上でき、また、球が両凹球面座に接触し、球の転動に伴って、上下の凹球面座は相対的に反対側に同等の距離だけ移動するので、両凹球面座は常に平行の関係を保つ。従って、この振動抑制装置を単一設けるだけでも、上部構造Ｇを極めて安定的に支えて振動を抑制することができるという利点がある。
また、上部,下部の凹球面座２３,２１とその間に介装したリテーナ２で保持される複数の球１によって、上部構造Ｇに働く重力Ｖを復元力として利用できるので、復元装置を別途必要としない。
【００１９】
図６は、本発明の振動抑制装置の参考例を示す斜視図であり、この振動抑制装置は、上部凹円筒面座３３と、この上部凹円筒面座３３と同一形状を有し、凹円筒面３２が上部凹円筒面座３３の凹円筒面３４と上下に離間して対向する下部凹円筒面座３１と、両凹円筒面３２,３４で形成される空間にこの両凹円筒面に接するように配置された３つのローラ１１と、これらのローラ１１を一括して回転自在に保持するリテーナ１２からなる。
上記ローラ１１は、両凹円筒面の中央に位置する大径のローラ１１aと、その両側に等距離を隔てて夫々配置された中径のローラ１１bからなり、これらのローラはその両端面で板状の上記リテーナ１２により連結されている。図３と同様、下部凹円筒面座３１は下部構造Ｂに、上部凹円筒面座３３は上部構造Ｇに固定されるのは勿論である。
【００２０】
上記リテーナ１２で保持された３個のローラ１１は、図２,３で述べた球１を保持したリテーナ２が水平面内のいずれの方向にも応動したのに対して、リテーナ１２が延びる横方向にしか応動しない点が異なるだけで、ローラ１１の転動開始条件、ローラ１１を含む１つの系としてのリテーナ１２が、両円筒面座３１,３３から法線方向に働く偶力を受けてこの偶力が一直線に揃う最大移動位置まで移動する点、この移動に伴う地震の水平方向力の作用については、図２,３で述べたと同じである。従って、この振動抑制装置も、上部構造に過大で急激な横方向力が加わるのを防止し、共振を防止する。
なお、図６の振動抑制装置を２つ互いに直交するように重ねて用いれば、水平面内の直交する２方向の地震力を吸収,減衰することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の振動抑制装置は、上部凹球面座と、この上部凹球面座と同一形状の下部凹球面座とを互いに凹球面が上下に対向するように離間して配置し、上記両凹球面で形成される空間の中心近傍に大径の球を周方向に等間隔をおいて３つ、各大径の球の中間かつ外側に中径の球を、これらの球が両凹球面に接するように配置し、上記複数の球をリテーナによって同一径の球が同心状に分布するように保持しているので、リテーナで保持された球の転動によって上部の凹球面座は下部の凹球面座に対して水平を保ったまま昇降し、静止ころがり摩擦係数が静止すべり摩擦係数より遥かに小さいから、小さい水平方向力で球が転動し始めて上部構造に過大で急激な水平方向力が加わらず、さらに、上部構造が固有周期で振動するので、上部構造に伝達されるエネルギが抑制され,共振が防がれるとともに、複数の球による接触点の増加により載荷能力の向上および加わる偶力の腕の長さの増加が図れて、単一の振動抑制装置でも上部構造を安定的に支えて振動を抑制できるうえ、凹球面座のお陰で復元装置が要らなくなる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の請求項１に係る振動抑制装置の一例を備えた構造系の全体図である。
【図２】  単一の上記振動抑制装置の下半分の平面図である。
【図３】  図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】  リテーナが図３の通常位置から最大移動位置まで移動した場合の断面図である。
【図５】  球の転動を伴うリテーナの移動で上部凹球面座が水平を保つことを証明するための説明図である。
【図６】  本発明の振動抑制装置の参考例を示す斜視図である。
【図７】  従来のすべり支承の振動抑制装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…複数の球、１a…大径の球、１b…中径の球、１c…小径の球、
２…リテーナ、２１…下部凹球面座、２２,２４…凹球面、
２３…上部凹球面座、３１…下部凹円筒面座、Ｂ…下部構造、Ｇ…上部構造。
【図１】
0003976423.tif 000003
【図２】
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【図３】
0003976423.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003976423.tif 000009