JP4843882B2 - 建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置 - Google Patents
建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物の上下階間に生じる層間変位を質量体の回転または揺動等の運動に変換して、その慣性力によって建物を制振するようにした、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、建物２の制振装置４として、層間の柱６と梁８とに囲まれた架構の内部空間に設置されるブレース１０の一端またはその途中に、これを取付部材としてダンパー１２を介在させて、振動エネルギーを吸収する方法が広く一般的に採用されている。
このように層間にブレース１０などの取付部材を介してダンパー１２を設けた場合の制振効果は、建物伝達関数の定点理論からも説明できる。
【０００３】
即ち、この定点理論によれば、図６に示すように、ダンパー１２の減衰定数をゼロとしたときの建物伝達関数とダンパー１２の減衰定数を無限大としたときの建物伝達関数との交点は、ダンパー１２の減衰定数をいかなる値に設定した場合にもその建物伝達関数が必ず通過する点となる。そして、この点が建物伝達関数の定点と呼ばれ、この定点をピークとなすような減衰定数を有したダンパー１２が最適ダンパーとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建物の上階層と下階層との層間変位をダンパー１２に伝えるべくその高さ方向に延設するダンパー取付部材にはその剛性に限界があり、ブレース１０をダンパー取付部材とした場合でも、一般的には建物自体の層剛性の１割から２割程度の剛性にしかならない場合が多い。このような場合にあっては、ダンパー１２には十分な振動エネルギーが伝わらず、結果として建物２の減衰定数を数％上昇させる程度の制振効果に止まっていた。
【０００５】
つまり、十分な制振効果を得るためには、ダンパー１２の取付部材の剛性を上げることが必要となり、そのためには大きな部材を用いるか、あるいはダンパー１２の設置箇所を増やさねばならず、そうすると居住スペースを減らす結果となってしまい、建物平面利用計画上の制約から限界に突き当たっていた。
【０００６】
また、定点理論からみても、ダンパーの減衰定数を０とした場合の固有振動数とその減衰定数を無限大にした場合の固有振動数とが接近していると、その定点は伝達率の高い位置に存在することになり、この状態では例え最適ダンパーを用いても、定点自体が高い位置にあるために大きな制振効果は期待することができない。
【０００７】
本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、居住スペースを減じることなく設置できて、しかも十分に大きな制振力が得られる制振装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置にあっては、建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、前記増幅機構がラック・ピニオン機構でなり、該ピニオンに付加質量体が取り付けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とを設け、該第１取付部材と第２取付部材との双方に前記ラックを、相対向させて一対で設け、前記ピニオンを該一対のラック間にこれらに噛合させて挟持させる構成ともなし得る。
【００１１】
あるいは、建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、前記増幅機構がレバー機構でなり、該レバー機構の揺動端に付加質量体が取り付けられており、建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とが設けられ、該第１取付部材と第２取付部材とのいずれか一方に支点部が回動自在に軸支され、他方に力点部が係合されて前記レバー機構が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記取付部材は、その一端にダンパーを有したブレースとするのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る制振装置の概略構成図である。本発明の制振装置は、基本的には、建物２の上下階の層間に設けられて、層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構２０と、この増幅機構２０の出力端に取り付けられた錘３２などの付加質量体とを備え、当該付加質量体
を含む出力端の慣性力で建物２を制振するものである。
【００１５】
本実施形態にあっては、上記増幅機構２０には、図示するように、上下階の層間変位による水平方向の相対変位量を出力側部材の回転量として取り出すラック・ピニオン機構２２が採用されている。このラック・ピニオン機構２２は、建物２の柱６と梁８とに囲まれた架構内に設けられている。この架構内には、一方の柱６の上階側部分に一端が固定されて当該架構の対角線に沿って延びる第１取付部材２４と、他方の柱６の下階側部分に一端が固定されて該第１取付部材２４に沿って平行に延びる第２取付部材２６とが設けられ、これら第１取付部材２４と第２取付部材２６との双方にラック・ピニオン機構２２のラック部材２８ａ，２８ｂが相対向されて一対で設けられ、当該一対のラック２８ａ，２８ｂ間にこれらに噛合してピニオン３０が挟持されている。
【００１６】
上記第２取付部材２６の延出側の他端には、これと上階側の梁８とを連結してダンパー１２が設けられていて、当該第２取付部材２６はダンパー１２を備えたブレース１０として機能するように構成されている。ここで、ダンパー１２には油圧式、摩擦式などのものが採用し得る。また、第１取付部材２４と第２取付部材２６とには、これらを相互に繋いでその平行度を保つための連結部材３４ａ，３４ｂが一対で設けられている。これらの連結部材３４ａ，３４ｂは、各取付部材２４，２６に対してその一方に固定され、他方に摺動自在に係合されて設けられる。ここでは、各取付部材２４，２６の延出端側が固定部となっており、連結部材３４ａは第１取付部材２４の延出端近傍に固定されて、第２取付部材２６に摺動自在に係合し、連結部材３４ｂは第２取付部材２６の延出端近傍に固定されて、第１取付部材２４に摺動自在に係合していて、両取付部材２４，２６の軸方向への相対移動を許容している。
【００１７】
ピニオン３０にはその端面に付加質量体として円盤状のフライホイール３６が一体に取り付けられ、且つこのフライホイール３６の外周面には更に付加質量体として複数の錘３８が等間隔に放射状に配置されて一体的に設けられている。なお、付加質量体のフライホイール３６はピニオンの軸方向両端面に一対で取り付けて、フライホイール３６で取付部材２４と２６との両側を挟むようにして、ラック２８ａ，２８ｂからのピニオン３０の脱落を防止するようにしても良い。
【００１８】
以上の構成により本実施形態の制振装置にあっては、地震や風により建物２に振動が発生し、上・下階に層間変位が発生すると、第１，第２取付部材２４，２６が連結部材３４ａ，３４ｂにより平行を保たれつつ、それぞれ軸方向に沿って逆方向に相対移動し、これに伴い第１，第２取付部材２４，２６のラック２８ａ，２８ｂに噛合したピニオン３０が付加質量のフライホイール３６と錘３２と共に一体に回転する。
【００１９】
従って、上記ピニオン３０とフライホイール２８と錘３２とからなる回転質量体は回転慣性機構を構成し、建物２の層間変位に伴って回転慣性力を発生する。そして、この回転慣性力を反力となして建物２を制振することができる。この際、層間変位荷重に対しては、主に第２取付部材２６がブレース１０として機能してその強度の大きな軸方向の圧縮力としてこれを受けるため、大きな層間変位量にも十分に対応することができ、大地震等により過大な層間変位が建物２の上下階間に発生した場合にも、十分に制振機能を確保することができる。
【００２０】
また、公知のように上記回転慣性力は、ピニオン３０と付加質量体のフライホイール３６との総質量は一定であっても、その回転速度や錘３２の質量及びその回転半径によって異なったものとなり、その回転慣性力の大きさは回転半径の２乗に比例し、回転速度に比例したものとなるが、建物２の層間変位に伴うラック２８ａ，２８ｂの往復直進運動をピニオン３０の往復揺動回転運動に変換するラック・ピニオン機構のギヤ比（増幅率）、並びに付加質量体である錘３２の回転半径及び質量をそれぞれ適宜に設定することで、所望の回転慣性力（即ち減衰力）を容易に得ることができる。
【００２１】
つまり、ダンパー１２の減衰定数を無限大とした場合の固有振動数は取付部材２４，２６の剛性で決まるが、当該剛性を変更できないならば、ダンパー１２の減衰定数をゼロとしたときの固有振動数を下げる工夫をすれば良い。そして、この固有振動数を下げるためには振動方程式おける慣性項を大きくすれば良く、その方法として、上記の様な上下階の水平方向の相対変位量を出力側部材の回転量として取り出すラック・ピニオン機構２２を利用して、層間変位を質量体の回転慣性力に変換する回転慣性機構を組み付けることが有用となる。
【００２２】
上記の様に、回転慣性機構は回転軸から付加質量の錘の設置位置までの半径を大きくすることによって、回転質量体の総質量は同一に維持したままでも、その半径の２乗に比例した回転慣性力を得ることができ、よって小さい負荷質量で大きな慣性力が得られるから、小型軽量に構成しつつ容易に固有振動数を下げることが可能となる。但し、このようなラック・ピニオン機構２２等の慣性機構を用いた場合、慣性機構と取付部材２４，２６とで新たな共振点が形成されることになり、この共振点はダンパー１２を無限大としたときの固有振動数より高い振動数になって現れる。そして、この振動数がダンパー１２を無限大にした場合の固有振動数に近づくと、新たに高い伝達率の定点が構成されるため、この慣性機構の大きさやダンパー１２の減衰定数に最適値が存在することになる。従って、これらを調整することによって慣性機構を用いない場合よりも定点での伝達率を大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。
【００２３】
図２は、図１の実施形態において、ダンパー取付部材２４，２６の剛性は建物２の剛性の１割となした条件下で、最下層の制振装置の回転慣性機構の質量を１次振動数に対して調整し、中間層の回転慣性機構の質量は３次振動数に対して調整し、最上層の回転慣性機構の質量は２次振動数に対して調整し、且つ各層の制振装置のダンパーには、それぞれに定点理論の最適ダンパーを配した結果の伝達関数を表したものである。このように、全層を特定の次数に調整してより大きな制振効果を実現することも可能である。
【００２４】
一方、図６は、図５の従来の制振装置において、同様にダンパー取付部材（ブレース１０）の剛性を建物自体の層剛性の１割とした条件下で定点理論による最適なダンパー１２を配し、伝達関数のピークを低くした場合の伝達関数の結果を示すものである。また、図３と図７は、ダンパー１２を有したブレース１０に加えて、更にラックピニオン機構２２による回転慣性機構を併用することによって制振効果を改善しているという同じ現象を、応答に対する制御力（ブレースに掛かる力）の位相遅れという物理的な側面から説明するものであり、これらに図示するように、図３の本実施形態にあっては慣性機構を設置することで、層間の変形速度に対する応答（制御力）は位相が１８０度進ので、図７の従来例のような位相遅れは生じない。さらに、下表は本実施形態と従来例との両者の減衰定数の比較を示す。同表からも回転慣性機構を用いることによって、減衰定数が３倍以上に向上することが分かる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
また、ラック・ピニオン機構２２で構成される回転慣性機構は、小型軽量に構成し得ることから、建物平面利用計画上の制約を受けずに柱・梁架構内の空間に収納して設置可能であり、これ故、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００２７】
図４は本発明の他の実施形態を示す側面図である。この実施形態では制振装置における層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構及び慣性機構として、揺動端に付加質量としての錘３２を取り付けたレバー機構１３８を採用した場合を例示している。即ち、第１取付部材２４と第２取付部材２６とには、これらに直角に交差するようにしてレバー３８ａ．３８ｂを一対で取り付けている。一方の第１レバー３８ａはその一端に長手方向に沿って力点部４０として形成された長穴４２が第２取付部材２６に立設された係合ピン４４に係合されるとともに、中央部が支点部４６として第１取付部材２４に立設された回動軸４８に軸支され、他端の揺動端に錘３２が付加質量として取り付けられている。他方の第２レバー３８ｂは、第１レバー３８ａとは逆に、中央部の支点部４６が第２取付部材２６の回動軸４８に軸支され、一端に力点部４０として形成された長穴４２が第１取付部材２４の係合ピン４４に係合されている。
【００２８】
そして、当該構成によれば、建物２の上下階間に生じた層間変位が、第１，第２取付部材２４，２６にそれぞれ軸方向に沿った逆方向の相対移動として伝わると、第１レバー３８ａと第２レバー３８ｂとが各々の支点部４６を中心にして揺動回転され、揺動端の錘３２が往復揺動回転して慣性力が発生し、当該慣性力が反力となって制振効果が発揮される。この場合にあっても、慣性力は錘３２の質量やその回転半径、増幅機構としてのレバー比を適宜に設定することで、慣性機構を用いていない従来の場合よりも定点での伝達率を容易に大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。また、このレバー機構１３８による慣性機構は、前述の実施形態と同様に、柱６と梁８とで囲まれた架構内の空間に収納して設置可能なため、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００２９】
なお、以上の各実施形態の説明にあっては、層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構及び慣性機構として、ラック・ピニオン機構２２やレバー機構１３８を例示しているが、本発明はこれらに限らず、付加質量体としての錘を取り付けたボールナット機構やトグル機構も採用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施形態で説明したように、本発明に係る慣性力を利用した制振装置にあっては、建物上下階の層間に、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構を設けると共に、該増幅機構の出力端に付加質量体を取り付けて慣性機構を構成し、地震や風等によって建物の上下階間に生じる層間変位を、該出力端の質量体の運動に変換して伝えて慣性力を発生させるようにしたので、当該慣性力で建物を制振することができる。また、慣性機構を用いることで、層間の変形速度に対する応答（制御力）に位相遅れが生じるのを防止でき、制振力の大幅な改善が図れる。
【００３１】
増幅機構および慣性機構を、ピニオンに付加質量体を取り付けたラック・ピニオン機構または揺動端に付加質量体を取り付けたレバー機構となして、付加質量体を往復揺動回転させて回転慣性力を発生させるようにすると、回転慣性力の大きさは回転半径の２乗に比例し、回転速度に比例したものになるので、建物の層間変位の往復直進運動をラック・ピニオン機構のギヤ比（増幅率）やレバー機構のレバー比、並びに付加質量体の回転半径及び質量をそれぞれ適宜に設定することで、所望の回転慣性力（即ち減衰力）を容易に得ることができ、しかも小さい負荷質量で大きな慣性力が得られるから、小型軽量に構成しつつ容易に固有振動数を下げることが可能となる。
【００３２】
また、ラック・ピニオン機構やレバー機構で構成される回転慣性増幅機構は、小型軽量に構成し得ることから、建物平面利用計画上の制約を受けずに柱・梁架構内の空間に収納して設置可能であり、これ故、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００３３】
更に、取付部材をダンパーを有したブレースとすることで、建物の振動減衰をより促進することができる
慣性機構と取付部材とにより共振点が形成されるが、ダンパーの減衰定数を定点理論の最適値に設定して慣性機構の大きさを調整することによって、慣性機構を用いない場合よりも定点での伝達率を大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制振装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の制振装置を設けた建物の伝達関数を示すグラフである。
【図３】図１の制振装置を設けた建物の応答速度に対する制御力の位相関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る制振装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図５】ブレースにダンパーを介在させた従来の制振装置の概略構成図である。
【図６】図５の従来の制振装置を設けた建物の伝達関数を示すグラフである。
【図７】図５の従来の制振装置を設けた建物の応答速度に対する制御力の位相関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 建物
６ 柱
８ 梁
１０ ブレース
２０ 増幅機構
２２ ラック・ピニオン機構
２４ 第１取付部材
２６ 第２取付部材
２８ ラック
３０ ピニオン
３２ 錘（付加質量体）
３６ フライホイール（付加質量体）
１３８ レバー機構
３８ａ，３８ｂ レバー
４０ 力点部
４６ 支点部
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物の上下階間に生じる層間変位を質量体の回転または揺動等の運動に変換して、その慣性力によって建物を制振するようにした、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に示すように、建物２の制振装置４として、層間の柱６と梁８とに囲まれた架構の内部空間に設置されるブレース１０の一端またはその途中に、これを取付部材としてダンパー１２を介在させて、振動エネルギーを吸収する方法が広く一般的に採用されている。
このように層間にブレース１０などの取付部材を介してダンパー１２を設けた場合の制振効果は、建物伝達関数の定点理論からも説明できる。
【０００３】
即ち、この定点理論によれば、図６に示すように、ダンパー１２の減衰定数をゼロとしたときの建物伝達関数とダンパー１２の減衰定数を無限大としたときの建物伝達関数との交点は、ダンパー１２の減衰定数をいかなる値に設定した場合にもその建物伝達関数が必ず通過する点となる。そして、この点が建物伝達関数の定点と呼ばれ、この定点をピークとなすような減衰定数を有したダンパー１２が最適ダンパーとなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、建物の上階層と下階層との層間変位をダンパー１２に伝えるべくその高さ方向に延設するダンパー取付部材にはその剛性に限界があり、ブレース１０をダンパー取付部材とした場合でも、一般的には建物自体の層剛性の１割から２割程度の剛性にしかならない場合が多い。このような場合にあっては、ダンパー１２には十分な振動エネルギーが伝わらず、結果として建物２の減衰定数を数％上昇させる程度の制振効果に止まっていた。
【０００５】
つまり、十分な制振効果を得るためには、ダンパー１２の取付部材の剛性を上げることが必要となり、そのためには大きな部材を用いるか、あるいはダンパー１２の設置箇所を増やさねばならず、そうすると居住スペースを減らす結果となってしまい、建物平面利用計画上の制約から限界に突き当たっていた。
【０００６】
また、定点理論からみても、ダンパーの減衰定数を０とした場合の固有振動数とその減衰定数を無限大にした場合の固有振動数とが接近していると、その定点は伝達率の高い位置に存在することになり、この状態では例え最適ダンパーを用いても、定点自体が高い位置にあるために大きな制振効果は期待することができない。
【０００７】
本発明はかかる従来の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、居住スペースを減じることなく設置できて、しかも十分に大きな制振力が得られる制振装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置にあっては、建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、前記増幅機構がラック・ピニオン機構でなり、該ピニオンに付加質量体が取り付けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とを設け、該第１取付部材と第２取付部材との双方に前記ラックを、相対向させて一対で設け、前記ピニオンを該一対のラック間にこれらに噛合させて挟持させる構成ともなし得る。
【００１１】
あるいは、建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、前記増幅機構がレバー機構でなり、該レバー機構の揺動端に付加質量体が取り付けられており、建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とが設けられ、該第１取付部材と第２取付部材とのいずれか一方に支点部が回動自在に軸支され、他方に力点部が係合されて前記レバー機構が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
さらに、前記取付部材は、その一端にダンパーを有したブレースとするのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る制振装置の概略構成図である。本発明の制振装置は、基本的には、建物２の上下階の層間に設けられて、層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構２０と、この増幅機構２０の出力端に取り付けられた錘３２などの付加質量体とを備え、当該付加質量体
を含む出力端の慣性力で建物２を制振するものである。
【００１５】
本実施形態にあっては、上記増幅機構２０には、図示するように、上下階の層間変位による水平方向の相対変位量を出力側部材の回転量として取り出すラック・ピニオン機構２２が採用されている。このラック・ピニオン機構２２は、建物２の柱６と梁８とに囲まれた架構内に設けられている。この架構内には、一方の柱６の上階側部分に一端が固定されて当該架構の対角線に沿って延びる第１取付部材２４と、他方の柱６の下階側部分に一端が固定されて該第１取付部材２４に沿って平行に延びる第２取付部材２６とが設けられ、これら第１取付部材２４と第２取付部材２６との双方にラック・ピニオン機構２２のラック部材２８ａ，２８ｂが相対向されて一対で設けられ、当該一対のラック２８ａ，２８ｂ間にこれらに噛合してピニオン３０が挟持されている。
【００１６】
上記第２取付部材２６の延出側の他端には、これと上階側の梁８とを連結してダンパー１２が設けられていて、当該第２取付部材２６はダンパー１２を備えたブレース１０として機能するように構成されている。ここで、ダンパー１２には油圧式、摩擦式などのものが採用し得る。また、第１取付部材２４と第２取付部材２６とには、これらを相互に繋いでその平行度を保つための連結部材３４ａ，３４ｂが一対で設けられている。これらの連結部材３４ａ，３４ｂは、各取付部材２４，２６に対してその一方に固定され、他方に摺動自在に係合されて設けられる。ここでは、各取付部材２４，２６の延出端側が固定部となっており、連結部材３４ａは第１取付部材２４の延出端近傍に固定されて、第２取付部材２６に摺動自在に係合し、連結部材３４ｂは第２取付部材２６の延出端近傍に固定されて、第１取付部材２４に摺動自在に係合していて、両取付部材２４，２６の軸方向への相対移動を許容している。
【００１７】
ピニオン３０にはその端面に付加質量体として円盤状のフライホイール３６が一体に取り付けられ、且つこのフライホイール３６の外周面には更に付加質量体として複数の錘３８が等間隔に放射状に配置されて一体的に設けられている。なお、付加質量体のフライホイール３６はピニオンの軸方向両端面に一対で取り付けて、フライホイール３６で取付部材２４と２６との両側を挟むようにして、ラック２８ａ，２８ｂからのピニオン３０の脱落を防止するようにしても良い。
【００１８】
以上の構成により本実施形態の制振装置にあっては、地震や風により建物２に振動が発生し、上・下階に層間変位が発生すると、第１，第２取付部材２４，２６が連結部材３４ａ，３４ｂにより平行を保たれつつ、それぞれ軸方向に沿って逆方向に相対移動し、これに伴い第１，第２取付部材２４，２６のラック２８ａ，２８ｂに噛合したピニオン３０が付加質量のフライホイール３６と錘３２と共に一体に回転する。
【００１９】
従って、上記ピニオン３０とフライホイール２８と錘３２とからなる回転質量体は回転慣性機構を構成し、建物２の層間変位に伴って回転慣性力を発生する。そして、この回転慣性力を反力となして建物２を制振することができる。この際、層間変位荷重に対しては、主に第２取付部材２６がブレース１０として機能してその強度の大きな軸方向の圧縮力としてこれを受けるため、大きな層間変位量にも十分に対応することができ、大地震等により過大な層間変位が建物２の上下階間に発生した場合にも、十分に制振機能を確保することができる。
【００２０】
また、公知のように上記回転慣性力は、ピニオン３０と付加質量体のフライホイール３６との総質量は一定であっても、その回転速度や錘３２の質量及びその回転半径によって異なったものとなり、その回転慣性力の大きさは回転半径の２乗に比例し、回転速度に比例したものとなるが、建物２の層間変位に伴うラック２８ａ，２８ｂの往復直進運動をピニオン３０の往復揺動回転運動に変換するラック・ピニオン機構のギヤ比（増幅率）、並びに付加質量体である錘３２の回転半径及び質量をそれぞれ適宜に設定することで、所望の回転慣性力（即ち減衰力）を容易に得ることができる。
【００２１】
つまり、ダンパー１２の減衰定数を無限大とした場合の固有振動数は取付部材２４，２６の剛性で決まるが、当該剛性を変更できないならば、ダンパー１２の減衰定数をゼロとしたときの固有振動数を下げる工夫をすれば良い。そして、この固有振動数を下げるためには振動方程式おける慣性項を大きくすれば良く、その方法として、上記の様な上下階の水平方向の相対変位量を出力側部材の回転量として取り出すラック・ピニオン機構２２を利用して、層間変位を質量体の回転慣性力に変換する回転慣性機構を組み付けることが有用となる。
【００２２】
上記の様に、回転慣性機構は回転軸から付加質量の錘の設置位置までの半径を大きくすることによって、回転質量体の総質量は同一に維持したままでも、その半径の２乗に比例した回転慣性力を得ることができ、よって小さい負荷質量で大きな慣性力が得られるから、小型軽量に構成しつつ容易に固有振動数を下げることが可能となる。但し、このようなラック・ピニオン機構２２等の慣性機構を用いた場合、慣性機構と取付部材２４，２６とで新たな共振点が形成されることになり、この共振点はダンパー１２を無限大としたときの固有振動数より高い振動数になって現れる。そして、この振動数がダンパー１２を無限大にした場合の固有振動数に近づくと、新たに高い伝達率の定点が構成されるため、この慣性機構の大きさやダンパー１２の減衰定数に最適値が存在することになる。従って、これらを調整することによって慣性機構を用いない場合よりも定点での伝達率を大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。
【００２３】
図２は、図１の実施形態において、ダンパー取付部材２４，２６の剛性は建物２の剛性の１割となした条件下で、最下層の制振装置の回転慣性機構の質量を１次振動数に対して調整し、中間層の回転慣性機構の質量は３次振動数に対して調整し、最上層の回転慣性機構の質量は２次振動数に対して調整し、且つ各層の制振装置のダンパーには、それぞれに定点理論の最適ダンパーを配した結果の伝達関数を表したものである。このように、全層を特定の次数に調整してより大きな制振効果を実現することも可能である。
【００２４】
一方、図６は、図５の従来の制振装置において、同様にダンパー取付部材（ブレース１０）の剛性を建物自体の層剛性の１割とした条件下で定点理論による最適なダンパー１２を配し、伝達関数のピークを低くした場合の伝達関数の結果を示すものである。また、図３と図７は、ダンパー１２を有したブレース１０に加えて、更にラックピニオン機構２２による回転慣性機構を併用することによって制振効果を改善しているという同じ現象を、応答に対する制御力（ブレースに掛かる力）の位相遅れという物理的な側面から説明するものであり、これらに図示するように、図３の本実施形態にあっては慣性機構を設置することで、層間の変形速度に対する応答（制御力）は位相が１８０度進ので、図７の従来例のような位相遅れは生じない。さらに、下表は本実施形態と従来例との両者の減衰定数の比較を示す。同表からも回転慣性機構を用いることによって、減衰定数が３倍以上に向上することが分かる。
【００２５】
【表１】
また、ラック・ピニオン機構２２で構成される回転慣性機構は、小型軽量に構成し得ることから、建物平面利用計画上の制約を受けずに柱・梁架構内の空間に収納して設置可能であり、これ故、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００２７】
図４は本発明の他の実施形態を示す側面図である。この実施形態では制振装置における層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構及び慣性機構として、揺動端に付加質量としての錘３２を取り付けたレバー機構１３８を採用した場合を例示している。即ち、第１取付部材２４と第２取付部材２６とには、これらに直角に交差するようにしてレバー３８ａ．３８ｂを一対で取り付けている。一方の第１レバー３８ａはその一端に長手方向に沿って力点部４０として形成された長穴４２が第２取付部材２６に立設された係合ピン４４に係合されるとともに、中央部が支点部４６として第１取付部材２４に立設された回動軸４８に軸支され、他端の揺動端に錘３２が付加質量として取り付けられている。他方の第２レバー３８ｂは、第１レバー３８ａとは逆に、中央部の支点部４６が第２取付部材２６の回動軸４８に軸支され、一端に力点部４０として形成された長穴４２が第１取付部材２４の係合ピン４４に係合されている。
【００２８】
そして、当該構成によれば、建物２の上下階間に生じた層間変位が、第１，第２取付部材２４，２６にそれぞれ軸方向に沿った逆方向の相対移動として伝わると、第１レバー３８ａと第２レバー３８ｂとが各々の支点部４６を中心にして揺動回転され、揺動端の錘３２が往復揺動回転して慣性力が発生し、当該慣性力が反力となって制振効果が発揮される。この場合にあっても、慣性力は錘３２の質量やその回転半径、増幅機構としてのレバー比を適宜に設定することで、慣性機構を用いていない従来の場合よりも定点での伝達率を容易に大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。また、このレバー機構１３８による慣性機構は、前述の実施形態と同様に、柱６と梁８とで囲まれた架構内の空間に収納して設置可能なため、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００２９】
なお、以上の各実施形態の説明にあっては、層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構及び慣性機構として、ラック・ピニオン機構２２やレバー機構１３８を例示しているが、本発明はこれらに限らず、付加質量体としての錘を取り付けたボールナット機構やトグル機構も採用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施形態で説明したように、本発明に係る慣性力を利用した制振装置にあっては、建物上下階の層間に、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構を設けると共に、該増幅機構の出力端に付加質量体を取り付けて慣性機構を構成し、地震や風等によって建物の上下階間に生じる層間変位を、該出力端の質量体の運動に変換して伝えて慣性力を発生させるようにしたので、当該慣性力で建物を制振することができる。また、慣性機構を用いることで、層間の変形速度に対する応答（制御力）に位相遅れが生じるのを防止でき、制振力の大幅な改善が図れる。
【００３１】
増幅機構および慣性機構を、ピニオンに付加質量体を取り付けたラック・ピニオン機構または揺動端に付加質量体を取り付けたレバー機構となして、付加質量体を往復揺動回転させて回転慣性力を発生させるようにすると、回転慣性力の大きさは回転半径の２乗に比例し、回転速度に比例したものになるので、建物の層間変位の往復直進運動をラック・ピニオン機構のギヤ比（増幅率）やレバー機構のレバー比、並びに付加質量体の回転半径及び質量をそれぞれ適宜に設定することで、所望の回転慣性力（即ち減衰力）を容易に得ることができ、しかも小さい負荷質量で大きな慣性力が得られるから、小型軽量に構成しつつ容易に固有振動数を下げることが可能となる。
【００３２】
また、ラック・ピニオン機構やレバー機構で構成される回転慣性増幅機構は、小型軽量に構成し得ることから、建物平面利用計画上の制約を受けずに柱・梁架構内の空間に収納して設置可能であり、これ故、特に設置スペースを広く確保する必要が無く、居住スペースを減じることがない。
【００３３】
更に、取付部材をダンパーを有したブレースとすることで、建物の振動減衰をより促進することができる
慣性機構と取付部材とにより共振点が形成されるが、ダンパーの減衰定数を定点理論の最適値に設定して慣性機構の大きさを調整することによって、慣性機構を用いない場合よりも定点での伝達率を大幅に下げることが可能になり、よって大きな制振効果（減衰を上げること）が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制振装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の制振装置を設けた建物の伝達関数を示すグラフである。
【図３】図１の制振装置を設けた建物の応答速度に対する制御力の位相関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る制振装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図５】ブレースにダンパーを介在させた従来の制振装置の概略構成図である。
【図６】図５の従来の制振装置を設けた建物の伝達関数を示すグラフである。
【図７】図５の従来の制振装置を設けた建物の応答速度に対する制御力の位相関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 建物
６ 柱
８ 梁
１０ ブレース
２０ 増幅機構
２２ ラック・ピニオン機構
２４ 第１取付部材
２６ 第２取付部材
２８ ラック
３０ ピニオン
３２ 錘（付加質量体）
３６ フライホイール（付加質量体）
１３８ レバー機構
３８ａ，３８ｂ レバー
４０ 力点部
４６ 支点部
Claims (4)
- 建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、
前記増幅機構がラック・ピニオン機構でなり、該ピニオンに付加質量体が取り付けられていることを特徴とする、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置。 - 建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とが設けられ、該第１取付部材と第２取付部材との双方に前記ラックが、相対向されて一対で設けられ、前記ピニオンが該一対のラック間にこれらに噛合して挟持されていることを特徴とする請求項１記載の建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置。
- 建物上下階の層間に設けられて、該層間の動きを増幅して出力端に出力する増幅機構と、該増幅機構の出力端に取り付けられた付加質量体とを備え、該出力端の慣性力で建物を制振する、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置であって、
前記増幅機構がレバー機構でなり、該レバー機構の揺動端に付加質量体が取り付けられており、
建物の柱と梁とに囲まれた架構内に、上階側から延びて設置された第１取付部材と下階側から延びて該第１取付部材に沿って平行に設置された第２取付部材とが設けられ、該第１取付部材と第２取付部材とのいずれか一方に支点部が回動自在に軸支され、他方に力点部が係合されて前記レバー機構が設けられていることを特徴とする、建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置。 - 前記第２取付部材が一端にダンパーを有したブレースであることを特徴とする請求項２または３記載の建物層間に設置する慣性力を利用した制振装置。
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