JP2003222188A - 構造物制振装置 - Google Patents

構造物制振装置

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Tatsuji Ishimaru
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    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/04—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means
    • F16F15/06—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means with metal springs
    • F16F15/067—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means with metal springs using only wound springs
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 応力が均等に分布して疲労特性が高く、構造
が簡単で低廉な鋼材が使用可能な構造物制振装置を提供
する。 【解決手段】 所定の応力振幅の予測式を用いた設計手
順により材料径ｄ、コイル中心径Ｄ、ピッチｈ及び巻数
ｔを定めて棒鋼材をコイル状の有効コイル部２に形成
し、該有効コイル部２の軸方向及び軸直角方向にかかる
振動エネルギーを弾塑性変形により吸収可能とすると共
に該有効コイル部２の両端部に構造物又は装置などを連
結するための結合部３を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、橋梁や建物などの
土木、建築構造物の制振に好適な構造物制振装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、構造物の振動制御のために、１９
８０年代には例えば図６に代表する構造物間を連結する
種々の形状に形成した鋼材の弾塑性変形によって構造物
の振動エネルギーを吸収する制振装置が使用されてい
た。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の初期の制振装置
は、装置構成が簡単なので製作が容易であったが応力集
中部が存在することで疲労特性が低下する問題点があ
り、それ以後は、高価な鋼材である超低降伏点鋼を使用
したり、荷動抵抗能力に比べてサイズが大きくなるなど
の問題点があった。
【０００４】本発明は、これらの問題点を解消し、疲労
特性が高く構造が簡単で低廉な鋼材が使用可能な構造物
制振装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成すべく所定の応力振幅の予測式を用いた設計手順によ
り材料径、コイル中心径、ピッチ及び巻数を定めて棒鋼
材をコイル状に形成し、該コイルの軸方向及び軸直角方
向にかかる振動エネルギーを弾塑性変形により吸収可能
とすることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明の１実施の形態を図１乃至
図５により説明する。
【０００７】図１は本発明の１実施の形態である構造物
制振装置１を示し、該構造物制振装置１は有効コイル部
２とその両端部の結合部３とからなり、該有効コイル部
２は弾塑性変形により振動エネルギーを吸収する機能を
有し、該結合部３は構造物や他の装置に連結する機能を
有する。
【０００８】ここで該結合部３は前記有効コイル部２の
端末からコイルを密着巻きにして形成されるが必ず必要
とするものでない。
【０００９】前記図１に示した構造物制振装置１の如き
コイル形状弾塑性ダンパーは、図２に示す非線形の応力
―変位特性を有し、降伏変位に対する極限変位の比が１
０以上の高い延性能力を有し、前記有効コイル部２にお
いて実際に弾塑性変形が発生し、この有効コイル部２の
コイルに応力が均等に分布するので応力集中部分がなく
疲労特性が高くなり、又、コイル全体をエネルギー吸収
部として使用するので減衰効率が高くなる。
【００１０】この様な非線形の応力―変位特性は使用鋼
材の材料特性とコイルの形状、即ち、巻き数ｔ、材料径
ｄ、コイル中心径Ｄ、ピッチｈなどによって異なるた
め、数多くの実験を行って得た応力―変位関係を基に数
値解析し、コイル形状弾塑性ダンパーの材料及び形状変
化の予測式を次の様に構築し、この予測式による近似し
たコイル形状弾塑性ダンパーの応力―変位特性図を図３
に示す。 ここで、 δｙ：コイル形状弾塑性ダンパーの降伏変位 ｆｙ：コイル形状弾塑性ダンパーの降伏応力度 ｋ１：コイル形状弾塑性ダンパーの一次剛性 ｋ２：コイル形状弾塑性ダンパーの二次剛性 ｆｓｙ：材料の降伏応力 Ｅｓ１：材料の一次剛性 Ｅｓ２：材料の二次剛性
【００１１】（１）乃至（４）式を通じて図３のように
コイル形状弾塑性ダンパーの軸方向挙動に対する履歴曲
線を構成することができる。そしてコイル形状弾塑性ダ
ンパーの極限変位（δｕ）に対する降伏変位（δｙ）の
比（δｕ／δｙ）が１０を満足するとき安定的な履歴挙
動と高い減衰効率を得られるので極限変位（δｕ）及び
極限応力度（ｆｕ）は次のように仮定できる。
【００１２】（１）乃至（６）式に示された予測式を通
じて設計荷重、設計変位などの設計条件とダンパー設置
空間の制約によるダンパーの大きさ制限条件などがある
場合に対してコイル形状弾塑性ダンパーを設計する方法
は次の通りである。
【００１３】即ち、 ステップ１ 設計条件及び大きさ制限条件 ダンパーの極限荷重（ｆｕ）は設計荷重（ｆｄ）以上で
なければならない ｆｄ≦ｆｕ （７） ダンパーの極限変位（δｕ）は設計変位（δｄ）以上で
なければならない δｄ≦δｕ （８） 設置空間の大きさ（幅〈Ｄｄ〉、長さ〈Ｈｄ〉など）は
ダンパーの大きさ以上 Ｄｄ≧Ｄ＋ｄ （９） Ｈｄ≧（ｔ×ｈ）＋２Ｔｃ＋ｄ （１０） ステップ２ 使用鋼材の選定の条件を設定してから図４に示す如く ステップ３ 材料直径に対するコイル中心径の比（Ｄ／ｄ）とピッチ
角を仮定 Ｄ／ｄ＝４．０以上 （１１） ピッチ角 １０°以下 （１２） ステップ４ 極限応力度は降伏応力度だけの式（式「６」）になり降
伏応力度は材料径（ｄ）だけの関数（式２）になるから
極限応力度は材料径（ｄ）だけの式になる。よって式
（２）（６）から式（７）を満足する材料径（ｄ）を求
める。 ステップ５ 式（９）を調査して （Ｄ／ｄ）×ｄ＋ｄ≦Ｄｄ （１３） を満足しなければＤ／ｄを小さくしステップ４からやり
直す。 ステップ６ 式（８）を満足する巻き数（ｔ）を式（１）、（５）か
ら求める。 ステップ７ 式（１０）を調査して ｔ×（Ｄ／ｄ）×（ｈ／Ｄ）×ｄ≦Ｈｄ （１４） を満足しなければｈ／Ｄを小さくしステップ４からやり
直す。 ステップ８ 以上のような段階によってコイル形状弾塑性ダンパーの
形状を決定し満足する形状が無い場合は使用材料を変え
るとかダンパーの個数を変えて図４に示す手順に従って
ステップ１からやり直す。
【００１４】図４の設計手順によって決定されるコイル
形状弾塑性ダンパーは使用鋼材及び形状に数多く依存す
る。よって最適なダンパーの使用鋼材及び形状は高い減
衰効率を表すダンパーの一次剛性と二次剛性によって決
定され、これはダンパーを含めた構造系の非線形動的解
析を通じて求められる。
【００１５】尚、使用鋼材としては一般構造用圧延鋼材
或いは機械構造用炭素鋼鋼材等を使用することができ
る。
【００１６】更に、コイル形状弾塑性ダンパーは軸方向
に対するエネルギー吸収のみならず軸直角方向履歴に対
してもエネルギー吸収能力を持つ。
【００１７】図５は特定なコイル形状弾塑性ダンパーの
軸方向挙動及び軸直角方向挙動に対する履歴曲線の比較
であり軸直角方向に対しても非線形態の履歴挙動を見せ
るので軸直角方向に対してもエネルギー吸収能力を持つ
ことが分かる。
【００１８】使用時には、構造物制振装置１の結合部３
の部分を別部材の固定部材などにより構造物や他の装置
などに連結して、該構造物や他の装置の振動エネルギー
を有効コイル部２全体で吸収して効率的に減衰させるこ
とができる。
【００１９】
【発明の効果】このように本発明によると、コイル形状
弾塑性ダンパーである構造物制振装置は、応力がコイル
全体に均等に分布して応力集中部分が発生せず疲労特性
を向上でき、簡単なコイル形構造により製作が容易であ
ると共に低廉な鋼材を使用することができて経済的な効
果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態の構造物制振装置の説明
図である。
【図２】その軸方向の応力―変位特性のグラフである。
【図３】予測式による近似の応力―変位特性のグラフで
ある。
【図４】設計方法の手順のフローチャートである。
【図５】コイルの軸方向に対する軸直角方向の割合のグ
ラフである。
【図６】従来例の斜視図である。
【符号の説明】
１ 構造物制振装置 ２ 有効コイル部 ３ 結合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2D059 GG17 GG33 3J048 AA01 AC06 BC02 BC09 CB01 DA01 EA38 3J059 AA09 AD04 AD06 BA02 BC02 BD01 CA02 EA02 GA50

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の応力振幅の予測式を用いた設計手
    順により材料径、コイル中心径、ピッチ及び巻数を定め
    て棒鋼材をコイル状に形成し、該コイルの軸方向及び軸
    直角方向にかかる振動エネルギーを弾塑性変形により吸
    収可能とする構造物制振装置。
  2. 【請求項２】 前記コイルの両端部に構造物又は他の装
    置に連結するための結合部を設けた請求項１に記載の構
    造物制振装置。
  3. 【請求項３】 前記棒鋼材は一般構造用圧延鋼材或いは
    機械構造用炭素鋼鋼材等により形成された構造用鋼材よ
    りなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
    構造物制振装置。
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