JP2004251064A - Vibration-proof construction method for structure floor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造物の床の防振工法の技術分野に属し、更に云えば、多数の人間が音楽に合わせて踊ったり飛び跳ねたりする、例えば、エアロビクスダンス場の床に加えられる程度の低振動数の加振力に対しても防振効果が高い構造物床の防振工法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多数の人間が音楽に合わせて踊ったり飛び跳ねたりする跳躍運動やプレス機械の運転等の加振力に起因する構造物の振動は、同構造物の躯体を伝搬して上下の階で、あるいは基礎や地盤を伝搬して近隣構造物の床や梁に、水平・上下の振動(共振)を誘発し、不快な振動を感じる等の振動障害を発生することが知られている。
【0003】
この振動障害は、主に、音楽のリズムに合わせて多数の人間がほぼ同位相で上下運動することに起因している。例えば、2つの加振力が同位相で作用する場合、構造物には1つの加振力の2倍の振動が生じる。さらに多くの加振力が同位相で作用すると、構造物に生じる振動は、通常、人間の数に応じて、3倍、4倍…と整数倍で過大なものとなる。
【0004】
従来の防振技術は、加振力が作用する床の全面を、防振材で防振支持する等の防振技術を導入することにより、共振回避および下部構造(基礎や地盤など)への振動伝達率の低減が図られてきた(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0005】
従来の防振技術の基本原理を、図14に示した、床a(質量2M)とばねk及びダッシュポットcよりなる一自由度系のばね−質量モデルを用いて説明する。構造物の床aには、同位相の加振力Fs0が作用しており、この加振力は下部構造bへ伝達される。その伝達力をFsとすると、伝達率Fs/Fs0は一般的な物理現象として図15に示したように表される。図15に示した符号fは加振力Fs0の振動数、fnは床aの固有振動数である。
【0006】
図15から分かるように、床aの固有振動数fnが、加振力の振動数fの1/√2以下のとき、即ち、f/fnが√2倍より大きい場合、伝達率Fs/Fs0は1.0以下になり、防振効果が認められる。
従来技術による防振技術は、上記伝達率Fs/Fs0が、1.0以下になるように床aを支持することにより、防振効果を図っている。
【0007】
【特許文献1】
特公平3−3818号公報
【特許文献2】
特公平4−58865号公報
【特許文献3】
特開平8−53954号公報
【0008】
【本発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、2〜4Hz程度の低い振動数(周波数)fの同位相の加振力Fs0に対して防振効果を得ようとする場合に、次のような欠点がある。
【0009】
すなわち、多数の人間が音楽に合わせて踊ったり飛び跳ねたりする跳躍運動を行うときの加振力Fs0は通常2〜4Hz程度の低振動数fを生じるが、上記従来技術の基本原理に基づいてこの低振動数fの加振力Fs0に対して十分な防振効果を得ようとする場合、床aの固有振動数fnが少なくとも1/√2・f以下となるように床aを支持しなければならない。
【0010】
例えば、加振力f=2.5Hzに対して、伝達率Fs/Fs0を0.2以下に落とすためには、図15中に示した水平な点線符号を下回るようにしなければならない。減衰h=5%のときは、図15より、f/fn>2.5あたりから点線符号を下回る。つまり伝達率Fs/Fs0を0.2以下とするためには、床aの固有振動数fnを、fn<1.0Hzとなるように床aを防振支持することが必要になる。
【0011】
しかし、防振材の中で低振動数fに対して有効に働くとされる空気ばねを用いた場合でも、鉛直方向に床aの固有振動数fnが、fn<1.0Hzとなるように防振支持することは難しいのが現状であり、加振力Fs0の振動数fが、2.5Hz以下の場合には、十分な防振効果を得ることができないという問題があった。
【0012】
また、従来技術では、床aの全面を防振材を用いて防振支持するため、床aの面積に応じて多くの防振材及び支持部材が必要となり、コストアップに繋がるという問題もあった。
【0013】
具体的に、前記特許文献1に開示された防振技術は、予め、加振力Fs0たる複数のプレス機械の往復運動の位相を互いにずらした設定とし、各プレス機械における慣性力に基づく振動波を打ち消し合うモードを作ることにより防振効果を図っている。しかし、この防振技術によると、上述したような、音楽のリズムに合わせて多数の人間がほぼ同位相で上下運動する場合の構造物については、予め位相をずらす設定ができないので適用できないという問題がある。また、2〜4Hz程度の低振動数fの加振力Fs0に対しての解決策は、何ら講じられていない。
【0014】
前記特許文献2に開示された防振技術は、加振力Fs0が作用する床aの全面に中空パネルを設け、該中空パネルの内部に高密度体を内蔵した弾性体を設け、当該弾性体を動的吸振器として作用させ、中空パネル(床a)に発生した振動を有効に吸収してパネル全体の振動を小さくすることにより防振効果を図っている。しかし、この防振技術によると、上述したように、床aの全面を防振支持するため、床aの面積に応じて多くの防振材が必要となり、経済的でないという問題がある。
【0015】
前記特許文献3に開示された防振技術は、構造物の振動障害が発生する場所に振動を打ち消すべく上下方向に制振力を発生するアクティブ制振装置を設置し、同じ場所に設置した振動センサーにより計測した振動情報に基づいて前記アクティブ制振装置の駆動制御を行い制振効果を図っている。しかし、この防振技術によると、アクティブ制振装置自体が非常に高価であり、かつ、維持費がかかることに加え、振動センサーによる制御が精密かつ複雑という問題がある。
【0016】
本発明の目的は、加振力が作用する構造物の床の一部のみを防振支持することにより、加振力の振動数の高低、及び加振力の位相の相違を問わず防振効果を発揮する構造物床の防振工法を提供することにある。
【0017】
本発明の目的は、現状では防振効果を得ることが困難であった2〜4Hz程度の低振動数の同位相の加振力に対しても防振効果が高い構造物床の防振工法を提供することにある。
【0018】
本発明の目的は、防振ゴム、金属ばね、空気ばね等の汎用の防振材を使用したシンプルな防振構造で防振効果を発揮する、経済性に優れた構造物床の防振工法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項1に記載した発明に係る構造物床の防振工法は、
構造物の床を、加振力に対して防振支持した防振エリアと防振支持しない非防振エリアとの組み合わせで構成し、前記防振エリアから下部構造へ伝達される振動の位相を遅らせ、前記非防振エリアから下部構造へ伝達される振動との位相差を利用して振動を打ち消し合わせることを特徴とする。
【0020】
請求項2に記載した発明は、請求項1に記載した構造物床の防振工法において
加振力の振動数をf(Hz)、
加振力に対する防振エリアの割合をX(0<X<1.0)、
防振エリアの固有振動数をfn(Hz)、
とするとき、
加振力の振動数fと防振エリアの割合Xを設定した場合に、防振エリアの固有振動数fnを
√{(1+2X)/(1+X)}≦f/fn≦√{2/(1−X)}
の式から算出し、当該算出した範囲内に収まるように防振エリアの固有振動数をチューニングすることを特徴とする。
【0021】
請求項3に記載した発明は、請求項1又は2に記載した構造物床の防振工法において、防振エリア及び非防振エリアに作用する加振力は、ほぼ同位相の2〜4Hz程度の低振動数とすることを特徴とする。
【0022】
請求項4に記載した発明は、請求項1〜3のいずれか一に記載した構造物床の防振工法において、防振エリアと非防振エリアは、ほぼ同等の高さに設定することを特徴とする。
【0023】
【本発明の実施形態、及び実施例】
図1は、請求項1に記載した構造物床の防振工法の実施形態を示している。
この構造物床の防振工法は、構造物10の床1を、加振力に対して防振支持した防振エリア2と、防振支持しない非防振エリア3との組み合わせで構成し、前記防振エリア2から下部構造(基礎や地盤、或いは建物の床などが該当する。以下同じ。)4へ伝達される振動の位相を遅らせ、前記非防振エリア3から下部構造4へ伝達される振動との位相差を利用して振動を打ち消し合わせることを特徴としている(請求項1記載の発明)。
【0024】
なお、図示例の非防振エリア3は、位相遅れを生じさせない最もシンプルな構造とするべく、下部構造4をそのままの状態で非防振エリア3として実施している。この技術的思想は、後述する図10と図11に記載した実施形態も倣っている。ただし、非防振エリア3は、下部構造4をそのままの状態で実施する技術的思想には限定されず、図12に示したように、下部構造4の上面に位相遅れを生じさせないコンクリート製の部材8及び9を介在させて非防振エリア3として実施することも勿論できる。
【0025】
本発明は、一例として、前記加振力を負担する、防振支持した防振エリア2と防振支持しない非防振エリア3の面積比(加振力に対する防振エリア2と非防振エリアとの割合。以下同じ)を1:1に設定し、もって前記各エリア2及び3に前記加振力が約1/2ずつ作用する構成で実施する。なお、前記面積比は便宜上、1:1で実施しているがこれに限定されず、後述するように任意の面積比で実施することができる。
【0026】
本発明の基本原理を、図2に示した、一自由度系のばね−質量モデルを2つ用い、図14と図15に基づいて説明した従来技術と対比して説明する。
【0027】
本発明の場合、構造物10の床1は、防振支持した防振エリア2の質量モデルM2と防振支持しない非防振エリア3の質量モデルM1との組み合わせで表され、それぞれ異なるばねk、k’とダッシュポットc、c’で支持された構成で表される。
【0028】
図2に示したモデルは、防振エリア2と非防振エリア3に、同位相の加振力Fs0が、1/2Fs0ずつ作用することを示す。
防振支持しない非防振エリア3から下部構造4への伝達力をFs1、非防振エリア3の固有振動数をfn1とし、防振支持する防振エリア2から下部構造4への伝達力をFs2、防振エリア2の固有振動数をfn2とする。下部構造4への伝達力Fsは、Fs1とFs2の合力で表すことができる。
【0029】
図3は、防振エリア2から下部構造4へ伝達する振動の位相遅れを示している。図3に示したように、f/fn2がゼロに近い範囲では位相の遅れはほとんどなく、f/fn2が1に近づくにつれて位相は大きく遅れ、f/fn2が1より十分大きくなるにつれて位相の遅れ方は安定してくることがわかる。したがって、防振エリア2では、f/fn2の値に応じて加振力Fs0の伝達率Fs2/Fs0、及び位相遅れ量は変化する。
【0030】
一方、非防振エリア3では、その固有振動数fn1は非常に高くなるので、f/fn1は非常に小さくなり、その結果、伝達率Fs1/Fs0はほぼ1/2とみなすことができる。この場合、位相の遅れについても、f/fn1が非常に小さくなり、ほぼゼロとなる。したがって、非防振エリア3からの伝達力はほぼFs1=1/2Fs0であるから、非防振エリア3に作用する加振力(1/2Fs0)をそのまま下部構造4に伝達するとみなすことができ、位相遅れはないものとみなせる。
【0031】
ここで、非防振エリア3における、加振力1/2Fs0で位相遅れのない伝達力Fs1と、防振エリア2における、伝達率に応じて加振力1/2Fs0の大きさと位相遅れ量が変化する伝達力Fs2を足し合わせて、下部構造4への伝達力Fsを求めた場合、伝達率Fs/Fs0は、図4のように合成して表される。
【0032】
図4から分かるように、f/fn2が√(4/3)程度より大きい場合、伝達率Fs/Fs0は、1.0以下になる。よって、本発明は、この伝達率Fs/Fs0が、1.0以下になる範囲で、床1全体の1/2に相当する防振エリア2を支持することにより、防振効果を得られることがわかる。
【0033】
要するに、従来の防振技術は、図15に示すように、加振力Fs0の振動数fを床aの固有振動数fnで除した値(f/fn)を√2より大きく設定しないと防振効果を得ることができないことから、加振力Fs0が2〜4Hz程度の低振動数fの場合には、前記固有振動数fnを大きく設定して実施することができず、空気ばね等の汎用の防振材で防振支持構造を実現できないという不具合があったが、本発明によると、防振エリア2の固有振動数fn2を√(4/3)より大きく設定すれば足りるので、加振力Fs0が2〜4Hz程度の低振動数fの場合にも、空気ばね等の汎用の防振材で容易に防振支持構造を実施することができるのである(請求項3記載の発明)。
【0034】
本発明の効果を更に具体的に説明するため、従来技術の欠点として挙げた振動数fが2.5Hzの加振力Fs0を例に挙げる。本発明によって、加振力Fs0の振動数f=2.5Hzに対して、伝達率Fs/Fs0を0.2以下に落とすためには、図4の水平な点線符号を下回るようにしなければならない。すなわち、減衰h=5%のとき、1.3<f/fn2<1.6となるので、防振エリア2の固有振動数fn2を1.56Hz<fn2<1.92Hzとなるように防振エリア2を支持すれば足りる。
【0035】
これに対して、従来技術では、上述したように、加振力Fs0の振動数f=2.5Hzに対して、伝達率Fs/Fs0を0.2以下に落とすためには、fn<1.0Hzとなるように床aの全面を支持することが必要であり、防振材の中でも低振動数に対して有効に働く空気ばねを用いた場合でも、鉛直方向にfn<1.0Hzとなるように防振支持することは至難であった(図5も参照)。
【0036】
このように、本発明によれば、比較的高い固有振動数fn2で床1全体の1/2を占める防振エリア2を防振支持することで防振効果を得ることができると共に、空気ばね等の汎用の防振材を使用して容易に防振支持することができ、非常に経済的である。
【0037】
以上のように、加振力Fs0に対して、防振支持した防振エリア2と防振支持しない非防振エリア3との面積比を1:1に設定し、前記各エリア2及び3には前記加振力Fs0が1/2Fs0ずつ作用する構成で実施すると、従来技術より高い固有振動数fn2で防振エリア2を防振支持して防振効果を得ることができるので、高振動数fの加振力Fs0はもちろんのこと、従来至難であった低振動数fの同位相の加振力Fs0が作用した場合でも、容易且つ経済的に防振支持構造を実現することができるのである。
【0038】
図6A〜Eはそれぞれ、防振エリア2の大きさを、加振力Fs0(構造物10の床1全体)に対して占める割合(%)で実施した場合のf/fn2に対する振動伝達率の変化を、従来技術と比較して個別に示したグラフである。図6Fは、それらをまとめたグラフである。
【0039】
図6A〜E、及び図6Fのグラフによると、加振力Fs0に対して占める防振エリア2の割合(%)を徐々に小さくするに伴い、前記f/fn2がより小さい値で防振効果を得ることがわかる。即ち、防振エリア2の固有振動数fn2をより大きな値で防振支持することで防振効果を得ることができ、空気ばね等の防振材により容易に防振支持することが可能である。
【0040】
また、図6A〜Eによると、本発明の防振工法は、加振力Fs0に対して占める防振エリア2の割合(%)を設定することで、加振力Fs0の振動数fを、防振支持した防振エリア2の固有振動数fn2で除したf/fn2を、1<f/fn2の範囲で振動伝達率が最小値となるようにチューニング可能であることが注目される(特に図6F参照)。
【0041】
すなわち、本発明によれば、加振力Fs0に対して占める防振エリア2の割合(%)を設定することで、最大の防振効果を得ることができるように、防振エリア2の固有振動数fn2をチューニングすることができ、床aの固有振動数fnを加振力Fs0の振動数fに対して極力低く設定しなければ最大の防振効果を得ることができない従来技術と比較するとその効果の違いは顕著である。
【0042】
図7Aは、前記防振エリア2の割合X(0<X<1)に対して、振動伝達率1.0以下(防振域)に達するときの、f/fn2の値を示している。この曲線は、Y=√{(1+2X)/(1+X)}で表すことができる。
【0043】
図7Aに示したように、防振エリア2を小さくすればするほど、振動伝達率が1.0以下に達するf/fn2の値は小さくなるので、防振エリア2の固有振動数fn2を大きく設定して防振支持できることがわかる。
【0044】
図7Bは、前記防振エリア2の割合X(0<X<1)に対して、従来の防振効果より防振効果が上回る限界値の、f/fn2の値を示している。この曲線は、Y=√{(2/1−X)}で表すことができる。
【0045】
図7Bに示したように、防振エリア2を大きくすればするほど、従来の防振効果より防振効果を上回る限界値を大きくとることができ、その分、防振域におけるf/fnの範囲を幅広く設定できることが分かる。
【0046】
すなわち、図7A、Bより、前記防振エリア2の割合Xを小さくすると、防振エリア2の固有振動数を大きく設定できる反面、防振域におけるf/fnの範囲は狭くなるので、加振力Fs0の振動数fはほぼ一定のプレス機械の運転などに好適に実施できることがわかる。また、前記防振エリア2の割合Xを大きくすると、防振エリア2の固有振動数fn2は比較的小さく設定しなければならない反面、防振域におけるf/fnの範囲は広くなるので、加振力Fs0の振動数fは経時的に変動するエアロビクスダンス場などに好適に実施できることがわかる。
【0047】
図8は、減衰定数0%の場合に、前記防振エリア2の割合X(0<X<1)に対して、防振効果が最大になるときのf/fn2の値を示している。この曲線は、Y=√{1/(1−X)}で表すことができる。
【0048】
図8に示したように、防振エリア2を小さくすればするほど、防振効果が最大となるf/fn2の値は小さくなるので、防振エリア2の固有振動数fn2を大きく設定して防振支持できることがわかる。
【0049】
このように、防振効果を最大にするべく、防振エリア2の固有振動数fn2をチューニングして防振工法を現実に実施することは、従来の防振技術では不可能であった。なぜなら、図6A〜Fに、従来の防振効果をグラフで表しているように、振動伝達率Fs/Fs0を最小にするには、f/fnを∞に設定しなければならないからである。
【0050】
図6〜図8に示したように、前記防振エリア2の割合は、50%(X=0.5)で実施できることは勿論のこと、25%〜75%(0.25<X<0.75)の範囲で実施しても十分に防振効果を得ることができる。極論すれば、前記防振エリア2の割合は、0%<X<100%(0<X<1)の範囲内で防振効果を得ることができる。よって、加振力Fs0に対して占める防振エリア2の割合は限定することなく、任意に設定して実施しても防振効果を得ることができ、もってフレキシブルな形態で防振支持構造を実現することができる。
【0051】
以上、要するに、加振力の振動数をf(Hz)、加振力に対する防振エリアの割合をX(0<X<1.0)、防振エリアの固有振動数をfn(Hz)とするとき、加振力の振動数fと防振エリアの割合Xを設定した場合に、防振エリアの固有振動数fnを、図7A、Bに基づいた、√{(1+2X)/(1+X)}≦f/fn≦√{2/(1−X)}の式から算出し、当該算出した範囲内に収まるように防振エリアの固有振動数をチューニングすると、加振力Fs0に対する防振エリア2の広さに拘わらず、従来技術よりも優れた防振効果を発揮する防振工法を実現することができるのである(以上、請求項2記載の発明)。
【0052】
ところで、本発明の基本原理は、図2に示したように、床1(防振エリア2及び非防振エリア3)に発生する加振力Fs0が同位相であることを前提としているが、必ずしも完全な同位相に限定されるものではない。
【0053】
位相が相違する場合、例えば、位相が30度異なる2つの加振力Fs0に対して位相が遅れている方を防振支持した場合に、図9A(又は図3)に示したグラフが図9Bに示したように変化するので、防振効果を最も発揮する(位相遅れ量=180deg)値に近づき、より効率的な防振効果を得ることができる。
【0054】
この場合には、図9Cに示したように、振動伝達率(Fs/Fs0)が変化するので、減衰0%よりも減衰10%の方が防振効果が大きくなり、共振振動数での増幅を抑え、防振効果を効率的に発揮できる設計が可能となる。
【0055】
以上説明したように、請求項1に記載した構造物10の床1の防振工法によれば、加振力Fs0(床1の全体)に対して占める防振エリア2の割合、及び加振力Fs0の振動数fの高低、並びに加振力Fs0の位相の相違を問わず、当該加振力Fs0により振動が伝達される構造物10の床1を、防振エリア2と非防振エリア3の組み合わせで構成し、前記防振エリア2から下部構造4へ伝達される振動の位相を遅らせ、前記非防振エリア3から下部構造4へ伝達される振動との位相差を利用して振動を打ち消し合わせることにより、合理的且つ効率的、更には経済的に防振効果を発揮することができるのである。
【0056】
ちなみに、図1に示した構造物10は、数百〜数千人程度の観客を動員するロックバンド等のライブハウスとして使用した場合に、多数の人間が音楽に合わせて踊ったり飛び跳ねたりする跳躍運動を行うことに伴い、2〜4Hz程度の低振動数のほぼ同位相の加振力Fs0が発生することを想定した構造物10として実施している。
【0057】
また、本実施形態に係る構造物(ライブハウス)10は、客席からステージが見え易いように後方の観客席の床1を一段高くして実施する場合に、当該床1の一部を防振材5を介在させて防振エリア2に利用し、下部構造4への伝達力全体についての防振効果を図っている。
【0058】
具体的に、本実施形態に係る防振エリア2は、構造物の床1の一部を、非防振エリア3を構成する下部構造4の一部(50%程度の面積)の上面に防振材5をバランス良く設置して防振支持した二重床構造で実施している。図示例の防振材5は、防振ゴムで実施しているが、空気ばね、金属ばねでもほぼ同様に実施することができる。
【0059】
なお、当該二重床構造はこの構成に限定されず、コンサートやスポーツイベント等の目的に応じた様々な手法で床1を防振支持して実施できることは勿論である。例えば、図10に示したように、必要に応じて、防振エリア2を碁盤の目状に設け、その格子状の隙間を通路14に利用して実施することもできる。本発明による防振工法は、加振力(床1の全体)に対して占める防振エリア2の割合に一切拘束されることなく防振効果を発揮できるので、この種の設計は非常に容易である。
【0060】
また、本実施形態に係る非防振エリア3は、コンクリート製の下部構造(基礎床)4そのもので実施している。なお、当該非防振エリア3の構成はこれに限定されず、加振力Fs0による振動の位相遅れを下部構造4に生じさせないことを条件として、例えば、図11と図12に示したように、下部構造4にコンクリート7を一体的に打設したり(図11)、コンクリート製の柱材8を打設し、その上にコンクリート床9を構築したり(図12)して、所要の高さに設定して実施することもできる。
【0061】
この図11と図12に示した実施形態は、防振エリア2と非防振エリア3とで段差を設けないように、非防振エリア3を、コンクリート7を打設等して構成し、前記防振エリア2の高さと一致させて実施することにより、エアロビクススタジオ等に好適に利用できる態様としている(請求項4記載の発明)。
【0062】
これらの実施形態の場合にも、前記防振エリア2から下部構造4へ伝達される振動の位相を遅らせ、前記非防振エリア3から下部構造4へ伝達される振動との位相差を利用して振動を打ち消し合わせることができるので、前記防振エリア2の割合、及び加振力Fs0の振動数fの高低、並びに加振力Fs0の位相の相違を問わず、合理的且つ効率的、更には経済的に防振効果を得ることができるのである。
【0063】
以上に実施形態を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の実施形態の限りではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。
【0064】
例えば、図13A、Bに示した構造物10は、コンサートやスポーツイベント等の目的で多数の人間を収容可能な多目的構造物(多目的ドーム)に関する本発明の実施形態を示している。
【0065】
この多目的構造物10の床1の防振工法は、多目的構造物10を、フィールド(非防振エリア)3を所謂アリーナ席として利用し、その周辺部(防振エリア)2を一般観客席として利用し、トータルで3〜5万人程度の人間を収容するロックバンド等のコンサート会場として使用した場合に、観客が音楽に合わせて踊ったり飛び跳ねたりする跳躍運動を行うことにより、2〜4Hz程度の低振動数fのほぼ同位相の加振力Fs0が発生することを想定して実施したものである。
【0066】
前記防振エリア2は、非防振エリア3を構成する下部構造4の基礎床6上に、柱材11と梁材12で基礎躯体を強固に構築した当該柱材11の上面に防振材(防振ゴム)5を設置し、当該柱材11の高さに応じた所要の段差で階段状に床1の一部を防振支持した構成で実施している。当該防振エリア2は、必要に応じて、柱材11の脚部にキャスター13を設けて滑動可能な可動席として実施することもできる。因みに、図13B中の符号15は基礎杭を示し、符号16は基礎梁を示している。
【0067】
この実施形態の場合にも、上述した基本原理に基づいて、前記防振エリア2から下部構造(地盤)4へ伝達される振動の位相を遅らせ、前記非防振エリア3から下部構造(地盤)4へ伝達される振動との位相差を利用して振動を打ち消し合わせることができるので、前記防振エリア2の割合、及び加振力Fs0の振動数fの高低、並びに加振力Fs0の位相の相違を問わず、合理的且つ効率的、更には経済的に防振効果を発揮することができるのである。
【0068】
【本発明の奏する効果】
請求項1〜4に記載した構造物床の防振工法によれば、以下の効果を奏する。
(1)加振力が作用する構造物の床の一部のみを防振支持して防振効果を図り得ると共に、シンプルな構造で実施できるので、経済性に優れている。
(2)加振力が作用する構造物床に対して占める防振エリアの割合、及び加振力の加振振動数の高低、並びに加振力の位相の相違を問わず、防振効果を図ることができるので、フレキシブル性に優れている。
(3)現状では防振効果を得ることが困難であった2〜4Hz程度の低振動数の同位相の加振力に対しても防振効果が高く、しかも防振ゴム、金属ばね、空気ばね等の汎用の防振材を使用して防振効果を図ることができ、経済性に優れている。
(4)加振力が作用する床面積が、エアロビクスダンス場等の比較的小さい構造物から、数万人程度収容可能な多目的構造物等の大規模な構造物まで非常に広範囲な構造物床に対して、合理的且つ効率的、更には経済的に防振効果を発揮することができる。
(5)新設構造物に実施できることは勿論のこと、既存構造物にも実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に記載した発明に係る構造物床の防振工法を概略的に示した斜視図である。
【図2】本発明に係る構造物床の防振工法の基本原理を示した、ばね−質量モデルである。
【図3】防振支持する防振エリアから下部構造への伝達力(Fs2)の位相遅れを示したグラフである。
【図4】本発明に係る振動伝達率を示したグラフである。
【図5】従来技術と本発明に係る振動伝達率を対比して示したグラフである。
【図6】Aは、防振エリアが25%のときの振動伝達率を示したグラフであり、
Bは、防振エリアが33%のときの振動伝達率を示したグラフであり、
Cは、防振エリアが50%のときの振動伝達率を示したグラフであり、
Dは、防振エリアが66%のときの振動伝達率を示したグラフであり、
Eは、防振エリアが75%のときの振動伝達率を示したグラフであり、
Fは、前記A〜Eを一つにまとめて示したグラフである。
【図7】A、Bは、請求項2に記載した発明に係る構造物床の防振工法において、f/fnの範囲を定める根拠となるグラフを示しており、具体的に、Aは、防振エリアの割合に対して、振動伝達率1.0以下(防振域)に達するときの、f/fn2の値のグラフを示しており、Bは、防振エリアの割合に対して、従来の防振効果より防振効果が上回る限界値の、f/fn2の値のグラフを示している。
【図8】防振エリアの割合に対して、防振効果を最大に発揮できるf/fnの値を示したグラフである。
【図9】AとBは、位相遅れが生じた場合の効果を比較して示したグラフであり、Cは、Bの振動伝達率を示したグラフである。
【図10】請求項1に記載した発明に係る構造物床の防振工法の異なる実施形態を示した斜視図である。
【図11】請求項4に記載した発明に係る構造物床の防振工法の実施形態を示した斜視図である。
【図12】請求項4に記載した発明に係る構造物床の防振工法の実施形態を示した斜視図である。
【図13】Aは、請求項1に記載した発明に係る構造物床の防振工法の異なる実施形態を示した鳥瞰図であり、Bは、その一部断面図である。
【図14】従来技術の基本原理を示した、ばね−質量モデルである。
【図15】一般的な物理現象を示したグラフである。
【符号の説明】
1 床
2 防振エリア
3 非防振エリア
4 下部構造(基礎、地盤、建物の床)
5 防振材
7 コンクリート
8 コンクリート柱
9 コンクリート床
10 構造物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention belongs to the technical field of a vibration damping method for a floor of a structure, and more specifically, a low vibration such as that applied to a floor of an aerobics dance field by a large number of people dancing or jumping to music. The present invention relates to a vibration damping method for a structure floor having a high vibration damping effect even with a number of excitation forces.
[0002]
[Prior art]
Vibration of a structure caused by a large number of humans dancing or jumping to music in response to a jumping motion or the driving force of a press machine, etc., propagates through the frame of the structure and moves up or down the floor, or It is known that horizontal and vertical vibrations (resonances) are induced on floors and beams of nearby structures by propagating along the ground or the ground, causing vibration disturbances such as unpleasant vibrations.
[0003]
This vibration disturbance is mainly caused by a large number of people moving up and down in substantially the same phase in accordance with the rhythm of music. For example, when two exciting forces act in the same phase, the structure generates vibration twice as large as one exciting force. If more exciting forces act in the same phase, the vibration generated in the structure is usually an excessive number of three times, four times,...
[0004]
Conventional anti-vibration technology introduces anti-vibration technology, such as supporting the entire surface of the floor on which the excitation force acts with anti-vibration materials. Vibration transmissibility has been reduced (for example, see
[0005]
The basic principle of the conventional anti-vibration technique will be described with reference to a single-degree-of-freedom spring-mass model composed of a floor a (
[0006]
As can be seen from FIG. 15, when the natural frequency fn of the floor a is equal to or less than 1 / √2 of the frequency f of the exciting force, that is, when f / fn is larger than √2, the transmissibility Fs / Fs0. Is 1.0 or less, and an anti-vibration effect is observed.
The conventional vibration-proof technology achieves a vibration-proof effect by supporting the floor a so that the transmission rate Fs / Fs0 is 1.0 or less.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 3-3818
[Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. Hei 4-58865
[Patent Document 3]
JP-A-8-53954
[0008]
[Problems to be solved by the present invention]
The above prior art has the following drawbacks when trying to obtain an anti-vibration effect for an in-phase excitation force Fs0 having a low frequency (frequency) f of about 2 to 4 Hz.
[0009]
That is, the excitation force Fs0 when a large number of humans perform a jumping motion of dancing or jumping to the music usually produces a low frequency f of about 2 to 4 Hz. In order to obtain a sufficient vibration damping effect with respect to the excitation force Fs0 having a low frequency f, the floor a must be supported so that the natural frequency fn of the floor a is at least 1 / √2 · f or less. Must.
[0010]
For example, in order to reduce the transmissibility Fs / Fs0 to 0.2 or less with respect to the excitation force f = 2.5 Hz, the transmission rate must be lower than the horizontal dotted line shown in FIG. When the attenuation h = 5%, as shown in FIG. 15, f / fn> 2.5 is lower than the dotted line. That is, in order to set the transmissivity Fs / Fs0 to 0.2 or less, it is necessary to support the floor a in a vibration-isolating manner so that the natural frequency fn of the floor a satisfies fn <1.0 Hz.
[0011]
However, even in the case where an air spring that is effective for a low frequency f is used in the vibration isolating material, the natural frequency fn of the floor a in the vertical direction is set so that fn <1.0 Hz. At present, it is difficult to support vibration-proofing. If the frequency f of the excitation force Fs0 is 2.5 Hz or less, there is a problem that a sufficient vibration-proofing effect cannot be obtained.
[0012]
Further, in the prior art, since the entire surface of the floor a is supported by using the vibration isolating material, a large number of vibration isolating materials and supporting members are required according to the area of the floor a, which leads to an increase in cost. Was.
[0013]
Specifically, the vibration damping technology disclosed in
[0014]
According to the vibration isolation technology disclosed in
[0015]
The vibration damping technology disclosed in
[0016]
An object of the present invention is to provide vibration isolation support for only a part of the floor of a structure on which an excitation force acts, regardless of the magnitude of the frequency of the excitation force and the phase of the excitation force. It is an object of the present invention to provide a vibration damping method for a structural floor that exhibits an effect.
[0017]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a vibration damping method for a structural floor having a high vibration damping effect even with an in-phase excitation force having a low frequency of about 2 to 4 Hz, which was difficult to obtain a vibration damping effect at present. Is to provide.
[0018]
An object of the present invention is to provide a vibration-absorbing method for a structural floor with excellent economic efficiency, which exhibits a vibration-proof effect with a simple vibration-proof structure using a general-purpose vibration-proof material such as a vibration-proof rubber, a metal spring, and an air spring. Is to provide.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above-mentioned problems of the prior art, a vibration damping method for a structure floor according to the invention described in
The floor of the structure is composed of a combination of an anti-vibration area supported by vibration and a non-vibration area not supported by vibration, and the phase of vibration transmitted from the vibration-isolated area to the lower structure is adjusted. The method is characterized in that the vibration is canceled by using a phase difference between the vibration and the vibration transmitted from the non-vibration-proof area to the lower structure.
[0020]
The invention described in
The frequency of the excitation force is f (Hz),
X (0 <X <1.0) is the ratio of the vibration-proof area to the excitation force,
The natural frequency of the vibration isolation area is fn (Hz),
When
When the frequency f of the excitation force and the ratio X of the vibration-proof area are set, the natural frequency fn of the vibration-proof area is
{(1 + 2X) / (1 + X)} ≦ f / fn ≦ {2 / (1-X)}
And tunes the natural frequency of the vibration-proof area so as to fall within the calculated range.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, in the vibration damping method for a structural floor according to the first or second aspect, the excitation force acting on the vibration-isolating area and the non-vibration-isolating area is about 2 to 4 Hz having substantially the same phase. Is characterized by a low frequency.
[0022]
According to a fourth aspect of the present invention, in the vibration damping method for a structure floor according to any one of the first to third aspects, the vibration-isolating area and the non-vibration-isolating area are set at substantially the same height. Features.
[0023]
[Embodiments and Examples of the Present Invention]
FIG. 1 shows an embodiment of a method for damping a structure floor according to
In this vibration damping method for a structure floor, the
[0024]
The non-vibration-
[0025]
As an example, the present invention provides an area ratio of the vibration-proof supported vibration-
[0026]
The basic principle of the present invention will be described using two spring-mass models of a one-degree-of-freedom system shown in FIG. 2 in comparison with the prior art described with reference to FIGS.
[0027]
In the case of the present invention, the
[0028]
The model shown in FIG. 2 shows that the in-phase excitation force Fs0 acts on the vibration-
The transmission force from the non-vibration-
[0029]
FIG. 3 shows a phase delay of the vibration transmitted from the
[0030]
On the other hand, in the non-vibration-
[0031]
Here, the transmission force Fs1 in the non-vibration-
[0032]
As can be seen from FIG. 4, when f / fn2 is larger than about √ (4/3), the transmissivity Fs / Fs0 becomes 1.0 or less. Therefore, according to the present invention, the anti-vibration effect can be obtained by supporting the
[0033]
In short, according to the conventional vibration isolation technology, as shown in FIG. 15, a value (f / fn) obtained by dividing the vibration frequency f of the excitation force Fs0 by the natural frequency fn of the floor a must be set to be larger than √2. Since the vibration effect cannot be obtained, when the excitation force Fs0 is a low frequency f of about 2 to 4 Hz, the natural frequency fn cannot be set to be large and the vibration cannot be performed. Although there was a problem that the vibration-proof support structure could not be realized with a general-purpose vibration-proof material, according to the present invention, it is sufficient to set the natural frequency fn2 of the vibration-
[0034]
In order to explain the effect of the present invention more specifically, an excitation force Fs0 having a frequency f of 2.5 Hz, which is a disadvantage of the related art, will be described as an example. According to the present invention, in order to reduce the transmissibility Fs / Fs0 to 0.2 or less for the vibration frequency f = 2.5 Hz of the excitation force Fs0, it is necessary to lower the horizontal dotted line in FIG. . That is, when the attenuation h = 5%, 1.3 <f / fn2 <1.6, so that the natural frequency fn2 of the
[0035]
On the other hand, in the related art, as described above, in order to reduce the transmissibility Fs / Fs0 to 0.2 or less for the vibration frequency f = 2.5 Hz of the excitation force Fs0, fn <1. It is necessary to support the entire surface of the floor a so as to be 0 Hz, and even when an air spring that works effectively at a low frequency among the vibration isolating materials is used, fn <1.0 Hz in the vertical direction. Thus, it was extremely difficult to support vibration isolation (see also FIG. 5).
[0036]
As described above, according to the present invention, the anti-vibration effect can be obtained by supporting the
[0037]
As described above, the area ratio between the vibration-isolated supported vibration-
[0038]
FIGS. 6A to 6E show vibration transmission rates with respect to f / fn2 when the size of the
[0039]
According to the graphs of FIGS. 6A to 6E and 6F, as the ratio (%) of the vibration-
[0040]
According to FIGS. 6A to 6E, the vibration isolating method of the present invention sets the ratio (%) of the
[0041]
That is, according to the present invention, by setting the ratio (%) of the vibration-
[0042]
FIG. 7A shows the value of f / fn2 when the vibration transmission rate reaches 1.0 or less (vibration-proof area) with respect to the ratio X (0 <X <1) of the vibration-
[0043]
As shown in FIG. 7A, the smaller the
[0044]
FIG. 7B shows a limit value f / fn2 of the ratio X (0 <X <1) of the vibration-
[0045]
As shown in FIG. 7B, the larger the
[0046]
That is, as shown in FIGS. 7A and 7B, when the ratio X of the
[0047]
FIG. 8 shows the value of f / fn2 when the anti-vibration effect is maximized for the ratio X (0 <X <1) of the
[0048]
As shown in FIG. 8, the smaller the
[0049]
As described above, it is impossible to tune the natural frequency fn2 of the
[0050]
As shown in FIGS. 6 to 8, the
[0051]
In summary, the frequency of the excitation force is f (Hz), the ratio of the vibration isolation area to the excitation force is X (0 <X <1.0), and the natural frequency of the vibration isolation area is fn (Hz). When the vibration frequency f of the excitation force and the ratio X of the vibration-proof area are set, the natural frequency fn of the vibration-proof area is calculated as √ {(1 + 2X) / (1 + X) based on FIGS. 7A and 7B. By calculating from the formula {≦ f / fn ≦ {2 / (1-X)} and tuning the natural frequency of the vibration-proof area so as to fall within the calculated range, the vibration-proof area with respect to the excitation force Fs0 is obtained. Regardless of the size of the second embodiment, it is possible to realize a vibration-proofing method that exerts a vibration-proofing effect that is superior to the conventional technology (the invention according to claim 2).
[0052]
By the way, as shown in FIG. 2, the basic principle of the present invention is based on the premise that the excitation force Fs0 generated on the floor 1 (the vibration-
[0053]
When the phases are different, for example, when the one whose phase is delayed with respect to two exciting forces Fs0 having a phase difference of 30 degrees is supported for vibration isolation, the graph shown in FIG. 9A (or FIG. 3) is the graph shown in FIG. 9B. , The value approaches the value at which the anti-vibration effect is maximized (the amount of phase delay = 180 deg), and a more efficient anti-vibration effect can be obtained.
[0054]
In this case, as shown in FIG. 9C, the vibration transmissibility (Fs / Fs0) changes, so that the damping effect is larger at 10% attenuation than at 0% attenuation, and amplification at the resonance frequency is performed. And a design that can effectively exhibit the vibration isolation effect becomes possible.
[0055]
As described above, according to the vibration isolating method for the
[0056]
Incidentally, when the
[0057]
Further, when the structure (live house) 10 according to the present embodiment is implemented by raising the
[0058]
Specifically, the
[0059]
The double-floor structure is not limited to this configuration, and it is needless to say that the
[0060]
The non-vibration-
[0061]
In the embodiment shown in FIGS. 11 and 12, the non-vibration-
[0062]
Also in these embodiments, the phase of the vibration transmitted from the vibration-
[0063]
Although the embodiment has been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the embodiment of the illustrated example, but may be applied to design changes and application variations normally performed by those skilled in the art without departing from the technical idea thereof. Mention is made to include ranges.
[0064]
For example, the
[0065]
In this vibration-proofing method for the
[0066]
The
[0067]
Also in the case of this embodiment, the phase of the vibration transmitted from the
[0068]
[Effects of the present invention]
According to the vibration damping method for a structure floor described in
(1) Only a part of the floor of the structure on which the excitation force acts can be vibration-isolated and supported, and can be implemented with a simple structure, which is economical.
(2) Regardless of the ratio of the vibration isolation area to the structure floor on which the excitation force acts, the magnitude of the excitation frequency of the excitation force, and the difference in the phase of the excitation force, the vibration isolation effect is obtained. Because it can be achieved, it is excellent in flexibility.
(3) The vibration-proof effect is high even for the same-phase excitation force of a low frequency of about 2 to 4 Hz, which was difficult to obtain the vibration-proof effect at present, and furthermore, a vibration-proof rubber, a metal spring, and air The vibration damping effect can be achieved by using a general-purpose vibration damping material such as a spring, which is excellent in economic efficiency.
(4) The floor area on which the excitation force acts is extremely wide ranging from a relatively small structure such as an aerobics dance field to a large-scale structure such as a multipurpose structure capable of accommodating tens of thousands of people. In contrast, the vibration damping effect can be rationally and efficiently, and more economically.
(5) It can be applied not only to new structures but also to existing structures.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a vibration damping method for a structural floor according to the first aspect of the present invention.
FIG. 2 is a spring-mass model showing a basic principle of a vibration damping method for a structure floor according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a phase lag of a transmission force (Fs2) from an anti-vibration area supported by anti-vibration to a lower structure.
FIG. 4 is a graph showing a vibration transmissibility according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the vibration transmissibility according to the related art and the present invention in comparison.
FIG. 6A is a graph showing a vibration transmissibility when the vibration isolation area is 25%,
B is a graph showing the vibration transmissibility when the vibration-proof area is 33%,
C is a graph showing the vibration transmissibility when the vibration-proof area is 50%,
D is a graph showing the vibration transmissibility when the vibration isolation area is 66%,
E is a graph showing the vibration transmissibility when the vibration isolation area is 75%,
F is a graph collectively showing the above AE.
FIGS. 7A and 7B are graphs showing the basis for determining the range of f / fn in the structural floor vibration isolating method according to the second aspect of the present invention. A graph of the value of f / fn2 when the vibration transmissibility reaches 1.0 or less (vibration-proof area) with respect to the ratio of the vibration-proof area is shown. The graph of the value of f / fn2 of the limit value which a vibration-proof effect exceeds the conventional vibration-proof effect is shown.
FIG. 8 is a graph showing the value of f / fn at which the anti-vibration effect can be maximized with respect to the ratio of the anti-vibration area.
FIGS. 9A and 9B are graphs comparing effects when a phase delay occurs, and FIG. 9C is a graph illustrating the vibration transmissibility of B;
FIG. 10 is a perspective view showing a different embodiment of a vibration damping method for a structure floor according to the first aspect of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing an embodiment of a vibration damping method for a structure floor according to the invention described in
FIG. 12 is a perspective view showing an embodiment of a vibration damping method for a structure floor according to the invention described in
FIG. 13A is a bird's-eye view showing a different embodiment of a structure floor vibration damping method according to the first aspect of the present invention, and B is a partial cross-sectional view thereof.
FIG. 14 is a spring-mass model showing the basic principle of the prior art.
FIG. 15 is a graph showing a general physical phenomenon.
[Explanation of symbols]
1 floor
2 Anti-vibration area
3 Non-vibration-proof area
4 Substructure (foundation, ground, floor of building)
5 anti-vibration materials
7 concrete
8 concrete columns
9 concrete floor
10 Structure
Claims (4)
加振力に対する防振エリアの割合をX(0<X<1.0)、
防振エリアの固有振動数をfn(Hz)、
とするとき、
加振力の振動数fと防振エリアの割合Xを設定した場合に、防振エリアの固有振動数fnを
√{(1+2X)/(1+X)}≦f/fn≦√{2/(1−X)}
の式から算出し、当該算出した範囲内に収まるように防振エリアの固有振動数をチューニングすることを特徴とする、請求項1に記載した構造物床の防振工法。The frequency of the excitation force is f (Hz),
X (0 <X <1.0) is the ratio of the vibration-proof area to the excitation force,
The natural frequency of the vibration isolation area is fn (Hz),
When
When the frequency f of the excitation force and the ratio X of the vibration-proof area are set, the natural frequency fn of the vibration-proof area is set to {(1 + 2X) / (1 + X)} ≦ f / fn ≦ {2 / (1) −X)}
The vibration damping method for a structural floor according to claim 1, wherein the natural frequency of the vibration damping area is tuned so as to fall within the calculated range.
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