JP2005083401A - 構造物の制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物にチューンドマスダンパを設けた場合に、これらの共振点から外れた部分でも、制振効果の高い構造物の制振装置を提供する。
【解決手段】 建築構造物Ｍに設けられる制振装置１は、錘１１およびばね１２を備えるＴＭＤ２を有している。ＴＭＤ２における錘１１には、ロック機構３が取り付けられており、建築構造物Ｍには、建築構造物Ｍの振動を検出する振動センサ４が設けられている。ロック機構３および振動センサ４は、コントローラ５に接続されており、コントローラは、振動センサ４で検出された建築構造物Ｍの振動が主振動系固有振動数領域を外れたときに、ロック機構３をＯＮにして、錘１１の移動を抑止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造物の制振装置に関する。

制振対象となる構造物の制振装置として、構造物に弾性部材、たとえばばねを介して設けられた錘を有するチューンドマスダンパを用いたものが知られている。チューンドマスダンパは、錘の揺れの周期が構造物の揺れの周期と同じになるようにばねの弾性力を設定し、構造物の揺れとマスの揺れとを共振させることで、構造物を制振するものである。

また、土木学会論文集Ｎｏ．４６５／Ｉ２３号、８７−９６頁には、複数のチューンドマスダンパを設けたマルティプル同調質量ダンパ（マルティプルチューンドマスダンパ）が発表されている。このマルティプルチューンドマスダンパは、それぞれ固有振動数の異なる複数のチューンドマスダンパを有している。これら複数のチューンドマスダンパの固有振動数は、構造物の制振モードにおける固有振動数の周りに分布されている。そして、これらのチューンドマスダンパを制振対象物となる構造物に取り付けて、制振対象のバンド幅内における制振効果の向上を図っている。また、同調比と減衰比に関するロバスト性を向上させることができる。
土木学会論文集Ｎｏ．４６５／Ｉ２３号、８７−９６頁

ところで、上記チューンドマスダンパおよび上記非特許文献１に開示されたマルティプルチューンドマスダンパにおいては、構造物との共振点付近において、制振効果が最大となり、構造物の応答を低減する。しかし、共振点の振動数から遠く外れた部分では、チューンドマスダンパまたはマルティプルチューンドマスダンパが作動することにより、変位応答を大きくしてしまい、逆に振動を大きくするおそれがあるものであった。

そこで、本発明の課題は、構造物にチューンドマスダンパまたはマルティプルチューンドマスダンパを設けた場合に、これらの共振点から外れた部分でも、制振効果の高い構造物の制振装置を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る構造物の制振装置は、制振対象物となる構造物を制振する構造物の制振装置において、構造物に弾性部材を介して取り付けられた錘を有し、構造物と錘とを共振させて構造物を制振するチューンドマスダンパと、構造物の振動を検出する振動センサと、チューンドマスダンパにおける錘の振動を抑止するロック機構と、振動センサによって検出された構造物の振動数に基づいて、ロック機構のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う制御装置と、を備えるものである。

本発明に係る構造物の制振装置は、チューンドマスダンパにおける錘の振動を抑止するロック機構を有しており、振動センサによって検出された構造物の振動数に基づいて、ロック機構のＯＮ−ＯＦＦ制御を行っている。このため、たとえばバンド幅から大きく外れた振動数の振動が構造物に生じている場合には、ロック機構をＯＮにしてチューンドマスダンパにおける錘の振動を抑止することにより、チューンドマスダンパによる変位応答の増大を防止することができる。その結果、構造物とチューンドマスダンパとの共振点から外れた部分においても、制振効果を高いものとすることができる。

また、チューンドマスダンパを複数設け、複数のチューンドマスダンパにおける固有振動数が、構造物の制振モードにおける固有振動数の周りに分布されている態様とすることができる。

このように、複数のチューンドマスダンパにおける固有振動数が構造物の制振モードにおける固有振動数の周りに分布されたマルティプルチューンドマスダンパにおいても、上記のロック機構を用いた構成とすることができる。その結果、制振モードにおける固有振動数から外れた領域でも、マルティプルチューンドマスダンパによる振動の低減を防止することができ、高い制振効果を発揮させることができる。

さらに、ロック機構は、複数のチューンドマスダンパのそれぞれに対して取り付けられており、振動センサによって検出される構造物の振動数に応じて、複数のチューンドマスダンパのうち、ロックするチューンドマスダンパを選択し、選択されたチューンドマスダンパをロック機構によってロックする態様とするのが好適である。

このように、構造物の振動の振動数に応じて、ロックするチューンドマスダンパを選択することにより、最も制振効果の高い振動数のチューンドマスダンパを作動させることができる。その結果、制振モードにおける固有振動数の範囲で、より制振効果を高めることができる。

本発明によれば、構造物にチューンドマスダンパまたはマルティプルチューンドマスダンパを設けた場合に、これらの共振点から外れた部分でも、応答を大きくすることがない構造物の制振装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は本発明の第１の実施形態に係る構造物の制振装置の模式的構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る制振装置１は、チューンドマスダンパ（以下「ＴＭＤ」という）２を備えている。ＴＭＤ２は、たとえば制振対象物となる建築構造物Ｍに設けられ、錘１１、弾性部材となるばね１２、および案内部材１３を備えている。錘１１は、所定の重量を有しており、その下面には、ローラ１４が設けられており、錘１１はローラ１４の転動によって移動可能とされている。ローラ１４は、制振対象となる建築構造物Ｍの上に載置されている。なお、制振対象物としては、建築構造物のほか、土木構造物、機械構造物、宇宙・航空構造物、船舶構造物などを挙げることができる。

また、錘１１には、ばね１２の一端が錘１１に取り付けられ、ばね１２の他端は建築構造物Ｍに取り付けられている。ばね１２には、所定の弾性係数のものが用いられており、錘１１の重量およびばね１２の弾性係数により、建築構造物Ｍが地震などによって振動した際の制振効果を最大にする振動数が調整される。

さらに、案内部材１３は、筒体１３Ａおよびこの筒体に対して進退するロッド１３Ｂを備えている。この筒体１３Ａは、建築構造物Ｍに取り付けられており、ロッド１３Ｂは錘１１に取り付けられている。また、ロッド１３Ｂの移動方向は、ローラ１４の転動によって錘１１が移動する方向と一致しており、錘１１は案内部材１３によってその移動方向が規制されている。

そして、たとえば地震などにより、建築構造物Ｍが振動すると、その振動にあわせて錘１１が移動する。このとき、錘１１の移動方向は案内部材１３によって規制されており、錘１１の質量およびばね１２の弾性係数が規定されていることから、建築構造物Ｍにおける所定の振動数に対する制振効果を発揮する。

また、制振装置１は、ロック機構３、振動センサ４、およびコントローラ５を備えている。ロック機構３は、第一ロッド２１、第二ロッド２２、およびロック部材２３を備えている。第一ロッド２１は、建築構造物Ｍに取り付けられ第二ロッド２２はＴＭＤ２における錘１１に取り付けられており、第一ロッド２１と第二ロッド２２の間にロック部材２３が配置されている。このロック部材２３がＯＦＦであって、ロックされていない状態のときには、錘１１の振動が抑止されず、錘１１が建築構造物Ｍに対する相対的な移動が可能となる。逆に、ロック部材２３がＯＮとなってロックされた状態のときには、第一ロッド２１および第二ロッド２２が固定される。そして、第一ロッド２１が取り付けられた建築構造物Ｍに対する第二ロッドが取り付けられたＴＭＤ２における錘１１の振動が抑止され、建築構造物Ｍに対する錘１１の相対的な移動が抑止される。したがって、ロック部材２３がロックされたときには、ＴＭＤ２における錘１１は、建築構造物Ｍとともに移動する。

振動センサ４は、建築構造物Ｍにおける適宜の位置に取り付けられており、建築構造物Ｍの振動を検出している。この振動センサ４は、コントローラ５に接続されており、検出した振動を信号化した振動信号をコントローラ５に出力している。

コントローラ５は、振動センサ４に接続されているとともに、ロック機構３におけるロック部材２３に接続されている。このコントローラ５は、振動センサ４から出力される振動信号に基づいて、ロック機構３のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。そのため、コントローラ５では、振動センサ４から出力された振動信号から、ロック機構３のＯＮ−ＯＦＦを判断し、ＯＮ信号またはＯＦＦ信号をロック機構３におけるロック部材２３に出力する。ロック機構３のＯＮ−ＯＦＦの判断手法については、後に説明する。

以上の構成を有する本実施形態に係る制振装置１の制御手順について説明する。図２は、本実施形態に係る制振装置の制御手順を示すフローチャートである。図２に示すように、まず、振動センサ４によって建築構造物Ｍの振動数を検出する（Ｓ１）。振動センサ４は、検出した振動数をコントローラ５に出力する。コントローラ５では、出力された建築構造物Ｍの振動数に基づいて、ＴＭＤ２をＯＦＦにするか否かを判断する（Ｓ２）。ＴＭＤ２をＯＦＦにするか否かの判断は、次のようにして行われる。図３は、外力周波数に対する主振動系の変位応答の例を示すグラフである。図３に示すように、建築構造物Ｍである主振動系の変位応答と外力周波数との関係を見てみると、ＴＭＤ２を設けた場合には、外力周波数の中央部分にある建築構造物ＭとＴＭＤ２との共振点となる主振動系固有振動数の周囲の制振モード内となる主振動系固有振動数領域において、ＴＭＤ２を設けないときよりも、ＴＭＤ２を設けた方が、主振動系の変位応答が小さくなっている。このことから、主振動系固有振動数領域では、ＴＭＤ２を設けた方が、制振効果が高いことが判る。ところが、主振動系固有振動数領域を外れた領域では、ＴＭＤ２を設けない方が、変位応答が小さくなっている。これは、ＴＭＤ２を設けた場合には、逆に制振効果を低減させていることを意味している。

この点に着目して、本実施形態に係る制振装置１におけるコントローラ５では、振動センサ４によって求められた外力周波数となる建築構造物Ｍの振動数が、主振動系固有振動数領域の範囲に入っているか否かを判断する。主振動系固有周波数領域は建築構造物Ｍによって決まっており、コントローラ５に記憶されている。その判断の結果、建築構造物Ｍの振動数が主振動系固有振動数領域から外れているときには、ＴＭＤ２をＯＦＦとし、逆に、主振動系固有振動数領域に入っているときには、ＴＭＤ２をＯＦＦとせずにＯＮとする。

このような制御を行うことにより、図４に示すように、建築構造物Ｍに与えられる外力周波数が主振動系固有振動数領域から外れるときには、ＴＭＤ２の重量が建築構造物Ｍに加わったものと同様になるが、建築構造物Ｍに対するＴＭＤ２の質量はおよそ１％と非常に小さい。このため、構造物Ｍに与える影響は小さく、ＴＭＤ２が設けられていない場合と同様の変位応答を示す。また、建築構造物Ｍに与えられる外力周波数が主振動系固有振動数領域にあるときには、ＴＭＤ２が設けられたのと同じ変位応答を示すようになる。このようにして、制振効果を高めることができる。

そして、ステップＳ２において、ＴＭＤ２をＯＦＦにすると判断したら、コントローラ５からロック機構３にＯＮ信号を出力して、ロック機構３を作動させて、ＴＭＤ２をロックする（Ｓ３）。逆に、ＴＭＤ２をＯＮにすると判断したら、コントローラ５からロック機構３にＯＦＦ信号を出力して、ロック機構３を解除して、ＴＭＤ２を移動可能とする（Ｓ４）。こうして、主振動系の変位応答を小さくすることができ、もって高い制振効果を発揮させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係る構造物の制振装置の模式的構成図である。図５に示すように、本実施形態に係る制振装置３０は、マルティプルチューンドマスダンパ（以下、「ＭＴＭＤ」という）３１を備えている。ＭＴＭＤ３１は、複数のＴＭＤ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…，２Ｎを備えている。ＴＭＤ２Ａ〜２Ｎは、上記第１の実施形態で示したＴＭＤ２と同様、錘１１、ばね１２、および案内部材１３を備えている。また、各ＴＭＤ２Ａ〜２Ｎには、それぞれロック機構３Ａ〜３Ｎが取り付けられている。さらに、制振装置３０は、上記第１の実施形態と同様の振動センサ４およびコントローラ５を備えている。

ロック機構３Ａ〜３Ｎは、上記第１の実施形態におけるロック機構３と同様、第一ロッド２１、第二ロッド２２、およびロック部材２３を備えている。各ロック機構３Ａ〜３Ｎにおけるロック部材２３は、それぞれコントローラ５に接続されている。また、振動センサ４は、コントローラ５に接続され、振動信号をコントローラ５に出力する。また、コントローラ５は、振動センサ４から出力された振動信号に基づいて、ロック機構３Ａ〜３ＮのＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。その他の点については、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。

次に、本実施形態に係る制振装置３０の制御手順について説明する。図６は、本実施形態に係る制振装置の制御手順を示すフローチャートである。図６に示すように、本実施形態に係る制振装置３０においては、上記第１の実施形態と同様、まず、振動センサ４によって建築構造物Ｍの振動数を検出したら、コントローラ５において、検出した振動数に基づいて、ＭＴＭＤをＯＦＦにするか否かを判断する（Ｓ１１）。この判断は、上記第１の実施形態と同様、検出された振動数が、主振動系固有振動数領域にあるか否かによって判断する。

ここで、ＭＴＭＤ３１を用いた場合の主振動系の変位応答について説明する。図７は、外力周波数に対する主振動系の変位応答の例を示すグラフである。ここで、複数のＴＭＤ２Ａ〜２ＮからなるＴＭＴＤ３１のうち、ＯＮにするＴＭＤを選択し、たとえばすべてのＴＭＤ２Ａ〜２ＮをＯＮにする場合を第一ＭＴＭＤとし、ＴＭＤ２Ａ，２ＢをＯＮにする場合を第二ＭＴＭＤとする。第一ＭＴＭＤを用いると、たとえば外力周波数が１．００〜１．６３Ｈｚ程度の範囲でＴＭＤが無い場合よりも主振動系の変位応答が小さくなる。しかし、その外側の領域では、逆にＴＭＤを設けない場合の方が、主振動系の変位応答が小さくなる。

また、第二ＭＴＭＤを用いた場合には、１．００〜１．５２Ｈｚの領域では第一ＭＴＭＤを用いた場合よりも主振動系の変位応答は大きくなるが、その周りの０．８３〜１．００Ｈｚ、１．９５Ｈｚの領域では、主振動系の変位応答が小さくなる。ただし、０．９７Ｈｚ以下の領域および１．６３Ｈｚ以上の領域では、第二ＭＴＭＤを用いた場合でも、ＴＭＤを設けない場合よりも変位応答が大きくなる。これらは、主振動系固有振動数領域が建築構造物Ｍに対して最適バンド幅となるように調整され、第二ＭＴＭＤの固有振動数は、主振動系固有振動数領域の周りのバンド幅拡大領域に分布されており、変位応答を小さくするバンド幅が広くなるようにされていることによるものである。これらの主振動系固有振動数領域およびバンド幅拡大領域の振動数は、あらかじめコントローラ５に記憶されている。

これらの点に着目して、まず、ＭＴＭＤ３１をＯＦＦにするか否かを判断する（Ｓ１１）。振動センサ４で検出された外力周波数が、図８に示すバンド幅拡大領域の外側にあるときには、ＭＴＭＤを作動させない状態のときが最も主振動系の変位応答が小さくなる。したがって、まず外力周波数がバンド幅拡大領域にあるか否かを判断し、バンド幅拡大領域にないときには、ＭＴＭＤ３１をＯＦＦにすべく、ロック機構３Ａ〜３ＮのＯＮ信号を出力して、ＭＴＭＤ３１をロックする（Ｓ１２）。

一方、外力周波数がバンド幅拡大領域の内側にあると判断したときには、第一ＭＴＭＤと第二ＭＴＭＤのいずれかを用いるかの判断を行う（Ｓ１３）。そのために、振動センサ４で検出された外力周波数が、図８に示す主振動系固有振動数領域にあるか否かを判断する。その結果、外力周波数が主振動系固有振動数領域にあると判断した場合には、すべてのロック機構３Ａ〜３ＮにＯＦＦ信号を出力し、すべてのロック機構３Ａ〜３Ｎを解除して第一ＭＴＭＤを用いる（Ｓ１４）。また、バンド拡大領域にはあるが、主振動系固有周波数領域にないと判断した場合には、ロック機構３Ａ，３ＢにＯＦＦ信号を出力し、ロック機構３Ｃ〜３ＮにＯＮ信号を出力する。そして、ロック機構３Ａ，３ＢをＯＮにし、ロック機構３Ｃ〜３ＮをＯＦＦにして、ＴＭＤ２Ａ，２ＢをＯＮにし、ＴＭＤ２Ｃ〜２ＮをＯＦＦにして、第二ＭＴＭＤを用いる（Ｓ１５）。

このような制御を行うことにより、図８に示すように、主振動系固有振動数領域に設定された最適調整バンド幅ＭＴＭＤ１では、第一ＭＴＭＤが作動し、その周りのバンド幅拡大領域ＭＴＭＤ２では、第二ＭＴＭＤが作動する。そして、バンド幅拡大領域ＭＴＭＤ２を外れた領域では、ＭＴＭＤはＯＦＦとなる。したがって、主振動系の変位応答が最も小さくなるようにすることができるので、制振効果の高い制振装置とすることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記第２の実施形態において、選択するＭＴＭＤを第一ＭＴＭＤおよび第二ＭＴＭＤの二つのみとしているが、Ｎ通り、あるいはそれ以上のＭＴＭＤを選択可能として、広い範囲のバンド幅における制振効果を向上させることができる。

第１の実施形態に係る建築構造物の制振装置の模式的構成図である。 第１の実施形態に係る制振装置の制御手順を示すフローチャートである。 外力周波数に対する主振動系の変位応答の例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る制振装置を用いた場合における主振動系の変位応答の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る建築構造物の制振装置の模式的構成図である。 第２の実施形態に係る制振装置の制御手順を示すフローチャートである。 外力周波数に対する主振動系の変位応答の例を示すグラフである。 第２の実施形態に係る制振装置を用いた場合における主振動系の変位応答の例を示すグラフである。

符号の説明

１，３０…制振装置
２，２Ａ〜２Ｎ…ＴＭＤ（チューンドマスダンパ）
３，３Ａ〜３Ｎ…ロック機構
４…振動センサ
５…コントローラ
１１…錘
１２…ばね
１３…案内部材
１３Ａ…筒体
１３Ｂ…ロッド
１４…ローラ
２１…第一ロッド
２２…第二ロッド
２３…ロック部材
３１…ＭＴＭＤ（マルティプルチューンドマスダンパ）
Ｍ…建築構造物

Claims (3)

1. 制振対象物となる構造物を制振する構造物の制振装置において、
   前記構造物に弾性部材を介して取り付けられた錘を有し、前記構造物と前記錘とを共振させて前記構造物を制振するチューンドマスダンパと、
   構造物の振動を検出する振動センサと、
   前記チューンドマスダンパにおける錘の振動を抑止するロック機構と、
   前記振動センサによって検出された構造物の振動数に基づいて、前記ロック機構のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う制御装置と、
   を備えることを特徴とする構造物の制振装置。
2. 前記チューンドマスダンパを複数設け、前記複数のチューンドマスダンパにおける固有振動数が、前記構造物の制振モードにおける固有振動数の周りに分布されている請求項１に記載の構造物の制振装置。
3. 前記ロック機構は、前記複数のチューンドマスダンパのそれぞれに対して取り付けられており、
   前記振動センサによって検出される前記構造物の振動数に応じて、前記複数のチューンドマスダンパのうち、ロックするチューンドマスダンパを選択し、選択されたチューンドマスダンパを前記ロック機構によってロックする請求項２に記載の構造物の制振装置。

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