JP2005180492A - 設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラム並びに減衰システムの設計方法 - Google Patents

設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラム並びに減衰システムの設計方法 Download PDF

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Tokie Nakano
時衛 中野
Kenji Saito
賢二 斉藤
Kenyu Yogo
兼右 余湖
Eiji Kuroda
英二 黒田
Takeshi Furuhashi
剛 古橋
Kenji Saiki
健司 齊木
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Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
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NTT Power and Building Facilities Inc
Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
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Abstract

【課題】構造物についての運動方程式による加速度に関する質量項M(慣性)を利用した減衰こまの設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラムを提供する。
【解決手段】少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計する方法において、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計する。
【選択図】図1

Description

本発明は、減衰こまの内筒管の高速回転に着目し、内筒管の重量による慣性効果を利用することで、慣性項による制震させるための設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラム並びに減衰システムの設計方法に関する。
構造物が外乱に対して応答を制御する際に、構造物についての運動方程式から検討することができる。式(数1)に示すように、構造物についての運動方程式は、加速度に関する質量項M(慣性)と、速度に関する粘性減衰項Cと、変位に関する剛性項Kとから構成される。これらのいずれかの項を調整することで、外乱に対する応答制御が可能となる。
Figure 2005180492
この構造物についての運動方程式を建物の固有周期を伸長し、地震による共振を回避する免震構造に適用すると、剛性項Kを調整する装置と、粘性減衰項Cを調整することのできる装置がある。剛性項Kを調整する装置は、鉛入り積層ゴム(LRI)、積層ゴム(NRI)、滑り支承(SLR)、転がり支承(CLB)である。これらの装置に、さらに粘性減衰装置を付加することで、粘性減衰項Cの調整が可能となる。
免震構造に適用して粘性減衰項Cを調整する装置は、減衰こま(RDT)、オイルダンパー(PSA)、制震壁(SDW)が存在する。
一方、この構造物についての運動方程式に減衰を与える構造である制震構造に適用する場合、剛性項Kを調整する装置としては、変位比例型減衰装置(FLR)が上げられる。また、粘性減衰項Cを調整する装置として、減衰こま(RDT)、オイルダンパー(PSA)、制震壁(SDW)が存在する。
また、特許文献1には、直線運動を回転運動に変換し、回転体の重量による慣性効果を得る慣性接続要素による振動遮断接続機構が開示されている。
特開平9−177875号公報、段落(0043)及び図7
しかし、建物の応答制御において、上記3つの項目中の加速度に関する質量項M(慣性)を調整する装置の提案は少ない。建物の応答を制御するには大きな質量を必要とし、その質量を物質の重量で対処するには、100〜数千トンのオーダーの重量が必要となる。このオーダーの質量を建物に備えると、その重量の為に構造を補強する必要が生じてしまうため、実質的には質量項を調整装置を実現することは困難であった。
また、特許文献1は、回転体機構と復元用のばねKsが直列に接続されて配置されており、振動が入力した場合に振動数により質量項調整の効果が低下する課題を有している。
そこで、出願人らは鋭意研究した結果、内筒管と外筒管の間に充填された粘性体による減衰効果を有する減衰こまについて、内筒管の重量を積極的に利用することで、慣性項による調整の効果が得られることを発明した。
そこで、解決しようとする課題は、構造物についての運動方程式による加速度に関する質量項M(慣性)を利用した減衰こまの設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラムの提供にある。
本発明に係る設計方法は、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転体を設計する方法において、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを最も主要な特徴とする。
また、前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有してもよい。
さらに、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填することができる。
次に、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支されてもよい。
そのうえ、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填されてもよい。
そして、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填してもよい。
また、この回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成されてもよく、回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成されてもよい。
本発明に係る設計支援システムは、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計支援システムにおいて、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計する。
また、前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有してもよい。
さらに、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填してもよい。
次に、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支されてもよい。
そのうえ、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填されうる。
そして、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填しうる。
続いて、前記回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成されてもよい。
また、前記回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成されうる。
また、中央演算処理と、前記中央演算処理とバスを介して接続されるメインメモリと、前記中央演算処理とバスを介して接続されるファイル装置と、前記中央演算処理とバスを介して接続される入力装置と、前記中央演算処理とバスを介して接続される出力装置とから構成され、ファイル装置に記憶される設計プログラムが入力されたデバイス仕様データより減衰コマの設計値を算出しうる。
本発明に係る設計支援プログラムは、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計支援プログラムにおいて、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを特徴とする。
また、前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有することを特徴としうる。
さらに、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填しうる。
次に、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支されうる。
続いて、前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填されてもよい。
そのうえ、前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填してもよい。
また、前記回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成されうる。
さらに、前記回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成されうる。
さらに、少なくとも一つの変位依存型減衰装置と少なくとも一つの速度依存型減衰装置とを含む減衰システムであって、前記速度依存型減衰装置は、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置において、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とし、前記変位依存型減衰装置の弾性率に基づき算出され第3の係数を変位の項とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを特徴とする。
本発明の設計方法は、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計する方法において、前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することにより、内筒管と外筒管の間に充填された粘性体による減衰効果のみならず、内筒管の重量を積極的に利用し、慣性効果を期待することができる。
また、内筒管の高速回転により、内筒管の重量を利用し、減衰項と、剛性項以外の慣性項による制震を図ることができる。
さらに、減衰コマがばね性がないため、入力の振動数による効果の低下を削減できる。
その上、粘性体により慣性効果と粘性減衰効果を得ることができる。
本発明について図1〜12を用いて説明するとともに、以下の順序で設計方法および設計支援システムおよび設計支援プログラム並びに減衰システムの設計方法について説明する。
(1)質点系
(2)剛体系
(3)非減衰1質点地震応答
(4)非減衰1質点付加質量付地震応答
(5)減衰1質点付加質量付地震応答
(6)付加マス制震応答
(7)シリンダ型減衰コマ
(8)ディスク型減衰コマ
(9)設計システム
(10)設計フロー
(実施例1〜4)
すなわち、(1)〜(7)において本発明の原理について示し、(8)、(9)で本発明に係る減衰マスへの適用例について示し、(10)、(11)で本発明に係る設計システムとその方法及びプログラムについて示す。最後に実施例1〜4について示す。
(1)質点系
図1に本発明の原理を質点系に適用するモデル図を示す。地盤E上にバネKと減衰装置Cとに支持される質量Mの構造物が配置され、地盤Eから加速度
Figure 2005180492
の外乱がこの構造物に入力するとし、質量Mの構造物が地盤に対して相対変位、相対速度、相対加速度を
Figure 2005180492
とすると(数2)式で示される。
Figure 2005180492
Figure 2005180492
(数3)式においてω =(k/M)、2hω=(C/M)と置き換えて(数3)に示す。
Figure 2005180492
(数4)式で地震の応答を小さくするにはω(固有円振動数)を小さくするか、あるいはhを大きくすることで可能となる。ωを小さくする方法は、バネ定数(剛性)Kを小さくする方法と、Mを大きくする方法とがある。
しかしながら、過剰設計をしない限りはバネ定数(剛性)Kを小さくすることは困難である。また、Mを大きくする方法は、Mを大きくすることでMを支持するバネの鉛直支持強度を上げることとなる。バネの鉛直支持強度の上昇で、バネ定数Kを大きくすることとなり応答を小さくすることに反する。そこで、自重の増加を抑える一方で、質量Mを増加させることで地震の応答を小さくすることが必要となる。
(数2)式において、質量Mは絶対加速度
Figure 2005180492
を受けて慣性力となる。絶対加速度
Figure 2005180492
ではなく、相対加速度
Figure 2005180492
を受けて慣性力となる質量mが存在すると仮定すると、(数2)式は以下のように(数5)式となる。
Figure 2005180492
Figure 2005180492
ここで、(数6)式において、
ω ={k/([M]+[m])},2h1ω1={C/([M]+[m])}とすると、(数7)式となる。
Figure 2005180492
(数3)式と(数6)式の対比から相対速度
Figure 2005180492
を受けて慣性力となる質量[m]が付加されることで、この(数6)式から固有振動数と、入力加速度と、減衰項が求められる。
固有振動数ωがω1に変化する。
Figure 2005180492
従って、周期Tも伸張する。
Figure 2005180492
また、入力加速度{dx0/dt2}は、減少する。
Figure 2005180492
減衰項2hωは、2h1ω1に減少する。
Figure 2005180492
つまり、相対加速度
Figure 2005180492
を受けて慣性力となる付加質量を付与することは、周期の伸張と入力加速度の低減を図ることができる。但し、減衰項が減少するため、減衰係数を上げることで質量付与により応答を小さくできる。
(2)剛体系
(2−2)慣性モーメントによる軸方向抵抗力
トルクをT、角速度を{d2θ/dt2}=θ、慣性モーメントをIとすると、その間には、(数8)式の関係があり、
Figure 2005180492
減衰こまの軸加速度をAaとし、減衰コマのねじのピッチをldとすると、角速度θと、軸加速度Aaとの関係は、(数23)式で示される。
Figure 2005180492
従って、トルクTと軸加速度Aaとの関係は(数9)式を(数8)式に代入して(数10)式に示される。
Figure 2005180492
このトルクTが作用した時の軸方向抵抗力Iaは(数11)式に示される。
Figure 2005180492
(2−3)ディスクタイプの慣性モーメント
図2にディスクタイプの減衰コマの模式図を示す。この減衰コマにおいてディスクタイプの慣性モーメントを、直径をD、重量をW、重力定数をGとし、ディスクの中心を軸として(数12)式に示す。
Figure 2005180492
(2−4)シリンダータイプの慣性モーメント
また、図3に内部が中空であるシリンダータイプの慣性モーメントを、空洞部の直径をD、シリンダ外周の直径をD、重量をW、重力定数をGとし、ディスクの中心を軸として(数13)式に示す。
Figure 2005180492
(3)非減衰1質点地震応答
次に減衰要素がない1質点系に地震応答がなされる場合について運動方程式を示し、その絶対加速度を求める。質量をM,変位をy、剛性定数をk、とすると方程式は(数14)に示される。
Figure 2005180492
ここで、y=a0eiptとして代入すると(数15)式が求められる。
Figure 2005180492
さらに、y=ceiptとして(数15)式に代入して(数16)式を求める。
Figure 2005180492
従って定数cおよびyを(数17)式より(数19)式を示す。
Figure 2005180492
Figure 2005180492
Figure 2005180492
以上から非減衰1質点地震応答の絶対化速度を(数20)式に示す。
Figure 2005180492
この場合、絶対加速度は0となることはない。また共揺点はP=ωである。
(4)非減衰1質点付加質量付地震応答
次に減衰要素がない1質点系に付加マスが追加された場合の地震応答の運動方程式を示し、その絶対加速度を求める。質量をM、付加質量m、変位をy、剛性定数をk、とすると方程式は(数21)に示される。
Figure 2005180492
ここで、(M+m)/M=αとすると(数22)式が求まる。
Figure 2005180492
さらにyにa0eiptを代入すると(数23)式に変換される。
Figure 2005180492
すなわち、(数15)式との比較より、固有周期が
Figure 2005180492
倍に伸びるとともに、入力地震動が1/αと低減することを意味する。例えば、付加質量を元の質量Mと同じくMとするとα=2、つまり、固有周期は約1.4倍に伸び、入力振動は半分となる。ここで、y=ceiptとすると(数24)式が求められる。
Figure 2005180492
また、(数24)式より定数cおよびyを求めた結果を(数25)式に示す。
Figure 2005180492
また、絶対加速度について求め(数26)式に示す。
Figure 2005180492
(数26)式より絶対加速度は、
Figure 2005180492
において0となる。例えば、付加質量もMであるα=2の場合は、ω=pにおいて絶対化速度が0となる。ここで、共揺点はα(p/ω)=1すなわち、
Figure 2005180492
である。
(5)減衰1質点付加質量付地震応答
次に、減衰係数cを有するモデルであって、1質点に付加マスmを有する場合についてその運動方程式を(数27)式に示す。
Figure 2005180492
ここで、(M+m)/M=αとし、(C/M)=2hω、ω=k/Mとすると(数28)式となる。
Figure 2005180492
さらにy=ceiptとすると(数29)式が求められる。
Figure 2005180492
さらに、定数cおよびyを求めると(数30)式となる。
Figure 2005180492
また、絶対化速度を(数31)式に示す。
Figure 2005180492
また、増幅率を(数32)式に示す。
Figure 2005180492
(6)付加マス制震応答
次に付加マス制震応答についてその定常波による制震について、質量をM、振動数をωとすると、その伝達関数を(数33)式に示す。
Figure 2005180492
この伝達関数を0とするには、伝達関数の分子を0とすればよく、但し、分母が0でないことに注意する必要がある。分子が0となる条件を(数34)式に示す。
Figure 2005180492
すなわち、付加質量をK/ωとすることで、伝達関数0が実現可能となる。ここで、K/ωは、系のバネ定数を外乱の固有円振動数の2乗した値で割った値を意味する。
(7)シリンダ型減衰コマ
次に本発明に係る設計手法により設計されるシリンダ型減衰コマ2を図4に示す。
図4において、本発明に係るシリンダ型減衰コマ1は、相対変位する2点(物体)2,4間を連結するよう互いに接続される第1および第2の連結部材6および8からなり、そして、これら両連結部材6、8は、そのそれぞれの一端部を前記相対変位する2点(物体)2,4の中の1つにそれぞれ固定すると共に、その第1の連結部材10は、その接続側を案内ねじ部14に形成し、そしてこのねじ部14上には、ボールベアリング16を介して螺合される案内ナット18で駆動する回転内筒20を回転摺動可能に挿着し、また第2の連結部材8は、その接続側を前記回転内筒20を収容するチャンバ22用の固定外筒24に形成し、そしてこのチャンバ22内には減衰用の粘性体および/または粘弾性体26を充填するよう構成する。
なおここで、回転内筒20は、一端部を案内ナット18に外挿される他端部閉塞筒体からなり、案内ナット18の一側部および回転内筒20の前記閉塞端部の固定外筒24に対する上下両対接面にそれぞれボールベアリング28,30を配設することにより、2点10,12間の相対変位から発生される圧縮および引張りの両荷重に対応して、案内ねじ部14上を回転し且つ図示上下方向へ摺動するよう軸支されている。更に、粘性流体には、ポリイソブチレンその他の合成ゴム等を好適に使用することができる。ここで、(3−4)におけるシリンダが回転内筒20に相当し、その外周の直径がDであり、内周直径がDとなる。重さをWとすれば、慣性モーメントは(数35)式に示される。
Figure 2005180492
なお、本発明に係る設計手法により構成されるシリンダ型減衰コマは、種々に変更されることができ、例えば図5に示すように変形され得る。すなわち、この変形例は、図4に示す実施例において、回転内筒20を開放筒体に形成すると共に、案内ナット18を、固定外筒24に固定されたケーシング32に対してボールベアリング28を介して軸支するよう構成したものである。
さらに、図6に示すようなシリンダ型減衰コマ1の第3の変形例では、シリンダ型減衰コマ1は、速度増幅部36と、伝達部38と、減衰部40とから構成される。速度増幅部36内にその端部からねじ溝の刻設された案内ねじ部14が挿入され、リニア軸受けベアリング42のボールベアリング16を介して案内ナット18と螺合され、この案内ナット18は速度増幅部36の外筒32とスラスト軸受け29を介して回転可能に接合される。
この案内ナット18は伝達部38内で回転内筒20と接合されて、減衰部40内を回動する。減衰部40の外筒24と回転内筒20の間には粘性体26が封入され外筒24端部のシール28で封止され、粘性体26が漏れない構造となっている。
また、本発明に係る設計手法により構成されるシリンダ型減衰コマは、比較的大きな構造物にも小さな組立物にも広く適用される。そこで次に、本発明に係る、前記減衰棒を使用する減衰装置を建築構造物に適用した場合の実施例について以下説明する。
次に、図7においては、減衰棒50は、基礎76とこの基礎76上に免震パッド78,78を介して支持されている防震構造物80との間に、それぞれの支持支柱76aおよび80aを介して圧縮および引張り可能に配設されている。従って、これによれば、地震等で発生される基礎76および防震構造物80間の水平方向の相対変位によって伸縮される減衰棒50の減衰効果により基礎76および防震構造物80間の前記水平方向の相対変位エネルギが吸収されて、防震構造物80の振動が有効に制振され得る。
(8)ディスク型減衰コマ
図8において、本発明に係る減衰コマは、先ず基本的には、相対変位する2点(物体)90,92間を連結するよう互いに接続される第1および第2の連結部材、すなわち、第一のロッド94および管状の第二のロッド96からなる。そして、これらロッド94,96は、そのそれぞれの一端部を前記2点90,92の中の1つにそれぞれ固定する。第一のロッド94は、その接続側を案内ねじ部98に形成し、そしてこのねじ部98上には、ボールベアリング100を介して螺合される案内ナット102で駆動する回転コマ104を回転摺動可能に挿着する。また第二のロッド96は、その接続側に前記回転コマ104を収容するチャンバ106を画定するケーシング108を形成し、そしてこのチャンバ106内には減衰用の粘性体および/または粘弾性体110を充填する。
なお、案内ナット102は、これを囲繞するケーシング108に対してその図示上下両対接面にそれぞれボールベアリング112,114を配設することにより、2点90,92間の相対変位から発生される圧縮および引張りの両荷重に対応して、案内ねじ部98上を回転し且つ図示上下方向へ摺動するよう軸支されている。また、回転コマ104は、案内ナット102の外周部から半径方向外側へ延在する一体回転部104から構成されている。更に、粘性流体には、ポリイソブチレン等その他の合成ゴム等を好適に使用し得る。
なお、本発明の前記減衰コマは、種々に変更され得る。例えば図9に示すように変形され得る。第一の変更例は、図9に示すように、第1の連結部材を管状ロッド96から通常のロッド120に変更すると共に、回転コマを一体回転部104から、案内ナット102の一側部から分離して半径方向平行に延在される別体回転部122に構成を変更したものである。すなわち、別体回転部122は、ロッド120(第2の連結部材)の接続側に形成された第1のケーシング122内のチャンバ106内に収容され、そして、案内ナット102は第2のケーシング124内にボールベアリング112,114を介して軸支されている。なお、この変更例においても、先の実施例と同様の作用効果が発揮されることは明らかである。
更なる変更例は、図10に示すように、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、接続側に案内ねじ部130が形成された内部管132と、このねじ部に係合すると共に前記内部管132より十分に大きな径を有し前記ねじ部130との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなる。この回転体は134、円盤形状本体136と、この円盤形状本体136の外周部から半径方向外側へ延在すると共に円盤形状本体136より薄く形成された鍔部138とから構成する。前記第2の連結部材は、外部管140と、その接続側に形成される前記回転体134を収容する円筒形状ケーシング142とからなる。更に、前記回転体134は、概円筒形状ケーシング142内に複数のボールベアリング144を介して回転摺動可能に支持される。円筒形状ケーシング142の内壁と前記回転体134との間隙には、減衰用の粘性体および/または粘弾性体146を充填する。なお、この変更例においても先の実施例と同様の作用効果が発揮されることは明らかである。
(9)設計システム
次に上記の理論に基いて本発明に係る減衰コマ設計システムについて図11に示す。
減衰コマ設計システム200は、システムを統括する中央演算処理装置CPU202と、OS等の制御プログラムを記憶させるメインメモリ204と、第二の記憶装置であるファイル装置206と、入力装置208と、出力装置210とネットワーク入出力装置230とを備え、CPU202はバス212と送信受信可能に電気的に接続され、メインメモリ204もバス212と送信受信可能に電気的に接続され、ファイル装置206もバス212と送信受信可能に電気的に接続され、入力装置208はバス212へ送信可能に電気的に接続され、出力装置210は受信可能に電気的に接続され、ネットワーク入出力装置230は送受信可能に電気的に接続される。
CPU202は、各種演算と、メインメモリ204からOSを読み出し、ファイル装置206内の入出力制御と、入力装置208の入力制御と、出力装置210と、ネットワーク接続装置230へ出力制御とを行なう。
メインメモリ204は、メインキャッシュ等のCPU202と連動してOS等の制御プログラムを記憶するメモリであり、半導体によるRAM等から構成される。
ファイル装置206は、データの記憶並びにアプリケーションソフトの記憶に使用される例えば磁気ディスク等のハードディスク等から構成される。データとして、建築構造物仕様ファイル214と、デバイス仕様ファイル216と、目的仕様ファイル218と、レンジファイル220と、出力ファイル222とが記録される。また、アプリケーションソフトウェアとして減衰コマ設計プログラム224が記憶されている。
建築構造物仕様ファイル214は、上部構造重量データと、固有周期データと、固有円振動数データとから構成される。
上部構造重量データは、構築しようとする建造物の重量であり単位は(ton)である。固有周期データとは、免震装置の固有周期であり単位は(Hz)である。固有円振動数は、固有周期より求まり、単位は(rad/sec)である。
デバイス仕様ファイル216は、免震装置の剛性と、設計耐力と、減衰コマのねじリードと、減衰コマのディスク外径と、シリンダ厚さと、シリンダ長さと、シリンダ重量と、付加質量とから構成される。免震装置の剛性は、減衰コマをモデル化した際の剛性成分であり、単位は(t/cm)である。設計耐力は、減衰コマの耐久重量であり、単位は(t)である。減衰コマのねじリードは、減衰コマの案内ねじ14、98のねじピッチ(単位cm)である。減衰コマのディスク外径は、回転内筒20の外周直径(単位cm)である。シリンダ厚さは、回転内筒20の外周と内周の厚み(単位cm)である。シリンダ長さは、回転内筒20の長さ(単位cm)である。シリンダ重量は、回転内筒20の重量(単位ton)である。付加質量は、本発明に係る慣性効果を得るのに必要な質量である。
目的仕様ファイル218は、算出する項目を選択して記憶するファイルである。プログラムは、ここに記憶された項目を入力された数値より算出する。
レンジファイル220は、算出する値のレンジを予め記憶させるファイルである。すなわち、レンジファイル220に記憶された値と、算出する値が大きく異なる場合に、再計算を行なうための基準ファイルである。
パラメータファイル222は、設計データを計算するために複数の計算を行なうために変化させるパラメータの範囲を記憶させるファイルである。
出力ファイル223は、慣性モーメントと、等価質量と、質量増幅率とから構成される。慣性モーメントは、形状と重量と大きさが決定すると定まる値である。単位は、(kg・cm・sec)である。等価質量は、本発明に係る付加質量を含めて増幅された質量を意味する。
減衰コマ設計プログラム224は、その作用を次に示す(10)設計フローに示されるように構成される。
入力装置208は、少なくともキーボードと、マウスと、10キーボードを含み、さらにその他数値等を入力可能な装置であればトラックボール、マイク、カメラ、スキャナ等の位置情報入力、音声入力、画像入力のいずれの装置であっても良い。
出力装置210は、少なくともディスプレイを含み、さらにプリンタと、スピーカとからなる。
ネットワーク接続装置230は、回線232を通してインターネット234と接続される。
一方、製造用端末242が接続装置238を介してインターネット234に接続される。製造用端末242は、製造機械にパラメータを蓄積して保存するとともにパラメータを送付して、製造機械を制御する機能を備える。
(10)設計フロー
以上の本発明に係る設計システムを用いた本発明に係る設計フローを図12に示す。
まず、本発明の設計システムにおいて、減衰コマ設計プログラム224を起動すると、CPU202がディスプレイ上に、入力受付画面を表示する。その後、オペレータによって予め定まっている建築構造物仕様データとデバイス仕様データとがキーボードから入力される(A2,A4)と、CPU202は入力されたデータをファイル装置206の建築構造物仕様ファイル214とデバイス仕様ファイル216とに記録する。ここで入力される仕様等の数値は、加速度に関する質量項M(慣性)と、速度に関する粘性減衰項Cと、変位に関する剛性項Kと付加マス[m]とから構成される運動方程式である数10式を解くためのパラメータである
続いて、目標仕様の入力画面が表示される。オペレータによって算出したい減衰コマの仕様の種類を入力される。すなわち、設計したい値の区分を定める(A6)。CPU202は、算出したい目標仕様をファイル装置206の目標値ファイル218に記憶させる。
さらに、目標を1点の値とするか、ある程度の幅を持った範囲とするかを定め、その範囲を入力する(A8)。すなわち、目標仕様の算出可能範囲にレンジを設けて、どこまでの値を採用し、どこまでの値を不採用とするかの判断基準である。定めたレンジデータをCPU202が、ファイル装置206のレンジファイル220に記憶させる。
さらに、予め入力してある建築構造物仕様データとデバイス仕様データの設計範囲すなわちパラメータを定める(A10)。CPU202が、入力された設計範囲をファイル装置206のパラメータファイル222に記憶させる。
その後、減衰コマ設計プログラム224は、入力されるべきデータが全て入力されると判断されると、目標仕様の算出を開始する(A12)。すなわち、CPU202が、入力された建築構造物仕様ファイル214と、デバイス仕様ファイル216に入力された値から目標仕様を算出する。例えば、ディスクサイズから慣性モーメントを求めたり((数26)式および(数27)式)、さらにねじピッチと軸加速度から軸方向抵抗力を算出する((数25)式)。
続いて、算出された値が予め定めた目標仕様の算出可能範囲にレンジ220に入っているか否かを判定する(A14)。目標値に入っていない場合は、算出結果を表示する(A16)。さらに、再計算の必要性の有無を問い合わせる(A18)。再計算が必要な場合は、スタートA2から再入力となり中止する場合は工程が中止される(A20)。
また、目標仕様の算出可能範囲にレンジに入っている場合は、その結果を表示するとともに、印刷の必要性の有無と、製造装置への送出の必要性の有無を問い合わせ、オペレータの指示に従って、印刷または製造装置へのデータの送出を行なう。
次に、本発明に係る設計システムを用いてディスク型減衰コマの設計をした実施例1を示す。(表1)に示される設計耐力と、ねじリードと、ディスク外径と、ディスク厚さと、ディスク長さと、ディスク重量と、ディスク質量を入力することで、(表2)に示される慣性モーメント、等価質量と、質量倍率を算出することが可能である。
Figure 2005180492
Figure 2005180492
さらに、本発明に係る設計システムを用いてディスク型減衰コマの設計をした実施例2を示す。錘の質量を1tonとし、ねじピッチを25mmとし、ディスク外径が300mm、400mm、500mmの各値を、本発明の設計システムに入力した際の結果を(表3)に示す。
Figure 2005180492
また、本発明に係る設計システムを用いてシリンダ型減衰コマの設計をした実施例3を示す。錘の質量を1tonとし、ねじピッチを25mmとし、ディスク外径と内側の穴部との厚さを3cmとし、ディスク外径が300mm、400mm、500mmの各値を、本発明の設計システムに入力した際の結果を(表4)に示す。
Figure 2005180492
続いて、本発明係る設計システムによって減衰コマの質量を求めた第3の実施例を示す。
例えば、軽量建物あるいは隅柱のように軸力が小さい柱下の積層ゴム系の免震装置は、その変形量の制限により一定のサイズの免震装置を使用することとなり、それによって固有周期が短くなり、免震構造として大きな効果を発揮できない場合がある。このような場合に免震階に付加重量を与えることで振動周期の伸張を図ることができる。
例えば、上部構造重量が1000tonで固有周期が1秒の免震装置の剛性は、40.284t/cmである。この固有周期を4秒の装置とするためには、免震装置の剛性を2.518t/cmにする必要がある。固有周期4秒の固有円振動数は1.571rad/secであるから(数36)式で示される。
Figure 2005180492
(数50)式よりm=15.3t.sec2/cm、つまりW=14,994tonである。ここで、減衰コマの質量増幅率を500とすると、W=30tonである。つまり、減衰コマのディスクを30トンの回転体とすればよい。
本発明の原理を1質点系に適用するモデル図である。 ディスクタイプの減衰コマの模式図である。 シリンダタイプの減衰コマの模式図である。 本発明に係る設計手法により構成されるシリンダ型減衰コマの第一実施例の構成図を示す。 本発明に係る設計手法により構成されるシリンダ型減衰コマの第二実施例の構成図を示す。 本発明に係る設計手法により構成されるシリンダ型減衰コマの第三実施例の構成図を示す。 本発明に係る減衰装置を建築構造物に適用した場合の第二実施例を示す。 本発明に係る設計手法により構成されるディスク型減衰コマの第一実施例の構成図を示す。 本発明に係る設計手法により構成されるディスク型減衰コマの第二実施例の構成図を示す。 本発明に係る設計手法により構成されるディスク型減衰コマの第三実施例の構成図を示す。 本発明に係る減衰コマ設計システムの構成図である。 本発明に係る減衰コマ設計方法のフローチャートである。
符号の説明
1 シリンダ型減衰コマ
2,4 相対変位する2点(物体)
6 第1連結部材
8 第2連結部材
10 連結部材
10,12 2点
14 案内ねじ部
16 ボールベアリング
18 案内ナット
20 回転内筒
22 チャンバ
24 固定外筒
26 粘弾性体
28,30 ボールベアリング
29 スラスト軸受け
32 ケーシング
36 速度増幅部
38 伝達部
40 減衰部
42 リニア軸受けベアリング
50 減衰棒
50a,50b 連結部材
70 建築構造物
74a,74b 取付プレート
74 構造枠体
76 基礎
76a,80a 支持支柱
78 免震パッド
80 防震構造物
90,92 2点(物体)
94 第一のロッド
96 第二のロッド
98 案内ねじ部
100 ボールベアリング
102 案内ナット
104 回転コマ
106 チャンバ
108 ケーシング
110 粘性体および/または粘弾性体
112,114 ボールベアリング
96 管状ロッド
120 ロッド
122 第1のケーシング
124 第2のケーシング
130 案内ねじ部
132 内部管
134 回転体は
136 円盤形状本体
138 鍔部
140 外部管
142 円筒形状ケーシング
144 ボールベアリング
146 粘性体および/または粘弾性体
200 減衰コマ設計システム
202 中央演算処理装置CPU
204 メインメモリ
206 ファイル装置
208 入力装置
210 出力装置
212 バス
214 建築構造物仕様ファイル
216 デバイス仕様ファイル
222 パラメータファイル
223 出力ファイル
224 減衰コマ設計プログラム
230 ネットワーク接続装置
232 回線
234 インターネット
242 製造用端末
238 接続装置

Claims (26)

  1. 少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転体を設計する方法において、
    前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転体を設計することを特徴とする設計方法。
  2. 前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有することを特徴とする請求項1記載の設計方法。
  3. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項2記載の設計方法。
  4. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支される請求項3記載の設計方法。
  5. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填される請求項3記載の設計方法。
  6. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項2記載の設計方法。
  7. 前記回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成される請求項6記載の設計方法。
  8. 前記回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成される請求項6記載の設計方法。
  9. 少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計支援システムにおいて、
    前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを特徴とする設計支援システム。
  10. 前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有することを特徴とする請求項9記載の設計支援システム。
  11. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項10記載の設計支援システム。
  12. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支される請求項11記載の設計支援システム。
  13. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填される請求項11記載の設計支援システム。
  14. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項10記載の設計支援システム。
  15. 前記回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成される請求項14記載の設計支援システム。
  16. 前記回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成される請求項14記載の設計支援システム。
  17. 中央演算処理と、前記中央演算処理とバスを介して接続されるメインメモリと、前記中央演算処理とバスを介して接続されるファイル装置と、前記中央演算処理とバスを介して接続される入力装置と、前記中央演算処理とバスを介して接続される出力装置とから構成され、ファイル装置に記憶される設計プログラムが入力されたデバイス仕様データより減衰コマの設計値を算出することを特徴とする請求項9記載の設計支援システム。
  18. 少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置の回転部を設計支援プログラムにおいて、
    前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを特徴とする設計支援プログラム。
  19. 前記減衰装置は第一及び第二の支点の往復運動を前記回転部の回転運動に変換するための変換機構を有することを特徴とする請求項18記載の設計支援プログラム。
  20. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、少なくともその接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより大きな径を有すると共にこの径より充分大きな軸方向長さとを有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円筒形状回転体とからなり、前記第2の連結部材は、前記円筒形状回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングからなる減衰装置において、少なくとも前記円筒形状ケーシングの内壁と前記円筒形状回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項19記載の設計支援プログラム。
  21. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が閉塞された円筒体からなり、案内ナットの一側部とこれに対向する回転内筒の閉塞端部が回転可能に軸支される請求項20記載の設計支援プログラム。
  22. 前記円筒形状回転体は、一端部が案内ナットに外挿され他端部が開放端である管状回転体からなり、案内ナットの両側部が回転可能に軸支されると共に、前記粘性体および/または粘弾性体が管状回転体の中空部にも充填される請求項20記載の設計支援プログラム。
  23. 前記減衰装置は、相対変位可能に互いに接続される第1および第2の連結部材からなり、この第1の連結部材は、その接続側に案内ねじ部が形成された第一のロッドと、この案内ねじ部に係合すると共に案内ねじ部との相対変位に基づき案内ねじ部上を回転摺動するよう軸支される案内ナットと、前記第1のロッドより充分に大きな径を有し前記案内ナットを介して回転摺動可能に挿着される円盤形状の回転体とからなり、前記第2の連結部材は、第二のロッドと、その接続側に形成される前記回転体及び案内ナットを収容する円筒形状ケーシングとからなる減衰装置において、前記円筒形状ケーシングの内壁と前記回転体との間隙に減衰用の粘性体および/または粘弾性体を充填する請求項19記載の設計支援プログラム。
  24. 前記回転体は、案内ナットの外周部から半径方向外側へ延在するよう一体的に形成される請求項23記載の設計支援プログラム。
  25. 前記回転体は、案内ナットから軸方向に離間した位置に設けられると共に、この案内ナットの一側部と係合するよう形成される請求項23記載の設計支援プログラム。
  26. 少なくとも一つの変位依存型減衰装置と少なくとも一つの速度依存型減衰装置とを含む減衰システムであって、前記速度依存型減衰装置は、少なくとも一つの回転体を有し、この回転体と粘性体および/または粘弾性体との摩擦により減衰効果を発揮する減衰装置において、
    前記粘性体および/または粘弾性体の粘性に基づき算出された第一の係数を速度の項の係数とし、前記回転部の慣性モーメントに基づき算出された第二の係数を加速度の項の係数とし、前記変位依存型減衰装置の弾性率に基づき算出され第3の係数を変位の項とした運動方程式を利用して前記回転部を設計することを特徴とする減衰システムの設計方法。
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