JP2005213887A - Designing method and design support system, design support program, body of revolution and building structure - Google Patents
Designing method and design support system, design support program, body of revolution and building structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005213887A JP2005213887A JP2004022306A JP2004022306A JP2005213887A JP 2005213887 A JP2005213887 A JP 2005213887A JP 2004022306 A JP2004022306 A JP 2004022306A JP 2004022306 A JP2004022306 A JP 2004022306A JP 2005213887 A JP2005213887 A JP 2005213887A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mass
- design method
- layer
- rotating body
- equation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 61
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 42
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 86
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims description 77
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 33
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 31
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 230000004323 axial length Effects 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 80
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 13
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 9
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 229920002367 Polyisobutene Polymers 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 2
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、建築構造物の振動系の周期や振動モードを制御することで応答を制御するに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および回転体並びに建築構造物に関する。 The present invention relates to a design method, a design support system, a design support program, a rotating body, and a building structure for controlling a response by controlling the period and vibration mode of a vibration system of a building structure.
建築物の地震動に対する設計は、専らその剛性や耐力を調整することで、近年になっては人為的に減衰を付加することでも、行われている。これは振動方程式においては、剛性マトリックスまたは減衰マトリックスを操作することで構造物の地震応答を制御しようとしてきたものである。この際、質量マトリックスは単に与えられた振動系の質量の対角マトリックスとして一定と考えられることが多かった。 In recent years, the design of buildings against earthquake motion has been carried out by adjusting the rigidity and proof stress, and in recent years, artificially adding damping. This is an attempt to control the seismic response of a structure by manipulating the stiffness matrix or damping matrix in the vibration equation. In this case, the mass matrix was often considered to be constant as a diagonal matrix of the mass of a given vibration system.
また、質量マトリックスを人為的に連成化して操作することで、振動系の周期や振動モードの制御をして応答制御をすると、剛性、減衰の制御のみでは達成困難な種類の振動系の応答制御が可能である。 In addition, if the response control is performed by controlling the period and vibration mode of the vibration system by manipulating and manipulating the mass matrix artificially, the response of the type of vibration system that is difficult to achieve only by controlling the stiffness and damping Control is possible.
そこで、真の質量を変化させることなく質量マトリックスを連成化し操作するために回転部による慣性要素について図21について検討する。 Therefore, in order to couple and operate the mass matrix without changing the true mass, the inertial element by the rotating part will be examined with reference to FIG.
図21に示すように、一体となった内輪250と外輪252とがありその質量が外輪252に集中している回転体254を、内輪250をその接線方向に加力することで回転させることを考える。内輪250に対する外輪252の変位、速度、加速度の増幅率は内輪250と外輪252の半径の比
である。
It is.
ここで図22のような1質点系の振動系に上記の回転体が組み込まれた振動系を考える。回転体の回転運動は質点の地盤からの変位Xの影響のみを受けており直接的に地動yの影響は受けていない。ここで、系全体の運動エネルギーをT、エネルギーの消散関数をF、ポテンシャルエネルギーをVとする。
と表記する。
の
に対する比γを慣性接続質量比と呼ぶこととする。
Is written.
of
The ratio γ to is referred to as inertial connection mass ratio.
(14)式から、慣性接続要素は振動系の周期を伸長し、減衰定数を低下させ、地動加速度に対して入力低減効果を発揮するなどの応答制御効果があることが予測される。このような補助質量による振動系の制御は他にも知られている。 From equation (14), it is predicted that the inertial connection element has a response control effect such as extending the period of the vibration system, lowering the damping constant, and exerting an input reduction effect on the ground motion acceleration. Other control of the vibration system by such auxiliary mass is known.
図23に非特許文献1に示される補助質量付梃子機構を示す。補助質量をmd、梃子の増幅倍率をβdとすると、この場合の系全体の運動エネルギーTは
となるので、Euler-Lagrangeの方程式より、この系の振動方程式は
Therefore, from the Euler-Lagrange equation, the vibration equation of this system is
実際の構造物を考えると、(18)式型の制御機構を組み込むことより、(13)式型の制御機構を組み込むことの方が容易なことも多い。非特許文献2は対向ピストン式、ラックピニオン式などの機構で(13)式型の「慣性接続要素」を実現し、特定の振動数において変位伝達率が0になることを利用する「振動遮断接続機構」を提案している。 Considering an actual structure, it is often easier to incorporate a control mechanism of type (13) than to incorporate a control mechanism of type (18). Non-Patent Document 2 realizes an “inertia connection element” of the type (13) with a mechanism such as an opposed piston type and a rack and pinion type, and utilizes the fact that the displacement transmission rate becomes 0 at a specific frequency. Proposed connection mechanism.
慣性接続要素を活用する場合に、慣性接続要素には地動加速度の大きさやその変化に依存することなく生じることが望ましい。しかし、図23に示すモデルでは回転運動を行なう補助質量は、地動加速度に応じて質点の加速度も変動するため影響が生じてしまい、十分な慣性効果が得られないという課題を有している。 When utilizing the inertial connection element, it is desirable that the inertial connection element be generated without depending on the magnitude of the ground motion acceleration or its change. However, in the model shown in FIG. 23, the auxiliary mass that performs the rotational motion has an influence because the acceleration of the mass point varies according to the ground motion acceleration, so that there is a problem that a sufficient inertia effect cannot be obtained.
一方、非特許文献2に示される「振動遮断接続機構」は、特定の振動数において変位伝達率が0になるものである。このため、常時特定の振動数の発生の予測できる人工機器による振動に対して、その振動に限定して振動を制限する効果が十分得られるものである。しかしながら、地震のように複数の振動数成分を有する場合は、特定の振動数以外は伝達されるため十分な効果が得られない。 On the other hand, the “vibration cutoff connection mechanism” shown in Non-Patent Document 2 has a displacement transmission rate of 0 at a specific frequency. For this reason, with respect to the vibration caused by the artificial device that can always predict the occurrence of a specific frequency, the effect of limiting the vibration to the vibration is sufficiently obtained. However, in the case of having a plurality of frequency components as in an earthquake, a sufficient effect cannot be obtained because a frequency other than a specific frequency is transmitted.
また、従来より振動モードを制御することで地震応答を制御する手法や、刺激係数による制御については、これまで多質点系の場合で確固たる算定方法は提案されていなかった。 Conventionally, a method for controlling the seismic response by controlling the vibration mode and a control by the stimulation coefficient have not been proposed so far in the case of a multi-mass system.
そこで、本発明の目的は、慣性接続要素を最適な配置とすることで刺激係数と振動モードを制御することにより地震応答を制御する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および回転体並びに建築構造物の提供にある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a design method, a design support system, a design support program, a rotating body, and a building structure that control an earthquake response by controlling a stimulation coefficient and a vibration mode by optimizing the arrangement of inertial connection elements. It is in the provision of things.
上記の目的を達成するために本発明に係る設計方法は、地震動の影響を受けずに節点の変位差に応じて高速で運動する部材を搭載する複数層を有する構造物の設計方法において、
地盤上にバネ係数kiと慣性接続要素mi’と、減衰装置ciとに支持される質量miの構造物が配置されて地盤に加速度
の外乱が前記構造物に入力されるn質点系の地動に対する振動方程式に対して、高次の振動モードの刺激係数を0かつm'n=0となるように慣性接続要素に選択して制御する。
また、慣性接続要素を選択して制御する方法は、前記振動方程式の固有ベクトルを変化させずに、1次の固有周期を最適値となるように構成されてもよい。
さらに慣性接続要素を選択して制御する方法は、構造物の各層の構成要素の質量と各層の構成要素のばね定数とから固有値を算出するステップと、前記質量と前記ばね定数と前記固有値とから刺激係数を算出するステップと、前記質量と前記刺激係数とから前記部材による慣性質量を算出するステップとからなり複数層からなる構造物の地震応答が1次モードのみとなるよう刺激係数を選択して制御する。
In order to achieve the above object, a design method according to the present invention is a method for designing a structure having a plurality of layers on which members that move at high speed according to a difference in displacement of a node without being affected by a seismic motion,
A spring coefficient k i and inertia connecting element m i 'on the ground, the acceleration structure is arranged in the ground of the mass m i to be supported on the damping device c i
Is selected for the inertial connection element so that the stimulation coefficient of the higher-order vibration mode is 0 and m ′ n = 0 for the vibration equation for the ground motion of the n-mass system input to the structure To do.
Further, the method for selecting and controlling the inertial connection element may be configured such that the first-order natural period becomes an optimum value without changing the eigenvector of the vibration equation.
Further, the method of selecting and controlling the inertial connection element includes a step of calculating an eigenvalue from a mass of each layer component of the structure and a spring constant of the component of each layer, and the mass, the spring constant, and the eigenvalue. Selecting a stimulation coefficient so that the seismic response of a multi-layered structure is only in the primary mode, comprising calculating a stimulation coefficient and calculating an inertial mass due to the member from the mass and the stimulation coefficient. Control.
また、この設計方法は、1次の固有値1ω2を算出するステップは、慣性節要素の付加で2次以上の刺激係数が0である場合に構造物の各層の質量miと各層のばね定数kと層数nとから式19に従うことができる。
さらに、この設計方法は、1次の刺激係数ηiを算出するステップは、慣性節要素の付加で2次以上の刺激係数が0である場合に前記質量miと前記ばね定数kと前記固有値1ω2とから式20から算出することを特徴とする。
次にこの設計方法は、慣性接続要素を算出するステップは、前記質量miと前記刺激係数ηiとから式3から前記部材による慣性接続要素mi'を算出することを特徴とする。
部材は、同軸上に異なる半径の内輪と外輪とを備えて前記内輪より前記外輪に質量が集中する回転体からなってもよい。
そのうえ、この設計方法に記載の回転体は、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。
The member may include a rotating body having an inner ring and an outer ring having different radii on the same axis and having a mass concentrated on the outer ring from the inner ring.
In addition, the rotating body described in this design method includes first and second connecting members that are connected to each other so as to be relatively displaceable. The first connecting member has a guide screw portion formed at least on the connection side. A first rod, a guide nut that engages with the guide screw portion and is rotatably supported on the guide screw portion based on relative displacement with the guide screw portion, and larger than the first rod. The second connecting member is formed of a cylindrical rotating body having a diameter and an axial length sufficiently larger than the diameter, and is rotatably inserted through the guide nut. In a damping device comprising a cylindrical casing that accommodates a rotating body and a guide nut, a damping viscous body and / or viscoelastic body is provided at least in a gap between the inner wall of the cylindrical casing and the cylindrical rotating body. Hama to.
そして、この設計方法は、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。 In this design method, the cylindrical rotating body is formed of a cylindrical body having one end portion extrapolated to the guide nut and the other end portion closed, and one side portion of the guide nut and the rotating inner cylinder facing the cylindrical nut. The closed end is rotatably supported.
また、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。 The cylindrical rotating body is a tubular rotating body having one end portion extrapolated to a guide nut and the other end portion being an open end, and both sides of the guide nut are rotatably supported and the viscous body And / or a viscoelastic body is filled also in the hollow part of a tubular rotary body.
さらに、回転体は、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。 Further, the rotating body includes first and second connecting members that are connected to each other so as to be relatively displaceable. The first connecting member includes a first rod having a guide screw portion formed on the connecting side thereof, and A guide nut that is engaged with the guide screw portion and pivotally slidable on the guide screw portion based on a relative displacement with the guide screw portion, and has a diameter sufficiently larger than the first rod; It comprises a disk-shaped rotating body that is inserted so as to be able to rotate and slide through a guide nut, and the second connecting member is a second rod, and the rotating body and guide nut formed on the connection side thereof. In the damping device comprising a cylindrical casing for accommodating the damping body, a gap between the inner wall of the cylindrical casing and the rotating body is filled with a damping viscous body and / or a viscoelastic body.
その上、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。 Moreover, the rotating body is integrally formed so as to extend radially outward from the outer periphery of the guide nut.
次に前記回転体は、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る。
また、部材は、地盤上に設けられるばね部によって支持される主質量部と、地盤上に立設される固定主軸上にピン結合される補助質量支持棒と接続される補助質量部とが主質量支持棒によって結合されるトグル式補助質量機構から構成されてもよく、補助質量部は、さらに地盤上に第2ばね部と減衰部とによって支持されてもよい。
さらに部材は、地盤上に設けられるばね部によって支持される主質量部と、地盤上に立設される固定主軸の頂上部にピン結合される第一補助質量支持棒と接続される第一補助質量部とが第一主質量支持棒によって前記主質量部と結合されるとともに、前記固定主軸の中間部にピン結合される第二補助質量支持棒と接続される第二補助質量部とが第二主質量支持棒によって前記主質量部と結合されるトグル式補助質量機構から構成されてもよく、第一補助質量部と第二補助質量部とが接続用ばね部と接続用減衰部とを介して接続されてもよい。
Next, the rotating body is provided at a position spaced apart from the guide nut in the axial direction, and is formed to engage with one side portion of the guide nut.
The members are mainly composed of a main mass portion supported by a spring portion provided on the ground, and an auxiliary mass portion connected to an auxiliary mass support rod pin-coupled on a fixed main shaft standing on the ground. It may be configured by a toggle-type auxiliary mass mechanism coupled by a mass support rod, and the auxiliary mass portion may be further supported on the ground by the second spring portion and the damping portion.
Further, the member is connected to a first auxiliary mass support bar connected to a main mass portion supported by a spring portion provided on the ground and a first auxiliary mass support rod pin-coupled to the top of a fixed main shaft standing on the ground. A mass part is coupled to the main mass part by a first main mass support bar, and a second auxiliary mass part connected to a second auxiliary mass support bar pin-coupled to an intermediate part of the fixed main shaft A toggle type auxiliary mass mechanism coupled to the main mass part by a two main mass support rod may be configured, and the first auxiliary mass part and the second auxiliary mass part may include a connecting spring part and a connecting damping part. It may be connected via.
本発明に係る設計プログラムは、地震動の影響を受けずに節点の変位差に応じて高速で運動する部材を搭載する複数層を有する構造物の設計プログラムにおいて、
地盤上にバネ係数kiと慣性接続要素mi’と、減衰装置ciとに支持される質量miの構造物が配置されて地盤に加速度
の外乱が前記構造物に入力されるn質点系の地動に対する振動方程式に対して、高次の振動モードの刺激係数を0かつm'n=0となるように慣性接続要素に選択して制御する。
前記質量と前記刺激係数とから前記部材地震動の影響を受けずに節点の変位差に応じて高速で運動する部材を各層に搭載する複数層からなる構造物の設計システムにおいて、
構造物の各層の質量と各層のばね定数とを予め入力する入力手段と、入力されたデータを記憶させる記憶手段と、前記記憶手段に予め記憶されておき計算方法が記述される演算プログラムと、演算プログラムに従って演算する中央演算装置と、演算結果を出力する出力手段とを備え、構造物の各層の構成要素の質量と各層の構成要素のばね定数とから固有値を算出するステップと、
前記質量と前記ばね定数と前記固有値とから刺激係数を算出するステップと、
前記質量と前記刺激係数とから前記部材による慣性質量を算出するステップとからなり複数層からなる構造物の地震応答が1次モードのみとなるよう刺激係数を選択して制御する。
The design program according to the present invention is a design program for a structure having a plurality of layers on which a member that moves at high speed according to a displacement difference of a node without being affected by a ground motion,
A spring coefficient k i and inertia connecting element m i 'on the ground, the acceleration structure is arranged in the ground of the mass m i to be supported on the damping device c i
Is selected for the inertial connection element so that the stimulation coefficient of the higher-order vibration mode is 0 and m ′ n = 0 for the vibration equation for the ground motion of the n-mass system input to the structure To do.
In the design system of a structure consisting of a plurality of layers in which members that move at high speed according to the displacement difference of the nodes without being affected by the member earthquake motion from the mass and the stimulation coefficient,
An input means for inputting in advance the mass of each layer of the structure and the spring constant of each layer; a storage means for storing the input data; an operation program stored in advance in the storage means and describing a calculation method; A step of calculating an eigenvalue from the mass of the component of each layer of the structure and the spring constant of the component of each layer, comprising a central processing unit for calculating according to the calculation program and an output means for outputting the calculation result;
Calculating a stimulation coefficient from the mass, the spring constant and the eigenvalue;
Comprising the step of calculating the inertial mass due to the member from the mass and the stimulus coefficient, the stimulus coefficient is selected and controlled so that the seismic response of the multi-layered structure is only the primary mode.
本発明に係る各層の回転体は、前記の設計方法によって設計されて同軸上に異なる半径の内輪と外輪とを備えて前記内輪より前記外輪に質量が集中する回転体によって慣性接続要素が発生するよう設定される。
本発明に係る建築構造物は、前記の設計方法によって設計されて地震動の影響を受けずに節点の変位差に応じて高速で運動する部材によって慣性接続要素が発生するよう設定される各層の部材と、前記部材を搭載する複数層からなり構造物の地震応答が1次モードのみとなるよう制御される。
The rotating body of each layer according to the present invention includes an inner ring and an outer ring which are designed by the above-described design method and have different radii on the same axis, and an inertia connecting element is generated by the rotating body whose mass is concentrated on the outer ring from the inner ring. It is set as follows.
The building structure according to the present invention is a member of each layer that is designed so that an inertia connecting element is generated by a member that is designed by the above-described design method and that moves at a high speed according to a displacement difference of a node without being affected by a ground motion. Then, the seismic response of the structure consisting of a plurality of layers on which the members are mounted is controlled so as to be only in the primary mode.
本発明の設計方法は、慣性接続要素が回転機構などの変形増幅機構を用いて実際の質量より非常に大きい慣性質量効果をもつ装置を製作することで実現が可能であり、振動系の真の質量を変化させることなく振動に関わる質量を増加させるので、振動系に対して周期伸長変動、減衰低減変動、入力低減変動効果といった特性変動を誘導する。また、慣性接続要素は、振動方程式において質量マトリックスを連成化するものであり、地動に対する応答には「慣性接続要素を介して直接伝達される加速度」の剛なモードが現れる。一方、各層の慣性接続要素の値を調整することにより、振動系の固有値、固有ベクトルを制御することが可能となる。具体的には振動系の固有ベクトルを変化させることなく各次の固有周期を変化させたり、高次モードの刺激係数を0にするなど、地震動に対する応答制御が可能となる。この方法は、従来の剛性、減衰の制御のみではなし得なかった構造物の新たな地震応答制御を可能にすることができる。 The design method of the present invention can be realized by manufacturing a device having an inertial mass effect whose inertial connection element is much larger than the actual mass by using a deformation amplification mechanism such as a rotation mechanism. Since the mass related to vibration is increased without changing the mass, characteristic fluctuations such as a period expansion fluctuation, an attenuation reduction fluctuation, and an input reduction fluctuation effect are induced in the vibration system. Further, the inertia connecting element couples the mass matrix in the vibration equation, and a rigid mode of “acceleration directly transmitted via the inertia connecting element” appears in the response to the ground motion. On the other hand, it is possible to control the eigenvalues and eigenvectors of the vibration system by adjusting the values of the inertial connection elements of each layer. Specifically, it is possible to control response to earthquake motion, such as changing the natural period of each order without changing the eigenvector of the vibration system, or setting the stimulation coefficient of the higher order mode to 0. This method can enable a new seismic response control of a structure that cannot be achieved only by conventional rigidity and damping control.
本発明について図1〜20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および回転体並びに建築構造物について説明する。
(1)慣性接続要素を有する多質点系の応答性状
(2)慣性接続要素を有する系のn+1次モードの性質
(3)固有ベクトルを変化させずに固有値の変化
(4)1次モード以外の刺激係数の0化
(5)すべての高次モードの刺激係数を0化
(6)シリンダ型減衰コマ
(7)ディスク型減衰コマ
(8)補助質量
(9)設計システム
(10)設計フロー
(実施例1〜2)
While describing this invention using FIGS. 1-20, a design method, a design support system, a design support program, a rotary body, and a building structure are demonstrated in the following order.
(1) Response characteristics of multi-mass system with inertial connection element (2) Properties of n + 1 order mode of system with inertial connection element (3) Eigenvalue change without changing eigenvector (4) Other than primary mode (5) Zero stimulation coefficients for all higher modes (6) Cylinder-type damping piece (7) Disk-type damping piece (8) Auxiliary mass (9) Design system (10) Design flow ( Examples 1-2)
すなわち、(1)〜(5)において本発明の原理について示し、(6)、(7)で本発明に係る減衰コマへの適用例について示し、(8)、(9)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1〜2について示す。
(1)慣性接続要素を有する多質点系の応答性状
That is, (1) to (5) show the principle of the present invention, (6) and (7) show application examples to the attenuation piece according to the present invention, and (8) and (9) relate to the present invention. The design system and its method and program are described. Finally, Examples 1-2 will be described.
(1) Response characteristics of multi-mass systems with inertial connection elements
図1に本発明の原理を多質点系に適用するモデル図を示す。地盤上にバネ係数kiと慣性接続要素mi’(図面では○で示される)と、減衰装置ciとに支持される質量miの構造物が配置され、地盤に加速度
の外乱がこの構造物に入力するものとする。慣性接続要素を有するn質点系の地動に対する振動方程式は下式で表される。
It is assumed that a disturbance is input to this structure. The vibration equation for ground motion of n-mass system with inertial connection elements is expressed by the following equation.
は節点質量のみの質量マトリックス
は慣性接続要素のみの質量マトリックス
は減衰係数を示す。
はばね定数を示す。
は外力の作用を表すベクトルを示す。
(22)式と地動加速度に対する一般的な振動方程式との違いは、外力の作用を表すベクトルが
ではなく
であることである。
であり、
は一種の入力低減変動効果を表している。この効果は地動加速度が節点質量だけに作用して運動エネルギーを発生させていることから生じている。
The difference between Eq. (22) and the general vibration equation for ground acceleration is that the vector representing the action of external force is
not
It is to be.
And
Represents a kind of input reduction variation effect. This effect arises from the fact that the ground acceleration acts only on the nodal mass to generate kinetic energy.
(22)式は以下のような解釈もできる。振動系に地動加速度
が作用すると、慣性接続要素を介して直接加速度が伝達することから、各節点には絶対加速度
が生じる。地盤から見た場合、各節点には
という加速度が生じ、
という慣性力が生じている。従って、動的な力の釣り合い方程式を(29)式に示す。
Since the acceleration is transmitted directly through the inertia connecting element when
Occurs. When viewed from the ground, each node has
Acceleration occurs,
Inertial force is generated. Therefore, the dynamic force balance equation is shown in equation (29).
は節点質量のみの質量マトリックスであり(33)式に示される。
は慣性接続要素のみの質量マトリックスであり(34)式に示される。
ここで、
は、(22)式の各マトリックスを示す。ただし、
と仮定する。(22)式と(30)式で地動の作用を表すベクトルが
から
に変わっている。これはダミー節点を設けることで、その下に慣性接続要素がないので形式的には地動加速度が慣性接続要素を介して直接に各節点に伝わらなくなっているので、
Indicates each matrix of equation (22). However,
Assume that A vector representing the action of ground motion is given by Eqs. (22) and (30).
From
It has changed to. This is because a dummy node is provided, and since there is no inertia connecting element below, formally, ground motion acceleration is not directly transmitted to each node via the inertia connecting element.
動的な力の釣り合いで考えれば、地動加速度が直接に各節点に伝わらないので動的な力の釣り合い方程式を
を無限大にするという条件のもとで、(30)式に対する固有値および刺激関数は、1〜n次モードが「有意の振動数、減衰定数を有し、かつ低減された入力に対する応答」という形の振動特性を有し、n+1次モードは
の剛なモードを有する。これは以下に示す方法で確認できる。(30)式の固有値問題におけるs次の固有値を
、固有ベクトルを
として、
である。
The eigenvalue and the stimulation function for the expression (30) under the condition that the frequency is made infinite, the 1st to nth modes are called “response to a reduced input having a significant frequency and damping constant”. The n + 1 order mode is
It has a rigid mode. This can be confirmed by the following method. The s-order eigenvalue in the eigenvalue problem of equation (30)
, The eigenvector
As
It is.
(41)式に対する刺激係数は(42)式を考慮すれば、(43)式のようになる。
の定義により
By the definition of
次は
の場合、
を代入すれば次のような展開ができる。
として整理すれば次式を得る。
であるから、(30)式の全次数の刺激関数の和はダミー質点の値を除けば
である。しかし、全次数に対する和は
であり、(30)式のn+1次の刺激係数は1となるので、(45)式はダミー質点の刺激関数でもある。
next
in the case of,
Substituting can be expanded as follows.
If we arrange as, we get the following formula.
Therefore, the sum of the stimulation functions of all orders in equation (30) is the value except for the dummy mass point value.
It is. However, the sum for all orders is
Since the (n + 1) th order stimulation coefficient of equation (30) is 1, equation (45) is also a dummy mass point stimulation function.
以下、特に断わらない限り減衰は比例減衰として、(22)、(30)式のs次(1≦s≦n)の広義質量
、広義剛性
、広義減衰係数
は、su0 =0であるので等しく、それぞれ下記となる。
, Wide rigidity
, Broad damping coefficient
Are equal since s u 0 = 0, and are respectively as follows.
(2)慣性接続要素を有する系のn+1次モードの性質
慣性接続要素を有するn質点系の地動に対する振動方程式である(22)、(30)式は1〜n次が同一である。ところで(30)式はn+1次のモードを有する。このモードは慣性接続要素を介して直接伝わる加速度を表している。n+1次の固有ベクトルの条件式を(55)式に示す。
とおくと、(56)式は
Then, equation (56) is
以上、(30)式のn+1次モードは剛性項に関係ない質量項のみの固有ベクトルをもつ。係数
は
と上から順に求まり、固有ベクトル
は
と下から順に求めることができる。ある層で慣性接続要素
となるとそれより上の層ではすべて
となる。
As described above, the (n + 1) th order mode of the equation (30) has an eigenvector having only a mass term that is not related to the stiffness term. coefficient
Is
And the eigenvector
Is
And can be obtained in order from the bottom. Inertial connection element in one layer
Then all the layers above it
It becomes.
(3)固有ベクトルを変化させずに固有値の変化
構造物の地震応答制御を考えるとき、慣性接続要素にはいくつかの有用な利用法がある。(22)式のs次(s=1〜n)の固有値、固有ベクトルを
とすると(62)式が成り立つ。
を付加する。
は、剛性マトリックス
と形が同じなので、
を慣性接続要素
と見なすと、
を付加すると、s次(s=1〜n)の固有ベクトルは変化せず、新しい固有値
は
(慣性接続要素を有していても構わない)、付加する慣性接続要素のs次の広義慣性接続要素質量を
とすると、1質点系に対して慣性接続質量比を
と定義したように、n質点系においても各層の剛性に比例する慣性接続要素を付加するとき、この付加分のs次の慣性接続質量比
を
、減衰定数
、刺激係数
の変化は下式のように表される。
Then, equation (62) is established.
Is added.
The stiffness matrix
And the shape is the same,
The inertia connection element
Assuming that
When s is added, the eigenvector of the sth order (s = 1 to n) does not change, and the new eigenvalue
Is
(It may have an inertial connection element.) The s-order broad inertial connection element mass of the inertial connection element to be added
Then the inertia mass ratio for one mass system
In the n-mass system, when adding an inertial connection element proportional to the rigidity of each layer, the sth-order inertial connection mass ratio for this addition is added.
The
, Damping constant
, Stimulation coefficient
The change of is expressed by the following equation.
慣性接続質量比の値は次数によって違う値になる。1〜n次の刺激関数の減少の合計は、(30)式のn+1次の刺激関数の増加分となる。 The value of inertial connection mass ratio varies depending on the order. The total decrease in the 1st to nth order stimulation functions is the increase in the n + 1th order stimulation function in the equation (30).
特殊な場合としては、各層の慣性接続要素が各層の剛性に比例するとき、固有ベクトルは慣性接続要素をもたない系の固有ベクトルと同じである。また、これは1〜n次の固有ベクトルが同じである各層の慣性接続要素の組み合わせは無数にあること、1〜n次の固有ベクトルを変化させずに1〜n次の固有周期、減衰定数、刺激係数、n+1次の刺激関数を操作できることを示している。 As a special case, when the inertial connection element of each layer is proportional to the rigidity of each layer, the eigenvector is the same as the eigenvector of the system without the inertial connection element. In addition, this means that there are innumerable combinations of inertial connection elements in each layer where the 1st to nth order eigenvectors are the same. This shows that the coefficient, n + 1 order stimulation function can be operated.
(4)1次モード以外の刺激係数の0化
慣性接続要素を付加することで、振動系の固有ベクトルを変化させるという制御を考えてみる。特殊な目的のモード制御は別として、地震動に対する一般的な応答制御を考えるとき、この性質を利用してあるモードの刺激係数を0にすることは重要な利用法のひとつである。
(4) Zeroing the stimulus coefficient other than the first-order mode Consider the control of changing the eigenvector of the vibration system by adding an inertial connection element. Aside from special purpose mode control, when considering general response control to earthquake motion, it is one of the important usages to make the stimulation coefficient of a mode zero by using this property.
(22)式において
を付加することで、固有値
、固有ベクトル
、ただし
、が成立すると仮定する。即ち、
の値に関係していない。ここで(71)式の各式の和をとると、
であるので、
であるので、(46)式より(45)式の分子は0となるので、このモードの刺激係数は0である。
を既知とすると、(71)式は未知数が
の3元1次連立方程式であり、未知数の数と式の数とが一致しているので一意的に解ける。
By adding eigenvalues
, Eigenvector
However,
, Is assumed to hold. That is,
Is not related to the value of. Here, when the sum of the equations (71) is taken,
So
Therefore, since the numerator of the equation (45) is 0 from the equation (46), the stimulation coefficient in this mode is 0.
Is known, the equation (71)
This is a ternary system of simultaneous equations, and since the number of unknowns and the number of equations match, they can be solved uniquely.
次に、(22)式において
を付加することで、固有値
、固有ベクトル
、ただし
、が成立すると仮定する。即ち、
の値には関係しない。ここで(78)式の和をとると、
であるので、
であるので、(46)式より(45)式の分子は0となるので、このモードの刺激係数は0である。
を既知とすると、(78)式は未知数が
の4元2次連立方程式であり、各式が独立であるなら代数的に解くことができる。途中の計算は省略するが、(78)式を解くとω2は下記の2次方程式の解となる。
By adding eigenvalues
, Eigenvector
However,
, Is assumed to hold. That is,
Is not related to the value of. Here, when the sum of the expression (78) is taken,
So
Therefore, since the numerator of the equation (45) is 0 from the equation (46), the stimulation coefficient in this mode is 0.
Is known, Eq. (78)
This is a quaternary quadratic simultaneous equation, and if each expression is independent, it can be solved algebraically. Although the calculation in the middle is omitted, when equation (78) is solved, ω 2 becomes the solution of the following quadratic equation.
同様に
の付加で、固有値
、固有ベクトル
、ただし
、が成立するとする。この時の条件を同様に整理すると、
は(22)式の
の左上から(n-i+1)行(n-i+1)列の部分行列
は(22)式の
の左上から(n-i+1)行(n-i+1)列の部分行列
は(22)式の
の上から(n-i+1)行の部分ベクトルとなる。(85)式の各行の和は、
はともに対称で正定符号の行列であるので、m'iの値にかかわらず正値のω2の解を(n-i+1)個もつ。従って、(85)式第2式との連立方程式は正値のω2の解を(n-i)個もつ。各々のω2の解は(85)式の1次を除いた2〜(n-i+1)次のモードに対応する。
この操作をm'n-1からm'1まで繰り返すことができる。ただし、m'1の場合は、条件として下式を追加する必要がある。
With eigenvalues
, Eigenvector
However,
, Is established. If the conditions at this time are arranged in the same way,
Is the equation (22)
(N-i + 1) -row (n-i + 1) -column submatrix from the upper left of
Is the equation (22)
(N-i + 1) -row (n-i + 1) -column submatrix from the upper left of
Is the equation (22)
(N-i + 1) rows of partial vectors from above. The sum of each line in equation (85) is
Since both are symmetric and positive definite matrices, they have (n−i + 1) positive ω 2 solutions regardless of the value of m ′ i . Accordingly, the simultaneous equations with the second equation (85) have (ni) solutions of positive value ω 2 . Each solution of ω 2 corresponds to a 2nd to (n−i + 1) th order mode excluding the first order in the equation (85).
This operation can be repeated from m ′ n−1 to m ′ 1 . However, in the case of m ′ 1 , it is necessary to add the following expression as a condition.
この表において、解には以下の性質がある。
1.表の各々の四角に入る解はその層より下の剛性、質量(慣性接続要素を含む)には関係しないが、その層より上の層に慣性接続要素を付加すると値が変化する。
2.ある一行で同時には一つの解しか存在できない。
3.ある一列で複数の解を選択しても、上の解が下の解を包含しているので、最も上の解のみ有効である。
この性質を満たせば、異なるモードの刺激係数を0にする複数の層の慣性接続要素の組み合わせが存在できる。
In this table, the solution has the following properties.
1. The solution in each square in the table is not related to the stiffness and mass (including inertial connection elements) below that layer, but the value changes when an inertial connection element is added to a layer above that layer.
2. There can be only one solution at a time on a line.
3. Even if multiple solutions are selected in one row, only the uppermost solution is valid because the upper solution includes the lower solution.
If this property is satisfied, there can be a combination of multiple layers of inertial connection elements with different mode stimulation coefficients of zero.
ここで表1のi=1の場合を考える。このときの条件である(85)、(87)式はまさに慣性接続要素を有するn質点の振動系が刺激係数0のモードをもつための条件の式である。(85)式第2式の本来の形は(68)式第3式と同じ形の
次にu1=0の場合、条件は(85)式でi=2になる。これがω2≠0 の解をもつためには、i=1の場合同様に、
以上より、慣性接続要素を付加することでどれかのモードの刺激係数を0にする解は表1に示す種類の解以外はあり得ないことになる。ただし、この解に各層の剛性に比例する慣性接続要素を付加しても同じなので、個々の解の値はいくらでも存在する。 From the above, a solution that makes the stimulation coefficient of any mode 0 by adding an inertia connecting element cannot be a solution other than the types shown in Table 1. However, even if an inertia connecting element proportional to the rigidity of each layer is added to this solution, there are any number of individual solution values.
(5)すべての高次モードの刺激係数を0化
慣性接続要素の付加により、振動系のすべての高次モードの刺激係数を0にする制御を考える。この解である慣性接続要素の組み合わせは前節に示した方法で固有ベクトルが2次形になる解をm'n-1からm'1まで順に算定していくことで求めることができるが、質点数が多くなると高次の連立方程式を解く必要があり、多大な計算を要する。ここではこの組み合わせを求める別の方法を示す。
(5) Zeroing the stimulation coefficients of all higher-order modes Consider the control to make the stimulation coefficients of all higher-order modes of the vibration system zero by adding inertia connection elements. The combination of inertial connecting elements, which is the solution, can be obtained by calculating the solution in which the eigenvector is quadratic in order from m ' n-1 to m' 1 by the method shown in the previous section. When the number increases, it is necessary to solve higher order simultaneous equations, which requires a lot of calculation. Here is another way to find this combination.
今(1)式の系の1次の固有ベクトルが
となったとする。この際s次(s≠1)の刺激係数は(91)式で表されるが、この値は固有ベクトルの直交性より0となる。従って1次以外の応答は現れない。
を代入すると
さらに式(96)を変形すると、
Suppose that In this case, the stimulation coefficient of the sth order (s ≠ 1) is expressed by the equation (91), and this value becomes 0 due to the orthogonality of the eigenvectors. Therefore, no response other than the first order appears.
Substituting
Further transforming equation (96),
今、n質点振動系で2〜n次のモードの刺激係数を0にする慣性接続要素の組み合わせ、ただしm'n=0、が求まったとする。このとき、
となっているはずである。このときの
はmi、kiの値から(99)式より求まる。
が求まれば(97)式より{η}が求められるので{1-η}として
が求まる。
が求まれば(59)式より、Diおよびm'iが求まる。即ち、2〜n次のモードの刺激係数を0にする慣性接続要素の組み合わせを求めることができる。この組み合わせは、m'n=0であるので最小の慣性接続要素の組合せであり、この組合せに各層の剛性に比例する慣性接続要素を付加しても、やはり2〜n次のモードの刺激係数は0である。この方法を式で表すと以下の手順となる。
It should be. At this time
Is obtained from the values of m i and k i according to equation (99).
Is obtained from the equation (97), so {1-η}
Is obtained.
D i and m ′ i can be obtained from equation (59). That is, a combination of inertial connection elements that makes the stimulation coefficient of the 2nd to nth order modes 0 can be obtained. This combination is the minimum inertia connection element combination because m ′ n = 0, and even if an inertia connection element proportional to the rigidity of each layer is added to this combination, the stimulation coefficient of the 2nd to nth order modes is also obtained. Is 0. This method is expressed by the following procedure.
(6)シリンダ型減衰コマ
次に本発明に係る設計手法により地動の影響を受けずに接点の変位差に応じて高速で運動する部材として使用される同軸上に異なる半径の内輪と外輪とを備えて前記内輪より前記外輪に質量が集中する回転体であるシリンダ型減衰コマ2を図3に示す。
(6) Cylinder-type damping piece Next, an inner ring and an outer ring having different radii on the same axis are used as members that move at high speed in accordance with the displacement difference of the contact without being influenced by the ground movement by the design method according to the present invention. FIG. 3 shows a cylinder-type damping piece 2 which is a rotating body provided with a mass concentrated from the inner ring to the outer ring.
図3において、本発明に係る慣性接続要素を実現す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。 In FIG. 3, a cylinder-type damping piece 1 that realizes an inertial connecting element according to the present invention includes first and second connecting members 6 that are connected to each other so as to connect two points (objects) 2 and 4 that are relatively displaced. And both of the connecting members 6 and 8 are fixed to one of the two points (objects) 2 and 4 to be displaced relative to each other, and the first connection is made. The member 10 is formed with a guide screw portion 14 on the connection side, and a rotating inner cylinder 20 driven by a guide nut 18 screwed through a ball bearing 16 can be slid on the screw portion 14. The connecting portion of the second connecting member 8 is formed in a fixed outer cylinder 24 for the chamber 22 that accommodates the rotating inner cylinder 20, and a damping viscous body is provided in the chamber 22. And / or filling the viscoelastic body 26 To so that configuration.
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。
なお、本発明に係る設計手法により使用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4に示すように変形され得る。すなわち、この変形例は、図3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。
Here, the rotating inner cylinder 20 is composed of a closed cylinder whose other end is inserted into the guide nut 18 at one end, and a fixed outer cylinder at one side of the guide nut 18 and the closed end of the rotating inner cylinder 20. By arranging ball bearings 28 and 30 on both the upper and lower contact surfaces with respect to 24, on the guide screw portion 14 corresponding to both compression and tension loads generated from relative displacement between the two points 10 and 12, respectively. Is supported so as to slide in the vertical direction in the figure. Furthermore, polyisobutylene and other synthetic rubbers can be suitably used for the viscous fluid.
In addition, the cylinder type attenuation | damping top used by the design method based on this invention can be changed variously, for example, can be deform | transformed as shown in FIG. That is, in this embodiment, in the embodiment shown in FIG. 3, the rotating inner cylinder 20 is formed as an open cylinder, and the guide nut 18 is attached to the casing 32 fixed to the fixed outer cylinder 24. It is comprised so that it may support through.
さらに、図5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。 Furthermore, in the third modified example of the cylinder-type damping piece 1 as shown in FIG. 5, the cylinder-type damping piece 1 includes a speed amplification unit 36, a transmission unit 38, and an attenuation unit 40. A guide screw part 14 with a thread groove is inserted into the speed amplifying part 36 from its end, and is screwed into the guide nut 18 via the ball bearing 16 of the linear bearing 42. It is rotatably joined to the outer cylinder 32 of the amplifying unit 36 via a thrust bearing 29.
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。 The guide nut 18 is joined to the rotating inner cylinder 20 in the transmission portion 38 and rotates in the damping portion 40. A viscous body 26 is enclosed between the outer cylinder 24 and the rotating inner cylinder 20 of the attenuation portion 40 and sealed with a seal 28 at the end of the outer cylinder 24, so that the viscous body 26 does not leak.
また、本発明に係る設計手法により複数階から成る建築構造物には、前記シリンダ型減衰コマを適用することもできる。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。 Moreover, the cylinder-type damping piece can be applied to a building structure composed of a plurality of floors by the design method according to the present invention. Then, next, the Example at the time of applying the damping device which uses the said damping rod based on this invention to a building structure is described below.
先ず、図6において、減衰棒50は、建築構造物72の構造枠体74における対向角部の取付プレート74a,74bの間にそれぞれ連結部材50a,50b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、地震等で発生する構造枠体74の歪み変位によって伸縮される減衰棒50の減衰効果をにより構造枠体74内の前記歪みエネルギが吸収されて、建築構造物70の振動が有効に制振され得るが、さらに本発明に係る設計手法により、さらに質量マトリックスを人為的に連成化して操作することで、振動系の周期や振動モードの制御をして応答制御をすると、剛性、減衰の制御のみでは達成困難な種類の振動系の応答制御が可能となる。
本発明による設計手法では、建築構造物72から各層毎の質量を算出するとともに、各層毎のばね定数を算出する。これらの質量とばね定数とから1次モード以外の刺激係数が0になった場合の固有値と刺激係数を算出し、これらの刺激係数と質量から各層間の慣性接続要素を算出する。この慣性接続要素を発生することのできる減衰棒50を各層に配置することで、各層のモード制御が可能な建築構造物72が設計される。
First, in FIG. 6, the damping rod 50 is disposed between the mounting plates 74 a and 74 b at the opposite corners of the structural frame 74 of the building structure 72 so as to be compressible and tensionable via connecting members 50 a and 50 b, respectively. ing. Therefore, the strain energy in the structural frame 74 is absorbed by the damping effect of the damping rod 50 that is expanded and contracted by the strain displacement of the structural frame 74 caused by an earthquake or the like, and the vibration of the building structure 70 is effectively controlled. However, the design method according to the present invention further artificially couples and operates the mass matrix, and if response control is performed by controlling the period and vibration mode of the vibration system, rigidity and damping This makes it possible to control the response of a type of vibration system that is difficult to achieve with only this control.
In the design method according to the present invention, the mass for each layer is calculated from the building structure 72 and the spring constant for each layer is calculated. From these masses and spring constants, eigenvalues and stimulation coefficients when the stimulation coefficient other than the primary mode becomes 0 are calculated, and inertial connection elements between the respective layers are calculated from these stimulation coefficients and masses. By arranging the damping rod 50 capable of generating the inertia connecting element in each layer, the building structure 72 capable of mode control of each layer is designed.
(7)ディスク型減衰コマ
図7において、本発明に係る設計手法に、地動の影響を受けずに接点の変位差に応じて高速で運動する部材として減衰コマを活用した事例について示す。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。
(7) Disc type damping piece FIG. 7 shows an example in which the damping piece is used as a member that moves at high speed according to the displacement difference of the contact without being influenced by the ground motion in the design method according to the present invention. First, basically, first and second connecting members connected to each other to connect two points (objects) 90 and 92 that are relatively displaced, that is, a first rod 94 and a tubular second rod 96. Consists of. The rods 94 and 96 are fixed at one end to one of the two points 90 and 92, respectively. The first rod 94 is formed with a guide screw portion 98 on the connection side, and a rotary piece 104 driven by a guide nut 102 screwed through a ball bearing 100 is slid on the screw portion 98. Insert it in a movable manner. The second rod 96 forms a casing 108 defining a chamber 106 for accommodating the rotary piece 104 on the connection side, and a damping viscous body and / or a viscoelastic body 110 is provided in the chamber 106. Fill.
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。 The guide nut 102 is generated from the relative displacement between the two points 90 and 92 by disposing ball bearings 112 and 114 on the upper and lower facing surfaces of the casing 108 surrounding the guide nut 102, respectively. Corresponding to both compression and tension loads, it is pivotally supported so as to rotate on the guide screw portion 98 and slide in the vertical direction in the figure. The rotary piece 104 is composed of an integral rotary part 104 extending radially outward from the outer periphery of the guide nut 102. Furthermore, other synthetic rubbers such as polyisobutylene can be suitably used for the viscous fluid.
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8に示すように変形され得る。第一の変更例は、図8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。 The attenuation piece of the present invention can be changed variously. For example, it can be modified as shown in FIG. In the first modification, as shown in FIG. 8, the first connecting member is changed from the tubular rod 96 to the normal rod 120, and the rotating piece is changed from the integral rotating portion 104 and from one side portion of the guide nut 102. The configuration is changed to a separate rotating unit 122 that is separated and extends in parallel in the radial direction. That is, the separate rotating part 122 is accommodated in the chamber 106 in the first casing 122 formed on the connection side of the rod 120 (second connecting member), and the guide nut 102 is in the second casing 124. It is supported by ball bearings 112 and 114 inside. Note that it is obvious that the same effect as in the previous embodiment is exhibited in this modified example.
更なる変更例は、図9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。
以上のように、本発明に係る設計手法において、減衰こまを使用した場合は、一つの装置で慣性力と減衰力を付与でき、特に各々独立して設定するものである。なお、本発明における部材として上記より減衰コマと減衰棒について活用方法を示したが、これらに限定されるものではない。
(8)補助質量
図10および図11に、本発明に係る設計手法に、地動の影響を受けずに接点の変位差に応じて高速で運動する部材として補助質量を適用した例を示す。図10(a)は、第一のトグル式補助質量機構であり、地盤150上に設けられる減衰項がcであり、ばね定数がkであるばね部152によって質量がmである主質量部154が支持される。一方、同じく地盤150上に固定主軸156が立設される。この固定主軸156頂上部にピン結合される補助質量支持棒160と質量がmdである補助質量部162とが接続される。さらに、主質量支持棒164によって主質量部154と補助質量部162とが接続される。
また図10(b)に示す、第二のトグル式補助質量機構は、地盤150上に設けられる減衰項がcであり、ばね定数がkであるばね部152によって質量がmである主質量部154が支持される。一方、同じく地盤150上に固定主軸156が立設される。この固定主軸156の中間部にピン結合される第一の補助質量支持棒168と質量がmd/2である第1補助質量部173とが接続される。この第1補助質量部173は、第一の主質量支持棒170を介して主質量部154と接続される。一方、固定主軸156の中間部より上部である頂上部にピン結合される第二の補助質量支持棒176と質量がmd/2である第2補助質量部174とが接続される。この第2補助質量部174は、第二の主質量支持棒176を介して主質量部154と接続される。
特に第二のトグル式補助質量機構を用いれば補助質量173、174の上下運動による慣性力は補助質量同士で互いにキャンセルされて反力は水平力のみとなり、回転体を用いた補助質量機構と全く同じ力学機構を形成する。このような機構は、鉄骨などでトグルを形成しその先に金属の重りを取り付けることで容易に製作できよう。上記の構成を振動方程式で示すと、式(103−1)となる。
さらに、図10(a)における補助質量部162と地盤150の間に減衰定数がcdである減衰装置182と、ばね定数がkdであるばね180が挿入されたばね減衰付きトグル式補助質量機構を図11(b)に示す。また、図10(b)における補助質量部173と174との間に減衰定数がcdである減衰装置186と、ばね定数がkdであるばね184が挿入されたばね減衰付きトグル式補助質量機構を図11(c)に示す。変位の増幅点にばねや減衰装置を組み込めば、質量項の増幅と同様に増幅したばね反力や減衰力が得られる。本機構の振動方程式を式(103−2)に示す。
As described above, in the design method according to the present invention, when a damping top is used, an inertial force and a damping force can be applied with one device, and each is set independently. In addition, although the utilization method was shown about the attenuation | damping piece and the attenuation | damping rod from the above as a member in this invention, it is not limited to these.
(8) Auxiliary Mass FIGS. 10 and 11 show an example in which the auxiliary mass is applied to the design method according to the present invention as a member that moves at high speed according to the displacement difference of the contact without being affected by the ground motion. FIG. 10A shows a first toggle type auxiliary mass mechanism in which a damping term provided on the ground 150 is c, and a main mass portion 154 whose mass is m by a spring portion 152 whose spring constant is k. Is supported. On the other hand, a fixed main shaft 156 is also erected on the ground 150. An auxiliary mass support rod 160 pin-coupled to the top of the fixed main shaft 156 is connected to an auxiliary mass portion 162 having a mass of md. Further, the main mass portion 154 and the auxiliary mass portion 162 are connected by the main mass support rod 164.
The second toggle auxiliary mass mechanism shown in FIG. 10B is a main mass part whose mass is m by the spring part 152 whose attenuation term is provided on the ground 150 and whose spring constant is k. 154 is supported. On the other hand, a fixed main shaft 156 is also erected on the ground 150. A first auxiliary mass support bar 168 that is pin-coupled to an intermediate portion of the fixed main shaft 156 is connected to a first auxiliary mass portion 173 having a mass m d / 2. The first auxiliary mass unit 173 is connected to the main mass unit 154 via the first main mass support rod 170. On the other hand, the second auxiliary mass support rod 176 pin-coupled to the top that is above the middle portion of the fixed main shaft 156 is connected to the second auxiliary mass portion 174 having a mass of md / 2. The second auxiliary mass unit 174 is connected to the main mass unit 154 via the second main mass support rod 176.
In particular, if the second toggle type auxiliary mass mechanism is used, the inertial forces due to the vertical movements of the auxiliary masses 173 and 174 are canceled with each other by the auxiliary masses, and the reaction force becomes only the horizontal force. Form the same mechanical mechanism. Such a mechanism can be easily manufactured by forming a toggle with a steel frame and attaching a metal weight to the toggle. When the above configuration is represented by a vibration equation, the equation (103-1) is obtained.
Further, FIG. 10 and the damping device 182 decay constant is c d between the auxiliary mass 162 and the ground 150 in (a), the spring constant k d a a spring 180 is inserted spring damped toggle auxiliary mass mechanism Is shown in FIG. Further, FIG. 10 decay constant between the auxiliary mass 173 and 174 in (b) is a damping device 186 is c d, spring constant k d a a spring 184 is inserted spring damped toggle auxiliary mass mechanism Is shown in FIG. If a spring or a damping device is incorporated at the amplification point of the displacement, an amplified spring reaction force and damping force can be obtained in the same manner as the amplification of the mass term. The vibration equation of this mechanism is shown in Formula (103-2).
(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12に示す。
(9) Design System FIG. 12 shows an attenuation top design system according to the present invention based on the above theory.
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。 The attenuation top design system 200 includes a central processing unit CPU 202 that controls the system, a main memory 204 that stores a control program such as an OS, a file device 206 that is a second storage device, an input device 208, and an output device. 210 and a network input / output device 230, the CPU 202 is electrically connected to the bus 212 so as to be able to transmit and receive, the main memory 204 is also electrically connected to the bus 212 so as to be able to receive and transmit, and the file device 206 is also connected to the bus 212. The input device 208 is electrically connected to the bus 212 for transmission, the output device 210 is electrically connected for reception, and the network input / output device 230 is electrically connected for transmission / reception. Connected to.
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。 The CPU 202 reads various operations and the OS from the main memory 204, and performs input / output control in the file device 206, input control of the input device 208, output device 210, and output control to the network connection device 230.
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。 The main memory 204 is a memory that stores a control program such as an OS in conjunction with the CPU 202 such as a main cache, and is configured by a semiconductor RAM or the like.
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、原振動データファイル216と、結果ファイル218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。 The file device 206 is composed of, for example, a hard disk such as a magnetic disk used for data storage and application software storage. As data, a building structure specification file 214, an original vibration data file 216, and a result file 218 are recorded. Further, an attenuation top design program 224 is stored as application software.
建築構造物仕様ファイル214は、階層別質量データmiと、階層別ばね定数データkiとから構成される。 Building structure specification file 214 includes a hierarchical mass data m i, composed of a hierarchical spring constant data k i.
階層別質量データmiは、構築しようとする建造物の各層ごとの質量であり単位は(ton)である。階層別ばね定数データkiとは、構築しようとする建造物の各層ごとのばね定数であり単位は(kN/m)である。実施例1では、表2が該当し、実施例2では表6が該当する。 Stratified mass data m i is the mass a and the unit of each layer of the building to be constructed is (ton). The hierarchy-specific spring constant data k i is a spring constant for each layer of the building to be constructed, and its unit is (kN / m). In Example 1, Table 2 corresponds, and in Example 2, Table 6 corresponds.
原振動データファイル216は、目的とする地震等の振動を建築物に加わった際に、減衰装置を一切配置しない場合に、各振動モードにおける固有周期Tと、固有振動数ωと、減衰定数hと、刺激係数βと、固有ベクトルuiからなるファイルである。実施例1では、表3が該当し、実施例2では表7が該当する。 The original vibration data file 216 includes a natural period T, a natural frequency ω, and a damping constant h in each vibration mode when no damping device is arranged when a target vibration such as an earthquake is applied to a building. And a file made up of the stimulation coefficient β and the eigenvector u i . In Example 1, Table 3 corresponds, and in Example 2, Table 7 corresponds.
結果ファイル218は、算出されたデータ記憶するファイルである。算出されたデータは、算出された慣性接続要素m’iと、減衰装置を配置した場合に、算出された各振動モードにおける固有周期Tと、固有振動数ωと、減衰定数hと、刺激係数βと、固有ベクトルuiからなるファイルである。実施例1では、表4、5、図15、17が該当し、実施例2では表8、図16、18〜20が該当する。 The result file 218 is a file for storing calculated data. When the calculated inertial connection element m ′ i and the damping device are arranged, the calculated data includes the natural period T, the natural frequency ω, the damping constant h, the stimulation coefficient, and the calculated vibration modes. It is a file composed of β and eigenvector u i . In Example 1, Tables 4 and 5 and FIGS. 15 and 17 are applicable, and in Example 2, Tables 8 and 16 and 18 to 20 are applicable.
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。 The input device 208 includes at least a keyboard, a mouse, and a 10 keyboard. In addition, any device that can input numerical values or the like is any of position information input such as trackball, microphone, camera, and scanner, audio input, and image input. It may be a device.
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。 The output device 210 includes at least a display, and further includes a printer and a speaker.
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。 The network connection device 230 is connected to the Internet 234 through the line 232.
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。 On the other hand, the manufacturing terminal 242 is connected to the Internet 234 via the connection device 238. The manufacturing terminal 242 has a function of accumulating and storing parameters in the manufacturing machine and sending the parameters to control the manufacturing machine.
(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13に示す。
(10) Design Flow FIG. 13 shows a design flow according to the present invention using the above design system according to the present invention.
まず、本発明の設計システムにおいて、設計プログラム224を起動する(A2)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原振動データとが入力装置であるキーボードから入力される(A4,A6)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、建築構造物の各層の質量miとばね定数kiと、原振動データである減衰装置を一切配置しない場合に、各振動モードにおける固有周期Tと、固有振動数ωと、減衰定数hと、刺激係数βと、固有ベクトルuiと以降の式を解くためのパラメータである。すなわち、建築構造物の各層の質量miとばね定数kiとは、実施例1では、表2が該当し、実施例2では表6のデータである。原振動データは、実施例1では、表3が該当し、実施例2では表7である。 First, in the design system of the present invention, when the design program 224 is activated (A2), the CPU 202 displays an input acceptance screen on the display. Thereafter, when the building structure specification data and the original vibration data predetermined by the operator are input from the keyboard as the input device (A4, A6), the CPU 202 uses the input data as the building structure specification of the file device 206. The file 214 and the device specification file 216 are recorded. Numerical such as specifications that are entered here, the mass m i and the spring constant k i of each layer of the building structure, if no damping device is a raw vibration data arranged at all, and the natural period T in each vibration mode, a natural frequency omega, which is a parameter for solving the damping constant h, and stimulated coefficient beta, the eigenvectors u i and subsequent expression. That is, the mass mi and the spring constant k i of each layer of the building structure correspond to the data in Table 2 in Example 1, and the data in Table 6 in Example 2. The original vibration data corresponds to Table 3 in the first embodiment and Table 7 in the second embodiment.
続いて、CPU202は、前記質量と前記ばね定数と前記固有値とから刺激係数を算出する(A8)。この際に使用される式は、式(101)である。実施例2において表7における第5列が算出される。 Subsequently, the CPU 202 calculates a stimulation coefficient from the mass, the spring constant, and the eigenvalue (A8). The formula used at this time is formula (101). In Example 2, the fifth column in Table 7 is calculated.
さらに、CPU202は、前記刺激係数から途中式Dnを算出する(A10)。この際に使用される式は、式(102)である。実施例2において表7における第7列が算出される。 Further, CPU 202 calculates the middle equation D n from the stimulation index (A10). The formula used at this time is formula (102). In Example 2, the seventh column in Table 7 is calculated.
そして、CPU202は、前記途中式Dnから前記回転体による慣性接続要素を算出する(A12)。この際に使用される式は、式(103)である。実施例2において表7における第8列が算出される。 Then, CPU 202 calculates the inertia connecting element according to the rotary body from the middle equation D n (A12). The formula used at this time is formula (103). In Example 2, the eighth column in Table 7 is calculated.
その後、CPU202は、慣性接続要素から各層の慣性こまのパラメータを算出する(A14)。この際に使用される式は、式(103)である。このような方法によりこの慣性接続要素を発生することのできる減衰こまを各層に配置することで、各層のモード制御が可能な建築構造物が設計可能となる。 Thereafter, the CPU 202 calculates the parameters of the inertial top of each layer from the inertial connection element (A14). The formula used at this time is formula (103). By arranging a damping top capable of generating this inertia connecting element in each layer by such a method, it is possible to design a building structure capable of mode control of each layer.
本発明に係る設計方法を用いて設計された建築構造物について慣性接続要素による2質点振動系のモード制御した結果を図14、15および表1〜4を用いて示す。 14 and 15 and Tables 1 to 4 show the results of mode control of the two-mass point vibration system using inertial connection elements for a building structure designed using the design method according to the present invention.
振動系のモデルを図14に示す。地盤上にばね定数k1、慣性接続要素m’1、減衰係数c1を介して質点m1が接続され、さらにばね定数k2、慣性接続要素m’2、減衰係数c2を介して質点m2が接続される。原振動yによって、質点はそれぞれ、距離x1およびx2移動する。質点慣性接続要素m'2=m'1=0の場合を原振動系と呼ぶこととする。表2に各質点の質量並びにばね定数を示す。減衰係数c1、c2は原振動系の1次振動に対してh= 0.05 となるように各層の剛性に比例して与えた。
制御振動系1として、原振動系に本発明に係る設計方法に基いて算出した慣性接続要素を有する制震装置を付加して2次モードの刺激係数を0にする制御を行う実施例について示す。(71)〜(73)式においてn=2として、本発明の設計方法に基いて算出すると、最小の慣性接続要素の組み合わせは
次に、制御振動系2として、本発明に係る設計方法を用いて、さらに1次モードの固有周期を1.5秒に伸長するような制御を行なう例を示す。 Next, an example is shown in which control is performed so that the natural period of the primary mode is further extended to 1.5 seconds using the design method according to the present invention as the control vibration system 2.
制御振動系1の2次の刺激係数を0のまま1次モードの固有周期を1.5秒に伸長する制御を行う。制御振動系1の広義質量は
は(52)、(66)式より
は(64)式から
From the formulas (52) and (66)
From equation (64)
原振動系と制御振動系1、2のEL CENTRO 1940 NS(Amax=510.8cm/s2)を入力地震動とした時刻歴応答解析の結果の比較を図15に示す。慣性接続要素を付加することにより、上部の加速度、変位、層間変位、層せん断力、慣性接続要素半力、応答加速度は低減し、応答層せん断力係数は全層等しくなっている。独特かつ効果的な応答制御効果を発揮していることが分かる。 FIG. 15 shows a comparison of the results of time history response analysis using the EL CENTRO 1940 NS (Amax = 510.8 cm / s 2 ) of the original vibration system and the control vibration systems 1 and 2 as input earthquake motion. By adding the inertia connecting element, the upper acceleration, displacement, interlayer displacement, layer shear force, inertia connecting element half force, response acceleration are reduced, and the response layer shear force coefficient is the same in all layers. It can be seen that it exhibits a unique and effective response control effect.
本発明に係る設計方法を用いて設計された建築構造物について慣性接続要素による多質点振動系のモード制御した結果を図16、17、18、19、20および表6〜8を用いて示す。建築構造物のモデルとして、図1に示されるモデルとし、n=8すなわち、8階建てからなる建築物を想定する。このモデルにおいて、1次周期が1秒になるように適当に設定したn=8の振動系(原振動系と呼ぶ)のmi、kiを表6に示す。表6には本発明に係る設計方法で各質点の質量及びばね定数より、(100)、(101)、(102)、(103)式で慣性接続要素の質量を含めて算出する方法で、原振動系のすべての1次モードを除く高次モードの刺激係数を0にする慣性接続要素の組み合わせを求める途中経過及び結果を示す。なお、m'8≠0の解は、表6の解に各層の剛性に比例する慣性接続要素を付加することで求まり、その際の固有値は(67)式で求まる。 The result of mode control of the multi-mass point vibration system by the inertia connecting element for the building structure designed by using the design method according to the present invention is shown in FIGS. 16, 17, 18, 19, and 20 and Tables 6-8. As a model of a building structure, the model shown in FIG. 1 is assumed, and n = 8, that is, a building composed of 8 stories is assumed. Table 6 shows m i and k i of a vibration system of n = 8 (referred to as the original vibration system) appropriately set so that the primary period is 1 second in this model. Table 6 shows a calculation method including the mass of the inertia connecting element in the equations (100), (101), (102), and (103) from the mass of each mass point and the spring constant in the design method according to the present invention. The progress and result of finding the combination of inertial connection elements that make the stimulation coefficient of the higher-order mode excluding all the first-order modes of the original vibration system 0 are shown. The solution of m ′ 8 ≠ 0 is obtained by adding an inertia connecting element proportional to the rigidity of each layer to the solution of Table 6, and the eigenvalue at that time is obtained by equation (67).
原振動系と慣性接続要素を付加した振動系(制御振動系と呼ぶ)の固有値解析結果を表7、8に示す。制御振動系の2〜8次モードの刺激係数は0、その固有ベクトルの形状は正負が1度ずつ現れる2次形になっている。
また、各層の層間変位の等しい振動系に本発明の設計方法で設計された慣性接続要素を負荷することで、上部の応答加速度と、応答変位と、層間変位と、層せん断力は低減することが図17に示される。図17は、「層間変位あるいは層間変形角の制御」というそれまでの例とは異なる効果を示すものである。
ここでは「各層の剛性をその層より上部の質量に比例させた振動系に、慣性接続要素を付加することで高次の刺激係数を0にする」ことで応答時の各層の層間変位を等しくなるように制御した振動系である。この効果は式(96)より、導かれる。
Also, by loading the inertial connection element designed by the design method of the present invention to the vibration system having the same interlayer displacement of each layer, the upper response acceleration, response displacement, interlayer displacement, and layer shear force can be reduced. Is shown in FIG. FIG. 17 shows an effect different from the previous example of “control of interlayer displacement or interlayer deformation angle”.
Here, by adding an inertia connection element to the vibration system in which the rigidity of each layer is proportional to the mass above that layer, the higher order stimulation coefficient is made zero, so that the interlayer displacement of each layer at the time of response is equal. This is a vibration system controlled to be This effect is derived from equation (96).
さらに、従来の免震建物に対しても、本発明に係る設計方法に基いて慣性接続要素を接続する例を図18に示す。図18において記号〇は免震支承として鉛プラグ入り積層ゴムを用いた実在の鉄骨造建物の応答値を示す。また、記号▲は上記免震建物の高次モードが0になるように慣性接続要素を付加した場合の応答値であり、記号〇より応答加速度が著しく低減している。ただし、鉛プラグ入り積層ゴムは非線形の特性を示すので、本発明の方法は正確には適用できないため、等価剛性による近似計算を行っている。そのうえ、記号■はさらに性能を向上すべく、免震層の特性を本発明の計算法と相性がよい線形特性をもつ免震層に変更した場合を示す。応答加速度だけでなく、層せん断力も著しく低減している。
本発明の方法で慣性接続要素を用いれば、免震建物の応答もさらに改善でき、その上、免震特性を本設計法に適したものに変更すればさらにその性能は向上する。
Further, FIG. 18 shows an example in which an inertia connecting element is connected to a conventional base-isolated building based on the design method according to the present invention. In FIG. 18, symbol O represents the response value of an actual steel structure building using laminated rubber with lead plugs as a seismic isolation bearing. The symbol ▲ is a response value when an inertia connecting element is added so that the higher order mode of the base-isolated building is 0, and the response acceleration is significantly reduced from the symbol O. However, since the laminated rubber with lead plugs exhibits non-linear characteristics, the method of the present invention cannot be accurately applied, and thus approximate calculation based on equivalent rigidity is performed. In addition, the symbol ■ indicates a case where the characteristics of the base isolation layer are changed to a base isolation layer having a linear characteristic that is compatible with the calculation method of the present invention in order to further improve the performance. Not only the response acceleration but also the layer shear force is significantly reduced.
If the inertia connecting element is used in the method of the present invention, the response of the base-isolated building can be further improved, and further, the performance is further improved if the base isolation characteristics are changed to those suitable for the present design method.
続いて、層崩壊要因すなわち一部の階に他の階と比較して著しく変位しやすい階があるモデルの振動についての原振動を図19に示す。「層崩壊の抑制効果」、これも慣性接続要素の重要な効果の一つである。
振動系の一部に弱い部分があるとその部分にエネルギーが集中し、局部的に変形が増大する。その結果、この部分にさらにエネルギーが集中し、さらに変形が増大する。こうして構造物が崩壊にいたるといった現象が生じる。地震時の建築物の層崩壊はこのようにして生じることが多いと考えられる。実際、兵庫県南部地震など過去の大地震の被災例で数多くこうした事例、中間階破壊や層崩壊が見られる。
慣性接続要素のないモデルと、慣性接続要素を付加して高次の刺激係数を0にした振動モデルを設定し、両モデルに1層だけ応答上必要な耐力の80%の耐力で降伏する層を設定した比較が図19、20である。
慣性接続要素がない場合は、耐力が不足する弱層の変形が大きく進み、層崩壊に至る現象が現れている。一方、慣性接続要素を有するモデルでは弱層の層間変位は若干増大するが、その度合いは小さく、弱層による層崩壊の抑制し、系全体の応答を安定させる効果があることが分かる。
Next, FIG. 19 shows the original vibration of the layer collapse factor, that is, the vibration of a model in which some floors are significantly displaced compared to other floors. “Suppression effect of layer collapse” is another important effect of inertial connection elements.
If there is a weak part in a part of the vibration system, energy concentrates on that part and the deformation increases locally. As a result, energy is further concentrated in this portion, and deformation is further increased. In this way, a phenomenon that the structure collapses occurs. It is thought that the layer collapse of buildings during an earthquake often occurs in this way. In fact, there are many cases such as the destruction of the middle floor and the layer collapse in past earthquakes such as the Hyogoken-Nanbu Earthquake.
A model with no inertia connecting element and a vibration model with an inertia connecting element added to make the higher-order stimulation coefficient zero, and a layer that yields with a yield strength of 80% of the yield strength required for response in both models. 19 and 20 are comparisons in which is set.
When there is no inertial connection element, a weak layer with insufficient proof stress is greatly deformed, leading to a phenomenon of layer collapse. On the other hand, in the model having the inertial connection element, the interlayer displacement of the weak layer is slightly increased, but the degree is small, and it is understood that the layer collapse by the weak layer is suppressed and the response of the entire system is stabilized.
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
72 建築構造物
74 構造枠体
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
150 地盤
152 ばね部
154 主質量部
156 固定主軸
160 補助質量支持棒
162 補助質量部
164 主質量支持棒
168 第一の補助質量支持棒
173 第1補助質量部
170 第一の主質量支持棒
176 第二の補助質量支持棒
174 第2補助質量部
173,174 補助質量
182 減衰装置
180 ばね
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
1 Cylinder-type damping piece 2, 4 Relatively displaced 2 points (object)
6 First connecting member 8 Second connecting member 10 Connecting member 10, 12 Two points 14 Guide screw 16 Ball bearing 18 Guide nut 20 Rotating inner cylinder 22 Chamber 24 Fixed outer cylinder 26 Viscoelastic body 28, 30 Ball bearing 29 Thrust bearing 32 Casing 36 Speed amplification part 38 Transmission part 40 Damping part 42 Linear bearing 50 50 Damping rods 50a, 50b Connecting member 70 Building structure 72 Building structure 74 Structure frame 74a, 74b Mounting plate 74 Structure frame 76 Foundation 76a, 80a Support column 78 Seismic isolation pad 80 Seismic structure 90, 92 2 points (object)
94 First rod 96 Second rod 98 Guide screw portion 100 Ball bearing 102 Guide nut 104 Rotating top 106 Chamber 108 Casing 110 Viscous and / or viscoelastic body 112, 114 Ball bearing 96 Tubular rod 120 Rod 122 First Casing 124 Second casing 130 Guide screw part 132 Internal pipe 134 Rotating body is 136 Disc-shaped main body 138 Ridge part 140 External pipe 142 Cylindrical casing 144 Ball bearing 146 Viscous and / or viscoelastic body 150 Ground 152 Spring part 154 Main Mass portion 156 Fixed main shaft 160 Auxiliary mass support rod 162 Auxiliary mass portion 164 Main mass support rod 168 First auxiliary mass support rod 173 First auxiliary mass portion 170 First main mass support rod 176 Second auxiliary mass support rod 174 Second auxiliary mass 173,174 auxiliary mass 182 damping device 180 spring 200 damping piece design system 202 central processing unit CPU
204 Main memory 206 File device 208 Input device 210 Output device 212 Bus 214 Building structure specification file 216 Device specification file 222 Parameter file 223 Output file 224 Attenuation frame design program 230 Network connection device 232 Line 234 Internet 242 Manufacturing terminal 238 Connection device
Claims (22)
地盤上にバネ係数kiと慣性接続要素mi’と、減衰装置ciとに支持される質量miの構造物が配置されて地盤に加速度
の外乱が前記構造物に入力されるn質点系の地動に対する振動方程式に対して、高次の振動モードの刺激係数を0かつm'n=0となるように慣性接続要素に選択して制御する設計方法。 In the design method of a structure having a plurality of layers on which members that move at high speed according to the displacement difference of the node without being affected by the earthquake motion,
A spring coefficient k i and inertia connecting element m i 'on the ground, the acceleration structure is arranged in the ground of the mass m i to be supported on the damping device c i
Is selected for the inertial connection element so that the stimulation coefficient of the higher-order vibration mode is 0 and m ′ n = 0 for the vibration equation for the ground motion of the n-mass system input to the structure How to design.
構造物の各層の構成要素の質量と各層の構成要素のばね定数とから固有値を算出するステップと、
前記質量と前記ばね定数と前記固有値とから刺激係数を算出するステップと、
前記質量と前記刺激係数とから前記部材による慣性質量を算出するステップとからなり複数層からなる構造物の地震応答が1次モードのみとなるよう刺激係数を選択して制御することを特徴とする請求項1または2記載の設計方法。 The method of selecting and controlling the inertia connecting element is as follows:
Calculating an eigenvalue from the mass of the component of each layer of the structure and the spring constant of the component of each layer;
Calculating a stimulation coefficient from the mass, the spring constant and the eigenvalue;
The method includes calculating the inertial mass due to the member from the mass and the stimulation coefficient, and selecting and controlling the stimulation coefficient so that the seismic response of the multi-layer structure is only in the first mode. The design method according to claim 1 or 2.
地盤上にバネ係数kiと慣性接続要素mi’と、減衰装置ciとに支持される質量miの構造物が配置されて地盤に加速度
の外乱が前記構造物に入力されるn質点系の地動に対する振動方程式に対して、高次の振動モードの刺激係数を0かつm'n=0となるように慣性接続要素に選択して制御する設計プログラム。 In a design program for a structure having a plurality of layers on which a member that moves at high speed according to the displacement difference of the node without being affected by the earthquake motion,
A spring coefficient k i and inertia connecting element m i 'on the ground, the acceleration structure is arranged in the ground of the mass m i to be supported on the damping device c i
Is selected for the inertial connection element so that the stimulation coefficient of the higher-order vibration mode is 0 and m ′ n = 0 for the vibration equation for the ground motion of the n-mass system input to the structure Design program to do.
構造物の各層の質量と各層のばね定数とを予め入力する入力手段と、入力されたデータを記憶させる記憶手段と、前記記憶手段に予め記憶されておき計算方法が記述される演算プログラムと、演算プログラムに従って演算する中央演算装置と、演算結果を出力する出力手段とを備え、構造物の各層の構成要素の質量と各層の構成要素のばね定数とから固有値を算出するステップと、
前記質量と前記ばね定数と前記固有値とから刺激係数を算出するステップと、
前記質量と前記刺激係数とから前記部材による慣性質量を算出するステップとからなり複数層からなる構造物の地震応答が1次モードのみとなるよう刺激係数を選択して制御する構造物の設計システム。 In a design system for a multi-layered structure in which members that move at high speed according to the displacement difference of the nodes without being affected by earthquake motion are mounted on each layer,
An input means for inputting in advance the mass of each layer of the structure and the spring constant of each layer; a storage means for storing the input data; an operation program stored in advance in the storage means and describing a calculation method; A step of calculating an eigenvalue from the mass of the component of each layer of the structure and the spring constant of the component of each layer, comprising a central processing unit for calculating according to the calculation program and an output means for outputting the calculation result;
Calculating a stimulation coefficient from the mass, the spring constant and the eigenvalue;
A structure design system comprising a step of calculating an inertial mass due to the member from the mass and the stimulation coefficient, and selecting and controlling the stimulation coefficient so that the seismic response of the structure composed of a plurality of layers is only in the first mode. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004022306A JP4351923B2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Design method, design support system, design support program, rotating body, and building structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004022306A JP4351923B2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Design method, design support system, design support program, rotating body, and building structure |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005213887A true JP2005213887A (en) | 2005-08-11 |
JP4351923B2 JP4351923B2 (en) | 2009-10-28 |
Family
ID=34905692
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004022306A Expired - Lifetime JP4351923B2 (en) | 2004-01-29 | 2004-01-29 | Design method, design support system, design support program, rotating body, and building structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4351923B2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007211503A (en) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd | Seismic response control apparatus of building and building structure |
JP2008156945A (en) * | 2006-12-25 | 2008-07-10 | Takenaka Komuten Co Ltd | Base isolation structure, base isolation structure designing method, and base isolated building |
WO2008117743A1 (en) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | National University Corporation Saitama University | Analysis system, analysis method, program and mechanical device |
WO2009017162A1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-02-05 | Nihon University | Damping structure, and designing method of damping structure |
JP2011052494A (en) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Shimizu Corp | Vibration control mechanism |
JP2016170037A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | 新日鉄住金エンジニアリング株式会社 | Method of estimating damaged portion of building |
EP3942121A4 (en) * | 2019-03-20 | 2022-12-14 | Big Time Investment, LLC | A strut for a multi-story building |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU178300U1 (en) * | 2017-06-28 | 2018-03-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Собственный вектор" | Device for recognizing qualitative changes in technical and biological objects |
-
2004
- 2004-01-29 JP JP2004022306A patent/JP4351923B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007211503A (en) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd | Seismic response control apparatus of building and building structure |
JP2008156945A (en) * | 2006-12-25 | 2008-07-10 | Takenaka Komuten Co Ltd | Base isolation structure, base isolation structure designing method, and base isolated building |
WO2008117743A1 (en) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | National University Corporation Saitama University | Analysis system, analysis method, program and mechanical device |
WO2009017162A1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-02-05 | Nihon University | Damping structure, and designing method of damping structure |
JP2011052494A (en) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Shimizu Corp | Vibration control mechanism |
JP2016170037A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | 新日鉄住金エンジニアリング株式会社 | Method of estimating damaged portion of building |
EP3942121A4 (en) * | 2019-03-20 | 2022-12-14 | Big Time Investment, LLC | A strut for a multi-story building |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4351923B2 (en) | 2009-10-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vafaei et al. | Seismic response of mega buckling‐restrained braces subjected to fling‐step and forward‐directivity near‐fault ground motions | |
Beards | Engineering vibration analysis with application to control systems | |
Hajirasouliha et al. | An efficient performance‐based seismic design method for reinforced concrete frames | |
Lu et al. | Energy transfer of an axially loaded beam with a parallel-coupled nonlinear vibration isolator | |
Tavakoli et al. | Seismic performance of outrigger-braced system based on finite element and component-mode synthesis methods | |
Lamarche et al. | Comparison between real‐time dynamic substructuring and shake table testing techniques for nonlinear seismic applications | |
JP4351923B2 (en) | Design method, design support system, design support program, rotating body, and building structure | |
Lavan | A methodology for the integrated seismic design of nonlinear buildings with supplemental damping | |
Pellecchia et al. | A procedure to model and design elastomeric‐based isolation systems for the seismic protection of rocking art objects | |
Wang et al. | Frequency independent damped outrigger systems for multi‐mode seismic control of super tall buildings with frequency independent negative stiffness enhancement | |
Aydin et al. | Improvement of building resilience by viscous dampers | |
Najafijozani et al. | Evaluating adaptive vertical seismic isolation for equipment in nuclear power plants | |
Asgarian et al. | Incremental dynamic analysis of high‐rise towers | |
Farzam et al. | Current trends in the optimization approaches for optimal structural control | |
CN110795790A (en) | Nonlinear power time course analysis method for complex building structure | |
Zhou et al. | A new type of damper with friction-variable characteristics | |
Wang et al. | Prediction methods for the damping effect of multi-unit particle dampers based on the cyclic iterations of a single-unit particle damper | |
Yang et al. | Seismic performance of double-layer spherical reticulated shell with replaceable bar-type dampers | |
de Jager et al. | Input-output selection for planar tensegrity models | |
CN115062387B (en) | Hinge support wall frame anti-seismic design method and system with buckling restrained brace arranged at bottom | |
Lin et al. | Dynamic stability of rotating pre-twisted blades with a constrained damping layer | |
Yang et al. | Optimal topology design of replaceable bar dampers of a reticulated shell based on sensitivity analysis | |
Zhang et al. | Numerical investigation of a proposed multidimensional isolator applied to large-scale domes subjected to earthquakes | |
JP6289929B2 (en) | Structure damping device and specification setting method thereof | |
Mansouri et al. | A fast hybrid algorithm for nonlinear analysis of structures |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070123 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081010 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081022 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20081222 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090313 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090512 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090717 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090727 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120731 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4351923 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120731 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150731 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |