JP2006250261A - 付加重錘型制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 塑性を有する金属体を利用した金属ダンパとしての任意の履歴特性を新たに構成することができ、それによって、ダンパ効果を高めると共に広範囲に適用することが可能な付加重錘型制振装置を提供すること。
【解決手段】 構造物体に付加質量体を設置し、該付加質量体の振動周期を上記構造物体に同調させることにより、上記構造物体の揺れを低減させるように構成された付加重錘型制振装置において、上記付加質量体を異なる履歴特性を備えた複数種類の金属要素を介して上記構造物体に設置するようにしたことを特徴とするもの。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）等の金属の塑性特性を利用した付加重錘型制振装置に係り、特に、履歴特性が異なる複数種類の金属要素を組み合わせて構成することにより、構造物体の損傷に伴う固有周期の変化に追従して所望の制振効果を発揮することができるように工夫したものに関する。

金属の塑性特性を利用した制振装置を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。

特開２００１−１４０９６５号公報 特開２００３−２７７６６号公報

上記特許文献１、特許文献２に開示されている制振装置は、例えば、上側構造体と下側構造体の間に、支持体を介して塑性を有する金属体を配置したものである。そして、上記塑性を有する金属体の塑性変形を利用して振動エネルギを吸収しようとするものである。

又、そのような制振装置の中には、ＴＭＤ（Ｔｕｒｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ）と称される制振装置がある。これは、「ダイナミックダンパ」とも称されるものであり、各種建築物等の構造物体に付加質量体を金属要素を介して設置し、該付加質量体の振動周期を上記構造物体に同調させ、該付加質量体の揺れによる慣性力によって上記構造物体の揺れを低減させるように構成されたものである。
このようなＴＭＤを開示するものとして、例えば、特許文献３がある。

特許第３１８３１９８号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、従来の制振装置は、ある種の塑性を有する金属体を使用しただけの構成であり、その場合、その塑性を有する金属体からなる制振装置の剛性、降伏点等については、その塑性を有する金属体が有する履歴特性によって一義的に決定されてしまい、そのため、制振装置としての効果には限界があると共に適用範囲が限定されてしまうという問題があった。

これをＴＭＤに当てはめて考察すると、従来のＴＭＤは、付加質量体をある種の塑性を有する金属要素を介して構造物体に設置しただけの構成であり、その場合、ＴＭＤの固有周期はその金属要素が有する剛性によって一義的に決定されてしまう。その結果、一つの固有周期についてのみ対応できるだけであるので（通常は、健全時における構造物体の固有周期に一致するように設定する）、例えば、構造物体が破損してその固有周期が変化したような場合には、最早有効に対応することができなくなってしまうという問題があった。

上記点について詳しく説明する。上記ＴＭＤは一つの固有周期を備えている。この固有周期を構造物体の固有周期に一致させることによって所望の制振効果を得るものである。その際、構造物体の地震応答が弾性範囲内であれば、構造物体の固有周期にＴＭＤの固有周期を同期させることによって所望の制振効果を発揮させることができる。しかしながら、地震により構造物体に大きな力が作用して弾性範囲を越える大きな変形が生ずると、それによって、構造物体の剛性は低下することになる。このように、構造物体の剛性、換言すれば、固有周期は常に一定ではなく振幅依存性を持っている。すなわち、構造物体の固有周期（Ｔ）は次の式（Ｉ）に示すようなものである。
Ｔ＝ｆ（ｕ）---（Ｉ）
但し、
ｕ：建築物の変形量
そして、繰り返しになるが、初期に設定されたＴＭＤの固有周期は構造物体の変形が弾性範囲内であれば有効であるが、その弾性範囲を越えて剛性が変化した場合には最早有効ではなくなってしまい、場合よっては逆効果になってしまうことになる。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、構造物体の剛性が変化してもそれに対して有効に追従・対応して所望の制振効果を得ることが可能な付加重錘型制振装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による付加重錘型制振装置は、構造物体に付加質量体を設置し、該付加質量体の振動周期を上記構造物体に同調させることにより、上記構造物体の揺れを低減させるように構成された付加重錘型制振装置において、上記付加質量体を異なる履歴特性を備えた複数種類の金属要素を介して上記構造物体に設置するようにしたことを特徴とするものである。
又、請求項２による付加重錘型制振装置は、請求項１記載の付加重錘型制振装置において、降伏点が異なる複数種類の金属要素を組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とするものである。
又、請求項３による付加重錘型制振装置は、請求項２記載の付加重錘型制振装置において、降伏点が小さな金属要素から降伏点が大きな金属要素を順次組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とするものである。
又、請求項４による付加重錘型制振装置は、請求項１〜請求項３の何れかに記載の付加重錘型制振装置において、上記金属要素はダンパバネであることを特徴とするものである。
又、請求項５による付加重錘型制振装置は、請求項１〜請求項６の何れかに記載の付加重錘型制振装置において、上記金属要素はアルミ合金製であることを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明による付加重錘型制振装置によると、構造物体に付加質量体を設置し、該付加質量体の振動周期を上記構造物体に同調させることにより、上記構造物体の揺れを低減させるように構成された金属ダンパ装置において、上記付加質量体を異なる履歴特性を備えた複数種類の金属要素を介して上記構造物体に設置するように構成されているので、例えば、地震による振動によって構造物体が破損してその剛性が変化しても、それに対して有効に追従・対応して自身の剛性を変化させながら有効な制振効果を発揮することができる。
又、降伏点が異なる複数種類の金属要素を組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成された場合には、上記効果をより確実に得ることができる。
又、降伏点が小さな金属要素から降伏点が大きな金属要素を順次組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成された場合も、上記効果をより確実に得ることができる。
又、上記金属要素を、例えば、ダンパバネによって構成することが考えられる。
又、上記金属要素をアルミ合金製とした場合には、上記効果をより確実に得ることができると共に、加工が容易であるという利点がある。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態によるＴＭＤを構造物体としての建築物に設置した様子を模式的に示す正面図である。
尚、建築物としては、アルミニウム製の建築物、鉄骨構造の建築物、鉄筋コンクリート製の建築物、鉄骨・鉄筋コンクリート製の建築物、木造の建築物等、様々なものが想定される。
まず、建築物１があり、この建築物１にはＴＭＤ３が設置されている。上記ＴＭＤ３は錘５を備えている。一方、上記建築物１には支持部材７が固定されており、上記錘５と支持部材７は複数個の金属要素としてのダンパスプリング９−１〜９−ｎを介して連結されている。上記ダンパスプリング９−１〜９−ｎはアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製である。
尚、図示するダンパスプリング９−１〜９−ｎはあくまで金属要素としてのモデルを示すものであり、実際の構成については様々なものが想定され、それを特に限定するものではない。

上記錘５の下面には、図２に示すように、複数個（この実施の形態の場合には４個）の転動体（例えば、ベアリング）１１が取り付けられている。又、上記建築物１側には滑り板１３が設置されている。上記錘５は上記転動体１１を上記滑り板１３上で転がしながら、図中矢印ａで示す方向に、上記ダンパスプリング９−１〜９−ｎの付勢力に抗して適宜移動するものである。

上記ｎ個のダンパスプリング９−１〜９−ｎであるが、個々の履歴特性は異なっており、本実施の形態では、履歴特性が異なるｎ個のダンパスプリング９−１〜９−ｎを組み合わせて新たな所望の履歴特性を備えたＴＭＤ３を構成しているものである。

以下、上記履歴特性に関して詳細に説明する。図３は任意のダンパスプリング９−１〜９−ｎの履歴特性を示す特性図であり、横軸に変形量（δ）をとり、縦軸に荷重（Ｐ）をとり、上記任意のダンパスプリング９−１〜９−ｎの降伏点荷重（_ｉＰ_ｙ）とその時の変形量（_ｉδ_ｙ）を示す図である。このようにダンパスプリング９−１〜９−ｎは夫々固有の履歴特性を備えている。本実施の形態ではそれら履歴特性が異なるｎ個のダンパスプリング９−１〜９−ｎを組み合わせることにより、新たな所望の履歴特性を備えたＴＭＤ３を構成しているものである。
因みに、一例として、ｎを「３」として、３種類のダンパスプリング９−１、９−２、９−３を使用することが想定される。

その様子を図４に示す。図４（ａ）に示すｎ個の特性図は、ｎ個のダンパスプリング９−１〜９−ｎの夫々の履歴特性を示すものである。ダンパスプリング９−１から始まってダンパスプリング９−ｎに至るまで降伏点荷重（_ｉＰ_ｙ）とその時の変形量（_ｉδ_ｙ）が徐々に大きくなっている。そして、それらｎ個のダンパスプリング９−１〜９−ｎを組み合わせることにより図４（ｂ）に示すような新たな履歴特性を得ることができるものである。

図４（ｂ）において、Ｋ_１は初期剛性、Ｋ_２は第２剛性、Ｋ_ｎは第ｎ剛性である。又、第１折れ点における降伏点荷重Ｐ_１、第２折れ点における降伏点荷重Ｐ_２、第ｉ折れ点における降伏点荷重Ｐ_ｉ、第ｎ折れ点における降伏点荷重Ｐ_ｎは、次に示す式（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）、（Ｖ）によって表されるものである。

そして、そのように構成することにより、全体としての剛性のコントロール、降伏点のコントロール、固有周期のコントロールが可能になり、それによって、地震発生時の振動エネルギを効果的に吸収して、建築物１が受ける地震エネルギを最小限に抑制してその健全性を維持することを可能にするものである。又、地震発生時の振動エネルギによって変形した後においては、降伏前の制振装置の剛性によって原点近傍に復帰することができ、それによって、繰り返しの使用が可能になるものである。

上記固有周期のコントロールであるが、まず、変位に応じて任意の等価剛性（_ｉＫ_ｅｑ）を
設定することができる。これは、次の式（ＶＩ）に示すように、変位に応じて任意の等価周期（_ｉＴ_ｅｑ）を 設定できることを意味するものである。
_ｉＴ_ｅｑ＝２π√（Ｍ／_ｉＫ_ｅｑ）―――（ＶＩ）
但し、
Ｍ：:制振装置の付加質量

以上の構成を基にその作用を説明する。
例えば、地震が発生して建築物１に振動エネルギにより荷重が作用したとする。その場合、図１、図２中矢印ｂで示すように、建築物１が振動する。その際、ＴＭＤ３がその建築物１の振動を減ずるように有効に機能する。すなわち、ＴＭＤ３の錘５が上記建築物１の振動方向に対して逆方向（矢印ａ方向）に移動し、それによって、建築物１の振動振幅を低減させるものである。以下、ＴＭＤ３の固有周期が建築物１の固有周期に一致するように設定されているので、上記動作、すなわち、図１、図２において、建築物１が図中右側に振動するときにＴＭＤ３は図中左側に振動し、逆に、建築物１が図中左側に振動するときにＴＭＤ３は図中右側に振動することになり、それによって、建築物１の振動は効果的に減じられることになる。

上記効果を具体的にみてみると、図１において、仮に、ＴＭＤ３がないと仮定すると、建築物１の振動振幅の大きさは「ｃ１」になるのに対して、ＴＭＤ３が機能することにより「ｃ２」まで低減させることができる。つまり、ＴＭＤ３が「ｃ３」の分だけ逆方向に振動するように機能するからである。

次に、本実施の形態によるＴＭＤ３が建築物１の剛性変化に対して効果的に追従して常に効果的な制振効果を発揮することについて説明する。すなわち、図４（ａ）において、例えば、地震により記発生した振動エネルギによる荷重が第１折れ点の降伏点荷重（Ｐ₁）を越えるまでは初期剛性Ｋ１の領域であり、それは建築物１の健全時の剛性に対応するものとして設定されている。そして、その範囲内では、既に説明したような効果的な制振機能が発揮される。

次に、第１折れ点の降伏点荷重（Ｐ₁）を越えるような荷重が作用した場合には、それによって、建築物１にある種の損傷が発生してその剛性が変化する。それに対しては、ＴＭＤ３の剛性も、図４（ｂ）に示す第２剛性Ｋ２の領域に変化することになり、それによって、建築物１の剛性変化に追従していく。そして、その第２剛性Ｋ２の領域内において、前記したものと同様の制振効果が発揮されることになる。
以下、作用する荷重によって建築物１側の剛性が変化していくと、それに対応するように、ＴＭＤ３側の剛性も、第３剛性Ｋ３〜第ｎ剛性Ｋｎと順次変化していき、夫々の合成領域において有効な制振効果が発揮されることになる。

次に、原点復帰に関して説明する。例えば、地震が発生して建築物１に振動エネルギにより荷重が作用したとする。その荷重が第１折れ点の降伏点荷重（Ｐ₁）を越えた場合には、まず、変形量（_ｉδ_ｙ）の分だけＴＭＤ３が塑性変型する。そして、例えば、荷重が第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えることなく振動が終了した場合には、図４（ｂ）中復帰線ａで示すような経路で復帰する。これに対して、荷重が第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えるような場合には、ＴＭＤ３がさらに塑性変型する。そして、例えば、荷重が上記第２折れ点の降伏点荷重（Ｐ₂）を越えるがさらにその次の第３折れ点の降伏点荷重（Ｐ₃）を越えることなく振動が終了した場合には、図４（ｂ）中復帰線ｂで示すような経路で復帰する。
以下、地震によって発生した荷重の大小によって復帰する原点位置は異なるが上記と同様の作用がなされることになり、それによって、地震により発生した振動エネルギを効果的に吸収することができると共に、建築物１が受ける振動エネルギの影響を大幅に軽減させることができる。
又、振動エネルギが収束した後には再度次の事態に備えることができる。

以下、地震によって発生した荷重の大小によって復帰する原点位置は異なるが上記と同様の作用がなされることになり、それによって、地震により発生した振動エネルギを効果的に吸収することができると共に、建築物１が受ける振動エネルギの影響を大幅に軽減させることができる。
又、振動エネルギが収束した後には再度次の事態に備えることができる。

以上、本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、任意の履歴特性を備えた可変剛性型のＴＭＤ３を得ることができる。そして、剛性のコントロール、降伏点のコントロール、固有周期のコントロールが可能になる。すなわち、組み合わせるダンパスプリング９−１〜９−ｎの個数、各ダンパスプリング９−１〜９−ｎの履歴特性によって、任意の新たな履歴特性を備えたＴＭＤ３を得ることができるからである。
そして、このようなＴＭＤ３によれば、地震により発生した振動エネルギを効果的に吸収することができ、建築物１が受ける影響を最小限に止めることが可能になる。具体的には、建築物１の振動振幅を効果的に低減させることができる。そして、そのような効果は、建築物１が破損してその剛性が変化しても同様であり、そのような剛性変化に追従して自身の剛性を変化させ、所望の制振効果を発揮するものである。
因みに、組み合わせるダンパスプリング９−１〜９−ｎの個数が多ければ多い程図４（ｂ）に示す特性は細かな折れ線状のものとなり、より効果的な振動エネルギの吸収が可能になる。
又、地震が発生して建築物１に振動エネルギにより荷重が作用して変形しても、降伏前のＴＭＤ３の剛性によって原点近傍に復帰することが可能になり、それによって、繰り返しの使用が可能になる。
又、本実施の形態によるダンパスプリング９−１〜９−ｎはアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製であり、加工が容易であるという利点がある。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
まず、ダンパスプリング９−１〜９−ｎは金属要素の一例として示したモデルであり、実際の構造としては様々な形態が考えられる。
又、使用する金属要素の個数、各金属要素の履歴特性の内容、等についてはこれを特に限定するものではない。
又、図示するＴＭＤの形態はあくまで一例であり、様々な形態が考えられる。
又、前記一実施の形態の場合には、金属要素をアルミ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）製としたが、それに限定されるものではなく、様々な材質の金属が想定される。

本発明は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等）等の塑性を有した金属を利用した付加重錘型制振装置に係り、特に、履歴特性が異なる金属要素を組み合わせて構成することにより、構造物体の損傷に伴う固有周期の変化に追従して所望の制振効果を発揮することができるように工夫したものに関し、例えば、各種建築物に設置されるＴＭＤとして好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、ＴＭＤを建築物に設置した状態を模式的に示す正面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、図１のＩＩ部を拡大して示す正面図である。 本発明の一の実施の形態を示す図で、金属要素の履歴特性を示す特性図である。 本発明の一の実施の形態を示す図で、図４（ａ）は複数個の金属要素の履歴特性を示す特性図、図４（ｂ）は複数個の金属要素を組み合わせて構成された制振装置の履歴特性を示す特性図である。

符号の説明

１ 建築物
３ ＴＭＤ
５ 錘
７ 支持部材
９−１〜９−ｎ ダンパスプリング（金属要素）
１１ 転動体
１３ 滑り板

Claims (5)

1. 構造物体に付加質量体を設置し、該付加質量体の振動周期を上記構造物体に同調させることにより、上記構造物体の揺れを低減させるように構成された付加重錘型制振装置において、
   上記付加質量体を異なる履歴特性を備えた複数種類の金属要素を介して上記構造物体に設置するようにしたことを特徴とする付加重錘型制振装置。
2. 請求項１記載の付加重錘型制振装置において、
   降伏点が異なる複数種類の金属要素を組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とする付加重錘型制振装置。
3. 請求項２記載の付加重錘型制振装置において、
   降伏点が小さな金属要素から降伏点が大きな金属要素を順次組み合わせることにより複数個の降伏点を有する任意の新たな履歴特性を備えるものとして構成されたことを特徴とする付加重錘型制振装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れかに記載の付加重錘型制振装置において、
   上記金属要素はダンパバネであることを特徴とする付加重錘型制振装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れかに記載の付加重錘型制振装置において、
   上記金属要素はアルミ合金製であることを特徴とする付加重錘型制振装置。

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