JP2009036230A

JP2009036230A - 制振システム

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Publication number: JP2009036230A
Application number: JP2007198678A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Saito; 知生斎藤
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP4822134B2

Abstract

【課題】外部電力の供給を要することなく、振動エネルギーの大きさに応じて減衰係数を変化させて、好適に制振対象物に減衰性能を付与することが可能な制振システムを提供する。
【解決手段】制振対象物Ｔに作用した振動エネルギーを減衰させてこの制振対象物Ｔに制振性能を付与するための種類の異なる複数のダンパ１、２を備えてなる制振システムＡであって、発電機１ａによって振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより振動エネルギーを減衰させる発電ダンパ１と、発電ダンパ１の発電機１ａから電気エネルギーが供給され、この電気エネルギーの大きさに応じて減衰係数が変化する可変減衰ダンパ２とを備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば建物などの制振対象物に作用した振動エネルギーを吸収して減衰させるダンパを備えて制振対象物に制振性能を付与するための制振システムに関し、特に種類の異なる複数のダンパを備えてなる制振システムに関する。

従来、建物の制振システムには、例えば地震時に建物に作用した振動エネルギーを吸収して減衰させ、建物の応答を低減させるダンパが多用されている。また、この種のダンパは、一般にパッシブダンパとアクティブダンパとセミアクティブダンパに分類され、パッシブダンパは、履歴鋼材ダンパ、粘性・粘弾性ダンパ（オイルダンパなど）、摩擦ダンパ、永久磁石を備えた磁気ダンパなどが適用され、鋼材の塑性変形時の抵抗や、粘性体の粘性抵抗（粘弾性体の粘弾性抵抗）、摩擦抵抗、永久磁石の磁気抵抗などによって振動エネルギーを吸収する。このパッシブダンパは、電力などの外部供給エネルギーを一切必要とせずに安定した減衰性能を発揮できるという利点を有する反面、建物の振動速度（移動速度）に対し減衰係数が一定であるため、減衰性能に限界があり、大きな減衰効果が期待できないという欠点も有している。

アクティブダンパは、油圧式や電動式のアクチュエータなどが適用され、例えば建物に設置したセンサで振動の卓越周期、振動加速度、振動速度、建物の変位などを検知し、センサからの検知信号を基にコンピュータなどの制御装置で最適な減衰応答出力を演算処理し、この制御装置からの減衰応答出力信号によってアクチュエータを駆動させる。これにより、建物に振動を抑える減衰力（減衰係数）が可変とされ、振動エネルギーの大きさに応じた減衰力を直接的に且つリアルタイムで建物に作用させることができ、理論上はいくらでも減衰性能を高めることが可能である。この一方で、アクティブダンパにおいては、アクチュエータやセンサ、制御装置を用いることで、多量の外部電力（外部供給エネルギー）が必要になる。

セミアクティブダンパは、パッシブダンパとアクティブダンパの双方の利点を備えたものであり、例えば、オイルダンパに電磁弁を設け、センサの検知信号に基づいて制御装置で演算処理した減衰応答出力信号によってこの電磁弁の開閉を制御したり、磁気ダンパに電磁石を設け、制御装置からの減衰応答出力信号によって電磁石に流れる電流の大きさを制御する。これにより、少量の外部電力の供給で、建物に作用した振動エネルギーの大きさに応じて減衰力（減衰係数）をリアルタイムで変えることができ、大きな減衰効果を得ることが可能になる（例えば、非特許文献１、特許文献１、特許文献２参照）。
砂子田勝昭、外２名、「（４１３）増磁および減磁効果によるハイブリッド磁気ダンパに関する研究」、社団法人日本機械学会、２００６年８月、Dynamics and Design Conference 2006 CD−ROM論文集、Ｎｏ．０６−７特開平１１−１２５０２７号公報特開２００３−３３６６９１号公報

しかしながら、上記のセミアクティブダンパにおいては、アクティブダンパを含め、外部電力を必要とするため、停電などが生じた場合には減衰性能を発揮できなくなり、フェイルセーフ対策が別途必要になるという問題があった。

また、建物に対し耐用期間の短いコンピュータなどの制御装置やセンサを使用するため、メンテナンスに手間が掛かるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、外部電力の供給を要することなく、振動エネルギーの大きさに応じて減衰係数を変化させて、好適に制振対象物に減衰性能を付与することが可能な制振システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の制振システムは、制振対象物に作用した振動エネルギーを減衰させて該制振対象物に制振性能を付与するための種類の異なる複数のダンパを備えてなる制振システムであって、発電機によって前記振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより前記振動エネルギーを減衰させる発電ダンパと、前記発電ダンパの発電機から前記電気エネルギーが供給され、該電気エネルギーの大きさに応じて減衰係数が変化する可変減衰ダンパとを備えてなることを特徴とする。

この発明においては、制振対象物に振動エネルギーが作用した際に、制振対象物の振動速度に応じた大きさの電気エネルギーを発電ダンパの発電機で発電して、振動エネルギーを減衰させることができ、また、この発電ダンパで発電した電気エネルギー（電力）の大きさに応じて可変減衰ダンパの減衰係数を変化させ、この可変減衰ダンパで振動エネルギーを減衰させることが可能になる。これにより、外部電力（外部供給エネルギー）の供給及び可変減衰ダンパの駆動（減衰係数）を制御する制御装置を不要にして、あたかもセミアクティブダンパのように制振対象物に作用した振動エネルギーの大きさに応じて減衰力（減衰係数）をリアルタイムで変えることができ、大きな減衰性能を発揮させることが可能になる。

また、本発明の制振システムにおいては、前記可変減衰ダンパが電磁石を備えた磁気ダンパであることが望ましい。

この発明においては、磁気ダンパの電磁石のコイルに発電ダンパの発電機を繋げ、この発電機で発電した電力を電磁石のコイルに供給することによって、コイルに流れる電流を制振対象物に作用した振動エネルギーの大きさに応じて変化させ、確実に磁気ダンパの減衰係数をこの振動エネルギーの大きさに応じて変化させて、振動エネルギーを減衰させることが可能になる。

本発明の制振システムによれば、振動エネルギーの大きさに応じて発電ダンパで発電した電力を可変減衰ダンパに供給することで、従来のセミアクティブダンパを備えた制振システムのように停電などが生じた際に減衰性能を発揮できなくなることがなく、フェイルセーフ対策を不要にできる。また、可変減衰ダンパの減衰係数をコンピュータなどの制御装置やセンサを用いて制御する必要がないため、メンテナンスの手間を軽減あるいは不要にすることが可能になる。

以下、図１及び図２を参照し、本発明の一実施形態に係る制振システムについて説明する。本実施形態は、例えば地震時に建物に作用した振動エネルギーを吸収して減衰させ、建物の応答を低減させるためのダンパを備えた制振システムに関し、種類の異なるダンパを組み合わせてハイブリッド化した制振システムに関するものである。

本実施形態の制振システムＡは、図１に示すように、発電ダンパ１と磁気ダンパ（可変減衰ダンパ）２の２つのダンパを備えて構成されており、発電ダンパ１と磁気ダンパ２はそれぞれ、支持フレーム３を介し両端部を建物（制振対象物）Ｔの上層Ｔ１と下層Ｔ２に連結して設置されている。すなわち本実施形態の制振システムＡは、層間ダンパ型の制振システムとされている。

発電ダンパ１は、振動エネルギーが作用して建物Ｔに層間変位が生じるとともに、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機１ａを備えており、このように振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって建物Ｔの振動エネルギーを減衰させる。また、この発電ダンパ１は、建物Ｔの層間速度（振動速度、移動速度）Ｖに応じた大きさの電気エネルギーを発電することで振動エネルギーを減衰させ、作用した振動エネルギーの大きさに応じて、発電する電力ひいては減衰力が変化する。

一方、磁気ダンパ２は、図示せぬ永久磁石と電磁石（コイル）２ａとを備えて構成されており、電磁石のコイル２ａに電流が流れて（電力が供給されて）磁界が形成されることによって磁気抵抗（減衰力）が発生し、この磁気抵抗によって振動エネルギーを吸収して減衰させる。そして、この磁気ダンパ２は、電磁石のコイル２ａが発電ダンパ１の発電機１ａのコイルに繋げられており、発電ダンパ１の発電機１ａで振動エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに、この電気エネルギー（電力）が電磁石２ａに供給されて磁気抵抗が発生する。これにより、建物Ｔの層間速度Ｖに応じた大きさの磁気抵抗が発生し、減衰係数Ｃが建物Ｔの層間速度Ｖに応じて変化する。

すなわち、上記のように構成した本実施形態の制振システムＡにおいては、制振システム全体の減衰係数Ｃが、
Ｃ＝Ｃ_Ｍ（磁気ダンパの減衰係数）＋Ｃ_Ｄ（発電ダンパの減衰係数）
で表される。
また、発電ダンパ１の減衰係数Ｃ_Ｄは、発電機１ａのコイルの抵抗Ｒによって決まる定数であり、磁気ダンパ２の減衰係数Ｃ_Ｍは、電磁石２ａによって発生する磁束密度Ｂの２乗に比例する。さらに、電磁石２ａの磁束密度Ｂは、コイルに流れる電流Ｉに比例する。そして、この電流Ｉは、発電ダンパ１の発電機１ａから入力されるので、建物Ｔに振動エネルギーが作用した際の層間速度Ｖに比例することになる。
よって、制振システム全体の減衰係数Ｃは、
Ｃ＝αＶ^２＋Ｃ_Ｄ（α：定数）
で表される。

これにより、図２に示すように、従来のパッシブダンパを備えた制振システムＢでは、パッシブダンパの減衰係数Ｃが層間速度Ｖによらず一定であるのに対し、本実施形態の制振システムＡにおいては、建物Ｔに振動エネルギーが作用して建物応答が大きくなり層間速度Ｖが増加するに従って、制振システム全体の減衰係数Ｃが大きくなる。このため、建物Ｔの大応答時ほど減衰係数Ｃが大きくなる非線形特性を備え、あたかもセミアクティブ制御を行っているかのように効果的な減衰性能を発揮する。

また、このとき、振動エネルギーが作用して建物Ｔに層間変位が生じることにより、発電ダンパ１の発電機１ａで振動エネルギーが電気エネルギーに変換され、この電気エネルギー（電力）が供給されて磁気ダンパ２に減衰力が発生するため、従来のセミアクティブダンパのように外部電力を供給する必要がなく、センサやこのセンサの検知信号に基づいて減衰応答出力信号を演算処理してダンパに出力する制御装置が不要になる。

したがって、本実施形態の制振システムにおいては、建物Ｔに振動エネルギーが作用した際に、建物Ｔの層間速度Ｖに応じた大きさの電気エネルギーを発電ダンパ１の発電機１ａで発電して、振動エネルギーを減衰させることができ、また、この発電ダンパ１で発電した電気エネルギー（電力）の大きさに応じて磁気ダンパ２の減衰係数Ｃを変化させ、この磁気ダンパ２で振動エネルギーを減衰させることが可能になる。これにより、外部電力（外部供給エネルギー）の供給及び磁気ダンパ２の駆動（減衰係数Ｃ）を制御する制御装置を不要にして、あたかもセミアクティブダンパのように建物Ｔに作用した振動エネルギーの大きさに応じて減衰力（減衰係数Ｃ）をリアルタイムで変えることができ、大きな減衰性能を発揮させることが可能になる。

よって、本実施形態の制振システムＡによれば、振動エネルギーの大きさに応じて発電ダンパ１で発電した電力を磁気ダンパ２に供給するようにしたことで、従来のセミアクティブダンパを備えた制振システムのように停電などが生じた際に減衰性能を発揮できなくなることがなく、フェイルセーフ対策を不要にできる。また、磁気ダンパ２の減衰係数Ｃを制御装置やセンサを用いて制御する必要がないため、メンテナンスの手間を軽減あるいは不要にすることが可能になる。

さらに、本実施形態のように、可変減衰ダンパとして磁気ダンパ２を用いることによって、発電ダンパ１の発電機１ａと磁気ダンパ２の電磁石のコイル２ａとを繋ぎ、発電機１ａで発電した電力を電磁石２ａに通電するという簡便な構成で、確実に擬似的なセミアクティブ制御を行うことができ、より確実にメンテナンス性に優れた制振システムＡを提供することが可能になる。

以上、本発明に係る制振システムの実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、可変減衰ダンパとして磁気ダンパ２を用いるものとしたが、可変減衰ダンパは、発電ダンパ１からの電力供給によって減衰係数Ｃを変えることが可能なダンパであれば、特に磁気ダンパ２に限定する必要はなく、例えば、油路に電磁弁を備えたオイルダンパを可変減衰ダンパとして用い、発電ダンパ１からの電力供給に応じて電磁弁の開閉状態が変わることで、振動エネルギーの大きさに応じて制振システム全体の減衰係数Ｃが変化するようにしてもよい。

また、本実施形態では、発電ダンパ１と磁気ダンパ（可変減衰ダンパ）２がそれぞれ建物Ｔの上層Ｔ１と下層Ｔ２の層間に設けられているものとしたが、例えば建物Ｔの構面内に設けて建物Ｔに制振性能を付与するようにしてもよく、特に制振システムＡの設置位置を限定する必要はない。

さらに、本発明に係る制振システムＡは、建物に設置することに限定されるものではなく、例えば振動制御を要する装置などの他の制振対象物に適用されてもよい。

本発明の一実施形態に係る制振システムを示す図である。本発明の一実施形態に係る制振システムと従来のパッシブダンパを備えた制振システムの層間速度と減衰係数の関係を示す図である。

符号の説明

１発電ダンパ
１ａ発電機
２磁気ダンパ（可変減衰ダンパ）
２ａ電磁石（コイル）
３支持フレーム
Ａ制振システム
Ｂ従来の制振システム（パッシブダンパ）
Ｃ減衰係数
Ｔ建物
Ｔ１上層
Ｔ２下層
Ｖ層間速度（移動速度、振動速度）

Claims

制振対象物に作用した振動エネルギーを減衰させて該制振対象物に制振性能を付与するための種類の異なる複数のダンパを備えてなる制振システムであって、
発電機によって前記振動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより前記振動エネルギーを減衰させる発電ダンパと、前記発電ダンパの発電機から前記電気エネルギーが供給され、該電気エネルギーの大きさに応じて減衰係数が変化する可変減衰ダンパとを備えてなることを特徴とする制振システム。
請求項１記載の制振システムにおいて、
前記可変減衰ダンパが電磁石を備えた磁気ダンパであることを特徴とする制振システム。