JP2010270812A - 吊り制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】振り子として振動する吊り構造物の振動を速やかに減衰させる。
【解決手段】吊り材１の基端部に設定した支持点１３とその近傍の固定端１４との間に制振機構を設置する。第１制振機構１０として慣性質量ダンパー１１と付加減衰要素１２とを並列に配置した構成とし、慣性質量ダンパー１１による慣性質量ψと、吊り材１の基端部の吊り元６から支持点１３までの長さL₂の範囲における水平剛性とにより定まる固有振動数を、吊り材１の支持点１３から質量体２までの長さL₁により定まる振り子の固有振動数に同調させる。あるいは、制振機構を慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に配置し、かつ慣性質量ダンパーまたは付加バネの少なくともいずれか一方と並列に付加減衰要素を配置した構成とし、慣性質量ダンパーによる慣性質量と、付加バネのバネ剛性とにより定まる固有振動数を振り子の固有振動数に同調させる。
【選択図】図１

Description

本発明は振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造に関する。

建築・土木の技術分野において各種の吊り構造物の振動を低減すること、たとえばクレーンによる揚重作業時に吊り荷の揺れを低減すること、あるいは天井から吊り下げられて設置されている各種の装置や機具類の地震時の揺れを低減することは、作業安全性や地震時における建物の安全性・健全性を確保し、居住者の安心感を維持するうえで重要であるが、そのような吊り構造物の揺れを抑制し速やかに減衰させ得る有効な制振構造は確立されていない。

上記のような吊り構造物は、図９に示すようにワイヤー等の曲げ剛性がない吊り材１によって質量体２が吊り下げられた振り子としてモデル化できるが、現時点においてそのような振り子に対する制振手法としては、（ａ）に示すようにＴＭＤ（動吸振機構）３を設置するか、（ｂ）に示すように吊り元６の近傍にオイルダンパー４等の粘性減衰装置を設置するか、（ｃ）に示すように吊り元の近傍をブレース材５等の変形拘束部材により支持することが考えられる。

また、特許文献１〜３には天井面から吊り支持された照明器具を対象として吊り材の中段部にバランサーや可動質量からなる制振装置を設置するものが提案されている。

特開平９−３３０６０６号公報 特開平１１−８２６１３号公報 特開平１１−１８２６２０号公報

図９（ａ）に示すようなＴＭＤ３による場合、ＴＭＤ３による付加質量が吊り材１に作用するから、巨大な付加質量をもつＴＭＤ３を質量体２に搭載することは現実的ではないし、付加質量を現実的な範囲に留めた場合にはさしたる応答低減効果を期待できない。
図９（ｂ）に示すようなオイルダンパー４による場合、オイルダンパー４により大きな減衰を付与しようとしても吊り材１の水平剛性が小さいためオイルダンパー４の変形があまり生じず、大きな応答低減効果は得られない。
図９（ｃ）に示すように吊り元の近傍でブレース５により吊り材１の変形を拘束しても、振り子の長さがやや短くなる（固有周期が短くなる）だけで振動自体は殆ど変わらず、大きな制振効果は得られない。

また、特許文献１〜３に示される制振装置は実質的にＴＭＤであるから、図９（ａ）の場合と同様に充分な効果を得るためには大きな付加質量を必要とし、照明器具程度の小質量のものには適用可能ではあるものの大規模かつ大質量の吊り構造物を対象とする制振手法としては現実的ではない。

一方、近年、錘の慣性モーメントを利用して錘を回転させることで実際の質量より桁違いに大きな慣性質量効果を発揮する慣性質量ダンパーが開発され、各種の制振機構として実用化されつつある。そのような慣性質量ダンパーを利用すれば小質量の錘によっても大きな付加質量が得られるＴＭＤと同様の応答低減機構を構成することができることから、これを上記のような吊り構造物を対象とする制振機構として利用することが考えられる。
上記事情に鑑み、本発明は振り子として振動する吊り構造物の振動を慣性質量ダンパーを利用して速やかに減衰させ得る有効適切な吊り制振構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り元から吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、前記吊り材の基端部に設定した支持点とその近傍の固定端との間に、慣性質量ダンパーと付加減衰要素とを並列に配置した制振機構を設置し、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と、前記吊り材の基端部の吊り元から支持点までの長さの範囲における水平剛性とにより定まる固有振動数を、前記吊り材の支持点から質量体までの長さにより定まる振り子の固有振動数に同調させたことを特徴とする。
この場合、請求項２記載の発明のように、前記制振機構における慣性質量ダンパーによる慣性質量ψを、前記質量体の質量Mと、前記吊り材の支持点から質量体までの長さL₁と、該吊り材の吊り元から支持点までの長さL₂に基づき、 ψ＝(L₁/L₂)M 、L₁≫L₂ の関係を満たすように設定すれば良い。

請求項３記載の発明は、曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り元から吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、前記吊り材の基端部に設定した支持点とその近傍の固定端との間に、慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に配置し、かつ前記慣性質量ダンパーまたは前記付加バネの少なくともいずれか一方と並列に付加減衰要素を配置した制振機構を設置し、前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と、前記付加バネのバネ剛性とにより定まる固有振動数を、前記吊り材の支持点から質量体までの長さにより定まる振り子の固有振動数に同調させたことを特徴とする。
この場合、請求項３記載の発明のように、前記制振機構における慣性質量ダンパーによる慣性質量ψ₁を、前記質量体の質量Mと、前記付加バネのバネ剛性k₁と、前記吊り材の支持点から質量体までの長さL₁と、該吊り材の吊り元から支持点までの長さL₂と、重力加速度gに基づき、 ψ₁＝(L₁・k₁)/ｇ 、ψ₁≦(L₁/L₂)M 、L₁≫L₂ の関係を満たすように設定すれば良い。

本発明によれば、吊り材により吊り支持されている質量体に対しては何ら手を加えずにその吊り元の近傍に制振機構を追加するだけで、吊り構造物の振り子としての振動を急峻に収斂させることができる。
特に、慣性質量効果を利用する制振機構であるので、小質量の錘による小型軽量の慣性質量ダンパーと単なる減衰要素や付加バネのみによる簡単な構成の制振機構によって優れた制振効果が得られるし、吊り材への荷重の増加は殆どなく、使い勝手や美観を損なうこともない。

本発明の吊り制振構造の第１実施形態を示す図である。 同、制振効果を示す図である。 本発明の吊り制振構造の第２実施形態を示す図である。 同、制振効果を示す図である。 同、制振効果を示す図である。 同、制振効果を示す図である。 同、制振効果を示す図である。 同、制振効果を示す図（比較のために示した従来のＴＭＤの場合）である。 従来の吊り構造物に対する制振手法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態では水平１方向（Ｘ方向）の振動のみを対象として説明するが、水平２方向（全方向）の振動に対して対応する場合には以下で説明するような本発明の制振機構をＸ方向およびＹ方向の双方に対して同様に設置すれば良い。

「第１実施形態（第１制振機構）」
図１に本発明の第１実施形態を示す。これは、図９に示したものと同様にワイヤー等の曲げ剛性を有しない吊り材１によって質量体２が吊り元６から吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする制振構造であって、吊り材１の基端部に設定した支持点１３とその近傍の固定端１４との間に、慣性質量ダンパー１１と付加減衰要素１２とを並列に配置した第１制振機構１０を設置したものである。
慣性質量ダンパー１１は、吊り材１の支持点１３での水平振動をたとえばボールねじ機構によって錘としてのフライホイールの回転運動に転換する構成のもので、錘の実際の質量に対して数百倍もの大きな慣性質量が得られるものである。
そして、第１制振機構１０では、慣性質量ダンパー１１による慣性質量ψと、吊り材１の基端部の吊り元６から支持点１３までの長さL₂の範囲における水平剛性k_hとにより定まる固有振動数ωを、吊り材１の支持点１３から質量体２までの長さL₁（L₁≫L₂）の振り子の固有振動数ω₀に同調させるように各諸元を設定したものである。

具体的には、重力加速度ｇとすると、長さL₁の振り子の固有角振動数ω₀は

であり、また、吊り元６から支持点１３までの長さL₂の部分における吊り材１の水平剛性k_hは、長さL₂の振り子の固有振動数ω₂をもとに

であるから、慣性質量ψと水平剛性k_hとからなる振動系の固有角振動数ωを、長さL₁の振り子の固有角振動数ω₀に同調させるためには、

とすれば良い。
つまり、慣性質量ψを質量体２の質量Mと吊り材１の長さ比L₁/L₂だけで設定して、慣性質量ψを質量体２の質量MのL₁/L₂倍とすれば良い。勿論、質量体２の質量Mが変化した場合には慣性質量ψを調整することのみで同調をとることができる。

「検討例」
上記の第１制振機構１０を設置した吊り構造物に対し、質量体２に初期変位x₀＝0.1mを与えた後の自由振動について検討する。質量体２の水平変位x₁、吊り材１の支持点１３での水平変位x₂とする。吊り材１の減衰を無視すると振動方程式は

となる。

吊り材１の長さが L₁＝10m、L₂＝1m、したがって 全長L＝L₁＋L₂＝11m（固有振動数0.15Hz、固有周期6.66秒）である場合において、質量体２の質量M＝4ton とすると、慣性質量ψ＝(L₁/L₂)M＝40ton 、付加減衰要素１２の減衰係数c＝20kN/(m/s)＝200N/kineとする。

上記の場合の応答変位を図２（ｂ）に示す。比較のために、図９（ｂ）に示したような単なるオイルダンパー（c＝40kN/(m/s)＝400N/kine）を第１制振機構１０に代えて同位置に設置した場合を同図（ａ）に示す。
図２に示すように、従来型の単なるオイルダンパーを設置した場合には、２倍の減衰を与えているにも拘わらず振幅が緩慢に減少していくだけであるが、本発明の第１制振機構１０による場合には急峻に応答が低減することがわかる。
なお、ここで設定した第１制振機構１０における慣性質量ダンパー１１および付加減衰要素１２の諸元はいずれも現状で容易に実現できるものであり、特に慣性質量ダンパー１１の実際の錘の質量は所要慣性質量ψ＝40tonに対して数百分の一程度で充分であるからそのサイズも数十cm程度で納まるものであり、本実施形態の第１制振機構１０は吊り元６の近傍に対して特に支障なく設置することができるものである。

「第２実施形態（第２制振機構）」
図３に本発明の第２実施形態を示す。これは、第１実施形態の第１制振機構１０に代えて第２制振機構２０を設置したものである。
第２制振機構２０は、慣性質量ダンパー２１と付加バネ２２とを直列に配置し、かつそれら慣性質量ダンパー２１と付加バネ２２のそれぞれに対して並列に付加減衰要素２３を配置したものである。
なお、本第２実施形態の第２制振機構２０においては、付加減衰要素２３は必ずしも図示例のように慣性質量ダンパー２１と付加バネ２２の双方に対して並列に設置することはなく、少なくとも慣性質量ダンパー２１または付加バネ２２のいずれか一方に対して並列に設置すれば良い。
そして、この第２制振機構２０では、慣性質量ダンパー２１による慣性質量ψ₁と、付加バネ２２のバネ剛性k₁（単に付加バネk₁と呼称）とにより定まる固有振動数ωを、吊り材１の支持点１３から質量体２までの長さL₁により定まる振り子の固有振動数ω₀に同調させる。

具体的には、重力加速度ｇで長さL₁の振り子の固有角振動数ω₀として、慣性質量ψ_１と付加バネk₁による固有角振動数ωをω₀に同調させることから、

とすれば良い。最後の制約条件は付加バネ２２を剛にした極限が上記の第１実施形態における第１制震機構１０と等価なので、慣性質量ψ₁の上限を規定したものである。

本第２実施形態における第２制振機構２０の構成は上記の第１制振機構１０よりもやや複雑にはなるが、慣性質量ψ₁と付加バネk₁の比は質量体２の質量Mには関わらず固有角振動数ωのみにより決定されるものであり、したがって振り子の固有振動数が変化しない限りは質量体２の質量Mが変化してもそのまま制振機能を維持できるものである。
また、第２制振機構２０では慣性質量ψ₁を第１制振機構１０における慣性質量ψよりも小さくしても、制振効果はやや低下するものの充分な制振効果が得られる利点もある。

「検討例」
上記の第２制振機構２０を設置した吊り構造物に対し、第１実施形態の場合と同様の検討を行う。上記と同様に質量体２の水平変位x₁、吊り材１の支持点１３での水平変位x₂とし、慣性質量ダンパー２１と付加バネ２２との接合部の水平変位x₃とする。
なお、本検討では付加減衰要素２３を付加バネ２２に並列に設置するのみとしてその減衰係数c₁（単に付加減衰c₁と呼称）とする。（図３において慣性質量ダンパー２１と並列に設置してある付加減衰要素２３は省略する。）
吊り材１の減衰を無視すると振動方程式は

質量体２の質量M＝4ton、付加バネk₁＝40kN/m＝4kgf/mmの場合、慣性質量ψ₁＝(L₁/k_１)g＝4.08×10⁴kg≒40ton 、付加減衰c₁＝90kN/(m/s)＝900N/kineとする。

上記の場合の応答変位を図４（ｂ）に示す。比較のために、図９（ｂ）に示した単なるオイルダンパー（c＝40kN/(m/s)＝400N/kine）を第２減衰機構２０に代えて同位置に設置した場合を同図（ａ）に示す。
図４から、本発明の第２制振機構２０によれば従来型の単なるオイルダンパーによる場合に比べて遙かに急峻に応答が低減することがわかる。

付加減衰c₁を変化させた場合、質量体２の質量Mが変化した場合についてさらに検討する。
図５は質量体２の質量M＝4tonのままで付加減衰c₁＝40kN/(m/s)＝400kineとした場合の応答を示し、図６は質量M＝8ton、付加減衰c₁＝40kN/(m/s)とした場合の応答を示す。
図５〜図６に示される検討例では図４の検討例に比較すれば応答低減効果がやや小さくはなるものの、従来型のオイルダンパーによる場合に比べれば遙かに急峻に応答が低減することがわかる。これは振り子の質量が変化しても吊り下げ長さが一定ならば固有振動数は変化せず、したがって第２制振機構２０によるＴＭＤとしての機能がそのまま維持されることによるものであり、質量体２の質量Mが広範囲に変化してもほぼそのまま優れた制振効果を発揮し得ることがわかる。

さらに、慣性質量ψ₁や付加バネk₁、付加減衰c₁を変化させた場合について検討を行う。図７は質量体２の質量M＝4tonの場合において、慣性質量ψ₁＝20ton、付加バネk₁＝20kN/m、付加減衰c₁＝15kN/(m/s)とした場合の例を示す。
この場合には、慣性質量ψ₁を半減としたことにより図４に示した検討例に比べてやや応答低減効果は劣るものの、従来型のオイルダンパーによる場合に比較すれば充分な制振効果が得られることがわかる。

なお、参考までに図９（ａ）に示したような従来のＴＭＤによる振動特性を図８に示す。これは質量体２の質量M＝4tonの場合において従来のＴＭＤにより３％の付加質量mを与えた場合、すなわち付加質量m＝0.03M＝0.12tonとした場合の制振効果を示すものであるが、従来型のオイルダンパーによるものと同程度の性能を示すものでしかなく、そのような従来型のＴＭＤに比べても本発明の優位性は明らかである。

本発明の効果を以下に列挙する。
(1)吊り材により吊り支持されている質量体に対しては何ら手を加えずとも、吊り元の近傍に制振機構を追加するだけでその振動を急峻に収斂させることができる。
このような性能は、たとえばクレーン（工場における天井走行クレーンや建設現場におけるタワークレーン等）の吊り荷の揺れ防止、ゴンドラ（ロープウエイや高層建物の窓面清掃用）の揺れ防止、天井吊り設備機器（シャンデリア等の照明器具や舞台装置としての吊り設備等）の揺れ対策等として効果的であり、本発明はそれら各種の吊り構造物に対して広範に適用可能である。
(2)吊り元の近傍の固定端と吊り材の基端部の支持点との間に制振機構を介装するだけであるので、吊り材への荷重の増加は殆どなく、支持点より下方は従来の吊り構造と全く同じなので、使い勝手や美観を損なうこともない。
(3)慣性質量効果を利用した制振機構であって、慣性質量ダンパーと付加減衰要素を並列に組み合わせるか、あるいは慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に組み合わせて少なくともそれらのいずれか一方に並列に付加減衰要素を組み合わせることのみで、いずれも簡単な構成でありながら優れた制振効果が得られる。特に後者の場合には質量体の質量変化にも制振効果が維持されるし、小さな慣性質量であっても大きな制振効果を発揮し得る。

(4)パッシブ型の制振機構であるので外部エネルギーを必要としないし、電気やコンピュータ制御が不要なので信頼性が高くローコストである。
(5)常時（使用時）の揺れだけでなく地震時の後揺れにも効果的である。吊り構造は一般的に固有周期が長く減衰が小さい構造であり、地震後にも長時間揺れが持続する傾向にある。本発明によればそのような後揺れを早期に解消させることが可能であり、居住者の恐怖心を軽減するだけでなく吊り構造の疲労特性を改善するためにも効果的である。

１ 吊り材
２ 質量体
３ ＴＭＤ
４ オイルダンパー（粘性減衰装置）
５ ブレース（変形拘束部材）
６ 吊り元
１０ 第１制振機構
１１ 慣性質量ダンパー
１２ 付加減衰要素
１３ 支持点
１４ 固定端
２０ 第２制振機構
２１ 慣性質量ダンパー
２２ 付加バネ
２３ 付加減衰要素

Claims (4)

1. 曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り元から吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、
   前記吊り材の基端部に設定した支持点とその近傍の固定端との間に、慣性質量ダンパーと付加減衰要素とを並列に配置した制振機構を設置し、
   前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と、前記吊り材の吊り元から支持点までの長さの範囲における水平剛性とにより定まる固有振動数を、前記吊り材の支持点から質量体までの長さにより定まる振り子の固有振動数に同調させたことを特徴とする吊り制振構造。
2. 請求項１記載の吊り制振構造であって、
   前記制振機構における慣性質量ダンパーによる慣性質量ψを、前記質量体の質量Mと、前記吊り材の支持点から質量体までの長さL₁と、該吊り材の吊り元から支持点までの長さL₂に基づき、
   ψ＝(L₁/L₂)M 、L₁≫L₂
   の関係を満たすように設定したことを特徴とする吊り制振構造。
3. 曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り元から吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、
   前記吊り材の基端部に設定した支持点とその近傍の固定端との間に、慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に配置し、かつ前記慣性質量ダンパーまたは前記付加バネの少なくともいずれか一方と並列に付加減衰要素を配置した制振機構を設置し、
   前記慣性質量ダンパーによる慣性質量と、前記付加バネのバネ剛性とにより定まる固有振動数を、前記吊り材の支持点から質量体までの長さにより定まる振り子の固有振動数に同調させたことを特徴とする吊り制振構造。
4. 請求項３記載の吊り制振構造であって、
   前記制振機構における慣性質量ダンパーによる慣性質量ψ₁を、前記質量体の質量Mと、前記付加バネのバネ剛性k₁と、前記吊り材の支持点から質量体までの長さL₁と、該吊り材の吊り元から支持点までの長さL₂と、重力加速度gに基づき、
   ψ₁＝(L₁・k₁)/ｇ 、ψ₁≦(L₁/L₂)M 、L₁≫L₂
   の関係を満たすように設定したことを特徴とする吊り制振構造。

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