JP2010281407A - 制振機構およびその設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】建物の床や梁等の構造部材の上下振動を簡単な機構で効果的に低減させることができる有効適切な制振機構およびその設置方法を提供する。
【解決手段】慣性質量要素としての回転慣性質量ダンパーとばね要素としての皿ばねとを直列に接続したダンパー機構５を上下の構造部材（上下の床１，２）の間に介装する。ダンパー機構５に対して支柱６を直列に接続して、ダンパー機構５を支柱６を介して上下の構造部材間に介装する。支柱６を伸縮機構７により伸縮可能としておき、支柱６を縮退させた状態で上下の構造部材間に配置した後、支柱６を伸張させて支柱６およびダンパー機構５を上下の構造部材に押圧せしめることによりダンパー機構５を自立状態で設置する。
【選択図】図１

Description

本発明はたとえば建物における梁や床のように上下方向に振動する構造部材を対象とする制振機構、特に上下に離間して設置されている上下の構造部材の間に介装されてそれら上下の構造部材の上下方向の相対振動を抑制するための制振機構、およびその設置方法に関する。

建物の床や梁では剛性の不足や外乱振動との共振によって居住者が不快感を感じる上下振動が生じる場合があるので、それに対する対策としてたとえば特許文献１に示されるようなＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー：動吸振器）を梁や床に対して設置することが提案されている。これは梁や床の振動に対して同調して振動する錘（付加質量）を設置することにより、その錘を大きく振動させることによって梁や床の上下方向の振動の低減を図るものである。
また、床や梁の上下振動対策を目的とするものではないが、特許文献２には免震対象物の水平振動を歯車列からなる伝達機構を介して回転質量体（回転錘）の回転運動に変換し、それにより生じる回転慣性質量を利用してＴＭＤとして機能させる免震装置についての開示がある。

特開平１０−２５２２５３号公報 特開２００７−１０１１０号公報

特許文献１に示されるような一般的なＴＭＤでは、効果的に振動低減効果を得るために必要な錘の質量は1ton以上にもなることが通常であり、そのような大質量の錘を付加することは床や梁に対して大きな負担がかかるので好ましくない。また、大質量の錘を設置することはスペース確保の点でも困難な場合が多いことから複数の小質量の錘を分散配置することが一般的であり、したがって施工性や経済性の点でも問題がある。
また、特許文献２に示されるような回転慣性質量を利用する免震装置を上下制振装置として適用することも考えられ、その場合には回転質量体の所要質量は軽減できるが、従来のこの種の免震装置は複雑な歯車列による伝達機構を備えるものであるので装置全体が複雑に過ぎ、必然的に高価なものにならざるを得ず、普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明は建物の床や梁等の構造部材の上下振動を簡単な機構で効果的に低減させることができる有効適切な制振機構およびその設置方法を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、上下方向に離間して設置されている上下の構造部材の間に介装されてそれらの間に生じる上下方向の相対振動を抑制するための制振機構であって、慣性質量要素としての回転慣性質量ダンパーとばね要素としての皿ばねとが直列に接続されたダンパー機構が前記上下の構造部材の間に介装されてなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の制振機構であって、前記ダンパー機構に対して支柱を直列に接続し、前記ダンパー機構を該支柱を介して前記上下の構造部材間に介装してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の制振機構を上下の構造部材間に設置するための設置方法であって、前記支柱を伸縮機構により伸縮可能としておき、該支柱を縮退させた状態で該支柱および前記ダンパー機構を前記上下の構造部材間に配置した後、前記伸縮機構の操作により該支柱を伸張させて該支柱および前記ダンパー機構を上下の構造部材に押圧せしめることにより、前記制振機構を自立状態で設置することを特徴とする。

本発明によれば、回転慣性質量ダンパーと皿ばねからなるダンパー機構が上下の構造部材からなる主振動系に対する付加振動系として機能し、その付加振動系としてのダンパー機構を主振動系に対してＴＭＤとして機能させることにより主振動系に対する優れた制振効果が得られる。
特に本発明におけるダンパー機構は、小形軽量の回転慣性質量ダンパーと単なる皿ばねとを直列に接続しただけの簡単な構成であって複雑高度な機構を必要とせず、したがって充分に安価に製作できるものであるし、制御対象の構造部材の間に簡単かつ安価に設置可能であってさしたる設置スペースも必要とせず、特に建物の床や梁を対象としてその上下振動を低減するための制振機構として好適である。

また、ダンパー機構に対して支柱を直列に接続して、その支柱を上下の構造部材間に自立させた状態で立設することによって、ダンパー機構を上下の構造部材の間に容易に設置することができるし、上下の構造部材の間に生じる上下方向の相対振動を支柱を介してダンパー機構に対して確実に伝達してダンパー機構を確実に作動させることができる。

さらに、支柱を伸縮機構により伸縮可能としておき、その支柱を縮退させた状態で上下の構造部材間に配置してから伸縮機構を操作して支柱を伸張させるようにすれば、支柱およびダンパー機構を上下の構造部材に押圧せしめてそれらの間に自立状態で設置することが可能である。

本発明の制振機構の実施形態を示す概略構成図である。 同、回転慣性質量ダンパーおよび皿ばねを示す拡大図である。 同、振動解析による制振効果を示す図である。

本発明の一実施形態を図１〜図３を参照して説明する。本実施形態は建物の床を制振対象としてその上下振動を低減させるためのもので、図１において符号１は制振対象としての上階の床（梁を含む）、２はその下階の床（同じく梁を含む。あるいは基礎であっても良い）であり、本実施形態の制振機構はそれら上下の床１，２の間にＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー：動吸振器）として機能するように設置されるものである。

本実施形態の制振機構は、図２に示すようにボールねじ機構を利用した公知の回転慣性質量ダンパー３と、その上部に直列に接続されたばね要素としての皿ばね４（図示例では４枚重ねとしている）とからなるダンパー機構５を主体とするものであり、本実施形態では回転慣性質量ダンパー３の下部にパイプ材等からなる支柱６を接続して下階の床２に立設するとともに、皿ばね４を上階の床１の下面に対して接続することにより、この制振機構全体をそれら上下の床１，２の間に自立状態で設置している。

上記の支柱６はダンパー機構を作動させるに充分な軸剛性を有するものであるが、伸縮機構７により伸縮可能とされていてこの制振機構を容易に設置できるものとされている。すなわち図１（ｂ）に示すように支柱６は上部支柱６ａと下部支柱６ｂとに分割されていて、それらの間には上部支柱６ａに螺着される順ねじ部７ａと下部支柱６ｂに螺着される逆ねじ部７ｂを有してターンバックルと同様に機能する伸縮機構７が組み込まれており、これを一方向に回転させることのみで支柱６が伸張し、逆方向に回転させれば縮退するようになっている。
したがって、建物にこの制振機構を設置する際には支柱６を縮退させた状態で所望位置に配置した後、伸縮機構７の操作により支柱６を伸張させて皿ばね４を所定量だけ撓ませた状態で上階の床１に対して押圧せしめることにより、この制振機構全体を上下の床１，２の間に突っ張る状態で安定に自立させることができるようになっている。
勿論、伸縮機構７の操作のみで自立に必要な適正な押圧力や皿ばね４の初期撓み量を適正に設定できるし、位置の変更や撤去が必要な場合には伸縮機構７を緩めるだけでその作業が可能である。

なお、制振機構を自立状態で設置した後には伸縮機構７が不用意に緩んでしまうことのないように、図１（ｂ）に示すように伸縮機構７をピン７ｃによりロックしてしまえば良い。
また、図２に示すように、上階の床１の下面に取付板８をピン８ａによって固定してその取付板８に対して皿ばね４を押圧させれば良いが、制振機構の万一の転倒を防止するために、図１（ａ）に示すように支柱６の上部を転倒防止用チェーン９によって上階の床１に連結しておくことが好ましい。

ダンパー機構５を構成している回転慣性質量ダンパー３は、機構的には柱６の上端部に対して接続されているボールナット１０と、ボールナット１０に螺着されてその上端部が皿ばね４を挿通して上階の床１に対して回転自在に接続されているボールねじ軸１１と、ボールねじ軸１１の下端に取り付けられているフライホイール１２とを有するものである。
また、フライホイール１２の下面側には磁石１３が取り付けられているとともに、その磁石１３と僅かな距離をおいて金属板１４が対向配置されていて、それらにより電磁誘導作用を利用した減衰機構１５が構成されている。
この回転慣性質量ダンパー３は、上下の床１，２の間で上下方向の相対振動が生じると、皿ばね４が上下方向に弾性変形するとともにその皿ばね４を介してボールねじ軸１１が押し下げられてボールナット１０に対して回転（自転）しつつ上下動し、そのボールねじ軸１１とともにフライホイール１２が回転して大きな回転慣性質量が生じ、それが制振力として床１に作用して優れた制振効果が得られるものである。
また、フライホイール１２とともに磁石１３も回転することにより金属板１４に渦電流が生じ、電磁誘導による減衰効果も得られる。

したがって、このダンパー機構５による付加振動系の固有振動数を主振動系としての床１の固有振動数（あるいは制御対象振動数）に同調させることにより、この制振機構がＴＭＤとして機能するものとなり、しかもフライホイール１２により生じる回転慣性質量はフライホイール１２の実際の質量に対して格段に大きなものとなるから、フライホイール１２が小形軽量のものであっても大質量の錘による従来一般のＴＭＤと同等ないしそれ以上の制振効果が得られる。

本実施形態の制振機構の具体的な設計例とそれによる制振効果を図３に示す。（ａ）は制振対象としての上階の床１（大スパン床梁）に対して上記の制振機構を設置した場合のモデルであり、本設計例では各諸元を以下のように設定している。
主振動系としての床１の有効質量M＝17.5ton、剛性K＝11444N/mm、減衰定数1%、1次固有振動数4.07Hzである。
付加振動系を構成する回転慣性質量ダンパー３におけるフライホイール１２としてPL40-109.5φ、質量2.96kgのものを使用する。それによる上下方向の慣性質量m＝1.75ton、したがって質量比m/M＝0.1となる。回転慣性質量ダンパー３における減衰機構１５の減衰係数c＝21.5N/mm/sとする。付加ばねとしての皿ばね４の剛性k＝1457N/mm（外径63mm、内径31mmのJIS軽量用皿ばねを4枚重ねで使用）とする。

上記のモデルを加振条件120Nで上下方向に加振した場合の解析結果を（ｂ）に示す。これに示されるように、上記諸元の制振機構を設置することにより応答加速度のピークを約92%も低減（約35galから3gal以下に激減）させることができる。

以上のように本発明の制振機構は、僅か数kg程度の非常に小さいフライホイール１２による小型軽量の回転慣性質量ダンパー３と単なる皿ばね４とにより構成されるダンパー機構５によって大きな慣性質量が得られ、したがって1ton以上もの大質量の錘を必要とする従来一般のＴＭＤと同等の性能を得ることができるものであるし、従来一般のＴＭＤに比べて桁違いに軽量であることから主体構造への負担が問題になることもない。
そして本発明の制振機構は構成が単純で簡略であるので充分に安価に製作できるものであるし、単なる支柱６を介して上下の床１，２の間に自立状態で設置することが可能であるからさしたる設置スペースを必要とせず、しかも伸縮機構７の操作のみで極めて簡単に施工することが可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されることなく、たとえば以下に列挙するように様々な変形や応用が可能である。
上記実施形態では回転慣性質量ダンパー３の上部に皿ばね４を接続して、皿ばね４を上階の床１に対して接続するとともに回転慣性質量ダンパー３を支柱６を介して下階の床２に接続するようにしたが、要は回転慣性質量ダンパー３と皿ばね４を直列に接続したダンパー機構５を上下の構造部材の間に介装すれば良いのであって、その限りにおいて回転慣性質量ダンパー３と皿ばね４と支柱６の位置関係は任意であり、ダンパー機構５の天地を逆にしたり、さらに支柱６も含めた制振機構の全体の天地を逆にすることも可能である。

本発明では上記実施形態のようにダンパー機構５を支柱６を介して設置することが現実的であり、その場合は支柱６を伸縮機構７により伸縮可能としておくことが好ましいが、それに限るものでもなく、支柱６を省略してダンパー機構５を上下の構造部材の間に直接介装したり、上下の床１，２の間に垂壁や腰壁がある場合にはそれらの間にダンパー機構５を設置することも可能であり、あるいは支柱６に代えて何らかの要素をダンパー機構５と上下の床１，２の間に介装することも考えられる。勿論、伸縮機構７としては上記実施形態のようなターンバックル式以外の任意の構成のものも採用可能である。
さらに、上記実施形態のように支柱６に伸縮機構７を設置しておいてその操作のみで支柱６を自立状態で設置することが最も好ましいが、それに限るものでもなく、伸縮機構７を省略して他の手法で設置することも不可能ではない。

本発明の制振機構は回転慣性質量ダンパー３と皿ばね４とを直列に接続したダンパー機構５の諸元をＴＭＤとして機能するように設定すれば良いのであって、その限りにおいて各部の具体的な構成は様々に変更可能である。
たとえば回転慣性質量ダンパー３としては上記実施形態のようにボールねじ機構によるものが好適ではあるもののそれに限定されるものではなく、所望の回転慣性質量効果が得られるものであれば適宜の形式のものを任意に採用可能である。
また、上記実施形態では回転慣性質量ダンパー３に磁石１３と金属板１４とによる減衰機構１５を備えるものとしたが、それに代えてたとえばオイルダンパー等の他の構成の減衰機構１５を回転慣性質量ダンパー３に並列に設置する（図３（ａ）参照）ことでも良いし、ボールねじ機構の内部抵抗（グリースの粘性や摩擦）を減衰に利用できる場合には格別の減衰機構を備えることはない。

１ 上階の床（構造部材）
２ 下階の床（構造部材）
３ 回転慣性質量ダンパー（慣性質量要素）
４ 皿ばね（ばね要素）
５ ダンパー機構
６ 支柱
６ａ 上部支柱
６ｂ 下部支柱
７ 伸縮機構
７ａ 順ねじ部
７ｂ 逆ねじ部
７ｃ ピン
８ 取付板
８ａ ピン
９ 転倒防止用チェーン
１０ ボールナット
１１ ボールねじ軸
１２ フライホイール
１３ 磁石
１４ 金属板
１５ 減衰機構

Claims (3)

1. 上下方向に離間して設置されている上下の構造部材の間に介装されてそれらの間に生じる上下方向の相対振動を抑制するための制振機構であって、
   慣性質量要素としての回転慣性質量ダンパーとばね要素としての皿ばねとが直列に接続されたダンパー機構が前記上下の構造部材の間に介装されてなることを特徴とする制振機構。
2. 請求項１記載の制振機構であって、
   前記ダンパー機構に対して支柱を直列に接続し、前記ダンパー機構を該支柱を介して前記上下の構造部材間に介装してなることを特徴とする制振機構。
3. 請求項２記載の制振機構を上下の構造部材間に設置するための設置方法であって、
   前記支柱を伸縮機構により伸縮可能としておき、該支柱を縮退させた状態で該支柱および前記ダンパー機構を前記上下の構造部材間に配置した後、前記伸縮機構の操作により該支柱を伸張させて該支柱および前記ダンパー機構を上下の構造部材に押圧せしめることにより、前記制振機構を自立状態で設置することを特徴とする制振機構の設置方法。

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