JP2011144892A - Vibration control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マスダンパー型の制振装置に関する。 The present invention relates to a mass damper type vibration damping device.
この種の制振装置として、従来、例えば下記特許文献1に記載されているような、制振対象物と分離して配設された質量体と、その質量体を制振対象物に対して相対的に変位可能に支持する支持機構と、質量体と制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構と、を備えるTMD(チューンド・マス・ダンパー)が提供されている。この制振装置(TMD)は、主に高層ビルやタワー型等の構造物に設置される装置であり、風荷重による振動を抑えるのに効果的である。上記した質量体としては、例えば水槽等の屋上設置物や鋼材等があり、また、上記した支持装置としては、例えば積層ゴムやコイルバネなどがあり、また、上記した減衰機構としては、例えばオイルダンパーや粘弾性体ダンパーなどがある。 As this type of vibration damping device, conventionally, for example, as described in Patent Document 1 below, a mass body arranged separately from a vibration damping object, and the mass body with respect to the vibration damping object There is provided a TMD (tuned mass damper) including a support mechanism that is relatively displaceably supported and an attenuation mechanism that attenuates the relative displacement between the mass body and the object to be controlled. This vibration damping device (TMD) is a device that is mainly installed in a structure such as a high-rise building or a tower type, and is effective in suppressing vibration caused by wind loads. Examples of the mass body include a rooftop installation such as a water tank, steel, and the like. Examples of the support device include a laminated rubber and a coil spring. Examples of the damping mechanism include an oil damper. And viscoelastic dampers.
上記した制振装置(TMD)によれば、制振対象物への入力振動に応答して質量体が慣性によって振動する。このとき、質量体の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収され、制振対象物の応答振動を低減させることができる。また、上記した減衰機構によって質量体の振動エネルギーを吸収して質量体の振動を減衰させることができる。 According to the above-described vibration damping device (TMD), the mass body vibrates due to inertia in response to the input vibration to the vibration damping object. At this time, if the vibration period of the mass body and the period of the input vibration match, the input vibration energy to the damping object is absorbed by the inertial mass effect by the mass body, and the response vibration of the damping object is reduced. Can do. Further, the vibration of the mass body can be attenuated by absorbing the vibration energy of the mass body by the damping mechanism described above.
ところで、近年のエネルギー問題を鑑みて、上記した減衰機構によって吸収される振動エネルギーを有効活用する要望がある。特に、上記した制振装置では、主に風荷重による構造物の振動を抑える働きがあり、日常的に質量体が振動しているため、その振動エネルギーの有効活用を図る意義は大きい。 By the way, in view of recent energy problems, there is a demand for effective use of vibration energy absorbed by the damping mechanism described above. In particular, the above-described vibration damping device has a function of suppressing the vibration of the structure mainly due to wind load, and the mass body vibrates on a daily basis, so that it is significant to effectively use the vibration energy.
本発明は、上記した要望に応えるものであり、地震動や風荷重による入力振動に対する制振対象物の応答振動を低減させると共に、減衰機構によって吸収された質量体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる制振装置を提供することを目的としている。 The present invention responds to the above-mentioned demand, and reduces response vibration of the object to be controlled with respect to input vibration due to earthquake motion or wind load, and converts vibration energy of the mass body absorbed by the damping mechanism into electric energy. The purpose is to provide a vibration control device that can be effectively used as an electrical resource.
本発明に係る制振装置は、制振対象物と分離して配設された質量体と、該質量体を前記制振対象物に対して相対変位可能に支持する支持機構と、前記質量体と前記制振対象物との相対変位を減衰させる減衰機構と、を備える制振装置において、前記減衰機構には、前記質量体に固定された第一固定部と、前記制振構造物に固定された第二固定部と、前記第一固定部と前記第二固定部との間に介装された減衰体と、が備えられており、該減衰体が、前記質量体と前記制振対象物との相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、該誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極と、を備え、前記誘電性基体の伸縮変形によって前記一対の電極から電気エネルギーが発生する発電性を有していることを特徴としている。 The vibration damping device according to the present invention includes a mass body disposed separately from the vibration damping object, a support mechanism that supports the mass body so as to be relatively displaceable with respect to the vibration damping object, and the mass body. And a damping mechanism for attenuating relative displacement between the damping object and the damping object, wherein the damping mechanism includes a first fixing portion fixed to the mass body and a damping structure fixed to the damping structure. And a damping body interposed between the first fixing section and the second fixing section, and the damping body includes the mass body and the damping object. And a pair of electrodes laminated on both surfaces of the dielectric substrate, respectively, and the pair of electrodes is formed by stretching and deformation of the dielectric substrate. It is characterized by having a power generation property in which electric energy is generated from the electrode.
このような特徴により、地震動や風荷重等による振動が制振対象物に入力されると、その入力振動に応答して質量体が相対的に振動する。このとき、質量体の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収される。 Due to such characteristics, when vibration due to earthquake motion or wind load is input to the object to be controlled, the mass body relatively vibrates in response to the input vibration. At this time, if the period of vibration of the mass body and the period of input vibration coincide, the input vibration energy to the object to be controlled is absorbed by the inertial mass effect by the mass body.
また、質量体と制振対象物との相対変位に伴い減衰機構の減衰体が伸縮変形することで、質量体の振動エネルギーが吸収されて質量体の振動が減衰する。このとき、減衰体の伸張変形に伴い減衰体の誘電性基体の表面積が拡大すると共に誘電性基体の厚さが薄くなって一対の電極間の距離が狭くなる。これにより、一対の電極上に、誘電性基体の表面積の大きさに比例した電荷が出現する。続いて、伸張変形した減衰体が収縮して元の形状に戻ると、誘電性基体の表面積が縮小するとともに一対の電極間の距離が拡がる。その結果、誘電性基体上の電荷の間隔が狭くなると共にそれらの電荷が押し出され、電気エネルギーとして放出される。 In addition, the damping body of the damping mechanism expands and contracts with the relative displacement between the mass body and the object to be controlled, so that the vibration energy of the mass body is absorbed and the vibration of the mass body is attenuated. At this time, the surface area of the dielectric substrate of the attenuating body is increased with the expansion and deformation of the attenuating body, and the thickness of the dielectric substrate is reduced to reduce the distance between the pair of electrodes. Thereby, an electric charge proportional to the surface area of the dielectric substrate appears on the pair of electrodes. Subsequently, when the stretched and attenuating body contracts and returns to its original shape, the surface area of the dielectric substrate is reduced and the distance between the pair of electrodes is increased. As a result, the interval between the charges on the dielectric substrate is narrowed and the charges are pushed out and released as electrical energy.
また、本発明に係る制振装置は、前記一対の電極に電気的に接続された蓄電池設備が備えられていることが好ましい。
これにより、減衰体において発生した上記した電気エネルギーが蓄電池設備に蓄電される。
Moreover, it is preferable that the vibration damping device according to the present invention includes a storage battery facility that is electrically connected to the pair of electrodes.
Thereby, the above-described electrical energy generated in the attenuation body is stored in the storage battery facility.
本発明に係る制振装置によれば、質量体による慣性質量効果によって制振対象物への入力振動エネルギーが吸収されるので、制振対象物の応答振動を低減させることができる。
また、質量体と制振対象物との相対変位に伴う減衰体の伸張変形によって当該減衰体から電気エネルギーが発生するので、減衰機構によって吸収された質量体の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる。
According to the vibration damping device of the present invention, the input vibration energy to the vibration damping object is absorbed by the inertial mass effect of the mass body, so that the response vibration of the vibration damping object can be reduced.
In addition, since electrical energy is generated from the damping body due to expansion and deformation of the damping body due to the relative displacement between the mass body and the vibration suppression object, the vibration energy of the mass body absorbed by the damping mechanism is converted into electrical energy. It can be effectively used as an electrical resource.
以下、本発明に係る制振装置の実施の形態について、図面に基いて説明する。 Embodiments of a vibration damping device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に示すように、制振装置1は、制振対象物Xに入力された振動エネルギーを質量体2の慣性質量効果によって吸収するマスダンパー型の制振装置である。この制振装置1の概略構成としては、制振対象物Xと分離して配設された質量体2と、質量体2を制振対象物Xに対して相対的に水平方向に変位可能に支持する支持機構3と、質量体2と制振対象物Xとの相対変位を減衰させる減衰機構4と、を備えている。なお、上記した制振対象物Xは、高層ビルやタワー等の構造物である。
As shown in FIG. 1, the vibration damping device 1 is a mass damper type vibration damping device that absorbs vibration energy input to the vibration damping object X by the inertial mass effect of the
質量体2は、制振対象物Xの振動を慣性質量効果によって吸収することが可能な程度の重量を持つものであり、例えば、金属やコンクリート塊等からなる錘を質量体2として設けてもよく、或いは、重量のある機器や設備などを質量体2としてもよく、或いは、水等を貯留する貯水タンクを質量体2としてもよい。また、質量体2は、制振対象物Xの屋上の他に、制振対象物Xの中間層などにも配置することが可能である。
The
支持機構3は、複数の多段積層体30からなるばね要素であり、質量体2と制振対象物Xとの間に介装されている。詳しく説明すると、上記した多段積層体30は、水平方向にせん断変形可能な複数の積層体31が安定板32を介して複数段に積層された構成からなり、各段にそれぞれ複数の積層体31が配設されている。積層体31は、ゴム等からなる軟質板と鋼板等からなる硬質板を交互に複数積層させた積層構造の柱状体であり、鉛直剛性が高くて鉛直方向に沈みにくく、且つ水平剛性が低くて水平方向にせん断変形しやすくなっている。
The
減衰機構4は、弾性変形可能な減衰体42を伸縮させることでエネルギーを吸収するダンパーであり、質量体2と制振対象物Xとの間に介装されている。詳しく説明すると、図1、図2に示すように、減衰機構4には、質量体2に固定された第一固定部40と、制振対象物Xに固定された第二固定部41と、第一固定部40と第二固定部41との間に介装された減衰体42と、が備えられている。
The
第一固定部40は、質量体2の下面から垂下された略円柱形状の柱状部である。第二固定部41は、制振対象物Xに立設された円筒形状の周壁部であり、この第二固定部41の内側に、上記した第一固定部40の先端部(下端部)が挿入されている。上記した第一固定部40及び第二固定部41は鉛直方向に延在する中心軸線Oを共通軸にして同軸上に配設されており、第一固定部40は第二固定部41の中心部分に配設されている。
The first fixed
減衰体42は、第一固定部40と第二固定部41との間に全周に亘って形成された平面視円環状の板状部材であり、上記した中心軸線Oに対して垂直に配設されている。この減衰体42の内縁は、上記した第一固定部40の外周面に固定されており、減衰体42の外縁は、上記した第二固定部41の内周面に固定されている。
The
上記した減衰体42は、電極間に誘電体が挟まれたコンデンサーと同様な構造であり、その概略構成としては、図3に示すように、第一固定部40(質量体2)と第二固定部41(制振対象物X)との相対的な水平変位に伴い弾性的に伸縮変形する可撓性を有するシート状の誘電性基体43と、その誘電性基体43の両面にそれぞれ積層された一対の電極44、45と、を備えたサンドイッチ構造を成している。
The above-described
誘電性基体43は、電歪ポリマーからなる伸縮可能な板部であり、板面方向に伸張すると板厚方向に縮小し、板面方向に収縮すると板厚方向に拡大する。具体的には、誘電性基体43は、例えばアクリルやウレタン、シリコンなどの弾性変形可能な誘電エラストマーからなる誘電体膜である。
The
電極44、45は、誘電性基体43の両面全体を被覆する導電性膜である。この電極44、45は、可撓性を有する柔軟な電極であり、誘電性基体43の伸縮に追従して伸縮変形可能である。具体的には、電極44、45は、例えば導電性グリスや、ポリマー材料等に炭素粉末を混合したものからなる。
The
また、上記した減衰体42は、制振対象物Xに設置された蓄電池設備5に電気的に接続されている。詳しく説明すると、図3に示すように、上記した電極44、45は、それぞれ配線46を介して蓄電池設備5に電気的に接続されている。この蓄電池設備5は、例えばナトリウム硫黄電池、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池等の公知の二次電池からなる。なお、蓄電池設備5は、常用及び非常用(防災用)の何れの蓄電設備であってもよい。また、この蓄電池設備5に蓄電された電力を電源として上記した一対の電極44、45に初期電荷が付与されてもよく、或いは、蓄電池設備5とは別の電源から一対の電極44、45に初期電荷が付与されてもよい。
In addition, the above-described
次に、上記した構成の制振装置1の作用について説明する。 Next, the operation of the vibration damping device 1 configured as described above will be described.
地震動や風荷重等による横振動が制振対象物Xに入力されると、質量体2が慣性によって制振対象物Xに対して相対的に水平方向に変位するため、入力振動に応答して質量体2が振動する。このとき、質量体2の振動の周期と入力振動の周期とが一致すると、質量体2による慣性質量効果によって制振対象物Xへの入力振動エネルギーが吸収される。
When lateral vibration due to earthquake motion or wind load is input to the vibration suppression object X, the
また、質量体2と制振対象物Xとの相対変位に伴い減衰機構4の減衰体42が弾性的に伸縮変形する。すなわち、質量体2に固定された第一固定部40が、制振対象物Xに固定された第二固定部41に対して水平方向の一方側に相対変位すると、減衰体42の他方側(第一固定部40の変位方向の反対側)の部分が引張られて弾性的に伸張する。これにより、質量体2の振動エネルギーが吸収されて質量体2の振動が減衰する。
Further, the damping
このとき、減衰体42のうちの伸張変形した部分においては、その伸張変形に伴い誘電性基体43の表面積が拡大すると共に誘電性基体43の厚さが薄くなって一対の電極44、45間の距離が狭くなる。これにより、一対の電極44、45上に、誘電性基体43の表面積の大きさに比例した電荷が出現する。続いて、質量体2の往復動によって、減衰体42のうちの伸張変形した部分が収縮して元の形状に戻ると、その部分における誘電性基体43の表面積が縮小するとともに一対の電極44、45間の距離が拡がる。その結果、誘電性基体43上の電荷の間隔が狭くなると共にそれらの電荷が押し出され、電気エネルギーとして放出される。そして、この電気エネルギーは、配線46を介して蓄電池設備5に送電されて蓄電池設備5に蓄電される。そして、この蓄電池設備5に蓄電された電気エネルギーは、常用或いは非常用の電力として使用される。
At this time, in the stretched and deformed portion of the
上記した制振装置1によれば、質量体2による慣性質量効果によって制振対象物Xへの入力振動エネルギーが吸収されるので、制振対象物Xの応答振動を低減させることができる。
According to the damping device 1 described above, the input vibration energy to the damping object X is absorbed by the inertial mass effect of the
また、質量体2と制振対象物Xとの相対変位に伴う減衰体42の伸張変形によって当該減衰体42から電気エネルギーが発生するので、減衰機構4によって吸収された質量体2の振動エネルギーを電気エネルギーに変換して電気資源として有効活用することができる。
しかも、減衰体42から発生する電気エネルギーが蓄電池設備5に蓄電され、その蓄電池設備5から適宜電力が供給されるので、安定した電力供給を行うことができる。
In addition, since electrical energy is generated from the damping
In addition, since the electric energy generated from the
以上、本発明に係る制振装置の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の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、上記した実施の形態における制振装置1は、パッシブ制御のマスダンパー(TMD)であるが、本発明は、アクティブ制御のマスダンパー(AMD)であってもよく、或いは、セミアクティブ制御のマスダンパー(ATMD)であってもよい。
The embodiments of the vibration damping device according to the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the scope of the present invention.
For example, the vibration damping device 1 in the above-described embodiment is a passively controlled mass damper (TMD), but the present invention may be an active controlled mass damper (AMD), or semi-active controlled. It may be a mass damper (ATMD).
また、上記した実施の形態では、円環板状の減衰体42が第一固定部40と第二固定部41との間に介装されているが、本発明の減衰体は他の構成にすることも可能であり、例えば、図4(a)に示すように、複数の減衰体42を中心軸線O方向に間隔をあけて並設することも可能であり、或いは、図4(b)に示すように、第一固定部40と第二固定部41との間に架設された帯状の減衰体142であってもよく、その帯状の減衰体142を周方向に間欠的に配設した構成であってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the annular plate-
また、上記した実施の形態では、多段積層体30からなる支持機構3が備えられているが、本発明は、他の構成の支持機構を用いることも可能であり、例えば、コイルスプリング状のばねからなる支持機構であってもよい。
さらに、本発明は、支持機構として回転可能な吊持アームが備えられ、その吊持アームに質量体が吊持された振り子型のマスダンパーであってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
Further, the present invention may be a pendulum type mass damper in which a rotatable suspension arm is provided as a support mechanism, and a mass body is suspended on the suspension arm.
また、上記した実施の形態では、支持機構3及び減衰機構4が、それぞれ質量体2と制振対象物Xとの間に介装されているが、本発明は、減衰機構4が、質量体2と支持機構3との間に介装されていてもよく、或いは、質量体2と制振対象物Xとの間に介装されていてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記した実施の形態における制振装置1は、水平方向の入力振動に対して制振性能を発揮する横型の制振装置であり、例えば高層ビルやタワー等のように横揺れが生じる制振対象物Xに設置されるものであるが、本発明は、質量体が制振対象物に対して鉛直方向に相対変位し、鉛直方向の入力振動に対して制振性能を発揮する縦型の制振装置であってもよく、この縦型の制振装置は、例えば橋梁や高架などのような縦揺れが生じる制振対象物に対して設置される。 Further, the vibration damping device 1 in the above-described embodiment is a horizontal vibration damping device that exhibits vibration damping performance against horizontal input vibration. For example, a vibration damping device that causes rolling such as a high-rise building or a tower is provided. Although the present invention is installed on the vibration target X, the present invention is a vertical type in which the mass body is relatively displaced in the vertical direction with respect to the vibration suppression target, and exhibits damping performance against the input vibration in the vertical direction. The vertical vibration damping device may be installed on a vibration damping object that causes vertical vibration such as a bridge or an overhead bridge.
また、上記した実施の形態では、質量体2と蓄電池設備5とがそれぞれ別々に備えられているが、本発明は、蓄電池設備5を質量体として使用することも可能である。
さらに、本発明は、蓄電池設備5を省略することも可能であり、減衰体42の電極44、45と電気機器とを接続して減衰体42から電気機器に電力を直接供給する構成であってもよい。
Moreover, in above-mentioned embodiment, although the
Furthermore, the present invention can omit the
その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。 In addition, in the range which does not deviate from the main point of this invention, it is possible to replace suitably the component in above-mentioned embodiment with a well-known component, and you may combine the above-mentioned modification suitably.
1 制振装置
2 質量体
3 支持機構
4 減衰機構
5 蓄電池設備
40 第一固定部
41 第二固定部
42 減衰体
43 誘電性基体
44、45 電極
142 減衰体
X 制振対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Damping
Claims (2)
前記減衰機構には、前記質量体に固定された第一固定部と、前記制振構造物に固定された第二固定部と、前記第一固定部と前記第二固定部との間に介装された減衰体と、が備えられており、
該減衰体が、前記質量体と前記制振対象物との相対変位に伴い伸縮変形する可撓性を有する誘電性基体と、該誘電性基体の両面にそれぞれ積層された一対の電極と、を備え、前記誘電性基体の伸縮変形によって前記一対の電極から電気エネルギーが発生する発電性を有していることを特徴とする制振装置。 A mass body arranged separately from the vibration control object, a support mechanism that supports the mass body so as to be relatively displaceable with respect to the vibration control object, and a relative relationship between the mass body and the vibration control object A damping device comprising a damping mechanism for damping displacement,
The damping mechanism includes a first fixing part fixed to the mass body, a second fixing part fixed to the vibration damping structure, and a gap between the first fixing part and the second fixing part. Equipped with a damping body,
The damping body includes a flexible dielectric base that expands and contracts in accordance with relative displacement between the mass body and the damping object, and a pair of electrodes that are respectively laminated on both sides of the dielectric base. And a damping device characterized in that it has a power generation property in which electric energy is generated from the pair of electrodes by expansion and contraction of the dielectric substrate.
前記一対の電極に電気的に接続された蓄電池設備が備えられていることを特徴とする制振装置。 The vibration damping device according to claim 1,
A vibration damping device comprising a storage battery facility electrically connected to the pair of electrodes.
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