JP2012122252A

JP2012122252A - 梁の振動低減機構

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Publication number: JP2012122252A
Application number: JP2010273741A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hanzawa; 徹也半澤; Kazuhiko Isoda; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: JP5777044B2

Abstract

【課題】簡略な構成で梁貫通孔も支障なく確保し得る有効適切な梁の振動低減機構を提供する。
【解決手段】本体梁２が接合されている柱１または本体梁の端部に対して基端が固定され先端が自由端とされた短スパンの片持ち梁８を設けて、該片持ち梁を本体梁の側部において本体梁に対して上下方向に相対振動可能に並設する。片持ち梁の先端と本体梁との間に回転慣性質量ダンパー３を介装し、回転慣性質量ダンパーと片持ち梁とにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての本体梁の固有振動数に同調させる。片持ち梁をトラス材により構成する。回転慣性質量ダンパーと本体梁または片持ち梁との間に、片持ち梁とともに付加振動系の固有振動数を調整するための付加ばねとしての板ばね１１を介装する。
【選択図】図１

Description

本発明は建物における梁の振動を低減させるための機構に関する。

建物の床はそれを支持する梁の剛性の不足や外乱振動との共振などによって居住者が不快感を覚える振動障害が生じる場合がある。
それに対処する従来技術として、たとえば特許文献１に示されるようなＴＭＤ（Tuned Mass Damper）がある。これは床上に付加質量として設置したＴＭＤを床の振動周期に対して同調するように振動させることによって床の振動低減を図るものであるが、この種のＴＭＤは一般に500kg〜1tonもの質量を要するから制振対象の床やそれを支持する梁に大きな負担がかかるという問題がある。

そのため、たとえば特許文献２に示されるように付加質量として回転慣性質量を利用することによって小質量であっても従来のＴＭＤと同様以上の制振効果が得られる振動低減機構も提案されている。
これは、図６に示すように柱１間に架設された制振対象の本体梁２の長さ方向中央位置に、ボールねじ機構によって小質量の回転錘（フライホイール）を回転させる構成の回転慣性質量ダンパー３を設置するとともに、それを作動させるための斜材５を本体梁２の側部に下に凸の折れ線状をなすように張設したもので、本体梁２やその上部に一体に形成されているスラブ４が上下振動を生じた際に回転慣性質量ダンパー３が作動して制振効果を得るものである。
これによれば、回転錘の実際の質量が慣性質量効果によって数百倍にも拡大されてＴＭＤにおける付加質量として利用し得るので回転錘の実際の質量は小さくて済み、したがって通常のＴＭＤを設置する場合のように梁や床に対して大きな負担になることがない。

ところで、ＴＭＤは制振対象の主振動系に対して付加振動系として設置されるものであり、梁や床を制振対象とする場合にはＴＭＤとしての固有振動数を制振対象の梁や床の固有振動数に同調させる必要があるから、上記の慣性質量効果を利用する振動低減機構では回転慣性質量ダンパー３に対して付加ばねを直列に接続して付加振動系を構成するとともに、付加ばねの剛性を調節することでＴＭＤとしての固有振動数を本体梁の固有振動数を同調させるようにしている。
そして、図６に示したものでは本体梁２の側部に張設した斜材５を付加ばねとして機能せしめて、基本的にはその斜材５のばね剛性の調節により固有振動数の同調を行うようにしている。

特開平１０−２５２２５３号公報特開２０１０−３８３１８号公報

上記のように特許文献２に示される振動低減機構では、本体梁２の側部に付加ばねとしての斜材５を張設することから、図６に示しているように本体梁１に対して梁貫通孔６を設ける場合にはその位置に斜材５が干渉してしまうことがあり、したがって梁貫通孔６の形成位置に制約が生じて実質的に中央部と端部にしか梁貫通孔６を設けることができず、そのため設備配管のためのスペースを確保し難く最適な配管ルートを確保できないという設備計画上の不都合が生じる場合がある。
また、本体梁１にスラブ４を受けるための直交小梁を設ける場合、本体梁１の端部に設置するべき小梁が斜材に干渉してしまって小梁の配置計画に支障を来す場合もある。

そのような不都合を回避するために、たとえば図７に示すように斜材５に代えてトラス材７を本体梁１の側方に並設することにより本体梁２のほぼ全長にわたって梁貫通孔６を形成することを可能としたうえで、トラス材７と本体梁２との間に回転慣性質量ダンパー３を介装し、トラス材７を付加ばねとして機能せしめてその剛性の調節により同調を行うことも考えられるが、その場合は本体梁２とトラス材７とによる二重梁構造となってしまうので構造全体が大掛かりとなり、コスト的にも施工性の点でも好ましくない。

上記事情に鑑み、本発明は簡略な構成で梁貫通孔や小梁との干渉も回避し得る有効適切な振動低減機構を提供することを目的とする。

本発明は振動を抑制するべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための振動低減機構であって、前記本体梁が接合されている柱または前記本体梁の端部に対して基端が固定され先端が自由端とされた短スパンの片持ち梁を設けて、該片持ち梁を前記本体梁の側部において該本体梁に対して上下方向に相対振動可能に並設し、該片持ち梁の先端と前記本体梁との間にそれらの間で生じる相対振動により作動する回転慣性質量ダンパーを介装するとともに、該回転慣性質量ダンパーと前記片持ち梁とにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。

本発明においては、前記片持ち梁をトラス材により構成することが考えられる。

また、前記回転慣性質量ダンパーと前記本体梁または前記片持ち梁との間に、前記回転慣性質量ダンパーおよび前記片持ち梁に対して直列に接続されて該片持ち梁とともに前記付加振動系の固有振動数を調整するための付加ばねとしての板ばねを介装することも考えられる。

本発明の振動低減機構は回転慣性質量ダンパーを短スパンの片持ち梁を介して本体梁の端部に配置するので、回転慣性質量ダンパーを本体梁の中央部に設ける場合に比べてＴＭＤとしての構成の簡略化と合理化を実現できるし、梁貫通孔の形成位置や小梁配置に大きな制約が生じることもなく、優れた制振効果が得られる。

本発明の振動低減機構の実施形態を示す図である。同、回転慣性質量ダンパーを示す拡大図である。同、効果を実証するための解析ケースを示す図である。同、解析結果を示す図である。同、解析結果を示す図である。従来の振動低減機構の一例を示す図である。従来の振動低減機構の他の例を示す図である。

本発明の振動低減機構の実施形態を図１〜図２に示す。
これは柱１間に架設された本体梁２（図示例ではＨ形鋼からなる鉄骨梁）を制振対象として、その本体梁２およびその上部に一体に形成されているスラブ４の上下方向の振動を低減するためのものである。
本実施形態の振動低減機構は、基本的には特許文献２に示されているものと同様に、回転慣性質量ダンパー３を利用してＴＭＤとして機能することにより制振効果を得るものであるが、本実施形態では回転慣性質量ダンパー３を図６や図７に示したもののように本体梁２の中央部に設置することに代えて、全４台の回転慣性質量ダンパー３を本体梁２の両端部においてその両面側にそれぞれ片持ち梁８を介して設置したことを主眼とする。

すなわち、本実施形態では本体梁２の端部にたとえば溝形鋼からなる短スパンの梁材を配置して、その梁材の基端のみを本体梁２の側部に対してスチフナ９およびリブ１０を介して固定して先端を自由端とした片持ち梁８の形態で設置するとともに、その片持ち梁８には床荷重が直接的にかからないようにしており、したがって本体梁２が床荷重を受けて上下方向に振動した際にも片持ち梁８は本体梁２とは同期して振動することなく、それらの間で上下方向の相対振動が生じるものとされている。
そして、そのうえで図２に示すように片持ち梁８の先端に回転慣性質量ダンパー３を下向きに固定し、回転慣性質量ダンパー３の下端には板ばね１１の中央部を連結し、板ばね１１の両端部を本体梁２の下フランジに対して連結具１２を介して固定しており、これにより本体梁２が上下振動（片持ち梁８に対する相対振動）を生じた際には回転慣性質量ダンパー３が作動するようになっている。

本実施形態の振動低減機構は、回転慣性質量ダンパー３と片持ち梁８と板ばねと１１が直列に接続されることにより、制振対象の主振動系としての本体梁２に対する付加振動系としてのＴＭＤを構成するものであって、上記の片持ち梁８および板ばね１１はこのＴＭＤの固有振動数を本体梁２の固有振動数に同調させるための付加ばねとして機能するものであり、それらのばね剛性を適切に調整し、かつ回転慣性質量ダンパー３による慣性質量を適切に設定することにより、本体梁２に対してＴＭＤとして有効に機能して優れた制振効果が得られるものである。

なお、特許文献２に示されているように、回転慣性質量ダンパー３の設置位置は本体梁２の振動が最も卓越する点（一端的には梁の中央位置）に設定することが制振効果を得るうえでは最も効率的であるが、それ以外の点に設置する場合においても慣性質量と減衰性能を適切に設定することにより所望の制振効果を支障なく得ることが可能である（この点については後述の解析により実証する）。
いずれにしても、本実施形態のように回転慣性質量ダンパー３を梁端部に設置する場合には中央位置に設置する場合に比べて慣性質量と減衰性能をより大きく設定する必要があるが、慣性質量は回転錘（フライホイール）の慣性質量モーメントに比例し、慣性質量モーメントは回転錘の厚さが同じであれば直径の４乗に比例するから、回転錘の直径を僅かに大きくするだけで慣性質量モーメントを十分に大きくすることができるし、回転錘の質量や径方向の質量分布の調整により直径が同じであっても回転慣性を大きくできるから、回転慣性質量ダンパー３全体をさして大形化することなく所望の回転慣性を容易に得ることができる。
また、減衰性能を大きくするためには適宜の減衰要素を付加すれば良いし、後述するように回転慣性質量ダンパー３自体に減衰機能を持たせることも可能であるから、減衰性能を大きくすることも特に支障はない。

本発明の振動低減機構によれば、回転慣性質量ダンパー３を利用したＴＭＤとして機能して優れた制振効果が得られることはもとより、回転慣性質量ダンパー３を本体梁２の端部に配置することにより本体梁２の中央部に対しては自由に梁貫通孔６を設けることができ、したがって図６に示したように本体梁２の側部に全長にわたって斜材５を設けるために梁貫通孔６の位置が制約されてしまうことがなく、設備計画上の不具合を回避することができる。
また、本体梁２にスラブ４を受ける小梁を設ける場合、デッキ床を受けるための小梁スパンは通常3.2m以下であるから、片持ち梁８の先端に設置する回転慣性質量ダンパー３の設置位置をその寸法内に納めれば小梁配置計画に支障を来すこともない。
また、図７に示したように本体梁２の全長にわたってトラス材７を設ける場合に比較すれば、大掛かりな二重梁構造となることもないから構造全体を簡略化でき、コスト的にも施工性の点でも遙かに有利である。

なお、上記実施形態では片持ち梁８の基端を本体梁２の端部に対してスチフナ９およびリブ１０を介して固定したが、それに代えて片持ち梁８の基端を柱１に対して直接的に固定することでも良い。
また、上記実施形態では片持ち梁８の端部両面側にそれぞれ回転慣性質量ダンパー３を設置したが、回転慣性質量ダンパー３を片持ち梁８の片面側にのみ設置することでも良い。
また、片持ち梁８を図７に示したようなトラス材７により形成すれば、その片持ち梁８の設置位置に対しても梁貫通孔６を設けることができ、結果的に本体梁２の全長にわたって梁貫通孔６を設けることも可能であるから、梁貫通孔６の位置に対する制約をさらに軽減することができる。

また、上記実施形態では回転慣性質量ダンパー３と本体梁２との間に板ばね１１を介装したが、板ばね１１は回転慣性質量ダンパー３および片持ち梁８に対して直列に接続すれば良く、したがって回転慣性質量ダンパー３を本体梁２に対して固定してその回転慣性質量ダンパー３と片持ち梁８との間に板ばね１１を介装しても同様である。
いずれにしても、板ばね１１を片持ち梁８とともに付加ばねとして機能させてそのばね剛性の調節によりＴＭＤとしての同調を行えば良いが、その場合においては図２に示すように板ばね１１の両端部を本体梁２に対して連結具１２を介して支持するようにすると良い。あるいは、上記のように回転慣性質量ダンパー３を本体梁２に対して固定する場合には、板ばね１１を連結具１２を介して片持ち梁８に対して連結すれば良い。
これにより、板ばね１１の素材やその厚み、形状寸法を調節することで板ばね１１としてのばね剛性を容易に調節できるばかりでなく、連結具１２による板ばね１１の支持点間の距離を調節することによってもばね剛性を任意にかつ広範囲に調節可能であるので、ＴＭＤとしての同調を行う上で有利である。
但し、必ずしもそうすることはなく、片持ち梁８を単独で加ばねとして機能させてその片持ち梁８のばね剛性の調節のみで同調を行うことが可能であれば（その場合の具体的な同調例については後述する）、板ばね１１を省略することも可能である。

さらに、回転慣性質量ダンパー３としては特許文献２に示されているようなボールねじ機構を利用するものが現実的であるが、特に限定されることなく、たとえばてこ機構を利用したもの等、任意の形式の回転慣性質量ダンパーを採用可能であるし、特に図２に示すように磁力による減衰機構を備えたものも好適に採用可能である。
これは、ケーシング２０内にボールナット２１を回転自在に支持してそれにボールねじ軸２２を螺着し、ボールナット２１に磁性材料からなるフライホイール２３を連結するとともにフライホイール２３に対して磁石２４を近接配置したものであり、この回転慣性質量ダンパー３が作動してフライホイール２３が回転した際には磁石２４によりフライホイール２３に渦電流が発生して運動エネルギーを消費することにより減衰効果を得る構成のものである。

以下、本発明の具体的な構成例を挙げてその効果を解析により検証する。
本体梁２をH-800×300×16×28×18のＨ形鋼、断面二次モーメントI＝309000cm⁴、せん断断面積Aw＝128cm²、自重227kg/mとし、その本体梁２に単位面積重量4750N/m²、奥行き6.4m、スパン18mのスラブ４が一体化した合成梁を想定し、それを解析対象とする。
スラブ４との合成効果により断面二次モーメントは本体梁２単体の場合の2倍とする。主振動系としての減衰は一次固有振動数に対し1％の初期剛性比例型とする。
この主振動系は固有値解析により一次固有振動数は6.22050Hz、刺激係数β＝1.31868、有効質量4.253×10⁴kgである。

比較例として、図３（ａ）に示すようにダンパーがない場合をCase1とする。
また、他の比較例として、図３（ｂ）に示すように回転慣性質量ダンパー３を梁中央位置に設置して斜材５により作動させる場合をCase2とする。Case2は基本的には図６に示したものと同様であるが、ここでは斜材５の両端を本体梁２の梁端から1400mm内側の位置に固定して全副15.2mとし、ライズ700mmとしている。
その斜材５としてはφ77mmの鋼棒を用い、斜材５のばね剛性Kd＝2.097×10⁶N/mとする。Case2での回転慣性質量ダンパー３の減衰係数Cd＝1.479×10⁴N/(m/s)、慣性質量md＝1222.9kgとする。

本発明の具体例として、図３（ｃ）に示すように、本体梁２の両端部の両側にそれぞれ長さ2.5mの片持ち梁８の基端を固定し、全４台の慣性質量ダンパー３を各片持ち梁８の先端に下向きに設置し、各回転慣性質量ダンパー３の下端を本体梁２に対して板ばね１１を介して連結する。
本発明での回転慣性質量ダンパー３の諸元は、減衰係数Cd＝6.316×10⁴N/(m/s)、慣性質量md＝5221.0kgとする。
本解析では板ばね１１のばね剛性を無視して片持ち梁８のばね剛性のみを付加ばねとして評価することとし、付加ばねとしての片持ち梁８をC-450×138×9×14の溝形鋼としてそのばね剛性Kd＝8.954×10⁶N/mとする。但し、板ばね１１のばね剛性を考慮して片持ち梁８と板ばね１１との総合ばね剛性をそのように設定しても同様である。

本体梁２の中央を載荷点として3〜9Hzのスウィープ加振（荷重100N）を与え、載荷点での応答加速度を求め、入力波形と出力波形のスペクトル比を算定した結果を図４に示す。
Case1では6.2Hzに非常に大きなピークが存在しているが、Case2ではそれが激減している。
また、本発明のCase3では、ＴＭＤの設置位置を本体梁２の端部に変更したにも係わらず、ＴＭＤとしての諸元を適切に設定してCase2の場合に比べて慣性質量と減衰性能を大きくしたことにより、Case2と同等の効果が得られることが確認できた。

次に、本体梁２の中央に歩行荷重を与えた場合の加速度応答を求め、その1/3オクターブバンド解析を行った結果を図５に示す。歩行波形は共振が生じやすいように固有振動数の倍調波（1/2として3.11Hz）となるように刻み時間を調節して与えた。荷重レベルは二人歩行を想定して原波形の1.5倍とした。
その結果として、Case1では最大8gal程度となって非常に大きい応答となるが、Case2ではそれが激減しており、さらに本発明のCase3でもCase2と同程度の応答レベルが得られることが確認できた。

以上のことから、本発明によれば本体梁２の端部に短スパンの片持ち梁８を介して回転慣性質量ダンパー３を設置することによっても、回転慣性質量ダンパー３を本体梁２の中央部に設ける場合と同等の制振効果が得られるものであり、したがってＴＭＤとしての構成の簡略化と合理化を図り、かつ梁貫通孔や小梁の設置位置に対しての制約を軽減しつつ、優れた制振効果が得られる有効適切な振動低減機構を実現することができる。

１柱
２本体梁
３回転慣性質量ダンパー
４スラブ
８片持ち梁
９スチフナ
１０リブ
１１板ばね
１２連結具
２０ケーシング
２１ボールナット
２２ボールねじ軸
２３フライホイール
２４磁石

Claims

振動を抑制するべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための振動低減機構であって、
前記本体梁が接合されている柱または前記本体梁の端部に対して基端が固定され先端が自由端とされた短スパンの片持ち梁を設けて、該片持ち梁を前記本体梁の側部において該本体梁に対して上下方向に相対振動可能に並設し、
該片持ち梁の先端と前記本体梁との間にそれらの間で生じる相対振動により作動する回転慣性質量ダンパーを介装するとともに、
該回転慣性質量ダンパーと前記片持ち梁とにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする梁の振動低減機構。
請求項１記載の梁の振動低減機構であって、
前記片持ち梁をトラス材により構成してなることを特徴とする梁の振動低減機構。
請求項１または２記載の梁の振動低減機構であって、
前記回転慣性質量ダンパーと前記本体梁または前記片持ち梁との間に、前記回転慣性質量ダンパーおよび前記片持ち梁に対して直列に接続されて前記片持ち梁とともに前記付加振動系の固有振動数を調整するための付加ばねとしての板ばねを介装してなることを特徴とする梁の振動低減機構。