JP2012255460A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる固有周期を有する構造物における直交する二方向の振動を低減する。
【解決手段】外部から振動が付与されたときに、振動方向Ｘに第一固有周期Ｔ_Xで振動し、振動方向Ｘと直交する振動方向Ｙに第一固有周期Ｔ_Xと比較して長い第二固有周期Ｔ_Yで振動する構造物１における振動を低減する制振装置１００であって、振動方向Ｘと振動方向Ｙとの各々へ揺動可能に構造物１に取り付けられるマス体２０と、マス体２０を構造物１に吊り下げ第二固有周期Ｔ_Yに対応した長さに調整されるアーム３１と、振動方向Ｘのマス体２０の振動周期を調整し、第一固有周期Ｔ_Xに対応したばね定数に調整されるばね機構３５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、構造物の制振装置に関するものである。

従来より、構造物の振動を低減するための制振装置として、駆動装置をもたないＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ：同調質量ダンパ）が利用されている。ＴＭＤの構造としては、構造物の最上階にアームで吊り下げられた錘を備えるものが知られている。

特許文献１には、建築物等の基枠に取り付けられた左右一対の吊り部材によってマス体が吊り下げ支持された制振装置が開示されている。この制振装置では、一対の吊り部材の間にばね機構が取り付けられ、このばね機構の調整によってマス体の振動周期と建築物の振動周期とを合わせている。

特開２００９−２２８７３０号公報

しかしながら、特許文献１の制振装置は、マス体が一方向にのみ揺動可能な構成であり、構造物における一方向の振動を低減可能なものである。そのため、構造物における二方向の振動には対応していない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、異なる固有周期を有する構造物における直交する二方向の振動を低減可能な制振装置を提供することを目的とする。

本発明は、外部から振動が付与されたときに、第一振動方向に第一固有周期で振動し、前記第一振動方向と直交する第二振動方向に前記第一固有周期と比較して長い第二固有周期で振動する構造物における振動を低減する制振装置であって、前記第一振動方向と前記第二振動方向との各々へ揺動可能に前記構造物に取り付けられるマス体と、前記マス体を前記構造物に吊り下げ、前記第二固有周期に対応した長さに調整されるアームと、前記第一振動方向の前記マス体の振動周期を調整し、前記第一固有周期に対応したばね定数に調整されるばね機構と、を備えることを特徴とする。

本発明では、マス体を吊り下げるアームの長さが周期の長い第二固有周期に対応して調整されるため、第二振動方向への構造物の振動は、マス体が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。一方、周期の短い第一固有周期で振動する第一振動方向への構造物の振動に対しては、ばね機構のばね定数が調整されることによって、マス体の振動周期が第一固有周期に対応して短くなる。よって、第一振動方向への構造物の振動もまた、マス体が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。したがって、異なる固有周期を有する構造物における直交する二方向の振動を低減可能である。

本発明の実施の形態に係る制振装置が用いられる構造物の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る制振装置の正面図である。 図２における右側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る制振装置１００について説明する。

まず、図１を参照して、制振装置１００が用いられる構造物１について説明する。

構造物１は、高層ビルなどの高層建築物である。構造物１は、長手方向の壁面２と短手方向の壁面３とを有する直方体形状に形成される。

構造物１は、地震や強風などによって外部から振動が付与されたときに、壁面２に沿った振動方向Ｘに第一固有周期Ｔ_X［ｓ］で振動し、壁面３に沿った振動方向Ｙに第一固有周期Ｔ_Xと比較して長い第二固有周期Ｔ_Y［ｓ］で振動する。振動方向Ｘと振動方向Ｙとは、互いに直交する方向である。この振動方向Ｘが第一振動方向に該当し、振動方向Ｙが第二振動方向に該当する。構造物１における屋上や最上階などの最上部近傍には、制振装置１００が設けられる。

次に、図２及び図３を参照して、制振装置１００について説明する。

制振装置１００は、構造物１において振動方向Ｘと振動方向Ｙとの二方向の振動を低減するものである。図２では、左右方向が振動方向Ｘであり、紙面垂直方向が振動方向Ｙである。図３では、紙面垂直方向が振動方向Ｘであり、左右方向が振動方向Ｙである。

制振装置１００は、直方体状に形成される枠体１０と、枠体１０に揺動可能に吊り下げられるマス体２０と、マス体２０を枠体１０に振子状に吊り下げる吊下部３０とを備える。制振装置１００は、マス体２０が構造物１の振動に対して逆位相に振動することによって、構造物１の振動を打ち消して低減するＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ：同調質量ダンパ）である。

枠体１０は、直立する四本の柱１１と、四本の柱１１の上端を矩形に連結する天面１２とを備える剛体である。枠体１０は、構造物１における水平な床面５に固定される。これにより、制振装置１００は構造物１と一体化され、制振装置１００が構造物１の振動を低減することが可能となる。

柱１１は、その基端が床面５に固定され、四本とも同一の長さとなるように形成される。

天面１２は、床面５と平行に形成される矩形の平面である。天面１２は、上下方向に貫通して形成される複数の貫通孔１３を備える。

貫通孔１３は、天面１２における四箇所に形成される。貫通孔１３は、後述する吊下部３０のアーム３１に対応する位置に形成される。貫通孔１３には、アーム３１が各々挿通する。

マス体２０は、振動方向Ｘと振動方向Ｙとの各々へ揺動可能に枠体１０に取り付けられる。マス体２０は、高層ビルに設置される場合には、例えば質量が数１０トン程度のものから１００トン以上になるものまである。マス体２０は、積層された多数の鉄板で形成されるが、この他にも、鉄筋コンクリートで形成されるものや、水などの液体が充填されたタンク状のものなどであってもよい。

マス体２０は、地震や強風などによって構造物１が振動方向Ｘと振動方向Ｙとに振動するのに対して、各々の方向に構造物１と同一の周期で揺動する。このとき、マス体２０は、構造物１の振動に起因して振動するため、マス体２０の振動と構造物１の振動との間には位相差が生じる。これにより、マス体２０と構造物１とは、同一の周期で逆位相に振動することとなる。

吊下部３０は、振動方向Ｘに沿って複数設けられてマス体２０を構造物１に吊り下げ、第二固有周期Ｔ_Yに対応した長さに調整される一対のアーム３１と、一対のアーム３１の間に傾斜して取り付けられ、第一固有周期Ｔ_Xに対応してマス体２０の振動周期を調整するばね機構３５とを備える。吊下部３０は、振動方向Ｙに沿って並列に一対設けられる。吊下部３０は、マス体２０を吊下支持可能であれば、単一であってもよく、また、三個以上の複数であってもよい。

なお、アーム３１は、一対に限らず、三本以上の複数であってもよい。アーム３１が三本以上の複数である場合には、ばね機構３５は、任意の隣接する一対のアーム３１の間に設けられることとなる。

アーム３１は、その両端を各々構造物１とマス体２０とに連結するための一対の自在継手３２と、その長さを調整するための調整機構としてのターンバックル３３とを備える。

アーム３１は、自在継手３２を介して回動自在に天面１２に固定され、自在継手３２を介して回動自在にマス体２０に固定される。これにより、マス体２０は、水平な姿勢を維持したまま、構造物１に対して任意の方向に揺動可能となる。アーム３１の長さは、ターンバックル３３を操作することによって、構造物１における第二固有周期Ｔ_Yと、振動方向Ｙへのマス体２０の振動周期とが一致するように調整される。

自在継手３２は、直交する二方向に各々回動可能な一対の軸部を有することでアーム３１を全方向に回動可能とするユニバーサルジョイントである。一方の自在継手３２は、天面１２の貫通孔１３に対応する位置における天面１２の上面に固定される。他方の自在継手３２は、マス体２０の上面に固定される。

ターンバックル３３は、アーム３１の長手方向中ほどに配設される。ターンバックル３３は、螺合するねじ部の回転によって、アーム３１の長さを伸縮させるものである。調整機構として、ターンバックル３３ではなく、アーム３１の長さを伸縮させることのできる他の機構を用いてもよい。

ばね機構３５は、内部にばね（図示省略）が収装されるシリンダ部３６と、シリンダ部３６に対して進退するロッド体３７とを備えるスプリングダンパである。ばね機構３５は、シリンダ部３６に対してロッド体３７が進退することによって伸縮する。このとき、シリンダ部３６内のばねによって、ばね機構３５は、ばね力を発生する。

ばね機構３５の両端部、即ちシリンダ部３６の端部である一端３５ａとロッド体３７の端部である他端３５ｂとは、隣接する一対のアーム３１に各々連結される。このとき、一端３５ａと他端３５ｂとは、アーム３１の長手方向における取り付け位置が相違する。つまり、ばね機構３５は、斜めに傾斜して取り付けられる。よって、マス体２０の振動によってアーム３１が揺動したときには、ばね機構３５は、一端３５ａと他端３５ｂとの間の距離の変化によって伸縮することとなる。

ばね機構３５における一端３５ａと他端３５ｂとは、アーム３１の長手方向における取り付け位置を調整可能である。これにより、ばね機構３５の傾きを変化させることができる。ばね機構３５のばね定数は、傾きが変化して力の作用する角度が変化することによって調整される。ばね機構３５のばね定数は、ばね機構３５の傾きを変化させることによって、構造物１における第一固有周期Ｔ_Xと、振動方向Ｘへのマス体２０の振動周期とが一致するように調整される。

ばね機構３５の取り付け角度を変化させるのではなく、シリンダ部３６に収装されるばねをばね定数の異なるものに変更することによってもまた、ばね機構３５のばね定数を変更可能である。

ばね機構３５を、一対のアーム３１の間に取り付けるのではなく、柱１１とアーム３１との間、又は柱１１とマス体２０との間に取り付けてもよい。柱１１とアーム３１との間、又は柱１１とマス体２０との間にばね機構３５を取り付けた場合にも、ばね機構３５のばね定数を調整することによって、マス体２０の振動周期を調整することが可能である。また、この場合、一対のアーム３１を設けずに、単一のアーム３１によってマス体２０を支持することも可能である。

なお、油圧シリンダや電動シリンダなどのアクチュエータを追加することで、制振装置１００をＡＭＤ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ：アクティブ質量ダンパ）とすることも可能である。

次に、制振装置１００の作用について説明する。

構造物１が地震や強風などによって任意の方向に振動すると、制振装置１００の枠体１０は、構造物１と一体に振動する。枠体１０が振動すると、四本のアーム３１を介して枠体１０に吊り下げられるマス体２０は、枠体１０に対して遅れて振動することとなる。マス体２０の振動は、振動方向Ｘへの振動と振動方向Ｙへの振動とが合成されてなる振動である。そこで、以下では、振動方向Ｘと振動方向Ｙとに分けて説明する。

振動方向Ｙへと構造物１が振動すると、マス体２０もまた、振動方向Ｙへと振動する。このとき、マス体２０は、その慣性によって構造物１が振動を開始してから遅れて振動を開始する。これにより、構造物１の振動とマス体２０の振動とは逆位相となる。

ここで、マス体２０を吊り下げるアーム３１の長さは、構造物１における第二固有周期Ｔ_Yと、振動方向Ｙへのマス体２０の振動周期とが一致するように調整される。よって、構造物１とマス体２０とは、同一の周期で逆位相に振動することとなる。したがって、振動方向Ｙへの構造物１の振動は、マス体２０が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。

同様に、振動方向Ｘへと構造物１が振動すると、マス体２０もまた、振動方向Ｘへと振動する。このとき、マス体２０は、その慣性によって構造物１が振動を開始してから遅れて振動を開始する。これにより、構造物１の振動とマス体２０の振動とは逆位相となる。

ここで、一対のアーム３１の間には、ばね機構３５が取り付けられる。そのため、マス体２０の振動周期は、ばね機構３５のばね力によって、第二固有周期Ｔ_Yと比較して短くなる。

ばね機構３５のばね定数は、構造物１における第一固有周期Ｔ_Xと、振動方向Ｘへのマス体２０の振動周期とが一致するように調整される。よって、構造物１とマス体２０とは、同一の周期で逆位相に振動することとなる。したがって、振動方向Ｘへの構造物１の振動もまた、マス体２０が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。

以上より、制振装置１００が設けられることによって、振動方向Ｘと振動方向Ｙとの固有周期が異なる構造物１における振動方向Ｘへの振動と振動方向Ｙへの振動とがともに低減される。したがって、制振装置１００は、構造物１における直交する二方向の振動を低減可能である。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

マス体２０を吊り下げるアーム３１の長さが周期の長い第二固有周期Ｔ_Yに対応して調整されるため、振動方向Ｙへの構造物１の振動は、マス体２０が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。一方、周期の短い第一固有周期Ｔ_Xで振動する振動方向Ｘへの構造物１の振動に対しては、一対のアーム３１の間にばね機構３５が取り付けられることによって、マス体２０の振動周期は第一固有周期Ｔ_Xに対応して短くなる。よって、振動方向Ｘへの構造物１の振動もまた、マス体２０が逆位相に振動することで打ち消されて低減される。したがって、異なる固有周期を有する構造物１における直交する二方向の振動を低減可能である。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、高層ビルや橋梁などの構造物において振動を抑制するための制振装置に利用することができる。

１００ 制振装置
１ 構造物
１０ 枠体
１１ 柱
１２ 天面
２０ マス体
３０ 吊下部
３１ アーム
３２ 自在継手
３３ ターンバックル（調整機構）
３５ ばね機構
３６ シリンダ部
３７ ロッド体

Claims (5)

1. 外部から振動が付与されたときに、第一振動方向に第一固有周期で振動し、前記第一振動方向と直交する第二振動方向に前記第一固有周期と比較して長い第二固有周期で振動する構造物における振動を低減する制振装置であって、
   前記第一振動方向と前記第二振動方向との各々へ揺動可能に前記構造物に取り付けられるマス体と、
   前記マス体を前記構造物に吊り下げ、前記第二固有周期に対応した長さに調整されるアームと、
   前記第一振動方向の前記マス体の振動周期を調整し、前記第一固有周期に対応したばね定数に調整されるばね機構と、を備えることを特徴とする制振装置。
2. 前記アームの長さは、前記構造物における前記第二固有周期と、前記第二振動方向への前記マス体の振動周期とが一致するように調整され、
   前記ばね機構のばね定数は、前記構造物における前記第一固有周期と、前記第一振動方向への前記マス体の振動周期とが一致するように調整されることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
3. 前記アームは、前記第一振動方向に沿って複数設けられ、
   前記ばね機構は、隣接する一対の前記アームの間に傾斜して取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振装置。
4. 前記アームは、前記第二振動方向に沿って並列に複数設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の制振装置。
5. 前記アームは、
   その両端を各々前記構造物と前記マス体とに連結するための一対の自在継手と、
   その長さを調整するための調整機構と、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の制振装置。

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