JP2015509562A - 緊張ケーブルを振動から保護する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
SP(Aopt)=Aopt(1−2/(1+Rk))
によって決定されるスイッチ位置(SP)を超えたときにだけ、装置が緊張ケーブルに作用する(または緊張ケーブルへの取付けが生じる)ことを特徴とし、
式中、
Aoptは、装置がSPoptで最適化された状態で緊張ケーブルが到達する振幅であり、
Rkは、装置付きの緊張ケーブル(Kssi)と片側ばね無しの緊張ケーブル(Kcable)との間の動的剛性比(dynamic stiffness ratio)である。
Rk=(f(c+s)(i)/f(c)(i))2
によって定義することができる。
Rk=1+ks・sin(i・π・ap/L)2/k(c)(i)
によって定義される。安全であるが効率的な軽減を得るための適切な剛性増分に対応する1.1<Rk<1.4の場合、Ksは片側ばねの剛性またはオーステナイト相(弾性相)の形状記憶合金ワイヤ(例えばニチノールワイヤ)の剛性であり、iは共振モード数に対応し、Lはケーブルの長さであり、apは装置の取付け(または定着)位置である。その結果、SPの方程式はここで、方程式(1)のRkを方程式(3)に置き換えることによって、次式(4):
SP(Aopt)=A(opt)[1−(2/(2+ks・sin(i・π・ap/L)2/k(c)(i)))]
の通り、定着位置(または取付け位置)(ap)に結びつけられる。
0.05*Aopt<SP(Aopt)<0.17*Aopt
Rkを実験的方法によって決定することができる場合、方程式(1)および(2)。
振幅軽減率がケーブルだけの場合に対して約3倍であるので、Aopt≒Amax/3として、方程式(3)および(4)。また、Amaxは、ケーブル設計者によってまたはケーブル監視の責任者によって与えられる、定着(または取付け)位置(ap)のケーブルの振動の測定または計算された最大振幅の値である。
第1ステップ:第1テストは、自由ケーブルに対して予想される最大振幅に対応する入力(Im)を決定することにある。
第2ステップ:第2テストは、剛性差が小さいので、Aoptに近い振幅A0を得るために、零に等しいSPに対し前に定義されたImを緊張ケーブルに適用することにある。SP(A0)の値は最適SPよりわずかに大きい。剛性が等しいならば、システムは線形システムであるので、SP=0であることに注目する必要がある。
第3ステップ:SPoptに非常に正確に接近するために、第3ステップは、SPを零から上述の方程式を適用することによって計算されるSP(A0)に移動しながら実行する必要がある。次いで、最大変位Aoptの値を得るために、緊張ケーブルを入力Imで励振しなければならない。その結果、上述の方程式により、SPoptに非常に近いSPの新しい値が算出される。
本発明に係る装置の役割は、双線形振動子によって発生する調波がケーブルの他のモードを励起することを確実にするために、小さい量の動的剛性を変化させることである。
ワイヤの剛性が高すぎる場合、定着部の疲労に適さない高次すぎるモードを励起させることにつながり得る、強い双線形性を挙動に導入する。
モード連成振動数を達成するために、SMAワイヤの有無に関わらず、差または剛性差は小さくなければならない。
ヒステリシス挙動は動的運動のためのワイヤ直径に大きく依存し、ワイヤ直径が小さければ小さいほど、ヒステリシスサイクルが大きくなり、かつ例外的振幅に対する減衰効果が高くなる。
この場合、ばね剛性は距離(ap)に依存しない。剛性比の範囲は次の方式によって決定される。
剛性比の下限(1.1)は、(少なくともダンパとして有効であるために)自由ケーブルに対して振幅の動きをおよそ2倍低減するという装置の最小限の効率を達成するように定義される。
上限(1.4)は、装置がケーブルに取り付けられたときのモード分布変化を考慮に入れて、定着部で同一最大設計曲率を維持するように、ELSA(European Laboratory for Structural Assessment,欧州構造物評価研究所)で実験されたケーブルで得られた値である。したがって上限は推奨値であり、定着部における低い動的応力を維持するために、ケーブル設計者が変更することができる。この意味で、それは数学的値ではなく、安全係数である。
方程式(6)
1.1≦1+ks・sin(i・π・ap/L)2/k(c)(i)≦1.4
ばね剛性ksが(建設業者から)与えられた場合、かつケーブル剛性kcおよびケーブル長Lが橋梁設計者によってすでに定められている場合、装置は次の範囲内の位置(ap)に取り付けることができる。
方程式(7)
(L/πi)*Arcsin(0.32√(k(c)(i)/ks))≦ap≦(L/πi)*Arcsin(0.63√(k(c)(i)/ks))
[実施例]
ケーブル長=L=45m
モード数:1に対して測定されたケーブル剛性=(c)(1)k=35.6KNm(ケーブル張力:T=250KN)
あらゆる機械的な測定および定着システムを用いて測定されたばね剛性(長さ4.2mおよび直径2.5mm用の弾性SMA)=40KN
装置を設置するための取付け(または定着)位置として次の範囲が得られる。
4.4m≦ap≦9.1m
この実験で装置を挿置するのに採用した位置は、8.2メートルの位置であった。
この場合、適切な解を得るためにケーブル上の様々な取付け位置(ap)を試験することが高く推奨される。実際、SMAワイヤの剛性は(ap)に依存するので、この状況はより複雑である。加えて、ワイヤはケーブルに垂直に装着され、ワイヤの長さは、ケーブルとワイヤばねとの間の関係を示した図16の概略図に示される通り、ケーブル取付け部と橋の床版との間の距離より長くすることができない。
方程式(8)
(0.1)・4・tg(α)・k(c)(i)/π・E・ds 2≦sin(i・π・ap/L)/√ap≦(0.4)・4・tg(α)・k(c)(i)/π・E・ds 2
これは超越不等式(transcendent inequality)になり、その解は、設計者によって与えられる以下のパラメータに応じて、数値計算するしかない。
i=軽減すべきモード数、ケーブル剛性k(c)(i)、ケーブルの傾斜角度tg(α)、SMAワイヤの直径ds。
方程式(9)
3.56*10−9・tg(α)・k(c)(i)/ds 2≦sin(i・π・ap/L)/√ap≦14.2*10−9・tg(α)・k(c)(i)/ds 2
外部励振中に、最適特性を持つよう設計され、かつケーブルの所与の位置に挿置された本発明に係る装置は、同一の自由ケーブル(すなわち装置無しのケーブル)と比較して3倍、等価線形剛性を持つケーブルに対して2倍の振動運動を低減することができる。実験結果(図3参照)は、自由ケーブル(グラフで「装置無し」と識別された最大振幅の曲線、すなわち凡例で最初に識別されたもの)と、動的剛性比Rk=1.29で様々なスイッチ位置(またはSMAの静止時の張力)の本発明に係る装置を装備したケーブルとの間の運動の低減を示す。小さい振幅の「Fsma=100」の曲線(グラフの太線の曲線、すなわち凡例で最後に識別されたもの)によって示される運動は、100Nで40秒の励振に対して最適なスイッチ位置に対応する。2倍の値の励振(200N)に対して、SP(100N)の場合と同一調整は完全に最適ではないが、それでも非常に重要な低減をもたらした。様々なレベルの入力によるこれらの実験は、振動を緩和するこの方法の頑健さを示している。
ケーブルの共振で長い励振(>30秒または約60サイクル)、次いで減衰。
ケーブルの共振で短い励振(<5秒または10サイクル)、次いで減衰。
非常に小さい振幅であるが全モードの励振に対応する、全ての試験(またはケーブル構成)で同一質量(70Kg)の解放後の減衰の記録。本発明に係る装置を装備したケーブルの結果は、図7の下側の曲線に対応する。
ケーブルが到達する振幅レベルは自由ケーブルの振幅よりずっと小さいので、比較は両方の振幅が等しいとき(この場合は35mm)にだけ行うことができる(図7)。
減衰はここでは、減衰がケーブルのどこにでも存在することを示すために、ケーブルの中間スパンで測定される。その場合、主に1次モードのみの見かけの減衰が得られる。各システムの第1共振振動数で10サイクルの短時間の励振後の結果は次の通りである(図7)。
図15は本発明に係る装置の可能な実施形態を示す。図15は、振動の問題にさらされる緊張ケーブルに設置することのできる装置設計を示す。受動装置は緊張ケーブルに垂直に取り付けられる。図示する通り、装置と緊張ケーブルの交差によって形成される角度は約90度である。装置の作動は、緊張ケーブルがスイッチ位置を超えたときに発生する。本発明に係る装置は、鋼製クラウン(steel crown)(1)および鍛造鋼製アイボルト(2)を介して緊張ケーブルに取り付けられる。装置はまた、2つの鋼製円板(3)およびニチノールワイヤ取付けのための立方体の鋼製部品(4)を含むそれぞれ2つのねじの間に架設されたニチノール(7)の細いワイヤをも備える。ねじの1つは緊張ケーブルに接続される(上側のねじ)一方、もう1つ(下側のねじ)は橋の床版に連結される。下側のねじは、ねじ緊張材(6)に接続された鍛造アイボルト(2)を介して、橋の床版に接続される。最後に、ねじ緊張材(6)が長い鋼製ボルト(5)を介して橋の床版に接続される。
Claims (15)
- 片側ばねまたは形状記憶合金ワイヤを備えた装置を取付け位置で緊張ケーブルに垂直に取り付けることを含む、緊張ケーブルを振動から保護するための受動的方法であって、
式(1):
SP(Aopt)=Aopt(1−2/(1+Rk))
によって決定されたスイッチ位置(SP)を振動する緊張ケーブルが越えたときにだけ、前記装置が前記緊張ケーブルに作用し、
・Aoptは、装置がSPoptで最適化された状態で緊張ケーブルが到達する振幅であり、
・Rkは、装置付きの緊張ケーブル(Kssi)と片側ばね無しの緊張ケーブル(Kcable)との間の動的剛性比であり、
Rkは、ケーブルのみの共振振動数fc(i)および恒久的に接続されたケーブルの振動数f(c+s)(i)を測定することによって、決定することができ、
Rkは、式(2):
Rk=(f(c+s)(i)/f(c)(i))2
または、式(3):
Rk=1+ks・sin(i・π・ap/L)2/k(c)(i)
のいずれかによって定められ、Ksは、前記片側ばねの剛性または前記形状記憶合金ワイヤのオーステナイト相の剛性であり、iは共振モード数に対応し、Lはケーブル長であり、apは前記装置の取付け位置であることを特徴とする方法。 - 前記緊張ケーブルへの前記装置の取付け位置は0.05×Lから0.25×Lの範囲内にあり、Lは前記緊張ケーブルの長さを表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記装置の取付け位置は0.10×Lから0.20×Lの範囲内にあり、Lは前記緊張ケーブルの長さを表すことを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 前記装置の取付け位置は0.15×Lであり、Lは前記緊張ケーブルの長さを表すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記緊張ケーブルへの前記装置の取付け位置は、緩和される振動の面内に位置することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記装置は形状記憶合金ワイヤを備え、前記形状記憶合金は好ましくはニッケルおよびチタンの金属合金であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属合金にニッケルおよびチタンが均等な原子百分率で存在することを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 橋などの構築物の緊張ケーブルを振動から保護するための装置であって、前記緊張ケーブルに垂直に取り付けられ、且つ、前記緊張ケーブルに対し恒久的に作用しない片側ばね又は形状記憶合金ワイヤを備えたことを特徴とする装置。
- 前記片側ばねの各端に接続された2つのスターラップをさらに備え、第1のスターラップは下側スターラップであり、前記構築物または地面に接続され、第2のスターラップは上側スターラップであり、前記緊張ケーブルに接続されることを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記上側スターラップは剛性固定装置を介して前記緊張ケーブルに接続されることを特徴とする請求項8または9に記載の装置。
- 間隙調整用のねじ機構をさらに備えたことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか一項に記載の装置。
- 前記下側スターラップは、前記間隙調整用のねじ機構を介して、地面または前記構築物に接続されることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置は形状記憶合金ワイヤを備え、前記形状記憶合金は好ましくはニッケルおよびチタンの金属合金であることを特徴とする請求項8乃至12のいずれか一項に記載の装置。
- ニッケルおよびチタンは前記金属合金に均等な原子百分率で存在することを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 風、雨、地震、または交通によって生じるような振動から緊張ケーブルを保護するための請求項8乃至14のいずれか一項に記載の装置の使用。
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