JP2017003089A - Rotational inertia mass device and vibration control structure including the same - Google Patents

Rotational inertia mass device and vibration control structure including the same Download PDF

Info

Publication number
JP2017003089A
JP2017003089A JP2015120458A JP2015120458A JP2017003089A JP 2017003089 A JP2017003089 A JP 2017003089A JP 2015120458 A JP2015120458 A JP 2015120458A JP 2015120458 A JP2015120458 A JP 2015120458A JP 2017003089 A JP2017003089 A JP 2017003089A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
displacement
nonlinear
rotational
inertia mass
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2015120458A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6493754B2 (en
Inventor
宏一 渡辺
Koichi Watanabe
宏一 渡辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimizu Construction Co Ltd
Shimizu Corp
Original Assignee
Shimizu Construction Co Ltd
Shimizu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shimizu Construction Co Ltd, Shimizu Corp filed Critical Shimizu Construction Co Ltd
Priority to JP2015120458A priority Critical patent/JP6493754B2/en
Publication of JP2017003089A publication Critical patent/JP2017003089A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6493754B2 publication Critical patent/JP6493754B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Vibration Dampers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotational inertia mass device capable of effectively avoiding resonance phenomenon due to input of periodic vibration energy, and a vibration control structure including the rotary inertia mass device.SOLUTION: A rotational inertia mass device includes a displacement dependence type adjustment mechanism 2 configured to change rigidity according to displacement, and adjusts rigidity by the displacement dependence type adjustment mechanism 2 when periodic vibration energy is input, so that a natural period changes. Also, the displacement dependence type adjustment mechanism 2 includes a nonlinear rotational inertia element 4 and strong nonlinear rigidity element 3, and the nonlinearities of the nonlinear rotational inertia element 4 and the strong linear rigidity element 3 are dependent on displacement.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、回転慣性質量装置及びこれを備えた制振構造物に関する。   The present invention relates to a rotary inertia mass device and a vibration control structure including the same.

長周期地震動などが作用して共振が生じると、構造物に大きな応答が発生する。このため、従来、マンションやオフィスビルなどの建物(構造物)では、建物内に制振ダンパーを設置し、この制振ダンパーで地震時に作用した地震エネルギー(振動エネルギー)を吸収・減衰させ、建物の応答を低減させるようにしている。また、このような制振ダンパーには、鋼材等の降伏耐力やすべり材の摩擦抵抗を利用した履歴系ダンパー、粘性体の粘性抵抗を利用したオイルダンパーなどの粘性系ダンパー、粘弾性体のせん断抵抗を利用した粘弾性系ダンパーが多用されている。   When resonance occurs due to long-period ground motion, etc., a large response occurs in the structure. For this reason, in the past, buildings (structures) such as condominiums and office buildings have vibration damping dampers installed in the buildings, and this vibration damping damper absorbs and attenuates the seismic energy (vibration energy) that acts during an earthquake. To reduce the response. Such damping dampers include hysteresis dampers that use the yield strength of steel and frictional resistance of sliding materials, viscous dampers such as oil dampers that use the viscous resistance of viscous materials, and shearing of viscoelastic materials. Viscoelastic dampers using resistance are often used.

ここで、図25は周期的な外力を受ける建物についてのシミュレーション結果(共振曲線)であり、横軸は固有周期に対する入力波(正弦波)の振動数の比率、縦軸は動的解析結果の変位を、静的に荷重1を加えたときの変位で基準化した動的応答倍率を示している。また、図中の3つの曲線のうち、中央の曲線は、構造物の諸元をm(質量)=1、k(剛性)=1、c(減衰係数)=0.04(減衰h=c/(2√(mk)=0.02に相当)とした基本モデルのシミュレーション結果を示している。基本モデルの左側の曲線は、基本モデルに対して質量を増やした場合(m=4)、右側の曲線は剛性を増やした場合(k=9)の結果を示している。   Here, FIG. 25 is a simulation result (resonance curve) for a building that receives a periodic external force, the horizontal axis is the ratio of the frequency of the input wave (sine wave) to the natural period, and the vertical axis is the dynamic analysis result. The dynamic response magnification which normalized the displacement with the displacement when the load 1 is applied statically is shown. In addition, among the three curves in the figure, the center curve indicates the dimensions of the structure m (mass) = 1, k (rigidity) = 1, c (damping coefficient) = 0.04 (damping h = c). /(2√(mk)=0.02) The simulation result of the basic model is shown in the left curve of the basic model when the mass is increased with respect to the basic model (m = 4). The curve on the right shows the result when the stiffness is increased (k = 9).

この図25から、線形範囲では共振すると大きな動的応答倍率になることが確認された。これに対し、制振ダンパーを増やし減衰hを増やせばピークを抑えることが可能である。しかしながら、共振点のピークが1/(2h)で決まるため、非常に多くの制振ダンパーを設置・増設することが必要になり、現実的には設置スペースなどの関係で共振現象を回避できるほどに減衰を増やすことが難しいケースも多い。   From FIG. 25, it was confirmed that a large dynamic response magnification is obtained when resonating in the linear range. On the other hand, if the damping damper is increased and the attenuation h is increased, the peak can be suppressed. However, since the peak of the resonance point is determined by 1 / (2h), it is necessary to install and add a very large number of damping dampers. In reality, the resonance phenomenon can be avoided due to the installation space and the like. In many cases, it is difficult to increase the attenuation.

一方、建物の地震時応答を低減させるための他の手段として、TMD(Tuned Mass Damper)と称する制振装置を建物の頂部側(屋上など)に設置することも提案、実用化されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。   On the other hand, as another means for reducing the earthquake response of the building, it has been proposed and put into practical use that a damping device called TMD (Tuned Mass Damper) is installed on the top side of the building (such as the rooftop) ( For example, see Patent Document 1 and Patent Document 2).

具体的に、TMDは、建物の1次固有周期と同調させた付加質量が建物の振動と逆方向に振動することにより、建物に作用した地震エネルギーをTMD側に移動させ、建物の応答を低減させることができる。   Specifically, TMD reduces the response of the building by moving the seismic energy acting on the building to the TMD side when the added mass synchronized with the primary natural period of the building vibrates in the direction opposite to that of the building. Can be made.

また、免震装置を設置し、建物などの構造物の1次固有周期を長周期側にずらすことによって応答を低減する手法も多用されている(例えば、特許文献3参照)。   In addition, a method of reducing the response by installing a seismic isolation device and shifting the primary natural period of a structure such as a building to the long period side is often used (for example, see Patent Document 3).

特開2000−18323号公報JP 2000-18323 A 特開2011−220511号公報JP 2011-220511 A 特開2010−070909号公報JP 2010-070909 A

しかしながら、TMDを制振装置として建物の屋上などに設置して共振を抑えるためには、建物全体の1%程度の付加質量が必要になり、広いスペースを屋上に確保する必要があるなどの制約も多い。
さらに、2方向で異なる固有周期を有する建物に適用する場合には、各方向で異なる同調周期を有するTMDが必要になるなどのデメリットもある。
However, in order to suppress the resonance by installing TMD as a vibration control device on the roof of a building, an additional mass of about 1% of the entire building is required, and it is necessary to secure a large space on the roof. There are also many.
Furthermore, when applied to a building having different natural periods in two directions, there is a demerit that a TMD having different tuning periods in each direction is required.

また、免震構造物においては、軟弱地盤上や盆地など、地震時に長周期成分波が長時間継続するような場合の共振に対する検討も必要になる。   In addition, in seismic isolation structures, it is necessary to study resonance when long-period component waves continue for a long time during an earthquake, such as on soft ground or in a basin.

本発明は、上記事情に鑑み、周期的な振動エネルギーの入力による共振現象を効果的に回避することを可能にする回転慣性質量装置及びこれを備えた制振構造物を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a rotary inertia mass device that can effectively avoid a resonance phenomenon caused by the input of periodic vibration energy and a damping structure including the same. To do.

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。   In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.

本発明の回転慣性質量装置は、直線運動を回転運動に変換する立体カム機構を備え、該立体カム機構によって変位と回転慣性質量効果の関係が非線形性を有することを特徴とする。   The rotary inertia mass device of the present invention includes a three-dimensional cam mechanism that converts linear motion into rotary motion, and the relationship between displacement and rotary inertia mass effect is nonlinear by the three-dimensional cam mechanism.

本発明の制振構造物は、上記の回転慣性質量装置を備え、変位に応じて固有周期が変化するように構成されていることを特徴とする。   The vibration damping structure of the present invention includes the above-described rotary inertia mass device, and is configured such that the natural period changes according to the displacement.

また、本発明の制振構造物においては、上記の回転慣性質量装置と、変位に応じて剛性が変化する可変剛性装置とを備えて構成されていることが望ましい。   Moreover, it is desirable that the vibration damping structure of the present invention includes the rotary inertia mass device described above and a variable stiffness device whose stiffness changes according to displacement.

本発明の回転慣性質量装置及び制振構造物によれば、周期的な振動エネルギーが入力された際に、非線形の回転慣性質量効果が発揮され、制振構造物の固有周期を変化させることができる。これにより、周期的な振動エネルギーの入力による共振現象を効果的に回避することが可能になる。   According to the rotational inertial mass device and the vibration damping structure of the present invention, when periodic vibration energy is input, a nonlinear rotational inertial mass effect is exhibited, and the natural period of the vibration damping structure can be changed. it can. Thereby, it is possible to effectively avoid the resonance phenomenon caused by the input of periodic vibration energy.

本発明の一実施形態に係る制振構造物のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the damping structure which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る制振構造物の共振曲線の一例を示す図であり、図3のタイプ1の共振曲線を示す図である。It is a figure which shows an example of the resonance curve of the damping structure which concerns on one Embodiment of this invention, and is a figure which shows the resonance curve of the type 1 of FIG. 強非線形剛性要素と非線形回転慣性要素の質量変動分の変位依存の設定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a displacement dependence setting for the mass fluctuation | variation of a strong nonlinear rigidity element and a nonlinear rotational inertia element. 図3のタイプ2の共振曲線を示す図である。It is a figure which shows the resonance curve of the type 2 of FIG. 図3のタイプ3の共振曲線を示す図である。It is a figure which shows the resonance curve of the type 3 of FIG. Duffing方程式の共振曲線を示す図である。It is a figure which shows the resonance curve of a Duffing equation. 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置)を示す図であり、可変慣性質量体が回動して開いた状態を示す図である。It is a figure which shows the nonlinear rotational inertia element (nonlinear rotational inertial mass apparatus) of the 1st example which concerns on one Embodiment of this invention, and is a figure which shows the state which the variable inertial mass body rotated and opened. 図7のX1−X1線矢視図である。FIG. 8 is a view taken along line X1-X1 in FIG. 7. 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置)を示す図であり、可変慣性質量体が閉じた状態を示す図である。It is a figure which shows the nonlinear rotational inertia element (nonlinear rotational inertial mass apparatus) of the 1st example which concerns on one Embodiment of this invention, and is a figure which shows the state which the variable inertial mass body closed. 図9のX1−X1線矢視図である。FIG. 10 is a view taken along line X1-X1 in FIG. 9. 本発明の一実施形態に係る第一例の非線形回転慣性要素の立体カム機構(直線運動変換機構)のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the solid cam mechanism (linear motion conversion mechanism) of the nonlinear rotating inertial element of the 1st example which concerns on one Embodiment of this invention. 回転慣性質量の変動分と軸方向変位の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fluctuation | variation part of rotational inertial mass, and an axial displacement. 可変回転慣性質量の変動分とリニアスライダーの水平方向変位の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the variation | change_quantity of a variable rotation inertial mass, and the horizontal direction displacement of a linear slider. 図3のタイプ1に対応した非線形回転慣性要素のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the nonlinear rotation inertia element corresponding to the type 1 of FIG. 図3のタイプ2、3に対応した非線形回転慣性要素のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the nonlinear rotation inertia element corresponding to the types 2 and 3 of FIG. 本発明の一実施形態に係る第二例の非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置)を示す図である。It is a figure which shows the nonlinear rotational inertia element (nonlinear rotational inertia mass apparatus) of the 2nd example which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る強非線形剛性要素(可変剛性装置)を示す図である。It is a figure which shows the strong nonlinear rigidity element (variable rigidity apparatus) which concerns on one Embodiment of this invention. 皿バネ単体の復元力特性を示す図である。It is a figure which shows the restoring force characteristic of a disk spring single-piece | unit. 本発明の一実施形態に係る強非線形剛性要素の立体カム機構(直線運動変換機構)のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the solid cam mechanism (linear motion conversion mechanism) of the strong nonlinear rigidity element which concerns on one Embodiment of this invention. 発生する荷重と軸方向変位の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the load and axial displacement which generate | occur | produce. ねじ溝のピッチを決定する説明で用いた図である。It is the figure used in description which determines the pitch of a thread groove. 図3のタイプ1に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the strong nonlinear rigidity element corresponding to the type 1 of FIG. 図3のタイプ2に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the strong nonlinear rigidity element corresponding to the type 2 of FIG. 図3のタイプ3に対応した強非線形剛性要素のカム溝の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the cam groove of the strong nonlinear rigidity element corresponding to the type 3 of FIG. 線形モデルの共振曲線を示す図である。It is a figure which shows the resonance curve of a linear model.

以下、図1から図25を参照し、本発明の一実施形態に係る回転慣性質量装置及びこれを備えた制振構造物について説明する。   Hereinafter, a rotary inertia mass device according to an embodiment of the present invention and a damping structure including the same will be described with reference to FIGS. 1 to 25.

はじめに、本実施形態の制振構造物(制震構造物)は、地震エネルギーなどの振動エネルギーが作用して変位した際に、この変位に応じて剛性を調節(調整)して固有周期(固有周期)を変化させ、周期的な振動エネルギーの入力に対する構造物の共振現象を回避するように構成されている。   First, when the vibration damping structure (damping structure) of the present embodiment is displaced by vibration energy such as seismic energy, the rigidity is adjusted (adjusted) according to the displacement and the natural period (natural vibration) The period is changed, and the resonance phenomenon of the structure with respect to the input of the periodic vibration energy is avoided.

そして、本実施形態の制振構造物1は、図1に示すように、変位に応じて剛性と回転慣性質量を変化させる変位依存型調節機構2を備え、本実施形態の変位依存型調節機構2は、非線形性が変位に依存する強非線形剛性要素(Fk)3と非線形回転慣性要素(Fm)4とを備えて構成されている。   And the damping structure 1 of this embodiment is provided with the displacement dependence type | mold adjustment mechanism 2 which changes rigidity and rotational inertial mass according to a displacement, as shown in FIG. 2 includes a strongly nonlinear stiffness element (Fk) 3 whose nonlinearity depends on displacement and a nonlinear rotational inertia element (Fm) 4.

すなわち、本実施形態の制振構造物1においては、図25に示した前述の基本モデルに強非線形剛性要素3と非線形回転慣性要素4を備えた変位依存型調節機構2を追加することで、図25に示した線形モデルの共振曲線の形状を図2のように折り曲げるように変化させた共振特性を与え、周期的な振動エネルギーが入力された場合に最も小さい動的応答倍率までしか共振が発生しないようにしている。   That is, in the vibration damping structure 1 of the present embodiment, by adding the displacement-dependent adjusting mechanism 2 including the strong nonlinear stiffness element 3 and the nonlinear rotational inertia element 4 to the above-described basic model shown in FIG. Resonance characteristics are obtained by changing the shape of the resonance curve of the linear model shown in FIG. 25 so as to be bent as shown in FIG. 2, and when the periodic vibration energy is input, the resonance is caused only to the smallest dynamic response magnification. It does not occur.

ここで、図3に、変位依存型調節機構2の強非線形剛性要素3と非線形回転慣性要素4の質量変動分の変位依存の設定例を示す。   Here, FIG. 3 shows a displacement-dependent setting example of the mass fluctuation of the strong nonlinear stiffness element 3 and the nonlinear rotational inertia element 4 of the displacement dependent adjustment mechanism 2.

この図3において、横軸は変位(基本モデルの静的変位で基準化したもの)を示している。また、強非線形剛性要素3に関する図の縦軸は、発生する荷重(Fk)を示し、非線形回転慣性要素4に関する図の縦軸は、非線形回転慣性要素4の質量変動分(Ma)を示している。   In FIG. 3, the horizontal axis indicates the displacement (standardized by the static displacement of the basic model). Further, the vertical axis of the diagram related to the strong nonlinear stiffness element 3 represents the generated load (Fk), and the vertical axis of the diagram related to the nonlinear rotational inertia element 4 represents the mass fluctuation (Ma) of the nonlinear rotational inertia element 4. Yes.

そして、本実施形態の制振構造物1では、変位依存型調節機構2を設け、図3に示す次の(a)、(b)の変位依存曲線の特徴を備えるようにする。   And in the damping structure 1 of this embodiment, the displacement dependence type | mold adjustment mechanism 2 is provided, and it is made to have the characteristic of the displacement dependence curve of following (a), (b) shown in FIG.

(a)強非線形剛性要素3は、初期段階で機能していないが、図3中の変位Ugで示した途中からその機能が発揮され始め、変位Upで大きな値fpに達する。なお、それ以降、ゼロまで荷重が低下するケース、機能をfpで維持するケース、変位Upでの割線剛性で荷重を増やすケースなどに分かれる。   (A) Although the strong nonlinear stiffness element 3 does not function at the initial stage, the function starts to be exerted from the middle indicated by the displacement Ug in FIG. 3 and reaches a large value fp at the displacement Up. Thereafter, there are a case where the load drops to zero, a case where the function is maintained at fp, a case where the load is increased due to secant rigidity at the displacement Up, and the like.

(b)非線形回転慣性要素4は、初期段階で十分に機能し(最大値ma)、図3中の変位Ugで示した途中からその機能が低下し、変位Upで最小値(図3中では0とした)となる。なお、それ以降、元の機能を回復するケース、最小値を維持するケースなどに分かれる。   (B) The nonlinear rotational inertia element 4 functions sufficiently at the initial stage (maximum value ma), and its function is reduced from the middle indicated by the displacement Ug in FIG. 3, and the minimum value (in FIG. 0). After that, there are cases where the original function is restored and cases where the minimum value is maintained.

言い換えれば、本実施形態の制振構造物1は、変位が小さいときに、相対的に強非線形剛性要素3の作用が小、非線形回転慣性要素4の作用が大となり、変位がある値(Up(Up付近)まで大きくなると、強非線形剛性要素3の作用が大、非線形回転慣性要素4の作用が小となるように構成されている。   In other words, in the vibration damping structure 1 of the present embodiment, when the displacement is small, the action of the strong nonlinear stiffness element 3 is relatively small, the action of the nonlinear rotational inertia element 4 is large, and the displacement has a certain value (Up When it becomes large (near Up), the action of the strong nonlinear stiffness element 3 is large, and the action of the nonlinear rotational inertia element 4 is small.

このような(a)、(b)の個々の特徴を備えることにより、また、これら特徴を合わせて備えることにより、変位がUg以下では、図25に示した基本モデルと比較し、構造物が長周期化する。また、変位がUgからUpに増大するとき、構造物全体の瞬間的な固有周期が急激に短くなる。つまり、長周期構造物から短周期構造物に振動特性が急激に変化する。   By providing each of the features (a) and (b) as described above, and by providing these features together, if the displacement is Ug or less, the structure is compared with the basic model shown in FIG. Longer period. Further, when the displacement increases from Ug to Up, the instantaneous natural period of the entire structure is rapidly shortened. That is, the vibration characteristics change abruptly from the long-period structure to the short-period structure.

なお。本実施形態では図3に示すタイプ1、タイプ2、タイプ3に示した区分3次曲線を用いているが、変位によって構造物の固有周期(固有振動数)を変化させることが可能であれば、変位−荷重関係や変位−回転慣性質量の質量変動関係が直線、階段的、2次曲線等の特性であっても構わない。   Note that. In this embodiment, the segmented cubic curves shown in type 1, type 2, and type 3 shown in FIG. 3 are used. However, if the natural period (natural frequency) of the structure can be changed by displacement, The displacement-load relationship and the displacement-rotation inertial mass variation relationship may be linear, stepwise, quadratic or the like.

そして、上記のような強非線形剛性要素3と非線形回転慣性要素4を構成要素とした変位依存型調節機構2を設け、図3のタイプ1の特性を備えた場合の共振曲線のシミュレーション結果を図2に、タイプ2の特性を備えた場合のシミュレーション結果を図4に、タイプ3の特性を備えた場合のシミュレーション結果を図5に示す。   Then, the displacement-dependent adjustment mechanism 2 including the strong nonlinear stiffness element 3 and the nonlinear rotational inertia element 4 as described above is provided, and the simulation result of the resonance curve when the type 1 characteristic of FIG. FIG. 4 shows the simulation results when the characteristics of type 2 are provided, and FIG. 5 shows the simulation results when the characteristics of type 3 are provided.

これら図2、図4、図5において、実線が安定周期解、破線が不安定周期解を示している。なお、通常は安定周期解に応答値が収れんする。   2, 4, and 5, the solid line indicates the stable periodic solution, and the broken line indicates the unstable periodic solution. Note that the response value usually converges to the stable periodic solution.

また、強非線形構造物の場合には共振曲線に分岐現象が発生することが知られ、図2、図4、図5では、○がサドルノード分岐、●がピッチフォーク分岐、◎が倍周期分岐点となっている。   In the case of a strongly nonlinear structure, it is known that a branching phenomenon occurs in the resonance curve. In FIGS. 2, 4 and 5, ○ is a saddle node branch, ● is a pitch fork branch, and ◎ is a double period branch. It has become a point.

そして、1つの振動数比に対して複数の安定周期解がある場合には、初期条件によって、収れんする周期解が決まる。   When there are a plurality of stable periodic solutions for one frequency ratio, the periodic solution to be converged is determined by the initial conditions.

すなわち、構造物が静止した状態を初期値にした場合には、最も動的応答倍率が小さい周期解に収れんする。具体的に、図2では、安定周期解がおおむね(1)、(2)、(3)、(4)で示す領域に区分でき、静止状態を初期値にした場合には、(1)及び(2)の領域に収れんする。
これにより、図25に示した線形モデルと比較し、本実施形態の制振構造物1においては大幅に動的応答倍率が抑制できることが確認された。
That is, when the state where the structure is stationary is set to the initial value, it converges to the periodic solution with the smallest dynamic response magnification. Specifically, in FIG. 2, the stable periodic solution can be roughly divided into regions indicated by (1), (2), (3), and (4). Converge in the area of (2).
Thereby, it was confirmed that the dynamic response magnification can be significantly suppressed in the vibration damping structure 1 of the present embodiment as compared with the linear model shown in FIG.

また、(2)では分岐が発生して若干動的応答倍率が大きくなっている領域もあるが、動的応答倍率は2以下であり、優れた応答低減効果が得られることが確認された。   Further, in (2), there is a region where the dynamic response magnification is slightly increased due to branching, but the dynamic response magnification is 2 or less, and it was confirmed that an excellent response reduction effect was obtained.

(4)の領域では多数の分岐現象が発生するが、構造物が静止した状態を初期値とした場合には(4)の領域まで応答倍率が増えることはないため無視できる。   Many branching phenomena occur in the area (4), but if the initial state is a state in which the structure is stationary, the response magnification does not increase to the area (4) and can be ignored.

一方、高振動数へのスイープ加振の場合には、(2)の領域から(3)の領域に入っていき動的応答倍率が漸次増加するが、振動数比β=2.5付近で(1)の領域に飛び移ることで応答倍率は激減する。これにより、静止状態から(4)の領域に収れんするような状況になる可能性は非常に低い。また、大きな初期値を与えた場合には(3)、(4)の領域に収れんする可能性も考えられるが、(3)、(4)の領域よりも(1)、(2)の領域の方が安定性が高いため、この場合においても僅かな外乱で(1)、(2)の周期解まで応答が低減する。   On the other hand, in the case of sweep excitation to a high frequency, the dynamic response magnification gradually increases from the region (2) to the region (3), but the frequency ratio β is around 2.5. By jumping to the area (1), the response magnification is drastically reduced. As a result, there is a very low possibility that the situation will converge from the stationary state to the region (4). In addition, when a large initial value is given, there is a possibility of being converged in the areas (3) and (4), but the areas (1) and (2) are more than the areas (3) and (4). Since the stability is higher, the response is reduced to the periodic solutions (1) and (2) with a slight disturbance even in this case.

次に、タイプ2では、図4に示すように、(4)に対応する領域の勾配が大きいため、(4)に共振する振動数範囲が狭くなっている。また、タイプ3では、図5に示すように、共振域が振動数比β=3付近に限定されている。   Next, in type 2, as shown in FIG. 4, since the gradient of the region corresponding to (4) is large, the frequency range that resonates in (4) is narrow. In type 3, as shown in FIG. 5, the resonance range is limited to the vicinity of the frequency ratio β = 3.

なお、タイプ3では、図25に示した線形モデルのk=9のケースと比較すると、振動数比β=3付近の共振曲線が似通っているが、線形モデルでは振動数比β=3で加振すると共振曲線のピークまで共振するのに対し、タイプ3では(1)の領域(図中ではほとんどゼロ)に収れんするという点が決定的に異なっている。   In Type 3, compared with the case of k = 9 in the linear model shown in FIG. 25, the resonance curve in the vicinity of the frequency ratio β = 3 is similar, but in the linear model, it is added at the frequency ratio β = 3. Resonating to the peak of the resonance curve when shaken, the type 3 is decisively different in that it converges in the region (1) (almost zero in the figure).

ここで、次の式(1)のDuffing方程式は線形運動方程式にαωの項を追加した力学系であり、周知の式である。なお、ωはω=√(k/m)、hは構造物の減衰(h=c/2√(mk))、αは構造物の非線形ばね定数、pは外力倍率、βは構造物のωに対する強制外力の振動数比、mは構造物の質量、cは構造物の減衰係数、kは構造物の剛性である。 Here, the Duffing equation of the following equation (1) is a dynamic system in which a term of αω 2 × 3 is added to the linear motion equation, and is a well-known equation. Ω is ω = √ (k / m), h is the damping of the structure (h = c / 2√ (mk)), α is the nonlinear spring constant of the structure, p is the external force magnification, β is the structure The frequency ratio of forced external force to ω, m is the mass of the structure, c is the damping coefficient of the structure, and k is the rigidity of the structure.

Figure 2017003089
Figure 2017003089

そして、図6(a)は、この式(1)による共振曲線の例を示している。また、図6(b)は、参考文献1(渡辺宏一,中井正一:強非線形を有する1自由度系の振動特性に関する検討、日本建築学会(近畿)、2014年9月14日)に示された降伏を考慮したDuffing方程式による共振曲線である。   FIG. 6A shows an example of a resonance curve according to the equation (1). FIG. 6B is shown in Reference Document 1 (Koichi Watanabe, Shoichi Nakai: Study on vibration characteristics of one-degree-of-freedom system having strong nonlinearity, Architectural Institute of Japan (Kinki), September 14, 2014). It is the resonance curve by the Duffing equation which considered the yielding which was done.

強非線形性を含む項を力学系に入れると、図6に示すように共振曲線が傾くことは多くの文献に記載れている周知の事実である。   It is a well-known fact described in many documents that the resonance curve is inclined as shown in FIG. 6 when a term including strong nonlinearity is included in the dynamical system.

また、共振曲線が傾いた場合には、同じ振動数比βに対して複数の周期解があること、どの周期解に収れんするかは構造物の初期状態に依存すること、初期値が静止状態のときは最も動的応答倍率が小さい周期解に収れんすることも知られている。   Also, when the resonance curve is tilted, there are multiple periodic solutions for the same frequency ratio β, which periodic solution is converged depends on the initial state of the structure, and the initial value is stationary In this case, it is also known that the dynamic response magnification converges to the periodic solution.

さらに、加振力の周期を変動させた場合(スイープ加振)、高振動数側にスイープさせると、図6におけるD→Aに移行して動的応答倍率が増加し、低振動数側にスイープさせると、C→E→Dと異なる経路をたどることも知られている。   Further, when the period of the excitation force is changed (sweep excitation), if the sweep is made to the high frequency side, the dynamic response magnification is increased from D → A in FIG. 6 to the low frequency side. It is also known that when the sweep is performed, a path different from C → E → D is followed.

また、上記の参考文献1に記載のように、硬化型復元力特性を有する強非線形剛性要素3に降伏を考慮することは装置(2)の周りの設計を考えた場合に当然に最初に検討される項目である。   In addition, as described in Reference 1 above, considering the yield in the strong nonlinear stiffness element 3 having a hardening-type restoring force characteristic is naturally considered first when the design around the device (2) is considered. Is the item to be.

一方、参考文献1に示されるように、図6におけるE付近の振動数において初期値がゼロでない場合にDに収れんし、動的応答倍率が増大してしまうケースがある。   On the other hand, as shown in Reference Document 1, when the initial value is not zero at the frequency near E in FIG. 6, there is a case where it converges to D and the dynamic response magnification increases.

これに対し、本実施形態の制振構造物1、変位依存型調節機構2においては、非線形回転慣性要素(本実施形態の回転慣性質量装置/可変慣性質量装置)4を組み込むことで、E点の位置を長周期側(振動数比βが小さくなる方向)にずらすようにしている。   On the other hand, in the vibration damping structure 1 and the displacement dependent adjustment mechanism 2 of the present embodiment, by incorporating the nonlinear rotational inertia element (rotational inertial mass device / variable inertial mass device of the present embodiment) 4, point E Is shifted to the long period side (the direction in which the frequency ratio β decreases).

すなわち、非線形回転慣性要素4を組み込むと、動的応答倍率が小さい図2の(1)の領域部分を長周期側まで食い込むように拡大させることができる。また、図3のタイプ3では、共振する可能性が高い振動数を狭い範囲(図5の(4))に限定することができ、且つその共振現象が発生する可能性を著しく低くすることができる。   That is, when the nonlinear rotational inertia element 4 is incorporated, the area portion of (1) in FIG. 2 having a small dynamic response magnification can be expanded to bite into the long period side. Further, in type 3 of FIG. 3, the frequency that is highly likely to resonate can be limited to a narrow range ((4) of FIG. 5), and the possibility of occurrence of the resonance phenomenon can be significantly reduced. it can.

したがって、本実施形態の制振構造物1においては、周期的な振動エネルギーが入力された際に、非線形の回転慣性質量効果が発揮され、制振構造物1の固有周期を変化させることができる。これにより、周期的な振動エネルギーの入力による共振現象を効果的に回避することが可能になる。また、特に構造物1の固有周期に近い周期荷重が長時間作用する場合に有効である。   Therefore, in the damping structure 1 of the present embodiment, when periodic vibration energy is input, a nonlinear rotational inertia mass effect is exhibited, and the natural period of the damping structure 1 can be changed. . Thereby, it is possible to effectively avoid the resonance phenomenon caused by the input of periodic vibration energy. This is particularly effective when a cyclic load close to the natural period of the structure 1 acts for a long time.

そして、このような特徴を有する本実施形態の変位依存型調節機構2(可変慣性質量装置4、可変剛性装置3)は、免震構造物への適用が効果的であり、免震層に本実施形態の変位依存型調節機構2を付加することにより、地震時に長周期成分の加振が多数繰り返された場合にも共振を抑制することが可能になる。また、大地震時のストッパー装置の替わりに設置することも可能である。   The displacement-dependent adjusting mechanism 2 (variable inertial mass device 4 and variable stiffness device 3) of this embodiment having such characteristics is effective when applied to a seismic isolation structure. By adding the displacement-dependent adjustment mechanism 2 of the embodiment, it is possible to suppress resonance even when a large number of long-period components are repeatedly excited during an earthquake. It can also be installed instead of a stopper device in the event of a large earthquake.

また、免震構造物以外に本実施形態の変位依存型調節機構2を付加した場合には、従来のように制振ダンパーを多数設置しなくても共振を抑制することができる。   Further, when the displacement-dependent adjusting mechanism 2 of the present embodiment is added in addition to the seismic isolation structure, resonance can be suppressed without installing many damping dampers as in the prior art.

さらに、機械振動や鉄道走行時振動など、特定振動数成分を多く含む複数回の加振が想定される場合に本実施形態の変位依存型調節機構2を付加することにより共振現象を効果的に抑えることができる。   Furthermore, when a plurality of vibrations including a large number of specific frequency components, such as mechanical vibrations and vibrations during railway running, are assumed, the displacement-dependent adjustment mechanism 2 of this embodiment is added to effectively resonate the resonance phenomenon. Can be suppressed.

また、大型振動台等の加振源の基礎部分に本実施形態の変位依存型調節機構2を付加することで、周辺地盤の共振を抑制できる。さらに、強風を受ける構造物や橋梁の共振抑制に適用するも可能である。   Moreover, the resonance of the surrounding ground can be suppressed by adding the displacement-dependent adjustment mechanism 2 of the present embodiment to the basic portion of the excitation source such as a large shaking table. Furthermore, the present invention can be applied to the suppression of resonance of structures and bridges that receive strong winds.

ここで、強非線形剛性要素3、非線形回転慣性要素4の具体例について説明する。   Here, specific examples of the strong nonlinear stiffness element 3 and the nonlinear rotational inertia element 4 will be described.

はじめに、本実施形態の第一例の非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置/可変慣性質量装置)4は、変位に応じて回転慣性質量効果を大小変化させることが可能な回転慣性質量装置、言い換えれば、非線形の回転慣性特性を有する回転慣性質量装置であり、図7から図10に示すように、回転慣性質量機構5と非線形特性調節機構(回転慣性質量可変機構)6とを備えて構成されている。   First, the nonlinear rotational inertial element (nonlinear rotational inertial mass device / variable inertial mass device) 4 of the first example of the present embodiment is a rotational inertial mass device capable of changing the rotational inertial mass effect depending on the displacement, In other words, it is a rotary inertia mass device having nonlinear rotational inertia characteristics, and includes a rotary inertia mass mechanism 5 and a nonlinear characteristic adjustment mechanism (rotational inertia mass variable mechanism) 6 as shown in FIGS. Has been.

回転慣性質量機構5は、中心軸線O1を装置の軸線O1と同軸上に配して設けられたねじ軸7と、ねじ軸7に螺着して配設された第1回転錘8とを備えている。   The rotary inertia mass mechanism 5 includes a screw shaft 7 provided with a central axis O1 coaxially arranged with the axis O1 of the apparatus, and a first rotary weight 8 screwed to the screw shaft 7. ing.

ねじ軸7は、その一端(基端)にボールジョイントやクレビスなどの連結部材9が取り付けられている。また、このねじ軸7には、その外周面に、第1回転錘8が螺着する第1ねじ溝(雄ネジ)10が形成され、且つ第1ねじ溝10よりも他端(先端)側の外周面に、後述の第2回転錘14が螺着する第2ねじ溝(雄ネジ)11が形成されている。さらに、第1ねじ溝10は、ねじピッチが小さく、密に形成されている。第2ねじ溝11は、第1ねじ溝10よりもネジピッチが大きく、疎に形成されている。   A connecting member 9 such as a ball joint or a clevis is attached to one end (base end) of the screw shaft 7. The screw shaft 7 has a first screw groove (male screw) 10 to which the first rotary weight 8 is screwed on the outer peripheral surface thereof, and the other end (tip) side of the first screw groove 10. A second thread groove (male thread) 11 into which a later-described second rotary weight 14 is screwed is formed on the outer peripheral surface of the first thread. Further, the first screw groove 10 has a small screw pitch and is formed densely. The second screw groove 11 has a larger screw pitch than the first screw groove 10 and is formed sparsely.

また、回転慣性質量機構5は、ねじ軸7がケーシング12に軸線O1方向に進退自在に支持され、ケーシング12から一端側を外側に配し、第1ねじ溝10及び第2ねじ溝11が形成された部分をケーシング12内に配して設けられている。さらに、第1ねじ溝10に螺合した第1回転錘8がケーシング12内に配設されるとともに、略円盤状の第1回転錘8がその外周側をケーシング12に一体に取り付けられたベアリング13に回転可能に支持されて配設されている。   In the rotary inertia mass mechanism 5, the screw shaft 7 is supported by the casing 12 so as to be able to advance and retreat in the direction of the axis O1, and one end side is arranged outward from the casing 12 to form the first screw groove 10 and the second screw groove 11. This portion is provided in the casing 12. Further, a first rotating weight 8 screwed into the first screw groove 10 is disposed in the casing 12, and a substantially disc-shaped first rotating weight 8 is integrally attached to the casing 12 on the outer peripheral side thereof. 13 is rotatably supported and disposed.

これにより、この回転慣性質量機構5においては、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物1の変位に応じてねじ軸7が軸線O1方向に進退移動すると、このねじ軸7の進退に応じて密な第1ねじ溝10に螺着した第1回転錘8が回転し、この第1回転錘8の質量の数千倍もの慣性質量効果を発生させることができる。   As a result, in the rotary inertia mass mechanism 5, when the screw shaft 7 moves back and forth in the direction of the axis O1 in accordance with the displacement of the structure 1 caused by the action of vibration energy, The first rotating weight 8 screwed into the first thread groove 10 rotates, and an inertial mass effect several thousand times as large as the mass of the first rotating weight 8 can be generated.

非線形特性調節機構(回転慣性質量可変機構)6は、ねじ軸7の第2ねじ溝11に螺着して配設された第2回転錘14を備えている。   The nonlinear characteristic adjusting mechanism (rotational inertial mass variable mechanism) 6 includes a second rotating weight 14 that is screwed into the second screw groove 11 of the screw shaft 7.

これにより、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物1の変位に応じてねじ軸7が軸線O1方向に進退移動すると、このねじ軸7の進退に応じて第1回転錘8とともに第2ねじ溝11に螺着した第2回転錘14が回転する。   Thereby, when the screw shaft 7 moves forward and backward in the direction of the axis O1 according to the displacement of the structure 1 caused by the action of vibration energy, the second screw groove together with the first rotary weight 8 according to the advancement and retraction of the screw shaft 7. The second rotary weight 14 screwed to 11 rotates.

このとき、第1回転錘8が密な第1ねじ溝10に螺着して設けられ、第2回転錘14が疎な第2ねじ溝11に螺着して設けられているため、第1回転錘8は高速で回転し、第2回転錘14は低速で回転することになる。   At this time, the first rotary weight 8 is screwed into the dense first screw groove 10, and the second rotary weight 14 is screwed into the sparse second screw groove 11, so that the first The rotary weight 8 rotates at a high speed, and the second rotary weight 14 rotates at a low speed.

なお、第2回転錘14に対応する疎な第2ねじ溝11は、力の伝達を確実にするため、複数の溝(本実施形態では4本)を平行に配置して巻き数の不足を補うように構成されている。   The sparse second screw groove 11 corresponding to the second rotary weight 14 has a plurality of grooves (four in this embodiment) arranged in parallel to ensure the transmission of force, so that the number of turns is insufficient. It is configured to compensate.

また、非線形特性調節機構6は、第2回転錘14の回転運動を軸線O1方向に沿う直線運動に変換する直線運動変換機構15と、直線運動変換機構15が作用して回転質量効果を変化させる可変回転慣性質量機構16とを備えている。   Further, the nonlinear characteristic adjusting mechanism 6 changes the rotational mass effect by the action of the linear motion conversion mechanism 15 that converts the rotational motion of the second rotary weight 14 into the linear motion along the direction of the axis O1 and the linear motion conversion mechanism 15. And a variable rotation inertial mass mechanism 16.

本実施形態の直線運動変換機構15は、立体カム機構であり、円筒カム20と従動体21とを備えて構成されている。   The linear motion conversion mechanism 15 of the present embodiment is a three-dimensional cam mechanism, and includes a cylindrical cam 20 and a driven body 21.

円筒カム20は、外周面に一連のカム溝が形成されている。また、本実施形態の円筒カム20は、ねじ軸7を内孔に挿通し、互いの軸線O1を一致させつつ第2回転錘14の一部として形成されている。   The cylindrical cam 20 has a series of cam grooves formed on the outer peripheral surface. Further, the cylindrical cam 20 of the present embodiment is formed as a part of the second rotary weight 14 while the screw shaft 7 is inserted into the inner hole and the axis O1 is made coincident.

従動体21は、略円筒状に形成され、ケーシング12に一体に設けられたリニアスライダー22によって軸線O1方向に沿って進退自在に支持されている。また、この従動体21は、円筒カム20を内包するように同軸上に設けられ、且つ円筒カム20のカム溝に爪を係合させて設けられている。これにより、従動体21は、円筒カム20が軸線O1周りに回転するとともにカム溝に案内されて軸線O1方向に進退する。   The follower 21 is formed in a substantially cylindrical shape, and is supported by a linear slider 22 provided integrally with the casing 12 so as to be movable back and forth along the direction of the axis O1. The follower 21 is provided coaxially so as to contain the cylindrical cam 20, and is provided with a claw engaged with the cam groove of the cylindrical cam 20. As a result, the driven body 21 advances and retreats in the direction of the axis O1 as the cylindrical cam 20 rotates around the axis O1 and is guided by the cam groove.

すなわち、本実施形態の直線運動変換機構15においては、第2回転錘14(円筒カム20)の回転運動が従動体21の直線運動に変換される。   That is, in the linear motion conversion mechanism 15 of the present embodiment, the rotational motion of the second rotary weight 14 (cylindrical cam 20) is converted into the linear motion of the follower 21.

可変回転慣性質量機構16は、ラックピニオン23と可変慣性質量体27とを備えて構成されている。   The variable rotation inertial mass mechanism 16 includes a rack and pinion 23 and a variable inertial mass body 27.

ラックピニオン23は、第1回転錘8に軸線O1方向に進退自在に支持され、第1回転錘8とともに軸線O1周りに回転するラック24と、軸線O1に直交する方向に回転軸線を向け、第1回転錘8に回転軸線周りに回転可能に軸支された回転軸25と、回転軸25に一体に取り付けられるとともにラック24に噛合して設けられ、ラック24が進退する直線運動を回転軸25の回転運動に変換するピニオン26とを備えている。   The rack and pinion 23 is supported by the first rotary weight 8 so as to be able to advance and retreat in the direction of the axis O1. The rack and pinion 23 is rotated around the axis O1 together with the first rotary weight 8, and the rotation axis is directed in a direction perpendicular to the axis O1. A rotary shaft 25 rotatably supported around the rotation axis on the one-rotation weight 8 and a linear motion that is integrally attached to the rotary shaft 25 and meshed with the rack 24 so that the rack 24 advances and retreats. And a pinion 26 for converting into the rotational motion of

また、回転軸25には回転ばねなどの付勢手段が取り付けられ、常時一方向に回転させるように付勢されている。これにより、ピニオン26が一方向に付勢され、ラック24がねじ軸7の図7のB側に移動するように付勢されている。 Further, an urging means such as a rotation spring is attached to the rotating shaft 25 and is urged so as to always rotate in one direction. Thereby, the pinion 26 is urged in one direction, and the rack 24 is urged so as to move to the B side of the screw shaft 7 in FIG.

可変慣性質量体27は、一端をラックピニオン23の回転軸25に固着し、回転軸線に直交する方向に延設されている。   The variable inertia mass body 27 has one end fixed to the rotating shaft 25 of the rack and pinion 23 and extends in a direction perpendicular to the rotating axis.

上記構成からなる本実施形態の第一例の非線形回転慣性要素4の回転慣性質量装置においては、ねじ軸7が軸線O1方向に進退すると、第1回転錘8とともに第2回転錘14が回転し、立体カム機構の直線運動変換機構15の従動体21が第2回転錘14に連動して軸線O1方向に進退する。   In the rotary inertia mass device of the first example of the nonlinear rotary inertia element 4 having the above-described configuration, when the screw shaft 7 advances and retreats in the direction of the axis O1, the second rotary weight 14 and the first rotary weight 8 rotate. The follower 21 of the linear motion conversion mechanism 15 of the three-dimensional cam mechanism moves forward and backward in the direction of the axis O1 in conjunction with the second rotary weight 14.

そして、図7及び図8に示すように、従動体21がねじ軸7の図7のB側に移動すると、この従動体21が可変回転慣性質量機構16のラック24を押す力が弱くなるので、これとともに、ラックピニオン23の回転軸25が付勢手段によって回動し、可変慣性質量体27が回転軸線周りに回動して傘を開くように移動する。   7 and 8, when the driven body 21 moves to the B side of the screw shaft 7 in FIG. 7, the force that the driven body 21 pushes the rack 24 of the variable rotation inertial mass mechanism 16 becomes weaker. At the same time, the rotation shaft 25 of the rack and pinion 23 is rotated by the urging means, and the variable inertia mass body 27 is rotated around the rotation axis to move so as to open the umbrella.

また、図9及び図10に示すように、従動体21が逆にねじ軸7の図7A側に移動すると、ラックピニオン23の回転軸25が従動体21によって押圧され、可変慣性質量体27が傘を閉じるように移動する。   Further, as shown in FIGS. 9 and 10, when the driven body 21 moves to the screw shaft 7 side of FIG. 7A, the rotating shaft 25 of the rack and pinion 23 is pressed by the driven body 21, and the variable inertia mass body 27 is moved. Move to close the umbrella.

このように可変慣性質量体27が開閉移動することによって回転慣性質量効果を変化させることが可能になる。   Thus, the variable inertial mass body 27 can be opened and closed to change the rotational inertial mass effect.

また、立体カム機構の従動体21の爪の数は1個、複数個とすることが可能であるが、本実施形態では上下左右の4箇所に爪を設けるようにしている。この場合、図11に示すように、円筒カム20のカム溝28のリード長は、ねじ軸7の軸線O1方向の動きに対して±45°以下の回転に収まるように設定する。すなわち、この±45°の回転に応じて所定の軸線O1方向変位が実現できるように立体カム機構のカム溝28の形状を決定することになる。   In addition, the number of claws of the follower 21 of the three-dimensional cam mechanism can be one or plural, but in this embodiment, the claws are provided at four locations, top, bottom, left, and right. In this case, as shown in FIG. 11, the lead length of the cam groove 28 of the cylindrical cam 20 is set so as to be within ± 45 ° rotation with respect to the movement of the screw shaft 7 in the axis O1 direction. That is, the shape of the cam groove 28 of the three-dimensional cam mechanism is determined so that a predetermined displacement in the direction of the axis O1 can be realized according to this ± 45 ° rotation.

図3に示した非線形回転慣性要素(Fm)4のタイプ1、タイプ2、タイプ3を実現するためには、図11のようなカム溝28の形状となる。
また、図9及び図10に示した傘が閉じたような状態でも多少の回転慣性質量が存在するが、そのときの回転慣性質量を回転質量ゼロとみなせば、図3のタイプを実現できたことになる。
In order to realize the type 1, type 2, and type 3 of the nonlinear rotational inertia element (Fm) 4 shown in FIG. 3, the shape of the cam groove 28 is as shown in FIG.
Further, even when the umbrella shown in FIGS. 9 and 10 is closed, there is some rotational inertial mass. If the rotational inertial mass at that time is regarded as zero rotational mass, the type of FIG. 3 can be realized. It will be.

また、直線運動変換機構(立体カム機構)15の軸線O1方向の従動体21の動きと、可変慣性質量体27による回転慣性質量の関係は、数値計算により求め、図表などとして表すことが可能である。   Further, the relationship between the movement of the follower 21 in the direction of the axis O1 of the linear motion conversion mechanism (three-dimensional cam mechanism) 15 and the rotational inertial mass by the variable inertial mass 27 can be obtained by numerical calculation and represented as a chart or the like. is there.

具体的には、従動体21の変位から可変慣性質量体27の幾何学的な位置が決定でき、これにより、可変慣性質量体27による可変の回転慣性質量を算定することができる。例えば、図3の3次区分曲線を実現するには、必要な回転慣性質量から逆にたどって、可変慣性質量体27の変位を求め、その変位を実現できるようにカム溝28等を形成すればよい。   Specifically, the geometric position of the variable inertia mass body 27 can be determined from the displacement of the driven body 21, and thereby the variable rotational inertia mass by the variable inertia mass body 27 can be calculated. For example, in order to realize the cubic curve of FIG. 3, the displacement of the variable inertia mass body 27 is obtained in reverse from the necessary rotational inertia mass, and the cam groove 28 and the like are formed so as to realize the displacement. That's fine.

さらに具体的に非線形回転慣性質量変動分の特性を実現するためのカム溝28の形状の決定方法の一例について説明する。   More specifically, an example of a method for determining the shape of the cam groove 28 for realizing the characteristic of nonlinear rotational inertia mass fluctuation will be described.

図3におけるタイプ1、タイプ2、タイプ3を重ねて示すと、図12のような回転慣性質量の変動分と軸方向変位の関係となる。   When Type 1, Type 2 and Type 3 in FIG. 3 are shown in an overlapping manner, the relationship between the rotational inertial mass variation and the axial displacement is as shown in FIG.

そして、カム溝28の形状を決定する手順としては、まず、第1回転錘8の可変慣性質量の変動分(可変慣性質量体27)とリニアスライダー22の水平方向変位の関係を求める。リニアスライダー22の水平方向変位とは、従動体21及びラック24の変位を意味する。   As a procedure for determining the shape of the cam groove 28, first, the relationship between the variable inertia mass variation (variable inertia mass body 27) of the first rotary weight 8 and the horizontal displacement of the linear slider 22 is obtained. The horizontal displacement of the linear slider 22 means the displacement of the driven body 21 and the rack 24.

リニアスライダー22の水平方向変位が決まれば可変慣性質量体27が傘状に開くときの角度がラック24のギア比により幾何学的に算定できる。   If the horizontal displacement of the linear slider 22 is determined, the angle at which the variable inertia mass 27 is opened in an umbrella shape can be geometrically calculated from the gear ratio of the rack 24.

これにより、図13に示すようなリニアスライダー22の水平方向変位と可変慣性質量体27による可変部分の回転慣性質量の関係を得ることができる。
そして、この図13に示したA、B、C、D、E、Fは図12のタイプ1の回転慣性質量を実現するための目標点である。すなわち、図12の軸線O1方向変位がUg、U1、Up、U2、U3、U4のときに、リニアスライダー22の水平方向変位が図13となるようにカム溝28を設定すればよいことになる。
Thereby, the relationship between the horizontal displacement of the linear slider 22 and the rotational inertial mass of the variable portion by the variable inertial mass body 27 as shown in FIG. 13 can be obtained.
A, B, C, D, E, and F shown in FIG. 13 are target points for realizing the rotational inertia mass of type 1 in FIG. That is, when the displacement in the direction of the axis O1 in FIG. 12 is Ug, U1, Up, U2, U3, U4, the cam groove 28 may be set so that the horizontal displacement of the linear slider 22 is as shown in FIG. .

図14にタイプ1の場合のカム溝28の設定例を示す。図中のCの位置は、図13のL2の水平変位に対応している。また、図中のB、Dの位置は図13のL1の水平位置に対応している。なお、図14(b)には立体カム制御用の第2回転錘14の0度から45度についてのカム溝28の形状を示しているが、0度から−45度については0度を軸とした線対称の形状となる。   FIG. 14 shows a setting example of the cam groove 28 in the case of type 1. The position C in the figure corresponds to the horizontal displacement of L2 in FIG. Further, the positions of B and D in the figure correspond to the horizontal position of L1 in FIG. FIG. 14B shows the shape of the cam groove 28 from 0 degree to 45 degrees of the second rotary weight 14 for controlling the three-dimensional cam, but 0 degree to −45 degrees has an axis of 0 degree. It becomes the line symmetrical shape.

図15にタイプ2、タイプ3の場合のカム溝28の設定例を示す。図中のCの位置は、図13のL2の水平変位に対応している。また、図中のBの位置は図13のL1の水平位置に対応している。C点以降はCの状態を維持すればよいので、カム溝28の位置は図15(b)のようになる。なお、図15(b)には立体カム制御用の第2回転錘14の0度から45度についてのカム溝28の形状を示しているが、上記と同様、0度から−45度については0度を軸とした線対称の形状となる。   FIG. 15 shows a setting example of the cam groove 28 in the case of type 2 and type 3. The position C in the figure corresponds to the horizontal displacement of L2 in FIG. Further, the position B in the figure corresponds to the horizontal position L1 in FIG. Since it is sufficient to maintain the state of C after the point C, the position of the cam groove 28 is as shown in FIG. FIG. 15 (b) shows the shape of the cam groove 28 from 0 degree to 45 degrees of the second rotary weight 14 for controlling the three-dimensional cam. A line-symmetric shape with 0 degree as an axis.

次に、本実施形態の第二例の非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置)4について説明する。この第二例の非線形回転慣性要素4においても、第一例と同様、変位に応じて回転慣性質量効果を大小変化させることが可能な非線形回転慣性質量装置である。   Next, the nonlinear rotational inertia element (nonlinear rotational inertial mass device) 4 of the second example of this embodiment will be described. The non-linear rotational inertial element 4 of the second example is also a non-linear rotational inertial mass device capable of changing the rotational inertial mass effect in accordance with the displacement as in the first example.

一方、第一例の非線形回転慣性要素4は回転慣性質量−変位の関係を任意の曲線で表現できるように構成したが、この関係が階段状でもよい。このため、第二例としての非線形回転慣性要素4は回転慣性質量−変位の関係を階段状で表現できるように構成されている。   On the other hand, the nonlinear rotational inertia element 4 of the first example is configured so that the rotational inertia mass-displacement relationship can be expressed by an arbitrary curve, but this relationship may be stepped. For this reason, the non-linear rotational inertial element 4 as the second example is configured so that the rotational inertial mass-displacement relationship can be expressed in a step shape.

具体的に、本実施形態の第二例の非線形回転慣性要素4は、図16に示すように、回転慣性質量機構5と非線形特性調節機構(回転慣性質量可変機構)6とを備えている。   Specifically, the nonlinear rotational inertia element 4 of the second example of the present embodiment includes a rotational inertial mass mechanism 5 and a nonlinear characteristic adjustment mechanism (rotational inertial mass variable mechanism) 6 as shown in FIG.

また、回転慣性質量機構5は、第一例と同様に構成されている。すなわち、中心軸線O1をダンパーの軸線O1と同軸上に配して設けられたねじ軸7に第1回転錘8を螺着して構成されている。   The rotary inertia mass mechanism 5 is configured in the same manner as in the first example. That is, the first rotary weight 8 is screwed onto the screw shaft 7 provided with the central axis O1 coaxially arranged with the damper axis O1.

ねじ軸7には、その外周面に、第1回転錘8が螺着する第1ねじ溝10と第2回転錘14が螺着する第2ねじ溝11が形成されている。第1ねじ溝10は、ねじピッチが小さく、密に形成されている。第2ねじ溝11は、第1ねじ溝10よりもネジピッチが大きく、疎に形成されている。   A first screw groove 10 into which the first rotary weight 8 is screwed and a second screw groove 11 into which the second rotary weight 14 is screwed are formed on the outer peripheral surface of the screw shaft 7. The first screw groove 10 has a small screw pitch and is formed densely. The second screw groove 11 has a larger screw pitch than the first screw groove 10 and is formed sparsely.

非線形特性調節機構(回転慣性質量可変機構)6は、第2ねじ溝11に螺着した第2回転錘14を備えている。   The nonlinear characteristic adjusting mechanism (rotational inertial mass variable mechanism) 6 includes a second rotating weight 14 screwed into the second thread groove 11.

さらに、この非線形特性調節機構6は、第2回転錘14の回転運動を軸線O1方向に沿う直線運動に変換する直線運動変換機構15と、直線運動変換機構15が作用して回転質量効果を変化させる可変回転慣性質量機構30とを備えている。   Further, the nonlinear characteristic adjusting mechanism 6 changes the rotational mass effect by the linear motion converting mechanism 15 that converts the rotational motion of the second rotary weight 14 into the linear motion along the direction of the axis O1 and the linear motion converting mechanism 15 acting. And a variable rotation inertial mass mechanism 30 to be operated.

直線運動変換機構15は、立体カム機構であり、第一例と同様に円筒カム20と従動体21とを備え、円筒カム20が軸線O1周りに回転するとともにカム溝28に案内されて従動体21が軸線O1方向に進退する。また、従動体21の先端側にはバネ31aとボール31bで構成された押付け機構31が設けられている。   The linear motion conversion mechanism 15 is a three-dimensional cam mechanism, and includes a cylindrical cam 20 and a driven body 21 as in the first example, and the cylindrical cam 20 rotates around the axis O1 and is guided by the cam groove 28 to follow the driven body. 21 moves forward and backward in the direction of the axis O1. Further, a pressing mechanism 31 composed of a spring 31a and a ball 31b is provided on the distal end side of the driven body 21.

本実施形態の第二例の可変回転慣性質量機構30は、従動体21が軸線A側方向に移動すると、この従動体21に押圧されて第1回転錘8に押圧され、第1回転錘8とともに回転する付加回転慣性質量体32を備えている。   In the variable rotation inertial mass mechanism 30 of the second example of the present embodiment, when the driven body 21 moves in the direction of the axis A, the driven body 21 is pressed against the first rotating weight 8 and the first rotating weight 8 is pressed. An additional rotary inertial mass 32 that rotates with the rotation is provided.

また、付加回転慣性質量体32と第1回転錘8との間に摩擦部材33が設けられ、従動体21が軸線A側方向に移動して付加回転慣性質量体32が第1回転錘8に押圧されるとともに摩擦部材33との摩擦によって確実に第1回転錘8と一体に回転するように構成されている。   Further, a friction member 33 is provided between the additional rotary inertia mass body 32 and the first rotary weight 8, and the follower 21 moves in the direction of the axis A so that the additional rotary inertia mass body 32 is attached to the first rotary weight 8. It is configured to be rotated integrally with the first rotary weight 8 by being pressed and friction with the friction member 33.

そして、ねじ軸7の軸線O1方向の進退に応じて従動体21がA側方向に移動すると付加回転慣性質量体32の回転慣性効果が付加され、従動体21がB側方向に移動すると、摩擦が切れて付加回転慣性質量体32の回転慣性効果がなくなる。   Then, when the driven body 21 moves in the A side direction in accordance with the advancement and retreat of the screw shaft 7 in the axis O1 direction, the rotational inertia effect of the additional rotating inertia mass body 32 is added, and when the driven body 21 moves in the B side direction, friction occurs. And the rotational inertia effect of the additional rotational inertia mass 32 is lost.

この例では回転慣性効果のON、OFFの2段階であるが、変位に応じて回転慣性質量を増減することが可能になる。また、この摩擦を使った非線形回転慣性要素(非線形特性を有する回転慣性質量装置)4は、第一例の非線形回転慣性要素4よりもコンパクトで、大きな付加回転慣性質量を実現することができる。   In this example, the rotational inertia effect is in two stages, ON and OFF, but the rotational inertia mass can be increased or decreased according to the displacement. Further, the nonlinear rotational inertia element (rotational inertial mass device having nonlinear characteristics) 4 using this friction is more compact than the nonlinear rotational inertial element 4 of the first example, and can realize a large additional rotational inertial mass.

なお、押付け機構31の剛性や摩擦部材33の摩擦係数を種々のレベルに調整した複数の装置4を例えば建物当該階に配置することによって、建物(構造物1)の層全体として多段の階段状の回転慣性質量−変位関係を実現することも可能である。   In addition, by arranging a plurality of devices 4 in which the rigidity of the pressing mechanism 31 and the friction coefficient of the friction member 33 are adjusted to various levels, for example, on the floor of the building, the entire layer of the building (structure 1) has a multi-stepped shape. It is also possible to realize the rotational inertial mass-displacement relationship.

次に、本実施形態の強非線形剛性要素(非線形の剛性特性を有する可変剛性装置)3は、図17に示すように、剛性調節機構35と硬化型剛性機構36とを備えて構成されている。   Next, the strongly nonlinear stiffness element (variable stiffness device having nonlinear stiffness characteristics) 3 according to the present embodiment is configured to include a stiffness adjusting mechanism 35 and a curing type stiffness mechanism 36 as shown in FIG. .

剛性調節機構35は、中心軸線O2を装置の軸線O2と同軸上に配して設けられたねじ軸37と、ねじ軸37の一端側に螺着して設けられた第1回転体38と、ねじ軸37の他端側に螺着して設けられた第2回転体39とを備えている。   The rigidity adjusting mechanism 35 includes a screw shaft 37 provided with the central axis O2 coaxially arranged with the axis O2 of the device, a first rotating body 38 provided by being screwed to one end side of the screw shaft 37, And a second rotating body 39 that is screwed to the other end of the screw shaft 37.

ねじ軸37は、その一端(基端)にボールジョイントやクレビスなどの連結部材40が取り付けられている。また、このねじ軸37には、その外周面に、第1回転体38が螺着する第1ねじ溝(雄ネジ)41が形成され、且つ第1ねじ溝41よりも他端(先端)側の外周面に、第2回転体39が螺着する第2ねじ溝(雄ネジ)42が形成されている。   A connecting member 40 such as a ball joint or a clevis is attached to one end (base end) of the screw shaft 37. The screw shaft 37 has a first screw groove (male screw) 41 into which the first rotating body 38 is screwed on the outer peripheral surface thereof, and the other end (tip) side of the first screw groove 41. A second screw groove (male screw) 42 into which the second rotating body 39 is screwed is formed on the outer peripheral surface of the second screw 39.

また、ねじ軸37がケーシング43に軸線O2方向に進退自在に支持され、ケーシング43から一端側を外側に配し、第1ねじ溝41及び第2ねじ溝42が形成された部分をケーシング43内に配して設けられている。さらに、第1ねじ溝41に螺合した第1回転体38、第2ねじ溝42に螺合した第2回転体39はそれぞれ、ケーシング43内に配設されるとともに、略円盤状の第1回転体38、第2回転体39がその外周側をケーシング43に一体に取り付けられたベアリング44に回転可能に支持されている。   Further, the screw shaft 37 is supported by the casing 43 so as to be able to advance and retreat in the direction of the axis O2, and one end side from the casing 43 is arranged outside, and a portion where the first screw groove 41 and the second screw groove 42 are formed is formed in the casing 43. It is arranged and arranged. Further, the first rotating body 38 screwed into the first screw groove 41 and the second rotating body 39 screwed into the second screw groove 42 are respectively disposed in the casing 43 and are substantially disk-shaped first. The rotating body 38 and the second rotating body 39 are rotatably supported by bearings 44 integrally attached to the casing 43 on the outer peripheral side.

これにより、振動エネルギーが作用することによって生じる構造物1の変位に応じてねじ軸37が軸線O2方向に進退移動すると、このねじ軸37の進退に応じて第1回転体38、第2回転体39が軸線O2周りに回転する。   As a result, when the screw shaft 37 moves forward and backward in the direction of the axis O2 according to the displacement of the structure 1 caused by the action of vibration energy, the first rotating body 38 and the second rotating body according to the forward and backward movement of the screw shaft 37. 39 rotates about axis O2.

また、剛性調節機構35は、第1回転体38の回転運動を軸線O2方向に沿う直線運動に変換する一方の非線形特性調節機構45と、第2回転体39の回転運動を軸線O1方向に沿う直線運動に変換する他方の非線形特性調節機構46とを備えている。   In addition, the stiffness adjusting mechanism 35 converts the rotational motion of the first rotating body 38 into a linear motion along the direction of the axis O2, and the nonlinear motion adjusting mechanism 45 that converts the rotational motion of the second rotating body 39 along the direction of the axis O1. And a non-linear characteristic adjusting mechanism 46 for converting to a linear motion.

各非線形特性調節機構45、46は、立体カム機構であり、円筒カム47と従動体48とを備えて構成されている。   Each of the nonlinear characteristic adjusting mechanisms 45 and 46 is a three-dimensional cam mechanism, and includes a cylindrical cam 47 and a driven body 48.

本実施形態においても、第1回転体38、第2回転体39がそれぞれ円筒カム47を兼ねており、各回転体38、39の外周面に一連のカム溝を形成して構成されている。   Also in this embodiment, the 1st rotary body 38 and the 2nd rotary body 39 each serve also as the cylindrical cam 47, and a series of cam grooves are formed on the outer peripheral surface of each rotary body 38, 39.

従動体48は、略円筒状に形成され、ケーシング43に一体に設けられたリニアスライダー49によって軸線O2方向に沿って進退自在に支持されている。また、この従動体48は、円筒カム47を内包するようにして同軸上に設けられ、且つ円筒カム47のカム溝に爪を係合させて設けられている。これにより、従動体48は、円筒カム47である第1回転体38、第2回転体39がそれぞれ軸線O2周りに回転するとともにカム溝に案内されて軸線O2方向に進退する。   The follower 48 is formed in a substantially cylindrical shape, and is supported by a linear slider 49 provided integrally with the casing 43 so as to be movable back and forth along the direction of the axis O2. The follower 48 is provided coaxially so as to contain the cylindrical cam 47, and is provided with a claw engaged with the cam groove of the cylindrical cam 47. As a result, the driven body 48 advances and retreats in the direction of the axis O2 as the first rotary body 38 and the second rotary body 39, which are cylindrical cams 47, rotate around the axis O2 and are guided by the cam grooves.

硬化型剛性機構36はバネ部材を用いて構成される。本実施形態では、この硬化型剛性機構36が複数の皿バネ50を積層するように並設して構成されている。   The curable rigid mechanism 36 is configured using a spring member. In the present embodiment, the curable rigid mechanism 36 is configured so that a plurality of disc springs 50 are stacked side by side.

また、ねじ軸37には一端側と他端側の間の中央部に円盤状の押圧治具51が一体に設けられている。そして、この押圧治具51と一方の非線形特性調節機構45の従動体48の間に第一群の皿バネ体52が、押圧治具51と他方の非線形特性調節機構46の従動体48の間に第二群の皿バネ体53がそれぞれ介装されている。なお、本実施形態では、初期状態で、押圧治具51と第一群の皿バネ体52との間、押圧治具51と第二群の皿バネ体53との間にそれぞれ、隙間Ugが形成されるように構成されている。   The screw shaft 37 is integrally provided with a disk-like pressing jig 51 at the center between one end side and the other end side. A first group of disc spring bodies 52 is provided between the pressing jig 51 and the driven body 48 of the one nonlinear characteristic adjusting mechanism 45, and is between the pressing jig 51 and the driven body 48 of the other nonlinear characteristic adjusting mechanism 46. The second group of disc spring bodies 53 are interposed respectively. In the present embodiment, in the initial state, there are gaps Ug between the pressing jig 51 and the first group of disc spring bodies 52, and between the pressing jig 51 and the second group of disc spring bodies 53, respectively. It is comprised so that it may be formed.

そして、この強非線形剛性要素3においては、ねじ軸37が軸線O2方向に進退移動すると、ねじ軸37と一体化した押圧治具51も軸線O2方向に動き、移動した方向の皿バネ体51、52を圧縮することで反力が得られる。   In this strongly nonlinear rigid element 3, when the screw shaft 37 moves forward and backward in the direction of the axis O2, the pressing jig 51 integrated with the screw shaft 37 also moves in the direction of the axis O2, and the disc spring body 51 in the moved direction, A reaction force is obtained by compressing 52.

また、このとき、2つの非線形特性調節機構45、46が両端側に設けられ、ねじ軸37の軸線O2方向の移動を第1回転体38と第2回転体39の回転方向の動きに変換する。さらに、各回転体38、39には立体カム機構を構成するためのカム溝が設けられ、各回転体38、39の回転変位をカム溝に係合した従動体48の軸線O2方向の直線運動(直線変位)に変換する。   At this time, two nonlinear characteristic adjusting mechanisms 45 and 46 are provided on both ends, and the movement of the screw shaft 37 in the direction of the axis O2 is converted into the movement of the first rotating body 38 and the second rotating body 39 in the rotating direction. . Further, each rotary body 38, 39 is provided with a cam groove for constituting a three-dimensional cam mechanism, and a linear motion in the direction of the axis O2 of the follower 48 in which the rotational displacement of each rotary body 38, 39 is engaged with the cam groove. Convert to (linear displacement).

これにより、押圧治具51と各従動体48の間隔がねじ軸37の軸線O2方向の変位量に応じて変わり、強非線形剛性要素3の剛性が可変となる。よって、図3の変位Up以降の変位−荷重関係を実現することが可能になる。
なお、図3の強非線形剛性要素3の変位−荷重関係において、変位Upまではタイプ1、タイプ2、タイプ3共通であり、複数の皿バネ50を組み合わせることによって実現可能である。
Thereby, the space | interval of the pressing jig 51 and each follower 48 changes according to the displacement amount of the axial direction O2 of the screw shaft 37, and the rigidity of the strong nonlinear rigidity element 3 becomes variable. Therefore, the displacement-load relationship after the displacement Up in FIG. 3 can be realized.
In addition, in the displacement-load relationship of the strong nonlinear stiffness element 3 in FIG. 3, the displacement Up is common to Type 1, Type 2, and Type 3, and can be realized by combining a plurality of disc springs 50.

また、本実施形態では、立体カム機構の従動体48の爪の数は1個、複数個とすることが可能であるが、例えば上下左右の4箇所に爪を設けるようにしている。この場合、円筒カム47のカム溝のリード長は、ねじ軸37の軸線O2方向の動きに対して±45°以下の回転に収まるように設定する。すなわち、この±45°の回転に応じて所定の軸線O2方向変位が実現できるように立体カム機構のカム溝の形状を決定することになる。   Further, in the present embodiment, the number of claws of the follower 48 of the three-dimensional cam mechanism can be one or more. For example, the claws are provided at four places on the top, bottom, left, and right. In this case, the lead length of the cam groove of the cylindrical cam 47 is set so as to be within ± 45 ° or less with respect to the movement of the screw shaft 37 in the direction of the axis O2. That is, the shape of the cam groove of the three-dimensional cam mechanism is determined so that a predetermined displacement in the direction of the axis O2 can be realized according to this ± 45 ° rotation.

ここで、皿バネ単体の復元力特性の一例を図18に示す。曲げ高さに対するたわみ量f/hが0.75程度の範囲までは線形の復元力特性を示し、その後、剛性が増大し、皿バネ50が完全に押し潰された状態(f/h=1.0)では剛性が∞となる。   Here, FIG. 18 shows an example of the restoring force characteristic of the disc spring alone. A linear restoring force characteristic is exhibited up to a range where the deflection amount f / h with respect to the bending height is about 0.75, and then the rigidity increases and the disc spring 50 is completely crushed (f / h = 1). .0), the stiffness is ∞.

皿バネ50の耐久性を確保するためにはf/hを0.75(75%)以下に抑えることが望ましい。一方、例えば免震構造物においてギャップストッパー作動時には層間変位が大きくなるに従ってギャップ部分の剛性を∞に近づける必要がある。   In order to ensure the durability of the disc spring 50, it is desirable to suppress f / h to 0.75 (75%) or less. On the other hand, for example, when the gap stopper is operated in a seismic isolation structure, the rigidity of the gap portion needs to approach ∞ as the interlayer displacement increases.

そこで、本実施形態では、図17に示すように、隣り合う皿バネ50の間にたわみ制限治具(変位制限治具)55を介装することで、f/hを0.75(75%)以下にしつつ剛性を∞にできるようにしている。そして、剛性が異なる複数の皿バネ50を連結したり、たわみ制限治具55の厚みを調節することでより滑らかな硬化型復元特性を実現することが可能になる。また、皿バネ50と押圧治具51の間に隙間Ugを設けることによりギャップ(全く荷重が発生しない領域)を実現することが可能になる。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 17, f / h is set to 0.75 (75%) by interposing a deflection limiting jig (displacement limiting jig) 55 between the adjacent disc springs 50. ) The rigidity can be set to ∞ while making the following. Then, by connecting a plurality of disc springs 50 having different rigidity or adjusting the thickness of the deflection limiting jig 55, it is possible to realize a smoother curable restoration characteristic. Further, by providing the gap Ug between the disc spring 50 and the pressing jig 51, it becomes possible to realize a gap (a region where no load is generated).

また、図3に示した強非線形剛性要素3のタイプ1、タイプ2、タイプ3を実現するカム溝57の形状は、例えば図19のようになる。
また、非線形特性調節機構(立体カム機構)45、46の軸線O2方向の従動体48の動きと、皿バネ50の変位−荷重の関係は、数値計算により求め、図表などとして表すことが可能であり、図3を実現するようなカム溝位置を図表により求めることによって、容易にカム溝位置を設定することができる。
Further, the shape of the cam groove 57 for realizing the type 1, type 2 and type 3 of the strong nonlinear stiffness element 3 shown in FIG. 3 is as shown in FIG. 19, for example.
Further, the relationship between the movement of the follower 48 in the direction of the axis O2 of the nonlinear characteristic adjusting mechanisms (three-dimensional cam mechanisms) 45 and 46 and the displacement-load relationship of the disc spring 50 can be obtained by numerical calculation and represented as a chart or the like. Yes, the cam groove position can be easily set by obtaining the cam groove position that realizes FIG. 3 from the chart.

さらに具体的に強非線形剛性要素3の特性を実現するためのカム溝形状の決定方法の一例について説明する。   More specifically, an example of a cam groove shape determination method for realizing the characteristics of the strong nonlinear stiffness element 3 will be described.

図3におけるタイプ1、タイプ2、タイプ3を重ねて示すと、図20のような発生する荷重と軸方向変位の関係となる。また、図20の軸方向変位U4は、強非線形剛性要素3の使用限界変位となる。   When Type 1, Type 2, and Type 3 in FIG. 3 are shown in an overlapping manner, the relationship between the generated load and the axial displacement is as shown in FIG. Further, the axial displacement U4 in FIG. 20 is a use limit displacement of the strong nonlinear stiffness element 3.

そして、本実施形態では、立体カム機構の従動体48に4つの爪があるため、1つの爪は360度/4=90度範囲のカム溝57で制御することになる。また、従動体48の動作に関与する第1回転体38、第2回転体39のねじ溝41、42のピッチは緩やかにしており、使用限界範囲U4の時にこれら回転体38、39は±45度の回転が生じるようにねじ軸37のピッチを決定する(図21参照)。   In this embodiment, since the follower 48 of the three-dimensional cam mechanism has four claws, one claw is controlled by the cam groove 57 in the range of 360 degrees / 4 = 90 degrees. Further, the pitch of the thread grooves 41 and 42 of the first rotating body 38 and the second rotating body 39 involved in the operation of the driven body 48 is moderate, and when the usage limit range U4, these rotating bodies 38 and 39 are ± 45. The pitch of the screw shaft 37 is determined so that rotation of the degree occurs (see FIG. 21).

図22にタイプ1の場合のカム溝の設定例を示す。
図22には、±45度の部分の上半分である0度から45度のみを示している。ここで、0度から45度は皿バネ50が圧縮する方向にねじ軸37が移動した場合である。また、第1回転体38と第2回転体39は、カム溝57の形状を反転させる(左右入れ替える)必要がある。なお、0度から−45度については皿バネ50が引っ張られる方向なので従動体48を移動させる必要がないため、初期位置と同じ位置にカム溝57があればよい。
FIG. 22 shows a setting example of the cam groove in the case of type 1.
FIG. 22 shows only 0 to 45 degrees, which is the upper half of the ± 45 degree portion. Here, 0 to 45 degrees is a case where the screw shaft 37 moves in the direction in which the disc spring 50 compresses. In addition, the first rotating body 38 and the second rotating body 39 need to reverse the shape of the cam groove 57 (replace left and right). In addition, since it is a direction in which the disc spring 50 is pulled from 0 degrees to -45 degrees, it is not necessary to move the follower 48, so the cam groove 57 may be provided at the same position as the initial position.

軸線O2方向変位Ugまでは、図17に示した皿バネ部分の隙間Ugによって荷重がゼロとなる。軸線O2方向変位U1(図20のA点)までは、皿バネ50による硬化型復元力特性と同じであるので、従動体48は初期状態から動く必要はない。それ以降は、図22の黒線と破線の変位差の分だけ従動体48によって有効となる変位を少なくすればよい。例えば、B点ではdbだけ従動体48によって有効となる変位を小さくする。同様にC点ではdcだけ従動体48によって有効となる変位を小さくする。以下同様にして、対応するカム溝位置を決定する。   Up to the displacement Og in the direction of the axis O2, the load becomes zero due to the gap Ug of the disc spring portion shown in FIG. Up to the axial O2 direction displacement U1 (point A in FIG. 20), it is the same as the curable restoring force characteristic by the disc spring 50, so the driven body 48 does not need to move from the initial state. After that, the effective displacement by the follower 48 may be reduced by the displacement difference between the black line and the broken line in FIG. For example, at point B, the displacement effective by the follower 48 is reduced by db. Similarly, at point C, the effective displacement by the follower 48 is reduced by dc. Similarly, the corresponding cam groove position is determined.

図23にタイプ2の場合のカム溝57の設定例を示す。A点まではタイプ1と同じである。それ以降は荷重fpを維持するために、図23の縦線との水平距離の分だけ、従動体48で変位を緩和すればよい。したがって、B点以降はE点を通る直線のカム溝形状となる。   FIG. 23 shows a setting example of the cam groove 57 in the case of type 2. Up to point A is the same as type 1. Thereafter, in order to maintain the load fp, the displacement should be reduced by the driven body 48 by the horizontal distance from the vertical line in FIG. Therefore, after the point B, a straight cam groove shape passing through the point E is obtained.

図24にタイプ3の場合のカム溝57の設定例を示す。B点まではタイプ2と同じであるが、それ以降は実線と破線の差の分だけ変位を緩和すればよいので、B点以降に直線となる。タイプ2とタイプ3の差は、B点以降の直線の傾きとなる。   FIG. 24 shows a setting example of the cam groove 57 in the case of type 3. Although up to point B is the same as type 2, after that point, it is only necessary to relax the displacement by the difference between the solid line and the broken line, so that a straight line is formed after point B. The difference between Type 2 and Type 3 is the slope of the straight line after point B.

以上、本発明に係る制振構造物及び回転慣性質量装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施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。   Although one embodiment of the vibration damping structure and the rotary inertia mass device according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit thereof. It is.

本実施形態では、回転慣性質量装置4として図7から図10の第一例と図16の第二例を示したが、例えば、特開2013−213579号公報の可変慣性質量フライホイールのような電流の変化によって磁性流体の粘度を変化させることで2つのフライホイールの結合状態を任意に変化させ、回転慣性質量を可変にするものを適用してもよい。
この場合には、変位センサーの値に応じて電流を制御し、変位に依存する回転慣性質量の値を任意に設定できるため、本発明が必要としている回転慣性要素の復元力特性が実現可能である。
In the present embodiment, the first example of FIGS. 7 to 10 and the second example of FIG. 16 are shown as the rotary inertia mass device 4, but for example, a variable inertia mass flywheel disclosed in JP 2013-213579 A You may apply what changes the coupling | bonding state of two flywheels arbitrarily by changing the viscosity of a magnetic fluid with the change of an electric current, and makes rotational inertial mass variable.
In this case, the current is controlled according to the value of the displacement sensor, and the value of the rotational inertial mass depending on the displacement can be set arbitrarily, so that the restoring force characteristic of the rotational inertial element required by the present invention can be realized. is there.

また、回転慣性質量装置4として、特許第4366215号公報の可変リード転動体ねじ装置と特開2010−19347号公報の慣性質量ダンパーを組み合わせて適用してもよい。
可変リード転動体ねじ装置は、ねじ軸の軸線方向の変位を回転運動に変換する際にリード長さを可変にすることで、変位に応じた回転運動への変換倍率をスムーズに変えることができる。
Further, as the rotary inertia mass device 4, a variable lead rolling element screw device disclosed in Japanese Patent No. 4366215 and an inertia mass damper disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-19347 may be applied in combination.
The variable lead rolling element screw device can smoothly change the conversion magnification into the rotational motion according to the displacement by changing the lead length when converting the axial displacement of the screw shaft into the rotational motion. .

1 制振構造物
2 変位依存型調節機構
3 強非線形剛性要素(非線形可変剛性装置)
4 非線形回転慣性要素(非線形回転慣性質量装置/可変慣性質量装置)
5 回転慣性質量機構
6 非線形特性調節機構(回転慣性質量可変機構)
7 ねじ軸
8 第1回転錘
9 連結部材
10 第1ねじ溝
11 第2ねじ溝
12 ケーシング
13 ベアリング
14 第2回転錘
15 直線運動変換機構(立体カム機構)
16 可変回転慣性質量機構
20 円筒カム
21 従動体
22 リニアスライダー
23 ラックピニオン
24 ラック
25 回転軸
26 ピニオン
27 可変慣性質量体
28 カム溝
30 可変回転慣性質量機構
31 押付け機構
31a バネ
31b ボール
32 付加回転慣性質量体
33 摩擦部材
35 剛性調節機構
36 硬化型剛性機構
37 ねじ軸
38 第1回転体
39 第2回転体
40 連結部材
41 第1ねじ溝
42 第2ねじ溝
43 ケーシング
44 ベアリング
45 一方の非線形特性調節機構(立体カム機構)
46 他方の非線形特性調節機構(立体カム機構)
47 円筒カム
48 従動体
50 皿バネ
51 押圧治具
52 第一群の皿バネ体
53 第二群の皿バネ体
55 たわみ制限治具(変位制限治具)
O1 軸線
O2 軸線
1 Damping structure 2 Displacement-dependent adjustment mechanism 3 Strong nonlinear stiffness element (nonlinear variable stiffness device)
4 Nonlinear rotational inertial elements (nonlinear rotational inertial mass device / variable inertial mass device)
5 Rotational inertial mass mechanism 6 Nonlinear characteristic adjustment mechanism (rotational inertial mass variable mechanism)
7 Screw shaft 8 First rotary weight 9 Connecting member 10 First screw groove 11 Second screw groove 12 Casing 13 Bearing 14 Second rotary weight 15 Linear motion conversion mechanism (three-dimensional cam mechanism)
16 Variable Rotation Inertia Mass Mechanism 20 Cylindrical Cam 21 Follower 22 Linear Slider 23 Rack Pinion 24 Rack 25 Rotating Shaft 26 Pinion 27 Variable Inertia Mass 28 Cam Groove 30 Variable Rotation Inertia Mass Mechanism 31 Pressing Mechanism 31a Spring 31b Ball 32 Additional Rotation Inertia Mass body 33 Friction member 35 Stiffness adjusting mechanism 36 Curing type rigid mechanism 37 Screw shaft 38 First rotating body 39 Second rotating body 40 Connecting member 41 First screw groove 42 Second screw groove 43 Casing 44 Bearing 45 One nonlinear characteristic adjustment Mechanism (three-dimensional cam mechanism)
46 The other nonlinear characteristic adjustment mechanism (three-dimensional cam mechanism)
47 Cylindrical cam 48 Follower 50 Disc spring 51 Pressing jig 52 First group of disc spring bodies 53 Second group of disc spring bodies 55 Deflection limiting jig (displacement limiting jig)
O1 axis O2 axis

Claims (3)

直線運動を回転運動に変換する立体カム機構を備え、該立体カム機構によって変位と回転慣性質量効果の関係が非線形性を有することを特徴とする回転慣性質量装置。   A rotary inertia mass device comprising a three-dimensional cam mechanism for converting linear motion into rotary motion, wherein the relationship between displacement and rotary inertia mass effect is nonlinear by the three-dimensional cam mechanism. 請求項1記載の回転慣性質量装置を備え、変位に応じて固有周期が変化するように構成されていることを特徴とする制振構造物。   A vibration damping structure comprising the rotary inertia mass device according to claim 1, wherein the natural period changes according to a displacement. 請求項2記載の制振構造物において、
請求項1記載の回転慣性質量装置と、変位に応じて剛性が変化する可変剛性装置とを備えて構成されていることを特徴とする制振構造物。
In the vibration damping structure according to claim 2,
A vibration damping structure comprising: the rotary inertia mass device according to claim 1; and a variable stiffness device whose stiffness changes according to displacement.
JP2015120458A 2015-06-15 2015-06-15 Rotating inertial mass device and damping structure provided with the same Active JP6493754B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015120458A JP6493754B2 (en) 2015-06-15 2015-06-15 Rotating inertial mass device and damping structure provided with the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015120458A JP6493754B2 (en) 2015-06-15 2015-06-15 Rotating inertial mass device and damping structure provided with the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017003089A true JP2017003089A (en) 2017-01-05
JP6493754B2 JP6493754B2 (en) 2019-04-03

Family

ID=57751759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015120458A Active JP6493754B2 (en) 2015-06-15 2015-06-15 Rotating inertial mass device and damping structure provided with the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6493754B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019178532A (en) * 2018-03-30 2019-10-17 清水建設株式会社 Base isolation structure
JP2020153423A (en) * 2019-03-19 2020-09-24 清水建設株式会社 Rotational inertia device
CN112287608A (en) * 2020-11-19 2021-01-29 中国水利水电科学研究院 Dam safety prediction system and method based on fuzzy comprehensive evaluation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4935766A (en) * 1972-08-11 1974-04-02
JPS57149640A (en) * 1981-03-10 1982-09-16 Junichiro Omata Ball screw type vibro-isolation device
JPS58109643U (en) * 1982-01-20 1983-07-26 トキコ株式会社 friction buffer
JP2008143339A (en) * 2006-12-08 2008-06-26 Toyota Motor Corp Vehicular suspension
JP2010265987A (en) * 2009-05-14 2010-11-25 Ohbayashi Corp Friction damper
JP2011141026A (en) * 2009-12-10 2011-07-21 Shimizu Corp Tmd mechanism
JP2011220504A (en) * 2010-04-14 2011-11-04 Aseismic Devices Co Ltd Vibration suppressor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4935766A (en) * 1972-08-11 1974-04-02
JPS57149640A (en) * 1981-03-10 1982-09-16 Junichiro Omata Ball screw type vibro-isolation device
JPS58109643U (en) * 1982-01-20 1983-07-26 トキコ株式会社 friction buffer
JP2008143339A (en) * 2006-12-08 2008-06-26 Toyota Motor Corp Vehicular suspension
JP2010265987A (en) * 2009-05-14 2010-11-25 Ohbayashi Corp Friction damper
JP2011141026A (en) * 2009-12-10 2011-07-21 Shimizu Corp Tmd mechanism
JP2011220504A (en) * 2010-04-14 2011-11-04 Aseismic Devices Co Ltd Vibration suppressor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019178532A (en) * 2018-03-30 2019-10-17 清水建設株式会社 Base isolation structure
JP7019487B2 (en) 2018-03-30 2022-02-15 清水建設株式会社 Seismic isolation structure
JP2020153423A (en) * 2019-03-19 2020-09-24 清水建設株式会社 Rotational inertia device
JP7286361B2 (en) 2019-03-19 2023-06-05 清水建設株式会社 rotary inertia device
CN112287608A (en) * 2020-11-19 2021-01-29 中国水利水电科学研究院 Dam safety prediction system and method based on fuzzy comprehensive evaluation
CN112287608B (en) * 2020-11-19 2023-11-24 中国水利水电科学研究院 Dam safety prediction system and method based on fuzzy comprehensive evaluation

Also Published As

Publication number Publication date
JP6493754B2 (en) 2019-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dalela et al. Design of a metastructure for vibration isolation with quasi-zero-stiffness characteristics using bistable curved beam
Pasala et al. Adaptive negative stiffness: new structural modification approach for seismic protection
JP6493754B2 (en) Rotating inertial mass device and damping structure provided with the same
Sun et al. Multi-direction vibration isolation with quasi-zero stiffness by employing geometrical nonlinearity
JP5831734B2 (en) Inertia mass damper
WO2007074709A1 (en) Negative rigid device and base isolation structure having the negative rigid device
Yang et al. Investigation of coupled lever-bistable nonlinear energy harvesters for enhancement of inter-well dynamic response
Liu et al. Nonlinear vibration energy harvesting with adjustable stiffness, damping and inertia
Niu et al. Nonlinear vibration isolation via a compliant mechanism and wire ropes
Felix et al. On vibration mitigation and energy harvesting of a non-ideal system with autoparametric vibration absorber system
JP6493755B2 (en) Variable rigidity device and damping structure provided with the same
Borchani et al. Control of postbuckling mode transitions using assemblies of axially loaded bilaterally constrained beams
Sapountzakis et al. KDamper concept in seismic isolation of bridges
JP5387123B2 (en) Friction damper
Zhou et al. A new type of damper with friction-variable characteristics
JP2018179041A (en) Spring member
Hu et al. Responses of two-degree-of-freedom sliding base systems subjected to harmonic ground motions
JP3736285B2 (en) Isolation device
Shih et al. Structural control effect and performance of structure under control of impulse semi-active mass control mechanism
Wang et al. Backward mechanical-electric coupling effect of a frequency-up-conversion piezoelectric energy harvester
JP5318483B2 (en) Vibration control device
JP7097229B2 (en) Anti-vibration mechanism
JP5574336B2 (en) TMD mechanism
JP2012072785A (en) Friction damper
Xu et al. Enhanced Performances by Tri-stable Vibration Absorber and Energy Harvester with Negative Ground Connecting Stiffness for Impulse Response

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171206

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20181005

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20181018

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181030

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181211

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190129

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190220

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6493754

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150