JP2017020531A - Vibration control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振り子式のチューンド・マス・ダンパ(TMD)を利用した制振装置に関するものである。 The present invention relates to a vibration damping device using a pendulum type tuned mass damper (TMD).
近年、長周期・長時間地震動に対する超高層建物の振動制御技術として、これまで強風等に起因する建物の微小振動に対する制振技術として用いられてきた風揺用TMD(チューンド・マス・ダンパー)を大型化・大ストローク化して、地震の大振幅の揺れの制御にまで適用範囲を広げた各種の地震用TMDが開発されている(例えば、特許文献1)。 In recent years, as a vibration control technology for high-rise buildings against long-period and long-term ground motions, TMD (tuned mass damper) for wind motion, which has been used as a vibration control technology for minute vibrations of buildings caused by strong winds, etc. Various types of earthquake TMDs have been developed that have been expanded in size and increased in stroke to extend the scope of application to control of large amplitude vibrations of earthquakes (for example, Patent Document 1).
上記地震用TMDによれば、設置場所が建物の屋上あるいは最上層階になるために、建物の計画自由度を高めることが可能になるとともに、既存の超高層建物を制振補強する際にも、当該建物を使用したままで工事を行うことができるという利点がある。 According to the TMD for earthquakes, since the installation location is on the roof or the top floor of the building, it is possible to increase the degree of freedom in planning the building, and also when damping and reinforcing existing high-rise buildings. There is an advantage that the construction can be performed while using the building.
ところで、従来の地震用TMDは、図7に示すように、大きな錘50をワイヤーや鋼棒51で懸垂した振り子型の装置が一般的である。
上記構成からなる振り子式の地震用TMDによれば、錘50の吊り長さを調整してTMDの周期を建物52の水平方向の固有周期に同調させることにより、TMDを共振させて建物の振動エネルギーを効率的にTMDに集め、当該TMDに設置したオイルダンパーなどのエネルギー吸収装置53で吸収して上記建物52の揺れを抑制することができる。
By the way, the conventional earthquake TMD is generally a pendulum type device in which a
According to the pendulum type earthquake TMD having the above-described configuration, the suspension of the
この際に、上記地震用TMDにおいては、上下地震動によって、錘50が上下方向に振動して浮き上がりを生じ、これによりTMDの性能劣化や破損が生じるおそれがある。
そこで、上記錘50の上下方向の振動を抑制するために、建物52とTMDの錘50とを上下方向にオイルダンパー54で接続することにより、上記錘50の上下方向の振動を低減させている。
At this time, in the above-described earthquake TMD, the
Therefore, in order to suppress the vertical vibration of the
しかしながら、上記地震用TMDにあっては、錘50が揺動する際に、図8に示すように、錘50が原点から離れるに連れて、上下方向のオイルダンパー54が鉛直方向に対して角度θ傾斜し、この結果オイルダンパー54の減衰力Fの上下方向の成分Fvが、Fv=Fcos2θに低下してしまうという問題点もあった。
However, in the earthquake TMD, when the
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、振り子式のTMDにおける錘の浮き上がりを効果的に抑制することができる制振装置を提供することを課題とするものである。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the damping device which can suppress effectively the lifting of the weight in pendulum type TMD.
上記課題を解決するため、請求項1に記載の本発明に係る制振装置は、TMDの錘に、一端部が上記錘に連結され、他端部が構造物に連結されて上記錘の揺動により上下方向に変形するとともに、上記変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなるダンパーが設けられていることを特徴とするものである。
In order to solve the above-described problem, a vibration damping device according to the present invention described in
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、上記ダンパーがオイルダンパーであり、かつ作動流体が充填されたシリンダー内のピストンの前後を連通させるバイパス管に、上記錘との間の変形が大きくなるに従って上記バイパス管の流路を狭めるシャットオフ弁が設けられていることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the bypass pipe according to the first aspect, wherein the damper is an oil damper, and the bypass pipe communicates the front and rear of the piston in the cylinder filled with the working fluid. A shut-off valve is provided for narrowing the flow path of the bypass pipe as the deformation between and increases.
さらに、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、上記TMDは振り子式であり、かつ上記錘の底部に内壁が円錐面状の凹部が形成されるとともに、当該凹部の頂部に上記ダンパーの端部が連結されていることを特徴とするものである。
Furthermore, the invention described in
請求項1〜3のいずれかに記載の制振装置においては、地震時に、TMDの錘が水平方向に移動して原点位置(鉛直位置)から離れるに連れて、上記ダンパーが次第に水平方向に傾斜することにより減衰力における上下方向の成分が小さくなるものの、上記ダンパーの変形も大きくなって減衰係数が次第に大きくなるために、上記減衰力における上下方向の分力を増大させて相殺することができる。
In the vibration damping device according to any one of
この結果、上記制振装置によれば、大地震時にTMDの錘の水平方向の変位が大きくなっても、当該錘の浮き上がりを効果的に抑制することができる。 As a result, according to the vibration damping device, even if the horizontal displacement of the weight of the TMD increases during a large earthquake, the lifting of the weight can be effectively suppressed.
また、請求項3に記載の発明においては、地震時に上記錘が水平方向に揺動した際に、ダンパーの傾斜角度が錘の底部にピン結合した場合と比較して小さくなるために、ダンパーにおける減衰力の上下方向の成分を大きくすることができ、よって変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなることと相まって、錘の浮き上がりを一層効果的に抑制することができる。
In the invention according to
図1〜図5は、本発明に係る制振装置の一実施形態を示すもので、図7に示したものと共通する部分については、以下同一符号を用いてその図示および説明を省略する。
図1に示すように、この制振装置1は、図7に示したものと同様に錘1がワイヤーや鋼棒2で懸垂された振り子式TMDを有しており、従来のTMDと相違する点は、錘1に上下方向の振動を抑制するオイルダンパー3が設けられていることにある。
1 to 5 show an embodiment of a vibration damping device according to the present invention, and parts that are the same as those shown in FIG.
As shown in FIG. 1, this
このオイルダンパー3は、一端部4が錘1の下面にピン結合されるとともに、他端部5が上述した建物52にピン結合されることにより、錘1の揺動に対応して上記他端部5を支点に傾倒しつつ伸縮変形するようになっている。
The
そして、このオイルダンパー3は、上記伸縮による変形が大きくなるに従って、減衰係数が大きくなるように、好ましくは平常時(錘1の水平変形が無い時)のオイルダンパー3の減衰係数をC0とすると、図1において、地震時に錘1が揺動してオイルダンパー3の鉛直線に対する傾斜角度がθであるときに、その減衰係数Cが(C0/cos2θ)になるように設定されている。
The
すなわち、図1において、錘1の吊り長さをL1、オイルダンパー3の設置時の長さをL2、錘1の水平方向の変形をδhとすると、
錘の鉛直方向の変形 :δv=L1−(L1 2−δh 2)1/2
オイルダンパーの変形 :δoil={δh 2+(L2+δv)2}1/2−L2
オイルダンパーの角度 :cosθ=(L2+δv)/{δh 2+(L2+δv)2}1/2
オイルダンパーの減衰係数 :C=α・C0=C0/cos2θ
オイルダンパーの鉛直方向の減衰係数:Cv=αv・C0=C0・cos2θ=C0 (一定)
オイルダンパーの水平方向の減衰係数:Ch=αh・C0=C・sin2θ=C0・tan2θ
That is, in FIG. 1, when the suspended length of the
Deformation of the weight in the vertical direction: δ v = L 1 − (L 1 2 −δ h 2 ) 1/2
Deformation of oil damper: δ oil = {δ h 2 + (L 2 + δ v ) 2 } 1/2 −L 2
Oil damper angle: cos θ = (L 2 + δ v ) / {δ h 2 + (L 2 + δ v ) 2 } 1/2
Damping coefficient of oil damper: C = α ・ C 0 = C 0 / cos 2 θ
Oil damper vertical damping coefficient: C v = α v · C 0 = C 0 · cos 2 θ = C 0 (constant)
Oil damper horizontal damping coefficient: C h = α h · C 0 = C · sin 2 θ = C 0 · tan 2 θ
図2(a)は、錘1の吊り長さをL1およびオイルダンパー3の設置時の長さをL2について、L1=4m、L2=1mの場合およびL1=6m、L2=1mの場合におけるオイルダンパーの変形δoilと減衰係数比αとの関係を示すものである。同図から、オイルダンパー3の変形が大きくなるにつれて、オイルダンパー3の減衰係数Cが大きくなっている。
2 (a) is the length of time of installing the hanging length of the
また、図2(b)は、L1=4m、L2=1mの場合の錘1の水平方向の変形δhと、オイルダンパー3の鉛直方向の減衰係数Cvを減衰係数C0で除した減衰係数比αvおよび水平方向の減衰係数Chを減衰係数C0で除した減衰係数比αhの関係を示すものである。
Further, FIG. 2B shows the horizontal deformation δ h of the
図2(b)に見られるように、鉛直方向の減衰係数比αvは、錘1の水平方向の変形によらず1.0であるのに対して、水平方向の減衰係数Chは、錘1の水平方向の変形が大きくなるに従って、その値が大きくなっている。
As seen in FIG. 2B, the vertical attenuation coefficient ratio α v is 1.0 regardless of the horizontal deformation of the
図3〜図5は、このような変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなるオイルダンパー3の具体的な構成を示すものである。
これらの図において、上記オイルダンパー3は、オイル(作動流体)が充填されたシリンダー10内にピストン11が移動自在に設けられ、ピストン11に一体化されたロッド12が建物52側に連結されるとともに、シリンダー10がTMDの錘1に連結されるものである。
3 to 5 show a specific configuration of the
In these drawings, the
ここで、シリンダー10には、ピストン11の前後のシリンダー10内を連通させるバイパス管13が設けられ、このバイパス管13には、シャットオフ弁14が介装されている。このシャットオフ弁14は、上部にバイパス管13を連通させる小径部14aが形成されるとともに、他の部分にバイパス管13の内径と略等しい大径部14bが形成されている。
Here, the
そして、このシャットオフ弁14は、シリンダー10の外面との間に介装されたスプリング15によって、平常時に小径部13aがバイパス管13内に位置するように付勢されている。他方、ピストン11のロッド12には、上記シャットオフ弁14を開閉制御するためのアーム16が一体に形成されている。
The
このアーム16は、シリンダー10の軸線と平行に形成されており、このアーム16のシリンダー10と対向する表面16aに、シャットオフ弁14の先端部が当接する変位検出溝17が形成されている。この変位検出溝17は、上記軸線方向の中央部17aが最も深さ寸法が大きく、かつ上記中央部17aから上記軸線方向の前方側および後方側に向けて、漸次深さ寸法が小さくなる傾斜面17bによって形成されている。
The
そして、この変位検出溝17は、平常時にシャットオフ弁14の先端部が中央部17aに当接する位置に形成されている。
And this displacement detection groove |
上記オイルダンパー3においては、図3に示すように、平常時や風等による僅かな揺れが生じている場合には、錘1の揺れが僅かであるためにシリンダー10に対するピストン11の動きが小さい。この結果、シャットオフ弁14が変位検出溝17の中央部17aに位置して小径部14aがバイパス管13に配置されているために、ピストン11が小さく往復動した際に、シリンダー10内のオイルがピストン11に形成された孔部およびバイパス管13を流れることにより、小さな減衰力が発生する。
In the
そして、図4に示すように、地震時に錘1が揺動してオイルダンパー3に中程度の変形が生じると、シリンダー10とアーム16との相対変位によってシャットオフ弁14が変位検出溝17の傾斜面17b上まで移動する。すると、バイパス管13の一部がシャットオフ弁14の大径部14bによって塞がれてオイルの流量が減少するために、図3に示した状態よりも大きな減衰力が発生する。
As shown in FIG. 4, when the
そして、図5に示すように、さらに錘1が大きく揺動すると、シリンダー10とアーム16との間に生じる大きな相対変位によってシャットオフ弁14がアーム16の表面16aに乗り上げ、この結果バイパス管13がシャットオフ弁14の大径部14bによって完全に塞がれることにより、図4に示した状態よりも一段と大きな減衰力が発生する。
As shown in FIG. 5, when the
以上説明したように、上記構成からなる制振装置によれば、地震時に、TMDの錘1の揺動が大きくなってオイルダンパー3の変形が大きくなると、当該オイルダンパー3の減衰係数が次第に大きくなるために、上記錘1が原点位置(鉛直位置)から離れるにしたがって水平方向に傾斜することによるオイルダンパー3の減衰力の鉛直成分の減少を相殺することができる。
As described above, according to the vibration damping device having the above-described configuration, when the swing of the
この結果、上記制振装置によれば、大地震時に振り子式のTMDの錘1の揺動が大きくなっても、当該錘1の浮き上がりを効果的に抑制することができる。
As a result, according to the vibration damping device, even if the swing of the pendulum
また、図6は、本発明の他の実施形態を示すもので、図1に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してある。
この制振装置においては、錘1の底部に内壁が円錐面状の凹部20が形成されている。そして、この凹部20の頂部に、オイルダンパー3の上記一端部4がピン結合されている。
FIG. 6 shows another embodiment of the present invention, and the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
In this vibration damping device, a
上記構成を有する制振装置によれば、図1〜図5に示したものと同様の作用効果を得ることができることに加えて、錘1の底部に円錐面状の凹部20を形成し、この凹部20の頂部にオイルダンパー3の一端部4をピン結合しているために、地震時に錘1が水平方向にδh揺動した際に、オイルダンパー3の傾斜角度θ1を錘1の底部にピン結合した場合の傾斜角度θよりも小さくすることができる。
According to the vibration damping device having the above configuration, in addition to being able to obtain the same operational effects as those shown in FIGS. 1 to 5, the conical
この結果、オイルダンパー3を錘1の底部にピン結合した場合と比較して、オイルダンパー3における減衰力の上下方向の成分を大きくすることができ、よって変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなることと相まって、錘1の浮き上がりを一層効果的に抑制することができる。
As a result, compared to the case where the
なお、上記実施形態においては、TMDとして振り子式にものを用いた場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、直動式(リニアスライダー)式のTMDや積層ゴムの上に錘を載置した積層ゴム形式のTMDにおいても、錘が上下方向に拘束されていない場合には、地震時に水平方向に移動するとともに、上下方向の固有振動数に共振して浮き上がる可能性がある。このため、これら直動式や積層ゴム形式のTMDに適用した場合にも、同様の作用効果を得ることができる。 In addition, in the said embodiment, although demonstrated about the case where a thing was used for a pendulum type as TMD, this invention is not limited to this. In other words, even in linear motion type (linear slider) type TMD and laminated rubber type TMD in which weights are placed on laminated rubber, if the weights are not constrained in the vertical direction, they move horizontally during an earthquake. At the same time, there is a possibility that it will resonate with the natural frequency in the vertical direction and float. For this reason, even when applied to these direct acting and laminated rubber type TMDs, the same effects can be obtained.
1 錘
2 ワイヤーまたは鋼棒
3 オイルダンパー(ダンパー)
4 一端部
5 他端部
20 凹部
1
4 One
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