JP2021195976A

JP2021195976A - 動吸振装置

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Publication number: JP2021195976A
Application number: JP2020101360A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田; Kazuhiko Isoda
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-12-27
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: JP7423431B2

Abstract

【課題】安価で簡便な構成とすることができる動吸振装置を提供する。【解決手段】構造物２に設置された支持部３と、支持部３に吊り下げられて振り子運動する振り子部４と、を有し、振り子部４の振り子運動の固有周期を構造物２の固有周期に同調させて構造物２の振動を低減させる動吸振装置１において、振り子部４は、錘５と、支持部３と錘５とを連結する吊り材６と、を有し、吊り材６は、支持部３に第１水平方向に延びる第１軸線７１ａ回りに回転可能に連結された上吊り材６１と、上吊り材６１に第１水平方向と交差する第２水平方向に延びる第２軸線７２ａ回りに回転可能に連結され、錘５が連結された下吊り材６２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、動吸振装置に関する。

風や地震による構造物の揺れを低減する装置として、動吸振装置（ＴＭＤ：ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）が知られている。
動吸振装置は、構造物上にばね機構で支持された錘を設置し、この錘とばね機構からなる固有周期を構造物の固有周期に同調させることで、構造物の応答（揺れ）を大幅に低減するものである（例えば、特許文献１および２参照）。ばね機構には、積層ゴムを用いたり、錘を吊り下げた振り子の復元力を利用したりしている。

特開２００２−４８１８７号公報特開平１０−２６６６２６号公報

構造物の固有周期が水平２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）で異なる場合には、動吸振装置を各方向の固有周期に同調させるために、各方向それぞれに対して錘とばね機構を設置したり、１方向だけに有効となるばねや質量（マス）を追加したりする必要がある。このため、構造物の固有周期が水平２方向で異なる場合には、動吸振装置が複雑な構成になるとともに、コストがかかるという問題がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、安価で簡便な構成とすることができる動吸振装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る動吸振装置は、構造物に設置された支持部と、前記支持部に吊り下げられて振り子運動する振り子部と、を有し、前記振り子部の振り子運動の固有周期を前記構造物の固有周期に同調させて構造物の振動を低減させる動吸振装置において、前記振り子部は、錘と、前記支持部と前記錘とを連結する吊り材と、を有し、前記吊り材は、前記支持部に第１水平方向に延びる第１軸線回りに回転可能に連結された上吊り材と、前記上吊り材に前記第１水平方向と交差する第２水平方向に延びる第２軸線回りに回転可能に連結され、前記錘が連結された下吊り材と、を有することを特徴とする。

本発明では、振り子部の固有周期を第１水平方向と第２水平方向とで異なる値に設定することができる。これにより、第１水平方向と第２水平方向とで固有周期が異なる構造物において、その構造物の第１水平方向の固有周期および第２水平方向の固有周期に、振り子部の第１水平方向の固有周期および第２水平方向の固有周期を同調させることで、風邪や地震などによる構造物の第１水平方向および第２水平方向それぞれの揺れを低減することができる。
このように、本発明では、構造物の第１水平方向および第２水平方向それぞれの揺れを同一の動吸振装置で低減させることができる。このため、構造物の第１水平方向および第２水平方向それぞれの揺れに対して、それぞれ動吸振装置を設置する場合や、それぞれ付加ばねや付加質量を設置する場合と比べて、動吸振装置を安価で簡便な構成とすることができる。また、動吸振装置を簡便な構成とすることができるため、動吸振装置の小型化や、動吸振装置の設置スペースの縮小化を図ることができる。

また、本発明に係る動吸振装置では、前記吊り材は、複数設けられ、前記錘は、複数の前記吊り材それぞれの前記下吊り材に回転自在に接合されている。
このような構成とすることにより、錘が複数の吊り材に支持される場合に、第１軸線回りに振り子部が回転し、複数の吊り材それぞれの上吊り材が第１軸線回りに回転する際に、錘が複数の下吊り材に対して第１軸線と平行となる軸線回りに回転する。これにより、上吊り材の第１軸線回りの回転が阻止されることがなく、上吊り材と下吊り材との連結部に曲げモーメントが生じることを抑制することができる。

また、本発明に係る動吸振装置では、前記錘と前記構造物との間に設けられ、前記構造物に対する前記錘の揺れを減衰させる減衰装置を有していてもよい。
このような構成とすることにより、構造物に対する錘の揺れ（振幅）を適切に制御することができる。

本発明によれば、動吸振装置を安価で簡便な構成とすることができる。

本発明の第１実施形態による動吸振装置の一例を示すＹ方向から見た図である。本発明の第１実施形態による動吸振装置の一例を示すＸ方向から見た図である。振り子部の斜視図である。本発明の第２実施形態による動吸振装置の一例を示すＹ方向から見た図である。本発明の第２実施形態による動吸振装置の一例を示すＸ方向から見た図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による動吸振装置について、図１−図３に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、第１実施形態による動吸振装置１は、建物などの構造物２の上に設置され、風や地震による振動を低減させるように構成されている。以下では、交差する２つの水平方向をＸ方向（図面の矢印Ｘの方向、第２水平方向）およびＹ方向（図面の矢印Ｙの方向、第１水平方向）をとする。図面では、鉛直方向を矢印Ｚの方向で示す。Ｘ方向とＹ方向とは直交する方向である。
本実施形態では、構造物２の固有周期は、Ｘ方向とＹ方向とで異なっている。Ｘ方向の固有周期をＴ_ｘ、Ｙ方向の固有周期をＴ_ｙ、Ｔ_ｘ＞Ｔ_ｙとする。

動吸振装置１は、構造物２に設置された支持部３と、支持部３に吊り下げられて振り子運動する振り子部４と、を有している。動吸振装置１は、振り子部４の振り子運動の固有周期を構造物２の固有周期に同調させ、構造物２の振動を低減させるように構成されている。
支持部３は、Ｘ方向およびＹ方向に間隔をあけて設置した複数の柱材３１と、柱材３１の上端部間に架設した梁材３２と、を有している。梁材３２は、柱材３１に架設された梁材３２間に架設されていてもよい。本実施形態では、支持部３は、櫓となっている。

図１−図３に示すように、振り子部４は、梁材３２に吊り下げられている。振り子部４は、錘５と、梁材３２と錘５とを連結する吊り材６と、を有している。錘５は、所定の質量を有している。
吊り材６は、上吊り材６１と下吊り材６２と、を有している。上吊り材６１と下吊り材６２とは、それぞれ板状や棒状に形成されている。

上吊り材６１は、一方の端部（第１端部６１ａとする、図３参照）が第１軸部７１を介して梁材３２に連結され、他方の端部（第２端部６１ｂとする、図３参照）が第１端部６１ａよりも梁材３２から離れる位置に配置されている。
下吊り材６２は、一方の端部（第１端部６２ａとする、図３参照）が第２軸部７２を介して上吊り材６１の第２端部６１ｂに連結され、他方の端部（第２端部６２ｂとする、図３参照）が第１端部６２ａよりも上吊り材６１から離れる位置に配置されている。下吊り材６２の第２端部６２ｂには、錘５が連結されている。

第１軸部７１は、梁材３２に固定され、上吊り材６１をＹ方向に延びる第１軸線７１ａ回りに回転可能に支持している。第１軸部７１は、例えば回転ピンなどで構成されている。
上吊り材６１は、振り子部４が静止している初期状態では第１端部６１ａが上側、第２端部６１ｂが下側となる向きに設置される。上吊り材６１は、構造物２（支持部３）に対して、第１軸線７１ａ回り以外の回転はしないように構成されている。
第２軸部７２は、上吊り材６１の第２端部６１ｂに固定され、下吊り材６２をＸ方向に延びる第２軸線７２ａ回りに回転可能に支持している。第２軸部７２は、例えば回転ピンなどで構成されている。
下吊り材６２は、振り子部４が静止している初期状態では第１端部６２ａが上側、第２端部６２ｂが下側となる向きに設置される。下吊り材６２は、第２軸線７２ａ回り以外の回転はしないように構成されている。
初期状態における第１軸部７１から錘５の芯までの長さをＬ_１とし、第２軸部７２から錘５の芯までの長さをＬ_２とすると、Ｌ_１＞Ｌ_２となる。

錘５は、下吊り材６２の第２端部６２ｂに接合されている。本実施形態では、錘５と下吊り材６２とは剛接合され、一体化されている。１つの錘５は、１つの吊り材６に接合され支持されている。
本実施形態では、錘５と構造物２との間にオイルダンパー等の減衰装置８が設けられている。

振り子部４は、錘５にＸ方向の外力が作用し錘５がＸ方向に変位すると、錘５が第１軸部７１を中心に回動する（揺れる）。上吊り材６１は、第１軸部７１を中心に回動する。下吊り材６２は、上吊り材６１とともに第１軸部７１を中心に回動する。このとき、錘５の振り子長さは、Ｌ_１となる。
振り子部４は、錘５にＹ方向の外力が作用し錘５がＹ方向に変位すると、錘５が第２軸部７２を中心に回動する。下吊り材６２は、第２軸部７２を中心に回動する。上吊り材６１は、変位しない。このとき、錘５の振り子長さは、Ｌ_２となる。

錘５がＸ方向に回動する（第１軸部７１を中心に回動する）場合、振り子部４の固有周期Ｔ_１は、重力加速度をｇとすると以下の式（１）となる。

錘５がＹ方向に回動する（第２軸部７２を中心に回動する）場合、振り子部４の固有周期Ｔ_２は、重力加速度をｇとすると以下の式（２）となる。

このように、振り子部４は、Ｘ方向およびＹ方向で異なる固有周期をもつこととなる。本実施形態では、Ｌ_１＞Ｌ_２となるため、振り子部４の固有周期Ｔ_１は、固有周期Ｔ_２よりも大きい値となる（Ｔ_１＞Ｔ_２）。
振り子部４のＸ方向の固有周期Ｔ_１を構造物２のＸ方向の固有周期Ｔ_ｘに同調させ、振り子部４のＹ方向の固有周期Ｔ_２を構造物２のＸ方向の固有周期Ｔ_ｙに同調させるように、Ｌ１およびＬ２の長さを設定する。これにより、動吸振装置１は、構造物２の固有周期に同調し、構造物２に生じる風や地震による振動を低減させることができる。

次に、第１実施形態による動吸振装置１の作用・効果について説明する。
第１実施形態による動吸振装置１では、振り子部４の固有周期がＸ方向とＹ方向とで異なる値に設定することができることにより、Ｘ方向およびＹ方向で固有周期が異なる構造物２のＸ方向およびＹ方向それぞれの揺れを１台で低減させることができる。このため、Ｘ方向およびＹ方向それぞれの揺れに対応して複数の動吸振装置１を設置する場合や、付加ばねや付加質量を設置する場合と比べて、動吸振装置１を安価で簡便な構成とすることができる。また、動吸振装置１をコンパクトな装置とすることができる。

第１実施形態による動吸振装置１では、錘５と構造物２との間にオイルダンパー等の減衰装置８を設けることにより、構造物２と錘５の揺れ（振幅）を適切に制御することができる。
なお、この最適な減衰量については、定点理論などで設定できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。
図１および図２に示す第１実施形態の動吸振装置１では、１つの錘５を１つの吊り材６を介して支持部３に接続している。これに対し、図４および図５に示すように、第２実施形態の動吸振装置１Ｂでは、１つの錘５を２つの吊り材６を介して支持部３に接続している。
第２実施形態においても、錘５にＸ方向の外力が作用し錘５がＸ方向に変位した場合の、錘５の振り子長さは、Ｌ_１となり、錘５にＹ方向の外力が作用し錘５がＹ方向に変位した場合の錘５の振り子長さは、Ｌ_２となる。
錘５は、２つの吊り材６それぞれの下吊り材６２の下端部に回転自在に接合されている。錘５を下吊り材６２に回転自在に接合するためには、Ｘ軸およびＹ軸まわりの回転を拘束しないユニバーサル継手や短いワイヤー等を採用することが好ましい。これにより、錘５の自重が吊り材６に円滑に伝達されるように構成されている。
錘５は、下吊り材６２に対して回転自在な状態であるため、Ｘ方向またはＹ方向の変位とともに下吊り材６２に対して回転自在に変位する。

上記の第２実施形態による動吸振装置１Ｂでは、第１実施形態と同様の効果を奏する。
そして、第２実施形態による動吸振装置１Ｂでは、錘５は、２つの下吊り材６２に回転自在に接合されている。これにより、第１軸線７１ａ回りに振り子部４が回転し、２つの吊り材６それぞれの上吊り材６１が第１軸線７１ａ回りに回転する際に、錘５が２つの下吊り材６２に対して第１軸線７１ａと平行となる軸線回りに回転することができる。これにより、２つの上吊り材６１の第１軸線回７１ａ回りの回転が阻止されることがなく、上吊り材６１と下吊り材６２との連結部に曲げモーメントが作用することを抑制することができる。なお、第２軸線７２ａ回りに振り子部４が変位した場合には、錘５が下吊り材６２に対して回転することにより、上吊り材６１と支持部３との連結部に第２軸線７２ａ回りの曲げモーメントが作用するが、鉛直方向に対する吊り材６の傾斜角が小さいため、曲げモーメントも小さい。このため、上吊り材６１と梁材３２との接合部を第２軸線７２ａ回りの曲げモーメントに対応するように設計することは容易である。
また、１つの錘５を複数の吊り材６で支持できることにより、錘５の重量や形状に合わせて吊り材６の数量を変更すればよく、吊り材６の耐力や構成を変更する必要が無い。

以上、本発明による動吸振装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の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。
例えば、上記の実施形態では、錘５と構造物２との間にオイルダンパー等の減衰装置８を設けているが、減衰装置８を設けなくてもよい。この場合には錘５の変位が過大にならないようストッパー等の変位制限機構を別途追加する。また、減衰装置８を設置する場所は、支持部３の柱３１と錘５との間など、上記以外であってもよい。

上記の実施形態では、Ｘ方向の固有周期をＴ_ｘが、Ｙ方向の固有周期をＴ_ｙよりも大きいが、Ｙ方向の固有周期をＴ_ｙが、Ｘ方向の固有周期をＴ_ｘよりも大きくてもよい。このような場合は、動吸振装置１，１ＢのＸ方向およびＹ方向の向きを変えて、振り子部４のＹ方向の固有周期Ｔ_２が振り子部４のＸ方向の固有周期Ｔ_１よりも大きくなるようにする。

上記の実施形態では、動吸振装置１，１Ｂを構造物２の上に設置しているが、これは必ずしも構造物２の頂部に設置することを意味しない。動吸振装置１，１Ｂを高層建物などの構造物２の頂部（屋上）に設置しても良いが、構造物２の途中階の建物内部に設置しても構わない。ただし、動吸振装置１，１Ｂは、設置位置での加速度で錘５が揺れることを利用した制振装置であるため、揺れが小さい低層階よりも高層階に設置する方が、制振効果が高いことに留意し設置位置を設定する必要がある。

上記の第１実施形態では、１つの錘５を１つの吊り材６を介して支持部３に接続し、第２実施形態では、１つの錘５を２つの吊り材６を介して支持部３に接続している。これに対し、１つの錘５を３つ以上の吊り材６を介して支持部３に接続してもよい。
上記の実施形態では、支持部３は、柱材３１と梁材３２とからなる櫓であるが、構造物２に支持されて、振り子部４を支持可能であれば、上記以外の構成であってもよい。

上記の実施形態では、第１軸線７１ａが延びる第１水平方向がＹ方向となり、第２軸線７２ａが延びる第２水平方向がＸ方向となり、第１水平方向と第２水平方向とが直交しているが、第１水平方向と第２水平方向とは必ずしも直交していなくてもよい。
なお、本実施形態では、一般的な建物の水平面内で主軸となるＸ方向とＹ方向とが直交していることから、第１水平方向および第２水平方向を建物のＸ方向およびＹ方向とすることで、振り子部の固有周期を建物のＸ方向およびＹ方向の固有周期に同調させることができる。

上記の第１実施形態では、錘５と下吊り材６２とは剛接合されているが、回転自在に接合されていてもよい。

１，１Ｂ動吸振装置
２構造物
３支持部
４振り子部
５錘
６吊り材
８減衰装置
６１上吊り材
６２下吊り材
７１ａ第１軸線
７２ａ第２軸線

Claims

構造物に設置された支持部と、
前記支持部に吊り下げられて振り子運動する振り子部と、を有し、
前記振り子部の振り子運動の固有周期を前記構造物の固有周期に同調させて構造物の振動を低減させる動吸振装置において、
前記振り子部は、
錘と、
前記支持部と前記錘とを連結する吊り材と、を有し、
前記吊り材は、
前記支持部に第１水平方向に延びる第１軸線回りに回転可能に連結された上吊り材と、
前記上吊り材に前記第１水平方向と交差する第２水平方向に延びる第２軸線回りに回転可能に連結され、前記錘が連結された下吊り材と、を有することを特徴とする動吸振装置。
前記吊り材は、複数設けられ、
前記錘は、複数の前記吊り材それぞれの前記下吊り材に回転自在に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の動吸振装置。
前記錘と前記構造物との間に設けられ、前記構造物に対する前記錘の揺れを減衰させる減衰装置を有することを特徴とする請求項１または２に記載の動吸振装置。