JP2022180734A - Pendulum type vibration control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は振子式制振装置に関し、特に、回転慣性機構を有する振子式制振装置に関する。 The present invention relates to a pendulum type vibration damping device, and more particularly to a pendulum type vibration damping device having a rotary inertia mechanism.
従来、占有空間を極力小さくすることができるとともに、多方向での固有周期調整が容易に行え、建物の多方向の応答を低減させることを可能にする制振装置及びこれを備えた建物制振装置が、例えば、特開2020-101081号公報(特許文献1)に提供されている。そのような制振装置は、積層ゴム体(水平バネ要素)を備えた複数の制振柱と、複数の制振柱の積層ゴム体よりも上方に連結して架設された連結梁、連結梁に支持されて連結梁上に設置された錘体と、一端を建物Aに、他端を連結梁に接続して配設されたオイルダンパー及び/又は回転慣性質量ダンパーとを備えて制振装置Bを構成している。 Conventionally, a vibration damping device capable of minimizing an occupied space as much as possible, facilitating multi-directional natural period adjustment, and reducing the multi-directional response of a building, and a building vibration damping device equipped with the same. A device is provided, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-101081 (Patent Document 1). Such a damping device includes a plurality of damping columns provided with laminated rubber bodies (horizontal spring elements), a connecting beam that is connected above the laminated rubber bodies of the plurality of damping columns, and a connecting beam. and an oil damper and/or rotational inertia mass damper having one end connected to the building A and the other end connected to the connecting beam. constitutes B.
一方、制振装置として、同調質量ダンパー(Tuned Mass Damper, 略称「TMD」)が知られている。これは、対象とする構造物に対して副振動系(TMD)を形成することにより、構造物本体の振動を制御するものである。図7に構造物-TMD系の振動モデルを示す。TMDの質量mTは、構造物の質量 msの数%程度である。TMDの固有振動数は、制振対象構造物の固有振動数にほぼ等しい数値に調整されることから、何らかの外乱により構造物が揺れ始めると、それに連成してTMDも揺れ始める。その際、TMDに設置される減衰器CTにより振動エネルギーが吸収されることから、構造物の振動も抑制される。TMDによる制振効果を効率よく発揮させるためには、TMDと構造物の固有振動数の比やTMDの減衰定数を最適な数値に調整する必要がある。「最適な数値」は振動発生の原因となる外乱の特性によって変化し、種々の理論式が提案されている(非特許文献1)。 On the other hand, a tuned mass damper (abbreviated as "TMD") is known as a vibration damping device. This is to control the vibration of the main body of the structure by forming a secondary vibration system (TMD) for the target structure. FIG. 7 shows the vibration model of the structure-TMD system. The mass m T of the TMD is about several percent of the mass m s of the structure. Since the natural frequency of the TMD is adjusted to a numerical value substantially equal to the natural frequency of the structure to be damped, when the structure starts to shake due to some disturbance, the TMD also starts to shake. At that time, since the vibration energy is absorbed by the damper C T installed in the TMD, the vibration of the structure is also suppressed. In order to efficiently exhibit the damping effect of the TMD, it is necessary to adjust the ratio of the TMD to the natural frequency of the structure and the damping constant of the TMD to optimum values. The "optimal numerical value" varies depending on the characteristics of the disturbance that causes vibration, and various theoretical formulas have been proposed (Non-Patent Document 1).
制振装置は、対象とする構造物の振動方向によって、鉛直方向用あるいは水平方向用制振装置に大別される。本発明は水平方向用制振装置を対象とする。図7は水平方向の振動モデルを示し、簡単のために、バネで支持される構造となっているが、本発明では、水平方向振動を実現する方法として、振子構造(図8)を想定する。以下、この振子構造(ただし、単一振子)を有する制振装置のことを「振子式TMD」と呼称する。 Vibration damping devices are roughly classified into vertical vibration damping devices and horizontal vibration damping devices depending on the direction of vibration of a target structure. The present invention is directed to a horizontal vibration damping device. FIG. 7 shows a vibration model in the horizontal direction. For simplicity, the structure is supported by a spring. In the present invention, a pendulum structure (FIG. 8) is assumed as a method of realizing horizontal vibration. . Hereinafter, a damping device having this pendulum structure (single pendulum) will be referred to as a "pendulum type TMD".
振子式TMDの固有振動数は振子長さに依存する。すなわち、振子長さの逆数の平方根に比例して固有振動数が変化することから、特に、超高層建物のような長周期構造物(低振動数構造物)に適用する場合、振子長さは相対的に長くなる。 The natural frequency of a pendulum TMD depends on the length of the pendulum. In other words, since the natural frequency changes in proportion to the square root of the reciprocal of the pendulum length, the pendulum length is relatively longer.
しかしながら、上記従来の振子式TMDを超高層建物の屋上などに設置する場合には、長い振子構造を収容するために、高さのある広いスペースを屋上に確保する必要がある上、その振子構造を支持する付帯フレームの構築等が必要となる。また、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、振子の長さを合理的に変えることができるようにしたり、各方向で異なる長さの振子が必要になるなど、制振システムとして非常に煩雑なものになってしまう。すなわち、振子長さによる設置スペースの制約という問題がある。 However, when the above-mentioned conventional pendulum type TMD is installed on the roof of a skyscraper, etc., it is necessary to secure a large and tall space on the roof in order to accommodate the long pendulum structure. It is necessary to construct an incidental frame to support the In addition, when applying to a building with different natural periods in two directions, the length of the pendulum can be changed rationally, or the length of the pendulum must be different in each direction. The system becomes very complicated. That is, there is a problem that the length of the pendulum restricts the installation space.
また、建築物の設計と並行して制振装置を設計する場合、建築物の固有振動数の解析値をもとに振子長さを仮定することになるが、制振装置を実構造物の揺れに同調させるためには、実構造物の固有振動数に合わせて、振子長さを調整する必要がある。振子長さを調整するには、振子長さを直接変更する方法が考えられるが、このためには重錘を一旦、油圧ジャッキ等で支持し、吊部材の固定点を移動させる必要があり、かなり大掛かりな作業になるため、固有振動数の調整が困難であるという問題がある。 When designing a damping device in parallel with the design of a building, the length of the pendulum is assumed based on the analytical value of the natural frequency of the building. In order to synchronize with the shaking, it is necessary to adjust the length of the pendulum according to the natural frequency of the actual structure. In order to adjust the length of the pendulum, it is conceivable to directly change the length of the pendulum. Since this is a fairly large-scale operation, there is the problem that it is difficult to adjust the natural frequency.
振子長さの制約を回避し、低い振動数(長周期)の振子を実現する方法として、多段振子式制振装置がある。これを図9に示す。この方式は単純には、一つの振子を多段の振子に分割することで、通常振子による固有振動数を確保しつつ、装置高さを低くできるメリットがある。しかし、機構が複雑になることと、装置の平面寸法が大きくなる問題が生じる。また、結果的に装置の製作および設置費用が増大し、大幅なコストアップを招くことになるという問題がある。 A multi-stage pendulum damping device is available as a method of avoiding the pendulum length restriction and realizing a pendulum with a low frequency (long period). This is shown in FIG. This method simply divides one pendulum into multiple pendulum stages, and has the advantage of reducing the height of the device while ensuring the natural frequency of the normal pendulum. However, there arises a problem that the mechanism becomes complicated and the plane dimension of the device becomes large. Moreover, as a result, the manufacturing and installation costs of the device increase, resulting in a significant cost increase.
この発明は、上記の様な問題点を解消するためになされたもので、占有空間を極力小さくすることができるとともに、各方向に一組の制振装置を配置し、個々の制振装置のフライホイールを調整することで、建物の多方向の固有周期に対応したチューニングを容易に行うことができ、各方向の応答を低減させることを可能にする制振装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. It is possible to reduce the occupied space as much as possible. To provide a vibration damping device capable of easily tuning corresponding to multi-directional natural periods of a building by adjusting a flywheel and reducing responses in each direction. .
この発明に係る、振子式TMDは、構造物と、構造物に取り付けられた振子式同調質量ダンパーと、構造物と振子式同調質量ダンパーとの間に設けられた、フライホイールを有する係合部材とを含む。 A pendulum-type TMD according to the present invention includes a structure, a pendulum-type tuned mass damper attached to the structure, and an engaging member having a flywheel provided between the structure and the pendulum-type tuned mass damper. including.
好ましくは、係合部材は、ラックとピニオンである。 Preferably, the engaging member is a rack and pinion.
ラックは、同調質量ダンパーに設けられ、ピニオンは、フライホイールの回転軸として、構造物に設けられてもよいし、ピニオンは、フライホイールの回転軸として、同調質量ダンパーに設けられ、ラックは、構造物に設けられてもよい。 The rack may be provided on the tuned mass damper and the pinion may be provided on the structure as an axis of rotation for the flywheel, the pinion may be provided on the tuned mass damper as an axis of rotation for the flywheel and the rack may be: It may be provided in a structure.
この発明の一実施の形態によれば、係合部材は、フライホイールを有するボールねじである。 According to one embodiment of the invention, the engaging member is a ball screw with flywheel.
好ましくは、フライホイールを有するボールねじは複数設けられる。 Preferably, a plurality of ball screws with flywheels are provided.
この発明においては、振子式TMDに回転慣性機構(フライホイール)を組み込むことで、振子長さを変えることなく、振動数を低下させることができる。また、フライホイールの慣性力を変更するだけで、固有振動数を調整することができ、振動数を調整する作業が大幅に簡素化される。 In this invention, by incorporating a rotary inertia mechanism (flywheel) into the pendulum type TMD, it is possible to lower the frequency without changing the length of the pendulum. In addition, the natural frequency can be adjusted simply by changing the inertial force of the flywheel, greatly simplifying the work of adjusting the frequency.
その結果、占有空間を極力小さくすることができるとともに、各方向に一組のTMDを配置し、個々のTMDのフライホイールを調整することで、建物の多方向の固有周期に対応したチューニングを容易に行うことができ、各方向の応答を低減させることを可能にする制振装置を提供することができる。 As a result, it is possible to minimize the space occupied, and by arranging a set of TMDs in each direction and adjusting the flywheel of each TMD, it is easy to tune for the natural period of the building in multiple directions. It is possible to provide a damping device capable of reducing the response in each direction.
まず、この発明の理論的背景について説明する。発明者は、回転慣性機構(フライホイール)を組み込んだ振子式TMDの固有振動数の計算式を導出した。その前提となるフライホイールを有する振子式TMDの力学モデルを図1に示す。 First, the theoretical background of this invention will be explained. The inventor derived a formula for calculating the natural frequency of a pendulum-type TMD incorporating a rotary inertia mechanism (flywheel). Fig. 1 shows a dynamic model of a pendulum-type TMD with a flywheel, which is the premise.
ラック・アンド・ピニオン方式の伝達機構を想定し、フライホイールに作用する力を次式のように定義する。 Assuming a rack and pinion type transmission mechanism, the force acting on the flywheel is defined as follows.
以上、回転慣性に応じて、見かけ上の振子長さを大幅に変化させることができ、前述の実振子長さを変更する方式よりも簡素な現場作業で固有振動数を調整できる。 As described above, the apparent length of the pendulum can be greatly changed according to the rotational inertia, and the natural frequency can be adjusted with simpler on-site work than the method of changing the actual length of the pendulum.
上記の考察を元に、発明者は、フライホイールを有する振子式TMDの効果等について実験を行なった。実験に用いたフライホイールを有する振子式TMDを図2に示す。 Based on the above considerations, the inventor conducted experiments on the effects of the pendulum type TMD having a flywheel. FIG. 2 shows the pendulum-type TMD with a flywheel used in the experiment.
図2は、実験に用いた回転慣性機構を有する振子式TMDの具体的構成を示す図である。ここでは、ラック・アンド・ピニオンが設置されており、振子による水平運動に伴いフライホイールが回転し、回転慣性が発生する機構となっている。 FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of a pendulum-type TMD having a rotary inertia mechanism used in experiments. Here, a rack and pinion is installed, and the flywheel rotates with the horizontal movement of the pendulum, creating a mechanism that generates rotational inertia.
図2に示すように、TMDの重錘11下面にラック・アンド・ピニオン12、13が設置されており、振子14a,14bによる水平運動に伴い、重錘11が並進運動し、それに取付けられたラック12が移動し、ラック12に係合するピニオン13に取り付けられたフライホイール16が回転して、回転慣性が発生する機構となっている。
As shown in FIG. 2, rack and
フライホイールは脱着可能な構造になっており、人力での脱着が可能なように、薄い半円形の円板が複数枚設置されている。ちなみに、後述する実験で用いた交換用の半円形のフライホイールは厚さ10mmとなっており、回転慣性を調整できるように合計8枚設置した。また、半円1枚分の質量は約9kgと、一人でも十分交換できる重さとした。 The flywheel has a detachable structure, and multiple thin semicircular discs are installed so that it can be detached manually. By the way, the replacement semi-circular flywheels used in the experiments described later had a thickness of 10 mm, and a total of eight flywheels were installed so that the rotational inertia could be adjusted. In addition, the mass of one semicircle is approximately 9 kg, which is sufficiently heavy for one person to replace.
このラック12の位置はTMD質量11の壁面において自由に選択できる。また、ピニオン17の配置はラック12の下部、上部、側部など、どの部分においても構わない。
The position of this
なお、ラック12には適切な曲率を付けた方がよりスムーズにフライホイールが駆動する。曲率は振子の円弧運動に対応し、下向きに設定される。
If the
次に、振子式TMDの他の実施の形態について説明する。図3は、振子式TMDの他の実施の形態を示す図である。図3を参照して、この実施の形態においては、振子式TMD20は、TMD質量21にピニオンを軸にしたフライホイール26が設けられ、構造物の床面28の支持部29にラック22が設けられている。
Next, another embodiment of the pendulum type TMD will be described. FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the pendulum TMD. Referring to FIG. 3, in this embodiment, the
図4は、さらに他の実施の形態を示す図である。この実施の形態では、ボールスクリュー方式を用いてフライホイールを駆動させている。図4を参照して、TMDの質量31の壁面と構造物の床面38にボールスクリュー33a,33bを両端ヒンジで固定して、フライホイール36a,36bを駆動させる実施の形態である。ボールスクリュー36a,36bの固定位置は、TMDの質量31の壁面において自由に選択できる。
FIG. 4 is a diagram showing yet another embodiment. In this embodiment, a ball screw system is used to drive the flywheel. Referring to FIG. 4, it is an embodiment in which ball screws 33a and 33b are fixed to the wall surface of the
図5は、ボールスクリュー方式を用いてフライホイールを駆動させる実施形態である。TMDの質量41の下面と構造物の床面48との間にボールスクリュー43を両端ヒンジ45a、49で固定して、フライホイール46を駆動させる実施形態である。ボールスクリュー43の固定位置は、TMDの質量41の下面において自由に選択できる。
FIG. 5 shows an embodiment in which the flywheel is driven using a ball screw system. In this embodiment, a
図6は、ボールスクリュー方式を用いてフライホイールを駆動させる実施形態である。TMDの質量51の上面と構造物の天井面58にボールスクリュー53を両端ヒンジ55、58aで固定して、フライホイール56を駆動させる実施形態である。ボールスクリュー53の固定位置は、TMDの質量51の上面において自由に選択できる。
FIG. 6 shows an embodiment in which a ball screw system is used to drive the flywheel. In this embodiment, a
次に、実験結果について説明する。回転慣性機構の効果を確認するために、フライホイール16の厚さを変更し、各条件における装置の固有振動数を計測した。表1は実験ケースを示しており、フライホイールなし(No.1)とフライホイールの厚みを変更して回転慣性を付与した実験(No.2~4)を実施した。
Next, experimental results will be described. In order to confirm the effect of the rotary inertia mechanism, the thickness of the
回転慣性機構の効果を確認するために、フライホイールの厚さを変更し、各条件における装置の固有振動数を計測した。表2に実験結果を示す。 In order to confirm the effect of the rotary inertia mechanism, the thickness of the flywheel was changed and the natural frequency of the device was measured under each condition. Table 2 shows the experimental results.
表中には、見かけ上の振子長さを示すが、回転慣性機構がない場合、振子長さ 2.76m だったのが、90mmのフライホイールを設置した場合には、見かけ上の振子長さ(フライホイールが無い通常振子での必要長さ)が4.23m(約1.5倍)となることが分かる。 The apparent length of the pendulum is shown in the table. Without the rotary inertia mechanism, the pendulum length was 2.76m, but with a 90mm flywheel, the apparent pendulum length ( It can be seen that the length required for a normal pendulum without a flywheel is 4.23m (approximately 1.5 times longer).
表3に理論計算との比較を示す。固有振動数は実験装置の方が理論計算よりも若干大きいものの2%程度の誤差で両者はほぼ整合する結果となった。 Table 3 shows a comparison with the theoretical calculation. Although the natural frequency of the experimental device is slightly larger than that of the theoretical calculation, the results of both are almost consistent with an error of about 2%.
以上から、次の点が明らかになった。 From the above, the following points became clear.
回転慣性機構(フライホイール)を付与することによる振子式TMDの長周期化が実現できる。 A longer period of the pendulum type TMD can be achieved by providing a rotary inertia mechanism (flywheel).
回転慣性機構による見かけ上の振子長さの調整が可能になる。 Apparent pendulum length can be adjusted by the rotary inertia mechanism.
振子運動を回転運動に変換する機構(ラック・アンド・ピニオン、ボールナット方式)が有効である。 A mechanism that converts pendulum motion into rotary motion (rack and pinion, ball-nut system) is effective.
回転慣性を付与する部材の交換による振子長さの調整が可能である。 It is possible to adjust the length of the pendulum by exchanging the member that imparts rotational inertia.
単純には円板の厚みや大きさの変更、慣性力調整部材の変更が可能である。 Simply, it is possible to change the thickness and size of the disk and change the inertia force adjusting member.
図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の範囲内において、図示した実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。 Although embodiments of the invention have been described with reference to the drawings, the invention is not limited to the illustrated embodiments. Various modifications can be made to the illustrated embodiment within the same scope as the present invention or within an equivalent scope.
この発明によれば、振子式TMDに回転慣性機構(フライホイール)を組み込むことで、振子長さを変えることなく、簡単に固有振動数を低下させることができるため、振子式TMDとして有利に利用される。 According to this invention, by incorporating a rotary inertia mechanism (flywheel) into a pendulum-type TMD, it is possible to easily lower the natural frequency without changing the length of the pendulum. be done.
10 振子式TMD、11 TMD重錘、12 ラック、13 ピニオン、14 振子、16 フライホイール、18 構造物の床面。
10 pendulum type TMD, 11 TMD weight, 12 rack, 13 pinion, 14 pendulum, 16 flywheel, 18 floor of structure.
Claims (6)
前記構造物に取り付けられた振子式同調質量ダンパーと、
前記構造物と前記振子式同調質量ダンパーとの間に設けられた、フライホイールを有する係合部材とを含む、振子式制振装置。 a structure;
a pendulum tuned mass damper attached to the structure;
and an engaging member having a flywheel between the structure and the pendulum tuned mass damper.
前記ピニオンは、前記フライホイールの回転軸として、前記構造物に設けられる、請求項2に記載の振子式制振装置。 said rack being mounted on said tuned mass damper,
3. The pendulum type vibration damping device according to claim 2, wherein said pinion is provided on said structure as a rotating shaft of said flywheel.
前記ラックは、前記構造物に設けられる、請求項2に記載の振子式制振装置。 The pinion is provided on the tuned mass damper as a rotation axis of the flywheel,
3. The pendulum type vibration damping device according to claim 2, wherein the rack is provided on the structure.
6. The pendulum type vibration damping device according to claim 5, wherein a plurality of ball screws having said flywheel are provided.
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