JP2023012326A - 動吸振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 制振対象に対してコンパクトな構成により、設置対象への負荷が軽微で、制振対象に応じた振動減衰特性を設定できる動吸振器を提供する。【解決手段】建造物の床Ｆなどの設置対象に固定されるコイルばね９，１０を介して支持され、設置対象の振動に伴う慣性質量体３の慣性質量により振動を減衰する動吸振器１を、基端部を慣性質量体３に回転自在に枢支される第１リンク１１と、慣性質量体３の振動に関わらず固定的に回転自在に軸支され、回転軸上に第１リンク１１の自由端部が重錘部７の振動に伴う第１リンク１１の傾動を許容すべく摺動自在に係合する第１回転慣性体１２と、基端部を慣性質量体３に回転自在に枢支される第２リンク１３と、第２リンク１３の自由端部に固定され、かつ慣性質量体３の振動に伴う第２リンク１３の傾動を許容すべく振動と直交方向に相対移動可能な回転自在に軸支される第２回転慣性体１４とを具備させる。【選択図】図１

Description

本発明は、動吸振器、特に重錘などの慣性質量体の慣性質量に回転慣性質量を付加して振動を減衰させるものに関する。

大型建造物の梁や床などの長大な構造部分に対する制振装置は、特許文献１（特に図６，図７）に記載されている。床の振動の振幅が最も大きくなる床中央部に設けられるＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ）は、床の下面に固着される粘弾性ゴム部材と、粘弾性ゴム部材の下面に固定される質量体とを具備し、粘弾性ゴム部材の剛性を床の固有振動数に同調するように設定することにより、床の振動に質量体を共振させて大きく振動させ、床の振動エネルギーを吸収して振動を低減している。
また、特許文献２（特に図１０，図１１）には、高架橋の橋軸方向端部側に位置する橋脚間に設けられた一対の支持横桁の間に、橋軸の直角方向に沿って設けられる制振装置が開示されている。この制振装置は、ベース基台上に立設された支持軸により貫通される可動質量体が上下移動をガイドされつつ、各支持軸周りの上下のコイルばねにより弾性支持されている。可動質量体に高架橋の振動が伝達すると、可動質量体がばね反力に抗しつつ支持軸に沿って上下に振動し、高架橋の固有振動と同期して振動すると共に、ベース架台と可動質量体の間のオイルダンパーがオリフィスを通過するオイルの粘性抵抗を発生することにより高架橋の振動を減衰する。
さらに、特許文献３（特に図１，図２）には、分割された複数の床板に対する動吸振器が開示されている。この動吸振器は、梁状ばね部材と、マスと、粘弾性体とを備える。梁状ばね部材は、複数の分割床板の下面に一端側が固着されて分割床板の振動が入力され、他端が分割床板に対して撓み変形のばね力で振動する。マスは、梁状ばね部材の他端側の下面に固定される。粘弾性体は、梁状ばね部材の他端側に設けられ、梁状ばね部材の他端の振動に伴って、分割床板に対して打撃を与え、または接触状態に応じた圧縮力を付与する。動吸振器のマスに分割床板の振動が伝達されることにより、分割床板の振動を抑制し、さらに動吸振器の粘弾性体が分割床板に接触することで、分割床板の振動をさらに抑制する。
また、動吸振器は定常振動に対する揺れの低減効果が大きい事から、交通振動対策だけでなく、近年では超高層建物の風揺れ対策に加えて長周期地震動対策として適用されている例もある。その代表例として特許文献４を示す。特許文献４は揺れの方向に対し異なる固有振動数を持つ構造物に対して、構造の複雑化を防ぎつつ揺れ方向に対し適したばねの配置が可能な構造を持つ動吸振器である。しかし、振動の低減を果たすために大質量の錘を用いている点では従来の動吸振器と同じものである。

特開２０１８－１４５６２７号公報 特開２０１７－８２４９３号公報 特開２０１６－１１８０３１号公報 特開２０１７－０２５９４３号公報

上記従来の制振装置及び動吸振器においては、いずれも、慣性質量体として錘を用いるため、大型建造物や高層建物などの長大な構造物に適用する場合に、制振対象の重量に対応する相応の質量の錘を使用する必要があるから、錘の自重による強度上の負荷が大きくなり、また錘の慣性質量により決定される固定された振動減衰特性にならざるを得ない。
したがって、本発明は、梁・床を始めとする比較的長大な制振対象に対してコンパクトで制振対象への負荷が軽微な構成でありながら、制振対象に応じて適切な振動特性を設定可能な動吸振器を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、建造物の床Ｆなどの設置対象に連結されるコイルばね９，１０などの弾性体を介して接続され、制振対象の振動に伴う慣性質量体３の慣性質量により振動を減衰する動吸振器１を、制振対象に枠体２などの取付部材を介して回転自在に軸支される回転慣性体１２，１４と、一端部が慣性質量体７に、他端部が回転慣性体１２，１４の回転軸１２ａ，１４ａ上にそれぞれ枢支され、慣性質量体の振動に伴い回転慣性体１２，１４を回転させるリンク１１，１３とを具備させた。制振対象の振動に伴う慣性質量体３の慣性質量に回転慣性体１２，１４の回転慣性質量を重ね合わせることにより、慣性質量体３の慣性質量を増減変更して、制振対象に適した振動減衰力を付与する。

本発明によれば、慣性質量体の慣性質量に回転慣性体の回転慣性質量が加わり、慣性質量を増減させるので、全体としてコンパクトで制振対象への負荷が軽微な構成にもかかわらず、適切な慣性質量を得ることができ、また慣性質量の適切な調整により、想定される振動に対して最適な振動減衰特性を付与することができる。

本発明の一実施形態に係る動吸振器の正面図である。 図１の動吸振器の背面図である。 図１の動吸振器の側面図である。 図１の動吸振器の平面図である。 第１回転慣性機構の動作説明図である。 第２回転慣性機構の動作説明図である。 （Ａ）は第１回転慣性機構の回転角度と慣性質量体に対する等価質量の倍率との関係を示すグラフ、（Ｂ）は第２回転慣性機構の回転角度と慣性質量体に対する等価質量の倍率との関係を示すグラフである。 慣性質量体の等価質量の倍率を１０％及び２０％増減変更させた場合における入力振動数比に対する振幅倍率の変化を示すグラフである。 慣性質量体の等価質量が１０％減少した場合における入力振動数比に対する振幅倍率の変化の比較を示すグラフである。 慣性質量体の等価質量が１０％増加した場合における入力振動数比に対する振幅倍率の変化の比較を示すグラフである。 慣性質量体の等価質量が２０％減少した場合における入力振動数比に対する振幅倍率の変化の比較を示すグラフである。 慣性質量体の等価質量が２０％増加した場合における入力振動数比に対する振幅倍率の変化の比較を示すグラフである。 図１の動吸振器の動作説明図である。 リンク長さ比と回転慣性質量比を表１に示す条件１に設定した第１回転慣性機構と第２回転慣性機構を組み合わせた動吸振器の回転角度と等価質量の関係を示すグラフである。 リンク長さ比と回転慣性質量比を表１に示す条件２に設定した第１回転慣性機構と第２回転慣性機構を組み合わせた動吸振器の回転角度と等価質量の関係を示すグラフである。 リンク長さ比と回転慣性質量比を表１に示す条件３に設定した第１回転慣性機構と第２回転慣性機構を組み合わせた動吸振器の回転角度と等価質量の関係を示すグラフである。 リンク長さ比と回転慣性質量比を表１に示す条件４に設定した第１回転慣性機構と第２回転慣性機構を組み合わせた動吸振器の回転角度と等価質量の関係を示すグラフである。 リンク長さ比と回転慣性質量比を表１に示す条件５に設定した第１回転慣性機構と第２回転慣性機構を組み合わせた動吸振器の回転角度と等価質量の関係を示すグラフである。 他の実施形態に係る動吸振器の正面図である。

本発明の実施の一形態について図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図４において、動吸振器１は、制振対象である床Ｆの下面に取り付けられ、床Ｆに対する以下の付属物の取付部材を構成する略十字状の枠体２と、この枠体２の縦板部に沿って上下に支持され床Ｆの上下方向の振動に対する共振により減衰作用を行う慣性質量体３と、枠体２の横板部の両側にそれぞれ支持され慣性質量体３に対して回転慣性質量を付加することにより慣性質量を増減させる第１，第２の回転慣性機構４，５と、床Ｆの振動を減衰させる振動減衰手段６とを具備する。枠体２は、床Ｆの下面に固定するための上枠２ａと、下部において上枠２ａに対向する下枠２ｂと、上枠２ａと下枠２ｂを上下端部に結合する略十字状の支持板２ｃと、上枠２ａと下枠２ｂを結合する連結杆２ｄとを具備する。

慣性質量体３は、枠体２の支持板２ｃの縦片に沿って上下方向に支持される直方形状の重錘部７と、重錘部７から上下方向に延び上枠２ａ，下枠２ｂを摺動自在に貫通するガイド軸部８とを具備する。慣性質量体３は、重錘部７と上枠２ａ，下枠２ｂとの間に係止されるコイルばね９，１０により枠体２に上下に移動自在に保持される。なお、ガイド軸部８の下端部に接続される振動減衰手段６は、慣性質量体３の上下の振動の継続を防止するために、必要に応じて減衰効果を補強するもので、慣性質量体の挙動に抵抗を付与する周知の各種のダンパーを適用することができる。

第１回転慣性機構４は、重錘部７の枢軸７ａに回転自在に軸支され支持板２ｃの一方の横片に沿って延びる第１リンク１１と、支持板２ｃに中心が枢支されると共に第１リンク１１の先端部に係合する第１回転慣性体１２とを具備する。第１リンク１１は、基端が重錘部７の正面中央部に位置する枢軸７ａを中心に回転自在に支持され、重錘部７の初期位置で支持板２ｃの横片に沿って水平に延び、先端部に長手方向の所定長さの小径部１１ａを備える。第１回転慣性体１２は、所定の回転慣性質量を有し、中心の回転軸１２ａと一体の円盤状をなし、支持板２ｃに回転軸１２ａを中心に垂直方向に回転自在に支持される。延長された回転軸１２ａの先端部には、軸線直交方向に水平な係合筒１２ｂが固定されている。係合筒１２ｂは、第１リンク１１の小径部１１ａが摺動自在に貫通し、慣性質量体３の上下動に伴う第１リンク１１の傾動と共に、第１回転慣性体１２の回転を許容する。

第２回転慣性機構５は、重錘部７の枢軸７ａに回転自在に支持され支持板２ｃの他方に沿って水平方向に延びる第２リンク１３と、支持板２ｃに中心が枢支されると共に第２リンク１３の先端部に係合する第２回転慣性体１４とを具備する。第２リンク１３は、基端が重錘部７の枢軸７ａの正面中央部に回転自在に支持され、重錘部７の初期位置で第１リンク１１と反対側に水平に延び、先端部に第２回転慣性体１４の回転軸１４ａに結合する。第２回転慣性体１４は、所定の回転慣性質量を有し、中心の回転軸１４ａと一体の円盤状をなし、支持板２ｃに回転軸１４ａを中心に垂直方向に回転自在に支持される。第２回転慣性体１４は、支持板２ｃに形成された長手方向の長孔１５の範囲で水平方向に移動可能に支持され、慣性質量体３の上下動に伴う第２リンク１３の傾動と共に、第２回転慣性体１４の回転を許容する。

いま、床Ｆの振動が動吸振器１に伝達されて、図５に示すように、慣性質量体３が上方へ移動したときの第１回転慣性機構４の等価質量は以下になる。

但し、Ｍｅ_１；第１回転慣性体の等価質量、Ｉｒ_１；第１回転慣性体の慣性質量（第１リンクを含む）、ｒ_１；第１回転慣性体と慣性質量体の中心間距離、θ_１；第１リンクの回転角とする。
また、床Ｆの振動が動吸振器１に伝達されて、図６に示すように、慣性質量体３が上方へ移動したときの第２回転慣性機構５の等価質量は以下になる。

但し、Ｍｅ_２；第２回転慣性体の等価質量、Ｉｒ_２；第２回転慣性体の慣性質量（第２リンクを含む）、ｒ_２；第２回転慣性体と慣性質量体を結ぶ第２リンク長さ、θ_２；第２リンクの回転角とする。

図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、慣性質量体３の等価質量は、第１，第２回転慣性機構４，５の回転角度に対して増減する特性を有する。同図中破線は、等価質量の倍率が１０％を超える領域を示す。

図８に示すように、慣性質量体３の等価質量に応じて振幅倍率曲線が変わり、振動特性が変化する。特に、図９Ａ，図９Ｂに示すように等価質量の増減が１０％以内であれば振幅の増幅倍率は比較的小さな変化になるが、図９Ｃ，図９Ｄに示すように等価質量の増減が２０％を超えると振幅倍率は大きな変化になる。すなわち、慣性質量体３の等価質量の増減が１０％以内であれば、慣性質量体３の変位は動吸振器の機能上許容されるが、等価質量の増減が１０％を超過する領域であれば、慣性質量体３の変位が過大になり動吸振器の機能上好ましくない場合がありうる。しかし、第１、第２回転慣性機構４，５の単体での慣性質量体３への等価質量の増減効果は限定的であるが有効である。

本実施形態における第１及び第２回転慣性機構４，５を具備する動吸振器１に設置対象の床Ｆの振動が伝達されて、図１０に示すように、慣性質量体が上方へ移動したときの慣性質量体３の等価質量は以下になる。

但し、α；リンク長さ比ｒ_２／ｒ_１、β；回転慣性質量比Ｉｒ_１／Ｉｒ_２とする。
リンク長さ比αと回転慣性質量比βは、慣性質量体３の変位に伴い変動するので、等価質量の増減にも影響を及ぼす。
等価質量の増幅率が高くなると、慣性質量体３の変位に伴う等価質量の変動は大きくなり、逆に増幅率が低くなると、慣性質量体３の変位に伴う等価質量の変動は小さくなる傾向にある。

リンク長さ比αと回転慣性質量比βの設定如何によって、第１、第２回転慣性機構４，５単体の場合と比較して慣性質量体３の等価質量の増幅率を高くすることも可能である。
リンク長さ比αと回転慣性質量比βを以下の表１に示す５条件について、第１リンク１１の変位角に対する慣性質量体３の等価質量の増幅比の変化を図１１ＡからＥに示す。

第１，第２回転慣性機構４，５をそれぞれ単体で用いた場合の等価質量の倍率変化は、図７に示すように、１０％以内の領域が第１回転慣性機構４で回転角度約１３度以下、第２回転慣性機構５で回転角度約１７．５度以下になっている。これに対して、図１１ＡからＥに示すように、本実施形態の動吸振器１は、いずれの条件においても回転角度約３０度を超える範囲まで慣性質量体３の可動域が拡がっていることを確認できる。

以上のように、動吸振器１においては、慣性質量体３に第１，第２の回転慣性機構４，５をそれぞれ単独で連結すれば、慣性質量体３の変位に応じて等価質量が増減変化するため、慣性質量体３の固定された慣性質量を振動の変位に応じて加減調整することができる。また、第１，第２の回転慣性機構４，５を組み合わせることにより、慣性質量体３の変位による回転慣性質量の変化を互いに打消し合い、回転慣性質量の変化を抑制し、慣性質量体３がほぼ一定倍率の慣性質量となる可動範囲を拡大することができる。従って、本発明の動吸振器１は、慣性質量体３の質量を抑えつつ制振対象に適した振動減衰特性を設定することができる。さらに、等価質量が減少する特性を持つ第１回転慣性機構４と、増幅する特性を持つ第２回転慣性機構５とを組み合わせれば、動吸振器の機能上有効な等価質量の増減が１０％以内の慣性質量体３の変位領域を拡大することができる。

また、この動吸振器１においては、慣性質量体３の変位に応じて慣性質量体３の等価質量がほぼ一定倍率となる領域から増減する領域に移行する特性を有するので、例えば、制振対象が風などの微小振幅の振動時において、等価質量の変動が１０％以内の領域で振動を抑える一方、地震時の過大振幅の振動時において、等価質量の変動が１０％の閾値を超える領域で等価質量を増加して振動を抑える。このように、動吸振器１は、多様な振幅の振動を抑えることができ、一般建築構造物にも適用できる。

なお、本発明に係る動吸振器１は、図１２に示すように、構造物の壁面Ｗなどに設置することにより横方向の振動に対しても上記実施形態と同様にして有効であり、本発明が制振対象の振動方向に対して限定されることはない。

１ 動吸振器
２ 枠体
２ａ 上枠
２ｂ 下枠
２ｃ 支持板
２ｄ 連結杆
３ 慣性質量体
４ 第１回転慣性機構
５ 第２回転慣性機構
６ 振動減衰手段
７ 重錘部
７ａ 枢軸
８ ガイド軸部
９ コイルばね
１０ コイルばね
１１ 第１リンク
１１ａ 小径部
１２ 第１回転慣性体
１２ａ 回転軸
１２ｂ 係合筒
１３ 第２リンク
１４ 第２回転慣性体
１４ａ 回転軸
１５ 長孔
Ｆ 床
Ｗ 壁

Claims (4)

1. 制振対象に弾性体を介して相対移動可能に接続され、制振対象の振動に伴う慣性質量体の振動により制振対象の振動を減衰する動吸振器であって、
   制振対象に取付部材を介して回転自在に軸支される回転慣性体と、
   一端部が前記慣性質量体に、他端部が前記回転慣性体の回転軸上にそれぞれ枢支され、慣性質量体の振動に伴い回転慣性体を回転させるリンクとを具備し、
   制振対象の振動に伴う慣性質量体の慣性質量に前記回転慣性体の回転慣性質量を重ね合わせて振動減衰力を付与することを特徴とする動吸振器。
2. 前記回転慣性体は、前記慣性質量体の振動に伴う相対変位を許容すべく、回転軸が前記リンクに摺動自在に係合する第１回転慣性体であることを特徴とする請求項１に記載の動吸振器。
3. 前記回転慣性体は、前記慣性質量体の振動に伴う相対変位を許容すべく、回転軸が制振対象の振動と直交方向に移動可能に係合する第２回転慣性体であることを特徴とする請求項１に記載の動吸振器。
4. 前記第１回転慣性体と、前記第２回転慣性体とを具備することを特徴とする請求項１に記載の動吸振器。

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