JP3085164B2 - 同調マスダンパ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、建物の並進及び
ねじれの二つの振動モードに対して制振効果が得られる
ようにした同調マスダンパ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高層建物の地震及び強風時の揺れを抑制
するための制振装置の一つとして、同調マスダンパ（Ｔ
ｕｎｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ、以下ＴＭＤと略
記する）が知られている。このＴＭＤは、高層建物の固
有振動周期と同じ固有振動周期で振動する付加質量体及
びバネからなる振動系とこの振動系の振動を減衰させる
減衰系とからなり、建物の頂部等に設置される。

【０００３】ところで、建物に生じる揺れには、建物全
体が平行に動く並進（水平）振動だけでなく、ねじれ振
動もある。ここで、一般に建物の並進振動とねじれ振動
とはその固有振動数が異なるので、パッシブなＴＭＤを
１台設置するだけではこれら二つの振動モードを有効に
低減することはできず、並進振動用のものとねじれ振動
用のものとを別途個別に複数台設ける必要がある。

【０００４】図５（ａ）、（ｂ）は、平断面の矩形の建
物１の頂部にＴＭＤを適用した場合のモデルを示すもの
で、建物１の中央には並進振動対応用のＴＭＤ２が設置
され、長手方向両側にはねじれ振動対応用の一対のＴＭ
Ｄ３が対向設置されている。

【０００５】各ＴＭＤ２，３は、付加質量体をバネを介
して建物上に支持するとともに、付加質量体の振動を減
衰させる減衰装置などを備え、それぞれ建物１の並進振
動の固有振動数及びねじれ振動の固有振動数に各々同調
するように調整される。またＴＭＤ２の質量体の重量
は、各ＴＭＤ３の質量体の重量の約二倍程度に設定され
る。

【０００６】即ち、図５（ａ）の想像線に示すように、
建物１の短辺方向であるＹ方向に並進振動が加わった場
合には、ＴＭＤ２の質量体がＹ方向に同調して逆位相で
往復動することにより、建物の並進振動とは逆向きの力
がＴＭＤ２から建物１に反作用力として加わることにな
り、その結果、建物の並進振動が減衰される。

【０００７】また図５（ｂ）の想像線で示すように、建
物１のＸＹ方向にねじれ振動が加わった場合には、一対
のＴＭＤ３は相互に逆相方向に同調して動き、ねじれ振
動を減衰させる。

【０００８】このように、各ＴＭＤ２，３は建物１のそ
れぞれ並進及びねじれの固有振動数に対応するものであ
るから、一つの建物に対してＴＤＭを３台以上、機能と
しては二種類必要とする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各ＴＭ
Ｄ２，３の制振効果は、質量体の重量に大きく依存する
ものであるから、一つの振動モードに対抗させるＴＭＤ
の最低重量は、建物総重量に応じて設定しなければなら
ず、相当重いものとなる。

【００１０】従って、二つの振動モードに対応するため
に二種類ものＴＭＤを建物１の頂部に装備することは、
装置費用のほか、建物に加わる重量も約二倍となり、こ
れを支持する建物構造の負担が大きなものとなる。

【００１１】この発明は、以上の問題を解決するために
創案されたものであり、その目的は、並進振動の固有振
動数よりもねじれ振動の固有振動数の方が高い建物に対
して、その双方の振動を一対のＴＭＤで有効に減衰させ
るとができ、もって装置数の減少並びに軽量化を可及的
に図り得る同調マスダンパ装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、この発明のＴＭＤ装置は、建物の平面長手方向両側
に対向配置された一対の質量体と、該各質量体をそれぞ
れ少なくとも前記対向配置方向に対して直交する方向に
振動可能に弾性支持するバネと、該各質量体の前記直交
する方向の振動成分を減衰すべく該各質量体と該建物と
の間に介設された減衰器と、該一方の質量体と該建物と
の間に介設され、前記直交方向の振動に伴う該建物との
相対変位に応じて容積が拡縮される第１の液体充填室
と、該他方の質量体と該建物との間に介設され、前記一
方の質量体と同位相の振動に伴う該建物との相対変位に
応じて該第１の液体充填室とは容積が逆向きに拡縮され
る第２の液体充填室と、該第１の液体充填室と該第２の
液体充填室とを結んで設けられ、両液体充填室同士を連
通させる連通管と、該連通管の配管経路の途中に接続さ
れ、連通管内の液体の圧力変動に応じて弾性体を変位さ
せるバネ手段と、を備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１３】上記構成によるＴＭＤ装置によれば、建物
の固有振動のうち、並進振動モードにおいては、両質量
体は同位相の振動変位をとるから、第１及び第２液体充
填室はその一方が拡大側になるとともに他方が縮小側に
なって内部の液体は連通管を通じて相互に移動し、双方
の質量体は連成系となって同位相方向に変位して連通管
内の液体の圧力は殆ど変化しない。従って、両質量体の
振動は液体が連通管内を移動して流れる際の流動抵抗、
並びに減衰器による抵抗とにより減衰されつつ、建物に
対して反作用力を加えて当該建物の並進振動を抑制す
る。

【００１４】また、上記並進振動モードよりも固有振動
数が高いねじれ振動モードにおいては、各質量体は相互
に逆位相方向に変位して振動するから第１及び第２の液
体充填室はともに拡大側あるいは縮小側に拡縮し、連通
管を通じての液体の相互移動は生じず、液体の圧力に変
動が生じる。すると、この液体の圧力変動によりバネ手
段の弾性体が変位してバネ効果を呈する。つまり、一対
の質量体の逆位相方向の振動に対しては、第１及び第２
の液体充填室並びに連通管、バネ手段が適当なバネ系と
して機能して固有振動数を高めることになる。

【００１５】それ故、この発明のＴＭＤ装置は、一対の
質量対が同位相方向に変位して振動する場合と逆位相方
向に変位して振動する場合とで異なる二つの固有振動特
性を持つことになり、その同位相方向への振動時の固有
振動特性を建物固有の並進振動周期に同調させるととも
に、逆位相方向への振動時の固有振動特性を建物のねじ
れ振動周期に同調させることにより、何れの振動の抑制
も可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施の形
態を添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１７】図１、２はこの発明にかかるＴＭＤ装置を
示すものである。

【００１８】図示するように、ＴＭＤ装置１０は、平面
長方形の高層建物１１の長手方向両側に対向配置された
一対のＴＭＤ１２ａ，１２ｂを備えている。各ＴＭＤ１
２ａ，１２ｂは、建物１１の重量に相応した所定の重さ
を有する質量体１３ａ，１３ｂと、この質量体１３ａ，
１３ｂを少なくとも前記対向配置方向に対して直交する
方向（つまり建物１１の短辺方向）に振動自在に弾性支
持する支持手段１４ａ，１４ｂと、質量体１３ａ，１３
ｂの前記直交方向への振動を減衰させる減衰手段１５
ａ，１５ｂとを有している。このような、ＴＭＤ１２
ａ，１２ｂは基本的には制振しようとする建物振動の腹
となる階層部分に設置するのが望ましく、本図示例では
建物１１の頂部に設けられる場合を示している。

【００１９】上記一対の質量体１３ａ，１３ｂは直方体
状をなし、その下部には上記支持手段１４ａ，１４ｂと
して、積層ゴム板などでなる免振用バネ材１６が設けら
れていて、各質量体１３ａ，１３ｂはそれぞれこの免振
用バネ材１６を介して建物１１の頂部上に水平方向に振
動可能に設置固定されている。また、各質量体１３ａ，
１３ｂには、建物１１との相対振動を減衰させて制振す
るための上記減衰手段１５ａ，１５ｂとして、その短辺
並びに長辺に沿った２方向に摩擦式あるいは流体式等に
よる減衰器１７が建物１１との間に介設されている。

【００２０】ところで、本発明では、各質量体１３ａ，
１３ｂと建物１１との間には前記直交方向の振動に伴う
これら質量体１３ａ，１３ｂと建物１１との相対変位に
応じて容積が拡縮される液体充填室１８が設けられてい
る。本図示例では、この液体充填室１８はシリンダ１９
とピストン２０とからなるシリンダ機構で形成され、各
質量体１３ａ，１３ｂに対して制震方向である短辺方向
に沿って両側に設けられている。この図示例にあって
は、シリンダ１９側が建物１１に係止板２１を介して固
定係止され、このシリンダ１９内を摺動するピストン２
０側がそれぞれ質量体１３ａ，１３ｂに連結されてい
る。ここで、当該ピストン２０から一体的に延びるピス
トンロッドの端部にはスライダ２２が設けられていて、
このスライダ２２は質量体１３ａ，１３ｂの建物長辺方
向への振動を許容するために、質量体１３ａ，１３ｂの
側面に設けられたガイドレール２３に係合されて連結さ
れている。即ち、各質量体１３ａ，１３ｂの各々の変位
に対し、その制振方向の一方側の液体充填室１８の容積
が拡大されるときには、他方側の液体充填室１８の容積
は逆に縮小されるようになっている。

【００２１】さてここで、建物１１が並進振動して一対
の質量体１３ａ，１３ｂがともに建物１１に対して同位
相方向に変位する場合において、各質量体１３ａ，１３
ｂの振動方向の一方側に設けられてともに同位相で拡縮
される上記の液体充填室１８同士をそれぞれ第１の充填
室１８ａとし、また他方側に設けられて上記第１の液体
充填室１８ａとは逆位相で拡縮される液体充填室１８同
士を第２の液体充填室１８ｂとすると、一方の質量体１
３ａ側の第１の液体充填室１８ａと他方の質量体１３ｂ
側の第２の液体充填室１８ｂとが連通管２４により相互
に結ばれて連通され、同様に他方の質量体１３ｂ側の第
１の液体充填室１８ａと一方の質量体１３ｂ側の第２の
液体充填室１８ｂとが連通管２４により相互に結ばれて
連通され、これら２本の連通管２４，２４はそれぞれ互
いにほぼＸ字型に交差した状態で配設されている。

【００２２】そしてさらに、各々の連通管２４，２４に
はその配管経路途中のほぼ中間位置に、連通管２４，２
４内の液体の圧力変動に応じて弾性体が変位するバネ手
段が設けられている。本図示例ではこのバネ手段は気体
室２５を画成する密閉されたチャンバー２６で構成さ
れ、このチャンバー２６は連通管２４に連通接続されて
立ち上げ状態で配置されている。

【００２３】図３は上記気体室２５の詳細構造を示して
いる。図において、各気体室２５は、連通管２４の上部
を貫通してねじ込みなどにより接続された立ち上げ管２
７と、この立ち上げ管２７の上部に一体化され、内部密
封されたチャンバー２６とで形成され、このチャンバー
２６内には連通管２４内の液体が入り込んでおり、その
液体面より上部側空間が気体室２５となって空気が封入
されている。また、立ち上げ管２７の内側にはこれの管
径より径小なオリフィス２８が形成されている。なお、
上記液体としては水あるいは非圧縮性流体として油など
を使用し得る。

【００２４】図４（ａ）、（ｂ）は以上の構成によるＴ
ＭＤ装置１０の並進振動モード時及びねじれ振動モード
時における動作態様を示している。

【００２５】先ず（ａ）の建物１１の短辺方向の並進振
動モードに対しては、両ＴＭＤ１２ａ，１２ｂはその建
物１１全体の並進振動に対し相対的に逆向きに、かつ両
ＴＭＤ１２ａ，１２ｂは互いに同位相で振動する。この
時、一方の質量体１３ａまたは１３ｂ側の第１の液体充
填室１８ａと他方の質量体１３ａまたは１３ｂ側の第２
の液体充填室１８ｂとは、それらの容積が逆向きに拡縮
されるから、第１及び第２の液体充填室１８ａ，１８ｂ
内に充填された液体は連通管２４を通じてその縮小側か
ら拡大側へとそれぞれ小矢印に示すように円滑に移動し
て流動し、この流動の際の抵抗が振動の減衰作用をもた
らす。またこのときには、連通管２４内で液体は双方の
液体充填室１８ａ，１８ｂに向けて交互に円滑に流動す
るので気体室２５内の液面高さ、つまり気体室２５の容
積には大きな変動は生じることがなく、気体室２５が空
気バネとして特に機能することはない。

【００２６】次に（ｂ）のねじれ振動モードに対して
は、各質量体１３ａ，１３ｂが互いに逆位相方向に変位
して振動するから、第１及び第２の液体充填室１８ａ，
１８ｂはともに拡大側あるいは縮小側に拡縮する。この
ため連通管２４を通じての液体の相互移動は殆ど生じ
ず、液体の圧力に変動が生じる。すると、この液体の圧
力変動によりチャンバー２６の気体室２５内の液面高さ
が変動して、内部の空気が弾性体となって膨張収縮され
てバネ効果を呈する。

【００２７】つまり、並進振動モードよりも振動数が高
く、一対の質量体１３ａ，１３ｂ同士が逆位相方向に振
動するねじれ振動モードに対しては、第１及び第２の液
体充填室１８ａ，１８ｂ並びに連通管２４，チャンバー
２６の気体室２５は適当なバネ系を形成することにな
る。

【００２８】それ故、この発明のＴＭＤ装置１０では、
一対の質量体１３ａ，１３ｂ同士が同位相方向に振動す
る場合と逆位相方向に振動する場合とでは、それぞれ異
なる固有振動周期を有することになり、その同位相方向
の振動の固有振動周期と逆位相方向の振動の固有振動周
期とをそれぞれ建物固有の並進振動周期、及びねじれ振
動周期に同調させることにより、建物の並進振動とねじ
れ振動との双方の振動を抑制することが可能となる。

【００２９】以上の二種類の抑制作用は、個々のＴＭＤ
１２ａ，１２ｂ単独での固有振動周期を決定する質量体
の重さやバネ材の弾性係数並びに減衰器の減衰係数に加
え、さらに前記流体圧によるバネ系を構成する連通管２
４の断面積及びその長さ、気体室２５内部の断面積、オ
リフィス２８による粘弾性系数、封入された液体の体積
質量などに相関を有するものであるから、これらの値を
適宜設定することによって並進振動モード時及びねじれ
振動モード時における建物１１の固有振動特性に合わせ
て装置を調整することができる。ここで、上記質量体１
３ａ，１３ｂの重さ、この質量体１３ａ，１３ｂを弾性
支持する免振用バネ材１６の弾性係数、並びに減衰器１
７の減衰係数等は、基本的には建物１１の並進振動の固
有振動に同調するように設定し、これらにさらに流体圧
によるバネ系が付加された状態でねじれ振動の固有振動
数に同調するように当該流体圧のバネ系を設定する。

【００３０】なお、流体圧によるバネ系ではその配管経
路の引き回しの自由度は高いから、設置する際のスペー
ス的な制約も容易に回避し得る。

【００３１】また、図示例では質量体１３ａ，１３ｂは
積層ゴムでなるバネ材１６により水平な２次元方向の振
動を許容するようにしているが、たとえばガイドレール
などによって質量体１３ａ，１３ｂの移動を建物１１の
短辺方向のみに１次元的に規制して振動させるように構
成しても良い。

【００３２】

【発明の効果】以上実施例で詳細に説明したように、こ
の発明に係るＴＭＤ装置にあっては、建物の長手方向両
側に対向配置した一対のＴＭＤ間に、当該ＴＭＤ同士が
逆位相方向に変位して振動するときにはバネとして機能
する一方、同位相方向に変位して振動するときにはバネ
として機能しない流体圧によるバネ系を介在させること
により、同位相方向に振動する場合と逆位相方向に振動
する場合とでそれぞれ異なる固有振動周期を持たせるこ
とができ、よってこれらの固有振動周期をそれぞれ建物
の並進振動モードの固有振動周期とねじれ振動モードの
固有振動周期とに同調させることにより、双方の振動モ
ードに対応して制振を行わせることができる。従って、
従来のように並進振動用とねじれ振動用との２種類のＴ
ＭＤを別途に建物に設置する必要が無く、従来に比べて
装置費用が安価となり、しかも建物に加わる重量も従来
の半分ですむため、これを支持する建物構造の負担が小
さくなるなどの各種利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる同調マスダンパの平面説明図
である。

【図２】図１の側面説明図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は図２のＢ部拡大断面説明図で
ある。

【図４】（ａ）、（ｂ）は並進振動モード時及びねじれ
振動モード時における動作態様を示す説明図である。

【図５】従来の同調マスダンパの各振動モード時におけ
る動作態様を示す説明図である。

【符号の説明】

１１ 高層建物 １２ａ，１２ｂ ＴＭＤ（同調マスダンパ） １３ａ，１３ｂ 質量体 １４ａ，１４ｂ 支持手段 １５ａ，１５ｂ 減衰手段 １６ 免振用バネ材 １７ 減衰器 １８ａ 第１の液体充填室 １８ｂ 第２の液体充填室 １９ シリンダ ２０ ピストン ２４ 連通管 ２５ 空気室 ２６ チャンバー（バネ手段）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 建物の平面長手方向両側に対向配置され
   た一対の質量体と、 該各質量体をそれぞれ少なくとも前記対向配置方向に対
   して直交する方向に振動可能に弾性支持するバネと、 該各質量体の前記直交する方向の振動成分を減衰すべく
   該各質量体と建物との間に介設された減衰器と、 該一方の質量体と該建物との間に介設され、前記直交方
   向の振動に伴う建物との相対変位に応じて容積が拡縮さ
   れる第１の液体充填室と、 該他方の質量体と該建物との間に介設され、前記一方の
   質量体と同位相の振動に伴う建物との相対変位に応じて
   該第１の液体充填室とは容積が逆向きに拡縮される第２
   の液体充填室と、 該第１の液体充填室と該第２の液体充填室とを結んで設
   けられ、両液体充填室同士を連通させる連通管と、 該連通管の配管経路の途中に接続され、連通管内の液体
   の圧力変動に応じて弾性体を変位させるバネ手段と、 を備えたことを特徴とする同調マスダンパ装置。