JP3732314B2

JP3732314B2 - 制振装置

Info

Publication number: JP3732314B2
Application number: JP20929797A
Authority: JP
Inventors: 裕安部; 信良羽生田; 大輔松本; 和廣鈴木
Original assignee: Takenaka Corp; KYB Corp
Current assignee: Takenaka Corp; KYB Corp
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2017-08-04
Also published as: JPH1151111A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地震や風による建造物の振動を減衰する制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建造物の制振装置としては、従来、例えば特開平４−１６６８０号公報、実開平４−１０８７５６号公報、特開平７−２８６６４０号公報などによって提案されているものがある。
【０００３】
このうち、第１の制振装置は、液柱管ダンパを吊り構造によって支持し、吊り構造による振動系と液柱管の振動系とにより、液柱管だけの固有周期よりも長い固有周期を実現し、長周期の揺れに対応するものである。
【０００４】
また、第２の制振装置では、先端に重りをつけた振り子の支持部を積層ゴムなどバネ機構で支持し、振り子だけの場合よりも長い固有周期となるようにしている。
【０００５】
これらはいずれも、高いビルなどの長周期の揺れに対し、制振用の振り子などが短いストロークであっても対応可能として、構造の小型化をねらっている。
【０００６】
これに対して、第３の制振装置は振り子の上にもうひとつの振り子を載せ、これにより低次と高次の２つの振動モードに対する制振効果を生じさせている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの制振装置にあっては、いずれもが、構造物の固有周期に関して、構造物の形状などに起因しての振動方向による固有周期の相違については論じていない。
【０００８】
ビルなどの構造物は、正方形（平面的に見て）などを除くと、二次元方向（水平面）の異なる方向からの揺れに関し、いずれについても等価な固有周期をもっているわけではない。すなわち、構造物の断面形状が縦横方向で異なったり、また構造物の内部構造が縦横方向に対称でないこと等によって、構造物は異なる方向には異なる値の固有周期を持つことがある。
【０００９】
制振装置はそのビルの固有周期に合わせた制振モードをもつように設計されるが、このように縦横で固有周期の異なる場合には、一つの制振装置によっていずれの方向の振動をも効果的に減衰することはできない。
【００１０】
本発明はこのような問題点を解決することを目的とする。すなわち、縦横方向で振動の固有周期の異なる建造物に対して、いずれの方向の振動についても効率よく減衰でき、かつ、コンパクトな制振構造とした制振装置を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、構造物に対してほぼ水平に二次元方向に移動自由に第１のマスを吊り下げる吊り下げ部材と、構造物の固有周期の長い方向と短い方向とに対応して第１のマスについて互いに直交する方向にそれぞれ配置した減衰要素と、第１のマスに対して前記長周期方向にのみ移動する第２のマスと、この第２のマスの移動方向に配置した減衰要素とバネ要素とを備え、前記吊り下げ部材の有効長が前記固有周期のうち短周期に対応して設定される。
【００１３】
第２の発明は、前記第２のマスの減衰要素が第１のマスと第２のマスとの間に介装される。
【００１４】
第３の発明は、前記第２のマスの減衰要素が第２のマスと構造物との間に介装される。
【００１５】
第４の発明は、前記第１のマスの減衰要素がダンパである。
【００１６】
第５の発明は、前記第１のマスの減衰要素のうち少なくとも一つが振動に対応して伸縮作動するアクチュエータである。
【００１７】
第６の発明は、前記第２のマスの減衰要素が振動に対応して伸縮作動するアクチュエータである。
【００１８】
第７の発明は、前記吊り下げ部材が複数の吊り下げロッドまたはワイヤであり、第１のマスがこれら吊り下げロッドまたはワイヤによりほぼ水平に吊り下げられるフレームで構成され、このフレームの上面には第２のマスとして一方向にのみ往復移動し得るよう可動マスが案内手段を介して支持されている。
【００１９】
第８の発明は、前記案内手段がフレームに設けたレールで、このレールにより可動マスが車輪を介して移動自在に設けられる。
【００２１】
【発明の作用および効果】第１の発明においては、建造物の短周期の振動に対応して吊り下げ部材の長さを設定し、長周期の振動に対しては、第１のマスに対して相対的に移動する第２のマスおよび減衰要素とバネ要素とにより対応する。
【００２２】
これにより、建造物に作用する縦横方向の振動、つまり短周期と長周期の振動に対しても、効果的に減衰できる。しかも、吊り下げ部材は短周期の振動に対応させることで、長周期の振動に対応させる場合に比べて有効長を短縮でき、全体の小型化が可能となる。
【００２３】
第２の発明では、第１と第２のマスの間に減衰要素が介装され、減衰要素を小型にできる。
【００２４】
第３の発明では、第２のマスと構造物との間に減衰要素が介装され、第２のマスの重量と減衰特性とにより、振動周波数の低減範囲が調整できる。
【００２５】
第４の発明では、減衰要素がダンパのため、構造が簡単で低コストに設備することができる。
【００２６】
第５、第６の発明においては、減衰要素を入力振動に対応して伸縮作動するアクチュエータとすることで、アクティブな制振動作が得られ、振動の減衰特性が向上する。
【００２７】
第７〜第８の発明では、吊り下げロッドまたはワイヤによって支持したフレームに、可動マスが一方向に相対移動するように載置され、これにより簡単な構成でもって、建造物に作用する縦横方向の振動を効率よく減衰できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
図１、図２に示すように、第１のマスとしての板状のフレーム３は、建造物１から垂下する４本の吊り下げロッド２の下端に四隅を支持され、ほぼ水平に吊り下げられるとともに、ほぼ水平のいずれの方向にも移動自在となっている。さらに、このフレーム３は、互いに直交する方向にほぼ水平に配置した第１のダンパ５と第２のダンパ４により、側方から建造物１に対して支持される。なお、これらのダンパ４、５の両端部は、それぞれ自在型継ぎ手１２、１３を介して連結される。
【００３０】
ここで、吊り下げロッド２の長さＬは、建造物１に作用する互いに直交する方向（Ｘ方向およびＹ方向）からの揺れに対して、短周期の揺れ（Ｙ方向の揺れ）を吸収するのに必要な有効長となるように設定される。つまり、第１のマスとしてのフレーム３を吊り下げた吊り下げロッド２の長さＬが、建造物１の短周期の振動と共振する長さに決められる。
【００３１】
このように、図１、図２に示す制振装置では、吊り下げロッド２とフレーム３とこれをＹ方向から支持する第１のダンパ５とで第１の振動系が構成され、この第１の振動系によって建造物１の短周期の振動が吸収される。しかしながら、建造物１は縦横方向の長さが異なり、縦方向と横方向にそれぞれ直角な方向からの振動に対して、それぞれ異なる固有周期をもって振動する。したがって、第１の振動系（吊り下げロッド２およびフレーム３とダンパ５）は、建造物１の短周期の振動を吸収するには適当であっても、これと直交する方向（Ｘ方向）からの長周期の振動を吸収するには、ロッド２の長さが足りない。
【００３２】
そこで、フレーム３には長周期の振動方向に延びる一対のレール６が設けられ、このレール６には第２のマスとしての可動マス７が車輪８を介して移動自在に載置される。すなわち、可動マス７は長周期の振動方向（Ｘ方向）には相対移動するが、これと直交する短周期の振動方向（Ｙ方向）には移動不能となっている。また、この可動マス７の移動方向には、互いに並列に配置されたバネ９と第３のダンパ１０とが、一端を可動マス７に、他端をフレーム３に設けたステー１１に、それぞれ連結して設けられる。なお、ダンパ１０の両端部の連結は自在型継ぎ手１４を介してなされる。
【００３３】
これらの可動マス７と、バネ９と、ダンパ１０とはダイナミックダンパを構成し、このダイナミックダンパとフレーム３をＸ方向から支持する第２のダンパ４とで第２の振動系が構成される。この第２の振動系によって上記した吊り下げロッド２とフレーム３により適応しきれない長周期の振動を吸収されるように、必要な諸元、すなわち可動マス７の質量ｍ₂、バネ９のバネ定数ｋ₂、ダンパ１０の減衰特性ｃ₂が設定される。
【００３４】
以下、これらの諸元の設定方法について簡単に説明する。フレーム３を吊り下げロッド２で吊した振り子は、吊り下げロッド２の振れ角θが微小であるときには、バネ定数ｋ₁の等価バネに置き換えて考えることができる。このバネ定数ｋ₁は、
ｋ₁＝（ｍ₁＋ｍ₂）ｇ／Ｌ …（１）
となる。ここで、ｍ₁はフレーム３の重さ、ｍ₂は可動マス７の重さ、ｇは重力定数、Ｌは吊り下げロッド２の長さである。
【００３５】
この等価バネ定数ｋ₁を用い、フレーム３と可動マス７の絶対変位をそれぞれｘ₁、ｘ₂とすると、制振装置のＸ方向（長周期の振動方向）での運動方程式は、
【００３６】
【数１】

【００３７】
【数２】

【００３８】
で表される。ここで、Ｆは建造物１が地震や風などの外力を受けて運動することにより、ダンパ５や吊り下げロッド２を介してフレーム３に作用する力である。この式（２）、（３）の運動方程式を、ラプラス変換して解くと、
ｘ₁／（Ｆ／ｋ₁）＝ｎ（ｓ）／ｄ（ｓ）＝Ｇ₁（ｓ） …（４）
が、第２の振動系のＸ方向の周波数特性を示す式として得られる。ここで、
ｎ（ｓ）＝ｍ₂ｋ₁ｓ²＋ｃ₂ｋ₁ｓ＋ｋ₁ｋ₂ …（５）
ｄ（ｓ）＝ｍ₁ｍ₂ｓ⁴＋［ｍ₁ｃ₁＋ｍ₂（ｃ₁＋ｃ₂）］ｓ³＋［ｍ₁ｋ₂＋ｍ₂（ｋ₁＋ｋ₂）＋ｃ₁ｃ₂］ｓ²＋（ｃ₁ｋ₁＋ｃ₂ｋ₂）ｓ＋ｋ₁ｋ₂ …（６）
である。
【００３９】
この式（４）が、望ましい周波数特性となるように、フレーム３の重さｍ₁、可動マス７の重さｍ₂、吊り下げロッド２の長さＬ（したがって等価バネ定数ｋ₂）が決まっているものとして、可動マス７の質量ｍ₂、バネ９のバネ定数ｋ₂、ダンパ１０の減衰特性ｃ₂を決めて行けばよい。
【００４０】
つぎに作用を説明する。
【００４１】
地震または風などで建造物１に外力が加わると、建造物１はその入力方向に振動するが、本発明は、建造物１が最も大きく振動する建造物１の固有振動数の周期（固有周期）の振動を抑制する。具体的には、建造物１は縦横方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に、それぞれ長周期と短周期の固有振動数の周期（固有周期）を持つので、この長周期と短周期の両方を抑制する必要がある。
【００４２】
この場合、吊り下げロッド２を介して建造物１に吊り下げられたフレーム３とこれをＹ方向（短周期の方向）に支持するダンパ５からなる第１の振動系の固有周期は、建造物１のＹ方向の固有周期と一致している。したがって、フレーム３は建造物１のＹ方向の振動に共振して揺られ、この振動エネルギーをダンパ５で吸収することにより、建造物１の振動が有効に吸収される。
【００４３】
一方、本発明では、フレーム３の上には建造物１の長周期の方向（Ｘ方向）に移動可能に可動マス７が設けられ、この可動マス７と、バネ９と、ダンパ１０と、フレーム３と、フレーム３をＸ方向から支持するダンパ４と、吊りロッド２とで構成される振動系の固有周期が、建造物１の長周期の固有周期（Ｘ方向の固有周期）と一致している。したがって、本発明によれば、建造物１の長周期の振動についても、この建造物１のＸ方向の長周期の振動に共振する第２の振動系により、振動のエネルギーがダンパ４およびダンパ１０により有効に吸収される。
【００４４】
図８、図９には、地震による地面の変位に対する建造物１の変位の周波数特性を示すグラフを示す。図８は本発明の制振装置を適用した場合であり、図９に示す制振装置を用いない場合に比べて、共振点Ａでの振動が抑制できていることが分かる。
【００４５】
このように本発明によれば、建造物１が縦方向と横方向で対称な形状をしておらず、縦横方向で異なる固有周期をもっている場合でも、制振装置に長周期の方向と短周期の方向のそれぞれに対応して固有周期を設定できるので、建造物１の振動はいずれの方向についても有効に吸収できる。
【００４６】
また、本発明では、吊り下げロッド２は短周期の振動に対応した長さＬとされ、長周期の振動にはフレーム３とこのフレーム３上に設けられた可動マス７、バネ９およびダンパ１０の合成の振動系で対応するようになっているので、吊り下げロッド２の有効長は長周期に対応させた場合に比べて短縮でき、制振装置全体の小型化を図ることができる。
【００４７】
図３には、本発明の他の実施の形態を示す。
【００４８】
図示されるように、この実施の形態では、可動マス７の振動を減衰するダンパ１０を、可動マス７と建造物１との間に設けるようにしており、これ以外の構成は、図１、図２に示した実施の形態と共通の構成となっている。これによっても、図１、図２に示した実施の形態と同様に、建造物１の長周期と短周期の振動をいずれも有効に減衰できるとともに、制振装置をコンパクトに構成でき、さらに、ダンパ１０の設置位置を可動マス７とステー１１の間に限定した場合に比べて、振動周波数の低減範囲の調整の自由度が高められる。
【００４９】
図４、図５には、本発明のさらに他の実施の形態を示す。
【００５０】
図示されるように、この実施の形態では、図１、図２に示した実施の形態に比較して、ダンパ４およびダンパ１０の代わりに、アクチュエータ１５およびアクチュエータ１６が備えられている。すなわち、この実施の形態では、図１、図２に示した実施の形態のようにパッシブタイプとは異なり、制振装置はアクチュエータ１５およびアクチュエータ１６によりアクティブな制振、すなわち、振動の入力波を検出し、この検出された入力波に対応して振動を打ち消す方向にアクチュエータ１５、１６を駆動することができ、建造物１の振動の減衰特性が向上する。また、この場合も、制振装置は、建造物１の長周期と短周期のいずれにも対応することができ、また、装置全体の小型化を図ることができる。
【００５１】
なお、図６に示すように、図４のアクチュエータ１６を建造物１と可動マス７との間に設けた実施の形態を採用することもできる。これによっても、図４、図５の実施の形態と同様な作用および効果が得られ、さらに、アクチュエータ１６の設置位置を可動マス７とステー１１の間に限定した場合に比べて、振動周波数の低減範囲の調整の自由度を高めることができる。
【００５２】
図７には、本発明のさらに他の実施の形態を示す。
【００５３】
図示されるように、この実施の形態では、図１、図２に示した実施の形態に比較して、ダンパ４およびダンパ５の代わりに、アクチュエータ１７およびアクチュエータ１６が備えられる。なお、この実施の形態の正面図は、図５と同様であるので省略する。この実施の形態においても、図４、図５に示した実施の形態と同様に、アクティブな制振を行うことが可能となる。
【００５４】
なお、上記の図１〜図７の実施の形態では、可動マス７は、レール６および車輪８を介してフレーム３上に設置されたが、多段積層ゴムによりフレームに対して相対変位可能に支持するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す側面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】同じく他の実施の形態を示す側面図である。
【図４】同じくさらに他の実施の形態を示す側面図である。
【図５】同じく正面図である。
【図６】同じくさらに他の実施の形態を示す側面図である。
【図７】同じくさらに他の実施の形態を示す側面図である。
【図８】同じく地面の変位に対する建造物の変位の周波数特性を示す特性図である。
【図９】従来の制振装置における地面の変位に対する建造物の変位の周波数特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１建造物
２吊り下げロッド
３フレーム
４ダンパ
５ダンパ
６レール
７可動マス
８車輪
９バネ
１０ダンパ
１１ステー
１５アクチュエータ
１６アクチュエータ
１７アクチュエータ

Claims

構造物に対してほぼ水平に二次元方向に移動自由に第１のマスを吊り下げる吊り下げ部材と、構造物の固有周期の長い方向と短い方向とに対応して第１のマスについて互いに直交する方向にそれぞれ配置した減衰要素と、第１のマスに対して前記長周期方向にのみ移動する第２のマスと、この第２のマスの移動方向に配置した減衰要素とバネ要素とを備え、前記吊り下げ部材の有効長が前記固有周期のうち短周期に対応して設定されることを特徴とする制振装置。
前記第２のマスの減衰要素が第１のマスと第２のマスとの間に介装されることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
前記第２のマスの減衰要素が第２のマスと構造物との間に介装されることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
前記第１のマスの減衰要素がダンパであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の制振装置。
前記第１のマスの減衰要素のうち少なくとも一つが振動に対応して伸縮作動するアクチュエータであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の制振装置。
前記第２のマスの減衰要素が振動に対応して伸縮作動するアクチュエータであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の制振装置。
前記吊り下げ部材が複数の吊り下げロッドまたはワイヤであり、第１のマスがこれら吊り下げロッドまたはワイヤによりほぼ水平に吊り下げられるフレームで構成され、このフレームの上面には第２のマスとして一方向にのみ往復移動し得るよう可動マスが案内手段を介して支持されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の制振装置。
前記案内手段がフレームに設けたレールで、このレールにより可動マスが車輪を介して移動自在に設けられることを特徴とする請求項７に記載の制振装置。