JP4515220B2

JP4515220B2 - 制振装置

Info

Publication number: JP4515220B2
Application number: JP2004317077A
Authority: JP
Inventors: 辰治石丸; 秀典石垣; 一平秦; 満義栗原; 雅春久保田; 栄次江原; 洋平宮島
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: TWI332552B; JP2006125110A; TW200613659A

Description

本発明は、補助質量の回転慣性を利用することで、構造物の地震動等に対する揺れを抑制する制振装置に関する。

建築物の設計方法には、地震動に対する建築物の剛性や耐力を調整する方法、または、人為的に減衰力を付与する方法がある。これらは、振動方程式において、剛性項または減衰項を操作することで、地震応答を制御するやり方である。

一方、振動系の質点間に、その層間変位に応じて運動する補助質量を配置することで、応答を制御する多層構造物の制振機構を本出願人は提案している（特許文献１）。

この制振機構は、多層構造物の全体系の特定振動モードが運動方程式の外乱の位置ベクトルとほぼ相似である刺激関数値の関数に比例するように、図１０に示すように、各層にスライド可能に配置された補助質量１５０へ連結したリンク１５２とアーム１５４で構成された梃子機構１５６の梃子比を調整するものである。これにより、特定の振動モード以外の振動モードの刺激関数値を無視できる程度に小さくすることができ、地震時に、多層構造物１５８をほぼ特定の振動モードで挙動させることができるというものである。

例えば、図１１に示すように、（Ｃ）の２次振動モード（多自由度系）の地震時の挙動を、（Ｂ）の１次振動モード（１次自由度）の構造物として挙動するように、梃子比を調整すればよい。

しかし、上記制振機構は、補助質量１５０を、梃子機構１５６の増幅部分に設置しているため、補助質量１５０は構造物に対して大きな加速度で相対移動することになる（大きな移動スペースが必要）。また、補助質量１５０はリンク１５２とアーム１５４を介して構造物に連結されているため、リンク１５２とアーム１５４には大きな付加応力が作用する。

このため、構造的に太いリンク１５２とアーム１５４、及び補助質量１５０をセットする大きなスペースが必要となり、構造物の形態によっては、制振機構を構築できない可能性もある。
特許第３０２３９１１号

本発明は係る事実を考慮し、梃子機構のように補助質量の動きを増幅でき、しかも、構造物に対して補助質量が相対的に移動しない制振装置を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、外乱によって相対移動する構造物の第１部位と第２部位に設けられる制振装置であって、前記第１部位に設けられた軸体と、前記軸体が挿入される円筒状の補助質量体と、前記第２部位に設けられ前記補助質量体を回転可能に保持する保持体と、前記軸体の外周面と前記補助質量体の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量体の回転変位に変える螺合手段と、前記補助質量体を貫通した前記軸体の先端部に形成した拡径部と、前記拡径部へ回転可能に係合する外筒と、前記補助質量体の回転力を前記外筒に伝達する連結部材と、前記拡径部の外周面と前記外筒の内周面との間に充填された粘性体と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明では、地震動等により、構造物の第１部位と第２部位がが相対移動すると、第２部位に対して第１部位に設けられた軸体が直動変位（水平変位）する。第２部位には、保持体が設けられており、この保持体には、円筒状の補助質量が回転可能に保持されている。

また、補助質量は軸体へ挿入されており、軸体の外周面と補助質量の内周面に設けられた螺合手段によって、軸体の直動変位が補助質量の回転変位に変えられる。このように、回転式の梃子機構を利用し補助質量を回転させて慣性力を発生させることで、構造物に対して補助質量を大きく動かすことなく、その場で地動等による地震入力を低減させることができる。

ここで、直動変位の増幅率βは、補助質量の内径ｒ１と外径ｒ２の比：ｒ２／ｒ１と、螺合手段の構造によって、軸体の直動変位をどれくらいの補助質量の回転量に変えられるかで決まる。また、回転慣性力Ｆは、補助質量の質量ｍと、螺合手段の構造によって、補助質量を接線方向へ動かす加速度αによって決まり、Ｆ＝ｍ（β・α）となる。

そして、軸体に作用する反力Ｒは、Ｒ＝β・Ｆ＝ｍ（β²・α）となる。すなわち、系の外部から軸体にかかる加速度に対して、質量ｍ´＝ｍ・β²に相当する大きさの慣性力が発生することになる。

このように本発明では、振動方程式の質量項（回転慣性質量効果）を積極的に利用している。

また、補助質量を貫通した軸体の先端部に拡径部が形成されている。この拡径部には、外筒が回転可能に係合している。外筒と補助質量は連結部材で連結されており、補助質量の回転力が外筒に伝達される。外筒が回転すると、拡径部の外周面と外筒の内周面との間に充填された粘性体のせん断抵抗を受ける。

これにより、補助質量が回転することにより生じる慣性質量効果は、外筒の質量によって増大し、また、外筒が粘性体のせん断抵抗によって受ける抵抗により、補助質量の回転運動エネルギーを減衰させる減衰力が生じる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸体が平行になるように制振装置を２つ配置し、前記螺合手段を構成するねじ溝がそれぞれ右ねじと左ねじとなっていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明では、並列に並んだ補助質量の回転方向が時計方向と反時計方向となるため、回転慣性によるジャイロ効果が打ち消され、構造物にねじれ振動を誘発させない。

請求項３に記載の発明は、構造物の床部に設けられた軸体と、前記軸体が挿入される２つの円筒状の補助質量と、構造物の天井部に設けられ前記補助質量を回転可能に保持する保持体と、前記軸体の外周面と一方の前記補助質量の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量の時計方向の回転変位に変える右ねじ手段と、前記軸体の外周面と他方の前記補助質量の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量の反時計方向の回転変位に変える左ねじ手段と、を有することを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、直列に並んだ補助質量の回転方向が時計方向と反時計方向となるため、回転慣性によるジャイロ効果が打ち消され、構造物にねじれ振動を誘発させない。

本発明は上記構成としたので、梃子機構のように補助質量の動きを増幅でき、しかも、構造物に対して補助質量の相対的な移動がない。

第１形態に係る制振装置３４を説明する。

図１及び図２に示すように、床部１０（下階スラブ）には、基台１２が設けられている。この基台１２には、シャフト１４が床部１０と平行となるように片持ち状態で固定されている。

シャフト１４の外周面には、中央部から先端部に渡って右雄ねじ溝１６が形成されている。この右雄ねじ溝１６と螺合する雌ねじ１８が内周面に刻設された円筒状の補助質量２０へシャフト１４が挿入されている。

この補助質量２０の両端部は、円筒状のホルダー２２に回転可能に保持されている。ホルダー２２の両端開口部にはフランジ２４が形成されており、補助質量２０の端部２０Ａに当接している。これにより、補助質量２０は回転するが、軸方向への移動が規制されている。

また、ホルダー２２の内周面と補助質量２０の外周面との間には粘性液Ｌ（例えば：鉱物系オイル又はシリコン系オイル）が充填されており、ホルダー２２と補助質量２０の端部は液漏れを防止するオイルシール２６で封止されている。

さらに、ホルダー２２は、吊部材３２で天井部２８から懸架されており、地震動等により、建物３０の床部１０と天井部２８が相対移動すると、シャフト１４が床部１０と一体に移動し、補助質量２０が天井部２８と一体に移動する構成である。

次に、第１形態の制振装置の作用を説明する。

図２に示すように、地震動等により、二点鎖線が示すように、建物３０が右側へ水平移動し、床部１０と天井部２８が相対移動したとする。すると、天井部２８に対して床部１０に設けられたシャフト１４が天井部２８と平行に直動変位する。一方、補助質量２０は天井部２８と一体となって移動するので、シャフト１４と補助質量２０とには相対変位が生まれる。

シャフト１４と補助質量２０は、右雄ねじ溝１６と雌ねじ１８が螺合しているため、シャフト１４の相対直動変位が補助質量２０の回転変位に変えられる。すなわち、補助質量２０は、回転式の梃子機構により回転し、回転慣性力により、構造物に対して補助質量２０が大きく動くことなく、その場で地動等による地震入力を低減させることができる。このため、建物３０の振動を抑えることができる。

また、ホルダー２２の内周面と補助質量２０の外周面との間に粘性液Ｌが充填されているため、補助質量２０は粘性液Ｌのせん断抵抗によって抵抗を受け、補助質量２０が回転することにより、補助質量２０の回転運動エネルギーを減衰させることができる。

ここで、概念図を用いて制振装置の原理を説明する。

図６に示す補助質量２０の内周面がシャフト１４の直動変位により接線方向へ加速度αで加力されたと考えると、シャフト１４の直動変位の変位増幅率：β_fは、補助質量２０の内径ｒ１と外径ｒ２の比β_f＝ｒ２／ｒ１となる。

従って、補助質量２０の質量ｍ_fを加速するための慣性力の大きさは、慣性力：Ｆ＝ｍ_f（β_f・α）となる。

補助質量２０の内周面を接線方向へ押す力：反力Ｒは、Ｒ＝β_f・Ｆ＝β_f・ｍ_f（β_f・α）＝β_f ²・ｍ_f・α＝ｍ´α
即ち、系の外部から補助質量２０の内周面の接線方向へかかる加速度αに対して質量ｍ´＝β_f ²・ｍ_fに相当する大きさの慣性力が発生する。

なお、右雄ねじ溝１６（図２参照）のリードの大きさによって、シャフト１４の直動変位をどれくらいの補助質量２０の回転量に変えられるかが決まる。たとえば、リードを小さくすることで、シャフト１４の直動変位量に対する補助質量２０の回転数が大きくなり加速度αも大きくなる。

ここで、図７に示すような１質点系の振動系に補助質量２０のような回転体が組み込まれた振動系を考える。回転体の回転運動は質点の地盤からの変位ｘの影響のみを受けており直接的には地動ｙの影響は受けていない。

ここで、系全体の運動エネルギーをＴ，エネルギーの消散関数をＦ、ポテンシャルエネルギーをＶとする。

（１）

（２）

（３）
であり、Ｅｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅの方程式は、

（４）

（５）

（６）

（７）

ここで、回転体のような振動系の節点間を結び、節点の速度差に応じて運動エネルギーを生じる要素を慣性接続要素と呼ぶことにすると、（７）式から、慣性接続要素は振動系の周期を伸長し、減衰定数を低下させ、地動加速度に対して入力低減効果を発揮するなどの応答制御効果があることが予測される。

比較のため、これと同種の効果をもつ応答制御方法として、図８に概念図で示す、質点間に配置した補助質量の慣性効果を利用した補助質量付梃子機構について説明する。

補助質量をｍ_d，梃子の増幅倍率をβ_dとすると、この場合の系全体の運動エネルギーＴは

（８）

（９）
となるので、Ｅｕｌｅｒ−Ｌａｇｒａｎｇｅの方程式により、この系の振動方程式は

（１０）
となる。

（１０）式と（６）式とは地動加速度の影響を表す右辺に違いが生じているが、図８の場合、補助質量の運動に地動の直接の影響が生じるのに対して、回転体機構では生じないからである（地動と運動方向が異なるため）。

ここで、図９に示すように、梃子機構にトグル（幾何学的に補助質量の動きを増幅する機構）を用いることで、補助質量の運動方向と地動を直交させてやれば、その影響が排除され、（６）式と同じになる。

また、（１０）式と（６）式を比較するとわかるように、地動による地震入力低減効果は回転式梃子機構の方が小さくなるが、実設計において補助質量そのものを大きく動かす機構を考える必要がないため、補助質量を設計上必要な量だけ適宜配置できる。このため、実質的な補助質量効果は梃子機構より大きくすることができ、建物全体の入力低減効果は梃子機構を上回ることができる。

次に、第２形態に係る制振装置３６を説明する。

図３に示すように、補助質量２０はベアリング３８によって、ホルダー２２に回転自在に保持されている。補助質量２０を貫通したシャフト１４の先端部分は、円筒状の回転体４２に設けられたベアリング４４で支持されている。また、シャフト１４の先端部には、シャフト１４より拡径した筒状のドラム４０が取付けられている。

このドラム４０は、回転体４２の中に収納されている。また、回転体４２の内周面とドラム４０の外周面には、粘性液Ｌが充填されている。回転体４２はベアリング４６を介して、天井部２８から垂下された吊部材４８へ回転自在に支持されている。

さらに、回転体４２と補助質量２０の軸方向端部は連結管５０で連結されており、シャフト１４の回りを一体となって回転する構成である。

次に、第２形態の作用を説明する。

地震動等により、床部１０と天井部２８が相対移動すると、第１形態で説明したように、シャフト１４の相対直動変位が補助質量２０の回転変位に変えられる。これにより、補助質量２０は、回転式の梃子機構により回転し、回転慣性力により、構造物に対して補助質量２０が大きく動くことなく、その場で地動等による地震入力を低減させることができる。

また、回転体４２と補助質量２０は連結管５０で連結されており、補助質量２０の回転力が回転体４２に伝達される。回転体４２が回転すると、ドラム４０の外周面と回転体４２の内周面との間に充填された粘性液のせん断抵抗を受ける。

すなわち、補助質量２０が回転することにより生じる慣性質量効果は、回転体４２の質量によって増大し、また、回転体４２が粘性液のせん断抵抗によって受ける抵抗により、補助質量２０の回転運動エネルギーを減衰させる減衰力が生じる。

さらに、補助質量２０とは別に設けた回転体４２の質量、大きさを変えることで、基本的な制振装置の大きさを変えることなく、制振力を簡単にチューニングできる。

次に、第３形態に係る制振装置を説明する。

図４に示すように、第１形態の制振装置３４の上方には、制振装置５２が並列に配置されている。

制振装置５２では、シャフト１４の右雄ねじ溝１６と逆の左雄ねじ溝５４が形成されたシャフト５８が基台６０に取り付けられており、シャフト１４と上下に平行となっている。

また、この左雄ねじ溝５４と螺合する雌ねじが形成された補助質量５６を備えており、補助質量５６は、天井部２８から垂下した吊部材６０に取り付けられたホルダー６４に回転自在に保持されている。

さらに、制振装置３４の補助質量２０のホルダー２２は、連結板６６でホルダー６４と連結され、天井部２８と一体に移動するようになっている。

このように、並列に並んだ補助質量２０、５６の回転方向が時計方向と反時計方向となるため、回転慣性によるジャイロ効果が打ち消され、建物３０にねじれ振動を誘発させない。

なお、本形態では、シャフトが上下に平行となるように配置したが、シャフトが水平方向に平行となるように制振装置を並列に配置してもよい。

次に、第４形態に係る制振装置を説明する。

図５に示すように、シャフト６８の両端部が床部１０に設けられた基台７０に支持され、床部１０と一体に移動するようになっている。

シャフト６８の右側には、中央部から右端部に渡って左雄ねじ溝７２が形成され、左側には、中央部から左端部に渡って右雄ねじ溝７４が形成されている。左雄ねじ溝７２には、内周面に雌ねじ７６が刻設された円筒状の補助質量８０が螺合しており、右雄ねじ溝７４には、内周面に雌ねじ７８が刻設された円筒状の補助質量８２が螺合している。

補助質量８０、８２は、第１形態と同様に、それぞれ円筒状のホルダー２２に回転可能に保持され軸方向への移動が規制されている。また、ホルダー２２の内周面と補助質量８０、８２の外周面との間には粘性液Ｌが充填されている。

上記構成では、補助質量８０、８２を直列に配置することで、回転方向が時計方向と反時計方向となるため、回転慣性によるジャイロ効果が打ち消され、建物３０にねじれ振動を誘発させない。

なお、本発明では、シャフトを床部側へ補助質量を天井部側へ配置するようにしたが、逆であってもよいことは言うまでもない。また、床部や天井部ではなく、上梁、下梁に配置するようにしてもよい。

第１形態に係る制振装置の斜視図である。第１形態に係る制振装置の断面図である。第２形態に係る制振装置の断面図である。第３形態に係る制振装置の斜視図である。第４形態に係る制振装置の断面図である。回転式梃子機構の概念図である。回転式梃子機構を備えた建物の概念図である。直動式の梃子機構を備えた建物の概念図である。トグル制振機構を備えた建物の概念図である。直動式の梃子機構を備えた建物の立面図である。振動モードを示した模式図である。

符号の説明

１４シャフト（軸体）
１６右雄ねじ溝（螺合手段）
１８雌ねじ（螺合手段）
２０補助質量
２２ホルダー（保持体）
４０ドラム（拡径部）
４２回転体（外筒）
５０連結管（連結部材）
５４左雄ねじ溝（左ねじ）
５８シャフト（軸体）
６８シャフト（軸体）
７２左雄ねじ溝（左ねじ手段）
７４右雄ねじ溝（右ねじ手段）
７６雌ねじ（左ねじ手段）
７８雌ねじ（右ねじ手段）
８０補助質量
８２補助質量
Ｌ粘性液（粘性体）

Claims

外乱によって相対移動する構造物の第１部位と第２部位に設けられる制振装置であって、前記第１部位に設けられた軸体と、前記軸体が挿入される円筒状の補助質量体と、前記第２部位に設けられ前記補助質量体を回転可能に保持する保持体と、前記軸体の外周面と前記補助質量体の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量体の回転変位に変える螺合手段と、
前記補助質量体を貫通した前記軸体の先端部に形成した拡径部と、前記拡径部へ回転可能に係合する外筒と、前記補助質量体の回転力を前記外筒に伝達する連結部材と、前記拡径部の外周面と前記外筒の内周面との間に充填された粘性体と、
を有することを特徴とする制振装置。
請求項１に記載の軸体が平行になるように制振装置を２つ配置し、前記螺合手段を構成するねじ溝がそれぞれ右ねじと左ねじとなっていることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
構造物の床部に設けられた軸体と、前記軸体が挿入される２つの円筒状の補助質量体と、構造物の天井部に設けられ前記補助質量体を回転可能に保持する保持体と、前記軸体の外周面と一方の前記補助質量体の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量体の時計方向の回転変位に変える右ねじ手段と、前記軸体の外周面と他方の前記補助質量体の内周面に設けられ、該軸体の軸方向への直動変位を該補助質量体の反時計方向の回転変位に変える左ねじ手段と、を有することを特徴とする制振装置。