JP5146770B2

JP5146770B2 - 制振構造およびその諸元設定方法

Info

Publication number: JP5146770B2
Application number: JP2009034236A
Authority: JP
Inventors: 徹也半澤; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP2010189902A

Description

本発明は、建物における梁や床等の構造部材を対象としてその上下方向の振動を抑制するための技術に関わり、特に、互いに異なる振動特性で振動する上下の構造部材を対象としてそれらの振動を同時に抑制可能な制振構造、およびその諸元設定双方に関する。

建物の床や梁では剛性の不足や外乱振動との共振によって居住者が不快感を感じる上下振動が生じる場合があるので、それに対する対策としてたとえば特許文献１に示されるようなＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー：動吸振器）を梁や床に対して設置することが提案されている。これは梁や床の振動に対して同調して振動する錘（付加質量）を設置することにより、その錘を大きく振動させることによって梁や床の上下方向の振動の低減を図るものである。

また、特許文献２には、振動低減対象の梁に沿わせて付加梁を設置してそれらの間に回転慣性質量ダンパーを介装するという振動低減機構が提案されている。

特開平１０−２５２２５３号公報特開２００８−１１５５５２号公報

しかし、特許文献１に示されるような一般的なＴＭＤは、小さな質量の錘を利用する場合には精密な同調作業が必要であり、大きな質量の錘を利用しようと思えば、そのような大質量の錘を付加することは床や梁に対して大きな負担がかかるので好ましくない、という問題がある。また、大質量の錘を設置することはスペース確保の点でも困難な場合が多いことから複数の小質量の錘を分散配置することが一般的であり、したがって施工性や経済性の点でも問題がある。

また、特許文献２に示される振動低減機構では、小形軽量の回転慣性質量ダンパーにより優れた制振効果が得られるが、実質的に梁を二重に架設する必要がある点でやや難があって広く一般には適用し難いものである。

上記事情に鑑み、本発明は建物における梁や床の構造部材の上下方向の振動を低減させ得る有効適切な制振構造およびその諸元設定方法を提供することを目的としている。

本発明の制振構造およびその諸元設定方法は、建物における梁や床等の構造部材を対象としてその上下方向の振動を制御するためのものであって、制振対象の構造部材を上下方向に離間して設置するとともに、それら上下の構造部材の剛性および／または質量に差を持たせてそれらが互いに異なる振動特性で上下方向に振動可能とし、前記上下の構造部材間に、それらの間に生じる上下方向の相対振動によって作動することにより双方の上下方向の振動を制御するダンパー機構を介装し、前記ダンパー機構を、回転慣性質量ダンパーと該回転慣性質量ダンパーに直列に接続された付加ばねとにより構成するとともに、前記回転慣性質量ダンパーの回転慣性質量および前記付加ばねのばね剛性を前記上下の構造部材どうしの剛性比および／または質量比に基づいて設定するものである。

本発明は通常の制振構造のように一方が固定端であることを前提としてそれに対する制振対象物の相対振動を制御するものではなく、振動特性が異なる２つの構造部材の双方の振動を同時に制御するものである。そして、本発明では制振対象の上下の構造部材は若干の振動特性の差があれば充分であり、換言すれば本発明は振動特性に若干の差がある２つの構造部材間に適用することが可能であり、それにより一方が固定端であることを前提とする従来一般の制振構造の場合と同様に双方の構造部材に対して優れた制振効果が得られるものである。

本発明の実施形態である制振構造の概要を示す図である。同、力学モデル図である。同、効果を示す図である。同、効果を示す図である。本発明に関連する従来一般の制振構造の例を示すモデル図とその効果について説明するための図である。同、効果が得られない場合の例を示す図である。本発明の制振構造を多層建物に適用する場合のダンパー機構設置パターンの例を示す図である。

本発明の制振構造の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。本実施形態は建物の床を制振対象としてその上下振動を低減させるためのものであるが、特に図１に示すように上階の床１（以下、上階１と記す）と下階の床２（同、下階２と記す）の双方を制振対象としてそれらの間にダンパー機構３を介装することにより、上階１と下階２の双方に対する制振効果を同時に得るようにしたものである。

本実施形態におけるダンパー機構３は、ボールねじ機構を利用した公知の回転慣性質量ダンパー４と、それに直列に接続された板ばねからなる付加ばね１０から構成されており、図示例の場合には回転慣性質量ダンパー４がパイプ材等からなる支柱１１を介して下階２の上面に対して接続され、付加ばね１０が適宜の取付部材１２を介して上階１を支持している梁１４の下面に対して接続されることによって上階１と下階２との間に介装されている。

回転慣性質量ダンパー４は、図1（ｂ）に示すように、支柱１１の上端部に固定されているボールナット５と、ボールナット５の内部を挿通していてその上端部が上記の付加ばね１０の中央部に回転自在かつ軸方向変位不能に軸支されているボールねじ軸６と、ボールねじ軸６の下端に取り付けられているフライホイール７と、フライホイール７の下面側に取り付けられている磁石８と、磁石８と僅かな距離をおいて対向配置されている金属板９とにより構成されている。

上記構成のダンパー機構３は、上階１と下階２との間に上下方向の相対振動が生じた際には付加ばね１０を介してボールねじ軸６がボールナット５に対して回転（自転）しつつ上下方向に相対変位し、それに伴いボールねじ軸６とともにフライホイール７が回転してその回転慣性質量が制振力として上階１および下階２の双方に作用し、またフライホイール７とともに磁石８も回転することにより金属板９に渦電流が生じてその電気抵抗によるエネルギー吸収効果が得られ、それにより上階１と下階２の双方に対して優れた制振効果が得られるものである。

図２は本実施形態の制振構造の力学モデルであり、この振動系に外力Fが作用した場合の振動方程式は次式となる。

図２および上式において、M₁、K₁、C₁、x₁は上階１の有効質量、剛性、等価粘性減衰係数、変位であり、M₂、K₂、C₂、x₂は下階２の有効質量、剛性、等価粘性減衰係数、変位であり、m_d、k_d、c_dはダンパー機構３における回転慣性質量ダンパー４の回転慣性質量、付加ばね１０の剛性、減衰要素（ダッシュポット）１３の等価粘性減衰係数である。
uはダンパー機構３全体の変位、u_sは付加ばね１０の変位、u_dは減衰要素１３の変位である。Pはダンパー機構３に作用する力、F₀は外力Fの加振振幅、ωは加振円振動数、tは時間、ｉは虚数単位である。
また、図２に示しているように、本発明においては、下階２の有効質量M₂に対する上階１の有効質量M₁の比を質量比M₁／M₂と定義し、下階２の剛性K₂に対する上階１の剛性K₁の比を剛性比K₁／K₂と定義する。さらに、上階１の有効質量M₁に対する回転慣性質量m_dの比をダンパー質量比m_d／M₁と定義し、上階１の剛性K₁に対する付加ばね１０の剛性k_dの比をダンパー剛性比k_d／K₁と定義する。

上式を解くことより上階１および下階２の応答特性を求めることができ、特に上階１の変位x₁、下階２の変位x₂は次式で求めることができる。

本実施形態では、上階１および下階２の振動特性の差、特にそれらの有効質量M₁、M₂の差や、剛性K₁、K₂の差により決定される固有振動数の差に応じて、ダンパー機構３の諸元を適正に決定することにより、上階１および下階２の双方に対して優れた制振効果を得ることができるものである。

以下、本発明の制振構造の諸元設定手法について説明するが、それに先立ち、まず本発明の基礎となった一般的な制振構造について、本発明の制振構造と対比しつつ図５を参照して説明する。
図５（ａ）に力学モデルとして示す従来一般の制振構造は、下階２を固定端（不動点）として上階１のみを制振対象とするものである。この場合、固定端である下階２の変位はゼロとみなし、したがって下階２の有効質量M₂および剛性K₂は制振対象の上階１の有効質量M₁および剛性K₁に比べて充分に大きいことが前提となる。
この場合においては、固定端である下階２と制振対象である上階１の間に上記のダンパー機構３を設置することにより、上階１の動的応答倍率を大きく低減させることができる。
たとえば、図５（ｂ）に示すように、ダンパー機構３を設置しない場合においては上階１の変位応答倍率x₁／x_1st（静的たわみ量x_1stに対する動的な変位x₁の比）は50倍にもなるが、ダンパー機構３を設置してその諸元をダンパー質量比m_d／M₁＝0.1、ダンパー剛性比k_d／K₁＝0.107となるように設定することにより、変位応答倍率x₁／x_1stを4倍程度にまで激減させることができる。なお、図中のω₁は上階１の固有角振動数（ω₁ ²＝K₁／M₁）である。

上記のように、従来一般の制振構造は構造的に固定端とみなす部位があることが前提であり、その場合には固定端に対する制振対象物の相対振動を抑制することは比較的容易であるが、通常の建物においては各階の有効質量や剛性はほぼ同等であって基礎を除けば固定端とみなすことができる部位は少なく、その場合にはダンパー機構３を設置してもそれが有効に作動せずに充分な制振効果が期待できないことが通常である。
たとえば、図２に示した本発明の力学モデルにおいて上階１と下階２の有効質量M₁、M₂および剛性K₁、K₂が同等の場合、したがって双方の固有振動数も同等の場合においては、それらの間に図５に示したケースと同様のダンパー機構３を設置したとしても、図６に示すように上階１の変位応答倍率x₁／x_1st、および下階２の変位応答倍率x₂／x_1stは、いずれも２０倍程度に低減するに留まり、充分な制振効果を期待できない。

そこで本発明では下階２を固定端とみなすことができない場合にも有効に制振効果が得られるように、上階１と下階２の振動特性、特にそれらの有効質量M₁、M₂や剛性K₁、K₂により決定される固有振動数に敢えて若干の差を持たせることとし、その上でそれらの間に設置するダンパー機構３の諸元を質量比M₁／M₂や剛性比K₁／K₂に基づいて適正に設定することによって、上階１と下階２の双方に対して優れた制振効果が得られるようにしたものである。

具体的には、たとえば図３に示すように、上階１と下階２の有効質量M₁、M₂が同等の場合、つまり質量比M₁/M₂≒1の場合においては、それらの剛性K₁、K₂に有意な差を持たせて剛性比K₁／K₂＝1.3程度として双方の固有振動数に有意な差が生じるようにしたうえで、ダンパー質量比m_d／M₁＝0.1、ダンパー剛性比k_d／K₁＝0.3、ダンパー機構３の減衰定数h＝0.16とすることにより、下階２を固定端とする場合と同等の効果が上階１と下階２の双方に得られる。
また、図４に示すように、上階１と下階２の剛性K₁、K₂がほぼ同等（剛性比K₁/K₂＝1.1）の場合であっても、それらの有効質量M₁、M₂に有意な差を持たせて質量比M₁/M₂＝0.8とすれば双方の固有振動数に有意な差が生じ、ダンパー質量比m_d／M₁＝0.1、ダンパー剛性比k_d／K₁＝0.5、ダンパー機構３の減衰定数h＝0.18とすることによって、同様に優れた制振効果が得られる。

以上のように、本発明の制振構造は制振対象の上階１と下階２の双方に若干の振動特性の差を持たせれば充分であり、換言すれば振動特性に若干の差がある２つの構造部材間に適用することが可能なものであり、それにより一方が固定端であることを前提とする従来一般の制振構造の場合と同様の優れた制振効果が双方の構造部材に対して得られるものである。
したがって本発明の制振構造は、構造的に固定端とみなすことができない階を有する建物に対する制振手法として有効であって、たとえば図７に示すように各階の振動特性に大きな差はない構造の多層建物への適用が可能であり、そのような場合には各階の剛性あるいは有効質量もしくはその双方に若干の差を持たせたうえで各階にダンパー機構３を設置することにより、各階に対して優れた制振効果が得られるものとなる。

なお、上記実施形態のようにダンパー機構３は上下の梁１４の位置に設置して梁１４を介して各階の床に対する制振効果を得るように構成することが現実的であるが、それに限らず図７に示しているように梁１４の位置を外して上下の床の間にダンパー機構３を直接設置することでも良い。
また、ダンパー機構３を多層建物の各階に設置する場合には、各ダンパー機構３を縦一列になるように連続的に設置することでも良いが、それに限らず，図７に示しているように各階でダンパー機構３の設置位置をずらしても良い。

また、本発明におけるダンパー機構３としては図１（ｂ）に示した構成のものが好適に採用可能であるが、回転慣性質量ダンパー４と付加ばね１０とを直列に接続したものであればダンパー機構３の構成は特に限定されることはなく、ダンパー機構３の特性に応じて応答特性に若干の相違が生じる（応答倍率を求める式が若干異なるものとなる）ものの同様の効果が得られる。

１上階（上階の床、制振対象の構造部材）
２下階（下階の床、制振対象の構造部材）
３ダンパー機構
４回転慣性質量ダンパー
５ボールナット
６ボールねじ軸
７フライホイール
８磁石
９金属板
１０付加ばね
１１支柱
１２取付部材
１３減衰要素（ダッシュポット）
１４梁

Claims

建物における梁や床等の構造部材を対象としてその上下方向の振動を制御するための制振構造であって、
制振対象の構造部材を上下方向に離間して設置するとともに、それら上下の構造部材の剛性および／または質量に差を持たせてそれらが互いに異なる振動特性で上下方向に振動可能とし、
前記上下の構造部材間に、それらの間に生じる上下方向の相対振動によって作動することにより双方の上下方向の振動を制御するダンパー機構を介装し、
前記ダンパー機構を、回転慣性質量ダンパーと該回転慣性質量ダンパーに直列に接続された付加ばねとにより構成するとともに、前記回転慣性質量ダンパーの回転慣性質量および前記付加ばねのばね剛性を前記上下の構造部材どうしの剛性比および／または質量比に基づいて設定してなることを特徴とする制振構造。
建物における梁や床等の構造部材を対象としてその上下方向の振動を制御するための制振構造の諸元設定方法であって、
制振対象の構造部材を上下方向に離間して設置するとともに、それら上下の構造部材の剛性および／または質量に差を持たせてそれらが互いに異なる振動特性で上下方向に振動可能とし、
前記上下の構造部材間に、それらの間に生じる上下方向の相対振動によって作動することにより双方の上下方向の振動を制御するダンパー機構を介装し、
前記ダンパー機構を、回転慣性質量ダンパーと該回転慣性質量ダンパーに直列に接続された付加ばねとにより構成するとともに、前記回転慣性質量ダンパーの回転慣性質量および前記付加ばねのばね剛性を前記上下の構造部材どうしの剛性比および／または質量比に基づいて設定することを特徴とする制振構造の諸元設定方法。