JP5207077B2

JP5207077B2 - 吊り制振構造

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Publication number: JP5207077B2
Application number: JP2009155725A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: JP2011012720A

Description

本発明は振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造に関する。

建築・土木の技術分野において各種の吊り構造物の振動を低減すること、たとえばクレーンによる揚重作業時に吊り荷の揺れを低減すること、あるいは天井から吊り下げられて設置されている各種の装置や機具類の地震時の揺れを低減することは、作業安全性や地震時における建物の安全性・健全性を確保し、居住者の安心感を維持するうえで重要であるが、そのような吊り構造物の揺れを抑制し速やかに減衰させ得る有効な制振構造は確立されていない。

上記のような吊り構造物は、図４に示すようにワイヤー等の曲げ剛性がない吊り材１によって質量体２が吊り下げられた振り子としてモデル化できるが、現時点においてそのような振り子に対する制振手法としては、（ａ）に示すようにＴＭＤ（動吸振機構）３を設置するか、（ｂ）に示すように吊り元６の近傍にオイルダンパー４等の粘性減衰装置を設置するか、（ｃ）に示すように吊り元の近傍をブレース材５等の変形拘束部材により支持することが考えられる。

また、特許文献１〜３には天井面から吊り支持された照明器具を対象として吊り材の中段部にバランサーや可動質量からなる制振装置を設置するものが提案され、特許文献４には横揺れ障害を生じやすい構造物に適用する重力作用型動吸振器についての提案がある。

特開平９−３３０６０６号公報特開平１１−８２６１３号公報特開平１１−１８２６２０号公報特開平９−５３６８１号公報

図４（ａ）に示すようなＴＭＤ３による場合、ＴＭＤ３による付加質量が吊り材１に作用するから、巨大な付加質量をもつＴＭＤ３を質量体２に搭載することは現実的ではないし、付加質量を現実的な範囲に留めた場合にはさしたる応答低減効果を期待できない。
図４（ｂ）に示すようなオイルダンパー４による場合、オイルダンパー４により大きな減衰を付与しようとしても吊り材１の水平剛性が小さいためオイルダンパー４の変形があまり生じず、大きな応答低減効果は得られない。
図４（ｃ）に示すように吊り元の近傍でブレース５により吊り材１の変形を拘束しても、振り子の長さがやや短くなる（固有周期が短くなる）だけで振動自体は殆ど変わらず、大きな制振効果は得られない。

また、特許文献１〜３に示される制振装置は実質的にＴＭＤであるから、図４（ａ）の場合と同様に充分な効果を得るためには大きな付加質量を必要とし、照明器具程度の小質量のものには適用可能ではあるものの大規模かつ大質量の吊り構造物を対象とする制振手法としては現実的ではない。
さらに特許文献４に示される動吸振器はリンク等の曲げ剛性の大きい吊り部材によって吊り支持されている構造物を対象とするものであって、ワイヤー等の曲げ剛性のない吊り材による吊り構造物には適用できるものではない。

上記事情に鑑み、本発明はワイヤー等の曲げ剛性のない吊り材により吊り支持されて振り子として振動する吊り構造物の振動を速やかに減衰させ得る有効適切な吊り制振構造を提供することを目的とする。

本発明は曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、重心位置を揺動中心とするロッキング揺動体を吊り元に回転支承を介して揺動自在に設置するとともに、該ロッキング揺動体の揺動により抵抗力を生じてその揺動を減衰せしめる減衰機構を付加し、前記ロッキング揺動体の重心位置の直下を吊り点としてその吊り点から前記質量体を前記吊り材により吊り下げるとともに、前記吊り材の長さにより定まる前記質量体の固有振動数と、前記揺動中心から前記吊り点までの距離により定まる前記ロッキング揺動体の揺動における固有振動数とを同調させたことを特徴とする。

本発明においては、前記ロッキング揺動体の揺動による回転慣性モーメントI_θを、前記質量体の質量Mと、前記吊り点からの前記質量体の振り子としての長さL₁と、前記揺動中心から前記吊り点までの距離L₂とに基づき、
I_θ＝M(L₁＋2L₂)L₂、L₁≫L₂
の関係を満たすように設定すると良い。

本発明によれば、質量体には何ら手を加えずその吊り元の近傍にロッキング揺動体を設置するだけで、質量体の振り子としての振動を急峻に収斂させることができ、微小振幅から大振幅まで有効であり、制振のために設置する機構の所要高さ寸法が吊り長さに対して充分に小さくて済む。
また、固定端（吊り元）にロッキング揺動体の自重を預けることから吊り材への荷重の増加はほとんどないし、ロッキング揺動体より下方は従来の吊り構造と全く同じなので使い勝手や美観を損なうこともない。

本発明の吊り制振構造の実施形態を示す図である。同、モデル図である。同、効果を示す図である。従来の吊り構造物に対する制振手法を示す図である。

図１に本発明の実施形態を示す。これは、図４に示したものと同様にワイヤー等の曲げ剛性を有しない吊り材１によって吊り下げられた質量体２が振り子として振動する吊り構造物を対象とする制振構造であって、吊り元（固定端）７に対してロッキング揺動体６を揺動自在に設置してそのロッキング揺動体６を介して質量体２を吊り下げるようにしたものである。

ロッキング揺動体６は円盤状の形態のもの、あるいは後述するように複数の錘を一体に連結したもの（図２（ｂ）参照）が好適に採用可能であり、（ｂ）に示すように重心位置を揺動中心８として回転支承９により揺動自在（揺動中心８に対して周縁部が上下方向に回転自在）に設置されているものである。

回転支承９としてはたとえば図示例のようなボールジョイントまたはユニバーサルジョイントを固定部材９ａにより吊り元７に設置したものが好適に採用可能である。回転支承としてのボールジョイントやユニバーサルジョイントをロッキング揺動体６に装着するためには、ロッキング揺動体６を平面的に複数のブロックに分割しておいて各ブロックによりボールジョイントやユニバーサルジョイントを挟み込むようにして全体を一体化するように組み立てるか、あるいは、ロッキング揺動体６の下面にボールジョイントやユニバーサルジョイントを挿入可能な凹部を形成しておき、そこからボールジョイントやユニバーサルジョイントを挿入して重心位置に配置すれば良い。

ロッキング揺動体６にはそれ自体の揺動により抵抗力を生じて揺動を減衰せしめる減衰機構１０が付加されている。図示例の場合には回転支承９としてのボールジョイントやユニバーサルジョイントに粘性減衰材あるいは摩擦減衰材を組み込んだ構成の減衰機構１０として、それら減衰材の抵抗によりロッキング揺動体６の揺動を速やかに減衰せしめるようにしている。
あるいは、そのような減衰機構に代えて、ロッキング揺動体６の周縁部と固定端（吊り元７の周辺部）との間にダンパーとして機能する適宜の減衰機構を介装するようにしても良い。

そして、ロッキング揺動体６の揺動中心８である重心位置の直下の位置（すなわち実質的にロッキング揺動体６の底面中心点）に吊り点１１が設定されてそこに吊り材１としてのワイヤーの上端が接続されている。
したがって質量体２はその吊り点１１から吊り材１により吊り下げられて振り子として機能するものとなっており、本実施形態の制振構造では振り子としての質量体２の固有振動数と、上記のロッキング揺動体６の揺動の固有振動数を同調させるように各諸元が設定されている。

具体的には、（ａ）に示すように質量体２の振り子としての長さ（吊り点１１から質量体２の重心までの距離）L₁、揺動中心８から吊り点１１までの距離L₂（但し、L₁≫L₂）、重力加速度ｇ、質量体２の質量Mとすると、質量体２の固有角振動数ω₀は

となる。

一方、揺動中心８から吊り点１１までのロッキング揺動体６の水平剛性k_hは、長さL₂の振り子をもとに

となる。

したがって、回転慣性モーメントI_θと回転剛性k_hL₂ ²をもつロッキング揺動体６の固有角振動数ωを質量体２の固有角振動数ω₀に同調させるためには

なる関係を満足すれば良い。

このように、ロッキング揺動体６の回転慣性モーメントI_θは質量体２の質量Mと吊り材１の長さ比だけで設定することができる。
また、ロッキング揺動体６により揺動中心８と吊り材１上端との間に生じる慣性質量ψは

となる。

なお、ロッキング揺動体６は単純な円盤状で各部の質量分布が均等なものでも良いが、外周部の質量が大きく内側の質量が小さいものがより合理的である。また、円盤状のような回転対称形であることには限らないが、水平面内（X−Y平面内）のどの軸に対しても回転慣性モーメントI_θが同じであることが好ましい。

「設計例」
具体的な設計例を図２に示す。
（ａ）に示すように質量体２の質量M＝4ton、その水平変位x₁、吊り点１１（吊り材１のロッキング揺動体６への接続点）での水平変位x₂とする。ロッキング揺動体６の回転慣性モーメントI_θ、回転減衰係数c_θとして、吊り元７と一体化された揺動中心８との間にモデル化する。
ロッキング揺動体６は（ｂ）に示すように質量m＝1tonの錘６ａを４つ使用して１辺5mの正方形の頂点に配置し、それらの錘６ａを連結部材６ｂで連結して剛体となるように一体化する。また対角線上の中心位置（交差部）で片方の連結部材６ｂに回転支承９（ボールジョイントやユニバーサルジョイント）を接続し、他方の連結部材６ｂに吊り材１を接続している。
連結部材６ｂの質量を無視して４つの錘６ａの質量のみを考慮すると、ロッキング揺動体６の質量m＝4ton、回転慣性モーメントI_θは I_θ＝4×1.0×2.5²＝25ton・m²、揺動中心８から吊り点１１までの距離L₂＝0.5mとすると、慣性質量ψは ψ＝I_θ/L₂ ²＝100ton となる（水平面内の全方向で同じ）。
以上より吊り材１の長さL₁は（１）式から

となる。

質量体２に初期変位x₀＝0.1mを与えた後の自由振動について検討する。
ロッキング揺動体６の回転角θ、回転慣性モーメントI_θ、回転減衰係数c_θ、吊り材１の減衰は無視し、重力加速度gとすると、振動方程式は次式となる。

ここで、

とおくと、（３）式は以下のように表される。

上記の（２）式と（４）式を連立することで通常の２質点系の振動モデルと同様に扱えることがわかる。

以下の条件での検討結果を示す。
質量体２の質量M＝4ton、吊り下げ長さL₁＝11.5m、L₂＝0.5m、全長L＝12.0m、慣性質量ψ＝100ton、回転減衰c_θ＝70kNm/(rad/s)、ロッキング揺動体６の質量m＝4ton（1ton×4）、吊り下げ位置での等価な水平減衰係数c_h＝280kNm(m/s)、吊り下げ長さL＝12.0mの振り子の固有振動数は6.95Hz（固有周期0.14秒）である。
比較対象としてロッキング揺動体６の慣性質量がない場合（m＝0）を検討する。減衰がない場合は初期変位x₀＝0.1mの正弦波振動が継続するだけなので、回転減衰として従来型の粘性減衰を最適減衰量c_θ＝20kNm/(rad/s)として付与した場合を比較対象とし、これを従来型制振とする。

質量体２に初期変位x₀＝0.1mを与えて自由振動させた場合の時刻歴応答解析を行い、質量体２の変位を従来型制振と比較した結果を図３に示す。（ａ）は従来型制振の場合、（ｂ）は本発明の制振構造の場合である。
図３から、従来型の粘性減衰を付与したものでは振幅が緩やかに減少しているのに対し、本発明では急峻に応答が低減していくことがわかる。

以下、本発明の効果を列挙する。
(1)質量体に何ら手を加えずに吊り元の近傍にロッキング揺動体を設置するだけで、質量体の振り子としての振動を急峻に収斂させることができから、制振のための機構の所要高さ寸法が吊り長さに対して充分に小さくて済む。
このような利点は特に建築・土木工事の分野においては以下の用途において有効である。
・クレーンの吊り荷の揺れ防止（工場での天井走行クレーン、建設現場のタワークレーン等）。
・ゴンドラの揺れ防止（清掃用の吊り足場、モノレール等）。
・天井吊り設備機器の揺れ対策（シャンデリア等の照明器具、舞台ホールの吊り設備）。
・下げ振りの振れ防止（鉛直芯だし用）。

(2)微小振幅から大振幅まで有効なパッシブ型の制振構造であり、外部エネルギーを必要としない。電気やコンピュータ制御が不要であり単純な機構なので、信頼性が高くローコストである。
(3)常時（使用時）の揺れだけでなく、地震時の後揺れにも効果的である。吊り構造は一般的に固有周期が長く減衰が小さい構造であり、地震後にも長時間揺れが持続する傾向にある。これを早期に解消することは、居住者の恐怖心を軽減するだけでなく、吊り構造の疲労特性を改善することにも効果的である。
(4)本発明の制振機構は、固定端（吊り元）にロッキング揺動体の自重を預けることから吊り材への荷重の増加はほとんどない。また、ロッキング揺動体より下方は従来の吊り構造と全く同じなので使い勝手や美観を損なうこともない。

１吊り材（ワイヤー）
２質量体
６ロッキング揺動体
６ａ錘
６ｂ連結部材
７吊り元（固定端）
８揺動中心（重心位置）
９回転支承（ボールジョイントまたはユニバーサルジョイント）
９ａ固定部材
１０減衰機構
１１吊り点

Claims

曲げ剛性を有しない吊り材によって質量体が吊り下げられて振り子として振動する吊り構造物を対象とする吊り制振構造であって、
重心位置を揺動中心とするロッキング揺動体を吊り元に回転支承を介して揺動自在に設置するとともに、該ロッキング揺動体の揺動により抵抗力を生じてその揺動を減衰せしめる減衰機構を付加し、
前記ロッキング揺動体の重心位置の直下を吊り点としてその吊り点から前記質量体を前記吊り材により吊り下げるとともに、
前記吊り材の長さにより定まる前記質量体の固有振動数と、前記揺動中心から前記吊り点までの距離により定まる前記ロッキング揺動体の揺動における固有振動数とを同調させたことを特徴とする吊り制振構造。
請求項１記載の吊り制振構造であって、
前記ロッキング揺動体の揺動による回転慣性モーメントI_θを、前記質量体の質量Mと、前記吊り点からの前記質量体の振り子としての長さL₁と、前記揺動中心から前記吊り点までの距離L₂とに基づき、
I_θ＝M(L₁＋2L₂)L₂、L₁≫L₂
の関係を満たすように設定したことを特徴とする吊り制振構造。