JP5458374B2 - 制振システム - Google Patents

Description

本発明は建物の制振構造に係わり、特に平行に架設される複数の梁を対象として各梁の上下方向の振動を制御するための制振システムに関する。

梁の振動を低減するための機構として、たとえば特許文献１に示されているような所謂チューンド・マス・ダンパー（Tunned Mass Damper：ＴＭＤ）を利用することが考えられる。ＴＭＤは構造物に付加ばねを介して付加質量を接続し、それら付加ばねと付加質量により定まる固有振動数を構造物の固有振動数に同調させることによって共振点近傍における応答を低減するものであって、これを梁のスパン中央部に設置することで梁の振動を低減する装置が実用化されている。

また、特許文献２には制振対象の梁に添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し、回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量を付加質量として利用して制振効果を得る振動低減機構が提案されている。

特開昭６３−１５６１７１号公報 特開２００８−１１５５５２号公報

特許文献１に示されるような従来一般のＴＭＤを梁を対象とする振動減衰機構として利用する場合、充分な振動低減効果を得るためには付加質量を充分に大きくする必要があり、必然的に大型大重量でコスト高とならざるを得ない。また、振動低減を目的とするとはいえ梁にあまり大きな質量を付加することは応力が増加することから基本的に好ましいことではないし、ＴＭＤが大型大重量になるほど設置位置や設置スペースに関しての制約も大きくなるので、通常は付加質量を梁の質量の１〜３％程度とすることが現実的であり、したがって振動低減効果にも自ずと限界がある。

特許文献２に示されるような回転慣性質量ダンパーによる振動低減機構は、小質量の錘により大きな付加質量が得られて優れた制振効果が得られるものであり、その点では極めて有効であって広く普及する気運にある。
しかし、この振動低減機構では複数の梁を対象として制振する場合や床面を広範囲で制振するような場合には多数の梁に対してそれぞれ付加梁を設置しなければならず、そのため多数の付加梁の設置スペースを確保する必要があるばかりでなく施工が煩雑となってコストも嵩むものとなるので、その点での有効な改善策が必要とされている。

上記事情に鑑み、本発明は特許文献２に示される従来の振動低減機構を改良し、複数の梁を対象としてその振動を制御し得る有効適切な制振システムを提供することを目的とする。

本発明は平行に架設される複数の梁を対象として各梁の上下方向の振動を制御するための制振構造であって、制振対象の各梁と相対振動可能な状態で交差する支持梁を設置して、該支持梁と各梁との交差部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制振機構をそれぞれ設置し、前記各制振機構を、前記相対振動によって錘が回転して回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーに対して直列に設置された付加ばねとにより構成するとともに、各回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と各付加ばねの剛性と前記支持梁の剛性とより定まる各制振機構の固有振動数をそれぞれの制振対象振動数に同調させることを特徴とする。

本発明においては、各制振機構による制振対象振動数を互いに異なるように設定することが考えられる。また、前記支持梁は制振対象の各梁の腹部を貫通して架設することが好ましい。さらに、前記支持梁はトラス梁ないしラチス梁とすることが好適である。

本発明によれば、複数の梁に対して相対振動可能な状態で交差するように支持梁を設置して、各交差部にそれぞれの梁を制振対象とする制振機構を設置し、各制振機構をＴＭＤとして機能するようにその固有振動数を適正に設定することによって、複数の梁に対する制振効果が同時に得られる。したがって上述した従来の振動低減機構のように各梁に対応させて複数の付加梁を設けるような必要がなく、そのための設置スペースを節約できるし、全体の構成と施工の簡略化を実現できてコスト削減を図ることができる。

本発明の制振システムの実施形態を示す概略構成図である。 同、制振機構のモデル図および効果を示す図である。 同、設計例を示す図である。 同、効果を示す図である。

図１は本発明の制振システムの実施形態を示す概略構成図である。（ａ）は本実施形態の制振システムが適用される建物の床の一部を示す平面図（床組を示す梁伏図）であって、その床組として、外周に位置する柱１間に外周梁２およびＹ方向の大梁３が架設され、それら大梁３間にはＸ方向の小梁４が架設されているものである。

本実施形態の制振システムは、Ｙ方向の３本の大梁３のうち太線で示す２本の大梁３Ａ、３Ｂを対象としてその制振を行うものであり、そのため各大梁３の中央部と交差するＸ方向の支持梁５を柱１間に架設するとともに、その支持梁５と制振対象の２本の大梁３Ａ、３Ｂとの交差部（（ａ）に○印で示す）にそれぞれ制振機構６を設置し、それら２組の制振機構６と上記の支持梁５とによって２本の大梁３Ａ、３Ｂに対する制振効果を同時に得て床全体の振動を低減するものである。

上記の支持梁５は、制振対象の梁３Ａ，３Ｂとの間に介装された２組の制振機構６を作動させて制振効果を得るためのものであり、かつ後述するようにそれら制振機構６の固有振動数を調整するための付加ばねとしても機能するものであり、そのため支持梁５はＸ方向の大梁の形態で設置されてはいるもののＹ方向の大梁３とは独立に挙動するものとされていて、制振対象の大梁３Ａ，３Ｂに対して上下方向の相対振動が生じるように設置されている。
すなわち、本実施形態では、図１（ｂ）、（ｃ）に示すようにＹ方向の大梁３は通常の充腹のＨ形鋼とされているが、その大梁３の腹部（ウエブ）には支持梁５との交差部にそれが緩挿状態で貫通可能な貫通口（図示略）が形成されており、支持梁５はその貫通口内を単に挿通するのみで大梁３に対しては接合されておらず、それにより貫通口の範囲内で大梁３と支持梁５とは上下方向の相対振動が許容されるようになっている。

上記の制振機構６は、回転慣性質量ダンパー７とそれに直列に設置された付加ばね８により構成されており、図示例では回転慣性質量ダンパー７の一端側（上端側）が大梁３Ａ、３Ｂのウエブに対して接続され、他端側（下端側）が付加ばね８としての板ばねを介して支持梁５に対して接続されている。
回転慣性質量ダンパー７は大梁３Ａ、３Ｂと支持梁５との間で生じる上下方向の相対振動をボールねじ機構等の伝達機構を介して小質量の錘を回転させるものであり、それにより生じる大きな回転慣性質量を制動力として利用して制振効果を得るものである。

本実施形態の制振システムは、基本的には特許文献２に示される振動低減機構と同様に、主系としての制振対象の大梁３Ａ、３Ｂに対して付加振動系として機能するものであり、その付加振動系としての制振システムの固有振動数を制振対象振動数に同調させることにより制振システムがＴＭＤとして機能して優れた制振効果が得られるものである。
すなわち、各制振機構６の固有振動数は、各回転慣性質量ダンパー７による回転慣性質量と、それに付設されている各付加ばね８の剛性と、各制振機構６を支持している上記の支持梁５の剛性とにより定まるので、それらの諸元を適正に設定することにより各制振機構６の固有振動数をそれぞれが制振対象としている大梁３Ａまたは大梁３Ｂの制振対象振動数に同調させることができ、それによりそれら制振機構６および支持梁５とにより構成される制振システムの全体がＴＭＤとして機能して各大梁３Ａ、３Ｂに対する優れた制振効果が同時に発揮されるのである。

本実施形態の制振システムにおける各制振機構６は図２（ａ）に示すようにモデル化できる。図２においてＭ、Ｃ、Ｋはそれぞれ主系としての大梁３Ａ、３Ｂの有効質量、構造減衰、構造剛性であり、mi、cd、kdは付加振動系としての制振システムの付加質量、付加剛性、付加ばねの剛性であり、付加質量miとして回転慣性質量ダンパー７による回転慣性質量を利用し、付加ばねの剛性kdを制振機構６における付加ばね８（板ばね）の剛性と支持梁５自体の剛性とにより適正に設定するものである。なお、付加減衰cdとしては適宜の減衰要素を回転慣性質量ダンパー７に付設するか、あるいは回転慣性質量ダンパー７に組み込めば良い。

そして、このような制振機構６の固有振動数ωを制振対象の主系の制振対象振動数ω_１（たとえば１次モードの固有振動数や２次モードの固有振動数、あるいは機械振動等の特定の振動数）に同調させるように各諸元を適正に設定すれば、図２（ｂ）に示すように制振機構なし（ダンパーなし）の場合には数十倍にもなる共振域での変位応答倍率を数倍程度にまで激減させることができる。
したがって、本実施形態の制振システムにおける各制振機構６の固有振動数をそれぞれの制振対象である各大梁３Ａ、３Ｂの制振対象振動数に同調させることによって、それら大梁３Ａ、３Ｂに対する制振効果が同時に得られるものとなる。

図３に具体的な設計例を示す。
本設計例は、（ａ）にハーフモデルとして示す片コア形式の建物における床組を対象として、そのコーナー部の領域（斜線を付した範囲）の床における歩行時の床振動を低減させることを目的とする。そして、その領域内に架設されている３本のＹ方向の大梁３Ａ，３Ｂ，３Ｃを制振対象として、（ｂ）に示すようにそれら大梁３Ａ，３Ｂ，３Ｃに交差するように支持梁５を架設して各交差部（符号Ａ，Ｂ，Ｃを付して示した３個所）にそれぞれ制振機構６を設置した。
各制振機構６の諸元を（ｃ）に示すように設定し、Ａ部およびＢ部に設置した制振機構６の固有振動数を１次モード固有振動数に同調させ、Ｃ部に設置した制振機構６の固有振動数は２次モード固有振動数に同調させた。
なお、それぞれの制振機構６におけるボールねじ機構のリードは10mm、回転慣性質量ダンパー７による回転慣性質量（付加質量）は１台当たり2ton程度であるが、実際の錘の質量は2kg程度である。
また、適切な直列ばね値を実現するため、別途、支持梁５上のダンパー位置を静的に載荷して支持梁５のばね値を求め、このばね値と付加ばね８を直列配置したときに適切な直列ばね値と一致するように付加ばねを設置した。

図３（ａ）に○印を付して示した５個所を加振点としてそこに歩行荷重（最大加振力750kN）を与え、対象領域の床の中央点には１次モードの振動を励起し、それ以外は２次モードの振動を励起するようにし、それぞれの固有振動数に対して倍調波となるように与えた。床組の減衰は１次固有振動数に対し1％の初期剛性比例型とした。
載荷点の加速度波形の1/3オクターブバンド分析結果を図４に示す。（ａ）は制振システムなし、（ｂ）は本発明の制振システムありの場合であり、居住性の評価レベル（日本建築学会「建築物の振動に関する居住性能評価指針・同解説」2004）として最大V-90レベルがV-30レベルになり、本発明の制振システムにより歩行振動に対する居住性能の大幅な改善が確認できた。

以上で本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記設計例のように複数の制振機構の固有振動数を互いに異なる制振対象振動数（上記設計例の場合には１次モードと２次モードの固有振動数）に同調させることにより、単一の振動数領域のみならず複数の振動数領域の振動に対する制振効果が同時に得られるが、それに限るものではなく、全ての制振機構の固有振動数を共通の制振対象振動数（たとえば１次モード固有振動数）に同調させることでも勿論良い。

また、上記実施形態のように支持梁をトラス梁とすれば配管類やダクト等の設備との干渉を避けることができるので好ましいが、それに限るものではなく、ラチス梁はもとより通常のＨ形鋼等の充腹の支持梁とすることでも良い。いずれにしても支持梁は制振機構とともに制振システムを構成する要素であって制振システムの固有振動数を制振対象振動数に同調させるための付加ばねとして機能するものであるから、支持梁はそのようなものとして設計すれば良い。

また、上記実施形態では制振対象の梁を充腹のＨ形鋼とし、支持梁をその腹部を貫通させるようにしたので、制振対象の梁のウエブには支持梁を貫通させるための貫通口を設ける必要があるが、制振対象の梁をトラス梁やラチス梁としてその斜材の間に支持梁を挿通させることも考えられる。
なお、上記実施形態のように支持梁を制振対象の梁の腹部を貫通させた状態で交差させる場合には、制振対象の梁の梁成の範囲内に支持梁を設置できるので格別の設置スペースを必要としないが、あるいは特許文献２に示されているように制振対象の梁と支持梁とを上下２段をなすように交差させて架設する、つまり支持梁を制振対象の梁の下方あるいは上方を通過させた状態で交差させ、その交差部に制振機構を介装することも考えられる（但し、その場合は支持梁の梁成相当分だけ有効階高が小さくなる）。

１ 柱
２ 外周梁
３ 大梁
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 大梁（制振対象の梁）
４ 小梁
５ 支持梁
６ 制振機構
７ 回転慣性質量ダンパー
８ 付加ばね

Claims (4)

1. 平行に架設される複数の梁を対象として各梁の上下方向の振動を制御するための制振システムであって、
   制振対象の各梁と相対振動可能な状態で交差する支持梁を設置して、該支持梁と各梁との交差部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制振機構をそれぞれ設置し、
   前記各制振機構を、前記相対振動によって錘が回転して回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーと、該回転慣性質量ダンパーに対して直列に設置された付加ばねとにより構成するとともに、
   各回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と各付加ばねの剛性と前記支持梁の剛性とより定まる各制振機構の固有振動数をそれぞれの制振対象振動数に同調させることを特徴とする制振システム。
2. 請求項１記載の制振システムであって、
   各制振機構による制振対象振動数を互いに異なるように設定することを特徴とする制振システム。
3. 請求項１または２記載の制振システムであって、
   前記支持梁を制振対象の各梁の腹部を貫通して架設することを特徴とする制振システム。
4. 請求項１，２または３記載の制振システムであって、
   前記支持梁をトラス梁ないしラチス梁とすることを特徴とする制振システム。

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