上述した構成の従来の振動抑制装置では、構造物の振動時に、マスダンパの回転マスからの反力が第1及び第2支持部材に作用し、それにより生じた第1及び第2支持部材の軸力が、第1梁の途中の第1及び第2部位に作用する。このため、マスダンパの反力が大きくなると、それに応じて第1及び第2支持部材の軸力が大きくなり、第1梁に大きな曲げモーメント及びせん断力が作用するため、第1梁の断面を非常に大きくすることが必要になる。このような第1梁の断面の過大化は、構造物の骨格構造のレイアウトに影響を及ぼすとともに、第1梁ひいては構造物の重量化の原因になるため、この点において、従来の振動抑制装置は改善の余地がある。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、梁の断面の過大化を確実に回避しながら、構造物の振動を適切に抑制できるとともに、装置全体の小型化及び製造コストの削減を図ることができる振動抑制装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項1に係る発明は、互いに間隔を隔てて配置された第1柱及び第2柱と、上下方向に互いに間隔を隔てて配置された第1梁及び第2梁、並びに第1梁を間にして第2梁と反対側に配置された第3梁とを互いに接合したラーメン構造を有する構造物の振動を抑制するための振動抑制装置であって、柱材で構成され、一端部が、第1梁の第1柱との接合部と第1梁の長さ方向の中心との間の第1梁の所定の第1部位に連結され、第1部位から第2梁に向かって斜めに延びる第1支持部材と、柱材で構成され、一端部が、第1梁の第2柱との接合部と第1梁の長さ方向の中心との間の第1梁の所定の第2部位に連結され、第2部位から第2梁に向かって斜めに延びるとともに、他端部が、第1支持部材の他端部に連結された第2支持部材と、回転可能な回転マスを有し、第2梁と第1及び第2支持部材の他端部とに連結され、構造物の振動に伴って第1及び第2支持部材を介して伝達された第1梁と第2梁の間の相対変位を、回転マスの回転運動に変換するマスダンパと、第1梁と第3梁の間に設けられた一対のブレース構造と、を備え、一対のブレース構造の各々は、一端部が第1梁の第1部位又は第2部位に連結され、第3梁に向かって鉛直に延び、他端部が第3梁に連結された間柱と、第1柱又は第2柱と間柱の間に斜めに延び、第1梁の第1部位又は第2部位と第3梁の第1柱又は第2柱との接合部とに連結されたブレースと、を有することを特徴とする。
以下、図9を参照しながら、上述した本発明の振動抑制装置の構成及び動作を説明する。同図に示すように、構造物は、第1柱及び第2柱と、上下方向に順に配置された第2梁、第1梁及び第3梁とを互いに接合したラーメン構造を有しており、第1梁に、柱材から成る第1及び第2支持部材が連結されている。第1支持部材は、一端部が、第1梁の第1柱との接合部と第1梁の長さ方向の中心との間の所定の第1部位に連結され、第2梁に向かって斜めに延びている。また、第2支持部材は、一端部が、第1梁の第2柱との接合部と第1梁の長さ方向の中心との間の所定の第2部位に連結され、第2梁に向かって斜めに延びており、第1及び第2支持部材の他端部は互いに連結されている。さらに、回転マスを有するマスダンパは、第2梁と第1及び第2支持部材の他端部に連結されている。
また、第1梁と第3梁の間には、間柱及びブレースをそれぞれ有する一対のブレース構造が設けられている。一方のブレース構造の間柱は、一端部が第1梁の第1部位に連結され、第3梁に向かって鉛直に延び、他端部が第3梁に連結されており、ブレースは、第1柱と間柱との間に斜めに延び、第1梁の第1部位及び第3梁の第1柱との接合部に連結されている。以上の構成により、第1梁の第1部位から第1柱までの部分と、それに対応する第3梁の間柱との連結部から第1柱までの部分と、両者に連結された間柱及びブレースによって、第1柱の付近に、剛性の高い「組合わせ梁」が構成される。
同様に、他方のブレース構造の間柱は、一端部が第1梁の第2部位に連結され、第3梁に向かって鉛直に延び、他端部が第3梁に連結され、ブレースは、第2柱と間柱との間に斜めに延び、第1梁の第2部位及び第3梁の第2柱との接合部に連結されている。以上の構成により、第1梁の第2部位から第2柱までの部分と、それに対応する第3梁の間柱との連結部材から第2柱までの部分と、両者に連結された間柱及びブレースによって、第2柱の付近に、剛性の高い「組合わせ梁」が構成される。
以上の構成の振動抑制装置では、構造物が通常の状態(図9(a)及び(b)の二点鎖線)から振動すると、例えば同図(b)に実線で示すように、第1柱及び第2柱が一方の側に変形(揺動)するのに伴い、第1梁と第2梁の間に相対変位ΔAが発生し、この相対変位ΔAは、第1及び第2支持部材を介してマスダンパに伝達される。これにより、マスダンパの回転マスが回転することによって、マスダンパ、第1及び第2支持部材から成る付加振動系が振動する。したがって、付加振動系の固有振動数を構造物の固有振動数に同調(共振)させることによって、構造物の振動エネルギが付加振動系で吸収され、それにより、構造物の振動が抑制される。
また、構造物の振動に伴い、第1及び第2柱が一方の側に変形すると、その付近に構成された組合わせ梁は、その剛性が高いことで、通常時の形状をほぼ保った状態で、第1柱及び第2柱と一体に移動(回転)する。その結果、第1梁の第1部位及び第2部位に一端部が連結された第1及び第2支持部材が全体として傾く(回転する)ことによって、第1及び第2支持部材の他端部が変位し、この変位ΔBもまたマスダンパに伝達される。
図9(b)に示す例では、構造物の振動時、第1及び第2柱が第2柱の側(右方)に変形する場合には、第1梁と第2梁の間の相対変位ΔA及び第1及び第2支持部材の変位ΔBはいずれも、マスダンパと第1及び第2支持部材との距離が減少する方向に発生する。なお、図示しないが、第1及び第2柱が上記とは逆に第1柱の側(左方)に変形する場合には、上記の相対変位ΔA及び変位ΔBはいずれも、マスダンパと第1及び第2支持部材との距離が増加する方向に発生する。
以上のように、構造物の振動時、マスダンパには、第1梁と第2梁の間の相対変位ΔAに第1及び第2支持部材の変位ΔBを加えた、より大きな変位が伝達される。すなわち、マスダンパに伝達される変位が、第1及び第2支持部材の変位ΔBの分だけ増幅される。これにより、マスダンパの回転マスを十分に回転させることによって、マスダンパ、第1及び第2支持部材から成る付加振動系による構造物の振動の吸収効果を十分に得ることができ、構造物の振動を適切に抑制することができる。
また、第1及び第2支持部材は、ラーメン構造を構成する柱と梁との接合部ではなく、第1梁の途中の第1及び第2部位に連結されていることで、構造物の振動時、マスダンパの反力に対して変形(変位)しやすくなるため、第1及び第2支持部材の実質的な剛性が低くなる。このため、付加振動系の固有振動数を構造物の固有振動数に同調させるのに必要な回転マスの質量が比較的小さくてよいことで、小型のマスダンパを用いることが可能になり、それにより、装置全体の小型化及び製造コストの削減を図ることができる。
さらに、第1梁の第1部位及び第2部位には、組合わせ梁の間柱及びブレースの各一端部が連結されている。このため、構造物の振動時に、第1梁の第1及び第2部位に第1及び第2支持部材の大きな軸力が作用しても、この軸力の大部分が間柱及びブレースで支持されることによって、第1梁に作用する曲げモーメントやせん断力が大幅に低減される。その結果、前述した従来の場合と異なり、第1梁の断面の過大化を確実に回避でき、それにより、構造物の骨格構造のレイアウトの自由度を高めるとともに、第1梁ひいては構造物の軽量化を図ることができる。
なお、図9は、本発明の構成及び動作の理解を容易にするためのものであり、本発明は、これに限定されることなく、後述するような種々の変更や変形が可能である。また、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「接合」は、ボルトや溶接などによって複数の部材を互いに剛に連結することをいう。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の振動抑制装置において、一対のブレース構造の各々は、ブレースと交差するように斜めに延び、第1梁の第1柱又は第2柱との接合部と第3梁の間柱との連結部とに連結された第2ブレースをさらに有することを特徴とする。
この構成によれば、一対のブレース構造はそれぞれ、間柱及びブレースに加えて、このブレースと交差し、上記のように連結された第2ブレース(図9の破線)を有する。この第2ブレースによって組合わせ梁の剛性及び強度が補強されるので、前述した組合わせ梁による第1及び第2支持部材の変位ΔBの増幅機能及び軸力の支持機能をより有効に発揮させることができ、請求項1による作用をより良好に得ることができる。
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の振動抑制装置において、第1部位は、第1柱から第2柱側に向かって、第1柱と第2柱の間の距離のほぼ1/4の位置に設定され、第2部位は、第2柱から第1柱側に向かって、第1柱と第2柱の間の距離のほぼ1/4の位置に設定されていることを特徴とする。
前述したように、第1梁の第1部位及び第2部位は、組合わせ梁の内端部(第1柱又は第2柱と反対側の端部)に相当するとともに、第1及び第2支持部材が連結される部位である。この構成によれば、第1梁の第1部位及び第2部位は、上記のように、第1柱及び第2柱から両柱間の距離のほぼ1/4の位置にそれぞれ設定されている。これにより、構造物の振動時、組合わせ梁の回転による第1及び第2支持部材の変位ΔBをほぼ最大にし、その増幅機能を最大限に発揮させることができ、したがって、構造物の振動をより適切に抑制することができる。
請求項4に係る発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の振動抑制装置において、第1梁と第2梁の間に、第1柱及び第2柱に接合された少なくとも1つの中間梁が配置されていることを特徴とする。
構造物の振動時、上述した第1梁と第2梁との相対変位ΔAと、第1及び第2支持部材の変位ΔBはいずれも、第1梁と第2梁との距離が大きいほど、より大きくなる。上述した構成によれば、第1梁と第2梁の間に、第1及び第2柱に接合された少なくとも1つの中間梁が設けられており、すなわち、第1及び第2梁は、中間梁を間にしてその上下両側に配置されている。これにより、第1梁と第2梁との距離が十分に確保されることによって、マスダンパに伝達される変位を増大させ、構造物の振動をより適切に抑制することができる。
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の振動抑制装置において、中間梁は、互いに連結され、水平方向に対向する一対の梁材を有し、第1及び第2支持部材は、一対の梁材の間を上下方向に貫通していることを特徴とする。
この構成によれば、中間梁は、水平方向に対向する一対の梁材を有し、両梁材の間を第1及び第2支持部材が貫通している。これにより、第1梁と第2梁の間に中間梁が存在する場合において、中間梁と干渉することなく、第1及び第2支持部材を配置できるとともに、構造物の振動時に変位させることができる。
また、マスダンパは、回転マスの回転慣性効果を利用して構造物の振動を抑制するように構成されるため、回転マスの回転に伴い、マスダンパからの反力と反力トルクが第1及び第2支持部材に作用することによって、第1及び第2支持部材に座屈や大きなねじれが生じるおそれがある。この構成によれば、第1及び第2支持部材が、水平方向に互いに対向する一対の梁材の間を貫通しているので、この反力及び反力トルクによる第1及び第2支持部材の弱軸(面外)方向の座屈やねじれを、一対の梁材によって防止することができる。
したがって、第1及び第2支持部材を介してマスダンパに伝達される構造物の変位を、マスダンパの反力や反力トルクの影響を受けることなく、回転マスの回転運動に良好に変換でき、それにより、構造物の振動の抑制を適切に行うことができる。また、第1及び第2支持部材の座屈やねじれの防止効果を、格別の部材を付加することなく、既存の中間梁を利用して得ることが可能である。
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の振動抑制装置において、第1及び第2支持部材並びに一対の梁材の互いに対向する面の少なくとも一方に、滑性を有する表面材が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、構造物の振動時、一対の梁材の間を移動する第1及び第2支持部材が、梁材との間に介在する滑性を有する表面材を介して滑らかに案内されるので、第1及び第2支持部材からマスダンパへの変位の伝達を適切に行うことができる。
請求項7に係る発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の振動抑制装置において、第1梁の第1部位と第2部位との間、及び第3梁の2つの間柱との連結部の間の少なくとも一方に、所定の降伏耐力で上下方向に降伏するせん断パネルダンパが設けられていることを特徴とする。
前述した本発明による振動抑制装置では、構造物の振動時、2つの組合わせ梁が回転すると、組合わせ梁が設けられていない第1梁及び第3梁の中央部の曲げ変形が大きくなる(図9(b)参照)。この構成によれば、そのような曲げ変形が大きくなる第1梁及び/又は第3梁の中央部に、所定の降伏耐力で上下方向に降伏するせん断パネルダンパが設けられている。これにより、構造物の振動時、せん断パネルダンパの降伏によるエネルギ吸収効果(減衰効果)を得ることができ、前述したマスダンパによる振動抑制効果との相乗効果によって、構造物の振動をさらに適切に抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図1に示す構造物Sは、左右方向に互いに間隔を隔てて配置され、鉛直に延びる第1柱PL及び第2柱PRと、上側から順に等間隔に配置され、水平に延びる複数の梁BU、BM1、BM2、BD及びBLとを互いに接合した井桁状のラーメン構造を有する高層建築物であり、地盤(図示せず)に立設されている。以下、これらの5つの梁BU、BM1、BM2、BD及びBLを、それぞれ「第2梁BU」「第1中間梁BM1」「第2中間梁BM2」「第1梁BD」及び「第3梁BL」という。
第1及び第2柱PL、PRと第1〜第3梁BD、BU、BLはいずれも、H型鋼で構成されている。なお、これらの部材を角型鋼管などで構成してもよい。また、第1及び第2中間梁BM1、BM2の構成は、第1〜第3梁BD、BU、BLと異なっており、その詳細については後述する。
図1に示すように、第1実施形態による振動抑制装置は、第1支持部材2、第2支持部材3、第1マスダンパ4及び第2マスダンパ5と、一対のブレース構造15、15を備えている。第1支持部材2は、H型鋼から成る柱材で構成され、その下端部2aが、第1梁BDの後述する第1部位R1に接合され、連結されている。また、第1支持部材2は、第1及び第2中間梁BM1、BM2を上下方向に貫通し、第1部位R1から第2梁BUの付近まで斜めに延びている。
同様に、第2支持部材3は、H型鋼から成る柱材で構成され、その下端部3aが、第1梁BDの後述する第2部位R2に接合され、連結されている。また、第2支持部材3は、第1及び第2中間梁BM1、BM2を上下方向に貫通し、第2部位R2から第2梁BUの付近まで斜めに延びている。第1及び第2支持部材2、3は、それらの上端部において第1連結部材6を介して互いに連結されており、第1連結部材6を通る鉛直軸線を中心として互いに左右対称に配置され、全体として逆V字状に形成されている。なお、第1及び第2支持部材2、3を、他の種類の柱材、例えば角形鋼管などで構成してもよい。
図1に示すように、第1柱PLの軸線ALと第2柱PRの軸線ARとの距離(以下「柱間距離」という)をLとした場合、上記の第1梁BDの第1部位R1は、第1柱PLの軸線ALから第2柱PR側に向かって、柱間距離Lのほぼ1/4(=L/4)の位置に設定されている。第1支持部材2の下端部2aの中心は、第1部位R1の中心に一致している。また、第2部位R2は、第2柱PRの軸線ARから第1柱PL側に向かって、柱間距離Lのほぼ1/4の位置に設定されている。第2支持部材3の下端部3aの中心は、第2部位R2の中心に一致している。
また、前述した第1連結部材6の上面には、第2連結部材7が取り付けられており、第2連結部材7と第2梁BUの間には、案内機構11が設けられている。この案内機構11は、構造物Sの振動時、第1及び第2支持部材2、3の左右方向への移動を案内するためのものである。
図1及び図2に示すように、案内機構11は、第2梁BUの下面に設けられた左右一対の基部12、12と、各基部12の下面に設けられた前後一対の第1案内突起13、13と、第2連結部材7の上面に設けられた第2案内突起14を有している。第2案内突起14は、第2連結部材7の全体にわたって左右方向に延び、一対の第1案内突起13、13の間に移動自在に係合している。以上の構成により、第1及び第2支持部材2、3は、左右方向に移動する際、第1及び第2案内突起13、14によって案内される。
また、一対のブレース構造15、15は、第1梁BDと第3梁BLの間の、第1柱PL及び第2柱PRに近い部分に、互いに左右対称に設けられており、それぞれ、円形鋼管などから成る間柱16、第1ブレース17及び第2ブレース18によって構成されている。
より具体的には、第1柱PLに近い左側のブレース構造15では、間柱16は、上端部が第1梁BDの第1部位R1に連結され、鉛直下方に延び、下端部が第3梁BLに連結されている。第1及び第2ブレース17、18は、互いに交差するように斜めに延びており、第1ブレース17は、第1梁BDの第1部位R1、及び第3梁BLの第1柱PLとの接合部に連結され、第2ブレース18は、第1梁BDの第1柱PLとの接合部、及び第3梁BLの間柱16との連結部に連結されている。
以上の構成により、第1梁BDの第1部位R1から第1柱PLまでの部分と、それに対応する第3梁BLの間柱16との連結部から第1柱PLまでの部分と、両者に連結された間柱16及び第1、第2ブレース17、18とによって、組合わせ梁20が構成されている。
一方、第2柱PRに近い右側のブレース構造15では、間柱16は、上端部が第1梁BDの第2部位R2に連結され、鉛直下方に延び、下端部が第3梁BLに連結されている。第1ブレース17は、第1梁BDの第2部位R2、及び第3梁BLの第2柱PRとの接合部に連結され、第2ブレース18は、第1梁BDの第2柱PRとの接合部、及び第3梁BLの間柱16との連結部に連結されている。
以上の構成により、第1梁BDの第2部位R2から第2柱PRまでの部分と、それに対応する第3梁BLの間柱16との連結部から第2柱PRまでの部分と、両者に連結された間柱16及び第1、第2ブレース17、18とによって、組合わせ梁20が構成されている。
また、第1梁BD及び第3梁BLにはそれぞれ、それらの長さ方向の中心位置に、せん断パネルダンパ71が設けられている。このせん断パネルダンパ71は、低降伏点鋼で構成されたパネル状のものであり、第1及び第3梁BD、BLのウェブの前面及び背面にそれぞれ取り付けられている(前面側のもののみ図示)。この構成により、せん断パネルダンパ71は、構造物Sの振動時、第1梁BD及び第3梁BLに発生したせん断力が所定の降伏耐力に達したときに、上下方向に降伏する。
第1及び第2マスダンパ4、5は、第1及び第2支持部材2、3の上端部を中心として互いに対称に配置されている。これらのマスダンパ4、5は、本発明の発明者が提案した特願2012−158921号に開示されたものと同様に構成されているので、以下、その構成及び動作について簡単に説明する。図3に示すように、第1マスダンパ4は、内筒21、ボールねじ22、第1回転マス23、及び制限機構24を有している。内筒21は、円筒状の鋼材で構成されている。内筒21の一端部は開口しており、他端部は、第1マスダンパ4が発生するトルクでは動かない程度の摩擦を有する自在継ぎ手を介して、第1フランジ25に取り付けられている。
また、ボールねじ22は、ねじ軸22aと、ねじ軸22aに多数のボール22bを介して螺合するナット22cを有している。ねじ軸22aの一端部は、上述した内筒21の開口に収容されており、ねじ軸22aの他端部は、第1マスダンパ4が発生するトルクでは動かない程度の摩擦を有する自在継ぎ手を介して、第2フランジ26に取り付けられている。また、ナット22cは、軸受け27を介して、内筒21に回転自在に支持されている。
第1回転マス23は、比重の大きな材料、例えば鉄で構成され、円筒状に形成されている。また、第1回転マス23は、内筒21及びボールねじ22を覆っており、軸受け28を介して、内筒21に回転自在に支持されている。第1回転マス23と内筒21の間には、一対のリング状のシール材29、29が設けられている。これらのシール材29、29、第1回転マス23及び内筒21によって形成された空間には、シリコンオイルで構成された粘性体30が充填されている。
以上のように構成された第1マスダンパ4では、内筒21及びねじ軸22aの間に相対変位が発生すると、この相対変位がボールねじ22で回転運動に変換された状態で、制限機構24を介して第1回転マス23に伝達されることによって、第1回転マス23が回転する。以下、このように内筒21及びねじ軸22aの間の相対変位を第1回転マス23の回転運動に変換する第1マスダンパ4の動作を、「第1マスダンパ4の回転変換動作」という。
前記制限機構24は、この第1マスダンパ4の回転変換動作を制限するものであり、リング状の回転滑り材24aと、複数のねじ24b及びばね24c(2つのみ図示)で構成されている。回転滑り材24aは、第1回転マス23とボールねじ22のナット22cとの間に配置されている。この回転滑り材24aが配置された第1回転マス23の部分には、複数のばね収容孔23aが形成されている。これらのばね収容孔23aは、周方向に等間隔に配置されており、径方向に貫通している。各ばね収容孔23aには、ねじ24bがねじ込まれるとともに、ねじ24bと回転滑り材24aの間に、ばね24cが収容されている。
以上の構成により、ねじ24bを強く締め付けると、回転滑り材24aがばね24cの付勢力でナット22cに強く押し付けられることによって、第1回転マス23は、回転滑り材24aを介してナット22cに一体に連結された状態になる。
また、この状態からねじ24bを緩めると、その締付度合が低くなり、第1マスダンパ4の軸線方向に作用する荷重(以下「軸荷重」という)が、ねじ24bの締付度合に応じて定まる制限荷重に達するまでは、第1回転マス23がナット22cと一体に回転する。一方、第1マスダンパ4の軸荷重が制限荷重に達すると、回転滑り材24aとナット22c又は第1回転マス23との間に滑りが発生することによって、第1マスダンパ4の回転変換動作が制限される。この状態では、回転滑り材24aとナット22c又は第1回転マス23との間に発生する摩擦抵抗によって、第1マスダンパ4の回転変換動作の制限により低下した第1回転マス23の回転慣性力が補われる。
第1マスダンパ4の第1フランジ25は、第2梁BUの左端部に一体に設けられた取付具8に取り付けられており、それにより、第1マスダンパ4は、第2梁BUに連結されている。また、第2フランジ26は、第2連結部材7の左側面に取り付けられており、これにより、第1マスダンパ4は、第1及び第2支持部材2、3に連結されている。第1マスダンパ4は、第1及び第2フランジ25、26の自在継ぎ手により、前後方向に延びる軸線を中心とした取付具8及び第2連結部材7に対する回動のみが許容されている。
第2マスダンパ5は、第1マスダンパ4と同様、内筒31、ねじ軸32a、第2回転マス33、第1及び第2フランジ35、36を有しており、その構成は第1マスダンパ4とまったく同じであるので、その詳細な説明を省略する。第2マスダンパ5の第1フランジ35は、第2梁BUの右端部に一体に設けられた取付具9に取り付けられており、これにより、第2マスダンパ5は、第2梁BUに連結されている。また、第2フランジ36は、第2連結部材7の右側面に取り付けられており、これにより、第2マスダンパ5は、第1及び第2支持部材2、3に連結されている。
以上により、第1及び第2マスダンパ4、5は、第2連結部材7を中心として、互いに対称に設けられている。第2マスダンパ5は、第1及び第2フランジ35、36の自在継ぎ手により、前後方向に延びる軸線を中心とした取付具9及び第2連結部材7に対する回動のみが許容されている。
また、第1及び第2支持部材2、3の剛性(ばね定数)と第1及び第2回転マス23、33の質量は、第1及び第2支持部材2、3と第1及び第2マスダンパ4、5から成る付加振動系の固有振動数が構造物Sの一次固有振動数に同調するように、設定されている。この一次固有振動数は、構造物Sの振動モードが一次モードのときの固有振動数である。
なお、第1及び第2支持部材2、3の剛性と第1及び第2回転マス23、33の質量を、付加振動系の固有振動数が構造物Sの2次以上のn次固有振動数(n=2、3、……)に同調するように、設定してもよい。あるいは、第1及び第2支持部材2、3の剛性を、付加振動系の固有振動数が構造物Sの任意の固有振動数に同調するときの最適値の約1.2倍に設定してもよい。
次に、前記第1及び第2中間梁BM1、BM2の構成について説明する。第1及び第2中間梁BM1、BM2は、互いに同様に構成されているので、両者を代表して、第1中間梁BM1について説明する。
図1及び図4に示すように、第1中間梁BM1は、前後方向に互いに対向する一対の梁材41、41と、これらの梁材41、41を互いに連結する上下一対の連結板42、42で構成されている。各梁材41は、鋼材で構成され、左右方向に水平に延びており、その左端部が第1柱PLに、右端部が第2柱PRに、それぞれ接合されている。第1及び第2支持部材2、3は、一対の梁材41、41の間を上下方向に貫通している。
また、各連結板42は、鋼板で構成されており、構造物Sの振動時を含めて、第1及び第2支持部材2、3と干渉しない位置に配置されている(図1参照)。また、一対の梁材41、41の第1及び第2支持部材2、3と対向する面には、滑性を有する材料、例えばフッ素樹脂で構成された板状の表面材43が貼り付けられている。
以上の構成を有する第1実施形態の振動抑制装置によれば、図9を用いて説明したように、構造物Sの振動時、第1及び第2マスダンパ4、5には、第1梁BDと第2梁BUとの間の相対変位ΔAが、第1及び第2支持部材2、3を介して伝達されるのに加えて、第1及び第2柱PL、PRの変形(揺動)に伴い、高剛性の左右の組合わせ梁20、20が、第1及び第2柱BD、BLと一体に移動(回転)することによって生じる第1及び第2支持部材2、3の上端部の変位ΔBが、伝達される。
以上のように、第1及び第2マスダンパ4、5に伝達される変位を、第1及び第2支持部材2、3の変位ΔBの分だけ増幅し、第1及び第2回転マス23、33を十分に回転させることによって、第1及び第2支持部材2、3と第1及び第2マスダンパ4、5から成る付加振動系による構造物Sの振動の減衰効果を十分に得ることができ、構造物Sの振動を適切に抑制することができる。
また、組合わせ梁20、20の内端部に相当し、かつ第1及び第2支持部材2、3が連結される第1梁BDの第1部位R1及び第2部位R2は、第1柱PL及び第2柱PRの軸線AL、ARから柱間距離Lのほぼ1/4の位置に設定されている。これにより、組合わせ梁20の回転による第1及び第2支持部材2、3の変位ΔBをほぼ最大にし、その増幅機能を最大限に発揮させることができ、したがって、構造物Sの振動をより適切に抑制することができる。
また、第1及び第2支持部材2、3は、第1梁BDの途中の第1及び第2部位R1、R2に連結されていることで、構造物Sの振動時、マスダンパ4、5の反力に対して変形(変位)しやすくなるため、第1及び第2支持部材2、3の実質的な剛性が低くなる。このため、付加振動系の固有振動数を構造物Sの固有振動数に同調させるのに必要なマスダンパ4、5として、回転マスの質量が比較的小さな小型のものを用いることが可能になり、それにより、装置全体の小型化及び製造コストの削減を図ることができる。
さらに、第1梁BDの第1及び第2部位R1、R2には、組合わせ梁20の間柱16及び第1ブレース17が連結されている。このため、構造物Sの振動時に、第1梁BDの第1及び第2部位R1、R2に第1及び第2支持部材2、3の大きな軸力が作用しても、この軸力の大部分が間柱16及び第1ブレース17で支持されることによって、第1梁BDに作用する曲げモーメントやせん断力が大幅に低減される。その結果、前述した従来の場合と異なり、第1梁BDの断面の過大化を確実に回避でき、それにより、構造物Sの骨格構造のレイアウトの自由度を高めるとともに、第1梁BDひいては構造物Sの軽量化を図ることができる。
また、各ブレース構造15が、間柱16及び第1ブレース17に加えて、第2ブレース18を有し、この第2ブレース18によって組合わせ梁20の剛性及び強度が補強されるので、組合わせ梁20による第1及び第2支持部材2、3の変位ΔBの増幅機能及び軸力の支持機能をより有効に発揮させることができる。
さらに、第1梁BD及び第2梁BUが、第1及び第2中間梁BM1、BM2の上下両側に配置されていることで、第1梁BDと第2梁BUとの距離が十分に確保されるので、マスダンパ4、5に伝達される両梁BD、BU間の相対変位ΔA並びに第1及び第2支持部材の変位ΔBをいずれも増大させることによって、構造物Sの振動をより適切に抑制することができる。
また、構造物Sの振動時、第1梁BD及び第3梁BLの中央部に設けられたせん断パネルダンパ71が、所定の降伏耐力で上下方向に降伏することによって、エネルギ吸収効果(減衰効果)が得られるので、第1及び第2マスダンパ4、5による振動抑制効果との相乗効果によって、構造物Sの振動をさらに適切に抑制することができる。
また、第1及び第2支持部材2、3が、第1及び第2中間梁BM1、BM2の一対の梁材41、41の間を上下方向に貫通しているので、第1及び第2中間梁BM1、BM2と干渉することなく、第1及び第2支持部材2、3を配置できるとともに、構造物Sの振動時に変位させることができる。
同じ理由から、マスダンパ4、5の反力及び反力トルクによる第1及び第2支持部材2、3の弱軸(面外)方向の座屈やねじれを、梁材41、41によって防止することができる。したがって、第1及び第2支持部材2、3を介してマスダンパ4、5に伝達される構造物Sの変位を、マスダンパ4、5の反力や反力トルクの影響を受けることなく、第1及び第2回転マス23、33の回転運動に良好に変換でき、それにより、構造物Sの振動の抑制を適切に行うことができる。また、第1及び第2支持部材2、3の座屈やねじれの防止効果を、格別の部材を付加することなく、既存の第1及び第2中間梁BM1、BM2を利用して得ることができる。
さらに、第1及び第2マスダンパ4、5が、第1及び第2支持部材2、3の上端部を中心として、互いに対称に設けられているので、両マスダンパ4、5の反力トルクを相殺することができる。これにより、上述した一対の梁材41、41によるねじれ防止効果と相まって、第1及び第2マスダンパ4、5の反力トルクによる第1及び第2支持部材2、3のねじれを確実に防止することができる。
また、一対の梁材41、41の第1及び第2支持部材2、3と対向する面に、滑性を有する表面材43が貼り付けられているので、構造物Sの振動時、梁材41、41の間を移動する第1及び第2支持部材2、3を、表面材43を介して滑らかに案内でき、それにより、第1及び第2支持部材2、3からマスダンパ4、5への変位の伝達を適切に行うことができる。
次に、図5及び図6を参照しながら、本発明の第2実施形態による振動抑制装置について説明する。第1実施形態に対する第2実施形態の主な相違は、第1及び第2支持部材2、3の下端部2a、3aが、第1梁BDの第1及び第2部位R1、R2に固定されておらず、一対の第1ケーブル51、51及び第2ケーブル(図示せず)を介して、第1及び第2部位R1、R2に連結されている点である。図5及び図6では、第1実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を付している。以下、第2実施形態について、第1実施形態と異なる点を中心として説明する。
図5及び図6に示すように、一対の第1ケーブル51、51は、第1支持部材2を中心として、互いに前後対称に設けられており、第1支持部材2に沿って延びている。各第1ケーブル51は、鋼線で構成され、その上端部が、第1取付板52を介して第1支持部材2の下部に連結され、下端部が、第2取付板53を介して第1梁BDの第1部位R1に連結されている。また、第1ケーブル51には、所定のプレテンションが付与されている。
上記の第1取付板52は、鋼板で構成され、第1支持部材2の一対のフランジ2b、2b及びウェブ2cに支持されており、その主面が第1支持部材2の軸線と直交するように配置されている。また、第1取付板52の側面は、フランジ2b、2bの側面と面一になっている。さらに、第1取付板52には取付孔52aが形成されている。第1ケーブル51は、この取付孔52aに下方から挿入され、その上端部が取付孔52aの上方に突出しており、この上端部に形成されたねじにナット54が螺合している。ナット54は、上述した第1ケーブル51のプレテンションによって、第1取付板52の上面に接触した状態に保持されている。
また、上記の第2取付板53は、第1取付板52と同様に鋼板で構成され、一対の支持板55、55及び第1梁BDのウェブWに支持されており、その主面が第1支持部材2の軸線と直交するように配置されている。これらの支持板55、55はそれぞれ、鋼板で構成され、第1支持部材2のフランジ2b、2bの延長線上に延びるとともに、第1梁BDの上下のフランジF、F及びウェブWに支持されている。また、第2取付板53及び支持板55、55は、第1梁BDのフランジF、F及びウェブWで画成された空間に収容されている。
さらに、第1支持部材2の下端部2a、第1梁BDの上側のフランジF、及び第2取付板53にはそれぞれ、第1支持部材2の長さ方向に貫通する案内孔2d、案内孔AP、及び取付孔53aが形成されている。これらの案内孔2d、案内孔AP及び取付孔53aは、前述した第1取付板52の取付孔52aと同一直線上に配置されており、第1梁BDの案内孔APの中心は、その第1部位R1の中心と一致している。なお、図5には、第1支持部材2の前側の案内孔2dと、それに対応する案内孔AP及び取付孔53aが示されているが、後ろ側にも、同様の図示しない案内孔2d、案内孔AP及び取付孔53aが設けられていることは、もちろんである。
第1ケーブル51は、第1支持部材2の案内孔2d、第1梁BDの案内孔AP及び第2取付板53の取付孔53aに、上方から挿入され、その下端部が取付孔53aの下方に突出しており、この他端部に形成されたねじにナット56が螺合している。ナット56は、前述した第1ケーブル51のプレテンションによって、第2取付板53の下面に接触した状態に保持されている。
第1支持部材2の下端部2aは、第1梁BDの第1部位R1に固定されずに当接しており、プレテンションが付与された第1ケーブル51によって、第1部位R1に当接した状態に保持されている。以上により、第1支持部材2の下端部2aは、一対の第1ケーブル51、51を介して、第1部位R1に連結されている。
また、第1ケーブル51は、その途中で、第1ピン57に巻き掛けられている。第1ピン57は、第1支持部材2のウェブ2cに設けられ、その前後両側に突出しており、第1取付板52と第1支持部材2の下端部2aとの間に配置されている。
図示しないが、一対の第2ケーブルは、第1ケーブル51と同様、鋼線で構成されており、第2支持部材3を中心として、互いに前後対称に設けられている。また、各第2ケーブルは、その上端部及び下端部が、第2支持部材3及び第1梁BDにそれぞれ連結されるとともに、その途中で、第2支持部材3に設けられた第2ピン(図示せず)に、巻き掛けられている。第2ケーブルを連結するための構成は、第1ケーブル51のそれと同様であるので、その詳細な説明については省略する。
また、第2支持部材3の下端部3aは、第1梁BDの第2部位R2に固定されずに当接しており、プレテンションが付与された第2ケーブルによって、第2部位R2に当接した状態に保持されている。以上により、第2支持部材3の下端部3aは、一対の第2ケーブルを介して、第2部位R2に連結されている。
以上の構成による動作は、本発明の発明者が提案した特願2013−34655号に詳しく記載されているので、以下、その要点を説明する。すなわち、第1及び第2支持部材2、3並びに第1ケーブル51及び第2ケーブルの全体の剛性(ばね定数)は、第1及び第2マスダンパ4、5の反力Pに対し、図10に示すようなバイリニアな特性を有する。
したがって、第1及び第2支持部材2、3の変位ΔBの増大に伴って第1及び第2マスダンパ4、5の反力Pが過大にならないうちに、第1及び第2支持部材2、3などの剛性としてより小さな剛性を得ることができる。それにより、第1及び第2マスダンパ4、5などから成る付加振動系の固有振動数を構造物Sの一次固有振動数と異ならせることができるので、第1及び第2マスダンパ4、5の反力Pを抑制でき、ひいては、構造物S、第1及び第2支持部材2、3や第1及び第2マスダンパ4、5に過大な応力が発生するのを防止することができる。
また、第1ケーブル51及び第2ケーブルが、その途中において、第1及び第2支持部材2、3に設けられた第1ピン57及び第2ピンに、それぞれ巻き掛けられている。これにより、第1ケーブル51及び第2ケーブルの長さを大きくすることによって、第1支持部材2の軸力Nが第1ケーブル51のプレテンション以上である場合の第1ケーブル51、第1及び第2支持部材2、3の全体のばね定数(k2)と、第2支持部材の軸力Nが第2ケーブルのプレテンション以上である場合の第2ケーブル、第1及び第2支持部材2、3の全体のばね定数(k4)を、より小さくすることができる。
したがって、構造物Sなどにおける過大な応力の発生を防止できるという上述した効果を、確実に得ることができる。また、第1ケーブル51及び第2ケーブルを第1ピン57及び第2ピンにそれぞれ巻き掛けるので、両ケーブルをコンパクトに配置することができる。
さらに、第1ケーブル51の上部、第1取付板52、ナット54及び第1ピン57が、第1支持部材2のフランジ2b、2bとウェブ2cによって形成された空間に設けられており、第1ケーブル51の下部、第2取付板53、支持板55、55及びナット56が、第1梁BDのフランジF、FとウェブWで形成された空間に設けられているので、第1ケーブル51などの各部品が第1支持部材2及び第1梁BDからはみ出ることなく、装置全体をコンパクト化することができる。この効果は、第2ケーブルなどの各部品についても、同様に得ることができる。
次に、図7及び図8を参照しながら、第2実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第1ケーブル51及び第2ケーブルを巻き掛けるための第1ピン57及び第2ピンが省略されている。また、ナット54と第1取付板52の間、すなわち、第1ケーブル51と第1支持部材2との連結部分に、第1皿ばね61が設けられている。第1皿ばね61は、8つのばね座金61aを交互に異なる向きで重ねた、いわゆる直列8段タイプのものである。図示すしないが、以上の構成は、第2ケーブルについても同様であり、第2ケーブルと第2支持部材3との連結部分に、第1皿ばね61と同様の第2皿ばねが設けられている。
以上のように、この変形例によれば、第1皿ばね61が、第1ケーブル51と第1支持部材2との連結部分に設けられているので、第1支持部材2の下端部2aは、第1ケーブル51のプレテンションと第1皿ばね61の反力によって、第1梁BDの第1部位に当接した状態に保持されている。同様に、第2支持部材3の下端部3aは、第2ケーブルのプレテンションと第2皿ばねの反力によって、第1梁BDの第2部位に当接した状態に保持されている。
以上の構成により、前記特願2013−34655号に記載されるように、第1皿ばね61の剛性(ばね定数)を適切に設定することによって、第1支持部材2の軸力Nが第1ケーブル51のプレテンション(第1皿ばね61の反力)以上である場合の、第1ケーブル51、第1皿ばね61、第1及び第2支持部材2、3の全体のばね定数をより小さくすることができるとともに、第2支持部材3の軸力Nが第2ケーブルのプレテンション(第2皿ばねの反力)以上である場合の、第2ケーブル、第2皿ばね、第1及び第2支持部材2、3の全体のばね定数をより小さくすることができる。したがって、第2実施形態と同様、構造物S、第1及び第2支持部材2、3、並びに第1及び第2マスダンパ4、5に過大な応力が発生するのを防止できるという効果を、確実に得ることができる。
なお、本発明は、説明した実施形態及び変形例に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、ブレース構造15として、間柱16、第1ブレース17及び第2ブレース18が設けられているが、このうち第2ブレース18を省略してもよく、あるいは、第1及び第2ブレース17、18を一体に形成された単一の部材で構成してもよい。
また、第1梁BDの第1部位R1を、第1柱PLから第2柱PR側に向かって、柱間距離Lのほぼ1/4の位置に設定しているが、第1梁BDの第1柱PLとの接合部と第1梁BDの長さ方向の中心との間の他の適当な位置に設定してもよい。このことは、第1梁BDの第2部位R2についても同様である。この場合、第1柱PLと第1部位R1の間の距離と、第2柱PRと第2部位R2の間の距離を、互いに同じに設定してもよく、あるいは、異なるように設定してもよい。
さらに、実施形態では、せん断パネルダンパ71を第1梁BD及び第3梁BLの両方に設けているが、いずれか一方に設けてもよい。また、せん断パネルダンパ71を、第1及び第3梁BD、BLの長さ方向の中心位置にそれぞれ配置しているが、第1梁BDでは、第1部位R1と第2部位R2の間の任意の位置に、第3梁BLでは、2つの間柱16、16との連結部の間の任意の位置に、それぞれ配置してもよい。
また、実施形態では、第1及び第2支持部材2、3の下端部2a、3aを下側の第1梁BDに連結するとともに、第1及び第2マスダンパ4、5を上側の第2梁BUに連結しているが、これとは上下逆に、すなわち、第1及び第2支持部材を全体としてV字状に形成し、それらの上端部を上側の梁に連結するとともに、第1及び第2マスダンパを下側の梁に連結してもよい。さらに、実施形態では、第1及び第2支持部材2、3を、その上端部を中心として、互いに対称に設けているが、非対称に設けてもよい。
さらに、実施形態では、第1及び第2マスダンパ4、5を、第1及び第2支持部材2、3の上端部を中心として互いに対称に配置しているが、第1及び第2支持部材2、3の上端部の左方又は右方に、前後方向に互いに重なるように配置してもよい。さらに、実施形態では、本発明におけるマスダンパとして、第1及び第2マスダンパ4、5から成る2つのマスダンパを用いているが、マスダンパの数は、1つでも、3つ以上でもよい。また、実施形態では、第1及び第2マスダンパ4、5に、粘性体30が設けられているが、この粘性体30を省略してもよい。
また、実施形態では、本発明における中間梁の数が、第1及び第2中間梁BM1、BM2の2つであるが、1つでも、3つ以上でもよい。あるいは、中間梁を省略すること、すなわち、構造物の隣り合う2つの梁を第1梁及び第2梁とし、第1梁に隣り合う、第2梁と反対側の梁を第3梁として、本発明を適用することも可能である。
さらに、実施形態では、表面材43を、一対の梁材41、41の第1及び第2支持部材2、3と対向する面に貼り付けているが、これに代えて、又はこれとともに、第1及び第2支持部材2、3の一対の梁材41、41と対向する面に貼り付けてもよい。また、実施形態では、第1中間梁BM1を、一対の梁材41、41と一対の連結板42、42で構成しているが、第1中間梁BM1の左右の端部を、単一のH型鋼や角型鋼管で構成するとともに、残りの部分を、一対の梁材41、41と一対の連結板42、42で構成してもよい。この場合にも、各連結板42は、第1及び第2支持部材2、3と干渉しない位置に配置される。以上の第1中間梁BM1に関するバリエーションは、第2中間梁BM2についても、同様に当てはまる。
また、実施形態は、左右一対の第1柱及び第2柱PL、PRに対して、本発明による振動抑制装置を適用した例であるが、本発明はこれに限らず、前後一対の柱に対しても適用可能である。また、これまでに述べたバリエーションを適宜、組み合わせてもよいことは、もちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。