JP6537379B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、振り子式のチューンド・マス・ダンパ（ＴＭＤ）を利用した制振装置に関するものである。

近年、長周期・長時間地震動に対する超高層建物の振動制御技術として、これまで強風等に起因する建物の微小振動に対する制振技術として用いられてきた風揺用ＴＭＤ（チューンド・マス・ダンパー）を大型化・大ストローク化して、地震の大振幅の揺れの制御にまで適用範囲を広げた各種の地震用ＴＭＤが開発されている（例えば、特許文献１）。

上記地震用ＴＭＤによれば、設置場所が建物の屋上あるいは最上層階になるために、建物の計画自由度を高めることが可能になるとともに、既存の超高層建物を制振補強する際にも、当該建物を使用したままで工事を行うことができるという利点がある。

特開２０１１−２７１３６号公報

ところで、従来の地震用ＴＭＤは、図７に示すように、大きな錘５０をワイヤーや鋼棒５１で懸垂した振り子型の装置が一般的である。
上記構成からなる振り子式の地震用ＴＭＤによれば、錘５０の吊り長さを調整してＴＭＤの周期を建物５２の水平方向の固有周期に同調させることにより、ＴＭＤを共振させて建物の振動エネルギーを効率的にＴＭＤに集め、当該ＴＭＤに設置したオイルダンパーなどのエネルギー吸収装置５３で吸収して上記建物５２の揺れを抑制することができる。

この際に、上記地震用ＴＭＤにおいては、上下地震動によって、錘５０が上下方向に振動して浮き上がりを生じ、これによりＴＭＤの性能劣化や破損が生じるおそれがある。
そこで、上記錘５０の上下方向の振動を抑制するために、建物５２とＴＭＤの錘５０とを上下方向にオイルダンパー５４で接続することにより、上記錘５０の上下方向の振動を低減させている。

しかしながら、上記地震用ＴＭＤにあっては、錘５０が揺動する際に、図８に示すように、錘５０が原点から離れるに連れて、上下方向のオイルダンパー５４が鉛直方向に対して角度θ傾斜し、この結果オイルダンパー５４の減衰力Fの上下方向の成分F_vが、F_v＝Fcos²θに低下してしまうという問題点もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、振り子式のＴＭＤにおける錘の浮き上がりを効果的に抑制することができる制振装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係る制振装置は、ＴＭＤの錘に、一端部が上記錘に連結され、他端部が構造物に連結されて上記錘の揺動により上下方向に変形するとともに、上記変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなるダンパーが設けられており、上記ＴＭＤは振り子式であり、かつ上記錘の底部に内壁が円錐面状の凹部が形成されるとともに、当該凹部の頂部に上記ダンパーの端部が連結されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記ダンパーがオイルダンパーであり、かつ作動流体が充填されたシリンダー内のピストンの前後を連通させるバイパス管に、上記錘との間の変形が大きくなるに従って上記バイパス管の流路を狭めるシャットオフ弁が設けられていることを特徴とするものである。

請求項１〜２のいずれかに記載の制振装置においては、地震時に、ＴＭＤの錘が水平方向に移動して原点位置（鉛直位置）から離れるに連れて、上記ダンパーが次第に水平方向に傾斜することにより減衰力における上下方向の成分が小さくなるものの、上記ダンパーの変形も大きくなって減衰係数が次第に大きくなるために、上記減衰力における上下方向の分力を増大させて相殺することができる。

この結果、上記制振装置によれば、大地震時にＴＭＤの錘の水平方向の変位が大きくなっても、当該錘の浮き上がりを効果的に抑制することができる。

また、請求項１〜２のいずれかに記載の発明においては、地震時に上記錘が水平方向に揺動した際に、ダンパーの傾斜角度が錘の底部にピン結合した場合と比較して小さくなるために、ダンパーにおける減衰力の上下方向の成分を大きくすることができ、よって変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなることと相まって、錘の浮き上がりを一層効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態を説明するための概略図である。 （ａ）は上記一実施形態におけるオイルダンパーの錘の変形と減衰係数比αとの関係を示すグラフ、（ｂ）は上記一実施形態における錘の水平変形と減衰係数比α_ｖ、α_ｈの関係を示すグラフである。 （ａ）は図２の錘の原点位置の近傍において水平変形した状態を示す縦断面図、（ｂ）はその際の錘の変形と減衰係数比αとの関係を示すグラフである。 （ａ）は図３の錘の位置からさらに水平変形した状態を示す縦断面図、（ｂ）はその際の錘の変形と減衰係数比αとの関係を示すグラフである。 （ａ）は図４の錘の位置からさらに水平変形した状態を示す縦断面図、（ｂ）はその際の錘の変形と減衰係数比αとの関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態を示す概略図である。 従来の振り子式のＴＭＤの概略構成を示す正面図である。 図７のＴＭＤの錘が水平方向に揺動する状態を示す模式図である。

図１〜図５は、本発明に係る制振装置の一実施形態を示すもので、図７に示したものと共通する部分については、以下同一符号を用いてその図示および説明を省略する。
図１に示すように、この制振装置１は、図７に示したものと同様に錘１がワイヤーや鋼棒２で懸垂された振り子式ＴＭＤを有しており、従来のＴＭＤと相違する点は、錘１に上下方向の振動を抑制するオイルダンパー３が設けられていることにある。

このオイルダンパー３は、一端部４が錘１の下面にピン結合されるとともに、他端部５が上述した建物５２にピン結合されることにより、錘１の揺動に対応して上記他端部５を支点に傾倒しつつ伸縮変形するようになっている。

そして、このオイルダンパー３は、上記伸縮による変形が大きくなるに従って、減衰係数が大きくなるように、好ましくは平常時（錘１の水平変形が無い時）のオイルダンパー３の減衰係数をC₀とすると、図１において、地震時に錘１が揺動してオイルダンパー３の鉛直線に対する傾斜角度がθであるときに、その減衰係数Cが（C₀／cos^２θ）になるように設定されている。

すなわち、図１において、錘１の吊り長さをL₁、オイルダンパー３の設置時の長さをL₂、錘１の水平方向の変形をδ_hとすると、
錘の鉛直方向の変形 ：δ_v＝L₁−（L₁ ²−δ_h ²）^1/2
オイルダンパーの変形 ：δ_oil＝｛δ_h ²+（L₂+δ_v）²｝^1/2−L₂
オイルダンパーの角度 ：cosθ＝（L₂+δ_v）／｛δ_h ²+（L₂+δ_v）²｝^1/2
オイルダンパーの減衰係数 ：C＝α・C₀＝C₀／cos²θ
オイルダンパーの鉛直方向の減衰係数：C_v＝α_v・C₀＝C₀・cos²θ＝C₀ （一定）
オイルダンパーの水平方向の減衰係数：C_h＝α_h・C₀＝C・sin²θ＝C₀・tan²θ

図２（ａ）は、錘１の吊り長さをL₁およびオイルダンパー３の設置時の長さをL₂について、L₁＝４ｍ、L₂＝１ｍの場合およびL₁＝６ｍ、L₂＝１ｍの場合におけるオイルダンパーの変形δ_oilと減衰係数比αとの関係を示すものである。同図から、オイルダンパー３の変形が大きくなるにつれて、オイルダンパー３の減衰係数Cが大きくなっている。

また、図２（ｂ）は、L₁＝４ｍ、L₂＝１ｍの場合の錘１の水平方向の変形δ_hと、オイルダンパー３の鉛直方向の減衰係数C_vを減衰係数C₀で除した減衰係数比α_vおよび水平方向の減衰係数C_hを減衰係数C₀で除した減衰係数比α_hの関係を示すものである。

図２（ｂ）に見られるように、鉛直方向の減衰係数比α_vは、錘１の水平方向の変形によらず１．０であるのに対して、水平方向の減衰係数C_hは、錘１の水平方向の変形が大きくなるに従って、その値が大きくなっている。

図３〜図５は、このような変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなるオイルダンパー３の具体的な構成を示すものである。
これらの図において、上記オイルダンパー３は、オイル（作動流体）が充填されたシリンダー１０内にピストン１１が移動自在に設けられ、ピストン１１に一体化されたロッド１２が建物５２側に連結されるとともに、シリンダー１０がＴＭＤの錘１に連結されるものである。

ここで、シリンダー１０には、ピストン１１の前後のシリンダー１０内を連通させるバイパス管１３が設けられ、このバイパス管１３には、シャットオフ弁１４が介装されている。このシャットオフ弁１４は、上部にバイパス管１３を連通させる小径部１４ａが形成されるとともに、他の部分にバイパス管１３の内径と略等しい大径部１４ｂが形成されている。

そして、このシャットオフ弁１４は、シリンダー１０の外面との間に介装されたスプリング１５によって、平常時に小径部１３ａがバイパス管１３内に位置するように付勢されている。他方、ピストン１１のロッド１２には、上記シャットオフ弁１４を開閉制御するためのアーム１６が一体に形成されている。

このアーム１６は、シリンダー１０の軸線と平行に形成されており、このアーム１６のシリンダー１０と対向する表面１６ａに、シャットオフ弁１４の先端部が当接する変位検出溝１７が形成されている。この変位検出溝１７は、上記軸線方向の中央部１７ａが最も深さ寸法が大きく、かつ上記中央部１７ａから上記軸線方向の前方側および後方側に向けて、漸次深さ寸法が小さくなる傾斜面１７ｂによって形成されている。

そして、この変位検出溝１７は、平常時にシャットオフ弁１４の先端部が中央部１７ａに当接する位置に形成されている。

上記オイルダンパー３においては、図３に示すように、平常時や風等による僅かな揺れが生じている場合には、錘１の揺れが僅かであるためにシリンダー１０に対するピストン１１の動きが小さい。この結果、シャットオフ弁１４が変位検出溝１７の中央部１７ａに位置して小径部１４ａがバイパス管１３に配置されているために、ピストン１１が小さく往復動した際に、シリンダー１０内のオイルがピストン１１に形成された孔部およびバイパス管１３を流れることにより、小さな減衰力が発生する。

そして、図４に示すように、地震時に錘１が揺動してオイルダンパー３に中程度の変形が生じると、シリンダー１０とアーム１６との相対変位によってシャットオフ弁１４が変位検出溝１７の傾斜面１７ｂ上まで移動する。すると、バイパス管１３の一部がシャットオフ弁１４の大径部１４ｂによって塞がれてオイルの流量が減少するために、図３に示した状態よりも大きな減衰力が発生する。

そして、図５に示すように、さらに錘１が大きく揺動すると、シリンダー１０とアーム１６との間に生じる大きな相対変位によってシャットオフ弁１４がアーム１６の表面１６ａに乗り上げ、この結果バイパス管１３がシャットオフ弁１４の大径部１４ｂによって完全に塞がれることにより、図４に示した状態よりも一段と大きな減衰力が発生する。

以上説明したように、上記構成からなる制振装置によれば、地震時に、ＴＭＤの錘１の揺動が大きくなってオイルダンパー３の変形が大きくなると、当該オイルダンパー３の減衰係数が次第に大きくなるために、上記錘１が原点位置（鉛直位置）から離れるにしたがって水平方向に傾斜することによるオイルダンパー３の減衰力の鉛直成分の減少を相殺することができる。

この結果、上記制振装置によれば、大地震時に振り子式のＴＭＤの錘１の揺動が大きくなっても、当該錘１の浮き上がりを効果的に抑制することができる。

また、図６は、本発明の他の実施形態を示すもので、図１に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してある。
この制振装置においては、錘１の底部に内壁が円錐面状の凹部２０が形成されている。そして、この凹部２０の頂部に、オイルダンパー３の上記一端部４がピン結合されている。

上記構成を有する制振装置によれば、図１〜図５に示したものと同様の作用効果を得ることができることに加えて、錘１の底部に円錐面状の凹部２０を形成し、この凹部２０の頂部にオイルダンパー３の一端部４をピン結合しているために、地震時に錘１が水平方向にδ_ｈ揺動した際に、オイルダンパー３の傾斜角度θ_１を錘１の底部にピン結合した場合の傾斜角度θよりも小さくすることができる。

この結果、オイルダンパー３を錘１の底部にピン結合した場合と比較して、オイルダンパー３における減衰力の上下方向の成分を大きくすることができ、よって変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなることと相まって、錘１の浮き上がりを一層効果的に抑制することができる。

なお、上記実施形態においては、ＴＭＤとして振り子式にものを用いた場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、直動式（リニアスライダー）式のＴＭＤや積層ゴムの上に錘を載置した積層ゴム形式のＴＭＤにおいても、錘が上下方向に拘束されていない場合には、地震時に水平方向に移動するとともに、上下方向の固有振動数に共振して浮き上がる可能性がある。このため、これら直動式や積層ゴム形式のＴＭＤに適用した場合にも、同様の作用効果を得ることができる。

１ 錘
２ ワイヤーまたは鋼棒
３ オイルダンパー（ダンパー）
４ 一端部
５ 他端部
２０ 凹部

Claims (2)

1. ＴＭＤの錘に、一端部が上記錘に連結され、他端部が構造物に連結されて上記錘の揺動により上下方向に変形するとともに、上記変形が大きくなるに従って減衰係数が大きくなるダンパーが設けられており、
   上記ＴＭＤは振り子式であり、かつ上記錘の底部に内壁が円錐面状の凹部が形成されるとともに、当該凹部の頂部に上記ダンパーの端部が連結されていることを特徴とする制振装置。
2. 上記ダンパーはオイルダンパーであり、かつ作動流体が充填されたシリンダー内のピストンの前後を連通させるバイパス管に、上記錘との間の変形が大きくなるに従って上記バイパス管の流路を狭めるシャットオフ弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の制振装置。

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