JP6761699B2 - 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）を用い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、振り子式の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、風による揺れから地震における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。

上記地震用ＴＭＤによれば、制御対象となる建物の周期に同調させて、当該建物の揺れに対して錘部材を揺動させることにより、上記建物の揺れを抑制することができる。また、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。

ところが、上記ＴＭＤにおける振り子の周期は、吊り長さと重力の関係によって定まるために、上記従来の振り子式のＴＭＤにおいては、水平面上の如何なる方向に対しても同一の周期を有している。この結果、水平２方向で異なる固有周期を有する建物に設置した場合に、上記ＴＭＤを上記建物の水平１方向に同調させて制御すると、これと直交する方向の建物の固有周期とは差が生じるために、当該方向に対しては制御性能を期待することができなくなるという問題点があった。

そこで、例えば下記特許文献１においては、ウエイト（錘部材）の上部に水平Ｘ方向に所定長さの溝を形成した金物と、Ｙ方向に上記溝とは異なる長さの溝を形成した金物とを上下方向に間隔をおいて固定し、これら金物の溝に吊り材を挿通させた振り子式のＴＭＤを用いた制振装置が提案されている。

上記構成からなる制振装置によれば、ウエイトの揺動によって吊り材が金物の溝部内を移動してその端部に至ると、それ以降はＸ方向とＹ方向とでは吊り材の長さ寸法が異なることになるために、Ｘ−Ｙ方向別々の周期とすることができる。

特許第２７１３５９９号公報

しかしながら、上記従来の制振装置においては、支点の位置をかえずにＸ方向とＹ方向の吊り長さを変える手段として、Ｘ方向およびＹ方向の金物をウエイト上に高さ方向を変えて固定しているために、吊り材の長さ寸法に大きな差を設けることが難しく、同調させる範囲に制限があるという問題点がある。

また、Ｘ−Ｙ方向で固有周期が大きく異なる建物に対応するために、Ｘ方向およびＹ方向のいずれか一方の溝の長さ寸法を大きく設定すると、風等の小振幅の揺れに対しては吊り材が溝内を移動するために、吊り材の上端部からウエイトまでの長さが揺動半径となり、地震時の大振幅の揺れに対しては、吊り材の上端部から金物までの長さが揺動半径になるために、小振幅の揺れから大振幅の揺れに至るまで制振効果を発揮させることが難しいという問題点もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造によって確実に建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別に同調させることができる振り子式ＴＭＤを用いた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に記載の制振装置は、上部がフレームに固定された吊り材と、この吊り材の下部に水平Ｘ−Ｙ方向に揺動自在に吊設された錘部材とを備え、上記錘部材は、上記Ｘ方向に上記吊り材の第１の点を支点として揺動自在に設けられ、かつ上記Ｙ方向に上記吊り材の上記第１の点よりも高さが低い第２の点を支点として揺動自在に設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項１に記載の発明は、上記フレームと上記錘部材との間に、下部外周縁が上記Ｘ方向に上記第１の点を中心とする円弧状に形成された一対の拘束材が、上記吊り材を間に挟んで上記Ｙ方向に対向配置され、上記吊り材は、上記拘束材の上記外周縁よりも上方部分が当該拘束材によって上記Ｙ方向への移動が阻止されることにより、上記錘部材は、上記第１の点を支点として上記拘束材間を上記Ｘ方向に揺動自在に設けられ、かつ上記吊り材と上記拘束材の外周縁との接点を上記第２の点として上記Ｙ方向に揺動自在に設けられていることを特徴とするものである。

さらに、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、上記拘束材は、円弧状のレールであり、かつ上記吊り材は、上記レールとの間で転動する転動機構または上記レールとの間に介装された摺動材を介して上記Ｘ方向に移動自在に設けられていることを特徴とするものである。

また、第４の発明は、請求項１に記載の発明において、上記吊り材は、上端部が上記フレームに上記Ｙ方向に間隔をおいて固定されるとともに下端部同士が連結された一対の斜材と、これら斜材の連結部から垂下されるとともに下端部に上記錘部材が固定された鉛直材とによってＹ字状に形成され、上記錘部材は、上記斜材の上記フレームとの連結部を上記第１の点として上記Ｘ方向に揺動自在に設けられ、かつ上記斜材の上記連結部を上記第２の点として上記Ｙ方向に揺動自在に設けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、ＴＭＤの錘部材が、Ｘ方向には吊り材の第１の点から当該錘部材までの吊り長さで振動し、Ｙ方向には吊り材の上記第１の点よりも高さが低い第２の点から当該錘部材までの吊り長さで振動するために、吊り材の長さ寸法や第１および第２の点の高さを調整することによって、建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別にＴＭＤの周期調整を行うことができる。

すなわち、請求項１に記載の発明においては、図１および図２に示すように、フレームに連結された吊り材３の上端部（第１の点）Ｐ_１と錘部材１との間に、下部外周縁が上記Ｘ方向に向けて第１の点Ｐ_１を中心とする円弧状に形成された一対の拘束材２を、吊り材３を間に挟んでＹ方向に対向配置しているために、錘部材１は、拘束材２によって拘束されないＸ方向には吊り長さＬ１で振動する。そして、これと直交するＹ方向においては、吊り材３が拘束材２の下部外周縁（第２の点）Ｐ_２に接触することにより、上記吊り長さＬ１から拘束材２の半径ｒを除いた吊り長さＬ２で振動する。

この結果、吊り材３の長さ寸法や拘束材２の半径ｒ等を調整することによって、建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別にＴＭＤの周期調整を行うことができる。なお、上記拘束材２としては、吊り材３と接触する外周縁が円弧状であれば良いために、例えば請求項２に記載の発明のように、円弧状のレールを用いることができる。

また、第４の発明においては、図３および図４に示すように、吊り材４を斜材４ａと鉛直材４ｂとによってＹ字状に形成しているために、錘部材１は、Ｘ方向には斜材４ａの上端（第１の点）Ｐ_１から錘部材１までの吊り長さＬ１で振動し、Ｙ方向には斜材４ａと鉛直線とのなす角度θ_１の振れ角の範囲内においては、斜材４ａと鉛直材４ｂとの連結部（第２の点）Ｐ_２から錘部材１までの吊り長さＬ２で振動する。

したがって、吊り材４の高さ寸法Ｌ１および斜材４ａと鉛直材４ｂとの連結部の位置Ｐ_２を調整することにより、同様に建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別にＴＭＤの周期調整を行うことができる。

本発明の第１の実施形態の原理図である。 図１のＸ方向およびＹ方向への振動形態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態の原理図である。 図２のＸ方向およびＹ方向への振動形態を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態を示す正面図である。 図５のＡ−Ａ線視図である。 図５のＢ部拡大図である。 図５の変形例を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態を示す正面図である。 図９の側面図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフである。

（第１の実施形態）
図５〜図７は、本発明に係る制振装置の第１の実施形態を示すもので、図中符号１０が建物の屋上に構築された柱１０ａと梁１０ｂとからなるフレームである。
そして、４本の吊り材１１の上端部が梁１０ｂに固定されるとともに、下端部が錘部材１２の上面の４角隅部に連結されることにより、フレーム１０に錘部材１２が水平Ｘ−Ｙ方向に揺動自在に設けられている。

ここで、梁１０ｂと錘部材１２との間には、一対の拘束梁１３が吊り材１１を間に挟んでＹ方向に対向配置され、サポート材１４によってフレーム１０の支柱１０ａに固定されている。そして、拘束梁１３の対向面には、それぞれ円弧状のレール（拘束材）１５がＸ方向に延在するように対向配置されている。ここで、レール１５は、吊り材１１の上端部と梁１０ｂとの連結部（第１の点）１６を中心とする円弧状に形成されている。

そして、吊り材１１に取り付けられたローラー１７が上記一対のレール１５に転動自在に係合されることにより、吊り材１１（錘１２）は、連結部１６を支点としてＸ方向に揺動自在に設けられている。また、Ｙ方向には、拘束梁１３に固定されたレール１５によって移動が拘束されることにより、ローラー１７（第２の点）を支点として揺動自在に設けられている。

上記構成からなる制振装置によれば、フレーム１０の梁１０ｂと錘部材１２との間に、吊り材１１の梁１０ｂとの連結部１６を中心とする円弧状に形成されてＸ方向に延在する一対のレール１５を、吊り材１１を間に挟んでＹ方向に対向配置しているために、錘部材１２は、レール１５および拘束材１３によって拘束されないＸ方向には連結点１６を支点として振動する。

これに対して、直交するＹ方向においては、吊り材１１がレール１５に接触することにより、連結部１６からローラー１７までの長さを除いたローラー１７を支点として振動する。

この結果、吊り材１１の長さ寸法や拘束梁１３（レール１５）の高さ位置等を調整することによって、建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別にＴＭＤの周期調整を行うことができる。

なお、上記実施形態においては、拘束材１３に固定したレール１５に、吊り材１１に取り付けたローラー（転動機構）１７を係合させることにより、転動するローラー１７によって摩擦を低減して吊り材１１をＸ方向に移動自在に設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば図８に示すように、レール１５に摩擦係数の低い摺動材１８と設けたり、あるいはレール１５を設けることなく拘束材１３自体の対向面に上記摺動材１８を設けたりして、吊り材１１との接触部分の摩擦を低減することもできる。

（第２の実施形態）
図９および図１０は、本発明の第２の実施形態を示すもので、第１の実施形態と共通する構成部分には、同一符号を付してある。
この制振装置においては、４本の吊り材２０が、それぞれ一対の斜材２１と鉛直材２２とによってＹ字状に形成されている。

ここで、一対の斜材２１は、上端部２３（第１の点）がフレーム１０の梁１０ｂにＹ方向に所定の間隔をおいて固定されるとともに、下端部同士が連結されている。そして、これら斜材２１の連結部２４（第２の点）から鉛直材２２が垂下されるとともに下端部に錘部材１２が連結されている。

これにより、錘部材１２は、フレーム１０との連結部となる斜材２１の上端部２３を支点としてＸ方向に揺動自在に設けられ、かつ斜材２１の下端部と鉛直材２２との連結部２４を支点としてＹ方向に揺動自在に設けられている。

上記構成からなる制振装置においては、吊り材２０を斜材２１と鉛直材２２とによってＹ字状に形成しているために、錘部材１２は、Ｘ方向には斜材２１の上端部２３から錘部材１２までの吊り長さで振動し、Ｙ方向には斜材２１と鉛直線とのなす角度θ_２の振れ角の範囲内においては、斜材２１と鉛直材２２との連結部２４から錘部材１２までの吊り長さ、すなわち鉛直材２２の長さ寸法で振動する。

したがって、吊り材２０の高さ寸法および斜材２１と鉛直材２２との連結部２４の位置を調整することにより、同様に建物の水平Ｘ−Ｙ方向の異なる周期に対して個別にＴＭＤの周期調整を行うことができる。

なお、上記斜材２１を、鉛直材２２が上記角度θ_２の振れ角を超えた場合においても座屈しない剛性を有する材料で構成したり、あるいはトラス材等で構成して回転可能な軸受けを介して鉛直材２２に連結したりすれば、周期を変化させることなく角度θ_２の振れ角を超えてＹ方向に揺動させることが可能になる。

Ｘ方向の周期が５．２秒であり、Ｙ方向の周期が３．９秒である建物を、正弦波で加振した時に建物の応答軌跡を解析した。
図１１は、この解析結果を示すもので、従来の振り子式ＴＭＤにおいては、Ｘ方向の周期５．２秒に同調させているために、Ｙ方向には殆ど効果が見られないのに対して、錘部材の周期をＸ−Ｙ２方向に同調させた本発明においては、Ｘ方向およびＹ方向共に、応答を低減し得ることが判る。

１、１２ 錘部材
２ 拘束材
３、４、１１、２０ 吊り材
４ａ、２１ 斜材
４ｂ、２２ 鉛直材
１０ フレーム
１５ レール（拘束材）
１６ 連結部（第１の点）
１７ ローラー（転動機構、第２の点）
１８ 摺動材
２３ 上端部（第１の点）
２４ 連結部（第２の点）

Claims (2)

1. 上部がフレームに固定された吊り材と、この吊り材の下部に水平Ｘ−Ｙ方向に揺動自在に吊設された錘部材とを備え、上記錘部材は、上記Ｘ方向に上記吊り材の第１の点を支点として揺動自在に設けられ、かつ上記Ｙ方向に上記吊り材の上記第１の点よりも高さが低い第２の点を支点として揺動自在に設けられており、
   上記フレームと上記錘部材との間に、下部外周縁が上記Ｘ方向に上記第１の点を中心とする円弧状に形成された一対の拘束材が、上記吊り材を間に挟んで上記Ｙ方向に対向配置され、上記吊り材は、上記拘束材の上記外周縁よりも上方部分が当該拘束材によって上記Ｙ方向への移動が阻止されることにより、上記錘部材は、上記第１の点を支点として上記拘束材間を上記Ｘ方向に揺動自在に設けられ、かつ上記吊り材と上記拘束材の外周縁との接点を上記第２の点として上記Ｙ方向に揺動自在に設けられていることを特徴とする制振装置。
2. 上記拘束材は、円弧状のレールであり、かつ上記吊り材は、上記レールとの間で転動する転動機構または上記レールとの間に介装された摺動材を介して上記Ｘ方向に移動自在に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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