JP7100943B2

JP7100943B2 - 制振機構

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Publication number: JP7100943B2
Application number: JP2019049230A
Authority: JP
Inventors: 雅裕栗本; 孝史三澤
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2019-03-16
Filing date: 2019-03-16
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2039-03-16
Also published as: JP2020148339A

Description

本発明は、制振対象構造物に発生した振動を抑制する制振機構に関するものである。

例えば高層住宅や橋梁などの建築物（制振対象構造物）においては、地震時や強風時における揺れの周期が長く、地震や強風がおさまった後においてもしばらくの間は揺れが続いてしまう。

そこで、近年、建築物において、揺れ幅が最も大きくなる最上層部に、同調質量ダンパ（チューンドマスダンパ：ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ、ＴＭＤ）と呼ばれる制振装置を設置することが行われている。この装置は、制振対象の建築物に、ばねなどを介して補助的な質量体（補助質量体）を付加することにより、補助質量体が建築物の振動を肩代わりするように振動することで、建築物の固有振動数周辺での共振現象を抑制するものである。

なお、制振装置に関する文献としては、例えば特開平１０－０８２２０８号公報などが知られている。

特開平１０－０８２２０８号公報

しかしながら、前述した同調質量ダンパを用いた制振装置では、確かに建築物の固有振動数付近での共振現象は抑制されるものの、固有振動数の前後の振動領域（つまり、固有振動数よりも小さな振動領域と大きな振動領域）において共振により応答が増幅して新たな共振現象が発生してしまう。

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、制振対象構造物が有する固有振動数における共振現象を抑制することのできる制振機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明の制振機構は、所定の固有振動数（ｆ）を持つ制振対象構造物と、前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記制振対象構造物の固有振動数（ｆ）の半分の固有振動数（ｆ／２）を有する制振手段と、を備え、前記制振手段を構成する振動体の長手方向が前記制振対象構造物の振動方向と同一となっている、ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明の制振機構は、上記請求項１記載の発明において、前記制振手段は、相互に直交する２方向または３方向に振動可能に設置される、ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明の制振機構は、上記請求項１または２記載の発明において、前記制振対象構造物は建築物であり、前記制振手段は、前記建築物の頂部に設置される、ことを特徴とする。

上記課題を解決するため、請求項４に記載の本発明の制振機構は、所定の固有振動数（ｆ）を持つ制振対象構造物と、前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の固有振動数（ｆ）を当該固有振動数（ｆ）よりも小さな第１の振動数（ｆ_１）と大きな第２の振動数（ｆ_２）とに分散させる振動数分散手段と、前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記第１の振動数（ｆ_１）の半分の固有振動数（ｆ_１／２）を有する第１の制振手段と、前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記第２の振動数（ｆ_２）の半分の固有振動数（ｆ_２／２）を有する第２の制振手段と、を備え、前記第１の制振手段を構成する振動体の長手方向および前記第２の制振手段を構成する振動体の長手方向が前記制振対象構造物の振動方向と同一となっている、ことを特徴とする。

請求項５に記載の本発明の制振機構は、上記請求項４記載の発明において、前記第１の制振手段および前記第２の制振手段は、相互に直交する２方向または３方向に振動可能にそれぞれ設置される、ことを特徴とする。

請求項６に記載の本発明の制振機構は、上記請求項４または５記載の発明において、前記制振対象構造物は建築物であり、前記第１の制振手段および前記第２の制振手段は、前記建築物の頂部に設置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、制振装置の固有振動数を制振対象構造物が有する固有振動数の１／２にして、制振装置の振動方向を制振対象構造物の振動方向と直交する方向にし、制振手段を構成する振動体の長手方向を制振対象構造物の振動方向と同一とすることにより、制振対象構造物が有する固有振動数における共振現象を抑制することが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る制振機構において用いられる制振装置を示す斜視図である。図１の制振装置の寸法を示す説明図である。本実施の形態において作製した制振対象構造物としての振動模型を寸法とともに示す説明図である。図３の振動模型において振動を加える方向と制振装置の設置方向とを示す説明図である。（ａ）は制振装置を固定した状態で振動模型を振動させて計測した振動模型の頂部の応答加速度波形、（ｂ）は（ａ）のフーリエスペクトルである。図５（ａ）の応答加速度の１周期ごとの最大値とｙ＝ａｅ^－ｈｗｔを重ねた図である。（ａ）は制振装置を自由振動させた状態で振動模型を振動させて計測した振動模型の頂部の応答加速度波形、（ｂ）は（ａ）のフーリエスペクトルである。図７（ａ）の応答変位の１周期ごとの最大値とｙ＝ａｅ^－ｈｗｔを重ねた図である。である。制振装置を固定した場合における振動模型の共振曲線である。制振装置が作動している場合における振動模型の共振曲線である。図１０の要部を拡大した共振曲線である。制振装置を固定した場合での共振点での振動模型の頂部の応答変位を示す図である。制振装置が作動している場合での共振点での振動模型の頂部の応答変位を示す図である。制振装置を固定した場合での振動模型の頂部の応答加速度フーリエスペクトルである。制振装置が作動している場合での振動模型の頂部の応答加速度フーリエスペクトルである。本実施の形態の変形例としての制振装置を示す説明図である。本実施の形態の他の変形例としての制振装置を示す説明図である。同調質量ダンパを固定した状態と作動させた状態における共振曲線である。

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１に示すように、本実施の形態の制振装置（制振手段）Ｄは、板バネ状の振動体Ｄ１の一方が固定端、他方が自由端となった片持ち梁構造となっている。振動体Ｄ１の固定端には、当該振動体Ｄ１を挟み込むとともに制振対象構造物に固定するための固定台Ｄ２が取り付けられている。また、振動体Ｄ１の自由端には錘Ｄ３が取り付けられている。図示するように、板バネ状の振動体Ｄ１は固定台Ｄ２の固定面Ｄ２ａと平行に延びており、且つ、振動体Ｄ１の板面Ｄ１ａが固定面Ｄ２ａに対して垂直になっている。したがって、制振装置Ｄ（詳しくは、制振装置Ｄの振動体Ｄ１）は固定面Ｄ２ａに対して平行な方向ｒ１に振動することになる。

なお、図１において、制振対象構造物は、方向ｒ２へと振動するものであり、よって、本実施の形態の制振装置Ｄの振動方向ｒ１は、制振対象構造物の振動方向ｒ２と直交する方向となっている。また、制振装置Ｄを構成する振動体Ｄ１の長手方向は制振対象構造物の振動方向と同一の方向となっている。

図２に示すように、本発明者が作製した制振装置Ｄでは、振動体Ｄ１は、長さ２８０ｍｍのリン青銅板（ｔ＝１ｍｍ，ｈ＝１０ｍｍ）であり、その先端に取り付けられた錘Ｄ３は、長さ８０ｍｍ、質量０.０７ｋｇである。なお、錘Ｄ３の取り付け位置を微調整することにより、制振装置Ｄの固有振動数が調整可能となっている。

次に、本実施の形態において作製した制振対象構造物としての振動模型Ｓを図３に示す。図示するように、振動模型Ｓは水平方向に振動する振動台Ｖの上に設置されている。この振動模型Ｓは、一辺が１００ｍｍ、厚さ６０ｍｍの４枚の矩形の鋼製の板材Ｓ１が用いられており、これらの板材Ｓ１の四隅にパイプＳ２を取り付けることで、板材Ｓ１の間隔を５４０ｍｍとしている。また、前述した制振装置Ｄは、振動体Ｄ１が水平方向を向けて振動模型Ｓの頂部に設置されており、水平方向に振動するようになっている。

なお、本実施の形態において、振動模型Ｓの質量は４３３.０２４ｋｇであり、前述のように制振装置Ｄの錘Ｄ３の質量は０.０７ｋｇであるから、両者の質量比は１.６１６×１０^－４である。

このような振動模型Ｓに加える振動の方向を図４に示す。図示するように、振動模型Ｓの振動方向ｒ２は、制振装置Ｄの振動方向ｒ１と直交する方向である。

ここで、本発明者が、以上に説明した制振装置Ｄと振動模型Ｓとを作製したのは、次のような理由による。

すなわち、系の係数（パラメータ）が周期的に変化することで起こる振動現象として係数励振が知られている。この係数励振のメカニズムを利用した例としては、遊具のブランコの１人乗りの揺らし方がある。ブランコを漕ぐ動作として、立ち漕ぎの場合は上半身を上下移動させ、座り漕ぎの場合は足を上下させる動作、つまり重心を上下させる動作を行う。すると、誰かが押すことなく、漕ぎ手が重心を上下させるだけでブランコが前後に揺れる。

とするならば、図１に示すような制振装置Ｄを振動模型Ｓに取り付け、振動模型Ｓが揺れた場合に、その揺れた方向と直交する方向に制振装置Ｄが揺れるようにすることで、制振効果が発揮できるとの着想を得たからである。

さて、本実施の形態における振動模型Ｓおよび制振装置Ｄの特性について説明する。

制振装置Ｄを固定した状態（つまり、振動体Ｄ１が振動できない状態）で振動模型Ｓを振動させて計測した振動模型Ｓの頂部の応答加速度波形を図５（ａ）に、そのフーリエスペクトルを図５（ｂ）に示す。図５より、本実施の形態の振動模型Ｓの固有振動数（ｆ）は３.０９３７５Ｈｚである。図６は図５（ａ）の応答加速度の１周期ごとの最大値とｙ＝ａｅ^－ｈｗｔを重ねた図である。同図より、振動模型Ｓの減衰定数はｈ＝０.００２２である。

制振装置Ｄの自由振動による応答変位を図７（ａ）に、そのフーリエスペクトルを図７（ｂ）に示す。図７より、制振装置Ｄの固有振動数は１.５５２５Ｈｚで、おおよそ振動模型Ｓの固有振動数（ｆ）の半分つまりｆ／２（１.５４６８８Ｈｚ）である。図８は図７（ａ）の応答変位の１周期ごとの最大値とｙ＝ａｅ^－ｈｗｔを重ねた図である。同図より制振装置Ｄの減衰定数はｈ＝０.００２５である。

次に、このような振動模型Ｓおよび制振装置Ｄを用いて行った実験結果について説明する。

制振装置Ｄを固定した場合における振動模型Ｓの共振曲線を図９に、制振装置Ｄが作動している場合における振動模型Ｓの共振曲線を図１０に、図１０の要部を拡大した共振曲線を図１１に示す。

図９において、振動模型Ｓの固有振動数（ｆ）は３.０９３７５Ｈｚであり、また、共振点での応答倍率は約３２５倍であることから、減衰定数はｈ＝０.００１５である。

制振装置Ｄが作動している場合を示す図１０および図１１において、共振曲線の応答倍率は３.０８９８Ｈｚで減少傾向を示し、共振点（ｆ＝３.０９３７５Ｈｚ）における応答倍率が最も小さくなり、約１００倍となっている。つまり、共振点での応答は、制振装置Ｄが作動しない場合に比較して約３０％に低下した。

制振装置Ｄを固定した場合での共振点（ｆ＝３.０９３７５Ｈｚ）での振動模型Ｓの頂部の応答変位を図１２に、制振装置Ｄが作動している場合での共振点での振動模型Ｓの頂部の応答変位を図１３に、それぞれ示す。図１２および図１３において、（ａ）は加振開始（０秒）～２５０秒を取り出したもの、（ｂ）は加振を開始してから２００秒～２２０秒を取り出したものである。

図１２において、制振装置Ｄが固定されている場合には、振動模型Ｓの頂部の相対変位は正弦波で最大値は約５ｍｍ程度を示している。これに対して、図１３に示すように、制振装置Ｄが作動している場合には、振動模型Ｓの頂部の相対変位の最大値は１.３ｍｍ程度で、制振装置Ｄが固定されている場合と比較して、応答変位は約２６％に低下している。

次に、制振装置Ｄを固定した場合での振動模型Ｓの頂部の応答加速度フーリエスペクトルを図１４に、制振装置Ｄが作動している場合での振動模型Ｓの頂部の応答加速度フーリエスペクトルを図１５に、それぞれ示す。図１４および図１５から、共振点（ｆ＝３.０９３７５Ｈｚ）での応答加速度は、制振装置Ｄが作動している場合、制振装置Ｄが固定されている場合と比較して約４０％に低下している。

以上説明したように、本実施の形態によれば、制振装置Ｄの固有振動数を制振対象構造物である振動模型Ｓの固有振動数（ｆ）の半分（つまりｆ／２）にして、制振装置Ｄの振動方向ｒ１を振動模型Ｓの振動方向ｒ２と直交する方向にし、制振装置Ｄを構成する振動体Ｄ１の長手方向を制振対象構造物の振動方向と同一の方向とすることにより、振動模型Ｓが有する固有振動数（ｆ）付近での共振現象を抑制することが可能になる。

また、振動模型Ｓと制振装置Ｄの錘Ｄ３との質量比は１.６１６×１０^－４であることから、制振対象構造物である振動模型Ｓに対して、極めて軽量な制振装置Ｄで制振が可能になる。

さて、このように、制振装置Ｄの固有振動数を振動模型Ｓ（すなわち、制振対象構造物）の固有振動数（ｆ）の半分（ｆ／２）にし、制振装置Ｄの振動方向ｒ１を振動模型Ｓの振動方向ｒ２と直交する方向にし、制振装置Ｄを構成する振動体Ｄ１の長手方向を制振対象構造物の振動方向と同一の方向とすることで、振動模型Ｓが有する固有振動数（ｆ）付近での共振現象を抑制できる。したがって、制振装置Ｄに複数の振動体Ｄ１を設ければ、あるいは制振装置Ｄを複数台設置すれば、振動模型Ｓに加わる複数方向からの振動に対する制振が可能になる。

つまり、相互に直交する水平の２方向（ｘ方向とｙ方向）、相互に直交する水平と垂直の２方向（ｘ方向とｚ方向、ｙ方向とｚ方向）に振動可能に制振装置Ｄを設置すれば、あるいは、相互に直交する水平と垂直の３方向（ｘ方向とｙ方向とｚ方向）に振動可能に制振装置Ｄを設置すれば、振動模型Ｓに対してこれらと直交する方向に加わった振動についての共振現象を抑制することができる。

次に、制振装置Ｄの変形例について説明する。

前述した制振装置Ｄは片持ち梁構造となっているが、制振対象構造物の固有振動数（ｆ）の半分（ｆ／２）の固有振動数を有する限り、構造については特に限定されるものではない。

一例を挙げると、図１６に示す制振装置Ｄでは、制振対象構造物にスタンド１６ａが設置され、当該スタンド１６ａに対して略Ｌ字状のロッドである振動体Ｄ１が、屈曲部を支点にして回動自在に取り付けされている。そして、振動体Ｄ１の一方の端部である固定端は、バネ１６ｂを介して制振対象構造物に固定され、他方の端部である自由端に錘Ｄ３が取り付けられている。このような制振装置Ｄでは、屈曲部を支点にして振動体Ｄ１が振動することになる。

また、図１７に示す制振装置Ｄでは、制振対象構造物の上下方向にガイドレール１７ａが設けられ、バネ１７ｂを介して垂下された可動錘１７ｃが当該ガイドレール１７ａに沿って昇降可能になっている。一方、ガイドレール１７ａの下端部には固定ブロック１７ｄが設けられており、可動錘１７ｃと固定ブロック１７ｄとの間に、ロッドである振動体Ｄ１が設置されている。振動体Ｄ１は、可動錘１７ｃおよび固定ブロック１７ｄに対して屈曲自在に取り付けられている。そして、振動体Ｄ１自体が中間点で屈曲自在になっており、この屈曲自在になった中間点に錘Ｄ３が取り付けられている。このような制振装置Ｄでは、可動錘１７ｃの昇降に応じて振動体Ｄ１が振動することになる。

さて、前述したように、同調質量ダンパを用いた制振装置では、固有振動数（ｆ）よりも小さな振動領域と大きな振動領域において、共振により応答が増幅して新たな共振現象が発生する。同調質量ダンパを固定した状態（つまり、作動できない状態）と作動させた状態における共振曲線を図１８に示す。

ここで、前述のように、制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ制振対象構造物の固有振動数（ｆ）の半分の固有振動数（ｆ／２）を有し、振動体Ｄ１の長手方向を制振対象構造物の振動方向と同一の方向とした制振装置Ｄを用いれば、制振対象構造物が有する固有振動数（ｆ）付近での共振現象を抑制することが可能である。

そこで、同調質量ダンパを、制振対象構造物の固有振動数（ｆ）を、その固有振動数（ｆ）よりも小さな第１の振動数（ｆ_１）と大きな第２の振動数（ｆ_２）とに分散させる振動数分散手段と捉える。換言すれば、同調質量ダンパを用いて、制振対象構造物が第１の振動数（ｆ_１）と第２の振動数（ｆ_２）という新たな２つの固有振動数を有するようになったものと捉える。

そして、振動数分散手段に分散された第１の振動数（ｆ_１）の半分の固有振動数（ｆ_１／２）を有する制振装置（第１の制振手段）と、第２の振動数（ｆ_２）の半分の固有振動数（ｆ_２／２）を有する制振装置（第２の制振手段）とを、制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能に取り付け、さらにこれらの制震装置を構成する振動体の長手方向が制振対象構造物の振動方向と同一となるようにする。このようにすれば、同様にして共振現象を抑制することが可能になる。

なお、この場合においても、第１の制振手段および第２の制振手段を、相互に直交する２方向または３方向に振動可能にそれぞれ設置すれば、制振対象構造物に加わる複数方向からの振動に対する制振が可能になる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

たとえば、制振装置Ｄの固有振動数を制振対象構造物の固有振動数（ｆ）の半分（ｆ／２）にすれば制振効果が得られるが、ここでの「固有振動数の１／２」とは厳密な意味で１／２であることを要しない。

また、制振対象構造物が建造物の場合には、最も振動が大きくなる部位は頂部であるために、有効に振動（共振現象）を抑制するためには制振装置Ｄを頂部に設置するのが望ましいが、設置場所は頂部に限定されるものではない。

本発明の制振機構において、制振対象構造物としては特に限定されるものではなく、高層住宅や橋梁などの建築物の他にも、エレベータや振動を伴うプラントなど様々なものを対象とすることができる。

Ｄ制振装置
Ｄ１振動体
Ｄ２固定台
Ｄ３錘
Ｓ振動模型（制振対象構造物）
Ｖ振動台
ｒ１制振装置の振動方向
ｒ２振動模型の振動方向

Claims

所定の固有振動数（ｆ）を持つ制振対象構造物と、
前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記制振対象構造物の固有振動数（ｆ）の半分の固有振動数（ｆ／２）を有する制振手段と、
を備え、
前記制振手段を構成する振動体の長手方向が前記制振対象構造物の振動方向と同一となっている、
ことを特徴とする制振機構。
前記制振手段は、相互に直交する２方向または３方向に振動可能に設置される、
ことを特徴とする請求項１記載の制振機構。
前記制振対象構造物は建築物であり、
前記制振手段は、前記建築物の頂部に設置される、
ことを特徴とする請求項１または２記載の制振機構。
所定の固有振動数（ｆ）を持つ制振対象構造物と、
前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の固有振動数（ｆ）を当該固有振動数（ｆ）よりも小さな第１の振動数（ｆ_１）と大きな第２の振動数（ｆ_２）とに分散させる振動数分散手段と、
前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記第１の振動数（ｆ_１）の半分の固有振動数（ｆ_１／２）を有する第１の制振手段と、
前記制振対象構造物に設置され、前記制振対象構造物の振動方向と直交する方向に振動可能で、且つ前記第２の振動数（ｆ_２）の半分の固有振動数（ｆ_２／２）を有する第２の制振手段と、
を備え、
前記第１の制振手段を構成する振動体の長手方向および前記第２の制振手段を構成する振動体の長手方向が前記制振対象構造物の振動方向と同一となっている、
ことを特徴とする制振機構。
前記第１の制振手段および前記第２の制振手段は、相互に直交する２方向または３方向に振動可能にそれぞれ設置される、
ことを特徴とする請求項４記載の制振機構。
前記制振対象構造物は建築物であり、
前記第１の制振手段および前記第２の制振手段は、前記建築物の頂部に設置される、
ことを特徴とする請求項４または５記載の制振機構。