JP2006214527A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固有振動数を設置現場で簡単かつ正確に変えることができる制振装置を提供する。
【解決手段】重り１２と、重り１２と振動低減対象物１４との間に配置され、重り１２を支持する主ばね１６と、重り１２の側面に当接するように配設された補助ばね１８とを備えている。補助ばね１８は重り１２に対する予備荷重が付加されている。重り１２としては、振動を制御したい振動低減対象物１４の固有振動数とほぼ同じ固有振動数を有し、共振現象を起こすもので、鋼鉄材が用いられる。振動低減対象物１４は、例えば、コンクリート建築物の床、梁等がある。主ばね１６及び補助ばね１８は、コイルばね４４を使用することが好ましいが、ゴム弾性体を使用することもできる。補助ばね１８の重り１２に対する予備荷重には、予備圧縮、予備引張りが含まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、建築物の床、梁等の振動を動吸振の原理を用いて低減する制振装置に関する。

従来、建築物の床振動を低減するために、動吸振器を備えた床振動制御装置を床下に設置することが知られている（特許文献１参照）。この床振動制御装置は、建造物の梁部材にばね部材を介してアームを取付け、このアームに、重りとダンパを取付けたもので、床が振動すると重りが共振して床振動を低減するものである。しかし、この装置は、ばね部材や重りを交換しない限り、装置の固有振動数を変更するものではない。

建築物の床振動を低減するために動吸振器を使用する場合は、振動低減対象物となる建築物の固有振動数と動吸振器の固有振動数とを同じにすることが必要である。しかし、建築物の固有振動数が設計時の値と設置後の実際値とが異なっていたり何らかの原因で一義的に定まらないことが多く、その度に動吸振器の固有振動数を適宜変更をしなければならないときがある。

動吸振器の固有振動数を変更する方法として、動吸振器の重りを支持するばね部材のばね定数を変える方法がある（特許文献２参照）。この方法は、重りの両側を、ばね部材と空気ばねとによって支持し、空気ばねの空気圧によってばね定数を調整するものである。
特開平６−２５７３２１号公報 実開平５−４２７８９号公報 編者 ばね技術研究会、「ばねの設計」、第２版、昭和６０年１月２０日第３刷発行、ｐ．７２−７３

ところで、上記の技術には、次のような解決すべき課題があった。
上記した空気ばねの空気圧によってばね定数を調整して動吸振器の固有振動数を変えるという方法は、構造が複雑になり、空気等のメンテナンスも必要である等の課題がある。また、動吸振器の固有振動数を変更する方法として、動吸振器の重りの質量を変える方法もある。しかし、この場合あらかじめ質量の異なる重りを多数用意しておく必要があり、かつ、固有振動数の調整が無段階には行えず、準備した重りの質量に応じた段階的なものとなる。
本発明は、以上の点に着目してなされたもので、固有振動数を設置現場で簡単かつ正確に変えることができる制振装置を提供することを目的とする。

本発明の各実施例においては、それぞれ次のような構成により上記の課題を解決する。
〈構成１〉
重りと、上記重りと振動低減対象物との間に配置され、上記重りを支持する主ばねと、上記重りの側面に当接するように配設された補助ばねとを備え、上記補助ばねに予備荷重を可変的に付加することにより固有振動数の調整を行うことを特徴とする制振装置。

ばねのせん断方向のばね定数は、そのばねのせん断応力と直角方向のたわみ（圧縮あるいは引張り）により変化する。従って重りの振動方向側面に補助ばねを設け、せん断方向に補助ばねが変形する状態で、補助ばねに加える予備荷重を調整することで装置の固有振動数を設置現場で簡単かつ正確に変えることができ、振動低減対象物の振動モードの変化に即座に対応できる。すなわち、設置現場において補助ばねに適度の予備荷重を付加して補助ばねのせん断方向のばね定数を変動することにより、振動低減対象物の振動モードに対応した最適の固有振動数が得られる。また、固有振動数の調整を無段階に行うことができ、設置現場での微調整に便利なものとなる。

〈構成２〉
構成１に記載の制振装置において、上記主ばねを載置する底部と、上記補助ばねの一端を保持する側部とを有するベースプレートを設けたことを特徴とする制振装置。

ベースプレートを使用することにより、主ばね、補助ばねを所定位置に取付けることができる。

〈構成３〉
構成１又は２に記載の制振装置において、上記重りの中央部に設けられた空洞内に、上記重りに係止されたピストン部と、上記振動低減対象物側に設けられ、上記ピストン部及び粘性流体を収納するシリンダ部とを備えたダンパを配設したことを特徴とする制振装置。

ダンパにより振動減衰効果を上げることができる。

〈構成４〉
構成１ないし３のいずれかに記載の制振装置において、上記主ばねは、上記重りに上下方向に設けられた貫通孔内に収納され、かつ上端が上記貫通孔に着脱自在に設けられた蓋体に押えられていることを特徴とする制振装置。

蓋体を取り外すことにより、主ばねを簡単に交換できる。

〈構成５〉
構成２ないし４のいずれかに記載の制振装置において、上記補助ばねは、上記ベースプレートの側部にねじ込まれた調節ボルトと、上記調節ボルトの一端に連結されたコイルばねとを備えたものであることを特徴とする制振装置。

補助ばねにおける予備荷重を可変的に付加する手段の具体的な形態を示すものである。調節ボルトを回動することにより、コイルばねの、重りに対する予備荷重力を容易に調節できる。補助ばねは重りの変位を復元する。

〈構成６〉
構成３ないし５のいずれかに記載の制振装置において、上記ピストン部は、上記シリンダ部の軸心に対して偏心し、かつ回転可能な状態で、上記シリンダ部に嵌入されていることを特徴とする制振装置。

ピストン部を、シリンダに対して任意の角度に変位して取付けることにより、粘性流体の流通路の断面形状が変わるので、減衰定数を変えることができる。従って、振動低減対象物の固有振動数より多少外れた場合でもピストン部の取付け角度を調整することにより、所望の振動減衰効果が得られる。

〈構成７〉
構成３ないし６のいずれかに記載の制振装置において、上記シリンダ部の上部の、上記ピストン部との間隙に、リング状のシールを剥離可能に設けたことを特徴とする制振装置。

運搬時等にシリンダ部内の粘性流体の漏れを防止できる。

〈構成８〉
構成１ないし７のいずれかに記載の制振装置において、上記重りの上面に凹部を設け、上記凹部内に、複数の微調整用重りを収納したことを特徴とする制振装置。

微調整用重りの数を適宜加減することにより、固有振動数を段階的に調整することができる。上述の補助ばねによる無段階の固有振動数の調整と併用することで、広い範囲で無段階の固有振動数の調整が可能となる。

〈構成９〉
構成１ないし８のいずれかに記載の制振装置において、上記重りは、平板状をなし、所定間隔を置いて配置された複数の上記主ばねにより支持されていることを特徴とする制振装置。

重りを平板状とすることにより、床下等の狭隘な空間にも設置できる。

〈構成１０〉
構成１ないし９のいずれかに記載の制振装置において、上記補助ばねの複数個が、上記重りの複数箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とする制振装置。

複数の各補助ばねの予備荷重を調節することにより、ばね定数の微調整、すなわち固有振動数の微調整ができる。

本発明は、動吸振の原理を使用するものであり、設置現場においても振動低減対象物の振動モードに対応した最適の固有振動数を得るようにするものである。以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。

図１は実施例１の制振装置を示す平面図、図２は同側面図、図３は図１のＡＡ線に沿う断面図、図４（ａ）は図１のＢ矢視図、図４（ｂ）は図１のＣＣ線に沿う断面図である。
これらの図において、実施例１の制振装置１０は、重り１２と、重り１２を支持する６個の主ばね１６と、重り１２の側面を押圧するように配設された６個の補助ばね１８と、重り１２を載置するベースプレート２６とを備え、補助ばね１８には重り１２に対する適度の予備荷重を付加している。この予備荷重には、予備圧縮、予備引張りが含まれる。

この制振装置１０は、例えば、振動低減対象物となるコンクリートスラブ（以下、スラブという。）１４とその上方に設けられた二重床のための床材１５の間に設置される。このとき、スラブ１４とベースプレート２６とのがたつきを防止するために、ゴムシート２７が介在される。例えば、スラブ１４と床材１５との間隔は６０ｍｍ程度である。

重り１２は、鋼鉄により概略平板状に形成され、ベースプレート２６上に所定間隔を置いて円形に配置された６個の主ばね１６により支持されている。ベースプレート２６は、主ばね１６を載置する底部２２と補助ばね１８の一端を保持する側部２４とを有し、平板の両側縁を折曲げた形状とされている。

６個の主ばね１６は、コイルばねからなり、それぞれ重り１２に設けられた貫通孔２８内に収納されている。貫通孔２８は、重り１２の上下方向に貫通した孔で、上部に設けられた蓋体３０により上面が閉塞されている。各主ばね１６の下端はベースプレート２６に配置され、上端は蓋体３０に押えられている。蓋体３０は、貫通孔２８の上部に設けられた段部３２に保持され、ねじ止めにより着脱自在に固定されている。蓋体３０を外して貫通孔２８の上部から主ばね１６を抜き取ることにより簡単に交換できる。主ばね１６として、例えば、ばね定数が５．１、６．４、１０．９、１４．６、１８．７、２３．３、２７（Ｎ／ｍｍ）の７種類を用意しておき、状況に応じて交換する。後述の補助ばね１８に対する予備荷重の調整と組み合わせることで、広い範囲で無段階に固有振動数の調整ができる。

補助ばね１８は、調節ボルト３６と、調節ボルト３６の一端に連結されたコイルばね４４とを備え、重り１２の側面に設けられた切欠部３４内に収納された状態で配設されている。補助ばね１８は、調節ボルト３６をベースプレート２６の側部２４に配設された固定ナット４０にねじ込んで取付けられ、緩み止めナット４２で固定されている。調節ボルト３６の外端面に四角柱状の調整つまみ３８が固設されている。コイルばね４４の先端部は、重り１２の切欠部３４内の側面に当接しかつ予備圧縮されている。すなわち、調整つまみ３８を用いて調節ボルト３６を回動し進退することにより、コイルばね４４の重り１２に対する予備荷重力を調節できるようにされている。

重り１２の中央部に空洞４６が設けられている。この空洞４６内にダンパ５４が設けられている。ダンパ５４は、重り１２に係止されたピストン部４８と、ピストン部４８及び粘性流体５０を収納するシリンダ部５２とを備えている。ピストン部４８は、上部に設けられた鍔部が重り１２の空洞４６に設けられた段部４７に嵌入され、ねじ止めにより着脱自在に固定されている。シリンダ部５２は、ベースプレート２６上に立設した隔壁５３により円筒形に形成されている。粘性流体５０としては、シリコーンオイルが使用される。

運搬時等にシリンダ部５２内の粘性流体５０の漏れを防止するために、シリンダ部５２の上部の、ピストン部４８との間隙に、ゴム材等によりリング状に形成されたシール５６が剥離可能に配置される。このシール５６は、制振装置２０を運搬するときに使用され、現場等に設置されたときは除去される。

重り１２の上面中央部に凹部５８が設けられている。この凹部５８内に、１枚当たり１ｋｇの質量を有する、複数枚の微調整用重り６０が積み重ねられて収納される。これらの微調整用重り６０は、固定用ねじ６１により固定されている。微調整用重り６０は状況に応じて設置数が定められる。
なお、重り１２の上面の数箇所に、運搬時に使用するアイボルト６２を取付ける孔とジャッキアップ用のタップ６４とが適当間隔で設けられている。

図５は、複数の制振装置１０を建造物のスラブ１４上に設置した状況を示す平面図である。
図５に示すように、制振装置１０は、例えば、スラブ１４上の、最も振動振幅が大きい中央部に集中的に５〜６台が配置されることが好ましい。近年のインテリジェントビル等における、いわゆるＯＡフロアに採用される二重床では、スラブ１４上に支持柱が所定間隔をおいて設けられ（図中の破線交点）、二重床を構成する多数のパネルが碁盤の目のように配列され（図中破線）、全支持柱に支持される。そして、１つのパネルにつき１台の制振装置１０が取付けられる。従って取付け工事の便宜から、制振装置１０は二重床を構成するパネルの大きさより一回り小さい寸法とされる。

制振装置１０を設置する際には、スラブ１４等の振動低減対象物の振動モードに合致するように、調節ボルト３６を回動して補助ばね１８のせん断方向のばね定数を変えたり、あるいは重り１２の凹部５８内の微調整用重り６０の設置枚数を適宜加減する等の操作を行うことにより、スラブ１４等の振動低減対象物に対応した最適の固有振動数を設定する。
制振装置１０は、重り１２の動吸振作用でスラブ１４等の振動低減対象物の振動を低減する。このとき、ダンパ５４により振動減衰が行われる。

図６は実施例２の制振装置を示す平面図、図７は図６のＢＢ線に沿う断面図、図８は図６のＡＡ線に沿う断面図である。これらの図には図１ないし図３に示したものと同等の部分には同一符号を付し、重複説明は可及的省略する。
図６ないし図８において、実施例２の制振装置１０Ａは、ベースプレート２６上に配置される重り１２と、重り１２を支持する主ばね１６と、重り１２の側面に当接するように配設された補助ばね１８と、重り１２を載置するベースプレート２６とを備え、基本的には実施例１の制振装置１０とほぼ同様の部品から構成されている。実施例２の制振装置１０Ａが実施例１の制振装置１０と概略相違するところは、主ばね１６の設置個数と、微調整用重り６０の設置位置と、ピストン部４８の取付け位置である。

図６ないし図８に示すように、８個の主ばね１６は、重り１２の外縁近傍の８箇所に設けられた貫通孔２８内にそれぞれ収納されている。微調整用重り６０は、重り１２の中央部に設けられたダンパ５４Ａの外側の４箇所に凹部５８Ａが設けられ、これらの凹部５８Ａ内に、例えば、１枚当たり０．５ｋｇの質量を有する微調整用重り６０が１０枚程度収納される。

図９、図１０は、制振装置１０Ａの重り１２の中央部に設けられたダンパ５４Ａを平面的に示す説明図である。
ダンパ５４Ａのピストン部４８は、図９に示すように、その回転軸心Ｏ１がシリンダ部５２の中心軸心Ｏ２に対して偏心し、かつ回転可能な状態で、シリンダ部５２に嵌入するように取付けられている。図９はピストン部４８が回転していないときの状態を示している。

図１０はピストン部４８を１８０度回転した状態を示している。図１０に示すように、ピストン部４８を、軸心Ｏ１を中心として０〜１８０度の範囲で回転して取付けることにより、粘性流体５０の流通路の断面比率を変えて減衰定数を変えることができる。従って、振動低減対象物１４の固有振動数より多少外れたところでも最適な減衰定数に調整できる。

なお、本発明において、振動低減対象物としては、建築物のスラブ以外に梁等の構造物にも適用することができ、主ばね及び補助ばねとして、コイルばねに限定されず、ゴム弾性体を使用することもできる。

〔検討〕
ここで、本発明者等は、スラブ構造用制振装置について検討したので、その説明をする。

〔試験体の構成〕
試験体として、図６ないし図８に示したものと同様構成の制振装置の５台を下記条件で製作した。
振動低減対象 ：スラブの一次固有振動モード
対象有効質量 ：６０００ｋｇ
固有振動数 ：１０ Ｈｚ
試験体サイズ ：横巾４００ｍｍ、縦巾３８８ｍｍ、高さ５５ｍｍ
試験体総重量 ：２２５ｋｇ
試験体重量 ：４５ｋｇ／台
試験体の鉛直方向クリアランス：３ｍｍ
（スラブの最大加速度を０．２Ｇと想定し、試験体質量の最大加速度を１．０Ｇとして、鉛直方向固有振動数が１０Ｈｚ時の片側振幅ｒは、ｒ＝２．４８であることから、３ｍｍと設定した。）
主ばねのばね定数 ： ８．５Ｎ／ｍｍ → ６８ Ｎ／ｍｍ（８本分）
補助ばねのばね定数：２４．０Ｎ／ｍｍ → ９６ Ｎ／ｍｍ（４本分）

〔試験体の固有振動数の調整〕
（１） 試験体の上部に０．５ｋｇのリング状の微調整用重りを１０枚設置し、この重りを１枚ずつ取り外すことにより、固有振動数の調整を行った。
固有振動数の変動値は次の通り。
微調整用重りの設置枚数 固有振動数（Ｈｚ）
１０枚 ９．６
８枚 ９．７
７枚 ９．８
５枚 ９．９
３枚 １０．０
２枚 １０．１
０枚 １０．２

（２） 試験体側面の４箇所に補助ばねを設置し、各補助ばねの調整つまみを回して予備荷重を加えて補助ばねのせん断ばね定数を変えることにより、固有振動数の調整を行った。
固有振動数の変動値は次の通り。
補助ばねの調整代（ｍｍ） 固有振動数（Ｈｚ）
−８ ９．６
−６ ９．７
−４ ９．８
−２ ９．９
±０ １０．０
＋２ １０．１
＋４ １０．２
＋６ １０．３
＋８ １０．４
＋１０ １０．５

上記（１）、（２）の固有振動数の調整により、設置条件に応じて最適な固有振動数を設定でき最大限の制振効果が得られる。
なお、ばねのせん断方向のばね定数は、そのばねのせん断応力と直角方向のたわみ（圧縮あるいは引張り）により変化することは知られている（非特許文献１参照）。参考として、上記で用いたものとは別の例において、補助ばねの圧縮代（ｍｍ）を変えた場合の各せん断ばね定数の数値を求めた結果を、図１１に示す。図１１により、補助ばねの圧縮代が増すごとにせん断ばね定数が増大することが分かる。

〔試験体の制振効果の確認〕
スラブの固有振動数と有効質量から１自由度振動モデルを構築し、外力加振系の応答解析を行い応答倍率を求めた。同モデルに対してさらに上記試験体に相当する固有振動数、質量、減衰を付加した２自由度振動モデルを構築し、外力加振系の応答解析を行った。これらの結果を比較し制振効果（応答倍率の低減効果）を確認した。
なお、このときの条件は次の通りであった。
スラブの有効質量 ：６０００ｋｇ
スラブの固有振動数 ：１０Ｈｚ
スラブの減衰定数 ：０．０２（仮定）
試験体（５台）の質量比 ：３．７５％
試験体（５台）の有効質量 ：２２５ｋｇ
試験体の最適固有振動数（ｆ２）：９．６Ｈｚ
試験体の最適減衰定数（ζ） ：０．１１

図１２に、制振装置を設けなかった場合の応答倍率を示す。図１３に、上記試験体（本発明の制振装置）を設けた場合の応答倍率を示す。
以上のことから、スラブ固有振動数１０Ｈｚにおける周波数応答は、制振装置を設けなかった場合が２５倍、本発明の制振装置を設けた場合が５倍となり、スラブ固有振動による発振を５分の１に低減できることが明らかである。

実施例１の制振装置を示す平面図。 同側面図。 図１のＡＡ線に沿う断面図。 （ａ）は図１のＢ矢視図、（ｂ）は図１のＣＣ線に沿う断面図。 同制振装置を建造物のスラブ上に設置した状況を示す平面図。 実施例２の制振装置を示す平面図。 図６のＢＢ線に沿う断面図。 図６のＡＡ線に沿う断面図。 実施例２の制振装置に設けられたダンパを平面的に示す説明図。 同ダンパのピストン部を１８０度回転した状態を示す説明図。 補助ばねの圧縮代を変えた場合に得られる各せん断ばね定数の変化を示す説明図。 制振装置を設けなかった場合の応答倍率を示す説明図。 制振装置を設けた場合の応答倍率を示す説明図。

符号の説明

１２ 重り
１４ スラブ
１５ 床材
１６ 主ばね
１８ 補助ばね
２２ 底部
２４ 側部
２６ ベースプレート
２８ 貫通孔
３０ 蓋体
３４ 切欠部
３６ 調節ボルト
３８ 調整つまみ
４０ 固定ナット
４２ 緩み止めナット
４４ コイルばね
４８ ピストン部
５０ 粘性流体
５２ シリンダ部
５４ ダンパ
６０ 微調整用重り
６２ アイボルト
６４ ジャッキアップ用タップ

Claims (10)

1. 重りと、
   前記重りと振動低減対象物との間に配置され、前記重りを支持する主ばねと、
   前記重りの側面に当接するように配設された補助ばねとを備え、
   前記補助ばねに予備荷重を可変的に付加することにより固有振動数の調整を行うことを特徴とする制振装置。
2. 請求項１に記載の制振装置において、
   前記主ばねを載置する底部と、前記補助ばねの一端を保持する側部とを有するベースプレートを設けたことを特徴とする制振装置。
3. 請求項１又は２に記載の制振装置において、
   前記重りの中央部に設けられた空洞内に、
   前記重りに係止されたピストン部と、前記振動低減対象物側に設けられ、前記ピストン部及び粘性流体を収納するシリンダ部とを備えたダンパを配設したことを特徴とする制振装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の制振装置において、
   前記主ばねは、前記重りに上下方向に設けられた貫通孔内に収納され、かつ上端が前記貫通孔に着脱自在に設けられた蓋体に押えられていることを特徴とする制振装置。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の制振装置において、
   前記補助ばねは、前記ベースプレートの側部にねじ込まれた調節ボルトと、前記調節ボルトの一端に連結されたコイルばねとを備えたものであることを特徴とする制振装置。
6. 請求項３ないし５のいずれかに記載の制振装置において、
   前記ピストン部は、前記シリンダ部の軸心に対して偏心し、かつ回転可能な状態で、前記シリンダ部に嵌入されていることを特徴とする制振装置。
7. 請求項３ないし６のいずれかに記載の制振装置において、
   前記シリンダ部の上部の、前記ピストン部との間隙に、リング状のシールを剥離可能に設けたことを特徴とする制振装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の制振装置において、
   前記重りの上面に凹部を設け、前記凹部内に、複数の微調整用重りを収納したことを特徴とする制振装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の制振装置において、
   前記重りは、平板状をなし、所定間隔を置いて配置された複数の前記主ばねにより支持されていることを特徴とする制振装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の制振装置において、
    前記補助ばねの複数個が、前記重りの複数箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とする制振装置。

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