JP2008190645A - Vibration reducing mechanism and its specification setting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は建物等の構造物を対象とする振動低減機構およびその諸元設定方法に関する。 The present invention relates to a vibration reduction mechanism for a structure such as a building and a specification setting method thereof.
構造物の振動を低減するための機構として、たとえば特許文献1に示されているような動吸振器がある。これは所謂チューンド・マス・ダンパー(Tunned Mass Danper:TMD)と称されるもので、振動低減対象の構造物にバネおよびダンパーを介して付加マス(付加質量)を相対振動可能に結合し、付加マスとバネにより定まる固有振動数を構造物の固有振動数に同調させる、つまり付加振動系の固有振動数を主振動系のそれに一致させるように調整することにより共振点近傍における振動を吸収して応答を低減するものである。
特許文献1に示されるような従来一般のTMDは、付加質量を構造物の頂部において水平各方向にスライド可能に設置することが基本であって、通常はX方向とY方向の双方に自由にスライドしかつ自ずと復元する機構のスライドベース上に付加質量を設置するようにしている。そして、そのためのスライドベースはX方向とY方向のレールを重ねた構成とされ、かつバネとダンパーとを両方向に作動するように組み込むという複雑な機構のものとなり、そのためにTMD装置全体が複雑かつ高価とならざるを得ないものであった。
The conventional general TMD as shown in
なお、上記のような付加質量を水平各方向にスライドさせるのではなく振り子として振動させる振り子型のTMDも考えられる。
図5はそのような振り子型のTMDの原理を示すモデルであって、振動低減対象の主振動系としての構造物1(図では柱と頂部梁とによる簡略なフレームとして示してある)に対して、付加質量2を吊り材3によって吊り下げることによって振り子として振動するような付加振動系を付加し、その付加質量2の振り子としての固有振動数を構造物1の固有振動数に同調させるようにしたものである。
これによれば、一般的なTMDと同様に付加質量2の振り子振動によって構造物1の共振点近傍の応答を低減できるし、地震による加振入力のみならず風などの加振力による振動も効果的を低減できる効果が期待できる。
しかし、このような振り子型のTMDにおいても、上述した一般的なTMDと同様に外力が大きくなると付加質量2の水平変位(振幅)が過大になるので、図示しているように付加質量2の水平変位を抑制し減衰させるための減衰装置4(ダンパー)が不可欠である。つまり、振り子型といえども付加質量2を単に振り子として設置するだけではなく、その振り子振動を規制するための減衰装置4を付加質量2と構造物1との間に介装する必要がある。しかも全方向の振動を減衰させるためには減衰装置4を少なくともX方向とY方向の双方に対して設置しなければならないし、振り子長さが長い場合や振幅が大きい場合には建築計画上から減衰装置4の設置自体が困難な場合もあり、その点では特許文献1に示されるような一般的なTMDと同様に、あるいはそれ以上に、複雑な機構とならざるを得ない。
Note that a pendulum type TMD that vibrates as a pendulum instead of sliding the additional mass in the horizontal direction as described above is also conceivable.
FIG. 5 is a model showing the principle of such a pendulum type TMD, and for the structure 1 (shown as a simple frame with columns and top beams) as a main vibration system to be reduced in vibration. Thus, an additional vibration system that vibrates as a pendulum is added by suspending the
According to this, the response in the vicinity of the resonance point of the
However, even in such a pendulum type TMD, the horizontal displacement (amplitude) of the
上記事情に鑑み、本発明は構造物に簡略に設置することのできる有効適切な振動低減機構とその諸元設定方法を提供することを目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an effective and appropriate vibration reduction mechanism that can be simply installed in a structure and a specification setting method thereof.
本発明は、振動低減対象の構造物に付加質量を振り子として振動させる付加振動系を付加して、該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ことによって振動低減効果を得る振動低減機構、およびその諸元設定方法であって、前記付加振動系に、振り子振動により半径方向に伸縮して振り子長さを可変とする軸バネを組み込むとともに、該軸バネに並列に減衰装置を設置し、静止時の振り子長さと重力加速度によって定まる振り子の固有振動数を構造物の固有振動数と同調させるとともに、付加質量と軸バネにより定まる付加振動系の振動数を振り子の固有振動数の2倍に調整するようにしたことを特徴とするものである。 The present invention adds an additional vibration system that vibrates an additional mass as a pendulum to a structure that is subject to vibration reduction, and synchronizes the natural frequency of the additional vibration system with the natural frequency of the structure. A vibration reduction mechanism to be obtained and a specification setting method thereof, wherein a shaft spring that can be expanded and contracted in a radial direction by pendulum vibration to change a pendulum length is incorporated in the additional vibration system, and is attenuated in parallel with the shaft spring. Install the device and synchronize the natural frequency of the pendulum determined by the pendulum length and gravitational acceleration when stationary with the natural frequency of the structure, and the frequency of the additional vibration system determined by the additional mass and shaft spring. It is characterized in that it is adjusted to twice the number.
本発明は振り子型のTMDの範疇に属するものであるが、振り子長さを可変とする軸バネとその減衰装置を備えたことにより、水平方向振動に効く減衰装置を省略でき、したがって従来一般の各種のTMDに比べて装置全体の構成の簡略化と小型軽量化を実現できるし、構造物に対してより容易にかつコンパクトに設置することが可能であり、振り子が長い場合や振幅が大きい場合にも容易に対応可能である。
また、付加質量の振幅が大きくなるほど減衰効果が高くなり、したがって大きな入力まで安定的に作動するとともに、過大な入力に対する付加質量の衝突防止や付加質量を支持する部材の疲労負荷低減にも効果的であり、信頼性の高い制振機構とすることができる。
しかも、構造物の水平方向の振動を付加質量の円周方向振動からさらに半径方向振動に変換して増幅し、そのように大きく増幅した振幅に対して減衰装置により振動エネルギーを吸収する機構であるので、非常に効率の高い合理的な制振システムであるといえる。
Although the present invention belongs to the category of the pendulum type TMD, the provision of the shaft spring that makes the pendulum length variable and the damping device thereof eliminates the damping device that works in the horizontal direction. Compared with various TMDs, the overall configuration of the device can be simplified and reduced in size and weight, and it can be installed more easily and compactly with respect to the structure. When the pendulum is long or the amplitude is large Can be easily accommodated.
In addition, the larger the added mass amplitude, the higher the damping effect. Therefore, it operates stably up to a large input, and is effective in preventing the added mass from colliding with an excessive input and reducing the fatigue load of the member supporting the added mass. Therefore, a highly reliable vibration damping mechanism can be obtained.
In addition, the horizontal vibration of the structure is amplified by converting the additional mass from the circumferential vibration to the radial vibration, and the vibration energy is absorbed by the damping device for the greatly amplified amplitude. Therefore, it can be said that it is a very efficient and rational vibration control system.
図1は本発明の振動低減機構の一実施形態を示すものである。これは、図5に示した振り子型のTMDを基本とするものであるが、従来の振り子型のTMDにおいては付加質量2と構造物1との間に介装する必要のあった減衰装置4を省略し、それに代えて、付加質量2を吊り下げる吊り材3に軸バネ5を介装するとともに、その軸バネ5と並列に減衰装置6を設置したものである。
FIG. 1 shows an embodiment of the vibration reducing mechanism of the present invention. This is based on the pendulum type TMD shown in FIG. 5, but in the conventional pendulum type TMD, the
上記の軸バネ5は振り子振動に伴って軸方向(半径方向)に伸縮するものであり、したがってこの付加振動系では振り子振動に伴って振り子長さが刻々と変化するものとなる。
また、減衰装置6は振り子振動に伴う軸バネ5の伸縮に対して減衰を与えるもので、公知の各種ダンパー、たとえばオイルダンパー、シリコンオイル粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、摩擦ダンパー等を任意に採用可能である。
The shaft spring 5 expands and contracts in the axial direction (radial direction) along with the pendulum vibration. Therefore, in this additional vibration system, the pendulum length changes every moment along with the pendulum vibration.
Further, the
本実施形態の振動低減機構も、基本的には図5に示したような通常の振り子型のTMDと同様に、静止時における振り子長さと重力加速度により定まる振り子の固有振動数(円周方向の固有振動数)を構造物1の固有振動数と同調させるものであるが、それに加えて、付加質量2と軸バネ5により定まる付加振動系の半径方向の振動数を振り子の固有振動数の2倍に調整するものである。
つまり、構造物1の1次固有角振動数をω1、静止時の振り子長さをL、重力加速度をg、付加質量2の質量をm、軸バネ5のバネ定数k0とした場合、次式が成り立つように調整する。
The vibration reduction mechanism of the present embodiment is basically the same as the normal pendulum type TMD as shown in FIG. 5, and the natural frequency of the pendulum (circumferential direction) determined by the pendulum length and gravitational acceleration at rest. The natural frequency) is synchronized with the natural frequency of the
That is, when the primary natural angular frequency of the
したがって本実施形態の振動低減機構では、基本的には従来一般のスライド型のTMDや振り子型のTMDと同様に、構造物1の地震や風による水平振動(特に共振点近傍の振動)により付加質量2の振動(円周方向の振り子振動)が励起され、構造物1の振動エネルギーが付加質量2に移動することで振動を有効に低減できるものである。
加えて、本実施形態の振動低減機構では、付加質量2が円周方向に振り子運動で振動した際にはその周期の1/2の周期で変動する遠心力によって軸バネ5が伸縮し、それによって付加質量2は同時に半径方向にも振動するものとなる。
そこで、その半径方向の振動数を円周方向に振動する振り子の固有振動数の2倍となるように調整することにより、付加質量2が円周方向に1往復する間に同時に半径方向には2往復して、付加質量2の振動軌跡は図1(b)に示すように略∞状となる。これは、遊具としてのブランコに乗った人が身体を上下させて揺れを減らす場合の重心位置の軌跡に相当し、共振時には上下運動と遠心力とが1/4周期だけ位相ズレを生じていることになる。
その結果、そのような半径方向の振動が構造物1の振動に共振して減衰装置6により効率的に振動エネルギーが吸収され、優れた制振効果が得られるものである。
Therefore, in the vibration reduction mechanism of this embodiment, basically, it is added by horizontal vibration (particularly vibration near the resonance point) of the
In addition, in the vibration reducing mechanism of the present embodiment, when the
Therefore, by adjusting the frequency in the radial direction to be twice the natural frequency of the pendulum oscillating in the circumferential direction, the
As a result, the vibration in the radial direction resonates with the vibration of the
本実施形態の振動低減機構によれば以下に列挙するような効果が得られる。
図5に示したような通常の振り子型のTMDと比較すると、付加質量2と構造物1との間に水平方向振動に効く減衰装置4(ダンパー)を省略できることから小型軽量の応答低減機構となり、建築計画的にも配置しやすく、ローコストに設置することが可能となる。
特に、通常の振り子型のTMDでは減衰装置4を水平2方向に設置する必要があるが、本実施形態では鉛直方向の軸バネ5に並列に単一の減衰装置6を設置すれば足り、振り子が長い場合や振幅が大きい場合にも容易に対応可能である。
さらに、付加質量2を水平各方向にスライドさせる形式の最も一般的なスライド型のTMDの場合には、付加質量2を全方向に自由にスライドさせるためにX方向とY方向の2段のレールや両方向のバネとダンパーを組み込んだスライドベースのような複雑な機構を必要とするが、本実施形態ではそれに比べて機構全体を格段に簡略化することが可能である。
According to the vibration reduction mechanism of the present embodiment, the following effects can be obtained.
Compared with a normal pendulum type TMD as shown in FIG. 5, the damping device 4 (damper) that acts on the horizontal vibration can be omitted between the
In particular, in a normal pendulum type TMD, it is necessary to install the
Furthermore, in the case of the most common slide type TMD of the type in which the
また、本実施形態の振動低減機構では、付加質量2の振幅が大きくなるほど減衰効果が高くなるものであり、したがって大きな加振入力では付加質量2の振幅が通常のTMDの場合よりも抑制されることになる。これにより、より大きな入力にまで安定的に作動するとともに、過大な入力に対する付加質量2の衝突防止や付加質量2を支持する部材の疲労負荷低減にも効果的であり、信頼性の高い制振機構とすることができる。換言すると、振り子の振幅が小さいうちは通常のTMDより応答低減効果が小さいが、揺れが問題になり応答低減したいのは振幅が大きいときであるので、本実施形態の機構はそのような場合に有効な振動対策といえる。
しかも、本実施形態の機構は、構造物1の水平方向の振動を付加質量2の円周方向振動からさらに半径方向振動に変換して増幅し、構造物1自体の振幅よりはるかに大きく増幅した振幅に対して減衰装置6により振動エネルギーを吸収する機構であるので、非常に効率の高い合理的な制振システムであるといえる。
但し、本実施形態の機構においても、図5に示した通常の振り子型のTMDにおける水平方向の減衰装置4を省略することなくそのまま設置することしても良く、そのようにすれば通常の振り子型のTMDと同様に小さな振幅に対しても応答低減効果が有効に得られるものとなる。つまり、図5に示したような水平方向の減衰装置4を備えた通常の振り子型のTMDを基本として、それに軸バネ5と鉛直方向の減衰装置6を付加する構成とすれば、小さな振幅から大きな振幅まで充分な応答低減効果が得られるものとなる。
Further, in the vibration reduction mechanism of the present embodiment, the damping effect increases as the amplitude of the
Moreover, the mechanism of the present embodiment converts the horizontal vibration of the
However, also in the mechanism of the present embodiment, the
また、本実施形態の振動低減機構も、基本的には従来一般のTMDと同様に構造物1の共振による応答増大を防止する機構であるので、共振点近傍での応答変位や反力を大きく低減することができ、地下基礎部への負担軽減や浮き上がり防止にも効果的であるし、特に1次モードの振動を大きく低減できるので地震のみならず風揺れの低減効果も有効に発揮することができる。
勿論、本実施形態の機構における振動数調整作業は、通常の振り子型のTMDにおける振り子長さの調整に加えて軸バネ5の調整を追加するだけで良く、設置後の微調整や諸元変更等にも容易に対応することができる。
さらに、新築構造物のみならず既存構造物を対象とする制振化手法としても好適であるし、特に共振問題を生じている既存構造物に対して本実施形態の機構を建築計画上で支障のない箇所に付加することにより、共振問題を有効に解消することができる。
Also, the vibration reduction mechanism of this embodiment is basically a mechanism that prevents an increase in response due to resonance of the
Of course, the frequency adjustment work in the mechanism of the present embodiment only needs to add adjustment of the
Furthermore, it is suitable as a vibration control method not only for new structures but also for existing structures. In particular, the mechanism of the present embodiment has an obstacle in building planning for existing structures that are causing resonance problems. The resonance problem can be effectively solved by adding it to the place where there is no.
次に、本実施形態の機構の諸元を設定するための設計手法について以下に説明する。
本実施形態の振動低減機構を備えた構造物1を図1に示すような1質点系の振動モデルとし、主振動系としての構造物1の諸元が、質量M、水平バネ定数K、1次固有角振動数ω1、減衰係数c、水平方向の変位xとする。
付加振動系である振り子としての諸元が、付加質量2の質量m、静止時の振り子長さL、軸バネ5のバネ定数k0、減衰装置6の減衰係数c0とする。
また、付加質量2の円周方向振動による鉛直方向からの傾斜角θ、半径方向振動による静止位置からの半径方向変位u、重力加速度gとし、加振入力として風などによる次式の加振力f(t)を想定する。
Next, a design method for setting the specifications of the mechanism of the present embodiment will be described below.
The
The specifications of the pendulum as an additional vibration system are the mass m of the
Further, the inclination angle θ from the vertical direction due to the circumferential vibration of the
構造物1の加振方向変位をxとし、静止座標系(絶対変位)における釣合式は次式となる。
The displacement in the vibration direction of the
付加質量2の円周方向(振り子の振動方向)の釣合いから次式が成り立つ。なお、次式における左辺第3項はコリオリの力を表し、半径方向の速度に比例した円周方向力として作用する。
From the balance of the
付加質量2の半径方向(振り子の中心から放射方向)の釣合いから、静止状態を基準として次式が成り立つ。次式における左辺第5項は遠心力を表し、角速度の2乗に比例する。
From the balance of the
上記各式からθ、u、xを解析することにより本実施形態の機構の諸元を設定することができる。なお、これは線形ではないので単純には解けない(θが微小な場合でも高次の項があるため線形計算とはならない)が、連立微分方程式として時刻歴応答解析して初期値を与えることにより容易に解析することができる。 By analyzing θ, u, and x from the above equations, the specifications of the mechanism of this embodiment can be set. Since this is not linear, it cannot be solved simply (even if θ is very small, there is a high-order term, so it is not a linear calculation), but the initial value is obtained by analyzing the time history response as a simultaneous differential equation. Can be easily analyzed.
なお、本実施形態の振動低減機構は、構造物1の水平方向の振動に伴う振り子の鉛直方向の振動を減衰装置6により吸収し、それによって構造物1の応答を低減させるものであるから、一般的なTMDと同様に付加質量2が大きいほど効果的ではあるが、あまり大きな質量を振り子として設置することは現実的ではなく、通常は構造物1の質量の1〜5%程度とすることが現実的であり、それによっても充分な効果が得られる。
また、付加質量2としては、上記のような振動数の設定が可能であり、そのような振動を許容でき、かつ上記のような所要質量を確保できるものであれば、構造物1内に吊り支持されて設置される各種の設備類や器具類、たとえば建物内に設置される大型のシャンデリア等を利用することも可能である。
また、減衰装置6の減衰係数c0の最適値は付加質量2によって変化し、付加質量2が大きくなるほど減衰係数c0の最適値も大きくなるが、通常は構造物1の1次固有角振動数ω1における減衰定数hは下記の範囲で最適値を解析シミュレーションによって定めれば良い。
In addition, since the vibration reduction mechanism of this embodiment absorbs the vibration in the vertical direction of the pendulum accompanying the vibration in the horizontal direction of the
Further, as the
Further, the optimum value of the damping coefficient c 0 of the damping
以上で本発明の一実施形態を説明したが、図2〜図4に他の実施形態を示す。
図2は構造物1上に剛体振り子を設置したものであって、これは吊り材3に代わる支柱7を、重力に代わる復元力となる回転バネ8を介して構造物1上に設置し、その支柱7に軸方向のみに伸縮変形する軸バネ5と減衰装置6を組み込んだものであって、支柱7が剪断変形を生じることなく直線状態を維持したままで円周方向に振り子として振動し、かつその際に軸バネ5の伸縮によって支柱7の全長が伸縮して付加質量2が半径方向にも振動するようにされているものである。
図3は、図2に示したものと同様に軸バネ5および減衰装置6を組み込んだ支柱7によって付加質量2を半径方向にのみ振動自在に支持するとともに、その全体をケース内に収容して揺動体9を構成し、その揺動体9を構造物1上に設置した球面座10上において転動あるいは滑動可能に配置して全方向に揺動させるように構成したものである。なお、図示例の揺動体9では、付加質量2をケース側面に対してローラを介して摺動自在に支持することによって、付加質量2のケースに対する相対的な横揺れを拘束しつつ上下方向にのみ振動させるものとしている。
図4は図3における揺動体9を吊り材3によって構造物1から吊り下げた構成のものである。
上記各実施形態のものは、いずれも付加質量2を構造物1に対して直接あるいは揺動体9を介して設置して構造体1との間に軸方向のみに伸縮変形する軸バネ5を直列配置することにより付加質量2が円周方向に振動しつつ半径方向にも振動し、軸バネ5に並列配置した減衰装置6によって効果的に振動エネルギーが吸収されるので、上記実施形態と同様の振動数調整により同様の効果が得られるものである。
Although one embodiment of the present invention has been described above, other embodiments are shown in FIGS.
FIG. 2 shows a structure in which a rigid pendulum is installed on the
3 is similar to that shown in FIG. 2 in that the
FIG. 4 shows a configuration in which the rocking
In each of the above embodiments, the
なお、図4に示したように吊り支持した揺動体9内に付加質量2を収容するという構成は、特開2006−258141号公報に示されている吸振器の構成と共通する部分がある。しかし、その吸振器は支点から吊り下げられた揺動体(ロープウェイのゴンドラやリフト等)に付加質量を半径方向にのみ移動できるように配置して、それにより揺動体自体の風揺れ(振り子としての円周方向の振動)を低減するものに過ぎない。つまり、その技術はあくまで振り子運動する揺動体の振動を抑制するものであって、本発明のようにその揺動体の振動を利用して構造物の振動を低減させるためのTMDを構成するものではなく、その点で両者は目的や用途が全く異なるものである。
Note that the configuration in which the
1 構造物
2 付加質量
3 吊り材
4 減衰装置
5 軸バネ
6 減衰装置
7 支柱
8 回転バネ
9 揺動体
10 球面座
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記付加振動系に、振り子振動により半径方向に伸縮して振り子長さを可変とする軸バネを組み込むとともに、該軸バネに並列に減衰装置を設置し、
静止時の振り子長さと重力加速度によって定まる振り子の固有振動数を構造物の固有振動数と同調させるとともに、付加質量と軸バネにより定まる付加振動系の振動数を振り子の固有振動数の2倍に調整してなることを特徴とする振動低減機構。 A mechanism that obtains a vibration reduction effect by adding an additional vibration system that vibrates an additional mass as a pendulum to a structure to be reduced in vibration, and synchronizes the natural frequency of the additional vibration system with the natural frequency of the structure. There,
The additional vibration system incorporates a shaft spring that can expand and contract in the radial direction by pendulum vibration to change the pendulum length, and a damping device is installed in parallel with the shaft spring.
The natural frequency of the pendulum determined by the length of the pendulum at rest and the acceleration of gravity is synchronized with the natural frequency of the structure, and the frequency of the additional vibration system determined by the additional mass and the axial spring is double the natural frequency of the pendulum. A vibration reduction mechanism characterized by being adjusted.
前記付加振動系に、振り子振動により半径方向に伸縮して振り子長さを可変とする軸バネを組み込むとともに、該軸バネに並列に減衰装置を設置し、
静止時の振り子長さと重力加速度によって定まる振り子の固有振動数を構造物の固有振動数と同調させるとともに、付加質量と軸バネにより定まる付加振動系の振動数を振り子の固有振動数の2倍に調整することを特徴とする振動低減機構の諸元設定方法。 A mechanism for obtaining a vibration reduction effect by adding an additional vibration system that vibrates an additional mass as a pendulum to a structure to be reduced in vibration and synchronizing the natural frequency of the additional vibration system with the natural frequency of the structure. A specification setting method,
The additional vibration system incorporates a shaft spring that can expand and contract in the radial direction by pendulum vibration to change the pendulum length, and a damping device is installed in parallel with the shaft spring.
Synchronize the natural frequency of the pendulum determined by the pendulum length and gravitational acceleration with the natural frequency of the structure, and double the frequency of the additional vibration system determined by the additional mass and the shaft spring to the natural frequency of the pendulum. A specification setting method of a vibration reduction mechanism characterized by adjusting.
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