(57)【要約】【課題】片持梁架構の上下振動を抑制し得る有効適切な制振機構を提供する。【解決手段】片持梁架構１を構成している片持梁３の側部に、基端部が支持され先端部が自由端とされかつ片持梁３に対して相対振動可能なダンパー支持梁１１を片持梁３に添わせて設置し、ダンパー支持梁１１の先端部と片持梁３との間に回転慣性質量ダンパー１２を介装して同調型の付加振動系１０を構成する。ダンパー支持梁１１は、それ自体が回転慣性質量ダンパー１２に対して直列に接続された同調ばねとして機能するようにその上下方向のばね剛性を設定すると良い。付加振動系１０には回転慣性質量ダンパー１２に対して直列に接続された格別の同調ばね１４を設けても良い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部が支持され先端部が自由端とされた片持梁を主体として構成された片持梁架構を対象として、該片持梁架構の上下方向の振動を低減するための片持梁架構の上下制振構造であって、
前記片持梁の側部に、基端部が支持され先端部が自由端とされかつ前記片持梁に対して相対振動可能なダンパー支持梁を該片持梁に添わせて設置し、該ダンパー支持梁の先端部と前記片持梁との間に回転慣性質量ダンパーを介装して、前記ダンパー支持梁と前記回転慣性質量ダンパーとによる付加振動系の固有振動数を前記片持梁架構の固有振動数に同調させてなることを特徴とする片持梁架構の上下制振構造。
【請求項２】
前記ダンパー支持梁は、前記回転慣性質量ダンパーに対して直列に接続された同調ばねとして機能するようにその上下方向のばね剛性が設定されていることを特徴とする請求項１記載の片持梁架構の上下制振構造。
【請求項３】
前記付加振動系は、前記回転慣性質量ダンパーに対して直列に接続された同調ばねを備えてなることを特徴とする請求項１または２記載の片持梁架構の上下制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基端部が支持され先端部が自由端とされた片持梁を主体として構成された片持梁架構を対象として、その片持梁架構の上下方向の振動を低減するための制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の片持梁架構はたとえば競技場（スタジアム）におけるスタンドの構造形式として適用されることが多く、大規模なものでは片持長さ（基端の支持点からの先端の自由端までの突出長さ）が１０ｍ以上になる場合もある。
競技場施設等のように不特定多数の観客が集まる大規模な構造物に適用する構造形式としては、パニック防止の観点からも地震発生時の振動を十分に抑制し得るものであることが重要であるが、上記のような片持梁架構は基本的に上下方向の固有振動数は必ずしも高くはないことからその上下振動を有効に抑制することは容易ではない。
【０００３】
構造物を対象とする制振技術としてはたとえば特許文献１に示されるようなＴＭＤが広く知られている。これは制振対象の構造物に設置した付加質量を構造物の振動周期に対して同調するように振動させることによって振動低減効果を図るものであるが、この種のＴＭＤは一般に500kg〜1tonもの付加質量を要するから制振対象の構造物に対して大きな負担がかかるという問題がある。
【０００４】
そのため、たとえば特許文献２〜４に示されるように回転慣性質量ダンパーを利用することによって小質量であっても従来のＴＭＤと同等以上の制振効果が得られる同調型の制振機構が提案されている。
周知のように、回転慣性質量ダンパーとは回転慣性質量効果を利用して回転錘の質量の数百倍から数千倍もの質量効果を発揮し得るものである。具体的には、制振対象物の振動による直動運動をボールねじ機構を利用して回転錘の回転運動に変換することにより、その回転錘に生じる回転慣性モーメントに比例する反力によって回転錘の実際の質量を数百倍〜数千倍にも拡大せしめて大きな質量効果が得られるものである。
そして、そのような回転慣性質量ダンパーに対して同調ばねとして機能する要素（格別のばね要素の他、回転慣性質量ダンパーを設置するための部材のばね剛性を利用することも可能である）を直列に設けて付加振動系を構成し、その付加振動系の振動特性を制振対象の構造物に対して同調させてＴＭＤとして機能せしめることにより、本来のＴＭＤにおいては必要となる大きな付加質量のわずか数百分の一から数千分の一の質量の小型軽量の回転錘を用いることのみで本来のＴＭＤと同等以上の優れた制振効果が得られるものである。
【０００５】
上記のような回転慣性質量ダンパーを利用したＴＭＤを片持梁架構に適用して制振効果を得るものとしては、特許文献５に示される梁の振動低減機構が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２５２２５３号公報
【特許文献２】特開２００８−１１５５５２号公報
【特許文献３】特開２０１０−３８３１８号公報
【特許文献４】特開２０１１−１２２３４５号公報
【特許文献５】特開２０１２−１６７４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２〜５に示される制振機構は上記のような大規模な片持梁架構に対して単にそのまま設置できるものではない。特に特許文献５に示されるものは、片持梁架構を対象としているものの片持梁自体ではなくその後方に接続されている他の梁を介して間接的に制振効果を得るものであるので、スタジアムにおけるスタンドの形態で設置されているような片持梁架構に対しては有効に適用することが困難である。
このように、現時点では大規模な片持梁架構の上下振動を抑制し得る有効適切な手法は確立しておらず、未だ模索段階にあるのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記事情に鑑み、請求項１記載の発明は、基端部が支持され先端部が自由端とされた片持梁を主体として構成された片持梁架構を対象として、該片持梁架構の上下方向の振動を低減するための片持梁架構の上下制振構造であって、前記片持梁の側部に、基端部が支持され先端部が自由端とされかつ前記片持梁に対して相対振動可能なダンパー支持梁を該片持梁に添わせて設置し、該ダンパー支持梁の先端部と前記片持梁との間に回転慣性質量ダンパーを介装して、前記ダンパー支持梁と前記回転慣性質量ダンパーとによる付加振動系の固有振動数を前記片持梁架構の固有振動数に同調させてなることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の片持梁架構の上下制振構造において、前記ダンパー支持梁は前記回転慣性質量ダンパーに対して直列に接続された同調ばねとして機能するようにその上下方向のばね剛性が設定されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の片持梁架構の上下制振構造において、前記付加振動系は前記回転慣性質量ダンパーに対して直列に接続された同調ばねを備えてなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、制振対象の片持梁の側部に添わせてダンパー支持梁を設置し、そのダンパー支持梁と片持梁との間に回転慣性質量ダンパーを介装したので、ダンパー支持梁と回転慣性質量ダンパーとによって構成される同調型の付加振動系によって片持梁架構全体に対する上下振動を十分に抑制することができる。したがって、本発明はたとえば競技場におけるスタンドのような大規模な片持梁架構を対象とする上下制振構造として極めて有効であり合理的なものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の上下制振構造の実施形態を示すもので、制振対象の片持梁架構を示す側面図である。
【図２】同、付加振動系の構成例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線視拡大図である。
【図３】同、具体的な設計例を示すもので、（ａ）は振動解析のための解析モデルとして示した平面図、（ｂ）は付加減衰機構の諸元を示す図である。
【図４】同、振動特性を示す図であり、（ａ）は非制振（比較例）の場合における加速度および変位についての伝達関数を示し、（ｂ）は制振（本実施形態）の場合における加速度および変位についての伝達関数を示す。
【図５】同、最大応答値を示す図であり、（ａ）は片持梁架構の先端部におけるスパン中央部での最大加速度および最大変位を示す図、（ｂ）は片持梁架構の先端部におけるスパン中央部から偏位した位置での最大加速度および最大変位を示す図である。
【図６】同、加速度応答波形を示す図であり、（ａ）は片持梁架構の先端部におけるスパン中央部での加速度応答波形を示す図、（ｂ）は片持梁架構の先端部におけるスパン中央部から偏位した位置での加速度応答波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図６を参照して本発明の実施形態である片持梁架構の上下制振構造について説明する。図１は制振対象の片持梁架構１を示す図であり、図２（ａ）、（ｂ）はそれに付設された付加振動系１０の構成例を示す図である。
【００１４】
本実施形態における制振対象の片持梁架構１は大規模な競技場のスタンドの躯体として設けられたもので、基端部が柱２により支持され先端部が自由端とされた鉄骨造の片持梁３を主体として、その上部に階段状のスラブ４が設けられた構成のものである。符号５は柱２間に架設された大梁、符号６は片持梁３の先端部相互間に架設された先端小梁である（図３（ａ）参照）。
【００１５】
本実施形態における付加振動系１０は、上記の片持梁３の上下方向の振動を低減することによってスラブ４も含めた片持梁架構１全体の上下振動を抑制するためのもので、図２（ｂ）に示すように片持梁３の側部においてそれに添わされた状態で設置されたダンパー支持梁１１と、図２（ａ）に示すようにそのダンパー支持梁１１の先端部と片持梁３との間に介装された回転慣性質量ダンパー１２とを主体として構成されている。
【００１６】
ダンパー支持梁１１は制振対象の片持梁３より短い鉄骨トラス梁であって、このダンパー支持梁１１も上記の片持梁３と同様の片持梁の形態で（すなわち、基端部が上記の柱２あるいはその近傍の大梁５により支持され、先端部が自由端とされた状態で）設置されているが、このダンパー支持梁１１は制振対象の片持梁３とは振動特性が異なるものとされていて片持梁３に対して上下方向に相対振動可能なものとされている。
【００１７】
回転慣性質量ダンパー１２は、たとえば特許文献２〜５に示されているものと同様にボールねじ機構を利用した公知のもので、図２（ａ）に示すように片持梁３の中間部の位置（図示例では長さ方向の中央位置よりもやや先端側の位置）において、図２（ｂ）に示すように片持梁３に対してブラケット１３を介して接続されて下向きに設置され、その先端部が板ばねからなる同調ばね１４を介してダンパー支持梁１１の先端上部に対して接続されているものである。
【００１８】
回転慣性質量ダンパー１２と上記の同調ばね１４およびダンパー支持梁１１はそれらの全体が構造的には直列に接続されたものとなっていてそれらの全体により同調型の付加振動系１０が構成され、かつその付加振動系１０の固有振動数を制振対象の片持梁架構１の固有振動数に同調させることにより、この付加振動系１０によって片持梁３の上下振動が効果的に抑制されるようになっている。
【００１９】
なお、付加振動系１０の同調はダンパー支持梁１１の上下方向のばね剛性の設定のみで行うことも可能であり、その場合は上記の同調ばね１４を省略して回転慣性質量ダンパー１２をダンパー支持梁１１に対して固定状態で接続することも可能である。
また、必要に応じて付加振動系１０に対して適宜の減衰機能を持たせることも好ましく、そのためには減衰機能を有する回転慣性質量ダンパー１２を用いるか、あるいはオイルダンパー等の適宜の減衰要素を回転慣性質量ダンパー１２に対して並列に設ければ良い。
【００２０】
上記構成の付加振動系１０は、制振対象の片持梁架構１が地震によりあるいは上載荷重としての観客の歩行や運動によって振動すると、片持梁３とダンパー支持梁１１との間で上下方向の相対振動が生じ、それにより回転慣性質量ダンパー１２が作動してその回転慣性質量が制振力として片持梁３に対して作用するので、付加振動系１０がＴＭＤとして機能して片持梁架構１に対する優れた制振効果が得られる。
【００２１】
この場合、回転慣性質量ダンパー１２の設置位置は可及的に片持梁３の先端に近い位置（すなわち上下振動が顕著に生じる位置）であることが効果的であり、そのため、基本的にはダンパー支持梁１１の長さを片持梁３と同等程度に長くして双方の先端部相互間に回転慣性質量ダンパー１２を介装することが最も有効である。
しかし、ダンパー支持梁１１も制振対象の片持梁３と同様に片持梁の形態で設置するものであるから、その長さを片持梁３と同等程度に長くすると所望のばね剛性を確保し難いものとなるし、また双方を均等な長さとすると構造的な挙動が同等となって同期して振動してしまい、その場合には顕著な相対振動が生じ難くなって回転慣性質量ダンパー１２が有効に作動し得ないものとなる。
そのため、図示例のようにダンパー支持梁１１を片持梁３よりも短くして片持梁３よりも相対的に高剛性としたうえでそのばね剛性を適切に設定することにより、ダンパー支持梁１１と片持梁３の振動特性に有意な差を持たせてそれらの間で相対振動が確実に生じて回転慣性質量ダンパー１２が確実に作動するような同調を行うことが現実的であり、それによっても十分な制振効果が得られる。
【００２２】
以下、図３〜図６を参照して本発明の上下制振構造の具体的な設計例を示し、その有効性を振動解析結果により実証する。なお、比較のために付加振動系１０を設置しない場合（非制振の場合）についても併せて示す。
【００２３】
図３（ａ）は解析モデルとしての片持梁架構１の一部を示す平面図であり、片持梁３の側部にダンパー支持梁１１および回転慣性質量ダンパー１２からなる付加振動系１０を添わせて設置している。
図３（ａ）に示すように、片持梁３の先端部相互間に架設された先端小梁６の中央位置（つまり２本の片持梁３による１スパンの先端中央位置）をＡ点とし、そこからやや側方に偏位した位置をＢ点とし、それらＡ点、Ｂ点を応答の評価点として制振効果を評価する。
付加振動系１０の諸元は、図３（ｂ）に示すように回転慣性質量ダンパー１２による慣性質量を13.4ton、同調ばねはダンパー支持梁１１自体のばね剛性として1.03×107N/m、減衰係数は8.90×104Ns/mとした。
【００２４】
周波数伝達特性を解析するためスウィープ波形を地震動として与え、応答と入力のスペクトル比を計算することにより片持梁架構１の振動特性を調べる。スウィープ波は2〜8Hz（対数スケール、継続時間396.56秒）で、振幅は1m/s2である。時間刻みは0.005秒、減衰は１次固有振動数に対して１％の初期剛性比例型とした。
【００２５】
片持梁架構１の各部における振動特性（加速度および変位についての伝達関数）を図４に示す。図４（ａ）は付加振動系１０を設置していない場合（非制振）、図４（ｂ）は付加振動系１０を設置した場合（制振）を示す。
非制振の場合には１次固有振動数4.2Hzにおいて大きなピークを生じるが、制振の場合には共振ピークが顕著に低下していることがわかる。
【００２６】
地震動を上下方向に入力した場合の最大応答値および応答波形を図５、図６に示す。地震動としてはTaft UDおよびKokuji UD（告示波（神戸位相））を用いた（UDは観測波の上下動を示す）。
図５（ａ）はTaft UDによるＡ点での最大応答値を示し、図５（ｂ）はKokuji UDによるＢ点での最大応答値を示す。図６（ａ）はTaft UDによるＡ点での加速度応答波形を示し、図６（ｂ）はKokuji UDによるＢ点での加速度応答波形を示す。
いずれも非制振の場合に比べて制振の場合には地震応答の低減が実現されていることがわかる。
【００２７】
以上で説明したように、本発明によれば、制振対象の片持梁３の側部に添わせてダンパー支持梁１１を設け、そのダンパー支持梁１１と片持梁３との間に回転慣性質量ダンパー１２を介装して、それらによる同調型の付加振動系１０を構成したことにより、片持梁架構１全体に対する上下振動を大きく抑制できるものである。
したがって、本発明は、たとえば競技場におけるスタンドのような大規模な片持梁架構を対象とする上下制振構造として極めて有効であり合理的なものである。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで一例であって、本発明における付加振動系１０の具体的な構成や諸元は、制振対象の片持梁架構１の構造や規模、用途、その基本的な振動特性および要求される振動性能、その他の諸条件に応じて所望の効果が得られるように最適に設計すれば良く、その限りにおいて上記実施形態に限定されることなく適宜の設計的変更が可能であることは当然である。
【符号の説明】
【００２９】
１  片持梁架構
２  柱
３  片持梁
４  スラブ
５  大梁
６  先端小梁
１０  付加振動系
１１  ダンパー支持梁
１２  回転慣性質量ダンパー
１３  ブラケット
１４  同調ばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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