(57)【要約】【課題】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。【解決手段】振動低減対象の構造物１に付加質量２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振動低減機構において、付加振動系に振り子振動により伸縮して振り子長さを可変とする軸バネ５を組み込むとともに、該軸バネに並列に減衰装置６を設置し、静止時の振り子長さと重力加速度による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、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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機構であって、
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倍に調整してなることを特徴とする振動低減機構。
【請求項２】
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機構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倍に調整することを特徴とする振動低減機構の諸元設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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】特開昭６３−１５６１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
【数２】
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【００１８】
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。
【００１９】
【数３】
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【００２０】
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。
【００２１】
【数４】
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【００２２】
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。
【００２３】
【数５】
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【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
【数６】
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【００２７】
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。
【００２８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態である振動低減機構を示す図である。
【図２】同、他の実施形態である振動低減機構を示す図である。
【図３】同、他の実施形態である振動低減機構を示す図である。
【図４】同、他の実施形態である振動低減機構を示す図である。
【図５】従来の振り子型のＴＭＤを示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
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
【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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