梁の振動低減機構
【課題】梁の上下振動を低減させるための有効適切な振動低減機構を提供する。
【解決手段】本体梁１の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパー３を設置する。回転慣性質量ダンパーに対して本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材４を本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設し、斜材の両端部をそれぞれ本体梁の両端上部に連結するとともに斜材の中間部を回転慣性質量ダンパーに連結する。斜材を付加バネ５により緊張してプレストレスを導入する。回転慣性質量ダンパーと斜材と付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての本体梁の固有振動数（１次固有振動数や特定の共振振動数）に同調させる。
【解決手段】本体梁１の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパー３を設置する。回転慣性質量ダンパーに対して本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材４を本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設し、斜材の両端部をそれぞれ本体梁の両端上部に連結するとともに斜材の中間部を回転慣性質量ダンパーに連結する。斜材を付加バネ５により緊張してプレストレスを導入する。回転慣性質量ダンパーと斜材と付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての本体梁の固有振動数（１次固有振動数や特定の共振振動数）に同調させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物や各種構造物の構造躯体としての梁、特に大スパン梁を対象として上下方向の振動を低減させるための機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
梁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所謂チューンド・マス・ダンパー（Tunned Mass Danper：ＴＭＤ）を利用することが考えられる。ＴＭＤは構造物に付加バネを介して付加質量を接続し、それら付加バネと付加質量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ことによって共振点近傍における応答を低減するものであって、これを梁のスパン中央部に設置することで梁の振動を低減する装置が実用化されている。
【０００３】
また、特許文献２には、本体梁に対して付加梁を設置してそれらの間に回転慣性質量ダンパーを介装することにより、小質量の回転錘により得られる大きな回転慣性質量を付加質量として利用してＴＭＤとして機能させる構成の振動低減機構が提案されている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、歩道橋等の大スパン構造に対する制振対策として補助質量をトグル機構によって増幅させるシステムについての記載がある。
【特許文献１】特開昭６３−１５６１７１号公報
【特許文献２】特開２００８−１１５５５２号公報
【特許文献３】国際公開２００５／１１６４８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されるような従来一般のＴＭＤを梁を対象とする振動減衰機構として利用する場合、充分な振動低減効果を得るためには付加質量を充分に大きくする必要があり、必然的に大型大重量でコスト高とならざるを得ない。また、振動低減を目的とするとはいえ梁にあまり大きな質量を付加することは応力が増加することから基本的に好ましいことではないし、ＴＭＤが大型大重量になるほど設置位置や設置スペースに関しての制約も大きくなるので、通常は付加質量を梁の質量の１〜３％程度とすることが現実的であり、したがって振動低減効果にも自ずと限界がある。
【０００６】
特許文献２に示されるような回転慣性質量ダンパーによる振動低減機構は実際の付加質量を軽減できるが、実質的に梁を二重（ダブル）に設ける必要があるので、そのために躯体全体が複雑化してしまうし、付加梁の設置スペースを確保するために通常は階高を大きくしなければならないから一般的な建物には適用し難い。また、付加梁を本体梁の側部に設ける場合には実質的に梁貫通が不可能になることから、天井懐内での設備配管類やダクト類の取り回しに大きな制約が生じ、したがって有効天井高を小さくするか階高を大きくする必要があってやはり現実的ではない。
【０００７】
特許文献３には、回転慣性質量ダンパーではなく付加質量をもつトグル機構による変形増幅についての理論が記載されているに過ぎず、それを実際の梁に組み込む場合の具体的な構成についての開示はなく、ＴＭＤとしての同調条件も示されておらず、直ちに実用化し得るものでもない。
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は梁の上下振動を低減させるための有効適切な機構、特に従来一般のＴＭＤによる場合のように大きな付加質量を必要とせず（鉛直方向あるいは水平方向に振動する付加質量は要しない）、また付加梁を必要とすることもなく、実質的に梁それ自体で充分な減衰効果が得られるような有効適切な振動低減機構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】
【０００９】
請求項１記載の発明は、振動を抑制すべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための機構であって、前記本体梁の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパーを設置し、前記回転慣性質量ダンパーに対して前記本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材を該本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設して、該斜材の両端部をそれぞれ前記本体梁の両端上部に連結するとともに該斜材の中間部を前記回転慣性質量ダンパーに連結し、前記斜材を付加バネにより緊張してプレストレスを導入し、前記回転慣性質量ダンパーと前記斜材と前記付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の梁の振動低減機構において、前記回転慣性質量ダンパーは、前記本体梁の上下方向の振動を回転運動に変換するボールねじ機構と、該ボールねじ機構により回転せしめられて回転慣性質量を生じるフライホイールと、それらボールねじ機構とフライホイールを収容するケーシングとを備えてなり、前記ケーシングを前記本体梁に対して固定するとともに、前記ボールねじ機構を構成しているボールねじ軸に対して前記斜材を連結し、前記付加バネを前記ボールねじ軸と前記本体梁との間に介装することにより、該付加バネによって前記ボールねじ軸を介して前記斜材を緊張することにより該斜材に対してプレストレスを導入してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の梁の振動低減機構において、前記本体梁はＨ形鋼からなり、前記斜材は前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブと上フランジと下フランジとの間に配置される帯鋼からなり、前記回転慣性質量ダンパーは、前記ケーシングが前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブに対して固定されるとともに、前記ボールねじ軸が該Ｈ形鋼の下フランジを挿通してその先端部にストッパーが固定され、前記付加バネは、前記ボールねじ軸の先端部に固定された前記ストッパーと前記本体梁としてのＨ形鋼の下フランジとの間に介装された皿バネからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転慣性質量ダンパーが備える質量の錘の数百倍以上もの回転慣性質量が得られるから、小形軽量の機構でありながら大質量の付加質量による通常のＴＭＤを設置する場合と同等の制振効果が得られ、本体梁に大きな負荷がかかることもない。
また、回転慣性質量ダンパーと斜材は本体梁の梁成の範囲内に設置することも可能であり、これを設置するための格別のスペースを確保する必要はないし、有効天井高が小さくなり階高を大きくする必要も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態である振動低減機構の概要を図１に示す。
図中、符号１は振動低減対象の本体梁であり、２はその本体梁１の上下振動を低減するべく本体梁１の側部に組み付けられた振動低減機構である。
【００１４】
振動低減機構２は、主振動系としての本体梁１に対して付加振動系として付加されるものであって、本体梁１の曲げ変形による上下振動によって作動する回転慣性質量ダンパー３と、本体梁１の上下振動を回転慣性質量ダンパー３に伝達してそれを作動させるための斜材４と、斜材４を緊張してプレストレスを導入するための付加バネ５とにより構成されている。
【００１５】
回転慣性質量ダンパー３は、特許文献２に示される振動低減機構において用いられているものと同様に、たとえば本体梁１の上下振動をボールねじ機構を介して小質量のフライホイールの回転運動に変換し、それにより生じる回転慣性質量ψ0を付加質量として利用してＴＭＤとして機能せしめることで制振効果を得る構成のものであり、本実施形態では１台の回転慣性質量ダンパー３を本体梁１の中央部に設置している。
【００１６】
斜材４は本体梁１の上下振動を回転慣性質量ダンパー３に伝達してそれを作動させるもので、その素材としては充分な引張強度を有する各種の引張材（たとえば帯鋼や丸鋼、鋼管等の鋼材、あるいはＰＣ鋼線等の弦材）が用いられ、その両端が本体梁２の両端上部に固定されるとともに中央部が回転慣性質量ダンパー３に対して連結されることにより、全体として下に凸の折れ線状（図示例の場合には扁平なＶ状）をなすように張設されている。
【００１７】
付加バネ５は構造的には回転慣性質量ダンパー３と並列に配置されるもので、斜材４を緊張して所定の張力（プレストレス）を導入することによりその座屈を防止し、かつこの付加バネ５の剛性k0の調整により振動低減機構２全体の固有振動数の設定を行うためのものである。
なお、回転慣性質量ダンパー３と付加バネ５に対してさらに並列に付加減衰６を配置するが、回転慣性質量ダンパー３自体に摩擦、粘性体、磁気抵抗機構などの減衰要素を組み込んで付加減衰６を省略することも可能である。
【００１８】
本実施形態の振動低減機構２では、回転慣性質量ダンパー３と斜材４と付加バネ５とにより構成される付加振動系の固有振動数f0を、主振動系としての本体梁の１次固有振動数f1に同調させることを主眼とする。
具体的には、図２に示すように、回転慣性質量ダンパー３の設置位置において、斜材４と付加バネ５と本体梁１だけからなる構造体に対して、回転慣性質量ダンパー３の上下端に荷重Ｐが作用したときの上端での変位をδ1、下端での変位をδ2、したがって上下端の鉛直変位をδ＝δ1＋δ2とし、そのときに生じる回転慣性質量がψ0であるとき、次式のように振動低減機構２の固有振動数f0を本体梁の１次固有振動数f1に同調させる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
そして、そのような同調を行うためには、本体梁１の有効質量mに対する回転慣性質量ψ0の比ψ0/mを、本体梁１の剛性k1、斜材４の鉛直剛性k2、付加バネ５の剛性k0に基づき、次式の関係を満たすように設定すれば良い（具体的には図２に示す演算過程参照）。つまり、与条件としての本体梁１の質量mと剛性k1に対し、次式を満足するように回転慣性質量ψ0、斜材４の鉛直剛性k2、付加バネ５の剛性k0の諸元を適正に設定すれば良い。
なお、回転慣性質量ψ0はフライホイールの質量やその径寸法、厚さ、径方向の質量分布の調整により自由にかつ幅広く調整可能であるし、付加バネ５の剛性k0や斜材４の鉛直剛性k2等の諸元の調整も同様であるから、固有振動数の同調は容易に行うことができる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
以上により、本実施形態の振動低減機構では、本体梁１に対して回転慣性質量ψ0を付加質量とするＴＭＤを設置した場合と同じ振動低減効果を発揮し得るものとなる。この場合、回転慣性質量ダンパー３が備えるフライホイールの実際の質量は上記の回転慣性質量（付加質量）ψ0の数百分の１以下で済むから、特許文献１に示されるような通常のＴＭＤを設置する場合のように本体梁に大きな負荷がかかることはない。
勿論、特許文献２に示されるような付加梁は必要としないし、後述する具体例のように回転慣性質量ダンパー３と斜材４は本体梁１の梁成の範囲内に設置することも可能であるので、これを設置するための格別のスペースを確保する必要はないし、有効天井高が小さくなったり、階高を大きくする必要も生じない。
【００２３】
以上で本実施形態の振動低減機構２の概要を説明したが、具体的な構成例を図３〜図６を参照して説明する。
本例では本体梁１としてＨ形鋼を採用し、振動低減機構２を本体梁１の一方の側部においてその断面内、つまりウェブと上フランジと下フランジとにより囲まれる範囲内に配置するようにしたものである。
【００２４】
また、回転慣性質量ダンパー３は、図６に示すように、ボールねじ軸１１とボールナット１２から構成される周知のボールねじ機構１０と、ボールナット１２に連結されたフライホイール１３と、それらを収容するケーシング１４からなり、ボールねじ軸１１がボールナット１２およびケーシング１４に対してその軸方向（上下方向）に変位するとフライホイール１３がボールナット１２とともに回転せしめられて回転慣性質量ψ0を生じるものである。本例ではナット回転型のボールねじ機構１０を利用しており、ボールねじ軸１１は回転せず軸方向に出入りするだけである。
なお、付加減衰６として機能する適宜の減衰要素を一体に組み込むことが好ましく、それにより格別の付加減衰を設置する必要がない。例えば、ボールねじとナット部の摩擦トルクを減衰することもでき、予圧を調整することで摩擦トルクを設定できる。
本例においては、図５に示すように回転慣性質量ダンパー３を本体梁１のウェブに対してブラケット１５により固定し、ケーシング１４から下方に突出しているボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１の先端に連結した他のねじ軸）の中間部に斜材４を連結している。また、ボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１の先端に連結した他のねじ軸）の先端部を下フランジに形成されている孔内に挿通させ、その最先端部にはストッパー１６を螺着してストッパー１６と下フランジとの間に付加バネ５を介装している。
【００２５】
斜材４としては帯鋼が用いられており、図３に示すようにその両端が本体梁１の両端上部に固定され、中央部が上記のように回転慣性質量ダンパー３におけるボールねじ軸１１に対して上下のロックナット１７により挟持されて連結されることにより、斜材４の全体が下に凸の折れ線状（図示例の場合には本体梁１の全長にわたる扁平なＶ状）をなすように張設されている。
【００２６】
付加バネ５としては皿バネが用いられており、その付加バネ５がボールねじ軸１１のストッパー１６と下フランジとの間に介装されることにより、斜材４はボールねじ軸１１を介して付加バネ５により下方に付勢されることによってプレストレスが導入された状態で張設されている。
【００２７】
上記の振動低減機構２を本体梁１に組み付けるための具体的な手順を詳細に説明する。
本体梁１の側部に斜材４を折れ線状に配置してその両端部を本体梁１の両端上部に固定する。回転慣性質量ダンパー３を本体梁１のウェブに固定する際には、ボールねじ軸１１をケーシング１４内に最大限引っ込めた状態でそのボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１を下方に延長するようにそれに連結した他のねじ軸）に上側のロックナット１７を螺着し、ボールねじ軸１１を斜材４の中間部に形成しておいた貫通孔に挿通させた後に下側のロックナット１７を螺着して、上下のロックナット１７により斜材４をボールねじ軸１１に対して連結する。
同時に、ボールねじ軸１１の先端部を本体梁１の下フランジに形成しておいた貫通孔に挿通させ、そこに付加バネ５（皿バネ）を装着してストッパー１６を螺着する。
斜材４に対するプレストレスの導入はストッパー１６の締め付け力を調整してボールねじ軸１１を介して斜材を下方に引き寄せることで行うが、導入張力が大きい場合には多数の皿バネを重ねて使用すれば良い。
なお、図４〜図５に示すように本体梁１の要所には補強リブ１８を取り付ければ良い。
【００２８】
以下、上記実施形態の振動低減機構２のより具体的な設計例とその効果について説明する。
本体梁をスパン16.5mの鉄骨梁（H-900×250×12×22）とし、床荷重は構造体を含め0.6tonf/m2とする。等価な振動モデルにおいて、構造体有効質量m＝0.6×3.6×16.5/2＝17.8ton、本体梁の断面積A＝213cm2、断面２次モーメントI＝275000cm4、両端ピンで全長にわたり正曲げ（コンクリートスラブが圧縮側）となるので、合成梁として機能することを考慮して断面２次モーメントの割増係数を2.0、J＝550000cm4とする。
本体梁の長期鉛直たわみは中央部で1.8cmより、k1＝9.9tonf/cm＝9.7MN/m。
斜材のライズ（高低差）を800mmとすると、k2＝1.2tonf/cm＝1.2MN/m＝0.12k1。
付加バネとして皿バネ（外径28mm、内径14.2mm、厚さ1.6mm、荷重3760N）を20枚直列使用すると、その全体高さ（厚さ）45mm、バネ剛性k0＝0.37tonf/cm＝370kN/m＝0.038k1。
以上の諸元からψ0＝0.145m＝2.6ton。
固有値解析結果より、本体梁の１次固有振動数はf1＝4.07Hz、固有角振動数はω0＝2πf1＝25.6rad/sec。
付加振動系の減衰は１次振動数でh＝0.15として、c0＝2hω0ψ0＝20.0kN・sec/m＝19.6kgf/kine。
本体梁の構造減衰は１次に対してh＝0.01とした。
【００２９】
上記設計例の場合における梁中央部の変位応答倍率を図７に示す。縦軸の応答倍率とは加振力が静的に作用したときのたわみに対する比であり、横軸は１次固有角振動数ω0に対する加振角振動数の比を示す。「ダンパーあり」とは本発明の振動低減機構によるもの、「ダンパーなし・剛結」とは回転慣性質量ダンパーにおけるボールねじ機構を拘束して梁中央部で斜材を梁と一体化したもので、梁の剛性を増大したのと等価である。
図７から、本発明の振動低減機構により応答倍率が90％も低減されることが分かる。また、斜材を剛結した場合には単に共振点がやや高振動数側にシフトするだけで応答低減は期待できないことが分かる。
【００３０】
この場合、一般的なＴＭＤよりも大きな慣性質量を付与しているため、構造諸元の変動に鈍感（したがって再調整の必要が少ない）という特性がある。たとえば、構造体の剛性がコンクリートのクラック等により1/1.5に低下した場合（合成効果が大きく低下した場合）の応答倍率は図８（ａ）に示すものとなる。また、用途変更などにより床荷重が1.5倍に増大した場合の応答倍率を図８（ｂ）に示す。いずれも最適同調からずれてはいるが、制振なしの場合に比較して1/5以下と安定した応答低減効果を発揮しており、将来変化に対して同調作業をせずとも継続使用できると考えられる。なお、図８ではいずれもその時点の固有１次振動数を基準としている。
【００３１】
以上の検討は床上からの加振に対する応答であるが、本発明の振動低減機構は地震時の上下振動も大幅な応答低減が可能である。
上記設計例に対して本体梁の両端から上下動加振したときに応答倍率を図９に示す。床上からの加振モデルで同調させているために地震入力に対してはわずかに同調がずれているが、制振なしと比較すると共振点近傍において大幅な応答低減（約88％減）ができることが分かる。
【００３２】
上記の設計例おいて１人歩行時の加振入力を与えたときの応答を時刻歴応答解析により検討する。検討用の入力波形を図１０（ａ）に示す（加振力は約30kgf＝300N）。このフーリエスペクトルを（ｂ）に示すが、2Hz近傍が大きく卓越することがわかる。
本体梁の固有振動数が約4Hzなので、図７に示した応答倍率グラフの横軸ξ＝0.5の入力が卓越することになり、制振による応答低減効果はこの2Hz加振にはほとんど効果が得られないが、加振力による床梁の振動を速やかに減衰させる効果は充分に得られる。
図１１〜図１２はその場合の応答特性を制振なしの場合と比較して示すものである。本発明による制振により最大応答変位が52μmから42μmへと0.80倍に低減し、また最大応答加速度は3.6galから2.6galへと0.72倍に低減し、10秒以降の後揺れが急峻に収束することが分かる。ただし、2Hzの加振成分については制振による低減効果はやはり小さい。
日本建築学会の「建築物の振動に関する居住性能評価指針」にある鉛直振動に関する性能評価曲線にこの結果をプロットすると図１３に示すようになり、制振により一般的な事務所ビルでの性能（V−70）を満足する程度に納まることが分かる（応答結果をオクターブバンド処理せずに単に最大応答値だけで評価しているので、安全側だがやや過大評価となっている）。なお、床上での飛びはね等の衝撃荷重による後揺れについての特性は図１１〜図１２に示したようになるので、急峻に後揺れが減衰して居住性の向上を図ることができる。
【００３３】
上記設計例に対して上下動加振入力（地震）を与えたときの応答を検討する。検討用の地震動を図１４（ａ）に示す。これはやや長周期成分の多いHACHINOHE（上下動の最大加速度114gal）であり、これを梁両端から上下動入力する。このフーリエスペクトルを（ｂ）に示すが、2Hz近傍が大きく卓越することが分かる。
上記の上下動加振入力を与えたときの応答結果を図１５〜図１６に示す（地震波形は30秒であるが後揺れの検討のために40秒間の応答解析とする）。
本発明の制振により最大応答変位が20mmから10mmへと0．50倍に低減し、最大応答加速度は689galから307galへと0.45倍に低減し、30秒以降の後揺れが急峻に収束し、大きな振幅の回数も大幅に低減することが分かる。
【００３４】
本発明の振動低減機構の効果を以下に列挙する。
(1)従来のＴＭＤ機構と比較して小形軽量ながら大幅に応答低減できる機構である。回転慣性質量は実際の回転錘の数百倍〜千倍以上となり、これが従来のＴＭＤの付加質量と同じに機能することから、従来のＴＭＤでは実現できなかった大きな付加質量効果を付与できるためである。
(2)従来のＴＭＤでは付加質量を構造物の１〜３％程度しか与えることが現実的にできなかったが、本発明によれば１０〜５０％以上でも容易に実現できるので、風や交通振動のような小振幅だけでなく地震時の応答低減にも適用できる。
【００３５】
(3)設置後に構造体の剛性が変化したり、床荷重が変動したりした場合でも、再度同調作業しなくても応答低減効果を維持できる。
(4)本体梁の断面性能をアップさせても共振点が高振動数側に移動するだけであるが、本発明によれば大きな減衰性能を付与できるのではるかに大きな応答適限が図れる。
(5)各構成要素を全てローコストな部品で構成できるため、大スパン梁に対する従来の振動低減対策に比較してローコストでより大きな振動抑制ができ、コストパフォーマンスに優れた機構である。
(6)回転慣性質量ダンパーに作用する反力（負担力）は加振力よりも小さいので容易に対応できる。
(7)構造体にＴＭＤを設置する場合にはその重量が構造体躯体への負荷となるが、本発明の指導低減機構は従来のＴＭＤに較べて遙かに軽量であることから、これを設置しても構造体躯体に対して大きな負荷とならない。
(8)インパクトダンパーと異なり応答低減効果は振幅に依存せず、そのため微振動から大振幅まで幅広く対応できる。
【００３６】
(9)回転慣性質量ダンパーや斜材を本体梁の梁成の範囲内に納めることができるから、格別の設置スペースを必要としないし、階高や天井高に対する制約が少ない。また、斜材として平鋼等の小断面の鋼材を使用できるので省スペースであるばかりでなくローコストでもあり、付加バネによりプレストレスを導入するので座屈することがない。また、付加バネの剛性を調整することで同調周期を容易にかつ幅広く調整することができる。
【００３７】
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく各要素の具体的な構成は任意に変更可能である。たとえば本体梁はＨ形鋼に限らずその構造や断面は任意であることは言うに及ばず、回転慣性質量ダンパーとしては各種形式のものを任意に採用可能であるし、斜材を緊張するための付加バネも皿バネに限らずその形式や設置位置は任意である。
また、回転慣性質量ダンパーを作動させるための斜材の素材や張設の形態も、本体梁の側部において下に凸の折れ線状に張設する限りにおいて任意であって、たとえば図１７（ａ）に示すように斜材４の両端を本体梁１の両端部からやや内側の位置に固定することでも良い。
また、上記実施形態では斜材の中央１個所のみを折れ点として扁平なＶ状の折れ線状に張設したが、たとえば図１７（ｂ）に示すように斜材４の中間部に２個所の折れ点を設定したり、さらに多数個所に折れ点を設定して多折れ線状に張設しても良く、いずれにしても斜材４の各折れ点の位置にそれぞれ回転慣性質量ダンパー３を設置して適正な同調を行えば良い。
【００３８】
さらに、上記実施形態では付加振動系としての振動低減機構の固有振動数を主振動系としての本体梁の１次固有振動数に同調させるようにしたが、本体梁に機械振動のような特定の振動数の加振力が作用して共振を生じるような場合には、付加振動系の固有振動数をその特定の共振振動数に同調させることにより共振を防止することができる。したがって、共振問題を生じている既存梁に対して本発明を適用することによりそのような共振問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態である振動低減機構を示す概略構成図である。
【図２】同、固有振動数の同調についての説明図である。
【図３】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の正面図）である。
【図４】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の端部を示す図）である。
【図５】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の中央部を示す図）である。
【図６】同、具体的な構成例を示す図（回転慣性質量ダンパーの一例を示す図）である。
【図７】同、応答解析結果を示す図である。
【図８】同、応答解析結果を示す図である。
【図９】同、応答解析結果を示す図である。
【図１０】同、時刻歴応答解析に用いる加振入力波形を示す図である。
【図１１】同、応答解析結果を示す図である。
【図１２】同、応答解析結果を示す図である。
【図１３】同、応答解析結果による性能評価を示す図である。
【図１４】同、時刻歴応答解析に用いる地震動入力波形を示す図である。
【図１５】同、応答解析結果を示す図である。
【図１６】同、応答解析結果を示す図である。
【図１７】同、他の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 本体梁
２ 振動低減機構
３ 回転慣性質量ダンパー
４ 斜材
５ 付加バネ
６ 付加減衰
１０ ボールねじ機構
１１ ボールねじ軸
１２ ボールナット
１３ フライホイール
１４ ケーシング
１５ ブラケット
１６ ストッパー
１７ ロックナット
１８ 補強リブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は建物や各種構造物の構造躯体としての梁、特に大スパン梁を対象として上下方向の振動を低減させるための機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
梁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所謂チューンド・マス・ダンパー（Tunned Mass Danper：ＴＭＤ）を利用することが考えられる。ＴＭＤは構造物に付加バネを介して付加質量を接続し、それら付加バネと付加質量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ことによって共振点近傍における応答を低減するものであって、これを梁のスパン中央部に設置することで梁の振動を低減する装置が実用化されている。
【０００３】
また、特許文献２には、本体梁に対して付加梁を設置してそれらの間に回転慣性質量ダンパーを介装することにより、小質量の回転錘により得られる大きな回転慣性質量を付加質量として利用してＴＭＤとして機能させる構成の振動低減機構が提案されている。
【０００４】
さらに、特許文献３には、歩道橋等の大スパン構造に対する制振対策として補助質量をトグル機構によって増幅させるシステムについての記載がある。
【特許文献１】特開昭６３−１５６１７１号公報
【特許文献２】特開２００８−１１５５５２号公報
【特許文献３】国際公開２００５／１１６４８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されるような従来一般のＴＭＤを梁を対象とする振動減衰機構として利用する場合、充分な振動低減効果を得るためには付加質量を充分に大きくする必要があり、必然的に大型大重量でコスト高とならざるを得ない。また、振動低減を目的とするとはいえ梁にあまり大きな質量を付加することは応力が増加することから基本的に好ましいことではないし、ＴＭＤが大型大重量になるほど設置位置や設置スペースに関しての制約も大きくなるので、通常は付加質量を梁の質量の１〜３％程度とすることが現実的であり、したがって振動低減効果にも自ずと限界がある。
【０００６】
特許文献２に示されるような回転慣性質量ダンパーによる振動低減機構は実際の付加質量を軽減できるが、実質的に梁を二重（ダブル）に設ける必要があるので、そのために躯体全体が複雑化してしまうし、付加梁の設置スペースを確保するために通常は階高を大きくしなければならないから一般的な建物には適用し難い。また、付加梁を本体梁の側部に設ける場合には実質的に梁貫通が不可能になることから、天井懐内での設備配管類やダクト類の取り回しに大きな制約が生じ、したがって有効天井高を小さくするか階高を大きくする必要があってやはり現実的ではない。
【０００７】
特許文献３には、回転慣性質量ダンパーではなく付加質量をもつトグル機構による変形増幅についての理論が記載されているに過ぎず、それを実際の梁に組み込む場合の具体的な構成についての開示はなく、ＴＭＤとしての同調条件も示されておらず、直ちに実用化し得るものでもない。
【０００８】
上記事情に鑑み、本発明は梁の上下振動を低減させるための有効適切な機構、特に従来一般のＴＭＤによる場合のように大きな付加質量を必要とせず（鉛直方向あるいは水平方向に振動する付加質量は要しない）、また付加梁を必要とすることもなく、実質的に梁それ自体で充分な減衰効果が得られるような有効適切な振動低減機構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】
【０００９】
請求項１記載の発明は、振動を抑制すべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための機構であって、前記本体梁の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパーを設置し、前記回転慣性質量ダンパーに対して前記本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材を該本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設して、該斜材の両端部をそれぞれ前記本体梁の両端上部に連結するとともに該斜材の中間部を前記回転慣性質量ダンパーに連結し、前記斜材を付加バネにより緊張してプレストレスを導入し、前記回転慣性質量ダンパーと前記斜材と前記付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の梁の振動低減機構において、前記回転慣性質量ダンパーは、前記本体梁の上下方向の振動を回転運動に変換するボールねじ機構と、該ボールねじ機構により回転せしめられて回転慣性質量を生じるフライホイールと、それらボールねじ機構とフライホイールを収容するケーシングとを備えてなり、前記ケーシングを前記本体梁に対して固定するとともに、前記ボールねじ機構を構成しているボールねじ軸に対して前記斜材を連結し、前記付加バネを前記ボールねじ軸と前記本体梁との間に介装することにより、該付加バネによって前記ボールねじ軸を介して前記斜材を緊張することにより該斜材に対してプレストレスを導入してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の梁の振動低減機構において、前記本体梁はＨ形鋼からなり、前記斜材は前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブと上フランジと下フランジとの間に配置される帯鋼からなり、前記回転慣性質量ダンパーは、前記ケーシングが前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブに対して固定されるとともに、前記ボールねじ軸が該Ｈ形鋼の下フランジを挿通してその先端部にストッパーが固定され、前記付加バネは、前記ボールねじ軸の先端部に固定された前記ストッパーと前記本体梁としてのＨ形鋼の下フランジとの間に介装された皿バネからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転慣性質量ダンパーが備える質量の錘の数百倍以上もの回転慣性質量が得られるから、小形軽量の機構でありながら大質量の付加質量による通常のＴＭＤを設置する場合と同等の制振効果が得られ、本体梁に大きな負荷がかかることもない。
また、回転慣性質量ダンパーと斜材は本体梁の梁成の範囲内に設置することも可能であり、これを設置するための格別のスペースを確保する必要はないし、有効天井高が小さくなり階高を大きくする必要も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態である振動低減機構の概要を図１に示す。
図中、符号１は振動低減対象の本体梁であり、２はその本体梁１の上下振動を低減するべく本体梁１の側部に組み付けられた振動低減機構である。
【００１４】
振動低減機構２は、主振動系としての本体梁１に対して付加振動系として付加されるものであって、本体梁１の曲げ変形による上下振動によって作動する回転慣性質量ダンパー３と、本体梁１の上下振動を回転慣性質量ダンパー３に伝達してそれを作動させるための斜材４と、斜材４を緊張してプレストレスを導入するための付加バネ５とにより構成されている。
【００１５】
回転慣性質量ダンパー３は、特許文献２に示される振動低減機構において用いられているものと同様に、たとえば本体梁１の上下振動をボールねじ機構を介して小質量のフライホイールの回転運動に変換し、それにより生じる回転慣性質量ψ0を付加質量として利用してＴＭＤとして機能せしめることで制振効果を得る構成のものであり、本実施形態では１台の回転慣性質量ダンパー３を本体梁１の中央部に設置している。
【００１６】
斜材４は本体梁１の上下振動を回転慣性質量ダンパー３に伝達してそれを作動させるもので、その素材としては充分な引張強度を有する各種の引張材（たとえば帯鋼や丸鋼、鋼管等の鋼材、あるいはＰＣ鋼線等の弦材）が用いられ、その両端が本体梁２の両端上部に固定されるとともに中央部が回転慣性質量ダンパー３に対して連結されることにより、全体として下に凸の折れ線状（図示例の場合には扁平なＶ状）をなすように張設されている。
【００１７】
付加バネ５は構造的には回転慣性質量ダンパー３と並列に配置されるもので、斜材４を緊張して所定の張力（プレストレス）を導入することによりその座屈を防止し、かつこの付加バネ５の剛性k0の調整により振動低減機構２全体の固有振動数の設定を行うためのものである。
なお、回転慣性質量ダンパー３と付加バネ５に対してさらに並列に付加減衰６を配置するが、回転慣性質量ダンパー３自体に摩擦、粘性体、磁気抵抗機構などの減衰要素を組み込んで付加減衰６を省略することも可能である。
【００１８】
本実施形態の振動低減機構２では、回転慣性質量ダンパー３と斜材４と付加バネ５とにより構成される付加振動系の固有振動数f0を、主振動系としての本体梁の１次固有振動数f1に同調させることを主眼とする。
具体的には、図２に示すように、回転慣性質量ダンパー３の設置位置において、斜材４と付加バネ５と本体梁１だけからなる構造体に対して、回転慣性質量ダンパー３の上下端に荷重Ｐが作用したときの上端での変位をδ1、下端での変位をδ2、したがって上下端の鉛直変位をδ＝δ1＋δ2とし、そのときに生じる回転慣性質量がψ0であるとき、次式のように振動低減機構２の固有振動数f0を本体梁の１次固有振動数f1に同調させる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
そして、そのような同調を行うためには、本体梁１の有効質量mに対する回転慣性質量ψ0の比ψ0/mを、本体梁１の剛性k1、斜材４の鉛直剛性k2、付加バネ５の剛性k0に基づき、次式の関係を満たすように設定すれば良い（具体的には図２に示す演算過程参照）。つまり、与条件としての本体梁１の質量mと剛性k1に対し、次式を満足するように回転慣性質量ψ0、斜材４の鉛直剛性k2、付加バネ５の剛性k0の諸元を適正に設定すれば良い。
なお、回転慣性質量ψ0はフライホイールの質量やその径寸法、厚さ、径方向の質量分布の調整により自由にかつ幅広く調整可能であるし、付加バネ５の剛性k0や斜材４の鉛直剛性k2等の諸元の調整も同様であるから、固有振動数の同調は容易に行うことができる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
以上により、本実施形態の振動低減機構では、本体梁１に対して回転慣性質量ψ0を付加質量とするＴＭＤを設置した場合と同じ振動低減効果を発揮し得るものとなる。この場合、回転慣性質量ダンパー３が備えるフライホイールの実際の質量は上記の回転慣性質量（付加質量）ψ0の数百分の１以下で済むから、特許文献１に示されるような通常のＴＭＤを設置する場合のように本体梁に大きな負荷がかかることはない。
勿論、特許文献２に示されるような付加梁は必要としないし、後述する具体例のように回転慣性質量ダンパー３と斜材４は本体梁１の梁成の範囲内に設置することも可能であるので、これを設置するための格別のスペースを確保する必要はないし、有効天井高が小さくなったり、階高を大きくする必要も生じない。
【００２３】
以上で本実施形態の振動低減機構２の概要を説明したが、具体的な構成例を図３〜図６を参照して説明する。
本例では本体梁１としてＨ形鋼を採用し、振動低減機構２を本体梁１の一方の側部においてその断面内、つまりウェブと上フランジと下フランジとにより囲まれる範囲内に配置するようにしたものである。
【００２４】
また、回転慣性質量ダンパー３は、図６に示すように、ボールねじ軸１１とボールナット１２から構成される周知のボールねじ機構１０と、ボールナット１２に連結されたフライホイール１３と、それらを収容するケーシング１４からなり、ボールねじ軸１１がボールナット１２およびケーシング１４に対してその軸方向（上下方向）に変位するとフライホイール１３がボールナット１２とともに回転せしめられて回転慣性質量ψ0を生じるものである。本例ではナット回転型のボールねじ機構１０を利用しており、ボールねじ軸１１は回転せず軸方向に出入りするだけである。
なお、付加減衰６として機能する適宜の減衰要素を一体に組み込むことが好ましく、それにより格別の付加減衰を設置する必要がない。例えば、ボールねじとナット部の摩擦トルクを減衰することもでき、予圧を調整することで摩擦トルクを設定できる。
本例においては、図５に示すように回転慣性質量ダンパー３を本体梁１のウェブに対してブラケット１５により固定し、ケーシング１４から下方に突出しているボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１の先端に連結した他のねじ軸）の中間部に斜材４を連結している。また、ボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１の先端に連結した他のねじ軸）の先端部を下フランジに形成されている孔内に挿通させ、その最先端部にはストッパー１６を螺着してストッパー１６と下フランジとの間に付加バネ５を介装している。
【００２５】
斜材４としては帯鋼が用いられており、図３に示すようにその両端が本体梁１の両端上部に固定され、中央部が上記のように回転慣性質量ダンパー３におけるボールねじ軸１１に対して上下のロックナット１７により挟持されて連結されることにより、斜材４の全体が下に凸の折れ線状（図示例の場合には本体梁１の全長にわたる扁平なＶ状）をなすように張設されている。
【００２６】
付加バネ５としては皿バネが用いられており、その付加バネ５がボールねじ軸１１のストッパー１６と下フランジとの間に介装されることにより、斜材４はボールねじ軸１１を介して付加バネ５により下方に付勢されることによってプレストレスが導入された状態で張設されている。
【００２７】
上記の振動低減機構２を本体梁１に組み付けるための具体的な手順を詳細に説明する。
本体梁１の側部に斜材４を折れ線状に配置してその両端部を本体梁１の両端上部に固定する。回転慣性質量ダンパー３を本体梁１のウェブに固定する際には、ボールねじ軸１１をケーシング１４内に最大限引っ込めた状態でそのボールねじ軸１１（もしくはボールねじ軸１１を下方に延長するようにそれに連結した他のねじ軸）に上側のロックナット１７を螺着し、ボールねじ軸１１を斜材４の中間部に形成しておいた貫通孔に挿通させた後に下側のロックナット１７を螺着して、上下のロックナット１７により斜材４をボールねじ軸１１に対して連結する。
同時に、ボールねじ軸１１の先端部を本体梁１の下フランジに形成しておいた貫通孔に挿通させ、そこに付加バネ５（皿バネ）を装着してストッパー１６を螺着する。
斜材４に対するプレストレスの導入はストッパー１６の締め付け力を調整してボールねじ軸１１を介して斜材を下方に引き寄せることで行うが、導入張力が大きい場合には多数の皿バネを重ねて使用すれば良い。
なお、図４〜図５に示すように本体梁１の要所には補強リブ１８を取り付ければ良い。
【００２８】
以下、上記実施形態の振動低減機構２のより具体的な設計例とその効果について説明する。
本体梁をスパン16.5mの鉄骨梁（H-900×250×12×22）とし、床荷重は構造体を含め0.6tonf/m2とする。等価な振動モデルにおいて、構造体有効質量m＝0.6×3.6×16.5/2＝17.8ton、本体梁の断面積A＝213cm2、断面２次モーメントI＝275000cm4、両端ピンで全長にわたり正曲げ（コンクリートスラブが圧縮側）となるので、合成梁として機能することを考慮して断面２次モーメントの割増係数を2.0、J＝550000cm4とする。
本体梁の長期鉛直たわみは中央部で1.8cmより、k1＝9.9tonf/cm＝9.7MN/m。
斜材のライズ（高低差）を800mmとすると、k2＝1.2tonf/cm＝1.2MN/m＝0.12k1。
付加バネとして皿バネ（外径28mm、内径14.2mm、厚さ1.6mm、荷重3760N）を20枚直列使用すると、その全体高さ（厚さ）45mm、バネ剛性k0＝0.37tonf/cm＝370kN/m＝0.038k1。
以上の諸元からψ0＝0.145m＝2.6ton。
固有値解析結果より、本体梁の１次固有振動数はf1＝4.07Hz、固有角振動数はω0＝2πf1＝25.6rad/sec。
付加振動系の減衰は１次振動数でh＝0.15として、c0＝2hω0ψ0＝20.0kN・sec/m＝19.6kgf/kine。
本体梁の構造減衰は１次に対してh＝0.01とした。
【００２９】
上記設計例の場合における梁中央部の変位応答倍率を図７に示す。縦軸の応答倍率とは加振力が静的に作用したときのたわみに対する比であり、横軸は１次固有角振動数ω0に対する加振角振動数の比を示す。「ダンパーあり」とは本発明の振動低減機構によるもの、「ダンパーなし・剛結」とは回転慣性質量ダンパーにおけるボールねじ機構を拘束して梁中央部で斜材を梁と一体化したもので、梁の剛性を増大したのと等価である。
図７から、本発明の振動低減機構により応答倍率が90％も低減されることが分かる。また、斜材を剛結した場合には単に共振点がやや高振動数側にシフトするだけで応答低減は期待できないことが分かる。
【００３０】
この場合、一般的なＴＭＤよりも大きな慣性質量を付与しているため、構造諸元の変動に鈍感（したがって再調整の必要が少ない）という特性がある。たとえば、構造体の剛性がコンクリートのクラック等により1/1.5に低下した場合（合成効果が大きく低下した場合）の応答倍率は図８（ａ）に示すものとなる。また、用途変更などにより床荷重が1.5倍に増大した場合の応答倍率を図８（ｂ）に示す。いずれも最適同調からずれてはいるが、制振なしの場合に比較して1/5以下と安定した応答低減効果を発揮しており、将来変化に対して同調作業をせずとも継続使用できると考えられる。なお、図８ではいずれもその時点の固有１次振動数を基準としている。
【００３１】
以上の検討は床上からの加振に対する応答であるが、本発明の振動低減機構は地震時の上下振動も大幅な応答低減が可能である。
上記設計例に対して本体梁の両端から上下動加振したときに応答倍率を図９に示す。床上からの加振モデルで同調させているために地震入力に対してはわずかに同調がずれているが、制振なしと比較すると共振点近傍において大幅な応答低減（約88％減）ができることが分かる。
【００３２】
上記の設計例おいて１人歩行時の加振入力を与えたときの応答を時刻歴応答解析により検討する。検討用の入力波形を図１０（ａ）に示す（加振力は約30kgf＝300N）。このフーリエスペクトルを（ｂ）に示すが、2Hz近傍が大きく卓越することがわかる。
本体梁の固有振動数が約4Hzなので、図７に示した応答倍率グラフの横軸ξ＝0.5の入力が卓越することになり、制振による応答低減効果はこの2Hz加振にはほとんど効果が得られないが、加振力による床梁の振動を速やかに減衰させる効果は充分に得られる。
図１１〜図１２はその場合の応答特性を制振なしの場合と比較して示すものである。本発明による制振により最大応答変位が52μmから42μmへと0.80倍に低減し、また最大応答加速度は3.6galから2.6galへと0.72倍に低減し、10秒以降の後揺れが急峻に収束することが分かる。ただし、2Hzの加振成分については制振による低減効果はやはり小さい。
日本建築学会の「建築物の振動に関する居住性能評価指針」にある鉛直振動に関する性能評価曲線にこの結果をプロットすると図１３に示すようになり、制振により一般的な事務所ビルでの性能（V−70）を満足する程度に納まることが分かる（応答結果をオクターブバンド処理せずに単に最大応答値だけで評価しているので、安全側だがやや過大評価となっている）。なお、床上での飛びはね等の衝撃荷重による後揺れについての特性は図１１〜図１２に示したようになるので、急峻に後揺れが減衰して居住性の向上を図ることができる。
【００３３】
上記設計例に対して上下動加振入力（地震）を与えたときの応答を検討する。検討用の地震動を図１４（ａ）に示す。これはやや長周期成分の多いHACHINOHE（上下動の最大加速度114gal）であり、これを梁両端から上下動入力する。このフーリエスペクトルを（ｂ）に示すが、2Hz近傍が大きく卓越することが分かる。
上記の上下動加振入力を与えたときの応答結果を図１５〜図１６に示す（地震波形は30秒であるが後揺れの検討のために40秒間の応答解析とする）。
本発明の制振により最大応答変位が20mmから10mmへと0．50倍に低減し、最大応答加速度は689galから307galへと0.45倍に低減し、30秒以降の後揺れが急峻に収束し、大きな振幅の回数も大幅に低減することが分かる。
【００３４】
本発明の振動低減機構の効果を以下に列挙する。
(1)従来のＴＭＤ機構と比較して小形軽量ながら大幅に応答低減できる機構である。回転慣性質量は実際の回転錘の数百倍〜千倍以上となり、これが従来のＴＭＤの付加質量と同じに機能することから、従来のＴＭＤでは実現できなかった大きな付加質量効果を付与できるためである。
(2)従来のＴＭＤでは付加質量を構造物の１〜３％程度しか与えることが現実的にできなかったが、本発明によれば１０〜５０％以上でも容易に実現できるので、風や交通振動のような小振幅だけでなく地震時の応答低減にも適用できる。
【００３５】
(3)設置後に構造体の剛性が変化したり、床荷重が変動したりした場合でも、再度同調作業しなくても応答低減効果を維持できる。
(4)本体梁の断面性能をアップさせても共振点が高振動数側に移動するだけであるが、本発明によれば大きな減衰性能を付与できるのではるかに大きな応答適限が図れる。
(5)各構成要素を全てローコストな部品で構成できるため、大スパン梁に対する従来の振動低減対策に比較してローコストでより大きな振動抑制ができ、コストパフォーマンスに優れた機構である。
(6)回転慣性質量ダンパーに作用する反力（負担力）は加振力よりも小さいので容易に対応できる。
(7)構造体にＴＭＤを設置する場合にはその重量が構造体躯体への負荷となるが、本発明の指導低減機構は従来のＴＭＤに較べて遙かに軽量であることから、これを設置しても構造体躯体に対して大きな負荷とならない。
(8)インパクトダンパーと異なり応答低減効果は振幅に依存せず、そのため微振動から大振幅まで幅広く対応できる。
【００３６】
(9)回転慣性質量ダンパーや斜材を本体梁の梁成の範囲内に納めることができるから、格別の設置スペースを必要としないし、階高や天井高に対する制約が少ない。また、斜材として平鋼等の小断面の鋼材を使用できるので省スペースであるばかりでなくローコストでもあり、付加バネによりプレストレスを導入するので座屈することがない。また、付加バネの剛性を調整することで同調周期を容易にかつ幅広く調整することができる。
【００３７】
以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく各要素の具体的な構成は任意に変更可能である。たとえば本体梁はＨ形鋼に限らずその構造や断面は任意であることは言うに及ばず、回転慣性質量ダンパーとしては各種形式のものを任意に採用可能であるし、斜材を緊張するための付加バネも皿バネに限らずその形式や設置位置は任意である。
また、回転慣性質量ダンパーを作動させるための斜材の素材や張設の形態も、本体梁の側部において下に凸の折れ線状に張設する限りにおいて任意であって、たとえば図１７（ａ）に示すように斜材４の両端を本体梁１の両端部からやや内側の位置に固定することでも良い。
また、上記実施形態では斜材の中央１個所のみを折れ点として扁平なＶ状の折れ線状に張設したが、たとえば図１７（ｂ）に示すように斜材４の中間部に２個所の折れ点を設定したり、さらに多数個所に折れ点を設定して多折れ線状に張設しても良く、いずれにしても斜材４の各折れ点の位置にそれぞれ回転慣性質量ダンパー３を設置して適正な同調を行えば良い。
【００３８】
さらに、上記実施形態では付加振動系としての振動低減機構の固有振動数を主振動系としての本体梁の１次固有振動数に同調させるようにしたが、本体梁に機械振動のような特定の振動数の加振力が作用して共振を生じるような場合には、付加振動系の固有振動数をその特定の共振振動数に同調させることにより共振を防止することができる。したがって、共振問題を生じている既存梁に対して本発明を適用することによりそのような共振問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態である振動低減機構を示す概略構成図である。
【図２】同、固有振動数の同調についての説明図である。
【図３】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の正面図）である。
【図４】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の端部を示す図）である。
【図５】同、具体的な構成例を示す図（本体梁の中央部を示す図）である。
【図６】同、具体的な構成例を示す図（回転慣性質量ダンパーの一例を示す図）である。
【図７】同、応答解析結果を示す図である。
【図８】同、応答解析結果を示す図である。
【図９】同、応答解析結果を示す図である。
【図１０】同、時刻歴応答解析に用いる加振入力波形を示す図である。
【図１１】同、応答解析結果を示す図である。
【図１２】同、応答解析結果を示す図である。
【図１３】同、応答解析結果による性能評価を示す図である。
【図１４】同、時刻歴応答解析に用いる地震動入力波形を示す図である。
【図１５】同、応答解析結果を示す図である。
【図１６】同、応答解析結果を示す図である。
【図１７】同、他の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 本体梁
２ 振動低減機構
３ 回転慣性質量ダンパー
４ 斜材
５ 付加バネ
６ 付加減衰
１０ ボールねじ機構
１１ ボールねじ軸
１２ ボールナット
１３ フライホイール
１４ ケーシング
１５ ブラケット
１６ ストッパー
１７ ロックナット
１８ 補強リブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を抑制すべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための機構であって、
前記本体梁の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパーを設置し、
前記回転慣性質量ダンパーに対して前記本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材を該本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設して、該斜材の両端部をそれぞれ前記本体梁の両端上部に連結するとともに該斜材の中間部を前記回転慣性質量ダンパーに連結し、
前記斜材を付加バネにより緊張してプレストレスを導入し、
前記回転慣性質量ダンパーと前記斜材と前記付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【請求項２】
請求項１記載の梁の振動低減機構であって、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記本体梁の上下方向の振動を回転運動に変換するボールねじ機構と、該ボールねじ機構により回転せしめられて回転慣性質量を生じるフライホイールと、それらボールねじ機構とフライホイールを収容するケーシングとを備えてなり、前記ケーシングを前記本体梁に対して固定するとともに、前記ボールねじ機構を構成しているボールねじ軸に対して前記斜材を連結し、
前記付加バネを前記ボールねじ軸と前記本体梁との間に介装することにより、該付加バネによって前記ボールねじ軸を介して前記斜材を緊張することにより該斜材に対してプレストレスを導入してなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【請求項３】
請求項２記載の梁の振動低減機構であって、
前記本体梁はＨ形鋼からなり、
前記斜材は前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブと上フランジと下フランジとの間に配置される帯鋼からなり、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記ケーシングが前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブに対して固定されるとともに、前記ボールねじ軸が該Ｈ形鋼の下フランジを挿通してその先端部にストッパーが固定され、
前記付加バネは、前記ボールねじ軸の先端部に固定された前記ストッパーと前記本体梁としてのＨ形鋼の下フランジとの間に介装された皿バネからなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【請求項１】
振動を抑制すべき対象の本体梁に組み付けられて該本体梁の上下方向の振動を抑制するための機構であって、
前記本体梁の長さ方向中間部に該本体梁の上下方向の振動により作動する回転慣性質量タンパーを設置し、
前記回転慣性質量ダンパーに対して前記本体梁の曲げ変形を伝達するための斜材を該本体梁の側部において下に凸の折れ線状をなすように張設して、該斜材の両端部をそれぞれ前記本体梁の両端上部に連結するとともに該斜材の中間部を前記回転慣性質量ダンパーに連結し、
前記斜材を付加バネにより緊張してプレストレスを導入し、
前記回転慣性質量ダンパーと前記斜材と前記付加バネとにより構成される付加振動系の固有振動数を、主振動系としての前記本体梁の固有振動数に同調させてなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【請求項２】
請求項１記載の梁の振動低減機構であって、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記本体梁の上下方向の振動を回転運動に変換するボールねじ機構と、該ボールねじ機構により回転せしめられて回転慣性質量を生じるフライホイールと、それらボールねじ機構とフライホイールを収容するケーシングとを備えてなり、前記ケーシングを前記本体梁に対して固定するとともに、前記ボールねじ機構を構成しているボールねじ軸に対して前記斜材を連結し、
前記付加バネを前記ボールねじ軸と前記本体梁との間に介装することにより、該付加バネによって前記ボールねじ軸を介して前記斜材を緊張することにより該斜材に対してプレストレスを導入してなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【請求項３】
請求項２記載の梁の振動低減機構であって、
前記本体梁はＨ形鋼からなり、
前記斜材は前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブと上フランジと下フランジとの間に配置される帯鋼からなり、
前記回転慣性質量ダンパーは、前記ケーシングが前記本体梁としてのＨ形鋼のウェブに対して固定されるとともに、前記ボールねじ軸が該Ｈ形鋼の下フランジを挿通してその先端部にストッパーが固定され、
前記付加バネは、前記ボールねじ軸の先端部に固定された前記ストッパーと前記本体梁としてのＨ形鋼の下フランジとの間に介装された皿バネからなることを特徴とする梁の振動低減機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−３８３１８（Ｐ２０１０−３８３１８Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０４２１６（Ｐ２００８−２０４２１６）
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００２２９９）清水建設株式会社 (2,433)
【Ｆターム（参考）】
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