JPH041375A - 多自由度動吸振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野− この発明は、地震や風外乱等により構造物に発生する複
数の振動モードからなる振動を抑制する多自由度動吸振
方法及び多自由度動吸振装置に関するしのであり、特に
高層構造物の快適性を増す１こぬの効率的な振動抑制を
行ない得る多自由度動吸振方法及び多自由度動吸振装置
に関するしのである。

［゛従来技術およびその課題　１ 従来、構造物の振動を抑制する動吸振装置としては次に
挙げる２種類の装置が一般に知られている。その１つは
、制振すべき構造物の所定の位置に、移動可能な慣性質
量体と、この慣性質量体と構造物との間に設置されこの
慣性質量体を水平方向Ｊこ移動可能に支持するア１７−
Ｆ−ユエータとを具備±る能動的な動吸振装置であり、
他の１つは、前記移動可能な慣性質量体に所定の弾性部
材とダンパーを結合する構造、あるいは前記慣性質量体
を振り子構造とする受動的な動吸振装置である。

能動的な動吸振装置の場合は、構造物の振動に応じてこ
の振動を制御するので、振動を吸収−するのに必要なエ
ネルギーをすべて外部から供給する必要かど）す、高層
構造物におし１てはそのエネルギー量か莫大なものとな
り、現在の技術レヘルては比較的重量の軽い構造物にし
か適用できないしのである。また、受動的な動吸振装置
の場合は、構造物の特定の振動モードの振幅を低減させ
るので、振動を吸収するのに必要なエネルギーを外部か
ら供給する必要がないか、特定の振動モードずｔ２Ｄち
特定の振動数範囲にしか効果がなく、地震のように広い
振動数帯域に亙る場合にはその低減効果はあまり期待て
きない。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされｆ：も−）で、
複数の振動モードを有する振動に対して振動抑制効果−
があり、しかも振動を吸収するのに必要なエネルギーを
外部から供給する必要のない多自由度動吸振方法及び多
自由度動吸振装置を提供することにある。

一課題を解決するにめの手段。

上記課題を解決するにめに、この発明は次のような多自
由度動吸振方法しび多自由度動吸振装置を採用した。

二の発明のうち、請求項１記載の多自由度動吸振方法は
、構造物の所定９）位置に複数の慣性質量体を移動自在
に設置＋、該慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣
性質量体相互間のそれぞれにバネおよびダンパーを設け
、地震や風等の外力により１１ｊ記構造物に複数の振動
モードからなる振動か励起された場合に、前記構造物の
複数の固有振動数に対応する固有振動数を持つように該
バネお上ひダ〉・パーを設定することにより、前記構造
物に励起さｔｌ、ｊコ振動を抑制することを特徴として
いる。

ま几、請求項２紀載の多自由度動吸振装置は、構造物の
所定の位置に設置されて地震や風等の・外力によｉ）前
記構造物に励起される複数９・）振動モードからなる振
動を抑制する多自由度動吸振装置てあ−・て、前記多自
由度動吸振装置は、水平方向移動自在；−装置される複
数の慣性質量体と、該慣性質へ１体と前記構造物とＣ）
間及び前記慣性質量体相に間、″）そオ”ぞれに設（＋
られ前記構造物の振動を抑制オるＩＬぬのタンパ−と、
前記慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣性質量体
相互間のそれぞれに介挿され、前記慣性質量体と前記構
造物及び前記慣性質量体相互間に弾性部材とを具備する
ことを特徴どしている。

ま１こ、請求項３記載の多自由度動吸振装置は、構造物
の所定の位置に暫吊されて地震や風等の外力により前記
構造物に励起されろ複数の振動モードからなる振動を抑
制する多自由度動吸振装置てあ−て、而記多自由度動吸
振装置は、前記構造物に懸吊される複数の慣性質量体と
、該慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣性質量体
相互間のそれぞれに設けられｆこダンパーとを口９備オ
ろ：とを特徴としている。

作用 この発明に係る多自由、変動吸振方法及び多自由度動吸
振装置においては、地震や風等の外力により構造物に複
数の振動モードからなる振動か励起され几場合、次の様
な作用を有才ろ。オな−）ち、請求項１記載の多自由度
動吸振方法におし）では、慣性質量体と構造物との間支
び慣性質量体相互間のそれぞれにバネおよびタンパ−を
設けることにより、地震や風等の外力により構造物に発
生する振動エネルギーをこれらの慣性質量体よ−）よび
ダンパーか吸収し、水平方向の振動を抑制する。

ま几、請求項２記載の多自由度動吸振装置においては、
地震や風等の外力により構造物に複数の振動モードから
なる振動が励起された場合、慣性質量体と構造物との間
及び慣性質量体相互間のそれぞれに設けられ１こ弾性部
材およびダンパーは、前記構造物に発生した振動エネル
ギーを吸収あるいは前記慣性質量体に移動し、前記構造
物に励起された振動を抑制する。

また、請求項３記載の多自由度動吸振装置においては、
地震や風等の外力により構造物に複数の振動モードから
なる振動か励起されｊニ場合、構造物に懸吊された複数
の慣性質量体と前記構造物との間皮び萌記慣性質量体相
互間のそれぞれに設けら’Ｐ＋、　７−ダンパーは、前
記構造物に発生した振動エネルギーを吸収あるいは前記
慣性質量体に移動し、前記構造物に励起された振動を抑
制する。

一実施例　。

以下、この発明の実施例について図面に基づいて説明す
る。

まオ、請求項２記載の多自由度動吸振装置について第１
図及び第２図を基に説明する。

第１図は、この発明に係る多自由度動吸振装置Ａを制振
ずべき構造物Ｂの頂部Ｂ１の所定の位置に搭載した状態
を示す図である。

この多自由度動吸振装置Ａは、複数の慣性質量体１〜３
、複数のダンパー１１−１３、複数の弾性部材２１〜２
３とから略構成されている。

慣性質量体１〜３は、大きな慣性を有する直方体状のも
のである。これらの慣性質量体１〜３は構造物Ｂの頂部
Ｂ１の所定の位置に一直線上に配置され、それぞれが水
平方向（第１図中左右方向）に移動自在である。

ダンパー１１−１３および弾性部材２１〜２３は、構造
物Ｂの複数の固有振動数と対応する固有振動数を持つ様
な所定の定数を持つものであり、構造物Ｂの振動を抑制
するためのものである。こと、らのうちダンパー１１は
、構造物Ｂの項部Ｂ１から垂直上方に突出する支柱３１
と慣性質量体ｌとの間に位置し、一端部が支柱３１に、
他端部が慣性質量体ｌにそれぞれ取り付けられている。

このダンパーＩＩの軸線及び作動方向は慣性質量体１〜
３の移動方向と同一である。また、ダンパー１２は慣性
質量体ｌと慣性質量体２との間に位置し、一端部が慣性
質量体ｌに、他端部が慣性質量体２にそれぞれ取り付け
られている。また、ダンパー１３は慣性質量体２と慣性
質量体３との間に位置し、一端部か慣性質量体２に、他
端部が慣性質量体３にそれぞれ取り付けられている。こ
れらのダンパー！　２．１３のそれぞれの軸線及び作動
方向はダンパー１１の軸線及び作動方向と同一である。

弾性部材２１は、支柱３１と慣性質量体１との間に介挿
され、一端部か支柱３１に、他端部が慣性質量体１にそ
れぞれ取り付ｌすられでいる。この弾性部材２１の軸線
及び作動方向は慣性質量体１〜３の移動方向と同一であ
る。また、弾性部材２２は慣性質量体ｌと慣性質量体２
との間に位置し、端部が慣性質量体ｌに、他端部が慣性
質量体２にそ杖ぞれ取り何口られている。また、弾性部
材２３は慣性質量体２と慣性質量体３との間に位置し、
一端部か慣性質量体２に、他端部が慣性質量体３にそれ
ぞれ取り付けられている。これらの弾性部材２２．２３
のそれぞれの軸線及び作動方向は弾性部材２１の軸線及
び作動方向と同一である。

次に、請求項１記載の多自由度動吸振装置に基ついて、
上記の多自由度動吸振装置Ａの作用等について説明する
。

地震や風等の外力により構造物Ｂに複数の振動モードか
らなる振動が発生すると、構造物Ｈに振動エネルギーか
蓄積される。この振動エネルギーのうち、本多自由度動
吸振装置Ａの固有振動数近辺の成分は、容易に構造物Ｂ
から多自由度動吸振装置Ａに移動し、結果的に構造物Ｂ
の振動を抑制する。

次に、多自由度動吸振装置Ａを制振すべき構造物Ｂの頂
部の所定の位置に搭載した場合の振動抑制効果について
述へる。

第２図は、振動抑制効果を応答倍率で表し１こらので、
応答倍率の振動数（ｒａｄ／　５ｅｃ）依存性をクラフ
化したものである。破線で示す曲線が、多自由度動吸振
装置Ａを搭載しない通常の構造物Ｂの応答倍率であり、
実線で示す曲線が、多自由度動吸振装置Ａを構造物Ｂに
搭載した場合の応答倍率である。

この図において、多自由度動吸振装置Ａを構造物Ｂに搭
載した場合では、通常の構造物Ｂの場合と比較して応答
倍率が大幅に低減されていることが明らかである。しか
も、異なる振動数の値について一様に低減されているこ
とから、広い振動数帯域について良好な振動抑制効果を
有することが明らかである。

以上詳細に説明した様に、多自由度動吸振装置Ａは、水
平方向移動自在に設置される複数の慣性質量体１〜３と
、慣性質量体ｌと構造物Ｂとの間及び慣性質量体１．２
（２，３）間のそれぞれに設（Ｊられるダンパー１１〜
１３と、慣性質量体Ｉと構造物Ｂとの間及び慣性質量体
１．２（２，３）間のそれぞれに介挿される弾性部材２
１〜２３とを具備した構成としたので、構造物Ｂの複数
の固有振動数それぞれに対応する固有振動数で軸線方向
に作動することにより、構造物１３に加えられｆ−複数
の振動モードを有する振動エネルギーを有効に吸収し、
水平方向のそれぞれの振動モードの振幅を大幅に低減し
、水平方向の振動を効果的に減衰させることかできる。

したかって、構造物Ｂに発生する複数の振動モードから
なる振動を効果的に抑制することかできる。

次に、請求項３記載の多自由度動吸振装置について第３
図を基に説明する。

第３図は、この発明に係る多自由度動吸振装置Ｅを制振
オへき構造物Ｆの頂部Ｆ１に設けられ１−構造体Ｇの頂
部の所定の位置に懸吊した状態を示す図である。

この多自由度動吸振装置ト」は、複数の計、〒部材４１
．４２、複数の慣性質量体５１へ−５３、複数のダンパ
ー６１〜６３とから略構成さとている。

懸吊部材４１．４２は、構造体Ｇの頂部０１下面から垂
直下方に延びる屈曲自在の紐状のもので、例えば、鋼製
のワイヤからなるも（δである。

慣性質量体５１〜５３は、大きな慣性を有する厚板状の
ものである。これらの慣性質量体５１〜５３は、懸吊部
材４１．４２の間に上下方向に等間隔おきに配置され、
それぞれの一端部が懸吊部材４１に取り付けられ、それ
ぞれの他端部が懸吊部材４２に取り付けられ、その長さ
は、構造物Ｆの固有振動数と対応する固有振動数を持つ
よう設定される。

ダンパー６１〜６３のうちダンパー６１は、構造体Ｇの
頂部Ｇｌ底面７１と慣性質量体５１との間に位置し、一
端部が底面７１に、他端部が慣性質量体５１にそれぞれ
取り付けられている。このダンパー６１の軸線及び作動
方向は慣性質量体５１の移動方向と同一である。また、
ダンパー６２は慣性質量体５１と慣性質量体５２との間
に位置し、一端部か慣性質量体５１に、他端部が慣性質
量体５２にそれぞれ取り付けられている。また、ダンパ
ー６３は慣性質量体５２と慣性質量体５３との間に位置
し、一端部が慣性質量体５２に、他端部が慣性質量体５
３にそれぞれ取り付（→られでいる。これらのダンパー
６２．６３のそれぞれの軸線及び作動方向はダンパー６
１の軸線及び作動方向と同一である。

上記のような構成とすることにより、構造物Ｆの複数の
固有振動数と対応する固有振動数を持〕多自由度動吸振
装置Ｅとすることがてきる。

次に、請求項１記載の多自由度動吸振方法に基づいて、
多自由度動吸振装置Ｅの作用等について説明する。

地震や風等の外力により構造物■゛に複数の振動モード
からなる振動か発生すると、構造物ｌ゛に振動エネルギ
ーか蓄積さ７する。この振動エネルギーのうち、本多自
由度動吸振装置１・〕の固有振動数と辺の成分は、容易
に構造物Ｆから多自由度動吸振装置Ｅに移動し、結果的
に構造物Ｆの振動を抑制する。

慣性質量体５１．５２（５２，５３）間においてし、」
−記構進体Ｇと慣性質量体５Ｉとの間と同様に、ダンパ
ー６２（６３）に加えられた複数の振動モードからなる
振動エネルギーは、慣性質量体５１゜５２（５２，５３
）か軸線方向に作動することにより吸収され、水平方向
の振動が抑制される。

この多自由度動吸振装置Ｅを制振すべき構造物Ｆの頂部
の構造体Ｇに懸吊した場合の振動抑制効果については、
上記に挙げた多自由度動吸振装置Ａと全く同一であるか
ら説明を省略する。

以上詳細に説明した様に、多自由度動吸振装置Ｅは、構
造物Ｆの構造体Ｇに懸吊される複数の慣性質量体５１〜
５３と、慣性質量体５１と構造体Ｇとの間及び慣性質量
体５１．５２（５２，５３）相互間のそれぞれに設けら
れたダンパー６１〜６３とを具備する構成としにので、
慣性質量体５１〜５３か構造物Ｆの複数の固有振動数そ
れぞれに対応する固有振動数で軸線方向に作動すること
により、構造物Ｆに加えられ１ニ複数の振動モードを有
する振動エネルギーを有効に吸収し、水平方向のそれぞ
れの振動モードの振幅を大幅に低減し、水平方向の振動
を効果的に減衰させることができる。

したがって、構造物Ｆに発生ずる複数の振動モードから
なる振動を効果的に抑制することができる。

次に、本発明の効果を実証するために、本発明台等が行
ったンミコレーション解析の結果について説明する。

振動モデルは、第４図に示す様に４質点の振動モデルを
用いて応答倍率の数値計算を行った。この振動モデルは
、２つの質点からなる構造物の頂部に２つの質点からな
る多自由度動吸振装置が配置され、構造物と質点の間及
び質点相互間のそれぞれにダンパ及び弾性部材が設けら
れｆコ構成である。ここで、ＸＩ〜Ｘ４は各質点の座標
、（ｄ’ｚ／ｄｔ２）は地盤の加速度である。

この数値計算においては、多自由度動吸振装置を含λた
本振動モデルの運動方程式は次式ににり表される。

［ｍｌ　（ｄ’ｘ／　ｄｔ’）　＋　Ｉｃ］　（ｄｘ／
　ｄｔ）　”、　［ｋ］　（ｘ）−−［ｍＩ（Ｉ　）（
ｄ２ｚ／ｄｔ’）　−・＝　　（１）（ｘ）−（ＸＩ、
Ｘ２．Ｘ３．Ｘ４）Ｔここで、［ｌｌ１１　、　［ｃ］
、　［ｋ］はそれぞれ、質量マトリクス、減衰マトリク
ス、剛性マトリクスであり、ｈ）は変位ベクトル、ｄ”
Ｚ／ｄｔ２は地動加速度である。

上記の数値計算で用いた質量マトリクス、減衰マトリク
ス、剛性マトリクスのそれぞれの値を下Ｊ己（こ示ず。

１．０ ０．５ ０．０２５ｉ ０．０＋　　　　０　　　　　　０　　　　　　　　０
０．００５　　　０　　　　　　　　００　　　　０．
００５　　　　　　０ ０　　　　　　　０　　　　０．００２５Ｄ −０．０２５ 二こては、多自由度動吸振装置の重量を振動を抑制しよ
うとする構造物の５％とし、構造物の減衰定数は１次固
有振動数で１％、多自由度動吸振装置の減衰定数は１次
固有振動数で１０％と仮定している。

第５図は上記のシミュレーション解析の結果を示したし
ので、加速度応答倍率の振動数（ｒａｄ／５ｅＣ）依存
性をグラフに表したものである。破線で示す曲線か、多
自由度動吸振装置を搭載しない通常の構造物頂部の加速
度応答倍率であり、実線で示す曲線が、多自由度動吸振
装置を構造物頂部に搭載し１こ場合の加速度応答倍率で
ある。

この図において、多自由度動吸振装置を構造物頂部に搭
載した場合では、通常の構造物の場合と比較して加速度
応答倍率が大幅に低減されていることかわかる。特に、
１次の固有振動モードだけではなく、２次の固有振動モ
ードにおいても加速度応答倍率が大幅に低減されている
ことがら、複数の固有振動モードについて良好な振動抑
制効果を有することが明らかである。

以上により、複数の振動モードを仔する振動に対して良
好な振動抑制効果を有し、しかも振動を吸収するのに必
要なエネルギーを外部から供給する必要のない多自由度
動吸振方法及び多自由度動吸振装置を提供することが可
能になる。

「発明の効果」 この発明の請求項１記載の多自由度動吸振方法は、構造
物の所定の位置に複数の慣性質量体を移動自在に設け、
該慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣性質量体相
互間のそわぞれにバネおよびダンパーを設け、地震や風
等の外力により前記構造物に複数の振動モードからなる
振動が励起された場合に、前記構造物の複数の固有振動
数に対応する固有振動数を持つように、７＼ネおよびダ
ンパーを設定することにより、前記構造物に励起された
振動を抑制することとしたので、構造物に加えられｆこ
振動エネルギーのうち特定の振動モードの振動エネルギ
ーを有効に吸収することができる。

したがって、構造物に発生する複数の振動モードからな
る振動を効果的に抑制することができ、多次の固有振動
モードについて良好な振動抑制効果を得ることかできる
。

また、請求項２記載の多自由度動吸振装置は、構造物の
所定の位置に設置されて１ｔ！！震や風等ξ７）外力に
より前記構造物に励起される複数の振動モードからなる
振動を抑制する多口［４］度動吸振装置であって、前記
多自由度動吸振装置は、水平方向移動自在に設置される
複数の慣性質量体と、該慣性質量体と前記構造物との間
伎び前記慣性質量体相互間のダンパーと、前記慣性質量
体と前記構造物との間及び前記慣性質量体相互間のそれ
ぞれに介挿され、前記慣性質量体と前記構造物及び前記
慣性質量体相互間に弾性部材とを具備することとしたの
で、構造物に加えられ１こ複数の振動モードを有する振
動エネルギーを有効に吸収し、水平方向のそれぞれの振
動モードの振幅を大幅に低減することて、水平方向の振
動を効果的に減衰させることができる。したがって、構
造物に発生する複数の振動モー）ζからなる振動を効果
的に抑制する二とかできる。

また、請求項３記載の多自由度動吸振装置は、構造物の
所定の位置に懸吊されて地震や風等の外力により前記構
造物に励起される複数の振動モードからなる振動を抑制
する多自由度動吸振装置であって、前記多自由度動吸振
装置は、前記構造物に懸吊される複数の慣性質量体と、
該慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣性質量体相
互間のそれぞれに設けられたダンパーとを具備すること
としたので、構造物の複数の固有振動数それぞれに対応
する固有振動数で軸線方向に作動することにより、構造
物に加えられた複数の振動モードを有する振動エネルギ
ーを有効に吸収し、水平方向のそれぞれの振動モードの
振幅を大幅に低減することで、水平方向の振動を効果的
に減衰させることができる。したがって、構造物に発生
ずる複数の振動モードからなる振動を効果的に抑制する
ことができ、多次の固有振動モードについて良好な振動
抑制効果を得ることができる。

以上により、複数の振動モードを有する振動に対して良
好な振動抑制効果を有し、しかも振動を吸収するのに必
要なエネルギーを外部から供給する必要のない多自由度
動吸振方法及び多自由度動吸振装置を提供することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の請求項２記載の一実施例
を示す図であって、第１図は多自由度動吸振装置の概略
構成図、第２図は多自由□□□動吸振装置の振動抑制効
果を示すグラフ、第３図はこの発明の請求項３記載の一
実施例である多自由度動吸振装置の概略構成図、第４図
はこの発明のシミュレーノヨン解析に用いた振動モデル
の模式図、第５図はこの発明のノミュし−／ヨン解析に
よる多自由度動吸振装置の振動抑制効果を示−計々うニ
アである。 多自由度動吸振装置、 構造物、 慣性質量体、 ダンパー 弾性部材、 多自由度動吸振装置、 構造物、 １〜３ ２１〜２３ 】 、４ ５１〜５３ 転量部材、 慣性質量体、 １〜６ ダンバー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）構造物の所定の位置に複数の慣性質量体を移動自
   在に設け、該慣性質量体と前記構造物との間及び前記慣
   性質量体相互間のそれぞれにバネおよびダンパーを設け
   、地震や風等の外力により前記構造物に複数の振動モー
   ドからなる振動が励起された場合に、前記構造物の複数
   の固有振動数に対応する固有振動数を持つように該バネ
   およびダンパーを設定することにより、前記構造物に励
   起された振動を抑制することを特徴とする多自由度動吸
   振方法。
2. （２）構造物の所定の位置に設置されて地震や風等の外
   力により前記構造物に励起される複数の振動モードから
   なる振動を抑制する多自由度動吸振装置であって、前記
   多自由度動吸振装置は、水平方向移動自在に設置される
   複数の慣性質量体と、該慣性質量体と前記構造物との間
   及び前記慣性質量体相互間のそれぞれに設けられ前記構
   造物の振動を抑制するためのダンパーと、前記慣性質量
   体と前記構造物との間及び前記慣性質量体相互間に弾性
   部材とを具備することを特徴とする多自由度動吸振装置
   。
3. （３）構造物の所定の位置に懸吊されて地震や風等の外
   力により前記構造物に励起される複数の振動モードから
   なる振動を抑制する多自由度動吸振装置であって、前記
   多自由度動吸振装置は、前記構造物に懸吊される複数の
   慣性質量体と、該慣性質量体と前記構造物との間及び前
   記慣性質量体相互間のそれぞれに設けられたダンパーと
   を具備することを特徴とする多自由度動吸振装置。