JP2008101769A - Vibration reduction mechanism and specification method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】回転慣性質量を利用して小質量で充分な応力低減効果が得られる振動低減機構と、その諸元設定方法を提供する。
【解決手段】構造体4とそれを支持する支持体1との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネ5と、回転体の回転により回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパー(第2の回転慣性質量ダンパー)10とを直列に介装し、回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を構造体の固有振動数に同調させる。付加減衰6は回転慣性質量ダンパーもしくは付加バネと並列に設置する。構造体と支持体との間に第1の回転慣性質量ダンパーを付加して長周期化したうえで第2の回転慣性質量ダンパーを設置する。
【選択図】図1The present invention provides a vibration reduction mechanism capable of obtaining a sufficient stress reduction effect with a small mass using a rotary inertia mass, and a specification setting method thereof.
An additional spring that elastically supports the structure with respect to the support between the structure and the support that supports the structure, and a rotary inertia mass damper that generates a rotational inertial mass by the rotation of the rotating body. (Second rotational inertial mass damper) 10 is interposed in series, and the natural frequency determined by the rotational inertial mass and the additional spring is synchronized with the natural frequency of the structure. The additional damping 6 is installed in parallel with the rotary inertia mass damper or the additional spring. A first rotary inertia mass damper is added between the structure and the support to increase the period, and then the second rotary inertia mass damper is installed.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は構造体の振動を低減させるための振動低減機構、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 reducing vibration of a structure and a specification setting method thereof.
免震建物や機器設置架台を対象としてそ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(Tuned Mass Damper:TMD)が知られている。
これは、図10にその概要を振動モデルとして示すように、支持体1(地盤や床など)に対してバネ2および減衰3を介して相対振動を生じるように支持されている構造体4(免震建物や機器設置架台など)に対し、付加バネ5および付加減衰6を介して付加質量7を設置し、その付加質量7と付加バネ5とからなる固有(角)振動数を構造体4の固有(角)振動数に同調させることによって構造体4の共振点近傍における応答を低減させるものである。
これによれば、地震や交通振動のような支持体1から構造体4への加速度加振入力による振動のみならず、構造体4に風や機械振動等の加振力が作用することによる振動も有効に低減させることができる。
As shown in FIG. 10 as an outline of the vibration model, this is a structure 4 (supported to generate relative vibration via a
According to this, not only vibration due to acceleration excitation input from the
従来一般のTMDでは、大きな振動低減効果を得るためには付加質量7の質量m2を大きくする必要があるが、構造体4に対してあまり大きな質量m2を付加することは現実的ではないので、通常は構造体4の質量m1の1〜2%程度に過ぎず、したがって振動低減効果にも自ずと限界がある。 In the conventional general TMD, it is necessary to increase the mass m 2 of the additional mass 7 in order to obtain a large vibration reduction effect, but it is not realistic to add a very large mass m 2 to the structure 4. Therefore, it is usually only about 1 to 2% of the mass m 1 of the structure 4, and therefore the vibration reducing effect is naturally limited.
上記事情に鑑み、本発明は原理的にはTMDと同様に機能するものの、従来一般のTMDのように過大な付加質量を必要とせずに充分な振動低減効果が得られる振動低減機構と、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, the present invention functions in principle in the same way as TMD, but a vibration reduction mechanism capable of obtaining a sufficient vibration reduction effect without requiring an excessive additional mass like conventional TMD, and its The purpose is to provide a specification setting method.
本発明の振動低減機構は、構造体とそれを支持する支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を構造体の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。なお、付加減衰は回転慣性質量ダンパーもしくは付加バネと並列に設置すれば良い。 The vibration reduction mechanism of the present invention includes an additional spring that elastically supports the structure with respect to the support between the structure and the support that supports the structure, and a rotation inertia mass that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotating body. A damper is interposed in series, and the natural frequency determined by the rotary inertia mass and the additional spring is synchronized with the natural frequency of the structure. The additional damping may be installed in parallel with the rotary inertia mass damper or the additional spring.
本発明の振動低減機構の諸元設定方法は、構造体とそれを支持する支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を構造体の固有振動数に同調させるようにそれら回転慣性質量ダンパーと付加バネの諸元を設定することを特徴とする。 The specification setting method of the vibration reduction mechanism of the present invention includes an additional spring that elastically supports the structure with respect to the support, and a rotating inertial mass by rotation of the rotating body between the structure and the support that supports the structure. The rotational inertial mass damper and the additional spring are connected in series, and the specifications of the rotational inertial mass damper and the additional spring are adjusted so that the natural frequency determined by the rotational inertial mass and the additional spring is synchronized with the natural frequency of the structure. It is characterized by setting.
また、本発明の他の振動低減機構は、構造体をバネと減衰を介して支持体により支持する振動系に対し、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第1の回転慣性質量ダンパーを前記バネと並列に付加することによって該振動系を長周期化するとともに、前記構造体と前記支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第2の回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、第2の回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を、前記第1の回転慣性質量ダンパーの付加により長周期化された振動系の固有振動数に同調させてなることを特徴とする。なお、付加減衰は第2の回転慣性質量ダンパーもしくは付加バネと並列に設置すれば良い。 In another vibration reduction mechanism of the present invention, the first rotation inertia mass damper that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotating body is provided for the vibration system that supports the structure body by the support through the spring and the damping. By adding the vibration system in parallel with the spring, the vibration system is lengthened, and between the structure and the support, an additional spring that elastically supports the structure with respect to the support, and rotation of the rotating body A second rotational inertial mass damper that generates rotational inertial mass is interposed in series, and the natural frequency determined by the rotational inertial mass of the second rotational inertial mass damper and the additional spring is determined as the first rotational inertial mass damper. It is characterized in that it is tuned to the natural frequency of the vibration system that has been lengthened by the addition of. The additional damping may be installed in parallel with the second rotary inertia mass damper or the additional spring.
さらに、本発明の他の振動低減機構の諸元設定方法は、構造体をバネと減衰を介して支持体により支持する振動系に対し、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第1の回転慣性質量ダンパーを前記バネと並列に付加することによって該振動系を長周期化するとともに、前記構造体と前記支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第2の回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、第2の回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を、前記第1の回転慣性質量ダンパーの付加により長周期化された振動系の固有振動数に同調させるように、それら第1および第2の回転慣性質量ダンパーと付加バネの諸元を設定することを特徴とする。 Further, according to another specification setting method of the vibration reduction mechanism of the present invention, a first rotation that generates a rotational inertial mass by rotation of a rotating body is performed with respect to a vibration system in which a structure is supported by a support through a spring and damping. An additional spring that elastically supports the structure with respect to the support body between the structure body and the support body, while adding a inertial mass damper in parallel with the spring to lengthen the vibration system; A second rotational inertial mass damper that generates a rotational inertial mass by rotation of the rotating body is interposed in series, and the natural frequency determined by the rotational inertial mass of the second rotational inertial mass damper and the additional spring is set to the first frequency. The specifications of the first and second rotary inertia mass dampers and the additional spring are set so as to synchronize with the natural frequency of the vibration system that has been made long by adding the rotary inertia mass damper. .
本発明によれば、従来一般のTMDにおける付加質量に代えて小質量の回転体を有する小形軽量の回転慣性質量ダンパー(第2の回転慣性質量ダンパー)を構造体と支持体との間に設置することのみで、大きな付加質量を付加したことと等価となり、それにより大きな振動低減効果を得られる。特に、従来のTMDでは付加質量の大きさを構造体の質量の1〜2%程度とすることが限度であって振動低減効果も自ずと限界があったが、本発明によれば構造体の質量の10〜50%ないしそれ以上の回転慣性質量を支障なく容易に得ることができ、それにより従来一般のTMDによる場合に比べて格段に優れた振動低減効果を得ることができる。 According to the present invention, a small lightweight rotary inertia mass damper (second rotary inertia mass damper) having a small mass rotating body instead of the additional mass in the conventional general TMD is installed between the structure and the support. This is equivalent to adding a large additional mass, and a large vibration reduction effect can be obtained. In particular, in the conventional TMD, the size of the additional mass is limited to about 1 to 2% of the mass of the structure, and the vibration reduction effect is naturally limited. Thus, a rotational inertial mass of 10 to 50% or more can be easily obtained without hindrance, and thereby a vibration reduction effect that is remarkably superior to that of the conventional general TMD can be obtained.
また、第1の回転慣性質量ダンパーを付加したうえで上記のように第2の回転慣性質量ダンパーを設置することにより、第1の回転慣性質量ダンパーによる長周期化および応答低減効果と、第2の回転慣性質量ダンパーによる振動低減効果が相乗的に得られる。 In addition, by adding the first rotary inertia mass damper and installing the second rotary inertia mass damper as described above, the first rotary inertia mass damper can increase the period and reduce the response. The effect of reducing vibrations by the rotary inertia mass damper is synergistically obtained.
図1は本発明の第1実施形態である振動低減機構の概要を振動モデルとして示した図である。これは、図10に示した従来のTMDによる場合と原理的には同様に機能するものであるが、従来一般のTMDは構造体4に対して付加バネ5および付加減衰6を介して付加質量7を付加するものであるのに対し、本実施形態では構造体4とそれを支持している支持体1との間に付加バネ5と回転慣性質量ダンパー10とを直列に介装したことを主眼としている。
なお、上記の回転慣性質量ダンパー10は、後述する第2の実施形態においては第2の回転質量ダンパーとして機能するものである。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a vibration reduction mechanism according to a first embodiment of the present invention as a vibration model. This functions in principle in the same manner as in the case of the conventional TMD shown in FIG. 10, but the conventional general TMD adds an additional mass to the structure 4 via an
In addition, said rotary
回転慣性質量ダンパー10は、支持体1に対して構造体4が相対振動した際に作動して小質量の回転体(回転慣性モーメントIθ)を回転させることにより大きな回転慣性質量Ψ2を発生するように構成されたものであって、本実施形態ではその回転慣性質量Ψ2を、従来一般のTMDの場合における付加質量7の質量m2に代えて構造体4の振動を低減させるための制御力となるように利用するものである。
The rotary
すなわち、本実施形態では、回転慣性質量ダンパー10による回転慣性質量Ψ2は、構造体4の振動により回転慣性質量ダンパー10が作動した際の振動方向の相対変位をx、その際の回転体の回転角をθとし、それらxとθとの間に
x=αθ
の関係があるときには、
Ψ2=Iθ/α2
として表され、振動低減効果を得るための制御力(変位方向負担力)Pは
When there is a relationship
Ψ 2 = I θ / α 2
The control force (displacement direction burden force) P for obtaining the vibration reduction effect is expressed as
これは、一般的なバネが相対変位にバネ定数を乗じて負担力とするのと同様に、本実施形態では相対加速度に回転慣性質量を乗じて負担力とすることを意味しており、相対変位ではなく相対加速度を乗じる点で通常のバネによる場合と大きく異なるものである。
そして、この回転慣性質量Ψ2の大きさは回転体の実際の質量に対して10〜1000倍にもなるので、小質量の回転体を回転させることのみで極めて大きな回転慣性質量を得ることができ、したがって小質量の回転体であっても充分な振動低減効果が得られる。
勿論、回転慣性質量Ψ2の大きさは、回転体の質量とその径寸法および径方向の質量分布により決定されるものであり、回転体の質量が大きいほど、径寸法が大きいほど、質量が内周部よりも外周部に分布しているほど回転慣性質量は大きくなるから、それらを適正に設定することによって所望の回転慣性質量を得ることができる。
たとえば、半径rで質量mの円盤の回転慣性モーメントIθは
And since the magnitude | size of this rotational inertia mass (PSI) 2 will be 10 to 1000 times with respect to the actual mass of a rotary body, it can obtain a very big rotational inertia mass only by rotating a small mass rotary body. Therefore, even with a small mass rotating body, a sufficient vibration reducing effect can be obtained.
Of course, the magnitude of the rotational inertia mass Ψ 2 is determined by the mass of the rotating body, its radial dimension and the mass distribution in the radial direction. The larger the rotating body mass, the larger the radial dimension, Since the rotational inertial mass becomes larger as it is distributed in the outer peripheral portion than in the inner peripheral portion, a desired rotational inertial mass can be obtained by appropriately setting them.
For example, the rotational inertia moment I θ of a disk with a radius r and a mass m is
なお、回転慣性質量ダンパー10としてはたとえば特許第3250795号公報や特開2004−44748号公報に免震装置として使用されるものが公知であり、本実施形態においてはそれらに示されているようなボールネジ式の回転慣性質量ダンパーが好適に採用可能であるが、回転慣性質量ダンパーの構成は特に限定されるものではなく、所望の形式、特性のものを任意に採用すれば良い。
そして、本実施形態では回転慣性質量ダンパー10の他には従来のTMDと同様に付加バネ5と付加減衰6とを有するものであれば良く、一般には図1(b)に示すモデルのようにそれらを個々に設置すれば良いが、汎用の回転慣性質量ダンパー10には図1(a)に示すモデルに対応するものとして回転機構と減衰機構とを並列に組み込んだものもあるので、それを採用する場合には他に付加バネ5を設置することで足りる。
As the rotary
In the present embodiment, in addition to the rotary
また、従来一般のTMDでは、付加質量7と付加バネ5からなる固有(角)振動数を構造体4の固有(角)振動数に同調させるのであるが、本実施形態においては回転慣性質量10と付加バネ5とにより定まる固有(角)振動数を構造体4の固有(角)振動数に同調させることとする。
すなわち、回転慣性質量Ψ2と付加バネk2とにより定まる固有角振動数ω2は
That is, natural angular frequency omega 2 defined by the rotational inertia mass [psi 2 and the additional spring k 2 is
また、構造体4と支持体1との間の付加減衰6は、図1(a)に示すように回転慣性質量ダンパー10に対して並列にするか、または(b)に示すように付加バネ6に対して並列にすれば良い。いずれにしても、後述の解析結果に示されるようにほぼ同等の効果が得られるが、両者では回転慣性質量Ψ2が同じ場合であっても最適な付加バネk2の値はやや異なる。これは、減衰を付与した振動系での最適設計では厳密には ω2≠ω0 となるが、一般的なΨ2がm1よりかなり小さい範囲では ω2≒ω0 となる。
Further, the additional damping 6 between the structure 4 and the
本実施形態の振動低減機構によれば、従来一般のTMDにおける付加質量7に比べて小形軽量の回転慣性質量ダンパー10を設置することのみで、大きな付加質量(回転慣性質量Ψ2)を付加したことと等価となり、それにより大きな振動低減効果を得られる。
たとえば、従来のTMDでは付加質量7の質量m2を構造体4の質量m1の1〜2%程度とすることが限度であり、したがってそれによる振動低減効果も自ずと限界があるが、本実施形態では必要であれば構造体4の質量m1の10〜50%ないしそれ以上の回転慣性質量Ψ2が与えられ、それにより従来一般のTMDによる場合に比べて格段に優れた振動低減効果を得ることができる。
According to the vibration reduction mechanism of the present embodiment, a large additional mass (rotational inertia mass Ψ 2 ) is added only by installing a small and lightweight rotary
For example, in the conventional TMD, the limit is that the mass m 2 of the additional mass 7 should be about 1 to 2% of the mass m 1 of the structure 4. In the embodiment, if necessary, a rotational inertia mass Ψ 2 of 10 to 50% or more of the mass m 1 of the structure 4 is given, and thereby a vibration reduction effect that is remarkably superior to that of the conventional general TMD. Obtainable.
しかも、本実施形態の振動低減機構では応答低減効果は振幅に依存しないので微振動から大振幅振動まで幅広く対応でき、振動数の同調は付加バネ5のバネ定数k2の値を調整することで容易に行うことができる。
勿論、従来のTMDと同様に、地震や交通振動のように地盤からの加速度加振入力による振動のみならず、風や機械振動等の加振力が作用することによる振動に対しても有効であるので、建物全体を免震支持するための機構としても、また、嫌振機器等を設置するための免震架台等に適用する鉛直あるいは水平振動低減機構としても有効なものである。但し、地震などによる加速度(変位)入力と、風などによる加振力入力とでは最適なバネや減衰量が異なるので、支配的な外力を対象として所望の減衰が得られるように設定する必要がある。
In addition, since the response reduction effect does not depend on the amplitude in the vibration reduction mechanism of this embodiment, it can handle a wide range from fine vibration to large amplitude vibration, and tuning of the frequency is performed by adjusting the value of the spring constant k 2 of the
Of course, as with conventional TMD, it is effective not only for vibrations caused by acceleration excitation input from the ground, such as earthquakes and traffic vibrations, but also for vibrations caused by the application of excitation forces such as wind and mechanical vibrations. Therefore, it is effective as a mechanism for supporting the entire building in isolation, and also as a vertical or horizontal vibration reducing mechanism applied to an isolation frame for installing a vibration isolator or the like. However, since the optimal spring and damping amount differ between acceleration (displacement) input due to earthquakes and the like and excitation force input due to winds, etc., it is necessary to set so that the desired damping can be obtained for the dominant external force. is there.
なお、本実施形態においては、回転慣性質量ダンパー10の負担力は従来のTMDにおける付加質量7の慣性力と同等であって、回転体の実質量が小さいといえども大きな慣性力となるから、回転慣性質量ダンパー10やその設置のための接合部材等の設計においてはそのことを配慮して充分な強度を見込む必要がある。
そのため、必要であれば回転慣性質量ダンパー10に過大な力が作用して破損するようなことを防止するために、付加バネ5の負担力にリミッターをかけることも考えられる。そのためのリミッター機構としては、たとえば付加バネ5が許容限度を超える負担力を受けた際には降伏するようにしたり、あるいは付加バネ5にすべり機構を直列に配置しておくことが考えられる。また、回転慣性質量ダンパー10に作用する相対加速度が許容限度を超えた場合には回転体が空回りして回転慣性質量が過大にならないようにしても同様のリミッター効果が得られる。
In the present embodiment, the load force of the rotary
Therefore, if necessary, a limiter may be applied to the load force of the
以下に、回転慣性質量ダンパーによる振動低減原理と、その解析手法および解析結果を示す。 The vibration reduction principle by the rotary inertia mass damper, the analysis method and the analysis result are shown below.
(I)加速度加振入力される場合(地震、交通振動など)
(i)基本モデル(図2参照)
図2(a)は回転慣性ダンパーを設置していない構造体のみの振動モデルを示す。このモデルにおいて、固定端における変位加振入力x(t)を
x(t)=x0・eiωt
と想定し、質点の静止座標系(絶対変位)の釣合式で表示すると、加振点変位x0として
ここで、変位xが角振動数ωの正弦波振動であるとして
xj=xjeiωt (j=0,1)
とし、構造体の固有角振動数をω0とすると
ω0 2=k1/m1
であり、さらに減衰定数h1は
h1=c1/(2m1ω0)
であるから、
この式で求まる|x1/x0|(複素数の絶対値)が加振入力に対する構造体の応答倍率(変位、速度、加速度とも同じ)を示すものとなる。
図2(b)はこのモデルにおいて減衰定数h1=0.02の場合の応答倍率を示すもので、これは加振振動数ωが構造体の固有振動数ω0と一致する場合(ξ=ω/ω0=1)に応答倍率が最大となる一般的な共振曲線を示すものである。この場合の応答倍率の最大値は1/(2h1)=25となる。
(I) When acceleration excitation is input (earthquake, traffic vibration, etc.)
(I) Basic model (see Fig. 2)
FIG. 2 (a) shows a vibration model of only a structure without a rotary inertia damper. In this model, the displacement excitation input x (t) at the fixed end is expressed as x (t) = x 0 · e iωt
Assume, when viewed in the balance equation of the mass point of the stationary coordinate system (absolute displacement), as the excitation point displacement x 0
Here, assuming that the displacement x is a sinusoidal vibration having an angular frequency ω, x j = x j e iωt (j = 0, 1)
And the natural angular frequency of the structure is ω 0 , ω 0 2 = k 1 / m 1
Further, the attenuation constant h 1 is h 1 = c 1 / (2m 1 ω 0 ).
Because
| X 1 / x 0 | (absolute value of complex number) obtained by this equation indicates the response magnification (same for displacement, velocity, and acceleration) of the structure with respect to the excitation input.
FIG. 2B shows the response magnification in the case of the damping constant h 1 = 0.02 in this model. This is the case where the excitation frequency ω matches the natural frequency ω 0 of the structure (ξ = ω / ω 0 = 1) shows a general resonance curve with a maximum response magnification. In this case, the maximum value of the response magnification is 1 / (2h 1 ) = 25.
(ii)回転慣性質量ダンパーを設置した場合(1)(図3参照)
図1(a)に対応するモデルとして図3(a)に示すモデルを想定する。これは、図2(a)の基本モデルに対し、回転慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に加え、付加減衰を回転慣性質量ダンパーに並列に加えたものである。
ここで、回転慣性モーメントをIθ、単位回転角に対するx方向変位量をαとすると、構造体変位をx1、ダンパーと付加バネとの接合部での変位をx2とし、質点の釣合式で表示すると、
A model shown in FIG. 3A is assumed as a model corresponding to FIG. This is obtained by adding a rotary inertia mass damper and an additional spring in series to the basic model of FIG. 2A and adding an additional damping in parallel to the rotary inertia mass damper.
Here, assuming that the rotational moment of inertia is I θ , the displacement amount in the x direction relative to the unit rotation angle is α, the displacement of the structure is x 1 , the displacement at the junction between the damper and the additional spring is x 2 , and the mass balance equation When displayed with
ω0 2=k1/m1
h1=c1/(2m1ω0)
Ψ2=Iθ/α2
ω2 2=k2/Ψ2
h2=c2/(2Ψ2ω2)
ξ=ω/ω0
η=ω2/ω0
とおくと、
h 1 = c 1 / (2m 1 ω 0 )
Ψ 2 = I θ / α 2
ω 2 2 = k 2 / Ψ 2
h 2 = c 2 / (2Ψ 2 ω 2 )
ξ = ω / ω 0
η = ω 2 / ω 0
After all,
図3(b)は、回転慣性質量が構造体質量の0.01倍、つまりΨ2/m1=0.01であり、かつk2/k1=0.0102、h2=0.07の場合における応答倍率を示すものであり、この場合には共振点近傍において最大応答を62%も低減できる。実際の回転体の質量は回転慣性質量の1/100以下であり、したがって構造体の質量に対しては1/10000以下であり、そのような僅かな回転体の質量で大きな振動低減効果が得られることがわかる。
図3(c)は、回転慣性質量が構造体質量の0.1倍、つまりΨ2/m1=0.1であり、かつk2/k1=0.12、h2=0.2の場合における応答倍率を示すものであり、この場合には共振点近傍において最大応答を85%も低減できる。実際の回転体の質量が回転慣性質量の1/100以下であれば、構造体の質量に対しては1/1000以下の質量であり、この場合も大きな振動低減効果が得られることがわかる。
図3(d)は、回転慣性質量が構造体質量の半分、つまりΨ2/m1=0.5であり、かつk2/k1=2.5、h2=1.0の場合における応答倍率を示すものであり、この場合にはもはや共振現象はなくなり、構造体の応答を94%も低減できるが、高振動数域では回転慣性質量のない場合より振幅がわずかに増加する。この場合でも、回転体の実際の質量は回転慣性質量の1/100以下(構造体の質量に対しては1/200以下)である。
FIG. 3B shows that the rotational inertial mass is 0.01 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.01, and k 2 / k 1 = 0.0102, h 2 = 0.07. In this case, the maximum response can be reduced by 62% in the vicinity of the resonance point. The actual mass of the rotating body is 1/100 or less of the rotational inertial mass, and therefore is 1/10000 or less with respect to the mass of the structure, and a large vibration reducing effect can be obtained with such a small mass of the rotating body. I understand that
FIG. 3C shows that the rotational inertial mass is 0.1 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.1, and k 2 / k 1 = 0.12, h 2 = 0.2. In this case, the maximum response can be reduced by 85% in the vicinity of the resonance point. If the actual mass of the rotating body is 1/100 or less of the rotational inertial mass, the mass is 1/1000 or less with respect to the mass of the structure.
FIG. 3D shows a case where the rotational inertial mass is half of the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.5, and k 2 / k 1 = 2.5 and h 2 = 1.0. In this case, the resonance phenomenon disappears and the response of the structure can be reduced by 94%. However, the amplitude is slightly increased in the high frequency range as compared with the case without the rotational inertial mass. Even in this case, the actual mass of the rotating body is 1/100 or less of the rotational inertial mass (less than 1/200 of the mass of the structure).
(iii)回転慣性質量ダンパーを設置した場合(2)(図4参照)
図1(b)に対応するモデルとして図4(a)に示すモデルを想定する。これは、図2(a)の基本モデルに対し、慣性慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に加え、付加減衰を付加バネに並列に加えたものである。
この場合、質点の釣合式は
上式で求まる|x1/x0|(複素数の絶対値)が加振入力に対する構造体の応答倍率を示す。
(Iii) When a rotary inertia mass damper is installed (2) (see FIG. 4)
A model shown in FIG. 4A is assumed as a model corresponding to FIG. This is obtained by adding an inertial inertia mass damper and an additional spring in series to the basic model of FIG. 2A and adding an additional damping in parallel to the additional spring.
In this case, the mass balance formula is
| X 1 / x 0 | (absolute value of complex number) obtained by the above equation indicates the response magnification of the structure with respect to the excitation input.
図4(b)は、回転慣性質量が構造体質量の0.01倍、つまりΨ2/m1=0.01であり、かつk2/k1=0.0098、h2=0.07の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を62%も低減できる。
図4(c)は、回転慣性質量が構造体質量の0.1倍、つまりΨ2/m1=0.1であり、かつk2/k1=0.085、h2=0.2の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を84%も低減できる。
図4(d)は、回転慣性質量が構造体質量の半分、つまりΨ2/m1=0.5であり、かつk2/k1=0.25、h2=0.3の場合における応答倍率を示すものであり、この場合にはもはや共振現象はなくなり、構造体の応答を92%も低減できる。また、図3と異なり高振動数域での応答が振動数の増加により漸減する。
FIG. 4B shows that the rotational inertial mass is 0.01 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.01, and k 2 / k 1 = 0.0098, h 2 = 0.07. In this case, the response magnification is shown, and the maximum response can be reduced by 62% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 4 (c) shows that the rotational inertial mass is 0.1 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.1, and k 2 / k 1 = 0.085 and h2 = 0.2. The response magnification in the case is shown, and the maximum response can be reduced by 84% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 4D shows a case where the rotational inertial mass is half the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.5, and k 2 / k 1 = 0.25 and h 2 = 0.3. In this case, the resonance phenomenon no longer occurs and the response of the structure can be reduced by 92%. Also, unlike FIG. 3, the response in the high frequency range gradually decreases with the increase in the frequency.
(II)構造体に加振入力が作用する場合(風荷重など)
(i)基本モデル(図5参照)
図5は回転慣性質量ダンパーを設置していない構造体自体の振動モデルを示す。このモデルにおいて、加振入力f(t)を
f(t)=f0・eiωt
と想定し、質点の静止座標系(絶対変位)の釣合式で表示すると、
xj=xjeiωt
とし、構造体の固有角振動数をω0とすると
ω0 2=k1/m1
であり、さらに減衰定数h1は
h1=c1/(2m1ω0)
であるから、
この式のf0/k1は加振力の絶対値をバネで除した静的変位を意味している。
この式で求まる|k1x1/f0|(複素数の絶対値)が加振入力に対する構造体の応答倍率(加振入力が静的に作用したときの変位に対する比)を示すものとなる。
図5(b)はこのモデルにおいて減衰定数h1=0.02の場合の応答倍率を示すもので、これは加振振動数ωが構造体の固有振動数ω0と一致する場合(ξ=ω/ω0=1)に応答倍率が最大となる一般的な共振曲線を示すものである。この場合の応答倍率の最大値は1/(2h1)=25となる。
(II) When vibration input is applied to the structure (wind load, etc.)
(I) Basic model (see Fig. 5)
FIG. 5 shows a vibration model of the structure itself without the rotary inertia mass damper. In this model, the excitation input f (t) is expressed as f (t) = f 0 · e iωt
Assuming that the balance point of the mass coordinate system (absolute displacement) is displayed,
And the natural angular frequency of the structure is ω 0 , ω 0 2 = k 1 / m 1
Further, the attenuation constant h 1 is h 1 = c 1 / (2m 1 ω 0 ).
Because
In this equation, f 0 / k 1 means a static displacement obtained by dividing the absolute value of the excitation force by a spring.
| K 1 x 1 / f 0 | (absolute value of complex number) obtained by this equation indicates the response magnification of the structure with respect to the vibration input (ratio to displacement when the vibration input is applied statically). .
FIG. 5B shows the response magnification when the damping constant h 1 = 0.02 in this model. This is the case where the excitation frequency ω matches the natural frequency ω 0 of the structure (ξ = ω / ω 0 = 1) shows a general resonance curve with a maximum response magnification. In this case, the maximum value of the response magnification is 1 / (2h 1 ) = 25.
(ii)回転慣性質量ダンパーを設置した場合(1)(図6参照)
図1(a)に対応するモデルとして図6(a)に示すモデルを想定する。これは、図5(a)の基本モデルに対し、回転慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に加え、付加減衰を回転慣性質量ダンパーに並列に加えたものである。
ここで、回転慣性モーメントをIθ、単位回転角に対するx方向変位量をαとすると、構造体変位をx1、ダンパーと付加バネとの接合部での変位をx2とし、質点の釣合式で表示すると、
A model shown in FIG. 6A is assumed as a model corresponding to FIG. This is obtained by adding a rotary inertia mass damper and an additional spring in series to the basic model of FIG. 5A and adding an additional damping in parallel to the rotary inertia mass damper.
Here, assuming that the rotational moment of inertia is I θ , the displacement amount in the x direction relative to the unit rotation angle is α, the displacement of the structure is x 1 , the displacement at the junction between the damper and the additional spring is x 2 , and the mass balance equation When displayed with
ω0 2=k1/m1
h1=c1/(2m1ω0)
Ψ2=Iθ/α2
ω2 2=k2/Ψ2
h2=c2/(2Ψ2ω2)
ξ=ω/ω0
η=ω2/ω0
とおくと、
h 1 = c 1 / (2m 1 ω 0 )
Ψ 2 = I θ / α 2
ω 2 2 = k 2 / Ψ 2
h 2 = c 2 / (2Ψ 2 ω 2 )
ξ = ω / ω 0
η = ω 2 / ω 0
After all,
図6(b)は、回転慣性質量が構造体質量の0.01倍、つまりΨ2/m1=0.01であり、かつk2/k1=0.0101、h2=0.07の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を62%も低減できる。
図6(c)は、回転慣性質量が構造体質量の0.1倍、つまりΨ2/m1=0.1であり、かつk2/k1=0.11、h2=0.2の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を85%も低減できる。
図6(d)は、回転慣性質量が構造体質量と等しい、つまりΨ2/m1=1.0であり、かつk2/k1=2.0、h2=1.0の場合における応答倍率を示すものであり、この場合にはもはや共振現象はなくなり、構造体の応答を96%も低減できる。これは、全ての振動数領域において変位振幅が静的変位以下になることを意味する。この場合でも回転体の実質量は構造体の1/100以下である。
FIG. 6B shows that the rotational inertial mass is 0.01 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.01, and k 2 / k 1 = 0.0101, h 2 = 0.07. In this case, the response magnification is shown, and the maximum response can be reduced by 62% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 6 (c) shows that the rotational inertial mass is 0.1 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.1, and k 2 / k 1 = 0.11 and h 2 = 0.2. In this case, the response magnification is shown, and the maximum response can be reduced by 85% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 6D shows a case where the rotational inertial mass is equal to the structure mass, that is, Ψ 2 / m 1 = 1.0, and k 2 / k 1 = 2.0 and h 2 = 1.0. In this case, the resonance phenomenon disappears and the response of the structure can be reduced by 96%. This means that the displacement amplitude is less than or equal to the static displacement in all frequency regions. Even in this case, the substantial amount of the rotating body is 1/100 or less of the structure.
(iii)回転慣性質量ダンパーを設置した場合(2)(図7参照)
図1(b)に対応するモデルとして図7(a)に示すモデルを想定する。これは、図5(a)の基本モデルに対し、慣性慣性質量ダンパーと付加バネとを直列に加え、付加減衰を付加バネに並列に加えたものである。
この場合、質点の釣合式は
A model shown in FIG. 7A is assumed as a model corresponding to FIG. This is obtained by adding an inertial inertia mass damper and an additional spring in series to the basic model of FIG. 5A and adding an additional damping in parallel to the additional spring.
In this case, the mass balance formula is
図7(b)は、回転慣性質量が構造体質量の0.01倍、つまりΨ2/m1=0.01であり、かつk2/k1=0.0097、h2=0.07の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を62%も低減できる。
図7(c)は、回転慣性質量が構造体質量の0.1倍、つまりΨ2/m1=0.1であり、かつk2/k1=0.081、h2=0.2の場合における応答倍率を示すものであり、共振点近傍において最大応答を84%も低減できる。
図7(d)は、回転慣性質量が構造体質量と等しい、つまりΨ2/m1=1.0であり、かつk2/k1=0.25、h2=0.25の場合における応答倍率を示すものであり、この場合にはもはや共振現象はなくなり、構造体の応答を93%も低減できる。また、共振振動数以下で回転慣性質量なしの場合よりも応答が大きくならないという顕著な効果がある。
FIG. 7B shows that the rotational inertial mass is 0.01 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.01, and k 2 / k 1 = 0.0097, h 2 = 0.07. In this case, the response magnification is shown, and the maximum response can be reduced by 62% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 7 (c) shows that the rotational inertial mass is 0.1 times the mass of the structure, that is, Ψ 2 / m 1 = 0.1, and k 2 / k 1 = 0.081, h 2 = 0.2. In this case, the response magnification is shown, and the maximum response can be reduced by 84% in the vicinity of the resonance point.
FIG. 7D shows a case where the rotational inertial mass is equal to the structure mass, that is, Ψ 2 / m 1 = 1.0, and k 2 / k 1 = 0.25 and h 2 = 0.25. In this case, the resonance phenomenon disappears and the response of the structure can be reduced by 93%. In addition, there is a remarkable effect that the response does not become larger than the case where the rotational frequency is less than the resonance frequency.
なお、図10に示した従来の一般的なTMDに加振入力が作用する場合、質点の釣り合い式は、
以上で第1実施形態を説明したが、次に図8〜図9を参照して第2実施形態を説明する。本第2実施形態は、図1に示した第1実施形態を基本として支持体1と構造体4との間に回転慣性質量ダンパー20を付加したものである。
なお、以下の説明においては、本第2実施形態において付加した上記の回転慣性質量ダンパー20を「第1の回転慣性質量ダンパー」とし、第1実施形態と同様に設置している回転慣性質量ダンパー10を「第2の回転慣性質量ダンパー」として区別する。
The first embodiment has been described above. Next, the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, a rotary
In the following description, the rotary
すなわち、本実施形態においては、構造体4がバネ2と減衰3を介して支持体1により支持されている振動系に対して第1の回転慣性質量ダンパー20をバネ2と並列に付加することによってその振動系を長周期化したうえで、第1実施形態と同様に第2の回転慣性質量ダンパー10と付加バネ5とを直列に設置している。そして、第2の回転慣性質量ダンパー10による回転慣性質量Ψ2と付加バネ5とにより定まる固有振動数を、第1の回転慣性質量ダンパー20を付加したことで長周期化した振動系の固有振動数に同調させるように各諸元を設定するものである。
なお、本実施形態においても、付加減衰6は図8(a)に示すように第2の回転慣性質量ダンパー10と並列に設置するか、あるいは(b)に示すように付加バネ5と並列に設置すれば良い。
That is, in the present embodiment, the first rotary
Also in this embodiment, the additional damping 6 is installed in parallel with the second rotary
この場合、構造体4の質量m1に対して第1の回転慣性質量ダンパー20により付加される回転慣性質量をΨ1とすると、それを付加することで振動系の固有振動数は
(m1/(m1+Ψ1))1/2 倍に長周期化され、そのように長周期化された固有振動数の周辺領域において第1実施形態と同様に優れた応答低減効果が得られることになる。
また、構造体4を支持しているバネ2と第1の回転慣性質量ダンパー20により定まる角振動数 ω=(k1/Ψ1)1/2 で加振された場合には、応答が殆どゼロとなる(伝達関数がゼロ近くになる)という振動遮断効果も得られる。
In this case, if the rotational inertia mass added by the first rotary
Further, when the vibration is applied at the angular frequency ω = (k 1 / Ψ 1 ) 1/2 determined by the
図8(a)に対応するモデルとして図9(a)に示すモデルを想定し、構造体変位をx1、ダンパーと付加バネとの接合部での変位をx2、加振点変位x0とし、質点の釣合式で表示すると、
ω0 2=k1/m1
h1=c1/(2m1ω0)
ω2 2=k2/Ψ2
h2=c2/(2Ψ2ω2)
ξ=ω/ω0
η=ω2/ω0
とおくと、
h 1 = c 1 / (2m 1 ω 0 )
ω 2 2 = k 2 / Ψ 2
h 2 = c 2 / (2Ψ 2 ω 2 )
ξ = ω / ω 0
η = ω 2 / ω 0
After all,
図9(b)は、構造体質量m1に対して回転慣性質量Ψ1を0.5倍(つまりΨ1/m1=0.5)、回転慣性質量Ψ2を0.1倍(つまりΨ2/m1=0.1)とし、かつ構造体の減衰定数h1=0.02、付加バネ5は構造体バネ2の0.073倍の場合における応答倍率を示すものである。
この場合、第1の回転慣性質量ダンパー20を設置することのみでは、それを付加することにより長周期化した振動数において約20%程度しか振動低減効果が得られないが、さらに第2の回転慣性質量ダンパー10を設置して、付加バネ5と回転慣性質量Ψ2による付加振動系の振動数を長周期化した固有振動数に対して同調させることにより、その固振動数領域における応答を大きく低減でき、最大応答値を87%も低減できることが分かる。
そして、この場合には図9(b)の縦軸を拡大表示した図9(c)に示されるように、応答低減できる振動数領域は充分に広いものであって、長周期化と相まって大幅な応答低減が図れるし、特にバネ2と第1の回転慣性質量ダンパー20により定まる上記の遮断振動数においては応答倍率がほぼゼロとなることが分かる。なお、応答が増大する領域もあるが、その範囲は狭く増大率も小さいので、実際上は問題にならない。
9 (b) is 0.5 times the rotational inertial mass [psi 1 to the structure mass m 1 (i.e. Ψ 1 / m 1 = 0.5) , 0.1 times the rotational inertial mass [psi 2 (i.e. Ψ 2 / m 1 = 0.1), the damping constant h 1 of the structure is 0.02, and the
In this case, only by installing the first rotary
In this case, as shown in FIG. 9 (c) in which the vertical axis of FIG. 9 (b) is enlarged, the frequency region in which the response can be reduced is sufficiently wide. It can be seen that the response can be reduced, and in particular, at the above-mentioned cutoff frequency determined by the
以上のように、本第2実施形態の振動低減機構によれば、第1の回転慣性質量ダンパー20による長周期化による効果と、第2の回転慣性質量ダンパー10による振動低減効果が相乗的に得られ、特に応答低減可能な振動数領域が広く、その範囲における各振動数での応答・反力を大きく低減でき、しかも長周期化した共振域だけに効果的な機構であってそれ以外の振動数領域で応答が大きくなるようなこともなく、さらに応答低減効果は振幅に依存しないので微振動から大振幅まで幅広く対応可能である。
したがって地震のようなランダム振動入力や交通振動入力においても充分な応答低減効果が得られるし、免震建物に適用すれば長周期化しながら風揺れの低減効果も得られ、極めて有効である。
勿論、所望の共振点に同調させるための振動数同調作業は従来のTMDと同様に付加バネの値を調整することで容易にかつ広範に対応できるし、設置後の変更も自由にかつ容易に行うことができる。
As described above, according to the vibration reduction mechanism of the second embodiment, the effect of the long period by the first rotary
Therefore, a sufficient response reduction effect can be obtained even with random vibration inputs such as earthquakes and traffic vibration inputs, and if applied to a base-isolated building, a wind fluctuation reduction effect can be obtained while increasing the period, which is extremely effective.
Of course, the frequency tuning operation for tuning to the desired resonance point can be easily and widely handled by adjusting the value of the additional spring as in the conventional TMD, and the change after installation can be done freely and easily. It can be carried out.
1 支持体
2 バネ
3 減衰
4 構造体
5 付加バネ
6 付加減衰
10 回転慣性質量ダンパー(第2の回転慣性質量ダンパー)
20 回転慣性質量ダンパー(第1の回転慣性質量ダンパー)
DESCRIPTION OF
20 rotary inertia mass damper (first rotary inertia mass damper)
Claims (8)
構造体とそれを支持する支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を構造体の固有振動数に同調させてなることを特徴とする振動低減機構。 A mechanism for reducing vibration of a structure,
Between the structure and the support that supports it, an additional spring that elastically supports the structure with respect to the support and a rotary inertia mass damper that generates a rotational inertial mass due to the rotation of the rotating body are interposed in series. A vibration reduction mechanism characterized in that the natural frequency determined by the rotary inertia mass and the additional spring is synchronized with the natural frequency of the structure.
付加減衰を回転慣性質量ダンパーと並列に設置してなることを特徴とする振動低減機構。 The vibration reduction mechanism according to claim 1,
A vibration reduction mechanism characterized in that additional damping is installed in parallel with the rotary inertia mass damper.
付加減衰を付加バネと並列に設置してなることを特徴とする振動低減機構。 The vibration reduction mechanism according to claim 1,
A vibration reduction mechanism characterized in that an additional damping is installed in parallel with the additional spring.
構造体とそれを支持する支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を構造体の固有振動数に同調させるように、それら回転慣性質量ダンパーと付加バネの諸元を設定することを特徴とする振動低減機構の諸元設定方法。 A specification setting method for a mechanism for reducing vibration of a structure,
Between the structure and the support that supports it, an additional spring that elastically supports the structure with respect to the support and a rotary inertia mass damper that generates a rotational inertial mass due to the rotation of the rotating body are interposed in series. Various characteristics of the vibration reduction mechanism characterized by setting the specifications of the rotary inertia mass damper and the additional spring so that the natural frequency determined by the rotary inertia mass and the additional spring is synchronized with the natural frequency of the structure. Original setting method.
構造体をバネと減衰を介して支持体により支持する振動系に対し、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第1の回転慣性質量ダンパーを前記バネと並列に付加することによって該振動系を長周期化するとともに、
前記構造体と前記支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第2の回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、第2の回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を、前記第1の回転慣性質量ダンパーの付加により長周期化された振動系の固有振動数に同調させてなることを特徴とする振動低減機構。 A mechanism for reducing vibration of a structure,
For a vibration system in which a structure is supported by a support through a spring and damping, a first rotation inertia mass damper that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotation body is added in parallel with the spring. With longer period,
Between the structure body and the support body, an additional spring that elastically supports the structure body with respect to the support body and a second rotary inertia mass damper that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotating body are interposed in series. The natural frequency determined by the rotational inertial mass of the second rotational inertial mass damper and the additional spring is tuned to the natural frequency of the vibration system having a long period due to the addition of the first rotational inertial mass damper. The vibration reduction mechanism characterized by becoming.
付加減衰を第2の回転慣性質量ダンパーと並列に設置してなることを特徴とする振動低減機構。 The vibration reduction mechanism according to claim 5,
A vibration reduction mechanism characterized in that an additional damping is installed in parallel with the second rotary inertia mass damper.
付加減衰を付加バネと並列に設置してなることを特徴とする振動低減機構。 The vibration reduction mechanism according to claim 5,
A vibration reduction mechanism characterized in that an additional damping is installed in parallel with the additional spring.
構造体をバネと減衰を介して支持体により支持する振動系に対し、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第1の回転慣性質量ダンパーを前記バネと並列に付加することによって該振動系を長周期化するとともに、
前記構造体と前記支持体との間に、構造体を支持体に対して弾性支持する付加バネと、回転体の回転により回転慣性質量を生じる第2の回転慣性質量ダンパーとを直列に介装し、第2の回転慣性質量ダンパーによる回転慣性質量と付加バネとにより定まる固有振動数を、前記第1の回転慣性質量ダンパーの付加により長周期化された振動系の固有振動数に同調させるように、それら第1および第2の回転慣性質量ダンパーと付加バネの諸元を設定することを特徴とする振動低減機構の諸元設定方法。 A specification setting method for a mechanism for reducing vibration of a structure,
For a vibration system in which a structure is supported by a support through a spring and damping, a first rotation inertia mass damper that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotation body is added in parallel with the spring. With longer period,
Between the structure body and the support body, an additional spring that elastically supports the structure body with respect to the support body and a second rotary inertia mass damper that generates a rotation inertia mass by the rotation of the rotating body are interposed in series. The natural frequency determined by the rotary inertia mass by the second rotary inertia mass damper and the additional spring is tuned to the natural frequency of the vibration system having a long period due to the addition of the first rotary inertia mass damper. And setting the specifications of the first and second rotary inertia mass dampers and the additional spring.
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