JP2005299173A - 塔状構造物の制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＴＭＤの設置に広い設置スペースを要することなく、かつ減衰部材の応答値も低減化させることができ、よって新たに構築する塔状構造物に適用する場合は勿論のこと、特に既存の塔状構造物に対する耐震補強に適用して好適な塔状構造物の制振構造を提供する。
【解決手段】 重り２と、鉄塔（塔状構造物）１に対する重り２の相対変位を緩衝する減衰部材４とを有するチューンドマスダンパーを設置した塔状構造物の制振構造であって、重り２を、鉄塔１から振り子状に吊り下げるとともに、重り２と鉄塔１との間に、減衰部材４を、水平方向に対して傾斜する方向に設置したことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、塔、鉄塔、柱状構造物、煙突等の塔状構造物における揺れを低減化させるためのチューンドマスダンパーを用いた制振構造に関するものである。

一般に、風等に起因する鉄塔等の塔状構造物の揺れを抑制するための手段の一種として、上記塔状構造物の頂部にチューンドマスダンパ（以下、ＴＭＤと略す。）を取り付けた制振構造が知られている。
このＴＭＤは、重りとスプリングとダンパーとを用いたパッシブ制振の一種であり、上記塔状構造物の頂部に、当該塔状構造物の固有周期とほぼ等しい固有周期を有する上記ＴＭＤを設置して、強風時等に生じる塔状構造物の振動を、上記ＴＭＤにおける運動エネルギーおよびダンパーの減衰エネルギーによって吸収し、上記塔状構造物の揺れを抑制するものである。

従来のこの種のＴＭＤを用いた塔状構造物の制振構造としては、例えば下記特許文献１に見られるような振り子式制振装置を用いたものが提案されている。
この制振構造は、鉄塔等の構造物上の取付台に、ポスト部材の下端部を自在継手を介して枢支し、かつ取付台周辺と上記ポスト部材との間にコイルバネおよびジャッキを介装するとともに、上記ポスト部材の上部に重錘を当該ポスト部材と一体的に揺動するように取り付けたものである。

上記制振構造によれば、ポスト部材、コイルバネ、ジャッキおよび重錘によって構成されるＴＭＤを、上記構造物とほぼ等しい長周期振動を生じるように設定することにより、構造物が揺れた際に生じるポスト部材および重錘の逆振り子式の揺動を、コイルバネおよびジャッキによって吸収して低減化させることができる。
特公平７−１２２３５１号公報

ところで、上記ＴＭＤによって塔状構造物の制振を行う場合には、ＴＭＤの重りとして上記塔状構造物の総重量に対して所定の質量比を有するものを用いる必要があるために、ＴＭＤを構造物の頂部に取り付けるための設置スペースを確保する必要がある。

また、特に既存の通信鉄塔等に対してＴＭＤを用いた耐震補強を行う場合には、通常頂部のステージには、既に通信設備等が設置されているために、上記ＴＭＤのスペースを確保することが難しく、別途ＴＭＤの設置台の新設が必要になるといった問題が生じる。

さらに、上記従来の制振構造では、通常の風等に起因する揺れに対しては、相応の制震効果が得られるものの、大地震時等における揺れに対する応答低減までを図ろうとすると、入力エネルギーが非常に大きいことから、上記通常時に比較して遙かに大きな質量比が必要となり、またバネやジャッキの性能保証変形や速度を超えてしまうという問題点がある。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ＴＭＤの設置に広い設置スペースを要することなく、かつ減衰部材の応答値も低減化させることができ、よって新たに構築する塔状構造物に適用する場合は勿論のこと、特に既存の塔状構造物に対する耐震補強に適用して好適な塔状構造物の制振構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、重りと、塔状構造物に対する上記重りの相対変位を緩衝する減衰部材とを有するＴＭＤを設置した塔状構造物の制振構造であって、上記重りを、上記塔状構造物から振り子状に吊り下げるとともに、当該重りと上記塔状構造物との間に、上記減衰部材を、水平方向に対して傾斜する方向に設置したことを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の重りと塔状構造物との間に、上記ＴＭＤの同期調整用の付勢部材を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の重りが、その変位時に上記塔状構造物と干渉しない外径を有するリング状に形成され、上記塔状構造物を囲繞するように上記塔状構造物の外周部から吊り下げられていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の減衰部材が、上記重りの周方向の複数箇所に設置されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明にあっては、ＴＭＤを構成する重りを、塔状構造物の頂部から振り子状に吊り下げているので、当該塔状構造物の頂部にＴＭＤ設置用のステージを要することなく、所望の制震効果を得ることができる。
加えて、この重りと塔状構造物との間に設置される減衰部材を、重りの変位方向とほぼ一致する水平方向に対して傾斜させているので、上記重りの変位に対する減衰部材の伸縮量や応答速度といった応答値も低減化させることができる。この結果、大地震時等に発生する大きな揺れに対しても、所望の制震効果を発揮し得るＴＭＤの設計が可能となる。

この際、請求項２に記載の発明のように、上記重りと塔状構造物との間に上記ＴＭＤの同期調整用の付勢部材を設ければ、塔状構造物の固有振動数等の諸元に対して、容易にＴＭＤの同期を調整することが可能となる。ちなみに、このような付勢部材としては、所望の弾性係数を有するスプリングが好適である。

また、請求項３に記載の発明によれば、重りを、その変位時に上記塔状構造物と干渉しない外径を有するリング状に形成し、上記塔状構造物を囲繞するように上記塔状構造物の外周部から吊り下げているので、上記重りの外径を適宜形成することにより、揺れ発生時における重りと塔状構造物との干渉を容易に防ぐことができる。

加えて、上記重りの形状を自由に調整できるため、容易に必要な質量比を確保することができる。
さらに、請求項４に記載の発明によれば、上記減衰部材を、上記重りの周方向の複数箇所に設置しているので、重りが如何なる方向に変位した場合においても、効果的に振動エネルギーの吸収ができ、減衰効果を得ることが可能となる。

図１〜図６は、本発明に係る塔状構造物の制振構造を、その一種である鉄塔の制振構造に適用した一実施形態を示すもので、この鉄塔の制振構造は、既存の鉄塔（塔状構造物）１の頂部に、重り２と、スプリング３と、重り２の相対変位を緩衝するオイルダンパー（減衰部材）４とからなるＴＭＤを設置することにより耐震性能を向上させたものである。ここで、スプリング３は、このＴＭＤにおける同期調整用の付勢部材として機能するものである。

すなわち、上記既存の通信鉄塔１等においては、その頂部に、平面視円形のステージ５が設けられており、このステージ５の外周部に、図３および図４に示すように、所定長さの鋼材からなる重り吊設部材６が設けられている。このようなステージが既存の塔状構造物に設けられていれば、特に既存の塔状構造物を耐震補強する際に、新たな重りの吊り下げ部を設ける必要がないために好適である。

この重り吊設部材６は、その両端部がステージ５に立設された受け台７によって上記ステージ５上に支持されており、ステージ５の円周方向に等間隔をおいた４箇所に設置されている。そして、各々の重り吊設部材６の中央部からワイヤ８が垂らされ、これらワイヤ８の下端部に連結部材８ａを介して重り２が取り付けられている。

この重り２は、鋼管２ａが変位時に鉄塔１と干渉しない外径を有するリング状に形成されるとともに、内部にコンクリート２ｂ等が充填されることによって構成されたもので、鉄塔１を囲繞するように設けられている。そして、この重り２と鉄塔１の柱部材１ａとの間に、上記スプリング３およびオイルダンパー４が設置されている。

ここで、重り２の外周部には、隣接するワイヤ８の中間部となる円周方向の４箇所に、取付板９が接合されており、この取付板９と上記柱部材１ａとの間に、スプリング３が重り２の略変位方向となる水平方向に対して下方に約４５°傾斜して設けられ、他方オイルダンパー４が上方に約４５°傾斜して設けられている。

以上の構成からなる鉄塔の制振構造によれば、ＴＭＤを構成する重り２を、鉄塔１の頂部から振り子状に吊り下げているので、鉄塔１の頂部にＴＭＤの設置台を要することなく、所望の制震効果を得ることができる。
加えて、仮に重り２の変位方向にスプリング３およびオイルダンパー４を設けると、重り２の変位量がそのままスプリング３およびオイルダンパー４の応答値になるのに対して、この制振構造においては、重り２と鉄塔１との間に設置されるスプリング３およびオイルダンパー４を、それぞれ重り２の変位方向となる水平方向に対して約４５°傾斜させているので、重り２の変位に対するスプリング３およびオイルダンパー４の応答値も低減化させることができる。

すなわち、図６の模式図に示すように、平常時に重り２、スプリング３およびオイルダンパー４が実線で示す位置にある場合に、風や地震等の外力が鉄塔１に作用すると、図中点線で示すように、重り２が変位方向（この場合は水平方向）に沿って、それぞれ平常位置よりも長さδ₁およびδ₂離れた位置Ｘ₁および位置Ｘ₂間を移動し、これによりスプリング３およびオイルダンパー４にもδ_Dの伸縮が生じる。

この際に、スプリング３およびオイルダンパー４は、重り２の変位方向に対して角度θ傾斜しているために、スプリング３等における伸縮量δ_Dは、上記δ₁やδ₂よりも小さくなるのである。また、併せてスプリング３およびオイルダンパー４の応答速度も、重り２の変位速度よりも小さくなる。

なお、上記重り２は、ワイヤ８の下端部に吊設されているために、厳密には、その変位方向はワイヤ８の長さに対応した曲率の弧を画くことになるが、上記重り２の変位量が限られており、よって水平方向との差異が小さいために、当該水平方向に対する傾斜角度を採用した。

ちなみに、図中のＤ＝Ｈ₁＝２００ｃｍ、θ＝４５°、δ₁＝δ₂＝３０ｃｍ、と仮定した場合には、δ_D＝０．７３３δ₁＝０．６７８δ₂、になる。
そして、スプリング３およびオイルダンパー４における伸縮量および変位速度といった応答値を小さくすることができることに加えて、重り２をリング状に形成し、鉄塔１を囲繞するように設けているので、鉄塔１の総重量に対して、容易に大きな質量比を確保することができる。この結果、従来構造上困難であって大地震時等における大きな揺れに対して所定の制震効果を発揮し得るＴＭＤの設計も可能となる。

（実験例）
本発明の効果を確認するために、本発明に係る総高さ１００ｍの建物搭載型鉄塔と、既存の通信鉄塔とについて、図２に示した構成を有するＴＭＤを設置した場合を想定して、下記条件のもとで時刻歴応答解析を行った。
当該解析に用いた諸元は、次の通りである。
建物：高さ２７ｍ、重量８３８６ｔｆ、固有周期（１次０．２６ｓｅｃ）
鉄塔：高さ７３ｍ（１７層−１８階、階高；３．３５０ｍ、重量 ２０８ｔｆ）
固有周期（１次１．００ｓｅｃ、２次０．３０ｓｅｃ、３次０．１４ｓｅｃ）

ＴＭＤ：重り重量１２ｔｆ、同調周期１．００ｓｅｃ
吊設位置；下層より１．５ｍ上方（上層より１．８５ｍ下方）で、柱部材より
１．６ｍ離間した位置
オイルダンパー４基、１基あたり１４５ｋｇｆ／ｋｉｎｅ
各オイルダンパーの水平方向に対する傾斜角度；４１°
スプリング４基、１基あたり４５４ｋｇｆ／ｃｍ
各スプリングの水平方向に対する傾斜角度；４７°

上記解析の結果、先ずＴＭＤの応答結果については、下記（１）〜（４）であった。
（１）重りの水平方向の応答変位：δ_max＝１５．９ｃｍ
（２）重りの水平方向の応答速度：Ｖ_max＝１５８ｋｉｎｅ
（３）スプリングの応答変位 ：δ_max＝１１．３ｃｍ
（４）オイルダンパーの応答速度：Ｖ_max＝１１２ｋｉｎｅ

また、鉄塔における最大変位、最大加速度および最大せん断力の対比結果、並びにせん断力低減率は、それぞれ図７〜図１０に示す通りであった。
このように、本発明に係る鉄塔の制振構造によれば、上記重りの変位に対する減衰部材の伸縮量や応答速度といった応答値も低減化させることができる結果、大地震時等に発生する大きな揺れに対しても、所望の制震効果を発揮し得るＴＭＤの設計が可能となることが検証された。

なお、上記実施の形態等においては、重り２の外周部に接合した取付板９と柱部材１ａとの間に、スプリング３を重り２の変位方向である水平方向に対して下方に約４５°傾斜して設け、オイルダンパー４を上方に約４５°傾斜して設けた場合についてのみ説明したが、これに限定されるものではなく、スプリング３およびオイルダンパー４を、それぞれ重り２の変位方向に対して上方に所定角度だけ傾けて設置してもよい。

また、減衰部材として、オイルダンパー４の他、エアダンパー等の流体ダンパーやその他の緩衝部材を適用したり、さらにはこれらを適宜組み合わせて使用したりすることも可能である。他方、ＴＭＤの同期調整用の付勢部材についても、上記スプリング３に限定されるものではなく、またこれが必要とされない場合には、省略することも可能である。
さらにまた、これらの傾斜角度についても、上述した約４５°に限らず、水平方向に対して傾斜する限りにおいて、当該スプリングやオイルダンパーの仕様や、他の寸法諸元に合わせて、適宜角度に設定可能である。

また、振り子状に吊り下げる重り２の形状として、鉄塔１の外周を取り囲むリング状のものを用いた場合についてのみ説明したが、これに限らず、例えば鉄塔１の内部に吊り下げる構造のものであっても、減衰部材を水平方向に対して傾斜する方向に設置することにより、同様の制振効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す全体の正面図である。 図１の鉄塔の頂部を示す正面図である。 図２の平面図であり、切断線右方は図１のＡ矢視図、左方は図１のＢ矢視図である。 図３のＩＶ―ＩＶ線視断面図である。 図３のＶ−Ｖ線視断面図である。 図２の重りの変位と減衰部材の応答値との関係を示す模式図である。 本発明の効果の検証結果を示す階数と最大変位との関係を示すグラフである。 本発明の効果の検証結果を示す階数と最大加速度との関係を示すグラフである。 本発明の効果の検証結果を示す層数と最大せん断力との関係を示すグラフである。 図９の結果から求めたせん断力低減率を示すグラフである。

符号の説明

１ 鉄塔（塔状構造物）
２ 重り
３ スプリング（同期調整用の付勢部材）
４ オイルダンパー（減衰部材）
５ ステージ
８ ワイヤ

Claims (4)

1. 重りと、塔状構造物に対する上記重りの相対変位を緩衝する減衰部材とを有するチューンドマスダンパーを設置した塔状構造物の制振構造であって、
   上記重りを、上記塔状構造物から振り子状に吊り下げるとともに、当該重りと上記塔状構造物との間に、上記減衰部材を、水平方向に対して傾斜する方向に設置したことを特徴とする塔状構造物の制振構造。
2. 上記重りと上記塔状構造物との間に、上記チューンドマスダンパーの同期調整用の付勢部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の塔状構造物の制振構造。
3. 上記重りは、その変位時に上記塔状構造物と干渉しない外径を有するリング状に形成され、上記塔状構造物を囲繞するように上記塔状構造物の外周部から吊り下げられていることを特徴とする請求項１または２に記載の塔状構造物の制振構造。
4. 上記減衰部材は、上記重りの周方向の複数箇所に設置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の塔状構造物の制振構造。

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