JP2007113700A - 振り子式制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部の温度の影響を受けることなく、所定の制振効果を得ることのできる振り子式制振装置を提供する。
【解決手段】振り子式制振装置１０は、所定の支持部材１３によって、任意の方向に移動可能に吊下げられ、下端に重錘１４を有する振り子と、重錘の移動を妨げる粘性液体３５を保持する粘性液体保持部３１とを含み、粘性液体保持部３１は、断熱構造を有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、煙突、鉄塔等塔状構造物の風応答制御に使用される、振り子式制振装置に関し、特に、同調質量ダンパー（Tuned Mass Damper）機構を有する振り子式制振装置に関する。

搭状構造物には、構造物本体から発生するカルマン渦により、渦励振とよばれる振動現象が生じる。渦励振は、比較的低風速で発生する現象であり、構造物が設置される風環境（たとえば、台風や季節風の影響により、共振風速域の風速が比較的継続して吹くような風環境）によっては、常に振動が発生する状況が続くことになる。

このような風による振動を制御する方法としては、煙突本体に螺旋状のひれを設置して周期的な渦そのものの発生を抑制する方法（空気力学的対策）と、同調質量ダンパー等の制振装置を設置することで減衰性を高め、渦励振の発生を抑制する方法（構造制振による対策）がある。しかし、ひれを設置することで風荷重が増加するために、場合によっては、基礎の耐力不足に陥る可能性があり、前者よりもむしろ後者が採用される場合が多い。

従来の、鋼管ポール等に使用される、同調質量ダンパー機構を有する振り子式制振装置が、たとえば、特開平８−２７０７２４号公報（特許文献１）に記載されている。同公報によれば、鋼管ポールの垂直部および水平部に制振装置を設ける。制振装置は、上蓋引張りスプリングを縣架し、引張りスプリングの下端に振り子を取付け、振り子は、粘性減衰液体中に垂下されている。
特開平８−２７０７２４号公報（段落番号００１１等）

従来の振り子式制振装置は、上記のように構成されていた。粘性減衰液体は温度によってその特性が大きく変化するが、粘性減衰液体は、鋼管製のポール内に保持されているだけであるため、外部の温度の影響を受け、必ずしも、設計どおりの制振効果が得られない、という問題があった。

この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、外部の温度の影響を受けることなく、所定の制振効果を得ることのできる振り子式制振装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる、振り子式制振装置は、所定の支持部材によって、任意の方向に移動可能に吊下げられ、下端に重錘を有する振り子と、重錘の移動を妨げる粘性液体を保持する粘性液体保持部とを含み、粘性液体保持部は、断熱構造を有している。

粘性液体保持部は断熱構造を有しているため、外部の温度変化の影響を受けることはない。

その結果、所定の制振効果を得ることのできる振り子式制振装置を提供できる。

好ましくは、粘性液体保持部は半球状である。

さらに好ましくは、粘性液体保持部内には、上面に凸部を有する仕切り部が設けられる。

また、振り子と粘性液体保持部とは、所定の密封可能な容器内に収容され、振り子は、容器の天井にユニバーサルジョイントで支持されてもよいし、容器の天井に、第１方向および第１方向に直交する第２方向に回転可能な第１ジョイントと、第２方向および第１および第２方向と交わる第３方向に回転可能な第２ジョイントとによって支持されてもよい。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態に係る振り子式制振装置ついて説明する。図１は、この発明に係る振り子式制振装置の要部を示す側面図である。図１を参照して、振り子式制振装置１０は、全体が上から見て、円筒状または矩形状の、密封可能な容器２０内に収容された、振り子１１と、容器２０内に収納された粘性液体３５とを含む。振り子１１は、吊り点１２から垂下された支持部材１３によって、任意の方向に移動可能に吊下げられ、下端に重錘１４を有する。ここで、支持部材１３は、重錘１４を吊下げ可能なものであれば何でもよく、ワイヤや鎖等であってもよい。

容器２０は、粘性液体３５を保持する粘性液体保持部３１と、粘性液体保持部３１の上に、着脱自在に設けられた蓋部２１とからなる。粘性液体保持部３１は、円板状の底面部３１ａと、底面部３１ａの上に設けられた側面部３１ｂとを含み、側面部３１ｂの中央より上部の円周上にフランジ３２が設けられている。蓋部２１は、円板状または矩形状の天板２２と、天板２２の下部に、粘性液体保持部３１の側面部３１ｂの外部を覆うように設けられた側面部２３と、側面部２３の下端部に設けられたフランジ２４とを含む。粘性液体保持部３１のフランジ端部３２と、蓋部２１に設けられたフランジ２４とは、間にパッキン２７ａを挟んで当接している。なお、パッキンを挟まない場合は、シリコンゴムなどの充填材を注入してもよい。

天板２１には、点検口２５が設けられている。点検口２５は、任意の形状でよいが、立上がり部２５ａと、立上がり部２５ａを覆うキャップ２５ｂと、その下端に設けられたフランジ２５ｃとを有し、フランジ２５ｃと天板２１との間には、パッキン２７ｂが設けられている。パッキン２７ａ，２７ｂは、シリコンゴム製であるのが好ましい。

この実施の形態においては、側面部２３の下端部にフランジ２４を設け、また、点検口２５に立上がり部２５ａを設けたため、外部からの水の浸入が防止される。

また、粘性液体保持部３１の底面には、粘性液体交換時に、粘性液体を抜く、オイル抜き２８が設けられ、側面部３１ｂの内周には、重錘１４の振動を止めるストッパ２９が設けられる。なお、オイル抜き２８は、万が一結露等により制振装置内に水分が粘性液体３５の下部に溜まったときの水抜きとしても機能する。

重錘１４の下端部は粘性液体３５中に保持され、後に説明するように、図中矢印で示す方向を含む、任意の方向に移動する。

また、図１に示すように、容器２０の粘性液体保持部３１は、断熱構造、たとえば、二重構造である。ここでは、粘性液体保持部３１のみを二重構造としたが、これに限らず、蓋部２１も二重構造としてもよい。

また、粘性液体３５としては、シリコンオイルが好ましい。これは、温度依存性、化学反応性、劣化、揮発性等の点で好ましいためである。

次に、吊り点１２の構成について説明する。図２は、吊り点１２の構成の詳細を示す図である。図２（Ａ）は図１と同じ方向から見た図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）において、Ｂ−Ｂで示す部分の矢視図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）で示したＸ，ＹおよびＺ軸の移動方向を示す図である。図２を参照して、吊り点１２は、天板２１に保持され、支持部材１３ａを図中Ｘ方向に回転自在に保持する第１保持部４１と、第１保持部４１によってＸ方向に回転自在に保持され、第３保持部材４３を図中Ｙ方向に回転自在に保持する第２保持部４２とを含み、第３保持部材４３が、重錘１４を支持する支持部材１３ｂをピン４５で支持し、それによって、重錘１４は、図中Ｚ方向に回転自在に保持される。

第２保持部材４２は、対向する一対の端面４２ｂと、一対の端面４２ｂをその一端側で接続する接続部４２ａとを含み、一対の端面４２ｂに設けられたピン４６によって、第３保持部材４３がＹ方向に回転自在に保持される。また、第３保持部材４３は、対向する一対の端面４４と、一対の端面４４をその一端側で接続する接続部４４ａとを含み、この接続部４４ａに支持部材１３ｂが取付けられている。したがって、重錘は、Ｙ−Ｚ平面の任意の方向に移動が可能である。

なお、この吊り点としては、たとえば、支持部材１３が、球状の端部を有し、この球状の端部を回転自在に保持する球面受け構造でユニバーサルジョイントを構成してもよい。このとき、球状の端部と球面受け構造との間には、テフロン（登録商標）製の被膜を設けるのが好ましい。

次に、この発明に係る振り子式制振装置１０の他の実施の形態について説明する。図３は、この発明の他の実施の形態に係る振り子式制振装置を示す模式図である。この実施の形態においては、振り子式制振装置の粘性液体３５を保持する部分のみが変わっており、それ以外の部分については、先の実施の形態と同じであるため、粘性液体保持部のみについて説明し、他の部分については、その説明を省略する。

図３を参照して、この実施の形態に係る粘性液体保持部４０は、半球状であり、その下面に粘性液体３５が保持されている。半球状の粘性液体保持部４０と円筒状、または矩形状の筐体４７との間には、発泡断熱材４８が封入されている。また、この実施の形態においては、重錘１４の下部に、重錘１４の最下部の寸法より大きい、たとえば、円板状の抵抗物４９が設けられている。

粘性液体保持部４０が半球状であるため、粘性液体３５の量は少なくてすむ。また粘性液体保持部４０と筐体４７との間には、発泡断熱材４８が封入されているため、粘性液体３５の温度が外気温度に左右されずにほぼ一定に保たれるため、所定の制振性能が得られる。また、重錘１４の下部に抵抗物４９を設けたため、この部分のみを粘性液体３５に浸せばよいため、さらに粘性液体３５の量を削減できる。

なお、図３においては、粘性液体３５の温度が外気温度に左右されずにほぼ一定に保つために、蓋部２１の下面に断熱材３６を設けている。

次にこの発明のさらに他の実施の形態について説明する。図４から図６は、この発明のさらに他の実施の形態を示す図である。ここでは基本的な構成は先の実施の形態と同じであるので、粘性液体保持部４０のみを示し、筐体や断熱材についてもその説明を省略している。この実施の形態においては、上述の断熱構造を有しているにも拘わらず、万が一、粘性液体保持部４０の内部と外部との温度差によって、内部に結露が生じた場合を考慮している。

この実施の形態においても振り子式制振装置の粘性液体３５を保持する粘性液体保持部４０のみが変わっており、それ以外の部分については、先の実施の形態と同じであるため、粘性液体保持部４０のみについて説明し、他の部分については、その説明を省略する。

図４から図６を参照して、この実施の形態に係る粘性液体保持部４０も先の実施の形態と同様に、半球状であり、その下面に粘性液体３５が保持されている。なお、ここでは、振り子も図示を省略している。半球状の粘性液体保持部４０と円筒状、または矩形状の筐体４７との間には、発泡断熱材４８が封入されている。

図４を参照して、筐体４７を構成する蓋部２１と粘性液体保持部４０の内部と外部との温度差が大きくなると、天板の下部や粘性液体保持部４０内に結露が生じる。粘性液体３５は、水よりも軽いので、図４に示すように、上に粘性液体３５、下に水５５というように、上下に分離する。このように、水５５の上に粘性液体３５が載ると、粘性液体３５は水５５の上のを滑るようになるため、粘性液体３５中で重錘１４が振れても、それとともに粘性液体３５が移動するため、粘性液体３５が粘弾性体として作動しなくなる。そこで、この実施の形態においては、上面に凸部５１を有する平板状の仕切り部材５０を、半球状の粘性液体保持部４０に設ける（図５、図６参照）。仕切り部材５０の上面には井桁状の凸部５１が設けられているため、この凸部５０によって、粒粘性液体３５の下面が保持され、水５５の上で粘性液体３５が滑ることはない。

したがって、粘性液体３５の位置は固定され、万が一結露が生じても、所定の制振機能を発揮できる振り子式制振装置を提供できる。

なお、ここでは、仕切り部材５０の上面には井桁状の凸部５１を設けた例について説明したが、これに限らず、粘性液体の下面を固定できる、凸部であれば任意の形状であってもよい。

また、この仕切部材５０としては、固定されることなく、粘性液体３５と水５５との間に保持されるものであれば、何でもよい。たとえば、粘性液体３５より重く、水５５より軽い材質で形成され、上面に凸部５１を有する平板状の部材であってもよい。このような仕切り部材であれば、仕切り部材は、水５５に浮いて、その上に粘性液体３５が位置する。

次に上記実施の形態の変形例について説明する。図７および図８は、変形例における図５および図６に対応する図であり、図７および図８は、それぞれ、図８および図７において、ＶＩＩ-ＶＩＩ、ＶＩＩＩ-ＶＩＩＩで示す部分の平面図および断面図である。図７および図８を参照して、この変形例においては、粘性液体保持部４０の最下部に、図１において示したオイル抜きと同様の水抜き３３につながる水抜き孔３３ａが設けられ、仕切り部材５０の凸部５１には、井桁で構成される四辺形のそれぞれの中央部に貫通孔５１ａ〜５１ｄが設けられている。したがって、この実施の形態においては、結露によって生じた水は貫通孔５１ａを経て粘性液体保持部４０の最下面に集められ、そこから水抜き３３を介して外部へ排出されるという効果を有する。

次に上記実施の形態のさらなる変形例について説明する。図９および図１０は、さらなる変形例における図５および図６に対応する図であり、図９および図１０は、それぞれ、図１０および図９において、ＩＸ-ＩＸ、Ｘ-Ｘで示す部分の平面図および断面図である。図９および図１０を参照して、さらなる変形例においては、粘性液体保持部４０の最下部に、図７と同様の水抜き３３につながる水抜き孔３３ａが設けられ、仕切り部材３７として、水抜き孔３３ａを中心に放射状に仕切り板３７ａ〜３７ｈが設けられている。

このさらなる変形例においても、先の変形例と同様に粘性液体保持部４０内の水を排除できるという効果を奏する。

次に、この実施の形態に係る振り子式制振装置１０の配置例について説明する。図１１は、振り子式制振装置１０の配置例を示す図である。図１１（Ａ）は、平面図であり、図１１（Ｂ）は側面図である。

図１１を参照して、ここでは、振り子式制振装置１０は、煙突５６に設けられている。すなわち、煙突５６は、その上部の所定の位置に手すり５７ａつきの踊り場５７有し、そこに、一対の制振装置１０ａ，１０ｂが相互に１８０度離れて設けられている。

次に、この実施の形態に係る振り子式制振装置１０の効果について説明する。

振り子式制振装置１０の設置個数や重錘１４の重さは、取り付ける煙突等の制振対象構造物の規模や目標制振効果に応じて変化する。ここでは、２基の重錘の合計が１５０ｋｇとなっており、質量比（重錘の重量／煙突の一般化質量）が約３％となる場合について説明する。

図１２は、次式で与えられるスクルートン数（Ｘ軸）と渦励振応答振幅（Ｙ軸）との関係を示す図である。

Ｓｃ＝２ｍδ／ρＤ^２ ・・・・・（１）
ここで、Ｓｃはスクルートン数であり、ｍは単位長さあたりの質量であり、δは煙突の対象モードの対数減衰率であり、ρは、空気密度であり、Ｄは煙突の代表径（高さ方向に代表径が異なる場合は、煙突高さの２／３の位置での煙突外径を採用する）。この式において、振り子式制振装置１０を設置することで、δが大きくなり、渦励振の応答を低減できる。

すなわち、図１２に示すように、制振装置を設けないときは、縦軸の振幅値（無次元）は約０．５程度であるが、この発明に係る振り子式制振装置１０を設けると、縦軸の振幅値（無次元）は約０．１となり、渦励振の応答振幅を約１／５まで低減可能である。

次に、他の煙突に制振装置を設置した場合の減衰自由振動数波形を図１３に示す。ここでは、５０ｍの高さの鋼製煙突に、振り子式制振装置１０を設けた場合の例である。制振装置の質量比は、約５％である。Ｘ軸は時間（ｓｅｃ）を示し、Ｙ軸は変位（ｍｍ）を示す。

５秒程度加振し、その後加振を止めて、減衰自由振動波形が得られている。減衰自由振動後は２秒足らずで振動が収まるのがわかる。

上記実施の形態においては、断熱構造として二重構造を採用した場合について説明したが、これに限らず、断熱材で覆う等の任意の断熱構造を採用してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の一実施の形態に係る振り子式制振装置を示す断面図である。 吊り点の構成を示す図である。 この発明の他の実施の形態に係る振り子式制振装置を示す断面図である。 制振装置の結露時の問題点を示す図である。 この発明のさらに他の実施の形態に係る振り子式制振装置の粘性液体保持部を示す平面図である。 この発明のさらに他の実施の形態に係る振り子式制振装置の粘性液体保持部を示す断面図である。 粘性液体保持部の変形例を示す平面図である。 粘性液体保持部の変形例を示す断面図である。 粘性液体保持部のさらなる変形例を示す平面図である。 粘性液体保持部のさらなる変形例を示す断面図である。 振り子式制振装置の設置状態を示す図である。 振り子式制振装置の効果を示す図である。 振り子式制振装置の効果を示す図である。

符号の説明

１０ 振り子式制振装置、１１ 振り子、１２ 吊り点、１３ 支持部材、１４ 重錘、１９ 測定装置、２０ 容器、２１ 蓋部、２２ 天板、２４ フランジ、２５ 点検口、２６ フランジ端部、３１，４０ 粘性液体保持部、３３ 水抜き、３５ 粘性液体。

Claims (5)

1. 所定の支持部材によって、任意の方向に移動可能に吊下げられ、下端に重錘を有する振り子と、
   前記重錘の移動を妨げる粘性液体を保持する粘性液体保持部とを含み、
   前記粘性液体保持部は、断熱構造を有している、振り子式制振装置。
2. 前記粘性液体保持部は半球状である、請求項１に記載の振り子式制振装置。
3. 前記粘性液体保持部内には、上面に凸部を有する仕切り部が設けられる、請求項１または２に記載の振り子式制振装置。
4. 前記振り子と前記粘性液体保持部とは、所定の密封可能な容器内に収容され、
   前記振り子は、前記容器の天井にユニバーサルジョイントで支持される、請求項１から３のいずれかに記載の振り子式制振装置。
5. 前記振り子と前記粘性液体保持部とは、所定の密封可能な容器内に収容され、
   前記振り子は、前記容器の天井に、第１方向および前記第１方向に直交する第２方向に回転可能な第１ジョイントと、前記第２方向および前記第１および第２方向と交わる第３方向に回転可能な第２ジョイントとによって支持される、請求項１から４のいずれかに記載の振り子式制振装置。
   

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