JP2011241960A

JP2011241960A - 制振装置及び制振性に優れた立設部材

Info

Publication number: JP2011241960A
Application number: JP2010117000A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Iida; 毅飯田; Tomomichi Nakamura; 友道中村; Daiki Suzuki; 大貴鈴木
Original assignee: Osaka Sangyo University; Nippon Steel and Sumikin Metal Products Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Metal Products Co Ltd; Osaka Sangyo University
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: JP5647816B2

Abstract

【課題】広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない制振装置及び制振性に優れた立設部材を提供する。
【解決手段】内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーからなる制振装置。底面の内面が曲面形状を有する容器内を複数個の粒状体が移動自在に収容されている粒状体ダンパーと併用してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、制振装置及び制振性に優れた立設部材に関する。特に、道路や橋梁などに立設される、照明柱、標識柱、信号柱などの立設部材に用いられる制振装置及び制振性に優れた立設部材に関する。

道路や橋梁などに立設された、照明柱、標識柱、信号柱などの立設部材は、風、地震や車両走行に伴う路面振動などに起因する共振現象によって、揺れが生じることがある。これらの立設部材に揺れが生じると、揺れによって立設部材の損傷が起きやすく、また、その損傷が促進される。また、発生する振動により、立設部材に取り付けられた器具の寿命が短くなる問題があり、さらに、照明柱の場合には、照明光が揺れて人に違和感を与える問題もある。

このような共振現象に起因する立設部材の揺れを防止するために、
(a)立設部材の重量、形状及び剛性を変更して、その固有振動数を変更する方法、
(b)立設部材の内部に物理振り子及び当接具を設けて、振動時に物理振り子を当接具に衝突させることによって制振効果を持たせる方法、
が、それぞれ、すでに提案されている。

しかしながら、上記(a)の方法では、特定の振動数に対しては制振効果があるものの、風による揺れのように、励振周期や振動数が様々に変動する揺れには対応できないだけでなく、立設部材の材料設計の自由度を減じることになる。また、上記(b)の方法では、励振周期や振動数が様々に変動する揺れには対応できないことに加えて、制振効果を上げるためには、物理振り子及び当接具を一定以上の大きさにする必要がある。そのために収納スペースが必要となるが、これも、立設部材の装置設計の自由度を減じる結果となる。

特許文献１には、このような従来技術の問題点を踏まえて、垂直中空体の内部に、非固定の自由振動部を持たせてチェーンまたはワイヤーを吊り下げ、かつこのチェーンまたはワイヤーと垂直中空体の内壁との間隔を等価に維持することによって、振動数の変動に対応した制振装置（以下、「チェーンダンパー」という。）が記載されている。この制振装置を垂直立設部材の外部又は内部に取り付けると、垂直立設部材に加えられた揺れによる振動を減衰させることができる。

特公平０４−２６００４号公報

照明柱、標識柱、信号柱などの立設部材に、チェーンダンパーを組み込んでも、風、地震や車両走行に伴う路面振動などに起因する共振現象によって立設部材に揺れが生じることがあった。そして、これらの立設部材に揺れが生じると、発生する振動により、立設部材に取り付けられた器具の寿命が短くなり、さらに、照明柱の場合には、照明光が揺れて人に違和感を与える。

この原因は、風、地震や車両走行に伴う路面振動などに起因する振動は、その振動数範囲が広いためである。

すなわち、垂直中空体の内部に単に鋼製チェーンを吊り下げるだけのチェーンダンパーにおいては、全振動数範囲の振動に対応できないためである。チェーンダンパーは、６Ｈｚ以上の振動数の振動に対する制振効果を有するが、５Ｈｚ以下の振動数の振動に対する制振効果が不十分であることが判明した。

本発明の目的は、このような状況に鑑み、広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない制振装置及び制振性に優れた立設部材を提供することにある。

本発明者らは、種々に実験と検討を重ねた結果、次の(a)〜(g)に示す知見を得た。

(a) 底面の内面が曲面形状を有する容器内に複数個の粒状体を収容し、容器内の各粒状体が容器内を移動自在となるように収容した制振装置（以下、「粒状体ダンパー」という。）が、１〜３Ｈｚの低振動数の振動に対する制振効果を有しているが、４Ｈｚ以上の振動数の振動に対する制振効果は不充分であることを見出した。

そのため、４Ｈｚ以上の振動数の振動に対する制振作用を有するものをさらに検討したところ、複数個の粒状体を容器内に収容する代わりに、内部に水などの液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個を、容器内に移動自在に収容すると、４Ｈｚ以上の振動数の振動に対する制振効果に優れた制振装置（以下、「袋体ダンパー」という。）として用いることができることを見出した。このとき、液体を封入してなる袋体を収容する容器の形状としては、底面の内面が曲面形状を有する容器だけでなく、底面の内面が平面であってもよいことも分かった。また、この袋体ダンパーは全方位の振動に対して円滑な制振効果を発揮するという利点もあることも分かった。

(b) この袋体ダンパーを立設部材等の構造物に取り付けた場合、構造物が振動を開始すると、袋体内の液体が構造物の振動とは位相差をもって移動するだけでなく、内部に水などの液体を封入してなる柔軟性を有する袋体自体が容器内を移動自在であるから、容器の内壁に衝突することによって、構造物の振動を減衰せしめ、もって構造物の振動を抑えることができる。すなわち、袋体ダンパーによる制振効果は、袋体内の液体の質量移動によるエネルギー消費と、袋体内の液体自体の粘性抵抗によるエネルギー消費、袋体内の液体と袋体との界面での摩擦抵抗によるエネルギー消費、内部に水などの液体を封入してなる柔軟性を有する袋体自体の容器の内面への衝突によるエネルギー消費など、複数の要因が組み合わされたものであると考えられる。

(c) 袋体ダンパーに用いられる袋体の材質としては、袋体内に封入された液体が袋体内から漏れることなく、袋体内を自由に移動できるとともに、液体が袋体内を移動する際にあるいは内部に液体を封入した袋体が容器内を自由に移動する際に、自由に袋体の形状を変えることができる程度の柔軟性を有するものであればよく、たとえば、ポリエチレンやゴムなどの柔軟性を有する高分子物質の薄膜を挙げることができる。そして、袋体内に封入する液体としては、減衰させたい振動の振動数に応じて、水を始めとして、高粘性の液体、高密度の液体など、適宜、選択することができる。袋体の形状としては、たとえば、ポリエチレン製の球状体であってもよいし、筒状のジップロップを適宜熱シールして枕形状にしたものであってもよい。ジップロップを用いると、袋体の容積を容易に所望値にすることができる。

(d) 袋体内の容積に対する袋体内に封入する液体の容量の容量比は、格別に限定するものでない。ただし、後述する図５にみるごとく、この容量比によって減衰性能が異なってくる。実用上満足できる減衰定数を得るためには、この容量比を５０％以上とするのが好ましい。

また、容器内に収容する袋体の大きさは、格別に限定するものでなく、容器内に収容することができる大きさであればよい。袋体の個数に応じて適宜選択すればよい。ただし、容器内に収容する袋体の個数を増やすと、後述する図７にみるごとく、制振効果のある振動数は高振動数へシフトする傾向がある。

(e) 内部に液体を封入してなる袋体を移動自在に収容する容器の形状としては、例えば、矩形又は球形の形状のものでよい。容器からその袋体が振動によって跳び出さなければ容器に上蓋を設けなくてもよいが、平面状又は半球状の上蓋を設けてもよい。容器に上蓋を設けるとその上蓋に袋体が衝突することによってエネルギーが消費されるから、容器に上蓋を設けるのが好ましい。なお、容器の上蓋の内面には、液体を封入してなる袋体が容器内でより移動しやすくなるように、フッ素樹脂膜や油膜を張ってもよい。

容器の底面の内面は半円球状であってもよいし、底面の内面がフラットであって側壁を有する直方体形状であってもよい。液体を封入してなる袋体が容器内で移動して容器の内面に衝突すると、その分だけエネルギーが消費されるから、袋体が容器内を自由に移動できる容器形状が好ましい。そして、容器の材料としては、特に限定されるものではなく、たとえば、鉄、ステンレス鋼、プラスチックを挙げることができる。

(f) 袋体ダンパーだけでなく、これに粒状体ダンパーを併用して、制振装置を構成してもよい。この場合、粒状体ダンパーは袋体ダンパーの下に縦に重ねても良いし、袋体ダンパーの上に縦に重ねても良い。あるいは、粒状体ダンパーと袋体ダンパーを横に並列させてもよい。袋体ダンパーは４Ｈｚ以上の振動数の振動に対する制振効果に優れた制振装置であるが、１〜３Ｈｚの低振動数の振動に対する制振効果を有する粒状体ダンパーを組み合わせることによって、１〜３Ｈｚの低振動数の振動に対する制振効果を期待することができるからである。

(g) 上述したとおり、袋体ダンパーあるいはさらに粒状体バンパーを組み合わせてなる制振装置は、広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない。したがって、道路や橋梁などに立設される、照明柱、標識柱、信号柱などの立設部材に取り付けることによって、広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない制振性を付与することができる。

本発明にかかる制振装置および制振性に優れた立設部材は、これらの知見に基づいて完成したものである。そして、その要旨は、次の(1)〜(5)の制振装置及び(6)の制振性に優れた立設部材である。以下、これらを総称して本発明ということもある。

(1) 内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーからなる制振装置。

(2) 内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーと、底面の内面が曲面形状を有する容器内を複数個の粒状体が移動自在に収容されている粒状体ダンパーとからなる制振装置。

(3) 容器は、底面の内面がフラットであって側壁を有する直方体形状であることを特徴とする、上記(1)又は(2)の制振装置。

(4) 容器の底面の内面は半円球状であることを特徴とする、上記(1)又は(2)の制振装置。

(5) 容器が上蓋を有することを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかの制振装置。

(6) 上記(1)〜(5)のいずれかの制振装置が取り付けられていることを特徴とする立設部材。

本発明により、広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない制振装置及び制振性に優れた立設部材を提供することができる。

袋体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（本発明例）を示す。粒状体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（比較例）を示す。粒状体ダンパーと袋体ダンパーを併用してなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（本発明例）を示す。上蓋を有する３つの制振装置についての減衰性能を示すグラフである。鋼管柱に対して自由振動実験を行ったときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）の関係を示す比較グラフである。袋体ダンパーについて水の容量比を変化させたときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）をプロットしたものである。袋体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの他の２例（本発明例）を示す。上蓋を有しない２つの制振装置に関して、鋼管柱に対して自由振動実験を行ったときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）をプロットしたものである。

以下に、図面に基づいて、本発明を説明する。ここでは、小型の実験装置を用いて本発明の制振効果を実証した。なお、本発明は次の実施例に限定されるものではない。

上蓋を有する制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの３例を示す。

図１に袋体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（本発明例）を示す。

照明柱等の立設部材２は、基礎３の上に断面円形の鋼管柱４が立設されてなるものである。そして、袋体ダンパー１１からなる制振装置は、底面の内面がフラットであって側壁を有し、かつ平面状の上蓋を有する直方体２５の容器（内面寸法は、幅１８０．６ｍｍ×奥行き１１１．６ｍｍ×高さ２５．３ｍｍである。）に、内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体２３の１個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーである。ここで、内部に液体を封入してなる袋体２３は、幅１６０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍの筒状のジップロップ（容積：４１５ｃｍ^３）であり、この中に、水３８５ｇをその容量が袋体内の全容積の９３％を占めるように封入したものである。筒状のジップロップの容積は、クリップシーラーを用いて熱融着させることによって得られる。

照明柱等の立設部材２を構成する鋼管柱４が振動を開始すると、袋体内の液体が構造物の振動とは位相差をもって移動するだけでなく、袋体自体が容器の内壁に衝突するので、構造物の振動を減衰せしめ、もって構造物の振動を抑えることができる。

図２に粒状体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（比較例）を示す。

照明柱等の立設部材２は、基礎３の上に断面円形の鋼管柱４が立設されてなるものである。そして、粒状体ダンパー１２からなる制振装置は、底面の内外面が半球形を有する容器（内面寸法は、内径１９７ｍｍ×高さ１００ｍｍである。）に複数個の粒状体２２が容器内を移動自在となるように収容した上で平面形状の上蓋２１が被せられている。

照明柱等の立設部材を構成する鋼管柱４が振動を開始すると、容器内の複数の粒状体２２が振動を開始する。複数の粒状体２２は容器内を移動自在であるため、粒状体同士の間又は粒状体と容器内壁の間の摩擦力や、複数の粒状体が構造物とは逆位相の振動をすることによる慣性力が発生し、鋼管柱４の振動を減衰せしめ、もって構造物の振動を抑えることができる。

図３に、粒状体ダンパーと袋体ダンパーを併用してなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの一例（本発明例）を示す。

照明柱等の立設部材２は、基礎３の上に断面円形の鋼管柱４が立設されてなるものである。そして、底面の内外面が半球形を有する容器（内面寸法は、内径１９７ｍｍ×高さ１００ｍｍである。）に複数個の粒状体２２が容器内を移動自在となるように収容した上で、平面形状の上蓋２１が被せられた粒状体ダンパー１２が設置され、かつ、その上に、底面の内面がフラットであって側壁を有し、かつ平面状の上蓋を有する直方体２５の容器（内面寸法は、幅１８０．６ｍｍ×奥行き１１１．６ｍｍ×高さ２５．３ｍｍである。）に、内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体２３の１個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーである。ここで、内部に液体を封入してなる袋体２３は、幅１６０ｍｍ×奥行き１１０ｍｍのジップロップ（容積：４１５ｃｍ^３）であり、この中に、水３８５ｇをその容量が袋体内の全容積の９３％を占めるように封入したものである。筒状のジップロップの容積は、クリップシーラーを用いて所望の位置で熱融着させることによって容易に所望値にすることができる。

照明柱等の立設部材を構成する鋼管柱４が振動を開始すると、まず、粒状体ダンパー１２の容器内の複数の粒状体２２が振動を開始する。複数の粒状体２２は容器内を移動自在であるため、粒状体同士の間又は粒状体と容器内壁の間の摩擦力や、複数の粒状体が構造物とは逆位相の振動をすることによる慣性力が発生し、鋼管柱４の振動を減衰せしめ、もって構造物の振動を抑えることができる。さらに、袋体内の液体が構造物の振動とは位相差をもって移動するだけでなく、袋体自体が容器の内壁に衝突するので、構造物の振動を減衰せしめ、もって構造物の振動を抑えることができる。

図４は、上記の上蓋を有する３つの制振装置を取り付けてなる鋼管柱に対して、それぞれ自由振動実験を行ったときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）の関係を示す比較グラフである。

袋体ダンパー（本発明例）は広い範囲（４〜９Ｈｚ）の振動数の振動に対する制振効果が顕著であることが分かる。粒状体ダンパー（比較例）は狭い範囲（１〜３Ｈｚ）の振動数の振動に対する制振効果があるにすぎないことが分かる。そして、粒状体ダンパー１２と袋体ダンパー１１を併用してなる制振装置は、さらに広い範囲（１〜９Ｈｚ）の振動数の振動に対する制振効果が顕著であることが分かる。

袋体ダンパーからなる制振装置（本発明例）に関して、水の容量比と減衰性能の関係を調べた。

図１に示す袋体ダンパー中の水の容量を、次のとおり、種々に変化させて封入した。水の容量と袋体の容積に対する容量比は、１０４ｇ（２５％）、２０８ｇ（５０％）、３１１ｇ（７５％）、３８５ｇ（９３％）および４１５ｇ（１００％）である。これら種々の容量（容積比）の制振装置を取り付けてなる鋼管柱に対して、それぞれ自由振動実験を行った。

図５は、この袋体ダンパーについて水の容量比を変化させたときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）をプロットしたものである。実用上、水の容量比を５０％以上とするのが好ましいことが分かる。

上蓋を有しない制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの２例を示す。

図６に袋体ダンパーからなる制振装置を立設部材の柱頭部に取り付けたときの他の２例（本発明例）を示す。

図６(a)は、照明柱等の立設部材２は、基礎３の上に断面円形の鋼管柱４が立設されてなるものである。そして、袋体ダンパー１１からなる制振装置は、底面の内外面が半球形を有する容器（内面寸法は、内径１２７ｍｍ×高さ６２ｍｍである。）に、液体を封入してなる袋体２３の１個を収容してなる袋体ダンパーである。ここで、液体を封入してなる袋体１個を収容してなる袋体ダンパーは、直径７９ｍｍのポリエチレン製ボールに、水１９５ｇをその容量が袋体内の全容積の９３％を占めるように封入したものである。

図６(b)は、照明柱等の立設部材２は、基礎３の上に断面円形の鋼管柱４が立設されてなるものである。そして、袋体ダンパー１１からなる制振装置は、底面の内外面が半球形を有する容器（内面寸法は、内径１２７ｍｍ×高さ６２ｍｍである。）に、液体を封入してなる袋体２３の３個を収容してなる袋体ダンパーである。ここで、液体を封入してなる袋体３個を収容してなる袋体ダンパーは、それぞれ、直径：５１ｍｍのポリエチレン製ボールに、水６５ｇをその容量が袋体内の全容積の９３％を占めるように封入したものである。

図７は、上記の２つの制振装置に関して、鋼管柱に対して自由振動実験を行ったときの振動数（Ｈｚ）と減衰定数（％）をプロットしたものである。

図６(a)の袋体ダンパー（本発明例）は振動数５Ｈｚをピークとして広い範囲の振動数の振動に対する制振効果が顕著であることが分かる。また、図６(b)の袋体ダンパー（本発明例）は振動数８Ｈｚをピークとして広い範囲の振動数の振動に対する制振効果が顕著であることが分かる。これらから、液体を封入してなる袋体が小さいとその制振効果は高振動数にシフトすることが分かる。

以上のとおり、本発明により、広範囲に振動数が変動する振動にも、より高い減衰性能を有し、かつ振動の方向にも左右されない制振装置及び制振性に優れた立設部材を提供することができる。

２立設部材
３基礎
４鋼管柱
１１袋体ダンパー
１２粒状体ダンパー
２１容器の上蓋
２２粒状体
２３袋体
２４取付器具
２５直方体

Claims

内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーからなる制振装置。
内部に液体を封入してなる柔軟性を有する袋体の１個又は複数個が容器内を移動自在に収容されている袋体ダンパーと、底面の内面が曲面形状を有する容器内を複数個の粒状体が移動自在に収容されている粒状体ダンパーとからなる制振装置。
容器は、底面の内面がフラットであって側壁を有する直方体形状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制振装置。
容器の底面の内面は半円球状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制振装置。
容器が上蓋を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の制振装置。
請求項１から５までのいずれかの制振装置が取り付けられていることを特徴とする立設部材。