JP2510478B2

JP2510478B2 - 建造物およびその振動抑制装置

Info

Publication number: JP2510478B2
Application number: JP6057879A
Authority: JP
Inventors: 孝典佐藤
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1996-06-26
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JPH07133681A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、風によって引き起こさ
れる振動を抑制するようにした建造物およびその振動抑
制装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】近年、建造物のための高
強度材料の開発、工作施工技術の進歩、電算機による構
造解析技術の発展などにより構造物の大形化、形式の多
様化、軽量化が進むとともに、フレキシビリティに富ん
だ構造のものとなる傾向がある。このように軽量で柔軟
な構造物においては、固有振動数が低く、振動減衰性も
小さくなる傾向があり、このため、風による空力的外力
の影響により予期し得ない種々の振動が発生する可能性
がある。

【０００３】そこで、振動源を断つという意味から、建
造物の外形に空力的対策を施すことが考えられるが、建
造物の外形には、機能上、あるいはデザイン的な面から
種々の制約があり、この空力的対策だけに頼ることは困
難である。本発明は上記事情に鑑みて提案されたもの
で、風によって引き起こされる建造物の振動を抑制する
ことを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、建造物本体と、該建造物
本体の所定位置に設けられて液体を貯留するタンクとか
らなり、前記タンク内の液体は、前記建造物の振動方向
間の前記タンクの側壁の間で前記建造物固有の振動周期
と同一の振動周期で振動し得る深さを有し、前記タンク
の内部は静止状態における前記液体の液面より上方に液
体の移動を許容する空間を有し、前記タンクは垂直方向
へ連続的に並べて複数個配置されたことを特徴とするも
のである。請求項２の発明は、請求項１において、前記
タンク内には消波用の仕切板が設けられたことを特徴と
するものである。請求項３の発明は、建造物本体の所定
位置に設けられて液体を貯留するタンクを設けてなり、
前記タンク内の液体は、前記建造物の振動方向間の前記
タンクの側壁の間で前記建造物固有の振動周期と同一の
振動周期で振動し得る深さを有し、前記タンクは、静止
状態における前記液体の液面より上方に液体の移動を許
容する空間を有し、前記タンクは垂直方向へ連続的に並
べて複数個配置されたことを特徴とするものである。請
求項４の発明は、請求項３において、前記タンク内には
消波用の仕切板が設けられたことを特徴とするものであ
る。

【０００５】

【作用】上記構成によれは、タンクの数を増減させるこ
とにより、振動抑制に必要な質量を得ることができるか
ら、所定の振動周期で液体を貯留すべくタンクの寸法を
決定しようとする場合に、その設計上の自由度が高く、
タンクの設置条件に柔軟に対応して、種々の条件の建造
物に適用することができるという効果を奏する。またタ
ンク内には仕切板を設けることにより、タンク内の液体
の振動減衰率を容易に調整することができる。この結
果、上記振動抑制用のタンクに貯留された液体は、前記
建造物の振動周期と同一の振動周期で、かつ４分の１周
期だけ位相がずれたタイミングで振動（スロッシング）
を生じて建造物の振動を抑制する。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１ないし図３は本発明の第１実施例に係る振動
抑制装置を備えた建造物を示すもので、この一実施例の
建造物１は、風によって引き起こされる振動に対して最
も効果があるとされるその屋上に、ゴム等の弾性体と鋼
板との積層構造からなる支持台２を設け、この支持台２
の上に、振動抑制作用を行うタンク３を設けるようにし
た構成となっている。

【０００７】前記タンク３は、前記建造物１の飲料水、
あるいは防火用水を貯留するためのタンクであって、上
部が開放された構造となっており、図２および図３に示
す如き外形寸法に形成されるとともに、前記建造物１の
振動周期と同一の振動周期となる如き条件で液体Ｗを貯
留することにより、風によって引き起こされる建造物の
振動を抑制する。

【０００８】すなわち、前記建造物１とタンク３とは、
図４に示す振動モデルに近似した振動特性を呈するもの
であって、この振動モデルは、ばね定数Ｋ₀のばね４Ａ
に質量Ｍ₀の物体５Ａを支持させるとともに、減衰率ｈ₀
のダッシュポット６Ａを付加するようにした振動系Ａ
（建造物の振動モデル）と、ばね定数Ｋ₁のばね４Ｂに
質量Ｍ₁の物体５Ｂを支持させるとともに、減衰率ｈ₁の
ダッシュポット６Ｂを付加するようにした振動系Ｂとを
直列に接続するようにした振動系Ｂ（タンク内の液体の
振動モデル）とから構成されている。そして、このよう
なモデルにおいて物体５Ａに加わる外力によって振動系
Ａが振動を開始すると、振動系Ｂは１／４周期の位相差
をもって振動を開始するから、振動系Ａ・Ｂの振動周期
を一致させることにより、振動系Ａの振動を抑制するこ
とができる。

【０００９】そして、振動系の振動周期は、

【数１】で与えられ、また、建造物１の振動周期Ｔ₀は、構造設
計上の見地から定められた質量Ｍ₀およびばね定数Ｋ₀に
より一義的に定まるから、タンク３に貯留された液体Ｗ
の振動周期Ｔ₁を前記Ｔ₀と一致させるべく、タンク３の
寸法および容量を設定して両者を一致させるようにして
いる。

【００１０】すなわち、タンク内の貯留液の挙動に付い
て成立するハウスナー（Housner）理論によれば、図示
例の如く、タンク３内で移動可能な自由水の有効質量
（振動体として作用する質量）Ｍ₁は、下記（２）式に
より与えられる。

【数２】ただし、ｈ…タンク３の底部から水面までの距離Ｒ…タンク３の半径Ｍ…タンク３内に実際に貯留されている液体の質量また、上記貯留液Ｗの固有振動ω（いわゆるスロッシン
グの固有振動数）は、下記（３）式により与えられる。

【数３】さらに、上記固有振動数ωより、下記（４）式に示す如
く振動周期Ｔが求められる。

【数４】なお、上記各パラメータに、例えば、Ｒ＝１５ｍｈ＝２ｍＭ＝１４１４ｔ（（２）式よりＭ₁＝８１２ｔ）を代入すると、Ｔ＝１１．７ｓｅｃとなる。そして、
上式にて得られるタンク内の液体の振動周期Ｔ₁と建造
物の振動周期Ｔ₀との間に、Ｔ₀＝Ｔ₁ …（５）式が成立する如く、タンク３の各寸法および貯留量を設定
する。なお、前記建造物１の振動のシミュレーション結
果を図５に、タンク３内の液体の振動のシミュレーショ
ン結果を図６にそれぞれ示す。これら図５および図６に
よれば、建造物１および貯留液Ｗは、Ｔ／４の位相差を
もって同一周期で振動し、このような振動においては、
貯留液Ｗの振動により生じた荷重が建造物１に作用し、
図４における振動系Ｂと同様に機能してその振動を抑制
する。また、振動数の変化に対する振動抑制効果の変化
のシミュレーションの結果、図７に示す如き特性が得ら
れた。すなわち、図中破線で示す如く、固有振動数に近
い振動数で大きな振幅を有する建造物にタンク３を設け
ることにより、図中実線で示す如く振動を抑制すること
ができる。なお、シミュレーションの結果、貯留液Ｗの
有効質量Ｍ₁と建造物１の質量Ｍ₀との比率をＭ₁／Ｍ₀＝１／５０〜１／１００ …（６）式に設定した場合に有効に振動抑制効果を発揮することが
できた。すなわち、有効質量が１／１００以下では十分
な制振効果が得られず、１／５０以上では、貯留液の重
量が建造物の構造設計上の影響が大きくなって、再度建
造物の構造設計を行う必要があるため、Ｍ₀とＭ₁との比
率を上記（６）式の如く設定する必要が生ずるのであ
る。

【００１１】次いで、図８は本発明の第２実施例を示す
もので、この第２実施例は、タンク３Ａの内部を仕切り
板７によって上下複数段に仕切るようにしたものであ
る。そして、液体を何段貯留するかの調整により、タン
ク３Ａの振動周期（その半径Ｒおよび液の深さｈにより
定まる）を変動させることなく有効質量を変化させて、
振動抑制能力を調整することができる。さらに、図９は
本発明の第３実施例を示すもので、建造物１の上部に複
数個のタンク３Ｂ〜３Ｅを設け、これらに、建造物１固
有の振動周期と一致する如く液体を貯留するようにした
ものである。この第３実施例においては、前記タンク３
Ｂ〜３Ｅの内、何個所に液を貯留するかにより有効質量
を加減して、振動抑制能力を調整することができる。

【００１２】

【発明の変形実施例】

（ａ）タンクの形状は上記各実施例の円筒状に限定さ
れるものではなく、４角形、球形等、設置条件に応じて
種々の形状に変更しても良い。この場合、ハウスナーの
理論をそれぞれ応用し、その形状に応じた式に基づいて
振動周期および有効質量を設定すればよい。なお、内壁
間の距離を２ａ、液体の深さをｈ、重力の加速度をｇと
すれば、ｋ_j＝（2j−1）π／2a によって与えられる値
であるｋ_jを用いると、タンク内の液体のj次の振動周期
ω_jは、 ω_j＝｛ｋ_jｇｔａｎｈ（ｋ_jｈ）｝^1/2 により与えられる。したがって、この式に基づいてタン
クの大きさ（内壁間の距離）ａおよび、このａにおける
最適な液体の深さｈを選択し、このｈに対して液体が変
位し得る余裕をもって内壁の高さを定めればよい。（ｂ）前記タンクには、必ずしも常時所定量の液体を
貯留して置く必要はなく、気象情報等に対応して、必要
に応じて、所定の有効質量とする如く液量を増加させる
ようにしてもよい。（ｃ）タンクに貯留する液体には、一般に水が使用さ
れるが、粘性係数が水と異なる液体を使用することによ
り、また、タンク内に仕切り板等を適切に配置すること
によって消波することにより、粘性抵抗に起因する振動
減衰率を調整することもできる。

【００１３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明
は、建造物の所定の位置に、該建造物の質量より小さな
質量の水を貯留する制振タンクを設け、該制振タンク
に、前記建造物の固有振動周期と同一の振動周期となる
状態で水を貯留させるようにしたものであるから、建造
物の振動に対して１／４周期の位相差を有する同周期の
振動が前記制振タンク内の液体に生じて建造物の振動を
抑制することができ、したがって、主として地震に対す
る強度を高めるべく固有振動数等を定めて構造設計され
ている建造物において、地震の振動数と異なる振動を引
き起こす風に対する振動抑制効果を得ることができる。
また、前記振動抑制タンクは、振動抑制のために特別に
設置されるものではなく、高層ビル等の所定位置に必ず
設置される給水タンク、防火用水タンク等を所定の基準
のもとに設計することにより容易に振動抑制機能を発揮
することができるという効果を奏する。また、前記タン
クが複数設けられているので、建造物に設置するための
種々の制約の下で必要な振動周期とすべく所定の大きさ
および深さでタンクを設計し、しかも、このタンクの数
を調整することによって、振動抑制に有効な質量を調整
して必要な減衰能力を得ることができる。加えて、タン
ク内に消波手段としての仕切板を設けることにより、タ
ンク内の液体の振動減衰率を任意に設定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す振動抑制装置を備え
た建造物の正面図である。

【図２】本発明の第１実施例を示すタンクの平面図であ
る。

【図３】本発明の第１実施例を示すタンクの縦断面図で
ある。

【図４】本発明の第１実施例を示す建造物の振動モデル
の正面図である。

【図５】本発明の第１実施例を示す建造物の振動減衰情
況を示す図表である。

【図６】本発明の第１実施例を示すタンク内の貯留水の
振動減衰情況を示す図表である。

【図７】本発明の第１実施例を示す振動抑制装置を設置
した場合と設置していない場合とにおける建造物の振動
特性を示す図表である。

【図８】本発明の第２実施例に係るタンクの縦断面図で
ある。

【図９】本発明の第３実施例に係るタンクの平面図であ
る。

【符号の説明】

１建造物３・３Ａ〜３Ｅタンク４Ａ・４Ｂばね５Ａ・５Ｂ物体７仕切り板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】建造物本体と、該建造物本体の所定位置
に設けられて液体を貯留するタンクとからなり、前記タ
ンク内の液体は、前記建造物の振動方向間の前記タンク
の側壁の間で前記建造物固有の振動周期と同一の振動周
期で振動し得る深さを有し、前記タンクの内部は静止状
態における前記液体の液面より上方に液体の移動を許容
する空間を有し、前記タンクは垂直方向へ連続的に並べ
て複数個配置されたことを特徴とする建造物。
【請求項２】前記タンク内には消波用の仕切板が設け
られたことを特徴とする請求項１に記載の建造物。
【請求項３】建造物本体の所定位置に設けられて液体
を貯留するタンクを設けてなり、前記タンク内の液体
は、前記建造物の振動方向間の前記タンクの側壁の間で
前記建造物固有の振動周期と同一の振動周期で振動し得
る深さを有し、前記タンクは、静止状態における前記液
体の液面より上方に液体の移動を許容する空間を有し、
前記タンクは垂直方向へ連続的に並べて複数個配置され
たことを特徴とする建造物の振動抑制装置。
【請求項４】前記タンク内には消波用の仕切板が設け
られたことを特徴とする請求項３に記載の建造物の振動
抑制装置。