JP2544984B2 - 構造物の振動抑制装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、構造物に外力が作用した際に生ずる構造
物の振動を抑制する構造物の振動抑制装置に係り、特
に、広範囲の振動に対して長期間に亙って有効な振動抑
制効果を発揮し得る構造物の振動抑制装置に関するもの
である。

「従来の技術」 近年、地震や強風等の外力が作用した際に生ずる構造
物の振動を積極的に抑制しようとする試みが為されてい
る。このような目的を達成するために、現状において提
案されている振動抑制装置は、一般に能動的方式（アク
ティブ）によるものと受動的方式（パッシブ）によるも
のとに分類できる。

能動的方式は、構造物に作用する外力を検出して、こ
の外力による構造物の振動を打ち消すような振動を能動
的に構造物に与えるようなものである。従って、莫大
なエネルギーを必要とすること、装置が大がかりなも
のとなり広大な床スペースを必要とすること、非常に
高価な機械設備になること、安全性に不安があるこ
と、などの問題点があり、実用化にはなお時間を要する
ものと思われる。

一方、受動的方式は、構造物に外力が作用して振動し
た際に、この振動を利用して構造物にその振動を打ち消
すような振動を受動的に構造物に与えるようなものであ
る。この受動的方式は、その一部がすでに実用化され、
風及び中小地震を対象として構造物の振動抑制効果が実
証されている。受動的方式は、外部からのエネルギー
を殆ど必要としないこと、狭い床スペース上において
も設置可能であること、装置の価格が比較的安いこ
と、安全対策が比較的容易であること、など前記能動
的方式に比べて、現状では幾多の利点を持っている。こ
のため、今後の趨勢は受動的方式が主流となり、この受
動的方式を基本として広範囲な外力に対応しうる最適制
御化（セミアクティブ化）が進められるものと見られ
る。

受動的方式の代表的な例としての受動的慣性質量方式
（Tuned Mass Damper）は、構造物の所定位置（通常は
上部）に取り付けられた振り子の錘の振動を、構造物の
振動に共振させることによって両者間に90゜の位相差を
生ぜしめ、振り子の慣性効果によって構造物の振動を抑
制する原理に基づいている。

第６図は、前記受動的慣性質量方式に基づく振動抑制
装置を設置する前と後とにおける、構造物の振幅特性を
示す図である。振動抑制装置を設置する前においては、
構造物が外力に共振した時（第６図の横軸の値が１の地
点）、同図の破線に示すようにその振幅は非常に大きく
なる。一方、振動抑制装置を設置すると、同図の実線に
示すように共振時の振幅は大幅に減少する。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、前記従来の受動的慣性質量方式に基づく振
動抑制装置では、その振動抑制効果を最大限に発揮する
ためには、前記振り子の固有周期を常時構造物の振動周
期に一致させた状態を維持しなければならない。この構
造物の振動周期は、風による振動や地震動後期において
は構造物の固有周期に一致する。しかしながら、実際に
は、振り子の固有周期を構造物の固有周期に完全に一致
させることは極めて困難であり、特に、構造物の固有周
期自体が重量や剛性の経年変化によって変動する性質の
ものである以上、振り子の固有周期を一致させることは
尚更困難である。

この発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、振
動抑制装置の振動部の固有周期を常時構造物の現実の振
動周期に一致させることで、広範囲の振動に対して長期
間に亙って有効な振動抑制効果を発揮し得る、構造物の
振動抑制装置を提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」 そこでこの発明は、振動抑制対象の構造物に設置さ
れ、慣性質量体と該慣性質量体を前記構造物の振動周期
と同一の振動周期で振動自在に支持する支持手段とから
なる振動抑制装置において、前記支持手段に、バネ定数
が固定された第１のバネ部と、バネ定数が可変に構成さ
れた第２のバネ部とを設け、これら第１及び第２のバネ
部を互いに同一方向に振動自在となるように配設し、さ
らに前記支持手段に、前記構造物の現実の振動周期と前
記慣性質量体の現実の振動周期とをそれぞれ測定して、
これらを一致させるように前記第２のバネ部のバネ定数
を制御する制御手段を設けたような構造物の振動抑制装
置を構成することで、前記課題を解決せんとしている。

ここで、前記支持手段は前記慣性質量体を水平面に沿
う任意の方向に振動自在に支持することが好ましく、ま
た、前記制御手段は前記慣性質量体の振幅が許容範囲以
上となった段階で前記第２のバネ部のバネ定数を増加さ
せることが好ましい。さらに、前記第２のバネ部は空気
バネであることが好ましい。

「作用」 この発明の概略構成を示す第４図を参照して、この発
明の作用について説明する。

第４図に示すように、質量Ｍの慣性質量体１は、構造
物２上に水平方向に移動自在に配置されていると共に、
水平方向に延在する第１のバネ部３によりこれら慣性質
量体１及び構造物２が連結されている。この第１のバネ
部３のバネ定数はK₀で固定されている。また、この慣性
質量体１は、前記第１のバネ部３と同一方向に振動する
第２のバネ部４により、前記構造物２に更に連結されて
いる。この第２のバネ部４のバネ定数は可変値Ｋとされ
ている。このような系（振り子）の振動周期Ｔは次式で
与えられる。

一方、センサー（振動計）により、慣性質量体１の水
平方向の変位ｘと構造物２の水平方向の変位ｙを測定
し、両者の周期を計測する。これら変位ｘ、ｙ及びその
周期の結果が例えば第５図に示すようなものであったと
仮定する。そして、第５図の実線に示すように、慣性質
量体１の周期が構造物２の周期より長ければ、第２のバ
ネ部４のバネ定数Ｋを大きくすることで、構造物２の周
期に一致するように慣性質量体１の周期を短縮する。反
対に、第５図の破線に示すように、慣性質量体１の周期
が構造物２の周期より短ければ、第２のバネ部４のバネ
定数Ｋを小さくすることで、構造物２の周期に一致する
ように慣性質量体１の周期を延長する。このようにし
て、第２のバネ部４のバネ定数Ｋを適宜変更すること
で、絶えず最適な振動抑制効果を得ることができる。

「実施例」 以下、この発明の実施例について図面を参照して説明
する。

第１図ないし第２図は、この発明の第１実施例である
構造物の振動抑制装置を示す図である。図において、符
号10全体で示されるものは、この発明の第１実施例であ
る構造物の振動抑制装置（以下、単に「振動抑制装置」
と称する）であり、この振動抑制装置10は、建築物（構
造物）11の屋上付近の床面Ｆ上に設けられている。

この振動抑制装置10は、支持部12により下方から支持
された質量体13と、前記床面Ｆ上に立設され、この質量
体13を挾んで設けられた一対の反力壁14、14と、これら
反力壁14、14と前記質量体13との間にそれぞれ介挿さ
れ、略水平方向に延在する一対の空気バネ（第２のバネ
部）15、15とから概略構成されている。

前記支持部12は、前記床面Ｆ上に設けられた取付板16
と、この取付板16上に設けられた水平変形部（第１のバ
ネ部）17とから構成されている。この水平変形部17は、
前記取付板16の四隅に配置された積層ゴムまたは防振ゴ
ム18、18、…が平面視矩形板状のスタビライザー19、1
9、…を挾んで多層に積層されて構成されている。この
積層ゴム18は、例えば鋼板とシート状のゴムとが多層に
積層され、その上下に取付板が設けられたような構成で
あり、水平方向の荷重に対する変位が許容され、かつ、
垂直方向の荷重に対する変位が拘束されるものである。
これにより、質量体13は水平面上の任意の方向に振動自
在とされている。なお、この積層ゴム18は、ゴムの個体
（鋼板との積層を成さない）だけによる防振ゴムによっ
て代替されることがある。

また、前記質量体13は、例えば鋼板、鉛、コンクリー
ト等から構成され、質量体13全体としての質量が、通
常、建築物11の総重量の1/150〜1/600の範囲となるよう
に、その材質、規模等が設定されている。すなわち、あ
まり軽すぎては建築物11の振動を有効に抑制できず、一
方、あまり重くすることは建築構造上限界がある。

一方、前記空気バネ15は、いわゆるベローズ（蛇腹）
式の空気バネであり、筒状のゴム製ベローズ20の左右両
側に一対の取付板21、21が配置されて構成され、ベロー
ズ20の外周にはその径方向の膨張を拘束するリング22、
22、…が外嵌されている。これにより、空気バネ15は、
その取付板21、21間の伸縮が自在とされ、前記反力壁1
4、14を結ぶ水平方向に振動自在とされている。すなわ
ち、これら空気バネ15、15の振動方向は、前記水平変位
部17の振動方向のいずれか一方向に一致されている。

また、前記空気バネ15の内部は、第１図ないし第２図
に示すように、通気管23を介して補助タンク24に連通さ
れ、この補助タンク24には導入管25を介して加圧ボンベ
26が接続されている。この補助タンク24は、後述する振
動抑制装置10の周期調整のために空気バネ15の内容積を
調整する機能を有し、加圧ボンベ26はこの補助タンク24
を通して空気バネ15内に加圧空気を送出する機能を有し
ている。この加圧空気の送出は、前記導入管25途中に設
けられた電磁バルブ27で制御される。また、この電磁バ
ルブ27にはその一端が外気に開放された開放管28が連結
されている。

この時、空気バネ15のバネ定数Ｋは、近似的に次式
（２）で与えられる。

ここに、V_sは空気バネ15の内容積、V_tは補助タンク24
の内容積、p₀は空気バネ15の内圧、A₀は空気バネ15の有
効受圧面積、γはポリトロピック指数で、振動変化のと
きには1.4程度の値を取る。同式から解るように、空気
バネ15のバネ定数Ｋは内圧p₀に比例し、内容積V_s＋V_tに
反比例する。従って、空気バネ15のバネ定数は、その内
圧p₀を制御することで容易に変更することができ、これ
は、加圧ボンベ26から空気バネ15内への加圧空気の導入
及び空気バネ15からの加圧空気の排出により容易に実現
できる。

以上のことから、前記質量体13は、そのバネ定数が固
定された水平変位部17及びバネ定数が可変な空気バネ15
により水平方向に振動自在に支持されている。

さらに、第２図に示すように、この実施例の振動抑制
装置10には、前記質量体13及び建築物11の水平方向の変
位を検出するセンサー（振動計）29、30が設けられてい
ると共に、これらセンサー29、30により検出された変位
から質量体13及び建築物11の周期を計算する計算手段3
1、32が設けられている。そして、これら計算手段31、3
2により計算された周期の差分を計算する差分計算手段3
3に基づいて、前記電磁バルブ27の開閉動作が制御され
る。

次に、第１図ないし第２図を参照して、この発明の第
１実施例である振動抑制装置10の作用について説明す
る。

振動抑制装置10が屋上付近に設置された建築物に強風
や地震等の外力が作用した段階で、空気バネ15内に加圧
空気を導入し、前記（１）式及び（２）式に基づいて、
質量体13の振動周期を建築物11の一次の固有周期と一致
させる。勿論、日常的に空気バネ15内に加圧空気を導入
して、質量体13の振動周期を建築物11の一次の固有周期
と一致させておいてもよい。

この状態で前記外力の作用により建築物11が水平に振
動し始めると、質量体13はこの建築物11と90゜位相遅れ
で振動を開始する。従って、建築物11と質量体13の水平
移動方向が90゜位相遅れとなることで、建築物11の振動
が質量体13の振動で打ち消され、建築物11の振動抑制が
行われる。

この際、センサー29、30は質量体13及び建築物11の変
位を検出し、これら変位に基づいて計算手段31、32は周
期を計算する。差分計算手段33は、計算された質量体13
及び建築物11の周期の差分を計算し、質量体13の周期が
短ければ、電磁バルブ27が作動して、空気バネ15内の加
圧空気を開放管28を介して外気に排出することで空気バ
ネ15内を減圧状態とする。一方、質量体13の周期が長け
れば、電磁バルブ27が作動して、加圧ボンベ26内の加圧
空気を空気バネ15内部に導入することでこの空気バネ15
内を加圧状態とする。このようにして、空気バネ15のバ
ネ定数を適宜変更することで、質量体13の現実の振動周
期を建築物11の現実の振動周期に一致させるべく変化さ
せる。そして、質量体13の現実の振動周期が建築物11の
現実の振動周期に一致した段階で、前述した振動抑制効
果が最大限に発揮される。

よって、この実施例によれば、建築物11の現実の振動
周期に一致させるように質量体13の現実の振動周期を変
化させているので、振動抑制装置10により常時最適かつ
最大限の振動抑制効果を得ることができる。しかも、こ
の振動抑制効果は建築物の重量や剛性の経年変化によら
ず一定である。

なお、この実施例において、質量体13の水平変位が過
大になった場合は、圧縮側の空気バネ15の内圧を充分に
高めることで、安全装置（フェイルセーフ装置）として
の機能も果たすことができる。また、空気バネ15に剪断
変形にも耐え得るものを用いれば、前記反力壁14、14を
結ぶ方向のみならず、それに直交する水平方向はもとよ
り、水平面に沿う任意の方向への振動の自由度も持たせ
ることが可能である。

次に、第３図は、この発明の第２実施例である構造物
の振動抑制装置を示す図である。なお、以下の説明にお
いて、前記第１実施例と同一の構成要素については同一
の符号を付し、その説明を省略する。

前記第１実施例とこの実施例の振動抑制装置の相違点
は、空気バネ15、…の取付位置にある。すなわち、前記
水平変形部17のスタビライザー19、19、…には、その上
下面のそれぞれに反力板40、40、…が突設されており、
各スタビライザー19、19間の空間内において、その上下
に位置するスタビライザー19、19からそれぞれ突設され
た反力板40、40は、所定距離を置いて相対向されて配設
されている。そして、これら相対向する位置に配設され
た反力板40、40間に複数の空気バネ15が互いに直交する
水平２方向に振動するように配設されている。すなわ
ち、本第２実施例では、第３図に示すように図示左右方
向に振動する空気バネ15が上下６段に重ねられた状態で
設置されているとともに、それらの空気バネ15の他に、
図示は省略したがそれらの空気バネ15の振動方向と直交
する水平方向（第３図において紙面に直交する方向）に
振動する他の空気バネ15が同様に各スタビライザー19間
に上下６段にわたって重ねられた状態で設置されてい
る。

従って、この実施例によっても、前記第１実施例と同
様の作用効果を得ることができる。特に、この実施例で
は、空気バネ15、…の取り付けに伴う床スペースの増加
が殆どなく、省スペース化を図ることができる。また、
複数の空気バネ15を互いに直交する水平２方向に振動す
るように設けたので、各方向の周期調整をそれぞれ独立
に行うことができるとともに、双方の方向の空気バネ15
の振動周期を互いに関連づけて制御することで、水平面
に沿う任意の方向（あらゆる方向）の周期調整を行うこ
とができるという利点がある。

なお、この発明の構造物の振動抑制装置は、その細部
が前記実施例に限定されず、種々の変形例が可能であ
る。一例として、前記実施例ではバネ定数が可変なバネ
部として空気バネ15を用いたが、これに限定されず、周
知の他のバネ定数が可変なバネ手段を用いてもよいこと
は勿論である。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれば、振動
抑制対象の構造物に設置され、慣性質量体と該慣性質量
体を前記構造物の振動周期と同一の振動周期で振動自在
に支持する支持手段とからなる振動抑制装置において、
前記支持手段に、バネ定数が固定された第１のバネ部
と、バネ定数が可変に構成された第２のバネ部とを設
け、これら第１及び第２のバネ部を互いに同一方向に振
動自在となるように配設し、さらに前記支持手段に、前
記構造物の現実の振動周期と前記慣性質量体の現実の振
動周期とをそれぞれ測定して、これらを一致させるよう
に前記第２のバネ部のバネ定数を制御する制御手段を設
けたような構造物の振動抑制装置を構成したので、振動
抑制装置により常時最適かつ最大限の振動抑制効果を得
ることができる。しかも、この振動抑制効果は建築物の
重量や剛性の経年変化によらず一定である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第２図はこの発明の第１実施例であり構造
物の振動抑制装置を示す図であり、第１図はその全体構
成を示す正面図、第２図は制御手段も含めた概略構成
図、第３図は同第２実施例である構造物の振動抑制装置
を示す正面図、第４図はこの発明の作用を説明するため
の図、第５図は慣性質量体と構造物との変位の関係を示
す図、第６図は振動抑制装置を設置する前と後とにおけ
る構造物の振幅特性を示す図である。 10……振動抑制装置、11……建築物（構造物）、12……
支持部、13……質量体、15……空気バネ（第２のバネ
部）、17……水平変形部（第１のバネ部）、29、30……
センサー、31、32……計算手段、33……差分計算手段
（以上、制御手段）。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動抑制対象の構造物に設置され、慣性質
   量体と該慣性質量体を前記構造物の振動周期と同一の振
   動周期で振動自在に支持する支持手段とからなる振動抑
   制装置であって、前記支持手段は、バネ定数が固定され
   た第１のバネ部と、バネ定数が可変に構成された第２の
   バネ部とを備え、これら第１及び第２のバネ部は互いに
   同一方向に振動自在となるように配設され、さらに前記
   支持手段は、前記構造物の現実の振動周期と前記慣性質
   量体の現実の振動周期とをそれぞれ測定して、これらを
   一致させるように前記第２のバネ部のバネ定数を制御す
   る制御手段を備えていることを特徴とする構造物の振動
   抑制装置。
2. 【請求項２】前記支持手段は前記慣性質量体を水平面に
   沿う任意の方向に振動自在に支持していることを特徴と
   する請求項１記載の構造物の振動抑制装置。
3. 【請求項３】前記制御手段は前記慣性質量体の振幅が許
   容範囲以上となった段階で前記第２のバネ部のバネ定数
   を増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の構
   造物の振動抑制装置。
4. 【請求項４】前記第２のバネ部は空気バネであることを
   特徴とする請求項１、２又は３記載の構造物の振動抑制
   装置。