JP2729232B2 - 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、地震や風等によって構造物に引き起こさ
れる振動を抑制するようにした構造物の振動抑制装置に
係り、特に、貯水タンクとしての機能を兼備した構造物
の振動抑制装置に関するものである。

「従来の技術及びその課題」 近年の建築・土木構造物は、高強度材料の開発、工作
技術の進歩、並びに電算機による構造解析技術の発展等
の要因により、大型化、形式の多様化、軽量化が為され
ると共に、外力に対してフレキシビリティに富んだ構造
となっている。そして、このように軽量で柔軟な構造物
においては、その固有振動数が低く、内部の振動減衰も
小さくなる傾向があるため、地震や風等の外力の影響に
より予期し得ない種々の振動が発生する可能性がある。
特に、前述の如く、構造物の大型化に伴って、外力によ
って励起される振動の振幅も大きくなるため、この振動
が構造物内部に居住する人間に不必要な不安感を与える
と共に、構造物の躯体に許容範囲以上の応力を付与する
恐れすらあった。

そこで、本願発明者は、特願昭60−241045号明細書に
おいて、構造物の所定の位置に、この構造物の固有の振
動周期と同一の周期で、しかも所要の位相差を伴って振
動する液体を貯留するタンクを設け、この液体の振動に
よって前記構造物の振動を抑制することのできる振動抑
制装置を提案し、前述の問題を解決している。

ところで、このような振動抑制装置は建築物等の屋上
部に設置されるのが最も効果的であると言われるが、建
築物等の屋上部には、飲料水、防火用水等が貯留される
貯水タンクが通常設置されており、従って、振動抑制装
置と貯水タンクとを兼備したような装置があれば、スペ
ース節約等の面から見て大変好ましいのは言うまでもな
い。

この発明は、前記事情に鑑み、先に本願発明者が提案
した振動抑制装置を発展させてなされたもので、貯水タ
ンクの機能をも兼備したような振動抑制装置の提供を目
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、構造物の所定の位置にタンクを設
けると共に、このタンクの内部に液体を貯留し、かつ、
このタンクに、前記構造物が固有振動周期とそれぞれ同
一の振動周期で、かつ、これら構造物の固有振動とそれ
ぞれ所要の位相差を伴って振動するように前記液体を区
切る仕切部材を、昇降装置を介してこの液体に対して出
入自在に設けて、前記液体内に一定の深さを保って没入
させる構成となっている構造物の振動抑制装置を構成し
て、前記課題を解決している。

「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３図はこの発明の第１実施例である振
動抑制装置を示す図である。図中、符号１は振動抑制装
置であり、この振動抑制装置１は、風によって引き起こ
される振動に対しても最も効果があるとされる高層建築
物（構造物）２の屋上に設置されている。

この振動抑制装置１は、ゴム等の弾性体と鋼板との積
層構造からなる支持台３と、この支持台３上に載置され
たタンク４と、このタンク４内に貯留された飲料水５と
から概略構成されている。

前記タンク４は、建築物２の飲料水５を貯留するため
の角筒状の貯水タンクであり、その上端が開放された構
造となっている。また、符号６はタンク４上部に連結さ
れた給水管、符号７はタンク４下部に連結された出水管
である。

また、タンク４上方には、その上端開口部を覆う形状
の蓋体８が配置されている。この蓋体８の下面には、前
記タンク４内部に没入される大きさに形成された平面視
正方形格子状の仕切部材９が突設されている。この仕切
部材９の各格子間の間隔は、第２図に示すようにそれぞ
れａとされ、従って、この仕切部材９がタンク４内に没
入された状態で、第１図に示すように、タンク４内の上
部はそれぞれ内径ａの平面視正方形状の室10、10、…に
区分される。

前記蓋体８は、タンク４上方に設置された滑車11を介
してワイヤ12により上方から吊持され、このワイヤ12
は、更に滑車13を介して建築物２屋上に設置されたウイ
ンチ（昇降装置）14に連結されている。よって、ウイン
チ14によるワイヤ12の繰出、巻取によって、蓋体８はタ
ンク４（内の飲料水５）に対して出入自在に設けられて
いることになる。また、符号15はタンク４内面に配設さ
れた水位検知センサである。なお、この振動抑制装置１
には図示されない制御装置が付設されている。この制御
装置には、前記水位検知センサ15、15、…が接続され、
制御装置は、これらセンサの検出信号に基づいて前記ウ
インチ14のワイヤ12繰出、巻取を制御する機能を有して
いる。

なお、前記タンク４及び仕切部材９は、長期使用にお
いても腐蝕されない材質（例えばプラスチック製）で形
成されることが好ましい。しかしながら、これらタンク
４、仕切部材９の材質は、施工条件等により適宜決定さ
れれば良く、前述の材質に限定されることはない。

次に、以上のような構成を有する振動抑制装置１の作
用について説明する。

前記水位検知センサ15は、その時点におけるタンク４
内の飲料水５の水位を検知して、これを制御装置に送出
する。前記制御装置は、水位検知センサ15の信号に基づ
いてウインチ14の作動を命令し、ウインチ14はこれに基
づいてワイヤ12を繰り出す。これにより、蓋体８は徐々
に下降されて、その下面に突設された仕切部材９はその
下端からタンク４内部の飲料水５内に没入される。そし
て、制御載置は、前記水位検知センサ15により飲料水５
の水位を検知しつつ、この仕切部材９の下端部が深さＨ
だけ没入された状態でウインチ14に対して作動停止を命
令し、ウインチ14はこれに基づいてワイヤ12繰出を停止
する。

仕切部材９が没入される深さＨは、この仕切部材９に
より区分された室10、10、…内にある飲料水５の振動周
期が前記建築物２の固有振動周期と同一となるような深
さである。このようにして仕切部材９が所定深さＨだけ
飲料水５内に没入されることで、飲料水５上部が区切ら
れると、前記建築物２に風や地震等の外力が作用する
と、前記仕切部材９で区切られた飲料水５がそれぞれ建
築物２の固有振動周期と同一の周期で、しかも所要の位
相差を伴って振動することで、この建築物２の振動が有
効に減衰される。

そして、建築物２内の必要に応じてタンク４内の飲料
水５が適宜出水管７から出水され、あるいは一定割合で
給水管６からタンク４内に飲料水５が給水されること
で、タンク４内の飲料水５の水位が変動すると、この変
動を前記水位検知センサ15が検知し、この検知信号に基
づいて制御装置が仕切部材９の没入深さを一定値Ｈと為
すようにウインチ14に作動を命令する。これにより、水
位に変動があっても常時一定の振動抑制効果を得ること
ができる。

なお、前記仕切部材９で区切られる室10、10、…内の
飲料水５の総質量は建築物２の質量の１〜50〜1/100程
度であることが好ましい。すなわち、1/100以下である
と建築物２に対して十分な制振効果が得られず、また1/
50以上であると飲料水５の質量が建築物２の構造設計上
に与える影響が大きくなり、再度建築物の構造設計を行
う必要が生ずるからである。

次に、仕切部材９の格子間距離ａ及び没入深さＨの決
定方法について以下に説明する。

前記建築物２と振動抑制装置１とを含む振動系は、第
４図に示すような振動モデルに近似、簡略化することが
できる。この振動モデルは、ばね定数K₀のばね21A及び
減衰率h₀のダッシュポット23Aを介して、質量M₀の物体2
2Aが支持されてなる振動系Ａ（建築物２の振動モデル）
と、ばね定数K₁のばね21B及び減衰率h₁のダッシュポッ
ト23Bを介して、質量M₁の物体22Bが支持されてなる振動
系Ｂ（室10内の飲料水５の振動モデル）とが直列に接続
されたようなモデルである。

そして、このような振動モデルにおいて、物体22Aに
加わる地震や風等の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周期の位相遅れをもって振動を
開始するから、これら振動系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。

ここで、物体22Bは、物体22Aの約２％程度の質量であ
るので、前記建築物２の固有振動周期T₀は、構造設計上
の見地から定められた質量M₀及びばね定数K₀によりほぼ
一義的に決定される。したがって、前記振動抑制装置１
の振動周期、すなわち各々の室10内にある飲料水５の振
動周期T₁が建築物２の固有振動周期T₀に一致するよう
に、この室10の寸法、容量及び飲料水５の貯留量を設定
すれば良い。この、室10内に貯留された飲料水５の挙動
は、次のようにして解析できる。

スロッシングの第ｊ次の固有振動周期T_jと第ｊ次の固
有円振動数ω_ｊとの関係は、次式で表される。

T_j＝２π／ω_ｊ ……（１） そして、前記（１）式において、Ｈを飲料水５の貯留
深さ、ｇを重力加速度とすると、前記ω_ｊは次式で与え
られる量である。

さらに、前記（２）式におけるk_jは、室10の幅をａと
すれば、次式で与えられる。

k_j＝（2j−１）π/a ……（３） 従って、以上示した（１）〜（３）式からスロッシン
グに固有振動周期T_jを求めることができる。特に、前述
した振動抑制のためには、第１次のスロッシングにおけ
る固有振動周期Ｔを用いれば良い。これは次式で表され
る。

以上説明したように、この実施例の振動抑制装置１に
よれば、地震や風等の外力によって建築物２に励起され
る振動を抑制することができる。特に、この実施例の振
動抑制装置１では、仕切部材９を飲料水５に対して出入
自在に設け、かつ、制御装置によりこの仕切部材９の飲
料水５への没入深さを一定値Ｈとするように制御してい
るので、タンク４の飲料水５の水位が変動しても常時一
定の振動抑制効果を得ることができる。また、建築物２
に対して振動抑制を行っている飲料水５は仕切部材９で
区切られた室10、10、…内の飲料水５、すなわちタンク
４上部に位置する飲料水５のみであるので、タンク４下
部に位置する飲料水５には何等影響がない。従って、こ
の実施例によれば、貯水タンクの機能をも兼備した振動
抑制装置１を実現することが可能となる。

「発明の変形実施例」 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。以
下、図面を参照してこの発明の変形実施例について説明
する。

第５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。この実施例においては、
振動抑制装置１の蓋体８下面に突設された仕切部材９
が、第５図に示すように円筒状の部材が平面的に列設さ
れて構成されている。

従って、この実施例でも前記第１実施例と同様に、建
築物２の振動が仕切部材９により区切られた室10、10、
…内の飲料水５によりそれぞれ有効に減衰され、効果的
な振動抑制効果を得ることができる。すなわち、タンク
４の形状、設置個数、及び仕切部材９の形状、設置個数
は任意であり、建築物２の形状や振動性状等を考慮して
適宜決定されれば良い。

同様に、前記第１、第２実施例においては、制御装置
によりタンク４内の飲料水５の水位に合わせて常時仕切
部材９の没入深さＨを制御していたが、例えば地上に振
動センサを設置して、この振動センサにより地上に大振
動が生起された時のみ仕切部材９を飲料水５内に没入さ
せるように制御しても良いことは言うまでもない。

「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、構造
物の所定の位置にタンクを設けると共に、このタンクの
内部に液体を貯留し、かつ、このタンクに、前記構造物
の固有振動周期とそれぞれ同一の振動周期で、かつ、こ
れら構造物の固有振動とそれぞれ所要の位相差を伴って
振動するように前記液体を区切る仕切部材を、昇降装置
を介してこの液体に対して出入自在に設けて、前記液体
内に一定の深さを保って没入させる構成となっている構
造物の振動抑制装置を構成したので、タンクの液体の液
位が変動しても常時一定の振動抑制効果を得ることがで
きる。従って、この発明によれば、貯水タンクの機能を
も兼備した構造物の振動抑制装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３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って、第１図は平面図、
第２図は第１図のII−II′線に沿う矢視断面図、第３図
は建築物の屋上に設置された状態を示す概略図、第４図
は構造物及び振動抑制装置の振動モデルを示す概略図、
第５図はこの発明の第２実施例である構造物の振動抑制
装置を示す平面図である。 １……振動抑制装置、２……建築物（構造物）、４……
タンク、５……飲料水（液体）、９……仕切部材、14…
…ウインチ（昇降装置）。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造物の所定の位置にタンクが設けられて
   いると共に、このタンクの内部には液体が貯留され、か
   つ、このタンクには、前記構造物の固有振動周期とそれ
   ぞれ同一の振動周期で、かつ、これら構造物の固有振動
   とそれぞれ所要の位相差を伴って振動するように前記液
   体を区切る仕切部材が、昇降装置を介してこの液体に対
   して出入り自在に設けられて、前記液体内に一定の深さ
   を保って没入される構成とされていることを特徴とする
   構造物の振動抑制装置。