JP4070213B2

JP4070213B2 - 制振装置および長尺構造物

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Publication number: JP4070213B2
Application number: JP2004168100A
Authority: JP
Inventors: 秀雄 ▲高▼畠
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: US20050268565A1; JP2005344452A

Description

この発明は、電柱や鉄塔等の長尺構造物に設置される制振装置および制振方法に関する。

地震により電柱や鉄塔などの構造物が損傷、倒壊すると、長期間にわたって生活インフラが失われることになる。そこで、地震による構造物の損傷、倒壊を防止するために、多数の耐震、免震、制振技術が開発されている。これらのうち制振技術は、地盤の変動による加速度エネルギーを、衝撃、熱、材料の塑性変形などにエネルギー変換して吸収する技術の総称である。

制振技術のひとつとして、付加質量機構によるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。付加質量機構は、構造物頂部に共振質量を設け、地震発生時にこの共振質量を振動させることで構造物本体の振動を抑制するもので、「ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）」または「動吸振器」とも呼ばれる。共振質量は、構造物頂部にレール、バネ、積層ゴムなどで支持され、多くの場合オイルダンパなどの付加減衰が付加されている。付加質量機構は、構造物の形状が細長であり、曲げ変形による頂部振動が顕著な振動の制御に有効である。
特開２００３―２７８８２７号公報

しかしながら、例えば電柱や鉄塔のように多数設置される構造物に、上記特許文献１のような大型で複雑な機構を備えることは、設置の手間やコストの面から現実的でない。また、そのような複雑な機構を、既設の構造物に後から設置することは困難である。また、振動のエネルギーを衝撃や音などにより発散させるものも知られているが、これらは騒音を発するため好ましくない。

本発明はこうした点に鑑みてなされたもので、簡便な構造で電柱や鉄塔等の長尺構造物を制振する技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、一端を制振対象の構造物に取り付け他端を自由端とし、この自由端に質量を付加した支柱と、前記支柱の片持ち振動を減衰させる減衰部材とを備えることを特徴とする制振装置である。この態様によれば、長尺構造物の一部に支柱と減衰部材という簡便な構造の制振装置を備えるだけで制振効果を得ることができる。また、従来の制振装置に比べてわずかな設置面積しか必要としない。

本発明の別の態様は、長尺構造物に設置される制振装置である。この制振装置は、所定の質量を有する付加質量部と、前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる単一の支柱部と、前記支柱部に接して設けられる振動減衰部と、を備え、当該制振装置の固有振動数が、前記長尺構造物の固有振動数と略等しくなるように調整されている。

ここで、「長尺構造物」とは、解析上一次元近似できる縦長形状の構造物をいい、例えば、電柱、照明ポール、広告塔、クレーン、信号機、鉄道架線柱、鉄塔、道路標識柱、高層ビルなどを含む。

この態様によれば、制振装置の固有振動数を長尺構造物の固有振動数と一致させることによって制振装置を共振させ、付加質量部を含む支柱部の振動のエネルギーをダンパ等の振動減衰部によって吸収するので、従来の付加質量機構による制振技術に比べて簡易な構成で長尺構造物の制振を達成することができる。

制振装置は、長尺構造物ごとの振動性状に応じて、当該制振装置の固有振動数を設置時および設置後に可変であるように構成してもよい。ここで、「振動性状に応じて」とは、長尺構造物の長さ、断面積、重量、トランス等の付属構造物の有無、電柱等に架けられている架線の本数などによって変化する長尺構造物の振動性状に合うように、固有振動数を変更できるという意味である。こうすれば、制振対象の長尺構造物の固有振動数に合わせて、設置現場で制振装置の固有振動数を調整することができるので、作業効率が向上する。

固有振動数を可変にすることには、付加質量部の取り付け位置を移動可能にすること、支柱部の曲げ合成を可変とすること、付加質量部の質量を可変とすることが含まれる。固有振動数を可変にしない場合には、付加質量部と支柱部とを一体成形してもよい。

支柱部に二以上の付加質量部を装着可能な構造とするなどして、支柱部に複数の質点を持たせてもよい。これによって、長尺構造物の複数の振動モードに対応した制振効果を発揮することができる。

本発明のさらに別の態様は、長尺構造物の制振方法である。この方法は、長尺構造物の固有振動数と略等しい固有振動数を持ち、一端を該長尺構造物に固定し他端を自由端とした長手部材を設置し、この長手部材の振動を減衰する減衰部材を設けることによって、長尺構造物の制振をする。この態様によれば、既設の長尺構造物に対し、簡単な設置工事を施すだけで、長尺構造物の制振をすることが可能になる。

本発明によれば、簡易な構成の制振装置によって、長尺構造物の制振を達成することができる。

本発明は、電柱や鉄塔などの長尺構造物の振動を制振するために、既設および新設の長尺構造物の固有振動数にほぼ等しい固有振動数を持つように設定した制振装置を長尺構造物に設置し、地震動が入力されたときに長尺構造物と制振装置を共振させることによって、長尺構造物の振動を低減する制振技術である。

構造物と制振装置とを共振させる技術として、従来、付加質量機構による制振構造が知られている。これは、構造物の頂部に構造物本体の数％に当たる付加質量を水平に移動するように取り付け、その固有振動数を構造物本体の固有振動数と一致させることによって付加質量を共振させ、ここに各種のダンパを付加してエネルギーを吸収する機構である。本発明は、このような付加質量機構による制振構造とは異なり、可動部分を設ける代わりに付加質量を支柱により片持ちで支持させ、この支柱を共振させるようにした制振装置を提供する。

図１は、本発明の一実施形態に係る制振装置１０の全体図である。制振装置１０は、付加質量部２０と、支柱部２２と、振動減衰部２４と、取り付け部２６とから構成される。図１では、付加質量部２０は球体であるが、直方体など他の形状をしていてもよい。しかし、拡がりが少なく質点に近似できる形状とする方が制振効果は高い。付加質量部２０は、例えば金属で作成されるが、ゴム、プラスチックなどの樹脂材料で作成されてもよい。または、中空の容器として付加質量部２０を形成しておき、その内部に水、油、砂などの流動物を注入することで所定の質量を持たせるようにしてもよい。

支柱部２２は、主に、付加質量部２０を取り付け部２６から離間して位置させる役割を有する。支柱部２２は、一端が取り付け部２６と固定されており、他端は自由端とされている。支柱部２２の自由端側に付加質量部２０が取り付けられる。支柱部２２は、図１では正方形断面であるが、他の断面形状でもよい。主に、この支柱部２２と付加質量部２０とによって、制振装置１０の固有振動数が決定される。これについては、数式を参照して後述する。制振装置１０の固有振動数と長尺構造物の固有振動数とは、ほぼ等しくなるように、予め調整される、

支柱部２２への付加質量部２０の取り付け位置は、可変とされていることが好ましい。例えば、図１に示すように、付加質量部２０の中心を通る貫通穴２８を形成しておき、支柱部２２と遊嵌可能としておく。支柱部２２には、予め数ｃｍ毎に雌ネジが切られており、支柱部２２を貫通穴２８に通した後、雌ネジにボルトを螺合することによって、ボルトの上部に付加質量部２０を位置させることができる。または、支柱部２２に予め数ｃｍごとに穴を設けておくとともに、付加質量部２０の貫通穴２８内部に、押圧により出入り自在な突起を設けておき、付加質量部２０を支柱部２２に対して押し込むかまたは引っ張ることで、その突起を支柱部２２に設けたいずれかの穴に嵌合させるようにして、付加質量部２０を固定してもよい。または、支柱部２２を上部材と下部材に分け、上部材と付加質量部２０とを結合させておくとともに、上部材が下部材からスライドして延び出すような機構とし、上部材のスライドする長さを変えることで付加質量部２０の位置を設定できるようにしてもよい。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されず、付加質量部２０を支柱部２２に沿って上下方向に移動可能とできる任意の構造を採用することができる。別の実施形態では、付加質量部と支柱部とが一体成形されていてもよい。

振動減衰部２４は、支柱部２２の振動を減衰させる部材である。振動減衰部２４は、支柱部２２と接して設けられる。支柱部２２がいずれの方向に振動しても確実に減衰効果を発揮できるように、振動減衰部２４は支柱部２２の全方向にわたって設けられることが好ましいが、支柱部２２の周囲の一部のみに設けられていてもよい。図１では、円柱形状に形成された制振ゴムに形成された穴に支柱部２２を貫通させる構造になっている。この振動減衰部２４の大きさ、材質などによって、制振装置１０の減衰定数が決定される。振動減衰部２４としては、種々の材料を用いることができ、一例として、鋼材、オイル、ブタン系高分子等の粘性流体、シリコンなどの粘性体、アクリル、高減衰ゴムなどの粘弾性体が挙げられるが、これらに限定されない。

振動減衰部２４と支柱部２２の重なりの長さ（図１中に「ｌ」で示す）は、制振装置１０が設置される長尺構造物の一次モードの固有振動数に等しいか、それに近い値になるように、制振装置の一次モードの減衰を考慮した固有振動数から決定する。振動減衰部の減衰定数は、例えば０．１〜０．５に設定される。

取り付け部２６は、制振装置１０を長尺構造物に取り付けるとともに、長尺構造物の振動を支柱部２２へ伝達する機能を有する。図１では、取り付け部２６は長方形形状の板として示されているが、この形状に限定されるわけではない。取り付け部２６と支柱部２２とは、例えば溶接、ネジ止め、嵌め込みなどのいずれかの方法により固定される。長尺構造物の振動が支柱部２２および付加質量部２０に確実に伝達されるように、取り付け部２６と支柱部２２とは遊びのないように固定されていることが望ましい。

図２に示すように、制振装置１０は、長尺構造物３０の頂部に、支柱部２２が鉛直方向に起立するように設置される。制振装置１０は、取り付け部２６の長方形板の四辺を長尺構造物頂部の床面とボルト締結したり、または、取り付け部２６をコンクリート等により長尺構造物頂部の床面に埋設したりして、長尺構造物３０に設置される。しかしながら、支柱部２２を直接長尺構造物３０に取り付けるようにしてもよく、この場合取り付け部２６は不要である。従って、取り付け部２６は必須の構成要素ではなく、制振装置の設置形態に応じて選択されるが、制振装置１０の取り付け性を重視する場合は、取り付け部２６を有していた方がよい。制振装置１０が取り付け部２６を有さない場合、支柱部２２を長尺構造物頂部の床面に設けられた穴に打ち込んだり、長尺構造物の頂部の構造鉄材と溶接したりして、制振装置１０を設置する。

次に、制振装置１０の概略作用を述べる。地震動により長尺構造物３０が振動すると、その頂部に設置された制振装置の支柱部２２が、取り付け部２６を介してまたは直接に振動する。制振装置１０の固有振動数と長尺構造物３０の固有振動数がほぼ等しくなるように制振装置１０を調整してあるため、制振装置１０の支柱部２２は、共振して大きく振動する。支柱部２２の固定端側に設けてある振動減衰部２４は、変形して、エネルギー消費することでこの振動を減衰させる。すると、長尺構造物３０の振動エネルギーが振動減衰部２４において消費されて、長尺構造物３０全体の振動が、制振装置１０を設置していない場合と比べて短期間で減衰する。これによって、長尺構造物３０に生じる変位量、曲げモーメント、剪断力などが、制振装置１０を設置していない場合よりも大きく低下し、地震による長尺構造物の損傷や倒壊を防止することができる。

制振装置１０の固有振動数ω_１は、以下に示す数１により計算される。

ここで、「ｋ」は片持ち梁の場合の固有振動数の係数であり、制振装置１０が一様な曲げ剛性を有する場合、ｋ＝１．８７５１０４１である。「Ｌ」は、支柱部２２の固定端から付加質量部２０の重心までの長さ、「ＥＩ」は支柱部２２の曲げ剛性、「Ｅ」は支柱部２２のヤング率、「Ｉ」は支柱部２２の断面二次モーメント、「ｍ」は付加質量部２０の質量である。振動減衰部２４の減衰定数をｈとしたとき、減衰を考慮した制振装置１０の固有振動数ω_１Ｄは、次式で表される。

制振装置１０のユーザは、制振装置１０が設置される長尺構造物の固有振動数ω_０を予め算出しておき、ω_０とほぼ等しくなるように制振装置１０の固有振動数を調節する。ω_１Ｄ＝ω_０より、次式が導かれる。

数３を満たすように、付加質量部２０の質量ｍ、支柱部２２の断面二次モーメントＩ、支柱部２２の長さＬを適宜選択すればよい。

制振装置１０の固有振動数を可変とするには、上述したように、付加質量部２０の取り付け位置Ｌを可変とする機構を採用することが最も簡単であり、好ましい。しかし、この機構とは別に、またはこの機構とともに、他の固有振動数可変機構を備えていてもよい。第１に、付加質量部２０の質量ｍを可変とすることができる。例えば、上述のように、付加質量部２０を中空に形成しておけば、中空部分に注入する流動物の量を変えることで、付加質量部２０の質量を可変とすることができる。または、予め質量の異なる多数の付加質量部２０を準備しておき、それらを適宜交換するようにしてもよい。第２に、支柱部２２の曲げ剛性ＥＩを可変とすることができる。例えば、異なる材質で作られた支柱部２２を多数準備しておくか、または直径の異なる支柱部２２を準備しておき、それらを適宜交換するようにしてもよい。付加質量部と支柱部とが一体成形されているときは、付加質量部の取り付け位置と質量を様々に変えた一体部材を多数準備しておき、これを付け替えることで制振装置１０の固有振動数を可変としてもよい。

ユーザは、制振装置１０を設置する長尺構造物３０の固有振動数に合わせて、付加質量部２０の取り付け位置Ｌを変えたりして、制振装置１０の固有振動数を変えることができるので、制振装置の製造者は固有振動数に合わせて他種類の装置を製造する必要がない。また、固有振動数の変更が容易なので、ユーザは、設置現場の実際の状況に合わせて固有振動数を微調整することもできる。例えば、長尺構造物が電柱の場合であれば、その電柱に設置されているトランスの数、懸架されている電線の数、電柱自体の直径や高さなどによって、たとえ同じ種類の電柱でも固有振動数が異なるが、これらを予め計算して作成されたグラフなどを参照して、付加質量部２０の取り付け位置を上下させたり、付加質量部２０の中空部分に注入する流動物の量を増減させたりすることで、制振装置１０の固有振動数を設置現場で変更することができる。

例えば、上述したＴＭＤでは、共振質量を水平移動させるためにレールや滑車などの構造が必要となり、設備が大型になる。また、水平移動させるためには、ある程度の設置面積が必要なので、電柱や鉄塔などの頂部が狭い構造物には設置するのが困難である。つまり、適用対象となる構造物が限定される。

これに対し、本実施形態による制振装置は、片持ちの支柱の自由端を固定端に対して揺動させる構造をとっているので、設置面積は、最低限、支柱部と振動減衰部の底面積分あれば十分であり、頂部が狭い構造物にも設置が容易である。また、構造的にも非常に簡単であり、重量も従来のものに比べて小さい。後述するように、例えば制振装置の設置される長尺構造物が電柱であれば、５００ｇ程度の付加質量部があれば十分な制振効果を発揮する。これは、電柱自体の重量の１％未満、つまり数百分の１のオーダーである。

次に、本実施形態の制振装置を長尺構造物の頂点に設けたことによる減衰の効果をシミュレーションした結果を説明する。

図３（ａ）は、地震による電柱の振動をシミュレーションするための計算モデル４０を示す。モデルとするのは全長１２ｍの標準的な大きさの電柱４２である。電柱４２の頂部に制振装置５０を設置する。電柱４２の構造は、プレストレストコンクリートで、図３（ｂ）に示すように、中央は空洞であり壁の厚さは０．０４ｍである。電柱４２は、頂部から底面部へ向かってその断面の直径が一様に増加していく構造とする。頂部の直径は０．１９ｍであり、底面部の直径は０．３５ｍである。電柱４２のうち、地上に露出している部分は１０ｍであり、下部２ｍは地中に埋設されており、計算モデル上はこの埋設部分は固定されているものとする。図３（ａ）には、地上から８ｍの位置にトランス４４を電柱４２の片側のみに設けた計算モデルを描いている。なお、図３（ａ）は横方向を強調して描かれている。シミュレーションに使用した電柱４２の材料特性を表１に示す。

シミュレーション対象として、制振装置のないモデル（以下、「非制振電柱」と呼ぶ）と、制振装置を頂部に備えた電柱（以下、「制振電柱」と呼ぶ）の三つのモデルＭ０〜Ｍ２を準備した。モデルＭ０はトランスがない電柱、モデルＭ１はトランスを片側のみに備えた電柱（図３に示したモデル）、モデルＭ２はトランスを両側に備えた電柱である。

図４は、計算モデル４０の制振装置５０の拡大図である。制振装置５０の高さは１ｍである。この計算モデル４０では、付加質量部５２と支柱部５４のみを考慮し、取り付け部および振動減衰部の形状は考慮していない。付加質量部５２の質量はｍ＝０．５（ｋｇ）、支柱部５４の固定端から付加質量部５２の重心までの距離はＬ＝１（ｍ）に固定し、支柱部５４の断面二次モーメントＩを変化させることで、制振装置５０の固有振動数を一定にしている。なお、支柱部５４は正方形断面とし、材料は鉄とする。制振装置５０の減衰定数は、１０％減衰、２０％減衰の二種類を設定した。解析モデルＭ０、Ｍ１、Ｍ２に対する支柱部５４の曲げ剛性ＥＩを、以下の表２に示す。

入力地震波としては、直下型地震の神戸海洋気象台ＮＳ波の原波（９０．９０ｋｉｎｅ（ｃｍ／ｓ））を使用した。剪断変形を無視した曲げ系は、Bernoulli-Euler beam理論により、剪断変形を考慮した曲げ系は、Timoshenko beam理論により解析した。以上の条件の下に、制振電柱モデルＭ０〜Ｍ２の変位、層剪断力、曲げモーメントについてのシミュレーション結果を順に説明する。

モデルＭ０（トランスなし）．
図５（ａ）〜（ｃ）は、モデルＭ０のシミュレーション結果である。図５（ａ）は、電柱の高さ方向の各位置における最大変位を示しており、横軸は変位量（ｍ）、縦軸は地面からの電柱の高さ（ｍ）を表す。グラフから分かるように、電柱の頂部の最大変位は、１０％減衰の場合で３０％、２０％減衰の場合は５０％も減少しており、制振装置を設置したことによる制振効果が非常に高いことが分かる。

図５（ｂ）は、電柱に生じる層剪断力を示しており、横軸は剪断力（Ｎ）、縦軸は地面からの電柱の高さ（ｍ）を表す。層剪断力は、電柱の基部で最大値をとるが、１０％減衰、２０％減衰のいずれの場合も、基部において約１７％減少している。

図５（ｃ）は、電柱に生じる曲げモーメントを示しており、横軸はモーメント値（Ｎ・ｍ）、縦軸は地面からの電柱の高さ（ｍ）を表す。曲げモーメントも電柱の基部で最大値をとるが、１０％減衰の場合で３０％、２０％減衰の場合は４０％程度、それぞれ減少している。

以上のシミュレーション結果をまとめたものを表３に示す。表３は、非制振電柱と、１０％減衰、２０％減衰の制振電柱の最大曲げモーメントと最大剪断力を示す。表３中の括弧内の値は、電柱の短期許容曲げモーメントまたは短期許容剪断力に対する比率を表す。この比率が１以下であれば、電柱が損傷することはない。

表３から、非制振電柱では最大曲げモーメントが短期許容曲げモーメントを上回るので、電柱の損傷、倒壊のおそれがあるのに対し、制振電柱では、１０％減衰の設定では損傷、倒壊のおそれがほとんどなく、２０％の減衰ではその危険がなくなることが分かる。

モデルＭ１（片側トランス）．
図６（ａ）〜（ｃ）は、モデルＭ１のシミュレーション結果である。各グラフの横軸、縦軸は、図５（ａ）〜（ｃ）と同様である。図５（ａ）と図６（ａ）を比較すると分かるように、トランスを備えた電柱の方が高さ方向の最大変位が増加するが、制振装置による減衰の効果も大きく、１０％減衰の場合でも約５０％減少する。図６（ｂ）、図６（ｃ）を見ると、制振装置を設置することで層剪断力と曲げモーメントについても１０％減衰で約５０％減少しており、トランスを備えた電柱の方が制振装置を設置したことによる制振効果が増すことが分かる。以上のシミュレーション結果をまとめたものを表４に示す。

表４から、制振電柱の１０％減衰の場合は電柱の損傷のおそれがあるが、２０％減衰にすれば安全であることが分かる。

モデルＭ２（両側トランス）．
図７（ａ）〜（ｃ）は、モデルＭ２のシミュレーション結果である。各グラフの横軸、縦軸は、図５（ａ）〜（ｃ）と同様である。図６（ａ）と図７（ａ）を比較すると分かるように、トランスを片側に備えた電柱よりもトランスを両側に備えた電柱の方がさらに高さ方向の最大変位が増加するが、制振装置による減衰の効果も大きく、１０％減衰の場合で約６２％減少する。図７（ｂ）、図７（ｃ）を見ると、制振装置を設置することで層剪断力は約５０％、曲げモーメントは約６０％も減少しており、トランスを両側に備えた電柱に対しても、本実施形態の制振装置の効果が非常に高いことが分かる。以上のシミュレーション結果をまとめたものを表５に示す。

表５から、制振電柱の１０％減衰の場合は電柱の損傷のおそれがあるが、２０％減衰にすればほぼ安全であることが分かる。なお、制振装置の減衰定数をさらに大きくすれば、最大曲げモーメント、最大剪断力はともに減少する。

同様のシミュレーションを、海洋型地震であるエルセントロＮＳ波、長周期を含む地震波であるタフトＥＷ波を、弾塑性振動解析（レベル２）相当の５０ｋｉｎｅとしたものについても実施した。いずれの地震波の場合も、最大曲げモーメント、最大剪断力とも短期許容値以下に低下し、制振装置により損傷が防げることが分かった。最大曲げモーメントの計算結果をモデルＭ０〜Ｍ２について以下の表６に示す。表６中の括弧内の値は、電柱の短期許容曲げモーメント（４２９９０Ｎ・ｍ）に対する比率を表す。

表６から、エルセントロＮＳ波、タフトＥＷ波の場合は、１０％減衰で十分に安全になることが分かる。

電柱や鉄塔などの長尺構造物については、一本だけが単独で建てられているわけではなく、連続する複数の構造物間に電線が懸架されている。この場合、隣接する２本の電柱が互いに逆向きに振動したとき、または、一方の電柱の変位が他方の電柱の同一方向の変位より大きいとき、電線により電柱が引っ張られる状態になるため、長尺構造物の振動を議論するに当たっては、電線の影響も考慮する必要がある。本願発明者は、この影響についてもシミュレーションを実施したが、結果にはほとんど影響を与えなかったので、ここでは記載を省略する。

以上説明したように、本発明の制振装置によれば、簡便な構造ながら、長尺構造物を有効に制振することができる。また、制振装置の付加質量部または支柱部を可変構造とすることで、制振装置を取り付ける長尺構造物の長さ、断面積、重量、トランス等の付属構造物の有無、電柱等に架けられている架線の本数などに応じて、現場で固有振動数を容易に調整可能である。

上述のシミュレーション結果で示したように、長尺構造物が電柱であれば、制振装置の重さは、たかだか５００ｇの重りを１ｍの支柱の先に設ける程度で十分である。したがって、電柱のような細い構造物の頂部にも設置することができ、設置の制約が少ない。また、構造が簡単なため、低コストで実施できるとともに、新設と既設のいずれの構造物にも設置が容易である。また、制振装置自体の大きさが長尺構造物に対して十分小さいので、景観を大きく損なうことがない。さらに、駆動部分がないので、メンテナンスも容易である。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そのような変形例について述べる。

実施の形態では、主に電柱に設置するものとして制振装置を説明したが、トラス構造をした鉄塔や高層ビルなどでも、一次元のモデルに帰着させることで、上述と同様のシミュレーションを実行することができ、したがって、本発明の制振装置をこれらの構造物にも設置可能である。

実施の形態では、制振装置を長尺構造物の頂部に設置するものとして説明したが、振動が伝達されれば制振装置を頂部以外に設けてもよい。例えば、構造物の内部に設置したり、または、構造物の任意の位置から水平方向に張り出す張り出し部材を設けて、そこに制振装置を設置するようにしてもよい。しかしながら、長尺構造物は頂部で振動が最大となるので、制振装置を頂部に設置する方が制振効果は高い。

実施の形態では、制振装置の固有振動数を長尺構造物の一次モードの固有振動数に等しくするものとして説明したが、本発明の制振装置を長尺構造物の複数の振動モードに対応させることもできる。一例として、図８に、支柱部に複数の付加質量部を取り付けることで二質点系とした制振装置１５０を、電柱１４２の頂部に取り付けた計算モデル１４０を示す。制振装置１５０は、支柱部１５４と、複数の付加質量部１５２、１５６とからなる。付加質量部１５２は、電柱１４２の一次モードの固有振動数と制振装置１５０の固有振動数とを等しくするような位置に配置し、付加質量部１５６は、電柱１４２の二次モードの固有振動数と制振装置１５０の固有振動数とを等しくするような位置に配置する。シミュレーションの解析手法は、上述のものと同様である。

図３に示した、一質点系の制振装置５０を備えた電柱４２の計算モデル４０に対して実行したのと同様のシミュレーションを、図８の二質点系の制振装置１５０を備えた電柱１４２の計算モデル１４０に対して実行した。その結果、一質点系の制振装置に比べて、二質点系の制振装置の方が、電柱の頂部の水平方向の変位を小さくすることが分かった。しかし、電柱の耐震性に大きく関係する柱脚部の曲げモーメントおよび剪断力については、二質点系の制振装置でも応答値がわずかに小さくなる程度であった。これは、電柱程度の高さの構造物では、一次モードの振動が支配的であるためである。これに対し、例えば、高さが１００ｍを超えるような高層建築物では、一次モードの振動の周期が数十秒というオーダーになることから、二次モードの振動の方が支配的になる。このようなケースでは、二質点系の制振装置を備えたことによる制振の効果は高い。

上記のシミュレーションで制振装置の質点の数を二つとしていても、制振装置の固有振動数を長尺構造物の一次モードおよび二次モードの固有振動数と等しくしなければならないわけではない。質点は、長尺構造物の動的応答に支配的な振動モードと共振させることを目的とするものなので、例えば、一次モードが長尺構造物において支配的でなければ、制振装置の二つの質点を長尺構造物の二次モードと三次モードの固有振動数と等しくなるように配置してもよい。当然、四次以上のモードの振動の制振も可能である。

一般に、高さが数十ｍまでの長尺構造物であれば、一次モードと二次モードの振動の影響を考慮すれば十分である。しかしながら、本発明の制振装置は、質点の数に制限はないので、長尺構造物の動的応答を支配する振動モードが三つ以上あるときは、質点の数をそれに合わせて増加させればよい。

二質点系の制振装置を実現するための具体的な構成については、特に限定されるものではなく、任意の形態を取ることができる。例えば、上述したように、支柱部に予め数ｃｍごとに穴を設けておくとともに、付加質量部の貫通穴内部に、押圧により出入り自在な突起を設けておくような構造を採用していれば、複数の付加質量部を支柱部に取り付けることによって、二質点系の制振装置を容易に得ることができる。

実施の形態では、振動減衰部として円柱形状をなした制振ゴムを示したが、振動減衰部は他の構造をしていてもよい。以下、そのような変形例について述べる。

変形例１．
図９は、振動減衰部を、層状の粘性体で構成した変形例である。振動減衰部を、それぞれ材料の異なる粘性体である８０ａ、８０ｂ、８０ｃを積層した構成とする。こうして、例えば、下層８０ｃを上層８０ａよりも柔らかい材料とすると、構造物の振動時に上層８０ａが下層よりも大きく振動するので、減衰性能を高めることができる。

この応用として、図１０に示すように、粘性体を同心円の多層の筒状に構成してもよい。この場合、外側の層９０ｂに内側の層９０ａよりも剛性の高い材料を使用して、内側の層９０ａの粘性体の移動を拘束することで、減衰性能を高めることができる。一例として、内側の層９０ａをゴム、外側の層９０ｂを金属で作成してもよい。

変形例２．
減衰性能を支柱部２２の長手方向で変化させるために、図１１（ａ）、（ｂ）のような構成としてもよい。図１１（ａ）は振動減衰部の変形例の正面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。中空の外殻１００は金属等で作成され、図示するように途中から中空部分の断面積が変化している。この中に粘性体１０２を流し込むことで、支柱部２２の上方でより減衰性能を高めることができる。粘性体１０２は、油のような流体でもよいし、または急速凝結性のゴムを流し込むようにすれば、設置現場での作業性が向上する。

変形例３．
図１２は、設置現場での作業性を考慮した振動減衰部の変形例である。予め、粘性体を袋に詰めた球体１１２を多数個準備しておき、支柱部２２と外殻１１０を設置した後、外殻１１０の内側の中空部分に球体１１２を複数個詰め、最後に、粘性体の移動を規制すべく、外殻１１０を覆うように蓋１１４を設置する。外殻１１０の内側に詰める球体１１２の個数を調節することで、減衰定数を変化させることができる。また、球体１１２の空隙部分に砂、油等を入れて、減衰性能を高めるようにしてもよい。この変形例３によれば、設置現場での作業性が向上する。

変形例４．
図１３（ａ）は、振動減衰部の別の変形例の正面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。この例の振動減衰部は、金属やゴムなどから作成された板１２０を支柱部２２から翼状に張り出させ、この板に複数の穴１２２を設けたものである。地震による振動時にこれらの穴１２２によって板１２０が局部的に大きく変形することによって、減衰効果を発揮する。図１４（ａ）に示すように、穴１２２の中に、粘性部材１２４を嵌め込むようにしてもよい。こうすると、温度変化時には図１４（ｂ）に示すように粘性部材１２４が変形するので、板１２０の減衰性能の温度依存性を低減することができる。なお、図１４（ａ）、（ｂ）では、粘性部材１２４の変形量を強調して描いている。

変形例５．
外気温度の変化に対して、振動減衰部の減衰性能を一定に維持できるようにしてもよい。その一例を図１５に示す。外殻１３０の内側に粘性体１３６を入れ、その上部に蓋１３８を配置し、外殻１３０の上部を塞ぐ天板１３２と蓋１３８とを伸縮部材１３４により結合する。伸縮部材１３４は、形状記憶合金で作成されており、温度変化により伸縮する。温度変化に応じて伸縮部材１３４が伸縮して、粘性体１３６の変形可能な体積を変化させることで、粘性体１３６の減衰性能の温度依存性を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る制振装置の全体図である。制振装置を長尺構造物に取り付けた様子を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、振動シミュレーションのための計算モデルを示す図である。振動シミュレーションのための計算モデルを示す図である。モデルＭ０のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は高さ方向の最大変位を、（ｂ）は層剪断力を、（ｃ）は曲げモーメントのシミュレーション結果である。モデルＭ１のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は高さ方向の最大変位を、（ｂ）は層剪断力を、（ｃ）は曲げモーメントのシミュレーション結果である。モデルＭ２のシミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は高さ方向の最大変位を、（ｂ）は層剪断力を、（ｃ）は曲げモーメントのシミュレーション結果である。二質点系の制振装置を備えた電柱の計算モデルを示す図である。振動減衰部の変形例を示す図である。振動減衰部の別の変形例を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、振動減衰部の別の変形例を示す図である。振動減衰部の別の変形例を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、振動減衰部の別の変形例を示す図である。（ａ）、（ｂ）は、振動減衰部の別の変形例を示す図である。振動減衰部の別の変形例を示す図である。

符号の説明

１０制振装置、２０付加質量部、２２支柱部、２４振動減衰部、２６取り付け部、３０長尺構造物、４０、１４０計算モデル、４２、１４２電柱、４４トランス、５０、１５０制振装置、５２、１５２、１５６付加質量部、５４、１５４支柱部。

Claims

長尺構造物に設置される制振装置であって、
所定の質量を有する付加質量部と、
前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる単一の支柱部と、
前記支柱部に接して支柱部の全周を取り囲むように設けられる振動減衰部と、を備え、
前記振動減衰部は、剛性の異なる複数の材料を前記支柱部の長手方向または該支柱部を取り囲む方向に積層した構造を有し、
当該制振装置の固有振動数が、前記長尺構造物の固有振動数と略等しくなるように調整されていることを特徴とする長尺構造物の制振装置。
前記支柱部の曲げ剛性を可変とすることによって、当該制振装置の固有振動数を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
前記付加質量部の質量を可変とすることによって、当該制振装置の固有振動数を可変としたことを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
前記長尺構造物が電柱であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制振装置。
前記振動減衰部は、前記支柱部の長手方向に前記複数の材料を積層してなり、下側の層には上側の層よりも剛性の低い材料が用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の制振装置。
前記振動減衰部は、前記支柱部を中心とした同心円の多層の筒状に前記複数の材料を配置してなり、外側の層には内側の層よりも剛性の高い材料が用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の制振装置。
前記振動減衰部は、前記支柱部を取り囲んで配置され中空部分の断面積が変化した形状を有する外殻と、前記中空部分に配置される粘性体とで構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の制振装置。
長尺構造物の一部分に、
所定の質量を有する付加質量部と、
前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる支柱部と、
前記支柱部に接して支柱部の全周を取り囲むように設けられる振動減衰部と、を備える制振装置が設置されており、
前記振動減衰部は、剛性の異なる複数の材料を前記支柱部の長手方向または該支柱部を取り囲む方向に積層した構造を有し、
前記長尺構造物の固有振動数と前記制振装置の固有振動数とが略等しいことを特徴とする長尺構造物。