JP4572707B2 - 制振装置 - Google Patents

Description

本発明は 鉄塔や照明柱などの塔状部材における、風、地震、交通振動による共振現象に起因する揺れの低減に好適な、高い減衰を付与でき、構造が簡易で経済的な制振装置に関する。

煙突、アンテナ、照明・標識支柱や鉄塔には、風や交通振動もしくは地震時の共振現象に起因する大きな揺れが発生し、柱部材の損傷や破壊、疲労亀裂が発生する。従来、これらを防止する方法としては、
（１）煙突、アンテナ、照明・標識支柱や鉄塔の剛性を増大させ変形を小さくする。もしくは、板厚を増大させて応力を低下させる。

（２）煙突、アンテナ、照明・標識支柱や鉄塔の応答に支配的なモードの固有振動数と外力の卓越振動数（もしくはパワーの大きな周波数帯）を一致させないように煙突、アンテナ、照明・標識支柱や鉄塔の剛性を調整する。一般的には硬くして固有振動数を大きくする。

（３）振動を制振したい構造物の軸芯に、回転可能な２個の振動子を設け、振動子が対象物と反対方向に振動して、減衰を付与することを意図したもの（特許文献１）。
などがある。
特開平7-207989号公報

（１）記載の剛性を増大させる、若しくは応力を下げる方法は、鋼材など構造物の重量が大きくなるため不経済となる。
（２）記載の固有振動数を変化させる方法は、一般的には剛性を上げる方向に設計しなおすため不経済となるとともに、外力の卓越周波数に応じて、対象物の固有振動数を変更していくのは実用的でない。

そこで、本発明は、構造が簡易で経済的な制振装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成できる。
１．被対象物の軸芯にとりつけられる制振装置であって、複数の振動子と、前記被対象物が振動した際、前記複数の振動子間に生じる相対的な回転振動を減衰する手段を備え、前記複数の振動子は前記被対象物の軸芯に対し、点対称、且つ回転可能に取り付けられ、前記減衰する手段が、前記振動子を連結し並列に配置された、ばねと減衰要素からなる振動系であることを特徴とする制振装置。

２．ばねがねじりばねで、減衰要素が筒状の高減衰ゴムであることを特徴とする１記載の制振装置。

３．前記減衰要素が、前記振動子を軸芯に取り付けるフランジ部に設けられる摩擦部であることを特徴とする１記載の制振装置。

４．前記振動子の質量は、被対象物の１次有効質量の０．５〜１０％で、前記減衰要素の減衰定数は４％以上、１７％以下で、振動子系の振動数は被対象物系の固有周期の０．８５倍以上、１．１倍以下であることを特徴とする１乃至３の何れか一つに記載の制振装置。

５．前記振動子が滑動機構を介して被対象物の軸芯に取り付けられ、前記滑動機構は、前記振動子を、被対象物の軸芯の軸方向と、その回転面が直交するように回転させることを特徴とする１乃至４の何れか一つに記載の制振装置。

６．前記振動子が、被対象物の軸芯に対し回転可能なように容器中に格納され、前記容器は粘性流体が充填されていることを特徴とする１乃至５の何れか一つに記載の制振装置。

７．被対象物が塔状部材であることを特徴とする１乃至６の何れか一つに記載の制振装置。

本発明によれば、制振装置の設置場所、振動方向によることなく、効果的に減衰を付与できる簡易な機構の制振装置を提供することができ、これを用いた塔状部材は外力に対する応答が小さく、耐風性、耐震性、耐疲労特性に優れる。

本発明に係る制振装置は、被対象物の軸芯に対し、複数の振動子を点対称に配置し、且つ被対象物が振動した際、前記振動子間で生じる被対象物の軸芯を回転中心とする相対的な回転振動を減衰させる手段を備えていることを特徴とする。

図１は、本発明の1実施例に係る制振装置の構造を説明する図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は振動子が振動している様子を模式的に示す。図において、１は制振装置、２ａ，２ｂは振動子、３は制振装置１が取り付けられる被対象物の軸芯、６はベアリング、４ａ、４ｂは振動子２ａ，２ｂを連結するばね、５ａ，５ｂは振動子２ａ，２ｂを連結する減衰要素を示す。ばね４ａ、４ｂと減衰要素５ａ，５ｂは、振動子２ａ，２ｂに対し並列に配置され、本制振装置における振動系を構成する。さらに本実施形態において、減衰要素５ａ，５ｂは粘性減衰特性を有する。

図示した制振装置１は、振動子２ａ、２ｂが、被対象物の軸芯３に対し、点対称、且つそれぞれが独自に回転可能なように取り付けられる。振動子２ａ、２ｂは、同一平面において点対称となるように軸芯３に取り付けられることが好ましい。

また、図１（ｂ）に示すように、両者の取付け位置を上下方向に乖離させ、振動子の回転振動時に振動子同士が接触しないようにしても良いが、本発明は振動子が同一平面上にあることを排除するものでは無い。

複数（偶数個）の振動子対を設ける場合には、異なる平面上を回転振動させるが、やはり、複数の振動子対を同一平面上にて回転させても良い。但し、この場合、振動の機構が複雑になり、振動の可動域が減少するため減衰効率が低下する。

ベアリング６は振動子２ａ，２ｂと被対象物の軸芯３の間に設置され、振動子２ａ、２ｂに対し滑動機構として働く。その滑動機構により、被対象物の軸芯３の軸方向と、その回転面が直交するように、振動子を２ａ、２ｂを回転させる。

ここで、振動子２ａと２ｂはそれぞれ別々のベアリングに接合されている。よって振動子２ａと２ｂは別々に動けるが、振動子は力学的に対称に（即ち、力がつりあっている形で）配置され、且つ、ばね４ａ、４ｂと減衰要素５ａ，５ｂにより連結されていることから、振動子は概ね点対称の位置に保持されることになる。従って、本発明において点対称とは、完全な点対称でなく、概ね点対称であれば良い。

振動子２ａ，２ｂは軸芯３が挿通するフランジ７を介して、軸芯に取り付ける。振動子２ａ，２ｂとフランジ７は一体構造であっても、接合構造であっても良く特に規定しない。

振動子２ａ，２ｂは、ばね４ａ，４ｂと粘性減衰５ａ，５ｂが並列に配置される振動系により連結される。被対象物の振動により、振動子２ａ，２ｂが軸芯３を中心として、それぞれが例えば（ｃ）に図示したように個別に回転した際、振動系は、振動子間に生じる被対象物の軸芯を回転中心とする相対的な回転振動を減衰するように設ける。

（ｃ）図は振動子の回転の様子を示した一例で、振動子２ａ，２ｂの回転面が、被対象物の軸芯の軸方向と直交している、すなわち、被対象物の軸芯の軸方向と振動子の慣性方向を直交させた場合における回転の様子を説明している。点線が静止時、実線が回転時のある瞬間を示す。

この場合において、更に、振動子２ａ，２ｂの回転振動時における回転接線方向（円運動時の振幅の中央における接線方向、つまり振動子の速度最大時の慣性力の方向）と、被対象物の振動方向が平行になるように設定すると、振動が発生させる、慣性力の被対象物の振動方向の分力を最大化することができ、最も減衰効率が高くできる。なお、本発明では、取り付け位置、その数は特に規定しない。

具体的な減衰要素として、振動子のフランジ７を軸芯に取り付ける際、上下方向に隙間を設け、ゴムなどの粘弾性物質を挿入したり、上下のフランジ部で向き合う面に凹凸を設け、摩擦力が生ずるようにすることも可能である。

尚、図示した制振装置は、2枚の振動子を用いた場合であるが、本発明では振動子が複数であれば良く、２枚に限定するものではない。
図２に、制振装置１を塔状部材８に取り付けた状態を示す。塔状部材８は、主塔９、アンテナ１１を備え、制振装置１は塔状部材８に水平力が入力された際、最も変位が大きくなる塔頂付近に設けられたステージ１０に取り付けられる。

塔状部材８が振動を始めると、振動子２ａ，２ｂは、塔状部材８の軸芯３に対し回転可能なように取り付けられているので、被対象物の軸芯３の主振動方向（振動方向）ａと直交するように回転する。

そして、振動子２ａ，２ｂが、軸芯３を中心としてそれぞれが独自に回転した際、両者間に生じる相対変位は、減衰要素の減衰率に応じて減衰するので、塔状部材８の振動は、速やかに収束する。

尚、振動子２ａ、２ｂを、回転ベアリング等の滑動機構を介して軸芯３に取り付けると塔状部材８の振幅が小さい場合であっても、振動子の回転が容易となるので先に説明した原理により振動系全体が回転し最大効率の制振効果が得られる。

また、図３は、振動系のばね４ａ，４ｂをねじりばね４、減衰要素５ａ，５ｂを軸芯３の外周部に配置した高減衰ゴム筒５とした場合を模式的に示す図で、振動子２ａ、２ｂはそれぞれに腕１２ａ、１２ｂを有し、この腕１２ａ、１２ｂはフランジ７ａとねじりばね４とにそれぞれ接続されている。その他の符号は、図１の実施の形態と同様である。

この場合、振動子２ａ，２ｂの相対変位が大きい場合に、振動子２ａ，２ｂと干渉せず好ましい。

更に、振動子を、被対象物の軸芯に対し回転可能なように、前記軸芯に取り付けられた容器中に格納し、容器には粘性流体を充填させるとより優れた制振効果が得られ好ましい。

振動子２ａ，２ｂの質量および振動子２ａ，２ｂ間に接合されるばねと減衰要素は、塔状部材系（被対象物系の形態の1つ）と振動子系を２自由度の振動系としてモデル化した場合、下記の性能を有するものとすることが好ましい。

通常、振動子の質量は、塔状部材の１次有効質量の０．５〜１０％、特に望ましくは１〜５％程度である。振動子の質量が小さいほど低減効果は小さくなり、大きくなると効果は大きくなるが塔状部材への付加荷重が大きくなり、塔状部材の断面変更が発生する。

小さければ効果が少なく、大きければ性能の良い減衰要素を用いることが必要とされ不経済である。振動子の質量の上限を主構造系の10％とすれば13％程度の減衰で十分であり、これ以上の減衰は制振装置の性能を低下させる。

振動子系の振動数は主振動系（ここでは被対象物系、すなわち塔状部材系）の固有周期の0.85倍から1.1倍程度、特に望ましくは0.9から1.0倍とする。この範囲より大きくても小さくても制振装置の性能を低下させる。

尚、図３に示すように、振動子間に配されるばねの替わりにねじりばね４、減衰要素の替わりに筒状の高減衰ゴム５を用いる場合は、高減衰ゴムの捻り剛性と減衰を概ね（2）式のように設定するとねじりばねを省略することが可能となる。

筒状の高減衰ゴムは板上のものを複数枚（最低対向する２枚）に換えることができるが、応力集中が少なく、純せん断変形することのできる筒状の高減衰ゴムが最も耐久性に富む。

また、減衰要素としては高減衰ゴムの替わりに１個の振動子につながったフランジ間の摩擦によることもできる。この場合、ねじりばねのみで筒状の高減衰ゴムを省略することが可能となる。

尚、本実施形態では減衰要素に粘性減衰特性を持たせたが、振動子間に生じる被対象物の軸芯を回転中心とする相対的な回転振動を減衰させる機能を有すれば、粘弾性減衰特性等の他の減衰特性を持たせても良い。
以下、本発明の効果を実施例をもって説明する。

図４に示す鋼製円形鋼管より成る１次有効質量約０．５トンの模型照明塔に図１に示した構造の制振装置を取り付ける。１次固有周期は０．８秒である。

振動子の質量は１次有効質量0.5トンの5％の0.025トンである。振動系の減衰要素としては、前述の（2）式より求めた略最適減衰の12.7％の性能を持つダンパーを用いた。振動子の最適1次固有周期は前述の（2）式より0.762秒である。ダンパーとばねがセットになったオートバイ用の市販ショックアブソーバーを用い、固有周期は0.76秒に調整した。振動台実験により、調和入力の周波数を変化させ、頂部の応答の最大値を計測した。

図５に試験結果を示す。横軸は調和入力の周波数を模型照明塔の1次固有振動数で無次元化した振動数、縦軸は頂部の応答の最大値を入力加速度より算定した静的荷重時の頂部変位の計算値で無次元化した応答倍率である。実施例1の頂部応答倍率の最大値は7弱であった。尚、振動子が応答する際、振動子は振動系の各要素の寸法から規定される作動範囲の限界近くまで振動していた。

実施例１において制振装置を、図3に示す振動系を用いた制振装置とする。振動子の質量は実施例1と同じとした。振動系の減衰要素として15℃の減衰が11％の性能を持つ円筒状の高減衰ゴムを用いた。15℃の固有周期は0.79秒となった。実施例１と同様に振動台実験により、調和入力の周波数を変化させ、頂部の応答の最大値を計測した。

図６に試験結果を示す。横軸、縦軸は図５と同様で、実施例2では8程度と若干応答低減の効果が下がるものの十分な効果が得られていた。実施例2の場合、振動子は実施例1よりもその振幅が大きいが作動範囲にはまだ余裕が認められた。

（比較例1）実施例1の制振装置に変えて、図９に示す質量が0.025トンの振動子５０、５１のみから構成され、減衰要素やばねからなる振動系を省略した制振装置を設置する。

（比較例2）実施例1に用いた模型照明塔で制振装置を省略した。振動台実験により、調和入力の周波数を変化させ、頂部の応答の最大値を計測した。

比較例１の結果を図７、比較例２の結果を図８に示す。横軸、縦軸は図５と同様で、
比較例２は照明塔の１次固有振動数付近で応答が共振現象により極端に大きくなった。比較例１は、制振装置が斜めについているため、振動子が全て下にぶら下がり、有効に振動しなかった。ただし、若干の振動が見られ、多少の減衰効果が認められた。

本発明に係る制振装置の一例を示す模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は回転時の振動子の動きの例を示す。 本発明に係る制振装置を取り付ける塔状部材の一例を示す模式図。 本発明に係る制振装置の他の例を示す模式図。 塔状部材の他の例を示す模式図。 実施例１。 実施例２。 比較例１。 比較例２。 制振装置（従来例）。

符号の説明

１ 制振装置
２ａ，２ｂ 振動子
３ 軸芯
４ａ、４ｂ ばね
４ ねじりばね
５ 高減衰ゴム筒
５ａ，５ｂ 減衰要素
６ ベアリング
７、７ａ フランジ
８ 塔状部材
９ 主塔
１０ ステージ
１１ アンテナ
１２ａ，１２ｂ 腕
１３ 照明塔
１４ 柱
１５ ランプ
５０、５１ 振動子
ａ 被対象物の振動方向
ｂ 振動子の振動方向

Claims (7)

1. 被対象物の軸芯にとりつけられる制振装置であって、複数の振動子と、前記被対象物が振動した際、前記複数の振動子間に生じる相対的な回転振動を減衰する手段を備え、前記複数の振動子は前記被対象物の軸芯に対し、点対称、且つ回転可能に取り付けられ、前記減衰する手段が、前記振動子を連結し並列に配置された、ばねと減衰要素からなる振動系であることを特徴とする制振装置。
2. ばねがねじりばねで、減衰要素が筒状の高減衰ゴムであることを特徴とする請求項１記載の制振装置。
3. 前記減衰要素が、前記振動子を軸芯に取り付けるフランジ部に設けられる摩擦部であることを特徴とする請求項１記載の制振装置。
4. 前記振動子の質量は、被対象物の１次有効質量の０．５〜１０％で、前記減衰要素の減衰定数は４％以上、１７％以下で、振動子系の振動数は被対象物系の固有周期の０．８５倍以上、１．１倍以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の制振装置。
5. 前記振動子が滑動機構を介して被対象物の軸芯に取り付けられ、前記滑動機構は、前記振動子を、被対象物の軸芯の軸方向と、その回転面が直交するように回転させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の制振装置。
6. 前記振動子が、被対象物の軸芯に対し回転可能なように容器中に格納され、前記容器は粘性流体が充填されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の制振装置。
7. 被対象物が塔状部材であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載の制振装置。

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