JP5792153B2

JP5792153B2 - 制振構造物

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Publication number: JP5792153B2
Application number: JP2012270101A
Authority: JP
Inventors: 石垣　秀典; 秀典石垣
Original assignee: IES CO.,LTD
Current assignee: IES CO.,LTD
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: JP2014114621A

Description

本発明は、揺れを抑制する制振構造物に関する。

細長い塔状構造物に対する制振工法として、独立して設けられた補助構造体との間にダンパーを設置して、両者の変形差により揺れを抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平７−２６９１６５号公報特開平８−２１８６８１号公報

しかしながら、従来技術では、転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める場合には、塔状構造物と補助構造体との変形差が顕在化しないため、揺れを効果的に抑制することができないという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める場合でも、揺れを効果的に抑制することができる制振構造物を提供することにある。

本発明の制振構造物は、剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占め、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物と、前記第１の塔状構造物の内部に配置され、前記第１の塔状構造物に連結されている第２の塔状構造物と、一端が前記第１の塔状構造物と外周側固着点で固着されていると共に、他端が前記第２の塔状構造物と前記外周側固着点とは異なる高さの内周側固着点で固着されているダンパーとを具備し、前記ダンパーは、複数層にわたって、加力方向に対して上流側と下流側とにそれぞれ設置され、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔は、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも小さく設定され、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔に対する、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔の比率が各層において略同一に設定されていることを特徴とする。
さらに、本発明の制振構造物は、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔は、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも大きく設定しても良い。
さらに、本発明の制振構造物は、断面積が高さによって異なる前記第１の塔状構造物に、複数層にわたって前記ダンパーが設置されており、各層に設置された前記ダンパーの鉛直方向の減衰係数は、各層における粘性減衰定数が略同一になるように設定しても良い。
また、本発明の制振工法は、剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占め、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物の制振工法であって、前記第１の塔状構造物の内部に、自身の鉛直荷重を支持可能な第２の塔状構造物を設け、複数層にわたって、ダンパーの一端を前記第１の塔状構造物と外周側固着点で固着させると共に、前記ダンパーの他端を前記第２の塔状構造物と前記外周側固着点とは異なる高さの内周側固着点で固着させ、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔を、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも小さく設定し、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔に対する、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔の比率を各層において略同一に設定することを特徴とする。

本発明によれば、転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める場合でも、ダンパーによるエネルギー吸収性能に優れた制振構造物の構築が可能になり、揺れを効果的に抑制することができるという効果を奏する。

本発明に係る制振構造物の第１の実施の形態の基本構成を示す図である。図１に示すＺ−Ｚ断面図である図１に示す第１の塔状構造物の曲げ変形を説明する説明図である。本発明に係る制振構造物の実施の形態の制振モデルを示す図である。図４に示す制振モデルにおけるダンパーの減衰係数と塔状構造物の粘性減衰定数との関係を示すグラフである。本発明に係る制振構造物の第２の実施の形態の基本構成を示す図である。本発明に係る制振構造物の第２の実施の形態の基本構成を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を、図１乃至図６を参照して具体的に説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の制振構造物１は、図１及び図２を参照すると、第１の塔状構造物２と、第１の塔状構造物２の内部に配置された第２の塔状構造物３と、第１の塔状構造物２と第２の塔状構造物３との間に設置されたダンパー４とを備えている。

第１の塔状構造物２は、剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める塔状の構造物である。第１の塔状構造物２は、例えば、送電線やアンテナを支持する鉄塔や、内部に配置された第２の塔状構造物３を支持する鉄塔で構成される。第１の塔状構造物２は、鉄製の骨組み構造で構成され、複数本の傾斜柱２１で自立している。そして、第１の塔状構造物２は、傾斜柱２１の間に横方向に架け渡された横部材２２によって補強されていると共に、傾斜柱２１と横部材２２との間に斜め方向に架け渡された図示しない斜め部材によって補強されている。なお、本実施の形態では、第１の塔状構造物２の断面形状を四角形としたが、第１の塔状構造物２の断面形状は限定されることなく、円形やその他の多角形であっても良い。

第２の塔状構造物３は、図示しない連結部材によって第１の塔状構造物２と連結され、水平方向には図示しない連結部材を介して第１の塔状構造物２で支持されている。従って、第２の塔状構造物３は、鉛直荷重を支持可能な構造であれば良い。第２の塔状構造物３は、例えば、煙突で構成される。なお、本実施の形態では、第２の塔状構造物３の断面形状を四角形としたが、第２の塔状構造物３の断面形状は限定されることなく、円形やその他の多角形であっても良い。

ダンパー４は、地震や強風等の外乱によって、第１の塔状構造物２に曲げ変形が発生したときの震動エネルギーを減衰させる減衰手段である。ダンパー４としては、鉛ダンパー等の履歴型制震ダンパーやオイルダンパー等の粘性型制震ダンパーを用いることができる。

ダンパー４の一端は第１の塔状構造物２に、他端は第２の塔状構造物３にそれぞれ固着されている。ダンパー４と第１の塔状構造物２との固着点α（以下、外周側固着点αと称す）と、ダンパー４と第２の塔状構造物３との固着点β（以下、内周側固着点βと称す）とは、図１に示すように、異なる高さに設定されている。第１の塔状構造物２に曲げ変形が発生したときには、図３に示すように、第１の塔状構造物２の一方の傾斜柱２１が伸びて、他方の傾斜柱２１が縮むのに対して、第２の塔状構造物３の鉛直方向の変形は第１の塔状構造物２に比べて微小である。従って、ダンパー４には、外周側固着点αと内周側固着点βとの相対変形差が作用することになり、第１の塔状構造物２の傾斜柱２１に作用する鉛直方向の震動エネルギーが減衰される。なお、本実施の形態では、ダンパー４を斜め方向に設置した例を説明したが、ダンパー４は、鉛直方向に設置するようにしても良い。

また、図２に示すように第２の塔状構造物３の中心をＣとすると、ダンパー４は、想定される加力方向に対して中心Ｃの上流側と下流側とにそれぞれ設置されている。図２（ａ）には、断面四角形の第１の塔状構造物２及び第２の塔状構造物３に対し、横方向の加力を想定してダンパーを設置した例が、図２（ｂ）には、斜め方向の加力を想定してダンパー４を設置した例がそれぞれ示されている。

加力方向における第２の塔状構造物３の最大幅をｄ_ａとすると、加力方向上流側の外周側固着点αと、加力方向下流側の外周側固着点αとの間隔Ｄ_ｂは、第２の塔状構造物３の最大幅ｄ_ａよりも大きく設定されている。なお、間隔Ｄ_ｂは、大きいほど好ましく、加力方向における第１の塔状構造物２の最大幅をＤ_ａに近似させて設置すると良い。

また、加力方向上流側の内周側固着点βと、加力方向下流側の内周側固着点βとの間隔ｄ_ｂは、第２の塔状構造物３の最大幅ｄ_ａよりも小さく設定されている。なお、間隔ｄ_ｂは、小さいほど好ましく、「０」に近似させて設置すると良い。

さらに、ダンパー４は、第２の塔状構造物３の中心Ｃを通り、加力方向に対して垂直な線に対して線対称な位置にそれぞれ設置することが好ましい。これにより、中心Ｃの上流側と下流側とでのエネルギー吸収（減衰）のバランスが取れて効率的な制振効果が得られる。

次に、図４に示す制振モデルに基づいてダンパー４の設置方法について検討する。制振モデルは、図４（ａ）に示すように、軸方向剛性Ｋを有する傾斜柱で支持されている塔状構造物Ａと、塔状構造物Ａの内部に配置され、塔状構造物Ａにピンで連結された塔状構造物Ｂとの間に減衰係数Ｃ_ｖのダンパーを設置して、制振構造物を構成している状態を想定する。なお、ダンパーは、塔状構造物Ａと塔状構造物Ｂとの鉛直方向の相対変形差に作用させるため、斜めまたは垂直に設置することになるが、ここではダンパーを鉛直方向に設置した制振モデルについて検討する。

まず、図４（ｂ）に示すように、塔状構造物Ａ及び塔状構造物Ｂが振幅Ｘで振動している状態を考える。塔状構造物Ａは両側の傾斜柱の軸伸縮による曲げ変形を、塔状構造物Ｂは剛体回転のみによる変形を仮定する。ここで、加力方向における塔状構造物Ａの幅をＤ、傾斜柱の軸方向剛性Ｋの鉛直成分Ｋｓｉｎ^２θ_ｃをＫ_ｖ、塔状構造物Ａと塔状構造物Ｂとを連結するピンまでの高さをＨとそれぞれすれば、塔状構造物Ａの柱の軸伸縮による曲げ剛性ＥＩは、次式［数１］で表される。

これより、塔状構造物Ａ及び塔状構造物Ｂの質量をＭとすると、慣性力−Ｍ・ｄ^２ｘ／ｄｔ^２による変形量ｘは、次式［数２］で表される。

一方、この時のダンパーの減衰係数Ｃ_ｖによる抵抗力は、塔状構造物Ａと塔状構造物Ｂとの鉛直方向相対変位によって発現し、加力方向における塔状構造物Ｂの幅をｄとすると、ダンパーの抵抗力による偶力Ｍ_ｃと、偶力Ｍ_ｃによる水平方向の減衰力Ｆ_ｃとは、次式［数３］で表される。

従って、変形量（振幅）ｘでの定常振動状態における塔状構造物Ａ及び塔状構造物Ｂの振動方程式は次式［数４］で表される。

これより、固有円振動数ω及び粘性減衰定数ｈは、次式［数５］に示すように表現できる。

［数５］により、制振構造物の性能を表している粘性減衰定数ｈの値は、加力方向における、塔状構造物Ａの幅Ｄと塔状構造物Ｂの幅ｄとの比率により変化していくことが分かる。ここで、ダンパーの減衰係数Ｃ_ｖに対して、塔状構造物Ａの幅Ｄ及び塔状構造物Ｂの幅ｄの比率を変化させて、構造物全体の粘性減衰定数ｈを求めた結果を図５に示す。

図５において、グラフの横軸は、減衰係数Ｃ_ｖを質量Ｍと固有円振動数ωで除して無次元化した値である。グラフから、減衰係数Ｃ_ｖが大きいほど、またｄ／Ｄの比率が小さくなるほど粘性減衰定数ｈが大きくなり、構造物のエネルギー吸収が大きくなることが分かる。すなわち、同じ減衰係数Ｃ_ｖの値を有するダンパーであれば、ｄ／Ｄが小さくなるようにダンパーを設置することにより、より大きなエネルギー吸収性能を有する制振構造物を構築することが可能となることが分かる。

ここで、図４に示す制振モデルにおける内部の塔状構造物Ｂの幅dは、第１の実施の形態における、加力方向の上流側及び下流側の内周側固着点βの間隔ｄ_ｂに読み替えることができる。従って、図４に示す制振モデルにおける外周の塔状構造物Ａの幅Ｄを、第１の実施の形態において、加力方向の上流側及び下流側の外周側固着点αの間隔Ｄ_ｂに読み替え、間隔Ｄ_ｂに対する間隔ｄ_ｂの比率が小さくなるようにダンパー４を設置することにより、エネルギー吸収性能に優れた制振構造物の構築が可能になる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態の制振構造物１０は、図６を参照すると、複数層にわたってダンパー４が設置されている。図６の例では、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物２の４層にわたってダンパー４が設置されている。制振構造物１０では、鉛直方向において同一の減衰係数Ｃ_ｖを有するダンパー４が各層でそれぞれ用いられている。また、各層において、加力方向の上流側及び下流側の外周側固着点αの間隔Ｄ_ｂ１〜Ｄ_ｂ４に対する、加力方向の上流側及び下流側の内周側固着点βの間隔ｄ_ｂ１〜ｄ_ｂ４のそれぞれの比率が略同一になるように設定されている。これにより、各層における粘性減衰定数ｈがほぼ同じ値になり、各層でのエネルギー吸収のバランスが取れて効率的な制振効果が得られる。なお、各層における間隔ｄ_ｂ１〜ｄ_ｂ４を一定としたり、図７に示すように、各層における間隔ｄ_ｂ１〜ｄ_ｂ４を「０」に近似させたりした制振構造物１１の場合には、ダンパー４の鉛直方向における減衰係数Ｃ_ｖを各層で調整すれば同様な効果が得られる。図７では、同一のダンパー４を用い、ダンパー４の設置角度を変えることで、鉛直方向における減衰係数Ｃ_ｖを各層で調整するように構成したが、異なる減衰係数Ｃ_ｖを有するダンパー４を各層で用いるようにしても良い。

なお、第１の塔状構造物２の内部に煙突等の第２の塔状構造物３が元々ある場合には、その構造体をそのまま利用して本実施の形態の制振構造物１、１０を構成することができる。これに対して、図７のように、第１の塔状構造物２が送電線等を支持する鉄塔である場合には、内部に第２の塔状構造物３が存在しない。その場合には、新たに第２の塔状構造物３を設けることで、本実施の形態の制振構造物１１を構成することができる。新たに設ける第２の塔状構造物３は、水平方向には連結部材を介して外周の第１の塔状構造物２で支持可能であるため、鉛直荷重を支持可能な構造であれば良い。すなわち、新たに設けた第２の塔状構造物３として、大きな断面の部材は不要である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める第１の塔状構造物２と、第１の塔状構造物２の内部に配置され、第１の塔状構造物２に連結されている第２の塔状構造物３と、一端が第１の塔状構造物２と外周側固着点αで固着されていると共に、他端が第２の塔状構造物３と外周側固着点αとは異なる高さの内周側固着点βで固着されているダンパー４とを具備し、ダンパー４は、加力方向に対して上流側と下流側とにそれぞれ設置され、上流側と下流側とにそれぞれ設置されたダンパー４の内周側固着点βの間隔ｄ_ｂは、加力方向における第２の塔状構造物３の最大幅ｄ_ａよりも小さく設定されている。この構成により、転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める場合でも、ダンパー４によるエネルギー吸収性能に優れた制振構造物の構築が可能になり、揺れを効果的に抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、上流側と下流側とにそれぞれ設置されたダンパー４の外周側固着点αの間隔は、加力方向における第２の塔状構造物３の最大幅ｄ_ａよりも大きく設定されている。

さらに、本実施の形態によれば、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物２に、複数層にわたってダンパー４が設置されており、上流側と下流側とにそれぞれ設置されたダンパー４の外周側固着点αの間隔Ｄ_ｂに対する、上流側と下流側とにそれぞれ設置されたダンパー４の内周側固着点βの間隔ｄ_ｂの比率が各層において略同一に設定されている。この構成により、鉛直方向の減衰係数Ｃ_ｖが同じダンパー４を用いても、各層における粘性減衰定数ｈがほぼ同じ値になり、各層でのエネルギー吸収のバランスが取れて効率的な制振効果が得られる。

さらに、本実施の形態によれば、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物２に、複数層にわたってダンパー４が設置されており、各層に設置されたダンパー４の鉛直方向の減衰係数Ｃ_ｖは、各層における粘性減衰定数ｈが略同一になるように設定されている。この構成により、上流側と下流側とにそれぞれ設置されたダンパー４の内周側固着点βの間隔ｄ_ｂを各層において略同一にしても、各層における粘性減衰定数ｈがほぼ同じ値になり、各層でのエネルギー吸収のバランスが取れて効率的な制振効果が得られる。

さらに、本実施の形態によれば、剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占める第１の塔状構造物２の制振工法として、第１の塔状構造物２の内部に、自身の鉛直荷重を支持可能な第２の塔状構造物３を設け、ダンパー４の一端を第１の塔状構造物２と外周側固着点αで固着させると共に、ダンパー４の他端を第２の塔状構造物３と外周側固着点αとは異なる高さの内周側固着点βで固着させる。これにより、内部に第２の塔状構造物３が存在しない第１の塔状構造物２であっても、ダンパー４によるエネルギー吸収性能に優れた制振構造物を構築することができる。

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。

１制振構造物（第１の実施の形態）
２第１の塔状構造物
３第２の塔状構造物
４ダンパー
１０、１１制振構造物（第２の実施の形態）
２１傾斜柱
２２横部材

Claims

剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占め、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物と、
前記第１の塔状構造物の内部に配置され、前記第１の塔状構造物に連結されている第２の塔状構造物と、
一端が前記第１の塔状構造物と外周側固着点で固着されていると共に、他端が前記第２の塔状構造物と前記外周側固着点とは異なる高さの内周側固着点で固着されているダンパーとを具備し、
前記ダンパーは、複数層にわたって、加力方向に対して上流側と下流側とにそれぞれ設置され、
上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔は、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも小さく設定され、
上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔に対する、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔の比率が各層において略同一に設定されていることを特徴とする制振構造物。
上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔は、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の制振構造物。
各層に設置された前記ダンパーの鉛直方向の減衰係数は、各層における粘性減衰定数が略同一になるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の制振構造物。
剪断変形よりも転倒モーメントによる曲げ変形が大きな比率を占め、断面積が高さによって異なる第１の塔状構造物の制振工法であって、
前記第１の塔状構造物の内部に、自身の鉛直荷重を支持可能な第２の塔状構造物を設け、
複数層にわたって、ダンパーの一端を前記第１の塔状構造物と外周側固着点で固着させると共に、前記ダンパーの他端を前記第２の塔状構造物と前記外周側固着点とは異なる高さの内周側固着点で固着させ、
上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔を、前記加力方向における前記第２の塔状構造物の最大幅よりも小さく設定し、
上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記外周側固着点の間隔に対する、上流側と下流側とにそれぞれ設置された前記ダンパーの前記内周側固着点の間隔の比率を各層において略同一に設定することを特徴とする制振工法。