JP6187974B2 - 柱状構造物の制振機構 - Google Patents

Description

本発明は、二本の筒身が鉄塔に支持された煙突等において振動を抑制するようにした柱状構造物の制振機構に関する。

従来、鉄塔で支持された複数本の煙突の耐震性及び耐風性を強化する制振機構として、オイルダンパーを用いたものがある。オイルダンパーを使用した制振機構では複数の筒身の相対変位を利用することになるため、各筒身が別々に動く必要がある。
特許文献１に記載された集合煙突では、オイルダンパーに代えて各筒身の外面に防振用板材を設けたものが提案されている。この集合煙突では、３本の煙突の中心軸と各筒身の中心軸とを結ぶ線上で各筒身の外面に防振用板材を設けている。

また、２つの筒身を備えた鉄塔支持型の煙突では、２つの筒身に相対変位を与えるために、第一の筒身を鉄塔に固定し、第二の筒身を鉄塔から切り離して鉄塔に取り付けたオイルダンパーに揺動可能に支持した構成を備えたものがある。この場合、第一の筒身は地震や風等による揺れが生じにくいのに対して第二の筒身は揺れが生じ易いため、二つの筒身の間で相対変位が発生し、オイルダンパーによる減衰付加効果が得られることになる。

特開２０１２−１５８９４１号公報

しかしながら、上述した２つの筒身を備えた鉄塔支持型の煙突は特殊な振動特性を有するため、オイルダンパーを備えていても、通常の二筒身煙突では発生しない、ギャロッピングという、風による流体力が原因となって揺れが収まらない現象である発散振動が発生するおそれがある。そして、二筒身煙突に発散振動が発生して揺れが大きくなると煙突が損傷するおそれがあった。

本発明は、このような実情に鑑みて、二筒身の柱状構造物において、発散振動を抑制するようにした柱状構造物の制振機構を提供することを目的とする。

本発明による柱状構造物の制振機構は、支持体としての鉄塔と、前記鉄塔に囲われるように起立して設けられて、該鉄塔に固定された第一筒身と、前記鉄塔に囲われるように起立して設けられて、前記第一筒身に隙間を開けて並列に配設された第二筒身と、前記第二筒身を前記支持体に対して前記第一筒身及び前記第二筒身の並設方向に直交する方向に揺動可能に連結するとともに、前記第二筒身の前記揺動を減衰可能な制振部と、 前記第一筒身と前記第二筒身とのうち前記第二筒身のみに設けられ、該第二筒身から外側に突出していて該第二筒身から第一筒身に向かう流体の剥離せん断層を前記第二筒身から径方向外側に遠ざけるプレートと、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、第二筒身から第一筒身に向かう流体に対し、第二筒身は制振部によって振動を減衰させられると共に、上流側から第二筒身に向かう流体が第二筒身を回り込む際、流体の剥離せん断層が振動抑制部材によって第二筒身から離間する方向にガイドされるため、第二筒身近傍の負圧が低減され、第二筒身の振動を一層抑制できる。
また、プレートによって、流体の剥離せん断層が第二筒身から離間する方向にガイドされるため、第二筒身近傍の負圧が低減され、第二筒身の振動を一層抑制できる。

また、プレートは第二筒身と第一筒身の中心を結ぶ仮想線に対して先端部が４５°以上の角度に設定されていることが好ましい。
第二筒身に設けたプレートの先端部の取付角度が４５°以上であると、発散振動を抑制できる。

また、プレートは第二筒身の外径ｄの１５％以上突出していることが好ましい。
振動抑制部材が第二筒身の外径ｄの１５％以上外側に突出していると、発散振動を抑制できる。

また、第一筒身と第二筒身の隙間Ｓと、第二筒身の外径ｄとの比Ｓ／ｄが３以下であってもよい。
隙間Ｓの比Ｓ/ｄが３以下であると、第一筒身と第二筒身を並列に設置した影響が確認され、流体の流れの干渉効果が生じる。
また、制振部はオイルダンパーであってもよい。
第二筒身は振動を減衰可能なオイルダンパーを介して支持体に接続されていてもよい。

本発明による柱状構造物の制振機構によれば、第二筒身に振動を抑制する制振部に加えて、流体の剥離せん断層を第二筒身から径方向外側に遠ざける振動抑制部材を設けたことで、第二筒身の振動を抑制してギャロッピングと呼ばれる発散振動を低減できる。

本発明の実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突を示す概略図である。 図１において、第一筒身と第二筒身の鉄塔とオイルダンパーへの取付構造を示す水平断面図である。 図２において、第二筒身にプレートを取り付けた二筒身の構成を示す説明図である。 第一筒身及び第二筒身の隙間比とストローハル数との関係を示す図である。 第一及び第二筒身の配置と風の流れとの関係を示す模式図であり、（ａ）は実施形態によるもの、（ｂ）は従来技術によるものである。 本発明の実施形態を示すものであり、第二筒身へのプレートの取付角度と発散振動発生風速比との関係を示す図である。 本発明の実施形態を示すものであり、第二筒身のプレート突出長さと発散振動発生風速比との関係を示す図である。 第二筒身の頂部における振幅と風速との関係を示す図であり、（ａ）は実施形態によるもの、（ｂ）はプレートを設けない従来技術によるものである。 第二筒身に設けたプレートの変形例を示すものであり，（ａ）は屈曲型のプレート、（ｂ）は三角形状のプレート、（ｃ）は支持棒で支えられたプレートを示す図である。

以下、本発明の実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突について添付図面により説明する。
図１は実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突１を示すものであり、基台２上に煙突の第一筒身３と第二筒身４とが間隔を開けて並列に起立して設置されている。第一筒身３及び第二筒身４の周囲は鉄塔５で囲われている。しかも、鉄塔５の上端から突出する第一筒身３及び第二筒身４の頂部３ａ、４ａは例えば屈折部からテーパ状に縮径して上端部に到達している。

図２に示す二筒身鉄塔支持型煙突１の水平断面図において、鉄塔５の例えば四角形外枠内に設けた例えば六角形枠状の枠部５ａ、５ｂ内にそれぞれ第一筒身３と第二筒身４が配設されている。第一筒身３は枠部５ａの対向する四辺の梁部５ａａにそれぞれ設けた支持部７を介して連結されて剛結されている。第二筒身４は枠部５ｂの対向する四辺の梁部５ｂｂにそれぞれ設けたオイルダンパー８を介して連結され、第二筒身４は直交する二方向に揺動可能であると共に、各オイルダンパー８によって振動を減衰させている。なお、枠部５ａ、５ｂにおいて中央の梁部５ａａと５ｂｂとは互いに共通する梁部材を有している。

図３において、第一筒身３と第二筒身４は所定の隙間Ｓを有しており、第二筒身４の直径をｄとして、隙間比Ｓ／ｄが３以下とされており、Ｓ／ｄが３以下の場合には第一及び第二筒身３，４を並列にした構成の風の影響が確認されている。即ち、図４において、横軸に隙間比Ｓ／ｄ、縦軸にストローハル数（渦の無次元発生周波数）をとると、隙間比Ｓ／ｄが３以下の場合に、並列にした円筒の両筒身３，４間の風の影響が確認されている（岡島「高レイノルズ数における直列２円柱まわりの流れ」日本機械学会論文集44-384,1978参照）。

また、図３に示すように、第二筒身４の外周面にはギャロッピングを抑制するための２つのプレート１０が設けられている。プレート１０は適宜形状、例えば長方形板状であり、第二筒身４の頂部４ａにおける屈曲部に上端を位置させて第二筒身４の上下方向に取り付けている。図３に示す平面視において、第二筒身４の外周面に対するプレート１０は、第一筒身３及び第二筒身４の中心点Ｏ１、Ｏ２を結ぶ仮想線Ｐに対して第二筒身４の中心点Ｏ２を通って外周面から径方向外側に延びる直線上に設置されており、仮想線Ｐに対するプレート１０の取付角度θは例えば４５°に設定されている。なお、２枚のプレート１０は仮想線Ｐに対して両側に同一角度θに設定されているが、同一角度でなくてもよい。

次に、図５において、所定間隔で配列された第一筒身３及び第二筒身４に対する空気の流れを線で示す模式図によって、ギャロッピングとプレート１０との関係について説明する。図５（ｂ）に示す、プレート１０を設けない従来の二筒身煙突の水平断面において、固定された第一筒身３と振動可能な第二筒身４とが所定間隔Ｓ（Ｓ/ｄ≦３）に配設された状態で、第二筒身４の上流側から風が流れるとして、第二筒身４に、図中、振動として仮想線Ｐに直交する方向（例えば図５において下向き）に運動すると仮定する。この状態では、運動方向（図中、下側）の風の剥離せん断層は第二筒身４に近接した位置を流れるため負圧が大きくなって下向きの運動Ｆの方向に更に追加の力がかかり、振動が発散的になる。

これに対し、図５（ａ）では、第二筒身４にプレート１０を所定角度θで設けたために、運動方向（図中、下側）の風の剥離せん断層はプレート１０にガイドされて第二筒身４から離間する方向に流れるため、第二筒身４から離れることで負圧が小さくなって下向きの追加の力が弱くなり、振動が発散的にならない。このような現象は運動Ｆの方向に応じて第二筒身４の両側に発生する。
なお、第二筒身４に隣接する位置に第一筒身３を配設しない場合にはこのような現象は生じない。

次に、図３において、第二筒身４に設けたプレート１０について、プレート１０の突出長さＷは第二筒身４の直径ｄの１５％以上とし、プレート１０の取付角度θは４５°〜９０°の範囲とする。
また、第二筒身４の高さをＨ（例えばＨ＝２００ｍ）とすると、プレート１０を第二筒身４の頂部４ａにおける屈曲部の下側に設置するとして、プレート１０の高さ方向の長さＬは（１/６）Ｈ以上であり、（１/３）Ｈまでとする。プレート１０の長さを（１/３）Ｈより長くしてもよいが、コスト高になる。また、第二筒身４へのプレート１０の設置位置は図１に示す上端部から枠部５の上端部の範囲内の頂部４ａから下方に向けて（１/５）Ｈ以上の長さに亘って設置することが好ましい。或いは図１に示すように枠部５の上端より若干低い高さ位置から下方に設置してもよい。

ここで、図６はプレート１０の取付角度θと発散振動発生風速比との関係を示す図である。発散振動発生風速比とは、（プレート１０をつけた状態での発散振動の発生風速）／（プレート１０をつけない状態での発散振動の発生風速）である。そのため、図６において、プレート１０の取付角度θが４５°以上であれば、プレート１０をつけない状態での発散振動の発生風速比（＝１）に対して、発散振動発生風速比は３．０倍以上となる。
また、図７において、第二筒身４の外径ｄに対するプレート１０の突出長Ｗさの比（Ｗ／ｄ）が１５％以上であれば、発散振動発生風速比は、プレート１０をつけない状態の第二筒身４と比較して、３．５倍以上となる。なお、図６及び図７において、白丸に上向きの矢印はプロットの値より発散振動の発生風速比が高くなることを表している。

次に、第二筒身４にプレート１０を取付角度θ＝５５°、プレート１０の突出長さＷ／ｄ＝０．２０とし、プレート１０の高さ方向の長さＬを４０ｍ（＝１/５Ｈ；第二筒身４の高さＨ＝２００ｍとする）として、第二筒身４の頂部４ａの振幅と風速との関係を測定した。その結果を図８に示す。
第二筒身４にプレート１０を設けない場合には、図８（ｂ）に示すように、風速２５ｍ／ｓ以上で頂部４ａの振幅が急激に増大して発散振動が発生した。これに対し、本実施形態における、第二筒身４にプレート１０を取り付けた場合、図８（ａ）に示すように、オイルダンパー８を設けない場合（白抜き丸の線で示す）でも頂部４ａの振幅は緩やかに増大して、風速７５ｍ／ｓで振幅は１５０ｃｍ程度であり、発散振動は発生しなかった。また、第二筒身４にプレート１０とオイルダンパー８を加えた場合（黒丸の線で示す）では、頂部４ａの振幅は更に緩やかに増大し、風速７５ｍ／ｓで振幅は１００ｃｍに至らなかった。なお、図８において、ｈ≒０．５％、ｈ≒５．１％は振動定数である。

本実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突１は上述の構成を備えているから、二筒身鉄塔支持型煙突１に対して、第二筒身４から第一筒身３に向けて流れる風が発生した場合、第二筒身４に沿って流れる風の剥離せん断層は、第二筒身４の両側にそれぞれ所定角度θ（例えばθ＝４５°〜９０°）で設けたプレート１０に沿って第二筒身４の径方向外側に流される。そのため、風の剥離せん断層はプレート１０の取付角度θに沿って第二筒身４から離れる方向に流れて第一筒身３からも離間した領域を流れる。

すると、運動方向（図５で下側）の風の剥離せん断層によって第二筒身４の近傍に生じる負圧が小さくなり、仮想線Ｐに直交する運動Ｆの方向に作用する力が抑制されるため、仮想線Ｐに直交する方向の振動を抑制できる。しかも、第二筒身４にはオイルダンパー８が周囲を囲う枠部５ｂの四辺にそれぞれ設けられているため、風速２５ｍ／ｓで発生した第二筒身４の振動を一層抑制できる（図８（ａ）参照）。
そのため、第一筒身３と第二筒身４が隙間Ｓを開けて配列され、第二筒身４側から第一筒身３方向に風が吹き付ける場合、風の剥離せん断層をプレート１０によって離間させることができて、ギャロッピングによる発散振動の発生を抑制できる。

上述のように本実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突１によれば、第一筒身３と第二筒身４をＳ／ｄが３以下の隙間をあけて並列に設置し、オイルダンパー８に加えて第二筒身４にプレート１０を取り付けたため、風の剥離せん断層が第二筒身４から離れて第二筒身４の近傍に生じる負圧が小さいので、発散振動を生じることがなく制振効果が高く、ギャロッピングを抑えることができる。

なお、本発明は上述の実施形態による二筒身鉄塔支持型煙突１に限定されることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。
例えば、上述した第二筒身４に設けたプレート１０は略長方形板状に形成したが、上述した形状に限定されることなく、例えば三角形板状や円弧形状等、適宜の形状を採用することができる。

また、プレート１０は必ずしも平板状である必要はなく、図９（ａ）に示すように、屈曲または湾曲した形状であってもよい。また、図９（ｂ）に示すように、プレート１０が２枚の板を先端で重ねた三角形形状や、同図（ｃ）に示すように１枚のプレート１０を別の支持棒等の支持部材で支えた形状等を採用してもよい。特に本発明では、プレート１０の第二筒身４から離間した自由端部(先端部)の部分が、少なくとも取付角度θとして４５°〜９０°の範囲にあればよい。
また、プレート１０の上端の第二筒身４への取り付け位置は、第二筒身４の頂部４ａにおける屈曲部に取り付けてもよいし、その上の頂部４ａの上端部に取り付けてもよく、上端部近傍が好ましい。また、上述した実施形態では、第一筒身３及び第二筒身４の頂部３ａ、４ａは屈折部からテーパ状に縮径して上端部に到達するように形成したが、第一筒身３及び第二筒身４の頂部３ａ、４ａに屈折部を設けない形状であってもよく、適宜な形状を採用できる。
本発明において、鉄塔５は支持体に含まれ、オイルダンパー８は制振部に含まれ、プレート１０は振動抑制部材に含まれる。

１ 二筒身鉄塔支持型煙突
３ 第一筒身
３ａ、４ａ 頂部
４ 第二筒身
５ 鉄塔
５ａ、５ｂ 枠部
７ 支持部
８ オイルダンパー
１０ プレート

Claims (5)

1. 支持体としての鉄塔と、
   前記鉄塔に囲われるように起立して設けられて、該鉄塔に固定された第一筒身と、
   前記鉄塔に囲われるように起立して設けられて、前記第一筒身に隙間を開けて並列に配設された第二筒身と、
   前記第二筒身を前記支持体に対して前記第一筒身及び前記第二筒身の並設方向に直交する方向に揺動可能に連結するとともに、前記第二筒身の前記揺動を減衰可能な制振部と、
   前記第一筒身と前記第二筒身とのうち前記第二筒身のみに設けられ、該第二筒身から外側に突出していて該第二筒身から第一筒身に向かう流体の剥離せん断層を前記第二筒身から径方向外側に遠ざけるプレートと、を
   備えたことを特徴とする柱状構造物の制振機構。
2. 前記プレートは前記第二筒身と第一筒身の中心を結ぶ仮想線に対して先端部が４５°以上の角度に設定されている請求項１に記載された柱状構造物の制振機構。
3. 前記プレートは前記第二筒身の外径ｄの１５％以上突出している請求項１又は２に記載された柱状構造物の制振機構。
4. 前記第一筒身と第二筒身の隙間Ｓと、第二筒身の外径ｄとの比Ｓ／ｄが３以下である請求項１から３のいずれか１項に記載された柱状構造物の制振機構。
5. 前記制振部はオイルダンパーである請求項１から４のいずれか１項に記載された柱状構造物の制振機構。