JP6871635B2 - 単振り子ー粘性液体連合ダンパー - Google Patents

Description

本発明は建築耐震技術分野を取り上げて、具体的には単振り子ー粘性液体連合ダンパーである。

高層建築、特に１５０ｍを超えた超高層建築は、水平方向での荷重効果が著しく、そのため風荷重と、地震荷重が構造デザインの主要なコントロール要素である。風荷重と地震荷重がいすれもランダム荷重であり、構造振動を引き起こし、構造にダンパーなどの適合な減衰装置を装着することにより構造振動の影響を有効に下がらせることができ（例えば構造の層間横変位、頂部変位、頂部加速度、土台転覆曲げモーメントとトルクなど）、それにより構造の耐風と耐震の性能が上げられる。
常用のダンパーがTMD（Tuned Mass Damper チューニング質量ダンパー）とTLD（Tuned Liquid Damper チューニング液体ダンパー）。普通の場合には、TMDあるいはTLDシステムの一階固有振動数が構造総体の一階固有振動数と比較的に近いことを必要とし、且つTMDあるいはTLDシステムの質量が十分に大きいことを必要とし、それにより主体構造の振動位相と逆であって十分に大きな振動が生み出され、このようにTMDあるいはTLDシステムは振動が主体構造に対して生じた力により主体構造振動の振り幅を有効に抑制することができ、そこからエネンルギー消散と減衰の効果ができる。但し通常のTMDあるいはTLDシステムは下記の問題が往往にしてある：（１）TLDシステムは構造の水平方向の振動に対してより効果的に抑制するには一般により大きい質量が必要であり、、特に構造の総質量が比較的に高い高層建築に対しては、巨大な容器でなければ十分の溶体を収容することができなく、スペースを占用する他、施工も不便である；（２）TMDシステムが比較的に大きい質量を必要とし、TMD質量は主体構造の質量の１％ぐらいに達しなければ、よりよく振動抑制の効果ができないと普通に考えられ、しかし大きすぎる質量がホスティング工事に大きな困難をもたらし、その同時に構造総体のリスクが増加される；（３）現有のTMDシステムは一般に上部が吊りバーを主体構造と接続させ、下部が金属制動連接棒を利用しサポートとし、且つ金属制動連接棒が下部の構造と接続され（例えば台北の１０１建物のTMDの振動コントロールシステム）、このようなシステムの機械構造が比較的に複雑であり、建造コストと、メンテナンスコストがいずれもより高い。

中国特許出願公開第102444219号明細書

上記の問題に対して、本発明は振り子単振り子ー粘性液体連合制振器ダンパーを提供し、振り子単振り子ー粘性液体連合制振器ダンパーは構造がより簡単で、体積質量がより小さく、エネルギー消費と振動減衰の効果がよく、騒音が小さいなどのメリットがある。

単振り子ー粘性液体連合ダンパーは鋼索吊り付けノードと、鋼索と、単振り子質量ブロックと、液体容器と、粘性有機溶体と、こぼれ防止溝を含む；こぼれ防止溝が建築の内部の台に装着され、液体容器がこぼれ防止溝の中に置かれ、液体容器の上部には若干の液体注入穴が設置され、液体容器の中には粘性有機液体が添加されている；鋼索吊り付けノードが建築内部の上部に設置され、且つ液体容器の上方に位置する；鋼索の首端が鋼索吊り付けノードに固定され、鋼索の末端に単振り子質量ブロックを装着し、且つ単振り子質量ブロックを粘性有機溶体の中に浸ける。この構造を採用すると、単振り子システムの逆方向の振動を利用して主体構造の振動エネルギーを転移し、また単振り子質量ブロックと粘性有機液体との間の摩擦及び粘性有機液体と容器壁との間の摩擦を利用してエネルギーを消費することができ、そこからエネルギー消費の手段を増やし、ダンパーシステムが主体構造の振動を抑制する効果を増強することができる。その同時に構造が簡単で、施工が便利で、占用体積と質量がより小さく、且つ騒音が小さい。

好ましい形態の一つとして、液体容器が円柱形を呈し、液体容器の上端が開口している；単振り子質量ブロックが球状を呈する；且つ液体容器の高さが単振り子質量ブロックの直径より大きく、液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径より大きい。この構造を採用すると、単振り子質量ブロックが粘性有機溶体の中に浸かることができ、単振り子質量ブロックと粘性有機液体との間の摩擦をより多く利用してエネルギー消費することができ、エネルギー消費と減衰効果が上がれる。

好ましい形態の一つとして、液体容器の高さが単振り子質量ブロックの直径の1.5倍より大きい。液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径の2.5倍より大きい。この構造を採用すると、より多い体積の粘性有機溶体が単振り子質量ブロックをより完全に粘性有機溶体の中に浸からせることができる他、粘性郵送液体と液体容器壁との間の摩擦が増えることにより、エネルギー消費の効果をより十分に上げ、エネルギー消費と減衰効果を高めることができる。

好ましい形態の一つとして、粘性有機溶体は２０℃での動的粘度が５００〜３０００mPa.sの粘性有機溶体である。この構造を採用すると、粘性係数が適合な有機溶体を採用し、単振り子システムのエネルギー消費の作用を妨碍しない上に、単振り子質量ブロックと粘性有機液体との間の摩擦及び粘性有機液体と容器壁との間の摩擦を増加することができ、更にエネルギー消費と減衰を増強し、エネルギー消費と減衰の効果を高めることができる。

好ましい形態の一つとして、粘性有機溶体がシリコン油である。この構造を採用すると、同時に単振り子の減衰と粘性有機液体の摩擦減衰をより良好に両立させることができる。

好ましい形態の一つとして、鋼索は引張強さが２１６０MPaである高強度の索条で作られる。鋼索の平均外径が単振り子質量ブロックの重さにより計算され、弾性抗張力が単振り子質量ブロックの重さの三倍以上であることを要求とする。この構造を採用すると、鋼索の弾性張力がよく、単振り子質量ブロックが限界に至る場合の運動とストレスに耐え、システム運行の安定と安全を維持することができる。

好ましい形態の一つとして、鋼索吊り付けノードが十字型を呈し、鋼索吊り付けノードの中心には円溝が設置され、円溝の底部には円穴が設置される；鋼索吊り付けノードが建築内の上層床のビームに架けられる。この構造を採用すると、吊り付けノードの構造が簡単であり、構造が堅牢であり、鋼索を安定に固定することができる。

好ましい形態の一つとして、鋼索が四本に分けられ、且つ鋼索吊り付けノードの円溝内壁にアンカボルト固定され、アンカボルト固定された後、四本の鋼索が一つの鋼索に混ぜ合わされて円溝底部の円穴から突き通る。この構造を採用すると、鋼索をより安定に装着することができ、且つ四つから混ぜ合わされた鋼索の強さと装着堅牢さがより良く、システムがより安定である。

好ましい形態の一つとして、単振り子質量ブロックが不銹鋼材質で作られるのである。この構造を採用すると、耐蝕で、単振り子質量ブロックが長持ちできる。

好ましい形態の一つとして、液体容器の上部の液体注入穴が液体注入パイプと接続され、こぼれ防止溝には液体排出穴が設置され、液体排出穴がビルの液体排出パイプと接続され、この構造を採用すると、粘性有機液体を注ぐことに便利で、且つ注ぐ速度が速くなる；溢れた液体はタイムリーに排出されることが保証でき、想像以外の場合に液体が外へ溢れ出ることを防止することができる。

本発明のメリット：

単振り子質量ブロックと粘性液体を利用して連合組み合わせて高層建築の振動をコントロールするダンパーシステムは、単振り子システムの逆方向の振動を利用し主体構造の振動エネルギーを転移した他、また単振り子質量ブロックと粘性液体との間の摩擦及び粘性液体と容器壁との間の摩擦を利用してエネルギーを消費し、そこからエネルギー消費の手段が増え、ダンパーシステムが主体構造の振動を抑制する効果を強めることができる。

本発明の中に発生した単振り子質量ブロックと粘性液体との間の摩擦及び粘性液体と容器壁との間の摩擦がいずれも固体と液体との間の摩擦であり、普通の摩擦振り子ダンパーが固体と固体との間の摩擦を利用してエネルギーを消費することより、本ダンパーは仕事している時にあまり騒音が出なく、利用者に対する妨碍がより小さく、利用者がより楽に利用できる。

図１は本発明における実施形態の構造概略図である。 図２は単振り子質量ブロックの装着概略図である。 図３は鋼索吊り付けノードの構造概略図である。その中、１-こぼれ防止溝で、２-液体容器で、３-液体排出穴で、４-液体注入穴で、５-粘性有機液体で、６-単振り子質量ブロックで、７-鋼索で、８-鋼索吊り付けノードである。

下記には付図を参照し本発明をさらなる詳しく説明する。

単振り子ー粘性液体連合ダンパーが鋼索吊り付けノードと、鋼索と、単振り子質量ブロックと、液体容器と、粘性有機溶体と、こぼれ防止溝を含む；こぼれ防止溝が定盤に装着され、こぼれ防止溝の側壁には液体排出穴が設置され、液体容器がこぼれ防止溝の中に置かれ、液体容器の上部には液体注入穴が設置され、液体注入穴の数は若干であり、液体容器の中には粘性有機液体が添加される；鋼索吊り付けノードが液体容器の上方に設置され、鋼索の一端が鋼索吊り付けノードにアンカボルト固定され、鋼索の他端には単振り子質量ブロックが固定され、鋼索の長さが十分に長いことで、単振り子質量ブロックが粘性溶体の中に浸けることができる。

鋼索吊り付けノードが十字型を呈し、鋼索吊り付けノードは十字に交差して接続するロッドにより形成されて、鋼索吊り付けノードの中心には円溝が設置され、円溝の底部には円穴が設置される；鋼索吊り付けノードが建築内の上層床のビームに架けられる。鋼索が四本に分けられ、円溝内壁に均一分布され、且つ鋼索吊り付けノードの円溝内壁にアンカボルト固定される；各鋼索が円溝内壁により鋼索吊り付けノードのロッドの中にアンカボルト固定される；アンカボルト固定された後、四本の鋼索が一本の鋼索に混ぜ合わして円溝底部の円穴から突き通る。

鋼索が高強度であり、鋼索の弾性限界に相応する抗張力が少なくとも単振り子質量ブロックの純量の三倍以上であることで、ダンパーシステムの安全を保証することができる。本実施例の中に、鋼索は抗張力強度が２１６０MPaの高強度の索条で作られるのである。鋼索は十分な長さが必要で、それにより単振り子質量ブロックが粘性溶体の中に浸かることができる。

本実施例には単振り子質量ブロックが球状の金属ブロックである。球状金属ブロックの質量が高層建築自体の質量により推算されることができ、球状金属ブロックの材質は耐蝕で、密度が大きく、好ましくは不銹鋼材質である。

粘性有機溶体は四つの基本的な条件を満たす必要がある：粘性率が大きく、揮発しにくく、発火点が高く、無毒性である。本実施例には、粘性有機溶体がシリコーン油である。

本実施例には、液体容器が円柱形を呈し、液体容器の上端が開口しており、液体容器の上部の側壁には四つの液体注入穴があり、専用の液体注入パイプが液体容器の液体注入穴と接続され、液体を注ぐ速度を上げるために、四つの液体注入パイプを通して同時に液体を注ぐことができる。液体容器の直径は単振り子質量ブロックが往復運動している時に容器壁にぶつからないことを保証できることが必要である；そのため液体容器の高さが球状金属ブロックの直径より大きく、液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径より大きく、それにより単振り子質量ブロックがダンパーの作業中にずっと完全に溶体の中に浸かることを保証する。よりよくエネルギー消費と振動抑制の効果を取るために、液体容器の高さが球状金属ブロックの直径の1.5倍より大きく、液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径の2.5倍より大きいことを要求とする。

こぼれ防止溝には液体排出穴が設置され、液体排出穴がビルの専用液体排出パイプと接続され、これで溢れた液体をタイムリーに排出することを保証し、想像以外の場合に液体が外へ溢れ出ることを防止することができる。

単振り子ー粘性液体連合ダンパーのステップは下記のように示す：

（1）建物の主体構造の施工が完了した後、鋼索吊り付けノードを装着し、それから鋼索を絞りしごきして引張試験を行い、鋼索の弾性変形限界に相応する最大な抗張力が単振り子質量ブロックの純量の三倍以上であることを要求とし、鋼索の首端を鋼索吊り付けノードに装着する。

（2）円柱形液体容器を装着し、容器が床板と固く接続されることを確保する。

（3）液体容器の外周にこぼれ防止溝を装着し、こぼれ防止溝の溝底に四層以上の浸透防止材料を舗装し、溝底と溝壁との間がプラスチック銃でシール溶接され、こぼれ防止溝から液体が漏れることを防止することを保証する。

（4）液体容器の中に四つの臨時突き上げ用のジャッキが設置され、単振り子質量ブロックを液体容器の上方まで吊り上げてからゆっくりとジャッキに置き、吊り具を取り外して、ジャックで質量ブロックをゆっくりと予定の位置まで突き上げ、それから鋼索と単振り子質量ブロックの接続部品を溶接し、少なくとも四十八時間静置した後、ジャックを撤去する。

（5）液体注入穴と液体注入パイプとを接続し、液体排出パイプと液体排出穴とを接続し、液体容器の中に粘性有機溶体を予定の高さまで注ぐ。

本発明の働き原理は：高層建物構造は風あるいは地震の作用により水平横向きの振動が発生する時、単振り子がそれにより揺れ動き、単振り子のダンパー固有振動数が主体構造の土台と段階の固有振動数に近づく時、主体構造と逆位相の振動が発生することができ、そこから主体構造の振動エネルギーを単振り子システムに転移し；その同時に、本発明の中には、液体容器の中に盛られた液体は単振り子が揺れ動いている時に、粘性有機液体と単振り子質量ブロックとの間には摩擦が発生しエネルギーも消費することができ、その同時に粘性有機液体自体の揺れ動きと液体容器壁との間の摩擦がエネルギーを消費することができるため、エネルギー消費の手段が増え、システムの主体構造の振動を抑制する効率が上がる。

上記説明した実施例は本発明のより効果的な実施方式であり、但し本発明の実施方式が上記説明した実施例に制限られなく、本発明の精神実質と原理に従うあらゆる改変と、装飾と、立ち代わりと、組み合わせと、簡略化とのいずれも同じ効果の置き換え方式であり、本発明の保護範囲に含む。

Claims (2)

1. 鋼索吊り付けノードと、鋼索と、単振り子質量ブロックと、液体容器と、粘性有機溶体と、こぼれ防止溝を含む；こぼれ防止溝が建築の内部の台に装着され、液体容器がこぼれ防止溝の中に置かれ、液体容器の上部には若干の液体注入穴が設置され、液体容器の中には粘性有機液体が添加されている；鋼索吊り付けノードが建築内部の上部に設置され、且つ液体容器の上方に位置する；鋼索の首端が鋼索吊り付けノードに固定され、鋼索の末端に単振り子質量ブロックを装着し、且つ単振り子質量ブロックを粘性有機溶体の中に浸け、
   液体容器が円柱形を呈し、液体容器の上端が開口している；単振り子質量ブロックが球状を呈する；且つ液体容器の高さが単振り子質量ブロックの直径より大きく、液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径より大きく、
   粘性有機溶体は２０℃での動的粘度が５００〜３０００mPa.sの粘性有機溶体であり、
   粘性有機溶体がシリコン油であり、
   鋼索は引張強さが２１６０MPaである高強度の索条で作られ、
   鋼索吊り付けノードが十字型を呈し、鋼索吊り付けノードの中心には円溝が設置され、円溝の底部には円穴が設置される；鋼索吊り付けノードが建築内の上層床のビームに架けられ、
   鋼索が四本に分けられ、且つ鋼索吊り付けノードの円溝内壁にアンカボルト固定され、アンカボルト固定された後、四本の鋼索が一つの鋼索に混ぜ合わされて円溝底部の円穴から突き通り、
   単振り子質量ブロックが不銹鋼材質で作られるのであり、液体容器の上部の液体注入穴が液体注入パイプと接続され、こぼれ防止溝には液体排出穴が設置され、液体排出穴がビルの液体排出パイプと接続されることを特徴とする単振り子ー粘性液体連合ダンパー。
2. 液体容器の高さが単振り子質量ブロックの直径の1.5倍より大きく、液体容器の直径が単振り子質量ブロックの直径の2.5倍より大きいことを特徴とする請求項１に記載の単振り子ー粘性液体連合ダンパー。

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