JPH01244001A - 高層建造物の制振方法及びその装置、並びにこの装置を制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は本・四架橋高い主塔等のような高層建造物の制
振方法及びその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば、東京タワーのような高層建造物の場合には断面
が四角形の等方形の下部が拡がって強固に地上に植立さ
れ、上部が縮小された骨組より構成されているために、
これを組上げる際に塔の半製品が風力によって一方が他
方に較べて大きくたわむ（あるいは振動する）と言うこ
とはなく、たわんだとしても四方に同様な程度でたわむ
ことになり、比較的安全な状態で組上げることができる
。

しかし、本・四架橋の場合のように、下部から上部まで
断面積かは−同じでしかも偏平な、門形の吊橋の主塔は
、正面から見た場合には安定した形状をしているが、側
面から見た場合には薄く、この薄い方向にたわんだり（
振れたり）、あるいはねじれ易い構造となっている。

即ち、このような薄板状の建造物１は、風圧によって第
１１図に点線で示したように前後方向に振れたり、又は
第１２図の点線で示すように左右の端部が前後にねじれ
るように振れている。

具体的には、例えば建造物１の高さが３００ｍ程度の高
さに組上った場合には、−寸した強風でその先端が４〜
５ｍも動揺することとなっている。

ところで、前記建造物は材料力学的には、−端を固定し
、他端を自由にした片持梁に曲げモーメントを作用させ
た場合にモデル化することができる。

そしてこの建造物１の片面に力、即ち変動空気力が作用
した時のたわみ曲線と、この建造物の１端（自由端）に
曲げモーメントを作用させた時の曲線を描いて見ると両
者の曲線は完全には一致しないもの−１はぼ一致させる
ことが材料力学的に説明できる。

この原理により変動空気力による高層建造物のたわみに
対して、このたわみを相殺させる曲げモーメントを作用
させることによって建造物の振動振幅をゼロとすること
が可能である。

従来、前記のように偏平で風圧を受は易く、しかもたわ
み易い建造物の振動を防止する効果的な手段としては、
水タンクによるスロンシング効果を利用したものなどが
あるが、その効果が充分でなく、一般には風が弱まるま
で作業を中止しており、そのために工期が遅れることが
しばしばあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するために得られ
たものであって、たわみ易い建造物に対して風力による
建造物のたわみを抑制する方向に曲げモーメントを作用
させることにより建造物の振動を防止し、もって塔本体
の損傷を防ぎ、あわせて作業効率と安全性の向上を計る
ようにしたものである。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するための本発明は、建造物に発生する
たわみを相殺するようにジャイロモーメントを作用させ
ることを特徴とするものである。

即ち、建造物のたわみ量の最も大きな部分に主軸に対し
て旋回可能に支持された枠体と、この枠体内に前記主軸
と交差する方向に設けた回転可能な軸に支持された回転
体と、該回転体と前記枠体をそれぞれ駆動する駆動装置
を有する割振機２基を少なくとも対として建造物に設け
、この１対の制振機で発生するジャイロモーメントを、
前記建造物に発生するたわみを打消すように作用させる
と共に、１対のジャイロモーメントの分力の２つの無効
成分を打消す向きに発生させるようにした方法とその装
置並びに装置の制御方法である。

そして好ましくは、制振機は建造物に発生するたわみを
打消すように建造物の平面内でかつそれぞれ両端部に２
基を１対として配置される。

〔作　用］ 本発明による高層建造物の制振方法及びその装置によれ
ば、制振機で発生するジャイロモーメントを建造物に発
生するたわみを打消すように作用させるとともに、１対
のジャイロモーメントの分力の２つの無効成分を互いに
打消す方向に発生させることにより建造物を効果的に制
振させることができる。

まず、本発明に適用する制振機を構成するジャイロ装置
の原理について説明する。

第８図はジャイロ装置の概念図であって、本発明にかか
る建造物の制振方法及びそれに使用する装置は、本質的
には前記ジャイロ装置によって発生するジャイロモーメ
ントを利用するものである。

このジャイロ装置は、水平軸（回転軸７）このまわりに
高角速度９で回転する回転体８（ジャイロスコープ、そ
の慣性モーメントをＪとする）が枠体６（ロータ枠）に
設けた軸受Ａ−Ａにて支持されており、この枠体６はＢ
に設けた主軸５にて支えれて水平面内で回転し得るよう
にした構造となっている。

回転体８は水平軸この方向を変えるような水平面内で回
転し得る構造となっている。回転体８は水平軸この方向
を変えるような回転運動（その軸Ｚ、角加速度ＩＩ！ｔ
ｌ＜１卑１）を強制するとき、回転体８の角運動量ベク
トルＬＲ＝ＪΩは、角速度μＬで変化することになる。

したがって、この運動を実現するには、 Ｍ＝［ＬＲ＝　ｕＬｘＬ＊　＝　ｕＬｘＪ　ｎなるモー
メントを必要とし、これは回転体８にかかる運動を強制
する枠体６よりの拘束力にほかならず、この枠体６には
その反作用とじて−Ｍ＝　ＪΩ×μ なるモーメントが作用する。これを「ジャイロモーメン
ト」と言う。そしてこのジャイロモーメントの大きさと
向きは、 大きさ：Ｍ＝ＪΩμ　　　・・・・・・　■向　き：Ω
をμｔに重ねる運動において右ねじの向き である。

前記式■から分かるように、ジャイロモーメン）Ｍｌの
大きさは回転体８の慣性モーメントＪ、回転体８の角速
度Ω、及びＺ軸回りの回転運動の角速度μの積で表わさ
れる。

発生するジャイロモーメント■を第９図および第１Ｏ図
に示す。第９図はＺ軸（主軸と称する）に対して時計方
向に、また、第１０図はＺ軸に対して反時計方向に角速
度μで回転体８を回転させた場合のジャイロモーメント
Ｍｌとその分力Ｍｌｃ。

Ｍｉｓの方向を示している。

なお、主塔、即ち建造物の制振用に利用するモーメント
は、ジャイロモーメント■の分力の１つであるＭｌｃ成
分であり、また、制振用に利用できない無効成分はＭｉ
ｓである。

そこで、本発明は、第１１図及び第１２図に示したよう
に主塔の如き可撓性のある大型の建造物１に風力が作用
した場合には、前記のように実際上問題となる２つのモ
ードの振動ないしは変形を生ずるものであるため、この
振動によって建造物ｌに発生するたわみを抑制するよう
にジャイロモーメントで得られた曲げモーメントを建造
物１に作用させるものであり、回転体の回転軸の方向を
、建造物１の振動ないしは振れの条件に応じて強制的に
変化させることにより、ジャイロモーメント■内の有効
成分Ｍｌｃを、建造物１内に風力によって発生するたわ
みを打消す方向に向けるようにしたものである。

ジャイロモーメントＭ１の成分Ｍｌｃは、建造物１の振
動ないしは振れを防止するための曲げモーメントとして
利用できる有効なモーメントであるが、このジャイロモ
ーメントＭを分解すると、前記有効成分Ｍｌｃと、更に
別の成分である無効成分Ｍｉｓとに分解される。この無
効成分ｔＶＩＩｓは、建造物１の振動を助長するか、あ
るいは減衰させる振動であり、何れにしても有害な成分
である。

本発明においては、このジャイロモーメントＭ１を分解
した成分の内の有害な成分を、２基の制振機を一対とし
て使用して向きの異なる無効成分を発生させ、それら自
体で相殺させることによって有効なジャイロモーメント
の成分を建造物ｌに発生しているたわみに対抗する曲げ
モーメントとして利用するのが特徴である。

即ち、制振機は大きさの同じもの、換言すれば同じジャ
イロモーメントを発生するものを２基が１対として使用
され、慣性モーメントの大きい回転体を互いに反対方向
に駆動し、この回転体を支持する回転軸に直交する支持
軸（Ｚ軸、主軸）によってこの回転軸の向きを強制的に
変更できるように構成している。

従って、制振機はジャイロ装置を基本とするものであり
、小型化できるにもかかわらず建造物に発生する曲げモ
ーメントによるたわみを打ち消すように大きなジャイロ
モーメントを得ることができる。

制振機は建造物１の振れに伴う速度と加速度を検出して
回転体８の方向を、主ｌｌ１ｈ５に対して旋回させるこ
とによって制振用のジャイロモーメントを発生させてい
るので、極めて円滑にしかも迅速に建造物１を制振する
ことができるのである。

〔実　施　例］ 以下第１図ないし第７図に基づき本発明の１実施例を説
明する。

第１図は本発明に係る制振装置の説明用の平面図であっ
て、建造物１の上端部を平面的に見た図である。この建
造物１の長手方向の両端に本発明に係る制振機２，３の
１対が対称的に、しかも回転体８の回転軸を建造物１の
たわむ方向に向けて設けられている。

この制振機２，３は、第２図に示すように台盤４の中心
部に主軸５（この実施例においてはＺ軸）が植立され、
この主軸５を中心として枠体６が旋回可能に支持されて
いる。そしてこの枠体６の中間部に水平方向に設けた回
転軸７によって慣性モーメントの大きな回転体８が支持
され、前記回転軸７に固定された歯車９を枠体６に固定
したモータ１０の軸に設けた歯車１１を駆動して前記回
転体８を駆動するように構成されている。

また、枠体６に歯車１２が固定され、この歯車１２に台
盤４に設けたモータ１３の軸に取付けられた歯車１４が
歯合され、このモータ１３により枠体６を強制的に旋回
させることによって回転体８の回転軸７の向きを変更し
て台盤４にジャイロモーメントを発生させるように構成
している。

前記第２図のように構成された制振機２，３は、第１図
のように２基を１対として建造物１上の最も振れの大き
い部分に設置し、この建造物１の速度、加速度等の各種
のデータに基づいて回転軸７の向き、即ち回転体８の回
転軸７を主軸５に対して強制的に角速度μ、角度αで旋
回するように構成されている。

第３図は制振機２，３の他の実施例であり、第２図と同
一符号は同一名称を示す。

枠体６には回転体８が回転軸７を介して取付けられ、モ
ータ１０の軸に取付けられた歯車９と回転軸７に取付け
られた歯車１１を歯合させ、モータ１０により回転体８
を駆動するように構成されている。そしてこの枠体６は
、油圧式ロータリアクチュエータ１５により強制的に旋
回させるようになっている。

ロータリーアクチュエータ１５は、第３図（ａ）に示す
ように、主軸５より複数枚の羽根１６を張り出し、この
羽根１Ｇを台盤４側に設けた本体１７に形成したシリン
ダ部１８内に回動可能に挿入している。このシリンダ部
１８は、主軸５の側面に接近して突出した２個の突起部
１９と扇形の空間部２０（シリンダ）より構成され、こ
の空間部２０内に挿入された羽根１６（ピストン）の選
択された一面に油圧を作用させることによって主軸５を
強制的に、所定の方向に回動できるように構成している
。また、本体１７は台盤４に設けた支持部２１と連結材
２２とピン２３によって支持されている。

なお、第１図においてＭｌは回転体８が回転して発生す
るジャイロモーメント、Ｍｌｃは前記ジャイロモーメン
）　Ｍｌの内の制振に関与する成分であり、更にＭｌ’
ｓは制振に関与しない無効成分である。

本発明を構成する割振機２，３は、前記無効成分Ｍｓを
除去して純粋に建造物１を制振するモーメントのみを取
出すために、建造物１に対して少なくとも２基を１対と
して設置し、第１図に矢印２４　、２５で示すように互
いに反対方向に回転体８を回転させる。そして回転軸７
も互いに反対方向に、建造物１の振動ないしはたわみの
諸データから計算された角速度μＬ及び角度αで強制的
に旋回させるように構成されている。

即ち、建造物１の振動は、図示しない加速度センサー及
び速度センサーにより検出され、信号Ｖ、、Ｖ２により
制御装置２６に導かれた後、制御信号■３が制振機２，
３に与えられる。

詳述すれば、第４図に示すように、加速度センサー２７
及び速度センサー２８で得られた信号■、。

■２は制御演算回路２９に導かれて主軸５回り角速度信
号■４となり、補正回路３０に与えられる。

この補正回路３０には、枠体６の位置の統計演算装置３
１からの信号Ｖ、が与えられ、角速度の補正が行なわれ
、速度信号■６としてモータ制御回路又は油圧制御回路
３２へ導かれ、ここからの信号■、がモータ１３に発停
９回転方向、及び回転速度の指令を与えるか、又は油圧
ロークリアクチュエータ１５の制御弁が作動させるよう
に構成されている。

なお、モータ１３の作動により枠体６が、「停止→正回
転→停止→逆回転」の一連の動きを繰り返し、建造物１
（主塔）を制振させるために必要なジャイロモーメント
■を発生させる。

このジャイロモーメントＭ１の大きさは、前記式■から
分かるように、主軸５回りの角速度試に比例するので、
この角速度を制御することでジャイロモーメント随の大
きさを調整することができる。なお、若し、必要であれ
ば、モータ１０の回転速度も同時に制御すると効果的で
ある。

本発明においては、基本的には制振機２，３０２基を１
対として使用されるが、回転体８の重量等からジャイロ
モーメントが建造物１に発生するたわみを相殺するのに
不充分である場合には、本発明の趣旨に従って複数対を
使用することが可能である。

第５図は本発明の制振装置２，３及び２ａ、３ａを夫々
１対として建造物１（主塔）の両端部に配置したもので
あって、建造物１の左右に取付けた速度センサー及び加
速度センサー（図示していない）により、建造物１の振
れを検出し、この速度センサー及び加速度センサーから
の信号Ｖ、、Ｖ２を制御装置２６（第４図）等に導き、
この制御装置２６からの制御信号■４により制振機２，
３と、２ａと３ａを制御する。

前記したように、制振機２と２ａの枠体６を時計方向に
角速度μで、一方、制振機３と３ａを反時計方向に角速
度μで強制的に旋回させることにより、ジャイロモーメ
ント■が建造物１に発生するたわみを相殺する。

その際、１対の制振機より生ずる方向が反対の２つの無
効成分Ｍｉｓが互いに打消し合うと共に、同一方向を向
いた有効成分Ｍｌｃのみが取出され、この有効成分ｔｖ
ｌｌｃが建造物１の振れを防止するモーメントとして有
効に作用して建造物１を防振するのである。

第６図は、建造物１に「面外１次モードｊの振動が発生
した状態を示しており、この場合には左右に位置する制
振機２と２ａ、及び３と３ａとは同じ方向であって２と
３、及び２ａと３ａとは互いに逆方向に角速度μで強制
的に旋回させて制振に有効成分であるモーメントＭｌｃ
を得ている。

第７図は、建造物１に「ねじれ１次モード」の振動が発
生した状態を示しており、この場合には制振装置２と２
ａ、３と３ａは互いに逆方向に強制的に角速度μで旋回
させている。

なお、か＼る場合、制御装置２６は制振機２と３．２ａ
と３８を夫々１対として独立的に使用される。

〔発明の効果〕

本発明は、主軸に対して旋回可能に支持された枠体と、
この枠体内に前記主軸と交差する方向に設けた軸に回転
可能に支持された回転体と、該回転体と前記枠体をそれ
ぞれ駆動する駆動装置を有する制振機２基を１対として
建造物に設け、前記２基の制振機で発生するジャイロモ
ーメントを、前記建造物に発生するたわみを打消すよう
に作用させると共に、２つのジャイロモーメントの分力
の内の２つの無効成分をそれ自体で打消す方向に発生さ
せることを特徴とする高層建造物の制振方法であり、次
の効果を奏することができる。

（１）本発明においては制振機を構成する回転体より得
られるジャイロモーメントで得られる曲げモーメントを
建造物に発生する曲げモーメントに対向させてたわみを
打消けすようにしているために、装置は著しく小型化が
可能である。

（２）建造物に作用する風力は刻々と変動するものであ
るが、この風力による建造物の振れは直ちに速度及び加
速度として検出され、制振機の回転軸の角度をその検出
信号に応じて調整するものであり、その結果、建造物の
振れないしは振動を防止することができ、その防振操作
が極めて簡単である。

（３）特に、本発明においては制振機２基を１対として
使用し、両制振機によって発生ずるジャイロモーメント
の内の建造物の制振に関係しない成分を相殺するように
しているので、その制振効果を増大することができる。

なお、前記実施例においては回転体を横軸で支持して駆
動するようにした装置を示したが、縦軸で支持された回
転軸を有する制振機におい゛　てもこれらによって発生
するジャイロモーメントの分力を建造物１の曲げモーメ
ントを相殺できる方向に向けることが可能であれば、充
分に制振効果を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にがかる制振装置の基本的な構造を示す
平面図、第２図は本発明の第１の実施例にがかる制振機
の断面図、第３図は第２の実施例に係る制振機の断面図
、第３図（ａ）は油圧式ロータリーアクチュエータの断
面図、第４図は制御回路のブロック図である。 第５図は高層建造物の上部に本発明にがかる制振装置を
設けた場合のジャイロモーメントとその分力の説明図、
第６図及び第７図は本発明に係る装置の動作説明図であ
って、第６図は面外１次モードの振動が建造物に発生し
た場合、第７図はねじれ１次モードの振動がそれぞれ発
生した場合の制振装置の動作とジャイロモーメントとそ
の分力の説明図である。 第８図は制振機を構成するジャイロ装置の概略図、第９
図及び第１０図は本発明の制振装置の作用説明図であっ
て、２基の制振機をそれぞれ反対側に主軸回りに旋回さ
せた場合に発生するジャイロモーメントとその分力の説
明図であり、第９図は主軸に対して時計方向に回転させ
た場合、第１Ｏ図は反時計方向に回転させた場合をそれ
ぞれ示す。 第１１図及び第１２回は高層建造物の２種類の振動モー
ドの説明図である。 １・・・建造物、２，３・・・制振装置、４・・・台盤
、５・・・主軸（Ｚ軸）、６・・・枠体、７・・・回転
軸、８・・・回転体、９・・・歯車、１０・・・モータ
、１１．１２・・・歯車、１３・・・モータ、１４・・
・歯車、１５・・・油圧式ロータリーアクチュエータ、
１６・・・羽根、１７・・・本体、１８・・・シリンダ
部、１９・・・突起部、２０・・・空間部、２１・・・
支持部、２２・・・連結部材、２３・・・ピン。 代理人　弁理士　　小　川　信　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主軸に対して旋回可能に支持された枠体と、この枠
   体内に前記主軸と交差する方向に設けた軸に回転可能に
   支持された回転体と、該回転体と前記枠体をそれぞれ駆
   動する駆動装置を有する制振機２基を少なくとも１対と
   して建造物に設け、 前記１対の制振機で発生するジャイロモーメントを、前
   記建造物に発生するたわみを打消すように作用させると
   共に、１対のジャイロモーメントの分力の２つの無効成
   分を打消す向きに発生させることを特徴とする高層建造
   物の制振方法。 ２、主軸に対して旋回可能に支持された枠体と、この枠
   体内に前記主軸と交差する方向に設けた軸に回転可能に
   支持された回転体と、該回転体を駆動する装置と、前記
   枠体を主軸を中心として回動させる装置からなり、 前記枠体を回動させる装置は建造物の速度及び加速度信
   号に基づいて制御するように構成してなる高層建造物の
   制振装置。 ３、主軸に対して旋回可能に支持された枠体と、この枠
   体内に前記主軸と交差する方向に設けた軸に回転可能に
   支持された回転体と、該回転体を駆動する装置と、前記
   枠体を主軸を中心として回動させる油圧式ロータリーア
   クチュエータで構成されており、 前記油圧式ロータリーアクチュエータは、建造物の速度
   及び加速度信号に基づいて制御するように構成してなる
   請求項第２項記載の高層建造物の制振装置。 ４、主軸に対して旋回可能に支持された枠体と、この枠
   体内に前記主軸と交差する方向であって、主として建造
   物の振れないしはねじれ方向に向けた軸に回転可能に支
   持された回転体と、該回転体を駆動する装置と、前記枠
   体を前記主軸を中心として回動させる装置の制御方法で
   あって、 前記枠体を前記主軸に対して回動させる装置は、少なく
   とも建造物の速度及び加速度信号により演算された制御
   信号に基づいて、発停、回転方向、回転速度の指令を与
   え、前記建造物を制振するためのジャイロモーメントを
   発生させるように構成した高層建造物の制振装置の制御
   方法。