JPH02167969A

JPH02167969A - 構造物の振り子式スロッシングダンパー

Info

Publication number: JPH02167969A
Application number: JP32306188A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Yamada; 俊一山田; Takuji Kobori; 小堀　鐸二; Shinichi Takahashi; 新一高橋; Atsushi Tagami; 淳田上; Isao Nishimura; 功西村
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1990-06-28
Also published as: JPH0520543B2

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〕本発明は土木、建築の分野において、風や地震等、構造
物に作用する振動外力の影響を低減させるための動吸振
器に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図は従来の一般的な動吸振器のモデルを示したもの
で、付加質量（質量ｍ）をバネ（バネ定数ｋ）とダンパ
ー（減衰定数Ｃ）で構造物（質量Ｍ、バネ定数Ｋ）につ
なぎ、付加質量の方に振動を吸収させることにより構造
物の振動を低減させることかできる。

動吸振器の設計において、主振動系の振幅倍率の最大値
を最小にするためには、動吸振器と主振動系に次のよう
な関係があればよいとされている（「動吸振器の実用性
（１）Ｊ、背戸−登、機械の研究第３６巻第４号、１９
８４年、第４７７頁〜第４７８頁）。

ここで、 Ω、＝　ｐ　　：主振動系の固有振動数ω、＝　ｒ　　
：吸振器系の固有振動数μ＝ｍ／Ｍ　　：吸振器系と主
振動系の質量比ζ＝Ｃ／２φ智１：吸振器系の減衰率これに対し、出願人は特願昭６２−０８７５２０号（特
開昭６３−２５４２４７号公報参照）において、バネ式
に比べ振動周期の調整が簡単な振り子式動吸振器を提案
している。従来型の動吸振器では、付加質量としての重
りの振動周期は、Ｔ＝２π吾７「であり、建物の固有周期（または固有振動数）と動吸振
器の付加質量の振動周期（または振動数）を調整して制
振を行う場合、バネ定数ｋまたは付加質量ｍによって調
整することになる。これに対し、振り子式動吸振器の振
動周期は、Ｔ＝２πＦフ７１は振り子の長さｇは重力加速度であり、長さｌの調整、すなわち吊り材の長さの調整に
より振動周期（または振動数）を調整することができる
。

なお、振り子式動吸振器については、ビルの最上階に設
置する冷暖房用設備ユニットの氷蓄熱槽を振り子の重り
として利用し、風に対するビルの揺れを制御するものが
ある（「超高層ビルに振子式制振装置を導入」、建築技
術１９８８年１０月号第５８頁参照）。

また、水槽内の液体（通常、水）の動揺を利用して、構
造物の振動を抑制するいわゆるスロッシングダンパーと
呼ばれる動吸振器があり、特開昭６３−１８１８６８号
公報には、鋼材などの付加質量をもちいた従来型の動吸
振器と、付加質量としての鋼材の上に設置した水槽を組
み合わせた２重動吸振器が開示されている。この他、２
重動吸振器に関しては、出願人の特願昭６２−１３２９
１７号の発明がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、例えばペンシルビルのように水平剛性が低く
、したがって固有周期が長く、風圧変動の卓越周期と共
振しやすい構造物では風揺れによる振動障害（主として
居住性の問題）が生じやすい。しかし、居住性を問題と
するとき、人が感じ始める加速度のレベルは１．　ＯＧ
ａ１前後と言われており、従来風揺れなどのように微小
な振動の低減を図ることは非常に難しいとされてきた。

また、スロッシングダンパーについては、水などの液体
を用いるため、十分な振動抑制効果を得るためには、非
常に大きな水槽を必要とし、設置位置や設置方法の問題
がある。

さらに、特開昭６３−１８１８６８号公報記載の振動抑
制装置では、構造物の固有周期、第１の振動系の振動周
期および第２の振動系の振動周期は同一に設定されてお
り、必ずしも最適な振動抑制効果をあげるものとはなっ
ていない。

本発明は上述のような従来技術における問題点の解決を
図ったものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、摩擦が少なく、微小振動にも敏感に反応す
ることのできる振り子式動吸振器を用いた第１振動系と
、主として第１振動系の振動を減衰させるための第２振
動系を構成するスロッシングダンパーとを組み合わせ、
２重動吸振器を構成することにより、主振動系である構
造物の揺れを効果的に抑制することができる。

すなわち、本発明の振り子式スロッシングダンパーは主
振動系を構成する構造物に対し、複数の吊り材を介して
吊支持される支持台ど、該支持台上に設置された水槽と
からなり、吊り材により、支持台および水槽が重りとし
て振動し、構造物の振動を減衰させる。さらに、この第
１振動系の振動に対しては、第２振動系を構成する水槽
内の液体の振動が減衰力を与えることになる。

第１振動系の付加質量としての支持台と水槽の合計の質
量ｍ１および水槽内の液体の質量ｍ２は、それぞれ構造
物の質量をＭとして、１／１００ｍ、≦ｍ２≦ｌ／ＩＯｍ＋となるようにするのが望ましい。付加質量が小さ過ぎる
と、制振効果が少なく、また大き過ぎると不経済であり
、構造物本体の設計にも影響する。

本発明の振り子式スロ・ノシングダンバーを設置した構
造物が風などの外力を受けたときの応答倍率は、第１５
図を参照して、次の振動方程式から導かれる。

・・・・・・（２）構造物の質量Ｍ、バネ定数に、減衰定数Ｃなどに対し、
第１振動系の質量ｍ、、振り子の長さｌ、第２振動系の
質量ｍｌ　、減衰定数ｃ２などを適当に選択することに
より、第１振動系の固有振動数ω１および前記第２振動
系の固有振動数ω２を与えることになり、そのときの振
動外力Ｆに対する主振動系の加速度父、速度大、変位Ｘ
が求まり、このようにして、振動外力Ｆに対する主振動
系の応答倍率を計算することができる。

（・ｒ＝ｒ、・・−類７雫１そして、上記（１）の範囲で第１振動系の質量ｍい第２
振動系の質１ｔ　ｍ　ｚを設定し、種々の値について応
答倍率を求めると、下記のような条件（３）、（４）の
もとで、応答倍率が十分低く抑えられることが分かる。

かつ、 ω１＞Ω＞ω２またはω１〈Ω〈ω２・・・・・・（３）液体のスロッシング時の自由水の質量（第２振動系の質
１ｉｔ）　ｍ、は、ハウスナー理論から、次式％式％したがって、上記（１）、（３）、（４）の条件のもと
て調整を行うことにより、大きな割振効果を得ることが
できる。

なお、上記（２）の振動方程式は、第１５図に示される
ように、第２振動系を付加ｉｔと、これを第１振動系の
付加質量につなぐハネおよびダンパーとして表現したも
のであり、スロッシングダンパーに置き換えるためには
、下記の（５）、（６）の式により、等価な値を求めて
設計する必要がある。

第１６図を参照し、平面が長方形の水槽の液体のスロッ
シングの固有振動数ω２は、ハウスナー理論から、次式
で求められる。

（ｍ　ｗは水槽の液体の全質量）なお、第２振動系の剛性は、ｋ２　　＝ｍ、　　ω、” となる。

〔作　用〕

第１図は本発明の振り子式スロッシングダンパー７をモ
デル的に示したもので、まず構造物３０の振動を吊り方
式の重り１１が吸収して、次に重り１１に伝わった振動
を水槽２０内の水２２などの液体が激しく動ｔ、“Ｂし
て吸収するとともに、その振動エネルギーを波の破砕（
スロ・７シング）や水槽の接触摩擦によって消滅させる
ことができる。

摩擦が小さい吊り方式と、動揺しやすい液体を採用して
いるので、小さな揺れに対しても敏感に反応することが
できる。

また、本発明の振り子式スロッシングダンパーを、前記
（１）、（３）、（４）の条件のもとで調整することに
より、振動外力に対する構造物の応答倍率を十分低減さ
せることができる。

〔実施例〕

第３図〜第１１図は本発明の振り子式スロッシングダン
パーの実験装置の概要を示したものである。

第３図および第４図は試験体フレーム１を示したもので
、加振方向は柱２　（Ｃ−チャンネル、１００Ｘ５０Ｘ
　５　Ｘ７．５　）の間軸方向であり、１層１スパン（
高さ３．０ｍ、スパン０．５４ｍ）形式である。

加振方向に直交する構面ば３層ｌスパン（高さ１．０ｍ
Ｘ３、スパン１．１　ｍ）形式であり（梁３はＨ形鋼、
１００Ｘ　１００Ｘ　６　Ｘ　８　）　、プレース４で
補強することにより、ねじれの影響を抑えている。

フレーム１の頂部には、構造物の質量を与える約３．Ｏ
ｔの重り５、加振装置６および本発明の振り子式スロッ
シングダンパー７を取付け（重り重量２７７９　ｋｇｗ
、フレーム重量１５４　ｋｇｗ、加振装置可動部重１７
３．７　ｋｇｗ、振り子式スロッシングダンパーの付加
重量８０．２　ｋｇｗ）　、加振装置６に定常波および
ランダム波を入力することにより、フレームｌを加振す
る。なお、無減衰固有値解析による本試験フレームの１
次固有周期は１．１秒であった。

第５図はフレームの頂部に据付けられた振り子式スロッ
シングダンパー７の全体構造を、第６図〜第８図は第１
振動系を構成する振り子１０の構造を、第９図〜第１１
図は第２振動系を構成する水槽２０の構造を示したもの
である。

振り子ｌＯの重り１１はプレート状であり、ワイヤーロ
ープ１２により、装置の外周フレーム８に対し４点で吊
り下げられている。また、図中９は装置を取付けるため
の据付プレートである。重り１１の上には、アクリル製
の水槽２０が取付けられる。分割した水槽の１区画は内
法の長さＬが５９０ｍｍ、幅Ｂが４５ｍｍ、高さＨｏが
１９０ｍｍで、水槽２０の内側には、突出長りが１０ｍ
ｍの三角形のリブ２１を等間隔に取付けて、減衰効果の
向上を図った。

第１２図は上述の実験装置において、加振装置より非定
常波を入力した場合の実験結果の一例を示したもので、
振り子式スロッシングダンパーを取付けない場合の応答
（破線）に対し、振り子式スロッシングダンパーを取付
けた場合（実線）、フレーム頂部の応答加速度が大幅に
減少した。

従来のスロッシングダンパーと比較し、本発明の振り子
式スロッシングダンパーで同じ風揺れ抑制効果を得よう
とする場合、水量が約１／３０、体積が約１／７で済む
。実際の建物に適用する場合では、例えば１０００　を
程度の建物では、振り子の重りはｌＯ〜２０ｔ、水量は
２００〜５００１程度で大きな振動低減効果が得られる
。

第１３図および第１４図は建物３０への適用例を示した
もので、第１３図のように塔屋３１の天井の梁３２にワ
イヤーロープ１２をかけて設置する方法や、第１４図の
ように建物最上階の天井の梁３３にワイヤーロープ１２
をかけて設置する方法が考えられる。

〔発明の効果〕

■　小さな風揺れや地震動にも、敏感に反応し、揺れを
効果的に抑制し、早期に減衰させるので、揺れによる不
快感を取り除くことができる。

■　振り子式動吸振器とスロッシングダンパーを２重動
吸振器として組み合わせたことにより、従来のスロッシ
ングダンパーと比較して、小容量の水槽に小量の液体を
入れることにより、大きな制振効果を得ることができる
。

■　第１振動系および第２振動系の質量および固有振動
数などを適切に設定することにより、最適な振動抑制効
果が得られる。

■　装置がコンパクトになり、取り付けも容易なので、
小さなスペースに設置できる。

■　高層住宅、高層ビル、高層タワーなどの風揺れを効
果的に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置をモデル的に示した概念図、第
２図は従来の一般的な動吸振器をモデル的に示した概念
図、第３図は実験に用いたフレームの概要を示す正面図
、第４図はその側面図、第５図はフレームに取り付けた
本発明の実験装置の一部を断面とした立面図、第６図は
振り子式動吸振器部分の構造を示す平面図、第７図およ
び第８図はそれぞれその正面図および側面図、第９図は
水槽の構造を示す平面図、第１０図および第１１図はそ
れぞれその正面図（一部所面図）および側面図、第１２
図は実験結果を示すグラフ、第１３図および第１４図は
装置の設置位置の一例を示す概要図、第１５図は振動方
程式に対応するモデル図、第１６図は水槽の寸法と固有
振動数との関係を説明するための説明図である。ｌ・・・試験体フレーム、６・・・加振装置、７・・・
振り子式スロッシングダンパー、８・・・外周フレーム
、１０・・・振り子、１１・・・重り、１２・・・ワイ
ヤーローブ、２０・・・水槽、２１・・・リブ、２２・
・・水第図第図第図し− ）二

Claims

【特許請求の範囲】

（１）構造物に対し、複数の吊り材を介して吊支持され
る支持台と、該支持台上に設置された水槽とからなり、
前記吊り材により前記支持台および液体を入れた水槽を
重りとして振動し、前記構造物の振動を減衰させる振り
子式の第１振動系と、前記水槽内の液体の振動により前
記第１振動系の振動を減衰させる第２振動系とを構成し
たことを特徴とする構造物の振り子式スロッシングダン
パー。
（２）前記支持台と前記水槽の合計の質量ｍ＿１および
前記水槽内の液体の質量ｍ＿２を、それぞれ前記構造物
の質量をＭとして、１／２００Ｍ≦ｍ＿１≦１／５０Ｍ１／１００ｍ＿１≦ｍ＿２≦１／１０ｍ＿１となるよう
にし、前記第１振動系の固有振動数ω＿１および前記第２振動
系の固有振動数ω＿２は、前記構造物の固有振動数をΩ
として、 ω＿１＞Ω＞ω＿２または ω＿１＜Ω＜ω＿２となる大小関係とし、かつ｜Ω−ω＿１｜および｜Ω−ω＿２｜がΩに対し、１／２０以下となる範囲で調整したことを
特徴とする構造物の振り子式スロッシングダンパー。