JPH0333525A - 構造物制振装置 - 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］ 本発明は吊り橋のタワー、超高層ビルディング、タワー
、鉄塔等の構造物の上部に取り付けてこれら構造物の風
荷重（空気力〉による振動や、地震による振動振幅を抑
えて早期に振動を減衰させるために用いる構造物制振装
置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種構造物制振装置としては、たとえば、特開
昭６０−９２５６９号公報に示されているように、振動
物体の振動量を検出でる検出手段と、この検出手段によ
って検出された振動量に対応する制御力を振動物体に印
加する駆動装置と、上記制御力を振動物体に印加する際
の力のバランスを達成する付加質量とを有する振動制御
装置においで、付加質量の過大な動きを規制するストッ
パーおよびこのストッパーに対する付加質量の衝撃力を
吸収する緩衝部（Ａを備えた構成としたもの、特開昭６
０−９２５７０号公報に示されているように、構造物に
付加重錘駆動装置を設置し、上記構造物の振動を振動検
出器で検出し、この検出信号に基づいて制御回路で制御
信号を発生し、この信号で上記付ＩＪＤ重鍾駆動装置の
駆動を制御し、上記構造物の振動を制御するようにした
ものにおいで、地上に設置した地震動検出器と論理回路
から構成される構造物振動予知センサを設け、この出力
によって上記付加重錘駆動装置に電力を供給して制振制
御可能状態にするようにしたもの、特開昭５９−９７３
４１ｇ公報に示されるように、構造物の床部ｊ：たは大
ノー１部に可動自在に載置した（＝Ｊ加重鍾と、前記床
部または天井部に静止部を固着した、付加重錘を駆動す
るアクチュエータと、アクチュエータを作動させる制御
部と、構造物に装着した、構造物の振動を検出する振動
検出器と、構造物の地盤に装着した、地盤の振動を検出
する振動検出器と、構造物の振動検出器の検出信号から
地盤の振動検出器の検出信号を減痺して制御部の入力と
ヅる減鋒回路とから成るとしたもの、更には、特開昭６
０−８５１６５号公報に示されるように、構造物に付加
重錘駆動装置を設置し、＠進物の振動を検出する振動検
出器からの信号に基づき上記付加重錘駆動装置のアクチ
ュエータを駆動するようにした構成において、上記振動
検出器から付加重錘駆動装置の間に帯域フィルタを接続
した構成としたもの、等がある。

［発明が解決しようとする課題］ ところか、上記特開昭６０−９２５６９号公報に開示さ
れたものは、ストッパー等を有しているため構造が複雑
であり、特開昭６０−９２５７０＠公報に開示されたも
のは、地上に地震動検出器があるため制御装置が複雑で
あり、特開昭５９−９７３４１＠公報に開示されたもの
は、減算器が必要であるため振動検出器が複数必要−Ｃ
あり、特開昭６０−８５１６５号公報に開示されたもの
は、帯域フィルタが必要であるため余分な回路が必要で
ある、等の問題点かそれぞれある。又、上記各従来方式
のものでは、いずれも駆動体をどのように制御するのか
の具体的手段に欠けており、更に構造物の振動と制振装
置の駆動体の具体内勤ぎに関する位相関係が明確ではな
い。

そこで、本発明は上記の諸間距点を解決し、簡単な構成
で、構造物に錘りの運動エネルギを最大に与えて構造物
から運動エネルギーを奪い、構造物の振動を少なくしよ
うとするものであり、更に、簡単な回路構成で錘りの位
相及び変位を構造物に対して最適となるように制御する
ことにより、構造物の揺れを素早く抑えることかできる
ようにしようとする・ｂのである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、構造物の上部に
、単弦振動を行えるようにした２つの錘りを、各々の振
動方向が水平面で直交するように上下に重ねて揺動自在
に配置し且つ上記各錘りに、振動を減衰させるための減
衰機を備えてなる構成とする。

又、減衰機に代えて、各錘りにそれぞれ駆動力を与える
駆動装置を備えることができる、。

更に、各錘りの振動方向に対応する構造物の揺れを検知
する揺れ検知センυをそれぞれ設け、且つ該揺れ検知セ
ン１ノの信号を位相及び変位制御してそれぞれ錘りの駆
動装置へ駆動指令を送る制御装置を備えるとよい。

［作　　用］ 単弦振動するようにした錘りを上下に重ねて前後方向、
左右方向に振動するようにしてあり、且つ該錘りの振動
を減衰機によって減衰できるようにしであることから、
構造物の前後、左右方向の揺れを速かに抑えられる。

更に、揺れ検知センサで検知した信号に基づぎ位相及び
変位制御装置で錘りに駆動力を与えることができるため
、構造物の固有振動数の変化に素早く対応することがで
きるようになる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、外
力を受けで振動する構造物１の頂部に、該構造物１から
の揺れエネルギーを受けてそれぞれ単独に制振運動を行
うようにした上部制振機２と下部制振機２′　とを、そ
れぞれの運動方向が水平面で直交するように重ねて配置
してなる構成とでる。

詳述でると、上記上部制振機２は、振子運動を行うよう
に円弧状に湾曲形成した制振体としての鍾り３を、後述
つる下部制振機２′にお（ブる制振体としての錘り３′
−［に支持ローラ４を介して、たとえば、前後方向く第
２図の矢印ａ方向〉へ単弦振動するように揺動自在に配
置して、重力を利用した復元力によりばね系を構成する
と共に、該鍾り３の側部両端に設けた突起５か鍾り３を
前後で挟む位慢に設置した架台６上の左右のバッファ７
に当接する範囲で上記錘り３の振動領域が規制されるよ
うにし、又、上記鍾り３の上面にラック８を振動方向に
沿って設けると共に、該ラック８の上方部にラック８と
直交するように配置した軸９を上記前後の架台６に軸受
１０を介して回転自在に支持させ、且つ上記軸９の中間
部に、上記ラック８と噛合するようにピニオン１１を取
り付け、上記錘り３の振動エネルギーをラック８、ピニ
オン１１を介して軸９に回転エネルギーとして伝えられ
るようにし、更に、上記軸９の一端部を、別の架台１２
−Ｌに設置した減速機１３に連結し、且つ該減速機１３
の出力ｌｌ１ｌｌ１１３ａに、該出力軸１３ａから直角
に張り出すようにレバー１４を固設すると共に、該レバ
ー１４と上記下部制振機２′における錘り３′の上面と
の間に、減衰機として２台のオイルダンパー１５を、そ
の作用方向が相反するように介装設置し、上記減速機１
３に入力される軸９の回転エネルキーを両オイルダンパ
ー１５により減衰させられるようにしである。

一方、上記下部制振機２′　は、上記上部制振機２にお
ける架台６．１２、支持ローラ４を上面に設置させると
共にオイルダンパー１５を上面に支持させている錘り３
′を、上部制振機２の鍾り３の振動方向とは水平面で直
交する左右方向（第２図の矢印す方向）へ振動するよう
に配置し、且つ該紳り３′を、構造物１の頂部に設置１
−るベース１６上の支持ローラ４′に揺動自在に支持さ
せ、更に、上記錘り３′の下面にラック８′を取り付け
て、該ラック８′　と噛合するピオン１１′　を有する
軸９′をベース１６上の軸受１０′　に回転自在に支持
させ、該軸９′の端に、上部制振機２における場合と同
様に減速機１３′オイルダンパー１５′　を連結する。

なお、下部制振機２′において、上部制振渫２と対応す
る各部分には同一符号にダッシュを付して示しである。

但し、下部制振機２′においては、減速機１３′　の出
力軸１３ａ′　に片ヒンジレバー１４′を介してオイル
ダンパー１５′　を連結しである。

上記構成において、上記鍾り３，３′　を第４図に示す
ように、振子として考えた場合、その固有振動周期下は
重心Ｇの振動半径Ｒで決まる。

すなわち、 Ｒ＝　（Ｔ／２ｙｒ）２　・０ 一ω２　・ｇ　　（ω：固行右振動数 更に、鍾り３，３′　の質量を目〕、水平方向変位量を
Ｘとしたとき、垂直方向変位ｆｆ１ｙは、ｍω２　　Ｘ
２ ｍｇ ω２　　Ｘ２ ｇ として求めることができる。

次に、本発明における制振制御の原理を第５図を参照し
て説明する。第５図中、１７はアクチュエータ１８によ
って加振される振動台、１９は該振動台１７−［に移動
自在に載置した供試体く第１図の構造物１に相当）、２
０は錘り（第２図の鍾り３，３′　に相当）、２１．２
２はブラケットである。

今、供試体１９に作用する空気力（風荷重）をＰとし、
供試体１９の質量をＭ、供試体１９の換算ばね定数をＫ
、供試体１９の減衰係数（付加減衰定数：２Ｍｔ）ω〉
をＣ１供試体１９の水平方向の直線変位邑（絶対座標〉
をＸとし、錘り２０の質量をｒＴｌ、錘り２０のばね定
数をに、鍾り２０の振動を制御する制御力をｐ、錘り２
０の水平方向の直線変位量（供試体１９に対する相対座
標〉をＸとしたとき、供試体１９と鍾り２０の運動方程
式は、０ ＭＭ十〇Ｘ＋ＫＸ十ｍ（Ｘ＋５２＞−Ｐｃｏｓωｔ　　
・＜１）（ω：固有振動数、ｔ：時間） ｍ×＋ｍＭ＋ｋｘ＝ｐ　（ｔ）　　　　　　　　　−（
２＞ここで、供試体１９及び鍾り２０が単弦運動をして
いるものとすると、 Ｘ−△ｓｉｎωｔ　　　　　　　　　　　　・・・（３
）（Ａ：振幅） ｘ＝３ｓｔｎ　（ωｔ＋α）　　　　　　　　　　・＝
＜Ａ＞（Ｂ：振幅、α：ωｔに対する位相差）このとき
、ばね定数Ｋ及びｋと供試体１９、錘り２０との間には
、 Ｋ−（Ｍ＋ｒＴ１）ω２　　　　　　　　　　　　　・
・・（５）ｋ＝ｍω２　　　　　　　　　　　　　・・
・（６）の関係がある。したがつて、０）式及び（４）
式のうち質量とばね定数を含む項は次の如く常に零とな
る。

（Ｍ十ｍ＞Ｘ＋ＫＸ−−（Ｍ十ｍ）△ω２Ｓ１ｎω↑十
（Ｍ＋ｒγ］）　Ａω２ｓｉｎωｔ＝０　　　　　　　
＝・＜７’）ｍＭ＋ｋｘ−−ｒＴ旧ω２５１ｎ（ωを十
α〉十ｍＢω２　Ｓ旧（ωし＋α）＝０　　　　　　　
　　・・・（８）（７）、（８）式を（１）、（２）式
に代入すれば、ｐＣ（Ｉｓωｔ　＝　ＣＸ十ｒＴＩＸ −２ＭｈＡω２ｃｏｓωｔ−ｍ３ω２ｓｉｎ（ωｔ＋α
）ｐ　（ｔ）　−ｍＸ−−ｍＡω２　ｓｉｎω−ｔ：　
　　　　　　・　（１０）ここで、（９）式は、右辺の
第１項と第２項の位相が同じときに、供試体１９の減衰
と錘り２０の運動による力が空気力Ｐと釣り合っている
ことを示している。すなわち、錘り２０の運動か供試体
１９の運動に対して９０°遅れた形（−９０°）で動作
したときに、供試体１９の減衰と同じ方向に力が働き振
動を止めようと覆ることが判る。したがって、α−−９
０°として（９）式を書き直ずと、Ｐｃｏｓωｔ＝２Ｍ
ｈＡω２ｍＢω２ｃｏｓωを−（２ＭｈＡ十ｍＢ）　ω
２　ｃａｓωｔ　　・（１１）となる。又、鍾り２０の
振幅Ｂは（１１）式より、ｍ　−８＝　（Ｐ／ω２）　
−２Ｍ　ｉＡ　　　　　・（１２）となる。

これらの式から明らかなことは、制振装置が能動形で８
つでも受動形でおっても成り立つので、（１０）式の示
づ力ｐ（ｔ）は、能動形の場合・・・（９） は制御する力、受動形の場合は減衰する力と考えればよ
い。

上述した原理についての式を言葉に直すと、次の如くで
ある。

■　構造物の振動を抑えようとする制振装置の力は制振
装置の質量の動きによって得られる。

■　制振装置には、構造物に入ってくる力と同じ大きさ
の反対向きの力を制御力あるいは減衰力として与えるこ
とによって安定した振動となる。

したがって、第６図に示す如き吊り橋のタワーの如き構
造物１や、第７図に示す高層ヒルの如き構造物１の頂部
に、上記の如く構成した本発明の構造物制振装置を設置
した場合、空気力等により構造物１に、たとえば、前後
方向の揺れが発生すると、その揺れエネルギーは下部制
振機２′を介し上部制振機２の鍾り３に伝達されるため
、錘り３は構造物１の揺れに対して９０゜遅れで単弦振
動を開始する。このとぎ、鍾り３の上面に設けであるラ
ック８と鍾り３の上方に３ 配して必る輔９−［のピニオン１１とか噛合しているた
め、鍾り３の振動エネルギーは上記ラック８、ピニオン
１１を介して軸９に回転エネルギーとして勾えられる。

上記軸９に回転エネルギーか与えられると、該軸９の一
端部に減速機１３か連結しであるため、該減速機１３に
より軸９の回転が減速されることになり、更に、この際
、上記減速機１３の出力軸１３ａにレバー１４を介して
オイルダンパー１５が設けであるため、該オイルダンパ
ー１５が減速機１３を介し揺動作動させられることによ
り、上記軸９の回転エネルギーが効果的に減衰される結
果、構造物１の前後方向の揺れか抑えられる。一方、構
造物１に左右方向の揺れか発生した場合には、同様に、
下部制振機２′の錘り３′が単弦振動させられ、その振
動エネルギーかラック８′、ピニオン１１′、軸９′を
介し減速機１３′　に出力軸１３ａ′、片ヒンジレバー
１４′　を介して伝えられてオイルダンパー１５′によ
って該オイルダンパー１５′　が揺動しながら減衰され
ることにより、構造物１の左右方向の４ 揺れか抑えられる。

このように、本発明に４３いでは、４Ｕ告物１に入って
くる空気力等のエネルギーを、パッシブな番重り３，３
′　σ）連中山上ネル−−１−一（こ変］グこし、これ
をラック８，８′、ヒバ二詞ン１１，１１’　　、＋１
仙９，９′減速）族１３．１３’　を介し−てオイルタ
ンバー１Ｓ、１５′により消費さ−ける、という間接的
なエネルギ消費形式によって＠遺物１の揺れを速かに抑
えることができ、この際、上記鍾り３，３′　か、それ
ぞれの振動方向が水平面で直交するように１組直しであ
るため、１台の装置て構造物の前後、左右方向、勺なわ
ら、水平方向のあらゆる方（＾」の揺れに対処すること
かできる。又、この場合、下部制振機２′の錘り３′の
質量には、上部制振機２全体の質量かイ」加されるため
、錘り３′自体は非常に軽いものて゛よく、２つの鍾り
３を単に前後方向と左右方向に配膳ツる場合に比して極
めて有利となる。

上記において、＠遺物１１＼の制振力は、紳り３３′　
の振動ス１〜ローク、質量を選定することにより変更す
ることかできる。又、減衰率は、オイルダンパー１５．
１５’　の圧）ｊを調整することにより最適な状態とし
てり−えることかできる。

なお、減衰機としては、オイルダンパー１５．１５’に
代えて、液圧、弾性体、ばね、発電機、空気圧等、減衰
をりえることかできるものであればいずれを採用しても
よい。又、使用する減衰機により減速）Ｊ　１３．１３
’　をはふくこともできる。

以上本発明の一実施例についで説明したが、本発明の構
造物制振装置は、次に示す能動型の構造物制振装置とす
ることができる。すなわち、第７図に示’？ｊ蛸き超高
層ビルのような人間か居住する＃Ａ構造物おいては、居
住１牛をよくでる必要から、揺れの加速度を故Ｇａｌに
抑えなければならない。そのためには、小振幅の揺れに
対しても制振装置を動かづ必要かある。上記第１図乃至
第３図に示すような受動的な制振装置では、回転部に摩
１察かあるので、構造物かある程度（数拾Ｇａｌ　）揺
れないと動き出さない。そこで、本発明の他の実施例と
して、上記摩擦を切ると間口４に、数Ｇａｔで作動させ
るようにする能動へｉ」の構造物制振装置とする。

第８図及び第９図は上記しｌこ本発明の他の実施例を示
すもので、第１図乃至第３図に示’　ＭＩＪＩ構造物制
振装置様な構成に８３いて、減連機１３゜１３′　の出
力軸１３ａ、１３ａ’　を軸９，９′　にそれぞれ接続
すると共に、該各減速機１３，１３′　の入力部に、錘
り３，３′　を駆動するための駆動装置として電動モー
タ２３，２３’　をそれぞれ連結し、且つ構造物１の上
部に水平面上で各々直交する方向の構造物の振れを検知
する揺れ検知センサ２４２４′　を上記電動モータ２３
，２３’　　と対応させて取りイ」け、上記揺れ検知セ
ンサ２４と２４′　を各々上記電動モータ２３と２３′
　に後述りる制御装置２５と２５′、ドライブユニット
２６と２６′　を介しで接続する。

上記揺れ検知センサ２４と２４′　は、構造物１の上部
に取り付けられて構造物１の直交する方向の揺れを検知
勺るようにしてあり、更に本発明では、上記センサ２４
，２／ｌ’　からの信相を位相及７ び変位制６１］１刀る制器装置を備え、該制御１装置よ
り出力される信相を里に上記モータ２３，２３’　を駆
動させるようにし、モータ２３，２３’　の駆動力によ
って構造物１の揺れに対重る鍾り３，３′　の単弦振動
を任意に制御することにより、構造物１の揺れを許容揺
れ範囲に抑えると共に構造物１の運動上ネルキーを消費
させるようにしである。

ムお、上記モータ２３，２３’　の駆動力とは、鍾り３
，３′　を必要とする変位（振幅〉まで加速する動力で
あり、又、鍾り３，３′　か必要とする振幅を保持する
ための減衰力を与える制動力でもある。すなわち、構造
物１が揺れることにより単弦振動として錘り３，３′　
にｔうえられたエネルギーはｉｉ！Ｉ　ＩＩＩ力をりえ
ないと完敗してしまうのて、モータ２３，２３’　の駆
動により、紳り３，３′　を必要とする振幅まで力目速
する制御力と、完敗を抑える制動力をりえるようにしで
ある。

上記位相制器を行わせるための制御ブロック図は第１０
図に示づ如くである。りなわら、２５］ε３ ２５′　は揺れ検知セン−リ　２／１．２４’　にて検
知した構造物１の揺れ信号を油筒して構造物１の揺れに
対して９０°の遅れ位相及び変位信号を発する制仰装置
、２６．２６’　は該制御１装置ζｉ　２５，２５’　
からの信号に基づきモータ２３，２３’　を駆動するド
ライブユニットである。なお、本実施例では、揺れ検知
セン１ノ２４，２４′　　として加速度セン９を使用し
、制御装置２５．２５’　では加速度を２回槓分して変
位信号を作るようにしであるか、１　［ｊ！Ｉ栢分して
速度信号を作り、その速度信号を反転信号として錘り３
．３′　の変位信号としてもよい。

上記構成において、構造物に揺れか発生し、その揺れが
揺れ検知センサ２４，２４’　にて検ス１］されると、
その信目に基づいて一位相制御された空位信号が制御装
置２５．２５’　からドライノ゛ユニッ１〜２６．２６
’　へ送られるｌこめ、二モ−タ２３と２３′　か正・
逆に駆動されることにより減速機１３と１３′　　、！
１ｉＩ１１９と９′、ピニオン１１と１１′、ラック８
と８′を介して錘り３と３′か前後と左右に動かされる
。この場合、鍾り３と３′の振動は＠造物１の揺れによ
っＣも与えられるため、必要とする振幅まで鍾り３と３
′を７７０速した後は、モータ２３．２３’　の駆動力
は制動力として与えればよく、したかって、鍾り３，３
′　をモータ２３，２３′　を制動力としで作動さＵる
だ（ブで制振効果が得られると共に、構造物１の固有振
動数の変化に素早く対応４ることかできる。このため、
モータ２３゜２３′　のランニング動力か少な（’−’
（済む。

なａ３、本発明は上記実施例にのみ限定されるものでは
なく、たとえば、下部ｆｌ、１１振機２′にａ３ける鈍
り３′の下面にラック８′を設け、更に減速機１３′　
等を錘り３′の下方位備に設Ｆ’ｆ−’Ｊる場合を示し
たか、−上部制振機２の場合と同様に錘り３′の上側に
設けるようにしてもよいこと、又、駆動力は回転玉−タ
としたが、液圧、空気圧、リニヤ七−夕等にして−しよ
いこと、その他本発明の要旨を透照しイ↑い範［１１１
内に４３いて種々変更を加え得ること（２上勿論である
。

［発明の効果］ 以斗述べた如く、本発明の４ｆ４造物制振装置によれば
、次の如き種□々の優れた効果を発揮刀る。

（１）構造物の上部に、単弦振動を行えるようにした２
つの錘りを、各々の振動方向が水平開で直交するように
上下に重ねて配置し、［１つ上記錘りの振動を減衰ざＵ
るための減衰桟をそれぞれ設けた構成としであるので、
１７１７造物の前後、ん右方向の揺れを速かに抑えるこ
とかてき、又、錘りは２段重ねとしたことにより下部の
錘りは非常に軽い−らので済むため、前後方向と々右方
内に別々に紳りを１／ＩＳ　逸物上に別儀ぎする場合に
比して、錘りの重重を軽くできて製作費を安価にてきる
と共に、１台で前後、２１右方向の揺れを制振てきるこ
とから、構；置物上への設置スペース的にも経済的にも
有利となり、更に、＠逍か簡単であるため、メンテナン
スも容易である。１ （１１）紳りを駆動装置て駆動でるようにすることによ
り、村１１）貨物の小ざなＪｆｆｉれに対し−（”ｂ苅
１宅、させることかできる。

（ｉｉｉ）　　揺れ検知センリて検知した信帰に阜づき
侍１ 相及び変位を制仰する制御装置て錘りを駆動させるよう
にすることにより、構造物の固有振動数の窒化に素早く
ス４応することができ、又、ｉｌｌ同Ｉｌｌ系かｌｉ’
、＋　Ｌｌｉ”あるため価格が安く、史に１１１弦振動
を利用するため神りを加速するエネル４゛−か少なくて
済み、省力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造物制振装置の一実施例の概要を示
勺一部切断′ｉ［面図、第２図は第１図の平面図、第３
図は第１図の一部切断側面図、第４図は振子の振動系を
示づ説明図、第５図は本発明の原理をモデル化して示し
た図、第６図及び第７図はいずれも本発明の装置の＠追
動への設置例を示で概略図、第８図は本発明の他の実施
例の制波を示づ一部切断正面図、第９図は第８図の一部
切断側面図、第１（）図は位相制御装置の一実施例を示
づブ「コック図である。 １・・・横；置物、２・・・上部制振機、２′・・・下
部制振機、３，３′　・・・錘り、１５．１５’　・・
・オイルダンパ２ （減衰機） ２３．２３’ ・・・電動上 り （駆動具 若〉 ４ ２４′ ・・・揺れ検知センサ、 ５ ２５′ 制御装置。 特 許 出 願 人 石１ 島播磨重工業株式会社 ３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）構造物の上部に、単弦振動を行えるようにした２
   つの錘りを、各々の振動方向が水平面で直交するように
   上下に重ねて揺動自在に配置し且つ上記各錘りに、振動
   を減衰させるための減衰機を備えてなることを特徴とす
   る構造物制振装置。
2. （２）減衰機に代えて、各錘りにそれぞれ駆動力を与え
   る駆動装置を備えた請求項（１）に記載の構造物制振装
   置。
3. （３）各錘りの振動方向に対応する構造物の揺れを検知
   する揺れ検知センサをそれぞれ設け、且つ該揺れ検知セ
   ンサの信号を位相及び変位制御してそれぞれ錘りの駆動
   装置へ駆動指令を送る制御装置を備えた請求項（２）に
   記載の構造物制振装置。