JPH0355367A - 塔状構造物用制振装置 - 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、塔状構造物が風や地震によって振動するのを
抑える制振装置に関するものである．〔従来の技術〕 近年、高層建築物や吊り橋、斜張橋の塔などの塔状構造
物の地震や風に対する振動防止技術として、動吸振器の
原理に基づく制振装置が考えられるようになり、種々の
提案がなされている。

一般に動吸振器は、構造物の固有振動数に同調するよう
な固有振動数と、適当な減衰機構を保有させることによ
り、構造物の振動エネルギーを吸収して、その振動を抑
制することを原理とし、その実施形態には種々のものが
考えられる。

この形態として通常は、質量とばねとダンバーを組み合
わせたものが使われる。しかしながら、この場合には、
次のような問題がある。

■　固有振動数の調節が困難である。

■　ばね及びダンバー等の経年変化に対するメンテナン
スが必要である。

■　構造，機構が？ｊ！雑になる。

■　制振装置を収納するスペースに制約を受ける．最近
、これらの問題点を解決する一つの手段として、特開昭
６２−１０１７６４号公報、特開昭６２−２９２９４３
号公報または特開昭６３−１７２０９２号公報等で液体
を貯留するタンク内において、液体の自由表面波動（ス
．ロッシング）を利用する動吸振器が提案されている。

これらは、スロッシングの固有振動数を構造物の固有振
動数に同調させ、且つ液中に多孔性部材等の流体の運動
に対する障害物を設けて振動を減衰させる機構としてい
る。しかしながら、これらには次のような問題がある。

■　大振幅の振動に対してスロソシングの挙動は非常に
？１９！になり、固有振動数と減衰性による割振効果算
出が困難になる。

■　多孔性部材等による減衰性が明確でなく、その算出
が困難である。

■　液体を貯留するタンクの大きさ等により、該構造物
の設置スペースに制約を受ける。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記の事実に鑑みてなされたもので、所要の
制振機能を精度よく発揮でき、且つ該構造物の設置スペ
ースに自由性の高い制振装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達或するために本発明は、塔状構造物に、
両端の立ち上がり部に液面を有する任意形状の液柱管を
配設し、該液柱管の中間部にオリフィスを設けた構戊と
している。

〔作　用〕

塔状横造物の振動によって液柱管内の液は、管の長さ方
向に往復移動し、液面は上下に振動する。

このときの液の動きをオリフィスで適度に減衰させ、構
造物の振動を抑制する。液体の運動が１次元的であり、
減衰率のコントロールが自由にできる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

第１図は、塔状構造物用制振装置の図である。

この制振装置Ａは、図示しない塔状構造物（以下「構造
物」という。）の振動の変位が大きい個所に設けられた
液柱管１、液体２及びオリフィス３で横或されている。

液体２は液面２ａが液柱管ｌの両端の立ち上がり部にく
るように注入される。

液柱管１の断面形状は、円形でも良いが、正方形，長方
形等の矩形その他任意の形状でよい。又、液柱管１の長
さ方向も任意の曲線を描いてよい。

構造物が矢符号Ｓの方向に揺れると、液の自由表面２ａ
がＢの方向に上下に振動する。液２自身にも減衰能力が
あるが、液の上下の運動は主としてオリフィス３によっ
て減衰される。

構造物の振動エネルギーは液柱管１内の液２の往復運動
によって吸収され、構造物の割振がされる。そして、オ
リフィス３の減衰率を適当に設定することによって、こ
の振動エネルギーの吸収が効率良くなるように助けてい
る。なお、オリフィス３は複数個所に設けられてもよい
。

このような構或の制振装置をＴ　Ｌ　Ｃ　Ｄ　（Ｔｕｎ
ｅｄＬｉｑｕｉｄ　Ｃｏｌｕｍｎ　Ｄａｍｐｅｒ）　　
と呼ぶことにする。

この制振装置の液柱管内の液２の振動方程式は、構造物
の変位Ｓに対して、自由表面２ａの変位をＢとすると、 ２ で表される。式中で、ρは液体の密度、ｇは重力加速度
、Ａは液柱管１の断面積、Ｌは液柱管に沿った両端の液
面２ａの間の長さ、Ｃは両端の液面２ａ間の水平距離、
Ｋはオリフィス３の絞り率によって決まる係数（圧力損
失係数）である。さらにＢおよびＳに冠したく・）印は
時間微分を示す。

この式で、右辺の項は、液２を振動せしめると同時に塔
状構造物の振動を抑制する反力になり得る。この振動方
程弐の左辺第１項と第３項は、各々質量効果およびバネ
効果を表すが、これら２つの項から液柱振動の固有周期
Ｔが、 Ｔ＝２πＦτ７１ｊー のように得られる。

次に、左辺第２項は、液柱管１内に設けたオリフィス３
による液２の振動の減衰性を表す項である。この減衰性
は構造物の振動に対する制振作用上重要な役割を果たす
ものである。つまり、液柱が振動して構造物に対し充分
な制振効果をもたらすためには、この減衰量が最適な値
に定量化されなければならない。従来の多孔性部材等に
よる構造では、この減衰性が容易に定量化できなかった
が、オリフィスによれば、圧力損失係数Ｋが既知の定数
として与えられているため、この定量化が容易かつ確実
に実現され得る。本発明は、液柱管にこのオリフィスを
配して、制振効果の算出、ひいてはＴＬＣＤの設計を容
易にかつ確実に行えるようにしたものである。

第２図は、このＴＬＣＤの配設により、塔状横造物の振
動を抑制することが可能であることを示す応答曲線の計
算例である。同図において縦軸は塔状構造物の応答倍率
を示し、横軸は入力振動数比、即ち、（塔状構造物の固
有振動数／外力の固有振動数）により求まる値である。

このように、振動方程弐を簡単な形でかつ確実に定量化
できることにより、制振装置としてのＴＬＣＤの設計は
、次のようにチャート化することができるほど簡易にな
る。

以下その簡易設計法について説明する。

先ず、液柱振動の固有周期Ｔは、上述の通り得られてい
る。一方、構造物の固有振動数は構造物の設計段階のデ
ータにより求められる。これらによって、構造物の固有
振動数とＴＬＣＤすなわち液柱管の固有振動数の比、つ
まり同調比が１に近いものになるように、長さしが決め
られる。

第３図は、振動による液柱の変位量を示す応答値Ｒ０を
縦軸にとり、横軸に割振装置の減衰率ｈ，をとって、両
者の関係を示した線図である。これらは、オリフィスの
絞り率αの変化により各曲線に示すように変化する。α
１　，α２　，α３はオリフィスの絞り率で、α１が小
さく　（開口が大きい）、α３の方が大きいく開口が小
さい〉。Ｒ，とｈ０はほぼ比例関係にあり、絞り率αが
大きい程直線は、減衰率が大きくなる方向（横軸と平行
な方向）に傾くことを示す。

第４図（ａ）は構造物の応答値Ｒ，と制振装置の減衰率
ｈｌ，との関係を示した腺図である。ここにμ＝制振装
置の有効質量／構造物の等価質量であり、μ１は小さく
μ３の方が大きい値である。減衰率ｈ，が大きくなると
、応答値Ｒ，は下がるが、減衰率ｈＤがある程度を越え
ると、再び上昇する。

構造物の応答値の許容限界をＲｓＬとして横軸に平行な
点線を引き、これと交点を有することができるμの値か
ら割振装置の有効質量即ち装置の大きさが決められる。

今μ＝μ２と決め、μ２の曲線との交点になる減衰率ｈ
０の値をｈＤＡ及びｈ。とする。減衰率ｈｌ）がこの範
囲内に入っていれば、構造物の応答値を限界Ｒｓｔ内に
することができる。

又、この中間のｈ０。、が最適な減衰率となる。

第４図（ｂｌは、振動による制振装置の応答値Ｒ０を縦
軸にとり、横軸に制４１ｉ装置の減衰率ｈ，をとって、
両者の関係がμの値を変えることにより変化する様子を
示した線図である。減衰率ｈ０が大きくなると応答値Ｒ
，は小さくなる。また、減衰率ｈ０が小さくなると応答
値ＲＩ，は急激に大きくなる。ここで、許容される液柱
の応答値Ｒ，ｄよ、割振装置を設置する場所などによっ
て、液面２ａが動き得る勧囲によって決められる値であ
る。Ｒ。。は、μ２の場合の最適減衰率ｈ０。１となる
液柱の応答値で、許容される液柱の応答値ＲＩＩＬより
小さい値が選択される。

第４図（Ｃ）は、振動による割振装置の応答値Ｒ，を縦
軸にとり、横軸に割振装置の減衰率ｈ０をとって、μ２
の場合のオリフィスの絞り率αの変化による減衰率ｈ，
の変化を示した線図である。縦軸に上記手順によって決
定された液柱の応答値Ｒ。０をとり、第４図（ａ）の説
明で求められた最適な減衰率ｈ，。１との交点を求める
。図からこの交点はα２の直線上に求められる。

以上によって、制振装置の最適な減衰率ｈ０。ｐＬその
他の特性値が決定される。

第３図、第４図の各線図は、液柱管及びオリフィスに関
し計算により求められるもので、明確な定量化が可能な
ものである。従来のスロッシングによる割振装置では、
スロンシング運動や、多孔性部材などでの減衰の複雑さ
のために、このような減衰率の定量化が困難であったが
、液柱管にオリフィスを利用することによって、定量化
が容易になり、割振装置の性能が向上し、製作も容易に
なった。

第５図は、一次振動モードの場合の本発明の一実施例の
ｔｔＳ或全体を示す図で、割振装置Ａは、通常最も効果
を発揮できる塔状構造物４の頂部近傍に設けられている
。因みに、二次振動モードの場合は、振幅の最大の位置
は中間部になることもあるので、その近辺に設けること
になる。また吊り橋の塔の場合は、その下端は基部で、
その上端はワイヤーで固定されるので、中間が最大振幅
となり、中間部に設けられる。

第６図は、液柱管ｌの配管経路を説明する図である。塔
状横造物４の設置場所に、他の障害物５がある場合、従
来の制振装置は設置できなかった。

即ち、設置のための専用のスペースが必要であった。し
かし本発明の制振装置であれば、液柱管１の長ささえ確
保できれば、途中の形状は任意であり、迂回しても固有
振動数には影響がない。従って、割振装置設置のための
特別のスペースも不要である。又、液体２は通常水を使
用するので、消火用の水及び設備用水として使用する等
、多機能に使用できる。

第７図は、高架タンク等の球形の塔状横造物に設置した
例を示す。ＴＬＣＤからなる制振装置Ａをタンク６の底
部から頂部にかけて外形に沿って設けている。この場合
、制振装置Ａを直角に組み合わせて２つ設ければ、タン
クの据え付け面の方向の全ての振動に対応できる。

第８図は、多数の割振装置Ａを球形のタンク６に取付け
た実施例である。構造物全体の固有振動の周期が短い場
合には第７図ではなく、本実施例のようになる。

第９図は、建設中の構造物に本発明のＴＬＣＤからなる
制振装置Ａを設置した例である。塔状構造物４は、完或
後ばかりでなく、その建設中から風や地震による振動を
受けるので、建設中から制振装置がある方が望ましい。

そこで、振動の生じ易い個所に割振装置Ａ，Ａを設けて
いる。７は塔状構造物を建設するクレーンである。

第ｌＯ図は、塔状構造物４を建設中のクレーン８に、本
発明の割振装置を設けた実施例である。

第９図の制振装置の場合、建物が上に延設されるに従っ
て、制振装置も移設する必要がある。ところが、クレー
ン８をクリーバークレーン及び、これに類するクレーン
で塔状構造物４が上方に延設されるのに従って上昇する
クレーンに設ければ、塔状横造物４は、その建設中から
常に、頂部に割振装置を備えているのと同しになる。従
って、移設する必要もない。

第１１図は塔状構造物４としての展望台に本発明の割振
装置を使用した例である。展望台４の窓枠等を利用して
本発明の制振装置Ａを設置している。振動の周期、スペ
ース上の制約及びデザイン上から図のように多くの制振
装置で展望台を囲んでいる。このような配置から、展望
台の水平方向の振動は全て制振される。

第１２図は、絞り率の調整が可能な可変オリフィスの１
例を示す図である。矩形断面をした液柱管ｌ内の左右両
側に固定部材１０．１０を取付け、この間に可動部材９
，９を設けて可変オリフィス１ｌを構或している。可動
部材９，９は、液柱管１の管路壁を貫通して設けられる
が、管路壁との間は公知の水密構造となっている。そし
て、この可動部材９，９の一方または双方には、図示し
ない駆動手段が設けられ、操作用のハンドル等によって
液柱管１の外側から液柱管１内に進退できる．したがっ
て、液柱管１の外側から自由に可動孔９ａの大きさを変
更でき、オリフィスの絞り率を調節可能としている。

第ｌ３図は第１２図における固定部材１０を省略し、し
かも可動部材９を液柱管１の一方側からのみ挿入する構
戒とした可変オリフィス１１である。

第１４図は、液柱管１の断面を閉止できる大きさの可動
部材９を、軸９ｂによって矢符号のように回動可能に設
けた構成の可変オリフィスｌ１の例である。

第１５図は、外側が円弧状に形威された可動部材９を相
対向するように設け、液柱管ｌに該円弧状の可動部材を
収容する膨出部１ｃを形威した例である。相対向する可
動部材９は、液柱管の外部で連結されて図示しない中心
軸で軸支され、矢符号のように回動して可変オリフィス
１１を構威している。

このような可変オリフィス１１を使用すれば、割振装置
の減衰率ｈ！ｌを簡単に変更することができ、さらに、
液柱管１に注入する液量を加減して両端の液面２ａの間
の液柱管に沿った長さＬを合わせて変化させると、建設
中の構造物に使用する場合でも、構造物の固有振動数の
変化等、使用条件の変化にも容易に追従できるようにな
る。

第１６図は、本発明の制振装置Ａを直角に組み合わせた
実施例である。塔状構造物の振動を抑制するとき、一方
向のみに限らず二方向以上について振動を吸収する必要
が生じ、二種類の液柱管を互いに直角に配置することが
ある。その場合、まず第１６図（ａ）のような配置が考
えられる。二つの液柱管ｌ，１′の両側の立ち上がり部
間の距離、（以後「立ち上がり幅」という。｝をそれぞ
れＢＢ′とし、液柱管１，１′の幅をｗ　，　ｗ’とす
ると、設置のためにＢ’　Ｘ　（Ｂ＋Ｗ’　）のスペー
スが必要で、液体２の量も両者を含めた分だけ必要にな
る．構造物が大きいε長さぽかりでなく幅も数メートル
に達し、設置スペース、液量ともに大きな負担となる． これに対し、第１６図（ｂ）の実施例は、二つの液柱管
１，１′を水平部分で交叉させ、交叉部分１ａの管路を
共通にしている。そして、オリフィス３は各液柱管１，
１′に必要に応じた個数が設けられる。このような構或
とすれば、ＢＸＢ’のみのスペースで設置でき、交叉部
分１ａの？ｆＬ量も減少できる。なお、交叉部分１ａは
必ずしも液柱管ｌ，１′の中央にある必要はなく、液柱
管の端部に設けられてもよい。

第１７図は、液柱管の両端の立ち上がり部分を接続して
回廊型の液柱管ｌとした実施例である。

同図において１２は蓋で、液２や後述する不活性ガスの
注入をするためのものである。上述した第１図の実施例
のように液柱管１の両端立ち上がり部が開放されている
場合、長期間の使用によって液体が蒸発して割振効果が
減少する。また、予測を越える大振幅に見舞われると、
液体が溢れ出る。

さらに、液面２ａ近傍の液柱管１の内壁に錆や腐食など
が発生し易い。

そこで、第１７図のように両端を接続した回廊型の液柱
管１とすれば、液体２の蒸発や、大振幅の際の溢れを防
止できる。また、不活性ガスを封入しておけば、液面２
ａ近傍の内壁の錆なども防止できる。

塔状構造物はその建設段階に応じて振動特性が変化する
。これに対して前述したように制振装置Ａの液量を変化
させれば、ある程度の変化には対応できる．しかし、液
量の変化のみでは追随できない場合も多く、そのような
場合、液柱管ｌを長さの異なるものと交換する必要があ
り、交換のための作業も大変であり、また、経済的な負
担も大きくなる。

そこで、第１８図の実施例では、液が充満している液柱
管ｌの底部水平部分について、長さを変更できるように
している。同図に示すように、液柱管１の水平部に摺動
部１ｂを形威し、止水パッキング１３を設けて水密横造
とし、液柱管１の立ち上がり幅Ｂを変えて両端の液面２
ａの間の液柱管に沿った長さＬを変更可能なＩＮ戒とし
たものである。

このような構威としているので、建設段階に応じて液量
や長さを変更して最適の振動特性にできるとともに、塔
状構造物の架設中でも、割振機能を維持した状態で簡単
に振動特性を変化できる。

本発明の割振装置に使用される液体は、通常は水が使用
される。しかし、寒冷地などにおいて水が凍結すれば、
制振機能が発揮できなくなる。そのため、熱源から′ｍ
続的に熱を供給して凍結を防止する等の必要があり、装
置のメンテナンス費用も大きくなる。

そこで、本発明では、必要に応じエチレングリコール等
の不凍液を混入して凍結を防止することとしている． 〔発明の効果〕 以上に説明したように本発明の制振装置によれば、以下
のような効果を奏する。

■　力学的に明解なオリフィスを使用するので、各特性
値の定量化が容易になり、高性能の制振装置を得ること
ができる。

■　液柱管の長さ及び液の量を加減することによって、
構造物建設の進行に伴う固有振動数の変化に対応できる
ので、構造物の建設段階にも容易に利用できる。

■　管路の長さが同じであれば、中間の形状は任意であ
るから、設置スペースに自由度がある。

■　ばね及びダンバー等の経年劣化部分がないので、メ
ンテナンスが容易である。

■　可変オリフィスを利用すれば、構造物の建設段階で
使用条件が変化する場合にも、容易に対応できる。

■　液柱管の管路を共有して交叉させることによって、
設置スペースと液量を減少でき、全ての方向の振動を制
振できる装置を得ることができる。

■　液柱管を回廊型とすることで、液体の蒸発や液柱管
の内壁の錆等を防止することができる。

■　不凍液の混入で寒冷地でも凍結の心配がなく使用で
き、熱源等の設備が不要で、メンテナンスも簡単になる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の割振装置の構威を示す図、第２図は本
発明の割振装置による塔状構造物の応答倍率一人力振動
数比の一例を示す線図、 第３図は液柱の応答値Ｒ０一制振装置の減衰率ｈＤＯ線
図、 第４図（ａ）は構造物の応答値Ｒ，一制振装置の減衰率
ｈゎの締図、 （ｂ３は割振装置の応答値Ｒ，一制振装置の減衰率ｈＤ
Ｏ線図、 （Ｃ１はμ２の場合の制ＷＲ装置の応答値Ｒ，一制振装
置の減衰率ｈ０の線図、 第５図は本発明の制振装置の構造図、 第６図は液柱管の迂回を示す斜視図、 第７図は本発明の割振装置を球形の構造物に使用した図
でｆａ）は正面図、（ｂｌは上面図、第８図は球形の構
造物に使用した他の使用例の正面図、 第９図は本発明の割振装置を建設中の構造物に使用した
例を示す斜視図、 第１０図は本発明の割振装置をクリーバークレーンに適
用した場合のｌ実施例の構或図、第１１図は本発明の制
振装置を展望台に使用した例を示す正面図、 第１２図は可変オリフィスの１構成例を示す図で（ａ）
は正面の断面図、（ｂ）は横断面図、第１３図は可変オ
リフィスの別の構戒例を示す図で、（ａ）は正面の断面
図、（ｂｌは横断面図、第１４図，第１５図はそれぞれ
可変オリフィスのさらに別の構威例を示す断面図、 第１６図（ａ）は制振装置を直角に組み合わせた実施例
の斜視図、（ｂｌは液柱管を交叉させた制振装置の実施
例を示す斜視図、 第１７図は回廊型の液柱管を使用した実施例を示す斜視
図、 第１８図は液柱管の長さが可変な割振装置の構成を示す
図である。 １・・・液柱管、ｌａ・・・交叉部、１ｂ・・・摺動部
、２・・・液体、２ａ・・・液面、３・・・オリフィス
、４・・・塔状構造物、１１・・・可変オリフィス 第 ５ 図 第 ６ 図 （ａ） （ｂ） 第 ７ 図 第８ 図 第１０図 第１１図 （（＋） （ｂ） 第１２図 １１ヒＴジ５グリフ４ス、 １１シ１゜ズリフィス （Ｇ） （ｂ） 第１３図 と丁動魯？．１１ｆｌｔプリフィス ｇ　　ｒ　　　ＩＡｚｉ’ｔ 〕　　　　， ９０打ｂｉし Ｓｂ軸 （ｂ） 第１６図 ｊ プ「一ノフイス ！，，ｌ＜ノ，ａ，＃＋， 第１８図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）塔状構造物に、両端の立ち上がり部に液面を有す
   る任意形状の液柱管を配設し、該液柱管の中間部にオリ
   フィスを設けたことを特徴とする塔状構造物用制振装置
   。
2. （２）塔状構造物を構築するクレーンの本体部に、両端
   の立ち上がり部に液面を有する任意形状の液柱管を配設
   し、該液柱管の中間部にオリフィスを設けたことを特徴
   とする塔状構造物用制振装置。
3. （３）オリフィスを絞り率の調整が可能な可変オリフィ
   スとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の塔状構
   造物用制振装置。
4. （４）塔状構造物に、両端の立ち上がり部に液面を有す
   る二つの液柱管を、水平部分で管路を共有する交叉状態
   にして配置し、前記二つの液柱管それぞれについて中間
   部にオリフィスを設けたことを特徴とする塔状構造物用
   制振装置。
5. （５）液柱管の両端の立ち上がり部を管路で連通して接
   続し、回廊型の液柱管としたことを特徴とする請求項１
   から４の何れかに記載の塔状構造物用制振装置。
6. （６）液柱管の中間に水密構造の摺動部を設け、液柱管
   の長さを可変としたことを特徴とする請求項１から５の
   何れかに記載の塔状構造物用制振装置。
7. （７）液性管内の液体に不凍液を混入したことを特徴と
   する請求項１から６の何れかに記載の塔状構造物用制振
   装置。