JPH0396731A - 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、吊り橋や斜張橋の塔、展望塔並びに高層建築物と
いった構造物において、風や地震に対する振動を防止す
る技術が注目されている。そして、動吸振器の原理に基
づく制振装置が考えられ、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を吸収して、その振動を抑制
することを原理としており、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、質量とバネおよびダンバを組み
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。

■　同調させるための固有振動数の微調整が困難である
。

■　また、構築中の構造物では、構築の初期段階と完成
段階とでは、固有振動数が数倍程度と大きく変化するた
め、この変化に対応することが困難である。

■　バネ及びダンパ等の経年変化に対するメンテナンス
が必要である。

■　構造、機構が複雑になる。

■　犬型の制振装置では、バネおよびダンバ等の製作が
困難である。

■　構造物内に制振装置を収納するスペースを必要とす
る。

これらの問題を解決する方法として、特開昭６２−１０
１７６４号公報、特開昭６２−２９２９４３号公報およ
び特開昭６３−１７２０９２号公報等において、重力の
作用による液体の振動を利用するものが提案されている
。

これら何れの提案も、重力の作用下で液体を貯留するタ
ンク内において生じる液体の自由表面波動（スロッシン
グ）を利用する点で共通しているが、各々スロッシング
の減衰機構の工夫で違いが見られる。また、スロッシン
グによる制振装置は、スロッシングの固有振動数が該タ
ンクの大きさ、寸法及び形状によることと、スロッシン
グの減衰性が液中に浸漬された多孔性部材によるもので
あるため、次のような問題がある。

■　スロ・冫シングの挙動は大振幅の振動に対し非常に
複雑になり、制振効果の算出が困難になる。

■　多孔性部材等によるスロツシングの減衰性が明確で
なく、その算出が困難である。

■　スロッシングの固有振動数が液体を貯留するタンク
の大きさ及び形状によるため、その太きさ及び形状の自
由性が制限される。

■　その結果、制振対象の構造物の設置スペースの制約
を受ける。

■　固有振動数が数倍に変化する構築中の構造物への適
用が困難である。

〔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、かつ設置スペースに自由性
が高く、構造物の固有振動数の変化に容易に追随できる
制振装置を提供することを目的としている。

〔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、該液柱管の両端と連通し、内部の圧力を任意に
調整可能な空気室を設け、該液柱管の中間部にオリフィ
スを設けた構戒を採用している。

〔作　　用〕

構造物の振動によって、液柱管内の液は任意形状の曲線
を措く管の長さ方向に沿って往復運動し、液面は上下に
振動する。このときの該液面の振動をオリフィスにより
適度に減衰させると、該構造物の振動を効果的に抑制で
きる。また、空気室の圧力を調整することにより、制振
装置の固有振動数を、構造物の構築段階に応じて変化で
き、一つの制振装置で構築初期から完成までの全期間に
渡り構造物の制振をすることができる。

〔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、構造物用制振装置の図で、制振装置は図示し
ない構造物において、振動による変位が大きい個所に設
けられるものである。すなわち一次振動モードの場合は
構造物の頂部近傍に設けられる。二次振動モードの場合
は、振幅の最大値は構造物の中間部になることもあるの
で、頂部と中間部の双方に設けられる。また吊り橋の塔
の場合は、下端は基部で固定され、上端もワイヤで固定
されて中間が最大振幅となるので、中間部に設けられる
ことになる。そして、割振装置は、液柱管Ｉ、水等の液
体２、オリフィス３、並びに液柱管ｌの立ち上がり両端
部のそれぞれに形威された空気室４から構成されている
。液体２は液面２ａが液柱管１の両端部の立ち上がりに
くるように注入され、空気室４内の空気４ａは、液面２
ａに接している。

空気室４は任意の形状でよいが、液面２ａの上下運動の
変位に比例して空気圧力が変化する程度の容積を有して
いる。また空気室４は、密閉されて空気４ａの圧力を増
減できるように、図示しない空気注入弁および排出弁が
設けられている。

液柱管１の断面形状は円形に限定されず、正方形や長方
形等の矩形等の任意の形状でよい。また液柱管１は、そ
の長さ方向についても任意の曲線を撞いてよい。

第１図において、構造物が矢符号Ｓの方向に揺れると、
液２の自由表面２ａは、Ｂの方向に上下に振動する。液
面２ａは、液柱管に沿った両端液面間の距離および空気
の圧力により定まる固有の振動数を持つ。また、液面２
ａの振動は、オリフィス３によって減衰される。

このような制振装置においては、構造物の振動エネルギ
は、液柱管１内の液２の往復運動によって吸収され、構
造物の制振がされる。そして液柱管ｌの液２の固有振動
数が構造物の揺れの固有振動数に同調し、かつ、オリフ
ィス３の減衰率を適度にしたとき、この振動エネルギが
効率よく吸収される。なお、オリフィス３は複数個所に
設けられてもよい。このような制振装置をＴＬＣＤ−Ａ
Ｃ　（Ｔｕｎｅｄ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｏｌｕｍｎ　Ｄａ
ｍｐｅｒ　ｗｉｔｈ　Ａｉｒ　Ｃｈａｍｂｅｒ）と呼ぶ
ことにする。

以下にこの制振装置の基本原理を説明する。液柱管１の
両端にある空気室４の容積および圧力は、左右同じもの
とし、それぞれＶＯおよびＰａとする。この容積および
圧力は、いずれも構造物の揺れが静止し、液柱管内の液
の振動も静止した時の値とする。また容積ＶＯは、液面
２ａの上下運動の変位に比例して圧力Ｐｏを変化させる
ことができる程度の大きさとする。また、構造物が振動
するとき、その変位をＳとし、液柱管内における液２の
変位をＢとした場合、液２の振動方程式は、次式で表さ
れる。

上式中で、ρは液体の密度、ｇは重力加速度、Ａは液柱
管の断面積、Ｌは液柱管両端の自由表面２ａ間の液柱間
に沿った長さ、Ｃは両端自由液面２ａ間の水平距離、Ｋ
はオリフィス３の絞り率（開口面積比）によって与えら
れる係数（圧力損失係数）、κは空気の比熱比である。

さらにＢおよびＳに冠した（・）印は時間微分を表す。

この方程式で、右辺項は液２を振動せしめると同時に、
構造物の振動を抑制する反力になり得るものである。ま
た、同項の係数ρＡＣは、液柱管ｌの断面積Ａと両液面
２ａ間の水平距ＭＣとの積に液の密度ρを乗じた値で、
任意曲線を描いた液柱管１内に収容された液２の質量の
内、構造物の振動方向に一致した或分の総質量和を意味
している。またこの質量は、構造物の振動する質量に応
して必要となるものである。

左辺第１項は、液２全体による質量効果を、第３項と第
４項は、各々重力と空気によるバネ効果を表す。これら
３項により液２が振動するときの固有振動数ｆは、 となる。ここでｒｏおよびαは次のように定義される。

すなわち、ｒｏは第１図の液柱管１の両端の空気室４が
無い場合の液２の運動の固有振動数であり、両端液面２
８間の液柱管に沿った長さＬと重力加速度ｇのみによっ
て与えられる。

また、αはｒｏに対し液柱管ｌの両端に空気室４を設け
、圧力Ｐｏの空気４ａを封入したことによる修正係数に
相当する。このことは振動数［０が長さしにより決定さ
れても、圧力ｐｏを加減することによりαを調整でき、
その結果所要の固有振動数ｆを自由に、かつ容易に変換
できることを示している。このαの値は空気４ａが大気
中に開放された場合は、ＶＯが無限大になるので、α一
１となる。

以上のことから、このｆｏおよびαは次のように構造物
の構築段階で効果的に利用できることになる。

通常、構築中の構造物で問題となる固有振動数は構築の
進捗に応じて低くなる。またこの振動の質量は、構築の
進捗と共に大きくなる場合が多い。

従って、このような構築中の構造物に、第１図の制振装
置を配設する場合、該制振装置の液２の固有振動数ｒｏ
を構造物の完戒時に相当する最も低い固有振動数に同調
するものにすると、両液面２ａ間の距ＭＬが最も大きく
なる。また、この距離Ｌが大きいと、両液面２ａ間の水
平距離Ｃも大きく設定できることになり、水平方向の振
動の質量ρＡＣも充分に確保できる。そして、該構造物
の構築の初期段階では、空気４ａの圧力ＰＯを図示しな
いコンプレッサ等により所要の最大の圧力に加圧してお
き、構築の進捗段階に応じて、減圧弁等により所要の圧
力Ｐａに順次減圧する。このようにすれば、構造物にお
ける構築の初期段階から完戒段階まで一貫して同一規模
の液柱管で対応できることになる。

さらに、該制振装置の液２の固有振動数ｆｏが該構造物
の完戒時を経て恒久段階の固有振動数に同調できる場合
、空気の圧力Ｐｏを大気中に開放すればよく、この場合
、圧力Ｐｏの管理が省略できることになる。また、わず
かな範囲の液２の固有振動数の変動に対しては、液２の
液量の調節で行えることになる。

従来の制振装置では、このような構築中の構造物に対し
、多種類の制振装置を用意しておき、構築の進捗に応じ
て減少変化する構造物の固有振動数に同調させるため、
用意した制振装置を順次取り換える必要があったが、第
１図の制振装置によれば、終始同一の制振装置を配設し
て空気圧力を減圧するだけで、減少の変化をする該構造
物の固有振動数に簡単に同調でき、制振効果が確実に発
揮できる。

次に、左辺の第２項は、第１図の液柱管１内に設けられ
たオリフィス３により、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、液が振動して構
造物に対し、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３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できることになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の制振光置によれば、空気室
内の空気圧力を変化させることによって、制振衾置の固
有振動数を変化できることになり、構造物の構築の進捗
段階に応じて常に最適の固有振動数にセットできる。ま
た、バネやダンパ等の経年劣化部分がないので、メンテ
ナンスが簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の割振装置の構戒を示す図である。 ■・・・液柱管、２・・・液、２ａ・・・液面、３・・
・オリフィス、４・・・空気室、４ａ・・・空気。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、該液柱管の両端と連通し、内部
   の圧力を任意に調整可能な空気室を設け、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構造物用制
   振装置。