JPH07133681A - 建造物およびその振動抑制装置 - Google Patents

建造物およびその振動抑制装置

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JPH07133681A
JPH07133681A JP5787994A JP5787994A JPH07133681A JP H07133681 A JPH07133681 A JP H07133681A JP 5787994 A JP5787994 A JP 5787994A JP 5787994 A JP5787994 A JP 5787994A JP H07133681 A JPH07133681 A JP H07133681A
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vibration
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building
tanks
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Takanori Sato
孝典 佐藤
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Shimizu Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】風によって建造物に引き起こされる振動を抑制
することを目的とする。 【構成】本発明は、建造物本体1と、該建造物本体の所
定の位置に設けられて液体3を貯留するタンク2とから
なり、前記タンク内の液体は、前記タンクの側壁の間で
前記建造物固有の振動周期と同一の振動周期で振動し得
る深さを有し、前記タンクは、静止状態における前記液
体の液面より上方に液体の移動を許容する空間を有する
ことを特徴とする建造物および、その振動抑制装置に関
するものである。また前記タンクを複数設けることによ
って振動抑制用のタンクの設計の自由度を高めるように
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、風によって引き起こさ
れる振動を抑制するようにした建造物およびその振動抑
制装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術およびその課題】近年、建造物のための高
強度材料の開発、工作施工技術の進歩、電算機による構
造解析技術の発展などにより構造物の大形化、形式の多
様化、軽量化が進むとともに、フレキシビリティに富ん
だ構造のものとなる傾向がある。このように軽量で柔軟
な構造物においては、固有振動数が低く、振動減衰性も
小さくなる傾向があり、このため、風による空力的外力
の影響により予期し得ない種々の振動が発生する可能性
がある。
【0003】そこで、振動源を断つという意味から、建
造物の外形に空力的対策を施すことが考えられるが、建
造物の外形には、機能上、あるいはデザイン的な面から
種々の制約があり、この空力的対策だけに頼ることは困
難である。本発明は上記事情に鑑みて提案されたもの
で、風によって引き起こされる建造物の振動を抑制する
ことを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明は、建造物本体と、該建造物
本体の所定の位置に設けられて液体を貯留するタンクと
からなり、前記タンク内の液体は、前記建造物の振動方
向間の前記タンクの側壁の間で前記建造物固有の振動周
期と同一の振動周期で振動し得る深さを有し、、前記タ
ンクは、静止状態における前記液体の液面より上方に液
体の移動を許容する空間を有することを特徴とする建造
物に関するものである。請求項2の発明は、請求項1に
おいて、前記タンクが複数設けられたことを特徴とす
る。請求項3の発明は、建造物の所定の位置に、それぞ
れ液体を貯留する複数のタンクを設けてなり、前記建造
物の振動方向間の前記タンク内の液体は、前記タンクの
側壁の間で前記建造物固有の振動周期と同一の振動周期
で振動し得る深さを有し、前記タンクは、静止状態にお
ける前記液体の液面より上方に液体の移動を許容する空
間を有することを特徴とする。請求項4の発明は、請求
項3において、前記複数のタンクは、水平方向へ並べて
配置されたことを特徴とする。請求項5の発明は、請求
項3において、前記複数のタンクは、垂直方向へ並べて
配置されたことを特徴とする。請求項6の発明は、請求
項4または5のいずれかにおいて、前記タンク内には、
消波用の仕切板が設けられたことを特徴とする。
【0005】
【作用】上記構成によれは、タンクの数を増減させるこ
とにより、振動抑制に必要な質量を得ることができるか
ら、所定の振動周期で液体を貯留すべくタンクの寸法を
決定しようとする場合に、その設計上の自由度が高く、
タンクの設置条件に柔軟に対応して、種々の条件の建造
物に適用することができるという効果を奏する。またタ
ンク内には仕切板を設けることにより、タンク内の液体
の振動減衰率を容易に調整することができる。この結
果、上記振動抑制用のタンクに貯留された液体は、前記
建造物の振動周期と同一の振動周期で、かつ4分の1周
期だけ位相がずれたタイミングで振動(スロッシング)
を生じて建造物の振動を抑制する。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1ないし図3は本発明の第1実施例に係る振動
抑制装置を備えた建造物を示すもので、この一実施例の
建造物1は、風によって引き起こされる振動に対して最
も効果があるとされるその屋上に、ゴム等の弾性体と鋼
板との積層構造からなる支持台2を設け、この支持台2
の上に、振動抑制作用を行うタンク3を設けるようにし
た構成となっている。
【0007】前記タンク3は、前記建造物1の飲料水、
あるいは防火用水を貯留するためのタンクであって、上
部が開放された構造となっており、図2および図3に示
す如き外形寸法に形成されるとともに、前記建造物1の
振動周期と同一の振動周期となる如き条件で液体Wを貯
留することにより、風によって引き起こされる建造物の
振動を抑制する。
【0008】すなわち、前記建造物1とタンク3とは、
図4に示す振動モデルに近似した振動特性を呈するもの
であって、この振動モデルは、 ばね定数K0のばね4A
に質量M0の物体5Aを支持させるとともに、減衰率h0
のダッシュポット6Aを付加するようにした振動系A
(建造物の振動モデル)と、 ばね定数K1のばね4Bに
質量M1の物体5Bを支持させるとともに、減衰率h1
ダッシュポット6Bを付加するようにした振動系Bとを
直列に接続するようにした振動系B(タンク内の液体の
振動モデル)とから構成されている。そして、このよう
なモデルにおいて物体5Aに加わる外力によって振動系
Aが振動を開始すると、振動系Bは1/4周期の位相差
をもって振動を開始するから、振動系A・Bの振動周期
を一致させることにより、振動系Aの振動を抑制するこ
とができる。
【0009】そして、振動系の振動周期は、
【数1】 で与えられ、 また、建造物1の振動周期T0は、構造設
計上の見地から定められた質量M0およびばね定数K0
より一義的に定まるから、タンク3に貯留された液体W
の振動周期T1を前記T0と一致させるべく、タンク3の
寸法および容量を設定して両者を一致させるようにして
いる。
【0010】すなわち、タンク内の貯留液の挙動に付い
て成立するハウスナー(Housner)理論によれば、図示
例の如く、タンク3内で移動可能な自由水の有効質量
(振動体として作用する質量)M1は、 下記(2)式に
より与えられる。
【数2】 ただし、 h…タンク3の底部から水面までの距離 R…タンク3の半径 M…タンク3内に実際に貯留されている液体の質量 また、上記貯留液Wの固有振動ω(いわゆるスロッシン
グの固有振動数)は、下記(3)式により与えられる。
【数3】 さらに、上記固有振動数ωより、下記(4)式に示す如
く振動周期Tが求められる。
【数4】 なお、上記各パラメータに、例えば、 R=15m h=2m M=1414t((2)式よりM1=812t) を代入すると、T=11.7secとなる。そして、
上式にて得られるタンク内の液体の振動周期T1と建造
物の振動周期T0との間に、 T0=T1 …(5)式 が成立する如く、タンク3の各寸法および貯留量を設定
する。なお、前記建造物1の振動のシミュレーション結
果を図5に、タンク3内の液体の振動のシミュレーショ
ン結果を図6にそれぞれ示す。これら図5および図6に
よれば、建造物1および貯留液Wは、T/4の位相差を
もって同一周期で振動し、このような振動においては、
貯留液Wの振動により生じた荷重が建造物1に作用し、
図4における振動系Bと同様に機能してその振動を抑制
する。また、振動数の変化に対する振動抑制効果の変化
のシミュレーションの結果、図7に示す如き特性が得ら
れた。すなわち、図中破線で示す如く、固有振動数に近
い振動数で大きな振幅を有する建造物にタンク3を設け
ることにより、図中実線で示す如く振動を抑制すること
ができる。なお、シミュレーションの結果、貯留液Wの
有効質量M1と建造物1の質量M0との比率を M1/M0=1/50〜1/100 …(6)式 に設定した場合に有効に振動抑制効果を発揮することが
できた。すなわち、有効質量が1/100以下では十分
な制振効果が得られず、1/50以上では、貯留液の重
量が建造物の構造設計上の影響が大きくなって、再度建
造物の構造設計を行う必要があるため、M0とM1との比
率を上記(6)式の如く設定する必要が生ずるのであ
る。
【0011】次いで、図8は本発明の第2実施例を示す
もので、この第2実施例は、タンク3Aの内部を仕切り
板7によって上下複数段に仕切るようにしたものであ
る。そして、液体を何段貯留するかの調整により、タン
ク3Aの振動周期(その半径Rおよび液の深さhにより
定まる)を変動させることなく有効質量を変化させて、
振動抑制能力を調整することができる。さらに、図9は
本発明の第3実施例を示すもので、建造物1の上部に複
数個のタンク3B〜3Eを設け、これらに、建造物1固
有の振動周期と一致する如く液体を貯留するようにした
ものである。この第3実施例においては、前記タンク3
B〜3Eの内、何個所に液を貯留するかにより有効質量
を加減して、振動抑制能力を調整することができる。
【0012】
【発明の変形実施例】
(a) タンクの形状は上記各実施例の円筒状に限定さ
れるものではなく、4角形、球形等、設置条件に応じて
種々の形状に変更しても良い。この場合、ハウスナーの
理論をそれぞれ応用し、その形状に応じた式に基づいて
振動周期および有効質量を設定すればよい。なお、内壁
間の距離を2a、液体の深さをh、重力の加速度をgと
すれば、kj=(2j−1)π/2a によって与えられる値
であるkjを用いると、タンク内の液体のj次の振動周期
ωjは、 ωj={kjgtanh(kjh)}1/2 により与えられる。したがって、この式に基づいてタン
クの大きさ(内壁間の距離)aおよび、このaにおける
最適な液体の深さhを選択し、このhに対して液体が変
位し得る余裕をもって内壁の高さを定めればよい。 (b) 前記タンクには、必ずしも常時所定量の液体を
貯留して置く必要はなく、気象情報等に対応して、必要
に応じて、所定の有効質量とする如く液量を増加させる
ようにしてもよい。 (c) タンクに貯留する液体には、一般に水が使用さ
れるが、粘性係数が水と異なる液体を使用することによ
り、また、タンク内に仕切り板等を適切に配置すること
によって消波することにより、粘性抵抗に起因する振動
減衰率を調整することもできる。
【0013】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明
は、建造物の所定の位置に、該建造物の質量より小さな
質量の水を貯留する制振タンクを設け、該制振タンク
に、前記建造物の固有振動周期と同一の振動周期となる
状態で水を貯留させるようにしたものであるから、建造
物の振動に対して1/4周期の位相差を有する同周期の
振動が前記制振タンク内の液体に生じて建造物の振動を
抑制することができ、したがって、主として地震に対す
る強度を高めるべく固有振動数等を定めて構造設計され
ている建造物において、地震の振動数と異なる振動を引
き起こす風に対する振動抑制効果を得ることができる。
また、前記振動抑制タンクは、振動抑制のために特別に
設置されるものではなく、高層ビル等の所定位置に必ず
設置される給水タンク、防火用水タンク等を所定の基準
のもとに設計することにより容易に振動抑制機能を発揮
することができるという効果を奏する。また、前記タン
クが複数設けられているので、建造物に設置するための
種々の制約の下で必要な振動周期とすべく所定の大きさ
および深さでタンクを設計し、しかも、このタンクの数
を調整することによって、振動抑制に有効な質量を調整
して必要な減衰能力を得ることができる。加えて、タン
ク内に消波手段としての仕切板を設けることにより、タ
ンク内の液体の振動減衰率を任意に設定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す振動抑制装置を備え
た建造物の正面図である。
【図2】本発明の第1実施例を示すタンクの平面図であ
る。
【図3】本発明の第1実施例を示すタンクの縦断面図で
ある。
【図4】本発明の第1実施例を示す建造物の振動モデル
の正面図である。
【図5】本発明の第1実施例を示す建造物の振動減衰情
況を示す図表である。
【図6】本発明の第1実施例を示すタンク内の貯留水の
振動減衰情況を示す図表である。
【図7】本発明の第1実施例を示す振動抑制装置を設置
した場合と設置していない場合とにおける建造物の振動
特性を示す図表である。
【図8】本発明の第2実施例に係るタンクの縦断面図で
ある。
【図9】本発明の第3実施例に係るタンクの平面図であ
る。
【符号の説明】
1 建造物 3・3A〜3E タンク 4A・4B ばね 5A・5B 物体 7 仕切り板

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 建造物本体と、該建造物本体の所定の位
    置に設けられて液体を貯留するタンクとからなり、前記
    タンク内の液体は、前記建造物の振動方向間の前記タン
    クの側壁の間で前記建造物固有の振動周期と同一の振動
    周期で振動し得る深さを有し、前記タンクは、静止状態
    における前記液体の液面より上方に液体の移動を許容す
    る空間を有することを特徴とする建造物。
  2. 【請求項2】 前記タンクが複数設けられたことを特徴
    とする請求項1記載の建造物。
  3. 【請求項3】 建造物の所定位置に、それぞれ液体を貯
    留する複数のタンクを設けてなり、前記タンク内の液体
    は、前記建造物の振動方向間の前記タンクの側壁の間で
    前記建造物固有の振動周期と同一の振動周期で振動し得
    る深さを有し、前記タンクは、静止状態における前記液
    体の液面より上方に液体の移動を許容する空間を有する
    ことを特徴とする建造物の振動抑制装置。
  4. 【請求項4】 前記複数のタンクは水平方向へ並べて配
    置されたことを特徴とする請求項3に記載の建造物の振
    動抑制装置。
  5. 【請求項5】 前記複数のタンクは垂直方向へ並べて配
    置されたことを特徴とする請求項3に記載の建造物の振
    動抑制装置。
  6. 【請求項6】 前記タンク内には、消波用の仕切板が設
    けられたことを特徴とする請求項4または5のいずれか
    に記載の建造物の振動抑制装置。
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Cited By (3)

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