JPH0765409B2

JPH0765409B2 - 構造物の制振構造

Info

Publication number: JPH0765409B2
Application number: JP8839687A
Authority: JP
Inventors: 孝典佐藤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPS63277380A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、地震や風等によって建築・土木構造物に励起
される振動を抑制するようにした構造物の制振構造に関
するものである。

「従来の技術およびその問題点」近年の建築・土木構造物は、高強度材料の開発、工作技
術の進歩、並びに電算機による構造解析技術の発展等の
要因により、大型化、形式の多様化、軽量化が為される
と共に、外力に対してフレキシビリティに富んだ構造と
なっている。そして、このように軽量で柔軟な構造物に
おいては、その固有振動数が低く、内部の振動減衰も小
さくなる傾向があるため、地震や風等の外力の影響によ
り予期し得ない種々の振動が発生する可能性がある。特
に、前述の如く、構造物の大型化に伴って、外力によっ
て励起される振動の振幅も大きくなるため、この振動が
構造物内部に居住する人間に不必要な不安感を与えると
共に、構造物の躯体に許容範囲以上の応力を付与する恐
れすらあった。

そこで、本願発明者は、特願昭62−13366号明細書にお
いて、構造物の所定の位置に、この構造物の固有の振動
周期と同一の周期で、しかも所要の位相差を伴って振動
する液体を貯留する貯留タンクを設け、この液体の振動
によって前記構造物の振動を制御することのできる振動
抑制装置を提案し、前述の問題を解消している。

前述の明細書において示した振動抑制装置は、構造物の
壁を構成しかつ壁の長手方向および上下方向に沿ってそ
れぞれ並列する複数の貯留室を備えた壁体からなり、か
つ、貯留室の内長手方向に並列する貯留室はそれぞれ連
通管によって内部が連通されており、しかも、前記貯留
室の内部には前記構造物の固有振動周期と同一の振動周
期で、かつ、この構造物の固有振動と所要の位相差を伴
って振動する液体が貯留されたものとなっている。そし
て、貯留タンクに貯留する液体の有効質量は、振動抑制
装置の制振効果と構造物の構造設計との兼合いから、構
造物の質量の1/50〜1/200程度に設定されている。

ところが、前記貯留室は構造物内の通常は利用すること
のできない空間、又は利用されていない空間を有効に活
用することにより設置されているため、人が自由に出入
りすることが出来ない場所となっている。そのため、貯
留室に近ずくことなく、外部から貯留室内へ所定量の液
体を注入することができ、かつ構造物が振動することに
よって流体水面が上下して注入管から外へ液体が漏れな
いような構造物の制振構造が必要とされていた。

「問題点を解決するための手段」そこで本発明は、貯留室の一側面には該貯留室内へ液体
を供給するための注入管を設ける一方、前記貯留室の他
端部には該貯留室から液体を排出するための配水管を設
け、前記注入管と排水管とにはそれぞれ前記貯留室と連
通する連通孔を設け、この連通孔のうち少なくとも排水
管側の連通孔の配設位置によって貯留室の液面を制御す
ることにより、前記問題点を解決している。

この場合、前記貯留室が構造物の天井裏、床下、ユーテ
ィリティエリア、柱内、デットスペース、屋上等に設け
られており、前記注入管及び排水管には、その内部に流
体を注入して膨張させることにより、前記連通孔を閉塞
する伸縮性のある袋を備えることが望ましい。

「作用」この発明では、注入管より液体を注入することのより、
注入管の連通孔から貯留室内へ液体が流入し、貯留室内
に液体が満たされる。そして、貯留室内に満たされた液
体の液面が排水管との連通孔の位置まで達すると、液体
は連通孔から排水管内へ流出して、貯留室内は所定の液
面となる。そして、排水管から液体が流出したことを確
認した後には、注入管と排水管とに伸縮性の袋を配設
し、内部に流体を充填することにより、袋が注入管と排
水管の内壁に密着し、貯留室内の液体が外部へ流出する
のを防止する。

「実施例」以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施例である構造
物の制振構造を示す図である。図中、符号１は建築ある
いは土木構造物の壁（実施例では構造物の内部空間を仕
切る間仕切壁）を構成する壁体であり、この壁体１は構
造物の柱２と柱２との間の床３上に設置されている。

この壁体１は制振壁の主体を構成するもので、上端が天
井４に、下端が床３にそれぞれ支持された支持板５と、
この支持板５の両側に水平方向に延びかつ上下方向に間
隔をおいて並列する複数の棚板６と、これら棚板６上に
載置され振動抑制作用を行う貯留室Ｒを形成する複数の
箱状タンク７と、構造物Ｓの固有振動周期と同一の振動
周期となるような条件で前記タンク７内に貯留された液
体８とからなっている。

そして、前記タンク７は前記棚板６に規則的に格納され
ることによって、壁体１の長手方向および上下方向に沿
ってそれぞれ並列する貯留室Ｒを構成しており、また棚
板６に水平方向に配置された各タンク７は連通路９によ
って内部がそれぞれ連通している。これにより、タンク
７内に貯留される液体８の貯留量が、タンク７設置後に
微調整可能となると共に、各々のタンク７、７、…内の
液体８、８、…の貯留量が同一量とされる。

なお、前記連通路９の大きさは、各タンク７内で生じる
液体８の振動をそれぞれ互いに影響を及ぼさないような
大きさに設定されることは勿論である。また、前記タン
ク７の側壁の内面及び棚板６の上面は凹凸面に形成さ
れ、これにより、液体８とタンク７内面との摩擦力の増
加による液体８の振動減衰率が調整可能となる。さら
に、前記タンク７は、長期使用においても腐食されない
材質（例えばプラスチック製）で形成されることが好ま
しく、同様に、前記液体８は、長期使用においても蒸発
しにくい液体であることが好ましい。しかしながら、こ
れらタンク７及び液体８の材質は、施工条件等により適
宜決定されれば良く、前述の材質に限定されることはな
い。

なお、図示例では柱２と柱２との間に貯留室Ｒを備えた
壁体１を設置した例を示しているが、構造物Ｓ内の壁体
１の数は、前記貯留室Ｒ、…内の液体８、…を全部足し
合わせた質量が、構造物Ｓの質量の1/50〜1/200の範囲
内となるように設定しておくことは言うまでもない。

そして、貯留室Ｒの一側面側には各貯留室R,R,・・・内
へ液体を供給するための注入管P1が設置されているとと
もに、貯留室Ｒの他端部には貯留室Ｒから液体を排出す
るための排水管P2が設置されたものとなっている。さら
に、前記注入管P1と排水管P2とにはそれぞれ貯留室R,R,
・・・と連通する連通孔P3,P3,・・・、P4,P4,・・・が
それそれ同一レベルに配設されている。また、注入管P
1,P2の上端部は天井４より上部へ突出しており、P2の下
端部は排水溝Ｕ内へ連通されたものとなっている。

さらに、貯留室Ｒ内へ所定の液体を満たした後には、第
２図に示すように、注入管P1,排水管P2には内部へ流体
を満たすことにより膨張させた伸縮性のある袋Ｔ、例え
ばゴムチューブ等を配設しすることにより、連通孔P3,P
3,・・・、P4,P4,・・・を閉塞するようにしている。

次に、以上のような構成を有する構造物の制振構造の作
用について説明する。

前記構造物Ｓと貯留室Ｒを備えた壁体１とを含む振動系
は、第３図に示すような振動モデルに近似、簡略化する
ことができる。この振動モデルは、ばね定数K₀のばね10
A及び減衰率h₀のダッシュポット11Aを介して、質量M₀の
物体12Aが支持されてなる振動系Ａ（構造物Ｓの振動モ
デル）と、ばね定数K₁のばね10B及び減衰率h₁のダッシ
ュポット11Bを介して、質量M₁の物体12Bが支持されてな
る振動系Ｂ（壁体１内の液体８の振動モデル）とが直列
に接続されたようなモデルである。

ここで、前述の如く、壁体１は複数個の貯留室Ｒ、…及
びこれら貯留室Ｒ、…内に貯留された液体８、…から構
成されているが、各々の貯留室Ｒ内に貯留された液体８
の振動周期は構造物Ｓの固有振動周期とそれぞれ一致し
ているため、これら液体８、…は一体に振動する。従っ
て、前述の如く、壁体１を１個の振動系Ｂによって近似
しても支障無い。

そして、このような振動モデルにおいて、物体12Aに加
わる地震や風等の外力によって振動系Ａが振動を開始す
ると、振動系Ｂは所定の位相遅れをもって振動を開始す
るから、これら振動系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。

ここで、物体12Bは物体12Aの約２％程度の質量なので、
前記構造物Ｓの固有振動周期T₀は、構造設計上の見地か
ら定められた質量M₀及びばね定数K₀によりほぼ一義的に
決定される。したがって、各々の貯留室Ｒ内に貯留され
た液体８の振動周期T₁が構造物Ｓの固有振動周期T₀に一
致するように、貯留室Ｒを形成するタンク７の寸法、容
量及び液体８の貯留量を設定すれば良い。この、タンク
７内に貯留された液体８の挙動は、次のようにして解析
できる。

スロッシングの第ｊ次の固有振動周期Tjと第ｊ次の固有
円振動数ωｊとの関係は、次式で表される。

Tj＝２π／ωｊ ……（１）そして、前記（１）式において、Ｈを液体の貯留深さ、
ｇを重力加速度とすると、前記ωｊは次式で与えられる
量である。

さらに、前記（２）式におけるkjは、タンク７の幅を2a
とすれば、次式で与えられる。

kj＝（2j−１）π/2a ……（３）従って、以上示した（１）〜（３）式からスロッシング
の固有振動周期Tjを求めることができ、特に、前述した
振動抑制のためには、第１次のスロッシングにおける固
有振動周期を用いれば良い。

以上説明したように、本実施例の制振構造によれば、地
震や風等の外力によって構造物Ｓに励起される振動を抑
制することができる。ここで、制振壁の主体を構成する
壁体１は、ユニット化された複数個のタンク７、…内に
液体８、…を貯留し、支持板５の棚板６に載置する構成
であるため、壁体１の設置、移動、撤去等の各作業が簡
単に行え、従って、制振壁の構築作業が大変容易とな
る。

また、貯留室Ｒを備えた壁体１の配設位置も特に限定さ
れず、これらタンク４、４、…内に貯留される液体８、
８、…の総和質量が前記構造体Ｓの質量の1/50〜1/200
の範囲内となるような個数だけ、構造体Ｓ内に配置され
れば良いので、フレキシビリティに富んだ配置が可能と
なると共に、その設置個所が限定されることがない。よ
って、この実施例によれば、設置、移動、撤去等の作業
が容易であり、かつ、その設置個所を選ばない構造物の
振動抑制構造を実現することができる。

しかも実施例によれば、壁体１が複数の貯留室Ｒを備え
その内部に液体８が貯留された構造となっているので、
構造物Ｓ内の間仕切壁として優れた防音効果があり、ま
た、液体８を水等で構成すれば、耐熱性および防火性を
も向上できる利点があるとともに、構造物の振動に対し
て所要の位相差を有する振動が貯留室内の液体に生じて
建造物の振動を抑制することができ、構造物の地震や風
等に対する振動抑制効果を得ることができる。

なお、本願発明者が行ったシミュレーション実験の結果
を以下に示すことで、本発明の制振効果について実証す
る。実験系としては、第４図に示すように、５層モデル
の模擬構造物Ｓ（質量M₀＝400kg×５層、一次固有周期T
₀＝0.41秒）の屋上に、本発明の壁体１（液体５の全質
量M₁＝52kg、一次固有周期T₁＝0.41秒）が設置されたよ
うな実験系である。このような実験系に、ランダム波
（EL−CENTRO−NS波）を加えた時の、壁体１が無い場合
の模擬構造物Ｓ第４層の変位を第５図に、貯留室Ｒをも
った壁体１が有る場合の模擬構造物Ｓ第４層の変位を第
６図に示す。図示した結果に見るように、振動抑制装置
１によって、模擬構造物Ｓの振動が抑制されていること
が理解できる。

さらに、シミュレーションの結果、液体の総和有効質量
M₁と構造物Ｓの質量M₀との比率を、 M₁/M₀＝1/50〜1/200 ……（４）に設定すれば、有効な振動抑制効果が発揮されることが
判明した。つまり、前記総和有効質量M₁が構造物の質量
M₀の1/200以下では、十分な制振効果が得られず、ま
た、1/50以上では、液体の質量が構造物の構造設計上に
与える影響が大きくなるので、あまり好ましくない。

なお、本発明の構造物の制振構造に用いるタンク７は、
前記実施例のように現場においてタンク７を嵌め込むよ
うな構造に限定されない。一例として、例えば、壁体１
を、内部が仕切板等によって縦横に井桁状に区画されて
なる貯留室Ｒを形成した一体型のユニット構造としても
よく、また前記タンク７の形状は、構造物Ｓの形状及び
設置条件等により、筒状、平面楕円状等の種々の形状に
変更しても良い。

さらに、本発明の構造物の制振構造は、貯留室Ｒの設置
場所を壁体１内に限定することなく、構造物の天井裏、
床下、ユーティリティエリア、柱内、デットスペース、
屋上等の利用されていない空間に適用することもでき
る。

この場合、前記理論を適宜変更し、その形状に応じた式
に基づいてタンクの寸法、液体の貯留深さ等を設定すれ
ば良い。さらに、タンク７内に仕切板等を適切に配置し
て消波効果を持たせたり、液体を粘性液体にすることに
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。なお、タンク７が鋼板で構成される場合、この
液体８中に防錆剤を混入することで、タンク７自体の耐
久性を増すこともできる。

そして、本発明の構造物の制振構造は、貯留室Ｒが利用
されていない空間、又は通常は利用することのない空間
等人が自由に出入りできない場所を有効に活用すること
ができるとともに、前記貯留室Ｒに近ずくことなく、外
部から貯留室Ｒ内へ所定量の液体を注入することができ
る。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、本発明に係る構造物の制振
構造は、貯留室の一側面には該貯留室内へ液体を供給す
るための注入管を設ける一方、前記貯留室の他端部には
該貯留室から液体を排出するための排水管を設け、前記
注入管と排水管とにはそれぞれ前記貯留室と連通する連
通孔を設け、この連通孔のうち少なくとも排水管側の連
通孔の配設位置によって貯留室の液面を制御するように
したものであるため、貯留室が通常は利用されていない
空間、又は利用することのない空間等、人が自由に出入
りできない場所を有効に活用することができるととも
に、前記貯留室に近ずくことなく、外部から貯留室内へ
所定量の液体を注入することができるという優れた効果
を奏する。

また、注入管や排水管の内部に伸縮性のある袋を配置す
るとともに、その内部に流体を充填すことにより、構造
物が振動した際に、液体が注入管から外へ漏れるのを防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）および第２図は本発明の一実施例
を示すものであり、第１図（ａ）は本発明を適用した構
造物の壁体の縦断面図、第１図（ｂ）はその正面図、第
２図は貯留室内の液体が流出しないように注入管と排水
管に栓をした状態を示す構造物の縦断面図、第３図は構
造物及び制振壁構造の振動モデルを示す概略図、第４図
はシミュレーション実験の実験系の概要を示す概略図、
第５図は本発明の一実施例である制振壁構造が備えられ
ていない模擬構造物の振動状況を示す図、第６図は制振
壁構造が備えられた模擬構造物の振動状況を示す図であ
る。Ｓ……構造物、Ｒ……貯留室、P1……注入管、P2……排
出管、P3,P4……連通管、１……壁体、２……柱、３…
…床、４……天井、５……支持板、６……棚板、７……
タンク、８……液体、９……連通路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物に貯留室を設置し、この貯留室の内
部に前記構造物の固有振動周期と同一の振動周期で、か
つ、この構造物の固有振動と所要の位相差を伴って振動
する液体を貯留した構造物の制振構造であって、前記貯
留室の一側面には該貯留室内へ液体を供給するための注
入管を設ける一方、前記貯留室の他端部には該貯留室か
ら液体を排出するための排水管を設け、前記注入管と配
水管とにはそれぞれ前記貯留室と連通する連通孔を設
け、この連通孔のうち少なくとも排水管側の連通孔の配
設位置によって貯留室の液面を制御することを特徴とす
る構造物の制振構造。
【請求項２】前記貯留室が構造物の天井裏、床下、ユー
ティリティエリア、柱内、デットスペース、屋上等に設
けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の構造物の制振構造。
【請求項３】前記注入管及び排水管には、その内部に流
体を注入して膨張させることにより、前記連通孔を閉塞
する伸縮性のある袋を備えたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の構造物の制振構造。