JPS63181868A - 構造物の振動抑制装置 - 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、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ために、これら構造物に設置され
る構造物の振動抑制装置に関するものである。

「従来の技術」 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≦、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。

近年、構造物の固有振動周期と等しい周期で振動する振
動抑制装置をこの構造物に取り付けることで、固有振動
周期付近の構造物の振動エネルギーを振動抑制装置に吸
収させ、よって、構造物の振動を抑制するような手法が
提案、実施されている。

第７図は、前記従来の振動抑制装置を示す図である。第
７図において、符号Ｓは超高層建築物等の構造物Ｓであ
り、この構造物Ｓの屋上には、振動抑制装置１が設置さ
れている。この振動抑制装置ｌには、構造物Ｓの質量の
数％程度の質量を存するコンクリート製の錘ブロック２
が、ローラ等の滑動機構３．３により構造物Ｓの水平方
向に滑動自在に支持されていると共に、スプリング等の
弾撥機構４．４により構造物Ｓの屋根中央部を中心とし
て前記滑動方向に沿って振動自在に構成されている。そ
して、この振動抑制装置ｌは、その錘ブロック２の滑動
方向に沿う振動周期が、構造物Ｓの固有振動周期と同一
となるように、錘ブロック２の質量や弾撥機構４．４の
弾性率が調整されている。

以上のような構成を存する振動抑制装置１が設置された
構造物Ｓが地震や風等の外力によって振動を開始すると
、振動抑制装置ｌは構造物Ｓの固有振動周期と同一の振
動周期で振動を開始する。

従って、構造物Ｓ及び振動抑制装置ｌとの間で振動エネ
ルギーを相互に授受することで、この振動抑制装置ｌが
構造物Ｓの振動エネルギーを吸収し、よって、構造物Ｓ
の振動が抑制される。

「発明が解決しようとする問題点」 ところで、前記従来の振動抑制装置ｌは、構造物Ｓと同
一の振動周期で振動抑制装置１が振動することにより、
構造物Ｓの振動を抑制するものであるから、構造物Ｓの
振動が抑制された結果、二の構造物Ｓの振幅が振動抑制
装置１の振幅より小さくなった時には、この振動抑制装
置ｌが逆に加振器として作用し、構造物Ｓに振動力を加
えることになる。よって、このような振動抑制装置１に
は、自身の振動を減衰させるためにダッンユポット等の
減衰器を取り付けておく必要がある。しかしながら、萌
述の如く振動抑制装置Ｉ内で振動している錘ブロック２
は、構造物Ｓの数％程度の質量を有する大重量の部材で
あるので、この錘ブロック２の振動を減衰させるための
減衰器は大掛かりなものとなると共に、減衰力の調整も
容易ではない。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたもので、振動抑
制装置自身の振動を簡易な構成で減衰させることの可能
な構造物の振動抑制装置の提供を目的としている。

「問題点を解決するための手段」 前記問題点を解決するために、本発明は、構造物の所定
の位置に設置されてこの構造物に励起される振動を抑制
する構造物の振動抑制装置を、第１の振動系及びこの第
１の振動系の上に設置された第２の振動系から構成し、
前記第１の振動系を、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ように構成すると共に、前記第２
の振動系を、前記第１の振動系の上に載置されたタンク
と、このタンクの内部に貯留され、前記第１の振動系と
同一の振動周期で、かつ、この第１の振動系の固有振動
と所要の位相差を伴って振動する液体とからなるものと
している。

「作用　」 本発明では、地震や風等の外力により構造体に励起され
る振動を抑制すべく第１の振動系が振動すると、第２の
振動系の貯留タンク内に貯留された液体が第１の振動系
と同一の振動周期で、かつ、第１の振動系に対してＩ／
４周期の位相遅れをもって振動し、これにより第１の振
動系の振動が抑制される。

「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図ないし第３図は、本発明の一実施例である構造物
の振動抑制装置を示す歯である。第１図ないし第３図に
おいて、符号Ｓは超高層建築物等の構造物であり、この
構造物Ｓには、地震や風等の外力によって励起される振
動に対して最ら効果があると想定できる屋上に、この構
造物Ｓの振動抑制を行う振動抑制装置ＩＯが設置されて
いる。

この振動抑制装置１０は、構造物Ｓの屋上に設置された
第１の振動系１１と、この第１の振動系１１の上に設置
された第２の振動系２０とから概略構成されている。

前記第１の振動系１１は、前記従来の振動抑制装置ｌと
同様に構成されている。すなわち、この第１の振動系１
１には、構造物Ｓの質量の数％程度の質量を有するコン
クリート製の錘ブロック１２が設けられていると共に、
構造物Ｓの縦横両方向に延在するレール１４．１４、・
・・がそれぞれ交叉されて設けられている。前記錘ブロ
ック１２下面には、これらレール１４．１４、・・・に
沿って滑動自在なベアリング１５．１５、・・・が取り
付けられている。また、前記レール１４．１４の両端に
は、構造物Ｓの高さ方向に延在するストッパ１６．１６
、・・がこの構造物Ｓ屋上から突設されていると共に、
これらストッパ１６．１６、・・・と前記錘ブロック１
２との間にはシリンダー型の弾撥機構１３．１３、・・
・が介在されている。よって、この錘ブロック１２は、
前記レール１４．１４、・・・の交叉点を中心として、
構造物Ｓの縦横両方向に振動自在に構成されている。そ
して、この錘ブロック１２の縦横両方向のそれぞれの振
動周期は、錘ブロック１２の質量及び弾撥機構１３．１
３、・・・の弾性率が適宜調整されることで、構造物Ｓ
の縦横両方向の固有振動周期とそれぞれ一致されている
。

一方、前記第２の振動系２０は、前記第１の振動系１１
の錘ブロック１２上面に設置され、ゴム等の弾性体と鋼
板との積層構造からなる柔構造の支持台２１と、この支
持台２１上に設置された有底筒状の貯留タンク２２と、
この貯留タンク２２内に貯留され、前記第１の振動系１
１の錘ブロック１２の振動周期と同一の振動周期で振動
する液体２３とから構成されている。なお、前記貯留タ
ンク２２内の液体２３の質量は、錘ブロック１２の質量
の１１５０〜ｌ／１００の範囲内であることが好ましい
。

次に、以上のような構成を有する振動抑制装置ｌＯの作
用について説明する。

前記構造物Ｓと振動抑制装置ｌＯとを含む振動系は、第
６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、ばね定数に０のばね７Ａ及
び減衰率り。のダッシュポット９Ａを介して、質量Ｍ。

の物体８Ａが支持されてなる振動系Ａ（構造物Ｓの振動
モデル）と、ばね定数に、のばね７Ｂ及び減衰率り、の
ダッシュポット９Ｂを介して、質ｆｆ１Ｍ、の物体８Ｂ
が支持されてなる振動系Ｂ（第１の振動系１１”の振動
モデル）と、ばね定数に、のばね７Ｃ及び減衰率り、の
ダッシュポット９Ｃを介して、質量Ｍ、の物体８Ｃが支
持されてなる振動系Ｃ（第２の振動系２０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。

そして、このような振動モデルにおいて、振動系Ａ−Ｈ
の振動周期が一致されていれば、物体８Ａ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は振動系Ａに対して１／Ａ困皿の侍釦握ハ木ｔ１
４１慝翻１　、−わｌこ上り振動系Ａの振動を抑制する
ことができる。同様に、振動系Ｂ−Ｃの振動周期が一致
されていれば、振動系Ｃは振動系Ｂに対して１／４の位
相遅れをもって振動を開始し、これにより振動系Ｂの振
動を抑制することができる。

ここで、物体８Ｂは物体８Ａの数％程度の質量なので、
前記構造物Ｓの固有振動周期Ｔ。は、構造設計上の見地
から定められた質量Ｍ。及びばね定数Ｋ。によりほぼ一
義的に決定される。また、物体８Ｃは物体８Ｂの約２％
程度の質量であるので、第１の振動系１１の振動周期Ｔ
、についても同様のことが言える。従って、第１の振動
系１１の振動周期Ｔ１が構造物Ｓの固有振動周期Ｔ。に
一致するように、前記錘ブロック１２の質量及び弾撥機
構１３．１，３、・・・の弾性率を調整すれば良く、ま
た、第２の振動系２０の振動周期Ｔ、が前記Ｔ１に一致
するように、前記貯留タンク２２の寸法、容量及び液体
２３の貯留量を設定すれば良い。

ここで、各振動系Ａ、Ｂ、Ｃの振動周期は次式で与えら
れる。

従って、振動系Ａ、Ｈについては、上式に各変数を代入
することで、その振動周期を得ることができる。しかし
ながら、振動系Ｃについては、貯留タンク２２内の液体
２３の質量Ｍがそのまま振動体として作用する質ｆｆ１
Ｍ、とはならず、従って、何等かの理論的解析が必要と
なる。

貯留タンク内の貯留液の挙動について成立するハウスナ
−（Ｈｏｕｓｎｅｒ）理論によれば、貯留タンク内２２
で移動可能な自由水有効質量（振動体として作用する質
ｆｆｉ）Ｍｙは、次式で与えられる。

１１・・・・・貯留タンク２２の底部から水面までの距
離Ｒ・・・・・・貯留タンク２２の半径 Ｍ・・・・・・貯留タンク２２内に実際に貯留されてい
る液体２３の質量 また、この貯留タンク２２内の液体２３の固有振動数ω
（いイつゆるスロッシングの固有振動数）は、次式によ
り与えられる。

さらに、（３）式により求められた固有振動数ωにより
、貯留タンク２２内の液体２３の振動周期Ｔ　ｔが次式
により求められる。

２π Ｔ２＝□　　　　　　　・・・・・（４）ω そして、前記（４）式にて得られる貯留タンク２２内の
液体２３の振動周期Ｔ、と第１の振動系ｌｌの振動周期
Ｔ、との間に、 Ｔ、＝Ｔ、　　　　　　　　　　・・・・・・（５）が
成立するように、前述の変数１１、Ｒ，Ｍ、すなわち貯
留タンク２２の寸法及び液体２３の貯留量を設定すれば
良いのである。

従って、この実施例の振動抑制装置ＩＯは、第１の振動
系１１の上に、この第１の振動系１１と同一の振動周期
で振動する液体２３を貯留してなる貯留タンク２２が設
置されたような構成であり、簡易な構成でありながら、
確実に第１の振動系ｌｌの振動を抑制することができる
。しかも、振動抑制装置ｌＯ設置後に、貯留タンク２２
内の液体２３貯留量を調整することで、容易に振動抑制
効果を最適な状態に調整することができる。さらに、前
記貯留タンク２２内に貯留される液体２３には、一般に
粘性液体が使用されるが、油等粘性係数が異なる液体２
３と混合して使用することにより、あるいは、貯留タン
ク２２内に仕切板等を適切に配置して消波効果を持たせ
ることにより、粘性抵抗に起因する振動減衰率を容易に
調整することらできる。

次に、第４図ないし第５図は、本発明の他の実施例であ
る構造物の振動抑制装置を示す図である。

この実施例において、前記実施例との相界へは、第１の
振動系１１が第２の振動系２０と同様に構成されている
点である。すなわち、第１の振動系１１は、第２の振動
系２０の貯留タンク２２より大径の貯留タンク３２と、
この貯留タンク３２内に貯留され、構造物Ｓの固有振動
周期と同一の振動周期で振動する液体３３とから構成さ
れている。

この液体３３の表面には、受皿状の支持板３４か、その
底部を上方に向けた状態で浮遊され、前記第２の振動系
２０は、この支持板３４上に設置されている。なお、第
２の振動系２０の構成は、前記実施例とほぼ同一である
ので、その説明を省略する。従って、以上のような構成
を有ずろ振動抑制装置ｌＯにおいても、面紀実施例と同
様の効果を１）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、本発明の振動抑制装置ＩＯの制振
効果について実証する。実験系としては、５層モデルの
模擬構造物Ｓ（質ｆｆ１Ｍ。−４００ｋｇｘ５層、−次
固育周期Ｔ。−０，４１秒）の屋上に、本発明の第２の
振動系２０（液体２３の全質量Ｍ、＝５２ｋｇ、−次固
有周期Ｔ＋＝０゜４１秒）が直接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、第２の振動系２０が無い場合
の模擬構造物Ｓ第４Ｍ０）変位を第８図に、第２の振動
系２０が有る場合の模擬構造物Ｓ第４層の変位を第９図
に示す。図示した結果に見るように、第２の振動系２０
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２３の有効質ｍ
Ｍ、と制振すべき構造物の質量Ｍとの比率を、 Ｍ、／Ｍ＝１１５０〜Ｌ／　１００　　　・・・・・・
（６）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、前記有効質量Ｍ、が構造物の
質量Ｍの１／１００以下では、十分な制振効果が得られ
ず、また、１１５０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か大きくなり、再度構造物の構
造設計を行う必要がある場合があるため、前記（６）式
の如き比率の設定を行う必要が生じるのである。

更に、種々の要因から、貯留タンク内の液体を固定状態
（密閉型貯留タンク内に液体が満たされた状態）とする
ことが必要な場合には、前記（２）式に代えて次式を採
用すれば良い。

なお、本発明に係わる構造物の振動抑制装置ＩＯは、前
記実施例に限定されない。−例として、前記貯留タンク
２２の形状は、構造物Ｓの形状及び設置条件等により、
直方体状、球状、平面楕円状等の種々の形状に変更して
も良い。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。なお、貯留タンク２２が鋼板で構成さ
れる場合、この液体２３中に防錆剤を混入することで、
貯留タンク２２自体の耐久性を増すこともできる。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、本発明によれば、地震や風
等の外力により構造物に振動が励起された場合、第１の
振動系が構造物の固有振動周期と同一の振動周期で、か
つ、構造物に対してｌ／４周期の位相遅れをもった状態
で振動し、これにより構造物の振動が抑制され、さらに
、第２の振動系が第１の振動系と同一の振動周期で、か
つ、第１の振動系に対して１／４周期の位相遅れをもっ
た状態で振動し、これにより第１の振動系の振動が抑制
される。従って、貯留タンク及びこの貯留タンク内に貯
留され、第１の振動系と同一の振動周期で振動する液体
とからなる簡易な構成の第２の振動系を第１の振動系に
付設することで、この第１の振動系の振動を確実に抑制
することができる。よって、本発明によれば、振動抑制
装置自身の振動を簡易な構成で減衰させることの可能な
構造物の振動抑制装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

抑制装置が構造物の屋上に設置された状態を示す正面図
、第２図は同装置の平面図、第３図は同正面図、第４図
は本発明の他の実施例を示す正面図、第５図は同平面図
、第６図は構造物及び振動抑制装置の振動モデルを示す
概略図、第７図は従来の振動抑制装置を示す概略図、第
８図は振動抑制装置が備えられていない模擬構造物の振
動状況を示す図、第９図は振動抑制装置が備えられた模
擬構造物の振動状況を示す図である。 Ｓ・・・・・構造物、ＩＯ・・・・・・振動抑制装置、
２・・・・・・第１の振動系、２０・・・・・・第２の
振動系、２２・・・・・・貯留タンク、２３・・・・・
・液体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 構造物の所定の位置に設置されて地震や風等の外力によ
   り前記構造物に励起される振動を抑制する構造物の振動
   抑制装置であって、第１の振動系及びこの第１の振動系
   の上に設置された第２の振動系を備え、前記第１の振動
   系は、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
   動するように構成され、前記第２の振動系は、前記第１
   の振動系の上に載置されたタンクと、このタンクの内部
   に貯留され、前記第１の振動系と同一の振動周期で、か
   つ、この第１の振動系の固有振動と所要の位相差を伴っ
   て振動する液体とからなることを特徴とする構造物の振
   動抑制装置。