JPH01131767A - 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」 この発明は、地震、風等によって構造物に引き起こされ
る振動を抑制する構造物の振動抑制装置に関するもので
ある。

「従来技術およびその問題点」 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って、近年の建築物
は、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となってきている。そして
、このように軽量で柔軟な建築物においては、固有振動
数が低く、振動減衰も小さく傾向があり、このため、特
に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。

このため、この種の振動源を断つという目的から、構造
物の外形に空力的対策を施すことが考えられるが、構造
物の外形には、機能上、あるいはデザイン的な面から制
約があり、この空力的対策だけに頼ることは困難である
。

そこで、本願発明者は、特願昭６０−２４１０４５号に
おいて、構造物の所要の位置に、構造物の固有の振動周
期と同一の周期で、しかも位相差を伴って振動する液体
を貯留するタンクを設け、この液体の振動によって構造
物の横揺れを抑制する振動抑制装置を提案し、上述の問
題を解決している。

ところで、この振動抑制装置は、タンク内の液体が構造
物と同一の振動することにより構造物の振動を抑制する
ものであるから、振動抑制装置の作用により構造物の振
幅えた結果、この振動抑制装置が逆に加振器として作用
する場合もあり得る。

通常、タンク内の液体は、タンクの壁面との衝突あるい
は液体自身の粘性等によりその振動が減衰されるような
構成となるが、構造物の構造や振動抑制装置の規模等に
応じて適切な液体の振動減衰を図り得る手段の実現が検
討課題となっていた。

この発明は、上記問題点に鑑み、先に本願発明者が提案
した振動抑制装置を発展させてなされたもので、タンク
内の液体の振動を簡易に減衰させることが可能な振動抑
制装置を提供することを目的としている。

「問題点を解決するための手段」 この発明の構造物の振動抑制装置は、構造物の所定の位
置にタンクが設けられ、このタンクの内部に、上記構造
物の固有の振動周期と同一の振動周期で、かつ構造物固
有の振動と位相差を伴って振動する液体が貯留されると
共に、上記タンクの内部に上記液体の振動減衰を調整す
る複数の浮きが上記液体に浮かんだ状態で設けられてい
るものである。

「作用」 この発明の構造物の振動抑制装置においては、構造物の
所定の位置にタンクを設け、このタンクの内部に、上記
構造物の固有の振動周期と同一の振動周期で、かつ構造
物固有の振動と位相差を伴って振動する液体を貯留した
ことによって、地震、風等により構造物が振動した場合
、タンクに貯留された液体が構造物の振動周期と同一周
期で、かつ位相ずれした状態で振動し、構造物の横揺れ
を中心とする振動を抑制すると共に、上記タンクの内部
に上記液体の振動減衰を調整する複数の浮きを上記液体
に浮かべた状態で設けたことによって、上記液体が振動
する際にこれら浮きどうしの衝突により波のエネルギー
が減衰し、これにより液体の振動が減衰される。そして
、上記液体の振動が減衰することによって、構造物の振
動が減衰されると同時に振動抑制装置自身の振動も抑制
されるので、振動抑制装置が構造物に対する加振器の如
き作用をすることがない。

「実施例」 以下、この発明の第１実施例を第１図ないし第３図を参
照して説明する。

この実施例の構造物の振動抑制装置ｌ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高層
建築物２（構造物）の屋上に設置されてものであって、
ゴム等の弾性体と鋼板との積層構造からなる支持台３と
、この支持台３上に載置されたタンク４と、このタンク
４内に貯留された液体５とから概略構成されたものであ
る。

上記タンク４は、建築物２の飲料水、防火用水または冷
暖房設備用水等を貯留するための筒状のタンクであり、
その上部が開放された構造となっている。上記液体５は
、その比重に応じて液面高さ（第３図中に示すＨ）等が
適宜調節されることで、建築物２の固有振動周期と同一
の振動周期となるような条件でこのタンク４内に貯留さ
れている。

そして、この液体５の液面には複数の浮き６が浮かべら
れている。この浮き６は、上記液体５より比重の小さい
プラスチックなどから構成されたものであって、上記液
体５の液面に浮いた状態で上記タンク４の底部に取り付
けられたアンカー７によって係留されて、その移動範囲
が制限されている。なお、この浮き６の形状は、球状、
板状などでも良いが、その他のどのような形状でも良い
。

また、この浮き６をタンク４の底部以外に取り付けられ
たアンカー７によって係留するようにしても良く、アン
カー７に係留しない状態で浮遊させておいても差し支え
ない。しかし、各浮き６の浮遊位置が著しく偏ってしま
った場合、液体５の振動を十分に減衰することができな
くなるので、アンカー７等によって浮きの移動を制限し
た方が望ましい。

ところで、タンク４に貯留する液体５は、建築物の周期
と同一周期で位相ずれした振動を起こす必要がある。し
たがって、タンク４内の液体５に浮き６を浮かべない場
合は、液体５自体の振動に対する減衰率が小さいために
、水よりも粘性の高い液体を用いないと逆に如露する効
果をもたらすことがある。ところが、零顎発明の構造に
おいては、どのような建築物に適用する場合でも、浮き
６の材質形状と大きさ、および数を調整することによっ
てタンク４に貯留する液体自体の減衰率を調整すること
ができることになり、そのために、構造物全体の減衰率
も調整することができる。

次に、このような振動抑制装置ｌの作用を説明する。

前記建築物２と振動抑制装置ｌとを含む振動系は、第４
図に示すような振動モデルに近似した振動特性を呈する
。

第４図に示す振動モデルは、ばね定数Ｋ。のばね８Ａに
質量Ｍ。の物体９Ａを支持させると共に、減衰率り。の
ダッシュポットＩＯＡを付加するようにした振動系Ａ（
建築物２の振動モデル）と、ばね定数に１のばね８Ｂに
有効質量Ｍ、の物体９Ｂを支持させると共に、減衰率ｈ
１のダッシュポットｌＯＢを付加するようにした振動系
Ｂ　（タンク４内の振動モデル）とから構成されている
。

そしてこのような振動系において、物体８Ａ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
７４周期の位相差をもって振動を開始するから、振動系
Ａ−Ｈ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、振動系の振動周期は、 の式で与えられ、また、建築物２の振動周期Ｔ０は、構
造設計上の見地から定められた質量Ｍ。、および、ばね
定数Ｋ。により一義的に定まるから、タンク４に貯留さ
れた液体５の振動周期Ｔ、を前記Ｔ。と一致させるべく
、タンク４の寸法および容量を設定して両者を一致させ
るようになっている。　即ち、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、図示例の如くタンク°４内で移動可能な自由水
有効質量（振動体として作用する質量）Ｍ、は、下記（
２）式により与えられる。

ただし、 Ｈ・・・・・・タンク４の底部から水面までの距離Ｒ・
・・・・・タンク４の半径 Ｍ−・・・・・タンク４内に実際に貯留されている液体
５の質量 また、前記液体５の固有振動ω　（いわゆるスロッシン
グの固有振動数）は、下記の（３）式により与さらに、
前記固有振動数ωより、下記の（４）式に示す如く振動
周期Ｔが求められる。

２π Ｔ＝　□　　　　・・・・・・・・・・・・（４）式な
お、前記各パラメータに、例えば、 Ｒ＝１５ｍ Ｈ＝２ｍ Ｍ＝　１４１４ｔ（２式よりＭ＝８１２ｔ）を代入する
と、Ｔ＝１１．７秒　となる。

そして、前記式にて得られるタンク４内の液体５の振動
周期と建築物２の振動周期Ｔ。との間に、Ｔ　ｏ　＝＝
Ｔ　＋　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５
）式が成立する如く、タンク４の各寸法および貯留量を
設定する。

なお、振動台による加振した変位応答倍率の実験結果に
より、第５図と第６図に示す如き特性が得られた。第５
図はタンクに液体（水）を貯留した状態で行った実験結
果を示し、第６図はタンクを空の状態にした状態で行っ
た実験結果を示す。

即ち、第６図に示す如く固有振動数に近い振動数で大き
な振幅を有する建築物にタンクを設け、液体を貯留する
ことにより、第６図に示す如く振動を抑制することがで
きる。

更に、実験の結果、液体５の有効質量Ｍ、と建築物２の
質量Ｍとの比率を Ｍ　、／Ｍ　＝　１１５０〜１／　ｔｏｏ・・・・・・
・・・・・・（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。ここで、有効質量が１／
１００以下では、十分な制振効果が得られず、１７５０
以上では、液体が加振効果を逆に引き起こすことがあり
うるので、再度建築物２の構造設計を行う必要があるた
めに、ＭとＭｌとの比率を前記（６）式の如く設定する
ほうが良い。

更に、種々の要因から、前記タンク４内の液体５を固定
状態（密閉タンクにち密に充填された状態）とすること
が必要な場合には、前記（２）式に代えて、 を採用し、この（２）式で得られた結果からタンク４の
容積能、各種数値を決定すれば良い。

第７図、第８図は、この発明の第２実施例を示す図であ
る。

この実施例の振動抑制装置１ａでは、そのタンク４内の
底面に液体５の振動を減衰するメツシュ部材１１が上方
に向かって複数個突設されており、このメツシュ部材１
１の上部が上記液体５に浮かんでいる浮き６に接触しな
いようにその高さが設定されている。このメツシュ部材
１１は、金属等の枠体に各種繊維、金属ワイヤ等のファ
イバを織りあげてなるメツシュが張設されて構成された
ものであって、複数個が上記タンク４内に格子状に配さ
れている。そして、このメツシュ部材１１の個数および
規模はタンク４内部に貯留される液体５の貯留機や液体
５の物性値等により適宜決定されれば良い。なお、この
振動抑制装置１ａにおいては、複数のメツシュ部材１１
を必ずしも格子状に配する必要はなく、同心円状に配し
ても良く、星形に配しても良い。

また、タンク４の底面には、メツシュ部材１１固定用の
ストッパ１２が多数設けられており、メツシュ部材１１
はこのストッパ１２によりタンク４内での位置決めが為
されている。なお、このストッパ１２は、予想されるメ
ツシュ部材１１の設置数よりも多い個数だけ予め設けて
おくことが好ましく、これにより前述のメツシュ部材１
１の個数及び規模の調整が容易とされる。

この振動抑制装置１ａによれば、タンク４の内部にメツ
シュ部材１１を設けたことによって、建築物２の振動に
よりタンク４内で液体が振動するとこのメツシュ部材１
１の間隙を液体５が通過する際にその移動エネルギーが
消失され、これにより液体５の振動をさらに効果的に減
衰することができる。

なお、この発明の振動抑制装置においては、そのタンク
の形状を必ずしも円筒状にする必要はなく、平面４角形
、球形、平面楕円状等、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、上記ハウスナー理論をそれ
ぞれ応用し、その形状に応じた式に基いて振動周期と質
量を設定すれば良い。

「発明の効果」 この発明の構造物の振動抑制装置によれば、構造物の所
定の位置にタンクを設け、このタンクの内部に、上記構
造物の固有の振動周期と同一の振動周期で、かつ構造物
固有の振動と位相差を伴つて振動する液体を貯留したの
で、地震、風等により構造物が振動した場合、タンクに
貯留された液体を構造物の振動周期と同一周期で、かつ
位相ずれした状態で振動させて、構造物の横揺れを中心
とする振動を抑制することができると共に、上記タンク
の内部に上記液体の振動減衰を調整する浮きを上記液体
に浮かべた状態で設けたので、上記液体が振動する際に
これら浮きどうしの衝突により波のエネルギーが減衰し
、これにより液体の振動が減衰される。そして、上記液
体の振動が減衰されることによって、構造物の振動が減
衰されると同時に振動抑制装置自身の振動も抑制される
ので、振動抑制装置が構造物に対して加振器の如き作用
をすることがなくなり、構造物の振動を確実に抑制する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は、この発明の第１実施例を示す図
であって、第１図は振動抑制装置を備えた建築物の概略
構成図、第２図は振動抑制装置の平面図、第３図は同縦
断面図である。第４図は建築物の振動モデル図、第５図
は本発明のタンクの変位応答倍率図、第６図は空のタン
クの変位応答倍率図、第７図、第８図は、この発明の第
２実施例を示す図であって、第７図は振動抑制装置の縦
断面図、第８図は同平面図である。 ｌ・・・・振動抑制装置、 ２・・・・構造物（建築物）、 ４　・・タンク、 ５・・・・液体、 ６・・・・浮き。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 構造物の所定の位置にタンクが設けられ、このタンクの
   内部に、上記構造物の固有の振動周期と同一の振動周期
   で、かつ構造物固有の振動と位相差を伴って振動する液
   体が貯留されると共に、上記タンクの内部に上記液体の
   振動減衰を調整する複数の浮きが上記液体に浮かんだ状
   態で設けられていることを特徴とする構造物の振動抑制
   装置。