JPH0333524A - 構造物制振装置 - 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］ 本発明は吊り橋のタワー、超高層ビルディング、タワー
、鉄塔等の構造物の２Ｌ部に取りイ１すてこれら構造物
の風荷重（空気力）による振動や、地震による振動振幅
を抑えて早期に振動を減衰させるために用いる構造物制
振装置に関づるものである。

［従来の拉ｉ＋ｌｉＪ］ 従来、この種構造物制振装置としては、たとえば、第６
図に示す虹１く、構造物ａの頂部に、内部を横方向に金
網すにより多数に仕切っであるタンクＣを設置し、該タ
ンクＣ内に水等の液体ｄを所要量大れた構成とし、＠進
物ａの揺れを、タンクＣ内の液体ｄが金網すを通過しな
がら左右へ移動することによるスロッシング現象により
制振するようにしたもの〔「ピルディングタワーＪ　　
（１９８８年１２月発行）や、日本建築センター情報交
流会新建築＠造技術セミナーにおける「制振、免震構造
建築物の技術開発について」と題するテギスト（昭和６
３年１０月　閉囲法人　日本建築センター発行）〕かあ
り、あるい（よ、第７図に示す如く、構造物ａの頂部に
、上下方向に多層に積唐してなる積層ゴムｅを設置し、
該積層ゴムｅの上端に鍾りｆを支持させた構成とし、構
造物ａの揺れを、積層ゴムｅを介して錘り「か振動する
ことにより制振力るようにしたＬの、が提案されている
。

［発明が解決しようとでる課題］ ところか、上記従来方式のうら、タンクＣ内の液体ｄを
スロッシングさせる第６図に示１ノ例の場合、 （Ｉ）　　制振用の錘りとして液体ｄを使用しているた
め、装置全体が人望化づること、 ０　タンクＣ内にて液体ｄが金網すを介し−Ｃ移動する
が、その減衰率を変化させるのか内勤であること、 （ト）構造物ａの固有周期に装置自体の固有周期］を同
調させることが困難であること、 （ト）応答性が悪いこと、 ω　大ス１−ロークが不可能であること、等の問題があ
り、一方、積層ゴムｅと鍾りｆを組み合わせた第７図に
示づ例の場合、 （Ｉ）　　鍾りｆを積置ゴムｅで支えているため、装置
のマスをあまり大きくできないこと、０　減衰率は積層
ゴムによって決まってしまうので、減衰率を任意に変え
ることができないこと、 価　構造物ａの固有周期に装置自体の固有周期を同調さ
せることが難しいこと、 ０　積層ゴムｅが劣化するため、寿命が短いこと、 ω　大振幅がとれないこと、 等の問題がある。

そこで、本発明は、上記従来方式のもつ諸問題点を解決
し、構造物に与えられる振動エネルギーを錘りの運動エ
ネルギーに変え、それを効率よく減衰することにより構
造物の振動を少なくしようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決するために、構造物の上部に
、単弦振動を行えるようにした錘りを揺動自在に配置す
ると共に、該錘りの上面に振動方向に延びるラックを設
け、且つ該ラックと噛合するピニオンを有する軸に減速
機を連結し、該減速機に減衰機を接続してなる構成とす
る。

又、減速機に代えて、可変駆動式回転装置を用いること
かで′きる。

［作　　用］ 構造物に揺れエネルギーが与えられると、この揺れエネ
ルギーが錘りの振動エネルギーに変換され、この振動エ
ネルギーがラック、ピニオン、軸、減速機あるいは可変
駆動式回転装置を介し減衰機で間接的に消費され、構造
物の揺れを効果的に抑えることができる。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図乃至第３図は本発明の一実施例を示すもので、外
ノｊを受けて振動する構造物１の頂部にベース２を設け
、該ベース２上に、振子運動を行うように円弧状に湾曲
形成した制振体としての鍾り３を、上記ベース２上に設
けた支持ローラ４を介し構造物１の揺れ方向へ単弦振動
するように配置して、重力を利用した復元力によりばね
系を構成すると共に、該鍾り３の側部両端に設けた突起
５か鍾り３を前後で挟む位置に設置した架台６上の左右
のバッフ７７に当接する範囲で上記鍾り３の振動鎖酸か
規制されるようにし、又、上記鍾り３の」−面にラック
８を振動方向に沿って設けると共に、該ラック８の上方
部にラック８と直交づるように軸９を配置しで、該軸９
を上記前後の架台６に軸受１０を介して回転自在に支持
させ、且つ上記軸９の中間部に、上記ラック８と噛合す
るようにピニオン１１を取り（Ｊけ、上記鍾り３の振動
エネルギーをラック８、ピニオン１１を介して軸９に回
転エネルギーとして伝えられるようにし、更に、−ヒ記
軸９の一端部を、別の架台１２上に設置した減速機１３
に連結し、且つ該減速機１３の出力軸部に、左右に張り
出すレバー１４を固設すると共に、該レバー１４の左右
両端部と上記ベース２との間に、オイルダンパー１５を
減衰機として介装設置し、上記減速機１３に入力される
軸９の回転エネルギを減速機１３を介してオイルダンパ
ー１５により減衰させられるようにする。なお、１６は
上記軸９の回転に慣性力を与えるためのフライホイール
である。

上記構成において、上記錘り３を第４図にｈくずように
、振子として考えた場合、その固有振動周期下は重心Ｇ
の振動半径穴で決まる。すなＲ−（Ｔ／２π〉２　・Ｑ −ω２　・ｇ　　（ω：固有振動数） 更に、鍾り３の質量をｍ、水平方向変位最をＸとしたと
き、垂直方向変位量ｙは、 ｍω２　　Ｘ２ ２ｍｇ ω２　　Ｘ２ ｇ として求めることができる。

次に、本発明における制振制御の原理を第５図を参照し
て説明する。第５図中、２１はアクチュエータ２２によ
って加振される振動台、１７は該振動台２１上に移動自
在に載置した供試体〈第１図の構造物１に相当）、１８
は鍾り（第１図の鍾り３に相当）　、１９．２０はブラ
ケットである。今、供試体１７に作用づる空気力（風荷
重）をＰとし、供試体１７の質量をＭ、供試体１７の換
算ばね定数をＫ、供試体１７の減衰係数（（−１加減衰
定数：２Ｍｈω）をＣ１供試体１７の水平方向の直線変
位量（絶対座標）をＸとし、錘り１８の質量をｍ、鍾り
１８のばね定数をｋ、鍾り１８の振動を制御する制御力
をｐ、錘り１８の水平方向の直線変位量〈供試体１７に
対する相対座標〉をＸとしたとき、供試体１７と錘り１
８の運動方程式は、ＭＭ＋ＣＸ＋ＫＸ＋ｍ（Ｒ＋Ｍ）＝
Ｐｃａｓωｔ　　・（１）（ω：固有振動数、ｔ：時間
） ｍＸ＋ｍＭ＋ｋｘ＝ｐ　（ｔ）　　　　　　　　　・（
２）ここで、供試体１７及び鍾り１８が単弦運動をして
いるものとすると、 Ｘ＝ＡＳ旧ω［・・・（３〉 （Ａ：振幅〉 ｘ＝　Ｂｓ１ｎ　（ωｔ　＋ａ）　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　−＜４＞（Ｂ：振幅、α：ωｔに対
する位相差）このとき、ばね定数Ｋ及びｋと供試体１７
、錘り１８との間には、 Ｋ−（Ｍ＋ｍ）　ω２　　　　　　　　　　・（５）ｋ
＝ｒｎω２　　　　　　　　　　　　　・・・（６）の
関係がある。したがって、（３〉式及び（４）式のうち
質量とばね定数を含む項は次の如く常に零となる。

（Ｍ＋ｍ）Ｘ＋ＫＸ−−（Ｍ＋ｍ＞Ａω２ｓｉｎωｔ＋
　（Ｍ＋ｍ）　Ａω２ｓｉｎωｔ＝Ｑ　　　　　　・（
７）ｍＭ＋ｋｘ＝−ｍＢω２　ｓｉｎ　　（ωｔ＋α）
＋ｍＢ　ω２　ｓｉｎ　（ωｔ　＋　ａ　）　−Ｑ　　
　　　　　　　・　（（３）（ハ、０式を〈１）、（２
）式に代入すれば、Ｐｃｏｓωｔ＝ＣＸ＋ｍｘ −２ＶＩｈ　Ａω２　ｃａｓωｔ　−ｍＢω２　ｓｉｎ
　（ωｊ　＋α）　・　（９）ｐ（ｔ　）　−ｍＸ−−
ｍＡω２ｓｔｎωｔ　　　　　　・（１０）ここで、〈
９〉式は、右辺の第１項と第２項の位相が同じとぎに、
供試体１７の減衰と錘り１８の運動による力が空気力Ｐ
と釣り合っていることを示している。すなわち、錘り１
８の運動が供試体１７の運動に対して９０°遅れた形（
−９０°）で動作したときに、供試体１７の減衰と同じ
方向に力が動き振動を止めようとすることが判る。した
がって、α−−９０°として〈９）式を書き直すと、ｐ
ｃｏｓωｔ−２Ｍ　ｈへω２ｒｎＢω２ＣＯ５ω−［−
（２ＭｈＡ＋ｍＢ）　ω２ｃｏｓ（Ｉ）ｔ　　−（１１
）となる。又、鍾り１８の振幅Ｂは（１１）式より、ｍ
−Ｂ−（Ｐ／ω２）−２ＭｈＡ　　　　　・＝（１２）
となる。

これらの式から明らかなことは、制振装置が能動形であ
っても受動形であっても成り立つので、（１０）式の示
す力ｐ（ｔ）は、能動形の場合は制御する力、受動形の
場合は減衰する力と考えればよい。

上述した原理についての式を言葉に直すと、次の如くで
ある。

■　構造物の振動を抑えようとする制振装置の力は制振
装置の質量の動きによって得られる。

■　制振装置には、構造物に人つて−くる力と同じ大き
さの反対向きの力を制御力あるいは減衰力としてり−え
ることによって安定した振動となる。

０ したがって、構造物１の頂部に、上記の如く構成した本
発明の構造物制振装置が設置しである状態において、空
気力等にＪ、り構造物１に揺れか発生すると、その揺れ
エネルギーは錘り３に伝達されるため、鍾り３は構造物
１の揺れに対して９０°遅れで単弦振動を開始する。こ
のとき、錘り３の上面に設けであるラック８と鍾り３の
上方に配しである輔９上のピニオン１１とが噛合してい
るため、鍾り３の振動エネルギーは上記ラック８、ピニ
オン１１を介して軸９に回転エネルギーとして与えられ
る。上記軸９に回転エネルギーが与えられると、該軸９
の一端部に減速機１３が連結しであるため、該減速機１
３により軸９の回転が減速されることになり、更に、こ
の際、上記減速機１３の出力軸部にオイルダンパー１５
か設けであるため、該オイルダンパー１５か減速機１３
を介して揺動作動させられ、上記輔９の回転エネルギー
が減衰させられる結果、構造物１の揺れが抑えられる。

づなわら、本発明においては、構造物１に人ってくる空
気ノＪ等のエネルギーを鍾り３の運動エネルギーに変換
し、これをラック８、ピニオン１１、軸９、減速機１３
を介してオイルダンパー１５により消費させる、という
間接的ｉエネルギー消費形式によって構造物１の揺れを
速かに抑えることかできる。

上記において、構造物１への制振力は、鍾り３の振動ス
トローク、質量を選定することにより変更することがで
きる。又、減衰率は、オイルダンパー１５の圧力を調整
することにより最適な状態として与えることができる。

更に、鍾り３は単弦振動づるようにしであるため、構造
物１の固有周期と容易に同調させることができるが、万
一、周期にずれが発生しそうになっても、軸９上のフラ
イホイール１６の作用により同調をとることができる。

なお、上記実施例では、錘り３の振動エネルギーを減衰
させるための減衰機としてオイルダンパー１５を用いた
場合を示したが、オイルダンパー１５に代えて、空気ダ
ンパーやばね式ダンパや液圧式ダンパー、弾性体ダンパ
ー等を用いることかできること、又、実施例では減衰機
を作動させるために減速機１３を用いた場合を示したが
、減速機１３に代えて、発電機や油圧モータ、水ポンプ
等の可変駆動式回転装置を用いることができ、発電機の
場合には、界磁電流を変えることにより、又、部属モー
タや水ポンプの場合には、吐出流量や吐出圧力を変える
ことにより、それぞれ減衰率を任意に変更することかで
きること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内にお
いて種々変更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上述べた如く、本発明の構造物制振装置によれば、単
弦振動を行えるようにした錘りの振動エネルギーを、ラ
ックとピニオンを介して軸に伝え、更に該軸から減衰機
に伝えられるようにした構成を有するので、次の如き優
れた効果を発揮する。

〈１）構造物の揺れエネルギーを錘りの運動エネルギー
に容易に変換でき、それを減衰機による最適な減衰力と
することかできるので、横３ 進物の揺れを速かに抑えることができる。

り１１）減速機Ａ″ＪＪ可変動式回転装発の調整により
減衰率を任意に変更できるので、最適な減衰を与えるこ
とかできて大きな制振効果が得られる。

（ｉｉｉ）　　錘りは単弦振動を利用しでいるので、動
き易く、又、構造物の周期と合わぜることができ、月つ
フライホイール賀により周期調整も簡単に行うことがで
きる。

（０紳りのス１〜ロータ、貿渠を選定りることにより、
制振効果をより高めることができる。

（Ｖ）　　錘りには比重の高いもの（固体：鉛、液体：
水銀等）を使用できるためコンバク１〜化が可能であり
、したがって、装置全体の設置面積が小さくて済む。

（ＶＤ　　構造が簡単であるため、メンテナンスが容易
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造物制振装置の一実施例の概要を示
す正面図、第２図は第１図の平面図、４ 第３図は第１図の側面図、第４図は振子の振動系を示す
説明図、第５図は本発明の１京埋を七テ゛ル化して示し
た図、第６図及び第７図はいザれも従来装置の例を示づ
概略図である。 １・・・構造物、３・・・錘り、８・・・ラック、９・
・・軸、１１・・・ピニオン、１３・・・減速機、１５
・・・オイルダンパ（減衰機）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）構造物の上部に、単弦振動を行えるようにした錘
   りを揺動自在に配置すると共に、該錘りの上面に振動方
   向に延びるラックを設け、且つ該ラックと噛合するピニ
   オンを有する軸に減速機を連結し、該減速機に減衰機を
   接続してなることを特徴とする構造物制振装置。
2. （２）減速機に代えて、可変駆動式回転装置を用いた請
   求項（１）に記載の構造物制振装置。