JPH0520543B2 - - Google Patents

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JPH0520543B2
JPH0520543B2 JP63323061A JP32306188A JPH0520543B2 JP H0520543 B2 JPH0520543 B2 JP H0520543B2 JP 63323061 A JP63323061 A JP 63323061A JP 32306188 A JP32306188 A JP 32306188A JP H0520543 B2 JPH0520543 B2 JP H0520543B2
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vibration
vibration system
water tank
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Shunichi Yamada
Takuji Kobori
Shinichi Takahashi
Atsushi Tagami
Isao Nishimura
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Kajima Corp
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Kajima Corp
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  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は土木、建築の分野において、風や地震
等、構造物に作用する振動外力の影響を低減させ
るための動吸振器に関するものである。
〔従来の技術〕
第2図は従来の一般的な動吸振器のモデルを示
したもので、付加質量(質量m)をバネ(バネ定
数k)とダンパー(減衰定数c)で構造物(質量
M、バネ定数K)につなぎ、付加質量の方に振動
を吸収させることにより構造物の振動を低減させ
ることができる。
動吸振器の設計において、主振動系の振幅倍率
の最大値を最小にするためには、動吸振器と主振
動系に次のような関係があればよいとされている
(「動吸振器の実用性(1)」、背戸一登、機械の研究
第36巻第4号、1984年、第477頁〜第478頁)。
ωo/Ωo=1/1+μ ζ=√38(1+) ここで、 Ωo=√:主振動系の固有振動数 ωo=√:吸振器系の固有振動数 μ=m/M:吸振器系と主振動系の質量比 ζ=c/2√:吸振器系の減衰率 これに対し、出願人は特願昭62−087520号(特
開昭63−254247号公報参照)において、バネ式に
比べ振動周期の調整が簡単な振り子式動吸振器を
提案している。従来型の動吸振器では、付加質量
としての重りの振動周期は、 T=2π√1 であり、建物の固有周期(または固有振動数)と
動吸振器の付加質量の振動周期(または振動数)
を調整して制振を行う場合、バネ定数kまたは付
加質量mによつて調整することになる。これに対
し、振り子式動吸振器の振動周期は、 T=2π√ lは振り子の長さ gは重力加速度 であり、長さlの調整、すなわち吊り材の長さの
調整により振動周期(または振動数)を調整する
ことができる。
なお、振り子式動吸振器については、ビルの最
上階に設置する冷暖房用設備ユニツトの氷蓄熱槽
を振り子の重りとして利用し、風に対するビルの
揺れを制御するものがある(「超高層ビルに振子
式制振装置を導入」、建築技術1988年10月号第58
頁参照)。
また、水槽内の液体(通常、水)の動揺を利用
して、構造物の振動を抑制するいわゆるスロツシ
ングダンパーと呼ばれる動吸振器があり、特開昭
63−181868号公報には、鋼材などの付加質量をも
ちいた従来型の動吸振器と、付加質量としての鋼
材の上に設置した水槽を組み合わせた2重動吸振
器が開示されている。この他、2重動吸振器に関
しては、出願人の特願昭62−132917号の発明があ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、例えばペンシルビルのように水平剛
性が低く、したがつて固有周期が長く、風圧変動
の卓越周期と共振しやすい構造物では風揺れによ
る振動障害(主として居住性の問題)が生じやす
い。しかし、居住性を問題とするとき、人が感じ
始める加速度のレベルは1.0Gal前後と言われてお
り、従来風揺れなどのように微小な振動の低減を
図ることは非常に難しいとされてきた。
また、スロツシングダンパーについては、水な
どの液体を用いるため、十分な振動抑制効果を得
るためには、非常に大きな水槽を必要とし、設置
位置や設置方法の問題がある。
さらに、特開昭63−181868号公報記載の振動抑
制装置では、構造物の固有周期、第1の振動系の
振動周期および第2の振動周期は同一に設定され
ており、必ずしも最適な振動抑制効果をあげるも
のとはなつていない。
本発明は上述のような従来技術における問題点
の解決を図つたものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では、摩擦が少なく、微小振動にも敏感
に反応することのできる振り子式動吸振器を用い
た第1振動系と、主として第1振動系の振動を減
衰させるための第2振動系を構成するスロツシン
グダンパーとを組み合わせ、第1振動系および第
2振動系の固有振動数を構造物の固有振動数の近
傍に設定し、2重動吸振器を構成することによ
り、主振動系である構造物の揺れを効果的に抑制
することができる。
すなわち、本発明の振り子式スロツシングダン
パーは主振動系を構成する構造物に対し、複数の
吊り材を介して吊支持される支持台と、該支持台
上に設置された水槽とからなり、吊り材により、
支持台および水槽が重りとして振動し、構造物の
振動を減衰させる。さらに、この第1振動系の振
動に対しては、第2振動系を構成する水槽内の液
体の振動が減衰力を与えることになる。
第1振動系の付加質量としての支持台と水槽の
合計の質量m1および水槽内の液体の質量m2は、
それぞれ構造物の質量をMとして、 1/200M≦m1≦1/50M 1/100m1≦m2≦1/10m1 …(1) となるようにするのが望ましい。付加質量が小さ
過ぎると、制振効果が少なく、また大き過ぎると
不経済であり、構造物本体の設計にも影響する。
本発明の振り子式スロツシングダンパーを設置
した構造物が風などの外力を受けたときの応答倍
率は、第15図を参照して、次の振動方程式から
導かれる。
構造物の質量M、バネ定数K、減衰定数Cなど
に対し、第1振動系の質量m1、振り子の長さl、
第2振動系の質量m2、減衰定数c2などを適当に
選択することにより、第1振動系の固有振動数
ω1および前記第2振動系の固有振動数ω2を与え
ることにより、そのときの振動外力Fに対する主
振動系の加速度X、速度X、変位Xが求まり、こ
のようにして、振動外力Fに対する主振動系の応
答倍率を計算することができる。
〔ω1=√、ω2=√2 2〕 そして、上記(1)の範囲で第1振動系の質量m1
第2振動系の質量m2を設定し、種々の値につい
て応答倍率を求めると、下記のような条件(3)、(4)
のもとで、応答倍率が十分低く抑えられることが
分かる。
ω1>Ω>ω2またはω1<Ω<ω2 …(3) かつ、 したがつて、上記(1)、(3)、(4)の条件のもとで調
整を行うことにより、大きな制振効果を得ること
ができる。
なお、上記(2)の振動方程式は、第15図に示さ
れるように、第2振動系を付加質量と、これを第
1振動系の付加質量につなぐバネおよびダンパー
として表現したものであり、スロツシングダンパ
ーに置き換えるためには、下記の(5)、(6)の式によ
り、等価な値を求めて設計する必要がある。
第16図を参照し、平面が長方形の水槽の液体
のスロツシングの固有振動数ω2は、ハウスナー
理論から、次式で求められる。
液体のスロツシング時の自由水の質量(第2振
動系の質量)m2は、ハウスナー理論から、次式
で求められる。
m2=mw×0.527l/Htanh〔1.58H/l〕 …(6) (mwは水槽の液体の全質量) なお、第2振動系の剛性は、 k2=m2ω2 2 =mw×0.833g/Htanh2〔1.58H/l〕 となる。
〔作 用〕
第1図は本発明の振り子式スロツシングダンパ
ー7をモデル的に示したもので、まず構造物30
の振動を吊り方式の重り11が吸収して、次に重
り11に伝わつた振動を水槽20内の水22など
の液体が激しく動揺して吸収するとともに、その
振動エネルギーを波の破砕(スロツシング)や水
槽の接触摩擦によつて消滅させることができる。
摩擦が小さい吊り方式と、動揺しやすい液体を
採用しているので、小さな揺れに対しても敏感に
反応することができる。
また、本発明の振り子式スロツシングダンパー
を、前記(1)、(3)、(4)の条件のもとで調整すること
により、振動外力に対する構造物の応答倍率を十
分低減させることができる。
〔実施例〕
第3図〜第11図は本発明の振り子式スロツシ
ングダンパーの実験装置の概要を示したものであ
る。
第3図および第4図は試験体フレーム1を示し
たもので、加振方向は柱2(C−チヤンネル、
100×50×5×7.5)の弱軸方向であり、1層1ス
パン(高さ3.0m、スパン0.54m)形式である。
加振方向に直交する構面は3層1スパン(高さ
1.0m×3、スパン1.1m)形式であり(梁3はH
形鋼、100×100×6×8)、ブレース4で補強す
ることにより、ねじれの影響を抑えている。
フレーム1の頂部には、構造物の質量を与える
約3.0tの重り5、加振装置6および本発明の振り
子式スロツシングダンパー7を取付け(重り重量
2779Kgw、フレーム重量154Kgw、加振装置可動
部重量73.7Kgw、振り子式スロツシングダンパー
の付加重量80.2Kgw)、加振装置6に定常波およ
びランダム波を入力することにより、フレーム1
を加振する。なお、無減衰固有値解析による本試
験フレームの1次固有周期は1.1秒であつた。
第5図はフレームの頂部に据付けられた振り子
式スロツシングダンパー7の全体構造を、第6図
〜第8図は第1振動系を構成する振り子10の構
造を、第9図〜第11図は第2振動系を構成する
水槽20の構造を示したものである。
振り子10の重り11はプレート状であり、ワ
イヤーロープ12により、装置の外周フレーム8
に対し4点で吊り下げられている。また、図中9
は装置を取付けるための据付プレートである。重
り11の上には、アクリル製の水槽20が取付け
られる。分割した水槽の1区画は内法の長さLが
590mm、幅Bが45mm、高さH0が190mmで、水槽2
0の内側には、突出長hが10mmの三角形のリブ2
1を等間隔に取付けて、減衰効果の向上を図つ
た。
第12図は上述の実験装置において、加振装置
より非定常波を入力した場合の実験結果の一例を
示したもので、振り子式スロツシングダンパーを
取付けない場合の応答(破線)に対し、振り子式
スロツシングダンパーを取付けた場合(実線)、
フレーム頂部の応答加速度が大幅に減少した。
従来のスロツシングダンパーと比較し、本発明
の振り子式スロツシングダンパーで同じ風揺れ抑
制効果を得ようとする場合、水量が約1/30、体
積が約1/7で済む。実際の建物に適用する場合
では、例えば1000t程度の建物では、振り子の重
りは10〜20t、水量は200〜500程度で大きな振
動低減効果が得られる。
第13図および第14図は構造物30への適用
例を示したもので、第13図のように塔屋31の
天井の梁32にワイヤーロープ12をかけて設置
する方法や、第14図のように建物最上階の天井
の梁33にワイヤーロープ12をかけて設置する
方法が考えられる。
〔発明の効果〕 小さな風揺れや地震動にも、敏感に反応し、
揺れを効果的に抑制し、早期に減衰させるの
で、揺れによる不快感を取り除くことができ
る。
振り子式動吸振器とスロツシングダンパーを
2重動吸振器として組み合わせたことにより、
従来のスロツシングダンパーと比較して、小容
量の水槽に小量の液体を入れることにより、大
きな制振効果を得ることができる。
第1振動系および第2振動系の質量および固
有振動数などを適切に設定することにより、最
適な振動抑制効果が得られる。
装置がコンパクトになり、取り付けも容易な
ので、小さなスペースに設置できる。
高層住宅、高層ビル、高層タワーなどの風揺
れを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の装置をモデル的に示した概
念図、第2図は従来の一般的な動吸振器をモデル
的に示した概念図、第3図は実験に用いたフレー
ムの概要を示す正面図、第4図はその測面図、第
5図はフレームに取り付けた本発明の実験装置の
一部を断面とした立面図、第6図は振り子式動吸
振器部分の構造を示す平面図、第7図および第8
図はそれぞれその正面図および側面図、第9図は
水槽の構造を示す平面図、第10図および第11
図はそれぞれその正面図(一部断面図)および側
面図、第12図は実験結果を示すグラフ、第13
図および第14図は装置の設置位置の一例を示す
概要図、第15図は振動方程式に対応するモデル
図、第16図は水槽の寸法と固有振動数との関係
を説明するための説明図である。 1…試験体フレーム、6…加振装置、7…振り
子式スロツシングダンパー、8…外周フレーム、
10…振り子、11…重り、12…ワイヤーロー
プ、20…水槽、21…リブ、22…水。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 構造物に対し、複数の吊り材を介して吊支持
    される支持台と、該支持台上に設置された水槽と
    からなり、前記吊り材により前記支持台および液
    体を入れた水槽を重りとして振動し、前記構造物
    の振動を減衰させる振り子式動吸振器を形成する
    第1振動系と、前記水槽内の液体の振動により前
    記第1振動系の振動を減衰させるスロツシングダ
    ンパーを形成する第2振動系とを構成し、前記第
    1振動系の固有振動数および前記第2振動系の固
    有振動数を、前記構造物の固有振動数近傍の所定
    の値に設定し、同調させたことを特徴とする構造
    物の振り子式スロツシングダンパー。 2 前記支持台と前記水槽の合計の質量m1およ
    び前記水槽内の液体の質量m2を、それぞれ前記
    構造物の質量をMとして、 1/200M≦m1≦1/50M 1/100m1≦m2≦1/10m1 となるようにし、 前記第1振動系の固有振動数ω1および前記第
    2振動系の固有振動数ω2は、前記構造物の固有
    振動数をΩとして、 ω1>Ω>ω2 または ω1<Ω<ω2 となる大小関係とし、かつ |Ω−ω1|および|Ω−ω2| がΩに対し、1/20以下となる範囲で調整したこ
    とを特徴とする請求項1記載の構造物の振り子式
    スロツシングダンパー。
JP32306188A 1988-12-21 1988-12-21 構造物の振り子式スロッシングダンパー Granted JPH02167969A (ja)

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