JPH0756189B2

JPH0756189B2 - 構造物の振動抑制装置

Info

Publication number: JPH0756189B2
Application number: JP62290234A
Authority: JP
Inventors: 孝典佐藤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: JPH01131766A

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構造物に引き起こされる
振動を抑制するようにした振動抑制装置に関するもので
ある。

「従来の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り近年の構造物
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む構造となってきている。そして、
このように軽量で柔軟な構造物においては、固有振動数
が低く、振動減衰も小さくなる傾向があり、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
種々の制約があり、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（特開昭62
−101764号）明細書において、建築物の所要の位置に、
建築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
体の振動によって建築物の横揺れを抑制することができ
る振動抑制装置を提案し、前述の問題を解消している。

ところが、建築物に作用する振動には、横揺れの他に、
建築物の重心と剛心とがずれている場合に、風による空
力を受けて発生する回転運動、即ち、建築物の首振り回
転を生じることがあること、また、液体の振動が建築物
の振動が停止した後にも続き、建築物の振動抑制の逆効
果となること等の問題点があった。

本発明は、前記問題に鑑み、先に本願発明者が提案して
いる振動抑制装置を発展させてなされたもので、風によ
って引き起こされる構造物の横揺れを主とする振動、並
びに、首振り回転による振動の双方を抑制することがで
きると共に、液体の振動を早期に減衰させるこのできる
構造物の振動抑制装置の提供を目的とする。

「問題点を解決するための手段」本発明は、構造物に設けられたタンクの内部に、前記構
造物の固有の振動周期と同一の固有振動周期で振動する
液体が貯留されるとともに、前記タンクは、静止状態に
おける前記液体の液面より上方に液体の振動を許容する
空間を有し、このタンクの底部に前記液体の振動の減衰
を調節する波形の凹凸を形成したものである。

「作用」地震や風等により構造物に振動が作用した場合、タンク
に貯留された液体が構造物の固有振動周期と同一の固有
振動周期で、かつ位相ずれした状態で振動し、構造物の
横揺れを主とする振動を抑制するとともに、地震や風に
より構造物に首振り回転等の振動が生じた場合、首振り
回転によりタンクの周方向に移動する液体が底部の波形
の凹凸によって抵抗を受け、液体に乱流が発生して周方
向の移動が阻止され、構造物の首振り回転を抑制する。

「実施例」以下、図面を用いて本発明の構造物の振動抑制装置につ
いて説明する。第１図ないし第３図は、本発明の第１実
施例を示すものであり、第１図は本発明の構造物の振動
抑制装置（以下、単に「振動抑制装置」という）が高層
建築物等の建築物の屋上に設置された状態を示すもので
ある。

この実施例の建築物１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屋上に、ゴム等の弾
性体と鋼板との積層構造からなる支持台２を設け、この
支持台２の上に、振動抑制作用を行うタンク３を設けた
構成となっている。

前記タンク３は、建築物１の飲料水、あるいは、防火用
水を貯留するための筒状のタンクであって、上部が開放
された構造となっており、第２図および第３図に示す如
き外形寸法に形成されるとともに、前記建築物１の固有
振動周期と同一の固有振動周期となる如き条件で液体Ｗ
を貯留することにより、風等によって引き起こされる建
築物の振動を抑制する。前記タンク３は静止状態におけ
る液体Ｗの液面より上方にその液体Ｗの振動を許容する
空間を有し、このタンク３の底面には、中心から外周部
に向って放射状に延在する凸部3aと凹部3bとが周方向に
沿って交互に設けられることにより、底面が波形が形成
されている。

そして、前記タンク３の液体Ｗは、建築物１の固有振動
周期と同一の固有振動周期となる如き深さに貯留される
ことにより、風によって引き起こされる構造物１の振動
を抑制する。また、建築物１の重心と剛心とがずれてい
た場合であって、建築物１に首振り回転が生じた場合に
は、タンク内部の液体がタンク３の周方向に流動しよう
とするが、この場合、前記底面の凹凸部3a,3bが液体の
流動抵抗となるために、液体が建築物１の首振り周期と
同一周期であって位相ずれした状態でタンク３の周方向
に流動し、液体はこの建築物の首振り回転をも抑制す
る。

従って前記のように構成された振動抑制装置によれば、
建築物１の横揺れを主とする振動と、首振り回転を主と
する振動の双方を抑制することができると共に、凹凸部
が流動抵抗となり早期に液体の振動を減衰させることが
できる。

ところで、タンク３に貯留する液体Ｗは、建築物１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。
従って、底部に凹凸部3a,3bを備えていないタンク３を
用いる場合は、液体Ｗ自身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加
振する効果をもたらすことがある。ところが本願発明構
造においては、どのような建築物１に適用する場合で
も、タンク３の底部の凸部3aと凹部3bの数、高さ、およ
び形状等を適宜設定することによってタンク３に貯留す
る液体自身の減衰率を調節できることになり、ひいて
は、構造物全体の減衰率も制御することができる。

第７図，第８図は本発明の第２実施例を示すもので、タ
ンク３の底面に直径方向に凸部3aと凹部3bとを交互に設
けて、底面を波形に形成したものである。この第２の実
施例においては、第１の実施例と同様の効果を得ること
ができると共に、建築物の形状に応じて発生する異なる
振動状態に合わせて、前記底面に形成された凹凸部3a,3
bの向きを適宜変えることにより、より効率的な制振効
果を発揮させることができる。

ここで、特願昭60−241045号（特開昭62−101764号）明
細書において行った建築物１とタンクの振動解析を記述
する。まず、底面に凹凸を設けていないタンクについて
解析するならば、このタンクと建築物１は第４図に示す
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K₀のばね4Aに質量
M₀の物体5Aを支持させるとともに、減衰率h₀のダッシュ
ポット6Aを付加するようにした振動系Ａ（建築物の振動
モデル）と、ばね定数K₁のばね4Bに有効質量M₁の物体5B
を支持させるとともに、減衰率h₁のダッシュポット6Bを
付加するようにした振動系Ｂ（タンク内の振動モデル）
とから構成されている。

そして、このような振動モデルにおいて、物体4A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1/4周期の位相差をもって振動を開始するから、振動
系Ａ・Ｂの固有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、振動系の固有振動周期は、の式で与えられ、また、建築物１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、および、ばね
定数K₀により一義的に定まるから、タンク３に貯留され
た液体Ｗの固有振動周期T₁を前記T₀と一致させるべく、
タンク３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
ナー（Housner）理論によれば、図示例の如くタンク３
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）M₁は、下記（２）式により与えられる。

ただし、Ｈ……タンク３の底部から水面までの距離Ｒ……タンク３の半径Ｍ……タンク３内に実際に貯留されている液体の質量また、前記貯留液Ｗの固有振動数ω（いわゆるスロッシ
ングの固有振動数）は、下記の（３）式により与えられ
る。

さらに、前記固有振動数ωより、下記の（４）式に示す
如く固有振動周期Ｔが求められる。

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内の液体の固有振動
周期T₁と建築物の固有振動周期T₀との間に、 T₀＝T₁ ………………（５）式が成立する如く、タンク３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Ｗの有効質量M₁と建築物１の質
量Ｍとの比率を M₁/M＝1/50〜1/100 …………（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、1/50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、再度建築物の構造設
計を行う必要があるために、ＭとM₁との比率を前記
（６）式の如く設定するほうが良い。

なお、タンク３の形状は前記実施例に示すような円筒状
に限るものではなく、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、ハウスナーの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。
また、本発明の構造物の振動抑制装置は、前記実施例に
示したような建築物に限られることなく、構造物であれ
ばどのようなものにも用いることができる。

「発明の効果」以上説明したように本発明は、構造物の所要位置に設け
たタンクに構造物と同一周期でもって位相差を有して振
動する液体を貯留した構成であり、液体の振動が構造物
の振動を抑制するために、地震や風に対する振動抑制効
果を得ることができる。更に、構造物の首振り回転に伴
う振動に対し、液体がタンク内でその周方向に流動しよ
うとする際に、底面の凹凸が流体抵抗となり、タンク内
に乱流を生じさせて前記液体の振動を減衰させるため
に、構造物の首振り回転に伴う振動も抑制することがで
きると共に、早期に液体の振動を減衰させることによ
り、液体から構造物に与える加振作用を抑制することが
できる。また、構造物に備えられる給水タンクや防火用
水用タンクを振動抑制用タンクとして用いるならば、タ
ンクを特別に設置する必要もなくなり、設備コストの面
で有利な効果がある。

【図面の簡単な説明】第１図ないし第３図は、本発明の一実施例を示すもの
で、第１図は振動抑制装置を備えた建築物の立面図、第
２図はタンクの平面図、第３図はタンクの縦断面図、第
４図は建築物の振動モデル図、第５図は本発明装置の変
位応答倍率図、第６図は空のタンクの場合の変位応答倍
率図、第７図，第８図は本発明の第２実施例を示し、第
７図はタンクの平面図、第８図はタンクの縦断面図であ
る。Ｗ……液体、１……建築物（構造物）、２……支持台、
３……タンク、3a……凸部、3b……凹部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物に設けられたタンクの内部に、前記
構造物の固有の振動周期と同一の固有振動周期で振動す
る液体が貯留されるとともに、前記タンクは、静止状態
における前記液体の液面より上方に液体の振動を許容す
る空間を有し、このタンクの底部に前記液体の振動の減
衰を調節する波形の凹凸を形成したことを特徴とする構
造物の振動抑制装置。