JPH083287B2 - ２重振り子水槽ダンパー - Google Patents

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、風や地震など、
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
吸振器としての振り子水槽ダンパーに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

構造物に対する動吸振器としては、特開昭63-114773
号公報記載の発明などがある。

ところで、例えばペンシルビルのように水平剛性が低
く、したがって固有周期が長く（固有振動数が小さ
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、水槽内に液体を貯留した従来のスロッシングダ
ンパー（特開昭62-101764号公報など）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。

これに対し、出願人は摩擦が少なく、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ッシングダンパーとを組
み合わせ、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振り子式スロ
ッシングダンパー（以下、振り子水槽ダンパーという）
を開発している（「風揺れを対象とした制風構造の振動
実験」、小堀他、日本建築学会大会学術講演梗概集、昭
和63年10月および特願昭63-323061号参照）。

振り子水槽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。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、単一の動吸振器では、パラメーターのわずか
な変動により制振効果が損なわれるなど、最適同調が崩
れたときの安定性に問題がある。

また、土木、建築構造物に特有な問題として、構造物
の固有周期の推定の難しさがある。構造物の振動を減衰
する動吸振器は構造物の固有周期を正確に推定して設計
する必要があるが、構造物の固有周期は供用期間中で常
に一定というわけではない。例えば、大きな地震を経験
した後の構造物は、剛性が低下し、固有周期が長くな
る。また、小さな振動の場合は、非構造部材の剛性が加
わり、逆に固有周期が短くなる。このように、構造物の
その状態での固有周期を正確に推定することには難しさ
がある。

なお、前者の問題を解決する手段としては、従来、２
個の動吸振器を並列的に用いる方法が提案されている
（例えば、「２個の複合動的吸振器の最適設計法とその
効果」背戸他、日本機械学会論文集、昭59−１など）。

本発明は２重の振り子水槽ダンパーを構成して同調域
を広げることにより、上述の問題を解決し、さらに両振
り子水槽ダンパー間に減衰機構を導入することにより、
動吸振器としての減衰性の向上を図ったものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の２重振り子水槽ダンパーは、内部に液体を注
入した第１の水槽を重りとして、構造物より複数本の吊
り材で吊り支持してなる振り子式動吸振器としての第１
振動系と、第１の水槽とその内部に注入した液体とから
なるスロッシングダンパーとしての第２振動系とを組み
合わせて２重動吸振器を構成する第１の振り子水槽ダン
パーと、同様に、内部に液体を注入した第２の水槽を重
りとして、構造物より複数本の吊り材で吊り支持してな
る振り子式動吸振器としての第１振動系と、第２の水槽
とその内部に注入した液体とからなるスロッシングダン
パーとしての第２振動系とを組み合わせて２重動吸振器
を構成する第２の振り子水槽ダンパーとを有し、これら
第１の振り子水槽ダンパーと第２の振り子水槽ダンパー
の第１振動系の重りの質量どうしを略等しく設定し、第
２の振り子水槽ダンパーを構成する第２の水槽を、少な
くとも下部が第１の振り子水槽ダンパーを構成する第１
の水槽内の液体に浸るようにし、かつこれら第１の振り
子水槽ダンパーと第２の振り子水槽ダンパーの構造物の
固有振動数に対する同調振動数を、構造物の固有振動数
の近傍でわずかにずらして設定したものである。

第１振動系の振り子の重りとしては、水槽自体とその
内部の液体のみで重りとすることも可能であるが、通常
は水槽に対し、質量を調整するための付加重りが取付け
られる。すなわち、本発明における第１振動系の重りの
質量は、水槽と液体のみの質量からなる場合と、付加重
りがある場合において水槽と液体および付加重りの質量
からなる場合とがある。

第１の振り子を構成する第１の水槽は、振り子として
の第２の水槽（付加重りも含む）が内部で揺動でき、か
つ第１の水槽内の液体の振動が構造物および第１の振り
子の振動と同調できる寸法に設計される。

第２の水槽に付加重りが取付けられている場合は、こ
の付加重り部分の一部または全部が水槽内の液体に浸る
ようにすればよい。

また、水槽または重りの底面や側面に、リブを設ける
ことにより、水槽または重りが第１の水槽の液体内で揺
動する際の粘性抵抗を調整することができる。

〔作用〕 第４図は本発明の２重振り子水槽ダンパーの第１振動
系のみのモデル図であり、運動方程式は以下のようにな
る。

すなわち、第１の水槽内の液体は第１の振り子自身の
振動を減衰させる減衰器だけでなく、第１の振り子と第
２の振り子相互を減衰させる減衰器としても機能する。
ただし、このためには、第１の振り子の重りの質量m
₁と、第２の振り子の重りの質量m₂の質量比が１に近い
ことが条件となる。

このようにして、構造物の振動エネルギーは振り子の振
動エネルギーに変換され、第１の水槽内の液体による２
重振り子間の粘性抵抗を受けるとともに、さらに振り子
から水槽中の液体の摩擦や破砕に伴う熱エネルギーに変
換されることにより、振動が減衰する。

〔実施例〕

第１図〜第３図は本発明の２重振り子水槽ダンパーの
一例を概略的に示したもので、第１の振り子水槽ダンパ
ー１と第２の振り子水槽ダンパー1aとで構成され、第１
の振り子水槽ダンパーを構成する水槽20の液体21内に、
第２の振り子水槽ダンパー1aの水槽20aに付帯する付加
重り11aの下部側が浸っており、振り子の揺動に際し、
液体21の粘性抵抗を受け、両振り子の揺動を減衰させる
ようになっている。

第１の振り子水槽ダンパー１についてみると、水槽20
が構造物３の頂部のフレーム４に対し、ワイヤーロープ
12により、４点で吊り下げられている。水槽20には、そ
の底面側に付加重り11が取付けられており、この実施例
では、水槽20を直接ワイヤーロープ12で吊り支持し、質
量m₁（水槽20および水槽20内の液体21の質量と付加重り
11の質量を加えたもの）、吊り長さl₁、固有振動数ω₁
の振り子式の第１振動系を構成している。なお、重り11
としては鋼材などが用いられる。

水槽20には振動数を同調させた水など所定量の液体21
が注入されており、第２振動系としての液体21のスロッ
シング作用により、第１振動系および構造物３に減衰性
を与えている。

第２の振り子水槽ダンパー1aは付加重り11aが水槽20a
の支持台を兼ねており、付加重り11aをワイヤーロープ1
2aで吊り支持し、質量m₂、吊り長さl₂、固有振動数ω₂
の振り子式の第１振動系と、スロッシングによる第２振
動系を構成している。

また、付加重り11aの底面および側面には複数のリブ
５が設けられており、付加重り11aが第１の振り子水槽
ダンパー１の液体20内で揺動する際の粘性抵抗を調整し
ている。

これらの振り子水槽ダンパー1,1aは主振動系に対し、
それぞれ第１振動系および第２振動系を有する２重動吸
振器として構成されているため、従来のスロッシングダ
ンパーと比較し、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（水槽と水と付加重りの合計）は10〜20t、水
量は200〜500l程度で大きな振動低減効果が得られる。

最適同調が崩れたときの安定性に関しては、２つの振
り子水槽ダンパー1,1aの振り子式の第１振動系の固有振
動数をω₁、ω₂、構造物３の固有振動数（１次の固有振
動数）をΩとして、 ω₁＜Ω＜ω₂ となる大小関係とし、かつω₁とω₂の差があまり大きく
ない範囲で調整することにより、単一の振り子水槽ダン
パーの場合に表れる応答倍率における２つのピークが均
され、最大応答倍率が低減されるとともに、最適同調が
崩れたときにも影響が少なく、動吸振器としての安定性
を向上させることができる。

具体的な数値を挙げると、ω₁＜Ω＜ω₂となる大小関
係において、Ω−ω₁とω₂−ΩがΩに対し、1/10以下程
度の範囲で調整するのが望ましい。第１振動系の各重り
の質量m₁、m₂は、制振効果を考えた場合、主振動系であ
る構造物の質量Ｍの1/100〜1/400程度が望ましく、例え
ば、1/200の場合は第１の振り子水槽ダンパー１の固有
振動数ω₁を構造物の固有振動数Ωより４％程度小さく
設定し、第２の振り子水槽ダンパー1aの固有振動数ω₂
を構造物の固有振動数Ωより４％程度大きく設定する。

なお、本発明の２重振り子水槽ダンパーの構造物への
設置方法としては、建物の塔屋の天井の梁にワイヤーロ
ープをかけて設置する方法や、建物最上階の天井の梁に
ワイヤーロープをかけて設置する方法が考えられる。

〔発明の効果〕 ２つの振り子水槽ダンパーの第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、２個合わせた付加質量比が同じ単一の振り子
水槽ダンパーに比べ振動抑制効果が大きく、また最適同
調が崩れたときの安定性に優れている。このことは特に
構造物に対する付加質量比が小さい場合に顕著である。

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、揺れによ
る不快感を取り除くことができる。

第１の振り子水槽ダンパーの水槽内の液体は第１の
振り子自身の振動を減衰させるだけでなく、第１の振り
子と第２の振り子相互の振動を減衰させる減衰器として
も機能するため、減衰性能の向上が図れる。

振り子式動吸振器とスロッシングダンパーを２重動
吸振器として組み合わせたことにより、従来のスロッシ
ングダンパーと比較して、小容量の水槽に少量の液体を
入れることにより、大きな制振効果を得ることができ
る。

装置がコンパクトであり、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図は本発明の連結式２重振り子水槽ダンパーの概要
をモデル的に示した概念図、第２図はそのＩ−Ｉ断面
図、第３図はII−II断面図、第４図は本発明の２重振り
子水槽ダンパーにおける第１振動系の解析のためのモデ
ル図である。 １……振り子水槽ダンパー、３……構造物、４……外周
フレーム、５……リブ、11……付加重り、12……ワイヤ
ーロープ、20……水槽、21……液体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に液体を注入した第１の水槽を重りと
   して、構造物より複数本の吊り材で吊り支持してなる振
   り子式動吸振器としての第１振動系と、前記第１の水槽
   とその内部に注入した液体とからなるスロッシングダン
   パーとしての第２振動系とを組み合わせて２重動吸振器
   を構成する第１の振り子水槽ダンパーと、 内部に液体を注入した第２の水槽を重りとして、構造物
   より複数本の吊り材で吊り支持してなる振り子式動吸振
   器としての第１振動系と、前記第２の水槽とその内部に
   注入した液体とからなるスロッシングダンパーとしての
   第２振動系とを組み合わせて２重動吸振器を構成する第
   ２の振り子水槽ダンパーとを有し、 前記第１の振り子水槽ダンパーの第１振動系の重りの質
   量と、前記第２の振り子水槽ダンパーの第１振動系の重
   りの質量を略等しく設定し、 前記第２の水槽を、少なくとも下部が前記第１の水槽内
   の液体に浸るように吊り支持し、 かつ前記第１の振り子水槽ダンパーと第２の振り子水槽
   ダンパーの前記構造物の固有振動数に対する同調振動数
   を、前記構造物の固有振動数の近傍でわずかにずらして
   設定してあることを特徴とする２重振り子水槽ダンパ
   ー。
2. 【請求項２】前記第１の振り子水槽ダンパーの第１振動
   系の固有振動数ω₁と、前記第２の振り子水槽ダンパー
   の第１振動系の固有振動数ω₂を、前記構造物の１次の
   固有振動数Ωに対し、 ω₁＜Ω＜ω₂ となるように設定した請求項１記載の２重振り子水槽ダ
   ンパー。
3. 【請求項３】前記第２の水槽の底面または側面には前記
   第１の水槽内の液体による粘性抵抗を調整するためのリ
   ブを設けてある請求項１または２記載の２重振り子水槽
   ダンパー。