JPH083289B2 - 連結式2重振り子水槽ダンパー - Google Patents

連結式2重振り子水槽ダンパー

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JPH083289B2
JPH083289B2 JP10555289A JP10555289A JPH083289B2 JP H083289 B2 JPH083289 B2 JP H083289B2 JP 10555289 A JP10555289 A JP 10555289A JP 10555289 A JP10555289 A JP 10555289A JP H083289 B2 JPH083289 B2 JP H083289B2
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vibration
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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するもので
ある。
まず、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する。
また、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
定するとともに、第1の振り子水槽ダンパーと第2の振
り子水槽ダンパーどうしバネで連結する。
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〕
バネで2つの振り子の重りを連結すると、第3図
(a),(b)に示すように、2つの振り子が共に同じ
方向で振動する(1次振動形)現象と、逆の方向に振動
する(2次振動形)現象が生ずる。本発明の連結式2重
振り子水槽ダンパーでは、これに第1の水槽内の液体の
粘性抵抗が加わる。第4図は第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。
上記運動方程式より、2つの振り子の質量がほぼ等し
く、周期がわずかに異なる場合の固有振動数(固有円振
動数)は、1次の固有振動数、1ωおよび2次の固有振
動数2ωが、それぞれ、 となる。
従って、2次固有振動数はバネのバネ定数kDの値で、
1次固有振動数1ωに近づけたり、遠ざけたり、自由に
調整することができる。
そこで、強風時や地震時に生ずる構造物の振動を減衰
させるためには、2次固有振動数2ωの調整により、連
結式2重振り子水槽ダンパーを構造物の固有振動数Ωに
同調させ、構造物の固有振動数(または固有周期)が経
年変化した場合には、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を連結するバネのバネ定数kDを変
化させることにより、同調周期を調整することができ
る。
また、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。
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図および第2図は本発明の連結式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。また、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とはバネ定数
kDのコイルバネ2で連結されており、この実施例では第
1の振り子水槽ダンパー1の水槽20の内側上部と、第2
の振り子水槽ダンパー1aの付加重り11aの上部とが連結
されている。
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の頂部の外周フレーム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、その底面側に質量調整用の付加重り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、付加重り11としては鋼材などが用いられる。
水槽20には振動周期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をバネ2で連結することにより、
前述の(1)式および(2)式で表される1次固有振動
1ω、2次固有振動数2ωの連結式2重振り子水槽ダン
パーが構成される。前述のように2次固有振動数2ωは
バネ2のバネ定数を変えることにより調整でき、例えば
構造物の固有振動数Ωに対し、1ω<Ω<2ωとなる大小
関係とし、かつ1ωと2ω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、1ω<Ω<2ωとなる大小関
係において、Ω−1ωと2ω−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1次固有振動数1ωを構造物の固有振
動数Ωより4%程度小さく設定し、2次固有振動数2ω
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、本発明の連結式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。
構造物の固有振動数が経年変化した場合にも、バネ
を取り替えるなど、連結するバネのバネ定数を変えるこ
とにより、振り子水槽ダンパー本体を調整することな
く、簡単に対処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(a),(b)は連結した振り子の1次およ
び2次の振動モードを示す説明図、第4図は本発明の連
結式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、2……バネ、3……構造
物、4……外周フレーム、5……リブ、11……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するとともに、 前記第1の振り子水槽ダンパーと前記第2の振り子水槽
    ダンパーとをバネで連結し、 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連結式2重振り子水槽ダ
    ンパー。
  2. 【請求項2】前記水槽には質量調整用の付加重りが取付
    けられている請求項1記載の連結式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。
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