JPS6340065A - ストツパ機能を備えた建築物の振動抑制装置 - 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、地震や風等によって建築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建築物は
、大形化、形式の多様化、ｖｉｆｆｉ化が進むとともに
、フレキン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建築物においては、固有振
動数が低く、振動減衰ら小さくなる傾向があり、このた
め、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、建築
物の外形に空力的対策を施すことが考えられるが、建築
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
て建築物の振動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、建築物の各種振動波の変位領域において、卓
越している周波数成分にタンク内の液体が共振する現象
が生じた場合、その自由液面が大振幅の振動を起こす、
いわゆるスロッシング現象を生じることが考えられ、前
記構成の振動抑制装置においても、このスロッシング現
象の対策を講じる必要がある。

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しので、地震や
風等によって引き起こされる建築物の振動とタンク内の
液体の振動が共振しようとした場合に、タンク内の液体
の振動を阻止することができるストッパ機能を備えた振
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、前記問題点を解決するために、建築物の所定
の位置にタンクを設け、このタンクの内部に、前記建築
物の固有の振動周期と同一の振動周期で、かつ、建築物
固有の振動と位相差を伴つて振動する液体を貯留すると
とらに、このタンクの近くに、前記液体に出入自在に仕
切部材を設けてなるものである。

「作用」 風等により建築物に振動が作用した場合、タンクに貯留
された液体が建築物の振動周期と同一位相で、かつ位相
ずれした状態で振動し、建築物の横揺れを中心とする振
動を抑制するとともに、建築物の振動と液体の振動が共
振しようとした場合、仕切部材をタンク内の液体に入れ
て液体の振動を抑え、共振現象を阻止する。

「実施例」 第１図ないし第５図は、本発明の一実施例に係る振動抑
制装置を備えた高層建築物等の建築物を示すもので、こ
の実施例の建築物ｌには、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想定できる屋上に振動抑制
を行うタンク３が設置されている。なおこのタンク３を
設置する際に、ゴム等の弾性体と鋼板との積層構造から
なる免震構造の支持台を介してタンク３を屋上に設ける
こともできる。

前記タンク３は、建築物ｌの飲料水、あるいは、防火用
水を貯留するため等の目的に用いられる筒状、または、
これらの目的とは別途に設置された筒状のタンクであっ
て、前記建築物ｌの振動周期と同一の振動周期となる如
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。

また、前記建築物ｌの屋上には、前記タンク３の上面を
覆う建屋（支持構造体）４が構築され、この建屋４の天
井部４ａには、巻き上げ機械等の複数の昇降装置５（第
３図と第４図参照）が設けられ、これら昇降装置５によ
って仕切部材６が昇降自在に吊り下げられている。この
仕切部材６は、第２図に平面形状を示すように、中心部
から４５°間隔で放射状に延出する８枚の仕切板６ａを
具備して構成され、前記複数の昇降装置５によって昇降
されるようになっている。

また、第３図に示すように、前記タンク３の内周面の一
部であって、前記液体Ｗの液面より下方には、建築物ｌ
の振動に伴って振動する液体Ｗの加速度を測定する加速
度計８が設置されるとともに、前記建築物１の屋上には
、建築物１の振動の加速度を測定する加速度計９が前記
タンク３に隣接して設置されている。そして、これら加
速度計８．９は建築物■に設置された制御装置１０（第
５図参照）を介して前記昇降装置５の駆動源１１に電気
的に連結されている。前記制御装置■０は、加速度計８
．９が測定する各振動の加速度の値の一部が一致して建
築物１の振動と液体Ｗの振動とが共振しようとする場合
に、前記各駆動源１１により各昇降装置５を作動させて
仕切部材６をタンク３の内部に下降させるものである。

次に前記のように構成された振動抑制装置の作用につい
て説明する。

タンク３の液体Ｗは、建築物ｌの振動周期と同一の振動
周期となる如き深さに貯留されることによって、風によ
り引き起こされる構造物１の振動と位相ずれをおこして
振動し、建築物ｌの振動を抑制する。なお、仕切部材６
が建屋４の内部で前記振動により横揺れを起こさないよ
うに仕切部材６の下端部をタンク３の開口部に挿入し、
仕切部ｔオ６を係止しておくことか好ましい。

ここで、建築物１の振動波の変位領域で卓越している周
波数成分に、タンク３の液体Ｗが共振しようとした場合
、加速度計８．９から送られてくる加速度の検出データ
の一部か一致するために、このデータの一致を基に、直
ちに制御装置１０が昇降機構５を作動させ、仕切部材６
を第４図に示すように下降させて液体Ｗの内部に投入す
る。この操作により液体Ｗの振動は抑制されてスロッシ
ング現象の発生が阻止され、スロッシング現象を起因と
する液面の大変動を阻止する。従って前述の構成の振動
抑制装置は種々の振動が作用してもスロッシング現象を
引き起こすことなく建築物の振動を抑制できる効果があ
る。

ところで、仕切部材６の形状は、液体Ｗのスロッシング
を抑えることができる形状であるならば、図面に示した
形状以外の形状であっても差し支えない。また、建屋４
内に建築物Ｉの振動中に仕切部（４６を係止しておく部
材を別途に設けてら良い。

なお、以下に特願昭６０−２４１０４５号明細Ｈｑにお
いて行った建築物ｌとタンクの振動解析を記述する。

まず、タンク３と建築物１は第６図に示す振動モデルに
近似した振動特性を呈する。

第６図に示す振動モデルは、ばね定数Ｋ。のばね４Ａに
質ｆｆ１Ｍ。の物体５Ａを支持させるととらに、減衰率
り。のダッシュボット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、ばね定数に１のばね４Ｂ
に質量質量Ｍｏの物体５Ｂを支持さけるとともに、減衰
率り、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１７４周期の位相差をしって振動を開始するから、
振動系Ａ−Ｂの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、振動系の振動周期は、 の式で与えられ、また、構築物ｌの振動周期Ｔ。

は、構造設計上の見地から定められた質ｍＭ。、および
、ばね定数Ｋ。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の振動周期Ｔ、を前記Ｔ。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−（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Ｍ（振動体として作
用する質量）Ｍ、は、下記（２）式によただし、 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ω（いわゆるスロッシン
グの固在振動数）は、下記の（３）式によさらに、前記
固在振動数ωより、下記の（４）式に示す如く振動周期
Ｔが求められる。

２π Ｔ−□　　　　・・・・・・・・・・・・（４）式なお
、前記各パラメータに、例えば、 Ｒ＝Ｉ５ｍ Ｈ＝　２　ｍ Ｍ＝　１４１４ｔ（２式よりＭ＝８１２ｔ）を代入する
と、’ｒ＝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振動周期
と建築物の振動周期Ｔ。との間に、Ｔ　ｏ　”　Ｔ　Ｉ
　　・・・・・・・・・・・・・・・・・（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、振動数の変化に対する振動抑制効果の変化のシュ
ミレーションの結果、第７図と第８図に示す如き特性が
得られた。第７図はタンクに液体（水）を貯留した状態
で行ったンユミレーション結果を示し、第８図はタンク
を空の状態にした状態で行ったシュミレーション結果を
示す。

即ち、第８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７図に示す如く振動を抑制することがで
きる。

更に、シュミレーションの結果、液体Ｗの有効質ｆｆ１
Ｍ、と建築物ｌの質ＭＭとの比率をＭ　＋　／　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、１７５０以上では、
液体の質量が建築物の構造設計上の影響が大きくなって
、再度建築物の構造設計を行う必要があるために、Ｍと
Ｍｌとの比率を前記（６）式の如く設定する必要が生じ
るのである。

更に、種々の要因から、前記タンク内の液体を固定状＠
（密閉タンクにち密に充填された状態）とすることが必
要な場合には、前記（２）式に代えて、を採用し、この
（２）式で得られた結果からタンクの容積能、各種数値
を決定すれば良い。

なお、タンク３の形状は前記実施例に示すような円筒状
に限るしのではなく、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。

「発明の効果」 以上説明したように本発明は、建築物の所要位置に設け
たタンクに建築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、液体の振動が建築物
の振動を抑制するために、主として地震に対する強度を
高めている建築物において、地震の振動数と異なる振動
を引き起こす風に対する振動抑制効果を得ることができ
る。また、建築物の振動と液体の振動が共振しようとし
た場合、昇降装置を作動させて仕切板をタンク内に下降
させて液体を仕切ることにより液体の振動数を変え、首
記共振現象に伴うスロッシングの発生を抑えて建築物の
振動を抑制することができる。従って本願の振動抑制装
置は種々の振動が作用してもスロッシング現象を引き起
こすことなく建築物の振動を抑制することができる。ま
た、建築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５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正面図、第２
図はタンクの平面図、第３図は仕切部材を上昇させた状
態を示すタンクの縦断面図、第４図は仕切部材を加下降
させた状態を示す縦断面図、第５図は加速度計と制御回
路と駆動源の接続状態を示す構成図、第６図は建築物の
振動モデルの正面図、第７図は本発明の振動減衰装置を
備えた振動減衰状況を示す断面図、第８図は空のタンク
を備えた建築物の振動状況を示す断面図である。 Ｗ・・・・・・液体、 ｌ・・・・・・建築物、　　２・・・・・・支持台、３
・・・・・・タンク、　　　４・・・・・・建屋（支持
構造物）、５・・・・・・昇降装置、 ６・・・・・・仕切部材、　　８．９・・・・・・加速
度計、１０・・・・・・制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 建築物の所定の位置にタンクが設けられ、このタンクの
   内部に、前記建築物の固有の振動周期と同一の振動周期
   で、かつ、建築物固有の振動と位相差を伴って振動する
   液体が貯留されるとともに、前記タンクの近傍には支持
   構造体が設けられる一方、前記支持構造体に取り付けら
   れた昇降装置を介して前記液体に出入自在に仕切部材が
   設けられてなることを特徴とするストッパ機能を備えた
   建築物の振動抑制装置。