JPH083288B2 - 連結式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。これに対し、個々の振り子水槽ダンパーの固有周期
を変えるためには、振り子の長さを変える必要があり、
設置後に調整するのは必ずしも容易ではない。

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）。

本発明は振り子水槽ダンパーにおける上述のような問
題点の解決を目的としたものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の連結式振り子水槽ダンパーは、振り子水槽ダン
パーを、複数並列的に配置し、これらの振り子水槽ダン
パーどうしをバネで連結したものである。

各振り子水槽ダンパーは、内部に液体を注入した水槽
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、この水
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
器を構成するものであり、これら複数の振り子水槽ダン
パーの各第１振動系の重りの質量を略等しく設定し、か
つこれら複数の振り子水槽ダンパーの構造物の固有振動
数に対する各同調振動数を、構造物の固有振動数の近傍
でわずかにずらして設定してある。

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。

〔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。

このときの運動方程式は、第４図を参照して、以下の
ようになる。

上記運動方程式より、質量が等しく振動数がわずかに
異なる振り子を、バネ定数k_Dのバネで連結したときの固
有振動数は、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k_D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、バ
ネ連結式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、バネ定数k_Dを変化させることによ
って同調周期を調整することができる。

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、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振り子ダンパー
の概要を示したもので、並列配置された２個の振り子水
槽ダンパー1,1aをバネ定数k_Dのコイルバネ２で連結して
いる。

図において、左側の振り子水槽ダンパー１の水槽20は構
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、支持台
を兼ねる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を載せた付加重り11をワイヤー
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１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。なお、振動数は水槽20の寸法および水深
などによって調整される。

右側の振り子水槽ダンパー1aも同様であり、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。

これらの振り子水槽ダンパー1,1aは主振動系に対し、
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。

そして、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次固有振動数₁ω、２次固有振動数₂ωの連結式
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。

最適同調が崩れたときの安定性に関して、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、m
₂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。

また、以上は２つの振り子水槽ダンパーを1,1aをバネ
２で連結した場合であるが、３以上の振り子水槽ダンパ
ーをそれぞれバネで連結することも考えられる。

なお、本発明の連結式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〕 並列的に配置し、バネで連結した各振り子水槽ダン
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。

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図はバネによる振り子水槽
ダンパーの連結の様子を示す平面図、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、11……重り、12……ワイヤー
ロープ、20……水槽、21……液体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に液体を注入した水槽を重りとして、
   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複
   数の振り子水槽ダンパーどうしをバネで連結してなり、
   前記複数の振り子水槽ダンパーの各第１振動系の重りの
   質量を略等しく設定し、かつ前記複数の振り子水槽ダン
   パーの前記構造物の固有振動数に対する各同調振動数
   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記載の連結式振り子水槽ダンパ
   ー。