長尺構造物の制振装置
【課題】地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる制振装置を提供する。
【解決手段】長尺構造物の制振装置１４において、制御プレート２２は、長尺構造物の上端１２ａに弾性部材を介して取り付けられる。支柱２８は、上端に質量３０が付加され下端が制御プレート２２の水平方向中央で固定される。梃子４０において、第１ロッド４４は、制御プレート２２の縁部に回転端４８を介して接続され、回転端４８から離間する方向に延在する。第２ロッド４６は、上端１２ａに固定されるボトムプレート２０と第１ロッド４４との間に介在し、第１ロッド４４と回転端５４を介して接続される。減衰機構３８は、制御プレート２２の回転端４８と長尺構造物の上端１２ａとの相対変動を、梃子４０を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパ４２に減衰させる。
【解決手段】長尺構造物の制振装置１４において、制御プレート２２は、長尺構造物の上端１２ａに弾性部材を介して取り付けられる。支柱２８は、上端に質量３０が付加され下端が制御プレート２２の水平方向中央で固定される。梃子４０において、第１ロッド４４は、制御プレート２２の縁部に回転端４８を介して接続され、回転端４８から離間する方向に延在する。第２ロッド４６は、上端１２ａに固定されるボトムプレート２０と第１ロッド４４との間に介在し、第１ロッド４４と回転端５４を介して接続される。減衰機構３８は、制御プレート２２の回転端４８と長尺構造物の上端１２ａとの相対変動を、梃子４０を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパ４２に減衰させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺構造物の制振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電柱、広告塔、災害無線塔、煙突、電波塔などの塔状構造物が地震により損傷、倒壊すると、長期間にわたって生活インフラが失われることになる。そこで、このような長尺構造物のための多数の耐震、免震、制振技術が開発されている。これらのうち制振技術は、地盤の変動による加速度エネルギを、衝撃、熱、材料の塑性変形などにエネルギ変換して吸収する技術の総称である。
【０００３】
制振装置は、パッシブ（Passive）型とアクティブ（Active）型に分類される。前者には、付加質量機構が含まれる。この付加質量機構は、構造物頂部に共振質量を設け、地震発生時にこの共振質量を振動させることで構造物本体の振動を抑制するもので、「ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）」または「動吸振器」とも呼ばれる。しかし付加質量機構は装置が大きくなりやすく、上記のような塔状構造物には一般的に不向きである。
【０００４】
ここで、自由端に質量を付加した支柱と、支柱の片持ち振動を減衰させる減衰部材と、を有する長尺構造物の制振装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この制振装置では、付加する質量や支柱の固有振動数を調整するなどにより、長尺構造物の構造に適した制振装置を設けることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４４４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
地震が起こると、長周期地震動が生じることが知られている。長周期地震動は、長周期成分が卓越した地震波形を多く含む。長尺構造物は固有周期が長いため、この長周期地震動の影響を受けやすい。しかしながら、上述の特許文献に記載される技術では、長周期地震動による振動を抑制すべく支柱の固有周期を長くさせようとすると、支柱の強度が低下し座屈などが発生する虞がある。このためこの支柱の強度低下を回避しつつ長周期地震動のような長周期の振動も適切に制振できる制振装置の開発が求められている。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる制振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の長尺構造物の制振装置は、一端に質量が付加された支柱と、支柱の他端が第１の個所で固定される制御部材と、一端が固定端で他端が自由端の長尺構造物の自由端と、制御部材と、の間に介在する弾性部材と、制御部材の第２の個所と自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させる減衰機構と、を備える。
【０００９】
発明者による研究開発の結果、このように減衰機構を設けることで、支柱の固有周期を大幅に長くしなくても、長周期の振動が長尺構造物に与えられたときの当該構造物の振動を適切に抑制できることが判明した。このためこの態様によれば、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる。
【００１０】
減衰機構は、相対変動を梃子を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパに減衰させてもよい。この態様によれば、ダンパのサイズを抑制することができる。このため、減衰機構を設けることによる制振装置の大型化を回避することができる。
【００１１】
支柱は、制御部材のうち長尺構造物の延在方向と垂直な所定方向の中央に固定され、減衰機構は、制御部材のうち所定方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられ、対応する縁部と自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させてもよい。
【００１２】
この態様によれば、制御部材のうち対向する２つの縁部を適切に減衰させることができる。このため、支柱が固定される第１の個所の変位を抑制でき、第１の個所を中心に支柱を揺動させて長尺構造物の振動を適切に緩和することができる。
【００１３】
梃子は、制御部材の縁部に第１回転端により接続され、第１回転端から離間する方向に延在する第１部材と、自由端と第１部材との間に介在し、第１部材と第２回転端により接続される第２部材と、を有してもよい。ダンパは、第１部材のうち第２回転端から所定方向に離れた個所と、自由端と、の間に介在してもよい。
【００１４】
この態様によれば、第１部材と第２部材を設けるという簡素な構成により梃子を構成することができる。このため、減衰機構の複雑化を回避でき、減衰機構のコストを抑制することができる。
【００１５】
ダンパは、第１部材のうち第１回転端と第２回転端との間よりも短い距離で第２回転端から所定方向に離れた個所と、自由端と、の間に介在してもよい。
【００１６】
この態様によれば、相対変位を小さい変位に簡易に変換してダンパに減衰させることができる。このため、ダンパのサイズを抑制することができ、減衰機構を設けることによる制振装置の大型化を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる制振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る長尺構造物ユニットを示す図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ制振装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実験に用いた長尺構造物ユニットの構成を示す図である。
【図４】図３の領域Ｒの拡大図である。
【図５】実験に用いた長尺構造物の形状や材質などを詳細に示す図である。
【図６】実験結果を示す図である。
【図７】（ａ）は、数値計算での制振の対象とする長尺構造物を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）の視点Ｐおよび視点Ｑから長尺構造物を見た図である。
【図８】（ａ）は、長尺構造物ユニット全体の数値解析モデルを示す図である。（ｂ）は、制振装置の数値解析モデルを示す図である。
【図９】（ａ）は、長尺構造物ユニットの各寸法などを示す図である。（ｂ）は、制振装置１４の回転バネ剛性Ｋｒやダンパ減衰係数Ｃｅなどの値を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、解析モデルの頂部における絶対加速度の低減率を示す図である。
【図１１】（ａ）は、解析モデルの長尺構造物の柱脚の曲げモーメントの低減率を示す図である。（ｂ）は、解析モデルの長尺構造物の柱脚の剪断力の低減率を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときの、解析モデルの頂部と制振装置の質量の相対変位の時刻歴応答を示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときのダンパエネルギの時刻歴応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る長尺構造物ユニット１０を示す図である。長尺構造物ユニット１０は、長尺構造物１２および制振装置１４を有する。長尺構造物１２は、下端１２ｂが地面１６に固定され、地面１６から鉛直方向上方に延在している。このため長尺構造物１２は、下端１２ｂが固定端で上端１２ａが自由端となる。制振装置１４は、長尺構造物１２の上端１２ａに取り付けられ、地震発生時に長尺構造物１２を制振する。制振装置１４は、長尺構造物１２の上端１２aにあればよく、必ずしも、上端１２aの中央に位置しなくてもよい。
【００２１】
図１では、長尺構造物１２として、上端１２ａに近づくほど径が小さくなる煙突を例示している。しかし長尺構造物１２が煙突に限られないことは勿論であり、長尺構造物１２は例えば電柱、広告塔、災害無線塔、電波塔など他の長尺構造物であってもよい。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ制振装置１４の構成を模式的に示す図である。制振装置１４は、ボトムプレート２０、制御プレート２２、弾性部材２４、振り子２６、および減衰機構３８を有する。ボトムプレート２０は金属などの硬質の材料によって形成される。ボトムプレート２０の上面２０ａには、円柱状の弾性部材２４の下端が接着などによって固着される。制御プレート２２もまた、金属などの硬質の材料によって形成される。制御プレート２２とボトムプレート２０とが弾性部材２４を介して互いに平行に配置されるよう、制御プレート２２の下面２２ｂに弾性部材２４の上面が接着などによって固着される。ボトムプレート２０は、上端１２ａにねじ止めなどによって固定される。このため制御プレート２２は、上端１２ａに弾性部材２４を介して取り付けられる。
【００２３】
振り子２６は、支柱２８および質量３０を有する。支柱２８は、上端に質量３０が付加され、下端が制御プレート２２の上面２２ａの水平方向中央に固定される。
【００２４】
減衰機構３８は、梃子４０およびダンパ４２を有する。減衰機構３８は、制御プレート２２のうち水平方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられる。減衰機構３８は、対応する制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、梃子４０を介してダンパ４２に減衰させる。なお、減衰機構３８が減衰するのが制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動に限られず、制御プレート２２のうち支柱２８が固定される中央以外の個所と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を減衰させてもよい。
【００２５】
上述のように長周期地震動による振動を抑制すべく支柱の固有振動数を低減させようとすると、支柱の強度が低下する虞がある。このため、本実施形態では、減衰機構３８が設けられている。減衰機構３８は、相対変動を梃子４０を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパ４２に減衰させる。後述するように、減衰機構３８を設けることで、支柱２８の固有振動数を大きく低下させなくても、長周期の振動が長尺構造物１２に与えられたときに長尺構造物１２を適切に制振できることが発明者による研究開発の結果判明した。このため制振装置１４を用いることで、地震発生時における長尺構造物１２の転倒または破損を適切に抑制できる。
【００２６】
具体的には、梃子４０は、第１ロッド４４および第２ロッド４６を有する。第１ロッド４４は、一端が制御プレート２２の縁部に回転端４８により接続され、回転端４８から離間する方向に延在する。第２ロッド４６は、長尺構造物１２の上端１２ａと第１ロッド４４との間に介在し、第１ロッド４４と回転端５４により接続される。ダンパ４２は、第１ロッド４４の他端と回転端５０により接続され、ボトムプレート２０の端部と回転端５２により接続される。回転端５０は、回転端４８と回転端５４との間よりも短い距離で水平方向に回転端５４から離れた個所に設けられる。回転端５２もまた、回転端４８と回転端５４との間よりも短い距離で水平方向に回転端５６から離れた個所に設けられる。なお、回転端５０および回転端５２の位置がこれに限られないことは勿論である。本実施例では回転端５０および回転端５２は、それぞれ回転端５４および回転端５６よりも弾性部材２４から離れた位置に配置されている。しかし、回転端５０および回転端５２は、それぞれ回転端５４および回転端５６よりも弾性部材２４に近い位置に配置されてもよい。
【００２７】
地震が発生すると、下端１２ｂから長尺構造物１２に振動が与えられる。長尺構造物１２は固有周期が長いため、長周期地震動のような周期の長い振動が継続すると、上端１２ａが水平方向に大きく変動する可能性がある。上端１２ａが水平方向に変動すると、下端が固定された固定個所Ｐ１を中心に支柱２８が揺動する。
【００２８】
このとき、制御プレート２２とボトムプレート２０との間に弾性部材２４が介在していることから、この弾性部材２４が変形して制御プレート２２も固定個所Ｐ１を中心に揺動する。こうして、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとが相対変動する。このとき、この相対変動量よりも、回転端５０と回転端５２との間の相対変動量の方が小さい。このように減衰機構３８は、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、これよりも小さい回転端５０と回転端５２との間の相対変動に変換してダンパ４２に減衰させる。また、ダンパ４２には、梃子４０の原理を用いて、小さな変位であるが、大きな力を与えることができる。これにより、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとの間にダンパを設けるよりもダンパ４２のサイズを抑制でき、制振装置１４の大型化を回避することができる。
【００２９】
発明者による研究開発の結果、本実施形態に係る制振装置１４によれば、長尺構造物１２の１次の固有周期と、制振装置１４を取り付けたときの長尺構造物１２の２次の固有周期とを一致させた場合が、最も有効であることが、実験おより数値計算により確認された。このため、制振装置１４を取り付けたときの長尺構造物１２の動きと逆方向に振り子２６を動かすことができる。このようにすると、長尺構造物１２を適切に制振することができる。以下、発明者により実施された実験および数値計算について説明する。
【００３０】
（実験的検討）
Ａ．実験概要
図３は、実験に用いた長尺構造物ユニット１００の構成を示す図である。長尺構造物ユニット１００は、長尺構造物１１０および制振装置１１２を有する。長尺構造物１１０は、試験体１２０および複数の付加質量１２２を有する。試験体１２０は、アルミニウム管によって構成される。試験体１２０の下端１２０ｂは、振動台１１６に固定されている。振動台１１６は、図３の左右方向に振動可能に設けられている。実際の長尺構造物の固有周期に近づけるため、この試験体１２０の外周に複数の付加質量１２２が取り付けられる。複数の付加質量１２２は、試験体１２０の外周上に、周方向では振動台１１６によって振動が与えられる方向に対向する位置に、軸方向では上端１２０ａから下端１２０ｂまで等間隔に配置される。こうして、長尺構造物１１０の固有周期が長くされている。
【００３１】
制振装置１１２は、ボトムプレート１３０、制御プレート１３２、弾性部材１３４、振り子１３６、および減衰機構１４８を有する。ボトムプレート１３０は、金属板を円形に切り取った形状に形成される。制御プレート１３２もまた、金属板を円形に切り取った形状に形成される。弾性部材１３４は、本実施形態ではウレタンによって形成されている。なお、弾性部材１３４が他の弾性材料によって形成されていてもよい。この実験では、弾性部材１３４は、直径１５０ｍｍと２００ｍｍの２種類を用いた。なお、高さはいずれも１００ｍｍのものを用いた。
【００３２】
振り子１３６は、支柱１３８および質量１４０を有する。支柱１３８は、上端に質量１４０が付加され、下端が制御プレート１３２の上面の水平方向中央に固定される。
【００３３】
減衰機構１４８は、梃子１５０およびダンパ１５２を有する。減衰機構１４８は、制御プレート２２のうち水平方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられる。減衰機構１４８は、対応する制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、梃子１５０を介してダンパ１５２に減衰させる。
【００３４】
図４は、図３の領域Ｒの拡大図である。梃子１５０は、第１ロッド１５４、第２ロッド１５６、および第３ロッド１５７を有する。第３ロッド１５７は金属によって形成されており、ボトムプレート１３０の端部にねじ止めによって一端が固定されている。第１ロッド１５４は、制御プレート１３２の端部にヒンジの回転端１５８により一端が接続されている。第１ロッド１５４および第３ロッド１５７は、互いに平行となるよう制御プレート１３２およびボトムプレート１３０の各々に取り付けられる。
【００３５】
第２ロッド１５６は、ヒンジの回転端１６４により第１ロッド１５４の中途部に上端が接続される。また、第２ロッド１５６は、ヒンジの回転端１６６により回転端１６２の中途部に下端が接続される。第２ロッド１５６は、鉛直方向に延在するよう第１ロッド１５４および第３ロッド１５７の各々に取り付けられる。
【００３６】
ダンパ１５２は、２つのダンパを組み合わせて構成される。ダンパ１５２は、上端が回転端１６０により第１ロッド１５４の中途部に接続される。また、ダンパ１５２は、下端が回転端１６２により第３ロッド１５７の中途部に接続される。このときダンパ１５２は、鉛直方向に延在するよう第１ロッド１５４および第３ロッド１５７の各々に取り付けられる。
【００３７】
回転端１６０は、回転端１６４よりも弾性部材１３４から離れた位置に配置される。また、回転端１６２は、回転端１６６よりも弾性部材１３４から離れた位置に配置される。このとき回転端１６０は、回転端１５８と回転端１６４との間よりも短い距離で水平方向に回転端１６４から離れた個所に設けられる。回転端１６２もまた、回転端１５８と回転端１６４との間よりも短い距離で水平方向に回転端１６６から離れた個所に設けられる。
【００３８】
したがって、回転端１５８と第３ロッド１５７、すなわち回転端１５８と試験体１２０の上端１２０ａとの間の相対変動量よりも、回転端５０と回転端５２との間の相対変動量の方が小さい。これにより減衰機構１４８は、回転端１５８と第３ロッド１５７との相対変動を、これよりも小さい回転端１６０と回転端１６２との間の相対変動に変換してダンパ１５２に減衰させる。ダンパ１５２には、小さな相対変動であるが、梃子１５４を介して、大きな力が作用する。この実験では、回転端１５８と回転端１６４との間の距離は１５０ｍｍとした。また、回転端１６４と回転端１６０との距離は１５ｍｍとした。
【００３９】
図５は、実験に用いた長尺構造物１１０の形状や材質などを詳細に示す図である。この長尺構造物１１０に上述の制振装置１１２を取り付けた場合と、長尺構造物１１０のみで制振装置１１２を取り付けていない場合と、の各々において、地震波として代表的なEL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.5ｍ/sに換算した加速度波を振動台１１６に与えた。地震波には、海溝型のEL Centro 1940-NS成分、直下型の兵庫県南部地震での神戸海洋気象台ＮＳ成分、サイト型の能登半島ＥＷ成分、および長周期型の苫小牧ＮＳ成分などの種類がある。試験体１２０の固有周期は、このうち能登半島ＥＷ以外の地震波の卓越領域にある。このため、この領域で制振効果を発揮できれば、様々な地震に対して対応可能な制振効果を期待できることになる。
【００４０】
Ｂ．実験結果
図６は、実験結果を示す図である。この実験では、条件１−３の３種類の制振装置１１２を用いて実験を行った。条件１では、弾性部材１３４の外径を１５０ｍｍ、質量１４０が０．４５ｋｇ、質量１４０の取付位置、すなわち支柱１３８の長さを６００ｍｍとした。条件２では、弾性部材１３４の外径を１５０ｍｍ、質量１４０が０．８９ｋｇ、質量１４０の取付位置を４５０ｍｍとした。条件３では、弾性部材１３４の外径を２００ｍｍ、質量１４０が４．０４ｋｇ、質量１４０の取付位置を６００ｍｍとした。質量１４０の取付位置を条件に応じて変更しているのは、長尺構造物１１０に制振装置１１２を取り付けたときの２次の固有周期と、長尺構造物１１０のみで制振装置１１２を取り付けていないときの１次の固有周期とを一致するよう調整したものである。
【００４１】
加速度センサや歪みセンサは、試験体１２０の上端１２ａに取り付けた。結果の欄における「○」は、（制振装置１１２を取り付けたときの最大値）／（制振装置１１２を取り付けなかったときの最大値）＜１となったことを示しており、制振装置１１２を取り付けることによって制振効果が認められたことを示している。このように条件１−３のすべてにおいて、地震波として代表的なEL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.5ｍ/sに換算した加速度波の振動が与えられたときに制振効果がすべての項目に対し認められた。したがって、制振装置１１２が地震発生時の長尺構造物１１０の倒壊や破損の抑制に効果があることが証明された。
【００４２】
（数値計算的検討）
Ａ．数値計算による実構造物への試設計
実構造物は高さが１００ｍなど大きなものとなることが多く、実構造物を実際に振動させて制振装置の効果を確認することは困難である。このため、以下、数値計算を用いたシミュレーションにより、実構造物での効果を検証した。なお、上記実験における条件を数値計算においても再現して確認し、実験と数値計算が概ね一致するとの結果を予め得ている。
【００４３】
図７（ａ）は、数値計算での制振の対象とする長尺構造物１２を示す図であり、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）の視点Ｐおよび視点Ｑから長尺構造物１２を見た図である。長尺構造物１２は、日本建築学会、「鋼製煙突構造計算規準・同解説、１９６５年制定」、１９６５年、丸善、ＰＰ．６１−８７の「鉄骨造」の煙突とした。高さｈ１は１００ｍとした。上端１２ａでの外径ｄ１は５．２５ｍ、厚さｗ１は０．０６ｍとし、下端１２ｂでの外径ｄ２は８．６ｍ、厚さｗ２は０．２８ｍとした。
【００４４】
図８（ａ）は、長尺構造物ユニット１０全体の数値解析モデルを示す図である。上述のように、長尺構造物１２の高さｈ１は１００ｍとしている。
【００４５】
図８（ｂ）は、制振装置１４の数値解析モデルを示す図である。２つの回転端４８の間の距離、すなわち弾性部材２４の直径は８００ｍｍとし、弾性部材２４の高さｈ２を２００ｍｍとしている。また、回転端４８から回転端５４までの距離Ｌ１を４００ｍｍ、回転端５４から回転端５０までの距離Ｌ２を２００ｍｍとしている。
【００４６】
図９（ａ）は、長尺構造物ユニット１０の各寸法などを示す図である。図９（ｂ）は、制振装置１４の回転バネ剛性Ｋｒやダンパ減衰係数Ｃｅなどの値を示す図である。制振装置の集中質量の重量Ｍは、解析モデルとの重量比３％を限度として、１％、２％および３％となるようそれぞれＭ＝３０００ｋｇ、６０００ｋｇ、９０００ｋｇとした。ダンパ減衰係数Ｃｅは、１.０、５.０、１０.０（ｋＮ／[ｍｍ／ｓ]）とした。回転バネ剛性Ｋｒは、０.１、１.０、１０.０、１００.０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）とした。解析モデルの１次の固有周期と制振装置を取り付けた解析モデルの２次の固有周期を一致させるため、集中質量の取付位置を回転バネからの高さを２ｍとし、固有周期が合わないＫｒの値については高さを調整した。
【００４７】
Ｂ．数値計算による結果
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、解析モデルの頂部における絶対加速度の低減率を示す図である。図１０（ａ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１．０の場合、図１０（ｂ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合、図１０（ｃ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１０．０の場合を示している。図１０（ａ）−図１０（ｃ）を見て分かるように、解析モデルの頂部の絶対加速度は、ダンパの減衰係数Ｃｅと集中質量の重量Ｍの値が大きいほど良好な制振効果を示している。
【００４８】
図１１（ａ）は、解析モデルの長尺構造物１２の柱脚の曲げモーメントの低減率を示す図である。図１１（ｂ）は、解析モデルの長尺構造物１２の柱脚の剪断力の低減率を示す図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）については、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合を示している。各集中質量の重量Ｍに対して最大、最小とは、入力地震波に対して応答が異なるため、すべての地震波における低減率が最大と最小の値を示している。
【００４９】
解析モデルの柱脚の曲げモーメントと剪断力は、Ｃｅ＝５.０で最も良好な結果を示し、質量３０の値が大きいほど良好な制振効果を示した。全ての項目において、回転バネ剛性Ｋｒの値による制振効果への影響はほぼ無い。
【００５０】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75ｍ/sに換算した加速度波が作用したときの、解析モデルの頂部と制振装置１４の質量３０の相対変位の時刻歴応答を示す図である。なお、質量Ｍは９０００ｋｇ、回転バネ剛性Ｋｒ＝１０．０としている。図１２（ａ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝０．１の場合を示している。図１２（ｂ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１．０の場合を示している。図１２（ｃ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合を示している。
【００５１】
図１２（ａ）より、Ｃｅ＝０.１のときは、質量３０が偏っていることが分かる。図１２（ｂ）では、Ｃｅ＝１.０のときは、制振装置１４の質量３０が解析モデルの頂部に対して逆位相の挙動を示している。図１２（ｃ）では、Ｃｅ＝５.０のときは、位相がずれ、制振装置の集中質量は頂部とは異なる挙動を示している。すべての質量Ｍと回転バネ剛性Ｋｒの値において、ダンパ減衰係数Ｃｅの値が大きいほど質量３０の相対変位は減少した。このことから、ダンパ４２が質量３０の挙動を抑制していることがわかる。
【００５２】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときのダンパエネルギの時刻歴応答を示す図である。図１３（ａ）は、回転バネ剛性Ｋｒ＝１．０、質量Ｍ＝９０００ｋｇのときを示している。図１３（ｂ）は、回転バネ剛性Ｋｒ＝１．０、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０のときを示している。
【００５３】
図１３（ａ）より、ダンパ減衰係数Ｃｅが０.１〜５.０の間では、Ｃｅの値が大きくなるほどダンパエネルギが増加し、Ｃｅが１０.０のときは、Ｃｅが１.０および５.０のときよりダンパエネルギが減少したことが分かる。図１３（ｂ）より、質量Ｍの値が大きいほど、ダンパエネルギが増加する傾向にあることが分かる。本解析モデルにおける制振効果は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０で最も良好な結果を示し、質量Ｍの値が大きいほど制振効果が大きいことを示した。これに対しエネルギの計算結果は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０のときはダンパ減衰係数Ｃｅが他の値のときに比べてダンパエネルギが大きく、質量Ｍの値が大きいほどダンパエネルギが大きいことを示した。以上より、制振装置１４は、ダンパ４２によるエネルギの消費が大きいほど、良好な制振効果を得ることができると言える。
【００５４】
以上において、稀に発生する大地震において、塔状構造物の倒壊を抑制する新しい制振装置を提案した。実験的検討から、提案した制振装置の有効性を確認した。また、長周期の地震波における制振効果と試験体の柱脚における曲げモーメントの制振効果から、制振装置１４は、長周期への対応が難しく曲げに弱いという塔状構造物の欠点を改善出来ると言える。また、数値計算による実構造物への試設計から、提案した制振装置は実大の塔状構造物に適応可能なことが明らかとなった。また、制振装置１４は、構造物との重量比３％において良好な制振効果を確認できたことから、従来の制振装置より軽量であると言える。
【００５５】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 長尺構造物ユニット、 １２ 長尺構造物、 １２ａ 上端、 １２ｂ 下端、 １４ 制振装置、 ２０ ボトムプレート、 ２２ 制御プレート、 ２４ 弾性部材、 ２６ 振り子、 ２８ 支柱、 ３０ 質量、 ３８ 減衰機構、 ４０ 梃子、 ４２ ダンパ、 ４４ 第１ロッド、 ４６ 第２ロッド、 ４８，５０，５２，５４，５６ 回転端、 １００ 長尺構造物ユニット、 １１０ 長尺構造物、 １１２ 制振装置、 １２０ 試験体、 １２０ａ 上端、 １２０ｂ 下端、 １２２ 付加質量、 １３０ ボトムプレート、 １３２ 制御プレート、 １３４ 弾性部材、 １３６ 振り子、 １３８ 支柱、 １４０ 質量、 １４８ 減衰機構、 １５０ 梃子、 １５２ ダンパ、 １５４ 第１ロッド、 １５６ 第２ロッド、 １５７ 第３ロッド、 １５８，１６０，１６２，１６４，１６６ 回転端。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺構造物の制振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電柱、広告塔、災害無線塔、煙突、電波塔などの塔状構造物が地震により損傷、倒壊すると、長期間にわたって生活インフラが失われることになる。そこで、このような長尺構造物のための多数の耐震、免震、制振技術が開発されている。これらのうち制振技術は、地盤の変動による加速度エネルギを、衝撃、熱、材料の塑性変形などにエネルギ変換して吸収する技術の総称である。
【０００３】
制振装置は、パッシブ（Passive）型とアクティブ（Active）型に分類される。前者には、付加質量機構が含まれる。この付加質量機構は、構造物頂部に共振質量を設け、地震発生時にこの共振質量を振動させることで構造物本体の振動を抑制するもので、「ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）」または「動吸振器」とも呼ばれる。しかし付加質量機構は装置が大きくなりやすく、上記のような塔状構造物には一般的に不向きである。
【０００４】
ここで、自由端に質量を付加した支柱と、支柱の片持ち振動を減衰させる減衰部材と、を有する長尺構造物の制振装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。この制振装置では、付加する質量や支柱の固有振動数を調整するなどにより、長尺構造物の構造に適した制振装置を設けることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４４４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
地震が起こると、長周期地震動が生じることが知られている。長周期地震動は、長周期成分が卓越した地震波形を多く含む。長尺構造物は固有周期が長いため、この長周期地震動の影響を受けやすい。しかしながら、上述の特許文献に記載される技術では、長周期地震動による振動を抑制すべく支柱の固有周期を長くさせようとすると、支柱の強度が低下し座屈などが発生する虞がある。このためこの支柱の強度低下を回避しつつ長周期地震動のような長周期の振動も適切に制振できる制振装置の開発が求められている。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる制振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の長尺構造物の制振装置は、一端に質量が付加された支柱と、支柱の他端が第１の個所で固定される制御部材と、一端が固定端で他端が自由端の長尺構造物の自由端と、制御部材と、の間に介在する弾性部材と、制御部材の第２の個所と自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させる減衰機構と、を備える。
【０００９】
発明者による研究開発の結果、このように減衰機構を設けることで、支柱の固有周期を大幅に長くしなくても、長周期の振動が長尺構造物に与えられたときの当該構造物の振動を適切に抑制できることが判明した。このためこの態様によれば、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる。
【００１０】
減衰機構は、相対変動を梃子を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパに減衰させてもよい。この態様によれば、ダンパのサイズを抑制することができる。このため、減衰機構を設けることによる制振装置の大型化を回避することができる。
【００１１】
支柱は、制御部材のうち長尺構造物の延在方向と垂直な所定方向の中央に固定され、減衰機構は、制御部材のうち所定方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられ、対応する縁部と自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させてもよい。
【００１２】
この態様によれば、制御部材のうち対向する２つの縁部を適切に減衰させることができる。このため、支柱が固定される第１の個所の変位を抑制でき、第１の個所を中心に支柱を揺動させて長尺構造物の振動を適切に緩和することができる。
【００１３】
梃子は、制御部材の縁部に第１回転端により接続され、第１回転端から離間する方向に延在する第１部材と、自由端と第１部材との間に介在し、第１部材と第２回転端により接続される第２部材と、を有してもよい。ダンパは、第１部材のうち第２回転端から所定方向に離れた個所と、自由端と、の間に介在してもよい。
【００１４】
この態様によれば、第１部材と第２部材を設けるという簡素な構成により梃子を構成することができる。このため、減衰機構の複雑化を回避でき、減衰機構のコストを抑制することができる。
【００１５】
ダンパは、第１部材のうち第１回転端と第２回転端との間よりも短い距離で第２回転端から所定方向に離れた個所と、自由端と、の間に介在してもよい。
【００１６】
この態様によれば、相対変位を小さい変位に簡易に変換してダンパに減衰させることができる。このため、ダンパのサイズを抑制することができ、減衰機構を設けることによる制振装置の大型化を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、地震発生時における長尺構造物の転倒または破損を適切に抑制できる制振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る長尺構造物ユニットを示す図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ制振装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実験に用いた長尺構造物ユニットの構成を示す図である。
【図４】図３の領域Ｒの拡大図である。
【図５】実験に用いた長尺構造物の形状や材質などを詳細に示す図である。
【図６】実験結果を示す図である。
【図７】（ａ）は、数値計算での制振の対象とする長尺構造物を示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）の視点Ｐおよび視点Ｑから長尺構造物を見た図である。
【図８】（ａ）は、長尺構造物ユニット全体の数値解析モデルを示す図である。（ｂ）は、制振装置の数値解析モデルを示す図である。
【図９】（ａ）は、長尺構造物ユニットの各寸法などを示す図である。（ｂ）は、制振装置１４の回転バネ剛性Ｋｒやダンパ減衰係数Ｃｅなどの値を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、解析モデルの頂部における絶対加速度の低減率を示す図である。
【図１１】（ａ）は、解析モデルの長尺構造物の柱脚の曲げモーメントの低減率を示す図である。（ｂ）は、解析モデルの長尺構造物の柱脚の剪断力の低減率を示す図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときの、解析モデルの頂部と制振装置の質量の相対変位の時刻歴応答を示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときのダンパエネルギの時刻歴応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、「実施形態」という。）について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る長尺構造物ユニット１０を示す図である。長尺構造物ユニット１０は、長尺構造物１２および制振装置１４を有する。長尺構造物１２は、下端１２ｂが地面１６に固定され、地面１６から鉛直方向上方に延在している。このため長尺構造物１２は、下端１２ｂが固定端で上端１２ａが自由端となる。制振装置１４は、長尺構造物１２の上端１２ａに取り付けられ、地震発生時に長尺構造物１２を制振する。制振装置１４は、長尺構造物１２の上端１２aにあればよく、必ずしも、上端１２aの中央に位置しなくてもよい。
【００２１】
図１では、長尺構造物１２として、上端１２ａに近づくほど径が小さくなる煙突を例示している。しかし長尺構造物１２が煙突に限られないことは勿論であり、長尺構造物１２は例えば電柱、広告塔、災害無線塔、電波塔など他の長尺構造物であってもよい。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ制振装置１４の構成を模式的に示す図である。制振装置１４は、ボトムプレート２０、制御プレート２２、弾性部材２４、振り子２６、および減衰機構３８を有する。ボトムプレート２０は金属などの硬質の材料によって形成される。ボトムプレート２０の上面２０ａには、円柱状の弾性部材２４の下端が接着などによって固着される。制御プレート２２もまた、金属などの硬質の材料によって形成される。制御プレート２２とボトムプレート２０とが弾性部材２４を介して互いに平行に配置されるよう、制御プレート２２の下面２２ｂに弾性部材２４の上面が接着などによって固着される。ボトムプレート２０は、上端１２ａにねじ止めなどによって固定される。このため制御プレート２２は、上端１２ａに弾性部材２４を介して取り付けられる。
【００２３】
振り子２６は、支柱２８および質量３０を有する。支柱２８は、上端に質量３０が付加され、下端が制御プレート２２の上面２２ａの水平方向中央に固定される。
【００２４】
減衰機構３８は、梃子４０およびダンパ４２を有する。減衰機構３８は、制御プレート２２のうち水平方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられる。減衰機構３８は、対応する制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、梃子４０を介してダンパ４２に減衰させる。なお、減衰機構３８が減衰するのが制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動に限られず、制御プレート２２のうち支柱２８が固定される中央以外の個所と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を減衰させてもよい。
【００２５】
上述のように長周期地震動による振動を抑制すべく支柱の固有振動数を低減させようとすると、支柱の強度が低下する虞がある。このため、本実施形態では、減衰機構３８が設けられている。減衰機構３８は、相対変動を梃子４０を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパ４２に減衰させる。後述するように、減衰機構３８を設けることで、支柱２８の固有振動数を大きく低下させなくても、長周期の振動が長尺構造物１２に与えられたときに長尺構造物１２を適切に制振できることが発明者による研究開発の結果判明した。このため制振装置１４を用いることで、地震発生時における長尺構造物１２の転倒または破損を適切に抑制できる。
【００２６】
具体的には、梃子４０は、第１ロッド４４および第２ロッド４６を有する。第１ロッド４４は、一端が制御プレート２２の縁部に回転端４８により接続され、回転端４８から離間する方向に延在する。第２ロッド４６は、長尺構造物１２の上端１２ａと第１ロッド４４との間に介在し、第１ロッド４４と回転端５４により接続される。ダンパ４２は、第１ロッド４４の他端と回転端５０により接続され、ボトムプレート２０の端部と回転端５２により接続される。回転端５０は、回転端４８と回転端５４との間よりも短い距離で水平方向に回転端５４から離れた個所に設けられる。回転端５２もまた、回転端４８と回転端５４との間よりも短い距離で水平方向に回転端５６から離れた個所に設けられる。なお、回転端５０および回転端５２の位置がこれに限られないことは勿論である。本実施例では回転端５０および回転端５２は、それぞれ回転端５４および回転端５６よりも弾性部材２４から離れた位置に配置されている。しかし、回転端５０および回転端５２は、それぞれ回転端５４および回転端５６よりも弾性部材２４に近い位置に配置されてもよい。
【００２７】
地震が発生すると、下端１２ｂから長尺構造物１２に振動が与えられる。長尺構造物１２は固有周期が長いため、長周期地震動のような周期の長い振動が継続すると、上端１２ａが水平方向に大きく変動する可能性がある。上端１２ａが水平方向に変動すると、下端が固定された固定個所Ｐ１を中心に支柱２８が揺動する。
【００２８】
このとき、制御プレート２２とボトムプレート２０との間に弾性部材２４が介在していることから、この弾性部材２４が変形して制御プレート２２も固定個所Ｐ１を中心に揺動する。こうして、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとが相対変動する。このとき、この相対変動量よりも、回転端５０と回転端５２との間の相対変動量の方が小さい。このように減衰機構３８は、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、これよりも小さい回転端５０と回転端５２との間の相対変動に変換してダンパ４２に減衰させる。また、ダンパ４２には、梃子４０の原理を用いて、小さな変位であるが、大きな力を与えることができる。これにより、回転端４８と長尺構造物１２の上端１２ａとの間にダンパを設けるよりもダンパ４２のサイズを抑制でき、制振装置１４の大型化を回避することができる。
【００２９】
発明者による研究開発の結果、本実施形態に係る制振装置１４によれば、長尺構造物１２の１次の固有周期と、制振装置１４を取り付けたときの長尺構造物１２の２次の固有周期とを一致させた場合が、最も有効であることが、実験おより数値計算により確認された。このため、制振装置１４を取り付けたときの長尺構造物１２の動きと逆方向に振り子２６を動かすことができる。このようにすると、長尺構造物１２を適切に制振することができる。以下、発明者により実施された実験および数値計算について説明する。
【００３０】
（実験的検討）
Ａ．実験概要
図３は、実験に用いた長尺構造物ユニット１００の構成を示す図である。長尺構造物ユニット１００は、長尺構造物１１０および制振装置１１２を有する。長尺構造物１１０は、試験体１２０および複数の付加質量１２２を有する。試験体１２０は、アルミニウム管によって構成される。試験体１２０の下端１２０ｂは、振動台１１６に固定されている。振動台１１６は、図３の左右方向に振動可能に設けられている。実際の長尺構造物の固有周期に近づけるため、この試験体１２０の外周に複数の付加質量１２２が取り付けられる。複数の付加質量１２２は、試験体１２０の外周上に、周方向では振動台１１６によって振動が与えられる方向に対向する位置に、軸方向では上端１２０ａから下端１２０ｂまで等間隔に配置される。こうして、長尺構造物１１０の固有周期が長くされている。
【００３１】
制振装置１１２は、ボトムプレート１３０、制御プレート１３２、弾性部材１３４、振り子１３６、および減衰機構１４８を有する。ボトムプレート１３０は、金属板を円形に切り取った形状に形成される。制御プレート１３２もまた、金属板を円形に切り取った形状に形成される。弾性部材１３４は、本実施形態ではウレタンによって形成されている。なお、弾性部材１３４が他の弾性材料によって形成されていてもよい。この実験では、弾性部材１３４は、直径１５０ｍｍと２００ｍｍの２種類を用いた。なお、高さはいずれも１００ｍｍのものを用いた。
【００３２】
振り子１３６は、支柱１３８および質量１４０を有する。支柱１３８は、上端に質量１４０が付加され、下端が制御プレート１３２の上面の水平方向中央に固定される。
【００３３】
減衰機構１４８は、梃子１５０およびダンパ１５２を有する。減衰機構１４８は、制御プレート２２のうち水平方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられる。減衰機構１４８は、対応する制御プレート２２の縁部と長尺構造物１２の上端１２ａとの相対変動を、梃子１５０を介してダンパ１５２に減衰させる。
【００３４】
図４は、図３の領域Ｒの拡大図である。梃子１５０は、第１ロッド１５４、第２ロッド１５６、および第３ロッド１５７を有する。第３ロッド１５７は金属によって形成されており、ボトムプレート１３０の端部にねじ止めによって一端が固定されている。第１ロッド１５４は、制御プレート１３２の端部にヒンジの回転端１５８により一端が接続されている。第１ロッド１５４および第３ロッド１５７は、互いに平行となるよう制御プレート１３２およびボトムプレート１３０の各々に取り付けられる。
【００３５】
第２ロッド１５６は、ヒンジの回転端１６４により第１ロッド１５４の中途部に上端が接続される。また、第２ロッド１５６は、ヒンジの回転端１６６により回転端１６２の中途部に下端が接続される。第２ロッド１５６は、鉛直方向に延在するよう第１ロッド１５４および第３ロッド１５７の各々に取り付けられる。
【００３６】
ダンパ１５２は、２つのダンパを組み合わせて構成される。ダンパ１５２は、上端が回転端１６０により第１ロッド１５４の中途部に接続される。また、ダンパ１５２は、下端が回転端１６２により第３ロッド１５７の中途部に接続される。このときダンパ１５２は、鉛直方向に延在するよう第１ロッド１５４および第３ロッド１５７の各々に取り付けられる。
【００３７】
回転端１６０は、回転端１６４よりも弾性部材１３４から離れた位置に配置される。また、回転端１６２は、回転端１６６よりも弾性部材１３４から離れた位置に配置される。このとき回転端１６０は、回転端１５８と回転端１６４との間よりも短い距離で水平方向に回転端１６４から離れた個所に設けられる。回転端１６２もまた、回転端１５８と回転端１６４との間よりも短い距離で水平方向に回転端１６６から離れた個所に設けられる。
【００３８】
したがって、回転端１５８と第３ロッド１５７、すなわち回転端１５８と試験体１２０の上端１２０ａとの間の相対変動量よりも、回転端５０と回転端５２との間の相対変動量の方が小さい。これにより減衰機構１４８は、回転端１５８と第３ロッド１５７との相対変動を、これよりも小さい回転端１６０と回転端１６２との間の相対変動に変換してダンパ１５２に減衰させる。ダンパ１５２には、小さな相対変動であるが、梃子１５４を介して、大きな力が作用する。この実験では、回転端１５８と回転端１６４との間の距離は１５０ｍｍとした。また、回転端１６４と回転端１６０との距離は１５ｍｍとした。
【００３９】
図５は、実験に用いた長尺構造物１１０の形状や材質などを詳細に示す図である。この長尺構造物１１０に上述の制振装置１１２を取り付けた場合と、長尺構造物１１０のみで制振装置１１２を取り付けていない場合と、の各々において、地震波として代表的なEL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.5ｍ/sに換算した加速度波を振動台１１６に与えた。地震波には、海溝型のEL Centro 1940-NS成分、直下型の兵庫県南部地震での神戸海洋気象台ＮＳ成分、サイト型の能登半島ＥＷ成分、および長周期型の苫小牧ＮＳ成分などの種類がある。試験体１２０の固有周期は、このうち能登半島ＥＷ以外の地震波の卓越領域にある。このため、この領域で制振効果を発揮できれば、様々な地震に対して対応可能な制振効果を期待できることになる。
【００４０】
Ｂ．実験結果
図６は、実験結果を示す図である。この実験では、条件１−３の３種類の制振装置１１２を用いて実験を行った。条件１では、弾性部材１３４の外径を１５０ｍｍ、質量１４０が０．４５ｋｇ、質量１４０の取付位置、すなわち支柱１３８の長さを６００ｍｍとした。条件２では、弾性部材１３４の外径を１５０ｍｍ、質量１４０が０．８９ｋｇ、質量１４０の取付位置を４５０ｍｍとした。条件３では、弾性部材１３４の外径を２００ｍｍ、質量１４０が４．０４ｋｇ、質量１４０の取付位置を６００ｍｍとした。質量１４０の取付位置を条件に応じて変更しているのは、長尺構造物１１０に制振装置１１２を取り付けたときの２次の固有周期と、長尺構造物１１０のみで制振装置１１２を取り付けていないときの１次の固有周期とを一致するよう調整したものである。
【００４１】
加速度センサや歪みセンサは、試験体１２０の上端１２ａに取り付けた。結果の欄における「○」は、（制振装置１１２を取り付けたときの最大値）／（制振装置１１２を取り付けなかったときの最大値）＜１となったことを示しており、制振装置１１２を取り付けることによって制振効果が認められたことを示している。このように条件１−３のすべてにおいて、地震波として代表的なEL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.5ｍ/sに換算した加速度波の振動が与えられたときに制振効果がすべての項目に対し認められた。したがって、制振装置１１２が地震発生時の長尺構造物１１０の倒壊や破損の抑制に効果があることが証明された。
【００４２】
（数値計算的検討）
Ａ．数値計算による実構造物への試設計
実構造物は高さが１００ｍなど大きなものとなることが多く、実構造物を実際に振動させて制振装置の効果を確認することは困難である。このため、以下、数値計算を用いたシミュレーションにより、実構造物での効果を検証した。なお、上記実験における条件を数値計算においても再現して確認し、実験と数値計算が概ね一致するとの結果を予め得ている。
【００４３】
図７（ａ）は、数値計算での制振の対象とする長尺構造物１２を示す図であり、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）の視点Ｐおよび視点Ｑから長尺構造物１２を見た図である。長尺構造物１２は、日本建築学会、「鋼製煙突構造計算規準・同解説、１９６５年制定」、１９６５年、丸善、ＰＰ．６１−８７の「鉄骨造」の煙突とした。高さｈ１は１００ｍとした。上端１２ａでの外径ｄ１は５．２５ｍ、厚さｗ１は０．０６ｍとし、下端１２ｂでの外径ｄ２は８．６ｍ、厚さｗ２は０．２８ｍとした。
【００４４】
図８（ａ）は、長尺構造物ユニット１０全体の数値解析モデルを示す図である。上述のように、長尺構造物１２の高さｈ１は１００ｍとしている。
【００４５】
図８（ｂ）は、制振装置１４の数値解析モデルを示す図である。２つの回転端４８の間の距離、すなわち弾性部材２４の直径は８００ｍｍとし、弾性部材２４の高さｈ２を２００ｍｍとしている。また、回転端４８から回転端５４までの距離Ｌ１を４００ｍｍ、回転端５４から回転端５０までの距離Ｌ２を２００ｍｍとしている。
【００４６】
図９（ａ）は、長尺構造物ユニット１０の各寸法などを示す図である。図９（ｂ）は、制振装置１４の回転バネ剛性Ｋｒやダンパ減衰係数Ｃｅなどの値を示す図である。制振装置の集中質量の重量Ｍは、解析モデルとの重量比３％を限度として、１％、２％および３％となるようそれぞれＭ＝３０００ｋｇ、６０００ｋｇ、９０００ｋｇとした。ダンパ減衰係数Ｃｅは、１.０、５.０、１０.０（ｋＮ／[ｍｍ／ｓ]）とした。回転バネ剛性Ｋｒは、０.１、１.０、１０.０、１００.０（ｋＮ・ｍ／ｒａｄ）とした。解析モデルの１次の固有周期と制振装置を取り付けた解析モデルの２次の固有周期を一致させるため、集中質量の取付位置を回転バネからの高さを２ｍとし、固有周期が合わないＫｒの値については高さを調整した。
【００４７】
Ｂ．数値計算による結果
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、解析モデルの頂部における絶対加速度の低減率を示す図である。図１０（ａ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１．０の場合、図１０（ｂ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合、図１０（ｃ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１０．０の場合を示している。図１０（ａ）−図１０（ｃ）を見て分かるように、解析モデルの頂部の絶対加速度は、ダンパの減衰係数Ｃｅと集中質量の重量Ｍの値が大きいほど良好な制振効果を示している。
【００４８】
図１１（ａ）は、解析モデルの長尺構造物１２の柱脚の曲げモーメントの低減率を示す図である。図１１（ｂ）は、解析モデルの長尺構造物１２の柱脚の剪断力の低減率を示す図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）については、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合を示している。各集中質量の重量Ｍに対して最大、最小とは、入力地震波に対して応答が異なるため、すべての地震波における低減率が最大と最小の値を示している。
【００４９】
解析モデルの柱脚の曲げモーメントと剪断力は、Ｃｅ＝５.０で最も良好な結果を示し、質量３０の値が大きいほど良好な制振効果を示した。全ての項目において、回転バネ剛性Ｋｒの値による制振効果への影響はほぼ無い。
【００５０】
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75ｍ/sに換算した加速度波が作用したときの、解析モデルの頂部と制振装置１４の質量３０の相対変位の時刻歴応答を示す図である。なお、質量Ｍは９０００ｋｇ、回転バネ剛性Ｋｒ＝１０．０としている。図１２（ａ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝０．１の場合を示している。図１２（ｂ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝１．０の場合を示している。図１２（ｃ）は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０の場合を示している。
【００５１】
図１２（ａ）より、Ｃｅ＝０.１のときは、質量３０が偏っていることが分かる。図１２（ｂ）では、Ｃｅ＝１.０のときは、制振装置１４の質量３０が解析モデルの頂部に対して逆位相の挙動を示している。図１２（ｃ）では、Ｃｅ＝５.０のときは、位相がずれ、制振装置の集中質量は頂部とは異なる挙動を示している。すべての質量Ｍと回転バネ剛性Ｋｒの値において、ダンパ減衰係数Ｃｅの値が大きいほど質量３０の相対変位は減少した。このことから、ダンパ４２が質量３０の挙動を抑制していることがわかる。
【００５２】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、EL Centro 1940-NS成分の最大速度を0.75m/sに換算した加速度波が作用したときのダンパエネルギの時刻歴応答を示す図である。図１３（ａ）は、回転バネ剛性Ｋｒ＝１．０、質量Ｍ＝９０００ｋｇのときを示している。図１３（ｂ）は、回転バネ剛性Ｋｒ＝１．０、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０のときを示している。
【００５３】
図１３（ａ）より、ダンパ減衰係数Ｃｅが０.１〜５.０の間では、Ｃｅの値が大きくなるほどダンパエネルギが増加し、Ｃｅが１０.０のときは、Ｃｅが１.０および５.０のときよりダンパエネルギが減少したことが分かる。図１３（ｂ）より、質量Ｍの値が大きいほど、ダンパエネルギが増加する傾向にあることが分かる。本解析モデルにおける制振効果は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０で最も良好な結果を示し、質量Ｍの値が大きいほど制振効果が大きいことを示した。これに対しエネルギの計算結果は、ダンパ減衰係数Ｃｅ＝５．０のときはダンパ減衰係数Ｃｅが他の値のときに比べてダンパエネルギが大きく、質量Ｍの値が大きいほどダンパエネルギが大きいことを示した。以上より、制振装置１４は、ダンパ４２によるエネルギの消費が大きいほど、良好な制振効果を得ることができると言える。
【００５４】
以上において、稀に発生する大地震において、塔状構造物の倒壊を抑制する新しい制振装置を提案した。実験的検討から、提案した制振装置の有効性を確認した。また、長周期の地震波における制振効果と試験体の柱脚における曲げモーメントの制振効果から、制振装置１４は、長周期への対応が難しく曲げに弱いという塔状構造物の欠点を改善出来ると言える。また、数値計算による実構造物への試設計から、提案した制振装置は実大の塔状構造物に適応可能なことが明らかとなった。また、制振装置１４は、構造物との重量比３％において良好な制振効果を確認できたことから、従来の制振装置より軽量であると言える。
【００５５】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の各要素を適宜組み合わせたものも、本発明の実施形態として有効である。また、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を本実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 長尺構造物ユニット、 １２ 長尺構造物、 １２ａ 上端、 １２ｂ 下端、 １４ 制振装置、 ２０ ボトムプレート、 ２２ 制御プレート、 ２４ 弾性部材、 ２６ 振り子、 ２８ 支柱、 ３０ 質量、 ３８ 減衰機構、 ４０ 梃子、 ４２ ダンパ、 ４４ 第１ロッド、 ４６ 第２ロッド、 ４８，５０，５２，５４，５６ 回転端、 １００ 長尺構造物ユニット、 １１０ 長尺構造物、 １１２ 制振装置、 １２０ 試験体、 １２０ａ 上端、 １２０ｂ 下端、 １２２ 付加質量、 １３０ ボトムプレート、 １３２ 制御プレート、 １３４ 弾性部材、 １３６ 振り子、 １３８ 支柱、 １４０ 質量、 １４８ 減衰機構、 １５０ 梃子、 １５２ ダンパ、 １５４ 第１ロッド、 １５６ 第２ロッド、 １５７ 第３ロッド、 １５８，１６０，１６２，１６４，１６６ 回転端。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に質量が付加された支柱と、
前記支柱の他端が第１の個所で固定される制御部材と、
一端が固定端で他端が自由端の長尺構造物の前記自由端と、前記制御部材と、の間に介在する弾性部材と、
前記制御部材の第２の個所と前記自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させる減衰機構と、
を備えることを特徴とする長尺構造物の制振装置。
【請求項２】
前記減衰機構は、前記相対変動を前記梃子を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパに減衰させることを特徴とする請求項１に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項３】
前記支柱は、前記制御部材のうち前記長尺構造物の延在方向と垂直な所定方向の中央に固定され、
前記減衰機構は、前記制御部材のうち前記所定方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられ、対応する縁部と前記自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させることを特徴とする請求項１または２に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項４】
前記梃子は、
前記制御部材の縁部に第１回転端により接続され、第１回転端から離間する方向に延在する第１部材と、
前記自由端と第１部材との間に介在し、第１部材と第２回転端により接続される第２部材と、
を有し、
前記ダンパは、第１部材のうち第２回転端から前記所定方向に離れた個所と、前記自由端と、の間に介在することを特徴とする請求項３に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項５】
前記ダンパは、第１部材のうち第１回転端と第２回転端との間よりも短い距離で第２回転端から前記所定方向に離れた個所と、前記自由端と、の間に介在することを特徴とする請求項４に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項１】
一端に質量が付加された支柱と、
前記支柱の他端が第１の個所で固定される制御部材と、
一端が固定端で他端が自由端の長尺構造物の前記自由端と、前記制御部材と、の間に介在する弾性部材と、
前記制御部材の第２の個所と前記自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させる減衰機構と、
を備えることを特徴とする長尺構造物の制振装置。
【請求項２】
前記減衰機構は、前記相対変動を前記梃子を用いて当該相対変動よりも小さい変動に変換してダンパに減衰させることを特徴とする請求項１に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項３】
前記支柱は、前記制御部材のうち前記長尺構造物の延在方向と垂直な所定方向の中央に固定され、
前記減衰機構は、前記制御部材のうち前記所定方向において対向する２つの縁部の各々に対応して設けられ、対応する縁部と前記自由端との相対変動を、梃子を介してダンパに減衰させることを特徴とする請求項１または２に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項４】
前記梃子は、
前記制御部材の縁部に第１回転端により接続され、第１回転端から離間する方向に延在する第１部材と、
前記自由端と第１部材との間に介在し、第１部材と第２回転端により接続される第２部材と、
を有し、
前記ダンパは、第１部材のうち第２回転端から前記所定方向に離れた個所と、前記自由端と、の間に介在することを特徴とする請求項３に記載の長尺構造物の制振装置。
【請求項５】
前記ダンパは、第１部材のうち第１回転端と第２回転端との間よりも短い距離で第２回転端から前記所定方向に離れた個所と、前記自由端と、の間に介在することを特徴とする請求項４に記載の長尺構造物の制振装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２４７００６（Ｐ２０１２−２４７００６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９４１３（Ｐ２０１１−１１９４１３）
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年２月１８日発行の「平成２２年度修士公聴会予稿集」に発表
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２７日（２０１１．５．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年２月１８日発行の「平成２２年度修士公聴会予稿集」に発表
【出願人】（５９３１６５４８７）学校法人金沢工業大学 (202)
【Ｆターム（参考）】
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