(57)【要約】【課題】減衰の小さい塔状構造物の応答を効果的に抑制する。【解決手段】基壇部２の頂部から塔状部１を立設した形態の塔状構造物の制振構造であって、基壇部の水平剛性を塔状部の水平剛性よりも大きく設定するとともに、基壇部の水平剛性と並列に慣性質量ダンパー３とオイルダンパー４等の減衰要素とを設置して、該基壇部の水平剛性と前記慣性質量ダンパーによる慣性質量により定まる振動数を前記塔状部の固有振動数に同調させる。塔状部の水平剛性k1、基壇部の水平剛性k2、塔状部の有効質量m1であるとき、慣性質量ダンパーによる慣性質量ψを  ψ≒(k2/k1)m1  とすれば良い。【選択図】図１
2011017140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基壇部の頂部から塔状部を立設した塔状構造物の制振構造であって、
基壇部の水平剛性を塔状部の水平剛性よりも大きく設定するとともに、基壇部の水平剛性と並列に慣性質量ダンパーと減衰要素とを設置して、該基壇部の水平剛性と前記慣性質量ダンパーによる慣性質量により定まる振動数を前記塔状部の固有振動数に同調させることを特徴とする塔状構造物の制振構造。
【請求項２】
請求項１記載の塔状構造物の制振構造であって、
塔状部の水平剛性k1、基壇部の水平剛性k2、塔状部の有効質量m1であるとき、慣性質量ダンパーによる慣性質量ψを  ψ≒(k2/k1)m1  として設定することを特徴とする塔状構造物の制振構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信塔や展望タワー等の塔状構造物を対象とする制振構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信塔や展望タワー等の塔状構造物の多くは曲げ変形が卓越し構造体の減衰も小さいことから地震や風に対する応答が大きく、特に固有振動数に近い外乱が入力されると共振現象により大きな揺れが長時間継続するという問題がある。
塔状構造物を対象とする制振構造としては、頂部にＴＭＤ（動吸振機構）を設置して応答を低減するものが最も一般的であるが、錘の重量が構造物への負荷となるため、せいぜい風荷重に対する居住性の改善程度にしか適用できなかった。
また、地震時の応答低減を図るために各所に制振ダンパーを組み込む方法もあるが、曲げ変形が卓越することからダンパーに生じる相対変位が小さく、大きな制振効果を得ることができなかった。
【０００３】
さらに、たとえば特許文献１〜３に示されるように、塔状構造物の全体をコア部とその周囲の本体部とに構造的に分離（特許文献１では内塔と外塔、特許文献２では中央コア体と外殻塔体、特許文献３ではコア部と塔本体に分離）して、それらの間に各種のダンパーを介装することにより、双方の振動性状（固有振動数や固有モード）の違いによる相対振動を利用してダンパーを作動させて応答低減を図るという制振構造も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１３６６５１号公報
【特許文献２】特開２００１−２３４６４５号公報
【特許文献３】特開２００８−２４０３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に示される制振構造は、通常のＴＭＤのように大きな付加質量を必要とせずに風のみならず地震時にも有効であると考えられるものの、塔状構造物の全体を二重構造として双方を大規模なダンパーにより連結するという特殊かつ複雑な構造形式であるので計画的にも施工的にも様々な制約を受けることから、各種の塔状構造全般に広く適用し得る制振手法とはなり得ていない。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明は塔状構造物の応答を効果的に抑制し得ることはもとより、構造全体が過度に複雑化することなく広く一般に適用可能である有効適切な制振構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は基壇部の頂部から塔状部を立設した塔状構造物の制振構造であって、基壇部の水平剛性を塔状部の水平剛性よりも大きく設定するとともに、基壇部の水平剛性と並列に慣性質量ダンパーと減衰要素とを設置して、該基壇部の水平剛性と前記慣性質量ダンパーによる慣性質量により定まる振動数を前記塔状部の固有振動数に同調させることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、塔状部の水平剛性k1、基壇部の水平剛性k2、塔状部の有効質量m1であるとき、慣性質量ダンパーによる慣性質量ψを  ψ≒(k2/k1)m1  として設定すれば良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の制振構造は、塔状部を支持する基壇部に慣性質量ダンパーと減衰要素を付加するのみで塔状部と基壇部とに跨るＴＭＤ機構が構成され、塔状部の固有振動数近傍での共振特性を大幅に改善することができて塔状部全体の減衰性能が大幅に向上し、地震や風に対する応答が低減でき、外乱がおさまった後の後揺れについても大幅に抑制できる。
また、基壇部の質量は同調に殆ど寄与しないので、基壇部の用途や基材等の積載荷重が変化しても同調特性が変動せず、安定して応答低減効果を発揮することができる。
さらに、従来一般のＴＭＤ機構のように塔状部の頂部近傍に付加質量を設置する必要がなく基壇部だけにダンパーを設置するので、高所に大きな重量を設置する必要がなく塔状部への荷重負荷も小さい。また、慣性質量ダンパーは実際の錘重量の数百倍〜数千倍の慣性質量効果を実現できるので、軽量なダンパーでも大きな錘と同様のＴＭＤ効果を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の制振構造の実施形態を説明するための全体の概要図および振動モデル図である。
【図２】本発明の制振構造の効果を説明するための図である。
【図３】比較例である従来型制振の性能を示す図である。
【図４】比較例である従来型制振の性能を示す図である。
【図５】本発明の制振構造の効果を説明するための図である。
【図６】振動解析に用いる入力波形を示す図である。
【図７】本発明の制振構造についての解析結果を比較例とともに示す図である。
【図８】本発明の制振構造についての解析結果を比較例とともに示す図である。
【図９】比較例である従来型制振についての解析結果を示す図である。
【図１０】本発明の制振構造についての解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に本発明の制振構造の実施形態を示す。（ａ）は全体概要図、（ｂ）はその振動モデル図である。  
本実施形態の制振構造は、減衰の小さい塔状部１が基壇部２の頂部から立設された形態の塔状構造物を対象として、基壇部２に慣性質量ダンパー３とオイルダンパー４等の減衰要素を付加することによって塔状部１の応答を効果的に抑制するものである。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように塔状部１の質量m1、等価な水平剛性k1、減衰係数c1とする。
なお、塔状部１の固有振動数f1とすると、水平剛性k1は
【数１】
2011017140.tif 000003
である。
【００１３】
基壇部２の質量m2、水平剛性k2、減衰係数c2とする。基壇部２の水平剛性k2は塔状部１の水平剛性k1よりも充分に大きくする（k2≫k1）。
基壇部２の水平剛性k2と並列に慣性質量ψをもつ慣性質量ダンパー３と、減衰係数cをもつオイルダンパー４を設置する。すなわち、（ａ）に示すように慣性質量ダンパー３とオイルダンパー４の一端を基壇部２の底部に対して（ないし基礎を介して地盤に対して）接続するとともに、それらの他端をブレース状の連結部材５を介して基壇部２の上部に対して接続し、基端部２の底部と上部との間で水平方向に層間変形が生じた際にそれら慣性質量ダンパー３とオイルダンパー４が作動するようにする。
なお、本発明においては、減衰要素としてオイルダンパー４の他、履歴系の鋼材ダンパーや摩擦ダンパー、粘弾性ダンパー、粘性ダンパー等も好適に採用可能であり、それらを適宜組み合わせて併用することでも良いが、いずれにしても減衰要素の減衰係数cは基壇部２の構造減衰（減衰係数c2）に比べて充分に大きくする（c≫c2）。
【００１４】
そして、基壇部２の水平剛性k2と慣性質量ψから定まる振動数f2を、塔状部１の固有振動数f1に同調させるように各諸元を設定する。
具体的には、塔状部の固有振動数f1と、上記の振動数f2はそれぞれ
【数２】
2011017140.tif 000004
であるから、f1≒f2  とするために、慣性質量ダンパー３のもつ慣性質量ψを
【数３】
2011017140.tif 000005
とすれば良い。
【００１５】
なお、オイルダンパー４の減衰係数cは
【数４】
2011017140.tif 000006
とすれば良い。
【００１６】
本発明の制振構造を塔状部１の高さが160mの展望タワーに適用した場合の効果について具体的に検討する。
図１（b）に示すように等価１質点振動系にモデル化し、基壇部２の下から地震入力を与えた場合において、塔状部１の水平変位x1、基壇部２の水平変位x2（いずれも地表を原点とする）とすると、振動方程式は
【数５】
2011017140.tif 000007
となる。
【００１７】
塔状部１の質量m1＝1000ton、等価水平剛性k1＝10kN/mm、固有振動数f1＝0.5Hz（固有周期2秒）とする。
基壇部２の質量m2＝1000ton、等価水平剛性k2＝200kN/mm（塔状部の20倍）、慣性質量ダンパー３の慣性質量ψ＝20000ton、オイルダンパー４の減衰係数c＝17000kN＝170kN/kineとする。構造減衰はh＝0.01とした。
【００１８】
以上の条件で、加速度と層間変位の応答倍率を図２に示す。（ａ）は塔状部頂部と基壇部頂部における加速度応答倍率、（ｂ）は同じく変位応答倍率（上下端の相対変位）を示す。横軸の加振振動数比ξは塔状部の固有角振動数ω0に対する加振角振動数ωの比であり、縦軸の応答倍率は加振振幅に対する応答振幅の比である。
比較のために、慣性質量ダンパーを省略してオイルダンパーのみを設置した場合（ψ＝0、c＝170kN/kineの場合）の応答を図３に示す。
図２および図３から、オイルダンパーを設置するのみで慣性質量ダンパーがない比較例の場合には共振点近傍（ξ≒1）での塔状部頂部の応答倍率は50倍にもなるのに対し、慣性質量ダンパーとオイルダンパーを設置する本発明の制振システムではわずか5倍程度にまで低減できることがわかる。
また、基壇部の応答は塔状部の応答に比べて極めて小さく、基壇部の剛性が高いために共振点近傍を除き地盤からの入力とほぼ同じ（加速度応答倍率がほぼ1、変位応答倍率がはぼ0）となっている。
【００１９】
なお、図３に示した比較例は慣性質量ダンパーを省略しただけでオイルダンパーについては図２の場合と同等にしたもの（c＝170kN/kine）であるが、慣性質量ダンパーを省略した場合において応答倍率のピークを最小化するようにオイルダンパーを最適化してc＝660kN/kineとした場合を図４に示す。
図４に示されるように、オイルダンパーを最適化しても図３に示される結果に比べて応答倍率が若干改善される程度に過ぎず（最適減衰より大きな減衰を付与しても応答はさらに増加して逆効果になる）、このことから基壇部に単にオイルダンパーを加えるだけの通常の制振手法では自ずと限界があって本発明に匹敵し得るような効果が得られないことがわかる。
【００２０】
以上の検討は基壇部の質量m2＝1000tonの場合であるが、基壇部の質量を1/10にした場合、すなわちm2＝100tonとした場合について同様に検討した結果を図５に示す。
この場合も図２に示した結果と殆ど変わらず、このことから本発明の制振システムは基壇部の質量が大きく変動しても塔状部に対する制振効果（応答倍率）は変動しないことがわかる。
【００２１】
次に、上記の条件での制振効果を時刻歴応答解析により検討する。
入力地震動は 図６に示す  EL CENTRO(NS) 50kine(512gal)とし、基壇部の下から基礎固定として入力する。地震動の波形は40秒だが、後揺れを見るために解析時間は120秒間とする。
【００２２】
図７は塔状部頂部での応答加速度を示すものであり、図８は塔状部の応答変位を示すものである。いずれも（ａ）は図３に示した従来型制振の場合、（ｂ）は図２に示した本発明の制振構造の場合である。
この解析結果から、従来型のオイルダンパーのみで慣性質量なしの場合は塔状部の振動が長時間継続するが、慣性質量を付与した本発明の制振構造では最大応答値が２割低減するとともに大きな応答が継続せず、応答振幅が急峻に低減していき、このことから地震の後揺れに効果的であることがわかる。
【００２３】
図９は、オイルダンパーのみによる従来型制振においてオイルダンパーを最適化した場合（慣性質量なし、c＝660kN/kine  の場合）を示す。この従来型制振においてオイルダンパーを最適化することにより応答加速度および応答変位は若干改善されるが、本発明と比べれば効果の差は明白である。
【００２４】
図１０は、本発明の制振構造において基壇部の質量を1/10（すなわちm2＝100ton）とした場合を示す。基壇部の質量が大きく変動しても応答低減効果は殆ど変わらず、このことから基壇部の質量は同調条件に寄与しないことがわかる。
【００２５】
本発明の効果を以下に列挙する。
(1)塔状部を支持する基壇部に慣性質量ダンパーと減衰要素を付加するのみで、塔状部全体の減衰性能が大幅に向上し、地震や風に対する応答が低減できる。また、外乱がおさまった後の後揺れについても大幅に抑制できる。そのため、本発明はたとえば展望タワー、通信塔（デジタル通信用のパラボラアンテナなど）、煙突や排気筒、屋上テレビカメラ設置塔といった塔状構造物全般に適用するものとして好適である。
(2)微小振幅から大振幅まで有効なパッシブ型の制振構造であり、外部エネルギーを必要としない。電気やコンピュータ制御が不要であり、単純な機構なので信頼性が高く、ローコストである。
(3)基壇部の剛性は塔状部よりも桁違いに大きくできるので、基壇部の変形は小さく、基壇部を設けたことによる塔状部への悪影響はない。
(4)単にオイルダンパー等の減衰要素を付加するだけの従来型制振構造では、基壇部の剛性が大きく層間変形が小さいために減衰要素の効きが悪く大きな応答低減効果は期待できないが、本発明では慣性質量ダンパーと減衰要素とを塔状部と直列配置することで塔状部と基壇部とに跨るＴＭＤ機構が構成され、塔状部の固有振動数近傍での共振特性を大幅に改善することができる。
【００２６】
(5)基壇部の質量は同調に殆ど寄与しない。そのため、基壇部の用途や基材等の積載荷重が変化しても同調特性が変動せず、安定して応答低減効果を発揮することができる。
(6)本発明の制振構造は塔状構造物を新設する場合に適用するのみならず、既存の塔状構造物に対する制振補強対策としても適用し得る。その場合、既存の基壇部があればそこに慣性質量ダンパーと減衰要素を付加すれば良く、基壇部がなければ基壇部を増設してそこに慣性質量ダンパーと減衰要素を設置すれば良く、既存の塔状部を使用しながら制振補強を行うことも可能である。
(7)従来一般のＴＭＤは塔状部の頂部近傍に設置する必要があり、その重量が塔状部への負荷となるが、本発明では基壇部だけに慣性質量ダンパーと減衰要素を設置するだけなので高所に大きな重量を設置する必要がなく、塔状構造物全体への荷重負荷が小さい。
(8)慣性質量ダンパーは実際の錘重量の数百倍〜数千倍の慣性質量効果を実現できるので、軽量なダンパーでも大きな錘と同様のＴＭＤ効果を発揮できる。また、構造物の質量に対する錘（慣性質量）の質量比を大きくとれるのでロバスト性の高い制振機構となる。そのため、同調精度を高めなくても済み、構造物の重量や剛性が変動しても広帯域に制振効果を発揮するので、同調作業を頻繁に行う必要がない。
【００２７】
(9)なお、「慣性質量ダンパーと付加バネを直列して層間に設置したＴＭＤ機構」は既に開発されているが、そのような機構は「慣性質量と付加バネ剛性からなる振動系を主系（本体構造）に同調させる」ものである。それに対し，本発明は「慣性質量ダンパーと減衰要素を構造バネと並列して層間に設置した構造」であり、「慣性質量と構造バネ剛性からなる振動系を主系（本体構造）に同調させる」ものであり、慣性質量ダンパーを組み込んだ層の上に本体構造をもつ2層以上の振動系を対象としたものであるので、上記のような直列型の制振機構とは全く異なる原理によるものである。
本発明において利用する構造バネは付加バネのように任意の調整ができず値も大きいので、必要とされる慣性質量は付加バネを利用する直列型制振機構より大きくなるが、本発明では付加バネが不要であるのでより簡単な設置方法で大きな応答低減効果を発揮できる点で有利である。
また、慣性質量を構造バネと並列する振動遮断機構も提案されているが、これは減衰が小さいほど効果を発揮するものであり、本発明のように最適減衰を与えて応答低減するものとは異なる。
【符号の説明】
【００２８】
１  塔状部
２  基壇部
３  慣性質量ダンパー
４  オイルダンパー（減衰要素）
５  連結部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011017140.tif 000016
【図１０】
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