JP2005344452A - Vibration control device, vibration control method, and long-sized structure - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電柱や鉄塔等の長尺構造物に設置される制振装置および制振方法に関する。 The present invention relates to a vibration damping device and a vibration damping method installed in a long structure such as a utility pole or a steel tower.
地震により電柱や鉄塔などの構造物が損傷、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、地震による構造物の損傷、倒壊を防止するために、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ーを、衝撃、熱、材料の塑性変形などにエネルギー変換して吸収する技術の総称である。 If structures such as utility poles and steel towers are damaged or collapsed by an earthquake, life infrastructure will be lost over a long period of time. Therefore, a number of seismic, seismic isolation and vibration control technologies have been developed to prevent damage and collapse of structures due to earthquakes. Among these, the damping technology is a general term for technologies that absorb and absorb acceleration energy due to ground fluctuations into impact, heat, plastic deformation of materials, and the like.
制振技術のひとつとして、付加質量機構によるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。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。共振質量は、構造物頂部にレール、バネ、積層ゴムなどで支持され、多くの場合オイルダンパなどの付加減衰が付加されている。付加質量機構は、構造物の形状が細長であり、曲げ変形による頂部振動が顕著な振動の制御に有効である。
しかしながら、例えば電柱や鉄塔のように多数設置される構造物に、上記特許文献1のような大型で複雑な機構を備えることは、設置の手間やコストの面から現実的でない。また、そのような複雑な機構を、既設の構造物に後から設置することは困難である。また、振動のエネルギーを衝撃や音などにより発散させるものも知られているが、これらは騒音を発するため好ましくない。
However, it is not realistic to install a large and complex mechanism such as
本発明はこうした点に鑑みてなされたもので、簡便な構造で電柱や鉄塔等の長尺構造物を制振する技術を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a point, and it aims at providing the technique which controls long structures, such as a utility pole and a steel tower, with a simple structure.
本発明のある態様は、一端を制振対象の構造物に取り付け他端を自由端とし、この自由端に質量を付加した支柱と、前記支柱の片持ち振動を減衰させる減衰部材とを備えることを特徴とする制振装置である。この態様によれば、長尺構造物の一部に支柱と減衰部材という簡便な構造の制振装置を備えるだけで制振効果を得ることができる。また、従来の制振装置に比べてわずかな設置面積しか必要としない。 An aspect of the present invention includes a column having one end attached to a structure to be controlled and having the other end as a free end, and a mass added to the free end, and a damping member for damping cantilever vibration of the column. Is a vibration damping device characterized by According to this aspect, it is possible to obtain a vibration damping effect by simply providing a vibration damping device having a simple structure such as a column and a damping member in a part of the long structure. In addition, a small installation area is required as compared with the conventional vibration damping device.
本発明の別の態様は、長尺構造物に設置される制振装置である。この制振装置は、所定の質量を有する付加質量部と、前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる単一の支柱部と、前記支柱部に接して設けられる振動減衰部と、を備え、当該制振装置の固有振動数が、前記長尺構造物の固有振動数と略等しくなるように調整されている。 Another aspect of the present invention is a vibration damping device installed in a long structure. The vibration damping device includes an additional mass unit having a predetermined mass, a single support unit that positions the additional mass unit spaced apart in the longitudinal direction of the long structure, and a vibration that is provided in contact with the support unit. And a natural frequency of the damping device is adjusted so as to be substantially equal to the natural frequency of the long structure.
ここで、「長尺構造物」とは、解析上一次元近似できる縦長形状の構造物をいい、例えば、電柱、照明ポール、広告塔、クレーン、信号機、鉄道架線柱、鉄塔、道路標識柱、高層ビルなどを含む。 Here, the “long structure” refers to a vertically long structure that can be approximated one-dimensionally in analysis, for example, a utility pole, a lighting pole, an advertising tower, a crane, a traffic light, a railway overhead pole, a steel tower, a road sign pillar, Including high-rise buildings.
この態様によれば、制振装置の固有振動数を長尺構造物の固有振動数と一致させることによって制振装置を共振させ、付加質量部を含む支柱部の振動のエネルギーをダンパ等の振動減衰部によって吸収するので、従来の付加質量機構による制振技術に比べて簡易な構成で長尺構造物の制振を達成することができる。 According to this aspect, the vibration damping device is made to resonate by matching the natural frequency of the vibration damping device with the natural frequency of the long structure, and the vibration energy of the support column including the additional mass portion is oscillated by a damper or the like. Since it is absorbed by the damping part, it is possible to achieve the vibration suppression of the long structure with a simple structure as compared with the vibration suppression technique using the conventional additional mass mechanism.
制振装置は、長尺構造物ごとの振動性状に応じて、当該制振装置の固有振動数を設置時および設置後に可変であるように構成してもよい。ここで、「振動性状に応じて」とは、長尺構造物の長さ、断面積、重量、トランス等の付属構造物の有無、電柱等に架けられている架線の本数などによって変化する長尺構造物の振動性状に合うように、固有振動数を変更できるという意味である。こうすれば、制振対象の長尺構造物の固有振動数に合わせて、設置現場で制振装置の固有振動数を調整することができるので、作業効率が向上する。 The vibration damping device may be configured such that the natural frequency of the vibration damping device is variable at the time of installation and after the installation according to the vibration property of each long structure. Here, “according to vibration properties” means a length that varies depending on the length, cross-sectional area, weight, presence or absence of an auxiliary structure such as a transformer, the number of overhead wires laid on a power pole, etc. This means that the natural frequency can be changed to match the vibration properties of the scale structure. In this way, the natural frequency of the vibration damping device can be adjusted at the installation site in accordance with the natural frequency of the long structure to be damped, so that work efficiency is improved.
固有振動数を可変にすることには、付加質量部の取り付け位置を移動可能にすること、支柱部の曲げ合成を可変とすること、付加質量部の質量を可変とすることが含まれる。固有振動数を可変にしない場合には、付加質量部と支柱部とを一体成形してもよい。 Making the natural frequency variable includes making the attachment position of the additional mass portion movable, making the bending composition of the support column variable, and making the mass of the additional mass portion variable. If the natural frequency is not variable, the additional mass part and the support part may be integrally formed.
支柱部に二以上の付加質量部を装着可能な構造とするなどして、支柱部に複数の質点を持たせてもよい。これによって、長尺構造物の複数の振動モードに対応した制振効果を発揮することができる。 A plurality of mass points may be given to the support part by, for example, a structure in which two or more additional mass parts can be attached to the support part. As a result, it is possible to exhibit a damping effect corresponding to a plurality of vibration modes of the long structure.
本発明のさらに別の態様は、長尺構造物の制振方法である。この方法は、長尺構造物の固有振動数と略等しい固有振動数を持ち、一端を該長尺構造物に固定し他端を自由端とした長手部材を設置し、この長手部材の振動を減衰する減衰部材を設けることによって、長尺構造物の制振をする。この態様によれば、既設の長尺構造物に対し、簡単な設置工事を施すだけで、長尺構造物の制振をすることが可能になる。 Yet another embodiment of the present invention is a method for damping a long structure. In this method, a longitudinal member having a natural frequency substantially equal to the natural frequency of a long structure, one end fixed to the long structure and the other end being a free end is installed, and the vibration of the longitudinal member is set. By providing a damping member that attenuates, the long structure is damped. According to this aspect, the long structure can be damped only by performing simple installation work on the existing long structure.
本発明によれば、簡易な構成の制振装置によって、長尺構造物の制振を達成することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the damping of a long structure can be achieved with the damping device of a simple structure.
本発明は、電柱や鉄塔などの長尺構造物の振動を制振するために、既設および新設の長尺構造物の固有振動数にほぼ等しい固有振動数を持つように設定した制振装置を長尺構造物に設置し、地震動が入力されたときに長尺構造物と制振装置を共振させることによって、長尺構造物の振動を低減する制振技術である。 The present invention provides a vibration damping device that is set to have a natural frequency substantially equal to the natural frequency of existing and new long structures in order to control vibrations of long structures such as utility poles and steel towers. This is a vibration control technology that reduces vibration of a long structure by installing it on a long structure and resonating the long structure with a vibration control device when seismic motion is input.
構造物と制振装置とを共振させる技術として、従来、付加質量機構による制振構造が知られている。これは、構造物の頂部に構造物本体の数%に当たる付加質量を水平に移動するように取り付け、その固有振動数を構造物本体の固有振動数と一致させることによって付加質量を共振させ、ここに各種のダンパを付加してエネルギーを吸収する機構である。本発明は、このような付加質量機構による制振構造とは異なり、可動部分を設ける代わりに付加質量を支柱により片持ちで支持させ、この支柱を共振させるようにした制振装置を提供する。 Conventionally, a damping structure using an additional mass mechanism is known as a technique for resonating a structure with a damping device. This is done by attaching an additional mass equivalent to several percent of the structure body to the top of the structure so that it moves horizontally, and resonating the additional mass by matching its natural frequency with the natural frequency of the structure body. It is a mechanism that absorbs energy by adding various dampers to. The present invention provides a vibration damping device in which an additional mass is supported by a cantilever with a support instead of providing a movable part and the support is made to resonate, unlike the vibration suppression structure with such an additional mass mechanism.
図1は、本発明の一実施形態に係る制振装置10の全体図である。制振装置10は、付加質量部20と、支柱部22と、振動減衰部24と、取り付け部26とから構成される。図1では、付加質量部20は球体であるが、直方体など他の形状をしていてもよい。しかし、拡がりが少なく質点に近似できる形状とする方が制振効果は高い。付加質量部20は、例えば金属で作成されるが、ゴム、プラスチックなどの樹脂材料で作成されてもよい。または、中空の容器として付加質量部20を形成しておき、その内部に水、油、砂などの流動物を注入することで所定の質量を持たせるようにしてもよい。
FIG. 1 is an overall view of a
支柱部22は、主に、付加質量部20を取り付け部26から離間して位置させる役割を有する。支柱部22は、一端が取り付け部26と固定されており、他端は自由端とされている。支柱部22の自由端側に付加質量部20が取り付けられる。支柱部22は、図1では正方形断面であるが、他の断面形状でもよい。主に、この支柱部22と付加質量部20とによって、制振装置10の固有振動数が決定される。これについては、数式を参照して後述する。制振装置10の固有振動数と長尺構造物の固有振動数とは、ほぼ等しくなるように、予め調整される、
The
支柱部22への付加質量部20の取り付け位置は、可変とされていることが好ましい。例えば、図1に示すように、付加質量部20の中心を通る貫通穴28を形成しておき、支柱部22と遊嵌可能としておく。支柱部22には、予め数cm毎に雌ネジが切られており、支柱部22を貫通穴28に通した後、雌ネジにボルトを螺合することによって、ボルトの上部に付加質量部20を位置させることができる。または、支柱部22に予め数cmごとに穴を設けておくとともに、付加質量部20の貫通穴28内部に、押圧により出入り自在な突起を設けておき、付加質量部20を支柱部22に対して押し込むかまたは引っ張ることで、その突起を支柱部22に設けたいずれかの穴に嵌合させるようにして、付加質量部20を固定してもよい。または、支柱部22を上部材と下部材に分け、上部材と付加質量部20とを結合させておくとともに、上部材が下部材からスライドして延び出すような機構とし、上部材のスライドする長さを変えることで付加質量部20の位置を設定できるようにしてもよい。しかしながら、本発明はこれらの構成に限定されず、付加質量部20を支柱部22に沿って上下方向に移動可能とできる任意の構造を採用することができる。別の実施形態では、付加質量部と支柱部とが一体成形されていてもよい。
It is preferable that the attachment position of the
振動減衰部24は、支柱部22の振動を減衰させる部材である。振動減衰部24は、支柱部22と接して設けられる。支柱部22がいずれの方向に振動しても確実に減衰効果を発揮できるように、振動減衰部24は支柱部22の全方向にわたって設けられることが好ましいが、支柱部22の周囲の一部のみに設けられていてもよい。図1では、円柱形状に形成された制振ゴムに形成された穴に支柱部22を貫通させる構造になっている。この振動減衰部24の大きさ、材質などによって、制振装置10の減衰定数が決定される。振動減衰部24としては、種々の材料を用いることができ、一例として、鋼材、オイル、ブタン系高分子等の粘性流体、シリコンなどの粘性体、アクリル、高減衰ゴムなどの粘弾性体が挙げられるが、これらに限定されない。
The
振動減衰部24と支柱部22の重なりの長さ(図1中に「l」で示す)は、制振装置10が設置される長尺構造物の一次モードの固有振動数に等しいか、それに近い値になるように、制振装置の一次モードの減衰を考慮した固有振動数から決定する。振動減衰部の減衰定数は、例えば0.1〜0.5に設定される。
The length of the overlap between the
取り付け部26は、制振装置10を長尺構造物に取り付けるとともに、長尺構造物の振動を支柱部22へ伝達する機能を有する。図1では、取り付け部26は長方形形状の板として示されているが、この形状に限定されるわけではない。取り付け部26と支柱部22とは、例えば溶接、ネジ止め、嵌め込みなどのいずれかの方法により固定される。長尺構造物の振動が支柱部22および付加質量部20に確実に伝達されるように、取り付け部26と支柱部22とは遊びのないように固定されていることが望ましい。
The
図2に示すように、制振装置10は、長尺構造物30の頂部に、支柱部22が鉛直方向に起立するように設置される。制振装置10は、取り付け部26の長方形板の四辺を長尺構造物頂部の床面とボルト締結したり、または、取り付け部26をコンクリート等により長尺構造物頂部の床面に埋設したりして、長尺構造物30に設置される。しかしながら、支柱部22を直接長尺構造物30に取り付けるようにしてもよく、この場合取り付け部26は不要である。従って、取り付け部26は必須の構成要素ではなく、制振装置の設置形態に応じて選択されるが、制振装置10の取り付け性を重視する場合は、取り付け部26を有していた方がよい。制振装置10が取り付け部26を有さない場合、支柱部22を長尺構造物頂部の床面に設けられた穴に打ち込んだり、長尺構造物の頂部の構造鉄材と溶接したりして、制振装置10を設置する。
As shown in FIG. 2, the
次に、制振装置10の概略作用を述べる。地震動により長尺構造物30が振動すると、その頂部に設置された制振装置の支柱部22が、取り付け部26を介してまたは直接に振動する。制振装置10の固有振動数と長尺構造物30の固有振動数がほぼ等しくなるように制振装置10を調整してあるため、制振装置10の支柱部22は、共振して大きく振動する。支柱部22の固定端側に設けてある振動減衰部24は、変形して、エネルギー消費することでこの振動を減衰させる。すると、長尺構造物30の振動エネルギーが振動減衰部24において消費されて、長尺構造物30全体の振動が、制振装置10を設置していない場合と比べて短期間で減衰する。これによって、長尺構造物30に生じる変位量、曲げモーメント、剪断力などが、制振装置10を設置していない場合よりも大きく低下し、地震による長尺構造物の損傷や倒壊を防止することができる。
Next, the general operation of the
制振装置10の固有振動数ω1は、以下に示す数1により計算される。
制振装置10のユーザは、制振装置10が設置される長尺構造物の固有振動数ω0を予め算出しておき、ω0とほぼ等しくなるように制振装置10の固有振動数を調節する。ω1D=ω0より、次式が導かれる。
制振装置10の固有振動数を可変とするには、上述したように、付加質量部20の取り付け位置Lを可変とする機構を採用することが最も簡単であり、好ましい。しかし、この機構とは別に、またはこの機構とともに、他の固有振動数可変機構を備えていてもよい。第1に、付加質量部20の質量mを可変とすることができる。例えば、上述のように、付加質量部20を中空に形成しておけば、中空部分に注入する流動物の量を変えることで、付加質量部20の質量を可変とすることができる。または、予め質量の異なる多数の付加質量部20を準備しておき、それらを適宜交換するようにしてもよい。第2に、支柱部22の曲げ剛性EIを可変とすることができる。例えば、異なる材質で作られた支柱部22を多数準備しておくか、または直径の異なる支柱部22を準備しておき、それらを適宜交換するようにしてもよい。付加質量部と支柱部とが一体成形されているときは、付加質量部の取り付け位置と質量を様々に変えた一体部材を多数準備しておき、これを付け替えることで制振装置10の固有振動数を可変としてもよい。
In order to make the natural frequency of the
ユーザは、制振装置10を設置する長尺構造物30の固有振動数に合わせて、付加質量部20の取り付け位置Lを変えたりして、制振装置10の固有振動数を変えることができるので、制振装置の製造者は固有振動数に合わせて他種類の装置を製造する必要がない。また、固有振動数の変更が容易なので、ユーザは、設置現場の実際の状況に合わせて固有振動数を微調整することもできる。例えば、長尺構造物が電柱の場合であれば、その電柱に設置されているトランスの数、懸架されている電線の数、電柱自体の直径や高さなどによって、たとえ同じ種類の電柱でも固有振動数が異なるが、これらを予め計算して作成されたグラフなどを参照して、付加質量部20の取り付け位置を上下させたり、付加質量部20の中空部分に注入する流動物の量を増減させたりすることで、制振装置10の固有振動数を設置現場で変更することができる。
The user can change the natural frequency of the
例えば、上述したTMDでは、共振質量を水平移動させるためにレールや滑車などの構造が必要となり、設備が大型になる。また、水平移動させるためには、ある程度の設置面積が必要なので、電柱や鉄塔などの頂部が狭い構造物には設置するのが困難である。つまり、適用対象となる構造物が限定される。 For example, in the above-described TMD, a structure such as a rail or a pulley is required to horizontally move the resonance mass, and the facility becomes large. Moreover, since a certain installation area is required in order to move horizontally, it is difficult to install in structures with narrow tops, such as a utility pole and a steel tower. That is, the structure to be applied is limited.
これに対し、本実施形態による制振装置は、片持ちの支柱の自由端を固定端に対して揺動させる構造をとっているので、設置面積は、最低限、支柱部と振動減衰部の底面積分あれば十分であり、頂部が狭い構造物にも設置が容易である。また、構造的にも非常に簡単であり、重量も従来のものに比べて小さい。後述するように、例えば制振装置の設置される長尺構造物が電柱であれば、500g程度の付加質量部があれば十分な制振効果を発揮する。これは、電柱自体の重量の1%未満、つまり数百分の1のオーダーである。 On the other hand, the vibration damping device according to the present embodiment has a structure in which the free end of the cantilevered column is swung with respect to the fixed end. Therefore, the installation area is at least between the column unit and the vibration damping unit. Bottom integration is sufficient, and installation is easy even for structures with narrow tops. In addition, it is very simple in structure, and its weight is small compared to the conventional one. As will be described later, for example, if the long structure on which the vibration damping device is installed is a utility pole, a sufficient damping effect is exhibited if there is an additional mass part of about 500 g. This is on the order of less than 1% of the weight of the utility pole itself, that is, one hundredth.
次に、本実施形態の制振装置を長尺構造物の頂点に設けたことによる減衰の効果をシミュレーションした結果を説明する。 Next, the result of simulating the effect of attenuation by providing the vibration damping device of the present embodiment at the apex of the long structure will be described.
図3(a)は、地震による電柱の振動をシミュレーションするための計算モデル40を示す。モデルとするのは全長12mの標準的な大きさの電柱42である。電柱42の頂部に制振装置50を設置する。電柱42の構造は、プレストレストコンクリートで、図3(b)に示すように、中央は空洞であり壁の厚さは0.04mである。電柱42は、頂部から底面部へ向かってその断面の直径が一様に増加していく構造とする。頂部の直径は0.19mであり、底面部の直径は0.35mである。電柱42のうち、地上に露出している部分は10mであり、下部2mは地中に埋設されており、計算モデル上はこの埋設部分は固定されているものとする。図3(a)には、地上から8mの位置にトランス44を電柱42の片側のみに設けた計算モデルを描いている。なお、図3(a)は横方向を強調して描かれている。シミュレーションに使用した電柱42の材料特性を表1に示す。
シミュレーション対象として、制振装置のないモデル(以下、「非制振電柱」と呼ぶ)と、制振装置を頂部に備えた電柱(以下、「制振電柱」と呼ぶ)の三つのモデルM0〜M2を準備した。モデルM0はトランスがない電柱、モデルM1はトランスを片側のみに備えた電柱(図3に示したモデル)、モデルM2はトランスを両側に備えた電柱である。 As models to be simulated, there are three models M0 to M0: a model without a damping device (hereinafter referred to as “non-damping power pole”) and a power pole having a damping device at the top (hereinafter referred to as “damping power pole”). M2 was prepared. The model M0 is a utility pole without a transformer, the model M1 is a utility pole with a transformer only on one side (model shown in FIG. 3), and the model M2 is a utility pole with a transformer on both sides.
図4は、計算モデル40の制振装置50の拡大図である。制振装置50の高さは1mである。この計算モデル40では、付加質量部52と支柱部54のみを考慮し、取り付け部および振動減衰部の形状は考慮していない。付加質量部52の質量はm=0.5(kg)、支柱部54の固定端から付加質量部52の重心までの距離はL=1(m)に固定し、支柱部54の断面二次モーメントIを変化させることで、制振装置50の固有振動数を一定にしている。なお、支柱部54は正方形断面とし、材料は鉄とする。制振装置50の減衰定数は、10%減衰、20%減衰の二種類を設定した。解析モデルM0、M1、M2に対する支柱部54の曲げ剛性EIを、以下の表2に示す。
入力地震波としては、直下型地震の神戸海洋気象台NS波の原波(90.90kine(cm/s))を使用した。剪断変形を無視した曲げ系は、Bernoulli-Euler beam理論により、剪断変形を考慮した曲げ系は、Timoshenko beam理論により解析した。以上の条件の下に、制振電柱モデルM0〜M2の変位、層剪断力、曲げモーメントについてのシミュレーション結果を順に説明する。 As the input seismic wave, the original wave (90.90 kine (cm / s)) of the Kobe Ocean Meteorological Observatory NS wave of a direct earthquake was used. The bending system ignoring shear deformation was analyzed by Bernoulli-Euler beam theory, and the bending system considering shear deformation was analyzed by Timoshenko beam theory. Under the above conditions, simulation results on the displacement, laminar shear force, and bending moment of the damping pole model M0 to M2 will be described in order.
モデルM0(トランスなし).
図5(a)〜(c)は、モデルM0のシミュレーション結果である。図5(a)は、電柱の高さ方向の各位置における最大変位を示しており、横軸は変位量(m)、縦軸は地面からの電柱の高さ(m)を表す。グラフから分かるように、電柱の頂部の最大変位は、10%減衰の場合で30%、20%減衰の場合は50%も減少しており、制振装置を設置したことによる制振効果が非常に高いことが分かる。
Model M0 (no transformer).
5A to 5C show simulation results of the model M0. FIG. 5A shows the maximum displacement at each position in the height direction of the utility pole, where the horizontal axis represents the amount of displacement (m) and the vertical axis represents the height (m) of the utility pole from the ground. As can be seen from the graph, the maximum displacement at the top of the utility pole is reduced by 30% in the case of 10% attenuation, and by 50% in the case of 20% attenuation. It is clear that it is expensive.
図5(b)は、電柱に生じる層剪断力を示しており、横軸は剪断力(N)、縦軸は地面からの電柱の高さ(m)を表す。層剪断力は、電柱の基部で最大値をとるが、10%減衰、20%減衰のいずれの場合も、基部において約17%減少している。 FIG.5 (b) has shown the layer shear force which arises in a utility pole, a horizontal axis represents shear force (N), and a vertical axis | shaft represents the height (m) of the utility pole from the ground. The laminar shear force takes the maximum value at the base of the utility pole, but decreases by about 17% at the base in both cases of 10% attenuation and 20% attenuation.
図5(c)は、電柱に生じる曲げモーメントを示しており、横軸はモーメント値(N・m)、縦軸は地面からの電柱の高さ(m)を表す。曲げモーメントも電柱の基部で最大値をとるが、10%減衰の場合で30%、20%減衰の場合は40%程度、それぞれ減少している。 FIG.5 (c) has shown the bending moment which arises in a utility pole, a horizontal axis represents moment value (N * m) and a vertical axis | shaft represents the height (m) of the utility pole from the ground. The bending moment also takes the maximum value at the base of the utility pole, but decreases by 30% for 10% attenuation and by about 40% for 20% attenuation.
以上のシミュレーション結果をまとめたものを表3に示す。表3は、非制振電柱と、10%減衰、20%減衰の制振電柱の最大曲げモーメントと最大剪断力を示す。表3中の括弧内の値は、電柱の短期許容曲げモーメントまたは短期許容剪断力に対する比率を表す。この比率が1以下であれば、電柱が損傷することはない。
表3から、非制振電柱では最大曲げモーメントが短期許容曲げモーメントを上回るので、電柱の損傷、倒壊のおそれがあるのに対し、制振電柱では、10%減衰の設定では損傷、倒壊のおそれがほとんどなく、20%の減衰ではその危険がなくなることが分かる。 From Table 3, the maximum bending moment exceeds the short-term allowable bending moment for the non-damping power poles, which may cause damage and collapse of the power poles, whereas for the damping poles, there is a risk of damage and collapse at the setting of 10% attenuation. It can be seen that there is almost no loss and that the risk disappears at 20% attenuation.
モデルM1(片側トランス).
図6(a)〜(c)は、モデルM1のシミュレーション結果である。各グラフの横軸、縦軸は、図5(a)〜(c)と同様である。図5(a)と図6(a)を比較すると分かるように、トランスを備えた電柱の方が高さ方向の最大変位が増加するが、制振装置による減衰の効果も大きく、10%減衰の場合でも約50%減少する。図6(b)、図6(c)を見ると、制振装置を設置することで層剪断力と曲げモーメントについても10%減衰で約50%減少しており、トランスを備えた電柱の方が制振装置を設置したことによる制振効果が増すことが分かる。以上のシミュレーション結果をまとめたものを表4に示す。
6A to 6C show simulation results of the model M1. The horizontal axis and the vertical axis of each graph are the same as those in FIGS. As can be seen from a comparison between FIG. 5A and FIG. 6A, the maximum displacement in the height direction of the utility pole with the transformer increases, but the damping effect by the vibration damping device is also large, and the attenuation is 10%. Even in the case of, it is reduced by about 50%. As shown in FIGS. 6B and 6C, the installation of the vibration control device reduces the layer shear force and bending moment by about 50% with 10% attenuation. It can be seen that the vibration damping effect is increased by installing the vibration damping device. Table 4 summarizes the above simulation results.
表4から、制振電柱の10%減衰の場合は電柱の損傷のおそれがあるが、20%減衰にすれば安全であることが分かる。 From Table 4, it can be seen that there is a risk of damage to the power pole when the damping pole is 10% attenuated, but it is safe if the damping pole is 20% attenuated.
モデルM2(両側トランス).
図7(a)〜(c)は、モデルM2のシミュレーション結果である。各グラフの横軸、縦軸は、図5(a)〜(c)と同様である。図6(a)と図7(a)を比較すると分かるように、トランスを片側に備えた電柱よりもトランスを両側に備えた電柱の方がさらに高さ方向の最大変位が増加するが、制振装置による減衰の効果も大きく、10%減衰の場合で約62%減少する。図7(b)、図7(c)を見ると、制振装置を設置することで層剪断力は約50%、曲げモーメントは約60%も減少しており、トランスを両側に備えた電柱に対しても、本実施形態の制振装置の効果が非常に高いことが分かる。以上のシミュレーション結果をまとめたものを表5に示す。
7A to 7C show simulation results of the model M2. The horizontal axis and the vertical axis of each graph are the same as those in FIGS. As can be seen by comparing FIG. 6 (a) and FIG. 7 (a), the maximum displacement in the height direction is further increased in the utility pole with the transformer on both sides than the utility pole with the transformer on one side. The effect of attenuation by the vibration device is also large, and it decreases by about 62% when the attenuation is 10%. 7 (b) and 7 (c), the installation of the damping device reduces the layer shear force by about 50% and the bending moment by about 60%, and the utility pole with transformers on both sides However, it can be seen that the effect of the vibration damping device of the present embodiment is very high. Table 5 summarizes the above simulation results.
表5から、制振電柱の10%減衰の場合は電柱の損傷のおそれがあるが、20%減衰にすればほぼ安全であることが分かる。なお、制振装置の減衰定数をさらに大きくすれば、最大曲げモーメント、最大剪断力はともに減少する。 From Table 5, it can be seen that there is a risk of damage to the power pole when the damping pole is 10% attenuated, but it is almost safe if the damping pole is 20% attenuated. If the damping constant of the damping device is further increased, both the maximum bending moment and the maximum shearing force are reduced.
同様のシミュレーションを、海洋型地震であるエルセントロNS波、長周期を含む地震波であるタフトEW波を、弾塑性振動解析(レベル2)相当の50kineとしたものについても実施した。いずれの地震波の場合も、最大曲げモーメント、最大剪断力とも短期許容値以下に低下し、制振装置により損傷が防げることが分かった。最大曲げモーメントの計算結果をモデルM0〜M2について以下の表6に示す。表6中の括弧内の値は、電柱の短期許容曲げモーメント(42990N・m)に対する比率を表す。
電柱や鉄塔などの長尺構造物については、一本だけが単独で建てられているわけではなく、連続する複数の構造物間に電線が懸架されている。この場合、隣接する2本の電柱が互いに逆向きに振動したとき、または、一方の電柱の変位が他方の電柱の同一方向の変位より大きいとき、電線により電柱が引っ張られる状態になるため、長尺構造物の振動を議論するに当たっては、電線の影響も考慮する必要がある。本願発明者は、この影響についてもシミュレーションを実施したが、結果にはほとんど影響を与えなかったので、ここでは記載を省略する。 About long structures, such as a utility pole and a steel tower, not only one is built independently, but the electric wire is suspended between several continuous structures. In this case, when two adjacent power poles vibrate in opposite directions, or when the displacement of one power pole is larger than the displacement in the same direction of the other power pole, the power pole is pulled by the electric wire. In discussing the vibration of the long structure, it is necessary to consider the influence of electric wires. The inventor of the present application also performed a simulation for this effect, but the result was omitted because it hardly affected the result.
以上説明したように、本発明の制振装置によれば、簡便な構造ながら、長尺構造物を有効に制振することができる。また、制振装置の付加質量部または支柱部を可変構造とすることで、制振装置を取り付ける長尺構造物の長さ、断面積、重量、トランス等の付属構造物の有無、電柱等に架けられている架線の本数などに応じて、現場で固有振動数を容易に調整可能である。 As described above, according to the vibration damping device of the present invention, a long structure can be effectively damped with a simple structure. Also, by making the additional mass part or strut part of the vibration damping device variable, the length of the long structure to which the vibration damping device is attached, the cross-sectional area, the weight, the presence or absence of auxiliary structures such as a transformer, The natural frequency can be easily adjusted in the field according to the number of overhead wires.
上述のシミュレーション結果で示したように、長尺構造物が電柱であれば、制振装置の重さは、たかだか500gの重りを1mの支柱の先に設ける程度で十分である。したがって、電柱のような細い構造物の頂部にも設置することができ、設置の制約が少ない。また、構造が簡単なため、低コストで実施できるとともに、新設と既設のいずれの構造物にも設置が容易である。また、制振装置自体の大きさが長尺構造物に対して十分小さいので、景観を大きく損なうことがない。さらに、駆動部分がないので、メンテナンスも容易である。 As shown in the simulation results described above, if the long structure is a utility pole, it is sufficient that the damping device has a weight of 500 g at the tip of a 1 m support. Therefore, it can be installed at the top of a thin structure such as a utility pole, and there are few restrictions on installation. In addition, since the structure is simple, it can be implemented at low cost, and can be easily installed in both new and existing structures. Moreover, since the magnitude | size of damping device itself is sufficiently small with respect to a long structure, a landscape is not spoiled greatly. Furthermore, since there is no drive part, maintenance is also easy.
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そのような変形例について述べる。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combinations of the respective constituent elements, and such modifications are also within the scope of the present invention. Hereinafter, such modifications will be described.
実施の形態では、主に電柱に設置するものとして制振装置を説明したが、トラス構造をした鉄塔や高層ビルなどでも、一次元のモデルに帰着させることで、上述と同様のシミュレーションを実行することができ、したがって、本発明の制振装置をこれらの構造物にも設置可能である。 In the embodiment, the vibration damping device has been described as being mainly installed on a utility pole. However, a simulation similar to that described above is executed by reducing a truss-structured steel tower or high-rise building to a one-dimensional model. Therefore, the vibration damping device of the present invention can also be installed in these structures.
実施の形態では、制振装置を長尺構造物の頂部に設置するものとして説明したが、振動が伝達されれば制振装置を頂部以外に設けてもよい。例えば、構造物の内部に設置したり、または、構造物の任意の位置から水平方向に張り出す張り出し部材を設けて、そこに制振装置を設置するようにしてもよい。しかしながら、長尺構造物は頂部で振動が最大となるので、制振装置を頂部に設置する方が制振効果は高い。 In the embodiment, the vibration damping device is described as being installed on the top of the long structure. However, if vibration is transmitted, the vibration damping device may be provided on a portion other than the top. For example, the vibration control device may be installed inside a structure or by providing a projecting member that projects horizontally from an arbitrary position of the structure. However, since the vibration of the long structure is maximized at the top, it is more effective to install the vibration control device at the top.
実施の形態では、制振装置の固有振動数を長尺構造物の一次モードの固有振動数に等しくするものとして説明したが、本発明の制振装置を長尺構造物の複数の振動モードに対応させることもできる。一例として、図8に、支柱部に複数の付加質量部を取り付けることで二質点系とした制振装置150を、電柱142の頂部に取り付けた計算モデル140を示す。制振装置150は、支柱部154と、複数の付加質量部152、156とからなる。付加質量部152は、電柱142の一次モードの固有振動数と制振装置150の固有振動数とを等しくするような位置に配置し、付加質量部156は、電柱142の二次モードの固有振動数と制振装置150の固有振動数とを等しくするような位置に配置する。シミュレーションの解析手法は、上述のものと同様である。
In the embodiment, the description has been given on the assumption that the natural frequency of the vibration damping device is equal to the natural frequency of the primary mode of the long structure. However, the vibration damping device of the present invention is changed to a plurality of vibration modes of the long structure. It can be made to correspond. As an example, FIG. 8 shows a
図3に示した、一質点系の制振装置50を備えた電柱42の計算モデル40に対して実行したのと同様のシミュレーションを、図8の二質点系の制振装置150を備えた電柱142の計算モデル140に対して実行した。その結果、一質点系の制振装置に比べて、二質点系の制振装置の方が、電柱の頂部の水平方向の変位を小さくすることが分かった。しかし、電柱の耐震性に大きく関係する柱脚部の曲げモーメントおよび剪断力については、二質点系の制振装置でも応答値がわずかに小さくなる程度であった。これは、電柱程度の高さの構造物では、一次モードの振動が支配的であるためである。これに対し、例えば、高さが100mを超えるような高層建築物では、一次モードの振動の周期が数十秒というオーダーになることから、二次モードの振動の方が支配的になる。このようなケースでは、二質点系の制振装置を備えたことによる制振の効果は高い。
A simulation similar to that performed for the
上記のシミュレーションで制振装置の質点の数を二つとしていても、制振装置の固有振動数を長尺構造物の一次モードおよび二次モードの固有振動数と等しくしなければならないわけではない。質点は、長尺構造物の動的応答に支配的な振動モードと共振させることを目的とするものなので、例えば、一次モードが長尺構造物において支配的でなければ、制振装置の二つの質点を長尺構造物の二次モードと三次モードの固有振動数と等しくなるように配置してもよい。当然、四次以上のモードの振動の制振も可能である。 Even if the number of mass points of the damping device is two in the above simulation, the natural frequency of the damping device must not be equal to the natural frequency of the primary mode and secondary mode of the long structure. . The mass point is intended to resonate with the vibration mode that dominates the dynamic response of the long structure. For example, if the primary mode is not dominant in the long structure, You may arrange | position a mass point so that it may become equal to the natural frequency of the secondary mode and tertiary mode of a long structure. Naturally, vibrations in the fourth and higher modes can be suppressed.
一般に、高さが数十mまでの長尺構造物であれば、一次モードと二次モードの振動の影響を考慮すれば十分である。しかしながら、本発明の制振装置は、質点の数に制限はないので、長尺構造物の動的応答を支配する振動モードが三つ以上あるときは、質点の数をそれに合わせて増加させればよい。 In general, for a long structure having a height of up to several tens of meters, it is sufficient to consider the influence of vibrations in the primary mode and the secondary mode. However, since the damping device of the present invention has no limitation on the number of mass points, when there are three or more vibration modes that govern the dynamic response of a long structure, the number of mass points can be increased accordingly. That's fine.
二質点系の制振装置を実現するための具体的な構成については、特に限定されるものではなく、任意の形態を取ることができる。例えば、上述したように、支柱部に予め数cmごとに穴を設けておくとともに、付加質量部の貫通穴内部に、押圧により出入り自在な突起を設けておくような構造を採用していれば、複数の付加質量部を支柱部に取り付けることによって、二質点系の制振装置を容易に得ることができる。 The specific configuration for realizing the two-mass point system damping device is not particularly limited, and can take any form. For example, as described above, if a structure is adopted in which holes are provided in advance every several centimeters in the support column, and protrusions that are freely accessible by pressing are provided in the through holes of the additional mass unit. By attaching a plurality of additional mass parts to the column part, a two-mass point type vibration damping device can be easily obtained.
実施の形態では、振動減衰部として円柱形状をなした制振ゴムを示したが、振動減衰部は他の構造をしていてもよい。以下、そのような変形例について述べる。 In the embodiment, the vibration damping rubber having a cylindrical shape is shown as the vibration damping part, but the vibration damping part may have another structure. Hereinafter, such modifications will be described.
変形例1.
図9は、振動減衰部を、層状の粘性体で構成した変形例である。振動減衰部を、それぞれ材料の異なる粘性体である80a、80b、80cを積層した構成とする。こうして、例えば、下層80cを上層80aよりも柔らかい材料とすると、構造物の振動時に上層80aが下層よりも大きく振動するので、減衰性能を高めることができる。
FIG. 9 is a modified example in which the vibration attenuating portion is composed of a layered viscous material. The vibration attenuating portion is configured by laminating 80a, 80b, and 80c, which are viscous bodies having different materials. Thus, for example, when the
この応用として、図10に示すように、粘性体を同心円の多層の筒状に構成してもよい。この場合、外側の層90bに内側の層90aよりも剛性の高い材料を使用して、内側の層90aの粘性体の移動を拘束することで、減衰性能を高めることができる。一例として、内側の層90aをゴム、外側の層90bを金属で作成してもよい。
As this application, as shown in FIG. 10, the viscous body may be formed in a concentric multilayered cylindrical shape. In this case, the damping performance can be improved by using a material having higher rigidity than the inner layer 90a for the
変形例2.
減衰性能を支柱部22の長手方向で変化させるために、図11(a)、(b)のような構成としてもよい。図11(a)は振動減衰部の変形例の正面図であり、図11(b)は図11(a)のA−A断面図である。中空の外殻100は金属等で作成され、図示するように途中から中空部分の断面積が変化している。この中に粘性体102を流し込むことで、支柱部22の上方でより減衰性能を高めることができる。粘性体102は、油のような流体でもよいし、または急速凝結性のゴムを流し込むようにすれば、設置現場での作業性が向上する。
In order to change the damping performance in the longitudinal direction of the
変形例3.
図12は、設置現場での作業性を考慮した振動減衰部の変形例である。予め、粘性体を袋に詰めた球体112を多数個準備しておき、支柱部22と外殻110を設置した後、外殻110の内側の中空部分に球体112を複数個詰め、最後に、粘性体の移動を規制すべく、外殻110を覆うように蓋114を設置する。外殻110の内側に詰める球体112の個数を調節することで、減衰定数を変化させることができる。また、球体112の空隙部分に砂、油等を入れて、減衰性能を高めるようにしてもよい。この変形例3によれば、設置現場での作業性が向上する。
Modification 3
FIG. 12 is a modified example of the vibration damping unit in consideration of workability at the installation site. Prepare a large number of
変形例4.
図13(a)は、振動減衰部の別の変形例の正面図であり、図13(b)は図13(a)のA−A断面図である。この例の振動減衰部は、金属やゴムなどから作成された板120を支柱部22から翼状に張り出させ、この板に複数の穴122を設けたものである。地震による振動時にこれらの穴122によって板120が局部的に大きく変形することによって、減衰効果を発揮する。図14(a)に示すように、穴122の中に、粘性部材124を嵌め込むようにしてもよい。こうすると、温度変化時には図14(b)に示すように粘性部材124が変形するので、板120の減衰性能の温度依存性を低減することができる。なお、図14(a)、(b)では、粘性部材124の変形量を強調して描いている。
Fig.13 (a) is a front view of another modification of a vibration damping part, FIG.13 (b) is AA sectional drawing of Fig.13 (a). The vibration damping portion of this example is obtained by projecting a
変形例5.
外気温度の変化に対して、振動減衰部の減衰性能を一定に維持できるようにしてもよい。その一例を図15に示す。外殻130の内側に粘性体136を入れ、その上部に蓋138を配置し、外殻130の上部を塞ぐ天板132と蓋138とを伸縮部材134により結合する。伸縮部材134は、形状記憶合金で作成されており、温度変化により伸縮する。温度変化に応じて伸縮部材134が伸縮して、粘性体136の変形可能な体積を変化させることで、粘性体136の減衰性能の温度依存性を低減することができる。
Modification 5
The damping performance of the vibration damping unit may be maintained constant with respect to changes in the outside air temperature. An example is shown in FIG. A
10 制振装置、 20 付加質量部、 22 支柱部、 24 振動減衰部、 26 取り付け部、 30 長尺構造物、 40、140 計算モデル、 42、142 電柱、 44 トランス、 50、150 制振装置、 52、152、156 付加質量部、 54、154 支柱部。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記支柱の片持ち振動を減衰させる減衰部材と、
を備えることを特徴とする制振装置。 One end is attached to the structure to be damped, the other end is a free end, and a mass added to the free end,
A damping member for damping cantilever vibration of the support;
A vibration damping device comprising:
所定の質量を有する付加質量部と、
前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる単一の支柱部と、
前記支柱部に接して設けられる振動減衰部と、を備え、
当該制振装置の固有振動数が、前記長尺構造物の固有振動数と略等しくなるように調整されていることを特徴とする長尺構造物の制振装置。 A vibration damping device installed in a long structure,
An additional mass part having a predetermined mass;
A single column part that positions the additional mass part spaced apart in the longitudinal direction of the long structure;
A vibration damping unit provided in contact with the support column,
The long structure vibration damping device, wherein the natural frequency of the vibration damping device is adjusted to be substantially equal to the natural frequency of the long structure.
所定の質量を有する付加質量部と、
前記付加質量部を長尺構造物の長手方向に離間して位置せしめる支柱部と、
前記支柱部に接して設けられる振動減衰部と、を備える制振装置が設置されており、
前記長尺構造物の固有振動数と前記制振装置の固有振動数とが略等しいことを特徴とする長尺構造物。 In a part of the long structure,
An additional mass part having a predetermined mass;
A supporting column portion that positions the additional mass portion spaced apart in the longitudinal direction of the long structure;
A vibration damping device provided with a vibration damping unit provided in contact with the support column,
The long structure, wherein the natural frequency of the long structure and the natural frequency of the damping device are substantially equal.
A damping member having a natural frequency substantially equal to the natural frequency of the long structure, a longitudinal member having one end fixed to the long structure and the other end being a free end, and damping the vibration of the longitudinal member A vibration damping method for an existing long structure, characterized in that the long structure is vibration-damped.
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