JPH0370071B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は制震構造の建物架構に用いられる軸
方向可変剛性材に関するもので、建物に入力する
地震、風等の外力に応じて部材の剛性を変化さ
せ、地震等に対処させるものである。

〔従来の技術〕

従来、高層建築や重要構造物等の耐震設計にお
いては地震時の地盤の動きや建物の応答を計算
し、安全性をチエツクする動的設計が行われてい
る。

耐震の方法としては建物と基礎の間に積層ゴム
支承やダンパーを介在させた免震構法あるいは減
震構法、建物構成部材のうち、非主要部材の破壊
により地震エネルギーを消費させる方法、壁ある
いは柱等にスリツトを設け、建物を最適の剛性に
調整する方法等がある。

ところで、現行の耐震設計手法により設計され
た建物の地震時における安全性の確認は、構造物
の塑性化を伴なう履歴特性による吸収エネルギー
が構造物に作用する地震エネルギーを上回るとい
う基本思想によるが、これには履歴ループ特性に
対する信頼性の問題がある。

また、従来の方法はいずれも地震や風等の自然
外力に対し、受身の耐震構造を与えるものであ
り、建物が特定の固有振動数を有するため地震と
いう不確定な入力に対し、共振現象を避けて通る
ことはできない。

これに対し、出願人は特願昭61−112026号（特
開昭62−268479号）において、上述のような受身
の耐震方法でなく、感知した地震動に基づく応答
予測システムの判断のもとに建物自体の剛性を変
化させ、共振領域外または共振の少ない状態と
し、建物および建物内の機器、居住者等の安全を
図つた制震方法を提案している。

上記の制震方法では柱、はり、ブレース、壁並
びにそれらの接合部の全部もしくは一部、または
建物と基礎あるいは隣接する建物との間に、コン
ピユーターの指令により連結状態が変化する制御
装置を設け、次のようにして、建物の制震を行な
う。

地震の発生を建物を中心に狭域および広域に
配置した地震感知装置により感知し、観測デー
タを有線、無線の通信網によりコンピユーター
に伝達する。広域の地震感知装置は既設の地震
観測点における地震計あるいは専用に設置した
ものをマイクロ回線あるいは電話回線等で結
ぶ。また狭域の地震感知装置は建物の周辺ある
いは周辺地盤内に設けた地震計や、建物基部や
建物内に設置した振動センサーからなり、風力
等の影響は建物内の振動センサーで感知する。

感知した地震について、コンピユーターによ
り地震の規模の判断、周波数特性の分析、応答
量の予測等を行ない、建物の振動を制御すべき
か否か、また制御すべき場合の制御量につい
て、共振をかわし、地震応答量の少ない最適剛
性（固有振動数）を与えるものとして判断を下
す。

コンピユーターの指令を建物の各部の制御装
置に伝え、建物の剛性をコンピユーターの予測
に基づく最適剛性となるよう制御装置を作動さ
せる。連結状態の調整は固定状態と連結解除状
態を油圧機構、電磁石等によりオン、オフで調
整するものや、固定状態、連結解除状態の外、
緊張力の導入や任意の位置での固定を油圧機構
あるいは特殊合金等を用いて調整するもの等が
考えられる。

また、建物内に配した振動センサーにより、
建物各部における応答量並びに制御を行つた場
合の実際の振動が検知でき、これをフイードバ
ツクして、制御量の修正等を行なうことができ
る。

〔発明の目的〕

この発明の建物架構の軸方向可変剛性材は、上
述のような制震方法において、ブレース、あるい
は柱等に使用し、軸方向の剛性を変化させ、地震
等に対処できるようにしたものである。なお、こ
の発明は上述の制震方法への使用にのみ限定する
ものではなく、上記方法の改良方法に使用した
り、あるいは単に剛性を変化させるために使用す
ることも可能である。

〔発明の構成〕

以下、この発明を第２図に示した力学モデルに
よつて説明する。

この発明の可変剛性材Ａは第２図に示すように
軸力Ｎを受ける点（図中ピン４ａ，４ｂで示され
る）を共通にしたく字状の主部材１，２の中間を
それぞれピン５ａ，５ｂで接合し、ピン５ａ，５
ｂ間を連結部材３で結んだ軸力抵抗材で、連結部
材３の材軸は軸力Ｎの方向と直角であり、この方
向に力を加えられる駆動装置６により伸縮可能と
なつている。主部材１，２を構成する部材１ａ，
１ｂ，２ａ，２ｂおよび連結部材３を構成する部
材３ａ，３ｂはそれぞれ軸力Ｎに対して、安定構
造として抵抗できる基本的な軸剛性を有するよう
断面を決定する。

なお、軸力抵抗材としての基本剛性は、静止時
のくの字に曲げる角度θ（軸方向と主部材１，２
を構成する部材のなす角）と連結部材３の基本剛
性によつて選択できる。すなわち、連結部材３の
駆動装置６による制動力を考えない場合において
も、θによつて任意に基本剛性を変えることはで
きる。

駆動装置６としてはサーボ弁を有する油圧のア
クチユエーターや、電気パルスモーターを使つた
デジタル式の油圧アクチユエーターやボールねじ
を利用し、電動のサーボモーターによつてボルト
を回転させて、連結部材３ａの部材３ａ，３ｂの
間隔を変えて行くもの、その他パワーが小さくて
よいものとしては電磁式のリニヤモーター等が考
えられる。これらの駆動装置６による制御力Ｐは
地震による建物の共振現象を避ける等の時々刻々
剛性を変化させたい時に作用させるのが効果的で
ある。すなわち、コンピユーターの制御プログラ
ムに基づいて駆動装置６を自動制御することがで
き、地震等の振動外力に応じ、建物各部での部材
の剛性、連結状態等を変化させて、建物全体とし
ての固有周期を変化させるなどして共振をかわす
ことができる。

なお、連結部材３の基本剛性に関し、必要とあ
らば駆動装置６と並列にコイルばね等を介在さ
せ、駆動装置６が作動しない場合にも所定の剛性
を確保することもできる。

〔作用〕

前述のようにθを選択すると基本剛性Koは軸
力Ｎ方向の変形が軸力に比例するように一義的に
決まるが、連結部材３に設けた駆動装置６による
制御力Ｐは基本剛性Koを変えるものである。す
なわち、軸力Ｎによつて幾何学的に決定される連
結部材３の部材応力による連結部材３の伸び縮み
をさらに制御力Ｐを加えたり、減じたりすること
により、く字状の主部材１，２の中間のピン５
ａ，５ｂ接合部における軸力Ｎの方向と直角方向
の変形を増減させて、軸力Ｎの方向の変形を変化
させることができる。

軸力Ｎの作用方向の基本剛性Koは下記(1)式の
ように軸力Ｎと軸力の作用方向の変形δの関係を
一義的に決めるものである（第３図ａ参照）が、
連結部材３に制御力Ｐを作用させた場合（第３図
ｂ参照）には、△δだけ変化を変えることができ
るので、下記(2)式のように剛性Ｋが変わるのと同
じことになる。

Ko＝Ｎ／δ ……(1) Ｋ＝Ｎ／δ＋△δ ……(2) 〔実施例〕 次に、図示した実施例について説明する。

第１図ａ〜ｃは可変剛性材Ａの構造の一例を示
したものである。対向するく字状の主部材１，２
はそれぞれ部材１ａ，１ｂ、部材２ａ，２ｂをピ
ン５ａ，５ｂで接合し、軸力を受ける両端を共通
のピン４ａ，４ｂで接合してある。この実施例
で、各部材１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの断面は第１
図ｃのようにＨ形断面となつているが、これに限
定する必要はない。

ピン５ａ，５ｂによる接合部間は連結部材３に
よつて連結されている。連結部材３は例えば第１
図ｂに示すようにコ字状の部材３ａ，３ｂを背中
合わせに配し、ボルト７によつて連結したもの
で、駆動装置６としての電動サーボモーター６ａ
によつてボルト７を回転させることにより、部材
３ａに固定したナツト８により、部材３ａが他方
の部材３ｂに対し、離れたり、近づいたりして、
制御力Ｐが作用する。このように、モーター６ａ
の回転をボルト７の直線運動に変換し、く字状の
主部材１，２に加速度を与えることにより制御力
を得ることができる。なお、上述したボルト７と
ナツト８を、ボールねじ（おねじとめねじを同一
位置に合わせ、それで生じた溝の中にボールを入
れ、そのボールが循環できるようにもどり溝を設
けたもの）で置き換えた構造のもの、すなわちボ
ルトとナツトに相当する部材の螺合部分にボール
ねじを用いたものを利用すれば、摩擦が小さくな
り、駆動における効率を上げることができる。図
中９はストツパーである。第１図ｄは電動サーボ
モーター６ａの代わりにサーボ弁を有する油圧シ
リンダー６ｂを用いた場合の例であり、油圧力
で、直接、制御することができる。

一例として動力Ｎが引張力の場合を考えると、
駆動装置６を作動させて、ピン５ａ，５ｂ間の間
隔が狭まる向きに制御力を働かすことにより、前
述の(2)式より、剛性Ｋが小さくなる。逆にピン５
ａ，５ｂの間隔が広がる向きに制御力を働かすこ
とにより、(2)式の△δは負の値となり、剛性Ｋが
大きくなる。軸力Ｎが圧縮力の場合も(2)式より剛
性Ｋの変化を知ることができる。

第４図は可変剛性材Ａをブレースに適用した場
合、第５図は建物最下層の長期軸力用柱１０の両
側に用い、地震時の転倒モーメントに対する抵抗
柱として利用した場合の例である。駆動装置６の
作動による制御力によつて可変剛性材Ａの剛性Ｋ
が変わり、共振を避けることができる。図中１１
耐震壁またはブレースである。

第６図ａ〜ｃは建物の最下層で柱の柱頭、柱脚
をピン接合とし、この発明の可変剛性材Ａをブレ
ースとして使つている。連結部材の基本剛性を極
端に小さくすれば、最下層の水平剛性は制御力に
よつて決まる。風等、建物側から入る横力に対し
てはブレースの剛性が高くなるようにする（第６
図ａ参照）。また、地震等地面から入るものに対
してはブレースの剛性が低くなるように、制御力
を調整する（第６図ｂ、ｃ参照）。すなわち免震
装置になる。

以上の機構は柱が通常の建物に使われるもので
あれば、接合部をピン接合とせず、剛接合でも多
少柱の水平剛性が増すだけで基本的には同じであ
り、特に柱脚ピン柱頭剛接合は鉄骨製作や建方に
しても取り合いが容易になり経済性、施工性の面
で利点がある。また、免震装置としての使用等、
柔かく使用する場合に起こる自由振動による大変
形に対しては駆動装置６による制御力を揺れを打
ち消すようなダンパーとして使用することもでき
る。

〔発明の効果〕 く字状の主部材中間のピン接合位置で軸力と
直角な方向の制御力を加えることにより軸力抵
抗材としての剛性を変化させることができる。

コンピユーター等で、建物架構に用いた可変
剛性材の剛性変化を制御することにより、個々
の地震特性に応じて建物の固有周期を変動さ
せ、共振現象による建物の大きな変形を抑制す
ることができる。

コンピユーターを用いた制震方法に利用する
ことにより、共振がなく、揺れの少ない快適な
居住空間が形成される。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｄはこの発明の実施例を示したもの
で、第１図ａ，ｂ，ｃはそれぞれ正面図、−
断面図、および−断面図、第１図ｄは−
断面における変形例を示す断面図、第２図は力学
モデルとして示した説明図、第３図ａ，ｂは変形
の関係を示す説明図、第４図はブレースへの適用
例を示す正面図、第５図はモーメント抵抗柱への
適用例を示す正面図、第６図ａ，ｂ，ｃは建物最
下層のブレースに適用したと仮定した場合の作用
を示す正面図である。 Ａ……可変剛性材、１，２……主部材、３……
連結部材、４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ……ピン、６
……駆動装置、６ａ……モーター、６ｂ……油圧
シリンダー、７……ボルト、８……ナツト、９…
…ストツパー、１０……長期軸力用柱、１１……
耐震壁またはブレース。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両材端の軸力を受ける点を共通にした互いに
   対向するく字状の主部材の中間をそれぞれピン接
   合とし、該ピン接合位置どうしを駆動装置の作動
   により伸縮可能とした連結部材で連結し、前記連
   結部材を伸縮させることにより、前記軸力と直角
   な方向の制御力を導入可能としたことを特徴とす
   る軸方向可変剛性材。 ２ 前記連結部材は駆動装置を介して連結した２
   部材からなり、前記２部材の間隔を前記駆動装置
   の作動により制御可能としたものである特許請求
   の範囲第１項記載の軸方向可変剛性材。 ３ 前記駆動装置はサーボ機構を有する油圧シリ
   ンダーである特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の軸方向可変剛性材。 ４ 前記駆動装置は電気、油圧ステツピングシリ
   ンダーである特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の軸方向可変剛性材。