JPH0617598B2 - 建物架構の軸方向可変剛性材 - 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、風等の振
動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。

地震の発明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、振動応答量の少
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
性となう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〕

この発明は、制震構造の建物架構において、ブレースあ
るいは柱等に使用し、地震や風等の振動外力に応じて剛
性を変化させることにより、建物架構の剛性を変化さ
せ、地震や風等の振動外力による建物の応答を低減し、
快適な居住空間を実現するのに適しており、かつ建物架
構における納まりが良く、瞬時に作動し、その機能を十
分に発揮することができる建物架構の軸方向可変剛性材
を提供することを目的としたものである。

〔発明の構成〕

以下、基本構造を示す第１図(a)，(b)によつてこの発明
の概要を説明する。

この発明の軸方向可変剛性材Ａは中間にそれぞれピン接
合部５ａ，５ｂを形成して、互いにく字状に対向する主
部材１，２と、前記ピン接合部５ａ，５ｂ間に配した連
結部材３とからなる。主部材１，２の両材端はピン接合
部４ａ，４ｂを共通としてあり、このピン接合部４ａ，
４ｂから軸力Ｎを受ける構造となつている。中間のピン
接合部５ａ，５ｂ間に配した連結部材３はピン接合部５
ａ，５ｂの一方のピン接合部にピン接合され、他方のピ
ン接合部に対して係脱自在となつている。すなわち連結
部材３が係合している状態では可変剛性材Ａは安定構造
であり、係合がはずれた状態では可変剛性材Ａは不安定
構造となり軸力Ｎに抵抗しない。

主部材１，２を構成する部材１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂお
よび連結部材３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。また、可変剛性材Ａが安定構造のときの軸力抵
抗材としての基本剛性は、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）によつても
選択できる。

連係部材３の端部のみでの係脱を考えた場合、剛性の変
化はＯ剛性と基本剛性との間での変化であるが、連結部
材３を中間のピン接合部５ａ，５ｂに対し、複合の位置
で係脱自在とすれば、軸力抵抗材として複数段階の剛性
の選択が可能である。

また、連結部材３は中間のピン接合部５ａ，５ｂの材軸
方向外側への移動に抵抗する引張抵抗材３ａと、材軸方
向内側への移動に抵抗する圧縮抵抗材３ｂの２本を組み
合わせたもの、１本で引張りにも圧縮にも抵抗するもの
のいずれでもよい。

連結部材３のピン接合部５ａ，５ｂへの係脱の切換え
は、サーボモーター，パルスモーター等による回転運動
（第７図(a)参照）あるいは油圧シリンダ等による直線
運動（第７図(b)参照）等を利用して行なうことがで
き、駆動装置は限定しない。このような連結部材３の係
脱は地震による建物の共振現象を避けるため、時々刻々
剛性を変化させたい場合に行なうのが効果的である。す
なわち、コンピユーターの制御プログラムに基ついて、
連結部材３による連結状態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。

〔作 用〕

上述の第１図(a)，(b)において、連結部材３としての引
張抵抗材３ａはピン接合部５ａの回りに回動自在であ
り、先端の係止部６ａがピン接合部５ｂの外側に係合
し、圧縮抵抗材３ｂはピン接合部５ｂの回りに回動自在
であり、先端の係止部６ｂがピン接合部５ａの内側に係
合し、次のように作用する。

(1) 第２図(a)は連結部材３としての引張抵抗材３ａと
圧縮抵抗材３ｂの両方とも係合が解除された場合で、こ
の場合可変剛性材Ａは不安定構造であり、第２図(b)に
示すように軸力Ｎに対し無抵抗、すなわち剛性０であ
る。

(2) 第３図(a)は圧縮抵抗材３ｂのみ係合している場合
で、この場合は可変剛性材Ａに引長方向の軸力Ｎが作用
したとき、圧縮抵抗材３ｂが働き、第３図(b)に示すよ
うに可変剛性材Ａが引張抵抗を示す。圧縮方向の軸力Ｎ
に対しては抵抗しない。

(3) 第４図(a)は引張抵抗材３ａのみ係合している場合
で、この場合は可変剛性材Ａに圧縮方向の軸力Ｎが作用
したとき、引張抵抗材３ａが働き、第４図(b)に示すよ
うに可変剛性材Ａが圧縮抵抗を示す。引張方向の軸力Ｎ
に対しては抵抗しない。

(4) 第５図(a)は連結部材３としての引張抵抗材３ａと
圧縮抵抗材３ｂの両方とも係合している場合で、この場
合はピン接合部５ａ，５ｂ間が単に連結されている場合
と同様、第５図(b)に示すように可変剛性材Ａは引張に
も圧縮にも抵抗できる。

(5) 連結部材３の係脱による以上(1)〜(4)の状態が可
変であり、可変剛性材Ａの変形特性は第６図に示すよう
になり、２段階の剛性変化が可能となる。

連結部材３の係脱位置を複数とした場合の剛性変化も同
様に考えることができ、複数段階の剛性変化が可能とな
る。

〔実施例〕

第８図および第９図(a)〜(d)はこの発明の具体的な一実
施例を示したもので、長手方向両端でウエブを削除する
などして加工したＨ形鋼からなる部材１ａ，１ｂ，２
ａ，２ｂをピン接合部４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂで連結
し、中間のピン接合部５ａ，５ｂにそれぞれ連結部材と
しての圧縮抵抗材３ｂと引張抵抗材３ａの基部を取り付
けてある。

圧縮抵抗材３ｂはその後端の基部が中間のピン接合部５
ａの軸まわりに回動自在となつており、部材１ａに設置
板10を介して固定したモーター９を介して、プーリー1
1、ベルト13、圧縮抵抗材３ｂ側のプーリー12を介し
て、回動運転をする。圧縮抵抗材３ｂの先端にはＬ字状
の係止部６ａが形成されており、圧縮抵抗材３ｂの回転
により対向するピン接合部５ｂの軸の内側に係合させる
ことができる。

一方、引張抵抗材３ａは同様に後端の基部が中間のピン
接合部５ｂの軸まわりに回動自在となつており、部材２
ｂに固定したモーター９により回転運動し、先端の逆Ｌ
字状の係止部６ｂが対向するピン接合部５ａの軸の外側
に係合する。

第９図(a)中符号14，15はそれぞれ圧縮抵抗材３ｂの係
止部６ｂおよび引張抵抗材３ａの係止部６ａがピン接合
部５ａ，５ｂの軸方向外側にずれるのを防止するための
ストツパーである。なお、この実施例では、第９図(d)
に示すように圧縮抵抗材３ｂはＨ形鋼、引張抵抗材３ａ
は２本の溝形鋼からなる。

第１０図は建物架構のブレースへの適用例を示したもの
で、柱16と梁17で囲まれた対角線上に、この発明の可変
剛性材Ａを配したものである。地震時の時々刻々変化す
る地震動をコンピユーターで解析し、可変剛性材Ａに対
し、連結状態を変化させるよう指示を送ることにより、
剛性を変化させ、共振をかわすことができる。

第１１図は複数段階の剛性変化が可能な可変剛性材Ａ′
の例を示したものである。第１２図(a)〜(f)はその剛性
変化の様子を示したもので、連結部材３としての引張抵
抗材３ａ′はピン接合部５ａの回りに回動自在であり、
先端近傍の３箇所の係止部８ａ，８ｂ，８ｃのいずれか
をピン接合部５ｂの外側に係合することができ、可変剛
性材Ａ′は圧縮方向の軸力Ｎに対し、Ｏ剛性を含めて４
段階の剛性変化が可能である。また圧縮抵抗材３ｂ′は
ピン接合部５ｂの回りに回動自在であり、先端近傍の３
箇所の係止部７ａ，７ｂ，７ｃのいずれかをピン接合部
５ａの内側に係合することができ、可変剛性材Ａ′は引
張方向の軸力Ｎに対しても４段階の剛性変化が可能であ
る。第１３図はこれを可変剛性材Ａ′に作用する軸力Ｎ
と可変剛性材Ａ′の軸力Ｎ方向の変位δの関係として示
したものである。

以上の例は可変抵抗材３がいずれも２部材からなる場合
であるが、第１４図に示すように１つの連結部材３で、
係合状態では引張にも圧縮にも抵抗させることも可能で
ある。

〔発明の効果〕 制震構造の建物架構の柱やブレース等に用いること
で、部材としての剛性および建物架構の剛性を変化さ
せ、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化を抑制することが
できる。

連結部材の係脱により、不安定構造状態と、１また
は２以上の安定構造状態との間で可変であり、部材とし
て２段階または複数段階の剛性が得られる。

地震動等の振動外力に応じて制御される駆動装置の
動作により連結部材の係脱を行い、剛性を変化させる構
造であるため、２段階または複数段階の剛性変化を瞬時
に行うことができ、時々刻々の変化に対応させながら、
効果的な制震を行うことができる。

部材の剛性変化は、部材の中間に位置するピン接合
部で行われるため、建物架構を構成する他部材との接合
の邪魔にならず、架構内における納まりが良い。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)，(b)はこの発明の基本構造を示す正面図、第
２図〜第６図はこの発明の作用を説明するための図で、
第２図(a)，第３図(a)，第４図(a)、および第５図(a)は
正面図、第２図(b)，第３図(b)，第４図(b)，第５図
(b)、および第６図は軸力と変位の関係を示すグラフ、
第７図(a)，(b)は連結部材の作動方法を示す正面図、第
８図は一実施例の正面図、第９図(a)，(b)，(c)，(d)は
それぞれ第８図のＩ−Ｉ線，II−II線，III−III線，IV
−IV線における端面図、第１０図はブレースへの適用例
を示す正面図、第１１図は連結部材により複数段階の抵
抗を可能とした場合の正面図、第１２図(a)〜(f)はその
種々の抵抗状態を示す正面図、第１３図はその場合の軸
力と変位の関係を示すグラフ、第１４図は引張りと圧縮
の両者について単一の連結部材で抵抗させる場合の正面
図である。 Ａ……可変剛性材、１，２……主部材、３……連結部
材、４ａ，４ｂ……ピン接合部、５ａ，５ｂ……ピン接
合部、６ａ，６ｂ……係止部、７ａ，７ｂ，７ｃ，８
ａ，８ｂ，８ｃ……係止部、９……モーター、10……モ
ーター設置板、11，12……プーリー、13……ベルト、1
4，15……ストツパー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制震構造の建物架構を構成し、振動外力に
   応じて前記建物架構の剛性を変化させるべく、駆動装置
   の作動により剛性が変化する軸方向可変剛性材であっ
   て、両材端および中間をピン接合とした互いに対向する
   く字状の主部材の、軸力を受ける前記両材端のピン接合
   部を共通にし、前記中間のピン接合部には、一方のピン
   接合部にピン接合され、他方のピン接合部に対し係合し
   ている状態と係合がはずれた状態との間で係脱自在な連
   結部材と、振動外力に応じて制御され、前記連結部材の
   係脱の切換えを行う駆動装置とを設けたことを特徴とす
   る建物架構の軸方向可変剛性材。
2. 【請求項２】連結部材は前記中間のピン接合部に複数の
   位置で係脱自在とし、複数段階の抵抗を可能としてある
   特許請求の範囲第１項記載の建物架構の軸方向可変剛性
   材。