JPH0742811B2 - 可変剛性機構による能動型制震システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は構造物の柱梁架構内に、減衰係数が２段階で切
り換え可能なダンパーとしての連結装置を設け、地震は
風などの振動外乱に対し、コンピューターにより構造物
の振動に応じた制御を行い、構造物の応答量を低減させ
る能動型制震システムに関するものである。

〔従来の技術〕

出願人は構造物の柱梁架構内に、ブレースや耐震壁など
の耐震要素としての構造部材の形で可変剛性要素を組み
込み、可変剛性要素自体の剛性、あるいは架構本体と可
変剛性要素との連結状態を可変とし、地震や風などの振
動外力に対し、振動外力の特性をコンピューターにより
解析して、非共振となるよう構造物の剛性を変化させて
構造物の安全を図る能動的制震システムおよび可変剛性
構造を種々提案している（例えば特開昭62-268479号、
特開昭63-114770号、特開昭63-114771号など）。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の能動的制震システムは、主として地震
動などの卓越周期と、構造物の固有振動数（通常、１次
の固有振動数が問題となる場合が多い）との関係に着目
し、卓越周期に対し、構造物の固有振動数を能動的にず
らすことにより、共振現象を避け、応答量の低減を図っ
ている。

しかし、特に地震動などの場合、非定常振動であること
から、例えば卓越周期がはっきりしない場合や卓越周期
が複数ある場合など、必ずしも最適な制御とならない場
合も考えられる。

また、能動的制震システムにより構造物の応答を最小限
に抑えるためには、地震動などの振動特性、架構の特性
などの解析および各種装置による制御を厳密に行うこと
も考えられるが、個々の地震動特性に応じた種々の条
件、また装置の構造などから制御には自ずから限界があ
り、またこのような制御システムにおいては、異常が生
じた場合の安全性の維持機構も複雑になるなど、コスト
その他の面でも解決すべき問題が多い。

本発明は比較的簡単な機構の装置および簡単なプログラ
ムにより、構造物の制震化を効率良く行い、振動外乱に
対する構造物の応答を低減し、構造物の安全性を確保す
るとともに、快適な居住空間を実現することを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の能動型制震システムは、柱梁架構としての架構
本体と、架構本体内に耐震要素として配置される構造部
材としての可変剛性要素（以下、単に可変剛性要素とい
う）との間、または架構本体内に設けた可変剛性要素内
に介在し、減衰係数が所定の高い減衰係数と所定の低い
減衰係数との間で可変なダンパーとしての連結装置と、
構造物への振動外力の入力による架構本体の応答量およ
び／または地震動を測定するセンサーなどの振動測定手
段と、この振動測定手段により得られた応答量および／
または地震動に応じて、高い減衰係数と低い減衰係数の
いずれか一方を選択する減衰係数選択手段と、ダンパー
としての連結装置をこの減衰係数選択手段により選択し
た減衰係数に対応する状態に制御する制御指令発生手段
とからなる。

請求項２は、上記能動型制震システムの連結装置を限定
したものであり、ダンパーとしての連結装置が、架構本
体または可変剛性要素の一方に連結されるシリンダー
と、架構本体または可変剛性要素の他方に連結され、シ
リンダー内で往復動する両ロッド形式のピストンと、こ
のピストンの両側の油圧室を連結する油路と、その油路
に設けた開閉弁とからなり、開閉弁の開閉により、所定
の低い減衰係数と所定の高い減衰係数の間で連結状態を
切り換え可能とした構造の場合である。

本発明では、このように、減衰係数を所定の高い減衰係
数と低い減衰係数の２段階で切り換え可能としたダンパ
ーとしての連結装置を介在させ、風や地震による構造物
の応答と地震動などを振動測定手段で観測しながら、そ
れに適した剛性と減衰効果をコンピューターにより計算
し、連結装置の減衰係数を選択する。

これを能動的に制御することで、風や小地震時の構造物
の剛性の確保と、大地震時の非共振化と減衰の付加がで
き、構造物の制震化が実現できる。

なお、振動レベルの判断は構造物の応答のみで判断し、
フィードバックによる制御を行うこともできるし、地震
動そのものを測定し、フィードフォワードすることによ
り、フィードバックとフィードフォワードを併せた複合
的な制御を行うこともできる。

請求項２の場合は、構造物の振動外力が入力されると、
構造物あるいは柱梁架構本体の応答量が振動測定手段と
しての加速度計、速度計あるいは変位計などのセンサー
により感知され、コンピュータープログラム内の減衰係
数選択手段により、振動レベルに応じて高い減衰係数と
低い減衰係数のいずれかが選択される。選択された減衰
係数は、制御指令発生手段より制御指令を連結装置に与
え、すなわち連結装置の開閉弁の開閉を制御することに
より実現される。

このような減衰係数が可変な連結装置としては、例えば
シリンダーがブレースなどの可変剛性要素側に連結さ
れ、該シリンダー内で往復動する両ロッド形式のピスト
ンのロッドが柱梁架構本体側に連結される連結装置（以
下、シリンダーロック装置と呼ぶ）が利用できる。この
シリンダーロック装置は、第２図に示すように、ピスト
ン12aの両側の油圧室13を連結する油路14に開閉弁15が
設けられ、この開閉弁15の開閉により連結状態を調整す
ることができる。すなわち、開閉弁15が閉の状態では、
油路14における圧油の流れが実質的に阻止されるため、
固定に近い状態となり、装置は大きな減衰係数を持つこ
とになる。反対に開閉弁15が開の状態では、両油圧室13
の圧油の流れが実質的に自由な状態となり、装置は小さ
な減衰係数を持つことになる。

この油圧を利用したシリンダーロック装置10において、
柱梁架構本体に対する減衰力はシリンダー11とピストン
ロッド12の相対速度の２乗に比例する抵抗力として与え
られる。

シリンダー11が柱梁架構本体側に連結され、ピストンロ
ッド12が可変剛性要素側に連結される場合も同様であ
る。

〔作用〕

本発明の能動型制震システムでは、構造物の応答あるい
は地震動などの振動の大きさに応じて、連結装置を働か
せるものであり、風や小さい地震に対しては、減衰係数
の大きい固定または固定に近い状態で対処させることに
より、構造物の剛性を確保し、大きな減衰力を働かせる
ことができる。一方、大地震に対しては、減衰係数の小
さいフリーまたはフリーに近い状態で対処させることに
より、構造物の柱梁架構を可変剛性要素が効かない低い
剛性状態とし、非共振化を図るとともに、大地震の振動
レベルに応じた減衰性を付加し、構造物の応答を低減さ
せることができる。

すなわち、本発明の能動型制震システムは従来の能動型
制震システムが非共振性に重点をおいていたのに対し、
振動レベルに応じて連結装置の連結状態を制御するもの
であり、制御が比較的簡単であり、かつ構造物に対する
減衰力を効果的に働かせることができる。

〔実施例〕

次に、実施例として制御システムの具体例について説明
する。

第１図は本発明の能動的制震システムの構成の概要を示
したもので、柱３と梁４からなる柱梁架構本体２と、各
層の柱梁架構本体２内に組み込んだ可変剛性要素として
の逆Ｖ型ブレース５との間に、連結装置１（例えば前述
のシリンダーロック装置）を介在させている。入力地震
動および構造物の応答（振幅、速度、加速度など）をそ
れぞれ入力センサー６および構造物に設置した応答セン
サー７でセンシングし、振動レベルに応じた連結装置１
の減衰係数または連結状態をコンピューター８で選択
し、制御指令を出す。

制御はより具体的には以下のように行われる。

風や小地震時には、装置の減衰係数を高い値として、
可変剛性要素が効いた剛性の高い架構とする。これによ
り高層ビルなどで問題となっている船酔い現象を防止で
き、快適な居住空間を実現できる。

センシングしている構造物の応答や地震動の大きさを
もとに、大地震であると判断されたら、装置の減衰係数
を小さい値に切り換え、可変剛性要素が効かない剛性の
低い架構とする。これにより、柱梁架構の固有周期が長
くなり、地震動の一般的特性からすると、構造物に入る
力が減り、安全性が保たれる。

装置の減衰係数の切り換えは、地震動の大きさと構造
物の応答の大きさのみで判定でき、計算機としては、ボ
ードコンピューター程度で十分である。

装置の高・低の減衰係数の両状態とも柱梁架構に減衰
性能を付加でき、構造物の応答低減に効果を発揮する。

第３図〜第10図は、本発明における連結装置の柱梁架構
に対する適用位置の例を示したものである。

第３図の例では架構本体２としての柱梁架構と、可変剛
性要素としての逆Ｖ型ブレース５の間に連結装置１を介
在させている。

第４図の例は架構本体２としての柱梁架構と、上下の梁
４より立設したまたは垂下させたフレーム21どうしの間
に連結装置１を介在させて、可変剛性要素としてのモー
メント抵抗フレームを構成した場合である。

第５図の例では架構本体２としての柱梁架構と、可変剛
性要素としてのRC耐震壁22との間に連結装置１を介在さ
せている。

第６図の例は、免震構造物の基部に積層ゴムなどの免震
ゴム23と併用して連結装置１を設けた場合の例であり、
連結装置１が免震構造におけるダンパーの役割を果して
いる。この場合の可変剛性要素は構造物の基礎と考える
ことができる。

第７図の例では架構本体２としての柱梁架構内に設けた
Ｘ型ブレース24を可変剛性要素としており、Ｘ型の中央
に連結装置１を横向き（横型）に介在させてある。

第８図の例は第７図の例と同様、Ｘ型ブレース25に適用
した例であり、第７図の例が連結装置１を横向きに設け
た横型だったのに対し、本例では連結装置を縦向きに設
け、縦型としている。

第９図の例は第５図の例と同様、架構本体２として柱梁
架構と、可変剛性要素としてのRC耐震壁26との間に連結
装置１を介在させたものであるが、連結装置１を出入口
などの開口部27の上方に設けた点に特徴を有している。

第10図の例は、大架構におけるＸ型ブレース28の中央に
連結装置１を介在させたもので、中間の大梁29とブレー
ス28は分離されている。

〔発明の効果〕

本発明の能動型制震システムでは、地震動などの外乱に
対し、構造物の減衰性を考慮して制御を行うものであ
り、減衰係数を高・低２段階に選択できる連結装置を柱
梁架構内に組み込んでおき、切り換えを行う振動レベル
などの条件をあらかじめコンピューター内に設定してお
くことにより、振動状態に応じて、比較的簡単に制御を
行うことができる。

すなわち、連結装置の減衰係数を変化させることによ
り、可変剛性要素と連結装置の連結状態を変化させ、そ
の構造物の特性および地震動などの特性に応じた減衰性
を与えることにより、構造物の応答量を低減し、安全性
を確保するとともに、快適な居住空間を実現することが
できる。

また、振動レベルなどの比較的簡単な判断により制御を
行うため、簡易な計算機で制御を行うことができ、経済
的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の能動的制震システムの構成の概要図、
第２図は本発明の能動的制震システムに使用されるシリ
ンダーロック装置の概念図、第３図〜第10図は本発明に
おいて使用する連結装置の柱梁架構に対する適用位置の
例を示す概要図である。 １……連結装置、２……架構本体、３……柱、４……
梁、５……ブレース、６……入力センサー、７……応答
センサー、８……制御用コンピューター、10……シリン
ダーロック装置、11……シリンダー、12……ピストンロ
ッド、13……油圧室、14……油路、15……開閉弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】柱梁架構としての架構本体と前記架構本体
   内に耐震要素として配置される構造部材としての可変剛
   性要素との間、または架構本体内に設けた可変剛性要素
   内に介在し、減衰係数が所定の高い減衰係数と所定の低
   い減衰係数との間で可変なダンパーとしての連結装置
   と、構造物への振動外力の入力による架構本体の応答量
   および／または地震動を測定する振動測定手段と、前記
   振動測定手段により得られた応答量および／または地震
   動に応じて、前記高い減衰係数と低い減衰係数のいずれ
   か一方を選択する減衰係数選択手段と、前記連結装置を
   前記減衰係数選択手段により選択した減衰係数に対応す
   る状態に制御する制御指令発生手段とからなる可変剛性
   機構による能動型制震システム。
2. 【請求項２】前記連結装置は架構本体または可変剛性要
   素の一方に連結されるシリンダーと、架構本体または可
   変剛性要素の他方に連結され、前記シリンダー内で往復
   動する両ロッド形式のピストンと、該ピストンの両側の
   油圧室を連結する油路と、該油路に設けた開閉弁とから
   なり、該開閉弁の開閉により、所定の低い減衰係数と所
   定の高い減衰係数の間で連結状態を切り換え可能として
   ある請求項１記載の可変剛性機構による能動型制震シス
   テム。