JP2004150202A

JP2004150202A - 制震システム

Info

Publication number: JP2004150202A
Application number: JP2002318783A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Kurino; 治彦栗野; Shunichi Yamada; 俊一山田
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】追加の地震計等を構造物に設置することなく、建物の振動状態を監視することができる制震システムを提供すること。
【解決手段】構造物Ｂの振動を検知するセンサ５と、当該センサ５の検知結果に基づいて前記構造物Ｂの振動を低減する制震手段４とを備えた制震システムＳ１において、前記検知結果に基づき前記構造物Ｂの振動状態を監視する監視手段６を備えたことを特徴とする。これにより、追加の地震計等を構造物に設置することなく、建物の振動状態を監視することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の制震システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地震時や風による構造物の振動を抑制するための制震システムとしては、外部から供給されるエネルギにより構造物の頂部に設けた可動錘を能動的に移動させることで制震を行うアクティブ型制震システム、及び、比較的僅かな電力を供給し、制震装置の抵抗力を構造物の振動に合わせて変更することで制震を行うセミアクティブ型制震システムが知られている。
【０００３】
これらの制震システムは、いずれの場合も、構造物や制震装置に設置されたセンサが検知した構造物の振動情報を元にして、制震制御がなされている。
【０００４】
従来のアクティブ型制震システムとして図６に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この制震システムでは、制震装置１０３が設置された構造物１０１の外乱や制震の結果に対する各応答量Ｘ１〜Ｘ４が構造物の各所に配置されたセンサ１０２で検出され、その検出値がＡ／Ｄ変換器１０４でデジタル化されてコントローラ１０５に供給される。このコントローラ１０５は、数値演算プロセッサや加算・乗算回路等から構成され、供給された検出値に基づいて駆動指令電圧を求め、この駆動指令電圧をＤ／Ａ変換器１０６を介して駆動装置制御回路１０７に供給する。駆動装置制御回路１０７では、入力した駆動指令電圧に基づいて制震装置１０３を駆動して、制御対象である構造物１０１に制御力を入力する。これを繰り返すことで構造物１０１に発生する揺れを抑えるものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−３３８４７３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の制震システムにおいては、センサ１０２が検知した構造物１０１の振動に関する情報は、制震装置１０３の制御にのみ用いられていた。そのため、構造物１０１の振動状態を監視する場合には、これらのセンサ１０２とは別に構造物１０１に地震計等を配置しなければならなかった。
【０００８】
ここで、センサ１０２の検知する情報と地震計が検知する情報は本質的には同じものであるので、従来の制震システムを用いる限りにおいては、構造物１０１の振動状態を地震計とセンサ１０２とで２重に検知するという無駄が存在した。
【０００９】
本発明は、このような無駄を排除するためになされたものであり、追加の地震計等を構造物に設置することなく、建物の振動状態を監視することができる制震システムを提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る制震システムは、構造物の振動を検知するセンサと、当該センサの検知結果に基づいて構造物の振動を低減する制震手段とを備えた制震システムにおいて、検知結果に基づき構造物の振動状態を監視する監視手段を備えたことを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る制震システムでは、センサの検知結果を基にして制震手段が構造物の振動を低減するとともに、監視手段がセンサの検知結果に基づいて構造物の振動状態を算出して監視する。
【００１２】
よって、制震システムを構成するセンサの他に、構造物に地震計等を追加する必要が無くなる。
【００１３】
また、監視手段は、振動状態を記憶する記憶機能を有することが望ましい。このように構成することにより、監視手段は、構造物の振動状態を記憶することができるので、記憶した振動状態を適宜取り出して種々の処理を行うことが可能となり、データの有効利用が図れる。
【００１４】
また、監視手段は、振動状態を外部に出力する通信機能を有することが望ましい。このように構成することにより、監視手段は、構造物の振動状態を例えば外部の監視センタ等に送信することができるので、構造物の振動状態を遠隔地において監視することが可能となる。また、複数の構造物にこの監視手段を設置することにより、複数の構造物の振動状態を監視センタ等で一括して監視することができる。
【００１５】
また、制震手段は、構造物のブレースと当該ブレースに設置される制震用油圧ダンパとを含み、センサは、制震用油圧ダンパに内蔵された圧力計及び変位計であり、制震用油圧ダンパは、シリンダと、当該シリンダ内で往復動するピストンと、当該ピストンの両側に設けられた油圧室と、両油圧室をつなぐ流路に設けられた開閉制御弁とを備え、両油圧室の圧力を測定する圧力計と、シリンダとピストンとの相対変位を測定する変位計と、圧力計によって計測された圧力および変位計によって計測された変位によって開閉制御弁を制御する制御回路とで、外部からの制御指令を必要としない閉じた制御系を形成していることが望ましい。
【００１６】
このように構成することにより、閉じた制御系を形成している制震用油圧ダンパから圧力計及び変位計の検知結果を監視手段に入力することができるので、検知結果より構造物の振動状態を求めることが可能となり、検知結果の有効利用が図れる。
【００１７】
また、センサは、制震手段と別体であり、センサと制震手段の間には、検知結果を入力し、制震手段を制御するための制御信号を生成する制御手段が設けられており、制御手段が監視手段を兼ねていることが望ましい。このように構成することにより、制震装置とは別に設けられ、構造物の各所に配置されたセンサの検知結果は、制御手段に入力され、この検知結果より生成された制御信号に基づき制震手段が制御される。同時に、制御手段に入力された検知結果を基にして監視手段により構造物の振動状態が算出され監視される。
【００１８】
また、センサが、構造物に配置された速度計又は加速度計であることが望ましい。このように構成することにより、構造物の変位の速度又は構造物の変位の加速度を正確に検知することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１に第１実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成を示す。
【００２１】
第１実施形態の制震システムＳ１は、セミアクティブ型制震システムであり、柱１、梁２及びブレース３等からなる構造物Ｂに設けられる。
【００２２】
この制震システムＳ１は、ブレース３と、制震用油圧ダンパ４と、センサ５と、制御コントローラ７と、コンピュータ６とを備えている。
【００２３】
ブレース３は、柱１，１に剛接合された略Ｖ字型の部材である。制震用油圧ダンパ４は、一端部がブレース３に接続され、他端部は構造物Ｂの一部に接続されている。そして制震用油圧ダンパ４は、構造物Ｂが振動した際に、予め定められた制御則に従い制御され、構造物Ｂの振動を低減する機能を有する。
【００２４】
センサ５は、制震用油圧ダンパ４に内蔵された圧力計５ａ及び変位計５ｂを含む。センサ５の検知結果は、制御コントローラ７に入力され、制御コントローラ７が制震用油圧ダンパ４を制御則に従い制御する。
【００２５】
また、制御コントローラ７は、監視手段として機能するコンピュータ６に接続されており、センサ５の検知結果をコンピュータ６に出力する。
【００２６】
コンピュータ６は、センサ５の検知結果に基づき、構造物Ｂの振動状態を監視する。
【００２７】
続いて、制震用油圧ダンパ４の作用について詳細に説明する。
【００２８】
ここで、制震用油圧ダンパ４は、図２に示すように、シリンダ４ａと、このシリンダ４ａ内で往復動するピストン４ｂと、ピストン４ｂの両側に設けられた油圧室４ｃ，４ｃと、両油圧室４ｃ，４ｃをつなぐ流路４ｄに設けられた開閉制御弁４ｅとを備えている。
【００２９】
また、油圧室４ｃ，４ｃには、各油圧室４ｃの油圧を計測する圧力計５ａ，５ａが設けられている。圧力計５ａ，５ａの計測結果は、制御コントローラ７に送信され、制御コントローラ７中において、両油圧室４ｃ，４ｃの圧力差Δｐとピストン４ｂの面積Ａとを乗じることで制震用油圧ダンパ４が発生する装置発生力Ｆが算出される。
【００３０】
また、シリンダ４ａとピストン４ｂとの間には、変位計５ｂが設けられている。変位計５ｂの検知結果は、制御コントローラ７に送信され、制御コントローラ７中において、シリンダ４ａとピストン４ｂとの相対変位Δｄが算出される。
【００３１】
制御コントローラ７は、装置発生力Ｆ（＝Δｐ・Ａ）、相対変位Δｄ、装置が取り付くブレース３の剛性Ｋｄとから、層間変位ｘ（＝Ｆ／Ｋｄ＋Δｄ）及び層間速度ｄｘ／ｄｔ（層間変位ｘを時間微分する）を算出し、これらの値（Ｆ及びｄｘ／ｄｔ）を基にして、予め決められた制御則に従って、開閉制御弁４ｅの開度を調整する。
【００３２】
例えば、この制御則の一例として、制震用油圧ダンパ４の減衰係数Ｃを最大値Ｃｍａｘ（開閉制御弁４ｅが閉状態）と最小値Ｃｍｉｎ（開閉制御弁４ｅが開状態）の２段階に切り替え可能に構成するものが考えられる。
【００３３】
つまり、層間速度ｄｘ／ｄｔ及び装置発生力Ｆとを基に、予め設定した最低作動荷重Ｆ_０に対し、｜Ｆ｜＞Ｆ_０の範囲では、開閉制御弁４ｅを閉じて制震用油圧ダンパ４の減衰係数ＣをＣｍａｘに維持する。
【００３４】
そして、Ｃ＝Ｃｍａｘの状態で、｜Ｆ｜＞Ｆ_０、かつ、Ｆ・（ｄｘ／ｄｔ）＜０、即ち装置発生力Ｆと層間速度ｄｘ／ｄｔの符号が逆向きになったときに、開閉制御弁４ｅを開き、制震用油圧ダンパ４の減衰係数ＣをＣｍｉｎに変化させる。
【００３５】
さらに、制震用油圧ダンパ４の装置発生力Ｆが｜Ｆ｜≦Ｆ_０となった時点で、開閉制御弁４ｅを閉じ、制震用油圧ダンパ４の減衰係数ＣをＣｍａｘとし、以下同様の制御を繰り返し実行する。
【００３６】
図３は、制震用油圧ダンパ４を組み込んだ構造物Ｂを上記の制御則に則り制震制御した場合の装置発生力Ｆと層間変位ｘとの関係を表すグラフを示す。
【００３７】
通常は、開閉制御弁４ｅは閉じられているので、減衰係数はＣｍａｘとなり、ブレース３はバネとして挙動し、構造物Ｂの揺れに伴う層間変位ｘに比例した荷重（装置発生力Ｆ）が制震用油圧ダンパ４に発生する（ｉ→ｉｉ）。
【００３８】
層間変位ｘの最大点、即ち｜Ｆ｜＞Ｆ_０、かつ、Ｆ・（ｄｘ／ｄｔ）＜０の条件が満たされた時に、開閉制御弁４ｅを開くと、減衰係数はＣｍｉｎとなり、ブレース３内に蓄えられていた歪エネルギが一瞬に開放されて、制震用油圧ダンパ４に掛かっていた荷重（装置発生力Ｆ）が除かれる（ｉｉ→ｉｉｉ）。この際、開放された歪エネルギは、流路４ｄを通過する際に熱エネルギへと変換される。
【００３９】
続いて、歪エネルギが完全に開放された時点、即ち、装置発生力Ｆが｜Ｆ｜≦Ｆ_０となった時点で、再び開閉制御弁４ｅを閉じて減衰係数をＣｍａｘとすると、ブレース３はバネとして挙動し、再び歪エネルギを蓄積する（ｉｉｉ→ｉｖ）。
【００４０】
そして、層間変位ｘの最大点で、開閉制御弁４ｅを開くと、減衰係数はＣｍｉｎとなり、ブレース３に蓄えられていた歪エネルギが一瞬に開放されて、制震用油圧ダンパ４に掛かっていた荷重（装置発生力Ｆ）が除かれる（ｉｖ→ｉ）。
【００４１】
本制御則により制震用油圧ダンパ４を制御することにより、履歴曲線（ｉ〜ｉｖ）で囲まれた面積（エネルギ吸収能力）を従来の受動型オイルダンパ等に比べて大きくすることができる。
【００４２】
このように、センサ５により検知された両油圧室４ｃ，４ｃの圧力差Δｐと、シリンダ４ａとピストン４ｂとの相対変位Δｄとを基にして制御コントローラ７においては、層間変位ｘ及び層間速度ｄｘ／ｄｔとが算出され、コンピュータ６に出力される。
【００４３】
コンピュータ６においては、必要であれば層間速度ｄｘ／ｄｔから層間加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２等の演算がなされる。このようにして得られた構造物Ｂの振動状態（層間変位ｘ、層間速度ｄｘ／ｄｔ、層間加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２等）は、時系列データや数値として表示されたり、ハードディスク等の記憶装置に記憶されたり、ネットワークや電話回線等を通じて外部の監視センタ等に出力されたりする。
【００４４】
本実施形態の制震システムＳ１においては、センサ５の検知結果に基づいて制御コントローラ７が制震用油圧ダンパ４を制御して構造物Ｂの振動を低減する。同時に、制御コントローラ７は、センサ５の検知結果をコンピュータ６に送信し、コンピュータ６は検知結果に基づいて構造物Ｂの振動状態を監視する。
【００４５】
例えば、コンピュータ６は、この振動状態を記憶装置に記憶することにより、記憶した振動状態を適宜取り出して種々の処理を行うことが可能となり、記憶した振動状態の有効利用が図れる。
【００４６】
また、コンピュータ６は、構造物Ｂの振動状態を外部に通信回線等を介して出力することができるので、例えば、構造物Ｂから遠く離れた監視センタ等で、構造物Ｂの振動状態を遠隔監視することが可能となる。また、制震システムＳ１を複数の構造物Ｂに設ければ、複数の構造物Ｂの振動状態を監視センタ等で一括して監視することが可能となる。
【００４７】
このように、本実施形態の制震システムＳ１においては、制震システムＳ１を構成するセンサ５の他に構造物Ｂに地震計等を追加する必要が無くなる。
【００４８】
（第２実施形態）
図４に第２実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成を示す。尚、図４において図１と同様の部材については同符号を付しその説明を省略する。
【００４９】
第２実施形態の制震システムＳ２は、アクティブ型制震システムであり、柱１及び梁２等からなる構造物Ｂの頂部に設けられた可動錘８と、この可動錘８を駆動するアクチュエータ（不図示）と、構造物Ｂの各所に配置され構造物Ｂの振動を検知するセンサ９と、センサ９の検知結果が入力されるコンピュータ６とを備える。本実施形態においては、センサ９と可動錘８とは別体に設けられている。
【００５０】
ここで、センサ９は、速度計又は加速度計である。速度計は、構造物Ｂの変位の速度を測定し、加速度計は、構造物Ｂの変位の加速度を測定するものである。
【００５１】
また、コンピュータ６は、センサ９の検知結果から、構造物Ｂの振動状態（層間変位ｘ、層間速度ｄｘ／ｄｔ、層間加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２等）を求める監視手段であるとともに、アクチュエータによる可動錘８の駆動を制御するための制御手段を兼ねている。
【００５２】
本実施形態においては、構造物Ｂが振動すると、その振動は構造物Ｂの各所に設けられたセンサ９で検知される。その検知結果は、コンピュータ６に入力される。そして、コンピュータ６内で可動錘８の駆動を制御する制御信号が生成され、この制御信号に基づいてアクチュエータを稼動して可動錘８を駆動することにより構造物Ｂの振動を低減する。さらに、コンピュータ６においては、センサ９の検知結果より構造物Ｂの振動状態が演算され、ハードディスク等の記憶装置や、モデム等を介してネットワーク経由で外部の監視センタ等に出力される。
【００５３】
このように、本実施形態の制震システムＳ２においては、コンピュータ６は、センサ９の検知結果を基にして可動錘８の駆動を制御して構造物Ｂの振動を低減するとともに、構造物Ｂの振動状態を監視する。コンピュータ６により求められた構造物Ｂの振動状態は、記憶装置に監視されたり通信回線等を介して外部に送信されたりする。
【００５４】
よって、本実施形態の制震システムＳ２においては、制震システムＳ２を構成するセンサ９の他に、構造物Ｂに地震計等を追加する必要が無くなる。
【００５５】
（第３実施形態）
図５に第３実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成を示す。尚、図５において図１、図４と同様の部材については同符号を付しその説明を省略する。
【００５６】
第３実施形態の制震システムＳ３は、セミアクティブ型制震システムであり、柱１、梁２及びブレース３等からなる構造物Ｂに設けられる。
【００５７】
この制震システムＳ３は、ブレース３と、油圧ダンパ１０と、センサ９と、コンピュータ６とを備えている。
【００５８】
ブレース３は、柱１，１に剛接合された略Ｖ字型の部材である。油圧ダンパ１０は、一端部がブレース３に接続され、他端部は構造物Ｂの一部に接続されている。そして油圧ダンパ１０は、構造物Ｂが振動した際に、予め定められた制御則に従い制御され、構造物Ｂの振動を低減する機能を有する。本実施形態においては、センサ９と制震手段である油圧ダンパ１０とは別体に設けられている。
【００５９】
ここで、センサ９は、速度計又は加速度計である。速度計は、構造物Ｂの変位の速度を測定し、加速度計は、構造物Ｂの変位の加速度を測定するものである。また、コンピュータ６は、センサ９の検知結果から、構造物Ｂの振動状態（層間変位ｘ、層間速度ｄｘ／ｄｔ、層間加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２等）を求め外部に出力する監視手段であるとともに、油圧ダンパ１０を制御するための制御手段を兼ねている。
【００６０】
本実施形態においては、構造物Ｂが振動すると、その振動は構造物Ｂの各所に設けられたセンサ９で検知され、その検知結果は、コンピュータ６に入力され、コンピュータ６内で油圧ダンパ１０を制御する制御信号が生成され、この制御信号に基づいて油圧ダンパ１０を駆動することにより構造物Ｂの振動を低減する。さらに、コンピュータ６においては、センサ９の検知結果より構造物Ｂの振動状態が演算され、ハードディスク等の記憶装置や、モデム等を介してネットワーク経由で外部の監視センタ等に出力される。
【００６１】
このように、本実施形態の制震システムＳ３においては、コンピュータ６は、センサ９の検知結果を基にして油圧ダンパ１０の駆動を制御して構造物Ｂの振動を低減するとともに、に構造物Ｂの振動状態を監視する。コンピュータ６により求められた構造物Ｂの振動状態は、記憶装置に監視されたり、通信回線等を介して外部に送信されたりする。
【００６２】
よって、本実施形態の制震システムＳ３においては、制震システムＳ３を構成するセンサ９の他に、構造物Ｂに地震計等を追加する必要が無くなる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、追加の地震計等を構造物に設置することなく、建物の振動状態を監視することができる制震システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成図である。
【図２】制震用油圧ダンパ４の断面構造を示す模式図である。
【図３】装置発生力Ｆと層間変位ｘとの関係を表すグラフである。
【図４】第２実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成図である。
【図５】第３実施形態の制震システムを構造物に組み込んだ場合の概略構成図である。
【図６】従来の制震システムの模式図である。
【符号の説明】
１・・・柱
２・・・梁
３・・・ブレース
４・・・制震用油圧ダンパ
４ａ・・・シリンダ
４ｂ・・・ピストン
４ｃ・・・油圧室
４ｄ・・・流路
４ｅ・・・開閉制御弁
５・・・センサ
５ａ・・・圧力計
５ｂ・・・変位計
６・・・コンピュータ
７・・・制御コントローラ
８・・・可動錘
９・・・センサ
１０・・・油圧ダンパ

Claims

構造物の振動を検知するセンサと、当該センサの検知結果に基づいて前記構造物の振動を低減する制震手段とを備えた制震システムにおいて、
前記検知結果に基づき前記構造物の振動状態を監視する監視手段を備えたことを特徴とする制震システム。
前記監視手段は、前記振動状態を記憶する記憶機能を有することを特徴とする請求項１に記載の制震システム。
前記監視手段は、前記振動状態を外部に出力する通信機能を有することを特徴とする請求項１に記載の制震システム。
前記制震手段は、前記構造物のブレースと当該ブレースに設置される制震用油圧ダンパとを含み、
前記センサは、前記制震用油圧ダンパに内蔵された圧力計及び変位計であり、
前記制震用油圧ダンパは、シリンダと、当該シリンダ内で往復動するピストンと、当該ピストンの両側に設けられた油圧室と、前記両油圧室をつなぐ流路に設けられた開閉制御弁とを備え、
前記両油圧室の圧力を測定する前記圧力計と、前記シリンダとピストンとの相対変位を測定する前記変位計と、前記圧力計によって計測された圧力および前記変位計によって計測された変位によって前記開閉制御弁を制御する制御回路とで、外部からの制御指令を必要としない閉じた制御系を形成していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の制震システム。
前記センサは、前記制震手段と別体であり、
前記センサと前記制震手段の間には、前記検知結果を入力し、前記制震手段を制御するための制御信号を生成する制御手段が設けられており、
前記制御手段が前記監視手段を兼ねていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の制震システム。
前記センサが、前記構造物に配置された速度計又は加速度計であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の制震システム。