JP2513358B2 - シリンダ―ロック装置を用いた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設置したシリンダーロ
ック装置により、地震等の振動外力に対する構造物の応
答量を低減し、構造物の安全性を確保するための能動型
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、ブレースや壁等の形
で可変剛性要素（耐震要素）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、地震や風等の振動外力に対し、その特
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、可変剛性構造等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63-1
14771号等）。

また、装置の減衰係数を可変とした油圧式の可変減衰
装置を用い、構造物の非共振性や減衰性を考慮した種々
の能動型制震システムを提案している（例えば特開平2-
209568〜71号等）。

さらに、これらの能動型制震システムに利用可能な可
変減衰装置として特願平2-37992号のシリンダーロック
装置等がある。このシリンダーロック装置の基本原理
は、シリンダー本体内の両ロッド形ピストンの両側に油
圧室を設け、両油圧室内の圧油を切換弁により閉止し、
または流動させることにより、前記ピストンを固定し、
または移動自在とするものである。シリンダーロック装
置を能動型制震システムに用いる場合には、構造物の柱
梁架構内に可変剛性要素を設け、柱梁架構と前記可変剛
性要素（または可変剛性要素どうし）の一方にシリンダ
ー本体を連結し、他方にロッドを連結する。切換弁を全
開した状態では実質的に圧油の移動が自由であり、シリ
ンダーロック装置の減衰係数は最小値c_minをとる。この
とき、柱梁架構と可変剛性要素の相対移動も実質的に自
由である。切換弁を閉止した状態では実質的に圧油の移
動がなく（必ずしも完全に閉止する必要はない）、シリ
ンダーロック装置の減衰係数は最大値c_maxをとる。この
とき、柱梁架構と可変剛性要素は実質的に固定された状
態または固定に近い状態となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は構造物における能動型制震システムの一つと
して新たに提案したものであり、柱梁架構内にシリンダ
ーロック装置を設置し、風や地震等による構造物の応答
（と外乱）を観測しながら、構造物にかかる層せん断力
を低減するように、シリンダーロック装置を能動的に制
御し、これによって、構造物の応答を低減し、構造体、
装置両者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たものである。

〔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構造物の柱梁架構内に
可変剛性要素を設け、柱梁架構と前記可変剛性要素間
（または可変剛性要素どうし）をシリンダーロック装置
を介して連結し、地震等の振動外力に対しシリンダーロ
ック装置の切換弁の開閉状態を時々刻々制御することに
より、振動外力に対する構造物の応答を低減させるもの
である。

シリンダーロック装置はシリンダー本体内の両ロッド
形ピストンの両側に油圧室を設け、両油圧室内の圧油を
切換弁により閉止し、または流動させることにより、ピ
ストンを固定し、または移動自在としたもので、柱梁架
構と可変剛性要素の一方、または可変剛性要素どうしの
一方に、シリンダーを連結し、他方にロッドを連結す
る。切換弁を開いてシリンダーとロッドの相対変位を許
容することにより、柱梁架構と可変剛性要素も相対変位
が許容され、切換弁を閉じてシリンダーとロッドの相対
変位を拘束することにより、柱梁架構と可変剛性要素が
実質的に固定され、可変剛性要素の剛性が柱梁架構の剛
性に加わることになる。

シリンダーロック装置を上述のように設置した状態に
おいて、本発明の能動型制震システムでは、振動外力に
よる層間変位に対する柱梁架構の復元力の方向と、前記
シリンダーロック装置の柱梁架構に対する減衰力の方向
に関し、復元力の方向と減衰力の方向が同じである時点
では、切換弁を全開して、シリンダーロック装置の減衰
係数が最小値c_minをとるようにし、復元力の方向と減衰
力の方向が逆である時点では、切換弁を閉鎖して、シリ
ンダーロック装置の減衰係数が最大値c_maxをとるように
制御する。

復元力の方向は例えば構造物の各階の柱梁架構に設け
た変位計等のセンサーで検出される層間変位から与えら
れる。センサーは速度計でもよく、またセンサーをシリ
ンダーロック装置部分に設けてもよい。

減衰力の方向は例えばシリンダーロック装置に設けた
速度計等のセンサーにより検出されるシリンダーとロッ
ドの相対速度から与えられる。この他、シリンダーロッ
ク装置の圧力計の値から求めることもできる。

〔作用〕

本発明の能動型制震システムは構造物に係る層せん断
力を低減することにより、構造物の応答を低減するもの
であり、柱梁架構の復元力の方向とシリンダーロック装
置からの減衰力の方向が同じである時点では、シリンダ
ーロック装置の減衰係数が最小値c_minとすることで、層
せん断力はほぼ復元力に相当する。一方、復元力の方向
と減衰力の方向が逆である時点では、シリンダーロック
装置の減衰力を最大限に効かせて、層せん断力を低減さ
せるべく、装置の減衰係数が最大値c_maxをとるようにし
ている。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第５図および第６図は本実施例で使用するシリンダー
ロック装置Ａの一例を示したもので、シリンダー本体１
内の両ロッド形のピストン２の両側（以下、図における
左右両側をそれぞれ左、右として説明する）に油圧室６
を設け、この左右の油圧室６内の圧油を弁により閉止
し、あるいは流動させることにより、ピストン２を固定
し、あるいは左右移動自在としたものである。

左右の油圧室６にはそれぞれ油圧室内の圧油の流出を
阻止する流出阻止用チェック弁８および油圧室への圧油
の流入を阻止する流入阻止用チェック弁９が設けられて
いる。左右の流出阻止用チェック弁８はシリンダー本体
１に沿って設けた流入用流路10により連結され、一方、
左右の流入阻止用チェック弁９はシリンダー本体１に沿
って設けた流出用流路11により連結され、流入用流路10
と流出用流路11とを切換弁12を介して接続し、切換弁12
により、両流路10,11の連結、遮断を切り換えるように
なっている。

また、切換弁12を弁体の一端側に入口ポート14と出口
ポート15を有し、他端側に背圧ポート16を有する切換弁
とし、入口ポート14と背圧ポート16を連結し、背圧ポー
ト16側に圧油の流出を阻止し得るシャットオフ弁18を設
けている。

このような切換弁12としては、例えば第５図に示すよ
うに絞り22を有し、スプリング25で付勢されたカートリ
ッジ24からなり、背圧と付勢力により閉となるカートリ
ッジ型切換弁などが使用できる。第６図の油圧回路図で
はこれを小径部13aと大径部13bを有するピストン13の移
動により開閉し、受圧面積差により閉となるピストン型
切換弁に置き換えて示している。

狭い取付スペースに配設できるようにするためには、
第５図に示すように、シリンダー本体１内にチューブ５
を設け、シリンダー本体１の内側とチューブ５外周間に
流入用流路10を形成することが考えられ、その場合、チ
ューブ５の両側にチェック弁8,9をそれぞれ設け、流出
用流路11はシリンダー本体１の側部に設けることができ
る。

また、流入用流路10あるいは流出用流路11には、油の
圧縮および温度変化による容積変化を補うなどを目的と
して、アキュムレータ20を設けるのが良い。

上述したこのシリンダーロック装置Ａは両ロッドシリ
ンダー方式で、シリンダー本体１に２つの油の流路10,1
1、チェック弁8,9、切換弁12を設けたことにより、通路
長さを短くすることができ、また通路面積が大きくと
れ、通路抵抗が減少することにより、大流量の圧油を高
速で流し、また瞬間的に遮断することができる。また、
背圧式の切換弁を使用することで、瞬時に開閉でき、前
述の構造とあいまって応答速度を極めて早くすることが
できる。

シリンダーロック装置Ａは、概念的には第４図のよう
に簡略化して考えることができ、本発明ではこのシリン
ダーロック装置Ａについて、切換弁12を閉じたロックの
状態と、切換弁12を開いたアンロックの状態との間の制
御を行う。このとき、シリンダーロック装置Ａの架構本
体に対する減衰力は、シリンダー本体１とピストン２の
相対速度のベキ乗に比例する抵抗力（Ｐ＝cv^r）として
与えられる。

次に、このようなシリンダーロック装置を用いて具体
的な制御方法について説明する。

第２図はシリンダーロック装置Ａを設置した本発明の
システムが適用される構造物の概要を示したもので、柱
33および梁34によって構成される架構本体における各層
の柱梁架構31と、柱梁架構31内に組み込んだ可変剛性要
素としての逆Ｖ型ブレース35との間に、シリンダーロッ
ク装置Ａを介在させている。第３図はこれを振動モデル
として表したもので、図中k_Fiは第ｉ層の柱梁架構の弾
性係数、k_Biは第ｉ層のブレース（可変剛性要素）の弾
性係数、c_iは第ｉ層の柱梁架構に設置したシリンダーロ
ック装置の減衰係数（可変）である。

上記モデルにおいて、第ｉ番目の層に働く層せん断力
Q_iはその層に設置したシリンダーロック装置の減衰力
（c_iv_i｜v_i ^r-1｜）と、その層の柱梁架構の復元力（k_Fi
x_i）との和に負の符合を掛け合わせた量として表現でき
る。すなわち、 Q_i＝−（c_iv_i｜v_i ^r-1｜＋k_Fix_i） …（１） ここに、m_i ：第ｉ節点の質量 _ｉ：第ｉ節点の相対加速度 ：地震動入力加速度 いま、式（１）に着目してQ_iを低減することを考え
る。ここではQ_iを構成しているのが、シリンダーロック
装置の減衰力（c_iv_i｜v_i ^r-1｜）と、柱梁架構の復元力
（k_Fix_i）であると考え、両者の符合が等しいときに
は、減衰力はQ_iを増すことに寄与するので、シリンダー
ロック装置の減衰係数c_iを０にして、減衰力が働かない
ように制御する。すなわち、 ここに、c_minはシリンダーロック装置のとり得る減衰係
数の最小値、c_maxは構造物にとって最大の減衰効果がも
たらされる減衰係数である。

制御則は式（２）で与えられるが、式（２）におい
て、c_i、k_Fiは定数なので、結局下式のように簡略化し
た形で制御則を表現することができる。

式（３）にしたがって、状態量v_i、x_iをリアルタイム
に計測しながら、コンピューターで判断を行い、シリン
ダーロック装置へ制御指令を送ることにより、構造物の
制震化が図れる。

第１図は本発明による能動型制震システムの一例をフ
ローチャートの形でまとめたものであり、地震や風等の
外乱に対し、構造物の応答を各層の層間変位およびシリ
ンダーロック装置部の相対速度に関してセンシングす
る。これらから柱梁架構の復元力とシリンダーロック装
置の減衰力の符号が等しいか否かを判断し、符号が等し
いときは減衰力を０またはほぼ０とするようシリンダー
ロック装置の切換弁を全開し、符号が逆のときは最大の
減衰力を発生させるよう切換弁を閉止する。

第７図〜第14図は柱梁架構内へのシリンダーロック装
置の設置例を示したものである。

第７図の例では柱梁架構31と可変剛性要素としての逆
Ｖ型ブレース35の間にシリンダーロック装置Ａを介在さ
せている。

第８図の例は柱梁架構31の上下の梁34より立設した、
または垂下させたフレーム41どうしの間にシリンダーロ
ック装置Ａ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９図の例では柱梁架構31と可変剛性要素としてのRC
耐震壁42との間にシリンダーロック装置Ａを介在させて
いる。

第10図の例は免震構造物の基部に積層ゴム等の免震ゴ
ム43と併用してシリンダーロック装置Ａを設けた場合の
例であり、シリンダーロック装置Ａが免震構造における
ダンパの役割を果たしている。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11図の例では柱梁架構31内に設けたＸ型ブレース44
を可変剛性要素としており、Ｘ型の中央にシリンダーロ
ック装置Ａを横向きに介在させている。

第12図の例は第11図の例と同様、Ｘ型ブレース45に適
用した例であり、第９図の例がシリンダーロック装置Ａ
を横向きに設けた横型だったのに対し、本例ではシリン
ダーロック装置Ａを縦向きに設け、縦型としている。

第13図の例は第９図の例と同様に、柱梁架構31と可変
剛性要素としてのRC耐震壁46との間にシリンダーロック
装置Ａを介在させたものであるが、シリンダーロック装
置Ａを出入口等の開口部47の上方に設けた点に特徴を有
している。

第14図の例は大架構のＸ型ブレース48の中央にシリン
ダーロック装置Ａを介在させたもので、中間の大梁49と
ブレース48は分離されている。

〔発明の効果〕 本発明の制震システムを用いて、制御を行うことに
より、制震効果に対する以下の利点が期待できる。

a.制御を行うことにより、行わない場合に比べ大幅に層
せん断力を低減することができる。

b.層せん断力を低減させることにより、自動的に応答量
（変位、速度、最上階加速度）も低減できる。

c.層せん断力を低減することを主眼においているので、
架構はもとより、シリンダーロック装置等にも過大な負
担を生じさせることなく、制震効果を実現することがで
きる。

本発明のシステムに必要な構造物内のセンサーは装
置部の速度計（圧力計でもよい）と、建屋各階の変位計
（装置部の変位計、あるいは建屋各階の速度計でもよ
い）のみであり、通常のフィードバック制御に必要なセ
ンサーが省略できる。

構造物基部で地動加速度を計測することにより、各
階の応答量を予測してシステムの時間遅れをカバーする
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の能動型制震システムの一実施例におけ
るフローチャート、第２図は構造物への適用例を示す概
略図、第３図は振動モデルの説明図、第４図は本発明で
使用するシリンダーロック装置の概念図、第５図はシリ
ンダーロック装置の具体例における内部構造を示す断面
図、第６図はその油圧回路図、第７図〜第14図はシリン
ダーロック装置の柱梁架構内における設置位置の例を示
す概要図である。 Ａ……シリンダーロック装置、１……シリンダー本体、
２……ピストン、３……ピストンロッド、４……カバ
ー、５……チューブ、６……油圧室、８……流出阻止用
チェック弁、９……流入阻止用チェック弁、10……流入
用流路、11……流出用流路、12……切換弁、13……ピス
トン、14……入口ポート、15……出口ポート、16……背
圧ポート、17……バイパス流路、18……シャットオフ
弁、20……アキュムレータ、21……付属部材、22……絞
り、23……流路、24……カートリッジ、25……スプリン
グ、31……柱梁架構、33……柱、34……梁、35……ブレ
ース、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 直幹 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島 建設株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−209567（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造物の柱梁架構内に可変剛性要素を設
   け、前記柱梁架構と前記可変剛性要素間または可変剛性
   要素どうしを、 シリンダー本体内の両ロッド形ピストンの両側に油圧室
   を設け、前記両油圧室内の圧油を切換弁により閉止し、
   または流動させることにより、前記ピストンを固定し、
   または移動自在とするシリンダーロック装置を介して連
   結し、 地震等の振動外力に対し前記シリンダーロック装置の切
   換弁の開閉を時々刻々制御することにより、前記振動外
   力に対する前記構造物の応答を低減させる能動型制震シ
   ステムにおいて、 前記シリンダーロック装置のシリンダーを前記柱梁架構
   と前記可変剛性要素、または可変剛性要素どうしの一方
   に、ロッドを他方に連結し、 前記振動外力による層間変位に対する柱梁架構の復元力
   の方向と、前記シリンダーロック装置の柱梁架構に対す
   る減衰力の方向に関し、 前記復元力の方向と前記減衰力の方向が同じである時点
   では、前記切換弁を全開して、前記シリンダーロック装
   置の減衰係数が最小値c_minをとるようにし、 前記復元力の方向と前記減衰力の方向が逆である時点で
   は、前記切換弁を閉鎖して、前記シリンダーロック装置
   の減衰係数が最大値c_maxをとるように制御することを特
   徴とするシリンダーロック装置を用いた能動型制震シス
   テム。
2. 【請求項２】前記復元力の方向は前記柱梁架構に設けた
   センサーで検出される層間変位より求める請求項１記載
   のシリンダーロック装置を用いた能動型制震システム。
3. 【請求項３】前記減衰力の方向は前記シリンダーロック
   装置に設けたセンサーにより検出される前記シリンダー
   とロッドの相対速度より求める請求項１記載のシリンダ
   ーロック装置を用いた能動型制震システム。