JP2528573B2

JP2528573B2 - 制震構造物用高減衰装置

Info

Publication number: JP2528573B2
Application number: JP3219963A
Authority: JP
Inventors: 鐸二小堀; 孝二石井; 元一高橋; 義憲松永; 直幹丹羽; 孝之水野; 邦雄古川
Original assignee: Kajima Corp; KYB Corp
Current assignee: Kajima Corp; KYB Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPH0559841A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は地震等の振動外力に対す
る構造物の応答について、高い減衰性を与え、その振動
を低減するための高減衰装置に関するものである。

【０００２】

【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
図る能動型制震システム、可変剛性構造等を種々開発し
ている（例えば特開昭６２−２６８４７９号、特開昭６
３−１１４７７０号、特開昭６３−１１４７７１号
等）。

【０００３】また、装置の減衰係数を可変とした油圧式
の制震装置を用い、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）。

【０００４】さらに、これらの能動型制震システムに利
用可能な制震装置として、例えば特願平２−３７９９２
号のシリンダーロック装置や、特願平２−４２０７８号
の制震構造物用可変減衰装置等がある。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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の能動
型制震システムは、主として地震動等の卓越周期と、構
造物の固有周期（通常、１次の固有周期が問題となる場
合が多い）との関係に着目し、卓越周期に対し、構造物
の固有周期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。

【０００６】しかし、特に地震動等の場合、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等、必ずしも最適な制御とな
らない場合も考えられる。

【０００７】また、能動型制震システムの場合、制御用
のコンピューターの他、各種センサーを用いるため、何
らかの異常があった場合に対し、種々の安全維持機構を
必要とする等、制御機構が複雑となり、コスト面での問
題も考えられる。その他、制御の遅れにより十分な効果
を発揮するまで時間を要するような場合も考えられる。

【０００８】本発明の高減衰装置は構造物に用いること
により、コンピュータープログラム等による制御システ
ムを必要としない受動型の制震を可能とするものであ
り、柱梁架構内に設置可能なコンパクトな構造で、適切
に設置することにより、構造物に高い減衰機能を持た
せ、地震や風等の外乱による構造物の揺れを低減すると
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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の高減衰装置は上
述したシリンダーロック装置と同様、構造物の柱梁架構
内に設置されるシリンダー形式のダンパー装置であり、
例えばシリンダー本体を架構の梁に連結し、シリンダー
本体より出入するピストンロッドをブレースまたは耐震
壁等の耐震要素側に連結する。構造物に地震等の振動外
力が作用した場合、架構と耐震要素間の相対変位に対
し、高減衰装置がその減衰係数に応じた抵抗力を与え、
構造物の振動を減衰させる。

【００１０】架構または耐震要素に対するシリンダー本
体及びロッドの連結関係は上述した場合の逆であっても
よく、また架構内の耐震要素間に設置し、耐震要素どう
しを連結する形でもよい。

【００１１】本発明の高減衰装置はコンパクトな装置
で、例えば保持力１００ｔ、減衰係数２５ｔ／kineとい
った高い減衰係数を目指したもので、また所定レベル
（例えば２５kineレベル）までの地震には装置の減衰係
数を一定にし、それを越えるような地震に対しては装置
部の荷重増加を生じないように減衰係数を減少させる。

【００１２】このような条件を実現するため、本発明の
高減衰装置は下記の構成要素を備えている。構造物の架構または耐震要素に固定されるシリンダ
ー本体前記シリンダー本体内を移動するピストン前記シリンダー本体の一端から出入し、前記シリン
ダー本体が固定された架構または耐震要素と対向する架
構または耐震要素に固定されるピストンロッド前記ピストンの両側に形成された油圧室前記ピストンを貫通して前記両油圧室を連通させる
複数の流路前記流路に設けられた調圧弁及びリリーフ弁（前記
両油圧室の一方から他方へ向かう各方向についてそれぞ
れ分散させて設ける）前記両油圧室を連結するバイパスに設けたアキュム
レーターアキュムレーターからそれぞれの油圧室へ向かう油
のみ流すための一対のチェック弁前記各チェック弁と並列に設けられ、油圧室の圧ご
もりを解消するためのオリフィス。

【００１３】調圧弁及びリリーフ弁をピストン内に形成
した流路に設けることで、シリンダー外部への油漏れが
防止され、高減衰性を得るためのシール性が確保され
る。

【００１４】調圧弁は減衰係数を規定するための弁であ
り、例えば２５ｔ／kineといった減衰係数を装置に与え
る。

【００１５】また、リリーフ弁は設計以上の圧力が作用
した場合にバルブが開き、その圧力を逃がす作用をす
る。

【００１６】このように調圧弁とリリーフ弁を配置する
ことで、所定レベルの地震に対しては荷重と振幅の増加
に伴った減衰効果を発揮し、それ以上の地震に対しては
振幅の増加に伴った減衰効果を発揮することとなる。こ
れにより、装置を破壊の危険性から解放できるととも
に、建物各階に設置する装置の数が規定できる。

【００１７】なお、調圧弁としてポペット弁を使用する
ことで、流体抵抗を乱流状態として温度に依存しない減
衰特性が実現される。

【００１８】アキュムレーターは主として負圧時に発生
する気泡によるガタの防止及び温度変化（火災時を含
む）による油の伸縮に対応するためのものであり、これ
により安定性、安全性が確保される。

【００１９】また、チェック弁と並列に設けたオリフィ
スは、地震時等にシリンダー本体とロッドが繰り返し相
対変位（振動）している際の油圧室における圧ごもりを
解消するとともに、装置の減衰特性を線形化する目的で
設けられている。

【００２０】

【実施例】図１は本発明の高減衰装置１０の基本構造を
示したもので、シリンダー１１内に両ロッド形式のピス
トン１２が組み込まれている。

【００２１】高減衰、高剛性を確保するための条件とし
ては、まずピストン１２移動方向と反対側の油圧室（図
中、左側の油圧室を１４ａ、右側の油圧室を１４ｂで示
している）を負圧としないことが必要で、そのためピス
トン１２を貫通する流路に調圧弁１７ａ、１７ｂを設
け、移動油量が直接的に反対側の油圧室へ流れる構造と
している。

【００２２】また、所定レベル（例えば２５kineレベ
ル）以上の地震に対しては、高減衰装置１０に作用する
荷重が増加しないよう、ピストン１２を貫通する流路に
リリーフ弁２７ａ、２７ｂを設け、設計以上の圧力が作
用したときに、このリリーフ弁２７ａ、２７ｂが開き、
圧力を逃がす。

【００２３】図１の(b) はピストン１２の断面における
上記調圧弁１７ａ、１７ｂ及びリリーフ弁２７ａ、２７
ｂの配置例を示したもので、ピストン１２を貫通する８
つの流路を形成し、両方向の調圧弁１７ａ、１７ｂ及び
リリーフ弁２７ａ、２７ｂを均等に配置している。

【００２４】図２は高減衰装置１０全体を概略的に示し
たものである。ただし、図２の場合にはピストンロッド
は一方向のみシリンダー１１から突出し、その突出する
側のロッド１２ａ及びシリンダー１１の反対側に、耐震
要素または柱梁架構と連結するための取付部１５、１６
を設けている。

【００２５】また、本発明の高減衰装置１０では、作動
中の油の圧縮を考慮して不足油量を補償する必要がある
ので、補給用のアキュムレーター１８が必要となり、バ
イパス１９にはチェック弁２０ａ、２０ｂを設けてい
る。さらに停止すると、油が元の状態に戻る（膨張）の
で、補償された油をアキュムレーター１８に戻す必要が
あり、チェック弁２０ａ、２０ｂと並列にオリフィス
（絞り）２１ａ、２１ｂを設けている。

【００２６】図３は本発明の高減衰装置１０の具体的な
実施例を示したもので、図４はその調圧弁１７部分の詳
細を示したものである。なお、図３ではアキュムレータ
ー１８部分を省略して示している。

【００２７】基本的な構造は前述した通りであり、外部
への油漏れ防止及び高減衰を得るためのシール性を確保
する目的で、調圧弁１７ａ、１７ｂがピストン１２内に
設置されている。また、図３中には示していないが、上
述したリリーフ弁２７ａ、２７ｂもピストン１２内に設
置されている。

【００２８】また、本実施例において調圧弁１７ａ、１
７ｂとしては、円錐形のポペット弁等を使用し、流体抵
抗を乱流状態として、温度に依存しない減衰特性を実現
している。調圧弁１７ａ、１７ｂに用いるポペット弁と
しては、図４のような円錐弁１７の他、図５(a) ，(b)
に示すような所定のスリット２５を形成した比例弁１
７’を用いることもできる。

【００２９】この他、耐久性及び信頼性の向上のため、
ピストンシール２９ａに多段の金属シールを用い、固定
シールも金属シール２９ｂとしている。また、メンテナ
ンスに関してはロッド部についてフッ素樹脂製シール２
９ｃを２段設け、外側のシール２９ｃをカートリッジ式
として取り換え可能としている。このように、各部のシ
ール性、精度を増すことにより、高い減衰係数が可能と
なる。

【００３０】また、取付部１５については３方向回転自
由なクレビスを用いている。

【００３１】図６はリリーフ弁２７の一例を示したもの
で、図中２８は開放圧力設定用スプリングである。リリ
ーフ弁２７は地震が所定レベル以上で、バルブ全面の流
入部における圧力が設計以上の圧力に達すると、スプリ
ング２８の抵抗に逆らってバルブが開き、圧力を解放す
る構造となっている。

【００３２】図７は高減衰装置１０の本体側面に取り付
けられたバイパス１９及びアキュムレーター１８の一例
を示したもので、油圧室１４ａとアキュムレーター１８
との間に油圧室１４ａ側へ向かう油の流れを阻止するた
めのチェック弁２０ａを設け、油圧室１４ｂとアキュム
レーター１８との間に油圧室１４ｂ側へ向かう油の流れ
を阻止するためのチェック弁２０ｂを設けている。ま
た、各チェック弁２０ａ、２０ｂ部分にはこれらを貫通
する（回路図的には並列となる）オリフィス２１ａ、２
１ｂが設けられ、高減衰装置１０の減衰特性を線形化す
るとともに、油圧室１４ａ、１４ｂ内での圧ごもりを解
消する。

【００３３】また、アキュムレーター１８をピストン型
とすることで、窒素ガスの使用を避けることができ、ま
た図５のような油量監視装置を付けることで容易に内部
油量が監視できる。すなわち、油量監視棒２６の突出量
Ｌ＝Ｌ₀±ΔＬについて、ΔＬが温度、漏れ等による許
容変動値以下であることを監視する。

【００３４】次に、本発明の高減衰装置１０の適用例と
して、鉄骨ラーメン構造の建家を対象とした高減衰構造
物の設計方法について説明する。

【００３５】図８(a) は本発明の高減衰装置を用いた高
減衰構造物１を概念的に示したもので、図８(b) の一般
構造物１’に対して、柱梁架構を約半分とし、局所的に
耐震要素としてのブレース４と高減衰装置１０を設置し
て、その部分で建家の振動エネルギーを吸収する。

【００３６】図９は一層分を振動モデルとして表したも
ので、図中ｃは装置の減衰係数、ｋ_Fは柱梁架構の剛
性、ｋ_Vはブレースの剛性である。

【００３７】上記モデルによる多層建物の複素固有値を
求め、下式(1) により構造体の各次モードごとの減衰定
数を算定する。ｈ_i＝−Ｒｅ（λ_i）／｜λ_i｜ … (1) ただし、 λ_i：ｉ次複素固有値ｈ_i：ｉ次減衰定数Ｒｅ（λ_i）：ｉ次複素固有値の実数部。

【００３８】図１０は複素固有値より求めた架構の減衰
定数と、各層の高減衰装置の減衰係数ｃ(t/kine)の関係
を１〜３次のモードについて示したもので、図１０にお
いて各次の減衰定数ｈ₁、ｈ₂、ｈ₃が１０〜４０％を
示す範囲ａに、高減衰装置の減衰係数ｃを設定すれば、
十分な応答低減効果が得られる。この範囲ａとしては、
３次減衰定数ｈ₃のピークと１次減衰定数ｈ₁のピーク
の間が適当である。すなわち、３次のモードに対する減
衰定数ｈ₃の最大値を与える減衰係数ｃ₃と、１次のモ
ードに対する減衰定数ｈ₁の最大値を与える減衰係数ｃ
₁とを求め、前記高減衰装置の減衰係数ｃがｃ₃≦ｃ≦ｃ₁ となるように設定すればよい。

【００３９】減衰係数ｃがｃ₃より小さいと、架構の変
形が急激に大きくなり、またｃ₁より大きいと、振動抑
制効果としてはあまり差がないものの、高減衰装置の必
要耐力が大きくなる。

【００４０】図１１は地震応答スペクトルでみた応答低
減効果を示したものである。一般構造物の固有周期Ｔ₁
に対して、柱梁架構を約半分とすることで、固有周期が
伸び（Ｔ₂）、スペクトルそのものが低下する。それと
ともに、減衰効果が２％程度から１０〜４０％に増加す
ることで、さらに応答スペクトルが低下し、固有周期が
わずかに短くなる（Ｔ₃）。このとき、通常問題となる
変形の増加は減衰効果が増加することで抑制できる。

【００４１】以上は、高減衰装置の減衰係数ｃを規定し
て解析を行ったものであるが、本発明の高減衰装置では
装置の許容耐力も考慮する。すなわち、装置に作用する
荷重は地震の速度に略比例しており、減衰係数ｃが一定
の場合、地震のレベルに応じて装置に作用する荷重も大
きくなる。これに対し、本発明では上述したリリーフ弁
の作用により、所定以上のレベルの地震に対しては減衰
係数ｃが減少し、作用する荷重が装置の許容耐力に応じ
た一定の値に収まるようにしている。

【００４２】図１２及び図１３はこのような装置の特性
をグラフで表したものである。図１２はＦ＝ｃＶ〔Ｆは
装置に作用する荷重（ｔｆ）、ｃは装置の減衰係数（ｔ
／kine）、Ｖは地震応答の速度（kine）〕の仮定のも
と、正弦波に対する荷重−変位関係を示したもので、図
中δ₂₅は２５kineレベルの地震応答の変位、δ₅₀は５０
kineレベルの地震応答の変位である。また、図１３は荷
重−速度関係を示したもので、荷重１００ｔに上限をお
き、２５kineレベルの地震応答の速度Ｖ₂₅を境に減衰係
数ｃが減少するのが分かる。

【００４３】一例として２４階建て、建物の高さが９
８．１ｍ、基準階高さ３．９０ｍ、基準階床面積１２６
９ｍ²程度の鉄骨ラーメン構造の高層建物で、入力地震
動の最大速度振幅を５０kineレベルに想定する。必要な
高減衰装置は１層に４台として、その許容耐力が非常に
大きい場合、例えば２００ｔの場合には、減衰係数ｃを
２５ｔ／kineに設定すればよいことになる。しかし、本
発明では装置に余裕を持たせ、装置に作用する最大荷重
を１００ｔに抑えるため、２５kineレベルの地震に対し
ては減衰係数を２５ｔ／kineに設定し、それ以上の地震
に対してはリリーフ弁の作用により減衰係数ｃを減少さ
せ、装置部における荷重の増加を生じさせず、振幅の増
加に伴った減衰効果を発揮させることとする。

【００４４】なお、高減衰装置は各階に設けてもよい
が、各次の振動モードの節にあたる階のみとして、効率
化を図ることも可能である。

【００４５】図１４は高減衰装置の他の実施例として、
装置の経年劣化対策を考慮したシール計画を示したもの
である。ピストン部は金属製のピストンシール２９ａを
用い、固定部については中心に弾性コア（コイルスプリ
ング）を内蔵し、これを１層または２層の金属被覆で覆
ったいわゆヘリコフレックス製の金属シール２９ｂ用い
ることで、メンテナンスフリーとしている。ロッド部及
びピストン式アキュムレーター部はフッ素樹脂製シール
２９ｃを内側と外側の２段設け、外側のシール２９ｃは
装置を取り付けた状態で交換可能なディテールとする。
これにより、装置を取り付けた状態で２０年に１回程
度、外側のシール２９ｃを交換するだけで足り、建物と
同程度の耐用年数を確保することができる。

【００４６】

【発明の効果】油圧シリンダー形式の簡単な機構で、かつコンパク
トな装置で高減衰性能を実現しており、構造物内への適
用が容易である。

【００４７】調圧弁及びリリーフ弁をピストン内部
に設けた構造であり、シール性を確保することで、性能
安定性及び信頼性の高い装置が作れる。

【００４８】調圧弁としてポペット弁を用いること
により、温度変化による性能変動の少ない装置が作れ
る。

【００４９】リリーフ弁により、装置を破壊の危険
性から解放できるとともに、建物各階に設置する装置の
数が規定でき、歩留まりが向上する。また、装置に設計
荷重以上かからないことで、取り付け構造等の周りの部
材の省力化が図れ、装置も含めてコンパクトな納まりを
実現できる。

【００５０】本発明の装置を構造物に適用すること
により、受動型の高減衰構造物が実現でき、高い制震効
果が得られる。これにより地震、風等の外乱による揺れ
を大幅に低減でき、建物の構造安全性を高めるととも
に、快適な居住空間を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高減衰装置の基本構造を示したもの
で、(a) は鉛直断面図、(b) はそのＡ−Ａ断面図であ
る。

【図２】本発明の高減衰装置全体の概要を示すモデル図
である。

【図３】本発明の高減衰装置の一実施例を示す断面図で
ある。

【図４】調圧弁部分の詳細を示す断面図である。

【図５】調圧弁の他の例を示したもので、(a) は正面
図、(b) は側面図（一部断面）である。

【図６】リリーフ弁の一例を示す断面図である。

【図７】バイパス及びアキュムレーター部分の構造の一
例を示す断面図である。

【図８】(a) は本発明に係る高減衰構造物、(b) は比較
例としての一般構造物を概念的に示した立面図である。

【図９】高減衰構造物の一層分の振動モデル図である。

【図１０】複素固有値より求めた架構の減衰定数と、高
減衰装置の減衰係数関係を１〜３次のモードについて示
したグラフである。

【図１１】地震応答スペクトルでみた応答低減効果を示
すグラフである。

【図１２】本発明の高減衰装置の荷重−変位関係の特性
を示すグラフである。

【図１３】本発明の高減衰装置の荷重−速度関係の特性
を示すグラフである。

【図１４】本発明の高減衰装置の他の実施例におけるシ
ールの配置例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…高減衰構造物、２…柱、３…梁、４…ブレース、１
０…高減衰装置、１１…シリンダー、１２…ピストン、
１４…油圧室、１５、１６…取付部、１７…調圧弁、１
８…アキュムレーター、１９…バイパス、２０…チェッ
ク弁、２１…オリフィス、２５…スリット、２７…リリ
ーフ弁、２８…スプリング、２９ａ…ピストンシール、
２９ｂ…金属シール、２９ｃ…フッ素樹脂製シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋元一東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内 (72)発明者松永義憲東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内 (72)発明者丹羽直幹東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内 (72)発明者水野孝之東京都調布市飛田給二丁目19番１号鹿島建設株式会社技術研究所内 (72)発明者古川邦雄神奈川県相模原市麻溝台一丁目12番１号カヤバ工業株式会社相模工場内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物の架構または耐震要素に連結され
るシリンダー本体と、前記シリンダー本体内を移動する
ピストンと、前記シリンダー本体の一端から出入し、前
記シリンダー本体が固定された架構または耐震要素と対
向する架構または耐震要素に連結されるピストンロッド
と、前記ピストンの両側に形成された油圧室と、前記ピ
ストンを貫通して前記両油圧室を連通させる複数の流路
と、前記両油圧室を連結するバイパスに設けたアキュム
レーターと、前記バイパスの前記油圧室のそれぞれと前
記アキュムレーターとの間に設けられ、前記油圧室から
の油の流出を阻止するための一対のチェック弁と、前記
バイパスに前記各チェック弁と並列に設けたオリフィス
とからなり、前記ピストンを貫通する前記複数の流路
に、前記両油圧室の一方から他方へ向かう各方向の調圧
弁及びリリーフ弁を分散配置したことを特徴とする制震
構造物用高減衰装置。
【請求項２】前記調圧弁は所定の減衰係数を与えるた
めのポペット弁である請求項１記載の制震構造物用高減
衰装置。
【請求項３】前記リリーフ弁は所定以上の油圧で開く
よう設定されている請求項１または２記載の制震構造物
用高減衰装置。