JP2541065B2

JP2541065B2 - 風応答制御用高減衰構造物

Info

Publication number: JP2541065B2
Application number: JP3051592A
Authority: JP
Inventors: 直幹丹羽; 鐸二小堀; 元一高橋; 成人倉田; 治彦栗野
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH05231030A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は構造物（主として高層建
物）について、構造物の柱梁架構内に設置したダンパー
としての減衰装置により、風揺れに対し、高い減衰機能
を発揮できるようにした風応答制御用高減衰構造物に関
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、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
の安全を図る能動型制震システム、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63−114771号等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の可変剛性要素を
組み込んだ形式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、構造物の固有振動数との関係に着目
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。

【０００４】しかし、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、駆動装置や、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。また、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。

【０００５】ところで、地震に比べ、風による構造物の
揺れは、日常、頻繁に起こるものであり、特に高層建物
等では固有周期が長くなるため、風により長周期の大き
な揺れが生じやすく、船酔い現象の原因となっている。
このような風による構造物の揺れは、構造物の１次振動
モードが支配的であるため、１次の減衰定数が大きいほ
ど、構造物の応答が低減される。また、構造物の剛性が
大きい（短周期）ほど、揺れは小さくなる。

【０００６】本発明は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的制震を可能とする
もので、柱梁架構内に適切にブレース等の耐震要素を設
け、これらを必要な高減衰係数を実現可能な減衰装置で
連結することにより、構造物に高い減衰機能を持たせ、
特に風を対象として構造物の揺れを低減し、快適な居住
空間を実現することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では構造物の柱梁
架構内にブレース、壁等の耐震要素を設け、その柱梁架
構と耐震要素の間、あるいは耐震要素どうしの間に所定
の減衰係数ｃを与えるダンパーとしての減衰装置を設置
する。

【０００８】減衰装置は装置に生じる速度と荷重の関係
が線形に近くなる特性を持つものであり、構造物にとっ
て最適となるような減衰係数ｃを実現できるものであれ
ば、構造、形式等、特に限定されない。概念的には、例
えばシリンダー本体から出入するピストンロッドを有
し、ピストンの両側に形成された油圧室を連通させる流
路に開度が調整可能な調圧弁を設けた油圧形式のもの等
を用いることができる。

【０００９】この場合、減衰装置に生じる速度（シリン
ダー本体とピストンロッドの相対速度）と荷重の関係が
線形に近い特性を持つ。ただし、本発明で必要とする減
衰係数を発揮させるためには、通常のダンパーと比較し
て高い減衰係数を実現できる構造であることが要求さ
れ、油封式の減衰装置においては、各部のシール性や精
度の向上等が必要となる。

【００１０】このような減衰装置を設置した架構につい
て、減衰係数ｃを種々の値に変化させて複素固有値解析
を行うことで、それぞれの減衰係数ｃに応じて構造物の
複素固有値が求まる。

【００１１】本発明では風揺れの低減を目的としてお
り、１次振動モードを与える複素固有値λ₁を基に、１
次振動モードに対する構造物の減衰定数ｈ₁及び１次固
有周期Ｔ₁を下式(1) 、(2) により求める。

【００１２】ｈ₁＝−Ｒｅ (λ₁) ／｜λ₁｜ …(1) Ｔ₁＝２π／Ｉｍａｇ (λ₁) …(2) ただし、Ｒｅ (λ₁) は複素固有値λ₁の実数部、Ｉｍ
ａｇ (λ₁) は複素固有値λ₁の虚数部である。

【００１３】これらの減衰定数ｈ₁及び固有周期Ｔ
₁は、変化させたそれぞれの減衰係数ｃについて求ま
る。図３は減衰装置に生じる速度と荷重の関係がほぼ線
形である場合について、複素固有値の解析結果を減衰係
数ｃと、１次減衰定数ｈ₁及び１次固有周期Ｔ₁との関
係で概念的に示したものである。１次減衰定数ｈ₁は、
減衰係数ｃが増大するに従いが次第に増大し、ある減衰
係数でピークに達した後、減少する。このときの減衰係
数をｃ_hとする。一方、１次固有周期Ｔ₁は減衰係数ｃ
が小さい状態では長い周期で安定し、ある減衰係数の近
傍で短い周期に移行した後、短い周期で安定する。この
１次固有周期Ｔ₁が短くなってほぼ安定するときの減衰
係数をｃ_Tとする。

【００１４】前述したように風による構造物の揺れは、
１次減衰定数ｈ₁が大きいほど、構造物の応答が低減さ
れ、また構造物の剛性が大きい（短周期）ほど、揺れが
小さくなるという特性があるため、本発明では減衰装置
の減衰係数ｃを、ｃ_h＜ｃ＜ｃ_T …(3) となるよう設定することによって、風応答制御用として
最適の高減衰構造物を実現している。

【００１５】すなわち、減衰係数ｃがｃ_h以下では、そ
の値が小さくなるにつれ、急激に構造物の減衰性が減少
するとともに、１次固有周期Ｔ₁が長いため、揺れも大
きくなる。また、減衰装置として、減衰係数ｃをｃ_T以
上とすることは困難であり、可能であるとしても装置の
コストが増す他、構造物の減衰性も徐々に減少するの
で、かえって揺れ低減効果も小さくなる。

【００１６】

【実施例】次に、図示した実施例について説明する。

【００１７】図１は本発明を高層建物１の架構に適用し
た場合の概要を示したもので、柱２、梁３等からなる柱
梁架構内に局所的に耐震要素としてのブレース４と減衰
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。

【００１８】図２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。

【００１９】上記モデルによる多層建物の複素固有値
を、種々の減衰係数ｃについて求め、前述した式(1) 、
(2) により、種々の減衰係数ｃごと構造体の１次モード
における１次減衰定数ｈ₁及び１次固有周期Ｔ₁を算定
する。

【００２０】複素固有値解析結果は前述したように、図
３のような形で与えられ、それに基づいて、減衰装置１
０の減衰係数ｃを、ｃ_h＜ｃ＜ｃ_T の範囲に設定する。

【００２１】本発明で使用する減衰装置は装置部に生じ
る荷重Ｆと速度Ｖの関係が線形に近くなる特性を有する
装置であり、構造物にとって最適となる減衰係数（Ｆ／
Ｖ〔t/kine〕) を実現できるものであれば、特に限定さ
れない。例えば、図４に概念的に示すように、シリンダ
１１とピストン１２及び比例弁等の調圧弁１３で構成さ
れたオイルダンパが使用できる。この場合、シリンダ１
１がブレース等の耐震要素側に連結され、シリンダ１１
内で往復動する両ロッド形式のピストン１２が柱梁架構
側に連結され、調圧弁１３の開度の調節により所定の減
衰係数が得られる。

【００２２】ただし、従来のオイルダンパ等のダンパの
場合、得られる減衰係数は０．５〜１．０t/kine程度で
あり、例えば保持力２００ｔ、減衰係数２５〜５０t/ki
ne程度を実現するためには、図５のような構造の減衰装
置が望ましい。

【００２３】図５の減衰装置１０の基本構造は図４の概
念図に示される通りであり、シリンダ１１内に両ロッド
形式のピストン１２が組み込まれている。ただし、ロッ
ド１２ａは一方向のみシリンダ１１から突出し、その突
出部分及び反対側のシリンダ１１の外面に、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。

【００２４】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１４
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１４へ流れる構造としてい
る。また、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１８が必
要となり、アキュムレータ１８を設けたバイパス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、２
１ｂを設けている。

【００２５】この他、本装置の特徴をまとめると以下の
通りである。

【００２６】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、１７
ｂがピストン１２内に設置されている。

【００２７】調圧弁１７ａ、１７ｂとして、円錐形
のポペット弁を使用し、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。

【００２８】ガタの防止及び温度変化による油の伸
縮に対応するため、アキュムレータ１８を設けている。

【００２９】左右の油圧室１４ａ、１４ｂとアキュ
ムレータ１８の間にオリフィス２１ａ、２１ｂを設け、
装置の減衰特性を線形化するとともに、シリンダ１１内
の圧ごもりを解消している。

【００３０】各部のシール性、精度を増すことによ
り、高い減衰係数を可能としている。

【００３１】上記の構造により、ガタがなく、温度変化
に影響を受けない状態で、例えば保持力２００ｔ、減衰
係数２５〜５０t/kineといったこれまでにない高剛性、
高減衰の装置を得ることができる。

【００３２】図６〜図１４は柱梁架構内への減衰装置１
０の設置例を示したものである。

【００３３】図６の例では柱梁架構３１と耐震要素とし
ての逆Ｖ型ブレース３５の間に減衰装置１０を介在させ
ている。

【００３４】図７の例は柱梁架構３１と上下の梁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
減衰装置１０を介在させて、耐震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。

【００３５】図８の例では柱梁架構３１と耐震要素とし
てのＲＣ耐震壁４２との間に減衰装置１０を介在させて
いる。

【００３６】図９の例は免震構造物の基部に積層ゴム等
の免震ゴム４３と併用して減衰装置１０を設けた場合の
例であり、減衰装置１０が免震構造におけるダンパの役
割を果たしている。この場合の耐震要素は構造物の基礎
と考えることができる。

【００３７】図１０の例では柱梁架構３１内に設けたＸ
型ブレース４４を耐震要素としており、Ｘ型の中央に減
衰装置１０を横向きに介在させている。

【００３８】図１１の例は図１０の例と同様、Ｘ型ブレ
ース４５に適用した例であり、図１０図の例が減衰装置
１０を横向きに設けた横型だったのに対し、本例では減
衰装置１０を縦向きに設け、縦型としている。

【００３９】図１２の例は図８の例と同様、柱梁架構３
１と、耐震要素としてのＲＣ耐震壁４６との間に減衰装
置１０を介在させたものであるが、減衰装置１０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。

【００４０】図１３の例は大架構のＸ型ブレース４８の
中央に減衰装置１０を介在させたもので、中間の大梁４
９とブレース４８は分離されている。

【００４１】図１４の例は図６の実施例におけるブレー
ス３５と減衰装置１０を上下逆にしたものに相当し、減
衰装置１０が下側の梁３４上に設置されている。

【００４２】

【発明の効果】本発明では構造物内に設けた減衰装置の減衰装置
を、上述した所定の範囲内に設定することで、１次減衰
定数ｈ₁が大きく、かつ構造物の剛性が大きい状態を実
現し、構造物の１次振動モードが支配的となる風揺れを
効果的に抑制することができる。

【００４３】風に対する構造物の応答が低減される
ので、長周期の大きな揺れによる船酔い現象等がなくな
り、日常的な居住性が増す。

【００４４】受動的制震機構を与えるものであるた
め、設置の際の構造物の特性に応じた設計及び調整を必
要とするだけであり、複雑な制御システムや付帯設備を
必要とせず、能動型制震機構に比べ低コストで設置する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の風応答制御用減衰構造物の概要図であ
る。

【図２】本発明の減衰構造物の一層分の振動モデル図で
ある。

【図３】減衰装置の減衰係数ｃと、複素固有値解析より
求めた架構の１次の減衰定数ｈ₁及び１次固有周期Ｔ₁
との関係を１つにまとめたグラフである。

【図４】本発明で用いる減衰装置を概念的に示した断面
図である。

【図５】本発明で用いる減衰装置の１例における装置全
体の概略説明図である。

【図６】減衰装置の設置位置の一例を示す概要図であ
る。

【図７】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図で
ある。

【図８】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図で
ある。

【図９】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図で
ある。

【図１０】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図
である。

【図１１】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図
である。

【図１２】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図
である。

【図１３】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図
である。

【図１４】高減衰装置の設置位置の他の例を示す概要図
である。

【符号の説明】

１…高層建物、２…柱、３…梁、４…ブレース、１０…
減衰装置、１１…シリンダー、１２…ピストン、１２
ａ、１２ｂ…ピストンロッド、１３…調圧弁、１４ａ、
１４ｂ…油圧室、１５、１６…取付部、１７…調圧弁、
１８…アキュムレーター、１９…バイパス、２０ａ、２
０ｂ…チェック弁、２１ａ、２１ｂ…オリフィス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者倉田成人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)発明者栗野治彦東京都港区元赤坂一丁目２番７号鹿島建設株式会社内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物の所定の柱梁架構内に耐震要素を
設け、前記柱梁架構と前記耐震要素間または耐震要素ど
うしを、所定の減衰係数を与えるダンパーとしての減衰
装置により連結し、前記減衰装置の減衰係数ｃの値をｈ₁＝−Ｒｅ (λ₁) ／｜λ₁｜ …(1) （ただし、λ₁は前記構造物の１次振動モードを与える
複素固有値、Ｒｅ（λ₁) はその実数部）によって求ま
る前記構造物の１次振動モードに対する１次減衰定数ｈ
₁の最大値を与える減衰係数ｃ_hと、Ｔ₁＝２π／Ｉｍａｇ (λ₁) …(2) （ただし、Ｉｍａｇ (λ₁) は複素固有値λ₁の虚数
部）によって求まる１次固有周期Ｔ₁が短くなってほぼ
安定する値を与える減衰係数ｃ_Tについて、ｃ_h＜ｃ＜ｃ_T となるよう設定したことを特徴とする風応答制御用高減
衰構造物。
【請求項２】前記減衰装置は、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端
部から出入し、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、前記両油圧室を連通させる流路と、前記流路
に設けた開度が調整可能な調圧弁とを有する減衰装置で
ある請求項１記載の風応答制御用高減衰構造物。
【請求項３】前記減衰装置は、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端
部から出入し、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を有する減衰装置である請求項１
記載の風応答制御用高減衰構造物。