JP3019028B2 - 能動制御型制震構造物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、地震や風などの
外乱に対し、構造物内に設けたアクチュエータ、可変剛
性装置、あるいは可変減衰装置などの制震装置を能動的
に制御することにより、構造物の応答を効果的に低減で
きるようにした能動制御型制震構造物に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】柱梁架構内にブレース等の耐震要素を介
して制震装置を設置した制震構造物がある。これは、複
数層に分散された制震装置により地震による振動エネル
ギーを吸収するものであり（例えば、特公平７−４７８
９６号等参照）、部分的に装置が故障しても全体に対す
る影響は少なく、制震機能が損なわれない利点がある。

【０００３】これに対して、所定の層のみでエネルギー
を吸収しようとするもの（例えば、特願平８−５５８５
３号等参照）がある。これは、特定の層に制震装置を集
中して設置し、分散型より少ない制震装置で制御の効率
を上げることができる。ただし、制震装置が限定されて
いるため、何らかのフェールセーフ機構を設けないと、
故障時（断電・誤作動等）には安全性に支障をきたすこ
とになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、従来技術
における上述のような問題点の解決を図ったものであ
り、低層階に設置した制震装置により効率的な制震を可
能とするとともに、万が一の場合にもフェールセーフ機
構により構造物の安全性を維持することのできる能動制
御型制震構造物を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１に係る能
動制御型制震構造物は、構造物の低層部分に設けた耐震
要素と上層部分とを制震装置で連結し、制震装置をロッ
クさせ、前記耐震要素をフルに効かせた状態について耐
震設計した構造物架構に対し、地震や風等の外乱による
構造物の応答に応じて制震装置による連結状態を制御す
るための制御手段を設けてあることを特徴とする。

【０００６】ここでいう、低層部分とは、建物について
言えば、通常、１階部分、場合によって１階および２階
部分などを指す。また、上層部分は、低層部分より上の
層を指す。

【０００７】制震装置をロックさせた状態というのは、
地震や風等の外乱がない場合あるいは外乱が小さく制御
の必要がない場合や、外乱があるが制震装置が何らかの
原因で故障している場合（誤作動の場合や断電により作
動しない場合等を含む）において、制震装置を作動させ
ずに、耐震要素と上層部分を連結している状態をいう。
なお、この制震装置をロックさせた状態には、完全な固
定状態の他、制震装置の機能に応じて固定に近い高減衰
の状態なども含む。

【０００８】請求項２は、このような制震装置が正常に
作動しないときまたは断電状態に対し、耐震要素と上層
部分間を固定するロック機構を設けることについて限定
したものである。

【０００９】耐震要素としては、ブレースやＲＣ耐震壁
等を用いることができ、制震装置のロック状態では、耐
震要素をフルに効かさせた状態で基礎部と上層部との間
の応力伝達が行われることになる。制震装置をロックさ
せた状態について耐震設計することで、制震装置が機能
しない場合にも、フェールセーフとして最低限、耐震構
造物として外乱に対する安全が確保される。

【００１０】本願発明における制震装置としては、主と
して油圧シリンダ形式の可変減衰装置を考えているが、
耐震要素と上層部分の連結位置において直接制御力を加
えるアクチュエータや、連結・切離しを行う可変剛性装
置なども適用可能である。

【００１１】可変減衰装置としては、例えば特公平７−
４５７８１号公報、特開平７−８２９２９号公報、特開
平８−８２１１４号公報等に記載されているような油圧
式のものを用いることができ、センサによって検知され
る構造物の応答に応じて減衰係数を変化させるための制
御手段を設ける。

【００１２】なお、ここでいう制御手段は構造物の応答
解析を行うコンピュータや、簡単なものでは電気的な回
路の場合もあり、また減衰係数の値を直接制御するもの
に限らず、何らかの形で減衰性、あるいは荷重と変形に
関する履歴特性等を制御し、それに応じて結果として減
衰係数を変化させるようなものでもよい。

【００１３】制震装置自体にロック機構を設ける場合の
具体例としては、特開平７−８２９２９号、特開平８−
８２１１４号等にあるように油圧式の可変減衰装置の流
量制御弁をノーマルロックの構造とし、断電状態では耐
震要素と上層部分とを固定または固定に近い状態とする
ようなものなどが考えられる。

【００１４】また、誤作動を検知した場合に、断電させ
るかあるいは別途ロック機構を設けるなどして対処させ
ることもできる。

【００１５】請求項３は、低層部分（通常、建物の１階
部分）の柱梁架構の水平剛性を上層部分（通常、２階部
分以上）の柱梁架構の水平剛性より小さく設定し、制震
装置をロックさせた状態の低層部分の水平剛性を主とし
てブレース等の耐震要素の水平剛性によって与える場合
を限定したものである。

【００１６】低層部分の水平剛性をどの程度小さく設定
するかについては、構造物の形態（規模、形状、その
他）や耐震要素の剛性、設計における地震動、風等の振
動外力他、種々の要因があるが、具体的には安全設計が
可能な範囲で、例えば１／５、１／４、１／３、１／２
といった設定を行う。

【００１７】制震効果のみを考えた場合には、１階部分
の水平剛性をできるだけ小さく設定することが望まし
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本願発明に係る制震構造物
の一実施形態を原理的に示したものであり、図１(a) に
示すように、建物の１階（１層）部分の柱梁架構３１ａ
内に耐震要素としての逆Ｖ字形のブレース３５を設け、
その上部を制震装置１を介して２階床部分と接続してい
る。

【００１９】１階の柱梁架構３１ａの水平剛性は、上層
すなわち２階部分より上の柱梁架構３１の水平剛性の値
に対して、例えば１／４程度というように小さい値に設
定して設計を行う。

【００２０】この場合、ブレース３５の水平剛性を大き
く設計することで、常時あるいは断電時などにおいて制
震装置１をロックさせた状態では、建物基礎部と２階以
上の上層部との間での水平力の伝達は主としてブレース
３５部分によって行われる。

【００２１】本願発明では、このロック状態において、
通常の静的な荷重による耐震設計法に準拠した設計を行
うことで、制震装置１が機能しない状態または機能させ
ない状態では、通常の耐震構造物としての耐震性が得ら
れる。図１(b) はそのロック時の状態を示したものであ
る。

【００２２】一方、本願発明は、本来的には制震装置に
よる能動型の制震を図ったものであり、地震や風等の外
乱に対し、制震装置１が正常に働いている状態では、制
震装置１の機能により建物の応答を低減することができ
る。特に、上述のように１階部分の柱梁架構３１ａの水
平剛性を上層の柱梁架構３１の水平剛性に比べ小さく設
定することで、制震装置１の機能をフルに発揮させ、制
震効果を大幅に増すことができる。図１(c) はその制御
時の状態を示したものである。

【００２３】そして、万が一の故障等に対しては、ロッ
ク状態となり、最低限の耐震効果は得られ、建物の安全
性を維持することができる。

【００２４】図２は、本願発明の効果を確認するための
モデル建物の解析結果を示したものである。

【００２５】建物規模、構造としては、地上５階建、基
準階床面積３００ｍ² 、鉄骨造、１階の柱梁架構のみの
水平剛性を上階の１／４とし、制震装置を１階の各方向
２構面に配置した場合について解析を行った。入力地震
波としては、エルセントロ２５kineを用いた。

【００２６】図２(a) は各階（縦軸は床位置）における
応答最大せん断力（tf）、図２(b)は各層の応答最大層
間変位（cm）を示したもので、実線Ａが本願発明に対応
する応答値、破線Ｂがフェールセーフ機能が働いたロッ
ク時の応答値、点線Ｃが制震装置のない通常の構造物の
場合の応答値を示している。

【００２７】図から明らかなように、通常の構造物に対
し、応答値を１／３〜１／４程度に低減することができ
る。また、ロックによるフェールセーフ状態でも通常構
造物に比べ低い応答値を示している。

【００２８】図３は、本願発明において１階の柱梁架構
のみの水平剛性を変えた場合の解析結果であり、図２の
場合と同様、図３(a) は各階における応答最大せん断力
（tf）、図３(b) は各層の応答最大層間変位（cm）を示
している。

【００２９】実線Ａ₁ は１階の柱梁架構の水平剛性を上
階の１／４とした場合であり、図２における実線Ａと一
致する（ただし、横軸の目盛を変えてある）。また、一
点鎖線Ａ₂ が１／３、破線Ａ₃ が１／２、点線Ａ₄ が１
／１．５の場合である。

【００３０】このグラフから、１階の柱梁架構の水平剛
性を上階の１／３以下にすることで、１／２の場合に比
べ、応答最大せん断力や応答最大層間変位の低減効果が
かなり高くなっていることが分かる。

【００３１】また、応答最大せん断力に着目すると、図
２における通常構造物の場合の半分以下の応答値となる
のは、１階の柱梁架構の水平剛性が上階の１／２以下程
度の場合である。

【００３２】図４〜図６は本願発明で使用する制震装置
１の一例として可変減衰装置を示したものである（特公
平７−４７８９６号公報参照）。

【００３３】装置本体は図４の油圧回路図に示すよう
に、シリンダ２内で往復動する両ロッド形式のピストン
３の左右に油圧室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、または流動させることにより、ピ
ストン３を固定し、または左右移動自在とする構成にな
っている。

【００３４】そして、シリンダ２およびロッド４がそれ
ぞれ耐震要素としてのブレース３５と上層の柱梁架構３
１を構成する２階部分の床梁３４の一方に接続される
（図１参照）。

【００３５】左右の油圧室６には、それぞれ油圧室６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６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、左右の流出阻止用チェック弁８どうしを
連結する流入用流路１０と、左右の流入阻止用チェック
弁９どうしを連結する流出用流路１１とが、シリンダ２
本体に沿って設けられている。

【００３６】これら流入用流路１０および流出用流路１
１の連結位置には流量調整弁１２が設けられており、こ
の流量調整弁１２の開度を変化させることにより、可変
減衰装置１の減衰係数ｃを調整することができる。

【００３７】流量調整弁１２は、図４に示すように、弁
体の一端側に入口ポート１５と出口ポート１６を有し、
他端側に背圧ポート１７を有する大流量切換弁１２ａ
と、背圧ポート１７への圧油の流出を制御し得るシャッ
トオフ弁１２ｂとからなる。コンピュータからの指令を
受けて、シャットオフ弁１２ｂが開閉し、これに伴って
大流量切換弁１２ａが作動し、大流量切換弁１２ａの開
度およびその開度に応じた装置の減衰係数が調整制御さ
れる。

【００３８】なお、流入用流路１０または流出用流路１
１には、作動油の圧縮および温度変化による容積変化を
補う等の目的で、アキュムレータ１９を設けている。

【００３９】上述した制震装置１としての可変減衰装置
の作動状態について説明すると、以下のようになる。

【００４０】(1) 流量調整弁開 シャットオフ弁１２ｂが開状態では、図４中ピストン３
の左方向の移動により、左側の油圧室６内の圧油が流入
阻止用チェック弁９、流出用流路１１を通って大流量切
換弁１２ａを押し上げる。

【００４１】左側の流出阻止用チェック弁８および右側
の流入阻止用チェック弁９は圧油により閉止されている
ため、流入用流路１０、右側の流出阻止用チェック弁８
を介して、大流量切換弁１２ａからの圧油が流れる。こ
れにより、左側の油圧室６から右側の油圧室６へ圧油が
流れ、外力によりピストン３が左方向に移動する。

【００４２】ピストン３が右方向の移動した場合も、こ
れと対称に作動し、外力によりピストン３が左方向に移
動する。

【００４３】(2) 流量調整弁閉 シャットオフ弁１２ｂが閉状態で、ピストン３に左方向
の外力が加わると、大流量切換弁１２ａまでの油圧が上
がり、大流量切換弁１２ａの弁体を押し上げようとする
が、シャットオフ弁１２ｂにより、バイパス流路１８が
遮断され、背圧ポート１７における油圧を受けるため、
大流量切換弁１２ａも閉じた状態で固定され、ピストン
３の移動が阻止される。ピストン３に右方向の外力が加
わった場合も同様である。

【００４４】(3) 流量調整弁半開 シャットオフ弁１２ｂをパルス制御したり、あるいはシ
ャットオフ弁１２ｂとして電磁比例弁を用いることによ
り、上記(1) 、(2) の中間の状態が得られ、大流量切換
弁１２ａが半開の状態となる。この半開の状態では(1)
の流量調整弁が開の状態と同様圧油の移動があるが、背
圧に応じた抵抗力を受けることになり、シャットオフ弁
１２ｂの制御により背圧を調整し、大流量切換弁１２ａ
の開度を所定の開度に維持または変化させることによ
り、ピストン３に作用する外力に対し、減衰性を与える
ことができる。

【００４５】(4) 断電状態 何らかの故障により断電状態となったり、あるいは誤作
動を検知して断電することにより、シャットオフ弁１２
ｂが閉状態となり、上記(3) の状態、すなわちロック状
態となる。

【００４６】図５および図６は上述した可変減衰装置の
外観の一例を示したもので、シリンダ２本体より左右に
ピストンロッド４が突出し、油路の一部をシリンダ２本
体の上部に形成し、この部分に流量調整弁１２を設ける
とともに、これに近接させて所要容量のアキュムレータ
１９を設置している。

【００４７】図中、２２は支軸であり、例えばピストン
ロッド４の両端部を柱梁架構を構成する梁に設けたブラ
ケットに連結し、支軸２２を利用して可変剛性要素とし
てのブレースや耐震壁にピン接合することができる（な
お、図１における制震装置１は機能のみ表現したもので
あり、ピストン側がロッド側が耐震要素としてのブレー
ス３５に接合され、シリンダ側が上層の床梁３４に固定
された図になっている）。

【００４８】

【発明の効果】 制震装置をロックさせた状態について耐震設計されて
いるため、制震装置を作動させなくても通常の耐震設計
された構造物と同様の安全性が確保されており、その上
で制震装置が正常に機能することで構造物の応答を低減
することができる。

【００４９】制震装置の設置層を１階部分等の低層部
分に限定できるため、どのような建物にも設置しやす
く、基準階に影響を与えない。

【００５０】制震装置は通常ロック状態となってお
り、ブレース等の耐震要素を構造体として算入し、構造
物の架構と合わせた状態で、通常の静的な荷重による耐
震設計法に準拠した設計ができる。

【００５１】ブレース等の耐震要素からの付加応力を
直接基礎部（または地下部）で受けることができるた
め、地上構造には制震装置設置に伴う力を考慮した特別
な設計を行わなくて済む。

【００５２】低層部分の柱梁架構の水平剛性を上層部
分の柱梁架構の水平剛性より小さく設定することで、制
震装置による制震効果を増大させることができ、特に制
震装置設置層より上層での加速度の低減効果が顕著に現
れる。なお、上記の理由から低層部分の低剛性化が図
りやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明に係る制震構造物の一実施形態におけ
る原理を示したものであり、(a) は柱梁架構と耐震要素
および制震装置の位置関係を示す概要図、(b) および
(c) はそれぞれロック時、制御時の説明図である。

【図２】本願発明の効果を確認するための本願発明によ
る建物と通常の建物のモデルについての解析結果のグラ
フであり、(a) はモデル建物の各階における応答最大せ
ん断力を、(b) は各階における応答最大層間変位を示し
たものである。

【図３】本願発明において１階の柱梁架構の水平剛性を
変えた場合の解析結果であり、(a) はモデル建物の各階
における応答最大せん断力を、(b) は各階における応答
最大層間変位を示したものである。

【図４】制震装置としての可変減衰装置の具体例を示す
油圧回路図である。

【図５】図４の可変減衰装置の外観を示す平面図であ
る。

【図６】図４の可変減衰装置の外観を示す正面図であ
る。

【符号の説明】

１…制震装置、２…シリンダ、３…ピストン、４…ピス
トンロッド、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…流量調整弁、１２ａ…大流量切換
弁、１２ｂ…シャットオフ弁、１３…パルス発生器、１
５…入口ポート、１６…出口ポート、１７…背圧ポー
ト、１８…バイパス流路、１９…アキュムレータ、２０
…ソレノイド、２１…絞り、２２…支軸、３１…柱梁架
構、３３…柱、３４…梁、３５…ブレース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−272371（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−82929（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−89743（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−246706（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E04H 9/02 F16F 15/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の低層部分に設けた耐震要素と上
   層部分とを制震装置で連結し、前記制震装置をロックさ
   せ、前記耐震要素をフルに効かせた状態について耐震設
   計した構造物架構に対し、地震や風等の外乱による構造
   物の応答に応じて前記制震装置による連結状態を制御す
   るための制御手段を設けてあることを特徴とする能動制
   御型制震構造物。
2. 【請求項２】 前記制震装置には、制震装置が正常に作
   動しないときまたは断電状態において、前記耐震要素と
   上層部分間を固定するロック機構を設けてある請求項１
   記載の能動制御型制震構造物。
3. 【請求項３】 前記低層部分の柱梁架構の水平剛性を上
   層部分の柱梁架構の水平剛性より小さく設定し、前記制
   震装置をロックさせた状態の低層部分の水平剛性を主と
   して前記耐震要素の水平剛性によって与えている請求項
   １または２記載の能動制御型制震構造物。