JP3606044B2 - 構造物の制震方法および制震用ダンパ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、地震や風等の振動外力による建物の揺れを低減するための構造物の制震方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建物の揺れを低減するためのダンパ形式の制震装置には、開閉制御弁の開度を能動的に制御可能とした能動制御型の可変減衰装置（例えば、特公平７−４５７８１号公報等参照）や、特定の１または２以上の減衰係数を与える受動型の減衰装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
能動制御型の制震装置の場合、受動型の装置に比べて大きな制震効果が期待できるが、外乱に対する制御則が複雑になり、また装置自体も複雑となり、外部および内部センサ等周辺の装置も多くなるなど、コスト面の問題がある他、装置の制御にも限界がある。
【０００４】
一方、受動型の装置では、制御効果に限界があり、十分な制御効果が得られない。
【０００５】
本願発明は上述のような課題の解決を図ったもので、建物層間の変位、速度および装置の発生力などの限られた情報量により、簡単な機構で減衰係数を制御し、受動型の装置に比べ十分大きな制震効果の得られる構造物の制震方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃｍａｘ と最小値Ｃｍｉｎ の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ０ に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ０
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
に維持し、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ０ 、かつＦ×（ｄｘ／ｄｔ）＜０
すなわち、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、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍｉｎ
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ０
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００７】
本願の請求項２に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ0 かつ｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、
（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったときに、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る制震方法では、層間速度（ｄｘ／ｄｔ）にゲインＧｖ を乗じたｕで判定を行うことにより、請求項１に係る制震方法のような層間速度（ｄｘ／ｄｔ）の符号の向きだけで判定する場合に対し、装置の作動遅れなどを補償することができる。係数ｇは大きな値が望ましいが、０．５以上であれば作動遅れの設定にずれがあっても制御効果の変動は小さい。係数ｇの数値の上限は特に規定する必要はないが、通常は１以下で十分である。
【０００９】
なお、装置の性能がよく、作動遅れがほとんどない場合には、実質的に請求項１の場合と制御効果に差はでないことになり、その場合は、請求項１のように層間速度（ｄｘ／ｄｔ）の符号の向きだけで判定すれば十分ということになる。
【００１０】
本願の請求項３に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
(A) Ｆ×ｘ＜０の範囲、およびＦ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜＞αＫd ｜ｘ｜
ここで、
αは領域の境界を与える直線の傾きであり、３〜４の数値、
Ｋd は装置設置部分の剛性、
の範囲（以下、フィルター領域という）では、
｜Ｆ｜≧ｒ｜Ｆtemp｜
ここで、
Ｆtempはフィルター領域における更新前の最大荷重、
ｒは判断基準を与える数値であり、０．４〜０．６の数値、
となったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
｜Ｆ｜＜ｒ｜Ｆtemp｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
(B) Ｆ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜≦αＫd ｜ｘ｜
の範囲では、
｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
｜Ｆ｜≦｜ｕ｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃについて、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【００１１】
本願の請求項１、２、３に係る発明は、減衰係数を可変に制御できるセミアクティブ型制震装置としての可変減衰装置を用いて制御を行うものであり、制御に必要な情報量は可変減衰装置を設置している建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ および可変減衰装置の発生力Ｆである。
【００１２】
可変減衰装置の減衰係数Ｃは、これらの情報を基に最大値Ｃｍａｘ 、最小値Ｃｍｉｎ の２段階に切り替えられるものとする。実際の装置としては、装置自身の受動的な抵抗力を可変に制御できるものであればよく、可変油圧ダンパや可変摩擦ダンパ等が使用できる。この制御により同じ構造のパッシブダンパに比較して２倍以上程度の減衰定数ｈを建物に付加することができ、地震時の建物の安全性を向上させることができる。
【００１３】
より、具体的には、図１に示すように建物のフレーム剛性をＫｆ で表し、可変減衰装置の設置部分の剛性がＫｄ 、減衰係数Ｃ（ｔ） が可変のマックスウェルモデルで表し、フレームと装置部の剛性比βを次式
β＝（Ｋｆ ＋Ｋｄ ）／Ｋｆ
で定義する。
【００１４】
また、装置の減衰係数の変化範囲を
Ｃｍｉｎ ≦Ｃ（ｔ） ≦Ｃｍａｘ
とする。
【００１５】
このモデルが一定振幅で振動している状態において、履歴面積が最大になるように可変減衰装置の減衰係数を制御したときの荷重変形関係は、図２に示すようなものとなる。
【００１６】
図２（ａ） は可変減衰装置の荷重Ｆと層間変形δの関係であり、図２（ｂ） は層全体としての復元力Ｑとδの関係を示したものである。可変減衰装置の減衰係数は正の値に限定されるため、図２に示した曲線が履歴面積を最大とする曲線となる。
【００１７】
このとき、層の等価減衰定数ｈｅｑは次式
ｈｅｑ＝Ｗ／（２πＫｅ δ２ ）
で表される。ここで、Ｗは１サイクルの履歴面積であり、Ｋｅ は層の等価剛性であり、それぞれ次式で表される。
【００１８】
Ｗ＝４Ｋｄ δ２
Ｋｅ ＝Ｋｆ ＋Ｋｄ
したがって、図２のように可変減衰装置が制御されたときの層の等価減衰定数ｈｅｑは次式で表される。
【００１９】
ｈｅｑ＝２（β−１）／（πβ）
図４は同じ剛性比βにおけるパッシブダンパと制御時の建物に対する付加減衰定数を比較したものである。これにより、減衰係数を制御することにより減衰係数を一定としたパッシブダンパの約２倍の減衰定数を建物に付加することができることが分かる。
【００２０】
このような履歴形状を実現するには、可変減衰装置の減衰係数を常に最大値Ｃｍａｘ としておき、層間速度ｄｘ／ｄｔ と装置荷重Ｆの向きが逆向きになったとき（図２における振幅最大点）に減衰係数をＣｍｉｎ に変化させればよい。
【００２１】
また、装置の動作遅れがあらかじめ分かっている場合には、層間速度ｄｘ／ｄｔ にゲインＧｖ を乗じた値ｕを用いて
｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
となった時点（図３のＰ点）で減衰係数をＣｍｉｎ に変化させる信号を与えればよい。Ｇｖ は次式の形で与える。
【００２２】
Ｇｖ ＝（２Ｋｆ ／ω）・ｇ
ｇは係数であり、０．５以上の大きな値をとっておけばよい。上述のようにこれ以上の値をとっておけば、復元力形状の変化は小さいため制御効果の変動は小さい。
【００２３】
減衰係数Ｃを一旦Ｃｍｉｎ とした後は、最低作動荷重Ｆ０ に荷重が下がるまで制御する必要はなく、｜Ｆ｜＜Ｆ０ となった時点で再びＣ＝Ｃｍａｘ として同じ制御を繰り返せばよい。従って、可変減衰装置は減衰係数を低下させるタイミングのみが制御されればよい。
【００２４】
図６（請求項１に対応）、図７（請求項２に対応）は以上の制御則をフローチャートの形で示したものである。
【００２５】
一層建物のように応答振動数がある範囲に限定される条件では、上記の制御則で十分な効果が得られるが、多層建物に適用する場合には応答に高次モードが混入してくるため層間速度の符号が頻繁に変化し、その度に荷重の除荷が起こり制御効果が低下する。
【００２６】
そこで、これを避けるために、請求項３に係る制震方法では、減衰係数の制御を図５に示すような荷重−変形関係に基づいた判定空間で行う。
【００２７】
図５におけるＢの領域では前述したようにｕとＦの大小関係をもとに、除荷のタイミングを判定するが、Ａのフィルター領域ではその領域における過去の（更新前の）最大荷重Ｆｔｅｍｐのｒ倍以下に荷重が低下するまではＣｍａｘ を維持する。ｒの値としては、０．４〜０．６程度とすればよい。これにより、応答が反対側に向かう途中での頻繁な除荷を避けることができる。
【００２８】
Ａのフィルター領域とＢの領域の境界線は次式
Ｆ＝αＫｄ ｘ
の形で与える。
【００２９】
αの値は本来βに依存して定まるものであるが、実際には３〜４程度としておけば十分である。
図８は以上の制御則をフローチャートの形で示したものである。
【００３０】
本願の請求項４は、請求項１、２または３に係る構造物の制震方法において、前記可変減衰装置が、シリンダと、シリンダ内で往復動する両ロッド形式のピストンを有する制震用油圧ダンパであって、前記ピストンの両側の油圧室を連結する油路に閉状態で減衰係数Ｃの最大値Ｃmax 、開状態で減衰係数Ｃの最小値Ｃmin を与える開閉制御弁を設け、さらにピストン速度に対する発生荷重が２次関数で表される固定オリフィスを前記開閉制御弁と並列に設けたものであることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項５は、請求項４に係る構造物の制震方法において、前記制震用油圧ダンパが、前記油路に、前記開閉制御弁および前記固定オリフィスと並列に、所定以上の荷重で開くリリーフ弁を設けたものである場合である。
【００３２】
すなわち、可変減衰装置が、減衰係数すなわち弁開度を最大・最小の２段階に制御する制震用油圧ダンパであり、弁開度は例えば装置内蔵の圧力センサとピストンのストロークセンサによる計測量のみに基づいて内部で制御可能であり、外部にセンサや制御コンピュータおよび通信系が不要であり、上記請求項１、２、３に係る構造物の制震方法に用いた場合において、ほとんどパッシブダンパと同様のシステムが実現できる。
【００３３】
また、開閉制御弁と並列に固定オリフィスとリリーフ弁を設置することにより、微小荷重領域ではオリフィスによる高減衰パッシブダンパとして、また大レベルの外乱に対してはリリーフ弁によるパッシブ弾塑性ダンパとして機能するため、フェールセーフ機能を兼ね備えることになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に、本願発明の制震方法の具体的な実施形態として５層の建物モデルを用いてた制御効果を示す。
【００３５】
１次固有周期＝２．０秒、剛性比β＝１．３とした。入力波は、エルセントロＮＳと、タフトＥＷの２波とし、入力加速度は１００Ｇａｌとした。
【００３６】
図９は最大層間変位を無制御（減衰２％）と比較して示したものである。また、図１０には第１層の可変減衰装置の荷重−変形曲線を示す。これらより設定した制御則の有効性が確認できる。
また、本願発明で用いる制震用油圧ダンパの構成例を図１１に示す。
【００３７】
ダンパ１は、シリンダ２、ピストン３、ピストンロッド４、油圧室５ａ，５ｂ、チェック弁６ａ，６ｂ、開閉制御弁７、固定オリフィス８ａ，８ｂ、リリーフ弁９ａ，９ｂ、アキュムレータ１０、圧力センサ、ストロークセンサなどにより構成される。
【００３８】
制御に必要な情報量は、装置を設置している層の層間変位ｘ、層間速度ｄｘ／ｄｔ 、および装置荷重（発生力）Ｆである。これらは、内蔵の圧力センサおよびストロークセンサの計測量に基づいて次式
【００３９】
Ｆ＝Δｐ・Ａ、
ｘ＝ｘd ＋Ｆ／Ｋd 、
で計算される。
ここで、
Δｐは左右のシリンダの圧力差、
Ａはピストン面積、
ｘd はストローク変位、
Ｋd は取り付けブレースの剛性、
である。
これらの情報量を用いて、上述の制震方法における制御を行う。
【００４０】
この制御では、通常は制御弁は閉の状態として装置の減衰係数を最大値Ｃｍａｘ としておき、装置荷重が最低作動荷重Ｆ０ を越えた場合に制御状態に入り、必要なタイミングで制御弁を開としてＣｍｉｎ とし、荷重すなわち内圧を除荷する。
【００４１】
制御弁は開指令を受けた後は荷重がＦ０ まで低下するまで待ち、荷重がＦ０ 以下になった場合に再び閉とする。従って、時々刻々弁開度を制御するサーボ機構等は必要なく、アンロード弁等を応用した簡単な機構のバルブで制御することができる。
【００４２】
最低作動荷重Ｆ０ 以下では制御弁は常に閉であるため、このままでは装置は剛結されたのと等しい状態となってしまうため、制御弁と並列に固定オリフィスを設置する。
【００４３】
制御に必要なＣｍａｘ の値は無限大に大きな必要はなく、Ｃｍａｘ ＝１０×Ｋｄ ／ωとする程度で十分である。ここで、ωは建物の固有振動数である。
固定オリフィスは速度の２乗に比例した減衰特性を持つため、大きな荷重レベルでは減衰係数は大きく、小さな荷重レベルでは減衰係数は小さくなる。従って、大きな荷重レベルでは必要十分な減衰係数Ｃｍａｘ となり、最低作動荷重Ｆ０ レベルではパッシブとして最適な減衰係数となるようオリフィスを設定しておけば、微小レベルから有効に減衰力を発揮することができる。
【００４４】
さらに、図１１の例では、大レベルでの過大な荷重発生を避けるためにリリーフ弁を設置している。これにより一定値以上の荷重上昇を抑えることができるため、装置の機構設計および建物の構造設計を容易にすることができる。
【００４５】
また、このリリーフ弁には完全にパッシブ機構で作動するため、断電状態においても確実に動作し、この場合には弾塑性ダンパと等しい特性を発揮して建物を守ることができる。図１２には断電状態（制御弁が閉）のときの減衰特性を示す。
【００４６】
【発明の効果】
本願発明の制震方法によれば、建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ および装置の発生力Ｆなどの限られた情報量により、簡単な機構で減衰係数を制御し、受動型の装置に比べ十分大きな制震効果を効率良く得ることができる。
【００４７】
また、請求項４、５に係る制震方法においては、オリフィスの設定により微小レベルから有効に減衰力を発揮させることができ、さらにリリーフ弁を設けることで大レベルでの過大な荷重発生を避けることができ、装置の機構設計および建物の構造設計を容易にすることができる。
【００４８】
また、リリーフ弁は完全にパッシブ機構で作動するため、断電状態においても確実に動作し、この場合には弾塑性ダンパと等しい特性を発揮して建物を守ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に対応する力学モデルを示す図である。
【図２】モデルが一定振幅で振動している状態において、履歴面積が最大になるように可変減衰装置の減衰係数を制御したときの荷重変形関係を示したもので、（ａ） は可変減衰装置の荷重Ｆと層間変形δの関係を示す図、（ｂ） は層全体としての復元力Ｑとδの関係を示す図である。
【図３】装置作動遅れを補償するように、層間速度（ｄｘ／ｄｔ）にゲインＧｖ を乗じたｕで除荷のタイミングを与えるときの装置荷重Ｆとｕの関係を示した図である。
【図４】同じ剛性比βにおけるパッシブダンパと制御時の建物に対する付加減衰定数を比較した図である。
【図５】荷重−変形関係に基づいた判定空間の説明図である。
【図６】請求項１に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図７】請求項２に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図８】請求項３に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図９】本願発明の制震方法を５層の建物モデルに適用し、エルセントロＮＳとタフトＥＷを入力波とした場合の制御効果を示した図である。
【図１０】図９に対応する例において、第１層の可変減衰装置の荷重−変形曲線を示した図である。
【図１１】本願の請求項４、５に係る制震用油圧ダンパの一実施形態を示す油圧回路図である。
【図１２】断電状態における図１１の装置の減衰特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…制震用油圧ダンパ、２…シリンダ、３…ピストン、４…ピストンロッド、５ａ，５ｂ…油圧室、６ａ，６ｂ…チェック弁、７…開閉制御弁、８ａ，８ｂ…固定オリフィス、９ａ，９ｂ…リリーフ弁、１０…アキュムレータ、１１…制御回路
【発明の属する技術分野】
本願発明は、地震や風等の振動外力による建物の揺れを低減するための構造物の制震方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
建物の揺れを低減するためのダンパ形式の制震装置には、開閉制御弁の開度を能動的に制御可能とした能動制御型の可変減衰装置（例えば、特公平７−４５７８１号公報等参照）や、特定の１または２以上の減衰係数を与える受動型の減衰装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
能動制御型の制震装置の場合、受動型の装置に比べて大きな制震効果が期待できるが、外乱に対する制御則が複雑になり、また装置自体も複雑となり、外部および内部センサ等周辺の装置も多くなるなど、コスト面の問題がある他、装置の制御にも限界がある。
【０００４】
一方、受動型の装置では、制御効果に限界があり、十分な制御効果が得られない。
【０００５】
本願発明は上述のような課題の解決を図ったもので、建物層間の変位、速度および装置の発生力などの限られた情報量により、簡単な機構で減衰係数を制御し、受動型の装置に比べ十分大きな制震効果の得られる構造物の制震方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃｍａｘ と最小値Ｃｍｉｎ の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ０ に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ０
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
に維持し、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ０ 、かつＦ×（ｄｘ／ｄｔ）＜０
すなわち、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、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍｉｎ
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ０
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃｍａｘ
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００７】
本願の請求項２に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ0 かつ｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、
（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったときに、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る制震方法では、層間速度（ｄｘ／ｄｔ）にゲインＧｖ を乗じたｕで判定を行うことにより、請求項１に係る制震方法のような層間速度（ｄｘ／ｄｔ）の符号の向きだけで判定する場合に対し、装置の作動遅れなどを補償することができる。係数ｇは大きな値が望ましいが、０．５以上であれば作動遅れの設定にずれがあっても制御効果の変動は小さい。係数ｇの数値の上限は特に規定する必要はないが、通常は１以下で十分である。
【０００９】
なお、装置の性能がよく、作動遅れがほとんどない場合には、実質的に請求項１の場合と制御効果に差はでないことになり、その場合は、請求項１のように層間速度（ｄｘ／ｄｔ）の符号の向きだけで判定すれば十分ということになる。
【００１０】
本願の請求項３に係る構造物の制震方法は、減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
(A) Ｆ×ｘ＜０の範囲、およびＦ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜＞αＫd ｜ｘ｜
ここで、
αは領域の境界を与える直線の傾きであり、３〜４の数値、
Ｋd は装置設置部分の剛性、
の範囲（以下、フィルター領域という）では、
｜Ｆ｜≧ｒ｜Ｆtemp｜
ここで、
Ｆtempはフィルター領域における更新前の最大荷重、
ｒは判断基準を与える数値であり、０．４〜０．６の数値、
となったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
｜Ｆ｜＜ｒ｜Ｆtemp｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
(B) Ｆ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜≦αＫd ｜ｘ｜
の範囲では、
｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
｜Ｆ｜≦｜ｕ｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃについて、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする。
【００１１】
本願の請求項１、２、３に係る発明は、減衰係数を可変に制御できるセミアクティブ型制震装置としての可変減衰装置を用いて制御を行うものであり、制御に必要な情報量は可変減衰装置を設置している建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ および可変減衰装置の発生力Ｆである。
【００１２】
可変減衰装置の減衰係数Ｃは、これらの情報を基に最大値Ｃｍａｘ 、最小値Ｃｍｉｎ の２段階に切り替えられるものとする。実際の装置としては、装置自身の受動的な抵抗力を可変に制御できるものであればよく、可変油圧ダンパや可変摩擦ダンパ等が使用できる。この制御により同じ構造のパッシブダンパに比較して２倍以上程度の減衰定数ｈを建物に付加することができ、地震時の建物の安全性を向上させることができる。
【００１３】
より、具体的には、図１に示すように建物のフレーム剛性をＫｆ で表し、可変減衰装置の設置部分の剛性がＫｄ 、減衰係数Ｃ（ｔ） が可変のマックスウェルモデルで表し、フレームと装置部の剛性比βを次式
β＝（Ｋｆ ＋Ｋｄ ）／Ｋｆ
で定義する。
【００１４】
また、装置の減衰係数の変化範囲を
Ｃｍｉｎ ≦Ｃ（ｔ） ≦Ｃｍａｘ
とする。
【００１５】
このモデルが一定振幅で振動している状態において、履歴面積が最大になるように可変減衰装置の減衰係数を制御したときの荷重変形関係は、図２に示すようなものとなる。
【００１６】
図２（ａ） は可変減衰装置の荷重Ｆと層間変形δの関係であり、図２（ｂ） は層全体としての復元力Ｑとδの関係を示したものである。可変減衰装置の減衰係数は正の値に限定されるため、図２に示した曲線が履歴面積を最大とする曲線となる。
【００１７】
このとき、層の等価減衰定数ｈｅｑは次式
ｈｅｑ＝Ｗ／（２πＫｅ δ２ ）
で表される。ここで、Ｗは１サイクルの履歴面積であり、Ｋｅ は層の等価剛性であり、それぞれ次式で表される。
【００１８】
Ｗ＝４Ｋｄ δ２
Ｋｅ ＝Ｋｆ ＋Ｋｄ
したがって、図２のように可変減衰装置が制御されたときの層の等価減衰定数ｈｅｑは次式で表される。
【００１９】
ｈｅｑ＝２（β−１）／（πβ）
図４は同じ剛性比βにおけるパッシブダンパと制御時の建物に対する付加減衰定数を比較したものである。これにより、減衰係数を制御することにより減衰係数を一定としたパッシブダンパの約２倍の減衰定数を建物に付加することができることが分かる。
【００２０】
このような履歴形状を実現するには、可変減衰装置の減衰係数を常に最大値Ｃｍａｘ としておき、層間速度ｄｘ／ｄｔ と装置荷重Ｆの向きが逆向きになったとき（図２における振幅最大点）に減衰係数をＣｍｉｎ に変化させればよい。
【００２１】
また、装置の動作遅れがあらかじめ分かっている場合には、層間速度ｄｘ／ｄｔ にゲインＧｖ を乗じた値ｕを用いて
｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
となった時点（図３のＰ点）で減衰係数をＣｍｉｎ に変化させる信号を与えればよい。Ｇｖ は次式の形で与える。
【００２２】
Ｇｖ ＝（２Ｋｆ ／ω）・ｇ
ｇは係数であり、０．５以上の大きな値をとっておけばよい。上述のようにこれ以上の値をとっておけば、復元力形状の変化は小さいため制御効果の変動は小さい。
【００２３】
減衰係数Ｃを一旦Ｃｍｉｎ とした後は、最低作動荷重Ｆ０ に荷重が下がるまで制御する必要はなく、｜Ｆ｜＜Ｆ０ となった時点で再びＣ＝Ｃｍａｘ として同じ制御を繰り返せばよい。従って、可変減衰装置は減衰係数を低下させるタイミングのみが制御されればよい。
【００２４】
図６（請求項１に対応）、図７（請求項２に対応）は以上の制御則をフローチャートの形で示したものである。
【００２５】
一層建物のように応答振動数がある範囲に限定される条件では、上記の制御則で十分な効果が得られるが、多層建物に適用する場合には応答に高次モードが混入してくるため層間速度の符号が頻繁に変化し、その度に荷重の除荷が起こり制御効果が低下する。
【００２６】
そこで、これを避けるために、請求項３に係る制震方法では、減衰係数の制御を図５に示すような荷重−変形関係に基づいた判定空間で行う。
【００２７】
図５におけるＢの領域では前述したようにｕとＦの大小関係をもとに、除荷のタイミングを判定するが、Ａのフィルター領域ではその領域における過去の（更新前の）最大荷重Ｆｔｅｍｐのｒ倍以下に荷重が低下するまではＣｍａｘ を維持する。ｒの値としては、０．４〜０．６程度とすればよい。これにより、応答が反対側に向かう途中での頻繁な除荷を避けることができる。
【００２８】
Ａのフィルター領域とＢの領域の境界線は次式
Ｆ＝αＫｄ ｘ
の形で与える。
【００２９】
αの値は本来βに依存して定まるものであるが、実際には３〜４程度としておけば十分である。
図８は以上の制御則をフローチャートの形で示したものである。
【００３０】
本願の請求項４は、請求項１、２または３に係る構造物の制震方法において、前記可変減衰装置が、シリンダと、シリンダ内で往復動する両ロッド形式のピストンを有する制震用油圧ダンパであって、前記ピストンの両側の油圧室を連結する油路に閉状態で減衰係数Ｃの最大値Ｃmax 、開状態で減衰係数Ｃの最小値Ｃmin を与える開閉制御弁を設け、さらにピストン速度に対する発生荷重が２次関数で表される固定オリフィスを前記開閉制御弁と並列に設けたものであることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項５は、請求項４に係る構造物の制震方法において、前記制震用油圧ダンパが、前記油路に、前記開閉制御弁および前記固定オリフィスと並列に、所定以上の荷重で開くリリーフ弁を設けたものである場合である。
【００３２】
すなわち、可変減衰装置が、減衰係数すなわち弁開度を最大・最小の２段階に制御する制震用油圧ダンパであり、弁開度は例えば装置内蔵の圧力センサとピストンのストロークセンサによる計測量のみに基づいて内部で制御可能であり、外部にセンサや制御コンピュータおよび通信系が不要であり、上記請求項１、２、３に係る構造物の制震方法に用いた場合において、ほとんどパッシブダンパと同様のシステムが実現できる。
【００３３】
また、開閉制御弁と並列に固定オリフィスとリリーフ弁を設置することにより、微小荷重領域ではオリフィスによる高減衰パッシブダンパとして、また大レベルの外乱に対してはリリーフ弁によるパッシブ弾塑性ダンパとして機能するため、フェールセーフ機能を兼ね備えることになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に、本願発明の制震方法の具体的な実施形態として５層の建物モデルを用いてた制御効果を示す。
【００３５】
１次固有周期＝２．０秒、剛性比β＝１．３とした。入力波は、エルセントロＮＳと、タフトＥＷの２波とし、入力加速度は１００Ｇａｌとした。
【００３６】
図９は最大層間変位を無制御（減衰２％）と比較して示したものである。また、図１０には第１層の可変減衰装置の荷重−変形曲線を示す。これらより設定した制御則の有効性が確認できる。
また、本願発明で用いる制震用油圧ダンパの構成例を図１１に示す。
【００３７】
ダンパ１は、シリンダ２、ピストン３、ピストンロッド４、油圧室５ａ，５ｂ、チェック弁６ａ，６ｂ、開閉制御弁７、固定オリフィス８ａ，８ｂ、リリーフ弁９ａ，９ｂ、アキュムレータ１０、圧力センサ、ストロークセンサなどにより構成される。
【００３８】
制御に必要な情報量は、装置を設置している層の層間変位ｘ、層間速度ｄｘ／ｄｔ 、および装置荷重（発生力）Ｆである。これらは、内蔵の圧力センサおよびストロークセンサの計測量に基づいて次式
【００３９】
Ｆ＝Δｐ・Ａ、
ｘ＝ｘd ＋Ｆ／Ｋd 、
で計算される。
ここで、
Δｐは左右のシリンダの圧力差、
Ａはピストン面積、
ｘd はストローク変位、
Ｋd は取り付けブレースの剛性、
である。
これらの情報量を用いて、上述の制震方法における制御を行う。
【００４０】
この制御では、通常は制御弁は閉の状態として装置の減衰係数を最大値Ｃｍａｘ としておき、装置荷重が最低作動荷重Ｆ０ を越えた場合に制御状態に入り、必要なタイミングで制御弁を開としてＣｍｉｎ とし、荷重すなわち内圧を除荷する。
【００４１】
制御弁は開指令を受けた後は荷重がＦ０ まで低下するまで待ち、荷重がＦ０ 以下になった場合に再び閉とする。従って、時々刻々弁開度を制御するサーボ機構等は必要なく、アンロード弁等を応用した簡単な機構のバルブで制御することができる。
【００４２】
最低作動荷重Ｆ０ 以下では制御弁は常に閉であるため、このままでは装置は剛結されたのと等しい状態となってしまうため、制御弁と並列に固定オリフィスを設置する。
【００４３】
制御に必要なＣｍａｘ の値は無限大に大きな必要はなく、Ｃｍａｘ ＝１０×Ｋｄ ／ωとする程度で十分である。ここで、ωは建物の固有振動数である。
固定オリフィスは速度の２乗に比例した減衰特性を持つため、大きな荷重レベルでは減衰係数は大きく、小さな荷重レベルでは減衰係数は小さくなる。従って、大きな荷重レベルでは必要十分な減衰係数Ｃｍａｘ となり、最低作動荷重Ｆ０ レベルではパッシブとして最適な減衰係数となるようオリフィスを設定しておけば、微小レベルから有効に減衰力を発揮することができる。
【００４４】
さらに、図１１の例では、大レベルでの過大な荷重発生を避けるためにリリーフ弁を設置している。これにより一定値以上の荷重上昇を抑えることができるため、装置の機構設計および建物の構造設計を容易にすることができる。
【００４５】
また、このリリーフ弁には完全にパッシブ機構で作動するため、断電状態においても確実に動作し、この場合には弾塑性ダンパと等しい特性を発揮して建物を守ることができる。図１２には断電状態（制御弁が閉）のときの減衰特性を示す。
【００４６】
【発明の効果】
本願発明の制震方法によれば、建物層間の変位ｘ、速度ｄｘ／ｄｔ および装置の発生力Ｆなどの限られた情報量により、簡単な機構で減衰係数を制御し、受動型の装置に比べ十分大きな制震効果を効率良く得ることができる。
【００４７】
また、請求項４、５に係る制震方法においては、オリフィスの設定により微小レベルから有効に減衰力を発揮させることができ、さらにリリーフ弁を設けることで大レベルでの過大な荷重発生を避けることができ、装置の機構設計および建物の構造設計を容易にすることができる。
【００４８】
また、リリーフ弁は完全にパッシブ機構で作動するため、断電状態においても確実に動作し、この場合には弾塑性ダンパと等しい特性を発揮して建物を守ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に対応する力学モデルを示す図である。
【図２】モデルが一定振幅で振動している状態において、履歴面積が最大になるように可変減衰装置の減衰係数を制御したときの荷重変形関係を示したもので、（ａ） は可変減衰装置の荷重Ｆと層間変形δの関係を示す図、（ｂ） は層全体としての復元力Ｑとδの関係を示す図である。
【図３】装置作動遅れを補償するように、層間速度（ｄｘ／ｄｔ）にゲインＧｖ を乗じたｕで除荷のタイミングを与えるときの装置荷重Ｆとｕの関係を示した図である。
【図４】同じ剛性比βにおけるパッシブダンパと制御時の建物に対する付加減衰定数を比較した図である。
【図５】荷重−変形関係に基づいた判定空間の説明図である。
【図６】請求項１に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図７】請求項２に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図８】請求項３に係る制震方法に対応するフローチャートである。
【図９】本願発明の制震方法を５層の建物モデルに適用し、エルセントロＮＳとタフトＥＷを入力波とした場合の制御効果を示した図である。
【図１０】図９に対応する例において、第１層の可変減衰装置の荷重−変形曲線を示した図である。
【図１１】本願の請求項４、５に係る制震用油圧ダンパの一実施形態を示す油圧回路図である。
【図１２】断電状態における図１１の装置の減衰特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…制震用油圧ダンパ、２…シリンダ、３…ピストン、４…ピストンロッド、５ａ，５ｂ…油圧室、６ａ，６ｂ…チェック弁、７…開閉制御弁、８ａ，８ｂ…固定オリフィス、９ａ，９ｂ…リリーフ弁、１０…アキュムレータ、１１…制御回路
Claims (5)
- 減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ0 、かつＦ×（dx/dt)＜０
すなわち、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、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする構造物の制震方法。 - 減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
｜Ｆ｜＞Ｆ0 かつ｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、
（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったときに、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させ、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする構造物の制震方法。 - 減衰係数を最大値Ｃmax と最小値Ｃmin の２段階に切り替え可能とした可変減衰装置を建物フレーム内に設置し、振動外力が作用したときの建物層間の変位ｘ、速度dx/dt 、および前記可変減衰装置の発生力Ｆをもとに、
あらかじめ設定した最低作動荷重Ｆ0 に対し、
｜Ｆ｜＞Ｆ0
の範囲では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持し、
Ｃ＝Ｃmax
の状態において、
(A) Ｆ×ｘ＜０の範囲、およびＦ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜＞αＫd ｜ｘ｜
ここで、
αは領域の境界を与える直線の傾きであり、３〜４の数値、
Ｋd は装置設置部分の剛性、
の範囲（以下、フィルター領域という）では、
｜Ｆ｜≧ｒ｜Ｆtemp｜
ここで、
Ｆtempはフィルター領域における更新前の最大荷重、
ｒは判断基準を与える数値であり、０．４〜０．６の数値、
となったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
｜Ｆ｜＜ｒ｜Ｆtemp｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
(B) Ｆ×ｘ≧０かつ｜Ｆ｜≦αＫd ｜ｘ｜
の範囲では、
｜Ｆ｜＞｜ｕ｜
ただし、
ｕ＝Ｇv ・（dx/dt)、
Ｇv ＝（２Ｋf ／ω）・ｇ
ここで、（dx/dt)は層間速度、
Ｇv はゲイン、
Ｋf はフレーム剛性、
ωは建物の固有振動数、
ｇは係数で０．５以上の値とする、
になったとき、可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmin
に変化させるとともに、Ｆtempをゼロクリアし、
｜Ｆ｜≦｜ｕ｜
では、可変減衰装置の減衰係数Ｃについて、
Ｃ＝Ｃmax
に維持したまま、Ｆtempの最大値を更新し、
可変減衰装置の発生力Ｆについて、
｜Ｆ｜≦Ｆ0
となった時点で、再び可変減衰装置の減衰係数Ｃを、
Ｃ＝Ｃmax
に変化させ、
以下、同様の制御を繰り返し行うことを特徴とする構造物の制震方法。 - 前記可変減衰装置が、シリンダと、シリンダ内で往復動する両ロッド形式のピストンを有する制震用油圧ダンパであって、前記ピストンの両側の油圧室を連結する油路に閉状態で減衰係数Ｃの最大値Ｃmax 、開状態で減衰係数Ｃの最小値Ｃmin を与える開閉制御弁を設け、さらにピストン速度に対する発生荷重が２次関数で表される固定オリフィスを前記開閉制御弁と並列に設けたものであることを特徴とする請求項１、２または３記載の構造物の制震方法。
- 前記制震用油圧ダンパが、前記油路に、前記開閉制御弁および前記固定オリフィスと並列に、所定以上の荷重で開くリリーフ弁を設けたものである請求項４記載の構造物の制震方法。
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