JP4799062B2

JP4799062B2 - 制震装置

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Publication number: JP4799062B2
Application number: JP2005199160A
Authority: JP
Inventors: 雅人小山
Original assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Current assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-07-07
Also published as: JP2007016486A

Description

本発明は、建物の梁や柱等に垂直方向に設けられた制震フレーム内に取り付けられ、該制震フレームのフレーム面方向の地震エネルギーを吸収する弾塑性体を備えた制震装置及びそれを有する劣化診断装置に関するものである。

従来、過去の大地震においては、建物の内装を壊さないとブレースや柱・梁接合部といった構造上重要な部分の損傷が分からないという問題があることから、建物の内装を壊す代わりに内外装の被害程度から構造の損傷を推定していたが、精度が悪く、重大被害の見落としも危惧されていた。

一方、特開２００３−３２２５９３号公報（特許文献１）には、鋼構造物溶接部の残存疲労寿命を推定するために、溶接部の応力又はひずみ、及び変位を測定する測定手段と、応力又はひずみの振幅の頻度を計算する頻度計算手段と、疲労被害度及び残存疲労寿命を計算する寿命計算手段を有するシステムが提案されている。

特開２００３−３２２５９３号公報

しかしながら、前述の従来例において、震災後、構造上重要な部分である制震デバイス（地震時のエネルギー吸収装置）の損傷を推定するために内装を取り外すことは非常に労力がかかる上、内装を取り外しても制震デバイスの余寿命を外観の状態、即ち、塗装の剥がれや形状の変形から推定することは誤差が大きいという問題があるため、正確な余寿命を知るためには制震デバイスの一部について破壊試験を行う必要があった。

また、特許文献１の技術は、鋼構造物の溶接部の応力又はひずみ、及び変位を弾性変形範囲内で測定するものであるが、従来の構造物は弾性変形範囲内で余裕のある設計がされるため、住宅向けの制震フレームに採用される弾塑性体のように地震による塑性変形を積極的に利用する制震デバイスの塑性変形領域での極低サイクルにおける応力又はひずみ、及び変位を測定することはなされていなかった。また、特許文献１では大掛かりなレーザ変位計を用いて対象物の変位を測定するため住宅向けの制震フレーム内に設置して壁の内部に埋設することが出来なかった。

本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、常時、大地震時、制震デバイスの状態をモニタリングし、大地震時にあっても、内装を取り外さず、制震デバイスの破壊試験を行なわず、被災後の制震デバイスの余寿命を精度良く予測することが出来る制震装置及び劣化診断装置を提供せんとするものである。

前記目的を達成するための本発明に係る制震装置は、建物に垂直方向に設けられた制震フレーム内に取り付けられ、該制震フレームのフレーム面方向の地震エネルギーを吸収する弾塑性体のせん断変形量を、該弾塑性体の少なくとも２点の相対位置の変位量として検出する変位検出手段と、前記変位検出手段により検出された変位量を電気信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段により変換された電気信号が所定の閾値以上になったか否かを検知する信号検知手段と、前記信号検知手段により検知された電気信号が所定の閾値以上と検出された時間における該電気信号に対応する前記弾塑性体の変位量情報を記憶する変位量情報記憶手段と、前記変位量情報記憶手段に記憶された前記弾塑性体の変位量情報を出力する変位量情報出力手段とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る弾塑性体の劣化診断装置は、前記制震装置と、前記変位量情報出力手段により出力された前記弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する累積損傷値演算手段と、前記累積損傷値演算手段により演算された累積損傷値に基づいて該弾塑性体の余寿命を予測する余寿命予測手段とを有することを特徴とする。

本発明に係る制震装置によれば、変位検知手段により弾塑性体のせん断変形量を該弾塑性体の少なくとも２点の相対位置の変化量として検出することが出来る。変位検知手段により検出された弾塑性体の少なくとも２点の相対位置の変化量は信号変換手段により電気信号に変換されるので、その電気信号を利用して弾塑性体のせん断変形量に対応する情報を取得することが出来る。

また、信号検知手段により信号変換手段により変換された電気信号が所定の閾値以上になったことを検知する。常時発生する交通振動や生活行為等による微振動を含めるとデータ量が肥大してメモリ容量が限界に達するため閾値を設定して大地震による変形がある値よりも大きいことを検知する。

そして、その閾値以上と検出された時間における該電気信号に対応する弾塑性体の変位量情報を変位量情報記憶手段により記憶することが出来る。閾値よりも小さい電気信号は弾性領域の変位であるので記憶しておく必要がないノイズでありこれを除去することでメモリ容量が節約出来る。

そして、変位量情報記憶手段に記憶された弾塑性体の変位量情報を変位量情報出力手段により出力することが出来る。変位量情報出力手段により弾塑性体の変位量情報を外部に出力することが出来るため、内装を取り外さなくても弾塑性体のせん断変形量に対応する情報を取得することが出来る。

また、本発明に係る劣化診断装置によれば、累積損傷値演算手段により、前記制震装置の変位量情報出力手段により出力された弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算することが出来る。そして、余寿命予測手段により、累積損傷値演算手段により演算された累積損傷値に基づいて該弾塑性体の余寿命を予測することが出来る。

これにより、大地震時の被災調査においても、建物の内装を取り外さずに済み、制震デバイスの破壊試験を行なわなくとも被災後の制震デバイスの余寿命を精度良く知ることが出来る。従って、大地震時に経済的、時間的に効率良く制震デバイスの余寿命を知得して迅速で確実な震災復興を進めることが出来る。

図により本発明に係る制震装置及びそれを備えた劣化診断装置の一実施形態を具体的に説明する。図１は本発明に係る制震装置を備えた劣化診断装置の制御系の構成を示すブロック図、図２は本発明に係る制震装置の構成を示す正面図、図３は本発明に係る制震装置において平常時の制震デバイスの様子を示す図、図４は本発明に係る制震装置において振動時の制震デバイスの様子を示す図、図５は変位検出手段の構成を示す斜視図、図６及び図７は累積損傷値演算手段により弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する場合の一例を説明する図である。

図１及び図２において、１は本発明に係る制震装置２を備えた劣化診断装置であり、制震装置２は建物の上下梁３ａ，３ｂの間の左右柱４ａ、４ｂ間に垂直方向に設けられた制震フレーム５内に取り付けられ、該制震フレーム５のフレーム面方向の地震エネルギーを吸収する弾塑性体となる制震デバイス６のせん断変形量を、該制震デバイス６の少なくとも２点の相対位置の変位量として検出する変位検出手段となる変位センサ７と、該変位センサ７により検出されたアナログ信号からなる変位量をデジタル信号からなる電気信号に変換する信号変換手段となるＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器９と、Ａ／Ｄ変換器９により変換された電気信号が所定の閾値以上になったか否かを検知する信号検知手段となるトリガ装置15と、該トリガ装置15により検知された電気信号が所定の閾値以上と検出された時間における該電気信号に対応する弾塑性体となる制震デバイス６の変位量情報を記憶する変位量情報記憶手段となるメモリ10と、メモリ10に記憶された弾塑性体となる制震デバイス６の変位量情報を出力する変位量情報出力手段となるＬＡＮ（Local Area Network）インターフェイス11等が制震装置２が設けられた建物の壁体内部に埋設されている。尚、図１に示す８は変位センサ７により変換された電気信号を増幅する増幅手段となるアンプである。

建物の壁体内に埋設された制震装置２に設けられるデータモニタリング収録装置19の構成は図１に示す如くであり、建物の壁体内部に埋設される制震装置２には変位センサ７、アンプ８、Ａ／Ｄ変換器９、メモリ10及びＬＡＮインターフェイス11等の動作用の電源14が接続されている。

尚、本実施形態では、変位センサ７、アンプ８、Ａ／Ｄ変換器９、メモリ10及びＬＡＮインターフェイス11及び電源14が建物の壁体内部に埋設された場合の一例について説明するが、少なくとも電源14が接続された変位センサ７が建物の壁体内部に埋設され、その他のアンプ８、Ａ／Ｄ変換器９、メモリ10及びＬＡＮインターフェイス11は必要に応じて適宜選択的に建物の壁体外部に設けることも出来る。

弾塑性体となる制震デバイス６は、図３及び図４に示すように、両端の固定部６ａと、中央部の変形部６ｂとを有しており、固定部６ａが架構体となる制震フレーム５に固定される。制震フレーム５は建物の左右柱４ａ、４ｂに固定フレーム５ａを介して固定される４本の斜め材５ｂ及び２本の横材５ｃが一対の接続プレート５ｄにそれぞれ接続されており、該一対の接続プレート５ｄに制震デバイス６の両端の固定部６ａがトルシア型高力ボルト５ｅにより締結されている。

制震デバイス６の固定部６ａと変形部６ｂとの間には座屈制御プレート５ｆがボルト５ｇにより接続プレート５ｄ及び制震デバイス６に締結されており、この座屈制御プレート５ｆにより制震デバイス６は中央部の変形部６ｂのみが変形し得るように座屈が制御される（図４参照）。

左右一対の接続プレート５ｄには、図５に示す板ばね材等からなる門型（コ字形状）の板材16の両端部が取付けブロック体20を介してボルト17により締結されており、該板材16の起立片16ａの一部に歪みゲージ７ａが設けられている。図５に示すように、歪みゲージ７ａが設けられた板材16はその両端部に仮止め板18が固定された状態で搬入され、制震フレーム５に設置する際に仮止め板18を取り外した後に該板材16の両端部が取付けブロック体20を介して左右一対の接続プレート５ｄに締結される。

本実施形態において、変位検出手段となる変位センサ７により検出する弾塑性体となる制震デバイス６の少なくとも２点の相対位置の変位量は、板材16の両端部を左右一対の接続プレート５ｄに固定した２点のボルト17の相対位置の変位量を検出するように構成されており、図４に示すように制震デバイス６に図４の上下方向に作用するせん断力に対して直角方向（図４の左右方向）の２点に設定されている。

また、制震デバイス６の少なくとも２点の相対位置の変位量は、２点の離間距離の変位量または２点を結ぶ直線の角度の変位量、或いは２点の離間距離の変位量と、該２点を結ぶ直線の角度の変位量とを組み合わせたものを採用することも出来る。

変位検出手段となる変位センサ７は、図３及び図４に示すように、弾塑性体となる制震デバイス６が接続される左右一対の接続プレート５ｄにボルト止めされる門型の板材16の起立片16ａに歪みゲージ７ａが設けられており、これにより弾塑性体となる制震デバイス６を取付けている左右一対の接続プレート５ｄのせん断変形を検出することが出来るように構成されている。

即ち、制震フレーム５に設けられた左右一対の接続プレート５ｄが弾塑性体となる制震デバイス６のせん断方向（図４の上下方向）に相対変形すると、門型の板材16が変形し、起立片16ａに貼り付けられている歪みゲージ７ａに歪みが生ずる。歪みゲージ７ａに歪みが生ずるとその抵抗値が変化する。一方、歪みゲージ７ａには電源14により常時通電されており、歪みゲージ７ａの変形に応じて抵抗値が変化するため歪みゲージ７ａの所定の２極間の電圧値が変動する。この電圧値の変動はアナログ値であるので、アンプ８を介して増幅した後、Ａ／Ｄ変換器９によりデジタル値に変換し、それをフラッシュメモリ等のメモリ10に記録する。

歪みゲージ７ａとしては、例えば、株式会社東京測器研究所製、或いは株式会社共和電業製の歪みゲージを採用することが出来る。金属（抵抗体）は外力を加えて伸縮させると、ある範囲でその電気抵抗値も増減する。従って、歪みが生じる板材16の起立片16ａに電気絶縁物を介して接着しておけば、板材16の起立片16ａの伸縮に比例して金属（抵抗体）が伸縮し、電気抵抗値が変化する。本実施形態の歪みゲージ７ａ（電気抵抗式）はこの電気抵抗値の変化により歪みを測定するセンサである。

歪みゲージ７ａの構造例としては、薄い電気絶縁物のベースの上に格子状の抵抗線またはフォトエッチング加工した抵抗箔を形成し、それに引出し線を付けてこれを板材16の起立片16ａの表面に専用接着剤で接着して測定する。板材16の起立片16ａに歪みが発生すると、歪みゲージ７ａのベースを経由して抵抗体（線・箔）にひずみが伝わり、発生した歪みに対応した電気抵抗値の変化と歪みとの間に所定の関係式が成り立つ。歪みゲージ７ａの電気抵抗値の変化は微少な値であるためホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換する。

所定規模以上の大きな地震で歪みゲージ７ａに閾値以上のリターン電流が生じると、それに応じた電気信号がＡ／Ｄ変換器９から出力され、その電気信号をトリガ装置15が検知して変位センサ７による連続計測を実施する。

建物の壁体外部には、ＬＡＮインターフェイス11に接続されたＬＡＮケーブル12が露出されており、変位量情報出力手段となるＬＡＮインターフェイス11により出力された弾塑性体となる制震デバイス６の過去の変位量情報から該制震デバイス６の累積損傷値を演算する累積損傷値演算手段となる累積損傷値演算部13ａと、該累積損傷値演算部13ａにより演算された累積損傷値に基づいて該弾塑性体となる制震デバイス６の余寿命を予測する余寿命予測手段となる余寿命予測部13ｂとを設けたパーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」という）13がＬＡＮケーブル12に接続される。

尚、変位量情報出力手段としては、ＬＡＮインターフェイス11及びＬＡＮケーブル12の代わりに非接触ＩＣタグを利用することも出来、壁体内部に埋設された非接触ＩＣタグに壁体外部からリーダにより弾塑性体となる制震デバイス６の変位量情報を読み取ってパソコン13に取り込むことも可能である。

このような制震装置２は、建物のＸ，Ｙ方向ともに少なくとも１箇所以上設けられる。例えば、建物の１階の壁体内でＸ方向に１箇所、Ｙ方向に１箇所にそれぞれ設けられた制震装置２の制震デバイス６に変位センサ７が設けられ、該変位センサ７により検出された電気信号はＬＡＮケーブル12により建物の壁体外の例えば分電盤脇のスペース等に取り付けたケーブルソケットに導かれ、該ケーブルソケットにパソコン13を接続する。

パソコン13にはMiner（マイナー）の線形累積損傷則に基づいて累積損傷値を演算するプログラムソフトウエアがインストールされており、該パソコン13にインストールされた累積損傷値を演算するコンピュータソフトウエアにより構成される累積損傷値演算部13ａにより累積損傷値が演算される。

累積損傷値演算手段となる累積損傷値演算部13ａにより弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する場合、例えばレインフロー法により振幅を計数することが出来る。例えば、図６に示すように、計測された変位波形の時間軸を鉛直方向に、変位軸を水平方向にとり、変位の極値（折返し点）の位置に水源を置いて水を流した場合の流線の幅を振幅として計数する。

次に計数された振幅から塑性変形量を求める。計数された振幅（全変形）は、図７に示すように、弾性変形と塑性変形とからなっている。計数された振幅から弾性変形を差引き塑性変形量を計算することが出来る。本実施形態では、弾塑性体となる制震デバイス６にランダム載荷実験を行い、事前に全変形と塑性変形の関係式を作っておき、ダイレクトに塑性変形量を推定するように構成したものである。そして、変位量情報記憶手段となるメモリ10に記憶された弾塑性体となる制震デバイス６の変形履歴から該制震デバイス６の荷重変形関係ルールに照らし合わせて該制震デバイス６の荷重変形関係を生成する。

次にMiner（マイナー）則によって累積損傷値を計算する。Miner（マイナー）の線形累積損傷則による累積損傷値とは、荷重変形関係履歴の１サイクル毎に塑性変形の大きさに対応した損傷度を、履歴の全過程において累積した値であり、その値が「１」となる時、破壊が起こるとするものである。

計数された各振幅ｉ毎の損傷度ｄ_ｉは、各振幅毎にその振幅ｉで定振幅した時の破断繰り返し数をＮ_ｆｉとして、以下の数１式により定められる。尚、δ_ｐｉは各サイクル毎の塑性変形量であり、Ｃ，ｋは実験結果から定まる係数である。

〔数１〕
ｄ_ｉ＝１／Ｎ_ｆｉ………(1)
ここで、
Ｎ_ｆｉ＝（δ_ｐｉ／Ｃ）^1/ｋ………(2)

累積損傷値Ｄは以下の数２式のように定められる。

次に余寿命予測手段となる余寿命予測部13ｂにより、累積損傷値演算手段となる累積損傷値演算部13ａにより演算された累積損傷値に基づいて弾塑性体となる制震デバイス６の余寿命を予測する。累積損傷値は、損傷のない状態では「０」をとり、損傷の増大に応じて数値が大きくなる。累積損傷値が「１」となったとき、弾塑性体となる制震デバイス６の寿命が尽きたと判定される。したがって累積損傷値が「０．６」であれば、余寿命は「０．４」という予測を行なうことが出来る。このように、余寿命予測部13ｂは累積損傷値演算部13ａにより演算された累積損傷値を「１」から減算して余寿命に対応する値を算出し、この値を評価して余寿命予測を行なうことが出来る。

大地震後、検査員がパソコン13を持ち込み、該パソコン13にＬＡＮケーブル12を接続する。ＬＡＮインターフェイス11を介してパソコン13にデータを取り込み、累積損傷値演算部13ａにより累積損傷値を演算し、余寿命予測部13ｂにより制震デバイス６の余寿命を知得することが出来る。

本発明の活用例として、建物に垂直方向に設けられた制震フレーム内に取り付けられ、該制震フレームのフレーム面方向の地震エネルギーを吸収する弾塑性体を備えた制震装置及びそれを有する劣化診断装置に適用出来る。

本発明に係る制震装置を備えた劣化診断装置の制御系の構成を示すブロック図である。本発明に係る制震装置の構成を示す正面図である。本発明に係る制震装置において平常時の制震デバイスの様子を示す図である。本発明に係る制震装置において振動時の制震デバイスの様子を示す図である。変位検出手段の構成を示す斜視図である。累積損傷値演算手段により弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する場合の一例を説明する図である。累積損傷値演算手段により弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する場合の一例を説明する図である。

１…劣化診断装置
２…制震装置
３ａ，３ｂ…上下梁
４ａ，４ｂ…左右柱
５…制震フレーム
５ａ…固定フレーム
５ｂ…斜め材
５ｃ…横材
５ｄ…接続プレート
５ｅ…トルシア型高力ボルト
５ｆ…座屈制御プレート
５ｇ…ボルト
６…制震デバイス
６ａ…固定部
６ｂ…変形部
７…変位センサ
７ａ…歪みゲージ
８…アンプ
９…Ａ／Ｄ変換器
10…メモリ
11…ＬＡＮインターフェイス
12…ＬＡＮケーブル
13…パソコン
13ａ…累積損傷値演算部
13ｂ…余寿命予測部
14…ＡＣ電源及び予備電源
15…トリガ装置
16…板材
16ａ…起立片
17…ボルト
18…仮止め板
19…データモニタリング収録装置
20…取付けブロック体

Claims

建物に垂直方向に設けられた制震フレーム内に取り付けられ、該制震フレームのフレーム面方向の地震エネルギーを吸収する弾塑性体のせん断変形量を、該弾塑性体の少なくとも２点の相対位置の変位量として検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段により検出された変位量を電気信号に変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段により変換された電気信号が所定の閾値以上になったか否かを検知する信号検知手段と、
前記信号検知手段により検知された電気信号が所定の閾値以上と検出された時間における該電気信号に対応する前記弾塑性体の変位量情報を記憶する変位量情報記憶手段と、
前記変位量情報記憶手段に記憶された前記弾塑性体の変位量情報を出力する変位量情報出力手段と、
を有することを特徴とする制震装置。
請求項１に記載の制震装置と、
前記変位量情報出力手段により出力された前記弾塑性体の過去の変位量情報から該弾塑性体の累積損傷値を演算する累積損傷値演算手段と、
前記累積損傷値演算手段により演算された累積損傷値に基づいて該弾塑性体の余寿命を予測する余寿命予測手段と、
を有することを特徴とする弾塑性体の劣化診断装置。