JP5165944B2

JP5165944B2 - 免震システム

Info

Publication number: JP5165944B2
Application number: JP2007181756A
Authority: JP
Inventors: 龍大欄木; 一郎長島
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2009019383A

Description

本発明は、上下部構造間に設けられて上部構造に対する免震効果および応答を制御可能とした免震システムに関するものである。

近年、地震に対して構造物の安全性を確保するために、当該構造物の基礎部分や中間階に設けた免震層に、積層ゴムや滑り支承による免震装置を介装して地震等によって地盤から構造物に伝播しようとする振動を緩和させるとともに、さらに上下部構造間に、粘弾性ダンパーやオイルダンパー等の減衰ダンパーを介装して、上記振動を積極的に減衰させる各種のパッシブ免震システムが適用されている。

ところで、上記減衰ダンパーにおける減衰力を設定するに際して、上記免震層における上下部構造間の相対変位と、上部構造の加速度応答には、相反する関係がある。
すなわち、上記減衰力を高く設定すると、免震層における相対変位を小さくすることができるものの、上部構造への振動伝達率が大きくなって加速度応答が増大してしまう。これに対して、上記減衰力を低く設定すると、上部構造の加速度応答を低減させることはできるが、反面上記免震層における相対変位が大きくなり、この結果、上部構造と周囲との間に大きなクリアランスを設定する必要が生じてしまう。

したがって、敷地が狭く、充分な上記クリアランスを確保することが難しい構造物や、長周期地震動に対する上下部構造間の相対変位を抑制することを目的とした構造物等において、上記減衰力を高く設定した場合には、頻度の高い中小地震に対しても加速度応答の低減性能が悪くなってしまうという問題点があった。

このため、速度２乗比例の減衰装置を用いた免震システムも開発されており、当該免震システムによれば、発生する減衰力が速度の２乗に比例するために、頻度の高い中小地震に対しては、減衰力を小さくして高い免震効果を発揮させ、かつ速度の大きな大地震に対しては、減衰力を増大させることにより、免震効果は小さくなるものの、上下部構造間の相対変位が過多になることを抑制することができる。

しかしながら、上記従来の免震システムにあっては、上下部構造間に大きな相対変位が生じた場合においても、減衰装置の変位速度Ｖが小さい領域においては減衰力が小さく設定されてしまうために、上述した上部構造に生じる過度の変位を抑制することができないという問題点がある。
また、減衰装置の特性曲線が、上記変位速度と減衰力との関係によって規定されてしまうために、中小地震時と大地震時とにおける減衰性能を自由に設定することが難しいという問題点もある。

このような問題点を解決するために、例えば下記特許文献１においては、指令値にしたがって抵抗値を多段階に又は連続的に変えられる可変減衰装置であって、前記指令値による抵抗値の可変制御の手段として、当該減衰装置の変位量を計測する変位計が設置されており、前記変位計が計測した変位信号Ｘに基づいて、演算装置が先ず微分演算により速度Ｖを計算して求め、定数ωを用いた次式、Ｉ＝√｛Ｘ２＋（Ｖ／ω）２｝により指標Ｉが求められ、前記指標Ｉに基づいて指令値Ｃが算出され、抵抗値が制御されることを特徴とする可変減衰装置が提案されている。

また、本発明者等は、先に下記特許文献２において、構造物の上下部構造間に介装された減衰力が可変な減衰装置を有する免震手段の上記減衰力を制御するための免震制御方法であって、予め上記上下部構造間における基準振幅値を設定するとともに、上記構造物に振動が作用した際の上記上下部構造間の相対的な振幅値および速度を測定し、これら振幅値および速度から上記振動の一定時間後の予測振幅値を算出し、次いで上記予測振幅値と上記基準振幅値との相異に基づいて、上記減衰力を制御することを特徴とする免震制御方法を提案した。

上記免震制御方法によれば、構造物に振動が作用した際の上下部構造間の相対的な振幅値および速度を測定し、これらから上記振動の一定時間後の予測振幅値を算出して、得られた予測振幅値と上記基準振幅値との相異に基づいて上記減衰力を制御しているので、例えば当該予測振幅値が予め設定した基準振幅値よりも大きい場合に上記減衰力を増加させ、上記予測振幅値が上記基準振幅値よりも小さい場合に上記減衰力を減少させる等の制御を行うことにより、大地震のような構造物が非線形化する振動に対しても、当該構造物の応答変位が過大になることを確実に防止することができるという効果が得られる。
特開２００２−２２７９２５号公報特開２００４−３３２８３７号公報

ところが、上記免震制御方法にあっても、センサ等によって上下部構造間の相対的な振幅値および速度を時々刻々測定して、これらから上記振動の一定時間後の予測振幅値を常時算出しておく必要があるために、大地震時における制御の信頼性やコストの観点から問題があり、より一層簡易で、しかも保守・信頼性に優れたセミアクティブ免震システムに代わる免震システムの開発が望まれている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、演算装置や複雑な制御装置等を要することなく、簡易な設備によって地震時に高い振動減衰効果を発揮させることができ、かつ大地震時等には上下部構造間に過度の相対変位を生じることを防ぐことができるセミアクティブ免震システムに代わる免震システムを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る免震システムは、建物の上下部構造間に介装されるとともに減衰係数を非通電時に最大値に、通電時に最小値に切り換える切換手段が設けられた可変減衰ダンパーと、地震の発生を検知して地震検知信号を発する感震手段と、上記下部構造に対する上記上部構造の応答を検出して当該応答量が設定値を超えた際にトリガー信号を発する応答検出手段と、上記感震手段からの上記地震検知信号および上記応答検出手段からの上記トリガー信号に基づいて上記可変減衰ダンパーの減衰係数を切り換える制御手段とを備えてなり、上記制御手段は、平常時に電源の入力ラインと上記可変減衰ダンパーへの電源出力ラインとの間のスイッチをＯＦＦに保持し、上記感震手段からの上記地震検知信号が入力された際に上記スイッチをＯＮにして上記可変減衰ダンパーへ通電させ、さらに上記応答検出手段からの上記トリガー信号が入力された際に再びスイッチをＯＦＦにするリレー回路と、上記感震手段からの上記地震検知信号を受信して一定時間経過した後に、上記リレー回路に上記スイッチをＯＦＦにする信号を発するタイマーとを有することを特徴とするものである。

ここで、上記上部構造の応答とは、下部構造に対する上部構造の変位量、速度、加速度、可変減衰ダンパーの駆動部分における相対変位量、相対速度、相対加速度、減衰力、流体ダンパーにおける内部圧力等を包含するものである。

さらに、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記感震手段が、地震によるＳ波が到達する前に、上記建物における地震の震度および／または加速度の大きさを検知可能であるとともに、検知した上記地震の震度および／または加速度が設定値を超えた際に、上記制御手段に上記切換手段を作動させるトリガー信号を発するように設定されていることを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明によれば、制御手段によって、地震発生時に可変減衰ダンパーの減衰係数が最小に設定されているために、上部構造への振動の伝達率を落として地震により発生する上部構造の加速度応答を低減させることができる。この際に、下部構造に対する上部構造の相対変位は大きくなるが、応答検出手段によって検出された下部構造に対する上記上部構造の応答量が設定値を超えた際に、上記切換手段を作動させて可変減衰ダンパーの減衰力を増大させることにより、上部構造の相対変位量を抑制することができる。

したがって、演算装置や複雑な制御装置等を要することなく、簡易な設備によって地震時に高い振動減衰効果を発揮させることができ、かつ大地震時等には上下部構造間に過度の相対変位を生じることを防ぐことができる。

また、地震の発生を検知する感震手段を有しているために、平常時に可変減衰ダンパーを最大の減衰係数に設定しておき、地震発生時に、初めて上記感震手段からの地震の検知信号に基づいて上記切換手段を作動させて上記可変減衰ダンパーの減衰力を低減させ、免震効果を高めることができる。

ここで、上記感震手段としては、請求項２に記載の発明のように、上記建物やその近傍の地面に設置したＰ波センサや、気象庁の緊急地震情報のような、地震によるＳ波が上記建物に到達する前に上記地震の発生を知らせる手段を用いることが好ましい。
また、上記感震手段が地震の発生を検知した際に、即上記切換手段を作動させて可変減衰ダンパーの減衰力を低減させてもよいが、検知した上記地震の震度や加速度が設定値を超えた際に、上記制御手段に切換手段を作動させるトリガー信号を発するように設定しておけば、上記切換手段が頻繁に作動することが無く、よって当該切換手段や可変減衰ダンパーにおける保守や信頼性を一層向上させることができる。

さらに、上記可変減衰ダンパーや切換手段としては、汎用の可変減衰オイルダンパーや電磁弁を用いることができるとともに、特に上記電磁弁を、非通電時に減衰力が最大値となるように設ければ、平常時に電源を供給する必要がないために、経済性や取扱性にも優れる。

加えて、上記感震手段からの地震の検知信号を受信して一定時間経過した後に、上記電磁弁への通電を切るタイマーを設ければ、地震後においても、何等の操作を行うことなく、再び電磁弁を平常時における設定に戻すことができる。

図１〜図６は、本発明に係る免震システムの一実施形態およびその変形例を示すものである。
この免震システムは、建物の下部構造１と上部構造２との間に形成された免震層３に介装された積層ゴム支承による免震装置３ａおよび可変減衰オイルダンパー（可変減衰ダンパー）４と、地震の発生を検知する感震手段５と、上記地震による下部構造１に対する上部構造２の相対変位量（応答）を検出するリミットスイッチ（応答検出手段）６と、感震手段５およびリミットスイッチ６からの検出信号に基づいて可変減衰オイルダンパー４の減衰力を増減させるリレー回路（制御手段）７とから概略構成されている。

ここで、可変減衰オイルダンパー４は、オイルが充填されたシリンダ４ａと、このシリンダ４ａに往復動自在に設けられた出力軸４ｂと、内部のオイルの流路を切り換えることにより減衰係数を２段階に切り換える電磁弁（切換手段）４ｃとから構成されたもので、出力軸４ｂが下部構造１に固定されるとともに、シリンダ４ａが上部構造２に固定されている。そして、この可変減衰オイルダンパー４においては、電磁弁４ｃがノーマルクローズであり、この結果非通電（電源ＯＦＦ）時に減衰係数が大きく（Ｃｍａｘ）、通電（電源ＯＮ）時に減衰係数が小さく（Ｃｍｉｍ）なるように設定されている。

また、感震手段５としては、下部構造１あるいは近傍の地面に設置された地震計や、気象庁の緊急地震情報等の受信装置を用いることができる。ちなみに、上記緊急地震情報によれば、地震到達前に、この建物位置における震度や加速度の大きさを予測することができる。そして、この感震手段５には、上記地震計または受信装置から受信した地震の規模（本実施形態においては、震度または加速度）が予め設定された値（例えば、震度であれば１程度、加速度であれば数Ｇａｌ）を超えた際に、トリガー信号を送る出力ライン８が接続されている。ちなみに、上記地震計を用いる場合には、このようなトリガー信号の設定が可能なＰ波センサが好適である。

そして、免震層３内における上下部構造１、２間に、相対変位量を検出するための上記リミットスイッチ６が設けられている。
このリミットスイッチ６は、図３に示すように、上部構造２に垂設されて先端部９ａが金属を検知可能な近接スイッチ９と、この近接スイッチ９の下方に臨む下部構造１上に取り付けられた検知板１０とから構成されている。

この検知板１０は、平常時における近接スイッチ９の下方を中心とした円形部分が非鉄金属板１０ａによって形成されるとともに、その外周に金属板１０ｂが設けられている。そして、この非鉄金属板１０ａの半径が、下部構造１に対する上部構造２の相対変位量の設定値になっている。そして、近接スイッチ９には、これが金属板１０ｂの上方に位置して金属を検知した際に、当該検知信号をトリガー信号として送出する出力ライン１１が接続されている。

他方、リレー回路７は、ソリッドステートリレー回路であり、当該リレー回路には、電源からの入力ライン１２、電磁弁への電源出力ライン１３、感知手段５およびリミットスイッチ６の近接スイッチ９からのトリガー信号の出力ライン８、１１が接続されるとともに、感知手段５からの出力ライン８には、タイマー１４が介装されている。

そして、リレー回路７は、平常時において電源の入力ライン１２と電磁弁４ｃへの電源出力ライン１３との間のスイッチ７ａをＯＦＦに保持するとともに、感震手段５から発せられたトリガー信号が出力ライン８を介して入力された際に、上記スイッチ７ａをＯＮにして電磁弁４ｃへ通電させ、さらにリミットスイッチ６から発せられたトリガー信号が出力ライン１１を介して入力された際に、再びスイッチ７ａをＯＦＦにするように組まれている。また、タイマー１４は、感震手段５からのトリガー信号を受信して一定時間（例えば、１２時間あるいは２４時間等）経過した後に、リレー回路７にスイッチ７ａをＯＦＦにする信号を発するように設定されている。

以上の構成からなる免震システムにおいては、図２および図４に示すように、リレー回路７によって、平常時には電磁弁４ｃへの電源が非通電になっているために、可変減衰オイルダンパー４の減衰係数はＣｍａｘに設定されている。
そして、予め設定されている値を超える規模の地震が発生した際には、これを検知した感震手段５からのトリガー信号が入力され、スイッチ７ａがＯＮに切り替わることにより、電磁弁４ｃに通電される。

この結果、可変減衰ダンパー４の減衰係数がＣｍｉｎに切り替わり、減衰力が増大することにより、上下部構造１、２間に生じる相対変位を効果的に吸収して、振動を減衰させることができる。
また、これにより下部構造１に対する上部構造２における相対変位量が大きくなるが、上部構造２に垂設した近接スイッチ９の先端部９ａが、下部構造１に設けた検知板１０の金属板１０ｂの上方まで上部構造２が相対変位すると、金属を検知した近接スイッチ９からのトリガー信号が出力ライン１１からリレー回路７に入力される。

すると、リレー回路７にスイッチ７ａが再びＯＦＦに切り替わり、電磁弁４ｃが非通電状態となって、可変減衰オイルダンパー４の減衰係数がＣｍａｘになる。これにより、振動減衰効果は低減するものの、上部構造２における過度の相対変位を抑制することができる。また、発生した地震が中小規模であって、最終的にリミットスイッチ６からのトリガー信号が発せられなかった場合においても、感震手段５からの地震の検知信号を受信して一定時間経過した後に、タイマー１４が作動して電磁弁４ｃへの通電が切られるために、何等の操作を行うことなく、再び電磁弁４ｃを平常時における非通電状態に戻すことができる。

したがって、減衰係数を２段階に切り換える本免震システムによれば、演算装置や複雑な制御装置等を要することなく、簡易な設備によって地震時に高い振動減衰効果を発揮させることができ、かつ大地震時等には上下部構造１、２間に過度の相対変位を生じることを防ぐことができる。また、可変減衰オイルダンパー４の電磁弁４ｃを、非通電時に減衰力が大きく（減衰係数；Ｃｍａｘ）なるように設け、地震発生時に通電して減衰力が小さく（減衰係数；Ｃｍｉｎ）なるようにしているために、平常時には電源を供給する必要がなく、よって経済性や取扱性にも優れる。

さらに、感震手段５が地震の発生を検知した際にも、検知した上記地震の震度や加速度が設定値を超えた際に、初めてリレー回路７にスイッチ７ａをＯＮに切り換えるためのトリガー信号を発するように設定しているために、平常時において発生する交通機関や強風に起因する振動や極小さな地震によって当該リレー回路７が頻繁に作動することが無く、よって電磁弁４ｃや可変減衰オイルダンパー４における保守・信頼性も一層向上させることができる。

なお、上記実施の形態においては、応答検出手段として近接スイッチ９を用いたリミットスイッチ６を適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば図５または図６に示すような、変位スイッチ１５およびドック１６を用いたリミットスイッチ１７、１８を使用することもできる。

すなわち、図５に示すリミットスイッチ１７は、可変減衰オイルダンパー４の出力軸４ｂに、シリンダ４ａの下方まで延出する取付板１９が設けられ、この取付板１９の先端部に変位スイッチ１５が取り付けられている。この変位スイッチ１５は、シリンダ４ａ側に向けて突設されており、先端部に感知部１５ａが水平方向へ揺動自在に設けられている。他方、この変位スイッチ１５の上方に位置するシリンダ４ａの底面に、ドック１６が設けられている。

このドック１６は、平常時における変位スイッチ１５の位置の上方が凹状に形成されるとともに、その外周に水平方向に向けて漸次下方に突出する傾斜面１６ａが形成されている。そして、地震発生時にシリンダ４ａ（上部構造２）と出力軸４ｂ（下部構造１）との間に設定値を超える水平方向の相対変位が生じた際に、感知部１５ａがドック１６の傾斜面１６ａに当接して揺動することにより、検知信号をトリガー信号として上述した出力ライン１１からリレー回路７へと送信するようになっている。

また、図６に示すリミットスイッチ１８は、シリンダ４ａ（上部構造２）側に取付板２０を設け、この取付板２０の先端部に変位スイッチ１５を、感知部１５ａを下方に向けて設けるとともに、この変位スイッチ１５と対向する下部構造１の上面に上記ドック１６を固定したものである。
このようなリミットスイッチ１７、１８によっても、上記リミットスイッチ６を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明に係る免震システムの作用効果を確認するために、免震建物解析モデルを用いて、中小地震から大地震時までの地震応答解析を実施した。
先ず、上記免震システムを用いた建物として、図７に示すように、鉄骨造９階建ての小規模建物（上部構造の固有周期１．２秒）の基礎部に、積層ゴム＋可変減衰オイルダンパーで構成する免震システムを適用したモデルを想定した。

ここで、免震建物全体の１次固有周期を３秒に設定し，可変減衰オイルダンパーとして，図８に示すような、減衰係数がＣｍａｘ＝１９ｋＮ／ｋｉｎｅ、Ｃｍｉｎ＝５．６ｋＮ／ｋｉｎｅの２段階切り替えタイプのものを用いた。なお、免震層における擁壁との免震クリアランスは１５ｃｍとし、リミットスイッチを免震層の変形が８ｃｍを超えた場合に作動させる設定とした。また、可変減衰オイルダンパーは、リミットスイッチが作動するまでは減衰係数をＣｍｉｎに設定し、リミットスイッチが作動した場合は減衰係数をＣｍａｘに切り替え、地震の揺れが治まるまで減衰係数をＣｍａｘに維持した。

図９および図１０は、それぞれ上記モデルに対して、エルセントロＮＳ波の入力加速度を２５ｃｍ／ｓ２ピッチで増加させた場合の入力加速度と建物頂部加速度（図９）および免震層変位（図１０）の関係を示す解析結果である。なお、図中には，減衰係数をＣｍａｘ＝１９ｋＮ／ｋｉｎｅおよびＣｍｉｎ＝５．６ｋＮ／ｋｉｎｅの一定値に固定したパッシブダンパーの結果についても併せて示している。

これらの解析結果を示す図９および図１０によれば、減衰係数をＣｍｉｎに固定したパッシブダンパーおいては、頂部の加速度応答は小さいものの、３００ｃｍ／ｓ２程度の入力加速度で免震層の変形が１５ｃｍを超えて擁壁と衝突してしまうことが判る。一方、減衰係数をＣｍａｘに固定したパッシブダンパーにおいては、免震層の応答は大地震時においても１５ｃｍ以内におさまっているが、中小地震においても頂部加速度が減衰係数をＣｍｉｎに固定した場合に比べて大きくなってしまうことが判る。

これに対して、本発明に係る免震システムにおいては、入力レベルが小さいうちは、減衰係数をＣｍｉｎに固定した場合と同等の加速度応答を示し、入力レベルが大きくなるに連れて応答値は減衰係数をＣｍａｘに固定した場合に漸近している。そして、２００ｃｍ／ｓ２程度まで減衰係数がＣｍｉｎに維持されるため、中小地震に対する加速度低減性能が優れており、さらに２００ｃｍ／ｓ２を超えた際に、減衰係数がＣｍａｘに切り替わるため、大地震時においても免震層の応答を１５ｃｍ以下に治まっている。
以上より、最大応答値に着目すると、本発明に係る免震システムは、実用上十分な性能が得られることが確認された。

なお、上記実施の形態および実施例においては、いずれも可変減衰ダンパーとして可変減衰オイルダンパー４を用い、かつ切換手段として電磁弁５を用いた場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、各種の可変減衰ダンパーおよび当該ダンパーの減衰力を切り換えるための切換手段を適用することができる。また、減衰係数の切換段階についても、上述した２段階に限らず、３段階に切り換えられるものを用いても良い。

さらに、上記感震手段５およびタイマー１４を省略するとともに、平常時に常時電磁弁５に通電を行うことにより減衰係数をＣｍｉｎに設定しておくこともできる。この場合には、常時通電を行う必要があるが、その他については、上記実施の形態に示したものと同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る免震システムの一実施形態を適用した建物における免震層部分の縦断面図である。図１の免震システムの概略構成図である。図２のリミットスイッチを示すもので、（ａ）は図１のＡ部拡大図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線視図である。上記免震システムの作動と減衰係数の切換の関係を示すブロック図である。図３のリミットスイッチの変形例を示す正面図である。図３のリミットスイッチの他の変形例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明の実施例に用いた免震建物解析モデルを示す図である。上記実施例に用いた可変減衰ダンパーの各減衰係数における速度と減衰力との関係を示すグラフである。上記実施例の解析結果における入力加速度と頂部加速度との関係を示すグラフである。上記実施例の解析結果における入力加速度と免震層変形との関係を示すグラフである。

符号の説明

１下部構造
２上部構造
３免震層
４可変減衰オイルダンパー（可変減衰ダンパー）
４ａシリンダ
４ｂ出力軸
４ｃ電磁弁（切換手段）
５感震手段
６、１７、１８リミットスイッチ（応答検出手段）
７リレー回路（制御手段）
７ａスイッチ

Claims

建物の上下部構造間に介装されるとともに減衰係数を非通電時に最大値に、通電時に最小値に切り換える切換手段が設けられた可変減衰ダンパーと、地震の発生を検知して地震検知信号を発する感震手段と、上記下部構造に対する上記上部構造の応答を検出して当該応答量が設定値を超えた際にトリガー信号を発する応答検出手段と、上記感震手段からの上記地震検知信号および上記応答検出手段からの上記トリガー信号に基づいて上記可変減衰ダンパーの減衰係数を切り換える制御手段とを備えてなり、
上記制御手段は、平常時に電源の入力ラインと上記可変減衰ダンパーへの電源出力ラインとの間のスイッチをＯＦＦに保持し、上記感震手段からの上記地震検知信号が入力された際に上記スイッチをＯＮにして上記可変減衰ダンパーへ通電させ、さらに上記応答検出手段からの上記トリガー信号が入力された際に再びスイッチをＯＦＦにするリレー回路と、上記感震手段からの上記地震検知信号を受信して一定時間経過した後に、上記リレー回路に上記スイッチをＯＦＦにする信号を発するタイマーとを有することを特徴とする免震システム。
上記感震手段は、地震によるＳ波が到達する前に、上記建物における地震の震度および／または加速度の大きさを検知可能であるとともに、検知した上記地震の震度および／または加速度が設定値を超えた際に、上記制御手段に上記切換手段を作動させるトリガー信号を発するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の免震システム。