JPH02209567A - 可変減衰・可変剛性構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は構造物の架構内に架構本体と可変剛性要素、ま
たは架構内に設けた可変剛性要素どうしを連結する可変
減衰装置を設けた可変減衰・可変剛性構造物に関するも
のである。

〔従来の技術〕

出願人は構造物の柱梁架構内に、プレースや壁などの形
で可変剛性要素を組み込み、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、地震や風などの振動外力に対し、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的制置シ
ステムおよび可変剛性構造を種々提案している（例えば
特開昭６２−２６８４７９号、特開昭６３　１１４７７
０号、特開昭６３−１１４７７１号など）。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、従来の能動的制置システムは、主とし７て地
震動などの卓越周期−６、構造物の固有振動数（通常、
１次の固有振動数が問題となる場合が多い）との関係に
着目し、申越周期に対Ｕ７、構造物の固有振動数を能動
的にずらず３−とにより、共振現象を避け、応答量の低
減を図っている。

しかし、特に地震動などの場合、非定常振動であること
から、例えば卓越周期がはっきりしない場合や卓越周期
が複数ある場合など、必ずしも最適な制御とならない場
合も褐えられる。

本発明では架構本体と可変剛性要素との間に介在させる
連結装置の減衰係数を可変と１，２、構造物の共振性と
減衰性を複合的に評価し、制御することにより、構造物
の応答量を低減し、構造物の安全性を確保するとともに
、快適な居住空間を実現することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では従来の能動的制震買置力＜−ｒ−とじて非共
振性に着目していたのに対し、架構本体と可変剛性要素
との間または可変剛性要素内に連結装置としての可変減
衰装置を設け、その減衰係数を制御する、−とにより、
減衰性る一考慮ｉ〜だ振動制御を行う。

すなわち、本発明の可変減衰・可変剛性構造物は、構造
物の架構本体と可変剛性要素との間、または架構本体内
に減衰係数を可変とした可変減衰装置を介在させ、前記
架構本体の振動に応じた減衰力をコンビ１−夕・−によ
り求め、該減衰力を与える前記可変減衰装置の減衰係数
を能動的に変化させることにより、振動夕（力に対する
構造物の応答を低減させるよう構成したものである。

可変減衰装置は例えばロック状態とフリー状態だ１）を
制御すれば、架構本体の剛性を変化させる可変剛性装置
となるものであるが、完全なロック状態と完全なフリー
状態の間で連結状態を微妙に調整することにより、種々
の減衰係数を与え、減衰係数と架構本体の振動状態に応
じ、そのときの架構本体の固有周期が与えられることに
なる。

このような可変減衰装置の一つとしては、例えばシリン
ダーがブｊノースなどの可変剛性要素側に連結され、該
シリンダー内で往復動する両ロッド形式のピストンロッ
ドが架構本体側に連結される連結装置（以下、ロックシ
リンダーと呼ぶ）が考えられる。このロックシリンダー
には、第３図に示すように、ピストン１２ａの両側の油
圧室１３を連結する油路１４に開度を可変としたオリフ
ィス１５が設けられ、その開度を調整することにより、
開度の大きいフリー側の小さい減衰係数から開度の小さ
いロック側の大きい減衰係数まで、多段階または無段階
に調整が行われる。オリフィス１５は具体的にはパルス
ジェネレーターなどを介してパルス信号により制御され
る高速開閉弁などであり、第４図（ａ）〜ｆｃ）に示ず
ように弁が開いている時間を変化させることにより、種
々の開度およびそれに伴う種々の減衰係数を実現するこ
とができる。第４図（ａｌ、第４図（ｂｌ、第４図（ｃ
）の順番で弁が閉じている時間が長くなり、各状態にお
ける減衰係数ＣＩ　、Ｃ２＋　　Ｃ３の大小関係は、Ｃ
Ｈ＜　Ｃ２＜　Ｃ３ となる。

その他、何らかの機械的構成により、開度を調整しても
よい。

シリンダー１１が架構本体側に連結され、ピストンロッ
ド１２が可変剛性要素側に連結される場合も同様である
。

この油圧を利用したロックシリンダー１０において、架
構本体に対する減衰力はシリンダー１１とピストンロッ
ド１２の相対速度の２乗に比例する抵抗力（ｐ＝ｃｖ２
）として与えられ、架構本体は振動の大きさ（例えば、
振幅）により、違った特性を示す。

以上はピストンとシリンダーの相対速度の２乗に比例す
る抵抗力が生ずる場合であるが、例えばロックシリンダ
ーに、油の代わりに粘性流体を充填することにより、ピ
ストンとシリンダーの相対速度に比例する抵抗力（Ｐ＝
ｅｖ）が得られる。

この他、可変減衰装置としては異なる減衰係数を実現で
きるものであればよく、種々の形式の連結装置を利用す
ることができ、一般的には、Ｐ＝）（ｃ、ｖ） となる。

いずれの場合も、振動外乱による架構本体の揺れおよび
使用する可変減衰装置の減衰係数と、−１１１変減衰装
置より架構本体に［ｊえられる減衰力との関係などを、
個々の構造物心ごついて把握しておき、これらをデータ
ーとしてコンピッ、−ターに入れ７おく。これらをもと
に、実際の地震、風など（７こよる構造物の揺れに応じ
た減衰力をコンピューターで求め、可変減衰装ｒの減衰
係数を能動的に制御することにより、架構本体、さらに
は構造物全体の揺れを低減することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の可変減衰・ｉｉｉ変剛Ｗ構造物の実施例
として、これに用いる制御シスうムの具体例について説
明する。

実施例１ 第１図は実施例１における可変減衰・可変剛性構造物の
概要を示したもので、柱３と梁４からなる架構本体２と
、各層の架構本体２内に組み込んだ可変剛性要素として
の逆Ｖ型プレース５との間に可変減衰装置１　（例えば
前述のロックシリンダー、）を介杓、しＨている。坤ｒ
゛時などの構造物の応答（振幅、速度、加速度など）を
構造物（ご設置した応答センサー６でセンシングし、応
答状態、すなわち振動レベルに応じた可変減衰装置１の
最適な減衰係数をコンビボータ・−８で求め、制御指令
を出す。第２図はそのときのフローを示したものである
。

前述のように第３図の油圧を利用りまたロックシリンダ
ー１０において、架構本体番、７対する減衰力は、シリ
ンダー１１とピストンロッド１２の相対速度の２乗に比
例する抵抗力として与えられ、この場合の架構特性は第
５図に示すようＧ：′なる。第５図のグラフは、層間振
幅が数ｃｍ程度の大振動から層間振幅が数ｍｍ程度の小
振動までの５種類の振動レベルにおける架構特性を示（
，７ており、Ｃは可変減衰装置の減衰係数、ｈは架構の
減衰定数を示している。このグラフからも明らかなよう
ζご、振動が大きくなるに従−２て、最大の減衰効果を
与える可変減衰装置の減衰係数Ｃは小さなものとなる。

本実施例ではこの架橋特性を利用ｊ、２、架構の減衰効
果が最大となるように、架構の振動し・ベルに応じて、
可変減衰装置の減衰係数を調整し、それにより、構造物
の応答を低減させることができる。

制御はより具体的には以下のように行われる。

■　まず、構造物の振動の大きさ（振幅、速度、加速度
など）、可変減衰装置の減衰係数Ｃ１架構の減衰効果り
との関係を把握する。

これは、例えば前述の第５図に示した架構特性を多数の
振動レベルについて把握し７、大振動レベルＬ＋から小
振動レベルＬ７について、当該構造物または架構に対し
最大の減衰係数りを与える減衰係数ＣＩ＋　・・・・・
・、Ｃ，、を求めておくことに相当する。

■　上記特性をもとに、構造物の振動を最小とする減衰
係数Ｃを、コンピューターにより時々刻々計算させ、可
変減衰装置を制御する。この制御は構造物の振動状態を
見ながら制御するので、フィードバック制御となる。

このように実施例１における制御はあらかじめ振動レベ
ルと減衰係数との関係を把握しておき、構造物の応答量
に応じて、フィードバック制御するものであり、制御が
比較的簡単番ご行える。

実施例２ 第６図は実施例２における可変減衰・可変剛性構造物の
概要を示したもので、入力地震動および構造物の応答（
振幅、速度、加速度）をそれぞれ入力センサー６および
応答センサー７でセンシングし、地震動特性（卓越周期
）と応答状態に応じた可変減衰装置１の減衰係数をコン
ピューター８で求め、制御指令を出す。第７図はそのと
きのフローを示したものである。

第８図および第９図は可変減衰装置として、実施例１の
場合と同様、油圧を利用し７たロックシリンダー１０を
用いた場合の架構特性を示しており、各振動レベルにお
いて、架構の減衰定数ｈ−４＜最大となる減衰係数の（
ｌＩＣＩ　ｈ　　Ｃ２＋　　Ｃ３＋　　Ｃａ　Ｔ　　Ｃ
％付近で、架構の固有周期（１次の固有周ｔＩＪｉ）も
長い固有周Ｐ、Ｄ　’ｒ　ｉから短い固有周期Ｔ２に変
化する。

仮にある振動レベルにおいて架構の減衰定数りを最大と
する減衰係数がＣ１であるとすると、第８図から明らか
なように、減衰係数Ｃえよりある程度小さい減衰係数Ｃ
ａ＋＝Ｃａ　　ａ　（ａ＞０）では、架構の固有周期は
長い方のＴ、となり、減衰係数Ｃ４よりある程度大きい
減衰係数Ｃ！ｆｆ１＝ｃｉ−ｂ　（ｂ＞０）では、架構
の固有周期は短い方の周期Ｔよとなる。これを可変減衰
装置の減衰係数Ｃと架橋の減衰定数りとの関係を示す第
９図と照らし合わせ、固有周期Ｔ、、Ｔ、のいずれか架
構に対し、非共振性の面で有利な固有周期を実現でき、
かつ架構の減衰効果ができる限り大きくなるような減衰
係数を選定する（固有周期の条件を満たす範囲内で、上
記ａまたはｂをできるだけ小さくとる）ことにより、非
共振化と減衰効果の両面から構造物の応答を低減させる
ことができる。ただし、地震動の卓越周期がはっきりし
ない場合など、非共振性の効果があまり期待できない場
合には、可変減衰装置の減衰係数として、架構の減衰定
数りを最大とする減衰係数がＣ４を選定することにより
、大きな減衰効果を期待することができる。

これを前述の第７図のフローチャートとの関係で説明す
ると以下のようになる。

構造物に入力される振動外力は構造物内あるいは外部の
センサーなどにより感知され、卓越周期その他の周波数
特性が解析される。一方、構造物あるいは架橋本体の実
際の応答量が加速度計、速度計あるいは変位計などのセ
ンサーにより感知され、これら周波数特性と応答量につ
いて、コンビ１−ターにより非共振性と架構本体の減衰
性を評価し、これらを複合的に判断することにより、構
造物の応答を効果的に低減させる減衰係数が選定される
。例えば、可変減衰装置により架構本体に与えられる２
種類の固有周期Ｔ、、Ｔ、について、非共振性を評価し
、いずれかの固有周期による非共振性の効果が大きいと
判断された場合には、そのときの応答量すなわち振動レ
ベルにおいて、できるだけ大きな減衰性をり、える範囲
で、選ばれた固有周期を実現するための減衰係数が選定
される。

卓越周期がはっきりせず、非共振化できない場合などは
、減衰性のみ考慮し、構造物に最大の減衰を与える減衰
係数を選択する。選定された減衰係数は制御指令発生手
段より、制御指令を可変減衰装置に与えることにより実
現される。

制御はより具体的には以下のように行われる。

■　まず、構造物の振動の大きさ（振幅、速度、加速度
など）、可変減衰装置の減衰係数Ｃ１架構の減衰効果ｈ
、周期Ｔとの関係を把握する。

これは、例えば前述の第８図および第９図に示した架構
特性を多数の振動レベルについて把握し、大振動レベル
Ｌ＋から小振動レベルＬ。

について、当該構造物または架構に対し最大の減衰係数
りを与える減衰係数ＣＩ＋　・・・・・・、ｃｌなどを
求めておくことに相当する。

■　上記特性をもとに、構造物の振動を最小とするよう
可変減衰袋装置の減衰係数Ｃを、コンピューターにより
時々刻々計算させ、可変減衰装置を制御する。

■　可変減衰装置の減衰係数Ｃの選定は下記の３点に基
づいて行う。

ｉ、地震動に対して、構造物の非共振化を実現する（フ
ィードフォワード制御）。地震動の周波数分析をもとに
、構造物の応答がより小さぐなる固有周期を実現できる
減衰係数Ｃを選定する。

ｉｉ　、構造物の振動状態に応じて、架構７本体の減衰
効果ができる限り大きな減衰係数Ｃを選定する（フィー
ドバック制御１）　、ただし、ｉで設定した固有周期を
実現する範囲とする。

ｉｉｉ　、非共振化による効果が少ないときは、架橋本
体の減衰効果が最大となる減衰係数Ｃを選定する。

表−１は、前述した第８図および第９図の架構特性に対
応する制御例をまとめたものである。

表−１ 表−１において、振動の大きさの欄の括弧内の数字は第
８図および第９図における振動レベルを小さい順に表し
たものであり、線の種類は図中の線を指す。また、地震
動特性は、可変減衰装置により与えられる２種類の固有
周期のうち、応答スペクトルが小さい方の固有周期を示
す。

すなわち、表−１において振動レベルが大きく（１）、
地震動特性として、０．４秒の周期成分が多い場合には
、第８図および第９図における減衰係数ＣＩ−１を選び
、、０秒の周期成分が多い場合には、減衰係数ＣＩ４を
選ぶ。同様に、振動レベルが小さくｆ４）、地震動特性
として、０．４秒の周期成分が多い場合には、減衰係数
ｃ４−０を選び、、０秒の周期成分が多い場合には、減
衰係数Ｃ４−２を選ぶ。

表中の最下段は地震動特性として、架構の２種類の固有
周期０．４秒と、０秒について、応答スペクトルにほと
んど差がない場合であり、この場合には、架構に最大の
減衰性を与える減衰係数０２を選んでいる。

実施例３ 実施例１および実施例２は可変減衰装′Ｒ１の減衰係数
と架構特性の関係を利用した制御であるが、実施例３と
して最適制御理論などにより可変減衰装置１による減衰
抵抗力としての最適制御力を求め、制御力の調整により
、構造物の応答を低減する方法について説明する。可変
減衰構造物の概要および可変減衰装置１の構造は実施例
１の第１図の場合と同様である。

本実施例では架構本体と可変剛性要素との間または可変
剛性要素内に介在させた可変減衰装置と、応答計測手段
、制御力決定手段および制御Ｂ指令発生手段とから構成
される。

第１０図は本実施例における制御のフローチャートを示
したもので、構造物に振動外力が入力されると、構造物
あるいは架橋本体の応答量（ｘ　ｔ＊、ｉ）が応答計測
手段としての変位形、速度計あるいは加速度計などのセ
ンサーにより感知され、コンピュータープログラム内の
制御力決定手段により、振動レベルおよび架橋本体の構
造に応じた最適制御力を計算し、制御指令発生手段によ
り、最適制御力を発揮させるための制御指令を連結装置
に与え、制御が行われる。

なお、本実施例は制御力を可変として、構造物の制御を
行うものであるのに対し、前述の実施例１は構造物の減
衰定数りが大きくなるように制御するものであり、リア
ルタイムの制御により、構造物の応答（変位、加速度と
も）を一般的に低減させることができるが、本実施例の
方法では、制御力の設定の仕方によって、変位を減らす
ことに主眼を置いたり、加速度を洩らすことに主眼を置
いたりすることが可能となり、制御の選択性が向上する
。また、実施例１、実施例２の場合、架構特性との関係
で、減衰力が相対速度の２乗に比例する場合に限定され
るのに対し、本実施例ではそのような限定はない。

ロックシリンダー１０を用いた制御はより具体的には以
下のように行われる。

■　オリフィスとしての開閉弁１５の開度とロックシリ
ンダー１０に発生する力（架構本体と可変剛性要素との
接合力＝制御力Ｕ）との関係をあらかじめ把握しておく
　（第１１図参照）・■　構造物の応答状Ｌｉ（変位Ｘ
、速速度大別加速度）に基づいて、必要な制御力を計算
する。このとき、必要な制御力の計算には最適制御理論
などを用いることができる。

■　必要な制御力を得るために必要な開閉弁１５の開度
を指令する。

■　指令に従って、ロックシリンダー１０には制御力が
発生し、構造物の応答を低減する。

■　相対速度の２乗に比例する制御力により制御する場
合には、ロックシリンダー１０はオリフィスなどを用い
てレイノルズ数の大きな状態で用い、相対速度に比例す
る制御力により制御する場合には粘性流体などを用いれ
ばよい。

なお、口・ツクシリンダー１０を用いた場合、応答の方
向と最適制御力の方向が同じ方向であれば、その制御力
を発揮することができるが、逆方向の場合には制御力を
効かせることができないので、そのときは制御力がＯと
なるように制御する（開閉弁１５の開度を全開とする）
。この関係を速度大を基準に制御を行う場合について式
で表すと、第１２図の力学モデルにおける架構本体とプ
レースの相対速度は、 Δ文＝Ｘｌ−太２・ で表され、最適制御力Ｕとの積Ｕ・ΔＸが負のときは制
御力ｕ’　”’ｕによる制御を行い、正のときは制御力
　１＝Ｑとする。すなわち、 とする。

第１３図〜第２０図は構造物架橋に対する可変減衰装置
の適用位置の例を示したものである。

第１３図の例では架構本体２としての柱梁架構と、可変
剛性要素としての逆■型プレース５の間に可変減衰買置
工を介在させている。

第１４図の例は架構本体２としての柱梁架構と、上下の
梁４より立設したまたは垂下させたフレーム２１どうし
の間に可変減衰装置１を介在させて、可変剛性要素とし
てのモーメント抵抗フレームを構成した場合である。

第１５図の例では架構本体２としての柱梁架構と、可変
剛性要素とｊ−てのＲＣ耐震壁２２との間に可変減衰装
置１を介在させている。

第１６図の例は、免震構造物の基部に積層ゴムなどの免
震ゴム２３と併用して可変減衰装置１を設けた場合の例
であり、可変減衰装置１が免震構造におけるダンパーの
役割を果たしている。この場合の可変剛性要素は構造物
の基礎と考えることができる。

第１７図の例では、架構本体２としての柱梁架構内に設
けたＸ型プレース２４を可変剛性要素としており、Ｘ型
の中央に可変減衰装置１を横向き（横型）に介在させで
ある。

第１８図の例は第１７図の例と同様Ｘ型プレース２５に
適用した例であり、第１７図の例が可変減衰装置１を横
向きに設けた横型だったのに対し、本例では減衰装置を
縦向きに設け、縦型としている。

第１９図の例は第１５図の例と同様、架構本体２として
の柱梁架構と、可変剛性要素としてのＲＣ耐震壁２６と
の間に可変減衰装置１を介在させたものであるが、可変
減衰袋Ｗ１を出入口などの開口部２７の上方に設けた点
に特徴を有している。

第２０図の例は、大架構におけるＸ型プレース２８の中
央に可変減衰装置１を介在させたもので、中間の大梁２
９とプレース２８は分離されている。

〔発明の効果〕

本発明の可変減衰・可変剛性構造物は、地震動などの外
乱に対し、構造物の減衰性を考慮して制御を行うよう構
成されており、あらかじめ振動レベルと減衰係数との関
係などの架構特性を把握しておくことにより、構造物の
応答量に応じて、減衰性に関する制御を行い、構造物の
応答量を低減させることができる。

すなわち、可変減衰装置の減衰係数を変化させることに
より、可変剛性要素と可変減衰装置の連結状態を変化さ
せ、その構造物の特性に応じた最適な減衰性を与えるこ
とにより、構造物の応答量を低減し、安全性を確保する
とともに、快適な居住空間を実現することができる。

また、共振性も同時に判断し、入力される外乱と構造物
の応答に対し、構造物の共振性と減衰性を複合的に評価
、制御することにより、より合理的な制御が可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の可変減衰・可変剛性構造物の実施例１
における概要図、第２図は実施例１のシステムによる制
御のフローチャート、第３図は本発明に係る可変減衰装
置の一例としてのロックシリンダーの概念図、第４図（
ａｌ〜（Ｃ）は高速開閉弁を用いたオリフィスの開度の
調整をパルス信号により行い、弁の開いている時間で制
御する場合のパルス信号と可変減衰装置の減衰係数の関
係を示す説明図、第５図は架構の特性を実施例１との関
係で説明するためのグラフ、第６図は本発明の可変減衰
・可変剛性構造物の実施例２における概要図、第７図は
実施例２のシステムによる制御のフロー。 チャー１・、第８図および第９図は架構の特性を実施例
２との関係で説明するためのグラフ、第１０図は実施例
３のシステムによる制御のフローチャート、第１１図は
架構と制御力の関係を示す説明図、第１２図は実施例３
における架構の力学モデルを示す説明図、第１３図〜第
２０図は本発明の可変減衰・可変剛性構造物の架構に対
する可変減衰装置の適用位置の例を示す概要図である。 １・・・可変減衰装置、２・・・架構本体、３・・・柱
、４・・・梁、５・・・プレース、６・・・入力センサ
ー、７・・・応答センサー　８・・・制御用コンピュー
ター　１０・・・ロックシリンダー１１・・・ピストン
、１２・・・ピストンロッド、１３・・・油圧室、１４
・・・油路、１５・・・オリフィス 第 図 第 図 茎 図 第 図 第 図 第 図 フ 第 図 第 １乙 図 第 図 ン３ 第 囚

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）架構本体と可変剛性要素との間、または架構本体
   内に減衰係数を可変とした可変減衰装置を介在させ、前
   記架構本体の振動に応じた減衰力をコンピューターによ
   り求め、該減衰力を与える前記可変減衰装置の減衰係数
   を能動的に変化させることにより、振動外力に対する構
   造物の応答を低減させるよう構成したことを特徴とする
   可変減衰・可変剛性構造物。
2. （２）前記可変減衰装置は架構本体または可変剛性要素
   の一方に連結されるシリンダーと、架構本体または可変
   剛性要素の他方に連結され、前記シリンダー内で往復動
   する両ロッド形式のピストンロッドと、ピストンの両側
   の油圧室を連結する油路と該油路に設けたオリフィスと
   からなり、前記オリフィスの開度を制御することにより
   、減衰係数を可変としている請求項１記載の可変減衰・
   可変剛性構造物。