JPH02209570A - 可変剛性・可変減衰機構を有する能動型制震システム - 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、地震や風などの振動外力あるいは外乱
に対し、コンピューターにより構造物の振動に応じた制
御を行い、構造物の応答量を低減させる能動型制震シス
テム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り１カに対し、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６３−１１４７
７０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、主として地震
動などの卓越周期と、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、卓越周期に対し、構造物の固有振動数を能動的にず
らすことにより、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
合も考えられる。

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し、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置装置が主として非共振性に
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減衰係数を可変として連結装置
を介在させ、この連結装置による連結状態を変化させる
ことにより、非共振性と減衰性を複合的に判断（）て構
造物の振動制御を行うようにしている。

このような減衰係数が可変な連結装置としては、例えば
シリンダーがプレ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に開閉弁１５が設けら
れ、この開閉弁１５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。開度を多段階に制御する方法としては、
制御用コンピューターと高速で開閉する開閉弁１５の間
にパルスジェネレーターを介在させ、開閉弁１５の開閉
をパルス信号により制御し、第４図ｆａ）〜（Ｃ１に示
すように弁が開いている時間を変化させる方法などが考
えられる。

すなわち、第４図（ａ）、第４図（ｂ）、第４図（Ｃ１
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ｃｔ　ｌ　　ｃｍ　Ｉ　　Ｃ３の大小関係は
、Ｃ，＜ｃ、＜ｃゴ 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として与えら
れ、この場合の架構特性は第５図および第６図に示すよ
うになる。すなわち、ロックシリンダーを用いた架構は
、振動の大きさ（例えば、振幅）により、違った特性を
示す。第５図および第６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ｒｓ１１１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してお
り、各振動レベルにおいて、架構の減衰定数りが最大と
なる減衰係数の値ｃＩ　＊　　Ｃ！＋　　Ｃ３＋　　Ｃ
４・Ｃ３付近で、架構の固有周期（１次の固有周期）も
長い固有周期ＴＩから短い固有周期Ｔ！に変化する。ま
た、これらのグラフからも明らかなよ・うに、振動が大
きくなるに従って、最大の減衰効果を与える連結装置の
減衰係数は小さなものとなる。

仮にある振動レベルにおいて架構の減衰定数ｋｌを最大
とする減衰係数がＣ４であるとすると、第５図から明ら
かなように、減衰係数Ｃ，よりある程度率さい減衰係数
Ｃ目−Ｃ！　−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Ｃ退よりある程度大き
い減衰係数（、、＝Ｃ。

ｂ（ｂ＞０）では、架構の固有周期は短い方の周期Ｔｚ
となる。これを連結装置の減衰係数Ｃと架構の減衰定数
りとの関係を示す第６図と照らし合わせ、固有周期Ｔ　
ｒ　、　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、連結装置の減衰係
数として、架構の減衰定数りを最大とする減衰係数がＣ
４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。

なお、多段階または無段階の減衰係数を与える連結装置
は上述のロックシリンダーに限定されず、相対速度の２
乗に比例するような減衰力を与えるものであればよい。

本発明の能動的制置システムは、上述のように減衰係数
が可変であり、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の連結装置と、周波
数特性分析手段、応答量計測手段、非共振性評価手段、
減衰性評価手段、減衰係数選定手段および制御指令発生
手段とから構成される。

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、コンピュータープログラ
ム内の周波数特性分析手段により、卓越周期その他の周
波数特性が解析される。一方、構造物あるいは架構本体
の実際の応答量が応答量計測手段としての加速度計、速
度針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、コンピュータープロ
グラム内の非共振性評価手段および減衰性評価手段によ
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、連結装置により架構本体に与えられる２種類の
固有周期Ｔ１、Ｔ２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与える範囲で、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、制御指令を前述の連結装置にり、えることにより
実現される。

Ｃ実施例〕 次に、実施例として制御システムの具体例について説明
する。

第１図は本発明の能動的制置システムの構成の概要を示
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■型
プレース５との間に連結装置１　（例えば前述のロック
シリンダー）を介在させている。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連結装置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２図はそのときのフローを示したものである。

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）、連結装置の減衰係数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５図および第６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
Ｉ７．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、・・・・・・＋Ｃ１１などを
求めておくこさに相当する。

■　上記特性をもとに、構造物の振動を最小とするよう
連結装置の減衰係数Ｃを、コンビ１−ターにより時々刻
々計算させ、連結装置を制御する。

■　連結装置の減衰係数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く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）、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、架構本
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５図および第６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
５図および第６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、連結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太き（（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５図および第６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ＣＩ−２
を選ぶ。同様に、振動レベルが小さく（４）、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Ｃａ−＋を選び、、０秒の周期成分が多い場合には、
減衰係数０４−２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Ｍｏ、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ｃ２
を選んでいる。

第７図〜第１４図は本発明における可変減衰機構を有す
る連結装置の構造物架構に対する適用位置の例を示した
ものである。

第７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の間に連結装置１を介
在させている。

第８図の例は架構本体２としての柱梁架構占、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
間に連結装置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９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ＲＣ耐震壁２２との間に連結装置１を介
在させている。

第１０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と併用して連結装置ｌを設けた場合の例であ
り、連結装置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１１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
中央に連結装置１を横向き（横型）に介在させである。

第１２図の例は第１１図の例と同様Ｘ型プレース２５に
適用した例であり、第１１図の例が連結装置１を横向き
に設けた横型だったのに対し、本例では連結装置を縦向
きに設け、縦型としている。

第１３図の例は第９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
間に連結装置１を介在させたものであるが、連結装置１
を出入１１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１４図の例は、大架構におけるＸ型プレース２８の中
央に連結袋Ｗ１を介在させたもので、中間の大梁２９と
プレース２８は分離されている。

〔発明の効果〕

本発明の能動型制震システムでは、地震動などの外乱に
対し、非共振性だけでなく、構造物の減衰性も考慮して
制御を行うため、非共振による振動低減効果が少ない場
合にも、構造物の応答をより合理的に制御することがで
きる。

すなわち、連結装置の減衰係数を可変とし、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、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の能動的制置システムの構成の概要図、
第２図は本発明のシステムによる制御のフローチャート
、第３図は本発明の能動的制置システムに使用される可
変減衰機構を有するロックシリンダーの概念図、第４図
ｆａｔ〜（Ｃ１は開閉弁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
号と連結装置の減衰係数の関係を示す説明図、第５図お
よび第６図は本発明のシステムにおける架構の特性を説
明するためのグラフ、第７図〜第１４図は本発明におけ
る可変減衰機構を有する連結装置の構造物架構に対する
適用位置の例を示す概要図である。 １・・・連結装置、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・・・開閉弁ｎ 第１図 第３図 第４図 第 図 第 図 第 図 フ 第 図 第 図 第 囚 第 第 図 第 〕４ 図

Claims (4)

【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
   内に設けた可変剛性要素内に介在し、減衰係数が可変で
   あり、前記減衰係数および架構本体の振動レベルに応じ
   て、前記架構本体に第１の固有周期Ｔ＿１および前記第
   １の固有周期Ｔ＿１より短い第２の固有周期Ｔ＿２を与
   える連結装置と、 構造物に入力される振動外力の周波数特性を分析する周
   波数特性分析手段と、 構造物への振動外力の入力による架構本体の応答量を計
   測する応答量計測手段と、 前記周波数特性分析手段による振動外力の特性により、
   前記２種類の固有周期Ｔ＿１、Ｔ＿２について、架構本
   体の非共振性を評価する非共振性評価手段と、 前記応答量計測手段により得られた応答量により、架構
   本体の減衰性を評価する減衰性評価手段と、 前記非共振性評価手段による架構本体の非共振性と前記
   減衰性評価手段による架構本体の減衰性を複合的に判断
   することにより、前記連結装置の減衰係数を選定する減
   衰係数選定手段と、 前記連結装置を前記減衰係数選定手段により選定された
   減衰係数に対応する状態に制御する制御指令発生手段 とからなる可変剛性・可変減衰機構を有する能動型制震
   システム。
2. （２）前記減衰性評価手段は前記架構本体に、そのとき
   の応答量に応じた最大の減衰力を与える連結装置の減衰
   係数ｃ＿ｉを与え、前記減衰係数選定手段は前記連結装
   置の減衰係数として、前記非共振性評価手段により、第
   １の固有周期Ｔ＿１による非共振性効果が大きいと判断
   した場合には、前記減衰係数ｃ＿ｉより小さい減衰係数
   ｃ＿ｉ＿１を選択し、第２の固有周期Ｔ＿２による非共
   振性効果が大きいと判断した場合には、前記減衰係数ｃ
   ＿ｉより大きい減衰係数ｃ＿ｉ＿２を選択し、それ以外
   の場合には前記減衰係数ｃ＿ｉを選択するよう構成され
   ている請求項１記載の可変剛性・可変減衰機構を有する
   能動型制震システム。
3. （３）前記連結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、該油路に設けた開閉弁とからな
   り、該開閉弁は開度を多段階または無段階に調整可能と
   してある請求項１または２記載の可変剛性・可変減衰機
   構を有する能動型制震システム。
4. （４）前記開閉弁はパルス信号により、弁が開いている
   時間を調整することにより、開度を調整するようになっ
   ている請求項３記載の可変剛性・可変減衰機構を有する
   能動型制震システム。