JPH04155075A - 高減衰構造物 - 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〕 本発明は構造物の柱梁架構内に設置した高減衰装置によ
り、地震等の振動外力に対し、高い減衰機能を発揮でき
るようにした高減衰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（耐震要素）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、可変剛性構造等を種々提案してい
る（例えば特開昭６２−２６８４７９号、特開昭６３−
１１４７７０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；多い）との関係に着目
し、卓越周期に対し、構ｊ物の固有振動数を能動的にず
らすことにより、ヨ振現象を避け、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１あること
から、例えば卓越周期がはっきりしなＧ場合や卓越周期
が複数ある場合など、必ずしもＡ適な制御とならない場
合も考えられる。

また、能動的開展システムの場合、制御用のコンピュー
ターの他、各種センサーを用いるため、何らかの異常が
あった場合に対し、種々の安全軸持機構を必要とするな
ど制御機構が複雑となり、コスト面での問題も考えられ
る。その他、制御ｅ遅れにより十分な効果を発揮するま
で時間を要するような場合も考えられる。

本発明の高減衰構造物はコンピュータープログラムなど
による制御システムを必要としない受動的開展を可能と
するもので、柱梁架構内に適切にプレース等の耐震要素
を高減衰装置を介在させて設置することにより、構造物
に高い減衰機能を持ゲ　　たせ、地震や風等の外乱によ
る構造物の揺れを低重　　減するとともに、快適な居住
空間を実現すること主　　　を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

？　　　本発明の基本概念は、例えば通常の設計で必要
）　　　となる架橋の半分の剛性、耐力でラーメン構造
をン　　設定し、その柱梁架構内に適切にプレース等の
耐震要素を高減衰装置を介して設置するものである。

］　　　架構の剛性、耐力を低く抑えることにより、部
材断面あるいは部材数等を低減することができ、地震等
に対する変形の増大に対しては、あらかじめ高減衰装置
の減衰係数を適切な値に設定しておくことにより、構造
物に対し最大限の減衰性能を与え、構造物の応答が最小
となるようにしている。

架構の剛性、耐力は必ずしも半分でなければならないの
ではなく、減衰性能等に関連する構造物の応答、経済性
等を考慮して種々の設計が可能である。すなわち、剛性
および耐力に関しては、通常の耐震設計法に基づき設計
された構造物に対し、１．０〜０．３倍程度の柱梁架構
を設定する。剛性が１．０倍以上では、減衰効果が付加
されても、一般的に地震応答スペクトルが増加するので
、応答低減効果が薄くなる。また、耐力が０．３倍以下
では柱梁架構が負担するせん断力に対して部材設計が実
質的に不可能となる。

より具体的には、本発明では構造物の所定の柱梁架構内
に耐震要素を設け、柱梁架構と耐震要素間または耐震要
素どうしを、地震に対し構造物の応答を最小とする減衰
係数を含む所定の範囲の減衰係数Ｃを付与可能な高減衰
装置により連結する。

高減衰装置の減衰係数については、まず構造物の各次振
動モードの減衰定数を下式（１）によって求める。

ｈｓ＝Ｒｅ（λ、）／１λｓｌ　　　　−（１）ただし
、 λ、：　１次複素固有値 ｈｌ：ｉ次減衰定数 Ｒｅ　　（λｓ）：１次複素固有値の実数部高減衰装置
の減衰係数Ｃは１次から３次の振動モードに対する減衰
定数ｈ＋　、ｈｓ　、ｈｓの最大値を与える減衰係数Ｃ
＋　、Ｃ２、Ｃｓの近傍に設定するものとする。

通常、 Ｃ３≦Ｃ≦Ｃ。

となるように設定することにより、構造物の減衰性能に
関しては最も有利な状態が得られる。

〔実施例〕

次に、実施例として、まず鉄骨ラーメン構造の建家を対
象とした具体的な設計方法について説明する。

第１図は本発明の高減衰構造物ｌを概念的に示したもの
で、第２図の一般構造物１°に対して、柱梁架構を約半
分とし、局所的に耐震要素としてのプレース４と高減衰
装置１ｏを設置して、その部分で建家の振動エネルギー
を吸収する。

第３図は一層分を振動モデルとして表したもので、図中
Ｃは装置の減衰係数、ｋｐは柱梁架構の剛性、ｋＶはプ
レースの剛性である。

上記モデルによる多層建物の複素固有値を求め、前述し
た式（１）により構造体の各次モードごとの減衰定数を
算定する。

第４図は複素固有値より求めた架構の減衰定数と、各層
の高減衰装置の減衰係数ｃ　（ｔ／ｋｉｎｅ）の関係を
１〜３次のモードについて示したもので、第４図におい
て多次の減衰定数ｈ＋　、ｈｚ、ｈａが１０〜４０％を
示す範囲ａに、高減衰装置の減衰係数Ｃを設定すれば、
十分な応答低減効果が得られる。

この範囲ａとしては、３次減衰定数り、のピークと１次
減衰定数ｈ１のピークの間が適当である。

すなわち、３次のモードに対する減衰定数り、の最大値
を与える減衰係数Ｃ８と、１次のモードに対する減衰定
数ｈ１の最大値を与える減衰係数ＣＩとを求め、前記高
減衰装置の減衰係数Ｃが０３≦Ｃ≦Ｃ。

となるように設定すればよい。

減衰係数ＣがＣ５より小さいと、架構の変形が急激に大
きくなり、またｃ、より大きいと、振動抑制効果として
はあまり差がないものの、高減衰装置の必要耐力が大き
くなる。

第５図は地震応答スペクトルでみた応答低減効果を示し
たものである。−膜構造物の固有周期Ｔ。

に対して、柱梁架構を約半分とすることで、固有周期が
伸び（Ｔ２　）　、スペクトルそのものが低下する。そ
れとともに、減衰効果が２％程度から１０〜４０％に増
加することで、さらに応答スペクトルが低下し、固有周
期がわずかに短くなる（Ｔ、）。

このとき、通常問題となる変形の増加は減衰効果が増加
することで抑制できる。

一例として２４階建て、建物の高さが９８．１ｍ、基準
階高さ３．９０ｍ、基準階床面積１２６９ｍ　’程度の
鉄骨ラーメン構造の高層建物で、入力地震動の最大速度
振幅を５０ｋｉｎｅレベルに想定した場合、必要な高減
衰装置は１層に４台として、保持力２００ｔ、減衰係数
２５〜５０ｔ／ｋｉｎｓ程度となる。なお、高減衰装置
は各階に設けてもよいが、多次の振動モードの節にあた
る階のみとして、効率化を図ることも可能である。

本発明で使用する高減衰装置は装置部に生じる荷重Ｆと
速度Ｖの関係が線形に近くなる特性を有する装置であり
、構造物にとって最適となる減衰係数（Ｆ／Ｖ　［ｔ／
ｋｉｎｅ）　）を実現できるものであれば、特に限定さ
れない。例えば、第６図に概念的に示すように、シリン
ダ１１とピストン１２おヨヒ比例弁１３等で構成された
オイルダンパが使用できる。この場合、シリンダ１１が
プレース等の耐震要素側に連結され、シリンダ１１内で
往復動する両ロッド形式のピストン１２が柱梁架構側に
連結され、比例弁１３の調節により所定の減衰係数が得
られる。

ただし、従来のオイルダンパ等のダンパの場合、得られ
る減衰係数は０．５〜ｌ、　Ｏｔ／ｋｉｎｅ程度であり
、保持力２００ｔ、減衰係数２５〜５０ｔ／ｋｉｎｅを
実現スルタ′　杓には、第７図のような構造の高減衰装
置が望ましい。

第７図の高減衰装置１ｏの基本構造は第６図の概１合図
に示される通りであり、シリンダｌｌ内に両ロッド形式
のピストン１２が組み込まれている。

ただし、ロッド１２ａは一方向のみシリンダ１１から突
出し、その突出部分および反対側のシリンダ１１の外面
に、耐震要素または柱梁架構と連結するための取付部１
５．１６を設けている。

高減衰、高剛性を確保するための条件としては、まずピ
ストン１２移動方向と反対側の油圧室１４を負圧としな
いことが必要で、そのためピストン１２に調圧弁１７ａ
、１７ｂを設け、移動油量が直接的に反対側の油圧室１
４へ流れる構造としている。また、作動中の油の圧縮を
考慮して不足油量を補償する必要があるので、補給用の
アキュムレータ１８が必要となり、回路１９にはチエツ
ク弁２０ａ、２０ｂを設けている。さらに停止すると、
油が元の状態に戻る（膨張）ので、補償された油をアキ
ュムレータ１８に戻す必要があり、チエツク弁２０ａ、
２０ｂと並列にオリフィス（絞り＞２１ａ、２１ｂを設
けている。

この他、本装置の特徴をまと約ると以下の通りである。

■　外部への油漏れ防止および高減衰を得るためのシー
ル性を確保する目的で、調圧弁１７ａ。

１７ｂがピストン１２内に設置されている。

■　調圧弁１７ａ、１７ｂとして、円錐形のポペット弁
を使用し、流体抵抗を乱流状態として、温度に依存しな
い減衰特性を実現している。

■　ガタの防止および温度変化による油の伸縮１：対応
するため、アキュムレータ１８を設けてＧる。

■　左右の油圧室１４ａ、１４ｂとアキュムレータ１８
の間にオリフィス２１ａ、２１ｂを設ｊｊ装置の減衰特
性を線形化するとともに、シリンダ１１内の圧どもりを
解消している。

■　各部のシール性、精度を増すことにより、遭い減衰
係数を可能としている。

上記の構造により、ガタがなく、温度変化に影響を受け
ない状態で、保持力２００ｔ、減衰係数２５〜５０ｔ／
ｋｉｎｅといったこれまでにない高剛性、高減衰の装置
を得ることができる。

第８図〜第１５１！ｌは柱梁架構内への高減衰装置１０
の設置例を示したものである。

第８図の例では柱梁架構３１と耐震要素としての逆Ｖ型
プレース３５の間に高減衰装置１ｏを介在させている。

第９１！ｌの例は柱梁架構３１と上下の粱３４より立設
したまたは垂下させたフレーム４１どうしの間に高減衰
装置ＩＯを介在させて、耐震要素とし１　　　てのモー
メント抵抗フレームを構成した場合である。

第１０図の例では柱梁架構３１と耐震要素とし′、　　
てのＲＣ耐震壁４２との間に高減衰装［１０を介在させ
ている。

第１１図の例は免震構造物の基部に積層ゴム等：　　　
の免震ゴム４３と併用して高減衰装置１０を設けた場合
の例であり、高減衰装置１０が免震構造におけるダンパ
の役割を果たしている。この場合の耐震要素は構造物の
基礎と考えることができる。

第１２図の例では柱梁架構３１内に設けたＸ型プレース
４４を耐震要素としており、Ｘ型の中央に高減衰装置１
０を横向きに介在させている。

第１３−図の例は第１２図の例と同様、Ｘ型プレース４
５に適用した例であり、第１２図の例が高減衰装置１０
を横向きに設けた横型だったのに対し、本例では高減衰
装置１０を縦向きに設け、縦型としている。

第１４図の例は第１０図の例と同様、柱梁架構３１と、
耐震要素としてのＲＣ耐震壁４６との間に高減衰装置１
０を介在させたものであるが、高減衰装置１０を出入口
等の開口部４７の上方に設けた点に特徴を有している。

第１５図の例は大架構のＸ型プレース４８の中央に高減
衰装！１１０を介在させたもので、中間の大梁４９とプ
レース４８は分離されている。

〔発明の効果〕

■　−膜構造物に対して、柱梁架構を１７２程度に減ら
すことができることで、建築計画の自由度を増すととも
に、躯体コストの低減が図れる。

■　地震に対する構造物の応答が低減されるので、居住
性が増し、構造体としての安全性も増大する。

■　強風時の応答加速度を低減することで、日常的な居
住性も増す。

■　受動的開展機構を与えるものであるため、設置の際
の構造物の特性に応じた設計および調整を必要とするだ
けであり、複雑な制御システムや付帯設備を必要とせず
、能動的制置機構に比べ低コストで設置することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高減衰構造物を概念的に示した立面図
、第２図は比較例としての一般構造物を概念的に示した
立面図、第３図は本発明の高減衰構造物の一層分の振動
モデル図、第４図は複素固有値より求めた架構の減衰定
数と、高減衰装置の減衰係数関係を１〜３次のモードに
ついて示したグラフ、第５図は地震応答スペクトルでみ
た応答低減効果を示すグラフ、第６図は高減衰装置の概
念図、第７！は高減衰装置の具体例を示す油圧回、　　
路図、第８図〜第１５図は本発明に係る高減衰装置の構
造物架構に対する適用−例の例を示す概要図である。 ｌ・・・高減衰構造物、２・・・柱、３・・・梁、４・
・・プレース、１０・・・高減衰装置、１１・・・シリ
ンダ、１２・・・ピストン、１３・・・比例弁、１４・
・・油圧室、１５゜１６・・・取付部、１７・・・調圧
弁、１８・・・アヰユムレ−タ、２０・・・チエツク弁
、２１・・・才リフィス第８図 第１０図 第９図 第１１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）構造物の所定の柱梁架構内に耐震要素を設け、前
   記柱梁架構と前記耐震要素間または耐震要素どうしを、
   地震に対し前記構造物の応答を最小とする減衰係数を含
   む所定の範囲の減衰係数ｃを付与可能な高減衰装置によ
   り連結し、前記高減衰装置の減衰係数ｃの値を次式 ｈ＿ｉ＝−Ｒｅ（λ＿ｉ）／｜λ＿ｉ｜ 〔ただし、λ＿ｉは高減衰装置を有する前記構造物のｉ
   次振動モードを与える複素固有値、Ｒｅ（）はその実数
   部を示す〕 によって求まる１次から３次の振動モードに対する減衰
   定数ｈ＿１、ｈ＿２、ｈ＿３の最大値を与える減衰係数
   ｃ＿１、ｃ＿２、ｃ＿３の近傍に設定したことを特徴と
   する高減衰構造物。
2. （２）構造物を所定の低剛性に設計した請求項１記載の
   高減衰構造物。