JPH04194178A - 可変減衰装置を用いた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〕 本発明は構造物の柱粱架構内に設置した可変減衰装置に
より、地震等の振動外力に対する構造物の応答量を低減
し、構造物の安全性を確保するための能動型制震システ
ムに関するものである。

〔従来の技術〕

出願人は構造物の柱粱架構内に、プレースや壁等の形で
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、地震や風等の振動外力に対し、その特性
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６３−１１４７７
０号、特開昭６３−１１４７７１号等）。

また、装置の減衰係数を可変とした油圧式の可変減衰装
置を用い、構造物の非共振性や減衰性を考慮した種々の
能動型制震システムを提案している（例えば特開平２−
２０９５６８〜７１号等）。

さらに、これらの能動型制震システムに適した可変減衰
装置として特願平２−４２０７８号の油圧式の可変減衰
装置等を提案している。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は可変減衰装置を用いた能動型制震システムの一
つとして新たに提案したものであり、制御機構が比較的
簡単で、かつ構造物に地震動等に対する非共振性と大き
な減衰性能を同時に与えることができる制御システムを
提供することを目的としたものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は構造物の柱粱架構内に可変剛性要素を設け、柱
梁架構と前記可変剛性要素間（または可変剛性要素どう
し）を可変減衰装置を介して連結し、地震等の振動外力
に対し、可変減衰装置の減衰係数を時々刻々制御するこ
とにより、前記振動外力に対する前記構造物の応答を低
減させる能動型制震システムにおいて、以下のように制
御を行い、構造物の振動を抑制するものである。

まず、振動外力と構造物の応答の大きさに応じて、各時
点における層せん断力Ｑの目標値Ｑ０と層間変位δの目
標値δ。を設定する。

この両目標値Ｑ０、δ。に対し、構造物の層間変位−層
せん断力特性が、前記層せん断力の目標値Ｑ。と前記層
間変位δの目標値δ。によって得られる長方形の層間変
位−層せん断力履歴の近傍を保持するように前記可変減
衰装置の減衰係数を制御する。

例えば、減衰係数を可変とするための流量調整弁を設け
た油圧式の可変減衰装置を用いた場合には、油圧ｐの上
昇過程においては、可変減衰装置の流量調整弁を閉鎖す
ることにより、可変減衰装置の減衰係数を最大値Ｃｍａ
Ｘに保持し、層間変位の増大を抑える。

層せん断力Ｑが目標値０゜に達した後、前言己層間変位
δが目標値δ。に達するかまたは層間変位に関する応答
速度ｖ＝ｄδ／ｄｔの符号が反転するまでの過程におい
ては、層せん断力Ｑが常に目標値０゜に維持されるよう
前記可変減衰装置の流量調整弁の開度を調整することに
より油圧ｐを制御する。すなわち、層せん断力Ｑが目標
値Ｑ。を越えないようにして、柱梁架構に過大なせん断
力が作用するのを防ぐ。

層間変位δが目標値δ。に達するかまたは層間変位に関
する応答速度Ｖの符号が反転した後、装置の油圧ｐがほ
ぼ０となるまでの過程においては、可変減衰装置の流量
調整弁を全開することにより、可変減衰装置の減衰係数
を最小値Ｃ３１，に保持する。このとき、構造体の剛性
は柱梁架構のみの剛性となる。

以上の繰り返しにより、荷重−変形関係の履歴が長方形
に近い形となり、地震動等の外乱に対して非共振となり
、かつ大きなエネルギー吸収能力が付加されることにな
る。

〔実施例コ 次に、本発明の能動型制震システムの実施例における具
体的な制御方法について説明する。

第２図は可変減衰装置１を設置した本発明のシステムが
適用される構造物の概要を示したもので、柱３３および
梁３４によって構成される架構本体における各層の柱梁
架構３１と、柱梁架構３１内に組み込んだ可変剛性要素
としての逆Ｖ型プレース３５との間に、可変減衰装置１
を介在させている。図中、３６はセンサー（加速度計）
であり、センサー３６で検知される地動加速度Ａｃｃと
、可変減衰装置１に設けた計測器等によって検知される
可変減衰装置ｌの油圧ｐ、ロッド変位δ１がコンピュー
ター１４へ送られ、これらを基にコンピューター１４よ
り可変減衰装置１へ制御指令が発せられる。

第６図〜第９図は本発明で使用する可変減衰装置１の一
例を示したもので、装置本体は第６図の油圧回路図に示
すように、シリンダー２内で往復動する両ロッド形式の
ピストン３の左右に油圧室６を設け、この左右の油圧室
６内の圧油を弁により閉止し、または流動させることに
より、ピストン３を固定し、または左右移動自在とする
構成になっている。

そして、シリンダー２およびロッド４の一方が構造物の
柱梁架構および可変剛性要素（または可変剛性要素どう
し）の一方に連結され、他方が柱梁架構および可変剛性
要素（または可変剛性要素どうし）の他方に連結される
。

左右の油圧室６には、それぞれ油圧室６の圧油の流出を
阻止する流出阻止用チェック弁８および油圧室６への圧
油の流入を阻止する流入阻止用チェック弁９が設けられ
、左右の流出阻止用チェック弁８どうしを連結する流入
用流路１０と、左右の流入阻止用チェック弁９どうしを
連結する流出用流路１１とが、シリンダー２本体に沿っ
て設けられている。

これら流入用流路１０および流出用流路１１の連結位置
には流量調整弁１２が設けられており、この流量調整弁
１２の開度を変化させることにより、可変減衰装置１の
減衰係数Ｃを調整することができる。

流量調整弁１２は、第６図に示すように、弁体の一端側
に人口ボート１５と出口ボート１６を有し、他端側に背
圧ボート１７を有する大流量切換弁１２ａと、背圧ボー
ト１７への圧油の流出を制御し得るシャットオフ弁１２
ｂとからなる。コンピューター１４からの指令を受けて
、シャットオフ弁１２ｂが開閉し、これに伴って大流量
切換弁１２ａが作動し、大流量切換弁１２ａの開度およ
びその開度に応じた装置の減衰係数が調整制御される。

この可変減衰装置１は、概念的には第４図のように簡略
化して考えることができ、例えば流量調整弁１２を完全
に閉じたロック状態と、流量調整弁１２を完全に開いた
フリー状態だけを制御すれば、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、流量調整弁■２
の開度を調整し、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Ｃを与え、減衰係数Ｃと架構本体の振動状態に応
じ、そのときの架橋本体の固有周期および架橋本体の減
衰定数りが与えられることになる。

シャットオフ弁１２ｂとしては例えばパルス幅　　−変
調制御されるＰＷＭ弁や、電流値に比例した開度が与え
られる電磁比例弁等が用いられる。

シャットオフ弁１２ｂが電磁比例弁の場合には、コンピ
ューター１４の制御信号により、電磁比例弁の開度すな
わち、大流量切換弁１２ａの背圧がアナログ的に制御さ
れ、その時の背圧に応じて大流量切換弁１２ａの開度が
調整され、その状態における減衰係数Ｃが与えられる。

なお、流入用流路１０または流出用流路１１には、作動
油の圧縮右よび温度変化による容積変化を補う等の目的
で、アキュムレーター１９を設けている。

上述した可変減衰装置１の作動状態について説明すると
、以下のようになる。

（１）流量調整弁開 シャットオフ弁１２ｂが開状態では、第６図中ピストン
３の左方向の移動により、左側の油圧室６内の圧油が流
入阻止用チェック弁９、流出用流路１１を通って大流量
切換弁１２ａを押し上げる。

左側の流出阻止用チェック弁８および右側の流入阻止用
チェック弁９は圧油により閉止されているため、流入用
流路１０、右側の流出阻止用チェック弁８を介して、大
流量切換弁１２ａからの圧油が流れる。これにより、左
側の油圧室６から右側の油圧室６へ圧油が流れ、外力に
よりピストン３が左方向に移動する。

ピストン３が右方向の移動した場合も、これと対称に作
動し、外力によりピストン３が左方向に移動する。

（２）流量調整弁閉 シャットオフ弁１２ｂが閉状態で、ピストン３に左方向
の外力が加わると、大流量切換弁１２ａまでの油圧が上
がり、大流量切換弁１２ａの弁体を押し上げようとする
が、シャットオフ弁１２ｂにより、バイパス流路１８が
遮断され、背圧ボート１７における油圧を受けるため、
大流量切換弁１２ａも閉じた状態で固定され、ピストン
３の移動が阻止される。ピストン３に右方向の外力が加
わった場合も同様である。

（３）流量調整弁半開 シャットオフ弁１２ｂをパルス制御したり、あるいはシ
ャットオフ弁１２ｂとして電磁比例弁を用いることによ
り、１言と１）、（２）の中間の状態が得られ、大流量
切換弁１２ａが半開の状態となる。

この半開の状態では（１）の流量調整弁が開の状態と同
様圧油の移動があるが、背圧に応じた抵抗力を受けるこ
とになり、シャットオフ弁１２ｂの制御により背圧を調
整し、大流量切換弁１２ａの開度を所定の開度に維持ま
たは変化させることにより、ピストン３に作用する外力
に対し、減衰性を与えることができる。

以上の油圧を利用した可変減衰装置１を柱梁架構３１内
に設置し、上記（３）のようにして大流量切換弁１２Ｈ
の開度を所定の開度に制御した場合、架橋本体に対する
減衰力は、シリンダー２とピストン３の相対速度のベキ
乗に比例する抵抗力（Ｐ＝ｃｖｒ）として与えられる。

第７図〜第９図は上〜述した可変減衰装置１の外観の一
例を示したもので、シリンダー本体２より左右にピスト
ンロッド４が突出し、油路の一部をシリンダー本体２の
上部に形成し、この部分に流量調整弁１２を設けるとと
もに、これに近接させて所要容量のアキュムレーター１
９を設置している。図中、２２は支軸であり、例えばピ
ストンロッド４の両端部を架構本体を構成する粱に設け
たブラケットに連結し、支軸２２を利用して可変剛性要
素としてのプレースや耐震壁にピン接合することができ
る（例えば、第１０図参照）。この例では流量調整弁１
２やアキュムレーター１９を装置の上部に設けているが
、設置スペースに応じて装置の側部に設ける場合もある
。可変減衰装置は対象となる構造物の規模や設置位置、
数等に応じ、種々設計されるが、−例としては、例えば
最大荷重１００ｔｆ、定格圧力３１５ｋｇｆ／ｃｍ’、
ストローク±５０ｍｍ　（−層の架構の水平変位を±５
ｃｍ以下として設計）となる。

次に、上述のような可変減衰装置を用いた本発明の開展
システムによる具体的な制御方法について説明する。

■　まず、第１図に示す各層間の荷重−変形関係におい
て、ある大きさの地震動に対する層せん断力０の目標値
０゜層間変位δの目標値δ。を設定する。

この目標値は例えば地動加速度の大きさＡｃｃの絶対値
の移動率均等をもとに定めることができ、地動加速度の
大きさに応じて時々刻々再設定を行う。また、目標値の
設定に応答量（可変減衰装置の油圧、ロッド変位）を併
せて使用することもできる。

地動加速度による場合は、例えば一般建物の応答せん断
力の１７３の値を目標とし、加速度の大きさにより、Ｑ
　ｏ　ｔ　”　Ｂ　Ｘ　Ａ　ＣＣ（と定め、時々刻々Ｑ
ｏｔを変化させる方法が考えられる。

■　次に、■で設定した長方形（図中の一点鎖線）の履
歴を理想として、それにできる限り近い履歴を実現する
ように可変減衰装置の制御を行う。

■　第３図の層間モデルについてみた場合、構造体の剛
性は最低でラーメン（柱梁架構）のみのものｋＦｓ最高
でラーメン＋プレース（可変剛性要素）ｋｐ＋ｋｖであ
る。この条件をもとに履歴を構成すると、第１図の太線
（実線）が理想履歴に近いものとなる。

第３図の層間モデルにおいて、Ｃは可変減衰装置の減衰
係数、δ１は可変減衰装置のロッドとピストンの相対変
位、δ２は可変剛性要素としてのプレース部分に関する
変位（層間変位としての変位量）であり、柱梁架構の層
間変位δとの関係は、 δ＝δ１＋δ２　　　　　　　　　・・・（１）となる
。

従って、可変減衰装置のシリンダー面積をＡ１油圧をｐ
とすると、 δ＝δＩ　＋Ａ　”　ｐ／ｋｖ　　　　　　　・・・（
２）Ｑ＝ＱＦ　＋ＱＶ　＝δ・ｋｐ　＋、Ａ　＠　ｐ　
　−（３）となり、層間変位δの変化に対して、層せん
断力０を可変減衰装置の圧力制御で調整することができ
る。

■　表１は■の太線の履歴を実現するための、可変減衰
装置の制御の一例を示したものである。

表１ なお、前記（２）式、（３）式に示されるように、層せ
ん断力Ｑおよび層間変位δは可変減衰装置の油圧とロッ
ド−ピストン相対変位を計測することで求まる。

第５図は本発明による能動型制震システムの一例をフロ
ーチャートの形でまとめたものであり、人力地震動（加
速度等）と、構造物の応答（装置油圧、ロッド変位）を
センシングして、それに応じて構造物の揺れを減らすべ
く、コンピューターで求めた制御指令により、可変減衰
装置を駆動する。

第１０図〜第１７図は柱粱架構内への可変減衰装置１の
設置例を示したものである。

第１０図の例では柱梁架構３１と可変剛性要素としての
逆Ｖ型プレース３５０間に可変減衰装置１を介在させて
いる。

第１１図の例は柱梁架構３１と上下の梁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１２図の例では柱梁架構３１と可変剛性要素としての
ＲＣ耐震壁４２との間に可変減衰装置１を介在させてい
る。

第１３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１４図の例では柱梁架構３１内に設けたＸ型プレース
４４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を横向きに介在させている。

第１５図の例は第１４図の例と同様、Ｘ型プレース４５
に適用した例であり、第１２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、本例では可変減衰
装置１を縦向きに設け、縦型としている。

第１６図の例は第１２図の例と同様、柱梁架構３１と、
可変剛性要素としてのＲＣ耐震壁４６との間に可変減衰
装置１を介在させたものであるが、可変減衰装置１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１７図の例は大架構のＸ型プレース４８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４９とプレ
ース４８は分離されている。

〔発明の効果〕

■　第１図の一点鎖線を理想履歴とすることで、制置効
果に対する以下の利点が期待できる。

ａ、履歴が長方形となれば、□架構の剛性は０と無限大
となる。従って、地震動には上記架橋を共振させる成分
はほとんどなく、自動的に非共振化が実現できる。

ｂ、目標として設定した層間変位および層せん断力を上
限とした場合、理想履歴の長方形が最も大きなエネルギ
ー吸収能力を有する。

上述のように理想履歴に近い制御を行うことで、非共振
と高減衰が同時に実現でき、大きな制置効果が生まれる
。

■　本発明のシステムに必要な構造物内のセンサーは装
置に取り付けた圧力計と変位計のみであり、通常のフィ
ードバック制御に必要な加速度計等が省略できる。

■　目標履歴に近い大きなエネルギー吸収効果を有する
ことで構造物の応答の大きさを地動加速度の大きさ（絶
対値の移動平均等）のみで予測できる。これにより、構
造物基部で計測した地動加速度から、各階の応答量を先
取りでき、システムの時間遅れをカバーすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の能動型制震システムを用いた場合の柱
梁架構における層間の荷重−変形関係を示すグラフ、第
２図は構造物への適用例を示す概略図、第３図は層間モ
デルの説明図、第４図は本発明で使用する可変減衰装置
の概念図、第５１！Ｉは本発明の能動型制震システムの
一実施例におけるフローチャート、第６図は可変減衰装
置の具体例を示す油圧回路図、第７図〜第９図はそれぞ
れ第６図の可変減衰装置の外観を示す平面図、正面図お
よび右側面図、第１０図〜第１７図は可変減衰装置の柱
粱架構内における設置位置の例を示す概要図である。 １・・・可変減衰装置、２・・・シリンダー、３・・・
ピストン、４・・・ピストンロッド、６・・・油圧室、
８・・・流出阻止用チェック弁、９・・・流入阻止用チ
ェック弁、１０・・・流入用流路、１１−・・流出用流
路、１２・・・流量調整弁、１２ａ・・・大流量切換弁
、１２ｂ・・・シャットオフ弁、１３・・・パルス発生
器、１４・・・コンピューター、１５・・・人口ボート
、１６・・・出口ポート、■？・・・背圧ポート、１８
・・・バイパス流路、１９・・・アキュムレーター、２
０・・・ソレノイド、２１・・・絞り、２２・・・支軸
、３１・・・柱梁架構、３３・・・柱、３４・・・１．
３５・・・プレース、３６・・・センサー第１図 第２図　　　　　第３図 第７図 第８図　　　　　第９図 第５図 ｉ２，６　　図 第　１０　図 第　１２　　図 第１１図 第　１３　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）構造物の柱粱架構内に可変剛性要素を設け、前記
   柱梁架構と前記可変剛性要素間または可変剛性要素どう
   しを、減衰係数を可変とする可変減衰装置を介して連結
   し、地震等の振動外力に対し前記可変減衰装置の減衰係
   数を時々刻々制御することにより、前記振動外力に対す
   る前記構造物の応答を低減させる能動型制震システムに
   おいて、前記振動外力と構造物の応答の大きさに応じて
   、各時点における層せん断力Ｑの目標値Ｑ＿０と層間変
   位δの目標値δ＿０を設定し、 構造物の層間変位−層せん断力特性が、前記層せん断力
   の目標値Ｑ＿０と前記層間変位δの目標値δ＿０によっ
   て得られる長方形の層間変位−層せん断力履歴の近傍を
   保持するように前記可変減衰装置の減衰係数を制御する
   ことを特徴とする可変減衰装置を用いた能動型制震シス
   テム。
2. （２）前記可変減衰装置は 前記柱梁架構および可変剛性要素または可変剛性要素ど
   うしの一方に連結されるシリンダーと、前記柱梁架構お
   よび可変剛性要素または可変剛性要素どうしの他方に連
   結され、前記シリンダー内で往復動する両ロッド形式の
   ピストンと、前記ピストンの両側に設けられた油圧室と
   、前記両油圧室の圧油の流出を阻止する一対の流出阻止
   用チェック弁と、 前記両油圧室への圧油の流入を阻止する一対の流入阻止
   用チェック弁と、 前記両流出阻止用チェック弁を連結する流入用流路と、 前記両流入阻止用チェック弁を連結する流出用流路と、 前記流入用流路および前記流出用流路の連結位置に設け
   られた流量調整弁とからなり、 前記流量調整弁は弁体の一端側に入口ポートと出口ポー
   トを有し、他端側に背圧ポートを有する大流量切換弁と
   、前記背圧ポートへの圧油の流出を制御し得るシャット
   オフ弁とからなり、 前記シャットオフ弁の開閉を制御することにより、前記
   大流量切換弁の背圧ポート側の圧油の圧力を調整し、大
   流量切換弁の開度を必要とする装置の減衰係数に応じて
   調整し得るよう構成したものである請求項１記載の可変
   減衰装置を用いた能動型制震システム。
3. （３）前記シャットオフ弁はパルス発生器より与えられ
   るパルス信号により開閉し、当該パルス信号のパルス間
   隔を制御することにより、前記大流量切換弁の背圧ポー
   ト側の圧油の圧力を調整し、大流量切換弁の開度を調整
   し得るよう構成したものである請求項２記載の可変減衰
   装置を用いた能動型制震システム。
4. （４）前記シャットオフ弁は比例電磁弁であり、当該比
   例電磁弁の開度を制御することにより、前記大流量切換
   弁の背圧ポート側の圧油の圧力を調整し、大流量切換弁
   の開度を調整し得るよう構成したことを特徴とする請求
   項２記載の可変減衰装置を用いた能動型制震システム。