JPH04371679A - 制震構造物用高減衰装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は地震等の振動外力に対す
る構造物の応答について、高い減衰性を与え、その振動
を低減するための高減衰装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】出願人は構造物の柱梁架構内に、ブレー
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
図る能動型制震システム、可変剛性構造等を種々開発し
ている（例えば特開昭６２−２６８４７９号、特開昭６
３−１１４７７０号、特開昭６３−１１４７７１号等）
。

【０００３】また、装置の減衰係数を可変とした油圧式
の制震装置を用い、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）。

【０００４】さらに、これらの能動型制震システムに利
用可能な制震装置として、例えば特願平２−３７９９２
号のシリンダーロック装置や、特願平２−４２０７８号
の制震構造物用可変減衰装置等がある。シリンダーロッ
ク装置の基本原理は、シリンダー本体内の両ロッド形ピ
ストンの両側に油圧室を設け、両油圧室内の圧油を切換
弁により閉止し、または流動させることにより、前記ピ
ストンを固定し、または移動自在とするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の能動
型制震システムは、主として地震動等の卓越周期と、構
造物の固有周期（通常、１次の固有周期が問題となる場
合が多い）との関係に着目し、卓越周期に対し、構造物
の固有周期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。

【０００６】しかし、特に地震動等の場合、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等、必ずしも最適な制御とな
らない場合も考えられる。

【０００７】また、能動型制震システムの場合、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、種々の安全維持機構を
必要とする等、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、制御の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。

【０００８】本発明の高減衰装置は構造物に用いること
により、コンピュータープログラム等による制御システ
ムを必要としない受動型の制震を可能とするものであり
、柱梁架構内に設置可能なコンパクトな構造で、適切に
設置することにより、構造物に高い減衰機能を持たせ、
地震や風等の外乱による構造物の揺れを低減するととも
に、快適な居住空間を実現することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の高減衰装置は上
述したシリンダーロック装置と同様、構造物の柱梁架構
内に設置されるシリンダー形式のダンパー装置であり、
例えばシリンダー本体を架構の梁に連結し、シリンダー
本体より出入するピストンロッドをブレースまたは耐震
壁等の耐震要素側に連結する。構造物に地震等の振動外
力が作用した場合、架構と耐震要素間の相対変位に対し
、高減衰装置がその減衰係数に応じた抵抗力を与え、構
造物の振動を減衰させる。

【００１０】架構または耐震要素に対するシリンダー本
体およびロッドの連結関係は上述した場合の逆であって
もよく、また架構内の耐震要素間に設置し、耐震要素ど
うしを連結する形でもよい。

【００１１】また、本発明の高減衰装置はコンパクトな
装置で、例えば保持力２００ｔ、減衰係数２５〜５０ｔ
／ｋｉｎｅといった高い減衰係数を目指したもので、こ
のような条件を実現するため下記の構成要素を備えてい
る。 ■　　構造物の架構または耐震要素に固定されるシリン
ダー本体 ■　　前記シリンダー本体内を移動するピストン■　　
前記シリンダー本体の一端から出入し、前記シリンダー
本体が固定された架構または耐震要素と対向する架構ま
たは耐震要素に固定されるピストンロッド■　　前記ピ
ストンの両側に形成された油圧室■　　前記ピストンを
貫通して前記両油圧室を連通させる複数の流路 ■　　前記流路に設けられた調圧弁としてのポペット弁
■　　前記両油圧室を連結するバイパスに設けたアキュ
ムレーター ■　　アキュムレーターからそれぞれの油圧室へ向かう
油のみ流すための一対のチェック弁 ■　　前記各チェック弁と並列に設けられ、油圧室の圧
ごもりを解消するためのオリフィス。

【００１２】調圧弁をピストン内に形成した流路に設け
ることで、シリンダー外部への油漏れが防止され、高減
衰性を得るためのシール性が確保される。

【００１３】また、調圧弁としてポペット弁を使用した
ことで、流体抵抗を乱流状態として温度に依存しない減
衰特性が実現される。

【００１４】アキュムレーターは主として負圧時に発生
する気泡によるガタの防止および温度変化（火災時を含
む）による油の伸縮に対応するためのものであり、これ
により安定性、安全性が確保される。

【００１５】また、チェック弁と並列に設けたオリフィ
スは、地震時等にシリンダー本体とロッドが繰り返し相
対変位（振動）している際の油圧室における圧ごもりを
解消するとともに、装置の減衰特性を線形化する目的で
設けられている。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の高減衰装置１０の概要を示し
たもので、シリンダー１１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、ピストンロッドは一
方向のみシリンダー１１から突出し、その突出する側の
ロッド１２ａおよびシリンダー１１の反対側に、耐震要
素または柱梁架構と連結するための取付部１５、１６を
設けている。

【００１７】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１４へ流れる構造としている。

【００１８】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
ー１８が必要となり、バイパス１９にはチェック弁２０
ａ、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
ター１８に戻す必要があり、チェック弁２０ａ、２０ｂ
と並列にオリフィス（絞り）２１ａ、２１ｂを設けてい
る。

【００１９】図２は本発明の高減衰装置１０の具体的な
実施例を示したもので、図３はその調圧弁１７部分の詳
細を示したものである。なお、図２ではアキュムレータ
ー１８部分を省略して示している。

【００２０】基本的な構造は前述した通りであり、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。

【００２１】また、調圧弁１７ａ、１７ｂとしては、円
錐形のポペット弁等を使用し、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。調圧弁
１７ａ、１７ｂに用いるポペット弁としては、図３のよ
うな円錐弁の他、図４（ａ）　，（ｂ）　に示すような
所定のスリット２５を形成した比例弁を用いることもで
きる。

【００２２】この他、耐久性および信頼性の向上のため
、ピストンシール２３を多段金属シールとし、固定シー
ル２２を２段シールとしている。また、メンテナンスに
関してはロッドシール２４を２段シールとするとともに
、外側のシール２４ａをカートリッジ式として取り換え
可能としている。このように、各部のシール性、精度を
増すことにより、高い減衰係数が可能となる。

【００２３】また、取付部１５については３方向回転自
由なクレビスを用いている。

【００２４】図５は高減衰装置１０の本体側面に取り付
けられたバイパス１９およびアキュムレーター１８の一
例を示したもので、油圧室１４ａとアキュムレーター１
８との間に油圧室１４ａ側へ向かう油の流れを阻止する
ためのチェック弁２０ａを設け、油圧室１４ｂとアキュ
ムレーター１８との間に油圧室１４ｂ側へ向かう油の流
れを阻止するためのチェック弁２０ｂを設けている。ま
た、各チェック弁２０ａ、２０ｂ部分にはこれらを貫通
する（回路図的には並列となる）オリフィス２１ａ、２
１ｂが設けられ、高減衰装置１０の減衰特性を線形化す
るとともに、油圧室１４ａ、１４ｂ内での圧ごもりを解
消する。

【００２５】また、アキュムレーター１８をピストン型
とすることで、窒素ガスの使用を避けることができ、ま
た図５のような油量監視装置を付けることで容易に内部
油量が監視できる。すなわち、油量監視棒２６の突出量
Ｌ＝Ｌ０　±ΔＬについて、ΔＬが温度、漏れ等による
許容変動値以下であることを監視する。

【００２６】次に、本発明の高減衰装置１０の適用例と
して、鉄骨ラーメン構造の建家を対象とした高減衰構造
物の設計方法について説明する。

【００２７】図６は本発明の高減衰装置を用いた高減衰
構造物１を概念的に示したもので、図７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
としてのブレース４と高減衰装置１０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。

【００２８】図８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、ｋＦ　は柱梁架構の剛
性、ｋＶ　はブレースの剛性である。

【００２９】上記モデルによる多層建物の複素固有値を
求め、下式（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。 ｈｉ　＝−Ｒｅ（λｉ　）／｜λｉ　｜　　　　　　…
　　（１）ただし、 λｉ　　：　　ｉ次複素固有値 ｈｉ　：　　ｉ次減衰定数 Ｒｅ（λｉ　）　　：　　ｉ次複素固有値の実数部。

【００３０】図９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、図９
において各次の減衰定数ｈ１　、ｈ２　、ｈ３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ｈ３　のピークと１次減衰定数ｈ
１　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ｈ３　の最大値を与える減衰係数ｃ
３　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ｃ１　とを求め、前記高減衰装置の減
衰係数ｃがｃ３　≦ｃ≦ｃ１　 となるように設定すればよい。

【００３１】減衰係数ｃがｃ３　より小さいと、架構の
変形が急激に大きくなり、またｃ１　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。

【００３２】図１０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。一般構造物の固有周期Ｔ１
　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（Ｔ３　）。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。

【００３３】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１２６９
ｍ２　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２００
ｔ、減衰係数２５〜５０ｔ／ｋｉｎｅ程度となる。なお
、高減衰装置は各階に設けてもよいが、各次の振動モー
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。

【００３４】

【発明の効果】■　　油圧シリンダー形式の簡単な機構
で、かつコンパクトな装置で高減衰性能を実現しており
、構造物内への適用が容易である。

【００３５】■　　調圧弁をピストン内部に設けた構造
であり、シール性を確保することで、性能安定性および
信頼性の高い装置が作れる。

【００３６】■　　調圧弁としてポペット弁を用いるこ
とにより、温度変化による性能変動の少ない装置が作れ
る。

【００３７】■　　本発明の装置を構造物に適用するこ
とにより、受動型の高減衰構造物が実現でき、高い制震
効果が得られる。これにより地震、風等の外乱による揺
れを大幅に低減でき、建物の構造安全性を高めるととも
に、快適な居住空間を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高減衰装置の構造の概要を示すモデル
図である。

【図２】本発明の高減衰装置の一実施例を示す断面図で
ある。

【図３】調圧弁部分の詳細を示す断面図である。

【図４】調圧弁の他の例を示したもので、（ａ）　は正
面図、（ｂ）　は側面図（一部断面）である。

【図５】バイパスおよびアキュムレーター部分の構造の
一例を示す断面図である。

【図６】高減衰構造物を概念的に示した立面図である。

【図７】比較例としての一般構造物を概念的に示した立
面図である。

【図８】高減衰構造物の一層分の振動モデル図である。

【図９】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
たグラフである。

【図１０】地震応答スペクトルでみた応答低減効果を示
すグラフである。

【符号の説明】

１…高減衰構造物、２…柱、３…梁、４…ブレース、１
０…高減衰装置、１１…シリンダー、１２…ピストン、
１４…油圧室、１５、１６…取付部、１７…調圧弁、１
８…アキュムレーター、１９…バイパス、２０…チェッ
ク弁、２１…オリフィス、２２…固定シール、２３…ピ
ストンシール、２４…ロッドシール、２５…スリット、
２６…内部油量監視棒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　構造物の架構または耐震要素に連結さ
   れるシリンダー本体と、前記シリンダー本体内を移動す
   るピストンと、前記シリンダー本体の一端から出入し、
   前記シリンダー本体が固定された架構または耐震要素と
   対向する架構または耐震要素に連結されるピストンロッ
   ドと、前記ピストンの両側に形成された油圧室と、前記
   ピストンを貫通して前記両油圧室を連通させる複数の流
   路と、前記流路に設けられた調圧弁としてのポペット弁
   と、前記両油圧室を連結するバイパスに設けたアキュム
   レーターと、前記バイパスの前記油圧室のそれぞれと前
   記アキュムレーターとの間に設けられ、前記油圧室から
   の油の流出を阻止するための一対のチェック弁と、前記
   バイパスに前記各チェック弁と並列に設けたオリフィス
   とからなることを特徴とする制震構造物用高減衰装置。
2. 【請求項２】　　前記オリフィスは前記チェック弁を構
   成する弁体を貫通して設けられている請求項１記載の制
   震構造物用高減衰装置。
3. 【請求項３】　　前記アキュムレーターをピストン型と
   して、前記アキュムレーターに油量監視装置を設けてあ
   る請求項１記載の制震構造物用高減衰装置。