JPH05231028A - 柱軸方向変形制御用高減衰構造 - Google Patents

柱軸方向変形制御用高減衰構造

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JPH05231028A
JPH05231028A JP3532592A JP3532592A JPH05231028A JP H05231028 A JPH05231028 A JP H05231028A JP 3532592 A JP3532592 A JP 3532592A JP 3532592 A JP3532592 A JP 3532592A JP H05231028 A JPH05231028 A JP H05231028A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 風や地震による高層建物の曲げ変形や、上下
地震動による上下方向の変形等、建物の柱軸方向の変形
を効率良く低減できる受動制御型の高減衰構造を提供す
る。 【構成】 高層建物の柱を構成する外側鋼管2の内側に
制御部材としての内側鋼管1を設置する。内側鋼管1の
最上部と最下部を、接合プレート6及びダイアフラム5
によって建物の架構に剛接する。最上部において外側鋼
管2の軸力が内側鋼管1に伝達され、最下部において内
側鋼管1の軸力が地下の柱及び基礎に伝えられる。内側
鋼管1の下部には高減衰装置10を設ける。高減衰装置
10は装置部に生じる荷重Fと速度Vの関係が線形に近
くなる特性を有し、内側鋼管1に対し、地震動等による
柱軸方向の振動を減衰させるための最適の減衰係数を与
えるよう設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は柱軸方向変形制御用高減
衰構造に関するもので、主として高層ビル等曲げ変形量
の大きい建物に適するが、さらに上下地震動に対する振
動低減効果も対象としたものである。
【0002】
【従来の技術】地震や風を受ける高層建物の変形量は、
柱梁部材の曲げ及びせん断変形によるフレームのせん断
変形成分と、柱の軸方向変形による架構全体の曲げ変形
成分の和で表される。建物の幅に対して背の高いスレン
ダーな建物であるほど、架構全体の曲げ変形成分が大き
くなる。また、上下地震動を受ける場合、柱の軸方向変
形が生じることにより、各層床に大きな上下振動が生じ
る。
【0003】これに対し、本願出願人による特開平2−
240341号には、曲げ変形制御機構を有する制震架
構として、多層階の建物の柱に沿って延びる棒状の制御
部材の途中または端部に減衰係数が可変な可変減衰装置
(連結装置)を介在させ、制御部材の連結状態を地震動
等の振動特性に応じて制御し、地震動等に対する建物の
応答を低減させる構造が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の可変剛性要素を
組み込んだ形式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、構造物の固有振動数との関係に着目
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、あるいは振動レベルに
応じ、可変剛性要素の連結装置の減衰係数を変化させる
ことで、建物の減衰性を高める等して、応答量の低減を
図っている。
【0005】しかし、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、駆動装置や、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。また、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。
【0006】本発明は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的制震を可能とする
ものであり、かつ前項で述べたような柱の軸方向変形に
起因する応答現象に対して、その応答量を大きく低減
し、建物全体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。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明では多層階の建物
の柱に沿って、建物の高さ方向に少なくとも複数階にわ
たって延びる棒状の制御部材を設け、この制御部材の上
部と下部を前記建物の一部、好ましくは最上部と最下部
に連結する。この制御部材の途中または端部に所定の減
衰係数を与えるダンパーとしての高減衰装置を介在さ
せ、高減衰装置を介して制御部材どうし、または制御部
材と建物の一部とを連結することで、地震や風等の振動
外乱に対し、建物の曲げ変形や上下地震動による柱軸方
向の変形を大幅に低減することができる。
【0008】この柱軸方向の変形制御機構は、高層建物
の曲げ変形に効かすことを主目的とする場合には建物の
外柱に設ければよく、上下動にも効かす場合には内柱に
も同様に設ければよい。
【0009】制御部材としては鋼管、形鋼、その他棒状
部材が利用される。柱本体を角形鋼管等の鋼管とした場
合には、その内側に制御部材としての鋼管等を挿入する
ことにより、変形制御機構が表面に表れないようにする
ことができる。
【0010】高減衰装置は装置に生じる速度と荷重の関
係が線形に近くなる特性を持つものであり、構造物にと
って最適となるような減衰係数cを実現できるものであ
れば、構造、形式等、特に限定されない。概念的には、
例えばシリンダー本体から出入するピストンロッドを有
し、ピストンの両側に形成された油圧室を連通させる流
路に調圧弁を設けた油圧形式のもの等を用いることがで
きる。この場合、高減衰装置に生じる速度(シリンダー
本体とピストンロッドの相対速度)と荷重の関係が線形
に近い特性を持つ。ただし、本発明で必要とする減衰係
数を発揮させるためには、通常のダンパーと比較して高
い減衰係数を実現できる構造であることが要求され、油
封式の高減衰装置においては、各部のシール性や精度の
向上等が必要となる。
【0011】
【作用】高層建物では地震や風により、架構全体が曲げ
変形を生じ、個々の柱についてみれば、軸方向変形(伸
縮)が生じる。柱に沿わせた制御部材を上述したような
油圧形式の高減衰装置で連結すると、柱の軸方向変形に
よる動きが装置のシリンダーとピストンの相対変位とな
る。
【0012】建物の最上部と最下部を連結した場合、そ
の変形は大きく、高減衰装置を有効に効かすことができ
る。なお、本発明は受動型の制震機構を与えるものであ
るが、高減衰装置の減衰係数を所定の高減衰係数に設定
しておくことで、建物に大きな減衰性を与えることがで
きる。
【0013】また、制御部材はほとんど軸力のみを負担
し、座屈に関しては各層のダイアフラム等を利用して軸
直角方向の変位を拘束することにより、軸力に有効に抵
抗させることができる。
【0014】
【実施例】次に、実施例について説明する。
【0015】図1〜図3は本発明の一実施例を示したも
ので、高層建物の外柱2aを構成する外側鋼管2の内側
に制御部材としての内側鋼管1を設置している。この内
側鋼管1は最上部と最下部で、接合プレート6及びダイ
アフラム5によって剛接され、最上部において外側鋼管
2の軸力は内側鋼管1に伝達され、最下部において内側
鋼管1の軸力が地下の柱及び基礎に伝えられる。
【0016】また、内側鋼管1は基準階では図3に示す
ように、微小な隙間をおいて柱梁接合部のダイアフラム
4から切り離されており、内側鋼管1の下部に設けた高
減衰装置10の抵抗力を受けている状態で、軸方向の相
対移動が可能となる。
【0017】図4及び図5は本発明の構造を適用する建
物の概要を示したもので、本実施例では曲げ変形制御を
主目的とし、曲げ変形に対して効果の大きい建物外周の
外柱2aのみ、上述の2重鋼管構造とし、内柱2bは通
常の構造としている。また、高減衰装置10は外柱2a
の1階部分に設置されている。
【0018】本発明で使用する高減衰装置10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、図6に概念的に示すように、シ
リンダー11とピストン12及び比例弁等の調圧弁13
で構成されたオイルダンパーが使用できる。この場合、
シリンダー11がブレース等の耐震要素側に連結され、
シリンダー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、調圧弁13の開度の調節
により所定の減衰係数が得られる。
【0019】ただし、従来のオイルダンパー等のダンパ
ーの場合、得られる減衰係数は0.5〜1.0t/kine程
度であり、例えば保持力200t、減衰係数25〜50
t/kine程度を実現するためには、図7のような構造の減
衰装置が望ましい。
【0020】図7の減衰装置10の基本構造は図6の概
念図に示される通りであり、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、ロ
ッド12aは一方向のみシリンダー11から突出し、そ
の突出部分及び反対側のシリンダー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15、16
を設けている。
【0021】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を
貫通する流路に調圧弁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。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、アキュムレーター18を設けたバイパス1
9にはチェック弁20a、20bを設けている。
【0022】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。
【0023】この他、本装置の特徴をまとめると以下の
通りである。
【0024】 外部への油漏れ防止及び高減衰を得る
ためのシール性を確保する目的で、調圧弁17a、17
bがピストン12内に設置されている。
【0025】 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。
【0026】 ガタの防止及び温度変化による油の伸
縮に対応するため、アキュムレーター18を設けてい
る。
【0027】 左右の油圧室14a、14bとアキュ
ムレーター18の間にオリフィス21a、21bを設
け、装置の減衰特性を線形化するとともに、シリンダー
11内の圧ごもりを解消している。
【0028】 各部のシール性、精度を増すことによ
り、高い減衰係数を可能としている。
【0029】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、例えば保持力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。
【0030】図8は曲げ変形について、高減衰装置10
を設置した場合と、装置がない場合の変形状態の違いを
模式的に示したもので、(a) が装置がない場合、(b) が
高減衰装置10を設置した場合である。また、図9は上
下地震動に対処すべく内柱2aにも高減衰装置10を設
置した場合について、装置がある場合とない場合の変形
状態の違いを模式的に示したもので、(a) が装置がない
場合、(b) が高減衰装置10を設置した場合である。
【0031】
【発明の効果】 本発明では建物内に設けた高減衰装置の減衰係数を
所定の高減衰係数に設定することで、高減衰装置の配置
位置により、高層建物の曲げ変形や、上下地震動による
建物の上下方向の変形について、柱軸方向の変形を低減
することができる。
【0032】 受動的制震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及び調整を必
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、能動型制震機構に比べ低コストで設置する
ことができる。
【0033】 建物の複数階にわたって設けた制御部
材の柱軸方向の変位を、柱に沿って設けた制御部材の高
減衰装置により制御するものであり、各階のフレームご
と制御する場合に比べ、効率良く制御することができ。
【0034】 制御部材により建物の最上部と最下部
を連結することで、建物全体に対する制御を行うことが
できるので、制御システムが比較的簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す鉛直断面図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1のB−B断面図である。
【図4】本発明を適用する建物の概要を示す立面図であ
る。
【図5】図4に対応する平面図である。
【図6】本発明で用いる減衰装置を概念的に示した断面
図である。
【図7】本発明で用いる減衰装置の一例における装置全
体の概略説明図である。
【図8】建物が水平外力を受ける場合の変形性状を比較
したもので、(a) が減衰装置がない場合の説明図、(b)
が減衰装置がある場合の説明図である。
【図9】建物が上下地震動を受ける場合の変形性状を比
較したもので、(a) が減衰装置がない場合の説明図、
(b) が減衰装置がある場合の説明図である。
【符号の説明】
1…内側鋼管、2…外側鋼管、2a…外柱、2b…内
柱、3…梁、4、5…ダイアフラム、6…接合プレー
ト、10…減衰装置、11…シリンダー、12…ピスト
ン、12a、12b…ピストンロッド、13…調圧弁、
14a、14b…油圧室、15、16…取付部、17…
調圧弁、18…アキュムレーター、19…バイパス、2
0a、20b…チェック弁、21a、21b…オリフィ
フロントページの続き (72)発明者 栗野 治彦 東京都港区元赤坂一丁目2番7号 鹿島建 設株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多層階の建物の柱に沿って、建物の高さ
    方向に少なくとも複数階にわたって延びる棒状の制御部
    材の上部と下部を前記建物の一部に連結し、前記制御部
    材の途中または端部に所定の減衰係数を与えるダンパー
    としての高減衰装置を介在させたことを特徴とする柱軸
    方向変形制御用高減衰構造。
  2. 【請求項2】 多層階の建物の外柱を構成する外側鋼管
    の内側に、建物の高さ方向に連続する内側鋼管を設け、
    前記内側鋼管の最上部と最下部をそれぞれ前記建物の上
    部及び下部に連結し、前記内側鋼管の途中または端部に
    所定の減衰係数を与えるダンパーとしての高減衰装置を
    介在させたことを特徴とする柱軸方向変形制御用高減衰
    構造。
  3. 【請求項3】 多層階の建物の内柱及び外柱を構成する
    外側鋼管の内側に、建物の高さ方向に連続する内側鋼管
    を設け、前記内側鋼管の最上部と最下部をそれぞれ前記
    建物の上部及び下部に連結し、前記内側鋼管の途中また
    は端部に所定の減衰係数を与えるダンパーとしての高減
    衰装置を介在させたことを特徴とする柱軸方向変形制御
    用高減衰構造。
  4. 【請求項4】 前記高減衰装置は、建物の架構または耐
    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端
    部から出入し、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、前記両油圧室を連通させる流路と、前記流路
    に設けた調圧弁とを有する請求項1、2または3記載の
    柱軸方向変形制御用高減衰構造。
  5. 【請求項5】 前記高減衰装置は、建物の架構または耐
    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端
    部から出入し、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を有する請求項1、2または3記
    載の柱軸方向変形制御用高減衰構造。
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