JPH0747896B2 - 可変減衰装置を用いた能動型制震システム - Google Patents

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梁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_０を設定する。

この両目標値Q₀、δ_０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Q₀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。

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C_max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Q₀に達した後、前記層間変位δが
目標値δ_０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Q₀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Q₀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_０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C_min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〕

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型ブレース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１の
油圧ｐ、ロッド変位δ_１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ほの圧
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
入口ポート15と出口ポート16を有し、他端側に背圧ポー
ト17を有する大流量切換弁12aと、背圧ポート17への圧
油の流出を制御し得るシャットオフ弁12b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、これに伴って大流出切換弁12aが作動し、
大流出切換弁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12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
のときの架構本体の固有周期および架構本体の減衰定数
ｈ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
圧縮お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、背圧ポート17における油圧を開けるため、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、
上記（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12aの開
度を所定の開度に制御した場合、架構本体に対する減衰
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=CV^r)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より左右にピムスト
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19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梁に設けたブラ
ケットに連結し、支軸22を利用して可変剛性要素として
のブ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12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、一例としては、例えば最大荷重100t
f、定格圧力315kgf/cm²、ストローク±50mm（一掃の架
構の水平変位を±5cm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制震
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Ｑの目標値
Q₀層間変位δの目標値δ_０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
移動平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るまた、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1/3の値を目標とし、加速度の大きさにより、Q_ot＝
Ｂ×Acc_t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k_F、最高で
ラーメン＋ブレース（可変剛性要素）k_F＋k_V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、δ_１は可変減衰装置のロッドとピストンの相対変
位、δ_２は可変剛性要素としてのブ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＝δ_１＋δ_２ …（１） となる。

従って、可変減衰装置のシリンダー面積をほＡ、油圧を
ｐとすると、 δ＝δ_１＋Ａ・p/k_V …（２） Ｑ＝Q_F＋Q_V＝δ・k_F＋Ａ・ｐ …（３） となり、層間変位δの変化に対して、層せん断力Ｑ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。

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、入力地震動（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図は柱梁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
型ブレース35の間に可変減衰装置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型ブレース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型ブレース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型ブレース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とブレース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、制震効
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、地震動には上記架構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、大きな制震効果が生まれ
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５図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梁架構内
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……入口ポー
ト、16……出口ポート、17……背圧ポート、18……バイ
パス流路、10……アキュムレーター、20……ソレノイ
ド、21……絞り、22……支軸、31……柱梁架構、33……
柱、34……梁、35……ブレース、36……センサー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造物の柱梁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Q₀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Q₀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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。