JPH0751858B2 - 制震構造物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は柱梁架構内に能動型また
は受動型の制震装置を設置した制震構造物における制震
装置およびセンサーの配置に関するもので、多層階の高
層建物等、低次の固有周期が比較的長い構造物に適して
いる。

【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
図る能動的制震システム、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。

【０００５】上記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。

【０００６】シリンダーロック装置を能動型制震システ
ムに用いる場合には、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（または可変剛
性要素どうし）の一方にシリンダー本体を連結し、他方
にロッドを連結する。切換弁を全開した状態では実質的
に圧油の移動が自由であり、シリンダーロック装置の減
衰係数は最小値ｃ_min をとる。このとき、柱梁架構と可
変剛性要素の相対移動も実質的に自由である。切換弁を
閉止した状態では実質的に圧油の移動がなく（必ずしも
完全に閉止する必要はない）、シリンダーロック装置の
減衰係数は最大値ｃ_max をとる。このとき、柱梁架構と
可変剛性要素は実質的に固定された状態または固定に近
い状態となる。また、上記可変減衰装置はシリンダーロ
ック装置における切換弁の開度を調整し得るようにした
もので、装置の減衰係数を多段階または無段階に変化さ
せることができる。

【０００７】この他、出願人は特願平２−２８０７１２
号において、高い減衰係数を有する高減衰装置の減衰係
数を構造物の固有振動モードに応じた所定の減衰係数に
設定し、受動的な制震を実現する高減衰構造物を提案し
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記各種制
震装置および制震システムを用いた制震構造物における
制震装置の配置に関しては、例えば制震装置を各階に設
けたもの等が記載されている。

【０００９】これに対し、本発明では構造物全体に対す
る制震装置の配置を工夫することにより、最小限の数の
制震装置で効率の良い制震を行い、メンテナンス等を容
易にするとともに、そのコストを低減させることを目的
としている。また、能動型の制震システムを用いた制震
構造物においては、制震装置の配置に対応させてセンサ
ー等の配置を工夫することにより、センサーのメンテナ
ンス、コスト等についても改善を図っている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の制震構造物は柱
梁架構と該柱梁架構内に設けた可変剛性要素間、または
柱梁架構内に設けた可変剛性要素どうしを連結するよう
に、構造物内の複数箇所に制震装置を設けた制震構造物
において、前記構造物の所定の低次固有振動モードの節
となる高さ近傍に、制震装置を集中的に配置したもので
ある。

【００１１】低次固有振動モードの節の位置は大きなせ
ん断力が発生する位置であり、多層構造物においては層
間の動きが最も大きくなる。すなわち、節となる高さ近
傍に配置した制震装置は、それ以外の位置に配置した制
震装置に比べ、構造物の応答に与える影響が大きい。従
って、この位置に制震装置を集中させることにより、均
等に分散させた場合に比べ、少ない数の制震装置で効率
の良い制震を行うことができる。

【００１２】なお、ここでいう低次固有振動モードは、
例えば１次モードと２次モードあるいは１次〜３次のモ
ード等、構造物の応答に与える影響の大きい振動モード
を指す。

【００１３】制震装置は従来の技術の項で述べたよう
に、能動型の制震装置の場合と、受動型の制震装置の場
合とがある。

【００１４】能動型の場合には、各種センサーによって
得られる構造物の応答あるいは地動等に基づき、コンピ
ューター等で制震装置の連結状態や装置の減衰係数等を
制御し、構造物の応答を低減することができる。

【００１５】受動型の場合には構造物の応答に応じ、あ
らかじめ設定した条件の基に、構造物に所定の減衰性を
与え構造物の応答を低減する。

【００１６】また、能動型の制震装置を用いる場合に
は、固有振動モードの腹の位置で応答値が大きくなるた
め、センサーをこの腹の高さ近傍に集中的に配置するこ
とにより、効率の良い制御が可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、図示した実施例について説明する。

【００１８】図１は本発明を能動型制震システムを有す
る高層建物に適用した場合の制震装置１と、床応答値検
出用のセンサー３６の配置に関する一実施例を示したも
のである。

【００１９】制震装置１を柱３３および梁３４によって
構成される各層の柱梁架構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
間に介在させている。センサー３６は例えば絶対速度計
あるいは加速度計等であり、センサー３６で検知された
応答値等に基づき、制震装置１へ制御指令が発せられ
る。

【００２０】本実施例では１〜３次の振動モードを対象
として、制震装置１およびセンサー３６の配置を決定し
ており、１〜３次の振動モードの節となる位置近傍の１
〜４階と、２次モードの節となる位置近傍の１７，１８
階と、３次モードの節となる位置近傍の１０〜１２およ
び１９，２０階の柱梁架構３１内に制震装置１を設置し
ている。

【００２１】また、センサー３６は１〜３次の振動モー
ドの腹となる位置近傍の４〜７、１２〜１５および２０
〜２３階に設置し、さらに地動を取るため１階（または
建物外）にも設置している。

【００２２】図２は図１の実施例における固有振動モー
ドと可変減衰装置１の配置との関係を示したものであ
る。(a) は建物の階、(b) は１次モードと制震装置１の
設置階（太線部分）、(c) は２次モードと制震装置１の
設置階（太線部分）、(d) は３次モードと制震装置１の
設置階（太線部分）示し、(b) 〜(d) を併せた形で、
(e) の制震装置１の設置階が決定されている。すなわ
ち、図１のような高層建物において、層間の動きが最も
大きくなる１〜３次の固有振動モードの節となる位置近
傍の階に制震装置１を設置している。

【００２３】また、センサー３６については応答値が取
りやすい１〜３次の固有振動モードの腹となる位置近傍
の階に設置している。

【００２４】図３は制震装置１およびセンサー３６の平
面配置の一例を示したものである。センサー３６につい
ては、構造物の長辺・短辺方向の建屋隅に２台ずつのセ
ンサー３６を設置して（デュアルセンサー）、センサー
３６の故障を検知しながら、信頼性の高いシステムを構
成している。

【００２５】図４〜図８は制震装置１としての可変減衰
装置の一例を示したもので、装置本体は図４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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】これら流入用流路１０および流出用流路１
１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、制震
装置１の減衰係数ｃを調整することができる。

【００２９】流量調整弁１２は、図４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
伴って大流量切換弁１２ａが作動し、大流量切換弁１２
ａ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。

【００３０】この制震装置１は、概念的には図５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。

【００３１】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。

【００３２】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１
２ａ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。

【００３３】なお、流入用流路１０または流出用流路１
１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。

【００３４】上述した可変減衰装置としての制震装置１
の作動状態について説明すると、以下のようになる。

【００３５】 流量調整弁開 シャットオフ弁１２ｂが開状態では、図４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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】 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。

【００３９】 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、の中間の状態が得られ、大流量切換弁１
２ａが半開の状態となる。この半開の状態ではの流量
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。

【００４０】以上の油圧を利用した制震装置１を柱梁架
構３１内に設置し、上記のようにして大流量切換弁１
２ａ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。

【００４１】図６〜図８は上述した制震装置１の外観の
一例を示したもので、シリンダー２本体より左右にピス
トンロッド４が突出し、油路の一部をシリンダー２本体
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。この例では流量調整弁１２やアキュムレーター１
９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。

【００４２】制震装置１としての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１００tf、定格
圧力３１５kgf/cm² 、ストローク±５０mm（一層の架構
の水平変位を±５cm以下として設計) となる。

【００４３】以上述べた実施例は能動型の制震装置の場
合であるが、これに対し図９は本発明を受動型の制震シ
ステムに適用した場合の実施例における制震装置５１を
示したものである。

【００４４】制震装置５１は、例えば保持力２００ｔ、
減衰係数２５〜５０t/kineを実現する高減衰装置であ
り、高層建物における配置は能動型の制震装置における
図１、図２の場合と同様に考えることができる。この場
合、制御そのものにはセンサー３６を必要としない。

【００４５】制震装置５１としての高減衰装置の基本構
造は、図５に示した能動型の制震装置１と同様であり、
図９に示すように、シリンダー５２内に両ロッド形式の
ピストン５３が組み込まれている。ただし、ロッド５４
は一方向のみシリンダー５２から突出し、その突出部分
および反対側のシリンダー５２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５５を設けている。

【００４６】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５３移動方向と反対側の油圧室５６
を負圧としないことが必要で、そのためピストン５３に
調圧弁５７，５８を設け、移動油量が直接的に反対側の
油圧室５６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５９が必要となり、回路６０
にはチェック弁６１，６２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５９に戻す必要があり、チェック弁
６１，６２と並列にオリフィス（絞り）６３，６４を設
けている。

【００４７】この他、本装置の特徴をまとめると以下の
通りである。

【００４８】 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５７，５８
がピストン５３内に設置されている。

【００４９】 調圧弁５７，５８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。

【００５０】 ガタの防止およ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５９を設けてい
る。

【００５１】 左右の油圧室５６とアキュムレーター
５９の間にオリフィス６３，６４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５２内の圧ごもり
を解消している。

【００５２】 各部のシール性、精度を増すことによ
り、高い減衰係数の実現を可能としている。

【００５３】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２
５〜５０t/kineといった高剛性、高減衰の装置を得るこ
とができる。

【００５４】以上述べたような制震装置５１を構造物の
各次固有振動モードの内の所定の低次固有振動モードの
節となる高さ近傍に、所要個数、集中的に配置すること
により、効率的な制震構造物が形成される。

【００５５】図１０〜図１７図は固有振動モードの節に
当たる階の柱梁架構内への制震装置１（受動型の場合は
制震装置５１）の設置例を示したものである。

【００５６】図１０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の間に制震装置１を介在
させている。

【００５７】図１１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
間に制震装置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。

【００５８】図１２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との間に制震装置１を介在さ
せている。

【００５９】図１３の例は免震構造物の基部に積層ゴム
等の免震ゴム４３と併用して制震装置１を設けた場合の
例であり、制震装置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。

【００６０】図１４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
に制震装置１を横向きに介在させている。

【００６１】図１５の例は図１４の例と同様、Ｘ型ブレ
ース４５に適用した例であり、図１４の例が制震装置１
を横向きに設けた横型だったのに対し、本例では制震装
置１を縦向きに設け、縦型としている。

【００６２】図１６の例は図１２の例と同様に、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
制震装置１を介在させたものであるが、制震装置１を出
入口等の開口部４７の上方に設けた場合である。

【００６３】図１７の例は大架構のＸ型ブレース４８の
中央に制震装置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。

【００６４】

【発明の効果】 制震装置は各階の層間の動き、ある
いは各高さにおける動きに対して効果を発揮するため、
各次モードで層間の動きが最も大きくなるモードの節に
装置を設置することで、効果的に構造物の応答を低減で
きる。

【００６５】 制震装置を集中的に配置することで、
メンテナンス等の装置管理が容易となる。

【００６６】上記、の効果は能動型および受動型の
制震に共通である。

【００６７】 能動型の制震においては、各次モード
の節にあたる部分をまとめて１台のコンピューターによ
り制御でき、効率的な制震システムが実現できる。

【００６８】 各次モードの応答は腹の部分で大きな
値を示すため、センサーを各次モードの腹にあたる部分
にのみ設置することで、センサーの個数および配線工事
の削減が図れ、センサーに関するメンテナンスが容易と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を能動型制震システムを有する高層建物
に適用した場合の一実施例を示す概要図である。

【図２】本発明における固有振動モードと制震装置設置
階との関係を示す説明図である。

【図３】センサーの配置の一例を示す架構の水平断面図
である。

【図４】制震装置としての可変減衰装置の一例を示す油
圧回路図である。

【図５】上記制震装置の概念図である。

【図６】上記制震装置の外観を示す平面図である。

【図７】上記制震装置の外観を示す正面図である。

【図８】上記制震装置の外観を示す右側面図である。

【図９】受動型制震装置としての高減衰装置の一例を示
す概要図である。

【図１０】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１１】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１２】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１３】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１４】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１５】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１６】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【図１７】制震装置の柱梁架構内への設置例を示す正面
図である。

【符号の説明】

１…制震装置、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、１
１…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、１９
…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、３
５…ブレース、３６…センサー、５１…制震装置、５２
…シリンダー、５３…ピストン、５４…ピストンロッ
ド、５５…取付部、５６…油圧室、５７，５８…調圧
弁、５９…アキュムレーター、６０…回路、６１，６２
…チェック弁、６３，６４…オリフィス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 直幹 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 小笠原 桂 東京都調布市飛田給二丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (56)参考文献 特公 平４−78785（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の柱梁架構と該柱梁架構内に設け
   た可変剛性要素間、または柱梁架構内に設けた可変剛性
   要素どうしを連結するように、構造物内の複数箇所に制
   震装置を設けた制震構造物において、前記構造物の各次
   固有振動モードの内の所定の低次固有振動モードの節と
   なる高さ近傍に、前記制震装置を集中的に配置したこと
   を特徴とする制震構造物。
2. 【請求項２】 前記所定の低次固有振動モードは１次モ
   ードおよび２次モードである請求項１記載の制震構造
   物。
3. 【請求項３】 前記所定の低次固有振動モードは１次モ
   ード、２次モードおよび３次モードである請求項１記載
   の制震構造物。
4. 【請求項４】 前記制震装置は所定の減衰係数を有し、
   前記構造物の減衰性を高める高減衰装置である請求項
   １、２または３記載の制震構造物。
5. 【請求項５】 前記制震装置は減衰係数を可変とした可
   変減衰装置である請求項１、２または３記載の制震構造
   物。
6. 【請求項６】 前記可変減衰装置は減衰係数を制御する
   ための入力データの１つとして、振動外力に対する前記
   構造物の応答値を用いており、前記応答値を検出するた
   めのセンサーを前記所定の低次固有振動モードの腹とな
   る高さ近傍に、集中的に配置したことを特徴とする請求
   項５記載の制震構造物。