JPH11125027A

JPH11125027A - ハイブリッド減衰装置

Info

Publication number: JPH11125027A
Application number: JP28972697A
Authority: JP
Inventors: Isao Nishimura; 功西村
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1999-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】建築構造物の振動を、最小限のエネルギー供
給により効果的に抑制でき、大地震にも対処可能なハイ
ブリッド減衰装置を提供する。【解決手段】建物架構内に、ほぼ速度に比例した減衰
力を発生するパッシブ減衰装置と、建物の振動に応じて
制御力を発生するアクティブ駆動装置とを、それぞれ柱
梁架構と耐震要素を連結するように配置する。パッシブ
減衰装置の減衰係数ｃ_dを、想定した振動外力による建
物の振動について、次式【数１７】（ここで、ｘは振動中の建物架構の変位、ｙは振動中の
装置部分の変位を表す）を満たすように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、パッシブ減衰装
置とアクティブ駆動装置を組み合わせ、地震や風等の振
動外力による建築構造物の振動を、最小限のエネルギー
供給により効果的に抑制できるようにしたハイブリッド
減衰装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】建築構造物の振動低減を目的とした減衰
装置としては、従来、減衰材料をブレース等の耐震要素
を介して設置するパッシブ減衰装置が一般的である。

【０００３】図２はそのようなパッシブ減衰装置の建物
への組み込み例を示したもので、柱梁架構と耐震要素と
してのブレースをパッシブ減衰装置を介して連結してい
る。

【０００４】なお、図２(a) の点線部分はパッシブ減衰
装置の設置構面を示している。

【０００５】減衰材料としては、粘性流体やオイル、あ
るいは金属材料の弾塑性履歴を用いたもの等がある。

【０００６】しかし、こうした減衰材料を用いた振動制
御装置としてのパッシブ減衰装置には、後述するような
限界点のあることも近年判明してきた。

【０００７】一方、アクチュエータ等を柱梁架構とブレ
ース等の耐震要素を連結するように組み込み、時々刻々
の振動に応じてアクティブに減衰力を付与することで振
動制御を行うアクティブ減衰装置も開発されている。

【０００８】アクティブ減衰装置はパッシブ減衰装置と
異なり、大きな振動低減効果のあることが知られてい
る。しかし、このアクティブ減衰装置は、大きな制御力
と制御エネルギーを必要とする点で実現が難しい場合が
多い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
建物用制震装置としての減衰装置には、大きく分けてパ
ッシブ減衰装置とアクティブ減衰装置の２つの形式があ
るが、いずれの形式にも限界が存在する。

【００１０】すなわち、パッシブ減衰装置には、減衰性能に関する性能限界が
あり、通常、大きな減衰効果は期待できない。

【００１１】アクティブ制震装置は、理論上はいくら
でも減衰効果を高めることができるが、必要とする制御
エネルギーが膨大となる。

【００１２】本願発明は、このような従来技術の欠点を
補うものであり、建築構造物の振動を、最小限のエネル
ギー供給により効果的に抑制でき、大地震にも対処可能
なハイブリッド減衰装置を提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願発明のハイブリッド
減衰装置では、建物架構内に、建物震動エネルギーを吸
収するパッシブ減衰装置と、建物の振動に応じて制御力
を作用させるアクティブ駆動装置とを、それぞれ架構内
に配置し、パッシブ減衰装置は振動エネルギーを吸収す
る目的で、アクティブ駆動装置は減衰効果を高める目的
で用いる。

【００１４】このようなアクティブ駆動装置とパッシブ
減衰装置を併用し、パッシブ減衰装置によって与えられ
る減衰係数ｃ_dを後に詳述するように適切に設定する
と、外から働く外力（例えば地震力）によって建物全体
に投入されるエネルギーの略全てをパッシブ減衰装置で
吸収するといった制御が可能であり、その場合、アクテ
ィブ駆動装置に必要な制御エネルギーは理論上ゼロとな
る。

【００１５】ほぼ速度に比例した減衰力を発生するパッ
シブ減衰装置としては、例えばオイルダンパー、高減衰
積層ゴム、粘性ダンパー、磁気ダンパー等が挙げられ
る。

【００１６】また、アクティブ駆動装置としては、従来
の各種アクティブ制震装置に用いられている油圧式ある
いは電動式のアクチュエータ、リニアモータ、その他を
利用することができる。

【００１７】次に、本願発明における作用について説明
する。

【００１８】まず、パッシブ減衰装置のみによる減衰効
果の限界を図３に示す。

【００１９】(a) は減衰装置を組み込む前の架構につい
て、骨組と力学モデルおよび共振曲線を示したものであ
る。減衰装置がないので、減衰率はゼロとなり、１次固
有振動数ω₀で無限大のピークを持つ１質点系のモデル
で表現することができる。

【００２０】一方、(b) は柱梁架構内に粘性減衰を持つ
パッシブ減衰装置を組み込んだ架構である。１次固有振
動数ω₀近傍の共振曲線を示すと、ある最適な減衰係数
ｃ_d＝ｃ_d(opt)を設定したときに振動エネルギーの吸収
が最も効率良く行うことができることが分かる。

【００２１】このことは、もしも減衰装置の減衰係数ｃ
_dが無限大の値となった場合を想定すると、(c) に示す
ように、減衰による振動低減効果が全くなくなること
で、容易に理解することができる。

【００２２】このように、建物の柱梁架構内にパッシブ
減衰装置を組み込む場合は、その減衰装置の減衰係数が
無限大であると考えた場合の骨組と元の骨組の固有値解
析を行うことで、期待できる減衰効果を予測することが
可能である。

【００２３】従って、パッシブ減衰装置そのものの剛性
が小さかったり、あるいは建物内の装置設置部位（ブレ
ース剛性等）の剛性が小さかったりすると、高い減衰付
与効果が得られない。このことは、建物内にある程度の
個数のパッシブ減衰装置を組み込まなければ減衰効果を
期待できないことを示している。

【００２４】例えば、ある建物の構面（柱と梁で囲まれ
た空間）の数が１２で、パッシブ減衰装置を組み込んだ
構面の数がそのうちの４構面であると仮定すると、パッ
シブ減衰装置に集中してくるせん断力は約３０％であ
る。このうち減衰力として考えられる水平力は約１５％
となることが知られている。このときの減衰率は最終的
に７．５％程度になる。この程度の減衰率を与えるため
に、構面の１／３をブレースで埋めなければならないこ
とになり、これは建築計画上困難である場合が多い。

【００２５】図４は、パッシブ減衰装置およびブレース
を除いた建物剛性ｋとブレース剛性ｋ_d、およびこれら
と共振曲線の関係を示したもので、パッシブ減衰装置が
ない場合の１次固有振動数ω₀が（ｋ／ｍ）^1/2、パッ
シブ減衰装置の減衰係数ｃ_dを無限大とした場合の１次
固有振動数が〔（ｋ＋ｋ_d）／ｍ〕^1/2と表され、パッ
シブ減衰装置の減衰係数ｃ_dを最適値に調整したときの
共振曲線は、破線で示される曲線となる。

【００２６】そこで、図５に示すようにアクティブ駆動
装置を構成するアクチュエータを設置し、層間の振動に
応じてアクティブな制御力ｕ(t) を発生させるように制
御を行う。このとき、アクティブな制御力ｕ(t) は層間
の剛性とは無関係に発生させることができるので、高い
振動制御効果が得られる。

【００２７】しかし、こうしたアクティブ駆動装置の場
合は、外力によって建物に投入されたエネルギーの全て
をアクティブ駆動装置が消費しなければならないので、
極めて大きなエネルギー的余裕が必要になる。

【００２８】一方、図６(a) に示すように、パッシブ減
衰装置とアクティブ駆動装置を並列に組み込むと（図７
のように直列に組み込んだり、建物架構内の他の構面に
組み込んでもよい）、アクティブ減衰装置で期待できる
のと同等の振動制御効果を得ることができる。

【００２９】さらに、こうしたハイブリッド減衰装置の
場合は、外力によって構造物に投入される振動エネルギ
ーをパッシブ減衰装置によって消費することが可能であ
るので、アクティブ駆動装置のエネルギー消費を理論的
にはゼロとすることができる。

【００３０】次に、この原理を詳しく述べる。

【００３１】本願発明のハイブリッド減衰装置を力学モ
デルとして図示したのが、図６(a)である。図６(a) に
おいて、ｆ(t) は地震や風等の振動外力、ｍは建物質
量、ｋはブレースを除いた建物剛性、ｋ_dはブレース構
面の剛性、ｃ_dはパッシブ減衰装置の与える減衰係数、
ｕ(t) はアクティブ駆動装置の制御力、ｘは振動中の建
物の変位、ｙは減衰装置部位の変位を表す。

【００３２】運動方程式を記述すると下式(1) を得る。

【００３３】

【数１】

【００３４】上式〔数１〕をマトリックスで表現する
と、以下のように表される。

【００３５】

【数２】

【００３６】両辺に、

【００３７】

【数３】

【００３８】を掛け合わせると、パワーの釣合い式とし
て次式〔数４〕を得る。

【００３９】

【数４】

【００４０】両辺を外力の作用開始時刻０から終了
（Ｔ）まで積分すると、エネルギーの釣合い式として次
式〔数５〕を得る。

【００４１】

【数５】

【００４２】系が安定であれば、運動エネルギーや振動
エネルギーがゼロに収束するから、Ｔ→∞のとき、

【００４３】

【数６】

【００４４】となる。

【００４５】ここで、左辺第１項はパッシブ減衰装置の
吸収エネルギーの総量、第２項はアクティブ駆動装置の
作用エネルギーの総量である。また、右辺は外力が建物
に投入したエネルギーの総量である。

【００４６】上式〔数６〕中、制御効果

【００４７】

【数７】

【００４８】が一定であるとすれば、変数はパッシブ減
衰装置の減衰係数ｃ_dのみであり、減衰係数ｃ_dを特定
の値に設定すると、理論上、制御エネルギーをゼロにす
ることができる。

【００４９】このときの必要十分条件を表すと、下式
〔数８〕のようになる。

【００５０】

【数８】

【００５１】ｃ_d＝ｃ_d(opt)を予めこの値に設定してお
けば、アクティブ駆動装置に必要なエネルギーは、外力
が去った後、ゼロに収束することが分かる。

【００５２】このことの物理的意味は、建物の振動エネ
ルギーの全てをパッシブ減衰装置に消費させるようにア
クティブ駆動装置を作用させることが、理論的に可能で
あることを示している。

【００５３】なお、実際には駆動装置の立ち上がり時
や、装置特性、個々の地震の振動特性に応じて、ある程
度の制御エネルギーの供給は必要となる。

【００５４】また、直列の場合のハイブリッド減衰装置
の力学モデルが図７である。運動方程式を記述すると下
式を得る。

【００５５】

【数９】

【００５６】これをマトリックスで表現すると、以下の
ように表される。

【００５７】

【数１０】

【００５８】両辺に左から、

【００５９】

【数１１】

【００６０】を掛け合わせると、パワーの釣り合い式と
して次式〔数１２〕を得る。

【００６１】

【数１２】

【００６２】両辺を外力の作用開始時刻０から終了
（Ｔ）まで積分すると、エネルギーの釣合い式として次
式〔数１３〕を得る。

【００６３】

【数１３】

【００６４】系が安定であれば、Ｔ→∞のとき、

【００６５】

【数１４】

【００６６】を得る。

【００６７】並列型の場合と同様に、パッシブ減衰装置
の減衰係数ｃ_dを、

【００６８】

【数１５】

【００６９】に設定すると、アクティブ駆動装置のエネ
ルギー量

【００７０】

【数１６】

【００７１】はゼロに収束する。

【００７２】このことは、並列型の場合と同様に、パッ
シブ減衰装置の減衰係数ｃ_dを上記の値に設定しておけ
ば、アクティブ駆動装置の制御負担が低減できることを
示している。

【００７３】図８は従来のパッシブ減衰装置、従来のア
クティブ減衰装置、本願発明のハイブリッド減衰装置の
各方式の比較のための図であり、これをまとめると以下
のようになる。

【００７４】(A) パッシブ減衰装置（図８(a) ）効果を挙げるためには多数の構面に配置する必要があ
る。減衰性能については限界がある。

【００７５】(B) アクティブ減衰装置（図８(b) ）数少ない構面でも、アクティブな制御効果により、大き
な振動低減効果が生まれる。ただし、制御エネルギーが
大きい。

【００７６】(C) ハイブリッド減衰装置（図８(c) 、図
８(d) ）パッシブ減衰装置とアクティブ駆動装置を組み合わせる
ことにより、アクティブ制御効果と同等の効果が得られ
る。理論上、制御エネルギーはゼロに収束する。

【００７７】

【発明の実施の形態】図１は、本願発明のハイブリッド
減衰装置を柱梁架構内に組み込んだ場合の一実施形態を
示したもので、柱１と梁２で囲まれる柱梁架構内に耐震
要素としてのＶ字形のブレース３を設け、この柱梁架構
とブレース３間にパッシブ減衰装置４とアクティブ駆動
装置５を並列に組み込み、両者を連結している。

【００７８】図中、５ａはアクティブ駆動装置５を構成
する駆動装置本体であり、油圧式あるいは電動式のアク
チュエータ等が用いられる。また、５ｂはコンピュータ
や電気回路等からなる制御手段、５ｃは制御手段５ｂか
らの制御信号によって駆動装置５ａのパワーを制御する
ためのパワーコントローラーである。

【００７９】また、図中、Ｓ１は柱梁架構の上側の梁に
取り付けたセンサー（加速度計あるいは速度計等）、Ｓ
２は装置部に取り付けたセンサー、Ｓ３は下側の梁に取
り付けたセンサーであり、地震等の外力が作用した際、
これらのセンサーから時々刻々送られてくる情報をもと
に、制御手段５ｂにより柱梁架構の振動を抑制するため
の減衰力を求め、パワーコントローラー５ｃを介して、
制御信号を駆動装置５ａに出力する。

【００８０】パッシブ減衰装置４としては、例えばオイ
ルダンパー等、ほぼ速度と比例する減衰力を発生させる
減衰装置を用い、その減衰係数ｃ_dが想定した振動外力
による建物の振動について、前項で示した〔数８〕の式
を満たすように設定する。

【００８１】減衰係数ｃ_dをこのように設定すること
で、制御エネルギーを最小限に抑えつつ、建物架構に対
し大きな減衰効果を与えることができ、大地震にも対処
させることができる。

【００８２】図９は従来のアクティブ駆動装置を用いた
場合の制御エネルギーの解析例を示したもので、横軸に
時間（秒）、縦軸に制御エネルギー（ｋＮｍ）をとって
いる。

【００８３】解析のための地震波としては、エルセント
ロＮＳ成分１００ｇａｌを入力している。

【００８４】図１０は同様に本願発明のハイブリッド減
衰装置を用いた場合の制御エネルギーの解析例を示した
もので、架構の構成や解析のための入力地震波は図９の
場合と同じである。

【００８５】これらの図から、本願発明のハイブリッド
減衰装置を用いることにより、制御エネルギーが最小限
に抑えられることがわかる。

【００８６】

【発明の効果】従来のパッシブ減衰装置に比べ大きな
振動低減効果が期待できる。

【００８７】従来のアクティブ減衰装置（制震装置）
では過大な制御エネルギーが必要であるが、本願発明に
よれば、理論上、制御エネルギーを全く必要とせず、制
御エネルギーを最小限に抑えることができるため、大き
な地震に対応した制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明のハイブリッド減衰装置を柱梁架構内
に組み込んだ場合の一実施形態を示す図である。

【図２】従来のパッシブ減衰装置の建物への組み込み例
を示したもので、(a) は架構の水平断面図、(b) は架構
の鉛直断面図である。

【図３】従来のパッシブ減衰装置による減衰効果の限界
を説明するための図であり、(a) は減衰装置がない場
合、(b) はパッシブ減衰装置を組み込んだ場合、(c) は
パッシブ減衰装置の減衰係数ｃ_dを無限大とした場合の
骨組と力学モデルおよび共振曲線を示したものである。

【図４】(a) は従来のパッシブ減衰装置の力学モデルを
示す図、(b) はその調整と共振曲線の関係を示すグラフ
である。

【図５】(a) は従来のアクティブ減衰装置の力学モデル
を示す図、(b) はその制御と共振曲線の関係を示すグラ
フである。

【図６】(a) は本願発明のハイブリッド減衰装置の力学
モデルを示す図、(b) はその制御と共振曲線の関係を示
すグラフである。

【図７】本願発明でパッシブ減衰装置とアクティブ駆動
装置を直列に組み込んだ場合のハイブリッド減衰装置の
力学モデルを示す図である。

【図８】制御方式の比較説明のための架構図であり、
(a) は従来のパッシブ減衰装置の場合、(b) は従来のア
クティブ減衰装置の場合、(c) および(d) は本願発明の
ハイブリッド減衰装置の場合である。

【図９】従来のアクティブ減衰装置を用いた場合の制御
エネルギーの解析例を示すグラフである。

【図１０】本願発明のハイブリッド減衰装置を用いた場
合の制御エネルギーの解析例を示すグラフである。

【符号の説明】

Ａ…パッシブ減衰装置、Ｂ…アクティブ減衰装置、Ｃ…
ハイブリッド減衰装置、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…センサー、
１…柱、２…はり、３…ブレース、４…パッシブ減衰装
置、５…アクティブ駆動装置、５ａ…駆動装置、５ｂ…
制御手段、５ｃ…パワーコントローラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】建物架構内に、振動エネルギーを吸収す
るパッシブ減衰装置と、振動に応じて制御力を作用させ
るアクティブ駆動装置とを配置し、地震等の外力によっ
て生じる建物振動エネルギーの略全てを前記パッシブ減
衰装置に吸収させるべく、前記アクティブ駆動装置を制
御させるようにしたことを特徴とするハイブリッド減衰
装置。
【請求項２】パッシブ減衰装置は、オイルダンパーで
ある請求項１記載のハイブリッド減衰装置。
【請求項３】パッシブ減衰装置は、高減衰積層ゴムで
ある請求項１記載のハイブリッド減衰装置。
【請求項４】アクティブ駆動装置は、油圧式または電
動式のアクチュエータである請求項１、２または３記載
のハイブリッド減衰装置。