JPS63114770A - 軸方向可変剛性材 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は制震構造の建物架構に用いられる軸方向可変
剛性材に関するもので、建物に入力する地震、風等の外
力に応じて部材の剛性を変化させ、地震等に対処させる
ものである。

〔従来の技術〕５ 従来、高層建築や重要構造物等の耐震設計においては地
震時の地盤の動きや建物の応答を計算し、安全性をチェ
ックする動的設計が行われている。

耐震の方法としては建物と基礎の間に積層ゴム支承やダ
ンパーを介在させた免震構法あるいは減震構法、建物構
成部材のうち、非主要部材の破壊により地震エネルギー
を消費させる方法、壁あるいは柱等にスリットを設け、
建物を最適の剛性に調整する方法等がある。

ところで、現行の耐震設計手法により設計された建物の
地震時における安全性の確認は、構遺物の塑性化を伴な
う履歴特性による吸収エネルギーが構造物に作用する地
震エネルギーを上回るという基本思想によるが、これに
は履歴ループ特性に対する信頼性の問題がある。

また、従来の方法はいずれも地震や風等の自然外力に対
し、受身の耐震構造を与えるものであり、建物が特定の
固有振動数を有するため地震という不確定な入力に対し
、共振現象を避けて通ることはできない。

これに対し、出願人は特願昭６１−１１２０２６号にお
いて、上述のような受身の耐震方法でな（、感知した地
震動に基づく応答予測システムの判断のもとに建物自体
の剛性を変化させ、共振領域外または共振の少ない状態
とし、建物および建物内の機器、居住者等の安全を図っ
た制置方法を提案している。

上記の制置方法では柱、はり、プレース、壁並びにそれ
らの接合部の全部もしくは一部、または建物と基礎ある
いは隣接する建物との間に、コンピューターの指令によ
り連結状態が変化する制御装置を設け、次のようにして
、建物の制置な行なう。

■　地震の発生を建物を中心に狭域および広域に配置し
た地震感知装置により感知し、観測データを有線、無線
の通信網によりコンピューターに伝達する。広域の地震
感知装置は既設の地震観測点における地震計あるいは専
用に設置したものをマイクロ回線あるいは電話回線等で
結ぶ。また狭域の地震感知装置は建物の周辺あるいは周
辺地盤内に設けた地震計や、建物基部や建物内に設置し
た振動センサーからなり、風力等の影響は建物内の振動
センサーで感知する。

■　感知した地震について、コンピューターにより地震
の規模の判断、周波数特性の分析、応答量の予測等を行
ない、建物の振動を制御すべきか否か、また制御すべき
場合の制御量について、共振をかわし、地震応答量の少
ない最適４１１性（固有振動数）ｌ与えるものとして判
断を下す。

■　コンピューターの指令を建物の各部の制御装置に伝
え、建物の剛性をコンピューターの予測に基づく最適剛
性となるよう制御装置を作動させる。連結状態の調整は
固定状態と連結解除状態を油圧機構、電磁石等によりオ
ンオフで調整するものや、固定状態、連結解除状態の外
、緊張力の導入や任意の位置での固定を油圧機構あるい
は特殊合金等を用いて調整するもの等が考えられる。

また、建物内に配した振動センサーにより、建物各部に
おける応答量並びに制匈を行った場合の実際の振動が検
知でき、これをフィードバックして、制御量の修正等を
行なうことができる。

〔発明の目的〕

この発明の建物架構の軸方向可変剛性材は、上述のよう
な制置方法において、プレース、あるいは柱等に使用し
、軸方向の剛性を変化させ、地震等に対処できるように
したものである。なお、この発明は上述の制置方法への
使用にのみ限定するものではなく、上記方法の改良方法
に使用したり、あるいは単に剛性を変化させるために使
用することも可能である。

〔発明の構成〕

以下、この発明な第２図に示した力学モデルによって説
明する。

この発明の可変剛性材Ａは第２図に示すように軸力Ｎを
受ける点（図中ビン４ａ　、４ｂで示される）を共通に
したく字状の主部材１，２の中間をそれぞれビン５ａ　
、５ｂで接合し、ビン５ａ、５ｂ間を連結部材３で結ん
だ軸力抵抗材で、連結部材３の材軸は軸力Ｎの方向と直
角であり、この方向に力を加えられる１駆動装置６を有
している。主部材１，２を構成する部材１ａ。

ｌｂ、２ａ、２ｂおよび連結部材３を構成する部材３ａ
、３ｂはそれぞれ軸力Ｎに対して、安定構造として抵抗
できる基本的な軸剛性を有するよう断面を決定する。

なお、軸力抵抗材としての基本剛性は、静止時の（の字
に曲げる角度０（軸方向と主部材１゜２を構成する部材
のなす角）と連結部材３０基本剛性によって選択できる
。すなわち、連結部材３の１駆動装置３による制御力を
考えない場合においても、θによって任意に基本剛性を
変えることはできる。

駆動装置６としてはサーボ弁を有する油圧のアクチュエ
ーターや、電気パルスモータ−を使ったデジタル式の油
圧アクチュエーターやボールねじを利用し、電動のサー
ボモーターによってボルトを回転させて、連結部材３０
部材３ａ。

３ｂの間隔を変えて行くもの、その他パワーが小さくて
よいものとしては電磁式のりニヤモーター等が考えられ
る。これらの駆動装置６による制御力Ｐは地震による建
物の共振現象を避ける等の時々刻々剛性を変化させたい
時に作用させるのが効果的である。すなわち、コンピュ
ーターの制御プログラムに基づいて駆動装置６を自動制
御することができ、地震等の振動外力に応じ、建物各部
での部材の剛性、連結状態等を変化させて、建物全体と
しての固有周期を変化させるなどして共振をかわすこと
ができる。

なお、連結部材３の基本剛性に関し、必璧とあらば駆動
装置６と並列にコイルばね等を介在させ、駆動装置６が
作動しない場合にも所定の剛性を確保することもできる
。

〔作　　用〕

前述のようにθを選択すると基本剛性ＫｄＬ−！軸力Ｎ
方向の変形が軸力に比例するように一義的に決まるが、
連結部材３に設けた駆動装置６による制御力Ｐは基本剛
性ＫＯを変えるものである。

すなわち、軸力Ｎによって幾何学的に決定される連結部
材３の部材応力による連結部材３の伸び縮みをさらに制
御力Ｐを加えたり、減じたりすることにより、く字状の
主部材１，２の中間のビン５ａ　、ｓｂ接合部における
軸力Ｎの方向と直角方向の変形を増減させて、軸力Ｎの
方向の変形を変化させることができる。

軸力Ｎの作用方向の基本剛性ＫＯは下記（１）式のよう
に軸力Ｎと軸力の作用方向の変形δの関係を一義的に決
めるものである（牙３図（ａ）参照）が、連結部利３に
制御力Ｐを作用させた場合（牙６図（ｂ）参照）には、
Δδだけ変形を変えることができるので、下記（２）式
のように剛性Ｋが変わるのと同じことになる。

Ｋ０＝」江　　　　　　　・・・・・・（１）δ Ｋ　＝ｊｕ−・・・・・・（２） δ　＋　Δδ 〔実　施　例〕 次に、図示した実施例について説明する。

牙１図（ａ）〜（Ｃ）は可変剛性材Ａの構造の一例を示
したものである。対向するく字状の主部材１゜２はそれ
ぞれ部材１　ａ　、　１　ｂ、部材２ａ、２ｂをビン５
ａ、５ｂで接合し、軸力を受ける両端を共通のビン４ａ
　、４ｂで接合しである。この実施例で、各部材１ａ、
ｌｂ、２ａ、２ｂの断面は牙１図（Ｃ）のようにＨ形断
面となっているが、これに限定する必要はない。

ビン５ａ、５ｂによる接合部間は連結部材３によって連
結されている。連結部材３は例えば牙１図（ｂ）に示す
ようにコ字状の部材３ａ　、　３ｂを背中合わせに配し
、ボルト７によって連結したもので、駆動装置６として
の電動サーボモーター６ａによってボルト７を回転させ
ることにより、部材３ａに固定したナンド８（ボルト７
゜ナツト８はボールねじを利用している）により、部材
３ａが他方の部材３ｂに対し、離れたり。

近づいたりして、制御力Ｐが作用する。このように、モ
ーター６ａの回転をボルト７の直線運動に変換し、く字
状の主部材１，２に加速度を与えることにより制御力を
得ることができる。

図中９はストッパーである。牙１図（ｄｌは電動サーボ
モーター６ａの代わりにサーボ弁を有する油圧シリンダ
ー６ｂを用いた場合の例であり、直接力で制御すること
ができる。

一例として軸力Ｎが引張力の場合を考えると、駆動装置
６を作動させて、ビン５ａ、５ｂ間の間隔が狭まる向き
に制御力を働かすことにより、前述の（２）式より、剛
性Ｋが小さくなる。逆にビン５ａ、５ｂの間隔が広がる
向きに制御力を働か才ことにより、（２）式の△δは負
の値となり、、Ｍｌｌ性Ｋが大きくなる。軸力Ｎが圧縮
力の場合も（２）式より剛性にの変化を知ることができ
る。

牙４図は可変剛性材Ａをプレースに適用した場合、牙５
図は建物最下層の長期軸力用柱１ｏの両側に用い、地震
時の転倒モーメントに対する抵抗柱として利用した場合
の例である。駆動装置６の作動による制御力によって可
変剛性材への剛性Ｋが変わり、共振を避けることができ
る。

図中１１は耐震壁またはプレースである。

牙６図（ａ）〜（ｃ）は建物の最下１で柱の柱頭、柱脚
をビン接合とし、この発明の可変剛性材Ａをプレースと
して使っている。連結部材の基本剛性を極端に小さくす
れば、最下層の水平剛性は制御力によって決まる。風等
、建物側から入る横力に対してはプレースの剛性が高く
なるようにする（第６図（ａ）参照）。また、地震等地
面から入るものに対してはプレースの剛性が低くなるよ
うに、制御力を調整する（第６図（ｂ）　、　（ｃ）参
照）。すなわち免震装置になる。

以上の機構は柱が通常の建物に使われるものであれば、
接合部をピン接合とせず、剛接合でも多少柱の水平剛性
が増すだけで基本的には同じであり、特に柱脚ピン柱頭
剛接合は鉄骨製作や建方にしても取り合いが容易になり
経済性。

施工性の面で利点がある。また、免震装置としての使用
等、柔かく使用する場合に起こる自由振動による大変形
に対しては駆動装置６による制御力を揺れを打ち消すよ
うなダンパーとして使用することもできる。

〔発明の効果〕 ■　く字状の主部材中間のビン接合位置で軸力と直角な
方向の制御力を加えることにより軸力抵抗材としての剛
性を変化させることができる。

■　コンピューター等で、建物架構に用いた可変剛性材
の削性変化を制御することにより、個々の地震特性に応
じて建物の固有周期を変動させ、共振現象による建物の
大きな変形を抑制することができる。

■　コンピューターを用いた制置方法に利用することに
より、共振がなく、揺れの少ない快適な居住空間が形成
される。

【図面の簡単な説明】

牙１図（ａ）〜（ｄ）はこの発明の実施例を示したもの
で、牙１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）はそれぞれ
正面図、■−Ｉ断面断面図上び■−■断面図、牙１図ｆ
ｄ）はＩ−Ｉ断面における変形例を示す断面図、第２図
は力学モデルとして示した説明図、牙５図（ａ）。 （ｂ）は変形の関係を示す説明図、牙４図はプレースへ
の適用例を示す正面図、第５図はモーメント抵抗柱への
適用例を示す正面図、牙６図（ａ）。 （ｂ）　、　（Ｃ）は建物最下層のプレースに適用した
と仮定した場合の作用を示す正面図である。 Ａ・・・・・・可変剛性材、１，２・・・・・・主部材
、３・・・連結部材、４　ａ　ｅ　４　ｂ　ｒ　５　ａ
　、　ｓ　ｂ　−−−−・−ピン、６・・・・・・駆動
装置、６ａ・・・・・・モーター、６ｂ・・・・・・油
圧シリンダー、７・・・・・・ボルト、８・・・・・・
ナンド、９・・・・・・ストッパー、１０・・・・・・
長期軸力用柱、１１・・・耐震壁またはプレース 第２図 Ｎ 第４図 ａ Ｄ 第３図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）両材端の軸力を受ける点を共通にした互いに対向
   するく字状の主部材の中間をそれぞれピン接合とし、該
   ピン接合位置どうしを連結部材で連結し、該連結部材に
   は前記ピン接合位置において前記軸力と直角な方向の制
   御力を導入するための駆動装置を設けてあることを特徴
   とする軸方向可変剛性材。
2. （２）駆動装置はサーボ機構を有する油圧シリンダーで
   ある特許請求の範囲第１項記載の軸方向可変剛性材。
3. （３）駆動装置は電気、油圧ステッピングシリンダーで
   ある特許請求の範囲第１項記載の軸方向可変剛性材。
4. （４）駆動装置はサーボモーターの回転駆動をボールね
   じにより直線運動に変換することからなる特許請求の範
   囲第１項記載の軸方向可変剛性材。