JPS6378936A - 建物架構の可変剛性材 - 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可変剛性材
に関するもので、構造部材中に設けたピン接合部をピン
接合と剛接合とに変換可能とし、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〕

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く、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
、建物の制置を行なう。

■　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
ない最適剛性（固有振動数）を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御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、梁等に使用し、剛
性を変化させて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〕

この発明の可変剛性材は第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）
に示すように２以上のピース１ａ、１ｂからなる長尺構
造部材の中にピン接合と剛接合とに変換が可能な接合部
２を設けたものである。回転の支点となるピン接合部２
は拘束材乙により固定され、ピン接合部２を介して接合
した２ピース１ａ、ｊｂを結ぶ拘束材３が拘束状態と拘
束解除状態との間で可働であり、これによりピン接合と
剛接合が変換できる。拘束材３を動かすための駆動装置
は油圧シリンダー、電動式のもの、電磁式のもの等いず
れでも良い。

また、圧縮力には抵抗できない６ピン構造の部材におい
て、中央のピン接合部に拘束材を設け、ピン接合と剛接
合とに変換可能とすれば、必要に応じ拘束状態または拘
束解除状態とすることにより圧縮抵抗材になったり、無
抵抗材になったりする。

また１ピン接合部２において、一方のピース１ａから他
方のピース１ｂに向けて係止用腕部４を設けることによ
り、ピン接合部での回転方向を限定することができ、こ
の係止用腕部４と他方のピース１ｂとの間に拘束材３を
設ければよい。

このようなピン接合と剛接合との間の交換はコンピュー
ターの制御プログラムによって行なうことができる。す
なわち、地震等の振動外力に応じ、コンピューターで、
建物の剛性を制御することができ、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もできる。

〔実施例〕

次に、図示した実施例について説明する。

第２図（ａ）〜（ｅ）は一実施例におけるピン接合部２
の近傍を示したものである。

２つのピースｌａ、１ｂがピン接合部２で接続され、一
方のピース１ａから他方のピース１ｂに向けて延びた係
止用腕部４により、ピン接合部２における回転方向が限
定される。係止用腕部４には他方のピース１ｂを挟み込
むように、可変剛性材１の軸方向と直角な方向の拘束材
３が蝶番５によって取り付けられている。拘束材３の先
端部には係止突起６があり、拘束材３の蝶番５での回転
により相手側のピース１ｂをつかんだり、離したりする
ことができ、これによってピン接合、剛接合に変換でき
る。

拘束材６には構造部材としての可変剛性材１のせん断力
と拘束した状態で生じるでこ反力の和の力が生じるため
、これに抵抗できるものとする必要がある。このことは
、拘束材乙のピン機構としての蝶番５についても同様で
ある。

拘束材３にかかる力が小さい場合は拘束材３の係止突起
６の支圧抵抗に代えて、第３図に示すように、拘束材３
と相手側のピース１ｂとの接触面での摩擦力によって抵
抗させたり、第４図に示すように拘束材３か相手側のピ
ース１ｂに取り付けた磁石９によって抵抗させてもよい
。

拘束材乙の回転は図に示すように相手側のピース１ｂに
設けた電動サーボモーター７等の簡単なアクチュエータ
ーにより自動制御できる。

拘束材３とサーボモーター７をつなぐ連結材８は棒鋼等
、剛なものを用いれば、拘束材３と相手側のピース１ｂ
の衝突を防ぐことができる。

このため、連結材８と拘束材３およびサーボモーター７
との接合部はサーボモーター７の動きに追従できるよう
にピン接合とし、必要に応じユニバーサルジヨイントと
するこさもできる。

また、連結材８を圧縮抵抗できないひも状の柔かいもの
とする場合には拘束材６と相手側のピース１ｂとの間に
クッション材を設けて衝撃を緩和する。

アクチュエーターとしてのサーボモーター７のパワーは
係止突起６や磁石９を設ける場合には拘束材３を回転さ
せる程度の能力があればよい。また、摩擦で抵抗させる
場合には必要な摩擦力を起こすだけのパワーが必要とな
る。逆に言えばサーボモーター７のトルクが大きい場合
には、第３図のように摩擦力で抵抗させることができる
。

また、上述の構成とは逆に、相手側のピース１ｂに拘束
材を設け、係止用腕部４にサーボモーターを設けても良
い。この他、相対向する拘束材６間を油圧シリンダー等
で連結し、油圧シリンダーを伸縮させて拘束材を開いた
り閉じたりすることもできる。

拘束材３が作動する時点は係止用腕部４と相手側のピー
ス１ｂが触れる時点、すなわちピン接合部２を介して分
かれた２ピース１ａ、１ｂが一直線になるときである。

このことにより、振動等、絶えず動いている部材におい
てもピン接合と剛接合に変換可能である。なお、ピン接
合部２における最大の回転量は建物の変形が許容限度内
に納まる程度である。

可変剛性材１の使い方としては柱、梁、プレースなどの
部材の中に、この可変接合部を全てピン接合としたとき
に不安定構造となるまで設置できる。この範囲でピン接
合と剛接合の数と位置を調整することにより、部材の曲
げ剛性を変えることができる。なお、ある部材について
軸力に抵抗させない場合には固定しているピン接合部の
１つをルーズホールにすればよい。

また、梁または柱（モーメント柱も含む）の水平荷重に
対する抵抗機構を変化させるのに用いれば部材の剛性コ
ントロールができる。従って、地震等の周波数特性の不
確定なものに対しても、コンピューター制御による時々
刻々の剛性変化により、建物を共振させないことが可能
である。

なお、係止用腕部４がある場合、回転の方向が限定され
るため、地震等の繰り返し荷重に対しては、それぞれ逆
向きに変化可能なものをペアとして用いる。

第５図（ａ）〜（Ｃ）はこの発明の可変剛性材をラーメ
ン構造の梁または柱に用いた場合の水平荷重に対する力
学機構のバリエーションを示したもので、（ａ）図は材
端部２箇所のピン接合部２を両方とも拘束し、剛接合と
した状態、（ｂ）図は一方の拘束を解除し、一方のみピ
ン接合とした場合、（Ｃ）図は両方とも拘束を解除し、
ピン接合とした場合である。

第６図（ａ）〜（ｆ）は同様に画材端部および中央部の
合計３箇所にピン接合部を設けた梁の鉛直荷重に対する
力学機構のバリエーションを示したものである。

第７図（ａ）〜（ｄ）は建物最下階のモーメント柱に適
用した場合の例を示したもので、土下賜部に拘束材乙に
より拘束可能なピン接合部２を設けた可変剛性材１を用
いている。なお、上側のピン接合部２についてはルーズ
ホール１０により軸力（こ抵抗させない構造としている
。同図（ｂ）〜（ｄ）は曲げモーメント図であり、（ｂ
）図は２本ともすべて拘束した場合、（Ｃ）図は１本に
ついて上下の拘束を解除した場合、（ｄ）図は１本につ
いて上側のみ拘束を解除して柔かく抵抗させた場合であ
る。

第８図（ａ）〜（Ｃ）はこの発明の可変剛性材１の応用
例として、６ピン構造の部材において中央部のピン接合
部２に拘束材３を設け、拘束と無拘束の切替えを可能と
し、必要に応じて可変剛性材１を圧縮抵抗材としたり無
抵抗材として利用するものである。中央のピン接合部２
には、−方のピース１ａから他方のピース１ｂへ係止用
腕部４を出しておき、圧縮無抵抗時に圧縮力が加わった
時には一方向にのみ回転するようにする。この時に不安
定な釣り合い状態が起こらないように係止用腕部４の先
端には相手側のピース１ｂを回転方向に押し出すことが
できる程度の弱いばね１１を設ける。拘束材６は可変剛
性材１を圧縮抵抗材として働かせたときに座屈に耐える
程度の比較的小さい断面があればよい。

使い方としてはプレースや耐震壁の脚部の柱等に用いて
建物架構の剛性を可変とすることができる。

第９図は建物架構のプレースとして利用したもので、柱
１２と梁１３に囲まれる部分に斜めに可変剛性材１を配
し、両端を柱梁接合部にピン１４で取り付けである。中
央のピン接合部２はピン接合と剛接合で可変であり、ピ
ン接合とすることにより軸方向の圧縮力に抵抗せず、剛
接合とすることにより圧縮力に抵抗することができる。

第１０図（ａ）、（ｂ）は建物の最下階について、中央
の長期荷重用柱１５の両側に３ピン構造の可変剛性材１
を地震時用柱として配した例で、地震の特性に応じて中
央のピン接合部２を拘束したり、拘束解除したりして、
建物の剛性を変える。

図中１６はプレースまたは耐震壁である。

〔発明の効果〕

■　部材中のピン接合部を拘束材により拘束状態と拘束
解除状態との間で可変としであることにより、ピン接合
部をピン接合と剛接合との間で自由に変換でき、部材の
剛性を変えることができる。

■　コンピューター等で、建物架構に用いた可変剛性材
の剛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。

■　拘束材や駆動装置を必要とする以外は、特に大きな
断面を必要とせずに、建物の安全性を高めることができ
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】

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はそれぞれこの発明の基
本構造を示す正面図、拘束状態の断面はおよび拘束解除
状態の断面図、第２図（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ一実施
例の正面図、拘束状態の断面図、その平面図、拘束解除
状態の断面図、およびその平面図、第６図および第４図
はそれぞれ拘束手段の変形例を示す断面図、第５図（ａ
）〜（Ｃ）および第６図（ａ）〜（ｆ）は使用状態にお
ける力学機構の変化を示す説明図、第７図（ａ）はモー
メント柱への適用例を示す正面図、第７図（ｂ）〜（ｄ
）は曲げモーメント図、第８図（ａ）〜（Ｃ）は３ピン
構造への適用例を示す正面図、第９図はプレースへの適
用例を示す正面図、第１０図（ａ）、（ｂ）は建物下端
の軸力用柱に適用した場合の正面図である。 １・・可変剛性材、１ａ、１ｂ・・ピース、２・・ピン
接合部、３・・拘束材、４・・係止用腕部、５・・蝶番
、６・・係止突起、７・・サーボモーター、８・・連結
材、９・・磁石、１０・・ルーズホール、１１・・ばね
、１２１１＃柱、１６Ｉ１１１梁、１４＠・ピン、１５
拳−長期荷重用柱、１６・・プレースまたは耐震壁。 第１図 第２図 第３図　　　　第４図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２以上のピースを回転の支点となるピンを介して
   接合した長尺部材であり、一方のピースには他方のピー
   スの回転を拘束するための拘束材および該拘束材を拘束
   状態と拘束解除状態の間で可動とする駆動装置を設けて
   あることを特徴とする建物架構の可変剛性材。
2. （２）一方のピースには他方のピースの回転方向を限定
   するための係止用腕部を設けてある特許請求の範囲第１
   項記載の建物架構の可変剛性材。
3. （３）拘束材は前記腕部に可変剛性材と直角方向に取り
   付けた１対の挟持部材からなり、駆動装置により開閉し
   て他方のピースを解放、拘束する特許請求の範囲第２項
   記載の建物架構の可変剛性材。