(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主構造物に対し、主構造物とは別に設けた付属構造物と、前記主構造物と付属構造物を連結する制震装置と、前記主構造物の応答速度を検出するセンサと、前記付属構造物の応答速度を検出するセンサと、振動時の前記主構造物と付属構造物の速度変化に基づいて前記制震装置を作動させ、付属構造物に入力されるエネルギー伝達を制御する制御手段を設け、振動時の前記主構造物と前記付属構造物の速度変化のみに基づいて前記制震装置を作動させ、前記付属構造物の動特性を最大限に利用し付属構造物に入力されるエネルギー伝達を極大化するように制御することで主構造物の振動を抑制する方法であり、前記制震装置が前記主構造物と付属構造物の接続状態を相対的なロック状態とアンロック状態の少なくとも２段階以上に切り替えることができる装置であり、前記ロック状態とアンロック状態の切り替えを、以下のロック条件およびアンロック条件に基づいて行うことを特徴とする構造物の制震方法。
Ａ．ロック条件：以下の(1) 〜(3) の全条件を満足する場合
(1) Ｖ1(t)・（Ｖ1(t)−Ｖ2(t)）＞０
(2) Ｖ1(t)・Ｖ1(ｔ−Δｔ）＞０
(3) Ｖ1(t)−Ｖ2(t)≦Ｖc1
ここで、
Ｖ1(t)：主構造物の速度
Ｖ2(t)：付属構造物の速度
Ｖc1 ：速度の単位を持つある定数
Ｂ．アンロック条件：上記(1) 〜(3) の何れかの条件を満足しない場合
【請求項２】
前記主構造物の応答速度を検出するセンサおよび前記付属構造物の応答を検出するセンサが、それぞれ主構造物の頂部および付属構造物の頂部に設置され、これらのセンサおよび地盤などの基準点に設置したセンサから送信された情報を基に、付属構造物に入力されるエネルギー伝達を制御する請求項１記載の構造物の制震方法。
【請求項３】
前記主構造物の応答速度を検出するセンサおよび前記付属構造物の応答を検出するセンサが、それぞれ前記制震装置の両端に設けられ、これらのセンサおよび地盤などの基準点に設置したセンサから無線により送信された情報を基に、付属構造物に入力されるエネルギー伝達を制御する制御手段が制震装置に内蔵されている請求項１記載の構造物の制震方法。
【請求項４】
前記付属構造物に付属構造物の振動数を調節するための重りを付加した請求項１〜３の何れかに記載の構造物の制震方法。
【請求項５】
前記主構造物と付属構造物を連結する制震装置を、主構造物の高次振動モードの節近傍に設置した請求項１〜４の何れかに記載の構造物の制震方法。
【請求項６】
前記付属構造物に付属構造物の減衰能力を高めるためのダンパを設置した請求項１〜５の何れかに記載の構造物の制震方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、制震装置を能動的に制御し、主構造物とは別に設けた付属構造物へのエネルギー伝達を付属構造物の動特性を利用することで極大化する制御を行う構造物の制震方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、構造物間または主構造物と付属構造物との間に制震装置を設置して制震装置を能動的に制御して構造物の応答を低減する制震方法が幾つか出願されている。
【０００３】
例えば、特開平１０−１３１５４４号公報には、既存の主構造物から独立した構面または架構を設置し、それらの間に設置した制震装置により能動的に既存の主構造物を制震するようにした制震構造物が記載されている。
【０００４】
また、特開平１１−２３０２５２号公報には、柱梁架構内にブレースなどの耐震要素を設置し、その耐震要素の動特性を利用して構造物の振動エネルギーを耐震要素に伝達する制震構造物および可変減衰装置が記載されている。
【０００５】
この他、特開２００１−１２３６９６号公報には、複数の構造物間または主構造物と別途に設けた付属構造物の間に制震装置を設置し、構造物の振動エネルギーを他の構造物や付属構造物に伝達する制震方法が記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来、付属構造物を利用して主構造物の振動を低減する考え方は示されているが、例えば特開平１１−２３０２５２号公報記載のものでは、高振動数であるブレースの振動を制御する必要があり、実現するためには非常に高速で切り替わる制震装置を必要とする。
【０００７】
また、特開２００１−１２３６９６号公報記載のものでは、振動エネルギーを主構造物から他の構造物や付属構造物に伝達する制震方法が記載されているが、エネルギー伝達を効率的にかつ確実に行うにはどのようにすべきかという点で十分とは言えず、解決すべき課題が残っている。
【０００８】
本願発明は、このような背景のもとに発明されたものであり、主構造物から付属構造物へのエネルギー伝達において、付属構造物の動特性を最大限に利用できる構造物の制震方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る構造物の制震方法は、主構造物に対し、主構造物とは別に設けた付属構造物と、前記主構造物と付属構造物を連結する制震装置と、前記主構造物の応答速度を検出するセンサと、前記付属構造物の応答速度を検出するセンサと、振動時の前記主構造物と付属構造物の速度変化に基づいて前記制震装置を作動させ、付属構造物に入力されるエネルギー伝達を制御する制御手段を設け、振動時の前記主構造物と前記付属構造物の速度変化のみに基づいて前記制震装置を作動させ、前記付属構造物の動特性を最大限に利用し付属構造物に入力されるエネルギー伝達を極大化するように制御することで主構造物の振動を抑制する方法である。
【００１０】
本願発明における最終的な制御の対象は、制震装置自体が発生する減衰力や制震装置によるエネルギー吸収ではなく、付属構造物に入力されるエネルギー伝達であり、主構造物に対する制震効果は付属構造物の動特性に大きく左右されることになり、付属構造物の動特性を最大限に利用すれば、エネルギー伝達を極大化し、コンパクトな制震装置で大きな制震効果を得ることができる。
【００１１】
また、エネルギー伝達を制御する上で、主構造物と付属構造物の速度変化のみを用いることで、制御則が簡略化されセンサの配置等についても効率の良い配置が可能となり、制震における高い安定性が得られる。
【００１２】
この請求項１に係る発明は、さらに、前記制震装置が前記主構造物と付属構造物の接続状態を相対的なロック状態とアンロック状態の少なくとも２段階以上に切り替えることができる装置であり、前記ロック状態とアンロック状態の切り替えを、以下のロック条件およびアンロック条件に基づいて行うことを特徴とするものである。
【００１３】
Ａ．ロック条件：以下の(1) 〜(3) の全条件を満足する場合
(1) Ｖ1(t)・（Ｖ1(t)−Ｖ2(t)）＞０
(2) Ｖ1(t)・Ｖ1(ｔ−Δｔ）＞０
(3) Ｖ1(t)−Ｖ2(t)≦Ｖc1
ここで、
Ｖ1(t)：主構造物の速度
Ｖ2(t)：付属構造物の速度
Ｖc1  ：速度の単位を持つある定数
【００１４】
Ｂ．アンロック条件：上記(1) 〜(3) の何れかの条件を満足しない場合
請求項１に係る発明は、例えば図１に示す解析モデルにおいて、
ｍ1 ：主構造物の重量（＝９８００ｔを想定）
ｍ2 ：付属構造物の重量
ｈ1 ：主構造物の減衰定数＝（２％を想定）
ｈ2 ：付属構造物の減衰定数
ｆ1 ：主構造物の固有振動数（＝１Ｈｚを想定）
ｆ2 ：付属構造物の固有振動数
Ｘ1 ：主構造物の変位（Ｖ1 ：速度、Ａ1 ：加速度）
Ｘ2 ：付属構造物の変位（Ｖ2 ：速度、Ａ2 ：加速度）
とし、減衰係数Ｃを可変とした油圧式可変ダンパで主構造物と付属構造物を連結するものとして導くことができる。なお、制震装置が可変ダンパでなく、可変剛性装置である場合等も同様に考えることができるが、ここでは制震装置が油圧式可変ダンパである場合を想定して説明する。
【００１５】
(1) の条件は、主構造物に対して付属構造物が与える減衰力の方向が、主構造物の現在の速度方向に対して反対方向であることを保証するものである。これにより主構造物の安定性が保証される。
【００１６】
(2) の条件は、主構造物の速度が反転しないこと、つまり主構造物の変位が増加中であることを表す。
【００１７】
(3) の条件は、主構造物と付属構造物の相対速度が非常に小さいこと、つまりロック動作における衝撃力が小さいことを保証するものであり、主構造物の重量や減衰定数、固有振動数等を上記のように設定した場合において、例えばＶc1＝１ｃｍ／ｓといった数値が入る。
【００２２】
請求項２は、請求項１に係る構造物の制震方法において、前記主構造物の応答速度を検出するセンサおよび前記付属構造物の応答を検出するセンサが、それぞれ主構造物の頂部および付属構造物の頂部に設置され、これらのセンサおよび地盤などの基準点に設置したセンサから送信された情報を基に、付属構造物に入力されるエネルギー量を制御することを特徴とするものである。
【００２３】
１次モードに対する制御としては、センサを構造物の頂部に設置するのが最も効率がよく、制震装置も頂部に設置することで必要な配線等を最小限に抑えることができる。また、地表部との相対速度を求めるためには地盤などの基準点にもセンサを設置する必要があるが、基準点のセンサについては情報を制震装置に無線で送るようにすることで、全体としての配線設備等を大幅に軽減し、制震装置やセンサなどの装置をコンパクトに納めることができる。
【００２４】
請求項３は、請求項１に係る構造物の制震方法において、前記主構造物の応答速度を検出するセンサおよび前記付属構造物の応答を検出するセンサが、それぞれ前記制震装置の両端に設けられ、これらのセンサおよび地盤などの基準点に設置したセンサから無線により送信された情報を基に、付属構造物に入力されるエネルギー量を制御する制御手段が制震装置に内蔵されていることを特徴とするものである。
【００２５】
この場合、制震のための情報が制震装置３部分で全て完結するため、外部への配線の必要がなく、コンパクトな制震システムを実現することができる。
【００２６】
請求項４は、請求項１〜３に係る構造物の制震方法において、前記付属構造物に付属構造物の振動数を調節するための重りを付加したことを特徴とするものである。
【００２７】
重りによって付加構造物の振動数を調整することで、制震装置の応答性能を過剰に上げることなく付属構造物の動特性を効果的に利用することができる。
【００２８】
請求項５は、請求項１〜４に係る構造物の制震方法において、前記主構造物と付属構造物を連結する制震装置を、主構造物の高次振動モードの節近傍に設置したことを特徴とするものである。
【００２９】
制震装置の設置高さを節位置近傍とすることで、高次振動による制御上の悪影響を低減し、エネルギー伝達を効率的に行うことができる。
【００３０】
請求項６は、請求項１〜５に係る構造物の制震方法において、前記付属構造物に付属構造物の減衰能力を高めるためのダンパを設置したことを特徴とするものである。
【００３１】
付属構造物を構成するブレース架構等の一部にダンパを設置することで、付属構造物の地震時の高次振動を抑制し、付属構造物の安定性を確保することができ、また加速度応答値などの低減も可能となる。
【００３３】
この他、以上の各構成において、センサ、制震装置および制御コンピュータ等、全てをアナログ回路により構成すれば、デジタル化することによるＡ／Ｄ変換を省き、コストダウンを達成することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図２は、本願の請求項１、２、４に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものである。
【００３５】
この例では、矩形断面の主構造物１の外部各面にブレース架構を構成する付属構造物２を配置し、主構造物１と各付属構造物２とを主構造物１の頂部位置で制震装置３を介して連結している。図中、符号１ａおよび１ｂはそれぞれ主構造物１の柱および梁を、符号２ａ、２ｂおよび２ｃはそれぞれ付属構造物２の柱、梁、ブレースを示している。
【００３６】
主構造物１の頂部には速度センサ４ａが設置され、地震や風による主構造物１頂部の応答速度を検出する。また、各付属構造物２にも速度センサ４ｂが設置され、付属構造物２の応答速度を検出する。
【００３７】
さらに、基準点となる地盤面などにも速度センサ４ｃが設置され、地震時等の基準点の振動速度を検出し、主構造物１および付属構造物２に設置したセンサ４ａ，４ｂとともに、基準点に対する構造物の相対速度が算定できるようになっている。
【００３８】
本実施形態では、主構造物１側のセンサ４ａ、付属構造物２側のセンサ４ｂ、制震装置３および制御コンピュータ５により構成される制震システムが構造物頂部に集中して設置されており、１箇所のみ離れたところに設置している基準点のセンサ４ｃの速度情報を無線により受信することで、必要な配線設備を最小限に抑えることができる。
【００３９】
また、付属構造物２の頂部近傍にＲＣ壁２ｄを重りとして設置し、この重りによって振動数を調整している。これにより、制震装置３の応答性能を過剰に上げることなく付属構造物２の動特性を利用することができる。
【００４０】
図３は、本願の請求項５に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、基本的な構成や制震方法は図２の実施形態の場合と同様である。
【００４１】
この例では、制震装置３の設置高さを高次モードの節位置近傍（図の例は２次モードの節と３次モードの一方の節近傍）とすることで、高次振動による制御上の悪影響を低減し、エネルギー伝達を効率的に行うことができる。
【００４２】
図４は、本願の請求項６に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、基本的な構成や制震方法は図２、図３の実施形態の場合と同様である。
【００４３】
この例では、付属構造物２を構成するブレース架構の一部にダンパ２ｅなどの減衰部材を設置することで、付属構造物２の地震時の高次振動を抑制し、付属構造物２の安定性確保を果たすことができる。
【００４４】
また、それにより、加速度応答値などの低減がさらに図れる場合がある。その例として、地震波入力による応答最大加速度を比較して図５に示す。図５は、主構造物の剛性に対する付属構造物の剛性の比（剛性比）を０．５とした場合において、主構造物の１次固有振動数に対する付属構造物の１次固有振動数の比（振動数比）をパラメータとして２、３、４に設定した解析ケースを示している。
【００４５】
付属構造物の減衰として、通常の架構を想定した１％と、ダンパにより減衰性能を高めた５％の２種類を比較した。振動数比２、４において、ダンパにより減衰性能を上げた架構では、通常の架構に対して、応答最大加速度をさらに低減できていることが分かる。
【００４６】
図６は、本願の請求項３に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、基本的な構成や制震方法は図２〜図４の実施形態の場合と同様である。
【００４７】
この例では、主構造物１側の速度センサ４ａと付属構造物２側の速度センサ４ｂを制震装置３の両端に設置し、これらの速度センサ４ａ，４ｂからの情報と、地盤などの基準点に設置した速度センサ４ｃから無線により送信された情報をもとに、内蔵されたコンピュータ３ｅにより制御指令を作成し、付属構造物２へのエネルギーの伝達を制御する。
【００４８】
図６(c) に示されるように、制震装置３部分で全て完結するため、外部への配線の必要がなく、コンパクトな制震システムを実現することができる。
【００４９】
なお、図６(c) における符号３ｄは装置部の変位を検出する変位センサであり、この変位センサによる変位を微分して、制御に用いる速度を決めることもできる。このように、変位センサ３ｄを用いることで、制御を行ないながら制震装置３の異常検知も同時に行うことができる。また、この場合には、付属構造物２側の速度センサ４ｂは不要となる。
【００５０】
本願発明に用いる制震装置３としては、油圧シリンダによる油圧式可変オイルダンパや摩擦抵抗を利用した摩擦式可変ダンパ、その他部材または構造物の構成要素どうしの連結状態を切り替える可変剛性装置などを用いることができる。
【００５１】
図７の油圧式可変ダンパ１１は、左右シリンダ室１４を結ぶ制御弁１６を開閉することで、減衰係数を最大、最小に変化させるものである。
【００５２】
図８の摩擦式可変ダンパ２１は、挟み板２３をブレーキパッド２４によりアクチュエータ２２を用いて挟むことで、ロック、アンロックの状態を実現するものである。
【００５３】
図９は、油圧式可変ダンパを用いた場合の制震装置の減衰力と主構造物の変位の関係を示したものである。
【００５４】
アンロック状態では減衰力の急激な減少の後、アンロック状態での有限な最小減衰係数の影響により減衰力の増加が生じる。このように、同様の制御を行っても制震装置の機構の違いにより、復元力特性に特徴が生じる。
【００５５】
【発明の効果】
本願発明では、制震装置を能動的に制御し、主構造物とは別に設けた付属構造物へのエネルギー伝達において、付属構造物の動特性を最大限に利用することができ、主構造物の振動を効率的にかつ確実に大きく低減することができる。
【００５６】
また、付属構造物の動特性を利用するものであるため、最小のシステム構成によるパッケージ化されたコンパクトな制震装置を実現し、低コストで扱いやすい能動型制震システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願発明の原理を説明するための解析モデル図である。
【図２】  本願発明に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、(a) は立面図、(b) は頂部平面図である。
【図３】  本願発明に係る構造物の制震方法の他の実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、(a) は立面図、(b) は振動モード形を示す図である。
【図４】  本願発明に係る構造物の制震方法のさらに他の実施形態における制震構造物を概略的に示した立面図である。
【図５】  図４の実施形態における付属構造物のダンパによる主構造物の応答低減効果を示すグラフである。
【図６】  本願発明に係る構造物の制震方法の一実施形態における制震構造物を概略的に示したものであり、(a) は立面図、(b) は頂部平面図、(c) は制震装置部分の配置図である。
【図７】  制震装置の一例としての油圧式可変ダンパの基本構造を示す図である。
【図８】  制震装置の一例としての摩擦式可変ダンパの基本構造を示す図である。
【図９】  本願発明に油圧式可変ダンパを用いた場合の減衰力−変位関係を示す履歴図である。
【符号の説明】
１…主構造物、１ａ…柱、１ｂ…梁、２…付属構造物、２ａ…柱、２ｂ…梁、２ｃ…ブレース、２ｄ…ＲＣ壁、２ｅ…ダンパ、３…制震装置（可変ダンパ）、３ａ…装置本体、３ｂ…主構造物側連結部、３ｃ…付属構造物側連結部、３ｄ…センサ、３ｅ…コンピュータ、４ａ…センサ（主構造物側）、４ｂ…センサ（付属構造物側）、４ｃ…センサ（基準点）、５…コンピュータ、１１…油圧式可変ダンパ、１２…シリンダ、１３…ピストンロッド、１４…シリンダ室、１５…油路、１６…制御弁、２１…摩擦式可変ダンパ、２２…アクチュエータ、２３…挟み板、２４…ブレーキパッド
【図１】
0004066232.tif 000002
【図２】
0004066232.tif 000003
【図３】
0004066232.tif 000004
【図４】
0004066232.tif 000005
【図５】
0004066232.tif 000006
【図６】
0004066232.tif 000007
【図７】
0004066232.tif 000008
【図８】
0004066232.tif 000009
【図９】
0004066232.tif 000010