JP2014105428A - 制振装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制振装置10は、柱梁架構20の梁12の下フランジ12F1の長手方向の端部に、伸縮面を重ねて固定され、下フランジ12F1を長さ方向に伸縮させる伸縮手段14と、梁12、又は梁12と接合された柱16A、16Bに伸縮面を重ねて固定され、梁12又は柱16A、16Bの伸縮量を検出する検出手段22と、検出手段22が検出した伸び量又は縮み量に基づき、伸縮手段14を伸縮させる制御手段24と、を有している。
【選択図】図1
Description
そこで、ダンパーを使用したコンパクトで経済性の高い制振装置が提案されている(特許文献1)。
即ち、鉄骨梁80の上フランジ84と鉄骨柱82のフランジ86が、接合金物88を用いてそれぞれ高力ボルト90で締結されている。
また、鉄骨梁80のウェブは、接合金物89で鉄骨柱82のフランジ86と接合されている。このとき、接合金物89には、ウェブが鉄骨柱82のフランジ86から離間する方向の挙動を拘束しない程度のルーズ孔が設けられており、鉄骨梁80のウェブが鉄骨梁80の材軸方向に滑れるように高力ボルト90で締結されている。接合金物89と鉄骨柱82のフランジ86の接合は、高力ボルト90で締結されている。
更に、鉄骨梁80の下フランジ85と鉄骨柱82のフランジ86は、地震エネルギを吸収するダンパー92を介して繋がれている。
この結果、構造が簡単で応答が速い制振装置を提供することができる。
この結果、鉄骨大梁又は鉄骨小梁に、振動と逆位相の変形を発生させる力を加えることができ、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の振動を抑制することができる。即ち、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の1つの端部に1つの制御系が形成され、構造が簡単で応答が速い制振装置を提供することができる。
これにより、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の鉛直振動を抑制することができる。
これにより、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の水平振動を抑制することができる。
これにより、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の鉛直振動を抑制することができる。なお、検出手段は、水平振動を検出することはできず、水平振動の抑制はできない。
これにより、制御手段は、第1検出手段と第2検出手段がいずれも同じ方向の変形(伸び又は縮み)を検出した場合には、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の両端部が鉛直振動を受けていると判断し、例えば、伸びが検出された時は、第1伸縮手段と第2伸縮手段がいずれも伸びを生じさせるよう制御して、下フランジを伸張させる。一方、縮みが検出された時は、第1伸縮手段と第2伸縮手段がいずれも縮みを生じさせるよう制御して、下フランジを縮小させる。
これにより、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の鉛直振動を抑制することができる。
これにより、鉄骨大梁又は鉄骨小梁の水平振動を抑制することができる。
この結果、鉄骨大梁の振動を抑制することができる。即ち、1つの接合部に1つの制御系を配置することができ、構造が簡単で応答が速い制振装置を提供することができる。
これにより、鉄骨大梁の鉛直振動を抑制することができる。
これにより、鉄骨大梁の水平振動を抑制することができる。
これにより、伸縮量を検出する専用の検出手段を別途設けなくても、同じ構成の伸縮手段だけで、外力による鉄骨大梁の変形を検出し、同時に鉄骨大梁の振動を抑制することができる。
図1の柱梁架構側面図に示すように、第1実施形態に係る制振装置10は、柱梁架構20の梁12の下フランジ12F1の長手方向の端部に、伸縮手段であるアクチュエータ14を取り付けた構成である。アクチュエータ14は、後述するように平板状に伸縮可能に形成され、伸縮面を下フランジ12F1の表面に重ね合わせて固定されている。
これにより、アクチュエータ14を伸縮させることにより、下フランジ12F1に伸縮力を加えることができる。
ここに、梁12は、H形鋼製の鉄骨大梁又は鉄骨小梁であり、柱16A、16BもH形鋼製とされている。梁12の上には、コンクリート製の床スラブ18が形成されている。なお、柱16A側の柱梁架構20に制振装置10を設けた場合について説明したが、柱16B側の柱梁架構21に制振装置10を設けてもよい。
一方、センサ22が上フランジ12F2の伸びを検出したときには、コントローラ24は、矢印R2で示す方向の外力が作用して、下フランジ12F1の端部は縮んでいると判断する。この結果、アクチュエータ14を、矢印S2で示す方向へ伸ばして、下フランジ12F1の端部を伸張させるよう制御する。
即ち、制御対象となる梁12の1つの端部に1つの制御系が形成され、構造が簡単で応答が速い制振装置10を、低コストで提供することができる。
図2(A)の側面図、(B)の平面図に示すように、リアクチュエータ14は、鋼板で形成された基板28の両側面に膜型圧電素子26を固着した構成である。膜型圧電素子26には、リード線122を介して電力が供給される。
図3(A)は、印加電圧と発生出力の関係を示す特性図である。横軸は印加電圧(V)であり、縦軸は発生出力(N)である。
実験に使用したリアクチュエータ14は、厚さ0.4mmの鋼板(基板)の両側面に、膜型圧電素子26を固着させた構成である。
実験結果は、特性PVで示すように、印加電圧(V)が正(特に鋼板の引張側)の範囲では、特性PVはほぼ直線となっており、印加電圧(V)に比例した発生出力(N)が得られていることが分かる。
実験は、図2に示す膜型圧電素子26にAC電圧を印加し、基板28の先端に取り付けた加速度ピックアップ130から検出される加速度信号と、印加電圧との位相差との関係を測定した。
なお、後述する実証実験を行い、アクチュエータ14に実用上の問題がないことを検証した。
先ず、梁12の伸縮量を検出するステップを実行する。即ち、梁12の上フランジ12F2に取り付けたセンサ22で、梁12の振動(歪量)を検出する。ここに、センサ22は、外力を受けて変形され、伸縮量に応じた電圧をリード線58でコントローラ24に出力する。
以上のステップを実行することにより、コンパクトなアクチュエータ14を用いて、梁12のアクティブ制振ができる。
図4の柱梁架構側面図に示すように、第2実施形態に係る制振装置30は、梁12の両方の端部に、それぞれ第1実施形態で説明した制振装置10を取り付けた構成である。第1実施形態との相違点を中心に説明する。
図4に示すように、柱16Aと梁12との柱梁架構20には、第1実施形態で説明した制振装置10と同じ構成の制振装置10Aが取り付けられている。また、柱16Bと梁12との柱梁架構21にも、第1実施形態で説明した制振装置10と同じ構成の制振装置10Bが取り付けられている。制振装置10Aと制振装置10Bは、それぞれ独立して制御する構成とされており、構成機器類は添え字A、Bで区別しているが、いずれも同じ機器類が使用されている。
図5の柱梁架構側面図に示すように、第3実施形態に係る制振装置34は、第2実施形態で説明した制振装置30における2つのコントローラ24A、24Bを、1つのコントローラ36にまとめた点において、第2実施形態と構成が相違する。相違点を中心に説明する。
例えば、伸びが検出された時は、コントローラ36は、梁12の両端部が矢印R2方向の変形をしていると判断して、第1アクチュエータ14Aと第2アクチュエータ14Bに、いずれも矢印S2方向の伸びを生じさせるよう制御して、下フランジ12F1を伸張させる。
例えば、柱梁架構20の第1センサ22Aで伸びが検出され、柱梁架構21の第2センサ22Bで縮みが検出された場合には、コントローラ36は、柱梁架構20では、矢印R2方向の変形が生じており、柱梁架構21では、矢印R1方向の変形が生じていると判断する。
図6の柱梁架構側面図に示すように、第4実施形態に係る制振装置40は、第1実施形態に係る制振装置10と、センサ23の設置場所が異なり、更に、アクチュエータ14Bが追加されている点において相違する。相違点を中心に説明する。
また、柱梁架構20には第1アクチュエータ14Aが固定され、柱梁架構21には第2アクチュエータ14Bが固定されている。第1アクチュエータ14Aと第2アクチュエータ14Bは、それぞれコントローラ42と、リード線59A、59Bでつながれている。
これにより、センサ23で梁12の上フランジの中央部の伸縮量が検出され、コントローラ42により、第1アクチュエータ14Aと第2アクチュエータ14Bが制御され、梁12の鉛直振動を打ち消すことができる。
他の構成は、第1実施形態に係る制振装置10と同一であり、説明は省略する。
図7の柱梁架構の側面図に示すように、第5実施形態に係る制振装置46は、第1実施形態で説明した制振装置10と、センサ22の取り付け位置が相違する。相違点を中心に説明する。
他の構成は、第1の実施の形態に係る制振装置10と同一であり、説明は省略する。
図8の柱梁架構の側面図に示すように、第6実施形態に係る制振装置50は、第5実施形態に係る制振装置46を、梁12の両端部(柱梁架構20と柱梁架構21)に取り付けた構成である。相違点を中心に説明する。
また、制振装置46Bにおいては、コントローラ48Bは、第2センサ22Bが検出した柱16Bの伸び量又は縮み量に基づいて、第5実施形態と同じ要領で、第2アクチュエータ14Bを伸縮させ、下フランジ12F1を伸縮させる。
図9の柱梁架構側面図に示すように、第7実施形態に係る制振装置54は、第3実施形態に係る制振装置34におけるセンサ22A、22Bを、それぞれ梁12の下フランジ12F1の両端部に移動させた構成である。相違点を中心に説明する。
また、コントローラ36は、第1センサ22Aが検出した伸び量又は縮み量に基づいて第2アクチュエータ14Bを伸縮させ、第2センサ22Bが検出した伸び量又は縮み量に基づいて、第1アクチュエータ14Aを伸縮させる。
これにより、コントローラ36は、第1センサ22Aと第2センサ22Bがいずれも同じ方向の変形(伸び又は縮み)を検出した場合には、梁12の両端部が鉛直振動を受けていると判断する。
一方、第1センサ22Aと第2センサ22Bが、いずれも縮みを検出した時には、第1アクチュエータ14Aと第2アクチュエータ14Bが、いずれも縮みを生じさせるよう制御して、下フランジ12F1を縮小させる。
これにより、梁12の鉛直振動を抑制することができる。
例えば、第1センサ22Aと第2センサ22Bの出力から、伸びが検出された側と反対側の端部の第1アクチュエータ14A又は第2アクチュエータ14Bを、縮みを生じさせるよう制御して下フランジ12F1を縮小させる。
一方、第1センサ22Aと第2センサ22Bの出力から、縮みが検出された側の端部の第1アクチュエータ14A又は第2アクチュエータ14Bを、伸びを生じさせるよう制御して、下フランジ12F1を伸張させる。
これにより、梁12の水平振動を抑制することができる。
図10(A)は制振装置実54の実証実験装置を示している。実証実験は、現在使用されている建物の一部を用いて行った。柱140の間に架けられたH形鋼製の大梁142と、大梁142の間に架けられたH形鋼製の小梁144で床152が支持された構成である。実証実験は、図10(B)に示すように、大梁142のスパンSP1、SP2が異なる2つの実験建物H1、H2を用いて行った。
また、4箇所のアクチュエータ148A、148B、148C、148Dのほぼ中央部には、床152の振動を検出する加速度センサ154が取り付けられている。加速度センサ154は、床152の上面に取り付けられている。
加速度振幅の実証実験は、実験建物H1を用い、加速度センサ154の近くに加振機156を設置し、加振機156で、床152を加振させた。加振は、振動数が8.5Hzの正弦波とした。実証実験は、制振装置54を使用していない場合と、制振装置54を使用した場合について、それぞれ加速度センサ154の出力を計測した。
実証実験結果から、制振装置54を使用していない場合は、加速度振幅の最大値が約±4.0(gal)であったものが、制振装置54を使用することで、加速度振幅の最大値が約±1.0(gal)となっている。即ち、加速度振幅の最大値が4分の1程度まで低下しており、大きな加速度振幅の抑制効果が見られた。本実施形態における振動抑制効果が検証されたといえる。
感覚補正加速度の実証実験は、実験建物H2を用いて、加速度センサ154の近くを被験者に歩行させ、歩行による床152の震動を測定した。なお、歩行振動には、多くの周波数成分が含まれているため、加速度計に感覚補正フィルターを取り付け、人間の感覚に反応し易い周波数成分(例えば振動数13.6Hz)を抽出した。
実証実験は、上記と同様に、制振装置54を使用していない場合と、制振装置54を使用した場合のそれぞれについて行った。
実証実験結果から、制振装置54を使用していないときは、感覚補正加速度の最大値が約±4.0(gal)であったものが、制振装置54を使用することで、感覚補正加速度の最大値が約±1.4(gal)となっている。即ち、加速度振幅の最大値が3分の1程度まで低下しており、大きな感覚補正加速度の抑制効果が見られた。本実施形態における感覚補正加速度の抑制効果が検証されたといえる。
図12の柱梁架構の側面図に示すように、第8実施形態に係る制振装置60は、第6実施形態で説明した制振装置50とは、コントローラ62を1つとした点において相違する。相違点を中心に説明する。
また、梁12の一方の端部と接合された柱16Aに伸縮面を重ねて固定された第1サンサ22Aと、梁12の他方の端部と接合された柱16Bに伸縮面を重ねて固定された第2センサ22Bとを有している。
コントローラ62は、第1センサ22A及び第2センサ22Bが検出した伸び量又は縮み量に基づいて、第1アクチュエータ14A、及び第2アクチュエータ14Bを伸縮させる。
一方、柱16A、16Bに縮みが検出された時は、コントローラ62は、第1アクチュエータ14Aと第2アクチュエータ14Bのいずれにも伸びを生じさせるよう制御して、下フランジ12F1を伸張させる。
これにより、梁12の鉛直振動を抑制することができる。
一方、コントローラ62は、縮みが検出された側の端部の第1アクチュエータ14A又は第2アクチュエータ14Aの伸縮を、縮みを生じさせるよう制御して、下フランジ12F1を縮小させる。
これにより、梁12の水平振動を抑制することができる。
他の構成は、第6実施形態に係る制振装置50と同一であり説明は省略する。
12 梁(大梁、小梁)
12F1 下フランジ
12F2 上フランジ
14 アクチュエータ(伸縮手段)
16 柱
20 柱梁架構
22 センサ(検出手段)
24 コントローラ(制御手段)
26 膜型圧電素子
27 伸縮面
28 基板
Claims (8)
- 柱梁架構の梁の下フランジの長手方向の端部に伸縮面を重ねて固定され、前記下フランジを長さ方向に伸縮させる伸縮手段と、
前記梁、又は前記梁と接合された柱に伸縮面を重ねて固定され、前記梁又は前記柱の伸縮量を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき、前記伸縮手段を伸縮させる制御手段と、
を有する制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁又は鉄骨小梁であり、
前記検出手段は、前記伸縮手段の上方で前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の上フランジに伸縮面を重ねて固定され、前記上フランジの伸縮量を検出する請求項1に記載の制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁又は鉄骨小梁であり、
前記伸縮手段は、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の一方の端部に伸縮面を重ねて固定された第1伸縮手段と、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の他方の端部に伸縮面を重ねて固定された第2伸縮手段とを有し、
前記検出手段は、前記第1伸縮手段の上方で前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の上フランジに伸縮面を重ねて固定され、前記上フランジの伸縮量を検出する第1検出手段と、前記第2伸縮手段の上方で前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の上フランジに伸縮面を重ねて固定され、前記上フランジの伸縮量を検出する第2検出手段とを有し、
前記制御手段は、前記第1検出手段及び前記第2検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき、前記第1伸縮手段及び前記第2伸縮手段を伸縮させる請求項1に記載の制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁又は鉄骨小梁であり、
前記伸縮手段は、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の一方の端部に伸縮面を重ねて固定された第1伸縮手段と、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の他方の端部に伸縮面を重ねて固定された第2伸縮手段とを有し、
前記検出手段は、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の上フランジの中央部に伸縮面を重ねて固定され、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の上フランジの伸縮量を検出し、
前記制御手段は、前記検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき、前記第1伸縮手段及び前記第2伸縮手段を伸縮させる請求項1に記載の制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁又は鉄骨小梁であり、
前記伸縮手段は、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の一方の端部の前記下フランジの下面に伸縮面を重ねて固定された第1伸縮手段と、前記鉄骨大梁又は鉄骨小梁の他方の端部の前記下フランジの上面に伸縮面を重ねて固定された第2伸縮手段とを有し、
前記検出手段は、前記第1伸縮手段が設けられた一方の端部の前記下フランジの上面に伸縮面を重ねて固定された第1検出手段と、前記第2伸縮手段が設けられた他方の端部の前記下フランジの下面に伸縮面を重ねて固定された第2検出手段と、を有し、
前記制御手段は、前記第1検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき前記第2伸縮手段を伸縮させ、前記第2検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき前記第1伸縮手段を伸縮させる請求項1に記載の制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁であり、
前記伸縮手段は前記鉄骨大梁の前記下フランジを伸縮させ、
前記検出手段は、前記鉄骨大梁との接合部であり前記柱の表面に伸縮面を重ねて固定され、前記柱の伸縮量を検出する請求項1に記載の制振装置。 - 前記梁は鉄骨大梁であり、
前記伸縮手段は、前記鉄骨大梁の前記下フランジの一方の端部に伸縮面を重ねて固定された第1伸縮手段と、前記下フランジの他方の端部に伸縮面を重ねて固定された第2伸縮手段とを有し、
前記検出手段は、前記鉄骨大梁の一方の端部と接合された前記柱に伸縮面を重ねて固定された第1検出手段と、前記鉄骨大梁の他方の端部と接合された前記柱に伸縮面を重ねて固定された第2検出手段とを有し、
前記制御手段は、前記第1検出手段及び前記第2検出手段が検出した伸び量又は縮み量に基づき、前記第1伸縮手段及び前記第2伸縮手段を伸縮させる請求項1に記載の制振装置。 - 前記伸縮手段は、平板状の基板と、前記基板の両側面に固着され印加電圧に応じて前記基板を伸縮させる膜型圧電素子と、を有し、前記検出手段は、平板状の基板と、前記基板の両側面に固着され前記基板の伸縮量に応じた電圧を出力する膜型圧電素子と、を有している請求項1〜7のいずれか1項に記載の制振装置。
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