JPH0742734B2 - 建造物の水平変位自動制御機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主として地震や風等の外力が作用したときに
建造物に生じる水平変位による変形及び捩れを出来るだ
け少なくすると共に建造物の固有周期を短縮せしめるこ
とも出来る建造物の水平変位自動制御機構に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来、地震に対して建造物の変形を小さくする方法とし
ては、建造物のフレーム構造に粘りを持たせてフレーム
の変形により地震エネルギーを吸収させる方法や、建造
物内に耐震壁をバランス良く配置してこの耐震壁のふん
ばりで変形を小さくする方法が一般的であつた。

そして最近では、建造物の固有周期を変えることにより
地震入力を小さくする免震構造や、建造物に何らかの装
置を組み込むことによつて地震入力を減衰させる制震構
造が知られている。しかしながら、これらはいずれも実
施が困難であつたり外力に対して建造物の変形を充分に
抑制出来なかつたりする理由で満足なものとは言えな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は比較的簡単に実施し得て主として地震や風等の
外力に対して建造物の水平変位による変形及び捩れを充
分に小さくすることが出来るように、更には建造物の固
有周期も短縮できるように建造物の水平変位自動抑制機
構を新規に構成することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は種々検討した結果、建造物の構造を維持する
柱や壁等の縦フレームの複数個所で該縦フレーム内に下
端を固定して鉛直にアンボンドに設置した張力付与材の
該縦フレームから上方への突出部に弾性体又はアクチユ
エーターを装着し、該縦フレームに対するその加圧力で
プレストレス状態にすることによつて上記課題を解決出
来ることを究明して本発明を成した。

以下、本発明に係る建造物の水平変位制御機構を図面に
よつて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る建造物の水平変位制御機構の１例
を模式的に示す説明図、第２図，第３図及び第４図はそ
れぞれ第１図中のＡ部を具体的な例で示す拡大図、第５
図は制御作用の説明図、第６図は突出部の長さが変わる
ことなく水平変位したと仮定した場合の突出部の拡大説
明図、第７図は第５図の突出部の拡大説明図である。

本発明に係る建造物の水平変位自動制御機構は、建造物
の構造を維持する柱や壁等の縦フレームの複数個所に、
次のような状態に張力付与材が設置されて構成されてい
るのである。すなわち第１図に示す如く、縦フレームの
複数個所（図例は２個所）に張力付与材１が縦フレーム
中にその下端1aを固定されて鉛直方向にアンボンドに設
置されており、張力付与材１の上部は縦フレーム２の上
端から上方に突出しており、そしてこの突出部分に更に
圧縮可能に装着された圧縮された弾性体４の弾性力によ
つてプレストレスが縦フレームに付与された状態にある
のである。

本発明において張力付与材１とは、JIS G 3536「PC鋼
線及びPC鋼より線」やJIS G 3109「PC鋼棒」に適合す
るもののみならず、それらと同等以上の品質を持つたも
のであれば良い。

縦フレームは第１図に示す如く複数の柱２及び／又は壁
３から成る場合が多く、この場合張力付与材１は柱２中
に設置されるのが一般的であるが、柱のない壁構造の建
造物の場合は壁３中に設置される。

弾性体４は張力付与材１の上端の突出部に装着されてお
り、そしてその装着状態は水平方向に縦フレームに変位
が起つていない状態でその弾性力が作用して縦フレーム
にプレストレスを付与しているのであるからこの状態で
既に圧縮されているのであり、また後記するすように建
造物が水平変位したときに更に圧縮可能でなければ制御
作用は起らないのである。このような弾性体４としては
種々あるが、例えば第２図に示す如きコイルばね４′や
第３図に示す如きゴム体４″が示される。弾性体４の装
着方法は、例えば第２図，第３図の示す如く張力付与材
１の突出部に弾性体４をワツシヤ５で挟んだ状態に外挿
してナツト６で締め付ければ良い。

本発明においては、弾性体４の代わりに第４図に示す如
き縦フレーム上端の変位及び／又は荷重をセンサー及び
／又はロードセル7aで感知してその変位を小さくするよ
うにその加圧力を自動的にコントロールするアクチユエ
ーター７を張力付与材１の突出部に装着しても良い。こ
の場合、図例の如く張力付与材１の２本を１組にして設
置するのがアクチユエーター７の装着を容易に出来るの
で好ましい。

張力付与材１が縦フレーム中に下端を固定されてアンボ
ンドに設置された状態においては、一般に縦フレーム中
に設けられたシース（鞘）（図例ではすべて図示省略）
内に張力付与材１がプレストレスを付与されて設置され
ており、シース内に適度な軟度を持つアンボンド部材
（図例ではすべて図示省略）が防錆のために封入されて
いる。従つて縦フレームの伸縮は、縦フレーム中にアン
ボンドに設置された張力付与材１に直接には影響される
ことはなく、その突出部に設けられた弾性体４又はアク
チユエーター７の弾性力又は加圧力によつて影響され
る。

上記のように張力付与材１を設置する複数の個所を建造
物の何処にするかは、当該建造物全体の形状や柱2,壁３
の配置等の構成に即して次に説明する作用が有効に働く
ように定める。

〔作用〕

第１図に示すように壁３及びそれを挾んで隣接する２本
の柱2,2′から成る縦フレームの各柱2,2′にそれぞれ張
力付与材1,1′が前記説明のように設置されて成る水平
変位自動制御機構を例にして、外力がこの柱2,2′間の
面すなわち壁３の面に沿つて水平に作用する場合の水平
変位自動制御作用を説明する。

本発明に係る建造物の水平変位自動制御機構の制御原理
は、建造物に水平方向に外力が作用すると上下方向に変
位が生じるが、この上下方向の変位を小さく抑えること
によつて水平方向の変位や捩れを小さくし、それによつ
て建造物の変形を極力小さくとどめると共に建造物の固
有周期を短縮せしめようとするものである。

いま、水平変位のない正常な状態について考察すると、
第１図に示す如く張力付与材１の突出部に装着された弾
性体４によつて縦フレームの柱2,2′のそれぞれは均等
に加圧されてδ_１だけ縮小し、プレストレス状態にあ
る。そこに水平方向の外力（水平力）Ｆが作用すると、
縦フレームの上部がそれぞれ程度を異にして水平方向に
変位する。すなわち、一方の柱２の上端は上方に変位
し、他方の柱２′の上端は下方に変位して建造物は変形
する。このような変形は、水平方向の変位を上部のみの
変位として第５図のように相対的に示すことが出来る。

いま仮に上記の如く柱2,2′の上端が上下に変位しても
張力付与材1,1′の突出部の長さｌが第６図に示す如く
変わらず従つて弾性体４の弾性力による縦フレームへの
加圧力も柱2,2′間で変わらないとすれば、柱２及び
２′の各上端の上下方向の変位は弾性体４からはその加
圧力による差が生じるようには影響されることなく現わ
れ、柱２ではδ_２′だけ上方に変位して引張り状態に、
また柱２′ではδ_３′だけ下方に変位して圧縮状態にな
る。この変位δ_２′とδ_３′とは一般にほぼ等しい。

しかしながら本発明においては、弾性体４が装着された
張力付与材1,1′は下端を固定されてアンボンドに柱2,
2′中に設置されているので、第７図に示す如く柱2,2′
の各上端が上下方向に変位しても、張力付与材１の上端
はほとんど変位しない。そのため、柱２の引張り側では
柱２の上端が上方に変位しようとするのに対して、張力
付与材１の突出部が短くなつて弾性体４を更に圧縮して
柱２への加圧力を高めてその変位量をδ_２′よりは小さ
いδ_２にとどめさせ、また柱２′の圧縮側では柱２′の
上端が下方へ変位しようとするのに対して、張力付与材
１′の突出部が長くなつて弾性体４の圧縮度を低くして
柱２′への加圧力を弱めてその変位量をδ_３′よりは小
さいδ_３にとどめさせる。このように、柱2,2′の各上
端の上下方向の変位量δ_２，δ_３を小さくとどめさせる
ことは、すなわちそれだけ水平方向への変位を小さくさ
せることになり、従つて建造物の変形や捩れを小さくす
ることが出来るのである。そしてこのように建造物の変
形や捩れを小さくすることが出来ることは、言わば建造
物の剛性が大きくなつたのと同様の効果を発揮すること
になるので水平力による建造物の応答を小さくして建造
物の固有周期を短縮させる作用を発揮するのである。上
記作用は弾性体４の代わりにアクチユエーター７を使用
する場合でも、センサー及び／又はロードセル7aが柱2,
2′変位及び／又は荷重を感知してその変位を小さくす
るようにアクチユエーター７が圧力を自動的にコントロ
ールするので、弾性体４を使用するのと同様に作用する
のである。

弾性体４の物性として重要な弾性力をどのように選ぶか
は次の考え方を基礎とする。すなわち、縦フレーム上端
の変位の発生に関与する力としては、柱２の引張り側で
は弾性体４による下向きの加圧力↓P₁（矢印は力の作用
方向を示す。以下同じ），建造物の重量による下向きの
軸力↓P₂，及び水平力Ｆによる上向きの引張り力↑P₃で
あり、これらの合計すなわち↓P₁＋↓P₂＋↑P₃が極力小
さくなるように、つまり柱２の変位δ_２が小さくなるよ
うに↓P₁すなわち弾性体４の加圧力を選ぶのである。柱
２′の圧縮側では上記において力P₃は下向きに作用する
ので力P₁が下向きに作用する以上、↓P₁＋↓P₂＋↓P₃を
零には出来ないが、前記の如く張力付与材１′の突出部
が長くなることによつて圧縮力を弱めるので実用上充分
に効果のある制御を行うことが出来るのである。従つて
弾性体４の弾性力は引張り側を基準に選ぶが、それには
建造物の重量等の個々の建造物の構成が選定資料とな
る。

なお、縦フレームが引張り状態になつたときに張力付与
材１が過度に緊張して降伏点（耐力）以上に伸長してし
まうことを避けるためには、弾性体４として張力付与材
１の降伏荷重以下の降伏荷重を有する素材を使用すれば
良く、弾性体４の代わりにアクチユエーター７を使用す
る場合にはセンサー及び／又はロードセル7aが柱2,2′
変位及び／又は荷重が所定量以上になつたことを感知し
た際にその作動を開放するように設定しておくことによ
り対処できる。これによつて張力付与材１の破壊を防止
し、弾性体４を使用する場合には弾性体４を交換するだ
けで、またアクチユエーター７を使用する場合にはその
まま永く制御作用を行わせることが出来る。

〔発明の効果〕

以上詳述した如き本発明に係る建造物の水平変位制御機
構は、建造物の縦フレーム内の複数の個所で下端を固定
し鉛直方向にアンボンドに設置した張力付与材の縦フレ
ームから上方へ突出した部分に弾性体又はアクチエータ
ーを設けて縦フレームへのその加圧力によりプレストレ
スを付与した状態としたことにより、外力により水平変
位が生じて建造物を変形させようとするときにその変形
及び捩れを小さくさせるように上記加圧力の増減が縦フ
レームの引張り側と圧縮側とで互に逆に起ることにより
水平変位を自動的に制御して変形を小さくすることが出
来るのであり、そしてこのように建造物の変形や捩れを
小さくすることが出来ることは言わば建造物の剛性が大
きくなつたのと同様の効果を発揮することになるので水
平力による建造物の応答を小さくして建造物の固有周期
を短縮させることに繋がるのであつて、この固有周期の
短縮程度は建造物の完成後においても張力付与材に付与
するプレストレスの大きさによつて容易に調整できる利
点も有している。そしてこのような制御機構を設置する
ことは容易であり、本発明は建築分野に貢献するところ
の非常に大きなものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る建造物の水平変位制御機構の１例
を模式的に示す説明図、第２図，第３図及び第４図はそ
れぞれ第１図中のＡ部を具体的な例で示す拡大図、第５
図は制御作用の説明図、第６図は突出部の長さが変るこ
となく水平変位したと仮定した場合の突出部の拡大説明
図、第７図は第５図の突出部の拡大説明図である。 図面中 1,1′……張力付与材 1a……下端 2,2′……柱 ３……壁 ４……弾性体 ４′……コイルばね ４″……ゴム体 ５……ワツシヤ ６……ナツト ７……アクチユエーター 7a……ロードセル δ_１……正常な場合の弾性体の加圧力による縮小分 δ_２，δ_３……水平変位があつた場合の縦フレームの引
張り側及び圧縮側の上下方向変位長 δ_２′，δ_３′……水平変位があつて縦フレームの引張
り側及び圧縮側の張力付与材の突出部の長さが変位前と
変らないと仮定したときのそれぞれの側の上下方向変位
長

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外力が作用した際に建造物の上部と下部と
   の間に生じる差のある水平変位による変形を小さくする
   ための自動制御機構であつて、建造物の縦フレームの複
   数個所において張力付与材（１）が該縦フレーム内に下
   端（1a）を固定されて鉛直方向にアンボンドに設置され
   ていて該縦フレーム上端から上方に突出した突出部分に
   更に圧縮可能に装着された弾性体（４）の弾性力によつ
   て該張力付与材（１）にプレストレスが付与された状態
   にあることを特徴とする建造物の水平変位自動制御機
   構。
2. 【請求項２】弾性体（４）として張力付与材（１）の降
   伏荷重以下の降伏荷重を有する素材を使用する請求項１
   に記載の建造物の水平変位自動制御機構。
3. 【請求項３】弾性体（４）に代えて、フレーム上端の変
   位及び／又は荷重を感知してフレームへの圧力を自動的
   にコントロールするアクチエーター（７）が装着されて
   いる請求項１に記載の建造物の水平変位自動制御機構。