kahen gosei seishin shisutemu no kaihatsu to jitsuyoka ni kansuru kenkyu

11. ￣二’“ 一 Ｗ７″ ．゛￣心. ＝･‘ﾐ￨. 稲田大. ｙ 壽 査 7:位論文（￨専士）.

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d･●■II･・I=回I･. 目. １. 第. 章. 緒. 論. １. １. ]．研究の目的 ︱ １. ２. 研究の位置づけ. ３. 論文の構成. 第１章の参考文献. 第２章. …………………………………………………. １. ……………………………………………. ２. …………………………………………………. ３. ……………………………………………………10. ＡＶＳシステムの構築と振動台実験…………………………16. ２ ２. １. はじめに. ２. 小型試験体による基礎実験 N N. り乙 り乙. (Ｎ Ｎ. ９︸ ９︼ り乙 ＱＪ. ２. ２. ……………………………………………………16. １. 小型試験体及び可変剛性機構. 2. 制震システムの構成. 3. 制御方法. 4. 振動台加振方法. 5. 実験結果. ︱. 9 CYD. ９乙 ９乙. ９０ ２. ２ ２ ３. …………………17. ……………………………18. …………………………………………21 …………………………………21. …………………………………………23. ３層試験体による振動台実験. ２. ………………………………17. ……………………………30. ３層試験体及び可変剛性装置. ２. 計測・制御装置. 3. 制御方法. 4. 振動台加振方法. 5. 実験結果. …………………30. …………………………………33. …………………………………………39 …………………………………40. …………………………………………40 ６. ２．４. まとめ. ………………………………………………………５ ８. 第２章の参考文献. ……………………………………………………５. ０ ６. 第３章. 可変剛性装置実機の動的加力実験. ………………………… ０ ６. はじめに. ……………………………………………………. ２. 可変剛性装置実機. ３. 実験方法. ０ ６. ９り Ｑり. １. ………………………………………… ４ ６. ３. ……………………………………………………. ’. ･･･.

５. 実験結果. ３．６. ……………………………………………………６. １. 一一Ｄ ΓＤ. CYyC. ５. ３. …………………………………………………６. ９. 実験の種類. ４. CY︶ 9. ４. アンロック特性. …………………………………69. ２. ロック特性. ………………………………………70. 3. 切り換え特性. ……………………………………79. まとめ. ………………………………………………………79. 第３章の参考文献. ……………………………………………………84. ５ ８. 第４章. ３層実建物への適用. ４．１. はじめに. …………………………………………. ……………………………………………………. 85 ５. ４．２. 適用建物とＡＶＳシステムの構成 １. ９一 ２. ４ ４. 適用建物 ２. ３. ４. ………………………８. …………………………………………８５. ＡＶＳシステムの概要. …………………………88. 建物加振実験によるＡＶＳシステムの特性. ……………９０. ４．３．１. 実験方法. …………………………………………９０. ４．３．２. 実験結果. …………………………………………92. ４．４. 地震観測. 96. ４．４．１. 地震観測方法. ４．４．２. 地震観測記録及びシミュレーション解析. ４．５. まとめ. ……９７. ………………………………………………………101. 第４章の参考文献. 第５章. ……………………………………９６. ……………………………………………………102. 高層建物を対象としたＡＶＳシステムの シミュレーション数値解析 ︱. ［Ｏ. ｒＤ ［−Ｄ. ２. ３. はじめに. ……104. ……………………………………………………104. AVSシステムの概要. ……………………………………105. 検討対象及び解析条件. ……………………………………１０５. ５．３．１. 対象建物モデル……………………………………１０５. ５．３．２. 可変剛性タイプ. ５．３．３. 入力地震波. …………………………………１０７. ………………………………………108.



マ』1.

第１章. 緒. 論. １. １. 研究の目的. ６千人以上の尊い生命と、経済的にも社会的にも甚大な被害をもたらした阪神淡路 大震災は､地震に対する建物や構造物の安全に関する社会の認識を大きく変化させた。 大地震に対して、人命を守ることができれば建物構造体にある程度の損傷を許容する という従来の耐震設計の基本的な考え方は、高度化、複雑化した現代の社会において は一様に容認し難い状況となっているのである。人命を守ることはもちろんのこと、 建物の種類によっては、地震後にも建物としての機能を維持し、社会活動を営むベー スとなる建物を守り、財産としての建物の被害を最小限にする等々、建物に求められ る安全の質が問われるようになっている。地震災害に対してこのような問題が社会的 論議の対象となるであろうことは、阪神淡路大震災に先立つ1983年に小堀1）が既に指 摘しているところである。 このような、建物の安全に関する新たな社会的要求を満たす最も有効な技術手段と して、小堀は1986年「制震構造」2）を提唱した。これは、建物の敷地に襲来するであ ろう地震動は、将来に渡り正確な予測の困難なものであるとの立場から、生起する地 震動に応じて建物の揺れを能動的（アクティブ）に制御する能力を建物白身に持たせ ようとするもの3）ヽ4）である。 本研究の目的は､大地震を対象とした能動的制震構造を実現する手段の一つとして、 非共振型の可変剛性制御を実現すべくＡＶＳシステム（Active. variable Stiffness. system、可変剛性制震システム、以下本システム）を実用システムとして開発し、そ の成立性と有効性を振動台実験他の各種実験、３層実建物への適用そしてシミュレー ション数値解析を通して明らかにすることにある。 建物の振動低減を目的とした能動的制御システムとしては、いわゆる付加質量型の AMD（Active. Mass Driver）や、HMD（Hybrid. Mass Damper）等があり、近年の. 旺盛な研究開発の努力が実り、そのいくつかは実用化され実際の建物にも適用5）、6｝ されている。しかしながら、これらシステムの制御対象は、主に強風や中小地震の揺 れを低減することを主な目的としているのが現状である。それは、外乱である地震動 か大きくなるに従い、また構造物の規模が大きくなるにつれ、システムを稼動する供. １.

給エネルギの面から、またシステムが大型化することによる機構Ｌの制約などから、 自ずと性能に限界があるためであり、現在も様々な観点からシステム改良の工夫7)-9) ゛が試みられている。 一方､大地震を対象とした能動的制御システムとりわけ実用化に関する研究は、１． ２に示す如くこれまで非常に限られており､建築構造にあって新しい取り組みとなる。 本研究では、大地震に対して実用的な制震システムを実現する上で重要な技術的課題 を効果的に解決することのできる可変剛性型の制震システムーＡＶＳシステムを対象 とする。これは、地震動に対し構造物の非定常非共振系を人為的に作り出して応答低 減を図る10)、11). ことを発想の原点としており、本研究では劇震装置を利用した非共. 振制御により実現する。制御方式として、構造物の剛性を切り換えることのみを手段 とするため、装置は剛性切り換えのトリガとしての役割を果たせば良いこととなり、 小エネルギで稼動する装置により劇震システムを構築することが可能となる。これは 大地震のような振動外乱に対して、建物のような大型構造物を制御する場合の実用上 の大きなメリットを生む。このような方式は、一般にセミアクティブ制御方式と呼ば れる。 本システムについては、建築構造物に適用可能な具体的システムとして実際に構築 した例はこれまでに見られない。そこで、本システムを実用システムとして開発し、 その成立性と有効性を振動台実験他の各種実験、３層実建物への適用そしてシミュレ ーション数値解析を通して明らかにすることとした。 なお、以降に使用する可変剛性制震システム、可変剛性機構、可変剛性装置を本論 文では以下のように使い分けている。 可変剛性劇震システム：センサ、地震動分析器、制御コンピュータ、可変剛性装置 等から構成される制震システム。 可変剛性機構：可変剛性装置とプレース等を接合し、可変剛性装置の切り換えによ り建物眉間の剛性を可変する機構。 可変剛性装置：プレース等と接合され、この接合状態を切り換える装置。なお、実 用装置としては、本論文の第３章に示すような油をシリンダに内封した可変剛性装置 (油封式可変剛性装置)を採用している。. ２.

１. ２. 研究の位置づけ. 大地震に対する構造物の応答を抑制しようとする制震構造のルーツは、1950年代の 小堀他による非線形振動論の研究12に15）にある。ここでは、構造物の復元力特性の 非線形化か、構造部材の塑性化に伴う履歴エネルギ吸収能力の増大や、構造物の周期 変動に伴う外乱との非共振化を生み、その応答を抑制する効果のあることが指摘され ている。さらに、構造物に人為的な復元力特性（可変剛性機能）を与えるなどして、 地震動との共振を避ける具体的な方法を提案している。 このような考察を基礎とし、小堀は大地震対応の制震システムとして、剛性や減衰 といった構造性能を可変にするいわゆる「構造性能可変型」のシステムが有効である ことを指摘16）している。そのうちの一つである「可変剛性型」制御に関しては、こ れまで幾つかの解析的な研究がなされている。池田他17）ヽ18）は、瞬間最適化手法に よる可変剛性制御則に基づき、剛性変化が連続な時間領域での制御に関し数値解析を 通してその特性を検討している｡その結果､評価関数の応答速度に重みを付けた場合、 構造物の復元力特性に履歴面積が生じ、付加減衰効果により地震動に対して安定した 効果が期待できることを示している。また、鎌形他19）-22）は、予測型適応制御並び に自律型適応制御と呼ばれる可変剛性システムを提案し、数値解析により効果を検討 している。前者は、地震動か予測できると仮定した上で可変剛性制御を行い、地雲外 乱に含まれる卓越周期成分の回避をねらったものであり、後者は、on-offによる2段階 の可変剛性制御がエネルギ吸収機構として作用し振動抑制効果のあることを示してい る。一方、那須他は非共振型の可変剛性制御法に関して、提案する制御法の各パラメ ータが制御効果に与える影響をシミュレーション解析により検討し、その特性と有効 性を示す23）と共に、本法を高層建物に適用した時の効果について主に非共振効果に 着目した数値解析検討24）-26）. を行っている。さらに、非共振応答の検知手法に関す. る新たな提案27）もなされている。このように、解析的あるいはシミュレーション解 析を主とした研究はいくつかあるものの、可変剛性制御を実現する実際の制震装置、 システムの構築に関する研究は見られない。従って、大地震に対する可変剛性制震シ ステムを実用に供するためには、まずこれを建築構造物を対象とした制震システムと して実際に構成し、その成立性と有効性を確認、検証する必要がある。 制震構造を実システムとして実現する上には、従来の振動制御技術の分野からする. ３.

と次のような特殊な問題がある。それは、対象である構造物が他の分野の制御対象に 比較して格段に大きいこと、そして振動外乱である地震動か不確定で非定常性が強く エネルギが巨大であることである。このような条件のもとで地震時の建物の応答をど のような機構、制御手法を用いて制御するかは、実用を目指した制震システムの実現 を図る上で非常に重要な課題となる。すなわち、いかに小さなエネルギかつ簡便な機 構で、上述のような課題を解決し得るシステムを構築できるかがポイントとなる。 このような観点から、可変剛性制震システムは先にも述べたように構造物の剛性切 り換えを手段とするため、制震装置は剛性切り換えのトリガとして役割のみを担えば 良く、機構を非常に単純化できる。本研究では、制震システムの要となる可変剛性装 置として最終的に油封式のon-off装置を開発し、これにより実用に向けた可変剛性制 震システムを実現した。この油封式可変剛性装置（以下、装置）は、装置１台当たり の支持荷重が数十トンから数百トンまで容易に実現可能で、かつ内封された油の流量 切り換え弁の稼動に要する電力は数十ワットで良い。また、油封式装置白身は、油圧 装置として機械の分野では豊富な実績と高い信頼性を有するものであり、適切な工夫 を施すことにより建築構造物の実用制震装置に相応しく製作することが可能となる。 また、制御は予め選択可能な剛性タイプを設定し、人力地震動の時々刻々の特性に 応じて構造物の応答を可能な限り抑制する剛性タイプを選択する簡便なフィードフォ ワード型の非共振制御を基本として採用した。これは地震による構造物への入力エネ ルギを低減することが可能であり、建物の安全を最も脅かす要因の一つである共振応 答を励起する周期成分が地震動中に多く含まれるほど制御効果が際だつという大きな 特長を有している。本研究においては、本制御手法を基本として実用に供する制震シ ステムの構築を図った。 以上に述べた可変剛性制震システムは、制御の分類上はいわゆるセミアクティブ型 に属する。セミアクティブ制御は一般的にアクティブ制御に比べ制震装置の稼動エネ ルギが非常に僅かで済み、システム構成も比較的単純にできる実用上のメリットがあ る上、パッシブ制御に比べ優れた制御効果が期待でき、近年では大地震対応の制震シ ステムとして注目を集めている5）。以下には、本研究並びに本システムの位置づけを 明確にするため、建築、土木分野における既往のセミアクティブ制御の研究を概観す る。なお、ここではセミアクティブ制御をその機構上から、可変オリフィス型、可変 摩擦型、可変流体型、その他に分けて28）記す。. ４. −､y..

り-I. 可変オリフィス型は、装置に内封された油など流体の移動を可変オリフィスによっ て調節し、装置に発生する力を制御するものである。 建築構造物を対象とした初期の研究としては、高層ビルの風揺れ低減を目的とした Hrovat他29)によるセミアクティブＴＭＤの解析的研究があげられる。大地震を対象 とした一連の研究開発は、前述の通り小堀の提唱2)により開始された。可変剛性型制 御に開するこれまでの主要な解析的研究については既に述べた通りである。可変剛性 制震システムが油封式装置のon-offにより剛性を切り換える方式をとるのに対し、こ れを追って小堀他3o)により開発された可変減衰劇震システムは同様の装置を用いて 油流量を可変オリフィスにより連続的に調節して装置の減衰力を制御するものである。 これについてはＬＱＲに基づくフィードバック制御則を構成した数値解析検討がなさ れるとともに､実装置の開発31)を伴ったその後の一連の研究開発32)、33). を経て1998. 年実建物に適用34)されている。Symans他35)は最大減衰力1.0tf程度のシリコンオイ ルを内封したセミアクティブダンパを使用し、ＬＱＲ並びにスライディングモード制 御に基づいた制御則を構成して、縮小試験体による振動台実験36)を実施しセミアク ティブ制御の効果について検討している。また、最近の研究例として可変オリフィス 型on-off装置の減衰カー変形履歴に着目し、これを可変制御して構造系のエネルギ吸 収能向上をねらった栗野他37)の実用を目指した研究がある。 土木構造物においては、橋梁を対象としたFeng他38)、川島他39)による初期の研 究がある。川島他は可変オイルダンパの減衰係数を振動レベルに応じて可変とする制 御を提案し、これに関する実験並びに解析的研究4o)を行っている。また、Sun他41) はファジー理論を橋梁の構造制御問題に応用し、その適月割を検討している。実橋梁 への初めての実験的な適用がPatten他42)によってなされた。これは、Semiactive vibration Damper(SAVD)と呼ばれる可変オイルダンパを用いており、車両の通行によ る振動防止43)、44). を主たる目的としたものである。. 可変摩擦型は、装置の摩擦によりエネルギ吸収するもので、摩擦力を可変すること により効果の向上をねらったものである。 西谷他45)は､塑性率を一定に保つような可変摩擦ダンパの簡便な制御則を提案し、 3層モデルを対象に数値解析と振動台実験によりその有効性を検討している。Yang他 46)はスライディングモード制御に基づき、Frjction-controllable. slidingbearings. 一ａ.

と呼ぶ装置を使用した解析的検討を行っている。また、Cherry他47)、48)には、可変 摩擦力及びon-offによるセミアクティブ摩擦ダンパの制御により眉間変位が低減され ることを示した研究がある。lnaudi49)は、摩擦ダンパ白身の局部的な変位のみをフ ィードバックする単純なセミアクティブ制御則を構成しシミュレーション数値解析に よりその効果を検討している。一方、平井他5o)は1/10モデル構造物を使った振動台 実験を行っている。装置はピエソアクチュエータを使った可変摩擦ダンパを使用し、 制御はＬＱ理論に基づいている。この検討を通してシステムが大地震に対して有効な ものとなり得ること､さらに実装置として最大200tfの可変摩擦ダンパが実現可能であ ることを述べている。 可変流体型は、材料の物性が電磁力など外的な作用により変化する流体を用いて、 装置に発生する力を制御するものである。 電場に依存してレオロジー的特性を変える電気粘性流体(ER流体)を使用したダンパ に関しては、機械分野での振動制御に取り入れられたのが早く、建築分野の制御にも 取り入れられるようになった｡Morishita他51)、Ehrgott他52)、Gordaninej. ad他53)、. Gavin他54)、Makris55)他、これまで多くの解析的並びに実験的研究がなされている が、基礎的実験段階やフィージビリティー研究段階にあるものが多い。 これに対し、磁場に依存して物性を変える磁性流体(MR流体)を使用したダンパは、 ER流体に比べ材料の降伏応力が高く、物性も安定している長所を有するため構造制御 のための装置として最近注目を集めている。Dyke他56)は、MRダンパを使用したセミ アクティブ制御が構造物の地震応答低減に有効であることを、数値解析並びに振動台 実験を通して示している。また、Spencer他57)ヽ58)は、最大制御力20tのMRダンパを 設計し装置の詳細なモデル化58)ついて検討するとともに、これを構造物へ適用した 時の制御の有効性について研究している。 セミアクティブ制御を実現するその他の機構としては､Kareem59)､Lou他6o)､Haroun 他61≒Abe他62)などによる可変スロッシングダンパや、Masri他63)、Papalou他 64)、大類他65)などによるセミアクティブ衝撃ダンパがあるが、前者は制御力の限 界から、また、後者は装置の衝撃による居住環境への影響などにより、大地震を対象 とした制御システムとしては実用に向けて解決すべき課題が残されているのが現状で ある。 曽田66)は、中低層建物を主たる対象とし、第１眉の履歴エネルギ吸収を最大にす. ６.

るような可変粘性減衰制御に関し、その効果を数値解析並びに実験により検討してい る。また、特に機構は限定せず、振動系の主構造物と副構造物相互のエネルギのやり とりに着目し、主構造物の応答低減をねらうActive. lnteraction Contro1（AIC）がlwan. 他67リこより提案され、その有効性を数値解析により検討した例68）がある。その他、 可変減衰装置の特性を非線形微分方程式で表現し、装置の減衰係数を可変とした制御 則を構成した山田69）の解析的研究がある。. 以上示したように、セミアクティブ制御に属する研究例は多いものの、そのほとん どが理論的研究、あるいは一部の実験研究によるものである。大地震を対象とした建 築構造物の能動的な振動制御に関する研究は、その必要性は強く認識されながらも未 だ少ないのが現状である。また、非共振制御による可変剛性制震システムを実システ ムとして構築した研究はこれまでに無く、大地震を対象とした能動的な制震システム の実用化に向けた研究として本研究が初めてのものとなる。. １. ３. 論文の構成. 本論文は６章から構成される。以下に、本章以降各章の概要を記す。 第２章では、本システムを実制震システムとして構成し、制御アルゴリズムを含む 原理としての成立性とシステムとしての有効性を確認し、実用化に向けた課題を把握 する。この目的のため、まず、可変剛性装置に小型の油圧アクチュエータ（ブロック シリンダ）を使用した１層小型試験体による振動台基礎実験について示す。制御は地 震動のリアルタイム周波数分析結果を基に、ダイアゴナルブレースそれぞれのＯＮ／ ＯＦＦにより試験体剛性を２段階に切り換え地震入力に対する試験体の非共振化を図 る方法他を採用している。次に、この小型試験体による実験を踏まえ、実建物への適 用を念頭においたシステムを構築し、３層試験体による振動台実験について示す。小 電力で構造物の剛性を高速に切り換える必要から､可変剛性装置には実機と同じ原理、 機構の油封式ＯＮ／ＯＦＦ装置のミニモデルを開発し、これにより可変剛性機構が実 現できることを検証する。また、地震動分析器を用いたフィードフォワード制御を採 用し、本システムが、共振成分を多く含み卓越振動数の経時変化が比較的明瞭な地震 動に対して顕著な効果を有することを示す。. ７. '17.1.

第３章では、本システムに用いるため開発した可変剛性装置実機（以下、装置）の 基本特性を確認するため実施した動的加力実験について示す。装置は両ロッド型の油 封式シリンダ（設計荷重35tDで、高速開閉弁と大流量開閉弁の組み合わせにより、 シリンダーロッド問に生ずる大荷重の高速切り換えを可能にしている。約20ワットの 電力で弁の切り換えができ、建築のような大型構造物の大地震に対する制御を行う上 での実用性を高めている。実験により、装置のＯＮ（ロック）及びＯＦＦ（アンロッ ク）時の基本特性である剛性、減衰特性等を把握すると共に、制御信号により相互の 切り換えが安定して行えることを確認し、可変剛性装置実機としての適用性を検討す る。 第４章では、本システムを適用した鉄骨３層実建物の制御について述べる。建物短 辺方向を制御方向とし、両妻面の全層にブレースと装置を直列に配した可変剛性機構 を構成している。制御システムの基本構成は第２章の３層試験体によるものと同じで あり、制御アルゴリズムもそこで採用したフィードフォワード制御である。なお、シ ステムは無停電電源装置により地震時の万が一の停電にもシステム全体を稼働できる ため、実用割腹システムとしての信頼性を高めている。 建物屋上に最大加振力10tfの起振器を設置し、これにより建物を加振した時の応答 制御実験について示す。実験により、建物の剛性は制御信号に基づいて安定して切り 換わること、そして基本剛性タイプにおける建物の振動特性を明らかにする。 さらに、本建物で実施した地震観測結果のうちの代表的な例を示し、本システムの 実地震時の稼動状況及び制御効果を､シミュレーション解析との併用により検証する。 第５章では、本システムを適用した大型構造物の例として高層建物を取り上げ、シ ミュレーション数値解析により本システムの制御特性を明らかにする。検討において は、これまでの研究成果を踏まえて装置特性を現実に即して評価し、また、入力地震 波としては周期成分にそれぞれ特徴ある数種類の地震波を選定する。なお、ここでは 油封式可変剛性装置の特徴の一つである減衰付加性能を合わせて利用し、各剛性タイ プの１次モード減衰定数をほぼ揃えた設定をした上で可変剛性による制御効果を評価 する。その結果、本システムは可変剛性制御に加え装置の保有する減衰付加性能によ り各地震波に対して安定した効果を示し、建物頂部応答並びに入力エネルギにおいて 選択剛性タイプの内ほぼ最小の応答が得られることを明らかにする。また、とりわけ 狭帯域のやや長周期地震動成分を含む地震波に対して可変剛性による制御効果が顕著. ８.

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ィルタと作用地震波のパタンの想定法）、日本建築学会論文集､第54号､pp.401-404 ９ １ ぐ. 16）Kobori. T. Proc.of. 92）CuTrent Aspects of Active Control of Structural the Japan NationaI. Symposium/Workshop. on Struct.. vibrations、. Resp.Cont..pp. Ｉ ２. 13. 17）池田芳樹、小堀鐸二（1992）瞬間最適化手法による１自由度系構造物の可変剛性. 型制御システム、日本建築学会構造系論文集、第435号、pp.51-59 18）池田芳樹、小堀鐸二（1992）瞬間最適化手法による可変剛性型制御システム、ア クティブ制震（振）シンポジウム論文集、pp.287-294 ｊ ９ １. 小堀鐸二他（1986）ダイナミックインテリジェントビルの試み一可変剛性機構を 有するD.I.B.−、日本建築学会大会学術講演梗概集、pp.839-840 20）小堀鐸二、鎌形修一（1990）予測型適応制御による可変剛性型制震システム（制 震構造の研究）. 日本建築学会構造系論文集、第416号、pp.125-133. 21）小堀鐸二、鎌形修一（1991）自律型適応制御による可変剛性型制震システム（制 震構造の研究）. 日本建築学会構造系論文集、第420号、pp.121-131. 22）小堀鐸二、鎌形修一（1993）多層構造物への可変剛性型制震システムの配置法− ３ ３. 層間連結法（制震構造の研究） ヽ ３Ｊ ２. 日本建築学会構造系論文集、第444. pp. 41. 那須正、小堀鐸二、高橋元一（1994）可変剛性（AVS）制震システムの制御方法 とその有効性に関する研究、構造工学論文集、vo1.40B、pp.133-145. 24）那須正、小堀鐸二、高福元一、國末晃寛（1995）可変剛性（AVS）制震システムの ８ ３. ３ ３. 高層建物への適用研究、構造工学論文集vol.41B. pp. ２. 5）那須正、小堀鐸二、高福元一、回米晃寛（1996）兵庫県南部地震・大阪平野観測 記録を用いたAVS制震システムの高層建物適用シミュレーション解析､構造工学論 文集VＤ1.42B、pp.1-8 T. Kobori. High-rjse. T. Takahashi. Building. M. Kunisl]eA. the Active. Conference. Variable. on Structura1. Analytical. Stiffness. Study on a. System， Proceedings. Control （2WCSC），vo1.1. ８. of the 2ﾛりorld. with. ｊ ８ ９ ｎｊ ｌ ぐ. 26）Nasu. Ｘ ７／ ２. ㎞￢. 15）小堀鐸二（1956）地震による構造物の非線型振動について（その３：制御及びフ. pp. 05-814. 那須正、小堀鐸二、高橋元一、國末晃寛（2000）AVS可変剛性制震システムの共 振検知方法に関する考察、構造工学論文集vol.46B. 28）ASCE Journal（1997）Special. pp. 323-334. lssue −StructuraI Contro1. □. Past. Present，and.

・フマ･. ￣￨. of Eng. FI]turc、J. Mech.、123(9) ３ ８ ９ １ ぐ. ｊ ９ ２. Hrovat. et al.. D.. Dalpers. ）Semi-active. for Structural. Control、. vcrsl］s Passive. J.of. Eng.. or Active. Mech.、109(3). Tuned. Mass. pp.691-705. ３. O）小堀鐸二他（1991）構造性能可変型制震システムの研究一可変剛性・減衰機構を 用いたフィードバック制御−、構造工学論文集、vol.37B、pp.193-202 り ２ ９ ９ １ ぐ. 31）Mizuno. T， et al. Seismic ａｎ. Development. Response. d Pjping. Control. Conf.（PVP1992），229:. Structures，. N. et al. Proc.of. the PI. Damper. for. the Pressure. vessels. of Ac tive variable. Damping. pp.163-170. haking Table Experiment. Systel，Proc.of. Hydrau目c. ∼. ｊ ４ ９ ９ １ ぐ. 32）Kurata. of Large. of Adjustable. World. Conf.. on Struct.. Cont.（IWCSC），2:. TP2-108-II7. ９ ９ １ ぐ. ３. 3）Kurata N. et al Proc.of. 6）Active variable. the 3“ lnt.. Conf.on. Motion. Damping System in Large Earthquakes， and vibration. Control （3MOVIC），3:. ０. ９. ２. ５. ２. ︵６. pp ９ ９ １ ぐ. ３. 4）Niwa. N. et. a1. 8）Application of Semトactive Damper System to an Actua1. Buildjng，Proc.of. the 21りorld Conf. on Struct， Conl.（2WCSC），1:pp.815-824. ３. 5）Symans. M. Response. D.et. a1. (1994)Semi-active. Control， Proc.of. the. Fh]id. PI World. Viscous. Conf.. Dan】pers for Seismic. on Struct.. Cont.（IWCSC），. 3:FA4-3-12. a Semi-active. Struct.Dyn.，26: and. Optimizing World. Damper. Control. Tes ting. of. a Bu. lding. Systel，Earth.Eng，. ９ １ ぐ. H. Fluid. ）Seismic. pp.759-777. ３. 7）Kurino. M.C. ｏｌ. with. Constantinou. ９１. Structure. and. ７ ｎコ ９ １ ぐ. ｊ ６ ３. Symans M.D. Kobori. T. 98）Semi-active. the Force-deformation. Conf.. on. Strucl.. Cont.. Structura1. Loop of variable. Response. Control. Damper， Proc.of. by. the y. (2WCSC)，I:pp.407-416. ９ ９ １ ぐ. ３. 8）Feng. Q. and. Shinozuka. M. 0)Use. of a Variable DaIper for Hybrid Contro1. of Bridge Response under Earthquake， Proc.of. Cont.Res.，USC. 92）EXI〕erjments on Dynamics. Dalper，Proc.of. of variable. ９ ９ １ ぐ. K. cs. the Japan Nat ional Sy即osium on Struct. Resp.Cont.，pp.121. ｊ ｏ ４. Kawashima. Characterisl. １１. K. on Struct. Publ.，No.CE-9013 ９ １ ぐ. 39）Kawashima. the U. S.Nat.Workshop. and. unjoh. S. 3）variable Dampers and variable Stiffness. １２.



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ｊ ３ ６. Masri. and Yang L. L.（1974）Earthquake. S.F. Provided. woh. on Earth. Nonljnear. AuxHiary. Response. Spectra. Mass Dampers， Proc.of. of Systems. lhe 51゛World Conf.. (5WCEE)，pp.2944-2947. Eng･. 64）Papalou A. and Masri S. F.（1996）Response. of lmpact Dampers with Granular. MaterialsunderRandomExcitation，Earth.Eng.＆Struct.Dyn.，25: ８ ９ ｎ７ １ ぐ. 65）Ohrui. ）Seismic. S. et al.. Switching. Control. the 21“World. Conf.. Strategy. Response. from Active. on Struct.. Control. pp.253-267. with Mass Damper. to Passive. lmpact. Damper， Proc.of. Cont.（2WCSC），1:pp.521-530. 66）Soda S. and lwata N. （2000）SeisⅢic Desjgn of Low to Mid-rise a Soft First. Storey. Subjected. using. to Semi-active. Vjscous. Damping. Building. with. C〔〕ntrol，Proc.. of the 12tリorld Conf. on Earth. Eng.（12WCEE），Paper N0.1728 67）Hayen J. C.and using. lwan W. D.（1994）Response. Active lnterface Dalping， Proc.of. Control of Slructural Systels. the PI World Conf. on Struct. Cont.. （IWCSC），1 :WA2-23-32 ｊ ＯＯ ６. lwan. and Wang L. I.（1996）New. W.D. Contro1，Proc.of. Developments in Active lnteraction. the 21“lnt. Workshop on Struct.Cont.，pp.253-262. ９ １ ぐ. 69）Yamada. K. Non-linear. 99）Control Differential. Law for variable. Damping. Device. Equation， Earth.Eng.＆Struct.Dyn.，28:. Defined. by a. pp.529-541. ［ａ ｌ.



第２章. ２. １. ＡＶＳシステムの構築と振動台実験. はじめに. 地震に対する構造物の応答は、地震動に含まれる周期性分のうち、構造物の固有周 期と一致した成分に対して選択的に共振する性質を持っていることは古くから知られ ており、構造物の安全を考える上で最も重要な要因の一つである。 共振周期成分の振幅はたとえ小さくとも、その継続時間が長い場合には構造物の応 答は大きく成長し､構造物の安全を脅かすものとなることは1985年9月のメキシコ地震 において顕在化した。メキシコ市は震央から300km以上離れているにもかかわらず、メ キシコ盆地の軟弱な地盤特性が長時間継続する長周期地震動を励起し、高層建物に甚 大な被害をもたらした1）ことは記憶にとどまるものである。 一方において、建物の建設される敷地に生ずるであろう地震動の特性は、他の振動 制御分野での外乱に比べて非常に不確定で、地震動に含まれる周期成分も地震毎に大 きく異なり、その正確な予測は現時点では非常に困難なものと言える。そこで、生起 した地震動や構造物の応答を何らかの計測手段によって検知し、これに応じて時々 刻々構造物の側でその応答を制御しようとする新たな考えに立脚した制震構造2）に合 理性が与えられる。 ここでは、上にも述べたように構造物の安全を大きく左右する可能性のある地震動 に対する共振応答の回避、すなわち非共振化に着目した制御を構造物の可変剛性制御 により実現するため､文献3）に示された方法をもとに図2-1に示すような制御の概念に 基づいた制御システムを実制震システムとして構築することとした。これは、地震毎 に異なり、時々刻々変化する地震動の特性に応じて、予め設定した構造物の剛性タイ プKi（i=1…N、N；選択剛性タイプ数）に対応した地震動分析器の出力をもとに、よ り小さな応答を与える剛性を、可変剛性装置Ｄｉ､ｊ（剛性タイプKiを実現するj層の装 置状態ＯＮ／ＯＦＦ）の切り換えにより実現し、これにより非共振化を図って構造物 の応答を抑制するものである。 本章では、このような可変剛性制震システムを実制震システムとして構成し、制御 アルゴリズムを含む原理としての成立性とシステムとしての有効性を確認し、建築構 造物を対象とした実用化に向けての課題の把握を行うこととする。. １６.



￨ぷ. 写真2-1. 小型試験体全景. おもり. はり材 忠一35. ド ‘ＩＩ 心 心 心 ミ ｆ＝. ←. ﾚ礼 図2-2. ２．２．２. 小型試験体形状. 制震システムの構成. 制震システムのブロック図を図2-3に示す｡制震システムは可変剛性プレース、これ を駆動するブロックシリンダ、アナログフィルタにより構成される地震動分析器、制 御コンピュータFC9801V、そして各計測器からなる。 可変剛性ブレースのＯＮ、ＯＦＦ状態を作り出すための駆動装置には復動式油圧ア クチュエータ「ブロックシリンダ」を使用し、これをプレース下端部に設置した。ま. ８ Ｉ.

皿. 表2-1. 可変剛性ブレースの切り換え状況. ＯＦＦ くフレームのみ）. プレース剛性. □ □. プレース状況. ブロックシリンダ の状況. 凸. 凹. ０．５秒. 試験休周期. ﾌﾟ. ＯＮ. ０．２５秒. 変 位 計 相対速度計 加速度計 ｹﾌﾞ ﾌﾞ:) ｸﾞyｻ ｯｸ･ｼﾘﾝﾀﾞ ｕ度計遮 、/. レ如ﾌﾟ. ｜ ｌ. 今￨. Ｉ. 油圧 ユニット. 振動台 ｉ. １. ｌ. 二. ｜. 制御コンピュータ. 電気油圧 サーポ弁. FC9801V. １. ｜. 二に￣. ｜ 図2-3. ごI. 地震動分析器. 制御システムのブロック図. 19. ㎜. I.







・ａ 一一. ・. −. に示すような振動数が6.5HzからI.6Hzまで変化する加速度振幅一定のスイープ波であ る。地震波としては１例としてメキシコ波形（1985. CDAO-NS）を用いた。なお、ここで. は実地震波形をもとに、非共振の考えに基づ＜上に示した制御法の制御性を主に見る 観点から、図2-8に示すように時間軸を約1/5に縮小して使用した。 なお、加振の最大振幅は試験体を弾性範囲に留めるよう設定した。また、振動台の 伝達特性を考慮して入力波形の補償を行っている。 ２．２．５. 実験結果. （１）試験体の自由振動特性 試験体の無制御状態におけるプレースＯＮ、ＯＦＦそれぞれの剛性時の固有周期と 減衰定数を確認するため自由振動実験を行った。実験は人力により試験体に初期変位 を与え、その後の変位振幅の経時変化を計測し、これに基づいて固有周期及び減衰定 数を算定した。 これによると、試験体の固有周期はプレースＯＮ状態では0.25秒、プレースＯＦＦ 状態では0.5秒であった。また、減衰は主にプレース取り付け端可動部の摩擦によって 生じているものと考えられ、その特性はクーロン摩擦型を示し、減衰定数は振幅に依 存して変化しており、振幅が大きいほど減衰定数は小さくなる傾向を示した。すなわ ち、試験体の減衰定数は、プレースＯＮ状態で2.9％（初期変位0.80cm）∼4.5％（同 0.35cm）、プレースＯＦＦ状態で2.0％（同1.5cm）∼5.5％（同0.48cm）であった。 （２）ブロックシリンダ単体の応答時間 駆動装置であるブロックシリンダ単体の応答時間を計測したところ、切り換え信号 を発してから切り換えが終了するまでに時間は、ＯＮからＯＦＦが約30msec、OFF からＯＮが約40msecであった。 （３）地震動分析型制御実験 ①スイープ波加振 スイープ波の入力最大加速度40Ga1とした地震動分析型制御実験の結果を図2-9に示 す。同図（a）には無制御時（プレースＯＮ及びＯＦＦ状態）を、同図（b）に制御時をそ れぞれ示す。それぞれの図は試験体頂部の加速度、変位応答のタイムヒストリ及び加 速度一変位履歴を示す。制御時にはさらにブロックシリンダの駆動状態を示す図を併 記しており、これにより試験体の可変剛性状態が判断できる。なお、加速良一変位履 歴では図の第１及び第３象限に履歴がくるよう加速度符号を反転して描いている。. ３ ２.

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ｙ゛＼. -. ため、剛性切り換え装置として何らか簡便な方法、機構を工夫する必要性が確 認された。. ２．３. ３層試験体による振動台実験7）. ２．３．１. ３層試験体及び可変剛性装置. ＡＶＳシステムの実建物への適用性を検討するためには、構造体となる振動系の周 期特性と、可変剛性装置の動特性ができるだけ実際に近い状況下で実験が行われるこ とが望まれる。そこで、ここでは本システムの適用を予定した４章に示す３層実建物 の周期特性にできるだけ近い３層試験体を設計すると共に、可変剛性装置には実機と 同じ原理、機構によるミニモデルを使用した。 ３試験体全景を写真2-2に示す。試験体フレームは図2-13に示すような3層1スパン2 構面の鋼製フレームで､加振方向スパン1.05m､直交方向スパン1.20m､高さは各層1.0m、 計3.0mである。加振構面では、フレームの変形を柱に集中させるため、はりの剛性を 柱に比べて非常に高くしている。柱材はPL-14×100(SM58)、はり材はBH-100XI00×9 ×6(SM50)である。はり中間部にプレース頭部が接続されるので、局部的に変形を起こ さないように補強を施した。なお、加振と直交方向のはりはBH-100×100×6×8(SS41) であり、この構面には変形が生じないようにPL-20×40のブレースが付加されている。 また、第2反び第3床には各1000kgf、頂部床には1500kgfの錘を載せている。 加振方向各層には、φ-34×2.3(STK41)の逆Ｖ字型ブレースを設け、この頭部とはり の間に可変剛性装置およびプレース等価軸剛性ばねとを直列に配置して可変剛性プレ ースとしている。等価軸剛性ばねを用いた理由は、逆Ｖ宇型鋼管ブレースの剛性をそ のまま用いると、可変剛性装置をロック状態とした時に試験体の周期が短くなり過ぎ るため、所期の剛性を実現する等価軸剛性ばねを可変剛性装置と逆Ｖ宇型ブレースの 間に設置したものである。 可変剛性装置は２．２の小型試験体による基礎実験の結果を踏まえ、特別の油圧源 を必要とせず、小電力で構造物の剛性を高速に切り換えることができ、かつ実建物に おいても十分な支持能力を発揮できる油封式シリンダを採用し、実験ではこれを小型 化したミニモデルを開発しこれを用いた。なお、このミニモデルは第３章に示す可変 剛性装置実機と同じ原理、機構を有し、特に装置の応答性を左右する開閉弁は実機と. ０ ３.

写真2-2. ３層試験体全景. Ｉ ３.

-･−. 一一. 二. 1. L，. ド￣ﾆ!j C二. ］. 11. ［￣￣▽口口 一一一.1. cT い-. 1. -￢. . ｀パ１. 1. ■. 1-_._. ｜ ゛｀￣ ｉに-゛. '‘tJ. ⊂⊃ こ 四 -. はリ. はリ 前B日州州巾6o￣ij. 日州〕㈲00咄咄. Ｃ. ］. ￨1. 土工丿. 八. ｉ -㎜㎜〃Ｊ. び） 回 ⊂へ弓. 一. 一. 一. Ｋ. 11 Ｔ. ｲ. 工. Ｔ □二回. ] ‘￣￣７'-. CO Lr） Σ. 丿. 士 方 ⑤. マ ー ゛１ 坦ａ=!. ￣. 工. 可 剛性装置 （ﾐﾆﾓﾃﾞﾙ）. ［. 言牡. １. 上 -・. レ. −. “. ≒ プレ ⊂二） ⊂こ） ⊂） -. .‘ら Lfl. 旱ya〕弓0㈲0弓. 勁犬. o｀l ￢. ￣￣］. ￢. 工. ⊂こ） こ） ｒ゛^１. レ. ごに. L. す. ｰｽ等価軸剛性ﾊﾞﾈ ｜. .一一. ｌｘＪ. １. I.Ds0. 1. 1.200. ゛￣￣￣゛加振構面. 加振直交構面. 図2-13. 3層試験体形状. 32. Ｘ. ｜.



−‥. − {←. −一一.

゛4. 写真2-3. 小型可変剛性装置（ミニモデル）. 、波. ″Ｄ. ３.



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−. 「. -. -. -. -. 剛性タイプ１. 剛性タイプ２. 剛性タイプ３. ｜. ｜ ｜. ∧ ∧ ∧. ∧. ７. 2-18剛性ﾀｲﾌﾟの種類. Ｌ ②地震動分析器 ①地動センサ １Ｆ床加速度 計測. ③制御コンピュータ. 応答評価. ホストコントドータ. 剛性タイプ１ 一擲. →１. 剛性タイプ２ 剛性タイプ３. j. ･1. 剛性選択. 一如. コントローラ ロックまたは アンロックの 切り換え判定. ④可変剛性装置 一加. ロックまたは アンロックヘ の切り換え. 。｡６ lftんと乙￨ﾀﾌ →●. ㎜. ■. 剛性変化. ㎜. Ｉ. ヽJい，叙励他Å. りししQL叫l凹￨卿ja lj. ｜. 図2べ9ﾌｨ￣ﾄﾞﾌｵﾜ￣:制御ﾌﾛ￣. 60. スイープ波（8Hz∼0. J細面￨. (GaJ). 屈謳剛出面田田り. '鵬鯛聯田甲甲胆印即甲y吊. -60 0 120. 10 メキシコ波（最大ロ5Gal、. (Gal). 20. 30. sec）. 時間軸35%縮小）. -1?∩. ■. 110. o (Gal). lo. 2o. 3otsecj. タフト波（最大100Gal）. -11∩. 0. 5 図2-20. ｒ. °. Ｔ. 1o 加振波形. 15(sec). ｜.

-. のとなっている。 加振中に装置をアンロック→ロック→アンロックと切り換えることにより装置の応 答時間、切り換え直後の過渡特性を把握した。なお、アンロックからロックヘの切り 換えは加振変位の中立位置で切り換え信号を出して行った。アンロック→ロック切り 換え時の時刻歴を図2-24（a）に、ロック→アンロック切り換え時の時刻歴を図2-24（b） にそれぞれ示す。両ケースにおいて装置の切り換えに必要な時間は10∼20msec程度と 十分短いものとなっている。 （２）試験体の振動特性 試験体の振動特性を確認するとともに、地震動分析器のフィルタ通過特性を設定す るため、無制御時各剛性タイプのスイープ波加振実験を行った。これにより求められ た試験体頂部の加速度伝達関数を図2-25示す。 各剛性タイプの１次ピーク振動数fl、並びにこれに対応する減衰定数hl（1/√2法 による）は、それぞれ剛性タイプ１ではfl≒1.2Hz、hl＝0.11、同タイプ２ではfl ≒1. 5Hz、h斤0.10、同タイプ３ではfl≒2.1Hz、hl＝0.07であった。なお、試験体 の減衰の主たる要因は、可変減衰装置及びプレース等価軸剛性ばね可動部の摩擦によ るものと考えられる。 図2-26及び図2-27には、スイープ波加振実験時の試験体各層復元力特性について、 無制御時剛性タイプ１及び３を例に示す。それぞれの剛性タイプの各層において層剛 性は確実に切り換わっており､振動数､振幅によらずほぼ一定の剛性を発揮している。 （３）制御実験結果 ①. 試験体頂部応答時刻歴 図2-28∼30に試験体頂部加速度及び変位の時刻歴を、制御時と各剛性タイプの無制. 御時とを比較して示す。なお、制御時の結果には剛性選択の時刻歴を重ねて示す。 スイープ波加振時では、無制御時の各剛性タイプの応答は、入力波の卓越振動数に 対応してそれぞれ異なる時間帯に明瞭に共振している様子が見られる。制御時には剛 性を計2回切り換えることにより共振する剛性タイプを避け加速度､変位とも応答の増 大を抑制している。 メキシコ波加振時では、無制御時の各剛性タイプにおいて共振性の高い応答を示す 剛性タイプを、制御時には計9回の剛性切り換えにより巧みに回避し、加速度、変位と も顕著な応答低減を実現している。また、無制御時各タイプの応答時刻歴の傾向から. 42.

-. ｉ. も推察されるように、メキシコ波のような卓越振動数の経時変化が比較的明瞭な特性 を持つ地震波の場合、本システムによる制御効果が得易いことが指摘される。 タフト波加振時では、無制御時には加速度においてはタイプ３の応答が一様に大き く、変位においては各剛性タイプの応答に比較的差が少なく、剛性切り換えによる制 御効果は上記2波の場合ほど明瞭には見られない。 ②. 応答最大値の比較 図2-31(a)(b)には試験体各階の応答最大加速度、変位それぞれの分布を制御時、無. 制御時を比較して示す。 応答最大加速度は、各入力波に対して無制御時にはタイプ３が最も大きくなる傾向 を示すが、制御時にはこれを1/2から3/4程度に低減している。また応答最大変位は、 無制御時にはタイプ１が最も大きくなる傾向となるが、スイープ波、メキシコ波の場 合には制御によりこれを1/3から1/2程度に低減しているが、タフト波の場合には顕著 な低減は見られない。なお、無制御時の結果からは剛性の低いタイプでは応答加速度 は小さく、この場合応答変位は大きくなる傾向が見られるが、本制御を行うことによ り、変位を増大させることなく上記の加速度低減が得られていることが認められる。 ③. 地震動の入カエネルギ. (3)式の右辺で定義される地震動の入力エネルギの地震終了時の値を表2-2に示す。 スイープ波、メキシコ波の場合には、制御時には無制御時各剛性タイプのうち、最小 の入力エネルギとなっているおり、本制御が地震の入力エネルギを低減する効果のあ ることが確認される。これに対し、タフト波の場合には両者の差は上記2波ほど明瞭で ない。また、図2-32には入力エネルギの時刻歴についてメキシコ波加振時の結果を例 として示す。これによれば、制御時には人力エネルギも各時点でほぼ最小となってい ることが分かる。 (４)３層試験体による振動台実験のまとめ 3層試験体に油封式可変剛性装置のミニモデルを組み込み､実建物への適用を念頭に おいて構成したハードウェアからなる計測・制御装置を用いて多層構造物に対する可 変剛性制震システムを構築した。そして、システムの特性を反映したフィードフォワ ード制御則に基づき振動台による可変剛性制御実験を行い本システムの実用化に向け. 43. Ｊ. り ３. ぐ. かiiiiidt+fc(ij)x溥+fQ(x,)x溥＝-ひ4高d･.

-. 振動台テーブル. 反カブロック. 可変剛性装置 ミニモデル｜. 図2-21. 口丿変痢性装置単体の特性把握実験状況. ４−ｉ. ｔ.

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-. IF■−「.

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皿. -. 副件タイプ３. ケ ｹぐ. ｜ 剛性タイプ２. ″二. −剛性タイプ１−. ● １ Ｓ 亀 １ １ １ ¶. ／. Ｘ １ １ ● ｌ ｉ ｔ. 長. ∧. ● ｌ ｉ. ″'″▽'. ６. V. 「 ｆ ｌ. ……. ∧. ″▽. …… <. ＼ …… …. ノ. 』●I●. 〃f〃. １. ●Ｘ ゝ. ゝ. /'N'｀ // I. // ･''‘･.. ゝ. ゝ ゝ ゝ へ−. へ、. ゝゝ. へ. Ｗゝ. ぺ １．Ｓ. Ｚ 振動数. 図2-25. ｌ ｌ １ ’ Ｓ ゝ ｔ. ｆ ’． ♂ ‘、 ♂ ‘ ノ ‘、 ／ ’ 〆. ｺﾞしご. ０．Ｓ. ｔ. ｌ. ごふ-''. ０. ゝ １ １ １ １. １. 冊 采 歿. ￨/……. Ｚ．Ｓ. 心. ヨ. 出Z）. 各剛性タイプの加速度伝達関数. 48. 1. .･.

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● -ｓ'￣￣. １９ｎｎ. t乙りU. 第３層 ■-. − 600 芯， ざ ？ 趾 ミ. メ jF 』. /7. ｜. ０. Ｆ. Ｊ. /ﾌﾉ. 郊 晏 -600. -. -1ﾜnn. 刊.2. -0.6. 0. 0.6. 1.2. ｜. 層間変位（cm） 1心りり. 第２層. こ. ぶ よ郷ﾉ 泌／. 600. ざ吻 刄 趾 ミ 卸 匪. JI. ０. jSI. / F. メF ／Ｓ『 ル町. -600. Ｕ -19∩∩. づ.2. -0.6. 0. 0.6. 1.2. 眉間変位（cm） 1乙UU. 力. 第１層. Jj/ 一、 溢 ざ. Jy. 600. Ｒ 趾 ミ 郊 S. Ｊ 『. ０. /. /F〕 ／／ /ヅ ジ. -600. 1りnn. -1.2. -0.6. 0 層間変位（cm） 図2-27. 50. 一’. 0.6. 試験体各層の復元力特性. 1.2. −スイープ波加振、無制御時（剛性タイプ3）−. ｜.

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〃.

●. 表2-2. 総人力エネルギの比較. (単位:kgf. ・cm). /. スイープ波. メキシコ波. タフト波. 剛性タイプ１. 6108. 7955. 1541. 剛性タイプ２. 3652. 3117. 1474. 剛性タイプ３. 2418. 2932. 1812. 制御時. 1383. 2177. 1514. ｜. (kが'cm) 8000. 剛性タイプ1. 6000 こ. 晏謳が￣蔽)イプ3 ぐ. 。へ＿ 2000. 之. ヽ･. 尚1……. でし:｀-゛＼｡｡､肖溺翫 −. 0. 図2-32. 10. 入力エネルギの時刻歴. 20cJ. −メキシコ波加振時の例−. 〃i1ﾐ･１. ・.

以下の結論を得た。 （Ｏ油封式可変剛性装置の切り換え弁をＯＮ／ＯＦＦすることにより、可変剛性ブ レースをロック／アンロックする可変剛性機構が実現できることを確認した。 本装置は、１台当たり約20ワットの小電力で高速切り換え可能な応答性の良い ものであり､油圧シリンダゆえ実建物の高荷重レベルヘも十分拡張可能である。 り. ぐ. １ｌ １ ｓ. 構築した計測・制御装置を用いて、採用したフィードフォワード制御が実行可 能であることを確認した。これによる制御効果を応答最大値に着目して評価す ると、剛性の高いタイプ３（無制御時）に比べても、制御時には応答変位を増 大させることなく応答加速度を1/2から3/4程度に低減することができた。. (ｉ)メキシコ波加振実験の例で見たように、試験体の共振成分を多く含み卓越振動 数の経時変化が比較的明瞭な特性を持つ地震波の場合、本システムによる顕著 な効果が得られることが分かった。 なお、ここで使用した油封式可変剛性装置は、ロック時、アンロック時それぞれに おける左右シリンダ室間の油流量を機構的に微調整することができ、この設定により ロック時、アンロック時それぞれには相当する減衰性能を付加した可変剛性減衰機構 が成立することが分かっており、この特性を利用した可変剛性制御も可能となること は参考文献17)に示している。. ２．４. まとめ. 本章では、ＡＶＳシステムを実制震システムとして構成し、制御アルゴリズムを含 む原理としての成立性とシステムとしての有効性を確認し、実用化に向けた課題を把 握した。 この目的のため、まず、可変剛性装置に小型の油圧アクチュエータ（ブロックシリ ンダ）を使用した１層小型試験体による振動台基礎実験について示した。制御は地震 動のリアルタイム周波数分析結果を基に、ダイアゴナルブレースそれぞれのＯＮ／○ ＦＦにより試験体剛性を２段階に切り換え地震入力に対する試験体の非共振化を図る 方法他を採用した。実験により、本システムの原理が現有装置を用いて構築でき、制 御の成立性を確認すると共に、実用に向け考慮すべき基本的事項を把握した。 次に、この小型試験体による実験を踏まえ、本システムの実建物への適用を念頭に. ６ ５.



一一一一. 第２章の参考文献. 1）日本建築学会編（1987）1985年メキシコ地震災害調査報告書 2）小堀鐸二（1986）耐震構造の新しい展開、内藤多仲生誕百周年記念文集、pp.8-10 ｊ ３. 小堀鐸二、金山弘雄、坂本光雄、山田俊一、鎌形修一（1986）ダイナミックイン テリジェントビルの試み一可変剛性機構を有するＤＩＢ−、日本建築学会大会学 術講演梗概集、pp.839-840. 4）小堀鐸二、高橋元一、平井淳一、那須正、小笠原桂（1989）可変剛性制震システ ムの実験的研究一振動台による基礎実験−、構造工学論文集vo1.35B、pp.57-66 5）倉田成人、小堀鐸二、高福元一、平井淳一、那須正、小笠原桂（1989）可変剛性 制震システムの振動台による基礎実験（その１）実験方法、日本建築学会大会学 術講演梗概集、pp.567-568 6）那須正、小堀鐸二、高橋元一、平井淳一、小笠原桂、倉田成人（1989）可変剛性 制震システムの振動台による基礎実験（その２）実験結果及びシミュレーション 解析、日本建築学会大会学術講演梗概集、pp.569-570 ｊ ７. 小堀鐸二、高橋元一、那須正、倉田成人、小笠原桂（1990）多層構造物による可 変剛性制震システムの振動台実験、第８回日本地震工学シンポジウム、 pp.1923-1928 ｊ ８. 小笠原桂、小堀鐸二、高福元一、平井淳一、那須正、倉田成人（1990）多層試験 体を用いた可変剛性制震システムの振動台による制御実験（その1）劇震システ ム及び実験方法、日本建築学会建築学会大会梗概集、pp.873-874 ｊ ９. 那須正、小堀鐸二、高福元一、平井淳一、倉田成人、小笠原桂（1990）多層試験 体を用いた可変剛性劇震システムの振動台による制御実験（その2）実験結果。 日本建築学会建築学会大会梗概集、pp.875-876 10）那須正、小堀鐸二、高橋元一（1994）可変剛性（AVS）制震システムの制御方法 とその有効性に関する研究、構造工学論文集vol.40B、pp.133-145 旧小堀鐸二、鎌形修一（1990）予測型適応制御による可変剛性型制震システム. 制. 震構造の研究、日本建築学会構造系論文報告集第416号、pp.125-133 12）小堀鐸二、鎌形修一（1991）自律型適応制御による可変剛性・制震システム 震構造の研究、日本建築学会構造系論文報告集第420号、pp.121-131. 制. ８. Ｆａ.



9･wミｓ−.

第３章 ︱. ３. 可変剛性装置実機の動的加力実験. はじめに. 大地震に対応する建築構造物の可変剛性割腹システムを考えるとき、制震装置とし ての可変剛性装置には小電力で構造物の剛性を高速に切り換える性能が求められる。 本研究では、これに答えるべく油封式可変剛性装置を開発した。これは１台当たりの 支持荷重が数十トンから数百トンまで容易に実現可能で、かつ数十ワットの電力で高 速の切り換えができる特性を有し、実用に向けて汎用性の高いものである。また、油 封式装置自身は油圧装置として機械の分野では豊富な実績と高い信頼性を有するもの であり、建築構造物用に適切な工夫を施すことにより耐久性に優れた実月割震装置に 相応しく製作することができる。第２章では油封式可変剛性装置のミニモデルを使用 し、ブレースのロック／アンロックによる可変剛性機構が実現できることを振動台実 験を通して確認した。 本章では､第４章に示す建物への適用を念頭に開発した可変剛性装置実機を試作し、 これを用いた動的加力実験により装置の基本的特性であるロック時、アンロック時そ して切り換え時の特性を確認し､可変剛性装置としての適用性を検討した結果を示す。. ３．２. 可変剛性装置実機. 写真3-1に本研究において開発し実験に使用した可変剛性装置実機を、表3-1に装置 の主要諸元をそれぞれ示す。油圧回路は２．３で示した可変剛性装置ミニモデルと同 一となるが図3-1に再掲載する。なお、大流量及び高速開閉弁はミニモデルと同じもの を採用している。装置は設計荷重35tf、外径290mm、長さ730mm、ストローク土50mm、 重量350kgfである。なお、装置の設計荷重は建物の設計せん断力を目安に定めた。以 下には装置の特徴をまとめて述べる。 シリンダ内にはピストンによって左右に仕切られた油圧室があり、これらは配管を 通して互いに連通した構造となっている。配管の途中には油の流れを拘束したり解放 したりするための大流量開閉弁（ロジック弁）及び高速開閉弁（パイロット用電磁弁） が設けられている。このうち高速開閉弁を電気信号によって開閉制御することによっ. ０ ６.