特許 6093284 エネルギ変換型アクティブ絶対制震システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6093284

(24)【登録日】2017年2月17日

(45)【発行日】2017年3月8日

(54)【発明の名称】エネルギ変換型アクティブ絶対制震システム

(51)【国際特許分類】

   F16F 15/02 20060101AFI20170227BHJP

   E04H 9/02 20060101ALI20170227BHJP

   F16F 15/023 20060101ALI20170227BHJP

【ＦＩ】

   F16F15/02 A

   E04H9/02 351

   F16F15/023 Z

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-237610(P2013-237610)

(22)【出願日】2013年11月18日

(65)【公開番号】特開2015-98875(P2015-98875A)

(43)【公開日】2015年5月28日

【審査請求日】2016年4月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100124316

【弁理士】

【氏名又は名称】塩田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 直幹

【審査官】 熊谷 健治

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−０９４０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０６１２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７８０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２１８６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５４５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０５４６８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｆ １５／０２

Ｅ０４Ｈ ９／０２

Ｆ１６Ｆ １５／０２３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地震時に下部構造に対して水平方向に相対変位を生じる上部構造に入力した振動エネルギを制御力として利用可能な変換エネルギに変換する変換装置と、この変換装置で変換された変換エネルギを蓄積する蓄積装置と、この蓄積装置に蓄積された変換エネルギを前記上部構造に制御力として付与する再利用装置とを備えたエネルギ変換型アクティブ制震システムにおいて、
前記上部構造は前記下部構造上に、前記下部構造との間で水平方向に相対変位を生じ得る支持層を介して支持され、前記変換装置と前記再利用装置は共に、前記上部構造と前記下部構造との間に跨って架設され、
前記再利用装置は前記蓄積装置に蓄積された変換エネルギを用いて前記上部構造に対し、前記下部構造との間の相対変位に拘わらず、前記上部構造を前記下部構造の変位前の位置に留まらせるための制御力を付与することを特徴とするエネルギ変換型アクティブ絶対制震システム。

【請求項2】

前記支持層は柔な層であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換型アクティブ絶対制震システム。

【請求項3】

前記上部構造の、振動前の前記下部構造に対する絶対的な応答値に基づいて前記制御力を決定することを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載のエネルギ変換型アクティブ絶対制震システム。

【請求項4】

前記下部構造の振動時の応答値に基づいて前記制御力を決定することを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載のエネルギ変換型アクティブ絶対制震システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は構造物に入力した振動エネルギを制御力として利用可能なエネルギに変換し、この変換されたエネルギを使用して構造物に制御力を付与し、構造物の振動を抑制するエネルギ変換型アクティブ絶対制震システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

地震時等に構造物に入力した振動エネルギを流体エネルギ等、蓄積可能なエネルギに変換する油圧シリンダ等の変換装置と、変換装置で変換されたエネルギを蓄積するアキュムレータ等の蓄積装置と、蓄積装置に蓄積されたエネルギを構造物に制御力として付与する駆動装置（アクチュエータ）等の再利用装置から成立するエネルギ変換型アクティブ制震システムでは、図１０、図１１に示すように変換装置は振動エネルギの入力位置に応じて地盤、または上層階に設置され、再利用装置は振動時の地盤に対する相対変位量、もしくは相対速度が大きくなる最上階等に設置される（特許文献１〜４参照）。

【0003】

ここで、変換装置の設置層において地盤との間の相対変位が小さい場合、制御力が付与された後の地盤に対する相対変位は制御力の付与により更に小さくなり、次のタイミングでその層に生じ、変換エネルギに変換可能な振動エネルギが小さくなるため、再利用装置が次に発生すべき制御力を賄えるだけの再利用エネルギを回収することが難しくなる。

【0004】

このような事情から、上記のように変換装置と再利用装は異なる層に設置されることになり、特許文献１〜４のように変換装置と再利用装置との間の距離が遠隔化する傾向になる。但し、両装置間距離の遠隔化はエネルギの輸送距離が増大することであるから、再利用装置で利用可能な蓄積エネルギが損失することを意味するため、エネルギの利用効率の低下を招く結果になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−２１８６７９号公報（請求項１、段落００１９〜００２９、図１〜図３）

【特許文献2】特開平９−３２４５５２号公報（請求項１、段落００１５〜００２０、図１、図２）

【特許文献3】特開平１１−９４０１３号公報（請求項１、段落０００８〜００２１、図１〜図５）

【特許文献4】特開２００５−１６３３１７号公報（請求項１、段落００１２〜００２８、図１〜図８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、例えば図１２に示すように対になる変換装置と再利用装置の組を同一の層に設置することにすれば、変換装置で変換された蓄積エネルギの、前記遠隔化に基づく損失を低減することは可能になる。

【0007】

しかしながら、その場合、図１３に示すように変換装置の設置層の揺れを抑制するために再利用装置から付与される制御力を強め、制震効果を高めようとすれば、変換装置設置層の相対変位や速度が低下し、揺れが低減されるため、その後にその層の振動エネルギから得られる変換エネルギが減少し、次のタイミングで制御力として利用可能な再利用エネルギも減少し、特許文献１〜４と同様の状況に陥り、制震効果を得にくくなる。

【0008】

この場合、再利用装置の制御力付与時の使用エネルギ量（再利用エネルギ量）に対する、変換装置による変換エネルギ量の比率（エネルギ収支）は１より小さくなるため、再利用装置が使用できる再利用エネルギ量が、変換装置が変換した変換エネルギ量で賄いきれなくなり、アクティブ制震システムが成立しない状況に陥る。

【0009】

本発明は上記背景より、再利用装置から上部構造に付与すべき制御力に要する再利用エネルギ量を抑えながら、変換装置が上部構造の揺れから変換できる振動エネルギ量を稼ぎ、再利用装置が使用する再利用エネルギ量に対する、変換装置による変換エネルギ量の比率（エネルギ収支）を１より大きくすることを可能にするエネルギ変換型アクティブ絶対制震システムを提案するものである。

【0010】

請求項１に記載の発明のエネルギ変換型アクティブ絶対制震システムは、地震時に下部構造に対して水平方向に相対変位を生じる上部構造に入力した振動エネルギを制御力として利用可能な変換エネルギに変換する変換装置と、この変換装置で変換された変換エネルギを蓄積する蓄積装置と、この蓄積装置に蓄積された変換エネルギを前記上部構造に制御力として付与する再利用装置とを備えたエネルギ変換型アクティブ制震システムにおいて、前記上部構造が前記下部構造上に、前記下部構造との間で水平方向に相対変位を生じ得る支持層を介して支持され、前記変換装置と前記再利用装置が共に、前記上部構造と前記下部構造との間に跨って架設され、
前記再利用装置が前記蓄積装置に蓄積された変換エネルギを用いて前記上部構造に対し、前記下部構造との間の相対変位に拘わらず、前記上部構造を前記下部構造の変位前の位置に留まらせるための制御力を付与することを構成要件とする。

【0011】

変換装置は例えばシリンダ内を往復動するピストンを挟んで区分されたシリンダ室を持つ油圧シリンダ等の液圧シリンダであり、上部構造に入力した地震時の揺れを受けて圧力が上昇した圧油等の圧液を流体エネルギ（圧力エネルギ）として蓄積装置に送る。本発明ではこの流体エネルギを変換エネルギと呼ぶ。蓄積装置は圧液を流体エネルギとして一旦、蓄積した後、再利用装置の制御力発生時に圧液を再利用装置に送り込み、再利用装置が上部構造に制御力を付与する。本発明では蓄積装置に蓄積されている変換エネルギの内、再利用装置が制御力の発生のために使用するエネルギを再利用エネルギと呼ぶ。再利用装置は例えばシリンダ内を往復動するピストンを挟んで区分されたシリンダ室を持つ油圧アクチュエータ等の液圧アクチュエータであり、両側のシリンダ室内に供給される圧液量の差に応じた圧力を制御力として発生する。

【0012】

蓄積装置３は例えば図３、図４に示すように蓄積した変換エネルギを圧液の放出により再利用装置４に付属したサーボ弁４５を経由させて再利用装置４に送り込み、再利用装置４はサーボ弁４５で各シリンダ室４３、４４に振り分けられた圧液を各シリンダ室４３、４４内に流入させることにより両シリンダ室４３、４４間の圧力差ΔＰを制御力Ｆとして上部構造７に付与する。再利用装置４が制御力Ｆの発生のために使用し、圧力の低下した圧液は変換装置２への復帰のために油圧タンク等の回収装置５へ放出される。変換装置２と蓄積装置３と再利用装置４、及び回収装置５はアクティブ絶対制震システムを構成する単位となる制震装置１を構成する。請求項１以下のアクティブ絶対制震システムはアクティブ絶対制震装置とも言い換えられる。

【0013】

上部構造７と下部構造６は支持層８を挟んで上下に区分される構造体であり、下部構造６は主に支持層８より上の構造体（上部構造７）を支持する地盤、もしくは基礎になり、上部構造７は下部構造６に支持される支持層８上の地上構造物等の構造物になる。但し、支持層８は地盤面上、もしくは基礎上に介在するとは限らず、図８に示すように地上層に介在することもあるため、下部構造６は地上構造物の一部を含むこともある。

【0014】

また図１−（ａ）に示すように支持層８が地盤と地上構造物の境界に位置する場合には、地上構造物に基礎が含まれる場合もあり、その場合、下部構造６は地盤になる。支持層８は図１−（ｂ）に示すように上下（上部構造７と下部構造６）に分断された基礎の中間部に位置する場合もあり、その場合、基礎は上部構造７側と下部構造６側に分離する。支持層８は主に図１−（ａ）に示す免震層や（ｂ）に示す低剛性層等の柔な層（請求項２）であるが、後述のように必ずしも柔な層である必要はない。請求項１における「支持層が下部構造との間で水平方向に相対変位を生じ得る」とは、支持層８が下部構造６との間で容易に水平方向に相対変位を生じる柔な層と、容易に相対変位を生じない、柔でない層を含む趣旨である。

【0015】

変換装置２と再利用装置４は上部構造７と下部構造６との間に跨って架設され、同一層に配置されることで、両者間の距離が短縮されるため、振動エネルギから変換された変換エネルギを変換装置２から再利用装置４まで送り込むまでに失われるエネルギの損失量が低減される。特に図３に示すように変換装置２と再利用装置４が同一位置に互いに併設された場合には、変換装置２と再利用装置４との間の距離が最短になるため、損失エネルギ量が最小になる。

【0016】

変換装置２と再利用装置４が上部構造７と下部構造６との間の同一層に設置されることで、図１２に示す例と同様に再利用装置４から上部構造７に制御力が付与され、上部構造７の揺れが抑制されるときに、上部構造７の相対変位や速度が低下するため、その後に下部構造６に対して振動する上部構造７から得られる変換エネルギが減少し、次に制御力として利用（回収）可能な変換エネルギが低下する可能性が想定される。

【0017】

しかしながら、上部構造７は下部構造６との間の相対変位に拘わらず、地震発生前の下部構造６の変位前の位置に留まるような制御力を再利用装置４から受けることで、地震が終息するまでは、すなわち下部構造６が振動し続ける限り、上部構造７と下部構造６との間には相対変位が生じ、振動エネルギを発生するため、変換装置２は下部構造６と上部構造７との間の相対変位量や相対速度に応じた変換エネルギを得ることができる。「上部構造が地震発生前の下部構造の変位前の位置に留まる」とは、上部構造７が絶対空間に静止させられることを言う。上部構造７と下部構造６との間には下部構造６が変位前の原位置を通過するとき以外、相対変位が生じているため、変換装置２はこの相対変位から振動エネルギを再利用可能な変換エネルギに変換可能である。

【0018】

下部構造６が振動し続ける限り、変換装置２が振動エネルギから蓄積可能な変換エネルギに変換可能であることで、再利用装置４から上部構造７に制御力を付与した後、次のタイミングで再利用装置４が制御力として利用可能な再利用エネルギを賄うだけの量の変換エネルギを振動エネルギから変換し、蓄積することが可能であり、振動の繰り返しによる再利用可能な変換エネルギが次第に減少していく事態は回避される。

【0019】

また上部構造７が絶対空間に静止させられるための制御力を受けることで、下部構造６が振動を開始した後には、上部構造７に対しては下部構造６の振動開始前の位置に留まらせるだけの制御力を付与すればよいため、その制御力には下部構造６との相対変位が０になるように制御する場合のように上部構造７を下部構造６の変位に追従させるために要する制御力程の大きさを必要としない。この結果、上部構造７に付与すべき制御力は上部構造７を下部構造６の変位に追従させる場合より低減され、変換装置２が蓄積装置３に蓄積した変換エネルギの内、再利用装置４から出力すべき再利用エネルギ量を節減し、変換エネルギを温存することが可能になる。

【0020】

変換装置２が上部構造７と下部構造６との間に設置され、下部構造６に対する上部構造７の相対的な振動時の振動エネルギを変換エネルギに変換することは、仮に再利用装置４が何らかの理由で稼働しない場合にも、少なくとも変換装置２による振動エネルギの変換エネルギへの変換時に上部構造７には変換装置（油圧シリンダ）２が発生する減衰力が付与されるため、上部構造７に対するパッシブによる制震効果が発揮される意味がある。

【0021】

以上のように再利用装置４から付与される制御力の対象となる上部構造７と下部構造６との間には下部構造６の振動中、下部構造６が変位前の原位置を通過するとき以外、相対変位が生じていることで、この相対変位を利用して変換装置２が振動エネルギを変換エネルギに変換し続けることができるため、蓄積装置３に蓄積できる変換エネルギ量が減少することがない。一方、上部構造７に対しては下部構造６の振動前の位置に留まるような制御力を付与すればよいことで、上部構造７に付与すべき必要な制御力は下部構造６に対する相対変位がないように制御する場合より小さくて済むため、結果的に図５−（ｄ）、図７に示すように再利用装置４が使用（消費）する再利用エネルギ量に対する、再利用装置４に供給される変換エネルギ量の比率（エネルギ収支）が１より大きくなり、エネルギ収支が向上する。

【0022】

再利用エネルギ量に対する変換エネルギ量の比率が１より大きくなることで、再利用装置４から出力される制御力の発生に要する再利用エネルギ量を制限する必要がなく、上部構造７に対し、上部構造７を下部構造６の変位前の位置に留まらせる（絶対空間に静止させる）ために必要な量の再利用エネルギ量を制限なく消費することができるため、制御力の付与による上部構造７に対する制震効果が損なわれることはなく、制震効果は十分に発揮される。

【0023】

上記のように再利用装置４が上部構造７を絶対空間に静止させるための制御力を上部構造７に付与することで、上部構造７と下部構造６との間には常に相対変位が生じるため、変換装置２はその相対変位量に応じた振動エネルギを再利用エネルギとして利用可能な変換エネルギに変換することができ、再利用エネルギ量を多く確保（蓄積）することが可能である。再利用エネルギ量の蓄積が可能であることで、上部構造７を絶対空間に静止させるために下部構造６に対して能動的（アクティブ）に相対変位させる上では、再利用装置４が発生すべき制御力の大きさを必ずしも制限する必要がなくなる。

【0024】

例えば上部構造７が免震層等、柔な層に支持されている場合には、上部構造７を絶対空間に静止させるために上部構造７に付与すべき制御力は柔でない層に支持されている場合の制御力より小さくて済む。

【0025】

上部構造７に制御力を付与したときに上部構造７を下部構造６に対して相対移動し易い状態に下部構造６に支持させるには、より小さい制御力の付与によって上部構造７を相対移動させることが合理的であるから、上部構造７は特許文献１〜４のように免震層や低剛性層のように柔な層に支持されることが適切である。その場合、風荷重程度の外力を受けたときにも上部構造７が下部構造６に対して揺れ易い状態に置かれることから、上部構造７の居住性が低下する可能性があるが、風荷重程度の外力で上部構造７が振動を生じないようにすることは、例えば上部構造７を再利用装置４で固定することにより可能になる。

【0026】

また、本発明では上部構造７に付与すべき制御力を制限する必要がないことと、上部構造７が必ずしも柔な層に支持される必要がないことで、図６に示すように風荷重程度の外力では容易に相対移動が生じないような、柔でない支持層８を介して上部構造７が下部構造６に支持されている場合にも、上部構造７に、下部構造６に対して相対変位を生じさせるだけの制御力を付与することができる。このため、支持層８の水平剛性の程度に拘わらず、上部構造７を下部構造６に対して相対移動を生じさせることが可能である。上部構造７が柔でない支持層８に支持された場合には、上部構造７に付与される制御力の大きさが制限されないことで、風荷重程度の外力を受けたときの上部構造７の居住性を低下させることなく、上部構造７を絶対空間に静止させる制御をすることが可能になる。

【0027】

只、支持層８が柔な層である場合（請求項２）には、上部構造７を下部構造６に対して相対移動させるために要する制御力の大きさが、支持層８が柔でない層である場合より小さくて済むため、蓄積装置３に蓄積されている再利用エネルギが消費されにくく、再利用エネルギが温存され易い利点がある。柔な層は免震装置からなる免震層と、下部構造６の振動時に下部構造６と上部構造７間に相対変位を生じさせるソフトファーストストーリー（低剛性層）を含む。ソフトファーストストーリーは１階、または低層階を柔構造化した層であり、例えば「柔らかくて強い柱で支持された層」等を言う。

【0028】

図６は上部構造７と下部構造６間に介在する支持層８が柔でない（非免震構造等である）場合に、上部構造７と下部構造６間に変換装置２と再利用装置４を設置した様子を、図７は図６に示す建物モデルの解析結果としての応答加速度分布を示す。図６は柱・梁のフレームからなるラーメン構造の架構からなる上部構造７の２階の下に剛性要素９としての、ブレースが架設されたフレームを接合し、この剛性要素９と下部構造６の１階の床（スラブ）との間に図３に示す変換装置２と再利用装置４を架設した構造物（建物モデル）の例を示す。この例では２階以上の階が上部構造７になり、１階が、もしくは１階を含む基礎以下が下部構造６になる。

【0029】

図６では上部構造７の２階床に設置した速度センサにより上部構造７の絶対速度を計測し、その計測値に比例した制御力を再利用装置４から上部構造７に付与することにより上部構造７を絶対空間に静止させる制御をした場合の各階の応答加速度を図７に示す。図７から、再利用装置４からの制御力の付与がある場合には制御力の付与がない場合との対比では全階の応答加速度が低減し、上部構造７に対して絶対制震の制御をしたことの効果が表れていることが分かる。また上部構造７に制御力を付与した直後に上部構造７の下部構造６に対する振動から得られる平均の変換エネルギ量は再利用装置４から上部構造７に付与される制御力に必要な再利用エネルギ量を上回り、エネルギ収支（変換エネルギ量／再利用エネルギ量）が１を超えていることが確認されている。

【0030】

上部構造７を下部構造６の変位前の位置に留まらせる（絶対空間に静止させる）ための制御力は上部構造７の、振動前の下部構造６に対する絶対的な応答値（応答変位と応答速度の少なくともいずれか）に基づいて制御力を決定する場合（請求項３）と、下部構造６の振動時の応答値に基づいて制御力を決定する場合（請求項４）がある。

【0031】

上部構造７の下部構造６に対する絶対的な応答値を用いる場合（請求項３）は、図６に示すように上部構造７内に設置されたセンサ等で検出された応答変位や応答速度のみを用いたフィードバック制御により次に上部構造７に付与すべき制御力を決定することができるため、制御力を決定する上では上部構造７と下部構造６の諸元（特性）のデータを必要としない。上部構造７の応答変位や応答速度を計測するための計測器（センサ）を必要とするだけで済む。

【0032】

下部構造６の振動時の応答値を用いる場合（請求項４）には、地盤等の下部構造６上に設置されたセンサ等で検出された変位や速度を用いてフィードフォワード制御により次に上部構造７に付与すべき制御力を決定することになり、上部構造７の応答値を用いないため、制御力の算出には上部構造７の剛性、質量、振動特性等の諸元のデータを必要とする。

【0033】

下部構造６の振動時の応答値を用いて制御力Ｆを算出する場合の具体的手段を以下に示す。上部構造７（構造物）の固有周期を１．０秒、上部構造７を剛体と見なし、免震層（柔な層）に支持させたときの固有周期（免震固有周期）を３．０秒とし、上部構造７全体の質量Ｍを５t・ｓｅｃ^２／ｃｍ、上部構造７の基礎部分の質量ｍを０．５t・ｓｅｃ^２／ｃｍ、上部構造７全体の剛性Ｋｆを１９７．１９ｔ／ｃｍ、基礎部分の剛性Ｋを２４．１０ｔ／ｃｍとする。また基礎部分の減衰係数Ｃを４．６０５t・ｓｅｃ／ｃｍ（減衰定数が２０％のとき）、または６．９０８t・ｓｅｃ／ｃｍ（減衰定数が３０％のとき）とする。

【0034】

ここで、上部構造７を絶対空間に静止させるための制御方法としては既往の各種の手法が利用可能であるが、例えば上部構造７の基礎が支持層８と共に、変換装置２と再利用装置４を介して下部構造６に支持された、図２に示す振動モデルに適用した場合の制御例を示す。この場合、再利用装置４が発生する制御力Ｆを用いた振動方程式は
Ｍ・d2X/dt2＋Ｃ・dX/dt＋Ｋ・Ｘ＝−Ｍ（d2Y/dt2）＋Ｆ
と表すことができる。
この式を絶対座標系で表すと、
Ｍ（d2X/dt2 ＋d2Y/dt2）＋Ｃ（dX/dt＋dY/dt）＋Ｋ（Ｘ＋Ｙ）＝Ｋ・Ｙ＋Ｃ（dY/dt）＋Ｆ
になる。
ここで、右辺が０になるように制御力Ｆを定義すれば、
Ｆ＝−Ｋ・Ｙ−Ｃ（dY/dt）
として制御力Ｆが決められる。
制御力Ｆがこの値に設定された場合、左辺も０になるため、上部構造７全体を絶対空間に静止させることができることになる。

【0035】

上部構造７の絶対的な応答値として絶対速度と絶対変位を用いる場合（請求項３）の具体的な方法を以下に示す。制御力Ｆは
Ｆ＝−Ｇ１（dX/dt ＋dY/dt）−Ｇ２・Ｋ（Ｘ＋Ｙ）
と表すことができる。ここで、Ｇ１は絶対速度に対するゲイン、Ｇ２は絶対変位に対するゲインである。
入力地震動として八戸（ＮＳ）レベルIIを用いた場合の解析結果を図５に示す。図５−（ａ）では横軸にＧ１を、縦軸に支持層（免震層）８上の上部構造７の応答最大絶対加速度を示している。
図５−（ａ）から、Ｇ１が大きくなる程、加速度が低下し、Ｇ１＝５０のときに破線円で示す、上部構造７が免震層に支持された（通常の免震構造の）場合の加速度の１／４に低下していることが分かる。図５−（ａ）中、鎖線円で示す応答値はＧ１＝１００のときで、Ｇ２＝５０、減衰定数＝３０％とした場合の応答値を示しているが、Ｇ１＝１００のときにはＧ１＝５０のときより加速度が更に減少していることが分かる。

【0036】

図５−（ｂ）はＧ１と免震層の応答最大相対変位及び応答最大絶対変位との関係を示している。この図から、Ｇ１が大きくなる程、免震層の応答最大相対変位は小さくなるが、１６ｃｍ付近に漸近することが分かる。この数値は地震動による地盤の変位量であるが、破線円で示す通常の免震構造の数値の２／３程度になっている。また免震層上の応答最大絶対変位はＧ１の増加に伴って減少し、Ｇ１＝１００、Ｇ２＝５０、減衰定数＝３０％のときにほぼ０になり、絶対空間に静止している状況にあることが分かる。

【0037】

図５−（ｃ）は変換装置２が変換エネルギへの変換時に発生する減衰力、及び再利用装置４が発生する制御力とＧ１との関係を示している。この図から、Ｇ１が大きくなる程、制御力が大きくなるが、破線円で示す通常の免震構造の場合の制震装置（油圧シリンダ）が発生する減衰力と遜色ない程度の範囲内にあり、Ｇ１＝５０当たりからＧ１の増加に伴う制御力の増加の程度が緩慢であることが分かる。またＧ１＝１００、Ｇ２＝５０、減衰定数＝３０％のときには鎖線円で示すように減衰力と制御力のいずれも免震構造の場合より増大していることが分かる。

【0038】

図５−（ｄ）は変換装置２で変換される変換エネルギの、再利用装置４が発生する制御力に使用される分（再利用エネルギ）の内、上部構造７の振動（揺れ）を打ち消すために上部構造７を加力している「加振」の時間帯に消費される再利用エネルギに対する比率（変換エネルギ／再利用（加振）エネルギ＝エネルギ収支）とＧ１との関係を示している。制御力の発生時期は「加振」の時間帯と、「加振」以外の上部構造７の揺れを抑制するための抵抗力を発生している「吸収」の時間帯に区分され、「加振」と「吸収」が繰り返される。再利用装置４は例えば「加振」時に蓄積装置３に蓄積されている変換エネルギを使用して制御力を発生し、「吸収」時には蓄積装置３の変換エネルギを使用することなく、両側のシリンダ室４３、４４間の圧液の移動量を流量制御弁により制御することで、蓄積装置３に蓄積されている変換エネルギを温存することが可能になっている。

【0039】

図５−（ｄ）の例ではＧ１の増加に伴い、変換エネルギ／再利用エネルギ（エネルギ収支）の比率が低下する傾向を示すため、変換エネルギで再利用エネルギを賄うことが厳しくなるように見える。但し、Ｇ１＝５０のときの変換エネルギの不足率は数％程度に留まるため、初期の、あるいは下部構造６の振動中に蓄えられた予備分の変換エネルギを合わせる（加える）ことで、変換エネルギの不足分を補い、十分に再利用エネルギを賄い得る状況にあると言える。なお、Ｇ１＝５０以降、Ｇ１＝１００、Ｇ２＝５０、減衰定数＝３０％のときにまでエネルギ収支はほとんど低下していない。

【0040】

このことは、変換エネルギの多くを再利用エネルギとして使用し、上部構造７に対して強い制御を掛けることを必要とする場合にも、継続する地震動から上部構造７に入力する振動エネルギを変換装置２が変換エネルギに変換し、蓄積装置３に蓄積し続けることで、支持層８が柔であるか否かを問わず、上部構造７を絶対空間に静止させる絶対制震制御が実現可能であることを意味している。結果として、これまで同一箇所でエネルギの変換と再利用を行う場合にエネルギ収支が１を下回り、再利用装置４が制御力の発生のために使用できる再利用エネルギ量が変換装置２が変換した変換エネルギ量で賄いきれない状況に陥ることがないことを物語る。

【発明の効果】

【0041】

上部構造を下部構造上に、下部構造との間で水平方向に相対変位を生じ得る支持層を介して支持させ、変換装置と再利用装置を上部構造と下部構造との間に跨って架設し、再利用装置が変換装置で変換された変換エネルギを用いて上部構造に対し、上部構造を下部構造の変位前の位置に留まらせるための制御力を上部構造に付与するため、下部構造が振動し続ける限り、再利用装置が制御力として利用可能な再利用エネルギを賄うだけの量の変換エネルギを蓄積することができ、振動の繰り返しによる再利用可能な変換エネルギが次第に低下する事態を回避することができる。

【0042】

下部構造の振動中には、再利用装置が発生する制御力の付与対象である上部構造と下部構造との間の相対変位を利用して変換装置が振動エネルギを変換エネルギに変換し続けることができるため、蓄積装置に蓄積できる変換エネルギ量が減少することがない。一方、上部構造に対しては下部構造の振動前の位置に留まるような制御力を付与することで、上部構造に付与すべき制御力が下部構造に対する相対変位がないように制御する場合より小さくて済むため、再利用装置が消費する再利用エネルギ量に対する、供給される変換エネルギ量の比率（エネルギ収支）が１より大きくなり、エネルギ収支が向上する。この結果、再利用装置から出力される制御力の発生に要する再利用エネルギ量を制限する必要がなく、上部構造に対し、上部構造を絶対空間に静止させるために必要な量の再利用エネルギ量を制限なく消費することができるため、制御力の付与による上部構造に対する制震効果が損なわれることはなく、制震効果は十分に発揮される。

【0043】

上部構造に付与すべき制御力を制限する必要がないことで、上部構造が必ずしも柔な層に支持される必要がないため、風荷重程度の外力では容易に相対移動が生じないような柔でない支持層を介して上部構造が下部構造に支持されている場合にも、上部構造に、下部構造に対して相対変位を生じさせるだけの制御力を付与することができる。この結果、上部構造が柔でない支持層に支持された場合に、上部構造に付与される制御力の大きさが制限されないことで、風荷重程度の外力を受けたときの上部構造の居住性を低下させることなく、上部構造を絶対空間に静止させる制御をすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】（ａ）は上部構造が支持層としての免震層に支持された場合の上部構造と下部構造間に変換装置と再利用装置を設置した様子を示した立面図、（ｂ）は支持層としての低剛性層に支持された場合の上部構造と下部構造間に変換装置と再利用装置を設置した様子を示した立面図である。

【図2】図１−（ａ）、（ｂ）に示す構造物の振動モデルを示した概要図である。

【図3】（ａ）は図１−（ａ）、（ｂ）に示す上部構造と下部構造間に設置された変換装置を示した立面図、（ｂ）は変換装置に再利用装置が併設されている様子を示した（ａ）の平面図である。

【図4】（ａ）は制震装置の構成例を示した概要図、（ｂ）は（ａ）におけるサーボ弁の詳細図である。

【図5】（ａ）は上部構造が免震層に支持された場合の上部構造の絶対速度と絶対変位に基づいて再利用装置が発生する制御力を決定する制御をした場合の制御ゲインと応答最大加速度の関係を示したグラフ、（ｂ）は制御ゲインと上部構造の最大変位との関係を示したグラフ、（ｃ）は制御ゲインと制御力及び免震構造の場合の減衰力との関係を示したグラフ、（ｄ）は制御ゲインとエネルギ収支との関係を示したグラフである。

【図6】上部構造と下部構造間に介在する支持層が柔でない層である場合に、上部構造と下部構造間に変換装置と再利用装置を設置した建物モデルを示した立面図である。

【図7】図６に示す建物モデルの解析結果として応答加速度分布を示したグラフである。

【図8】地上層のいずれかの階に支持層としての免震層が介在する場合の上部構造と下部構造間に変換装置と再利用装置を架設した構造物の例を示した立面図である。

【図9】地下階を含む構造物全体が上部構造であり、下部構造としての地盤との間に支持層としての免震層が介在する場合の上部構造と下部構造間に変換装置と再利用装置を架設した構造物の例を示した立面図である。

【図10】従来の基本的な制震システムの構成例を示した立面図である。

【図11】変換装置から複数の再利用装置にエネルギを供給する場合の従来の制震システムの構成例を示した立面図であり、（ａ）は変換装置が免震層に架設されたダンパーの場合、（ｂ）は変換装置が隣接する構造物（棟）間に架設されたダンパーの場合である。

【図12】同一層に設置された変換装置から再利用装置にエネルギを供給する場合の従来の制震システムの構成例を示した立面図である。

【図13】図１２に示す振動モデルにおける変換エネルギと再利用エネルギの関係を示した概要図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

図１−（ａ）、（ｂ）は地震時に下部構造６に対して水平方向に相対変位を生じる上部構造７に入力した振動エネルギを制御力として利用可能な変換エネルギに変換する変換装置２と、変換装置２で変換された変換エネルギを蓄積する蓄積装置３と、蓄積装置３に蓄積された変換エネルギを上部構造７に制御力として付与する再利用装置４とを備え、上部構造７が下部構造６上に、下部構造６との間で水平方向に相対変位を生じ得る支持層８を介して支持されたエネルギ変換型アクティブ絶対制震システム（アクティブ絶対制震装置）の構成例を示す。図１−（ａ）は支持層８が免震層の場合、（ｂ）は水平剛性を低下させた低剛性層である場合である。

【0046】

変換装置２と再利用装置４は共に、上部構造７と下部構造６との間に跨って架設される。再利用装置４は変換装置２で変換され、蓄積装置３に蓄積された変換エネルギを再利用エネルギとして用いて上部構造７に対し、下部構造６との間の相対変位に拘わらず、上部構造７を下部構造６の変位前の位置に留まらせ、絶対空間に静止させるための制御力を付与する。

【0047】

蓄積装置４に変換エネルギとして蓄積されている圧液の内、再利用装置４が上部構造７への制御力の発生のために使用した後の圧力の低下した圧液は変換装置２への復帰のために油圧タンク等の回収装置５に回収される。この回収装置５と、変換装置２と蓄積装置３及び再利用装置４はアクティブ絶対制震システムを構成する単位となる制震装置１を構成する。

【0048】

制震装置１は図３−（ａ）、（ｂ）に示すように振動エネルギを変換エネルギとしての流体エネルギに変換する油圧シリンダ等の変換装置２と、変換装置２に接続され、変換装置２で変換された流体エネルギを蓄積するアキュムレータ等の蓄積装置３と、蓄積装置３に接続され、蓄積装置３に蓄積された流体エネルギ（圧液）を用いて上部構造７に付与すべき制御力を出力する再利用装置４と、再利用装置４に接続され、再利用装置４からの制御力の出力時にシリンダ室４３、４４から放出された圧液を回収し、変換装置２に復帰させる回収装置５から構成される。回収装置５は変換装置２に接続される。

【0049】

制震装置１の下部構造６と上部構造７間への具体的な設置例を図３に示す。ここに示すように制震装置１を構成する変換装置２と再利用装置４は下部構造６の上部構造７側に固定されたブラケット６１と、上部構造７の下部構造６側に固定されたブラケット７１との間に架設され、上部構造７の下部構造６に対する任意の水平方向の相対変位とそれに伴う鉛直方向の相対変位に追従可能なように軸方向両端部において各ブラケット６１、７１に任意の軸の回りに回転自在に接続される。変換装置２と再利用装置４の軸方向両端部は球面軸受６２、７２を介してブラケット６１、７１に接続されることにより各ブラケット６１、７１に任意の軸の回りに回転自在に接続される。上部構造７は下部構造６に対して任意の水平方向に相対変位することから、変換装置２と再利用装置４の組（制震装置１）は水平二方向に向けて下部構造６と上部構造７間に架設される。

【0050】

変換装置２と再利用装置４は上部構造７の下部構造６に対する相対変位時に機能するから、いずれも軸方向を相対変位方向である水平方向に向けて配置されることが適切であるが、必ずしもその必要はない。蓄積装置３は変換装置２と再利用装置４の中間部に接続されるが、図３−（ｂ）に示すように変換装置２と再利用装置４のいずれかに付属する形で一体化することもある。

【0051】

変換装置２は具体的には図４に示すようにシリンダ２１と、シリンダ２１内を往復動するピストン２２からなり、シリンダ２１内はピストン２２を挟んだ両側のシリンダ室２３、２４に区分され、前記のように支持層８を挟んで上下に区分された下部構造６と上部構造７との間に跨った状態で設置される。シリンダ２１は図３に示すように下部構造６と上部構造７のいずれか一方に接続され、ピストン２２が他方に接続される。

【0052】

変換装置２は地震による下部構造６の振動時に上部構造７が下部構造６に対して相対移動を生じたときに、一方のシリンダ室２３（２４）内の液圧が上昇することで、高圧の圧液を発生させ、圧液を高圧の状態のまま蓄積装置３に送り込む。蓄積装置３は高圧の圧液を流体エネルギ（圧力エネルギ）として保存する。下部構造６の振動時にはシリンダ２１内をピストン２２が往復動するため、高圧の圧液は両側のシリンダ室２３、２４内に交互に発生する。

【0053】

再利用装置４は変換装置２と同様に圧油等の圧液が充填されたシリンダ４１と、シリンダ４１内を往復動し、シリンダ４１内を両側のシリンダ室４３、４４に区分するピストン４２からなり、下部構造６と上部構造７との間に跨った状態で設置され、シリンダ４１において下部構造６と上部構造７のいずれか一方に接続され、ピストン４２において他方に接続される。

【0054】

再利用装置４のピストン４２を挟んだ両側の各シリンダ室４３、４４と蓄積装置３との間には蓄積装置３内の圧液の各シリンダ室４３、４４への流入を制御するサーボ弁４５が接続され、両側のシリンダ室４３、４４間には両側のシリンダ室４３、４４間の圧液の移動量を制御する流量制御弁４６が接続される。流量制御弁は変換装置２が変換した変換エネルギの蓄積装置３への放出量を制限するために変換装置２にも接続されることがある。

【0055】

再利用装置４の流量制御弁４６が両側のシリンダ室４３、４４間の圧液の移動量を制御することは、図４に示すように再利用装置４の両側のシリンダ室４３、４４間に流量Ｑ０を生じさせることであるから、サーボ弁４５の開放時にＱ１＋Ｑ３の量の圧液が再利用装置４に送り込まれるときに、一方のシリンダ室４３にＱ１−Ｑ２−Ｑ０の流量の圧液が送り込まれ、他方のシリンダ室４４にＱ１−Ｑ２＋Ｑ０の流量の圧液が送り込まれる。

【0056】

このとき、再利用装置４の各シリンダ室４３、４４にはＱ１−Ｑ２−Ｑ０に応じた圧力Ｐａ１とＱ３−Ｑ４＋Ｑ０に応じた圧力Ｐａ２が発生し、これらの圧力差ΔＰが制御力Ｆとして上部構造７に付与される。サーボ弁４５と流量制御弁４６の制御は両側のシリンダ室４３、４４内の圧力差ΔＰ、またはピストン４２の移動速度Ｖ、及び制御力指令Ｆを用いたコントローラからの指令に基づいて行われる。流量制御弁に流量Ｑ０を生じさせるかどうかは、速度Ｖ、または圧力差ΔＰと制御力指令Ｆの積の正負で判定される。

【0057】

再利用装置４は蓄積装置３内に蓄積されている流体エネルギ（再利用エネルギ）の使用を節約する上では、上部構造７の下部構造６に対する振動（揺れ）を打ち消すために上部構造７に能動的な加力として制御力を付与する「加振」の時間帯と、上部構造７の揺れを抑制するための受動的な抵抗力を発生する「吸収」の時間帯の内、基本的に「加振」の時間帯に蓄積装置３内の流体エネルギを用いて上部構造７に制御力を付与する。再利用装置４は「吸収」の時間帯には主に蓄積装置３内の流体エネルギを用いずに、再利用装置４の両側のシリンダ室４３、４４内に存在する圧液を用いて上部構造７の揺れを抑制するための抵抗力としての制御力を上部構造７に付与する。

【0058】

再利用装置４が「加振」時のみ蓄積装置３の流体エネルギを使用して制御力を発生し、「吸収」時に蓄積装置３の流体エネルギを使用せずに制御力を発生する機構は、「加振」時に蓄積装置３からの圧液のサーボ弁４５の通過を許容し、「吸収」時の少なくとも一部の時間帯に蓄積装置３からの圧液のサーボ弁４５の通過を遮断する設定がされた流量制御弁４６によって制御される。流量制御弁４６が圧液のサーボ弁４５の通過を遮断した状態では、流量制御弁４６は両側のシリンダ室４３、４４内の圧液（圧油）を相互に流出入させることにより再利用装置４が発生すべき制御力に必要な圧液を賄う。

【0059】

図６は構造物全体の内、地上２階以上の層が上部構造７で、地上１階以下の層が下部構造６であり、上部構造７と下部構造６との間に介在する支持層８が柔な構造でない場合の例を示す。ここでは上部構造７における最下階である２階のスラブや梁の下部構造６側にブレースや耐震壁等、剛体としての剛性要素９を固定し、この剛性要素９と下部構造６との間に変換装置２と再利用装置４（制震装置１）を架設している。

【0060】

図６の例では支持層８が柔ではなく、剛に近いため、上部構造７に付与すべき制御力は支持層８が柔である場合より大きくなる。但し、上部構造７は下部構造６の変位前の位置に留まるように制御されることで、下部構造６との相対変位が大きくなり、図７の説明に記載のように再利用装置４が発生する制御力に必要な再利用エネルギを賄うのに十分な変換エネルギを変換装置２が振動エネルギから変換することができるため、制御力の大きさが不足する事態に陥ることはない。

【0061】

図８は構造物の地上階が支持層８を挟んで下部構造６と上部構造７に区分された場合の例を、図９は地下階を含む上部構造７としての構造物と下部構造６としての地盤との間に支持層８が介在する場合の例を示す。いずれも支持層８が積層ゴム支承や滑り支承、転がり支承等の免震層等、柔な層である場合を示しているが、柔な層は低剛性層（ソフトファーストストーリー）の場合もある。

【0062】

図１、及び図８、図９の例では支持層８が柔な層であることで、支持層８が柔でない図６に示す例の場合より上部構造７に付与すべき制御力は小さくて済むため、蓄積装置３に蓄積される変換エネルギが温存され易く、蓄積され易い状況になる。

【符号の説明】

【0063】

１……制震装置、
２……変換装置、２１……シリンダ、２２……ピストン、２３、２４……シリンダ室、
３……蓄積装置、
４……再利用装置、４１……シリンダ、４２……ピストン、４３、４４……シリンダ室、４５……サーボ弁、４６……流量制御弁、
５……回収装置、
６……下部構造、６１……ブラケット、６２……球面軸受、
７……上部構造、７１……ブラケット、７２……球面軸受、
８……支持層、９……剛性要素。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】