JPH0819781B2 - 制振方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、アクチュエータ等の動力手段から加えられ
る制振力で長周期性構造物を制振するに際して、地震並
びに動力手段からの入力による構造物の応答を検出し、
この構造物の応答に基づいて動力手段の伸縮変位量をフ
ィードバック制御するようにした制振方法及びその装置
に関するものである。

《従来の技術》 地震動などに対して構造物の揺れを規制するための制
振手法としては、様々なものが案出されている。例え
ば、地盤上に積層ゴム等でなるアイソレータやローラ等
で構成した滑り支承材などの長周期化手段を介して支持
した構造物と地盤との間に地動方向に伸縮駆動されるア
クチュエータ等の動力手段を設け、この動力手段に地震
動と逆方向の制振力を発生させるようにして、移動する
地盤に対して構造物を絶縁し且つ構造物をできる限り一
定位置に維持するように考えられた制振機構などが知ら
れている（日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿）
（昭和62年10月）p.905−906等がある）。

ここに本出願人は、このような制振機構における動力
手段と構造物または地盤との結合構造に関し、伝達され
る制御信号に対する動力手段の作動遅れやフィードバッ
ク制御を採用した場合の制御系の発振などを考慮して、
動力手段に、その力伝達方向に弾発する弾発手段を取付
けて制振装置を構成することを考えている。

すなわち、動力手段は伝達される制御信号、特に信号
中の高周波成分に対して極端な作動遅れを生ずるが、動
力手段と構造物とを直接結合して構成した場合、作動が
遅れる動力手段の挙動が制振ではなく、反対に構造物の
揺れを増幅させてしまうおそれがある。これに対し弾発
手段を取付けた場合には、高周波成分に対応する動力手
段の挙動は弾発手段によってカットでき、動力手段が制
振とは反対に作用してもその挙動を弾発手段で抑制して
動力手段の作動遅れによる悪影響を取り除くことができ
る。

またフィードバック制御においては、構造物から検出
され制御に利用されるフィードバック信号に高周波成分
が含まれていると制御系の発振の原因となるが、弾発手
段の介在により、構造物で検出される信号から高周波成
分をカットでき、制御の安定性を向上して動力手段に充
分な制振作用を発揮させることができる。

このように弾発手段を備えることにより、制御信号に
含まれる高周波成分に動力手段が応動して制振力を付与
すべき動力手段によって構造物の揺れが増幅されたり、
制御系の発振によって動力手段が充分な制振作用を発揮
できなくなるのを防止することができる制振機構を考え
ている。

《発明が解決しようとする課題》 しかしながら、このように地震力及び制振力が相互に
作用する動力手段の力伝達系に弾発手段を介設した振動
系では、弾発手段を備えていない振動系と異なり、弾発
手段の存在を加味した上での動力手段の適切な制御を行
なわないと好ましい制振効果を得ることができない。こ
のため、このような弾発手段を備えた振動系における適
当な制振制御方法並びにその装置の案出が望まれてい
る。

本発明の目的は、地震力及び制振力が相互に作用する
動力手段の力伝達系に弾発手段を備えて、動力手段から
加えられる制振力で長周期性構造物を制振するに際し
て、弾発手段を含む振動系に対して好適な制振制御方法
並びにその装置を提供することにある。

《課題を解決するための手段と作用》 本発明は、地盤上に長周期化手段を介して支持された
構造物を、その力伝達方向に弾発する弾発手段を有し
て、互いに相対変位するこれら構造物と地盤との間で伸
縮駆動されて構造物に制振力を伝達する動力手段によっ
て制振するに際し、地震動並びに動力手段からの入力に
よる構造物の応答を検出し、この構造物の応答に従って
動力手段の伸縮変位量をフィードバック制御するように
なっている。

そして、弾発手段の存在を加味した上で動力手段の伸
縮変位量をフィードバック制御で制御することにより、
弾発手段の機能を活かした制振制御を行なうようになっ
ている。

また本発明は、地盤と地盤上に長周期化手段を介して
支持された構造物との間に設けられ、これら互いに相対
変位する地盤と構造物との間で伸縮駆動されて構造物に
制振力を伝達する動力手段と、動力手段に取付けられそ
の力伝達方向に弾発する弾発手段と、地震動並びに動力
手段からの入力による構造物の応答を検出する検出手段
と、検出手段からの検出信号に応じて動力手段の伸縮変
位量をフィードバック制御する制御手段とを備えて構成
され、弾発手段の機能を活かしつつ構造物の応答に基づ
き動力手段の伸縮変位を制御対象として制振制御を行な
うようになっている。

《実施例》 以下に、本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述
する。

図に示すように、凹部１が区画形成された地盤２上に
は、その凹部１内に長周期化手段３を介して支持されて
構造物４が連設され、この構造物４は長周期化手段３に
よって長周期化されて構成される。本実施例にあっては
長周期化手段３として、適当な高さを有し且つ凹部１内
に間隔を隔てて配設された複数の積層ゴムが例示されて
いる。なお、長周期化手段３としては、積層ゴムに限ら
ず、滑り支承材，ベアリング，ソフトストリ，磁気浮上
手段などを採用してもよい。

このように構成された構造物４と地盤２との間には、
地震時において互いに相対変位するこれら構造物４と地
盤２との間で伸縮駆動されて構造物４に制振力を伝達作
用させる油圧シリンダなどの動力手段５が設けられる。
具体的には動力手段５は、互いに相対変位する地盤２側
の凹部１の垂直壁1aと、これに相対向する構造物４の下
層部分との間に、ほぼ水平に設けられる。またこの動力
手段５は、構造物４の周囲に間隔を隔てて複数配設さ
れ、様々な方向性の地震に対応できるようになってい
る。

そしてこの動力手段５には、その力伝達方向に弾発す
るスプリングなどの弾発手段６が取付けられる。図示例
にあっては弾発手段６は、動力手段５と構造物４との間
に取付けられているが、力の伝達方向であれば、動力手
段５と地盤２側の凹部垂直壁1aとの間であっても良い。
そしてこの弾発手段６は、制御信号に含まれる高周波成
分に動力手段５が応動して制振力を付与すべき動力手段
５によって構造物４の揺れが増幅されたり、制御系の発
振によって動力手段５が充分な制振作用を発揮できなく
なるのを防止するように機能する。

他方構造物４内には、地震動並びに動力手段５からの
入力による構造物４の応答を検出する検出手段７が配置
される。そしてこの検出手段７には、検出信号を増幅す
るための増幅器８を介してコンピュータなどの制御手段
９が接続される。またこの制御手段９は動力手段５に接
続され、検出手段７からの検出信号に応じて動力手段５
の伸縮変位量をフィードバック制御する機能を有する。
すなわち、地震動の作用及び動力手段５の作用による構
造物４の応答が検出手段７によって常に検出され、この
検出量が制御手段９で処理されてその制御信号が動力手
段５に常に帰還されるようになっている。なお、増幅器
８並びに制御手段９の設置位置は、図示のように構造物
４内であっても、地盤２側であっても良い。

ここで、本発明の制振手法の概念、制御手段９の
制御量として動力手段５の伸縮変位量を採用した点、並
びにフィードバック制御を採用した点にについて説明
する。

について 本発明は、弾発手段６を備えた制振系に対応する特有
の制御関数を制御手段９内に設定し、この制御関数に基
づいて動力手段５の伸縮変位量を制御して制振を達成す
るようになっている。

長周期化手段３によって支持された構造物４に動力手
段５の制御力を作用させることによって、地震時の地動
による構造物４の揺れを抑制する場合の基本的な振動方
程式は、次のように表現される。

ｍ＋ｃ＋kx＝−ｍ＋Ｆ …（１） m:構造物４固有の質量 c:構造物４固有の減衰係数 k:長周期化手段３の弾発係数 ：構造物４の地盤２に対する相対加速度 ：構造物４の地盤２に対する相対速度 x:構造物４の地盤２に対する相対変位 ：地動加速度 F:動力手段５の制御力 ここに地震動の作用並びに動力手段５からの入力によ
る構造物４の応答量としてはその変位x,速度，加速度
がある。また上記振動系を考慮した場合、構造物４の
振動特性を変更できる諸量としては構造物４固有の質量
m,構造物４固有の減衰係数ｃ及び長周期化手段３の弾発
係数ｋがある。そして本発明にあっては、構造物４の応
答を検出してこれら検出量を制御系で処理するにあた
り、適当な制御関数を設定してこれら振動特性を変更で
きる諸量を制御系において適当に変更することにより、
構造物４の振動特性を変化させて制振させるようになっ
ている。ここでは、（Ｉ）構造物４の応答速度を用い
て振動系の減衰力を変更する場合、（II）構造物４の応
答変位ｘを用いて振動系の弾発力を変更させる場合、及
び（III）構造物４の応答加速度を用いて振動系の質
量を変更する場合について説明する。

まず上述の構造を検討すると、動力手段５の力伝達系
には弾発手段６が介設されているので、（１）式の動力
手段５の制御力Ｆの内容は次のように書き直すことがで
きる。

Ｆ＝ka（ｚ−ｘ） …（２） ka:弾発手段の弾発係数 z:動力手段の伸縮変位量 ここで（２）式を（１）式に代入する。この際、地動
変位ｙと構造物４の地盤２に対する相対変位ｘとを重ね
合わせた静止系（絶対系）に対する構造物４の絶対応答
変位（ｘ＋ｙ），絶対応答速度（＋）等で整理する
と、次のようになる。

ｍ（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ ｃ＋（ｋ＋ka）ｙ＋kaz …（３） このように表現された（３）式において、外力の項で
ある右辺のkazは弾発手段６を設置したことによる効果
である。ここに、（Ｉ）に対応させてkazで与えられた
力の項に関し、この力の項を振動系の減衰力を変更させ
るための制御量として与える場合を考えると、構造物４
の絶対応答速度を用いて次のように表現することができ
る。

kaz＝−ca（＋） ca:制御手段９で与えられる減衰係数 この（４）式を上記（３）式に代入して整理すると次
のように表現され、（３）式と比較すると構造物４の振
動特性が変更された効果が与えられる。

ｍ（＋）＋（ｃ＋ca）（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ ｃ＋（ｋ＋ka）ｙ …（５） 同様に、（II）に対応させてkazで与えられた力の項
に関し、この力の項を振動系の弾発力を変更させるため
の制御量として与える場合を考えると、構造物４の絶対
応答変位を用いて次のように表現することができる。

kaz＝−kb（ｘ＋ｙ） kb:制御手段９で与えられる弾発係数 この（６）式を上記（３）式に代入して整理すると次
のように表現され、（３）式と比較すると構造物４の振
動特性が変更された効果が与えられる。

ｍ（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka＋kb）（ｘ＋ｙ）＝ ｃ＋（ｋ＋ka）ｙ …（７） また同様に、（III）に対応させてkazの力の項を振動
系の質量を変更するための制御量として与える場合を考
えると、構造物４の絶対応答加速度を用いて次のように
表現することができる。

kaz＝−ma（＋） ma:制御手段９で与えられる質量 この（８）式を上記（３）式に代入して整理すると次
のように表現され、（３）式と比較すると構造物４の振
動特性が変更された効果が与えられる。

（ｍ＋ma）（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ ｃ＋（ｋ＋ka）ｙ …（９） このように力の項であるkazに対応させて（４），
（６），（８）式に示したような制御関数を制御系に導
入することにより、（５），（７），（９）式に示した
ような振動系の変更を確保してこの振動系の変更という
面から制振効果を発揮させることができる。特に、
（５）式は構造物４に新たにダンパを付加して共振動幅
を抑える効果を発揮するものであり、また（７），
（９）式は振動系の固有周期を変化させて構造物４の周
期を特定の周期帯からシフトさせる効果を発揮する。

また必要な場合には、これら（４），（６），（８）
式を適当に組合せて制御系を構成しても良いことはもち
ろんである。

また更に構造物４の応答を検出すると共に、制御系に
特有の制御関数を与えて制振させる手法として、次のよ
うにしても良い。すなわち上述の式（３）においては、
左辺が上述の構造の絶対系での振動特性を、右辺が外力
の内容となっている。そして上記の構造物４の絶対応答
が零となるためには、右辺の内容、すなわち外力の項が
零となれば良い。そこで（３）式を右辺＝０として、動
力手段５の伸縮変位量ｚで整理すると、次のように表わ
される。

これは構造物４を、絶対系に対して静止させることが
できる制御量である。そしてこの値ｚと構造物４の絶対
応答とが等しい値となれば、そのときの動力手段５の伸
縮変位量ｚは構造物４を地動に拘らず一定位置に維持で
きている（絶対制振状態）ことになる。実際の制御にお
いては、フィードバック制御が行なわれるので、このｚ
という値は現在における実際の動力手段５の伸縮変位量
として制御に導入され、これら値ｚと構造物４の応答量
とに基づいて制御が行なわれることになる。そこで実際
の制御のためにこの値ｚをzaとし、これを上記（３）式
に代入して制御関数を整理すると次のようになる。

ｍ（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ −kaza＋kaz ｚ＝za＋Gf（ｘ＋ｙ） …（11） ｆ（ｘ＋ｙ）:m（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ） G:フィードバックゲイン（Ｇ＝1/ka） この制御は、構造物４の応答量に基づきながらも、地
震動の入力に対して直接応答して構造物４を制振しよう
とするものである。

また更に、ここで得られた制御関数（11）は、必要に
応じて上記（５），（７），（９）式の制御関数と組合
せても良い。これは（11）式で与えられた絶対制振の制
御では、制御手段９から出力される制御信号に対して動
力手段５が迅速に作動する必要がある。しかしながら動
力手段５には相当の作動遅れがあり、信号に対応できな
い場合がある。ここに、（11）式の制御に重ねて
（５），（７），（９）式の制御関数と組合せ、振動系
の変更という観点からの補正を行なうことにより、絶対
制振の制御における動力手段５の作動遅れなどの悪影響
を廃除して優れた制振制御を行なうことができる。

このようにして、地震力及び制振力が相互に作用する
動力手段５の力伝達系に弾発手段６を新設した振動系に
おいて、新たに導出された上記各式を制御手段９の制御
関数とし、検出手段７の検出量として構造物４の応答を
採用して動力手段５の伸縮変位量ｚの制御を行なうこと
により、弾発手段６の存在を加味した上で、弾発手段６
にその機能を発揮させつつ動力手段５に適切な制振制御
信号を出力することができ、優れた制振効果を得ること
ができる。

また構造物４の絶対応答量を検出するに際しては、図
示のように構造物４に設置した検出手段７で構造物４独
自で静止系に対するその絶対加速度，絶対速度，絶対変
位を検出しても良いし、他方地動の加速度，速度，変位
並びに地盤２に対する構造物４の相対的な加速度，速
度，変位をそれぞれ別個のセンサで検出して上記算式の
ようにこれらを重ね合わせて用いるようにしても良い。
更に、加速度，速度，変位の相互間については、例えば
検出された速度を微分，積分する等して得るようにして
も良い。

について 次に、制御手段９の制御量として動力手段５の伸縮変
位量ｚを採用した点について説明すると、油圧シリンダ
等の動力手段５を制御する場合の制御量としては、その
変位量，変位速度，変位加速度がある。また他方、ロー
ドセル等を動力手段５と構造物４との間に設置して動力
手段５の発生する作用力を制御する方法もある。ここに
動力手段５として例えば油圧シリンダを採用した場合に
は、その作動はバルブを制御することで行なわれる。こ
のバルブ制御はオイルの流入量を調整するもので、その
流入量は油圧シリンダの変位速度に対応するから、この
バルブ制御は油圧シリンダの変位速度制御を行なってい
ることになる。従ってこのような場合には、制御手段９
による制御量を動力手段５の変位速度とすることが最も
直接的且つ簡単であり、一般的にはこの速度制御が行な
われている。しかしながら制御系の一般的な考え方とし
て、変位制御が制御系の発振を起こしにくく最も安定性
の高いものである。すなわち、速度制御を基準に考える
と、加速度制御は速度制御に対して微分制御の関係にあ
り、動力手段５が素早く反応することができれば優れた
追従性を発揮するが、安定性に劣り発振を起こしやすい
制御系である。また力制御の制御系は、加速度制御と同
様に発振を起こし易く、不安定なものである。これらに
対して変位制御は速度制御に対して積分制御の関係にあ
り、安定性に優れ発振も起こし難いものである。

そして本制振制御にあっては、上述した新しい制御関
数の導出にあたり動力手段５の伸縮変位量ｚを制御式に
導入したことにより、この変位制御で動力手段５の制御
を達成することができ、この安定性の高い変位制御を上
述の制振方法に採用することで更に優れた制振を達成す
ることができる。

について また更に本制振方法及び装置にあっては、構造物４が
地震動によって揺れ始める前の地動を予め検出して行な
われるフィードフォワード制御ではなく、フィードバッ
ク制御を採用している。これはフィードフォワード制御
では予測制御となるため、構造物４の振動特性やその非
線形性を事前に把握しこれらを反映した制御回路が必要
となるのに対し、フィードバック制御ではこのような必
要がなく、また構造物４の非線形性に対しても追従する
ことが可能だからである。

そして上述したような、地盤２上に長周期化手段３を
介して支持された構造物４を、その力伝達方向に弾発す
る弾発手段６を有して、互いに相対変位するこれら構造
物４と地盤２との間で伸縮駆動されて構造物４に制振力
を伝達する動力手段５によって制振するに際し、本発明
の制振方法にあっては、地震動並びに動力手段５からの
入力による構造物４の応答を検出し、この構造物４の応
答に応じ上述した種々の制御関数に基づいて動力手段５
の伸縮変位量ｚをフィードバック制御するようになって
いる。

《発明の効果》 以上要するに本発明に係る制振方法及びその装置によ
れば、地震力及び制振力が相互に作用する動力手段の力
伝達系に弾発手段を新設した振動系において、弾発手段
の弾発係数を含んだ形で新たに導出された振動方程式を
制御手段の制御関数とし、検出手段の検出量として構造
物の応答を採用して動力手段の伸縮変位量の制御を行な
うことにより、弾発手段の存在を加味した上で、弾発手
段にその機能を発揮させつつ動力手段に適切な制振制御
信号を出力することができ、優れた制振効果を得ること
ができる。

また上述した新しい制御関数の導出にあたり動力手段
の変位量を制御式に導入したことにより、この変位制御
で動力手段の制御を達成することができ、この安定性の
高い変位制御を制振制御に採用することで更に優れた制
振を達成することができる。

また更にフィードバック制御を採用しているので、構
造物の振動特性やその非線形性を事前に把握しこれらを
反映した制御回路とする必要がなく、的確な制振制御を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る制振装置の好適実施例を示す概略図で
ある。 ２…地盤、３…長周期化手段 ４…構造物、５…動力手段 ６…弾発手段、７…検出手段 ９…制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 寿一 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 鈴木 哲夫 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 関松 太郎 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地盤上に長周期化手段を介して支持された
   構造物を、その力伝達方向に弾発する弾発手段を有し
   て、互いに相対変位するこれら構造物と地盤との間で伸
   縮駆動されて構造物に制振力を伝達する動力手段によっ
   て制振するに際し、地震動並びに上記動力手段からの入
   力による構造物の応答を検出し、この構造物の応答に従
   って該動力手段の伸縮変位量をフィードバック制御する
   ようにしたことを特徴とする制振方法。
2. 【請求項２】地盤と該地盤上に長周期化手段を介して支
   持された構造物との間に設けられ、これら互いに相対変
   位する該地盤と該構造物との間で伸縮駆動されて上記構
   造物に制振力を伝達する動力手段と、該動力手段に取付
   けられその力伝達方向に弾発する弾発手段と、地震動並
   びに上記動力手段からの入力による構造物の応答を検出
   する検出手段と、該検出手段からの検出信号に応じて上
   記動力手段の伸縮変位量をフィードバック制御する制御
   手段とを備えたことを特徴とする制振装置。