JPH0247478A - 制振方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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１、す振方法及びその
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他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ｌＯ月）　９．９０５−９０６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ＩＲ構造物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１ｑ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構造
物と地盤との間で他動方向に伸縮駆動されて構造物に割
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、他動方向に伸縮駆動
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
割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、四部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が建設され、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
震時における他動方向に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、凹部１の垂直壁１
ａとこれに相対向する構造物４の下層部分との間に、地
震の横揺れ方向に沿って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が設置さ
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、地震時の他動に
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。

ｍｘ＋ｃ　Ｍ＋ｋｘ　−−ｍ９＋Ｆ　　　　　　−−−
（１）ｍ：構造物４固有の質量 ｃ二構造物４固有の減衰係数 に：長周期化手段３の弾発係数 に：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に対する相対速度Ｘ：構造物４の地盤２に対する
相対変位ψ：他動加速度 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。

速度に、加速度ｋ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）構遺物４の応
答速度交を用いて振動系の減衰力を変更する場合、（Ｉ
Ｉ）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の応答加速度父
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聴ｋａ（ｚ−ｘ） ・・・　（２） ｍ　（父＋ｉ）＋ＣにＣ＋？） ＋　　（ｋ＋ｋａ）　　（ｘ＋ｙ）　　＝Ｃ３／＋　　
（ｋ＋ｋ　ａ）　　ｙ＋ｋ　ａ　ｚ−−−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ｋａ
ｚ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。

ｋａ：弾発手段の弾発係数 ２：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、他動変
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
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（ｘ十？）等で整理すると、
次のようになる。

ｋａｚ　−−ｃａ　　（ｘ＋ｙ） Ｃａ：制御手段って与えられる減衰係数　ａ （ｘ＋ｙ） ・・・　（４） ｋａ 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　　（ｘ：＋９）＋　　（ｃ＋ｃａ）　　（ｘ＋ｙ）
＋　（ｋ＋ｋａ）（ｘ＋ｙ）− ｃｙ＋　　（ｋ＋ｋａ）　　Ｙ　・・・　（５）ｋｂ （ｘ　＋　ｙ） ・・　（６） ｋａ 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。

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；制御手段って与えられる弾発係数ｍ　（ｘ＋ｙ）
＋ｃ　（ｘ＋ｙ） ＋　　（ｋ＋ｋａ＋ｋｂ）　　（ｘ＋ｙ）　　＝ＣＹ＋
　　（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　（ｘ十ｙ） 制御手段９で与えられる質量 ｍ　ａ （菱＋ジ） ・・・　（８） ａ 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）　　（ｘ＋ｙ）＋ｃ　　（ｘ＋ｙ）＋　　
（ｋ＋ｋａ）　　（ｘ＋ｙ）　　＝ｃ　ｙ　＋　　（ｋ
　＋　ｋ　ａ　）　　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増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−〇として、動力手段５の伸縮変位ｆ
ｆ１ｚで整理すると、次のように表わされる。

ｃｙ＋（ｋ＋ｋａ）ｙ十ｋａｚ−０ ｚ　−−（ｃｙ＋　　（ｋ＋ｋａ）ｙｌ　　−（１０）
ａ 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２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Ｈｚは構造物４を他動に拘らず一定位置に維持てき
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２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２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２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（ｉ　＋ジ）＋ｃ　　にｃ＋ｙ） ＋　　（ｋ＋ｋａ）　　（ｘ＋ｙ）　　−−ｋａｚａ＋
ｋａｚ ｚ−ｚ　　ａ＋Ｇ　　ｆ　　（ｘ＋ｙ）　　　　　　　
　　　　−（１１）ｆ　　（ｘ＋ｙ）　　：ｍ　　（ｘ
＋９）＋ｃ　　（ｘ＋ｙ）＋　　（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
て優れた割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ｉｉｚ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め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、他方他動の加
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２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Ｄｌｌｆｆｉ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、−殻内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２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他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を有し構造物４と地盤２との間で他動方向に
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ｆｆｉｚ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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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該構造物
   と地盤との間で他動方向に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. （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、他動方向に伸縮駆動されて
   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。