JP2017532471A - 地震による損害を防止するためのシステムを備えるビルディング等の物体 - Google Patents
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Abstract
Description
“物体”とは、主にビルディングや建築的構成を定義するものであるが、これに限定しないが、動きやすい機械装置、技術的構成その他をも含み得る。
震動、及び、震害は多くの異なるタイプの弾性波を原因とするものである。多くのタイプの地震波の中でも実体波と表面波との間には明白な差異がある。実体波は地中を通して進むが表面波は地表を横断して進む。表面波の距離に伴う減衰は実体波のそれよりずっと遅い。表面波はより大きな損害をもたらす傾向がある。
実体波は地中を通して進む。実体波は地球内部の変動する密度やスチフネスにより屈折される。実体波の主なタイプは一次(P)波、及び、二次(S)波として参照される。
地震が発生すると震央付近の地震計はP波及びS波を共に記録することが出来るが、ずっと遠い距離にある地震計はもはや最初のS波の高周波を検出しないが、それは剪断波は液体を通過できないからである。
Bakkerの米国特許第2014643号には、ビルディング用のバランスブロックにして、対向する内方凹面間のベアリングボールでビルの上部構造重量を支持するバランスブロックが記載される。
Kemenyの米国特許第5599106号には円錐内ボール型ベアリングが記載される。
好ましい第1実施形態では前記少なくとも1つの偏倚センサは地盤偏倚センサを含み、前記地盤偏倚センサは前記基礎、及び又は、地盤の偏倚をリアルタイムに検出して前記偏倚に関するリアルタイムデータを前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力し、前記中央処理ユニットが、地球の重力場に関する前記基礎、又は、地盤の偏倚ベクトルとは実質的に逆の偏倚ベクトルで前記基礎に関してリアルタイムに偏倚されるような様式下に、前記アクチュエータを前記リアルタイムデータに依存してリアルタイムにアクティブ化させるようにプログラムされる。
好ましい第2実施形態では前記少なくとも1つの偏倚センサは物体偏倚センサを含み、前記物体偏倚センサは、前記地球の重力場に関する前記物体の偏倚をリアルタイムに検出し、前記偏倚に関するリアルタイムデータを前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力し、前記処理ユニットが、前記物体が前記案内手段上で自己バランスされるような様式下に前記アクチュエータを前記物体偏倚に関する前記リアルタイムデータに依存してリアルタイムにアクティブ化するように更にプログラムされる。
前記倒立振り子フィードバック制御バランシングアルゴリズムは、例えば、ファジーコントロールアルゴリズム(Bela G. Liptakの“Instrument Engineers Handbook”、Vol.2 “Process Control and Optimization”、Third Edition,Chapter6.2 “Fuzzy Logic Control”、the Fuzzy Controller Example 706〜708頁に記載される如き)であり得る。
前記検出された前記物体の偏倚は、前記物体の底部、及び、上方部分の偏倚、及び又は、前記物体の傾斜を含む。
前記少なくとも1つの物体偏倚センサは、地震計、加速度計、光学式モーションキャプチャ装置、電磁式モーションキャプチャ装置、慣性式モーションキャプチャ装置、及び又は、機械式モーションキャプチャ装置を含むことが好ましい。
前記案内手段は、物体と基礎との間の双方の水平方向間相対偏倚を可能にすることが好ましい。
第1セットのアクチュエータが前記第2セットのレールを前記基礎、及び、ビルディングの一方に関して偏倚させ、第2セットのアクチュエータが前記基礎、及び、ビルディングの他方を前記第2セットのレールに関して偏倚させるように配置されることが好ましい。
基礎は通常、構造物の地上レベル位置の連続的なコンクリートスラブを含み、あるいは、その上に建築される。ある基礎は、ベースレベルから上方に延びる一連のピアあるいはその他突起物を含む。基礎は地上レベルより高いレベルである場合が有る。
コスト効率性は、ビルディング構造を地震振動に対して強化する必要がもはや無くなることから、ビルディング上に取り付ける実重量における大きなコスト削減によっても達成される。
図1には組み立て状態の能動的基礎12の側面図が示される。地盤に係止された基礎1は大型の埋設コンクリート構造物であり、2つの突出するレール/ガイド2をも含む。これらレール上には、地震による横方向の地盤動の単一軸方向成分をリアルタイムで逆換するために自由度性の単一の移動プレート4を駆動するモーター、及び又は、アクチュエータ3も取り付けられる。移動プレート4は、地盤に係止した基礎のレール/ガイドに比較して90°回転した2つの、突出するレール/ガイドをも有する。移動プレート4上には、モーター、及び又は、自由度性の第2の移動プレート5を駆動するアクチュエータ6が設けられる。積載物11を有する上部プレート7は、地震による横方向の地盤動の第2の単一軸方向成分を逆換するためにリアルタイムで移動される。
図3では能動的基礎要素が更に明瞭に示される。
図4には可能な積載物としての多層階の高層ビルディング11を有する本発明の実施形態が例示され、地上高さ及びその下方の能動的基礎12が示される。図示される基礎はビルディングに対して実際の縮尺比で表すものではない。各矢印対は各方向での横方向地盤動の逆換を表す。
図6にはフィードバックループソフトウェアアーキテクチャ、及び、構造の概要が示される。この実施形態では、高層ビルディング11が、能動的基礎12に載置した積載物として用いられる。ソフトウェアアーキテクチャは入力源13と出力源17との間にフィードバックループを生成する。入力源は地震計、光学式又は慣性式モーションキャプチャシステム、及び、加速度計ベースの装置であり得る。本発明の全ての入力源は100Hz以上の速度で作用する。これらの入力源は全て、地震の振動、及び、地盤動の発生を検出する。更に、全ての入力源はログされ、入力データはリアルタイムで記録もされる。入力源13からの入力データは、入力装置毎の特定ソフトウェアドライバ、及び、出力源17用の特定ソフトウェアドライバを有するリアルタイムデバイスマネージャ14に送られる。リアルタイムデバイスマネージャは、異なる装置から異なる速度で送られるデータを統一タイムスタンプで同期もする。リアルタイムデバイスマネージャは、地震事象を記憶し、且つ、比較するため、データを地震データオフラインストレージ18にも送付する。ソフトウェア構造における次の要素はフィードバックカーネル15である。フィードバックカーネル15は、リアルタイムデバイスマネージャ14からの統一化された入力データを受け、このデータを、出力源17が必要とするフォーマットに変換するために必要な計算と、データを別個の自由度(DoF)に分割するために必要な計算と、前記別個の自由度性(DoF)のデータを適正に逆換するために必要な計算と、このデータをリアルタイムで出力源17に送るために必要な操作とを受け持つカスタムモジュールを介して解析する特定モジュールを有する。フィードバックカーネル15は、地震事象を記憶し、且つ、比較するためにこのデータを地震データオフラインストレージ18にも送付する。データを入力源13から出力源17に送る間も、物体/積載物11の状態、バランス、及び、位置が連続的に監視される。これは、分散型積載物フィードバックループシステム16において実施される。地盤動の実際の逆換が能動的基礎を駆動することによる、物体/積載物11における地盤動の影響排除をフィードバックカーネル15のレベルで実施する間、分散型積載物フィードバックループシステム16内では物体/積載物11が尚、静止状態を維持することを保証する検証、及び、フェールセーフチェックが継続的に実施される。
1つ又は1つ以上の入力源が、地震計、加速度計ベースの装置、又は、モーションキャプチャ装置を含む。地震計は地震、爆発、あるいはその他の大地を揺らす現象に起因する地震波を記録する機器である。地震計は、地盤動を、機器のアナログ、又は、デジタル回路により処理、及び、記録される電気的変化に変える電磁センサを備える。本発明ではデジタル地震計が使用される。発生したデジタルデータは能動的基礎システムへの入力源として取り扱われる。
荷重支持用の複数のカスタム車輪が前記レールに沿って取り付けられる。荷重支持用車輪は積載物重量を受け、且つ、レールを横断しての単一軸方向のみへの移動を可能とする。殆どの実施形態では積載物重量は非常に大きいことから、レールへの摩擦を低減させる追加的メカニズムが一体化される。
コントロールコンピュータが前記リアルタイムフィードバックループを実行する。コントロールコンピュータはソフトウェアツールを実行し、且つ又、検出された震動や地震をそれが能動的基礎位置に到達する前に警報する早期警告システムに結合される。
本発明の他の好ましい実施形態によれば、地震により発生する地盤動の回転性伝達をも排除し得る能動的システム構成であって、地震計、加速度計、又は、モーションキャプチャ装置を含む1つ又は1つ以上の入力源、基礎の底部として設定される自由度性Nの1つ又は1つ以上のモーションプラットフォーム(油圧、又は、電気式の)、前記モーションプラットフォームの頂部に装着した1つ又は1つ以上のレールセット、前記レールに沿って取り付けた積載物支承用の複数のカスタム車輪、前記積載物支承用の複数のカスタム車輪上に装着する1つ又は1つ以上の上方積載物プレート、前記入力源と前記モーターとの間のリアルタイムのフィードバックを確立するソフトウェアツール、前記リアルタイムフィードバックループを実行するコントロールコンピュータ、前記多数のフェールセーフ要素を含む能動的システム構成が提供される。
2 レール/ガイド
3 アクチュエータ
4、5 移動プレート
6 アクチュエータ
7 上部プレート
11 高層ビルディング/物体/積載物
12 能動的基礎
13 入力源
14 リアルタイムデバイスマネージャ
15 フィードバックカーネル
16 分散型積載物フィードバックループシステム
17 出力源
18 地震データオフラインストレージ
Claims (14)
- 地震による損害を防止するためのシステムを備えるビルディング等の物体であって、
前記システムが、
地盤に係止した基礎、
前記基礎及び前記物体上に取り付けた案内手段にして、少なくとも1つの水平方向での前記物体及び基礎間の相対偏倚を可能とするように配置した案内手段、
前記基礎に関して少なくとも1つの方向で前記物体を偏倚させるように配置した少なくとも1つのアクチュエータ、
を含み、
前記少なくとも1つのアクチュエータが中央処理ユニットに接続され、前記中央処理ユニットが少なくとも1つの偏倚センサに接続され、前記少なくとも1つの偏倚センサが、前記基礎、及び又は、地盤、及び又は、前記物体の偏倚をリアルタイムで検出し、前記偏倚に関するデータを前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力し、前記中央処理ユニットが、地球の重力場に関する前記物体の最大偏倚ベクトルが地球の重力場に関する前記基礎の最大偏倚ベクトルより実質的に小さく維持されるように前記物体が前記基礎に関してリアルタイムで偏倚されるような様式下に、前記アクチュエータを前記データに依存してリアルタイムでアクティブ化するようにプログラムされる物体。 - 前記処理ユニットは、地球の重力場に関する前記物体の最大偏倚ベクトルが地球の重力場に関する前記基礎の最大偏倚ベクトルに関して実質的に0に維持されるように前記物体が前記基礎に関してリアルタイムに偏倚されるような様式下に、前記アクチュエータを前記リアルタイムデータに依存してアクティブ化するようにプログラムされる請求項1に記載の物体。
- 少なくとも1つの偏倚センサは地盤偏倚センサを含み、前記地盤偏倚センサは前記基礎、及び又は、地盤の偏倚をリアルタイムに検出して前記偏倚に関するリアルタイムデータを前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力し、前記中央処理ユニットが、地球の重力場に関する前記基礎、又は、地盤の偏倚ベクトルとは実質的に逆の偏倚ベクトルで前記基礎に関してリアルタイムに偏倚されるような様式下に、前記アクチュエータを前記リアルタイムデータに依存してリアルタイムにアクティブ化させるようにプログラムされる請求項1又は2に記載の物体。
- 中央処理ユニットは、予測可能なフィードバックループを使用して、前記アクチュエータを前記リアルタイムデータに依存してリアルタイムにアクティブ化させるようにプログラムされる請求項3に記載の物体。
- 前記少なくとも1つの偏倚センサは物体偏倚センサを含み、前記物体偏倚センサは、前記地球の重力場に関する前記物体の偏倚をリアルタイムに検出し、前記偏倚に関するリアルタイムデータを前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力し、前記処理ユニットが、前記物体が前記案内手段上で自己バランスされるような様式下に前記アクチュエータを前記物体偏倚に関する前記リアルタイムデータに依存してリアルタイムにアクティブ化するように更にプログラムされる請求項1〜4の何れかに記載の物体。
- 物体は、倒立振り子フィードバック制御バランシングアルゴリズムを用いて前記案内手段上でバランスされる請求項5に記載の物体。
- 前記倒立振り子フィードバック制御バランシングアルゴリズムはファジーコントロールアルゴリズムである請求項6に記載の物体。
- 検出された前記物体の偏倚は、前記物体の底部、及び、上方部分の偏倚、及び又は、前記物体の傾斜を含む請求項5、6、7の何れかに記載の物体。
- 少なくとも1つの物体偏倚センサは、地震計、加速度計、光学式モーションキャプチャ装置、電磁式モーションキャプチャ装置、慣性式モーションキャプチャ装置、及び又は、機械式モーションキャプチャ装置を含む請求項1〜8の何れかに記載の物体。
- 案内手段は、物体と基礎との間の双方の水平方向間相対偏倚を可能にする請求項1〜9の何れかに記載の物体。
- 案内手段が、前記物体と基礎との間の少なくとも1つの水平方向での相互偏倚を可能とするように配置した前記基礎、及び、物体上に取り付けられ、前記基礎、又は、物体の一方に取り付けられたレールと、前記基礎、又は、物体の他方に取り付けた支持手段とを含み、前記支持手段が、前記レールにより支持され、且つ、レールに沿って移動するように配置される請求項1〜10の何れかに記載の物体。
- 案内手段は、前記物体を前記基礎に関して偏倚させるように配置した各2セットの前記アクチュエータ、レール、支持手段を含み、前記各2セットが相互に積層して伸延され、第1セットのレールが第1方向に伸延し、第2セットのレールが第2方向に伸延し、前記第2方向が前記第1方向に直交する請求項10及び11の何れかに記載の物体。
- 第1セットのアクチュエータが前記第2セットのレールを前記基礎、及び、ビルディングの一方に関して偏倚させ、第2セットのアクチュエータが前記基礎、及び、ビルディングの他方を前記第2セットのレールに関して偏倚させるように配置される請求項12に記載の物体。
- ビルディング等の物体への地震による損害を防止するための方法であって、
地盤に基礎を係止するステップ、
前記基礎、及び、物体に、前記基礎、及び、物体間の少なくとも1つの水平方向での相対偏倚を可能とするような配置で取り付けた案内手段を提供するステップ、
前記基礎に関して少なくとも1つの方向で前記物体を偏倚させるように配置した少なくとも1つのアクチュエータを提供するステップ、
を含み、
前記少なくとも1つのアクチュエータが中央処理ユニットに結合され、前記中央処理ユニットが少なくとも1つの偏倚センサに結合され、前記少なくとも1つの偏倚センサが、前記基礎、及び又は、地盤、及び又は、前記物体の偏倚をリアルタイムで検出し、前記偏倚に関するデータが前記中央処理ユニットにリアルタイムで入力され、前記中央処理ユニットが、地球の重力場に関する前記物体の最大偏倚ベクトルが地球の重力場に関する前記基礎の最大偏倚ベクトルより実質的に小さく維持されるように前記物体が前記基礎に関してリアルタイムで偏倚されるような様式下に前記アクチュエータを前記データに依存してリアルタイムでアクティブ化するようにプログラムされる方法。
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