JP2508241B2 - 能動型制震・制風装置の安全監視装置 - Google Patents

能動型制震・制風装置の安全監視装置

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    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/0215Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings involving active or passive dynamic mass damping systems

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は地震や風等の外力により構造物に生じる振動
を低減させるために、構造物内に設置する能動型制震・
制風装置の安全管理を行うための装置に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
出願人は特開昭62−268478号および特開昭63−78974
号公報等において、構造物頂部等に付加質量とアクチュ
エーターからなる制震・制風装置を設け、構造物が地震
あるいは風等の外力を受けたとき、アクチュエーターの
作動を制御することにより、付加質量としての重りの反
力をとって、構造物本体にその振動を制御するような力
を加える能動型制震・制風装置を開示している。
第6図は上述のような能動型制震・制風装置の概要を
示したもので、例えば構造物1の頂部に構造物1と実質
的に切り離した形で、付加質量としての重り12を設け、
重り12と構造物1の一部との間にアクチュエーター3を
介在させてある。地震や風等が作用し、構造物1に振動
が生じると、その振動を構造物1に設けたセンサー13a
が感知し、信号を制御回路に送る。制御回路は構造物1
の振動に応じた出力信号をアクチュエーター3に送り、
アクチュエーター3の制御を行う。なお、アクチュエー
ター3側には、センサー13bを設けてアクチュエーター
3の動きをフィードバックすることにより、正確な制御
をすることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、制震・制風装置が正常に作動していればよ
いが、種々の要因、例えば油圧を利用した装置では、油
圧源についての油圧低下、油量不足、油圧過大、アクチ
ュエーターについての過大負荷(荷重、ストローク)な
ど、あるいは予期せぬ原因により、装置の駆動あるいは
制御に異常が発生することを考慮する必要がある。
特に、能動型制震・制風装置は外部エネルギーを使用
するので、これが逆作用すると、かえって構造物にとっ
ては加振作用を生じる恐れがある。
本発明は能動型制震・制風装置の構造物に対する加振
現象を検知する装置を提供するものであり、構造物の保
安のため、異常状態にある制震・制風装置の作動停止な
ど、他の保安手段を講ずることが可能となる。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の安全監視装置は、構造物の振動に応じてアク
チュエーターより該振動を抑制する制御力を加える能動
型制震・制風装置において、構造物側に速度計などの振
動検知手段が設けられ、アクチュエーター側に荷重計な
どの荷重測定手段が設けられる。以上の振動検知手段お
よび荷重測定手段に加え、乗算器および積分器などから
構成される仕事量算定手段と、比較器などから構成され
る制御状況判断手段が設けられ、振動検知手段により得
られた振動(例えば、速度)および荷重測定手段により
得られた荷重より、アクチュエーターの構造物に対する
所定時間ごとの仕事量を求め、この所定時間ごとの仕事
量の正負の符合により、構造物に制振力が作用している
かまたは加振力が作用しているかを判断し、構造物の安
全を確認する。
なお、ここで言う所定時間とは構造物の固有周期相当
のある程度長い時間を対象としており、例えば構造物の
1次固有周期に相当する時間間隔T1、あるいはT1/2、2T
1といった時間を設定することができる。
〔作 用〕
地震や風の振動外乱を受けているときの制震構造物の
エネルギー状態は、次のように表すことができる(地震
の場合を示す)。
ただし、 m:構造物の質量 K:構造物の剛性 Fc:制御力 Fe:地震力 また、x,,はそれぞれ構造物の変位、速度である。
式において、左辺は構造物の振動エネルギーEsを、
右辺第1項は地震の仕事量Eeを、また右辺第2項は制御
力の仕事量Ec(dt=dy)を示し、これらを用いれば、
式は次のように表せる。
Es=Ee−Ec … 式から構造物の振動エネルギーは、地震力の仕事量
と制御力の仕事量との差に等しいことが分かる。
このことから、制御力の仕事量に注目すると、もしこ
の値が正であれば、地震の全時間についてみた地震力の
仕事量は一定でかつ正であるから、構造物の振動エネル
ギーは減少し、また逆に制御力の仕事量が負であると、
構造物の振動エネルギーは地震力の仕事量に加えてさら
に制御力の仕事量分だけ増大することになる。
なお、上記は地震の全時間についてみたもので、ある
短時間だけでみた場合、その短時間中の地震の仕事量は
負になることがあり得る。ただし、このことは制御力に
加えて地震力も制御作用に協力していることを示すの
で、制御力の所定時間の仕事量は常に正であることが構
造物の制振のためには必要である。
ここに、「制御力の所定時間の仕事量の正・負を調べ
ることにより、構造物の制振または加振状況を判断でき
る」という原理ができる。
本発明は上述の原理のもとに構造物の保安装置とし
て、構造物の速度、制御力Fcを計測し、その所定時間
ごとの積分値(所定時間ごとの仕事量)から危険と判断
した場合には他の保安手段(例えば、装置停止回路な
ど)へ信号を出力するものである。
〔実施例〕
次に、図示した実施例に基づいて説明する。
第4図および第5図は本発明の安全監視装置が適用さ
れる制震・制風装置〔図中では、AMD(Active Mass Dri
verの略)と示してある〕の一例を概略的に示したもの
である。この例では、アクチュエーターとして、油圧シ
リンダーを用いている。
第4図はいわゆるペンシルビルの頂部に、4tの重り
(構造物の重量として、400tを想定)を有する主の制震
・制風装置AMD1と、構造物のねじれに対処するための1t
の重りを有する補助的な制震・制風装置AMD2を並列的に
並べた様子(AMD1を中央に配置し、AMD2を端部に配置す
る)を示したものである。
簡単のため、以下、主の制震・制風装置による制御に
ついてのみ説明すると、センサーとしての加速度計が構
造物の頂部と地下部分に設けられており、頂部と地下部
分のセンサーS1,S1′で検知した振動の差をとることに
より、構造物の振動が検出される。基本的には、この構
造物の振動と位相を90゜ずらした制御力をアクチュエー
ターとしての油圧シリンダーから構造物に与えることに
より、構造物の振動が抑制されることになる。この90゜
の位相のずれを有する制御力を与えるためには、制御回
路において、機械遅れや出力レベルなどを考慮した制御
信号を造り出す必要があり、また制震・制風装置の重り
位置にもセンサーS2を設けることにより、重りの動きを
フィードバックしたり、さらに位相調整および出力レベ
ル調整などを行った構造物側からの応答信号と、位相調
整などを行った重り側からの応答信号を合成することに
より、制震・制風装置における重りの制御に減衰を働か
せ、安定した制御を行うことができる。
第5図は制震・制風装置の信号油圧系統の概念図であ
り、構造物頂部と地下および制震・制風装置の重りに、
それぞれセンサーとしての加速度計(S1,S1′,S2)を設
け、応答信号を制御信号発生回路に送っている。
制御信号発生回路で位相調整および増幅を行った後、
制御信号が比較回路へ送られる。一方、重りの動きを感
知するセンサーS2からは比較回路へも出力信号が送ら
れ、フィードバック制御を行っている。
比較回路を経た制御信号は油圧シリンダーに取り付け
た油圧サーボ弁に送られ、油圧サーボ弁の制御を行う。
油圧系統は油圧タンク、油圧ポンプ、油圧サーボ弁およ
び油圧シリンダーからなる循環経路を構成し、油圧ポン
プと油圧サーボ弁の間にはアキュームレーターを設けて
ある。
油圧サーボ弁の制御により油圧シリンダーが作動し、
構造物に反力をとって、制震・制風装置の重りに構造物
の振動を抑制するような力を加えることができる。
第1図は本発明の能動型制震・制風装置の安全装置の
実施例として、構造物1に動力源2とアクチュエーター
3が制震・制風作用を及ぼしている状況を中心とし、こ
れと本発明の安全監視装置の配置を原理的に示したもの
である。
速度計4と制御力荷重計5の値は乗算器6に送られ、
積分器7で積分された後、比較器9で判断され、異常の
場合、比較器9は動力源2へ停止信号を送る。なお、比
較器9は単に正負の符号だけでなく、ある程度の幅を持
たせた値も考慮して判断が行われる。
測定のタイミングとして、第1図の実施例では構造物
1の1次固有周期に相当する時間間隔T1で行うことを示
し、タイマー8はT1時間ごとに積分器7に信号を送る。
これを受けて、積分器7はそれまでの積分値を比較器9
に送り、その後積分値を0にして、再びT1時間だけの積
分を行う。すなわち、第1図の実施例ではT1時間ごとに
構造物の安全の判断が行われる。なお、安全の判断を行
う時間間隔としては、上記時間間隔T1に限らず、例えば
T1/2または2T1などの値をとることもできる。
これに対し、第2図および第3図の実施例は測定のタ
イミングをできるだけ、細かく行う場合を示している。
ただし、安全の判断を行う時間間隔は、第1図の実施例
の場合と同様、T1としている。
第2図はアナログ式の場合であり、乗算器6の出力は
入力装置10bを経由して磁気テープまたは磁気ディスク1
0aへ記録される。磁気テープまたは磁気ディスク1aはエ
ンドレスで回転し、入力装置10bで書き込まれた値が回
転してちょうど出力装置10cにきたときに、構造物1の
固有周期T1時間だけ経過するものとする。そして、乗算
器6の出力と磁気テープまたは磁気ディスク10aから出
力されるT1時間前の値は、減算器11でその差が計算さ
れ、この出力が積分器7に入力される。以後は、第1図
の場合と同じである。
また、第3図はデジタル式の場合で、第2図の10a〜1
0cの機能をマイクロコンピューター10dとタイマー8が
行う。すなわち、マイクロコンピューター10dはA/D変換
器とD/A変換器を内蔵し、記憶容量として、1/100秒間隔
で固有周期T1時間分を持つものとする。乗算器6の出力
はタイマー8の1/100秒ごとの指令により、マイクロコ
ンピューター10dに取り込まれ、1つずつ記憶番地を変
えながら、記録される。最後の番地まで行ったら、再び
最初の番地に戻し、内容は書き換えられて行く。こうす
ると、現在の書き込み番地のすぐ次の番地の記憶内容
は、ちょうどT1時間前の乗算器6の出力を示す。そこ
で、この値を出力し、現在の乗算器6の出力とともに、
減算器11に入力すれば、以後は第2図と同じである。
このように第2図の例では連続的に、また第3図の例
では1/100秒ごとに、過去T1時間内の制御力の仕事量を
測定し、構造物の安全を判断することができる。
なお、第3図の例において、測定のタイミングは1/10
0秒ごとに限られず、任意の時間に設定することができ
る。例えば、微小時間Δtの間隔で安全の判断を行うた
めには、マイクロコンピューター10dとして、A/D変換器
とD/A変換器を内蔵し、構造物の固有周期T1×(1/Δ
t)の記憶容量を持つものを使用すればよい。
〔発明の効果〕
本発明の装置によれば、能動型制震・制風装置の構造
物に対する所定時間ごとの仕事量を測定し、その符号に
より、正しい制御が行われているか加振現象が生じてい
るかを判断し、構造物の保安の立場から制震・制風効果
を判断することができる。このことはたとえ制震・制風
装置自身の異常が発見されない場合でも、加振現象によ
り構造物が危険な状態になることを防止できることを示
している。
【図面の簡単な説明】
第1図は能動型制震・制風装置と本発明の安全監視装置
の概要を示すブロック図、第2図および第3図は測定を
短い間隔で行う場合の実施例を示す部分的なブロック
図、第4図は制震・制風装置の構造物への配置例を示す
概要図、第5図は制震・制風装置の信号油圧系統の概念
図、第6図は従来例としての制震・制風装置の基本概念
図である。 1……構造物、2……動力源、3……アクチュエータ
ー、4……速度計、5……荷重計、6……乗算器、7…
…積分器、8……タイマー、9……比較器
フロントページの続き (72)発明者 山田 俊一 東京都港区元赤坂1丁目2番7号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 佐々木 勝康 東京都港区元赤坂1丁目2番7号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 池田 芳樹 東京都港区元赤坂1丁目2番7号 鹿島 建設株式会社内

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】構造物の振動に応じ、アクチュエーターよ
    り該振動を抑制する制御力を加える能動型制震・制風装
    置において、前記構造物に設けた振動検知手段と、前記
    アクチュエーターに設けた荷重測定手段と、前記アクチ
    ュエーターに設けた荷重測定手段と、前記振動検知手段
    および荷重測定手段により得られた振動および荷重から
    前記アクチュエーターの前記構造物に対する所定時間ご
    との仕事量を求める仕事量算定手段と、前記仕事量算定
    手段により得られた所定時間ごとの仕事量の正負の符合
    により、前記構造物に制振力が作用しているかまたは加
    振力が作用しているかを判断する制御状況判断手段とか
    らなることを特徴とする能動型制震・制風装置の安全監
    視装置。
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