JP2546454B2 - 構造物の振動制御装置 - Google Patents
構造物の振動制御装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は制御力を加えることによ
り地震や風等による構造物の応答を低減する能動型振動
制御装置に関し、主として制御回路を工夫したものであ
る。
り地震や風等による構造物の応答を低減する能動型振動
制御装置に関し、主として制御回路を工夫したものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】受動型の振動制御装置としては、ダイナ
ミックダンパー（以下、ＤＤという）があり、構造物に
適用したものとしては、例えば特開昭６３−７６９３２
号公報や特開昭６３−１１４７７３号公報に記載された
もの等がある。
ミックダンパー（以下、ＤＤという）があり、構造物に
適用したものとしては、例えば特開昭６３−７６９３２
号公報や特開昭６３−１１４７７３号公報に記載された
もの等がある。
【０００３】図１４は構造物に適用されるＤＤの振動モ
デルを示したものであり、図中、ｍ1 は主振動系を構成
する構造物の質量、ｍd は吸振系を構成する付加質量体
の質量である。また、ｋ1 は構造物本体のバネ定数であ
り、質量ｍ1 の構造物本体と質量ｍd の付加質量体と
が、バネ定数ｋd のバネと、減衰係数ｃd のダンパーで
連結されている。ｘ1 は構造物の変位、ｘd は重りの変
位を表す。
デルを示したものであり、図中、ｍ1 は主振動系を構成
する構造物の質量、ｍd は吸振系を構成する付加質量体
の質量である。また、ｋ1 は構造物本体のバネ定数であ
り、質量ｍ1 の構造物本体と質量ｍd の付加質量体と
が、バネ定数ｋd のバネと、減衰係数ｃd のダンパーで
連結されている。ｘ1 は構造物の変位、ｘd は重りの変
位を表す。
【０００４】主振動系の固有角振動数は、 ω1 ＝（ｋ1 ／ｍ1 ）1/2 で与えられる。
【０００５】ＤＤにおいて、吸振系の質量ｍd は主振動
系の質量ｍ1 との比が、 μ＝ｍd ／ｍ1 ≧０．０１ 程度となるよう設計されている。
系の質量ｍ1 との比が、 μ＝ｍd ／ｍ1 ≧０．０１ 程度となるよう設計されている。
【０００６】このとき、吸振系の固有角振動数は、 ωd ＝（１／１＋μ）ω1 となり、減衰係数ｃd 及び減衰定数ｈd は、 ｃd ＝２ｍd ωd ｈd ｈd ＝〔３μ／８（１＋μ）〕1/2 と表現される。
【０００７】また、能動型の振動制御装置としては、例
えば特開平１−２７５８６６〜６９号公報に記載された
もの〔以下、ＡＭＤ（アクティブ・マス・ドライバーの
略）という〕等がある。
えば特開平１−２７５８６６〜６９号公報に記載された
もの〔以下、ＡＭＤ（アクティブ・マス・ドライバーの
略）という〕等がある。
【０００８】図１５はＡＭＤの振動モデルを示したもの
であり、質量ｍ1 の構造物本体と、質量ｍd の付加質量
体との間に、アクチュエーターの油圧力あるいは電磁力
等による制御力ｕ(t) を加え、構造物の振動を能動的に
抑制する。
であり、質量ｍ1 の構造物本体と、質量ｍd の付加質量
体との間に、アクチュエーターの油圧力あるいは電磁力
等による制御力ｕ(t) を加え、構造物の振動を能動的に
抑制する。
【０００９】ＡＭＤにおいては構造物本体と振動制御装
置を構成する付加質量体との間のバネを柔らかい状態、
例えば、 ωd ≦（１／２）ω1 とし、制御力ｕ(t) を次式のような形で与える。
置を構成する付加質量体との間のバネを柔らかい状態、
例えば、 ωd ≦（１／２）ω1 とし、制御力ｕ(t) を次式のような形で与える。
【００１０】 ｕ(t) ＝Ｇ1 （ｄｘ1 ／ｄｔ）＋Ｇ2 （ｄｘd ／ｄｔ） ここで、Ｇ1 は構造物の応答速度に対するＡＧＣ回路等
を含む回路のゲインであり、大入力から小入力までの対
応を図ったものである。また、上式の第２項は付加質量
体側の振動速度にゲインＧ2 （負符号）をかけたものを
制御力に加えることにより、付加質量体側にも減衰性を
与え、安定化を図ったものである。
を含む回路のゲインであり、大入力から小入力までの対
応を図ったものである。また、上式の第２項は付加質量
体側の振動速度にゲインＧ2 （負符号）をかけたものを
制御力に加えることにより、付加質量体側にも減衰性を
与え、安定化を図ったものである。
【００１１】この他、上記ＡＭＤに対し、図１６の振動
モデルで示すようにアクチュエーターによる制御力と並
列にバネ定数ｋd のバネを付加し、ＡＭＤに比べ少ない
制御力でＡＭＤと同程度の振動制御効果を得ようとする
もの〔以下、ＨＭＤ（ハイブリッド・マス・ダンパーの
略）という〕が研究されている。
モデルで示すようにアクチュエーターによる制御力と並
列にバネ定数ｋd のバネを付加し、ＡＭＤに比べ少ない
制御力でＡＭＤと同程度の振動制御効果を得ようとする
もの〔以下、ＨＭＤ（ハイブリッド・マス・ダンパーの
略）という〕が研究されている。
【００１２】ＨＭＤの場合には、バネ定数ｋd を付加質
量体の振動が構造物の振動と同調するよう、すなわち、 ωd ＝ω1 となるよう設定し、制御力ｕ(t) を例えば次式の形で与
える。
量体の振動が構造物の振動と同調するよう、すなわち、 ωd ＝ω1 となるよう設定し、制御力ｕ(t) を例えば次式の形で与
える。
【００１３】 ｕ(t) ＝Ｇ1 （ｄｘ1 ／ｄｔ）＋Ｇ2 （ｄｘd ／ｄｔ） ＋Ｇ3 （ｘ1 −ｘd ） ここで、Ｇ3 は負の符号を持つゲインであり、上式の第
３項により振動時に付加質量体に作用する慣性力の一部
をキャンセルし、少ない制御力で付加質量体を振動させ
られるようにしている。
３項により振動時に付加質量体に作用する慣性力の一部
をキャンセルし、少ない制御力で付加質量体を振動させ
られるようにしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の振動制
御装置において、ＤＤは装置に対するエネルギーの供給
が不要であるという利点があるが、振動制御効果が構造
物と付加質量体の質量比によって決まってしまう。従っ
て、大きな質量の付加質量体を必要とし、十分な振動制
御効果を期待し難い。
御装置において、ＤＤは装置に対するエネルギーの供給
が不要であるという利点があるが、振動制御効果が構造
物と付加質量体の質量比によって決まってしまう。従っ
て、大きな質量の付加質量体を必要とし、十分な振動制
御効果を期待し難い。
【００１５】ＡＭＤはＤＤに比べ小さな質量の付加質量
体を用いて、大きな制御効果が期待できる。しかし、エ
ネルギーの供給が必要であり、そのための設備、装置の
他、振動時の構造物や付加質量体の応答に応じて所定の
制御力を加えるための制御回路の設計、装置の安定性の
確保、誤作動防止策等が必要となる。
体を用いて、大きな制御効果が期待できる。しかし、エ
ネルギーの供給が必要であり、そのための設備、装置の
他、振動時の構造物や付加質量体の応答に応じて所定の
制御力を加えるための制御回路の設計、装置の安定性の
確保、誤作動防止策等が必要となる。
【００１６】ＨＭＤは前述したようにＡＭＤに比べ制御
力を小さくできる利点があるが、付加質量体の振動を構
造物の振動に同調させる（ωd ＝ω1 とする）のに手間
がかかる。また、ＨＭＤの特徴として、少ない制御力で
大きな制御効果を得るべく、バネ力に相当する項を設け
て慣性力の一部をキャンセルできるが、地震等の周期成
分のうち、構造物の固有周期より長い周期にも新たに同
調周期が生じ、付加質量体の振幅が大きくなるという問
題があり、制御が難しい。
力を小さくできる利点があるが、付加質量体の振動を構
造物の振動に同調させる（ωd ＝ω1 とする）のに手間
がかかる。また、ＨＭＤの特徴として、少ない制御力で
大きな制御効果を得るべく、バネ力に相当する項を設け
て慣性力の一部をキャンセルできるが、地震等の周期成
分のうち、構造物の固有周期より長い周期にも新たに同
調周期が生じ、付加質量体の振幅が大きくなるという問
題があり、制御が難しい。
【００１７】本発明は従来の振動制御装置における問題
点の解決を図ったもので、ＨＭＤを基本とする振動制御
装置について、小さな供給エネルギーで構造物の振動を
効果的に抑制できる信頼性及び安全性の高い振動制御装
置を提供することを目的としている。
点の解決を図ったもので、ＨＭＤを基本とする振動制御
装置について、小さな供給エネルギーで構造物の振動を
効果的に抑制できる信頼性及び安全性の高い振動制御装
置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の振動制御装置は
構造物内または構造物上の所定位置に設置され、構造物
の固有周期と同調する周期を有する所定質量ｍd の付加
質量体と、前記構造物と前記付加質量体との間に制御力
ｕ(t) を作用させるアクチュエーターを有するＨＭＤの
基本構成において、主として制御力ｕ(t) を与えるため
の制御回路を工夫したもので、制御力ｕ(t) は前述した
次式の形で与える。
構造物内または構造物上の所定位置に設置され、構造物
の固有周期と同調する周期を有する所定質量ｍd の付加
質量体と、前記構造物と前記付加質量体との間に制御力
ｕ(t) を作用させるアクチュエーターを有するＨＭＤの
基本構成において、主として制御力ｕ(t) を与えるため
の制御回路を工夫したもので、制御力ｕ(t) は前述した
次式の形で与える。
【００１９】 ｕ(t) ＝Ｇ1 （ｄｘ1 ／ｄｔ）＋Ｇ2 （ｄｘd ／ｄｔ） ＋Ｇ3 （ｘ1 −ｘd ） ……(1) 本発明では安定的な制御を可能とするため、まず上記
(1) 式の第１項にある構造物の応答速度ｄｘ1 ／ｄｔに
ついて、構造物の固有周期以外の振動成分をカットする
ためのフィルター回路、入力の大小に応じて増幅率を変
化させるためのＡＧＣ回路、及び過大な出力を制限する
ための出力制限回路を設ける。なお、入力する応答速度
に関しては、構造物の付加質量体設置位置における応答
速度を検出するための速度センサーと、構造物設置地盤
の応答速度を検出するための地動センサーを設け、加算
器によりこれらの速度信号の差をとったものを入力す
る。
(1) 式の第１項にある構造物の応答速度ｄｘ1 ／ｄｔに
ついて、構造物の固有周期以外の振動成分をカットする
ためのフィルター回路、入力の大小に応じて増幅率を変
化させるためのＡＧＣ回路、及び過大な出力を制限する
ための出力制限回路を設ける。なお、入力する応答速度
に関しては、構造物の付加質量体設置位置における応答
速度を検出するための速度センサーと、構造物設置地盤
の応答速度を検出するための地動センサーを設け、加算
器によりこれらの速度信号の差をとったものを入力す
る。
【００２０】次に、上記(1) 式の第２項にある付加質量
体の速度ｄｘd ／ｄｔについては、付加質量体の速度を
検出する装置速度センサーを設け、入力された付加質量
体の速度信号に対し、ゲインＧ2 に相当する増幅率を与
える増幅回路を設ける。同様に、上記(1) 式の第３項に
ある付加質量体の相対変位ｘ1 −ｘd については、付加
質量体の変位（構造物に対する相対変位）を検出する装
置変位センサーを設け、入力された変位信号に対し、ゲ
インＧ3 に相当する増幅率を与える増幅回路を設ける。
体の速度ｄｘd ／ｄｔについては、付加質量体の速度を
検出する装置速度センサーを設け、入力された付加質量
体の速度信号に対し、ゲインＧ2 に相当する増幅率を与
える増幅回路を設ける。同様に、上記(1) 式の第３項に
ある付加質量体の相対変位ｘ1 −ｘd については、付加
質量体の変位（構造物に対する相対変位）を検出する装
置変位センサーを設け、入力された変位信号に対し、ゲ
インＧ3 に相当する増幅率を与える増幅回路を設ける。
【００２１】これらの各信号をさらに加算器を介して合
成し、出力する。 ここで、本発明では、発明が解決しよ
うとする課題の項で述べたＨＭＤの制御が難しいという
課題に対し、上述のフィルター回路について、その伝達
特性が上記(1) 式の第１項におけるゲインＧ 1 に関し、
次式のラプラス関数で与えられるように設定する（Ｇ 1
＝Ｈ（ｓ）：ｓは角振動数に関する虚数であり、ｓ＝ｉ
ω）。 Ｈ（ｓ）＝（ｓ 2 ＋２Ｇζ n ω n ｓ＋ω n 2 ） ／（ｓ 2 ＋２ζ n ω n ｓ＋ω n 2 ） ……(2) これは、従来のＨＭＤの制御で検討されているハイパス
フィルターやローパスフィルター等では、大きな位相ず
れを伴い、十分な制御効果が得られないのに対し、固有
周期以外の振動成分を効果的にカットし、かつ構造物の
１次角振動数に相当する目的角振動数ω n 付近で位相の
ずれをほとんど生じさせないようにするものであり、こ
れにより効率の良い、安定的な制御力ｕ(t) が得られ
る。
成し、出力する。 ここで、本発明では、発明が解決しよ
うとする課題の項で述べたＨＭＤの制御が難しいという
課題に対し、上述のフィルター回路について、その伝達
特性が上記(1) 式の第１項におけるゲインＧ 1 に関し、
次式のラプラス関数で与えられるように設定する（Ｇ 1
＝Ｈ（ｓ）：ｓは角振動数に関する虚数であり、ｓ＝ｉ
ω）。 Ｈ（ｓ）＝（ｓ 2 ＋２Ｇζ n ω n ｓ＋ω n 2 ） ／（ｓ 2 ＋２ζ n ω n ｓ＋ω n 2 ） ……(2) これは、従来のＨＭＤの制御で検討されているハイパス
フィルターやローパスフィルター等では、大きな位相ず
れを伴い、十分な制御効果が得られないのに対し、固有
周期以外の振動成分を効果的にカットし、かつ構造物の
１次角振動数に相当する目的角振動数ω n 付近で位相の
ずれをほとんど生じさせないようにするものであり、こ
れにより効率の良い、安定的な制御力ｕ(t) が得られ
る。
【００２２】また、減衰性に関しては付加質量体に対し
磁気ダンパー等、所定の減衰係数ｃd を有する減衰装置
をアクチュエーターと並列に設け、減衰量の安定化を図
ることができる。この場合、上記(1) 式におけるゲイン
Ｇ2 は減衰装置がない場合に比べ小さい値となる。な
お、減衰装置は磁気ダンパーに限られないが、磁気ダン
パーの場合、メンテナンスフリーとなる利点がある。
磁気ダンパー等、所定の減衰係数ｃd を有する減衰装置
をアクチュエーターと並列に設け、減衰量の安定化を図
ることができる。この場合、上記(1) 式におけるゲイン
Ｇ2 は減衰装置がない場合に比べ小さい値となる。な
お、減衰装置は磁気ダンパーに限られないが、磁気ダン
パーの場合、メンテナンスフリーとなる利点がある。
【００２３】また、アクチュエーターに関して、従来の
ＡＭＤでは油圧シリンダー等を用いたものが実用化され
ているが、ＡＣサーボモーターを用いたラック、ピニオ
ン形式のアクチュエーターを用いれば、地震等の振動外
力が作用したときに瞬時に起動する効率の良い振動制御
装置が可能となる。この場合、振動制御装置の駆動に関
してトリガーを設け、構造物の応答が所定のレベル以上
となったときにのみ、振動制御装置が作動するようにす
れば、誤作動の防止やランニングコストの低減が図れ
る。
ＡＭＤでは油圧シリンダー等を用いたものが実用化され
ているが、ＡＣサーボモーターを用いたラック、ピニオ
ン形式のアクチュエーターを用いれば、地震等の振動外
力が作用したときに瞬時に起動する効率の良い振動制御
装置が可能となる。この場合、振動制御装置の駆動に関
してトリガーを設け、構造物の応答が所定のレベル以上
となったときにのみ、振動制御装置が作動するようにす
れば、誤作動の防止やランニングコストの低減が図れ
る。
【００２４】
【実施例】次に、図示した実施例について説明する。
【００２５】図１〜図７は本発明の一実施例における振
動制御装置の構造を示したものである。
動制御装置の構造を示したものである。
【００２６】本実施例の振動制御装置１０は例えば構造
物としての建物の最上階等に設置され、大梁１間に渡し
た梁２に対し、所定質量ｍd の付加質量体１１を吊り支
持し、構造物の固有周期と同調する振り子を形成してい
る。例えば、１次固有周期が３．５秒程度の構造物を考
えた場合、これと同調する振り子を形成する付加質量体
１１の吊り長さＬは約３ｍとなる。
物としての建物の最上階等に設置され、大梁１間に渡し
た梁２に対し、所定質量ｍd の付加質量体１１を吊り支
持し、構造物の固有周期と同調する振り子を形成してい
る。例えば、１次固有周期が３．５秒程度の構造物を考
えた場合、これと同調する振り子を形成する付加質量体
１１の吊り長さＬは約３ｍとなる。
【００２７】本実施例における付加質量体１１は２つの
鋼材の塊１１ａを図に示すように上下のつなぎ板１１
ｂ，１１ｃで連結したもので、下つなぎ板１１ｃ上にＡ
Ｃサーボモーター１３ａ及びベース３側に固定したラッ
ク１３ｂに噛み合うピニオン１３ｃを設置し、加力位置
が付加質量体１１全体の重心を通るようにしている。こ
れにより、振動制御装置１０のコンパクト化が図られて
いる。
鋼材の塊１１ａを図に示すように上下のつなぎ板１１
ｂ，１１ｃで連結したもので、下つなぎ板１１ｃ上にＡ
Ｃサーボモーター１３ａ及びベース３側に固定したラッ
ク１３ｂに噛み合うピニオン１３ｃを設置し、加力位置
が付加質量体１１全体の重心を通るようにしている。こ
れにより、振動制御装置１０のコンパクト化が図られて
いる。
【００２８】吊材１２は梁２に固定した滑車１４と付加
質量体１１側に固定した滑車１５間に掛け渡した複数の
ワイヤーであり、付加質量体１１側の滑車１５は図１に
示すように所定間隔ａを置いた複数の吊材固定部１６を
有し、この固定部１６の選択により吊り長さＬの粗調整
を行なう。また、吊材１２の中間にはターンバックル１
７が設けられており、固定部１６の選択で粗調整した
後、ターンバックル１７を回すことにより吊り長さＬの
微調整を行うことができる。
質量体１１側に固定した滑車１５間に掛け渡した複数の
ワイヤーであり、付加質量体１１側の滑車１５は図１に
示すように所定間隔ａを置いた複数の吊材固定部１６を
有し、この固定部１６の選択により吊り長さＬの粗調整
を行なう。また、吊材１２の中間にはターンバックル１
７が設けられており、固定部１６の選択で粗調整した
後、ターンバックル１７を回すことにより吊り長さＬの
微調整を行うことができる。
【００２９】アクチュエーター１３を構成するラック１
３ｂ及びピニオン１３ｃは図２〜図４に示すようにラッ
ク１３ｂの両側面に歯が設けられており、一対のピニオ
ン１３ｃが両側から挟み込むようにしてラック１３ｂと
噛み合っている。それぞれのピニオン１３ｃに対しては
ＡＣサーボモーター１３ａが設けられており、２つのＡ
Ｃサーボモーター１３ａを同期させて作動し、ラック１
３ｂ側に反力をとって付加質量体１１に制御力を加える
構成となっている。ピニオン１３ｃをラック１３ｂの両
側に設けたことで、制御力に関する偏心がなく、回転運
動を生ずることなく、水平方向の制御力を発生させるこ
とができる。また、ＡＣサーボモーター１３ａを用いて
いるため、瞬時の起動が可能であり、制御における時間
遅れを少なくすることができる。
３ｂ及びピニオン１３ｃは図２〜図４に示すようにラッ
ク１３ｂの両側面に歯が設けられており、一対のピニオ
ン１３ｃが両側から挟み込むようにしてラック１３ｂと
噛み合っている。それぞれのピニオン１３ｃに対しては
ＡＣサーボモーター１３ａが設けられており、２つのＡ
Ｃサーボモーター１３ａを同期させて作動し、ラック１
３ｂ側に反力をとって付加質量体１１に制御力を加える
構成となっている。ピニオン１３ｃをラック１３ｂの両
側に設けたことで、制御力に関する偏心がなく、回転運
動を生ずることなく、水平方向の制御力を発生させるこ
とができる。また、ＡＣサーボモーター１３ａを用いて
いるため、瞬時の起動が可能であり、制御における時間
遅れを少なくすることができる。
【００３０】図２及び図５中、４はガイドブロックであ
り、付加質量体１１に回転が生じないように案内する機
能を有している。なお、付加質量体１１を案内する面に
はフッ素樹脂を用いて、接触した場合でも摩擦力等で制
御効果の低下が生じるのを防止している。
り、付加質量体１１に回転が生じないように案内する機
能を有している。なお、付加質量体１１を案内する面に
はフッ素樹脂を用いて、接触した場合でも摩擦力等で制
御効果の低下が生じるのを防止している。
【００３１】図６は付加質量体１１の下方に位置するベ
ース３を示したもので、付加質量体１１の振動方向中央
部の２箇所に緩衝装置５を設け、制御の異状その他で付
加質量体１１の振動が過大になった場合には、付加質量
体１１に設けられた下向きの突出部１１ｄが緩衝装置５
と衝突し、過大な振動を抑制できるようになっている。
なお、本発明の振動制御装置１０は制御力ｕ(t) が作用
しない場合には、ＤＤとして機能させることができ、そ
の場合にも緩衝装置５が過大な振幅を抑える効果を有す
る。
ース３を示したもので、付加質量体１１の振動方向中央
部の２箇所に緩衝装置５を設け、制御の異状その他で付
加質量体１１の振動が過大になった場合には、付加質量
体１１に設けられた下向きの突出部１１ｄが緩衝装置５
と衝突し、過大な振動を抑制できるようになっている。
なお、本発明の振動制御装置１０は制御力ｕ(t) が作用
しない場合には、ＤＤとして機能させることができ、そ
の場合にも緩衝装置５が過大な振幅を抑える効果を有す
る。
【００３２】また、本実施例では振動制御装置１０に安
定的な減衰性を与えるために、ベース３位置に磁気ダン
パー６を設けており、図７に示すように付加質量体１１
の下端に取り付けた複数の鋼板１１ｅが、磁気ダンパー
６の溝内を通過する際、減衰力を受ける構造となってい
る。
定的な減衰性を与えるために、ベース３位置に磁気ダン
パー６を設けており、図７に示すように付加質量体１１
の下端に取り付けた複数の鋼板１１ｅが、磁気ダンパー
６の溝内を通過する際、減衰力を受ける構造となってい
る。
【００３３】図８及び図９は振動制御装置１０の他の実
施例を示したもので、基本的な構成は図１〜図７の場合
と同様である。本実施例では吊り長さＬを調整する手段
として、梁側に固定した滑車１５と付加質量体側に固定
した滑車１５間に吊材１２としてワイヤーを掛け、さら
に中間にも上下方向に移動可能な滑車１５ａを設け、中
間の滑車１５ａに対し吊材１２を両側から拘束するよう
にして、吊り長さＬを調整する装置を用いている。ま
た、本実施例ではガイドブロック４が付加質量体１１の
外側に設置され、またＡＣサーボモーター１３ａ、磁気
ダンパー６の配置等も異なっている。
施例を示したもので、基本的な構成は図１〜図７の場合
と同様である。本実施例では吊り長さＬを調整する手段
として、梁側に固定した滑車１５と付加質量体側に固定
した滑車１５間に吊材１２としてワイヤーを掛け、さら
に中間にも上下方向に移動可能な滑車１５ａを設け、中
間の滑車１５ａに対し吊材１２を両側から拘束するよう
にして、吊り長さＬを調整する装置を用いている。ま
た、本実施例ではガイドブロック４が付加質量体１１の
外側に設置され、またＡＣサーボモーター１３ａ、磁気
ダンパー６の配置等も異なっている。
【００３４】図１７は上記実施例における振動制御装置
を振動モデルとして表したものであり、図１６のＨＭＤ
に対し、減衰係数ｃd のダンパーが加わった形となる。
を振動モデルとして表したものであり、図１６のＨＭＤ
に対し、減衰係数ｃd のダンパーが加わった形となる。
【００３５】図中、ｍ1 は主振動系を構成する構造物の
質量、ｍd は付加質量体の質量である。また、ｋ1 は構
造物本体に対するバネ定数、ｋd は振り子をバネに置き
換えて表現したときのバネ定数（＝ｍd Ｌ／ｇ）、ｕ
(t) は制御力、ｘ1 は構造物の変位、ｘd は付加質量体
の変位を表す。
質量、ｍd は付加質量体の質量である。また、ｋ1 は構
造物本体に対するバネ定数、ｋd は振り子をバネに置き
換えて表現したときのバネ定数（＝ｍd Ｌ／ｇ）、ｕ
(t) は制御力、ｘ1 は構造物の変位、ｘd は付加質量体
の変位を表す。
【００３６】振動制御装置の付加質量体の動きを制御す
るための制御力は、一般的なＨＭＤと同様、次式によっ
て規定することができる。
るための制御力は、一般的なＨＭＤと同様、次式によっ
て規定することができる。
【００３７】 ｕ(t) ＝Ｇ1 （ｄｘ1 ／ｄｔ）＋Ｇ2 （ｄｘd ／ｄｔ） ＋Ｇ3 （ｘ1 −ｘd ） ……(1) ここで、上記(1) 式の第１項におけるゲインＧ1 は主振
動系を構成する構造物の応答速度が小さい場合にも、速
度を増幅した形で制御力を与える機能を有し、これによ
り振動制御効果を上げることができる。
動系を構成する構造物の応答速度が小さい場合にも、速
度を増幅した形で制御力を与える機能を有し、これによ
り振動制御効果を上げることができる。
【００３８】上記(1) 式の第２項は作用、反作用の関係
を利用して付加質量体に対しても減衰性を与えるための
項であり、これにより付加質量体の振動の安定化を図る
ことができる。なお、上記実施例では磁気ダンパーによ
っても減衰力を与えており、磁気ダンパーがない場合に
比べてＧ2 の値を小さく設定した状態で、効果的な制御
を行うことができる。
を利用して付加質量体に対しても減衰性を与えるための
項であり、これにより付加質量体の振動の安定化を図る
ことができる。なお、上記実施例では磁気ダンパーによ
っても減衰力を与えており、磁気ダンパーがない場合に
比べてＧ2 の値を小さく設定した状態で、効果的な制御
を行うことができる。
【００３９】また、ＨＭＤとして付加質量体の周期（ま
たは角振動数ωd ）を構造物の固有周期（または固有角
振動数ω1 ）と同調させているため、バネ力（バネ定数
ｋd ）が制御に必要なほとんどの力を吸収し、制御に必
要な力が小さくなる。
たは角振動数ωd ）を構造物の固有周期（または固有角
振動数ω1 ）と同調させているため、バネ力（バネ定数
ｋd ）が制御に必要なほとんどの力を吸収し、制御に必
要な力が小さくなる。
【００４０】すなわち、付加質量体には制御力〔ｕ(t)
〕、慣性力〔ｍd （ dｘd ／dt）2 〕及びバネ力〔ｋ
d （ｘd −ｘ1 ）〕が働いており、次の関係がある。
〕、慣性力〔ｍd （ dｘd ／dt）2 〕及びバネ力〔ｋ
d （ｘd −ｘ1 ）〕が働いており、次の関係がある。
【００４１】〔制御力〕＋〔慣性力〕＋〔バネ力〕＝０ 上式で、慣性力とバネ力はほぼキャンセルし合うので、
制御力は極めて小さくなる。
制御力は極めて小さくなる。
【００４２】その際、上記(1) 式の第３項のゲインＧ3
（負の値で、例えば−ｋd ×０．９または−ｋd ×０．
８程度の値を選択する）によって生じる同調角振動数ω
d ’（＝〔（ｋd ＋Ｇ3 ）／ｍd 〕1/2 ）を、付加質量
体の角振動数ωd の１／２以下とする。
（負の値で、例えば−ｋd ×０．９または−ｋd ×０．
８程度の値を選択する）によって生じる同調角振動数ω
d ’（＝〔（ｋd ＋Ｇ3 ）／ｍd 〕1/2 ）を、付加質量
体の角振動数ωd の１／２以下とする。
【００４３】この結果、入力として用いられる構造物の
応答速度の周期成分の他に、これより長周期の周期成分
に対し同調が生じることになり、制御力を少なくするた
めにはゲインＧ1 に適度なフィルターをかける必要があ
る。
応答速度の周期成分の他に、これより長周期の周期成分
に対し同調が生じることになり、制御力を少なくするた
めにはゲインＧ1 に適度なフィルターをかける必要があ
る。
【００４４】従来のＨＭＤの制御で検討されているフィ
ルターはハイパスフィルターやローパスフィルター等で
あるが、通常のハイパスフィルターやローパスフィルタ
ーは大きな位相ずれを伴っているので、カットオフ振動
数をかなり離さなければならず、十分な効果が得られて
いないのが実情であり、位相ずれのない急峻な特性を持
つフィルターの工夫が必要となる。
ルターはハイパスフィルターやローパスフィルター等で
あるが、通常のハイパスフィルターやローパスフィルタ
ーは大きな位相ずれを伴っているので、カットオフ振動
数をかなり離さなければならず、十分な効果が得られて
いないのが実情であり、位相ずれのない急峻な特性を持
つフィルターの工夫が必要となる。
【００４５】図１３は本発明の振動制御装置における制
御回路の一実施例を示したもので、図の上段のブロック
が上記(1) 式の第１項に対応する。
御回路の一実施例を示したもので、図の上段のブロック
が上記(1) 式の第１項に対応する。
【００４６】入力は地震や風等による構造物の応答速度
であり、振動制御装置を設置した位置における建物速度
センサーと、構造物設置地盤の応答速度を検出する地動
センサーの検出値の差を地盤面に対する相対的な応答速
度として入力する。これをフィルター回路２１、ＡＧＣ
回路２２及び出力制限回路２３を含む回路で増幅する。
であり、振動制御装置を設置した位置における建物速度
センサーと、構造物設置地盤の応答速度を検出する地動
センサーの検出値の差を地盤面に対する相対的な応答速
度として入力する。これをフィルター回路２１、ＡＧＣ
回路２２及び出力制限回路２３を含む回路で増幅する。
【００４７】フィルター回路２１は目的の振動数付近で
位相のずれがほとんどなく、かつ鋭敏な特性を持つもの
で、その伝達特性は上記(1) 式の第１項におけるゲイン
Ｇ 1 に関し、次式のラプラス関数で与えられる（Ｇ 1 ＝
Ｈ（ｓ）：ｓは角振動数に関する虚数であり、ｓ＝ｉ
ω）。
位相のずれがほとんどなく、かつ鋭敏な特性を持つもの
で、その伝達特性は上記(1) 式の第１項におけるゲイン
Ｇ 1 に関し、次式のラプラス関数で与えられる（Ｇ 1 ＝
Ｈ（ｓ）：ｓは角振動数に関する虚数であり、ｓ＝ｉ
ω）。
【００４８】 Ｈ（ｓ）＝（ｓ2 ＋２Ｇζn ωn ｓ＋ωn 2 ） ／（ｓ2 ＋２ζn ωn ｓ＋ωn 2 ） ……(2) これにより、目的角振動数（構造物の１次角振動数に相
当）ωn で、ゲインＧ倍（例えば２０倍前後の値とす
る）の出力が得られ、かつこの角振動数で位相ずれはな
い。ζn は減衰定数であり、例えば０．２〜０．５（２
０％〜５０％）といった値をとる。高振動数域及び低振
動数域でも同様に位相ずれを生じることはなく、目的角
振動数の前後でわずかな位相ずれを生じるのみである。
このフィルターを用いることにより、上述の制御方式に
必要な制御変位及び制御力が著しく低減される。
当）ωn で、ゲインＧ倍（例えば２０倍前後の値とす
る）の出力が得られ、かつこの角振動数で位相ずれはな
い。ζn は減衰定数であり、例えば０．２〜０．５（２
０％〜５０％）といった値をとる。高振動数域及び低振
動数域でも同様に位相ずれを生じることはなく、目的角
振動数の前後でわずかな位相ずれを生じるのみである。
このフィルターを用いることにより、上述の制御方式に
必要な制御変位及び制御力が著しく低減される。
【００４９】ＡＧＣ回路２２は、通常、オーディオ回路
等に用いられているものであるが、この回路の採用によ
り、大入力から小入力までの振動を扱うことができ、振
動制御効果を増すことができる。
等に用いられているものであるが、この回路の採用によ
り、大入力から小入力までの振動を扱うことができ、振
動制御効果を増すことができる。
【００５０】ただし、ＡＧＣ回路２２はある程度の時間
遅れを伴って増幅率を変化させるので、出力制限回路２
３により出力を制限し、特に振動初期等において過大な
出力信号が出ないようにした。
遅れを伴って増幅率を変化させるので、出力制限回路２
３により出力を制限し、特に振動初期等において過大な
出力信号が出ないようにした。
【００５１】図１３中、左寄り２段目及び３段目のブロ
ックはそれぞれ上記(1) 式の第２項及び第３項に対応
し、振動制御装置に設けた速度センサー及び変位センサ
ーからの値を入力し、図中ＡＭＰ１、ＡＭＰ２で示す増
幅回路２４，２５でゲインＧ2 及びＧ3 に相当する増幅
を行い、加算器２６，２７でこれらの信号を合成して、
制御力ｕ(t) を出力する。
ックはそれぞれ上記(1) 式の第２項及び第３項に対応
し、振動制御装置に設けた速度センサー及び変位センサ
ーからの値を入力し、図中ＡＭＰ１、ＡＭＰ２で示す増
幅回路２４，２５でゲインＧ2 及びＧ3 に相当する増幅
を行い、加算器２６，２７でこれらの信号を合成して、
制御力ｕ(t) を出力する。
【００５２】図１０〜図１２は本発明の振動制御装置を
２台用いて、直交するｘ，ｙ両水平方向の振動と、回転
（ねじれ）振動を同時に制御するための振動制御装置の
配置例を示したものである。
２台用いて、直交するｘ，ｙ両水平方向の振動と、回転
（ねじれ）振動を同時に制御するための振動制御装置の
配置例を示したものである。
【００５３】すなわち、図１０中、ＨＭＤ１と表した振
動制御装置と、ＨＭＤ２と表した振動制御装置を構造物
の断面中心から離れた端部よりに、装置の軸方向を直交
させて配置し、地震等の振動外力に対する構造物の応答
に応じて、これら２台の振動制御装置を同時に制御する
ことで、回転を含めた構造物の応答低減を図っている。
動制御装置と、ＨＭＤ２と表した振動制御装置を構造物
の断面中心から離れた端部よりに、装置の軸方向を直交
させて配置し、地震等の振動外力に対する構造物の応答
に応じて、これら２台の振動制御装置を同時に制御する
ことで、回転を含めた構造物の応答低減を図っている。
【００５４】図１１はこの制御の原理を示したもので、
振動制御装置を断面中心から離して設置したことで、Ｈ
ＭＤ１でｘ方向の振動と回転振動を同時に制御すること
ができる（図１１(a) 参照）。同様に、ＨＭＤ２がｙ方
向の振動と回転振動を同時に制御する（図１１(b) 参
照）。また、これらの制御を適切に組み合わせることに
より、図１１(c) に示すように回転成分を含まない水平
方向（ｘｙ方向）のみの制御も可能となる。
振動制御装置を断面中心から離して設置したことで、Ｈ
ＭＤ１でｘ方向の振動と回転振動を同時に制御すること
ができる（図１１(a) 参照）。同様に、ＨＭＤ２がｙ方
向の振動と回転振動を同時に制御する（図１１(b) 参
照）。また、これらの制御を適切に組み合わせることに
より、図１１(c) に示すように回転成分を含まない水平
方向（ｘｙ方向）のみの制御も可能となる。
【００５５】図１２は２台の振動制御装置の制御機構を
示したもので、それぞれの制御は基本的には前述した図
１３に示す形の制御回路を用いて行われる。
示したもので、それぞれの制御は基本的には前述した図
１３に示す形の制御回路を用いて行われる。
【００５６】
【発明の効果】 ＨＭＤを基本構成とする振動制御装
置において、構造物の応答速度に対応する入力につい
て、フィルター回路が固有振動数以外の振動成分、特に
問題となる低振動数成分（長周期成分）を効果的にカッ
トし、かつその固有振動数付近で位相のずれをほとんど
生じさせないという特性を有するため、効率の良い振動
制御が可能となり、また振動制御装置のストロークが大
きくなるのを防止できる。
置において、構造物の応答速度に対応する入力につい
て、フィルター回路が固有振動数以外の振動成分、特に
問題となる低振動数成分（長周期成分）を効果的にカッ
トし、かつその固有振動数付近で位相のずれをほとんど
生じさせないという特性を有するため、効率の良い振動
制御が可能となり、また振動制御装置のストロークが大
きくなるのを防止できる。
【００５７】 ＡＧＣ回路の採用により、地震や風の
大小に係わらず装置能力に見合ったストロークで振動制
御装置の安定的な連続運転が可能となる。また、出力制
限回路を組み込んだことで、ＡＧＣ回路の時間遅れによ
る制御初期段階でのストロークの増大等の問題も生じな
い。
大小に係わらず装置能力に見合ったストロークで振動制
御装置の安定的な連続運転が可能となる。また、出力制
限回路を組み込んだことで、ＡＧＣ回路の時間遅れによ
る制御初期段階でのストロークの増大等の問題も生じな
い。
【００５８】 トリガーを組み込み、駆動手段として
ＡＣサーボモーター等を用いれば、常時の風や地震のな
い時に振動制御装置が作動しないようにすることがで
き、ランニングコストの低減が図れる。
ＡＣサーボモーター等を用いれば、常時の風や地震のな
い時に振動制御装置が作動しないようにすることがで
き、ランニングコストの低減が図れる。
【図１】本発明の振動制御装置の一実施例における正面
図である。
図である。
【図２】図１に対応する側面図である。
【図３】振動状態を示す鉛直断面図である。
【図４】アクチュエーター部分の機構を示す平面図であ
る。
る。
【図５】ガイド機構等の配置を示す側面図である。
【図６】ベース側の機構を示したもので、(a) は平面
図、(b) は鉛直断面図である。
図、(b) は鉛直断面図である。
【図７】磁気ダンパーの配置を示す鉛直断面図である。
【図８】他の実施例を示す平面図である。
【図９】図８に対応する正面図である。
【図１０】２台の振動制御装置の配置例を示したもの
で、(a) は平面図、(b) は正面図である。
で、(a) は平面図、(b) は正面図である。
【図１１】(a) 〜(c) は２台の振動制御装置を用いた制
御方法を説明するための図である。
御方法を説明するための図である。
【図１２】２台の振動制御装置による制御機構の説明図
である。
である。
【図１３】本発明の振動制御装置の回路図である。
【図１４】比較例としての従来のＤＤの振動モデル図で
ある。
ある。
【図１５】比較例としての従来のＡＭＤの振動モデル図
である。
である。
【図１６】ＨＭＤの振動モデル図である。
【図１７】減衰装置を付加したＨＭＤの振動モデル図で
ある。
ある。
１…大梁、２…梁、３…ベース、４…ガイドブロック、
５…緩衝装置、６…磁気ダンパー、１０…振動制御装
置、１１…付加質量体、１２…吊材、１３…アクチュエ
ーター、１４…滑車、１５…滑車、１６…吊材固定部、
１７…ターンバックル、２１…フィルター回路、２２…
ＡＧＣ回路、２３…出力制限回路、２４，２５…増幅回
路、２６，２７…加算器
５…緩衝装置、６…磁気ダンパー、１０…振動制御装
置、１１…付加質量体、１２…吊材、１３…アクチュエ
ーター、１４…滑車、１５…滑車、１６…吊材固定部、
１７…ターンバックル、２１…フィルター回路、２２…
ＡＧＣ回路、２３…出力制限回路、２４，２５…増幅回
路、２６，２７…加算器
フロントページの続き (72)発明者 大類 哲 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島 建設株式会社内 (72)発明者 佐々木 勝康 東京都港区元赤坂一丁目２番７号 鹿島 建設株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−105879（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−275869（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−140647（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−280158（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 構造物内または構造物上に設置され、前
記構造物の固有周期と同調する周期を有する所定質量ｍ
d の付加質量体と、前記構造物と前記付加質量体との間
に制御力ｕ(t) を作用させるアクチュエーターと、振動
外力に対する前記構造物の前記付加質量体設置位置にお
ける応答速度を検出する速度センサーと、振動外力に対
する前記構造物設置地盤の応答速度を検出する地動セン
サーと、前記付加質量体の速度を検出する装置速度セン
サーと、前記付加質量体の変位を検出する装置変位セン
サーと、前記各センサーの検出値に応じて、前記制御力
ｕ(t) を与える制御回路とからなり、前記制御回路は前
記速度センサー及び前記地動センサーによって与えられ
る速度信号の差を入力するための加算器と、前記加算器
より入力された信号について、前記構造物の固有周期以
外の振動成分をカットするためのフィルター回路と、入
力の大小に応じて増幅率を変化させるためのＡＧＣ回路
と、過大な出力を制限するための出力制限回路と、前記
装置速度センサー及び前記装置変位センサーによって与
えられる速度信号及び変位信号について、それぞれ所定
の増幅率を与える増幅回路と、前記フィルター回路、Ａ
ＧＣ回路及び出力制限回路を経た構造物の速度信号と、
前記増幅回路を経た前記付加質量体の速度信号及び変位
信号とを加算するための加算器とを有し、前記フィルタ
ー回路の伝達特性を前記構造物の固有周期に対応する角
振動数をω n として、ラプラス関数Ｈ（ｓ）＝（ｓ 2 ＋
２Ｇζ n ω n ｓ＋ω n 2 ）／（ｓ 2 ＋２ζ n ω n ｓ＋ω
n 2 ）〔ただし、ｓ＝ｉωは角振動数に関する虚数、ζ
n は減衰定数〕で与えたことを特徴とする構造物の振動
制御装置。 - 【請求項２】 所定の減衰係数ｃd を有する減衰装置
を、前記構造物と前記付加質量体との間に前記アクチュ
エーターと並列に設けてある請求項１記載の構造物の振
動制御装置。 - 【請求項３】 前記制御力ｕ(t) を前記構造物の応答が
所定のレベル以上となったときにのみ発生させるための
トリガーを設けてある請求項１または２記載の構造物の
振動制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3211765A JP2546454B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 構造物の振動制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3211765A JP2546454B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 構造物の振動制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0552061A JPH0552061A (ja) | 1993-03-02 |
| JP2546454B2 true JP2546454B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=16611214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3211765A Expired - Fee Related JP2546454B2 (ja) | 1991-08-23 | 1991-08-23 | 構造物の振動制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2546454B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH072654U (ja) * | 1993-06-15 | 1995-01-13 | 石川島播磨重工業株式会社 | 制震装置の制御装置 |
| US5526609A (en) * | 1994-01-28 | 1996-06-18 | Research Foundation Of State University Of New York | Method and apparatus for real-time structure parameter modification |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63280158A (ja) * | 1987-05-12 | 1988-11-17 | カヤバ工業株式会社 | 制振装置の制御開始方法 |
| JP2617106B2 (ja) * | 1987-10-16 | 1997-06-04 | 株式会社ブリヂストン | 建物用振動制御装置 |
| JPH01275869A (ja) * | 1988-04-26 | 1989-11-06 | Kajima Corp | 能動式制震装置 |
| JPH03140647A (ja) * | 1989-10-24 | 1991-06-14 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 制振装置の制御方法 |
-
1991
- 1991-08-23 JP JP3211765A patent/JP2546454B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0552061A (ja) | 1993-03-02 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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