JP5425579B2

JP5425579B2 - 制振装置

Info

Publication number: JP5425579B2
Application number: JP2009224398A
Authority: JP
Inventors: 正典今関; 裕二志賀; 雄太郎横倉
Original assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Current assignee: IHI Infrastructure Systems Co Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: JP2011074594A

Description

本発明は、建物の上層部に配設されるアクティブマスダンパータイプの制振装置に関する。

図１に示すように、アクティブマスダンパー（ＡＭＤ）タイプの制振装置１として、建物（高層ビル等）２の振動を減衰するために移動される重りを有する制振装置本体３と、その制振装置本体３と建物２の床面との間に介設される弾性部材４とを備えたものが知られている。

図２に示すように、制振装置本体３は、建物２の上層階において水平面内で移動可能に支持された重りＷと、重りＷを駆動するアクチュエータＡと、センサＳで検出した建物２の振動が入力されその振動を減衰させる重りＷの動きを演算しそれをアクチュエータＡに送るコントローラＣとを有し、強風や地震等により建物に生じた振動を、重りＷを移動させることによる慣性力でアクティブに減衰させるものである（特許文献１、２参照）。

図３に示すように、コントローラＣは、センサＳで検出した建物２の振動に基づき重りＷを建物２の振動に対して所定位相を遅らせて移動させ、制振装置本体３に、建物２の振動に対して所定位相（例えば９０度）遅れた振動を生成する。こうして制振装置本体３に生じた振動（建物２の振動に対し９０度遅れた振動）により、建物２の振動が減衰される。

弾性部材４は、ゴム等から成り、重りＷを移動させることに伴って制振装置本体３から建物２に伝わる振動の内、建物２の振動を減衰させる周波数の制御力（例えば０．０５Ｈｚ〜１．０Ｈｚ程度）を伝えると共に、建物２内の居室にて騒音の原因となる周波数の騒音振動（例えば２０Ｈｚ〜５ｋＨｚ程度：固体伝播音）を遮断するために設けられる。

ここで、弾性部材（ゴム等）４は、図４（ａ）に示すように、自身の固有振動数ωｏよりも低い周波数の振動については伝達率（ゲイン）が１であり、固有振動数ωｏよりも高い周波数の振動については周波数が高まるにつれて伝達率が低下するという特性を有する。また、弾性部材４は、図４（ｂ）に示すように、固有振動数ωｏよりも低い周波数の振動については位相遅れが零であり、固有振動数ωｏと同一の周波数の振動については９０度の位相遅れが発生し、固有振動数ωｏよりも高い領域の周波数の振動については１８０度の位相遅れが発生するという特性を有する。

制振装置本体３は、このような特性を有する弾性部材４を介して建物２に設置されているところ、制振装置本体３には、既述のようにコントローラＣによって建物２の振動に対して９０度位相が遅れた制御力（振動）が生成されている。このため、制振装置本体３にて生成された制御力（建物２の振動に対して９０度遅れの振動）は、制振装置本体３から弾性部材４を介して建物２に伝わる際に、図４（ｃ）に示すように、弾性部材４の固有振動数ωｏよりも低い周波数の振動については、そのまま即ち建物２の振動に対して９０度の位相遅れで伝わり、固有振動数ωｏと同一の周波数の振動については、元々の９０度遅れに弾性部材４による９０度遅れが加わって１８０度遅れで伝わり、固有振動数ωｏよりも高い領域の周波数の振動については、元々の９０度遅れに弾性部材４による１８０度遅れが加わって２７０度遅れで伝わる。

特開平７−２６７８５号公報特開平１１−２９４５２１号公報

さて、図４（ａ）に示すように、弾性部材４の固有振動数ωｏをこれまで一般的に用いられてきた１０Ｈｚ程度に設定すると、制振装置本体３にて重りＷを移動させることに伴って生じた２０Ｈｚ〜５ｋＨｚの騒音振動（固体伝播音）は、伝達率が１以下の領域にはあるものの伝達率が１に近い領域にラップするため、十分に遮断することができず、建物２の居室にて騒音の問題が生じ得る。

この対策として、固有振動数ωｏを図４（ａ）の破線で示すように従来より低い８Ｈｚ以下（例えば５Ｈｚ程度）に設定することが考えられる。こうすれば、この新たな固有振動数ωｏ’（５Ｈｚ）の弾性部材４に対して、前記騒音振動（２０Ｈｚ〜５ｋＨｚ）は、伝達率が１よりも遙かに小さい領域に位置するため、十分に遮断され、建物２の居室における騒音が防止される。

しかし乍ら、弾性部材４の固有振動数ωｏ（１０Ｈｚ）をωｏ’（５Ｈｚ）にまで下げると、図４（ｃ）に破線で示すように、制振装置本体３から弾性部材４を介して建物２に伝わる振動は、建物２の振動に対して、固有振動数ωｏ’（５Ｈｚ）以下の周波数では位相遅れが９０度であり的確に制振機能を発揮するが、固有振動数ωｏ’（５Ｈｚ）以上の周波数において１８０度から２７０度の遅れが生じてしまう。そして、制振装置本体３から建物２に伝わる振動が、建物２の振動に対して１８０度から２７０度遅れた状態は、建物２の振動を励振してしまうことが知られている。

また、制振装置本体３にて建物２の振動に対して９０度の位相遅れの制御力（振動）を生成するように重りＷを動かすコントローラＣは、従来、２次のものが用いられていた。この２次のコントローラＣは、図４（ｄ）に破線で示すように、カットオフ周波数ωｃ以下の周波数では一定のゲイン（振幅）を有し、カットオフ周波数ωｃ以上の周波数では緩やかにゲインが低下していく特性を有する。よって、２次のコントローラＣのカットオフ周波数ωｃを建物２の２次振動モードと３次振動モードとの間に設定すると、建物２の３次、４次の振動モードの領域にて、或る程度のゲインが残存してしまう。これら高次の振動モード（３次、４次振動モード）の領域は、図４（ｃ）に示すように、固有振動数ωｏ’の弾性部材４について、１８０度から２７０度の位相遅れの領域に位置するため、そこでの制御力のゲインは制振ではなく逆に励振として機能してしまい、建物２が３次、４次振動モードで発振してしまう虞がある。

すなわち、弾性部材４の固有振動数ωｏ’を従来の約１０Ｈｚよりも低い８Ｈｚ以下（たとえば５Ｈｚ）とすると、固有振動数ωｏ’以上の周波数の領域で制振装置本体３から建物２に伝わる制御力（振動）に１８０度から２７０度の位相遅れが生じ、その位相遅れの領域に制振装置本体３の２次のコントローラＣにより生成された制御力のゲインが存在するため、そのゲインが制振対象である建物２を高次の振動モード（３次、４次振動モード）で励振する可能性がある。

他方、弾性部材４の固有振動数ωｏを１０Ｈｚ程度にまで高めると、１８０度から２７０度の位相遅れの領域が建物２の３次、４次振動モードよりも高周波側にずれるため、建物２の３次、４次振動モードでの励振は回避できるが、図４（ａ）に示すように、制振装置本体３から建物２に伝わる騒音振動（固体伝播音：２０Ｈｚ〜５ｋＨｚ）が、弾性部材４の伝達率が比較的大きな領域に位置してしまうため、その騒音振動（固体伝播音）を的確に遮断することができない。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、制振装置本体から建物への騒音振動（固体伝播音）の伝播を的確に遮断できると共に、建物の高次の振動モードでの励振を回避できる制振装置を提供することにある。

上記目的を達成するために第１の発明は、建物の振動を減衰するために水平面内で移動される重りを有する制振装置本体と該制振装置本体が設置される前記建物の床面との間に樹脂または空気バネからなる弾性部材を介設し、前記制振装置本体から前記弾性部材を介して前記建物の床面に伝わる振動の内、前記弾性部材の固有振動数よりも低い周波数の制御力を伝えると共に、前記固有振動数よりも高い周波数の固体伝播音を遮断するようにした制振装置であって、前記弾性部材は、固有振動数を５Ｈｚに設定され、前記制振装置本体は、前記建物の振動が入力され該振動を減衰させるように前記重りを前記建物の振動に対して位相を９０°遅らせて移動させるためのコントローラを有し、該コントローラは、前記弾性部材の固有振動数より高い周波数領域でのゲインを落とす３次以上の次数の高いコントローラであるものである。

第２の発明は、建物の振動を減衰するために水平面内で移動される重りを有する制振装置本体と該制振装置本体が設置される前記建物の床面との間に樹脂または空気バネからなる弾性部材を介設し、前記制振装置本体から前記弾性部材を介して前記建物の床面に伝わる振動の内、前記弾性部材の固有振動数よりも低い周波数の制御力を伝えると共に、前記固有振動数よりも高い周波数の騒音振動を遮断するようにした制振装置であって、前記弾性部材は、固有振動数を５Ｈｚに設定され、前記制振装置本体は、前記建物の振動が入力され該振動を減衰させるように前記重りを前記建物の振動に対して位相を９０°遅らせて移動させるためのコントローラを有し、該コントローラは、前記弾性部材の固有振動数より高い周波数領域でのゲインを落とす３次以上の次数の高いフィルターを有するものである。

本発明に係る制振装置によれば、制振装置本体から建物への騒音振動（固体伝播音）の伝播を的確に遮断できると共に、建物の高次の振動モードでの励振を回避できる。

制振対象である建物に弾性部材を介して制振装置本体を設置した様子を示す説明図である。制振装置本体、弾性部材、建物についての概略ブロック図である。コントローラにより生成された制振のための制御力が、建物の振動に対して所定位相遅れていることを示す説明図である。（ａ）はゴム等の弾性部材のゲイン特性を示す説明図、（ｂ）は弾性部材の位相特性を示す説明図、（ｃ）は制振装置本体から弾性部材を介して建物に伝達される制御力の位相特性を示す説明図、（ｄ）は制振装置本体のコントローラのゲイン特性を示す説明図である。

本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本実施形態に係る制振装置は、上述した制振装置と基本的な構造は同一であり、以下に述べる２点が異なっている。

第１の相違点は、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に破線で示すように、弾性部材４の固有振動数ωｏ’が通常設定されるωｏ（１０Ｈｚ近傍）より低い５Ｈｚ程度に設定されている点にある。弾性部材４の固有振動数ωｏ’を通常設定されるωｏ（１０Ｈｚ近傍）よりも引き下げるためには、弾性部材４の材質に弾性係数が小さいゴムやエラストマー系の樹脂（エーテル系の発泡ポリウレタンエラストマー樹脂等）を用いたり、弾性部材４を空気バネ構造とすることが行われる。

第２の相違点は、制振装置本体３のコントローラＣに、弾性部材４の固有振動数ωｏ’（５Ｈｚ）より高い周波数領域でのゲインを急激に落とすため、通常用いられる２次ではなく３次以上の次数の高いコントローラを用いた点にある。かかる高次コントローラＣを用いてアクチュエータＡで重りＷを駆動すると、図４（ｄ）に示すように、コントローラＣのカットオフ周波数ωｃ以下の周波数では制御力に設計通りのゲインが存在し、カットオフ周波数ωｃ以上の周波数では制御力のゲインが急速に減少する。なお、高次コントローラＣの概念には、これと同様の機能を発揮するＨ無限大制御のコントローラも含まれる。

上述した弾性部材４及びコントローラＣを備えた本実施形態に係る制振装置１によれば、図４（ａ）に破線で示すように、弾性部材４の固有振動数ωｏ’が従来の固有振動数ωｏ（１０Ｈｚ）より低い５Ｈｚに設定されているので、固体伝播音である騒音振動（２０Ｈｚ〜５ｋＨｚ）は、伝達率が１よりも遙かに小さい領域（伝達率０．１以下の領域）に位置し、弾性部材４によって的確に遮断される。よって、建物２内の居室における騒音の発生が防止される。

また、弾性部材４の固有振動数ωｏ（１０Ｈｚ）をωｏ’（５Ｈｚ）にまで下げることに伴って、図４（ｂ）に破線で示すように弾性部材４の位相遅れ領域（−９０度〜−１８０度）が低周波数側にシフトし、これに伴い図４（ｃ）に破線で示すように制御力の位相遅れ領域（−１８０度〜−２７０度）も低周波数側にシフトする。この結果、図４（ｄ）に示すように、建物２の高次（３次、４次）の振動モードが制御力の位相遅れ領域（−１８０度〜−２７０度：励振領域）に位置することになる。

ここで、制振装置本体４のコントローラＣに従来の２次コントローラを用い、そのカットオフ周波数ωｃを建物２の２次振動モード周波数と３次振動モード周波数との間に設定したとすると、２次コントローラでは、図４（ｄ）に破線で示すようにカットオフ周波数ωｃ以上での制御力のゲインの落ち方が緩やかなので、前記励振領域に位置する建物２の３次、４次振動モードの周波数にてゲインが十分に落ちきってはおらず、そのゲインが３次や４次のモードで振動する建物２に対し、制振ではなく励振として機能してしまうという問題が生じ得る。

そこで、本実施形態では、制振装置本体３のコントローラＣに、通常用いられる２次コントローラではなく、図４（ｄ）に実線で示すようにカットオフ周波数ωｃ以上でゲインが急激に落ちる３次以上の次数の高いコントローラ（高次コントローラ）を用いている。かかる高次コントローラＣによれば、カットオフ周波数ωｃ以上の領域では制御力のゲインが極端に落ちるため、その領域が前記励振領域であっても、建物２が３次、４次振動モードで励振されることはない。

すなわち、弾性部材４の固有振動数ωｏ（１０Ｈｚ）をωｏ’（５Ｈｚ）にまで下げると、制振装置本体３から建物２に伝わる制御力が１８０度〜２７０度遅れる位相遅れ領域（励振領域）に、建物２の３次、４次の振動モードが位置することになるので、制御力による建物２の３次、４次の振動モードでの励振が問題となり得るものの、本実施形態の高次コントローラＣによれば、図４（ｄ）に示すように、前記励振領域においては制御力のゲインが極めて小さく、制振装置本体３の動作が抑制されるので、３次、４次の振動モードでの建物２の励振は生じない。

加えて、上記励振領域は図４（ａ）から明らかなように弾性部材４の伝達率が１よりも小さい領域であるので、制御力のゲインは、制振装置本体３から弾性部材４を通過して建物２に伝達される際にその伝達率に応じて小さくなり、これも建物２の３次、４次の振動モードでの励振を回避する要因となる。

また、かかる高次コントローラＣによれば、カットオフ周波数ωｃ以下の領域では制御力の適正なゲインが得られるため、建物２の１次、２次振動モードの振動が制振される。すなわち、この高次コントローラＣは、図４（ｄ）に示すように、カットオフ周波数ωｃ以下の建物２の１次、２次の振動モードの周波数領域では、一定のゲインを発揮しており、その領域では図４（ｃ）に示すように制御力は９０度遅れとなっているので、その制御力によって、建物２の１次、２次の振動モードを的確に減衰することができる。

本実施形態においては、弾性部材４の固有振動数ωｏ’を従来の固有振動数ωｏ（１０Ｈｚ）より小さい８Ｈｚ以下で且つ建物２の２次振動モード周波数よりも大きいωｏ’（５Ｈｚ）とし、高次コントローラＣのカットオフ周波数ωｃを２次振動モードと３次振動モードとの間に設定している。これにより、建物２の１次及び２次振動モードを高次コントローラＣによる制御力で的確に制振し、建物２の３次以上のモードの領域での制御力のゲインを落とすことで、３次以上のモードでの建物２の励振を回避している。

なお、弾性部材４の固有振動数ωｏ’を建物２の２次振動モードの周波数より小さく且つ建物２の１次振動モードの周波数よりも大きい周波数（１Ｈｚ程度）とし、高次コントローラＣのカットオフ周波数ωｃを１次振動モードと２次振動モードとの間に設定してもよい。これにより、建物２の１次振動モードを高次コントローラＣによる制御力で的確に制振し、建物２の２次以上のモードの領域での制御力のゲインを落とすことで、２次以上のモードでの建物２の励振を回避できる。

また、コントローラＣに３次以上の高次のコントローラを用いることに代え、コントローラＣに高次フィルタを組み込み、前記カットオフ周波数ωｃに相当する周波数以上の制御力のゲインを略カットするようにしてもよい。こうしても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。

１制振装置
２建物
３制振装置本体
４弾性部材
Ｃコントローラ
Ａアクチュエータ
Ｗ重り
ωｏ弾性部材の固有振動数
ωｏ’ 弾性部材の固有振動数
ωｃコントローラのカットオフ周波数

Claims

建物の振動を減衰するために水平面内で移動される重りを有する制振装置本体と該制振装置本体が設置される前記建物の床面との間に樹脂または空気バネからなる弾性部材を介設し、前記制振装置本体から前記弾性部材を介して前記建物の床面に伝わる振動の内、前記弾性部材の固有振動数よりも低い周波数の制御力を伝えると共に、前記固有振動数よりも高い周波数の固体伝播音を遮断するようにした制振装置であって、
前記弾性部材は、固有振動数を５Ｈｚに設定され、
前記制振装置本体は、前記建物の振動が入力され該振動を減衰させるように前記重りを前記建物の振動に対して位相を９０°遅らせて移動させるためのコントローラを有し、該コントローラは、前記弾性部材の固有振動数より高い周波数領域でのゲインを落とす３次以上の次数の高いコントローラである
ことを特徴とする制振装置。
建物の振動を減衰するために水平面内で移動される重りを有する制振装置本体と該制振装置本体が設置される前記建物の床面との間に樹脂または空気バネからなる弾性部材を介設し、前記制振装置本体から前記弾性部材を介して前記建物の床面に伝わる振動の内、前記弾性部材の固有振動数よりも低い周波数の制御力を伝えると共に、前記固有振動数よりも高い周波数の騒音振動を遮断するようにした制振装置であって、
前記弾性部材は、固有振動数を５Ｈｚに設定され、
前記制振装置本体は、前記建物の振動が入力され該振動を減衰させるように前記重りを前記建物の振動に対して位相を９０°遅らせて移動させるためのコントローラを有し、該コントローラは、前記弾性部材の固有振動数より高い周波数領域でのゲインを落とす３次以上の次数の高いフィルターを有する
ことを特徴とする制振装置。