JP5914085B2 - 多目的動的試験方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、実機建物に加振して長周期地震動、免震装置の性能、制震装置の性能などを実機建物規模における性能検証を可能にする多目的動的試験方法とその装置に関するものである。

従来、動的応答試験装置としては、例えば、特許文献１に記載されているものが、免震要素試験装置としては特許文献２に記載されているものが知られている。これらは、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、静的な加力実験や振動台実験を利用したものである。

特開２０００−３５２５４６号公報 特開平０６−２６９８２号公報

東日本大震災以降、長周期地震動や直下型地震動による構造物の被害軽減対策技術の研究開発などがおこなわれている。しかしながら、従来の動的試験方法やその装置は、縮小模型を用いる方法が一般的であり、実建物規模とのスケール効果により実現象を適切に反映できないといった問題等がある。かかる実機での性能検証は、実建物に新工法などを適用後に、地震観測などにより検証するより方法が無く、コストも時間もかかることが課題である。本発明に係る多目的動的試験方法とその装置は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係る多目的動的試験方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、振動実験用の建物において、加振装置を少なくとも建物最上階に設けると共に、該加振装置を駆動制御する制御装置を設けて多目的動的試験装置を形成し、再現する入力地震動または風外力を制御装置によって前記最上階の加振装置の加振力に変換し、前記加振装置を前記制御装置によって前記加振力で加振して目的の入力地震動または風外力を再現する多目的動的試験方法において、前記入力地震動または風外力を予め複数種類作成して用意し、その内のいずれか一つを再現する入力地震動または風外力として制御装置を介して選択し、加振装置から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｄ ）を導出し、前記選択された入力地震動または風外力から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｅ ）または（Ｈ _Ｗ ）を導出し、これらから伝達関数比（Ｈ _Ｅ /Ｈ _Ｄ ）または（Ｈ _ｗ /Ｈ _Ｄ ）を算出し、前記選択された入力地震動または風外力と前記伝達関数比から加振装置に対する加振力を算出し、前記加振力に対応する電圧信号を前記制御装置によって作成して、前記電圧信号を前記制御装置を介して前記加振装置を加振することである。

更に、建物の１階に制御装置によって駆動制御され長周期入力地震動を再現するアクチュエータを配備すると共に、１階または１階と中間階とに免震装置を配備したことを含むものである。

本発明に係る多目的動的試験装置の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、
振動実験用の建物の最上階に設けた加振装置と、入力地震動または風外力を予め複数種類作成して用意し、その内のいずれか一つを再現する入力地震動または風外力として制御装置を介して選択し、加振装置から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｄ ）を導出し、前記選択された入力地震動または風外力から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｅ ）または（Ｈ _Ｗ ）を導出し、これらから伝達関数比（Ｈ _Ｅ /Ｈ _Ｄ ）または（Ｈ _ｗ /Ｈ _Ｄ ）を算出して、再現すべき入力地震動に一致するように当該入力地震動を前記伝達関数比によって建物最上階における加振力に変換して前記加振装置を駆動制御する制御装置とを設けてなることである。また、建物の１階に制御装置によって駆動制御され長周期入力地震動を再現するアクチュエータを配備すると共に、１階または１階と中間階とに免震装置を配備したことである。
更に、免震装置は、制御装置によって免震機能を消失させるロック装置が設けられていることを含むものである。

本発明の多目的動的試験方法とその装置によれば、内陸型・海洋型の地震動などさまざまな条件の地震動や風応答を再現することができる。
更に、実大規模でのさまざまな実験が低コストで、時間を掛けずに実施することができる。よって、開発技術・工法の耐震性能検証実験が容易に行える。病院建築など高機能建築物への高性能免振・制震装置の開発と検証を行えたり、非構造部材（間柱や壁など）を応用した揺れ制御工法の開発、簡易型ヘルスモニタリングシステムによる事業継続計画（ＢＣＰ）への適用検証、オフィス空間や病院建築等での事務機器、家具、什器等の挙動と固定や転倒防止などの対策を検証することが容易となる、と言う優れた効果を奏するものである。

本発明に係る多目的動的試験装置１の概略構成図であり、長周期の地震動を再現する場合の概略図（Ａ）、免震装置の性能を検証する場合の概略図（Ｂ）、制振デバイスの性能を検証する場合の該略図（Ｃ）である。 同本発明の多目的動的試験方法の手順を示す説明図である。 同本発明に係る多目的動的試験装置による地震または風入力時の揺れを再現するフロー図である。 加振力を算出する手順を示す工程図である。 加振力を算出する手順を具体的な図で示す説明図である。 本発明に係る多目的動的試験装置１の使用状態を示す概略説明図である。 従来例に係る動的応答試験装置の例を示す正面図（Ａ），（Ｂ）である。

本発明に係る多目的動的試験装置１は、図１（Ａ）に示すように、実物規模の建物２において、該建物２最上階２ａに加振装置３を設けると共に該加振装置３を駆動制御する制御装置（図示せず）を設けて形成する。

前記多目的動的試験装置１における建物２は、振動試験をする実験機の実物大規模であり、実機レベルの性能検証が容易にできて有効である。また、前記加振装置３は、この建物２の最上階に設置される。前記加振装置３は、例えば、アクチュエータによってマスダンパーを水平方向の２方向に稼動させるものである。

図１（Ａ）に示すように、前記建物２の１階に制御装置によって駆動制御される加振装置としてのアクチュエータ４を配備すると共に、図１（Ｃ）に示すように、１階または１階と中間階とに免震装置５を配備する。尚、前記アクチュエータ４は、前記１階の免震装置５の下に配備される。

前記１階のアクチュエータ４は、長周期の入力地震動を再現し稼動させて、海洋型長周期地震動を再現するときに使用するものである。また、前記免震装置５は、１階と実験に必要な上方の任意の階である中間層に必要数設けるものである。更に、免震装置は、制御装置によってＯＮ／ＯＦＦされ、免震機能を消失させるロック装置が設けられている。

本発明に係る多目的動的試験方法は、上記多目的動的試験装置１を形成して、再現する入力地震動を制御装置によって加振装置３の加振力に変換し、前記加振装置３を前記制御装置によって前記加振力で前記加振装置３を加振して、目的の入力地震動を再現することである。

かかる多目的動的試験装置１を使用して、各種の性能検証の方法を説明する。図２−Ａ、図２−Ｂに示すように、ステップ（以下、ＳＴと略記）１で再現したい入力地震動または風外力を作成、選択する。これは、例えば、建物２が長周期地震動で加振される場合の地震動や、建物２に免震装置を有する場合、更に免震装置と制振装置を有する場合の性能を検証するための入力すべき地震動を、予め作成するものである。

次に、ＳＴ２では、伝達関数比から再現したい入力地震動または風外力の加振力を算出する。これには、図３乃至図４に示す手順で行う。

図３に示すように、手順１として、加振装置３から建物２の対象階への伝達関数Ｈ_Ｄを導出する。手順２として、入力地震動（風外力）から対象階への伝達関数Ｈ_Ｅまたは（H_W）を導出する。図４におけるＮＯ.１とＮＯ．２の図を参照のこと。そして、伝達関数比＝伝達関数Ｈ_Ｅまたは（Ｈ_W）/伝達関数Ｈ_Ｄを算出する。

次に、手順４として、選択した入力地震動をフーリエ変換により周波数領域に変換する。そして、手順５として、前記フーリエ変換した周波数領域の入力地震動（風外力）×伝達関数比（Ｈ_ＥまたはＨ_W/Ｈ_Ｄ）＝加振装置３の加振力（周波数領域）を求める。これが、前記選択した入力地震動または風外力に対する加振装置３にて対応する出力すべき加振力となる。

そして、手順６として、前記周波数領域の加振力を、フーリエ逆変換して時間領域に逆変換する。これが、前記加振装置３における、選択した入力地震動または風外力の揺れに対応する加振力となる。

そこで、図２−Ａ、図２−Ｂに示すＳＴ３に進み、前記加振力に対応する電圧信号を作成して、制御装置を介して加振装置３に入力する。ＳＴ４にて、加振装置３が稼動する。図５に示すように、加振装置３の油圧コントローラ、サーボバルブ、アクチュエータが稼動されて建物２が水平方向において前後・左右の２方向に加振される。

ＳＴ５において、図５に示すように、建物２に前記選択された入力地震動と同じ入力地震動が再現される。なお、このとき、図２−Ｂに示すように、出力加振力の誤差を制御装置によって判定する（建物２に下から地震力を入力した場合との比較）。

そして、図２−Ｂに示すＳＴ６において、目標加振力Ｆ_ｔと出力加振力Ｆ_ｅの伝達関数Ｈ_Ｉを算出して、ＳＴ７において、前記目標加振力Ｆ_ｔを伝達関数Ｈ_ｉ（ｉは収斂回数）で除して新しい加振力Ｆ_ｉを再生成する。それを、ＳＴ３の前にフィードバックするものである。最終的に出力加振力の誤差の無い状態となれば、制御装置によって自動的に実験終了となって、告知されるものである。

このようにして、入力地震動を再現するので、例えば、図１（Ａ）に示すように、免震装置５を動かないように、ロック装置を制御装置でロックして、通常の地震による建物２の揺れを検証したり、１階の免震装置５下のアクチュエータ４を稼動することによって、海洋型の長周期地震動を再現したり、図１（Ｂ）に示すように、免震装置５の性能を検証したり、免震装置５の作用により家具８の転倒の有無を検証をしたり、図１（Ｃ）に示すように、１階の免震装置５をロック装置でロックして、中間層の免震装置５を免震作用させて、各種制振デバイスとしての制振装置６の性能検証をしたりするものである。

このようにして、実験機としての建物２を使用することで、建物の規模が異なっても、対象階への伝達関数比（Ｈ_Ｅ/Ｈ_Ｄ）または（Ｈ_W/Ｈ_Ｄ）によって、同じ入力地震動で性能検証することができるようになり、時間とコストが大幅に低減されるものである。

本発明に係る多目的動的試験方法とその装置は、振動試験装置として各種の実験に適用できるものである。

１ 多目的動的試験装置、
２ 建物、 ２ａ 最上階、
３ 加振装置、
４ アクチュエータ、
５ 免震装置、
６ 制振装置、
７ 振動台、
８ 家具。

Claims (5)

1. 振動実験用の建物において、加振装置を少なくとも建物最上階に設けると共に、該加振装置を駆動制御する制御装置を設けて多目的動的試験装置を形成し、再現する入力地震動または風外力を制御装置によって前記最上階の加振装置の加振力に変換し、前記加振装置を前記制御装置によって前記加振力で加振して目的の入力地震動または風外力を再現する多目的動的試験方法において、
   前記入力地震動または風外力を予め複数種類作成して用意し、その内のいずれか一つを再現する入力地震動または風外力として制御装置を介して選択し、
   加振装置から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｄ ）を導出し、
   前記選択された入力地震動または風外力から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｅ ）または（Ｈ _Ｗ ）を導出し、
   これらから伝達関数比（Ｈ _Ｅ /Ｈ _Ｄ ）または（Ｈ _ｗ /Ｈ _Ｄ ）を算出し、
   前記選択された入力地震動または風外力と前記伝達関数比から加振装置に対する加振力を算出し、
   前記加振力に対応する電圧信号を前記制御装置によって作成して、
   前記電圧信号を前記制御装置を介して前記加振装置を加振すること、
   を特徴とする多目的動的試験方法。
2. 建物の１階に制御装置によって駆動制御され長周期入力地震動を再現するアクチュエータを配備すると共に、１階または１階と中間階とに免震装置を配備したこと、
   を特徴とする請求項１に記載の多目的動的試験方法。
3. 振動実験用の建物の最上階に設けた加振装置と、
   入力地震動または風外力を予め複数種類作成して用意し、その内のいずれか一つを再現する入力地震動または風外力として制御装置を介して選択し、加振装置から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｄ ）を導出し、前記選択された入力地震動または風外力から建物の対象階への伝達関数（Ｈ _Ｅ ）または（Ｈ _Ｗ ）を導出し、これらから伝達関数比（Ｈ _Ｅ /Ｈ _Ｄ ）または（Ｈ _ｗ /Ｈ _Ｄ ）を算出して、再現すべき入力地震動に一致するように当該入力地震動を前記伝達関数比によって建物最上階における加振力に変換して前記加振装置を駆動制御する制御装置とを設けてなること、
   を特徴とする多目的動的試験装置。
4. 建物の１階に制御装置によって駆動制御され長周期入力地震動を再現するアクチュエータを配備すると共に、１階または１階と中間階とに免震装置を配備したこと、
   を特徴とする請求項３に記載の多目的動的試験装置。
5. 免震装置は、制御装置によって免震機能を消失させるロック装置が設けられていること、
   を特徴とする請求項４に記載の多目的動的試験装置。

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