JP6992606B2

JP6992606B2 - アクティブマスダンパーの性能評価方法

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Publication number: JP6992606B2
Application number: JP2018040968A
Authority: JP
Inventors: 孝行曽根; 雅史山本
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: JP2019157355A

Description

本発明は、アクティブマスダンパーの制振性能を評価するアクティブマスダンパーの性能評価方法に関する。

建物の屋上などにアクティブマスダンパーを設置し、強風や地震等による建物揺れに対して居室内の居住性を改善する方法がある。例えば、特許文献１には、構造物に加振力を作用させて構造物の振動を低減するアクティブマスダンパーが開示されている。

このアクティブマスダンパーは、構造物に両端が固定されたネジ軸が貫通する中空モータを駆動し、この中空モータと一体に設けられたマスをネジ軸に沿って移動させることにより、構造物に加振力を作用させる。

アクティブマスダンパーの制振性能は、建物にアクティブマスダンパーを設置して行われるチューニング作業によって決定する。このチューニング作業において、従来は、正弦波加振を用いた自由振動試験によってアクティブマスダンパーの制振性能を評価していた。

自由振動試験では、まず、アクティブマスダンパーを加振機として使用し、建物を正弦波加振する。次に、建物に生じる揺れが定常振動状態に達した後に加振を止めると同時に、アクティブマスダンパーを制振装置として稼働させる。そして、アクティブマスダンパーを制振装置として稼働させた後の建物揺れの自由振動波形から減衰定数を求めて、アクティブマスダンパーの制振性能を評価する。

しかし、この自由振動試験では、強風や地震等により長時間続く複雑な建物揺れに対するアクティブマスダンパーの制振性能を評価することは難しい。

特開２００４－２３２７００号公報

本発明は係る事実を考慮し、長時間続く複雑な建物揺れに対するアクティブマスダンパーの制振性能を評価することを課題とする。

第１態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法は、実物建物に設置されたアクティブマスダンパーと、前記実物建物に設置され前記実物建物の実物建物応答値を検出するセンサと、前記アクティブマスダンパーを稼働させるコントローラと、を備えて前記アクティブマスダンパーの制振性能を評価するアクティブマスダンパーの性能評価方法において、建物モデルへ入力した任意の外力から求められた前記建物モデルの建物モデル応答値と、前記センサが検出した前記実物建物応答値とを加算して求められた建物応答値を前記コントローラへ送信する工程と、前記建物応答値に基づいて前記コントローラにより前記アクティブマスダンパーを稼働させ、前記実物建物に実物建物応答を発生させる工程と、前記建物応答値と前記建物モデル応答値とを比較してアクティブマスダンパーの制振性能を評価する工程と、を有する。

第１態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法によれば、建物モデル応答値と実物建物応答値とを加算して求められた建物応答値は、建物特性が線形とみなせる建物振幅領域において、建物モデルへ入力した外力と同じ外力が実物建物へ作用した状態でアクティブマスダンパーを稼働させたときの実物建物の応答値とみなすことができる。

これにより、建物応答値と建物モデル応答値とを比較することで、アクティブマスダンパーの制振性能を評価することができる。

また、建物モデルに入力する外力を、強風や地震等により実物建物に作用する外力とすれば、長時間続く複雑な建物揺れに対するアクティブマスダンパーの制振性能を評価することができる。

第２態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法は、第１態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法において、前記コントローラにより、前記実物建物に設置された複数の前記アクティブマスダンパーを稼働させる。

第２態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法によれば、複数のアクティブマスダンパーを稼働させたときの制振性能を評価することができる。例えば、複数のアクティブマスダンパーが互いの動きに干渉し合うことなく安定稼働することを確認することができる。

第３態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法は、第２態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法において、前記アクティブマスダンパーは、平面視における前記実物建物の一端と他端とに設置されている。

第３態様に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法によれば、実物建物に強風などの外力が作用することにより実物建物に生じるねじれ振動を抑制するアクティブマスダンパーの制振性能を評価することができる。

本発明は上記構成としたので、長時間続く複雑な建物揺れに対するアクティブマスダンパーの制振性能を評価することができる。

本発明の実施形態に係るアクティブマスダンパー性能評価システムを示す構成図である。本発明の実施形態に係る計測時間に対する建物応答加速度を示す線図である。従来の自由振動試験によって得られる振動波形を示した線図である。本発明の実施形態に係る計測時間に対するマスの移動ストロークを示す線図である。

図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。まず、本発明の実施形態に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法について説明する。

図１には、アクティブマスダンパー性能評価システム１０の構成図が示されている。本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法は、このアクティブマスダンパー性能評価システム１０により、実物建物としての建物１２に設置されたアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価する。

アクティブマスダンパー性能評価システム１０は、建物１２に設置されたアクティブマスダンパー１４と、建物１２に設置されたセンサ１６と、コントローラ１８と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）２０とを備えている。

アクティブマスダンパー１４は、マス２２をアクチュエータ（不図示）により能動的に動かすことにより、その反力で建物１２の揺れを制御する。

アクティブマスダンパー１４は、建物１２の揺れを制御して低減する制振装置として、建物１２の竣工後において実際にアクティブマスダンパー１４が配置される位置に設置されている。本実施形態では、建物１２の屋上階２４に１つのアクティブマスダンパー１４が設置されている。

センサ１６は、建物１２の屋上階２４に１つ設置されている。センサ１６は、建物１２に発生する実物建物応答値としての建物応答加速度ａ_mを検出する。

センサ１６は、アクティブマスダンパー１４の制御（アクティブマスダンパー１４により建物１２へ加振力を作用させる駆動制御）のために用いられる、アクティブマスダンパー１４の近くに設置されたセンサであり、アクティブマスダンパー性能評価システム１０を構成するセンサとして共用している。そして、このセンサ１６が設置されている位置をアクティブマスダンパー１４の制振性能の評価対象とする評価対象位置としている。

ＤＳＰ２０は、高速処理が可能なコンピュータであり、センサ１６とコントローラ１８の間に１つ組み込まれている。ＤＳＰ２０は、センサ１６が検出した建物応答加速度ａ_mの信号をリアルタイムに受け取り、信号処理を行ってセンサ１６の代替信号をリアルタイムにコントローラ１８へ送る。なお、高速処理が可能で、センサ１６が検出した建物応答加速度ａ_mの信号をリアルタイムに受け取り、信号処理を行ってセンサ１６の代替信号をリアルタイムにコントローラ１８へ送ることができれば、ＤＳＰ以外の他のものを用いてもよい。

コントローラ１８は、アクティブマスダンパー１４付近に１つ設けられており、ＤＳＰ２０から送信された信号（センサ１６の代替信号）に基づいてアクティブマスダンパー１４を稼働させる。

アクティブマスダンパーの性能評価方法では、まず、建物１２の竣工直前に、建物１２にアクティブマスダンパー性能評価システム１０を構築する（システム構築工程）。なお、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価するタイミングは、適宜決めればよい。例えば、建物１２の竣工後に、建物１２にアクティブマスダンパー性能評価システム１０を構築して、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価してもよい。

次に、建物１２に設置したアクティブマスダンパー１４を加振機として使用し、強制加振試験を実施して建物１２の建物特性を同定する。そして、同定された建物特性に基づいて、フィードバックゲインなどのアクティブマスダンパー１４の制御パラメータをコントローラ１８内で設定する（準備工程）。

次に、ＤＳＰ２０上に構築された、準備工程において同定された建物特性を有する建物モデル２６に対して、任意の外力としての強風時の風荷重ｆを入力とした応答解析を行い、ＤＳＰ２０上で、センサ１６が設置された位置における建物モデル２６の建物モデル応答値としての建物応答加速度ａ_fをリアルタイムに算出して求める（応答解析工程）。すなわち、建物モデル２６へ入力した強風時の風荷重ｆから求められた建物モデル２６の建物応答加速度ａ_fを求める。

次に、応答解析工程によりリアルタイムに求められた建物応答加速度ａ_fと、センサ１６がリアルタイムに検出した建物応答加速度ａ_mとを加算して建物応答値としての建物応答加速度ａを求め、この建物応答加速度ａをセンサ１６の代替信号としてリアルタイムにコントローラ１８へ送信する（代替信号送信工程）。

次に、コントローラ１８へ送信された建物応答加速度ａに基づいて、コントローラ１８によりアクティブマスダンパー１４を稼働させ、建物１２に実物建物応答（建物応答加速度ａ_m）を発生させる（アクティブマスダンパー稼働工程）。すなわち、建物応答加速度ａを低減するように、アクティブマスダンパー１４により建物１２へ加振力を作用させる。

次に、応答解析工程、代替信号送信工程、アクティブマスダンパー稼働工程をこの順に所定回数だけ繰り返し、時間軸や周波数軸等に対する建物応答加速度ａを求める。図２のグラフには、計測時間に対する建物応答加速度ａの例が示されている。横軸を計測時間とし、縦軸を建物応答加速度ａとしている。

次に、アクティブマスダンパー１４を稼働させたときの建物応答とみなせる建物応答加速度ａと、アクティブマスダンパー１４を稼働させていないときの建物応答とみなせる建物応答加速度ａ_fとを、時間軸上や周波数軸上等で比較して、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価する（アクティブマスダンパー評価工程）。

次に、本発明の実施形態に係るアクティブマスダンパーの性能評価方法の作用と効果について説明する。

本発明の実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、図１に示すように、応答解析により求めた、センサ１６が設置された位置における建物モデル２６の建物応答加速度ａ_fと、建物１２に設置されたセンサ１６から検出された建物応答加速度ａ_mとを加算して求めた建物応答加速度ａは、建物特性が線形とみなせる建物振幅領域において、建物モデル２６へ入力した強風時の風荷重ｆと同じ外力が建物１２へ作用した状態でアクティブマスダンパー１４を稼働させたときの建物１２の応答値とみなすことができる。

これにより、建物応答加速度ａと建物応答加速度ａ_fとを比較することで、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することができる。また、建物応答加速度ａの波形からアクティブマスダンパー１４のマス２２の動きを把握し、これによってアクティブマスダンパー１４の安定稼働性を確認することができる。

さらに、建物モデル２６に入力する外力を、強風時に建物１２に長時間作用する風荷重ｆとすることにより、長時間続く複雑な建物１２の揺れに対するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することができる。また、実際に検出された建物応答加速度ａ_mを利用することにより、より実際に近いアクティブマスダンパー１４の制振性能の評価を行うことができる。

ここで、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価するために従来行なわれている、正弦波加振を用いた自由振動試験について説明する。図３のグラフは、自由振動試験における振動波形の値２８の一例を示したものである。グラフの横軸は、計測時間を示し、グラフの縦軸は、建物１２に発生する建物応答加速度を示している。

自由振動試験では、まず、建物１２に設置したアクティブマスダンパー１４を加振機として使用し、建物１２を正弦波加振する（加振区間）。

次に、建物１２の揺れが定常振動状態に達した後に正弦波加振を止めると同時に、アクティブマスダンパー１４を制振装置として稼働させる。

そして、アクティブマスダンパー１４を制振装置として稼働させた後（制振区間）の建物１２の揺れの自由振動波形から減衰定数を求めて、アクティブマスダンパー１４の制振性能を評価する。

しかし、このような従来の自由振動試験では、正弦波加振で励起された特定の振動成分に対するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することができるが、強風時の風荷重で励起された広範囲の振動成分に対するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することは難しい。

また、アクティブマスダンパー１４を制振装置として稼働させた後の建物１２の揺れは短時間で収まるので、長時間続く建物１２の揺れに対するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することは難しい。

これに対して、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、建物モデル２６に入力する外力を、強風時に建物１２に長時間作用する風荷重ｆとすることにより、長時間続く複雑な建物１２の揺れに対するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することができる。

さらに、本発明の実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、建物１２の揺れに対して制振稼働するアクティブマスダンパー１４の動きを把握できるので、このアクティブマスダンパー１４の動きに基づいて、アクティブマスダンパー１４から発生する騒音や振動を予測して評価することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。

なお、本実施形態では、図１に示すように、建物１２に１つのアクティブマスダンパー１４を設置してアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価する例を示したが、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法は、複数のアクティブマスダンパー１４を建物１２に設置し、これらのアクティブマスダンパー１４をコントローラ１８により稼働させて、これらのアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価するようにしてもよい。

すなわち、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法は、複数のアクティブマスダンパー１４を稼働させたときの制振性能を評価することができる。また、複数のアクティブマスダンパー１４が互いの動きに干渉し合うことなく安定稼働することを確認することができる。

このように、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法は、建物の竣工後に制振装置として建物に実際に設置されるようにアクティブマスダンパーを設置し、それらのアクティブマスダンパーの制振性能を評価することができる。なお、複数のアクティブマスダンパー１４を稼働させる場合、１つのコントローラにより複数のアクティブマスダンパー１４を稼働させてもよいし、複数のコントローラを設けて１つのコントローラにより１つのアクティブマスダンパー１４を稼働させてもよい。複数のコントローラを設けて１つのコントローラにより１つのアクティブマスダンパー１４を稼働させる場合には、複数のアクティブマスダンパー１４を個別に制御するとともに、各アクティブマスダンパー１４が使用するセンサの設置位置に対応した建物応答加速度ａをＤＳＰから同じタイミングで、対応するコントローラへ送って、同じタイミングで建物１２へ加振力を作用させるようにする。

また、複数のアクティブマスダンパー１４を建物１２に設置する場合、アクティブマスダンパー１４を、平面視における建物１２の一端と他端とに設置するようにしてもよい。このようにすれば、建物１２に強風などの外力が作用することにより建物１２に生じるねじれ振動を抑制するアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価することができる。

また、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、図１に示すように、応答解析工程において、ＤＳＰ２０上で応答解析を行って建物モデル応答値としての建物応答加速度ａ_fをリアルタイムに算出して求めた例を示したが、応答解析により建物応答加速度ａ_fを事前に算出して時間毎のデータセットとして予め用意しておき、このデータセットの建物応答加速度ａ_fを、センサ１６がリアルタイムに検出した建物応答加速度ａ_mとリアルタイムに加算して建物応答値としての建物応答加速度ａを求めるようにしてもよい。

さらに、アクティブマスダンパーの性能評価方法では、図１に示すように、建物モデル２６に入力する外力を強風時の風荷重ｆとした例を示したが、建物モデル２６に入力する外力を他の外力としてもよい。例えば、建物モデル２６に入力する外力を、交通振動の伝播や地震により建物に作用する力としてもよい。但し、建物特性の線形仮定が成り立たない建物振幅が建物に発生する大きな外力においては、その点を考慮して用いる必要がある。

また、アクティブマスダンパーの性能評価方法では、図１に示すように、実物建物応答値をセンサ１６により検出された建物応答加速度ａ_mとし、建物モデル応答値を応答解析により求めた建物応答加速度ａ_fとして、建物応答値としての建物応答加速度ａと建物応答加速度ａ_fとを比較してアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価する例を示したが、実物建物応答値をセンサにより検出された建物応答速度とし、建物モデル応答値を応答解析により求めた建物応答速度として、実物建物応答値としての建物応答速度と建物モデル応答値としての建物応答速度とを加算した建物応答値としての建物応答速度と、建物モデル応答値としての建物応答速度とを比較してアクティブマスダンパー１４の制振性能を評価するようにしてもよい。

さらに、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、図１に示すように、アクティブマスダンパー１４の制御に用いられるセンサを、アクティブマスダンパー性能評価システム１０を構成するセンサ１６として共用し、このセンサ１６が設置されている位置をアクティブマスダンパー１４の制振性能の評価対象とする評価対象位置とした例を示したが、他の位置を評価対象位置とする場合には、アクティブマスダンパー１４の制御に用いられるセンサとは別に、センサ１６を評価対象位置に設置すればよい。アクティブマスダンパー１４の制御に用いられるセンサの位置とは別の位置に設置されたセンサ１６の建物応答加速度ａ_mは、この位置に対応して応答解析により求められた建物応答加速度ａ_fと加算すれば、その位置の建物応答加速度ａとなる。この建物応答加速度ａは、アクティブマスダンパー１４の制御に使用するものではないので、コントローラに送る必要はない。

また、本実施形態のアクティブマスダンパーの性能評価方法では、建物応答加速度ａの波形(図２を参照のこと）からアクティブマスダンパー１４のマス２２の動きを把握し、これによってアクティブマスダンパー１４の安定稼働性を確認することができることを述べたが、図４のグラフに示すように、アクティブマスダンパー１４のマス２２の移動ストロークの値を計測し、この移動ストロークの値の波形からアクティブマスダンパー１４の安定稼働性を評価するようにしてもよい。図４のグラフの横軸は、計測時間を示し、縦軸は、アクティブマスダンパー１４のマス２２の移動ストロークを示している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において実施し得ることは勿論である。

１２建物（実物建物）
１４アクティブマスダンパー
１６センサ
１８コントローラ
２６建物モデル
ａ建物応答加速度（建物応答値）
ａ_m 建物応答加速度（実物建物応答値）
ａ_f 建物応答加速度（建物モデル応答値）
ｆ風荷重（外力）

Claims

実物建物に設置されたアクティブマスダンパーと、前記実物建物に設置され前記実物建物の実物建物応答値を検出するセンサと、前記アクティブマスダンパーを稼働させるコントローラと、を備えて前記アクティブマスダンパーの制振性能を評価するアクティブマスダンパーの性能評価方法において、
建物モデルへ入力した任意の外力から求められた前記建物モデルの建物モデル応答値と、前記センサが検出した前記実物建物応答値とを加算して求められた建物応答値を前記コントローラへ送信する工程と、
前記建物応答値に基づいて前記コントローラにより前記アクティブマスダンパーを稼働させ、前記実物建物に実物建物応答を発生させる工程と、
前記建物応答値と前記建物モデル応答値とを比較してアクティブマスダンパーの制振性能を評価する工程と、
を有するアクティブマスダンパーの性能評価方法。
前記コントローラにより、前記実物建物に設置された複数の前記アクティブマスダンパーを稼働させる請求項１に記載のアクティブマスダンパーの性能評価方法。
前記アクティブマスダンパーは、平面視における前記実物建物の一端と他端とに設置されている請求項２に記載のアクティブマスダンパーの性能評価方法。