JPH02102945A - 構造物制振装置 - Google Patents

構造物制振装置

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JPH02102945A
JPH02102945A JP63250955A JP25095588A JPH02102945A JP H02102945 A JPH02102945 A JP H02102945A JP 63250955 A JP63250955 A JP 63250955A JP 25095588 A JP25095588 A JP 25095588A JP H02102945 A JPH02102945 A JP H02102945A
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vibration
integrator
phase
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名右衛門 宇野
Katsuo Mutaguchi
勝生 牟田口
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1005Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect characterised by active control of the mass
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00Investigation of foundation soil in situ
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • 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
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
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    • 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

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は吊り橋のタワー、超高層ビルディング、タワー
、鉄塔等の構造物の上部に取り付けてこれら構造物の風
荷重(空気力)による振動や、地震による振動振幅を抑
えて早開に振動を減衰させるために用いる構造物制振装
置に関するものである。
[従来の技術] 従来、この種構造物制振装置としては、たとえば、特開
昭60−92569号公報に示されているように、振動
物体の振動量を検出する検出手段と、この検出手段によ
って検出された振動量に対応する制御力を振動物体に印
加する駆動装置と、上記制御力を振動物体に印加する際
の力のバランスを達成する付加質量とを有する振動制御
装置において、付加質量の過大な動きを規制するストッ
パーおよびこのストッパーに対する付加質量の衝撃力を
吸収する緩衝部材を備えた構成としたもの、特開昭60
−92570号公報に示されているように、構造物に付
加重錘駆動装置を設置し、上記++’is造物の撮込物
振動検出器で検出し、この検出信号に基づいて制御回路
で制御信号を発生し、この信号で上記付加重錘駆動装置
の駆動を制御し、上記@込物の振動を制御するようにし
たものにおいて、地上に設置した地震動検出器と論理回
路から構成される構造物振動予知センサを設け、この出
力によって−F記付加重鍾駆動装置に電力を供給して制
振制御可能状態にするようにしたもの、特開昭59−9
7341号公報に示されるように、構造物の床部または
天井部に可動自在に載置した付加重錘と、前記床部また
は天井部に静止部を同容した、付加重錘を駆動するアク
チュエータと、アクチュエータを作動させる制御部と、
構造物に装着した、構造物の振動を検出する振動検出器
と、構造物の地盤に装着した、地盤の振動を検出する振
動検出器と、構造物の振動検出器の検出信号から地盤の
振動検出器の検出信号を減算して制御部の入力とする減
算回路とから成るとしたもの、更には、特開昭60−8
5165号公報に示されるにうに、構造物に付加重錘駆
動装置を設置し、構造物の振動を検出する振動検出器か
らの信号に基づき上記付加重錘駆動装置のアクチュエー
タを駆vJするようにした構成において、上記振動検出
器からf」加巾鍾駆動装置の間に帯域フィルタを接続し
た構成としたもの、等がある。
[発明が解決しようとする課題] ところが、上記特開昭60−92569号公報に開示さ
れたしのは、ストッパー等を有しているため構造が複雑
であり、特開昭60−92570号公報に開示されたも
のは、地上に地震動検出器があるため制御装置が複雑で
あり、特開昭59−97341号公報に開示されたもの
は、減粋器か必要であるため(騒動検出器が複数必要で
あり、特開昭60−85165号公報に開示されたもの
は、帯域フィルタが必要であるtこめ余分な回路が必要
である、等の問題点がそれぞれおる。又、上記各従来方
式のものでは、いずれも駆動体をとのにうに制御するの
かの具体的手段に欠けており、更に構造物の振動と制振
装置の駆動体の具体的動きに関する位相関係が明確では
ない。
そこで、本発明は上記の諸問題点を解決し、簡単な回路
構成で、構造物に錘りの運動エネルギーを最大に与えて
構造物から運動エネルギーを奪い、錘りの位相を構造物
に対して最適となるように制御することにより、構造物
の振動を少なくしようとするものである。
[課題を解決するための手段1 本発明は、上記目的を達成するために、構造物の上部に
、単弦振動を行えるようにした錘りと、重錘りに駆動力
を与える駆動装置と、@込物の揺れを検知する揺れ検知
センサを設け、且つ該揺れ検知センサの信号を位相制御
して上記駆動装置へ駆動指令を送る位相制御装置を備え
てなる構成とする。
錘りは円弧状に屈曲形成して支持ローラ上に載置するよ
うにし、駆動装置としては、錘りの上面に設けたラック
と、該ピニオンに噛合するピニオンを備えたモータを用
いることができる。
又、位相制御装置は、揺れ検知センサで検出した加速度
信号を速度信号に変換する第1積分器と、該第1積分器
からの速度信号を変位信号に変換する第2積分器と、該
第2積分器からの変位信号と設定値とを比較するコンパ
レータと、該コンパレータにより比較された変位信号が
設定値より大きい場合に上記第1積分器による速度信号
の符号を反転して錘り駆動指令を駆動装置へ送るアンプ
とから構成することもでき、更に、上記第1積分器で1
同積分した後の信号の符号を反転させるアンプに代えて
、揺れ検知センサで検出した信号の符号を直接反転する
センサ出力反転器を設けることもできる。
[作  用1 構造物の揺れが揺れ検知セン9によって検知されると、
その信号は位相制御aTI¥A置により位相iIl制御
されてから錘りの駆動装置へ出力される。
したがって、錘りに単弦振動として与えられたエネルギ
ーが構造物に対して最適な状態で与えられるため、構造
物の揺れが素早く抑えられる。
錘りの単弦振動は、モータの駆動によりピニオンとラッ
クの噛合を介し支持ローラ上を移動づることにより行わ
れ、且つ構造物の揺れに対して90°遅れた形で行われ
る。
[実 施 例コ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は外力を受けて振動する構造物とじての吊り橋の
タワーに適用した本発明の一実施例を示すもので、吊り
橋のタワー1の頂部に制娠装置本体2、揺れ検知センサ
3を取り付ける。
すなわら、上記制振装置本体2は、第2図及び第3図に
詳細を示す如く、タワー1の頂部に架台4を設け、該架
台4上に、振子運動を行うように、円弧状に屈曲形成し
た細長い鍾り5を架台4上の支持ローラ6を介しタワー
の揺れ方向へ単弦振動するように配置して、重力を利用
した復元力によりばね系を構成すると共に、上記錘り5
の側部中央に設けた突起7が架台4上の左右のバッファ
’8.9に当接する範囲で上記紳り5の振動領域が規制
されるようにし、又、上記鍾り5の上面にラック10f
Ji動方向に沿って設けると共に、該ラック10の上方
部にラック10と直交するように配した軸12をモータ
11に連結して該軸9の中間部に、上記ラック10と噛
合するようにピニオン13を取り付け、モータ11の駆
動により軸12を介しピニオン13を回転させてラック
10とともに鍾り5を所要の周期で移動さぜられるよう
にし、更に、上記錘り5の振動する周期を回転慣性によ
り調整するための振動周期調整用錘り14を、上記軸1
2の先端部に取り付けた構成としである。
又、上記揺れセンサー3は、タワー1の上側部に取り付
けられてタワー1の揺れを検知するようにしてあり、更
に本発明では、上記センサ3からの信号を位相制御する
位相制御装置を備え、該位相制御装置より出力される位
相信号を基に上記モータ11を駆動させるようにし、モ
ータ11の駆動力によってタワー1の揺れに対する鍾り
5の単弦振動を任意に位相制御することにより、タワー
1の揺れを許容揺れ範囲に抑えると共にタワー1の運動
エネルギーを消費させるようにしである。
なお、上記モータ11の駆動力とは、錘り5を加速する
動力であり、又、錘り5が必要とする全幅を保持するた
めの減衰力を与える制動力でもある。すなわち、タワー
1が揺れることにより単弦振動として錘り5に与えられ
たエネルギーは制御力を与えないと発散してしまうので
、モータ11の駆動により、鍾り5を必要とする全幅ま
で加速する制御力と、発散を抑える制動力を与えるよう
にしである。
囚に、上記鍾り5を第4図に示すように、振子として考
えた場合、その固有振動周期Tは重R= (T/2π)
2 ・q =ω2 ・q  (ω:固有振動数) 更に、錘り5の質量をm、水平方向変位量をXmω2 
 X2 mq ω2  X2 q として求めることができる。
次に、本発明における位相制御の原理を第5図を参照し
て説明する。第5図中、15はアクチュエータ16によ
って加娠される振動台、17は該振動台15上に移動自
在に載置した供試体(第1図のタワー1に相当)、18
は錘り(第2図の鍾り5に相当) 、19.20はブラ
ケットである。今、供試体17に作用する空気力(風荷
重)をPとし、供試体17の質量をM、供試体17の換
算ばね定数をK、供試体17の減衰係vl(付加減衰定
数:2MF)ω)をC1供試体17の水平方向の直線変
位■(絶対座標)をXとし、錘り18の質量をrTl、
錘り18のばね定数をkJIす18の振動を制御する制
御力をp、錘り18の水平方向の直線変位量(供試体1
7に対する相対座標)をXとしたとき、供試体17と錘
り18の運動方程式は、MX−+−CX+KX+rn(
X−+−M)=pcosωt   ・ <1)(ω:固
有振動教、t:1)間) mX+mx十kx=p (t)          ・
・・(2)ここで、供試体17及び鍾り18が単弦運動
をしているこしのとすると、 X = As1nωt             ・・
−<3)(A:振幅) x=3sln (ωt+α)            
          −=(4)(B:振幅、α:ωt
に対する位相差)このとき、ばね定数K及びkと供試体
17、錘り1Bとの間には、 K−(M+m)ω2          ・・・(5)
k=mω2             ・・・(6)の
関係があ゛る。したがって、(3〉式及び(4)式のう
ら質相とばね定数を含む項は次の如く常に零となる。
(M+m)X十KX=−(M十m)Aω2stoωt+
(M+m> Aω2sinωt=o     −<T′
)mM+kx=−m[3ω2sin(ωt+cr)十m
Bω2sin(ωt+α)=0      −<8>(
7)、(8)式を(1)、(2)式に代入すれば、Pc
osωt = CX 十m x =2MhAω’ CGSωt−m(3ω2sin (ω
t+α) −<9)p (t ) −mX−−mAω2
sinωt      −(10)ここで、(9)式は
、右辺の第1項と第2項の位相が同じときに、供試体1
7の減衰と錘り18の運動による力が空気力Pと釣り合
っていることを示している。すなわち、錘り18の運動
が供試体17の運動に対して90°遅れた形(−90°
)で動作したときに、供試体17の減衰と同じ方向に力
が動き振動を止めようとすることが判る。したがって、
α−−90°として(9)式を書き直すと、Pcosω
t=2MhAω2muω2casω↑=(2MhA十m
(3) ω2cosωt  −(11)となる。又、鍾
り18の振幅Bは(11)式より、rn−B=(P/ω
2)−2MhA     ・・・(12)となる。
これらの式から明らかなことは、制振装置が能動形であ
っても受動形であっても成り立つので、(10)式の示
す力pは、能動形の場合は制御する力、受動形の場合は
減衰する力と考えればよい。
上述した原理についての式を言葉に直すと、次の如くで
ある。
■ 構造物(本実施例のタワー1)の振動を抑えようと
する制振装置の力は制振装置の質量の動きによって得ら
れる。
■ 制振装置には、構造物に入ってくる力と同じ大ぎざ
の反対向きの力を制御力あるいは減衰力として与えるこ
とによって安定した振動となる。
これを換言すると、構造物に入ってくる空気力等のエネ
ルギーは制振装置の運動エネルギーに変換され、これを
制振装置の減衰機構が消費する、という間接的なエネル
ギー消費形式によって構造物の揺れを抑えることができ
るというのが、制振装置の原理である。
以上のことから、タワー1と制振装置本体2の踵り5の
変位の位相差を90’つければよいことが判る。その図
を第6図(→に示す。ここで、第6図(イ)より変位を
1同機分すれば、第6図(へ)に示す如く速度が得られ
る。更に速度をもう1同機分すれば、第6図ぐ9に示す
如く加速度が得られる。なお、第6図において、実線は
構造物のvlきを、又、破線は錘りの動きを示す。した
がって、本発明では、揺れ検知ヒン1j3を加速度セン
サとじており、タワー1の揺れを揺れ検知センサ3で加
速度としてh]測し、この加速度を1回積分してタワー
1の速度信号を求め、この速度信号と鍾り5の変位信号
を比較し、タワー1の速度信号を反転した信号を錘り5
の速度信号として制娠装置本体2の駆動部に与えること
により、鍾り5の変位をタワー1の変位に対して90°
遅れで動作させるようにする。
上記位相制御を行わせるためのiIl制御ブロック図は
第7図に示す如くである。すなわち、21は揺れ検知セ
ンサ3で検出した加速度信号α、を積分する第1積分器
、22は該第1積分器21の出力である速度信号v1 
の符号を反転してリレー23の接点23aを介しモータ
11用のドライブユツト24に駆動指令を送るアンプ、
25はモータ11の回転数を上記アンプ22からの信号
と等価させるためのフィードバック信号をドライブユニ
ット24へ送るパルスピネレータ、26は上記第1積分
器21からの信号V、を更にbう1回積分するための第
2積分器、27は該第2槓分器26からの変位信号に1
と任意の設定値とを比較する]ンパレータ、23は前記
したリレーで、上記コンパレータ27で設定信号と比較
された変位信号e1が設定値より大きい場合に励磁され
て上記接点23aをON作動させ、モータ11を回転さ
せて錘り5を左右に動かすことができるようにしである
28は上記第2積分器26の出力信号を表示する変位表
示器である。なお、上記コンパレータ27はタワー1が
成る揺れの範囲を越えたときに鍾り5を動かすためのも
のであるが、必ずしも必要なものではない。又、変位表
示器28も付加的に設りたものであり、絶対的に必要な
ものではない。
第7図のブロック図について具体的に説明する。タワー
1に取付けである加速度検知センサである揺れ検知セン
サ3で加速度が検出されると、その信号α、が第1積分
器21で積分されることにより速度信号、となる。次に
この速度信号V1 の符号がアンプ22で反転された後
、ドライブユニット24に入力されるため、モータ11
が回転させられることにより鍾り5が左右に勅かされる
。一方、第1積分器21からの速度信号■、は第2積分
器26で更にもう1回積分されることにより変位信@e
、となり、この変位信号e。
がコンパレータ27で設定値と比較され、設定値よりも
大きい場合に、コンパレータ27からの信号がリレー2
3に送られることになり、アンプ22とドライブユニッ
ト24との間の接点23aがON作動させられることに
なる。
次に、第8図は位相制御装置の仙の例を示すもので、上
記第7図の実施例の場合には、揺れ検知センサ3で検出
した信号を第1積分器21で1回積分した後、アンプ2
2で符号を反転させるようにしたが、第6図から明らか
なように、タワー1に取付けた揺れ検知センサ3の信号
を反転すれば錘り5の速度信号となり、この信号を錘り
5を駆動する速度信号として使用すれば第6図(イ)に
示す如き動きとなるので、本実施例では、揺れ検知セン
サ3での検出信号α2をセンサ出力反転器29で反転し
て−α2とし、この信号−α、をアンプ30で増幅した
後、リレー23の接点23aを通してドライブユニット
24へ送るようにしたものであり、以後の動作は前記し
た第7図の場合と同じである。第8図の実施例を採用し
ても上記第7図の実施例と同等な作用効果が得られる。
ところで、タワー1が速い周期で揺れた場合には制娠装
置本体2の駆動系に遅れが生じる可能性がある。第9図
はこの駆動系の遅れを補正するための回路を示すもので
必る。すなわら、31は第1積分器21から出力された
信号をデジタル化するためのA/D変換器、32は該A
/D変換器31からの信号データをそのa端子に入力さ
れているクロック信号に同期させて記憶するメモリ、3
3は位相設定器34で設定された位相を上記メモリ32
に送り該メモリ32内のデータの送受をコントロールす
る位相制御器、35は上記メモリ32から出力されたデ
ータをアナログ変換しリレー23の接点23aを通して
ドライブユニット24へ駆動指令として送るD/A変換
器である。
第9図の回路において、揺れ検知センサ3により検知さ
れた信号α3は第1積分器21で速度信号■、に変えら
れた後A/D変換器31でデジタル化されてメモリ32
に入れられる。メモリ32では、揺れ始めて任意周期分
のv3のデータをa端子に加わるクロック信号に同期さ
せて記憶すると同時に、位相設定器34でセラl−した
値に基づく位相制御器33からの指令により任意の位相
遅れでデータを排出する。この場合、メモリ32は位相
設定器34でセットした位相によりデータを排出できる
ので、速度の急激な変動に対して位相を自由に設定でき
るため、1ノ゛−ボ系の遅れを補正できることになる。
すなわち、メモリ32を使用しない場合には、第10図
に示す如く、リ−−ボ遅れにより鍾り5の動き(二点鎖
線)に遅れが生じてしまうが、メモリ32を使用すると
、第11図に示す如く、サーボ系に遅れ時間Δt(本実
施例では3/41(z )を折り込むと、鍾り5の動き
を補正することができる。つまり、位相を任意周期遅ら
せて、サーボ系の遅れを補正しながらm制御できること
になる。
なお、前記実施例では吊り橋のタワー1への採用例を例
示したが、第12図に示す如き高層ビル1′や伯の構造
物についても同様に採用できるものでおり、又、位相を
構造物の振動に対して進ませるように制御して加振装置
として使用することも任意にでき、その伯本発明の要旨
を逸脱しない範囲内で種々変更を加え1qることは勿論
である。
[発明の効果] 以上述べた如く、本発明の構造物制振装置によれば、位
相制御装置の制御に基づき単弦振動を行う錘りのエネル
ギーを構造物に対して最適に与えることができるので、
構造物の揺れを素早く抑えることができると共に、高速
振動により生ずるサーボ系の遅れを位相制御によって補
正できるので、高速振動に対しても1111撮効果を充
分に発揮することができ、又、制御系が曲中なため、価
格が安く且つメンテナンスが容易であり、更に単弦振動
を利用するため錘りを加速するエネルギーが少なくて済
み、省力化を図ることができる、等の優れた効果を発揮
する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の構造物制振装置を吊り橋のタワーに採
用した状態を示す概略図、第2図は制振装置本体の構造
を示す正面図、第3図は第2図の平面図、第4図は振子
の振動系を示す説明図、第5図は本発明の原理をモデル
化して示した図、第6図は構造物と錘りとの関係を示す
もので、0)は変位として、(へ)は速度として、ぐ9
は加速度としてそれぞれ表わした線図、第7図は本発明
における位相制御装置の一実施例を示すブロック図、第
8図は位相制御装置の他の例を示すブロック図、第9図
はサーボ系の遅れを補正するための回路の一例を示すブ
ロック図、第10図はサーボ系の遅れを補正しない場合
の変位を示す図、第11図はサーボ系の遅れを補正した
場合の変位を示す図、第12図は本発明を高層ビルに採
用した場合の概略図である。 1・・・吊り橋タワー、2・・・制(辰装置本体、3・
・・揺れ検知センサ、5・・・錘り、10・・・ラック
、11・・・モータ、13・・・ピニオン、21・・・
第1積分器、23・・・リレー、24・・・ドライブユ
ニット、26・・・第2積分器、27・・・コンパレー
タ、29・・・出力反転器、32・・・メモリ、33・
・・位相制御器。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)構造物の上部に、単弦振動を行えるようにした錘
    りと、該錘りに駆動力を与える駆動装置と、構造物の揺
    れを検知する揺れ検知センサを設け、且つ該揺れ検知セ
    ンサの信号を位相制御して上記駆動装置へ駆動指令を送
    る位相制御装置を備えてなることを特徴とする構造物制
    振装置。
  2. (2)錘りを、円弧状に屈曲形成した形状として支持ロ
    ーラ上に載置し、且つ該錘りに駆動力を与える駆動装置
    として、錘りの上面に設けたラックと、該ラックに噛合
    させたピニオンと、該ピニオンを回転させるモータを備
    えた請求項(1)記載の構造物制振装置。
  3. (3)位相制御装置を、揺れ検知センサで検出した加速
    度信号を速度信号に変換する第1積分器と、該第1積分
    器からの速度信号を変位信号に変換する第2積分器と、
    該第2積分器からの変位信号と設定値とを比較するコン
    パレータと、該コンパレータにより比較された変位信号
    が設定値より大きい場合に上記第1積分器による速度信
    号の符号を反転して錘り駆動指令を駆動装置へ送るアン
    プとより構成した請求項(1)記載の構造物制振装置。
  4. (4)第1積分器で1回積分した後の信号の符号を反転
    させるアンプに代えて、揺れ検知センサで検出した信号
    の符号を直接反転するセンサ出力反転器を設けた請求項
    (3)記載の構造物制振装置。
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