JPH0285476A - 制振方法 - Google Patents

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） −３＝ 本発明は、長周期化された構造物若しくは被支承床をア
クチュエータから加えられる制振力で制振するに際して
、構造物等に入力される地動変位及び地動速度を予め検
出しまたは地震入力並びにアクチュエータからの制振力
の作用により構造物等に実際に加わっている力及びそれ
に基づく構造物等の応答量を検出して、これら検出諸量
に基づいてアクチュエータを制御するようにした制振方
法に関するものである。

（従来の技術） 地震動等に対して構造物の揺れを規制するための制振手
法としては、様々なものが案出されている。ここに、ア
クチュエータなどの動力源が有する制振力によって構造
物の揺れを抑制する方法が知られており、この方法の一
般的な適用例は第８図に示すように、構造物固有の振動
モードの腹となる構造物すの頂部または中間階にアクチ
ュエータａが設備されて当該位置でセンサＣからの検出
信号に基づいて制振制御を施すように構成されている。

このアクチュエータａは、構造物すに固定された固定ブ
ロックｄと付加振動体ｅとの間に設けられ、構造物すの
揺れにより慣性で振れる付加振動体ｅに反力をとって構
造物すに制振力を加えるようになっている。このような
構成は、構造物すへ入力すべき制振力が比較的小さくて
済むので好ましいが、反面構造物すが高層である等構造
物す自体が長周期性を備えている必要があると共に、振
動抑制効果としても充分なものが得られないという欠点
がある。また構造物す内に制振機構が設備されるため、
その延べ床面積を減少させることともなる。

このような実情を考慮してアクチュエータを構造物の頂
部や中間階以外の場所にも設置することを可能とし且つ
また通常長周期性を有しない５〜２０階程度の中・低層
構造物をも制振制御の対象構造物とすることができるよ
うに、地盤上に積層ゴム等でなるアイソレータやローラ
等で構成した滑り支承材などの長周期化手段を介して構
造物を免振支持するようにした免振構造物が開発されて
いる。この免振構造物では、構造物の直下に介装される
長周期化手段により構造物固有の振動モードの腹を構造
物の下層部分に得ることができ、従って中・低層構造物
をも長周期化することができると共に、この下層位置に
おいて構造物とその外部の地盤との間にアクチュエータ
を設けることかできる（日本建築学会論文報告集、第１
０３号（昭和３９年１０月）　ｐ、１１８等がある）。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述したような免振構造物に対して好ましい
制振効果を発揮させるにあたっては、アクチュエータの
発生する制振力の適切な制御が重要であり、このアクチ
ュエータの最適な制御方法の案出が望まれている。また
上述の免振構造を構造物内の特定の床構造に適用して制
振することも考えられ、その場合のアクチュエータの制
御も重要である。

本発明の目的は、長周期性を有する免振構造物をアクチ
ュエータから加えられる制振力で制振するに際し、好適
な制振制御方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明は、地盤上に長周期化手段を介して免振支持され
た構造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振す
るに際して、地盤の地動変位及び地動速度を予め検出し
、これら地動変位及び地動速度により下式によってアク
チュエータの制振力をフィードフォワード制御するよう
になっている。

式 ％式％） Ｐ：アクチュエータの制振力 ９：地動速度 ｙ：地動変位 Ｃ：構造物を含む振動系固有の減衰係数に＝構造物を含
む振動系固有の剛性 また本発明は、地盤上に長周期化手段を介して免振支持
された構造物を、アクチュエータが発生する制振力で制
振するに際して、地震入力並びにアクチュエータからの
制振力の作用により構造物に実際に加４つっている力及
びそれに基づく構造物の応答量を検出し、これら諸検出
値により下式によってアクチュエータの制振力をフィー
ドバック制御するようになっている。

式 Ｐ−Ｆ−（ｍ（父子ジ） ＋ｃ（大＋３７）　　＋ｋ　　（ｘ＋ｙ）　　ＩＰ：ア
クチュエータの制振力 Ｆ：構造物に実際に加わっている力 ｍ：構造物を含む振動系固有の質量 Ｃ：構造物を含む振動系固有の減衰係数に：構造物を含
む振動系固有の剛性 ｉ＋ｐ　：構造物の静止系に対する応答加速度大＋父：
構造物の静止系に対する応答速度ｘ＋ｙ　：構造物の静
止系に対する応答変位また本発明は、構造物の床部分を
構成し構造物と共に振動する構造床上に長周期化手段を
介して免振支持された被支承床を、アクチュエータが発
生する制振力で制振するに際して、構造床上の応答変位
及び応答速度を予め検出し、これら応答度位及び応答速
度により下式によってアクチュエータの制振力をフィー
ドフォワード制御するようになっている。

式 ％式％） Ｐ：アクチュエータの割振力 ９：構造床の応答速度 ｙ：構造床の応答変位 Ｃ：被支承床を含む振動系固有の減衰係数に：被支承床
を含む振動系固有の剛性 また本発明は、構造物の床部分を構成し構造物と共に振
動する構造床上に長周期化手段を介して免振支持された
被支承床を、アクチュエータが発生する制振力で制振す
るに際して、地震入力並びにアクチュエータからの制振
力の作用により被支承床に実際に加わっている力及びそ
れに基づく被支承床の応答量を検出し、これら諸検出値
により下式によってアクチュエータの制振力をフィード
バック制御するようになっている。

Ｐ＝Ｆ−（ｍ（ｉ＋ジ） 十ｃ（女＋ｙ）　十ｋ　（ｘ十ｙ）Ｉ Ｐ＝アクチュエータの制振力 Ｆ：被支承床に実際に加わっている力 ｍ：被支承床を含む振動系固有の質量 Ｃ：被支承床を含む振動系固有の減衰係数に：被支承床
を含む振動系固有の剛性 ’ｉ＋ｉ　：被支承床の静止系に対する応答加速度大＋
９＝被支承床の静止系に対する応答速度ｘ十ｙ　：被支
承床の静止系に対する応答変位そして、上式のようにア
クチュエータの制振力を制御することにより、構造物若
しくは被支承床の制振制御を行なうようになっている。

（実施例） 以下に、本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述す
る。

本発明は、地震動などの外乱または構造物自体の振動を
検出するセンサを有し、その信号を制振のための制御信
号として用い、外部より制振力を与えることによって免
振支持により長周期化された構造物の地震などによる揺
れを積極的に低減する制振方法を提供する。第１図には
、本発明の制振方法の実施に採用される装置の概念が示
されており、本装置は主に地動または構造物の揺れの状
態を検出する旧制システム（センサ）１と、計測システ
ム１でπ１測された計測値をデータとしてこれらを処理
する制御システム（制御手段）２と、制御システム２か
らの制御信号に従って構造物３に制振力を加える動力駆
動システム（アクチュエータ）４とから構成される。

構造物３を制振する場合の具体的構成例を説明すると第
２図に示すように、四部５が区画形成された地盤６上に
は、その四部５内に長周期化手段７を介して構造物３が
建設され、この構造物３は長周期化手段７によって長周
期化されて構成される。本実施例にあっては長周期化手
段７として、適当な高さを有し且つ四部５内に間隔を隔
てて配設された複数の積層ゴムが例示されている。なお
、長周期化手段７としては、積層ゴムに限らず、滑り支
承材、ベアリング、ソフトストリー、磁気浮上手段など
を採用してもよい。また本実施例にあっては、構造物３
と地盤６との間に長周期化手段７と並列にダンパ８が配
設されており、このダンパ８によって相当の振動減衰効
果が得られるようになっている。

このように構成された構造物３と地盤６との間には、地
震時における地動方向に伸縮駆動されて構造物３に制振
力を入力する動力駆動システム４としての油圧シリンダ
などのアクチュエータ９が設けられる。具体的にはアク
チュエータ９は、四部５の垂直壁５ａとこれに相対向す
る構造物３の下層部分との間に、地震の横揺れ方向に沿
ってほぼ水平に設けられる。またこのアクチュエータ９
は、構造物３の周囲に間隔を隔てて複数配設され、様々
な方向性の地震に対応できるようになっている。

他方計測システム１としては、地盤６側に地震時の地動
（地盤の地動変位及び地動速度）を予め検出する第１の
センサ１０か設置される場合と、構造物３内に地震入力
並びにアクチュエータ９からの制振力の作用により構造
物３に実際に加わっている力及びそれに基づく構造物３
の応答量を検出する第２のセンサ１］が設置される場合
とがある。特に、第１のセンサ１０を設置する場合には
検出される検出信号は、後述するフィードフォワード制
御に利用される。他方第２のセンサ１１を設置する場合
には検出される検出信号は、後述するフィードバック制
御に利用される。そしてこれらセンサ１０，１１には、
検出信号を増幅するための増幅器１２を介して制御シス
テムまたるコンピュータなどの制御手段１３が接続され
る。この制御手段１３はアクチュエータ９に接続され、
各センサ１０，１１からの検出信号に応じてアクチュエ
ータ９の制振力を制御する機能を有する。詳しくは制御
手段１３は、第１のセンサ１０から検出信号が入力され
る場合にはその信号に基づいてアクチュエータ９の制振
力をフィードフォワード制御するようになっており、他
方第２のセンサ１１から検出信号が入力される場合には
その信号に基づいてアクチュエータ９の制振力をフィー
ドバック制御するようになっている。第４図及び第５図
にはそれぞれ本発明の制振方法に対応させたフィードフ
ォワード制御方式並びにフィードバック制御方式の回路
構成が示されており、フィードフォワード方式では、構
造物３に入力される地震振動を第１のセンサ１０で予め
検出してこれを制御手段１３に入力し、アクチュエータ
９を作動してこの制振力を構造物３に加えるようになっ
ている。

この制御は、制振対象である構造物３の振動特性を制御
回路に組込んだ予測制御となる。他方フィードバック方
式では、地震入力に対して割振力が加えられた結果の構
造物３の応答を第２のセンサ１１で検出し、その検出値
を制御手段１３に戻して次のアクチュエータ９の作動に
利用するようになっており、構造物３の振動特性を制御
回路に事前に正確に組込む必要がなく、構造物３の非線
形性に対しても追従させることができるものである。

また、風など構造物３の上方に加振力が加わるような場
合にも有効に機能する。なお、増幅器１２並びに制御手
段１３の設置位置は、図示のように構造物３内であって
も、地盤６側であっても良い。

次に、上述の免振構造を構造物３内の特定の床構造に適
用して制振する場合の具体的構成例を説明する。第３図
に示すように、構造物３の各階を区画する床部骨を構成
し地震時などに構造物３と共に振動する構造床１４上に
は、長周期化手段７を介して被支承床１５をが載置され
、この被支承床］５は長周期化手段７によって長周期化
されて構成される。本実施例にあっては長周期化手段７
として、適当な高さを有し且つ構造床１４上に間隔を隔
てて配設された複数の積層ゴムが例示されている。この
被支承床１５上には、振動の影響を嫌う電算機などの精
密機器１６が搭載される。

このように構成される被支承床１５と構造物３との間に
は、地震時における地動方向に伸縮駆動されて被支承床
１５に制振力を入力する動力駆動システム４としてアク
チュエータ９が設けられる。

具体的にはアクチュエータ９は、構造物３の垂直壁３ａ
とこれに相対向する被支承床１５の端面１５ａとの間に
、地震の横揺れ方向に沿ってほぼ水平に設けられる。ま
たこのアクチュエータ９は、被支承床１５の周囲に間隔
を隔てて複数配設され、様々な方向性の地震に対応でき
るようになっている。

他方計測システム１としては、被支承床１５が設置され
ている構造床１４上に地震時の振動（構造床１４の応答
変位及び応答速度）を予め検出する第１のセンサ１０が
設置される場合と、構造物３内の被支承床１５上に地震
入力並びにアクチュエータ９からの制振力の作用により
被支承床１５に実際に加わっている力及びそれに基づく
被支承床１５の応答量を検出する第２のセンサ１１が設
置される場合とがある。これらセンサ１０，１１は、上
述の構造物３全体の制振の場合と同様に、第１のセンサ
］０はフィードフォワード制御に、また第２のセンサ１
１はフィードバック制御に利用される。そしてこれらセ
ンサ１０，１１には、検出信号を増幅するための増幅器
１２を介して制御システムまたるコンピュータなどの制
御手段１３が接続され、またこの制御手段１３にはアク
チュエータ９が接続されて、各センサ１０，１１がらの
検出信号に応してアクチュエータ９の制振力を制御する
ようになっている。なお、増幅器１２並びに制御手段１
３の設置位置は上述と同様、構造物３内であっても、地
盤６側であっても良い。

次に制振制御の手法について、構造物３全体の制振の場
合を例に説明する。これは、被支承床１５の場合も同様
である。

長周期化手段７によって支持された構造物３にアクチュ
エータ９の制振力を作用させることによって、地震時の
地動による構造物３の揺れを抑制する場合の基本的な振
動方程式は、次のように表現される。

ｍ　＊　＋　ｃ　ｘ十ｋ　ｘ　＝　−ｍ　Ｑ　十Ｐ　　
　　　−＝　（１）ｍ：構造物３を含む振動系固有の質
量 Ｃ：構造物３を含む振動系固有の減衰係数に：構造物３
を含む振動系固有の剛性 ５２：構造物３の地盤６に対する相対速度Ｘ：構造物３
の地盤６に対する相対速度Ｘ：構造物３の地盤６に対す
る相対変位ジ：地動加速度 Ｐ：アクチュエータ９の制振力 この（１）式は、地盤６に対する構造物３の振動状態を
表記したものであり、地震の場合は地盤６自体も振動す
るのでこの地盤６の揺れをも考慮して静止系（絶対系）
に対する振動方程式を立式する場合には、地動変位ｙと
構造物３の地盤６に対する相対変位Ｘとを重ね合せるこ
とになる。このことに基づいて静止系（絶対系）に対す
る絶対応答変位、絶対応答速度等で整理すると、次のよ
うに表現される。

ｍ（又＋ジ）十〇（大＋ｙ）＋ ｋ　（ｘ＋ｙ）＝ｃシ＋ｋｙ＋Ｐ　　　・・・（２）＊
＋９　：構造物の静止系に対する応答加速度交＋９＝構
造物の静止系に対する応答速度ｘ＋ｙ　：構造物の静止
系に対する応答変位９：地動速度 ｙ・地動変位 このように表現された（２）式は、左辺が上述の構造物
３の絶対系での振動特性を、右辺が地盤６の振動（地動
速度９及び地動変位ｙ）並びにアクチュエータ９の制振
力Ｐを含む外力の内容となっている。この右辺の表示か
ら理解されるように、構造物３を制振するにあたっては
地動との関係でアクチュエータ９の制御を行なえば良く
、これは上述のフィードフォワード制御方式に対する制
御式となっている。そして右辺の内容すなわち外力の項
が０となれば、左辺＝０となって構造物３の絶対応答が
０となる制振、すなわち第６図に示すように地盤６がい
かなる変位を生じても、構造物３は地盤６に対して絶縁
されて元の位置を維持できる制振効果か得られることに
なる。換言すれば、第７図に示した伝達率と振動数との
関係を示すグラフにおいて、通常の振動状態（図中、Ａ
）と異なり、地震のいかなる振動数成分に対しても伝達
率が０となる割振効果を得ることかできる（図中、Ｂ）
。

そこで（２）式の右辺＝０として、アクチュエータ９の
制振力Ｐで式を整理すると、次のように表わされる。

Ｐ−−（ｃ？＋ｋｙ）　　　　　　　　・・・（３）こ
の制御式（３）によれば構造物３が地震の影響を受けな
い、すなわち地震入力そのものを打消す制振制御が実行
されることになる。このような制振制御方式によれば、
構造物３の絶対系に対する応答量が０となるので、構造
物３は地盤６から絶縁されて空間に静止した状態となり
、内部の機器などの安全性が確保されることになる。な
おこの場合には、構造物３と地盤６との間の相対変位が
比較的大きくなるので、積層ゴムや摩擦の小さい滑り支
承などを長周期化手段として採用することが好ましい。

以上の説明は構造物３の制振に関するものであるが、被
支承床１５の場合には、上記（３）式中のＣを被支承床
１５を含む振動系固有の減衰係数とし、ｋを被支承床１
５を含む振動系固有の剛性とし、９を構造床１４の応答
速度とし、ｙを構造床１４の応答変位として取扱えば良
い。

他方構造物３の応答量を基に制御を行なうフィードバッ
ク制御について考えると、この制御法は現在アクチュエ
ータ９が構造物３に加えている制振力に対してその後加
えるべき制振力の増分を構造物３の応答量から求めて制
御するものであり、最終的には構造物３の応答量を０に
してゆく、すなわち上記（２）式の左辺を０に収束させ
てゆくものである。構造物３で現在検出される応答量は
制振力を入力した結果として上記（２）および（３）式
から、次のように表現される。

−（ｍ　（父＋ｐ）　＋ｃ　（＊＋ｙ）　十ｋ　（ｘ十
ｙ）　１・・・（４） この応答量と現在構造物３に実際に加わっている力との
差が０となるようにアクチュエータ９の制振力を加えれ
ば、上述したフィードフォワード制御におけると同じ制
振効果を得ることができる。

これを式で表わすと、次のようになる。

Ｐ−Ｆ　−（ｍ　（Ｍ＋：ｙ） ＋ｃ（交＋ｙ）　十ｋ　（ｘ＋ｙ）］　・・・（５）Ｐ
：アクチュエータ９の制振力 Ｆ：構造物３に実際に加わっている力 ｍ：構造物３を含む振動系固有の質量 Ｃ：構造物３を含む振動系固有の減衰係数に：構造物３
を含む振動系固有の剛性 父＋Ｑ　：構造物３の静止系に対する応答加速度文＋９
＝構造物３の静止系に対する応答速度ｘ十ｙ　：構造物
３の静止系に対する応答変位このように表現された制御
式（５）であっでも、これをフィードバック制御に採用
して必要制振力Ｐをできる限り０に近付けるように制御
することにより、上述のフィードフォワード制御の場合
と同様な割振効果を得ることができる。

以上の説明は構造物３の制振に関するものであるが、被
支承床１５の場合には、上記（５）式中の各制御値を次
のようにして取扱えば良い。

Ｐ：アクチュエータ９の制振力 Ｆ：被支承床１５に実際に加わっている力ｍ：被支承床
１５を含む振動系固有の質量Ｃ：被支承床１５を含む振
動系固有の減衰係数 ｌ（：被支承床］５を含む振動系固有の剛性父＋シ：被
支承床１５の静止系に対する応答加速度 女子シ：被支承床１５の静止系に対する応答速度ｘ十ｙ
　：被支承床１５の静止系に対する応答変位以上説明し
たように、長周期性を有する免振構造物３若しくは構造
物３内の特定の床構造（被支承床１５）をアクチュエー
タ９から加えられる制振力Ｐで制振するに際し、新たに
導出された上記（３）、（５）式を制御関数としてアク
チュエータ９の制振力Ｐの制御を行なうことにより、構
造物３が地震の影響を受けない、すなわち地震入力その
ものを打消す制振制御を達成することができ、このよう
な制振制御方式によれば構造物３の絶対系に対する応答
量が０となるので、構造物３は地盤６から絶縁されて空
間に静止した状態となり、内部の機器などの安全性が確
保されるという優れた制振効果を得ることができる。

また地動変位ｙ及び地動速度９を検出する第１のセンサ
１０としては、これら値を各別独立に検出する変位計及
び速度計で構成しても良いし、単一の速度計を設置し、
この速度計の検出地動速度９を積分して地動変位ｙを検
出するようにしても良い。

（発明の効果） 以上要するに本発明に係る制振方法によれば、地盤上に
長周期化手段を介して免振支持された構造物を、または
構造物の体部分を構成し構造物と共に振動する構造床上
に長周期化手段を介して免振支持された被支承床を、ア
クチュエータが発生する制振力で制振するに際して、新
たに導出された制御関数でアクチュエータの制振力の制
御を行なうことにより、構造物が地震の影響を受けない
、すなわち地震入力そのものを打消す制振制御を達成す
ることかでき、このような制振制御方式によれば構造物
の絶対系に対する応答量が０となるので、構造物は地盤
から絶縁されて空間に静止した状態となり、内部の機器
などの安全性が確保されるという優れた制振効果を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制振方法の実施に採用される装置の概
略構成図、第２図は構造物を制振する場合の具体的構成
図、第３図は免振構造を構造物内の特定の床構造に適用
して制振する場合の具体的構成図、第４図及び第５図は
それぞれ本発明の制振方法に対応させたフィードフォワ
ード制御方式並びにフィードバック制御方式の回路構成
図、第６図は地震に対する構造物の制振効果を説明する
模式図、第７図は本発明の制振方法を採用した場合のグ
ラフ、第８図は従来の制振機構を示す構成図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）地盤上に長周期化手段を介して免振支持された構
   造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振するに
   際して、地盤の地動変位及び地動速度を予め検出し、こ
   れら地動変位及び地動速度により下式によって上記アク
   チュエータの制振力をフィードフォワード制御するよう
   にしたことを特徴とする制振方法。 式 Ｐ＝−（ｃ■＋ｋｙ） Ｐ：アクチュエータの制振力 ■：地動速度 ｙ：地動変位 ｃ：構造物を含む振動系固有の減衰係数 ｋ：構造物を含む振動系固有の剛性
2. （２）地盤上に長周期化手段を介して免振支持された構
   造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振するに
   際して、地震入力並びに上記アクチュエータからの制振
   力の作用により上記構造物に実際に加わっている力及び
   それに基づく該構造物の応答量を検出し、これら諸検出
   値により下式によって上記アクチュエータの制振力をフ
   ィードバック制御するようにしたことを特徴とする制振
   方法。 式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（■＋■） ＋ｃ（■＋■）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ Ｐ：アクチュエータの制振力 Ｆ：構造物に実際に加わっている力 ｍ：構造物を含む振動系固有の質量 ｃ：構造物を含む振動系固有の減衰係数 ｋ：構造物を含む振動系固有の剛性 ■＋■：構造物の静止系に対する応答加速度 ■＋■：構造物の静止系に対する応答速度 ｘ＋ｙ：構造物の静止系に対する応答変位
3. （３）構造物の床部分を構成し該構造物と共に振動する
   構造床上に長周期化手段を介して免振支持された被支承
   床を、アクチュエータが発生する制振力で制振するに際
   して、構造床上の応答変位及び応答速度を予め検出し、
   これら応答変位及び応答速度により下式によって上記ア
   クチュエータの制振力をフィードフォワード制御するよ
   うにしたことを特徴とする制振方法。 式 Ｐ＝−（ｃ■＋ｋｙ） Ｐ：アクチュエータの制振力 ■：構造床の応答速度 ｙ：構造床の応答変位 ｃ：被支承床を含む振動系固有の減衰係数 ｋ：被支承床を含む振動系固有の剛性
4. （４）構造物の床部分を構成し該構造物と共に振動する
   構造床上に長周期化手段を介して免振支持された被支承
   床を、アクチュエータが発生する制振力で制振するに際
   して、地震入力並びに上記アクチュエータからの制振力
   の作用により上記被支承床に実際に加わっている力及び
   それに基づく該被支承床の応答量を検出し、これら諸検
   出値により下式によって上記アクチュエータの制振力を
   フィードバック制御するようにしたことを特徴とする制
   振方法。 式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（■＋■） ＋ｃ（■＋■）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ Ｐ：アクチュエータの制振力 Ｆ：被支承床に実際に加わっている力 ｍ：被支承床を含む振動系固有の質量 ｃ：被支承床を含む振動系固有の減衰係数 ｋ：被支承床を含む振動系固有の剛性 ■＋■：被支承床の静止系に対する応答加速度 ■＋■：被支承床の静止系に対する応答速度 ｘ＋ｙ：被支承床の静止系に対する応答変位