JPH0285479A - 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） 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て制振するに際して
、構造物等に入力される地震入力並びにアクチュエータ
からの制振力の作用に基づく構造物等の応答加速度また
は応答変位を検出して、この応答加速度または応答変位
によりアクチュエータの制振力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か有する割振力によって構造
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７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階程度程度・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
を設けることができる（日本建築学会論文報告束、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、地震入力並びにアクチュエータからの制振
力の作用に基づく構造物の応答加速度または応答変位を
検出し、応答加速度または応答変位によりアクチュエー
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
。

また本発明は、構造物の床部骨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て制振す
るに際して、地震入力並びにアクチュエータからの制振
力の作用に基づく被支承床の応答加速度または応答変位
を検出し、応答加速度または応答変位によりアクチュエ
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。

そして、上述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、本装置は主に地動並びに構造物３の揺れの
状態を検出する計測システム（センサ）１と、計測シス
テム１で計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、凹部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、凹部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
（地盤の地動加速度または地動変位）を検出する第１の
センサ１０が設置されると共に、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基づく構
造物３の応答加速度または応答変位を検出する第２のセ
ンサ１１が設置される。これら第１のセンサ１０及び第
２のセンサ１１で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１
３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。

第４図には本発明の制振方法に対応させたフィードバッ
ク制御方式の回路構成が示されており、地震入力及びこ
れに対して制振力が加えられた結果の構造物３の応答加
速度または応答変位を第２のセンサ１１で検出しく後述
するように、第１のセンサ１０で地動加速度または地動
変位をも併せて検出する場合もある）、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分を構成
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１５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（構遺尿１４の応答
加速度または応答変位）を検出する第１のセンサ１０が
設置されると共に、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基づ
く被支承床１５の応答加速度または応答変位を検出する
第２のセンサ１１が設置される。これらセンサ１０，１
１は、上述の構造物３全体の割振の場合と同様にフィー
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ようになっ
ている。なお、増、幅器］２並びに制御手段１３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　父＋　ｃ　ｉｃ　十ｋ　ｘ　＝　−ｍ　’ｉ　＋　
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 父：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ｙ：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
表記したものである。そしてこのように表現された（１
）式は、左辺が上述の構造物３の相対系（地盤６と構造
物３との相対関係）での振動特性を、右辺か地盤６の振
動（地動加速度ジ）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。ここに上式から地震入
力並びにアクチュエータ９からの制振力の作用に基づく
構造物３の応答量としてはその変位Ｘ、速度交。

加速度ｋがある。また上記振動系を考慮した場合、構造
物３の振動特性を変更できる諸量としては構造物３を含
む振動系固有の質量ｍ、構造物３を含む振動系固有の減
衰係数Ｃ２構造物３を含む振動系固有の剛性ｋがある。

そして本発明にあっては構造物３の応答を検出してこれ
ら検出量を制御系で処理するにあたり、構造物３を含む
振動系固有の質量ｍまたは剛性ｋを制御系において適当
に変更することにより構造物３の振動特性を変化させて
制振させるようになっている。このように振動系固有の
値を変更して構造物３の見掛けの周期特性を変え、地震
入力の主要な振動数成分との共振を避けることにより、
構造物３の応答を適度に低減する効果と、長周期化手段
７の過大な変形を抑制する効果とを得て、高い安全性を
確保しつつ適当な制振効果を得ることができる。

すなわち第５図に示すように地盤６が変位を生じても、
構造物３共振の抑制効果が働いて地盤６に対する相対変
位を小さくできる制振効果が得られることになる（図中
、α〉β）。換言すれば、第６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、構造物３固有の振動
特性（図中、Ａ）に対して異なる振動特性を持たせるこ
とにより、共振現象を回避させて制振効果を得るもので
ある（図中、Ｂ）。

まず、構造物３の見掛けの質量を変更することにより振
動特性を変える場合について説明する。

ここに制御手段１３において次のような制御関数を設定
する。これは、検出される構造物３の絶対応答加速度に
基づいてアクチュエータ９の制振力Ｐを与えるものであ
る。なお、構造物３の絶対応答加速度は地動加速度！と
構造物３の地盤６に対する相対加速度にとを重ね合せる
ことで与えられる。

Ｐ−−ｍａ（父＋ジ）　　　　　・・・　（２）ｍａ：
制御手段１３で与えられる質量 そこで上記（２）式のように表現された振動系の特性を
変更させるためのアクチュエータ９の制振力Ｐの項を、
上記（１）式に代入すると、振動方程式は次のように表
現され、構造物３の振動特性か変更された効果が与えら
れる。

ｍ　’ｙ、　＋　ｍ　ａ　　（表＋　ｉ　）　　＋　ｃ
　ｘ　＋　ｋ　ｘ　＝　−ｍ　’ｉ・・・（３） この制御式（３）によれば構造物３の応答量の一つ（絶
対応答加速度、に十りにより、構造物３の地盤６に対す
る相対変位及び地震入力を適度に抑制することができる
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の地盤６に対する相対応答変位
を小さくし、構造物３の損傷を低減することができる。

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（３）式中の各制御値を次
のようにして取扱えば良い。

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に＝被支承床１５を含
む振動系固有の剛性牙：被支承床１５の構造床１４に対
する相対加速度 文：被支承床１５の構造床１４に対する相対速度Ｘ；被
支承床１５の構造床１４に対する相対変位Ｘ＋；７　：
被支承床１５の静止系に対する絶対応答加速度 ところで、上記（２）式では、構造物３の静止系に対す
る応答加速度父＋シを採用して制御関数を決定したが、
地盤６との相対応答加速度−で制御関数を与えるように
しても良い。これは、検出される構造物３の相対応答加
速度父に基づいてアクチュエータ９の制振力Ｐを与える
ものである。

この場合には、アクチュエータ９の制御式は、次のよう
に表現される。

Ｐ＝−ｍａｘ　　　　　・・・（４） ＝　　　１５　− 上記（４）式のように表現された振動系の特性を変更さ
せるためのアクチュエータ９の制振力Ｐの項を、上記（
１）式に代入すると、振動方程式は次のように表現され
、構造物３の振動特性が変更された効果が与えられる。

（ｍ　＋　ｍ　ａ　）　’ｉ　＋　ｃ　ｘ　＋ｋ　ｘ　
＝　−ｍ　’ｉ　　　−（５）このように相対応答加速
度★で表現された制御式（５）であっても、上述の絶対
応答加速度に＋ジで表現された制御の場合と同様、構造
物３の応答量の一つ（相対応答加速度、父）により、構
造物３の地盤６に対する相対変位及び地震入力を適度に
抑制することができる制振効果を得ることができる。

次に、構造物３の見掛けの剛性を変更することにより振
動特性を変える場合について説明する。

ここに制御手段１３において次のような制御関数を設定
する。これは、検出される構造物３の絶対応答変位に基
づいてアクチュエータ９の制振力Ｐを与えるものである
。なお、構造物３の絶対応答変位は地動変位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で与
えられる。

Ｐ＝−ｋａ　（ｘ＋ｙ）　　　　・・・（６）ｋａ：制
御手段１３で与えられる剛性 そこで上記（６）式のように表現された振動系の特性を
変更させるためのアクチュエータ９の制振力Ｐの項を、
上記（１）式に代入すると、振動方程式は次のように表
現され、構造物３の振動特性が変更された効果か与えら
れる。

ｍＭ＋ｃｘ＋ｋｘ＋ｋａ　（ｘ十ｙ）＝−ｍ’ｙ・・・
（７） この制御式（７）によれば構造物３の応答量の一つ（絶
対応答変位、ｘ＋ｙ）により、構造物３の地盤６に対す
る相対変位及び地震人力を適度に抑制することができる
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の地盤６に対する相対応答変位
を小さくし、構造物３の損傷を低減することができる。

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（６）式中のｘ＋ｙを被支
承床１５の静止系に対する絶対応答変位として取扱えば
良い。

また上記（６）式では、構造物３の静止系に対する応答
変位ｘ十ｙを採用して制御関数を決定したか、地盤６と
の相対応答変位Ｘて制御関数を与えるようにしても良い
。これは、検出される構造物３の相対応答変位Ｘに基づ
いてアクチュエータ９の制振力Ｐを与えるものである。

この場合には、アクチュエータ９の制御式は、次のよう
に表現される。

Ｐ−−ｋａｘ　　　　　　　・・・（８）上記（８）式
のように表現された振動系の特性を変更させるためのア
クチュエータ９の制振力Ｐの項を、上記（１）式に代入
すると、振動方程式は次のように表現され、構造物３の
振動特性が変更された効果が与えられる。

ｍ　父子ｃ　ｘ　＋　（ｋ　＋　ｋ　ａ　）　ｘ　−−
ｍ　；ｊ　　　−（９）このように相対応答変位Ｘで表
現された制御式（８）であっても、上述の絶対応答変位
ｘ十ｙで表現された制御の場合と同様、構造物３の応答
量の一つ（相対応答変位、ｘ）により、構造物３の地盤
６に対する相対変位及び地震入力を適度に抑制すること
ができる制振効果を得ることができる。

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、構造物３を含む振動系の固有周期を変更させる新た
に導出された上記／（２）、（４）、（６）、（８）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の地盤６に対する相対変位
及び地震入力を適度に抑制する制振制御が実行されて構
造物３の応答を適度に低減する効果と、長周期化手段７
の過大な変形を抑制する効果を得て、高い安全性を確保
しつつ適当な制振効果を得ることができる。

（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、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、構造物を含む振動系の固有周期
を変更することができ、このような制振制御方式によれ
ば、構造物の地盤に対する相対応答変位を小さくし、構
造物の損傷を低減することができ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図は本発明の制
振方法に対応させたフィードバック制御方式の回路構成
図、第５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６図は本発明の制振方法を採用した場合のグ
ラフ、第７図は従来の制振機構を示す構成図である。

Claims (2)

【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
   力の作用に基づく上記構造物の応答加速度または応答変
   位を検出し、該応答加速度または応答変位により上記ア
   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。
2. （２）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
   の作用に基づく上記被支承床の応答加速度または応答変
   位を検出し、該応答加速度または応答変位により上記ア
   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。