JPH0464743A - ハイブリッド動吸振器 - 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、地震や風外乱等による構造物の振動を抑制す
るハイブリッド動吸振器に関するものである。

し従来の技術］ 従来より、構造物の振動を抑制するための動吸振器とし
ては、次に挙げる２種類の装置が一般に知られている。

その一つは、制振すべき構造物の所定の位置に、移動可
能な付加マスと、この付加マスと構造物との間に設置さ
れ、この付加マスを水平方向に移動可能に支持するアク
チュエータとを具備するいわゆる能動的な動吸振器であ
る。

また、他の一つは、前記移動可能な付加マスに所定のバ
ネとダンパーを結合して、構造物の特定の振動モードの
振幅を低減させるいわゆる受動的な動吸振器である。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、従来の動吸振器には、次に述べるような欠点
があった。

すなわち、前記のような能動的な動吸振器にあっては、
構造物の振動に応じてこの振動を制御するので、振動を
吸収するのに必要なエネルギーを、すべて外部より供給
する必要があるという点である。したがって、高層建造
物などの大重量の構造物にこの動吸振器を適用した場合
には、莫大なエネルギーの供給が必要となり、現在の技
術レベルでは、比較的重量の軽い構造物にしか適用する
ことができないのが実状である。

また、前記のような受動的な動吸振器にあっては、構造
物の特定の振動モードの振幅を低減させるので、振動を
吸収するのに必要なエネルギーを外部から供給する必要
はないが、特定の振動モード、すなわち振動数範囲にし
か効果がない。したがって、地震のように広い振動数帯
域に亙る振動モードが励起されるような場合には、その
振動の低減効果はあまり期待できない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであって、広
い振動数範囲に亙って振動抑制効果が見られ、しかも外
部からのエネルギーの供給量を大幅に低減させることの
できるハイブリッド動吸振器を提供することを目的とし
ている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、振動を低減すべき構造物の所定の位置に、付
加マスを移動自在に設け、該付加マスと前記構造物との
間には、バネおよび固定ダンパーを設けるとともに、可
変ダンパーを備えたアクチュエータを設置し、構造物お
よび付加マスの状態量に応じて決定される制振に必要な
制御力を該可変ダンパーおよびアクチュエータによって
発生させ、この制御力によって、構造物の振動を制御す
るようにしたことを解決手段とした。

また、請求項２では、前記可変ダンパーによって制御力
を発生する場合に比べて、前記アクチュエータによって
制御力を発生する場合のゲインを小さく設定するように
したことを解決手段とした。

［作用　］ 本発明のハイブリッド動吸振器によれば、付加マスと構
造物の間には、アクチュエータが設置されてなる能動的
な動吸振器としての構成を有しているので、広い振動数
範囲に亙って振動抑制効果を発現することが可能である
。また同時に、移動可能に設けられた付加マスと構造物
との間には、バネおよび固定ダンパーが設けられてなる
受動的な動吸振器としての構成を有しており、構造物に
発生した振動エネルギーの一部を、これらの付加マスお
よびダンパーが吸収して水平方向の振動を制御するべく
作用する。したがって、前記アクチュエータの駆動に必
要なエネルギーの外部からの供給量を低減することがで
きる。

また、本発明のハイブリッド動吸振器にあっては、前記
アクチュエータが可変ダンパーを備えた構成であるので
、地震や風等の外力により構造物に振動が励起された場
合、この構造物や付加マスの状態量などから、所定の制
御則に基づいて、可変ダンパーおよびアクチュエータが
作用し、振動の低減に必要な制御力を決定する。そして
、構造物と付加マスの相対速度と、必要な制御力の符号
との関係から、可変ダンパーがこの制御力を発生し得る
か否かを判断し、可能な場合には可変ダンパーによって
必要な制御力を発生させる。また不可能な場合には、ア
クチュエータによって制御力を供給する。可変ダンパー
のコントロールに必要なエネルギーはアクチュエータの
駆動に必要なエネルギーに比べて小さくて済むので、ア
クチュエータにより制御力のすべてを発生する場合に比
べて、外部からこのハイブリッド動吸振器に供給するべ
きエネルギーを大幅に低減することができる。

特に、請求項２に記載したように、可変ダンパーが制御
力を発生する場合に比べて、アクチュエータが制御力を
発生する場合のゲインを小さく設定することによって、
外部からのエネルギーの供給量をさらに低減することが
可能となる。

［実施例］ 以下、実施例を示して、図面に基づき、本発明の詳細な
説明する。

第１図は、本発明のハイブリッド動吸振器の一実施例を
示すもので、構造物Ｂの頂部にこのハイブリッド動吸振
器Ａが取り付けられた状態を示している。

ハイブリッド動吸振器Ａは、構造物Ｂの頂部に垂直上方
に突出する２つの支柱８．９の間に移動可能に設けられ
た付加マスｌと、前記支柱８と付加マス１との間に、こ
れらを連結するべく設けられたバネ２および固定ダンパ
ー３と、支柱９と付加マス１との間に、これらを連結す
るべく設けられ、可変ダンパー４を備えるアクチュエー
タ５と、前記支柱８の上端部および付加マス１の上端部
に設けられて、それぞれ、構造物Ｂおよびハイブリッド
動吸振器Ａの速度および変位を検知するセンサー６．７
とを主体として、略構成されている。

前記バネ２および固定ダンパー３は、構造物Ｂの固有振
動数近辺において受動的動吸振器となるような所定の定
数を持つものである。

このハイブリッド動吸振器Ａの制御則としては、構造物
Ｂおよびハイブリッド動吸振器Ａの速度および変位をセ
ンサー６．７が検知し、最適制御理論に基づいて、構造
物Ｂに加えられるべき制御力を決定するフィードバック
方式を採用する。そして、この制御力を、付加マスｌを
反力として、アクチュエータ５あるいは可変ダンパー４
により構造物Ｂに供給する。

次に、第２図に示すように、１つの質点からなる建物の
頂部に動吸振器を設置したモデルを考えて、その作用に
ついて説明する。

第２図中、符号ｌＯは第１の質点であり、固定壁に対し
て、第１のバネ１１および第１の固定ダンパー１２によ
り移動可能に連結されており、これによって、該第１の
質点１０からなる建物に、地震、風等の外力による振動
が励起される状態を示している。また、該第１の質点１
０の項部に垂直上方へ突設された２つの支柱２０．２１
の間には、第２の質点１３が移動可能に設けられ、該第
２の質点１３と支柱２０の間には、第２のバネ１４と第
２の固定ダンパー１５が設けられ、また第２の質点１３
と支柱２１の間には、可変ダンパー１６を備えたアクチ
ュエータ１７が設けられており、これによって、前記第
１の質点１０に動吸振器が設置されたモデルを示してい
る。

このモデルに、風による外力Ｆが加えられた場合、本モ
デルの運動方程式は、以下の式で表される。

のである。通常は、この制御力をアクチュエータ１７の
みによって実現することになるが、本発明では、可変ダ
ンパー１６による制御力ｕｄとアクチュエータ１７によ
る制御力Ｕａとの両方で実現する。

それぞれの制御力は、次式で与えられる。

前記式において、１．＠ｔは、それぞれ建物（第１の質
点１０）および付加マス（第２の質点１３）の質量、ｃ
ｌ＋ｋｌは、それぞれ建物（第１の質点１０）の減衰、
ばね定数である。同様に、ＣＲ＋　ｋ　２は、建物（第
１の質点ＩＧ）と動吸振器（第２の質点１３）を接続す
る減衰、ばね定数である。Ｕは、アクチュエータ１７あ
るいは可変ダンパー１６によって発生させられる制御力
であって、フィードバック制御の場合には、一般に次式
で与えられる。

ここで、フィードバックゲインｇν＋、ｇＶｔ、ｇ（！
＋、ｇ前記式において、αは、アクチュエータ１７に対
する低減係数（０≦α≦１）であって、この値を小さく
すれば、外部から供給するべき必要なエネルギーが低減
される。ただし、振動抑制効果は低下するので、これは
、アクチュエータ１７の能力と本動吸振器に対する必要
性能のバランスから決定されるものである。このように
、制御力の発生に可変ダンパー１６を主に利用すること
によって、大幅に必要エネルギーを低減する丘とか可能
となる。

ｄ、は、たとえば最適制御則によって決定さメ−るし次
に、本発明の効果を実証するために本発明者等が行った
ンミュレーション解析の結果について説明する。解析に
用いた定数は、以下の通りである。

構造物 （周期３秒） ｓ＋＋：２５．５１　ｔｏｎ／ｃｇ＋／ｓｅｃ’ｃ＋”
１．０７　ｔｏｎ／ｃ＠／５ｅｅｋ＋＝１１１．９０　
ｔｏｎ／ｃ１１ バイア゛リブド動吸振器 （周期３．２８９秒） ｍｔ”０．５１０２　　Ｌｏｎ／ａｍ／ｓｅｅ’ｃｔ：
０．１３６８　　ｔｏｎ／ｃｎｚ’５ｃｃｋｔ１．８６
２　　ｔｏｎ／ｃ＋。

また、風外力は、以下の式によって与えられるものとし
た。

Ｆ＝３ｐｓｉ“（ＱＸ）＋　１ｐ　ｓｉ“（２ａｒ）＋
　５ｐ　ｓｉ”（３°）＋　４ｐ　ｓｉ”（４ｕ）　　
　（６）ここで、ｐは、最大外力が２．５５１　ｔｏｎ
（ツまり、Ｆ　ｍａｘ／　Ｅｌ　＝　］　００　ｃｎ＋
／　５ｅｃ２）となるように定め１：ｅまた、ωが、建
物の固有振動数てあり、このモデルの場合には２　、０
９　ｒａｄ／　ｓｅｃである。第３図には、入力波形の
時刻歴を示す。制御力Ｕは、以下の式によって与えら４
するものとした。

アクチュエータ１７により制御力ｕａに対する低減係数
αは、０．１．０．５．１．０の３種類に対して算出し
た。

第４図に、α＝０．１の場合について、−ヒから第１の
質点ｌＯの変位（ｃｍ）、第１の質点１０の加速度（ａ
ｍ／ｓｅｃ”）、制御力ｕａ十ｕｄ（ｔｏｎ）、制御力
ｕａ（Ｌｏｎ）、制御力ｕａを発生さＨろのに必要なパ
ワー（ｗａｌｌ）の順に示す。

同様にして、第５図にはα＝０５の場合、第６図には、
α＝１０の場合について示す。ただし、第６図について
は、Ｕａ＝Ｕとし、すべてアクチュエータ１７によって
制御力を（Ｊｔ給４４乙のとした。ちなみに制御のない
場合には、け物ｂ）蔵人応答加速度は、Ｉ　Ｏ００ｃｍ
／ｓｅｃ’近くとなる。

ニア″Ｌらの図から明らかなよ−°）に、低減係数を小
さくすれば、振動抑制効果をＪ：工ど低下さＵることな
く、アクチュエータ１７を駆動するｆこｂのＩくワーを
低減てきることか２つかる一可変ダツノ＜−１６のコン
トロールに必要なエネルギーは、アクチュエータ１７に
比べれば、ごく小さなものであるので、本発明による動
吸振器は、必要なエネルギーを大幅に低減することを可
能とする装置であることがわかる。

以上説明したように、本実施例のハイブリッド動吸振器
Ａによれば、移動可能に設けられた付加マス１と構造物
Ｂの間には、アクチュエータ５が設置されるとともに、
バネ２および固定ダンパー３が設けられているので、能
動的な動吸振器としての構成と受動的な動吸振器として
の構成の両方を有している。したがって、広い振動数範
囲に互って振動抑制効果を発現することが可能であると
同時に、構造物Ｂに発生した振動エネルギーの一部を、
前記付加マスｌおよび固定ダンパー３が吸収して水平方
向の振動を制御するべく作用することから、前記アクチ
ュエータ５の駆動に必要なエネルギーの供給量を低減す
ることができる。よって、地震や強風等の外力により構
造物に引き起こされる全振動数帯域の振動を効果的に制
御することができ、また、高層建物などの大重量の構造
物への適用も可能となり、地震時や強風時の安全対策に
万全を期すことが可能となる。

また、前記アクチュエータ５は可変ダンパー４を備えた
構成であるので、地震や風等による外力により構造物Ａ
に振動が励起された場合には、構造物Ａや付加マスｌの
状態量、あるいは外力ベクトルなどから、所定の制御則
に基づいて、可変ダンパー４およびアクチュエータ５が
作用して、振動の低減に必要な制御力を決定する。そし
て、構造物Ａと付加マスｌの相対速度と、必要な制御力
の符号との関係から、可変ダンパー４がこの制御力を発
生し得るか否かを判断し、可能な場合には可変ダンパー
４によって必要な制御力を発生させる。また不可能な場
合には、アクチュエータ５によって制御力を供給する。

可変ダンパー４のコントロールに必要なエネルギーはア
クチュエータ５の駆動に必要なエネルギーに比べて小さ
くて済むので、アクチュエータ５により制御力のすべて
を発生する場合に比べて、その振動抑制効果は維持した
まま、外部からこのハイブリッド動吸振器Ａに供給する
べきエネルギーを大幅に低減することができる。

特に、請求項２に記載したように、可変ダンパー４が制
御力を発生する場合に比べて、アクチュエータ５が制御
力を発生する場合のゲインを小さく設定すれば、前記シ
ミュレーション解析の結果からも明らかなように、外部
からのエネルギーの供給量をさらに低減することが可能
となる。したがって、高層建物などの大重量の構造物へ
の適用も可能となり、経済的にも非常に有利な振動制御
を施すことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のハイブリッド動吸振器に
よれば、移動可能に設けられた付加マスと構造物の間に
は、バネおよび固定ダンパーが設けられるとともに、ア
クチュエータが設置されているので、受動的な動吸振器
の特性と能動的な動吸振器の特性の両方を合わせ持った
、いわゆるノλイブリッド型の動吸振器としての機能を
有する。

すなわち、広い振動数範囲に亙って振動抑制効果を発現
することが可能であると同時に、前記アクチュエータの
駆動に必要なエネルギーの供給量を低減することができ
る。

また、本発明のハイブリッド動吸振器によれば、前記ア
クチュエータが可変ダンパーを備えているので、振動を
制御する制御力を可変ダンパーおよびアクチュエータに
よって発生させるようになる。

可変ダンパーのコントロールに必要なエネルギーは、ア
クチュエータの駆動に必要なエネルギーに比べて極めて
小さいので、すべての制御力をアクチュエータによって
発生させる場合ｊこ比べ、その振動抑制効果は維持した
まま、外部からのエネルギー供給量を低減することがで
きる。

特に、請求項２に記載したように、可変ダンパーが制御
力を発生する場合に比べて、アクチュエータが制御力を
発生する場合のゲインを小さく設定すれば、外部からの
エネルギーの供給量をさらこ低減することが可能となる
。したがって、非常に経済的に有利な振動抑制を行うこ
とができ、高層建物などの大重量の構造物への適用も可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は、本発明のハイブリッド動吸振器
の一実施例を示すものであって、第１図はハイブリッド
動吸振器の概略説明図、第２図は振動モデルの図、第３
図は入力波形の時刻歴を示す図、第４図ないし第６図は
、それぞれ低減係数を変化させた時の各特性を示すグラ
フであって、第４図（イ）、第５図（イ）、第６図（イ
）はいずれも低減係数を変化させた時の応答変位を示す
グラフ、第４図（ロ）、第５図（ロ）、第６図（ロ）は
いずれも低減係数を変化させた時の応答加速度を示すグ
ラフ、第４図（ハ）（ニ）、第５図（ハ）（ニ）、第６
図（ハ）（ニ）はいずれも低減係数を変化させた時の制
御力、第４図（ホ）、第５図（ホ）、第６図（ホ）はい
ずれも低減係数を変化させた時のアクチュエータパワー
を示すグラフである。 Ｂ・・・・・・構造物、 ｌ・・・・・・付加マス、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）振動を低減すべき構造物の所定の位置に、付加マ
   スを移動自在に設け、該付加マスと前記構造物との間に
   は、バネおよび固定ダンパーを設けるとともに、可変ダ
   ンパーを備えたアクチュエータを設置し、構造物および
   付加マスの状態量に応じて決定される制振に必要な制御
   力を該可変ダンパーおよびアクチュエータによって発生
   させ、この制御力によって、構造物の振動を制御するよ
   うにしたことを特徴とするハイブリッド動吸振器。
2. （２）前記可変ダンパーによって制御力を発生する場合
   に比べて、前記アクチュエータによって制御力を発生す
   る場合のゲインを小さく設定するようにしたことを特徴
   とする請求項１に記載のハイブリッド動吸振器。