JPH0249875A - 制振方法及びその装置 - 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、アクチュエータ等の動力手段から加えられる
制振力で長周期性構造物を制振するに際して、上記構造
物に入力される地震動または地震動及び上記動力手段か
らの入力による構造物の応答を検出し、この検出値に基
づいて動力手段の伸縮変位量を制御するようにした制振
方法及びその装置に関するものである。

（従来の技術） 地震動など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。例えば、
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支持した
構造物と地盤との間に地動方向に伸縮駆動されるアクチ
ュエータ等の動力手段を設け、この動力手段に地震動と
逆方向の制振力を発生させるようにして、移動する地盤
に対して構造物を絶縁し且つ地動に拘らず構造物をでき
る限り一定位置に維持する（絶対制振状態）ように考え
られた制振機構などが知られている（日本建築学会大会
学術講演梗概集（近畿）（昭和６２年１０月）　ｐ、９
０５−９０６等がある）。

ここに本出願人は、このような割振機構における動力手
段と構造物または地盤との結合構造に関し、伝達される
制御信号に対する動力手段の作動遅れやフィードバック
制御を採用した場合の制御系の発振などを考慮して、動
力手段に、その力伝達方向に弾発する弾発手段を取付け
て制振装置を構成することを考えている。

すなわち、動力手段は伝達される制御信号、特に信号中
の高周波成分に対して極端な作動遅れを生ずるが、動力
手段と構造物とを直接結合して構成した場合、作動が遅
れる動力手段の挙動が開展ではなく、反対に構造物の揺
れを増幅させてしまうおそれがある。これに対し弾発手
段を取付けた場合には、高周波成分に対応する動力手段
の挙動は弾発手段によってカットでき、動力手段が制振
とは反対に作用してもその挙動を弾発手段で抑制して動
力手段の作動遅れによる悪影響を取り除くことができる
。

またフィードバック制御においては、構造物から検出さ
れ制御に利用されるフィードバック信号に高周波成分が
含まれていると制御系の発振の原因となるが、弾発手段
の介在により、構造物で検出される信号から高周波成分
をカットでき、制御の安定性を向上して動力手段に充分
な制振作用を発揮させることができる。

このように弾発手段を備えることにより、制御信号に含
まれる高周波成分に動力手段が応動して制振力を付与す
べき動力手段によって構造物の揺れが増幅されたり、制
御系の発振によって動力手段が充分な制振作用を発揮で
きなくなるのを防止することができる制振機構を考えて
いる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このように地震力及び制振力が相互に作
用する動力手段の力伝達系に弾発手段を介設した振動系
では、弾発手段を備えていない振動系と異なり、弾発手
段の存在を加味した上での動力手段の適切な制御を行な
わないと好ましい制振効果を得ることができない。この
ため、このような弾発手段を備えた振動系における適当
な制振制御方法並びにその装置の案出が望まれている。

また上述した制振機構における絶対制振を実現するにあ
たっては、次の点に留意する必要がある。

すなわち絶対制振は、動力手段の制振力により地動変位
に対して構造物を一定位置に維持する制御を行なう関係
上、地動に拘らず構造物が空間に静止することとなり、
構造物内部の機器等の安全は確保されるが、発生する地
動変位が大きい大振幅の長周期成分（例えば、振幅４０
〜１００ｃｍ、周期２０秒）を含む巨大地震等の場合に
は、互いに相対変位する構造物と地盤との間を絶縁する
アイソレータが大変形して破壊されてしまうおそれがあ
るという問題があった。

本発明の目的は、地震力及び制振力が相互に作用する動
力手段の力伝達系に弾発手段を備えて、動力手段から加
えられる制振力で長周期性構造物を制振するに際して、
弾発手段を含む振動系に対して好適であって且つ可能な
範囲で絶対制振を実現することができる制振制御方法並
びにその装置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支持された構
造物を、その力伝達方向に弾発する弾発手段を有し構造
物と地盤との間で地動方向に伸縮駆動されて構造物に制
振力を伝達する動力手段によって制振するに際し、構造
物に入力される地震動または地震動及び動力手段からの
入力による構造物の応答を検出し、検出値から大振幅成
分を除去した後、大振幅成分が除去された検出値に従っ
て動力手段の伸縮変位量を制御するようになっている。

そして、検出対象である構造物に入力される地震動また
は地震動及び動力手段からの入力による構造物の応答か
ら大振幅成分を除去した上で動力手段を制御することに
より、長周期化手段の過度の変形等そのクリティカルナ
な状態の発生を抑制しつつ、弾発手段の存在を加味した
上で動力手段の伸縮変位量の制御を施すことにより、弾
発手段の機能を活かしつつできる限りの範囲で絶対制振
制御を達成するようになっている。

また本発明は、地盤と地盤上に長周期化手段を介して支
持された構造物との間に設けられ、地動方向に伸縮駆動
されて構造物に制振力を伝達する動力手段と、動力手段
に取付けられその力伝達方向に弾発する弾発手段と、構
造物に入力される地震動または地震動並びに動力手段か
らの入力による構造物の応答を検出する検出手段と、検
出手段の検出信号中から大振幅成分を除去するフィルタ
と、フィルタから出力される出力信号に応じて動力手段
の伸縮変位量を制御する制御手段とを備えて構成され、
長周期化手段にとって過大な負荷となる大振幅成分をフ
ィルタによって除去した上で、弾発手段の機能を活かし
つつ構造物に入力される地震動または地震動並びに動力
手段からの入力による構造物の応答に基づき動力手段の
伸縮変位を制御対象として可能な範囲で絶対制振制御を
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。

図に示すように、四部１が区画形成された地盤２上には
、その凹部１内に長周期化手段３を介して支持されて構
造物４が建設され、この構造物４は長周期化手段３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３として、適当な高さを有し且つ凹部１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３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、磁気浮上手
段などを採用してもよい。

このように構成された構造物４と地盤２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４に制振
力を伝達作用させる油圧シリンダなどの動力手段５が設
けられる。具体的には動力手段５は、凹部１の垂直壁１
ａとこれに相対向する構造物４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
の動力手段５は、構造物４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。

そしてこの動力手段５には、その力伝達方向に弾発する
スプリングなどの弾発手段６が取付けられる。図示例に
あっては弾発手段６は、動力手段５と構造物４との間に
取付けられているが、力の伝達方向であれば、動力手段
５と地盤２側の凹部垂直壁１ａとの間であっても良い。

そしてこの弾発手段６は、制御信号に含まれる高周波成
分に動力手段５が応動して制振力を付与すべき動力手段
５によって構造物４の揺れが増幅されたり、制御系の発
振によって動力手段５が充分な制振作用を発揮できなく
なるのを防止するように機能する。

他方本装置には、構造物４に入力される地震動または地
震動並びに動力手段５からの入力による構造物４の応答
を検出する検出手段７が備えられる。検出対象として構
造物４に入力される地震動を採用する場合には、地震時
に構造物４に入力される地震動（地盤の地動変位及び地
動速度等）を予め検出できるように検出手段７が地盤２
側に設置される。また検出対象として地震動並びに動力
手段５からの入力による構造物４の応答を採用する場合
には、地震時の地震動並びに動力手段５からの入力によ
る構造物４の応答を検出できるように検出手段７が構造
物４内に設置される。そして検出手段７には、検出信号
を増幅するための増幅器８を介してコンピュータなどの
制御手段９が接続される。この制御手段９は動力手段５
に接続され、検出手段７からの検出信号に応じて動力手
段５の伸縮変位量を、入力される地震動に応じたフィー
ドフォワード制御または構造物４の応答に従うフィード
バック制御する機能を有する。フィードバック制御は、
地震動の作用及び動力手段５の作用による構造物４の応
答が検出手段７によって常に検出され、この検出量が制
御手段９で処理されてその制御信号が動力手段５に常に
帰還されるようになっている。なお、増幅器８並びに制
御手段９の設置位置は、図示のように構造物４内であっ
ても、地盤２側であっても良い。

そして特に本発明にあっては、諸検出対象を検出する検
出手段７と制御手段９との間に、検出手段７の検出信号
中から大振幅成分を除去するフィルタ１０が設けられる
。この結果上記制御手段９は、検出信号中から大振幅成
分が除去されてフィルタ１０から出力される出力信号に
応じて動力手段５の伸縮変位量を制御するようになって
いる。

ここで、■本発明の制振手法の概念、■制御手段９の制
御量として動力手段５の伸縮変位量を採用した点、並び
に■フィルタの機能について説明する。

■について 本発明は、弾発手段６を備えた制振系に対応する特有の
制御関数を制御手段９内に設定し、この制御関数に基づ
いて動力手段５の伸縮変位量を制御して制振を達成する
ようになっている。

まず、構造物４に入力される地震動を予め検出し、動力
手段５の伸縮変位量を、入力される地震動でフィードフ
ォワード制御することについて説明する。

長周期化手段３によって支持された構造物４１；動力手
段５の制御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４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。

ｍｉ＋ｃｘ＋ｋｘ−−ｍ９＋Ｆ ・・・　（１） ｍ：構造物４固有の質量 Ｃ：構造物４固有の減衰係数 に：長周期化手段３の弾発係数 ５Ｃ：構造物４の地盤２に対する相対速度Ｘ：構造物４
の地盤２に対する相対速度Ｘ：構造物４の地盤２に対す
る相対変位ジ：地動加速度 Ｆ：動力手段５の制御力 ここに動力手段５の力伝達系には弾発手段６が介設され
ているので、（１）式の動力手段５の制御力Ｆの内容は
次のように書き直すことができる。

Ｆ−ｋａ（ｚ−ｘ） ・・・　（２） ｋａ：弾発手段の弾発係数 ２：動力手段の伸縮変位量 ここで（２）式を（１）式に代入する。この際、地動変
位ｙと構造物４の地盤２に対する相対変位Ｘとを重ね合
せた静止系（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、次のようになる。

ｍ　　（ｘ　＋　ｙ　）　　＋　ｃ　　（；ｃ　＋　ｙ
　）＋　（ｋ＋ｋａ）（ｘ＋ｙ）　− ｃｙ＋　　（ｋ＋ｋａ）ｙ＋ｋａｚ−（３）このように
表現された（３）式は、左辺が上述の構造の絶対系での
振動特性を、右辺が外力の内容となっている。そして上
記の構造物４の絶対応答が零となるためには、右辺の内
容、すなわち外力の項が零となれば良い。換言すれば、
外力の項が０となれば、構造物４の絶対応答は０となる
。

そこで（３）式を右辺−〇として、動力手段５の伸縮変
位量２で式を整理すると、次のように表わされる。

ｃ、＋　（ｋ＋ｋａ）ｙ＋ｋａｚ＝０ ｚ−−（ｃ　　ｙ＋　　（ｋ＋ｋａ）　　ｙ）　　−（
４）ｋａ これは構造物４を、絶対系に対して静止させることがで
きる制御量である。そしてこの値２と構造物４の絶対応
答とが等しい値となれば、そのときの動力手段５の伸縮
変位量２は構造物４を地動に拘らず一定位置に維持でき
ている（絶対制振状態）ことになる。

このようにして、地震力及び制振力が相互に作用する動
力手段５の力伝達系に弾発手段６を新設した振動系にお
いて、新たに導出された上記（４）式を制御手段９の制
御関数とし、検出手段７の検出量として構造物に入力さ
れる地震動、すなわち地動変位ｙ及び地動速度シを採用
して動力手段５の伸縮変位量２のフィードフォワード制
御を行なうことにより、弾発手段６の存在を加味した上
で、弾発手段６にその機能を発揮させつつ動力手段５に
適切な制振制御信号を出力することができ、優れた制振
効果を得ることができる。

なお、上記（４）式に関し、構造物４固有の減衰係数Ｃ
が弾発手段６の弾性係数ｋａに比較して極めて小さい場
合には、ｃｙ／ｋａの値は無視できるので、制御上は省
略しても良い。

また地動変位ｙ及び地動速度９を検出する検出手段７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。

次に、地震動及び動力手段５からの入力による構造物４
の応答を検出し、動力手段５の伸縮変位量を、その構造
物４の応答でフィードバック制御することについて説明
する。

上述した絶対制振の制御関数を示す（４）式は、構造物
４の応答を利用して次のように表現しても良い。すなわ
ち上述の式（４）において、２という値を現在における
実際の動力手段５の伸縮変位量として制御に導入し、こ
れら値２と構造物４の応答量とに基づいて制御を行なう
ことになる。そこで実際の制御のためにこの値２をＺａ
とし、これを上記（３）式に代入して制御関数を整理す
ると次のようになる。

ｍ　　（ｘ＋ｙ）＋ｃ　　にＣ＋９） ＋　　（ｋ＋ｋａ）　　（ｘ＋ｙ）＝ −ｋａｚａ＋ｋａｚ ｚ　−ｚ　　ａ　＋　Ｇ　　ｆ　　（ｘ　＋　ｙ　）　
　　　　　　　　　　−（５）ｆ　　（ｘ＋ｙ）：ｍ　
　（ｘ＋ｙ）＋ｃ　　（Ｍ＋ｙ）＋　　（ｋ＋ｋａ）　
　（ｘ＋ｙ） Ｇ：フィードバックゲイン（Ｇ　＝　１　／　ｋ　ａ　
）この制御は、構造物４の応答量に基づきながらも、地
震動の入力に対して直接応答して構造物４を制振しよう
とするものである。

このようにして、地震力及び制振力が相互に作用する動
力手段５の力伝達系に弾発手段６を新設した振動系にお
いて、新たに導出された上記（５）式を制御手段９の制
御関数とし、検出手段７の検出量として構造物４の応答
を採用して動力手段５の伸縮変位量ｚのフィードバック
制御を行なうことにより、弾発手段６の存在を加味した
上で、弾発手段６にその機能を発揮させつつ動力手段５
に適切な制振制御信号を出力することができ、優れた制
振効果を得ることができる。

また構造物４の絶対応答量を検出するに際しては、図示
のように構造物４に設置した検出手段７で構造物４独自
で静止系に対するその絶対加速度。

絶対速度、絶対変位を検出しても良いし、他方地動の加
速度、速度、変位並びに地盤２に対する構造物４の相対
的な加速度、速度、変位をそれぞれ別個のセンサで検出
して上記算式のようにこれらを重ね合せて用いるように
しても良い。更に、加速度、速度、変位の相互間につい
ては、例えば検出された速度を微分、積分する等して得
るようにしても良い。

■について 次に、制御手段９の制御量として動力手段５の伸縮変位
量２を採用した点について説明すると、油圧シリンダ等
の動力手段５を制御する場合の制ｇＩＪ量としては、そ
の変位量、変位速度、変位加速度がある。また他方、ロ
ードセル等を動力手段５と構造物４との間に設置して動
力手段５の発生する作用力を制御する方法もある。ここ
に動力手段５として例えば油圧シリンダを採用した場合
には、その作動はバルブを制御することで行なわれる。

このバルブ制御はオイルの流入量を調整するもので、そ
の流入量は油圧シリンダの変位速度に対応するから、こ
のバルブ制御は油圧シリンダの変位速度制御を行なって
いることになる。従ってこのような場合には、制御手段
９による制御量を動力手段５の変位速度とすることが最
も直接的且つ簡単であり、一般的にはこの速度制御が行
なわれている。しかしながら制御系の一般的な考え方と
して、変位制御が制御系の発振を起こしにくく最も安定
性の高いものである。すなわち、速度制御を基準に考え
ると、加速度制御は速度制御に対して微分制御の関係に
あり、動力手段５が素早く反応することができれば優れ
た追従性を発揮するが、安定性に劣り発振を起こしやす
い制御系である。

また力制御の制御系は、加速度制御と同様に発振を起こ
し易く、不安定なものである。これらに対して変位制御
は速度制御に対して積分制御の関係にあり、安定性に優
れ発振も起こし難いものである。

そして本制振制御にあっては、上述した新しい制御関数
の導出にあたり動力手段５の伸縮変位量２を制御式に導
入したことにより、この変位制御で動力手段５の制御を
達成することができ、この安定性の高い変位制御を上述
の制振方法に採用することで更に優れた制振を達成する
ことができる。

■について 検出手段７の検出信号中から大振幅成分を除去するフィ
ルタ１０は、次のように機能する。すなわち、絶対制振
の制御にあっては、上述したように地盤２の変位量にか
かわらず構造物４を一定の位置に維持することが前提と
なるため、地盤２と構造物４との間に介在される長周期
化手段３は、これら地盤２と構造物４との相対変位量を
吸収することが要求される。特に、地震動に含まれる振
動成分のうち長周期成分には、極めて振幅の大きい振動
成分が含まれており、このような大振幅の振動成分で構
造物４が揺れている場合に、これを絶対制振させるべく
動力手段５を作動制御すると、長周期化手段３は大きな
相対変位を吸収しなければならず大変形して破損されて
しまうおそれがある。

ここにフィルタ１０は、検出手段７で検出され制御手段
９で処理されて動力手段５の制御信号となる検出信号中
から、長周期化手段３にそのような大変形を生じさせる
おそれのある長周期成分中の大振幅成分を除去するよう
になっている。そして大振幅成分を除去した信号を制御
手段９へ出力することにより、大振幅成分に対する絶対
制振制御を除外し、長周期化手段３に大変形を生じさせ
て破損させる制振制御を回避するようになっている。反
対にこのような大振幅成分を含む長周期成分に対しては
、これを長周期化手段３に受は持たせることにより、長
周期化手段３にその本来の機能を発揮させて良好に免震
させることができる。

実際のフィルタ１０の回路構成としては、このような大
振幅成分を含むおそれのある長周期成分の振動数を予め
回路内に設定しておき、そのような振動が検出信号とし
て入力された場合に、その振動数以下の振動成分を除去
するバイパスフィルタとして構成される。

さらにフィルタ１０の回路構成としては、次のようにす
ることが好ましい。検出手段７と制御手段９との間にフ
ィルタ１０を設置すると、フィルタ１０の介在による位
相遅れのためにフィルタ１０からの出力信号でそのまま
動力手段５を制御するとある振動数に対する制御タイミ
ングがズしてしまい、制振効果が薄れたり、逆に揺れを
増幅するおそれが出てくる。この影響を抑えるには、発
生確立の少ない振動数でこの位相遅れが現れるようにフ
ィルタ１０の特性を設定しておくと良い。

このような観点から、発生確立の少ない振動数で位相遅
れが出るように、現実の地震時の振動の周波数成分を感
知させて上述した除去すべき設定振動数を随時変更する
ように回路構成することが好ましい。

そして上述したような、地盤２上に長周期化手段３を介
して支持された構造物４を、その力伝達方向に弾発する
弾発手段６を有し構造物４と地盤２との間で地動方向に
伸縮駆動されて構造物４に制振力を伝達する動力手段５
によって制振するに際し、本発明の制振方法にあっては
、検出手段７により構造物４に入力される地震動または
地震動及び動力手段５からの入力による構造物４の応答
を検出し、フィルタ１０によって検出値から大振幅成分
を除去した後、制御手段９で大振幅成分が除去された検
出値に従って動力手段５の伸縮変位量２を制御するよう
になっている。

（発明の効果） 以上要するに本発明に係る制振方法及びその装置によれ
ば、地震力及び割振力が相互に作用する動力手段の力伝
達系に弾発手段を新設した振動系において、弾発手段の
弾発係数を含んだ形で新たに導出された振動方程式を制
御手段の制御関数とし、検出手段の検出量として構造物
に入力される地震動または地震動及び動力手段からの入
力による構造物の応答を採用して動力手段の伸縮変位量
の制御を行なうことにより、弾発手段の存在を加味した
上で、弾発手段にその機能を発揮させつつ動力手段に適
切な制振制御信号を出力することができ、優れた制振効
果を得ることができる。

また上述した新しい制御関数の導出にあたり動力手段の
変位量を制御式に導入したことにより、この変位制御で
動力手段の制御を達成することができ、この安定性の高
い変位制御を割振制御に採用することで更に優れた制振
を達成することができる。

また更に、検出手段で検出され制御手段で処理されて動
力手段の制御信号となる検出信号中から、長周期化手段
に大変形を生じさせるおそれのある長周期成分中の大振
幅成分をフィルタによって除去するようにしたので、長
周期化手段が大変形して破損されるのを防止した上で、
的確な絶対制振の制御を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る制振装置の好適実施例を示す概略図で
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支持された構造物
   を、その力伝達方向に弾発する弾発手段を有し該構造物
   と地盤との間で地動方向に伸縮駆動されて構造物に制振
   力を伝達する動力手段によって制振するに際し、上記構
   造物に入力される地震動または地震動及び上記動力手段
   からの入力による構造物の応答を検出し、該検出値から
   大振幅成分を除去した後、大振幅成分が除去された検出
   値に従って上記動力手段の伸縮変位量を制御するように
   したことを特徴とする制振方法。
2. （２）地盤と該地盤上に長周期化手段を介して支持され
   た構造物との間に設けられ、地動方向に伸縮駆動されて
   上記構造物に制振力を伝達する動力手段と、該動力手段
   に取付けられその力伝達方向に弾発する弾発手段と、上
   記構造物に入力される地震動または地震動並びに上記動
   力手段からの入力による構造物の応答を検出する検出手
   段と、該検出手段の検出信号中から大振幅成分を除去す
   るフィルタと、該フィルタから出力される出力信号に応
   じて上記動力手段の伸縮変位量を制御する制御手段とを
   備えたことを特徴とする制振装置。