JPH0348036A

JPH0348036A - 構造物制振装置

Info

Publication number: JPH0348036A
Application number: JP17807389A
Authority: JP
Inventors: Nauemon Uno; 名右衛門宇野; Katsuo Mutaguchi; 勝生牟田口
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1989-07-12
Filing date: 1989-07-12
Publication date: 1991-03-01
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: JP2689618B2

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
えて早期に撮動を減衰させるために用いる構造物制御膜
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８０−９２５６９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、付り口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６
０−９２５７０号公報に示されているように、構造物に
付加重鍾駆勅装置を設置し、上記構造物の振動を振動検
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、上記構造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
って上記付加重錘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５９−９７３４１
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
に静止部を固着した、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、構造物の撮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（辰動検出器の検出信号から地盤の撮動検
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６０−８５１６
５号公報に示されるように、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
号に基づき上記材１）ｆ＋重重犯駆動装置アクチュエー
タを駆動するようにした構成において、上記振動検出器
から付加手挿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。

［発明か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
れたものは、ストッパー等を有しているため構造か複雑
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お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、減暉器か必要であるため撮動検出器か複数必要であ
り、特開昭６０−８５７６５　＠公報に開示されたもの
は、帯域フィルタが必要であるため余分な回路か必要で
ある、等の問題点がそれぞれある。又、上記各従来方式
のものでは、いずれも駆動体をどのように制御するのか
の具体的手段に欠けており、更に構造物の撮動と１撮装
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厚い、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］本発明は、上記目的を達成するために、構造物の上部に
、上面にレールを備えたレール台がシーソー状に上下方
向へ揺動するよう該レール台の中央部を回動自在に支持
し、且つ該レール台のレール上に、錘りを移動自在に載
置し、更に、上記レール台の端部に、該レール台を上下
方向へ揺動させるためのアクチュエータを接続してなる
構成とする。

又、構造物の揺れを検知する揺れ検知センサを構造物の
上部に設け、該揺れ検知センサの信号を位相制御して上
記アクチュエータへ駆動指令を送る制御装置を備える。

［作　　用］アクチエエータを駆動してレール台をシーソーの如く−
Ｌ下に揺動させると、レール台のレール上の錘りか上下
に傾斜するレール上を往復移動してその加速する錘りの
反力か構造物に与えられる。構造物の揺れが揺れ検知セ
ンサによって検知されたときに、その信号を位相制御装
置により位相制御してから上記アクチュエータに与える
と、錘りの動きに対する反力か構造物に対して最適な状
態で与えられ、構造物の揺れか素早く抑えられる。

［実　施　例］以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は吊り橋のタワーの如き構造物１に適用した本発
明の一実施例を示すもので、構造物１の頂部に制振装置
本体２、揺れ検知センｌす３を取り付ける。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、構造
物１の頂部に、所要の高さを有する架台４を所要の間隔
を隔てて対向設置し、−上面に長手方向に沿いレール６
を備えたレール台７を上記各架台４の上端部間に配置し
て、該レール台７の中央部を架台４の上端部に、水平に
配した支軸５にて回動自在に支持させ、上記レール台７
が上記支軸５を支点としてシーン−の如く上下方向へ揺
動させられるようにし、又、上記レール台７のレール６
上には、台車からなる制振用の錘り９を、車輪８を介し
て移動自在に載置し、レール台７の揺動時に鍾り９が車
輪８を介してレール６上を移動できるようにする。又、
上記レール台７の一端には、該レール台７をシーソーの
如く揺動させるためのアクチュエータ１０を設け、該ア
クチュエータ１０を駆動してレール台７を支軸５を中心
に揺動させることにより上記錘り９としての台車をレー
ル６に沿わせてレール台７の長手方向に移動させられる
ようにする。又、上記揺れ検知センサ３は、構造物１の
上側部に取り付けられて構造物１の揺れを検知するよう
にしてあり、更に本発明では、上記揺れ検知センサ３に
て検知した構造物１の揺れ信号を変位信号に変換してア
クチュエータ１０の動作量を演算し且つ構造物１の揺れ
に対して９０°の遅れ位相と変位信号を光する制御装置
１１と、該制御装置１１ノ〕１らの信号に基づき上記ア
クチュエータ１０を駆動するドライブユニット１２を備
えた構成とし、アクチュエータ１０の駆動力によって構
造物１の揺れに対する踵り９の往復移動を任意に位相制
御することにより、構造物１の揺れを許容揺れ範囲に抑
えると共に構造物１の揺れエネルギーを消費させるよう
にしである。なお、本実施例では、揺れ検知センサ３と
して加速度センサを使用し、位相と変位を制御する制ｗ
Ｊ装置１１では加速度を２回積分して変位信号を作るよ
うにしであるが、１回積分して速度信号を作り、その速
度信号を反転信号として錘り９の変位信号としてもよい
。又、第２図に示す制御ブロックの場合、間ループ制御
となっているが、錘り９の動きである位置を検出し、そ
れをドライブユニット１２ヘフイードバツクして制御装
置１１の演締信号と比較し、その偏差分を補正するよう
な閉ループフィードバック制御を行うこともできる。

本発明は、構造物１の揺れの位相と変位より錘りの移動
による位相・変位を制御することによって構造物１の揺
れを最も少なくするようにしようとするものであるが、
今、ここで、どのような位相・変位制御をすれば、構造
物の揺れを抑えることができるかを、第４図に示す簡単
なモデルによって説明する。第４図中、１３はアクチュ
エータ１４によって加振される撮動台、７５は該振動台
１３上に移動自在に載置した供試体（第１図の構造物１
に相当）、１６は錘り（第２図の鍾り９に相当）　、１
７．１８はブラケットでおる。今、供試体１５に作用す
る空気力（風荷重）をＰとし、供試体１５の質量をＭ、
供試体１５の検線ばね定数をＫ、供試体１５の減衰係数
（付加減衰定数：２Ｍｈω）をＣ１供試体１５の水平方
向の直線変位ｍ（絶対座標）をＸとし、錘り１６の質量
をｍ、錘り１６のばね定数をｋ、錘り１６の振動を制御
する制御力をｐ、錘り１６の水平方向の直線変位量（供
試体１５に対する相対座標）をＸとしたとき、供試体１
５と錘り１６の運動方程式は、ＭＸ＋ＣＸ＋ＫＸ＋ｍ（
Ｘ＋Ｍ）＝Ｐｃｉ＋ｓωｔ　　・（１）（ω：固有撮動
数、ｔ：時間）ｍＸ＋ｍＭ　＋ｋｘ＝ｐ　（ｔ　）　　　　　　　　　
　　　−（２）ここで、供試体１５及び錘り１６が単弦
運動をしているものとすると、Ｘ＝Ａｓ旧ωｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　°”°ぐ３〉（Ａ：振幅）ｘ＝３ｓｉｎ　（ωｔ＋ｃｒ）　　　　　　　　　　　
　−（４＞（Ｂ：振幅、α：ωｔに対する位相差）この
とき、はね定数Ｋ及びｋと供試体１５、錘り１６との間
には、Ｋ　−（〜１＋ｍ）ω２　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　・・・く５）ｋ＝ｍω２　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・く６）の関係がある。したがって、＜３）式及び（
４）式のうちＮ量とばね定数を含む項は次の如く常に零
となる。

（Ｍ＋ｒＴ１）Ｘ＋ＫＸ−一（Ｍ十ｍ）Ａω２ｓｔｎω
を十（Ｍ＋ｍ）　Ａω２ｓｉｎωｔ＝ｏ　　　　　　　
−＜７＞ｍ父＋ｋｘ−−ｍＢω２ｓｌｎ（ωｔ＋α）十
ｍＢω２ｓｉｎ（ωｔ＋α）　−Ｑ　　　　　　　−＜
８）（７）、（８）式を（１）、（２）式に代入すれば
、Ｐｃｏｓωｔ＝ＣＸ＋ｍｘ＝２ＭｈＡω２　Ｃ０５（１）ｔ　−ｍＢω２　ｓ＋ｎ
　（ωｔ　＋α）　・　＜９）ｐ　　（ｔ　）＝ｍＸ＝
−ｍＡω２　ｓ旧ωｔ　　　　　　　　　　、・、（１
０）ここで、（９）式は、右辺の第１項と第２項の位相
か同じときに、供試体１５の減衰と錘り１６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１６の運動が供試体１５の運動に対して９
０°遅れた形（−９０’　）で動作したときに、供試体
１５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、ＰＣＯ５ωｔ＝２ＭｈＡω２ｍＢω２Ｃ
ｏｓ（１）ｔ＝（２ＭｈＡ＋ｍＢ）　ω２ｃｏｓωｔ　
　・（１１）となる。又、鍾り１６の振幅Ｂは（１１）
式より、ｍ−８＝（Ｐ／ω２）−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（ｔ）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
おる。

■　構造物の撮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１昇られる。

■　制振装置には、構造物に入ってくる力と同じ大きさ
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。

以上のことから、構造物１と制振装置本体２の鍾り９の
変位の位相差を９０’つければよいことが判る。すなわ
ち、構造物１の揺れの位相に対して、鍾り９を９０”位
相遅れで動かせばよい。

次に、本発明の構造物制振装置による制振制御の原理を
第５図のモデル図及び第２図を参照して説明する。

シーソー状にするため、レール６の中央部の一点に支軸
５による支点Ｓをもち、且つレール６上に質１ｍの鍾り
９が台車として移動自在に載置させてあり、更にレール
６の一端にアクチュエータ１０が市って、アクチュエー
タ１ｏによりレール６の角度を上下に変化させることが
できるようにしておる。上記アクチュエータ１ｏのスト
ロークＶ（ｔ）は時間主の関数で変化させることができ
る。

今、鍾り９が移動する距離をＢ、錘り９の角振動数をω
、振動数をＮ（＝ω／２π）、必要ばね係数をｋ　（＝
ｍω２　）、鍾り９の変位点をｘ（＝３ｓｉｎωｔで正
弦波の動きとする）、鍾り９の変位点Ｘでのばね反力を
Ｆ　＋　　（＝　ｋ　ｘ　＝ｍω２　Ｘ）、鍾り９がＢ
点にて水平となす角をθ、鍾り９の変位点Ｘでの復元力
をＦ２（−ｍｇ・ｔａｎθ）、レール６の支軸９からア
クチュエータ１０までの距離を２１２点におけるレール
６の高さをｙ、レール６から鍾り９の重心Ｇまての距離
をｈとすると、Ｆ、＝Ｆ２となる。

次に、アクチュエータ１０の能力を決める制御力ｐ（ｔ
）の大ぎさを求める。

支点Ｓに対するモーメントは、次のようになる（但し、
ｘ＝１３ｓ旧ωｔ）。

←）重力によるモーメントは、Ｍ＋　＝ｍｇ　φＢｓ＋ｎωｔ（へ）加速度によるモーメントは、Ｍ２　　＝ｍ−ω２−Ｂｓｔｎ　Ｃｏｔ　　・　Ｃｙ　
（ｔ）　　±ｈ　〕ここで、よって、ｐ（ｔ）＋　はこのモーメントを制御力のかか
るポイン］〜位置までの距離ρで除したものになる。故
に、となる。

一方、構造物１の揺れによっても錘り９にかかる力が発
生ブるので、それを求める。ここで、構造物１の変位（
直線変位）をＸ、構造物１の振幅を△とし、構造物１の
変位が錘り９に対して９０°位相が進んでいるものとす
ると、Ｘ＝ＡＣＯＳωｔＸ＝−△ω２ＣＯ３（１）ｔＭ３°ｍＡω２ＣＯ５ωｔ　＜ｙ＋ｉｌ）よって、合計
の制御力ｐａｔ＞は、ｆ；）　（ｔ）　＝ｐ（’ｊ）＋　　＋１１）　（’ｊ
）２となる。ｐ（ｔ）はアクチュエータの能力を決める
ものである。

このように、構造物の揺れ〈振幅〉Ａが検出できれば、
錘り９の移動距離Ｂを算出できるので、そのときのスト
ロークの値ｙ（ｔ）でアクチュエータ１０を動かし距離
Ｂが得られるよう位相・変位制別を行えばよい。なお、
錘り９の移動距離Ｂ、すなわち、ストロークは、図示し
ていないが、ポテンショメータ等により検出することが
できる。

したがって１本発明の構造物制振装置を構造物１の頂部
に設置しである状態において、構造物１に揺れが発生し
、その揺れが揺れ検知センサ３にて検知されると、その
信号に基づいて位相・変位制御された信号が制御装置１
１からドライブユニット１２に送られるため、アクチュ
エータ１０が駆動させられてレール台７が揺動させられ
ることにより錘り９が構造物１の揺れに対して９０°遅
れでレール６上を往復移動させられる。

実構造物にがかる撮動を誘起する力Ｐは未知であるから
構造物の揺れ（振幅）Ａに対し、Ｂを数倍程度に設定し
、振幅Ａがさらに大きくなる時はＢを大きくし、小さく
なる傾向にある時はＢを小さくする。これにより、錘り
９の振動を抑制する力を構造物に対して最適に与えるこ
とができ、構造物１の揺れを素早く抑えることができる
と共に、構造物１の固有振動数の変化に対応することが
できる。又、この場合、重力を利用したシーソー型であ
るため、錘り９を加速覆るエネルギーが少なく、アクチ
ュエータ１０を駆動するための使用動力が少なくて済む
。

なお、上記実施例では、レール台７の一端部にだけアク
チュエータ１０を設置した場合を示したが、レール台７
の両端部に設置するようにしてもよいこと、又、実施例
では、吊り橋のタワーの如き構造物１への採用例を例示
したが、第６図に示す如き高層ビルや他の構造物１につ
いても同様に採用できること、その池水発明の要旨を逸
脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論
である。

Ｕ発明の効果１以上述べた如く、本発明の構造物制振装置によれば、錘
りの振動を抑制する力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、構造物の固有撮動数の変化に対応でき、又
、制御系が簡単なため、価格が安く且つメンテナンスが
容易であり、更に重力を利用したシーソー型のため、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の如
き構造物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図の側面図、
第４図は制振制御の基本原理を示すモデル図、第５図は
本発明の装置の原理をモデル化して示した図、第６図は
本発明を高層ビルの如き構造物に採用した場合の概略図
である。１・・・構造物、２・・・制振装置本体、３・・・揺れ
検知センサ、５・・・支軸、・・・レール、・・・レール台、・・・錘り、１０・・・アクチュエータ、１１・・・制御装置。特許出願人石川島播磨重工業株式会社第１図り第２図第６図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）構造物の上部に、上面にレールを備えたレール台
がシーソー状に上下方向へ揺動するよう該レール台の中
央部を回動自在に支持し、且つ該レール台のレール上に
、錘りを移動自在に載置し、更に、上記、レール台の端
部に、該レール台を上下方向へ揺動させるためのアクチ
ュエータを接続してなることを特徴とする構造物制振装
置。
（２）構造物の揺れを検知する揺れ検知センサを構造物
の上部に設け、該揺れ検知センサの信号を位相制御して
上記アクチユエータへ駆動指令を送る制御装置を備えた
請求項（１）記載の構造物制振装置。