JPH0480476A - 建物用動吸振器装置の制御方法 - 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】 崖！上皇剋里丘団 本発明は、高層ビル、ペンシルビルおよび各種のタワー
等の柔構造建物の地震や風による揺れを低減する振動制
御に関し、特に建物用動吸振器の制御方法に関する。

ｌ米及街 高層ビル、ペンシルビルおよび各種タワー等の高い建築
物では、振動エネルギーを吸収して耐震強度を向上させ
るため柔構造が採用されている。

この柔構造の建物の場合、地震や強風時に建物自体が一
振動系をなして揺れるが、常風時においても揺れが大き
くなって居住性が害されるおそれがあるため、建物にば
ねを介して付加質量を取り付けて副ばねマス系を達成さ
せる方法が採られている。

すなわち建物自体の主ばねマス系と上記側ばねマス系と
で固有振動数が略同じになるように設定することにより
、建物の揺れを打ち消す振動を発生させて吸振効果を実
現する動吸振器（ダイナミックダンパー）装置を設ける
ことが提案されている。

従来この種の建物用動吸振器装置ではマスダンパーにお
ける付加質量の設置床との相対変位および相対速度、建
物と地盤との相対変位および相対速度を測定し、制御器
にフィードバックして建物の絶対加速度を最小限にすべ
くアクチュエータを制御するいわゆる最適レギュレータ
制御が行われていた。

例えば特開平２−８５４７６号公報、特開平２−８５４
７７号公報、特開平２−８５４７８号公報、特開平２−
８５４７９号公報等に記載されたものは、上記最適レギ
ュレータ制御を示しており、同制御による吸振効果によ
り建物の振動振幅を減少させ、建物の全体変形を小さ（
し、居住性を向上させようとしている。

゛　しよ°と　る゛ しかし従来は常に最適レギュレータ制御を行なうもので
あって、震度３程度までの弱震および風による外乱を受
ける場合は、建物全体の振動を制御することができて大
きな効果を得られるが、震度３を越える中震および強震
の場合においては、マスダンパーのストロークが過大に
なるばかりか、最適制御するためにはマスダンパーのア
クチュエータに極めて過大な駆動力を要求され実現が困
難となる問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的と
する処は、震度３以上の地震に対しては制御方式を変え
ることで対応し常に動吸振器装置を有効に作動させて建
物の振動低減を図ることができる建物用動吸振器装置の
制御方法を供する点にある。

るための　　および 上記目的を達成するために、本発明は建物の屋上または
その近傍階にアクチュエータにより能動的制御が可能な
動吸振器装置を備え、同動吸振器装置の付加質量、建物
および地面の各振動を検出する振動センサーからの検出
信号に基づき前記動吸振器装置のアクチュエータを駆動
制御する方法において、震度３程度までの弱震または風
による外乱を受ける場合は建物の絶対加速度が最小にな
るようにアクチュエータを制御する最適レギュレータ制
御をなし、震度３から震度５程度までの中震の場合は建
物の絶対加速度から建物の固有振動数を同定し付加質量
部を最適設定されたパッシブな動吸振器の動きと等しく
アクチュエータを制御するモデルマツチング制御をなし
、震度５程度以上の強震の場合は付加質量の設置床部に
対する相対変位が所定の変位を越えないようにアクチュ
エータを制御する変位制御またはアクチュエータの制御
を中止してパッシブな動吸振器として動作させる建物用
動吸振器装置の制御方法である。

弱震時および風による外乱を受ける場合は、最適レギュ
レータ制御により大きな振動低減効果が得られ、中震時
にはモデルマツチング制御により制御力を非常に小さく
して最適同調させたパッシブなマスダンパーのように作
動して振動を低減させることができ、強震時には変位制
御またはパンシブな動吸振器としてマスダンパーの過大
変位を防止して極力安全確保を図ることができる。

２施■ 以下第１図ないし第１Ｏ図に図示した本発明に係る一実
施例について説明する。

第１図は本実施例の振動制御装置を備えた建物の模式的
立面図である。

地盤１上にタワー状の建物２が構築されており、該建物
２の最上階に本発明の係る振動制御装置１０が設置され
ている。

建物２としては、例えば−辺が１０〜２５ｍ程度の正方
形、長方形または菱形等の床面を有し、高さが６０〜１
５０ｍに達する鉄骨構造で構築され、風圧を受けて例え
ば２秒程度の固有周期および数１０ｍｍ程度の振幅で揺
れる建物を典型例として挙げることができ、本実施例も
かかる建物を対象としている。

該建物２の最上階床面３上には水平ばね手段１２を介し
て付加質量Ｍ１３が保持された動吸振器１１が設置され
ている。

付加質量Ｍ１３には、別途建物２に固定されたアクチュ
エータたる油圧シリンダー１４のロンド先端が固着され
ていて、油圧シリンダー１４の駆動により付加質量Ｍ１
３は床面３に対して平行に移動可能である。

そして建物２の床面３、付加質量Ｍ１３および地盤１に
それぞれ振動センサー１５．１６．１７が設置され、振
動センサー１５は建物２の振動、振動センサー１６は付
加質量Ｍ１３の振動、振動センサー１７は地盤１の振動
をそれぞれ検出する。

振動センサー１５．１６．１７の検出信号は、制御回路
１８に入力され、同検出信号に基づいて制御回路１８は
制御信号を生成して、前記油圧シリンダー１４に出力し
油圧シリンダー１４の駆動を制御する。

振動制御装置ｌＯは以上のように構成されおり、制御回
路１８が振動センサー１５．１６．１７の検出信号を入
力して分析し、建物２の揺れを低減するよう油圧シリン
ダー１４を駆動制御すると、油圧シリンダー１４は付加
質量Ｍ１３を床面３に対し水平に変位させてアクティブ
な動吸振器として働らき、建物２の揺れを抑制すること
ができる。

すなわち振動制御装置ｌＯは、柔構造をなす建物２を主
振動系とし、水平ばね手段１２および付加質量Ｍ１３か
らなる動吸振器１１を略同じ振動周期を有する副ばねマ
ス系として連成させるとともに、油圧シリンダー１４に
より強制的に付加質量Ｍ１３を加振することにより、建
物２が種々の広い周波数帯域の励振力を受けて揺れる場
合でも、揺れを効果的に低減させるよう制御可能である
。

第２図および第３図は、該副ばねマス系の動吸振器１１
の正面図および横断面図である。

水平ばね手段１２は、床面３と付加質量Ｍ１３との間に
積層弾性体（積層ゴム）２０と安定板２１とが交互に重
なり４段に積み重ねられた多数段式弾性ユニットとして
構成されて正方形状をなして各上下面の４箇所に積層弾
性体２０が固着されている。

３枚の安定板２１は、正方形状をなして各上下面の４箇
所に積層弾性体２０が固着されて対応する積層弾性体２
０の上下端を連結する剛体の連結板であって、地震や風
で横荷重を受けた場合に座屈を生じることなく弾性変化
する水平方向変位能力を増大させるために介装されてい
る。

そして互いに対向する上下の安定板２１の間に、水平方
向の振動を減衰させるための減衰器２２が所定の配列で
組み込まれている。

ここに積層弾性体２０は、第４図および第５図に図示す
るように、ゴムその他のエラストマー材２５と金属製の
補強板２６とが交互に積層して円筒状に一体化したもの
で、上下方向には剛性が高く、水平方向には弾性を有す
る構造をしている。

なお積層弾性体２０の上下面には矩形のフランジプレー
ト２７が一体に固着され、同フランジプレート２７の４
隅に穿設された取付孔２８にボルトを貫入してフランジ
プレート２７を床面３、付加質量Ｍ１３または安定板２
１に固着せしめることができる。

次に油圧シリンダー１４を駆動制御する制御回路１８の
構成を第６図にブロック図で示す。

各所定位置に設置された振動センサー１５．１６．１７
から検出信号は、まずチャージアンプ３１に入力されて
増幅され、ローパスフィルタＬＰＦ３２を経て低周波域
の信号を抽出し、次いでＡ／Ｄコンバータ３３によりデ
ジタル信号として信号処理器３４に各信号が入力される
。

信号処理器３４は制御回路１８の中で最も重要な制御信
号生成の機能を果たすものであり、該制御信号はＤ／Ａ
コンバータ３５に出力されてアナログ信号に変換され、
次いでローパスフィルターＬＰＦ３６を経て低周波域信
号を抽出されパワーアップ３７で増幅されて油圧シリン
ダー１４に駆動信号として出力される。

油圧シリンダー１４は、この駆動信号にしたがって駆動
し付加質量Ｍ１３を加振する。

本実施例は、以上のような構成からなり、全体の系を模
式図で示すと第７図のように表示することができる。

地盤１に立つ建物２の最上層床面３に水平方向に移動自
在に付加質量Ｍ１３が載置され、床面３と一体の固定部
材４１と付加質量Ｍ１３との間に水平方向に作用するバ
ネ４２、ダンパー４３およびアクチュエータ４４が介在
する。

ここにバネ４２とダンパー４３は積層弾性体２０の弾性
および減衰能力に基づくものであり、アクチュエータ４
４は油圧シリンダー１４に相当する。

アクチュエータ４４がない状態ではパッシブな動吸振器
を構成し、アクチエエータ４４が加わって制御回路１８
の制御により駆動されることでアクティブな動吸振器を
構成する。

以下本実施例の制御回路１８による制御方法について説
明する。

制御回路１８は、地盤１に設置された振動センサー１７
の検出信号に基づき３種類の制御方式が採られており、
震度３（地動加速度５０ガル）以下の弱震では完全なア
クティブ制？Ｉｌ（最適レギュレータ制？Ｉｌ）がなさ
れ、震度３から震度５（５０〜２００ガル）までの中震
ではセミアクティブ制ｆＤ（モデルマツチング制？Ｉ）
がなされ、震度５　（２００ガル）以上の強震では変位
制御がなされる。

この３種類の制御方式による建物の見かけの減衰率は第
８図に図示する如くであり、アクティブ制御、セミアク
ティブ制御、変位制御の順に見かけの減衰率は段階的に
減少している。

なお風による外乱を受けるときはアクティブ制御がなさ
れる。

まず弱震のときのアクティブ制御は、付加質量Ｍ１３の
床面３に対する相対変位と相対速度を振動センサー１５
．１６の検出信号から測定すると同時に建物２の地盤１
に対する相対変位と相対速度を振動センサー１５．１７
の検出信号から測定し、建物２の絶対加速度が最小とな
るように、アクチュエータ４４（油圧シリンダ１４）を
駆動制御する最適レギュレータ制御を行う。

大きな振動減衰率を示しく第８図参照）、第９図に示す
如く建物２の揺れの振幅を小さく抑えることができる。

第９図では上段が最適レギュレータ制御をしない場合で
、下段が最適レギュレータ制御をした場合で振幅が大幅
に減少している。

しかしこの最適レギュレータ制御は、建物２の絶対加速
度を最小にしようとするものであり、中震以上の振動（
Ｉｔ度度板以上に対処しようとなると、付加質量Ｍ１３
のストロークに余裕がなくなり、油圧シリンダー１４の
負担が限界を越えるようになるため実現が困難である。

そこで中震においては、建物２の絶対加速度を測定し、
絶対加速度から建物２の固有振動数を同定し、付加質量
Ｍ１３が最適に調整された状態のパッシブな動吸振器の
動きと等しく油圧シリンダ１４を制御するモデルマツチ
制御制御を行なう。

例えば付加質ＩＦＭ１３が最適に調整された状態とは、
動吸振器の減衰比ζｄと固有円振動数ωｄの以下に示す
（１）、（２）式から求めることによって得られる。

ぐｄ　＝　［３ρ／（８（１＋ρ＞　　＞　　］”＋（
０，１３０＋０．１２ρ＋０．４　　ρ２）ζ３−（０
，０１＋０．９　　ρ＋３ρ２）ζ、２−・−・・（１
）ωｄ／ωｇ＝１／（１＋ρ） −（０，２４１＋　１．７４ρ−２，６ρすζ＄−（１
，００−１，９ρ＋ρ２）ζ　１　・−・−（２）ここ
にρ＝Ｍ（付加質量）／Ｍ、（建物の質量ζ、は建物の
減衰比、ωヨは建物の固有振動数である。

このように制御することで、動吸振器１１は付加質量Ｍ
１３を最適に調整されたパッシブな動吸振器の如くに作
動し、建物の見掛けの等価減衰率も相当程度あり（第８
図参照）、建物の振動応答倍率をみると、第１θ図に示
す如く、最適調整前には固有振動数において共振して突
出していた部分（第１０図（ａ））が本モデルマツチン
グ制御により調整後は大幅に減少している（第１０図ら
））。

しかるに震度５を越える強震の場合は、上記モデルマツ
チ制御によっても効果は期待できなくなるので、この場
合は付加質量Ｍ１３の床面３に対する相対変位および相
対速度を測定し、これらの情報を制御回路１８にフィー
ドバックして付加質量Ｍ１３の相対変位が所定の変位を
越えないように制御する変位制御を行なうことで対処す
る。

もしくは付加質量Ｍ１３が一定以上の相対速度および相
対変位をＩｉしたときには、制御を中止し、単にパッシ
ブな動吸振器として使用する。

この場合油圧シリンダ１４の油圧回路を切換えてバイパ
スを設けた絞り弁によって大きな減衰力を発生させ、す
なわち油圧シリンダ１４を減衰器として使用して付加質
量Ｍ１３の変位をできるだけ抑制してもよい。

以上のように本実施例によれば風による外乱および地震
の大きさにより３段階に制御方式を切り替えることによ
り、動吸振器１１の能力を有効に利用して常に最適な振
動抑制効果を得ることができる。

発１坏ｌ丸釆 本発明は、建物用動吸振器装置において、風による外乱
を受ける場合および弱震では最適レギュレータ制御を行
い振動低減効果を向上させ、最適レギュレータ制御が不
能な中震ではモデルマツチング制御を行い最適同調させ
た動吸振器として作用させて小さな制御力で振動を抑制
し、強震では変位制御またはパッシブな動吸振器として
作用させて付加質量の過大変位を防止して安全性を可及
的に高めることができる。

以上のように風の外乱および地震の程度により３段階に
制御方式を切り替えることで地震の大きさによらず常に
動吸振器の能力を最大限に活かして振動を極力抑制する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の振動制御装置を備えた
建物の模式的立面図、第２図は同実施例の動吸振器の正
面図、第３図は第２図の■−■断面図、第４図は積層弾
性体の正面図、第５図は第４図のＶ−■断面図、第６図
は同実施例の制御回路のブロック図を示す図、第７図は
同実施例の全体系の模式図、第８図は同実施例の制御方
法による建物の見かけの減衰率を示す図、第９図は同じ
く振幅変化を示す図、第１０図はモデルマツチング制御
による効果を示す図である。 １・・・地盤、２・・・建物、３・・・床面、１０・・
・振動制御装置、１１・・・動吸振器、１２・・・水平
ばね手段、１３・・・付加質量Ｍ、１４・・・油圧シリ
ンダ、１５゜１６、　ＩＴ・・・振動センサー、１８・
・・制御回路、２０・・・積層弾性体、２１・・・安定
板、２２・・・減衰器、２５・・・エラストマー材、２
６・・・補強板、２７・・・フランジプレート、２８・
・・取付孔、 ３１・・・チャージアンプ、３２・・・ローパスフィル
タＬＰＦ、３３・・・Ａ／Ｄコンバータ、３４・・・信
号処理器、３５・・・Ｄ／Ａコンバータ、３６・・・ロ
ーパスフィルタＬＰＦ、３７・・・パワーアンプ、 ４１・・・固定部材、４２・・・バネ、４３・・・ダン
パー、４４・・・アクチュエータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 建物の屋上またはその近傍階にアクチュエータにより能
   動的制御が可能な動吸振器装置を備え、同動吸振器装置
   の付加質量、建物および地面の各振動を検出する振動セ
   ンサーからの検出信号に基づき前記動吸振器装置のアク
   チュエータを駆動制御する方法において、 震度３程度までの弱震または風による外乱を受ける場合
   は建物の絶対加速度が最小になるようにアクチュエータ
   を制御する最適レギュレータ制御をなし、 震度３から震度５程度までの中震の場合は建物の絶対加
   速度から建物の固有振動数を同定し付加質量部を最適設
   定されたパッシブな動吸振器の動きと等しくアクチュエ
   ータを制御するモデルマッチング制御をなし、 震度５程度以上の強震の場合は付加質量の設置床部に対
   する相対変位が所定の変位を越えないようにアクチュエ
   ータを制御する変位制御またはアクチュエータの制御を
   中止してパッシブな動吸振器として動作させることを特
   徴とする建物用動吸振器装置の制御方法。