JPH0633636A - 制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は構造物の振動モードをより短時間で
推定して動吸振器３への制御量を算出できるよう構成し
た制振装置を提供することを目的とする。 【構成】 ビル２の１階と屋上２ａの２箇所には変位検
出用のセンサ１５ａ，１５ｂが設けられている。制御装
置４のＣＰＵ２５はセンサ１５ａ，１５ｂからの出力信
号によりビル２の振動周波数をカウントし、その積算値
に基づいて振動モードを推定する。そして、センサ１５
ａと１５ｂとの出力差より求められたビル２の屋上２ａ
の変位と振動モードに応じた定数より動吸振器３への制
御量ｕを演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は制振装置に係り、特に付加質量を
変位させて構造物の振動を制振する構成とした制振装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ビル等の構造物においては、地
震あるいは風圧等による振動を制振するための制振装置
が設けられている。この種の制振装置では、主にビルの
質量に応じた所定の重量を有する付加質量を動吸振器が
ビルの振動状態に応じて変位させてビルの振動を制振す
るようになっている。

【０００３】従来の制振装置としては、例えば付加質量
をリニアベアリング等により摺動自在に支持するととも
に、付加質量に螺合するボールねじ等の伝達機構をモー
タ等により駆動し、付加質量が水平方向に往復動される
よう構成された動吸振器を有する装置が考えられてい
る。

【０００４】そして、動吸振器はビルの変位及び速度に
応じた制御量を演算する制御装置からの駆動信号により
モータを駆動制御され、付加質量を移動させる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記制御装置では、ビ
ルの変位をセンサにより検出してその変位に応じた動吸
振器の制御量を求めているため、例えば３０階以上の高
層ビルの場合、各階毎にセンサを設けて各階毎の変位を
検出し、各センサの出力に基づいて複雑な運動方程式の
演算を行ってビルの振動モードの解析をする必要があっ
た。

【０００６】しかも、高層ビルの各階毎にセンサを設置
するには相当な手間及び設備費がかかるので、センサ数
を減らすことが考えられている。又、既に建設されてい
るビルに制振装置を取り付ける場合、各階毎にセンサを
取り付けることが難しく、例えば４〜５階毎にセンサを
設置することが多い。

【０００７】その場合、ビルの階数よりもセンサ数が少
ないため、ビルの数学的モデルに関する微分方程式の解
を求めて各階毎の変位を推定していた。

【０００８】ところが、センサからの出力に基づいて各
階の変位を演算して動吸振器の制御量を求めるのに制御
装置における演算量が著しく大きくなり、演算時間が長
くなってしまうといった課題が生ずる。

【０００９】しかも、センサからの出力に対して制御装
置から動吸振器への出力が遅れるため、動吸振器の制御
動作の応答性が低下するばかりか、逆に動吸振器により
ビルを加振してしまうといった課題がある。

【００１０】そこで、本発明は上記課題を解決した制振
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、多層の構造物
の振動を制振するように質量を駆動する動吸振器と、少
なくとも前記構造物の下層部分と前記構造物の上層部分
とに設けられ、各設置部分の変位を検出するセンサと、
前記各センサの出力により前記下層部分に対する上層部
分の振動周波数を算出する周波数演算手段と、該周波数
演算手段により得られた振動周波数に基づいて前記構造
物の振動モードを判別する判別手段と、該判別手段によ
り判別された振動モードに応じた前記動吸振器の制御量
を算出する制御量演算手段と、よりなることを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】少なくとも構造物の上層部分と下層部分にセン
サがあれば構造物の振動モードを推定することができる
ので、センサ数を減らして制振動作を行えるとともに演
算時間が短縮されて動吸振器の制振動作の応答性を向上
させることが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１乃至図４に本発明になる制振装置の一実
施例を示す。

【００１４】各図中、制振装置１は、大略、構造物とし
てのビル２の屋上２ａに設置された動吸振器３が制御装
置４からの制御信号により制振動作してビル２の水平方
向の振動を制振する。

【００１５】動吸振器３は図２，図３に示す如くビル２
の屋上２ａに設置された基台５上に付加質量６がＸ方向
に摺動する構成であり、付加質量６はビル２の総質量に
対し約０．５％程度の質量を有し、例えば５〜１０トン
程度の重量を有する。そのため、付加質量６は基台５上
のリニアベアリング７により摺動自在に支持されてい
る。

【００１６】又、基台５上にはアクチュエータとしての
ＡＣサーボモータ（以下、モータと言う）８、電磁ブレ
ーキ９が設けられており、モータ８の出力軸８ａはカッ
プリング１０を介して軸受１１，１２に軸承されたボー
ルねじ１３に結合されている。ボールねじ１３は付加質
量６に螺合して貫通している。従って、付加質量６はボ
ールねじ１３の回転により基台５の凹部５ａ内を移動す
る。

【００１７】風圧又は地震によりビル２が振動すると、
制御装置４は後述するように振動の大きさに応じた制御
量を演算して動吸振器３のモータ８へ駆動信号を出力す
る。モータ８は駆動信号の供給によりボールねじ１３を
回転させ、付加質量６をＸ方向（振動方向）に移動させ
る。このとき、発生する付加質量６の慣性力の反作用に
よりビル２の振動が制振される。

【００１８】尚、電磁ブレーキ９は制振モード時オフ状
態であり、電源をオフにされた停止モード時にボールね
じ１３を制動する。

【００１９】ビル２の下層部分と上層部分、例えば１階
の床部分と屋上２ａには、ビル２の振動による変位及び
速度を検出するセンサ１５ａ，１５ｂが設置されてい
る。

【００２０】又、３０階建てのビル２の屋上２ａには、
風速（Ｖ）を計測する風速計１６が設置され、動吸振器
３には付加質量６の変位、速度及び加速度を検出するセ
ンサ１８が設けられている。センサ１５ａ，１５ｂ及び
センサ１８からの各検出信号はサーボアンプ１９ａ〜１
９ｃにより増幅されて減算回路２０に入力される。減算
回路２０では１階の変位及び速度を基準として屋上２ａ
の実質的な変位、及び速度を算出する。つまり、減算回
路２０は屋上２ａのセンサ１５ｂにより検出された変位
及び速度から１階のセンサ１５ａにより検出された変位
及び速度を減算して１階の振動をゼロとしたときの屋上
２ａの振動の大きさを算出する。

【００２１】又、風速計１６からの検出信号はアンプ２
１で増幅されて制御装置４に入力される。

【００２２】２２は地震計で、地面を伝播する地震波を
検出するように地面に埋設されている。尚、地震発生
時、地震計２２からの検出信号はアンプ２３で増幅され
て制御装置４に入力される。

【００２３】制御装置４は入力部としてのＡ／Ｄ変換器
２４、動吸振器３への制御量を演算するＣＰＵ２５、出
力部としてのＤ／Ａ変換器２６、Ｉ／Ｏインターフェイ
ス回路２７を有する。Ａ／Ｄ変換器２４はスイッチ２８
を介して減算回路２０と接続されており、各センサから
の検出信号をデジタル信号に変換してＣＰＵ２５に出力
する。

【００２４】ＣＰＵ２５は後述するようにＡ／Ｄ変換器
２４及びＩ／Ｏインターフェイス回路２７からの各信号
に基づいて動吸振器３の制御量を演算し、Ｄ／Ａ変換器
２６へ出力する。又、Ｄ／Ａ変換器２６から出力された
制御量のデジタル信号はサーボドライバ２９に入力され
ており、サーボドライバ２９はＣＰＵ２５で演算された
制御量に応じた駆動信号としてのトルク指令電流を動吸
振器３のモータ８に出力する。

【００２５】３０はメモリで、制振制御の各プログラム
が格納され、且つ制振制御に必要な各演算の初期値等を
記憶する。例えば、メモリ３０には、図４に示す如くＣ
ＰＵ２５が実行する振動周波数演算プログラム３０Ａ，
振動モード判別プログラム３０Ｂ，制御量演算プログラ
ム３０Ｃ等の各プログラムが記憶されている。

【００２６】３１は電源で、制御装置４及びサーボドラ
イバ２９に接続されており、電源３１とサーボドライバ
２９との間には緊急停止用のスイッチ３２が配設されて
いる。このスイッチ３２は常閉接点を有し、例えば過大
な地震が発生したときＩ／Ｏインターフェイス回路２７
からの停止信号により励磁されて開成する。

【００２７】３４は表示器で、動吸振器３の制御系ある
いは各センサ１５ａ，１５ｂ，１８，風速計１６，地震
計２２等に異常があると、その異常内容等を表示して監
視員に知らせる。

【００２８】３５は警報器で、異常発生時アラームを発
する。

【００２９】次に、上記制振装置１が制振動作する際に
制御装置４のＣＰＵ２５が実行する処理について、図５
を参照して説明する。

【００３０】ＣＰＵ２５は例えば５msec毎に図５の処理
を実行する。

【００３１】尚、制御装置４では予め演算処理を行う際
の初期設定が行われる。設定される初期値としては、例
えばビル２の振動モードの周波数（本実施例では１次モ
ードの振動周波数を０．５Hz、２次モードの振動周波数
を１．５Hz、３次モードの振動周波数を６Hzと設定す
る）及び各振動モード毎の振幅倍率Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ 等
があり、夫々メモリ３０に記憶される。

【００３２】ここで、図５に示す処理の説明をする前に
制御装置４で行う振動モードの判別方法、つまりビル２
の１階と屋上２ａに設けられたセンサ１５ａ，１５ｂか
らの出力信号に基づいてビル２全体の振動状態を推定す
る方法について説明する。

【００３３】まず、ビル２及び動吸振器３を図６に示す
ような力学モデルに置き換えて考える。ビル２がｎ階建
てならば、ｎ個の質量（ｍ_s1〜ｍ_sn）と、各階間を接続
するｎ個のばね（ばね定数Ｋ_s1〜Ｋ_sn）と、各階間の減
衰要素（粘性減衰係数Ｃ_s1〜Ｃ_sn）で構成される力学モ
デルとなる。又、ビル２の屋上２ａ設けられた動吸振器
３は、質量ｍａと制御量ｕとしてモデル化する。

【００３４】尚、本実施例では図６に示すモデルにおい
て推定される各質量の変位Ｘ₁ 〜Ｘ _n を＃Ｘ₁ 〜＃Ｘ_n
と表すことにする。又、推定される各質量の速度は＃Ｘ
₁'〜＃Ｘ_n ' と表し、以下各推定値には＃を付すことに
する。但し、Ｘｉは各階の絶対変位Ｙｉから地上の絶対
変位Ｚを引いたものとする（Ｘｉ＝Ｙｉ−Ｚ）。

【００３５】ここで、状態変位ベクトルを以下《Ｘ》と
表し、ベクトルは《 》で括ることにする。そして、状
態変位ベクトルの推定値を、 《＃Ｘ》＝〔＃Ｘａ，＃Ｘａ’，＃Ｘ₁ ，＃Ｘ₂ …＃Ｘ
_n ，＃Ｘ₁ ’，＃Ｘ₂ ’_,… ＃Ｘ_n ’〕^T としたとき、状態方程式は、 《＃Ｘ’》＝《Ａ》＃Ｘ’＋《Ｂ》ｕ …（１） となる。ここで、上記Ｘａは動吸振器３とビル２の相対
変位である。

【００３６】但し、上記（１）において、

【００３７】

【数１】

【００３８】である。

【００３９】次に、上記モデルにおいて、動吸振器３の
制約条件を考えながらビル２の変位Ｘを最小にするよう
評価関数Ｊを

【００４０】

【数２】

【００４１】と定義し、この条件を満足するようにフィ
ードバックゲイン《Ｆ》を求める。

【００４２】動吸振器３への制御量ｕはこのフィードバ
ックゲイン《Ｆ》に変位《Ｘ》を掛けて、 ｕ＝−《Ｆ》《＃Ｘ》 と表すことができる。

【００４３】又、フィードバックゲイン《Ｆ》は、 《Ｆ》＝Ｒ^-1《Ｂ》^T 《Ｐ》 と表される。

【００４４】そして、行列《Ｐ》はリカッチ方程式 《Ａ》^T 《Ｐ》＋《Ｐ》《Ａ》＋《Ｑ》−《Ｐ》《Ｂ》
Ｒ^-1《Ｂ》^T 《Ｐ》＝０ の解である。

【００４５】従って、動吸振器３の付加質量６を駆動す
るモータ８へ出力される制御量ｕは上記力学モデルにお
いて、 ｕ＝−《Ｆ》《＃Ｘ》 …（８） となる。

【００４６】そして、本発明ではビル２の各階の変位を
次のようにして推定する。

【００４７】高層のビル２においては、図７（Ａ）
（Ｂ）（Ｃ）に示す如く大きく分けて１次、２次、３次
のモードに大別できるので、ビル２の最も変位の大きい
屋上２ａの変位に基づいてビル２の振動モードを判別す
ることにする。

【００４８】即ち、ビル２の屋上２ａの変位は、１次モ
ードのときゆっくりとした速度となり、２次モード、３
次モードになるにつれて速い速度となり、１次モードか
ら３次モードになるにつれて振動周波数が高くなる。よ
って、ビル２の屋上２ａに設けられたセンサ１５ｂの出
力より屋上２ａの振動周波数を検出してビル２の振動モ
ードを判別する。そして、予めビル２の力学モデル（図
６に示す）における各振動モードの振幅倍率Ｐ₁ ，
Ｐ₂ ，Ｐ₃ をシミュレーションにより求め、メモリ３０
に記憶させておく。

【００４９】例えば、ビル２に地震が伝播すると、屋上
２ａの変位（センサ１５ｂの出力）は図８に示すような
物理座標の波形となる。この図８に示す波形をモード座
標の波形に変換すると、図９に示すように振幅倍率と周
波数との線図で表される。

【００５０】図９より１次モードの周波数は０．５Hz，
２次モードの周波数は１．５Hz，３次モードの周波数は
６Hzになることが分かる。

【００５１】又、１次モードにおいては、各階の質量ｍ
_siの推定変位＃Ｘ_i は、 ＃Ｘ_i ＝αｉ（sin ω₁ ｔ＋φ₁ ） …（９） と表すことができる。但し、αｉはシミュレーションに
より得られた各階毎の振幅倍率である。

【００５２】従って、センサ１５ａ，１５ｂからの出力
により上記式（９）より各階の変位が求められる。

【００５３】各階の推定変位＃Ｘ_i は、屋上２ａの変位
Ｘｎのみにより、即ちセンサ１５ａと１５ｂとの出力差
より、 ＃Ｘ_i ＝α_1i’Ｘｎ …（10) と表すことができる。

【００５４】又、２次モードにおいても上記と同様に各
階の推定変位＃Ｘ_i は、 ＃Ｘ_i ＝α_2i（sin ω₂ ｔ＋φ_2i） …（11) と表すことができる。そして、位相をφ₂₀〜φ₂₁〜─〜
φ_2nとすると、 ＃Ｘ_i ＝α_2i’Ｘｎ …（12) と表すことができる。

【００５５】又、３次モードにおいても上記と同様に各
階の推定変位＃Ｘ_i は、 ＃Ｘ_i ＝α_3i’Ｘｎ …（13) と近似することができる。

【００５６】従って、制御装置４はビル２の振動周波数
に基づいて振動モードを判別した後、振動モードに応じ
た上記振幅倍率Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ を選択して制御量ｕを
算出して動吸振器３に出力する。

【００５７】図５において、制御装置４のＣＰＵ２５は
ステップＳ１（以下ステップを省略する）で制振システ
ムの異常チェックを行う。例えば、動吸振器３の制御系
及びセンサ１５ａ，１５ｂ，１８，地震計２２、風速計
１６等の各検出手段に異常がないかどうかをチェック
し、Ｓ２で異常なしの場合はＳ３に移り上記各検出手段
からの検出信号を読み込む。

【００５８】つまり、Ｓ３ではビル２の１階と屋上２ａ
及び動吸振器３の付加質量６の変位、付加質量６の速度
Ｘ₁(K)，Ｘ_n (K) ，Ｘａ(k),Ｘａ(k)'を読み込んで変位
ベクトル《Ｘ》を求める。

【００５９】次のＳ４では、ビル２の屋上２ａが水平方
向に振動し、例えば−方向から＋方向へ変位してゼロ点
を通過したかどうかをチェックする。そのため、Ｓ４に
おいては、センサ１５ｂから出力された読込値Ｘ_n (k-
1) と今回の読込値Ｘ_n (K) とを掛け合わせ、屋上２ａ
の中心点がゼロ点を通過していないときは正の値とな
り、屋上２ａの中心点がゼロ点を通過したときは負の値
となる。

【００６０】従って、Ｓ４で乗算値が正のときはＳ５に
移り周波数カウンタ値を１インクリメントする。次のＳ
６では、周波数カウンタ値により選択された振幅倍率
《Ｐ》より変位《Ｘ》を求める。そして、Ｓ７で上記式
（８）に基づいて制御量ｕを演算して、Ｓ8 で動吸振器
３へ制御量ｕを出力する。

【００６１】この場合、ビル２の屋上２ａの中心点がゼ
ロ点を通過していないので、前回と同じ振幅倍率Ｐｉに
基づいて変位《Ｘ》を求めて制御量ｕを算出する。

【００６２】尚、ビル２が変位していないときは屋上２
ａの変位がゼロなので、Ｓ７で制御量ｕはゼロとなり、
動吸振器３は制振動作を行わない。

【００６３】又、Ｓ４においては、乗算値が負の場合、
Ｓ９に移り周波数カウンタの積算値が１９０以上かどう
かをチェックする。この積算値１９０は、屋上２ａの中
心点がゼロ点を通過してからゼロ点に戻るまでの間の演
算回数であり、１次モードの振動のときは周期が長いの
で、それだけ積算値も大きくなる。

【００６４】つまり、１次モードの周波数を０．５Hzと
した場合、サンプリングの固有周期は０．００５秒ある
ので、１次モードの振動が発生したとき周波数カウンタ
の積算値は２／２×０．００５＝２００となる。しか
し、カウンタ値の誤差を５％として周波数カウンタの１
次判別値を１９０に設定する。

【００６５】ビル２の振動モードが１次モードの場合
は、周波数カウンタが１９０以上となるのでＳ９からＳ
１０に移り振幅倍率《Ｐ》に予めメモリ３０に入力され
ている《Ｐ₁ 》を選択する。

【００６６】次のＳ１１では周波数カウンタをゼロリセ
ットする。その後、前述したＳ６，Ｓ７を実行し周波数
により推定された振動モードに応じた制御量ｕが演算さ
れて動吸振器３へ出力される。そして、動吸振器３では
入力された制御量ｕによりモータ８が駆動されて付加質
量６を制振方向へ駆動する。

【００６７】又、Ｓ９において、周波数カウンタの積算
値が１９０以下のときはＳ１２に移り積算値が６０以上
かどうかをチェックする。

【００６８】２次モードの周波数を１．５Hzとした場
合、固有周期は０．６６６秒あるので、２次モードの振
動が発生したとき周波数カウンタの積算値は０．６６６
／２×０．００５＝６６．６となる。そして、カウンタ
値の誤差を５％として周波数カウンタの２次判別値を６
０に設定する。

【００６９】従って、ビル２の振動モードが２次モード
の場合は、周波数カウンタが６０以上となる。即ち、周
波数カウンタの積算値が６０〜１８９であるときは、ビ
ル２の振動モードが２次モードであると推定できる。そ
のため、Ｓ１２においては周波数カウンタの積算値が６
０以上のときはＳ１３に移り、振幅倍率《Ｐ》を予めメ
モリ３０に入力されている《Ｐ₂ 》を選択してＳ１１，
Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８の処理を実行する。

【００７０】又、Ｓ１２において、周波数カウンタの積
算値が５９以下のときは、ビル２の振動モードが３次モ
ードであると推定してＳ１４に移り、振幅倍率《Ｐ》を
予め３次モード用に設定されている《Ｐ₃ 》を選択して
Ｓ１１，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８の処理を実行する。

【００７１】尚、Ｓ２において、動吸振器３等に異常が
あったときは、Ｓ１５に移り動吸振器３への制御量ｕを
ゼロにする。

【００７２】このように、本実施例ではビル２の振動周
波数をカウントして振動モードを推定することができ、
その推定値に基づいて動吸振器３への制御量ｕを演算す
ることができるので、演算処理時間が短縮され動吸振器
３の制振動作遅れをなくすことが可能となる。

【００７３】しかも、ビル２の上部と下部にセンサ１５
ａ，１５ｂを設けるだけなのでセンサ数が少なくて済
み、高層ビルでも制振装置１の取付費を安価にできると
ともに設置工事が容易となる。特に既存のビルに制振装
置１を取り付ける際には、工期も短くて済むので有利で
ある。

【００７４】尚、上記実施例ビル２の１階と屋上２ａの
２箇所にセンサ１５ａ，１５ｂを設置したが、これに限
らず、２箇所以上にセンサを設けても良いし、あるいは
１階以外のビル下層部分あるいは屋上以外のビル上層部
分に設置するようにしても良いのは勿論である。

【００７５】

【発明の効果】上述の如く、本発明になる制振装置は、
少なくとも構造物の上層部分と下層部分にセンサがあれ
ば構造物の振動モードを推定することができ、センサ数
を減らして取付工事の手間を簡略化して取付費を安価に
できるとともに動吸振器への制御量を短時間で演算する
こができる。そのため、構造物が振動したとき動吸振器
の制振動作が遅れて構造物を加振してしまうことがな
く、動吸振器による制振動作の応答性を高めることがで
きる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる制振装置の一実施例の構成図であ
る。

【図２】動吸振器の正面図である。

【図３】動吸振器の縦断面図である。

【図４】メモリに記憶された項目を示す図である。

【図５】制御装置のＣＰＵが実行するフローチャートで
ある。

【図６】ビルの力学モデルを示す図である。

【図７】力学モデルの振動モードを示す図である。

【図８】ビルが振動したときの振幅と周期との関係を示
す波形図である。

【図９】図８の波形を振幅倍率と周波数との関係に変換
した波形図である。

【符号の説明】

１ 制振装置 ２ ビル ３ 動吸振器 ４ 制御装置 ６ 付加質量 ８ ＡＣサーボモータ １５ａ，１５ｂ，１８ センサ １６ 風速計 ２５ ＣＰＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蔭山 満 東京都清瀬市下清戸４丁目640番地 株式 会社大林組技術研究所内 (72)発明者 松岡 佳子 神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３ 号 トキコ株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多層の構造物の振動を制振するように質
   量を駆動する動吸振器と、 少なくとも前記構造物の下層部分と前記構造物の上層部
   分とに設けられ、各設置部分の変位を検出するセンサ
   と、 前記各センサの出力により前記下層部分に対する上層部
   分の振動周波数を算出する周波数演算手段と、 該周波数演算手段により得られた振動周波数に基づいて
   前記構造物の振動モードを判別する判別手段と、 該判別手段により判別された振動モードに応じた前記動
   吸振器の制御量を算出する制御量演算手段と、 よりなることを特徴とする制振装置。