JPH0819783B2 - 制振方法及びその装置 - Google Patents

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しに拘らず構造物
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.905
−906等がある）。

ここに本出願人は、このような制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
る制振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制震ではなく、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
された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
きい長周期の大振幅成分（例えば、振幅100cm以上，周
期数10秒以上）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
て、互いに相対変位するこれら構造物と地盤との間で伸
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、検出値から長周期の大振幅成分を除去した後、長周
期の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
から長周期の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、これら互いに相対
変位する地盤と構造物との間で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
号中から長周期の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長周期の大振幅成分を
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
の伸縮変化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、凹部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、
地震時において互いに相対変位するこれら構造物４と地
盤２との間で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は、互いに相対
変位する地盤２側の凹部１の垂直壁1aと、これに相対向
する構造物４の下層部分との間に、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からの入力によって構造物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、これら検出手段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
中から長周期の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、検出信号中から長
周期の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４に動力手
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。

ｍ＋ｃ＋kx＝−ｍ＋Ｆ …（１） m:構造物４固有の質量 c:構造物４固有の減衰係数 k:長周期化手段３の弾発係数 ：構造物４の地盤２に対する相対加速度 ：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 ：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 z: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（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ ｃ＋（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＝０として、動力手段５の伸縮
変位量ｚで式を整理すると、次のように表わされる。

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ｚ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ｚ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及び地動速度を採
用して動力手段５の伸縮変位量ｚ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、ｃ/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及び地動速度を検出する検出手段と
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、ｚ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ｚ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ｚ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（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ）＝ −kaza＋kaz ｚ＝za＋Gf（ｘ＋ｙ） …（５） ｆ（ｘ＋ｙ）:m（＋）＋ｃ（＋） ＋（ｋ＋ka）（ｘ＋ｙ） G:フィードバックゲイン（Ｇ＝1/ka） 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ｚ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御量としては、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ｚ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の検出信号中から長周期の大振幅成分を除
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、このような長周期の大振
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。そして長周期の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に受け持たせることに
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
するハ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
レてしまい、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。そ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を有して、互いに相対変位するこれら構造
物４と地盤２との間で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
出値から長周期の大振幅成分を除去した後、制御手段９
で長周期の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ｚ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、地震力およ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
化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
高い変位制御を制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。 ２…地盤、３…長周期化手段 ４…構造物、５…動力手段 ６…弾発手段、７…検出手段 ９…制御手段、10…フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 寿一 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 鈴木 哲夫 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 関松 太郎 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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   て、互いに相対変位するこれら構造物と地盤との間で伸
   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、該検出値から長周期の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. 【請求項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、これら互いに相対変
   位する該地盤と該構造物との間で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長周期の大振幅成分を除去
   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。