JPH0819784B2 - 制振方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、長周期化された構造物若しくは被支承床を
アクチュエータから加えられる制振力で制振するに際し
て、構造物等に入力される地動変位及び地動速度を予め
検出しまたは地震入力並びにアクチュエータからの制振
力の作用により構造物等に実際に加わっている力及びそ
れに基づく構造物等の応答量を検出して、これら検出諸
量に基づいてアクチュエータを制御するようにした制振
方法に関するものである。

《従来の技術》 地震動等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。ここに、
アクチュエータなどの動力源が有する制振力によって構
造物の揺れを抑制する方法が知られており、この方法の
一般的な適用例は第８図に示すように、構造物固有の振
動モードの腹となる構造物ｂの頂部または中間階にアク
チュエータａが設備されて当該位置でセンサｃからの検
出信号に基づいて制振制御を施すように構成されてい
る。このアクチュエータａは、構造物ｂに固定された固
定ブロックｄと付加振動体ｅとの間に設けられ、構造物
ｂの揺れにより慣性で揺れる付加振動体ｅに反力をとっ
て構造物ｂに制振力を加えるようになっている。このよ
うな構成は、構造物ｂへ入力すべき制振力が比較的小さ
くて済むので好ましいが、反面構造物ｂが高層である等
構造物ｂ自体が長周期性を備えている必要があると共
に、振動抑制効果としても充分なものが得られないとい
う欠点がある。また構造物ｂ内に制振機構が設備される
ため、その延べ床面積を減少させることともなる。

このような実情を考慮してアクチュエータを構造物の
頂部や中間階以外の場所にも設置することを可能とし且
つまた通常長周期性を有しない５〜20階程度の中・低層
構造物をも制振制御の対象構造物とすることができるよ
うに、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構
造物を免振支持するようにした免振構造物が開発されて
いる。この免振構造物では、構造物の直下に介装される
長周期化手段により構造物固有の振動モードの腹を構造
物の下層部分に得ることができ、従って中・低層構造物
をも長周期化することができると共に、この下層位置に
おいて構造物とその外部の地盤との間にアクチュエータ
を設けることができる（日本建築学会論文報告集，第10
3号（昭和39年10月）p.118等がある）。

《発明が解決しようとする課題》 ところで、上述したような免振構造物に対して好まし
い制振効果を発揮させるにあたっては、アクチュエータ
の発生する制振力の適切な制御が重要であり、このアク
チュエータの最適な制御方法の案出が望まれている。ま
た上述の免振構造を構造物内の特定の床構造に適用して
制振することも考えられ、その場合のアクチュエータの
制御も重要である。

本発明の目的は、長周期性を有する免振構造物をアク
チュエータから加えられる制振力で制振するに際し、好
適な制振制御方法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免振支持さ
れた構造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振
するに際して、地盤の地動変位及び地動速度を予め検出
し、これら地動変位及び地動速度により下式によってア
クチュエータの制振力をフィードフォワード制御するよ
うになっている。

式 Ｐ＝−（ｃ＋ky） P:アクチュエータの制振力 ：地動速度 y:地動変位 c:構造物を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物を含む振動系固有の剛性 また本発明は、地盤上に長周期化手段を介して免振支
持された構造物を、アクチュエータが発生する制振力で
制振するに際して、地震入力並びにアクチュエータから
の制振力の作用により構造物に実際に加わっている力及
びそれに基づく構造物の応答量を検出し、これら諸検出
値により下式によってアクチュエータの制振力をフィー
ドバック制御するようになっている。

式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（＋） ＋ｃ（＋）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ P:アクチュエータの制振力 F:構造物に実際に加わっている力 m:構造物を含む振動系固有の質量 c:構造物を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物を含む振動系固有の剛性 ＋：構造物の静止系に対する応答加速度 ＋：構造物の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:構造物の静止系に対する応答変位 また本発明は、構造物の床部分を構成し構造物と共に
振動する構造床上に長周期化手段を介して免振支持され
た被支承床を、アクチュエータが発生する制振力で制振
するに際して、構造床上の応答変位及び応答速度を予め
検出し、これら応答変位及び応答速度により下式によっ
てアクチュエータの制振力をフィードフォワード制御す
るようになっている。

式 Ｐ＝−（ｃ＋ky） P:アクチュエータの制振力 ：構造床の応答速度 y:構造床の応答変位 c:被支承床を含む振動系固有の減衰係数 k:被支承床を含む振動系固有の剛性 また本発明は、構造物の床部分を構成し構造物と共に
振動する構造床上に長周期化手段を介して免振支持され
た被支承床を、アクチュエータが発生する制振力で制振
するに際して、地震入力並びにアクチュエータからの制
振力の作用により被支承床に実際に加わっている力及び
それに基づく被支承床の応答量を検出し、これら諸検出
値により下式によってアクチュエータの制振力をフィー
ドバック制御するようになっている。

式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（＋） ＋ｃ（＋）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ P:アクチュエータの制振力 F:被支承床に実際に加わっている力 m:被支承床を含む振動系固有の質量 c:被支承床を含む振動系固有の減衰係数 k:被支承床を含む振動系固有の剛性 ＋：被支承床の静止系に対する応答加速度 ＋：被支承床の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:被支承床の静止系に対する応答変位 そして、上式のようにアクチュエータの制振力を制御
することにより、構造物若しくは被支承床の制振制御を
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。

本発明は、地震動などの外乱または構造物自体の振動
を検出するセンサを有し、その信号を制振のための制振
信号として用い、外部より制振力を与えることによって
免振支持により長周期化された構造物の地震などによる
揺れを積極的に低減する制振方法に提供する。第１図に
は、本発明の制振方法の実施に採用される装置の概念が
示されており、本装置は主に地動または構造物の揺れの
状態を検出する計測システム（センサ）１と、計測シス
テム１で計測された計測値をデータとしてこれらを処理
する制御システム（制御手段）２と、制御システム２か
らの制御信号に従って構造物３に制振力を加える動力駆
動システム（アクチュエータ）４とから構成される。

構造物３を制振する場合の具体的構成例を説明すると
第２図に示すように、凹部５が区画形成された地盤６上
には、その凹部５内に長周期化手段７を介して構造物３
が建設され、この構造物３は長周期化手段７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７として、適当な高さを有し且つ凹部５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７としては、積層ゴムに限らず、滑り
支承材，ベアリング，ソフトストリー，磁気浮上手段な
どを採用してもよい。また本実施例にあっては、構造物
３と地盤６との間に長周期化手段７と並列にダンパ８が
配設されており、このダンパ８によって相当の振動減衰
効果が得られるようになっている。

このように構成された構造物３と地盤６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３と地
盤６との間で伸縮駆動されて構造物３に制振力を入力す
る動力駆動システム４としての油圧シリンダなどのアク
チュエータ９が設けられる。具体的にはアクチュエータ
９は、互いに相対変位する地盤６側の凹部５の垂直壁5a
と、これに相対向する構造物３の下層部分との間に、ほ
ぼ水平に設けられる。またアクチュエータ９は、構造物
３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。

他方計測システム１としては、次のような二通りの構
成を採用することができる。第１は、地震時の地動（地
盤の地動変位及び地動加速度）を予め検出する第１のセ
ンサ10を、地盤６側に設置しておくシステムである。ま
た第２は、構造物３に実際に加わっている力及びそれに
基づく構造物３の応答量を検出する第２のセンサ11とし
て２つのセンサ11a,11bを用い、地震入力並びにアクチ
ュエータ９からの制振力の作用により構造物３に実際に
加わっている力を検出させるために、一般周知のロード
セル11aをアクチュエータ９の先端に装着してアクチュ
エータ９と構造物３との間に設置し、さらにこれら地震
入力や制振力の作用に基づく構造物３の応答量を検出す
るセンサ11bを構造物３内に設置しておくシステムであ
る。特に、第１のセンサ10を設置する場合には検出され
る検出信号は、後述するフィードフォワード制御に利用
される。他方第２のセンサ11を設置する場合には検出さ
れる検出信号は、後述するフィードバック制御に利用さ
れる。そしてこれらセンサ10,11には、検出信号を増幅
するための増幅器12を介して制御システム２たるコンピ
ュータなどの制御手段13が接続される。この制御手段13
はアクチュエータ９に接続され、各センサ10,11からの
検出信号に応じてアクチュエータ９の制振力を制御する
機能を有する。詳しくは制御手段13は、第１のセンサ10
から検出信号が入力される場合にはその信号に基づいて
アクチュエータ９の制振力をフィードフォワード制御す
るようになっており、他方第２のセンサ11から検出信号
が入力される場合にはその信号に基づいてアクチュエー
タ９の制振力をフィードバック制御するようになってい
る。第４図及び第５図にはそれぞれ本発明の制振方法に
対応させたフィードフォワード制御方式並びにフィード
バック制御方式の回路構成が示されており、フィードフ
ォワード方式では、構造物３に入力される地震振動を第
１のセンサ10で予め検出してこれを制御手段13に入力
し、アクチュエータ９を作動してこの制振力を構造物３
に加えるようになっている。この制御は、制振対象であ
る構造物３の振動特性を制御回路に組込んだ予測制御と
なる。他方フィードバック方式では、地震入力に対して
制振力が加えられた結果の構造物３の応答を第２のセン
サ11で検出し、その検出値を制御手段13に戻して次のア
クチュエータ９の作動に利用するようになっており、構
造物３の振動特性を制御回路に事前に正確に組込む必要
がなく、構造物３の非線形性に対しても追従させること
ができるものである。また、風など構造物３の上方に加
振力が加わるような場合にも有効に機能する。なお、増
幅器12並びに制御手段13の設置位置は、図示のように構
造物３内であっても、地盤６側であっても良い。

次に、上述の免振構造を構造物３内の特定の床構造に
適用して制振する場合の具体的構成例を説明する。第３
図に示すように、構造物３の各階を区画する床部分を構
成し地震時などに構造物３と共に振動する構造床14上に
は、長周期化手段７を介して被支承床15をが載置され、
この被支承床15は長周期化手段７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７とし
て、適当な高さを有し且つ構造床14上に間隔を隔てて配
設された複数の積層ゴムが例示されている。この被支承
床15上には、振動の影響を嫌う電算機などの精密機器16
が搭載される。

このように構成される被支承床15と構造物３との間に
は、地震時において互いに相対変位するこれら被支承床
５と構造物３との間で伸縮駆動されて被支承床15に制振
力を入力する動力駆動システム４としてアクチュエータ
９が設けられる。具体的にはアクチュエータ９は、互い
に相対変位する構造物３側の垂直壁3aと、これに相対向
する被支承床15の端面15aとの間に、ほぼ水平に設けら
れる。またこのアクチュエータ９は、被支承床15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。

地方計測システム１としては、上述した構造物３全体
の制振の場合と同様に、次のような二通りの構成を採用
することができる。第１は、地震時の振動（構造床14の
応答変位及び応答加速度）を予め検出する第１のセンサ
10を、被支承床15が設置されている構造床14上に設置し
ておくシステムである。また第２は、構造物３内の被支
承床15に実際に加わっている力及びそれに基づく被支承
床15の応答量を検出する第２のセンサ11として２つのセ
ンサ11a,11bを用い、地震入力並びにアクチュエータ９
からの制振力の作用により被支承床15に実際に加わって
いる力を検出させるために、一般周知のロードセル11a
をアクチュエータ９の先端に装着してアクチュエータ９
と被支承床15との間に設置し、さらにこれら地震入力や
制振力の作用に基づく被支承床15の応答量を検出するセ
ンサ11bを被支承床15上に設置しておくシステムであ
る。これらセンサ10,11は、上述の構造物３全体の制振
の場合と同様に、第１のセンサ10はフィードフォワード
制御に、また第２のセンサ11はフィードパック制御に利
用される。そしてこれらセンサ10,11には、検出信号を
増幅するための増幅器12を介して制御システム２たるコ
ンピュータなどの制御手段13が接続され、またこの制御
手段13にはアクチュエータ９が接続されて、各センサ1
0,11からの検出信号に応じてアクチュエータ９の制振力
を制御するようになっている。なお、増幅器12並びに制
御手段13の設置位置は上述と同様、構造物３内であって
も、地盤６側であっても良い。

次に制振制御の手法について、構造物３全体の制振の
場合を例に説明する。これは、被支承床15の場合も同様
である。

長周期化手段７によって支持された構造物３にアクチ
ュエータ９の制振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３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＋Ｐ …（１） m:構造物３を含む振動系固有の質量 c:構造物３を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物３の含む振動系固有の剛性 ：構造物３の地盤６に対する相対加速度 ：構造物３の地盤６に対する相対速度 x:構造物３の地盤６に対する相対変位 ：地動加速度 P:アクチュエータ９の制振力 この（１）式は、地盤６に対する構造物３の振動状態
を表記したものであり、地震の場合は地盤６自体も振動
するのでこの地盤６の揺れをも考慮して静止系（絶対
系）に対する振動方程式を立式する場合には、地動変位
ｙと構造物３の地盤６に対する相対変位ｘとを重ね合せ
ることになる。このことに基づいて静止系（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
のように表現される。

ｍ（＋）＋ｃ（＋）＋ ｋ（ｘ＋ｙ）＝ｃ＋ky＋Ｐ …（２） ＋：構造物の静止系に対する応答加速度 ＋：構造物の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:構造物の静止系に対する応答変位 ：地動速度 y:地動変位 このように表現された（２）式は、左辺が上述の構造
物３の絶対系での振動特性を、右辺が地盤６の振動（地
動速度及び地動変位ｙ）並びにアクチュエータ９の制
振力Ｐを含む外力の内容となっている。この右辺の表示
から理解されるように、構造物３を制振するにあたって
は地動との関係でアクチュエータ９の制御を行なえば良
く、これは上述のフィードフォワード制御方式に対する
制御式となっている。そして右辺の内容すなわち外力の
項が０となれば、左辺＝０となって構造物３の絶対応答
が０となる制振、すなわち第６図に示すように地盤６が
いかなる変位を生じても、構造物３は地盤６に対して絶
縁されて元の位置を維持できる制振効果が得られること
になる。換言すれば、第７図に示した伝達率と振動数と
の関係を示すグラフにおいて、通常の振動状態（図中、
Ａ）と異なり、地震のいかなる振動数成分に対しても伝
達率が０となる制振効果を得ることができる（図中、
Ｂ）。

そこで（２）式の右辺＝０として、アクチュエータ９
の制振力Ｐで式を整理すると、次のように表わされる。

Ｐ＝−（ｃ＋ky） …（３） この制御式（３）によれば構造物３が地震の影響を受
けない、すなわち地震入力そのものを打消す制振制御が
実行されることになる。このような制振制御方式によれ
ば、構造物３の絶対系に対する応答量が０となるので、
構造物３は地盤６から絶縁されて空間に静止した状態と
なり、内部の機器などの安全性が確保されることにな
る。なおこの場合には、構造物３と地盤６との間の相対
変位が比較的大きくなるので、積層ゴムや摩擦の小さい
滑り支承などを長周期化手段として採用することが好ま
しい。

以上の説明は構造物３の制振に関するものであるが、
被支承床15の場合には、上記（３）式中のｃを被支承床
15を含む振動系固有の減衰係数とし、ｋを被支承床15を
含む振動系固有の剛性とし、を構造床14の応答速度と
し、ｙを構造床14の応答変位として取扱えば良い。

他方構造物３の応答量を基に制御を行なうフィードバ
ック制御について考えると、この制御法は現在アクチュ
エータ９が構造物３に加えている制振力に対してその後
加えるべき制振力の増分を構造物３の応答量から求めて
制御するものであり、最終的には構造物３の応答量を０
にしてゆく、すなわち上記（２）式の左辺を０に収束さ
せてゆくものである。構造物３で現在検出される応答量
は制振力を入力した結果として上記（２）および（３）
式から、次のように表現される。

−｛ｍ（＋）＋ｃ（＋）＋Ｋ（ｘ＋ｙ）｝ …
（４） この応答量と現在構造物３に実際に加わっている力と
の差が０となるようにアクチュエータ９の制振力を加え
れば、上述したフィードフォワード制御におけると同じ
制振効果を得ることができる。これを式で表わすと、次
のようになる。

Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（＋） ＋ｃ（＋）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ …（５） P:アクチュエータ９の制振力 F:構造物３に実際に加わっている力 m:構造物３を含む振動系固有の質量 c:構造物３を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物３を含む振動系固有の剛性 ＋：構造物３の静止系に対する応答加速度 ＋：構造物３の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:構造物３の静止系に対する応答変位 このように表現された制御式（５）であっても、これ
をフィードバック制御に採用して必要制振力Ｐをできる
限り０に近付けるように制御することにより、上述のフ
ィードフォワード制御の場合と同様な制振効果を得るこ
とができる。

以上の説明は構造物３の制振に関するものであるが、
被支承床15の場合には、上記（５）式中の各制御値を次
のようにして取扱えば良い。

P:アクチュエータ９の制振力 F:被支承床15に実際に加わっている力 m:被支承床15を含む振動系固有の質量 c:被支承床15を含む振動系固有の減衰係数 k:被支承床15を含む振動系固有の剛性 ＋：被支承床15の静止系に対する応答加速度 ＋：被支承床15の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:被支承床15の静止系に対する応答変位 以上説明したように、長周期性を有する免振構造物３
若しくは構造物３内の特定の床構造（被支承床15）をア
クチュエータ９から加えられる制振力Ｐで制振するに際
し、新たに導出された上記（３），（５）式を制御関数
としてアクチュエータ９の制振力Ｐの制御を行なうこと
により、構造物３が地震の影響を受けない、すなわち地
震入力そのものを打消す制振制御を達成することがで
き、このような制振制御方式によれば構造物３の絶対系
に対する応答量が０となるので、構造物３は地盤６から
絶縁されて空間に静止した状態となり、内部の機器など
の安全性が確保されるという優れた制振効果を得ること
ができる。

また地動変位ｙ及び地動速度を検出する第１のセン
サ10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。

《発明の効果》 以上要するに本発明に係る制振方法によれば、地盤上
に長周期化手段を介して免振支持された構造物を、また
は構造物の床部分を構成し構造物と共に振動する構造床
上に長周期化手段を介して免振支持された被支承床を、
アクチュエータが発生する制振力で制振するに際して、
新たに導出された制御関数でアクチュエータの制振力の
制御を行なうことにより、構造物が地震の影響を受けな
い、すなわち地震入力そのものを打消す制振制御を達成
することができ、このような制振制御方式によれば構造
物の絶対系に対する応答量が０となるので、構造物は地
盤から絶縁されて空間に静止した状態となり、内部の機
器などの安全性が確保されるという優れた制振効果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制振方法の実施に採用される装置の概
略構成図、第２図は構造物を制振する場合の具体的構成
図、第３図は免振構造を構造物内の特定の床構造に適用
して制振する場合の具体的構成図、第４図及び第５図は
それぞれ本発明の制振方法に対応させたフィードフォワ
ード制御方式並びにフィードバック制御方式の回路構成
図、第６図は地震に対する構造物の制振効果を説明する
模式図、第７図は本発明の制振方法を採用した場合のグ
ラフ、第８図は従来の制振機構を示す構成図である。 ３…構造物、６…地盤 ７…長周期化手段、９…アクチュエータ 14…構造床、15…被支承床

Claims (4)

【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免振支持さ
   れた構造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振
   するに際して、地盤の地動変位及び地動速度を予め検出
   し、これら地動変位及び地動速度により下式によって上
   記アクチュエータの制振力をフィードフォワード制御す
   るようにしたことを特徴とする制振方法。 式 Ｐ＝−（ｃ＋ky） P:アクチュエータの制振力 ：地動速度 y:地動変位 c:構造物を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物を含む振動系固有の剛性
2. 【請求項２】地盤上に長周期化手段を介して免振支持さ
   れた構造物を、アクチュエータが発生する制振力で制振
   するに際して、地震入力並びに上記アクチュエータから
   の制振力の作用により上記構造物に実際に加わっている
   力及びそれに基づく該構造物の応答量を検出し、これら
   諸検出値により下式によって上記アクチュエータの制振
   力をフィードバック制御するようにしたことを特徴とす
   る制振方法。 式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（＋） ＋ｃ（＋）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ P:アクチュエータの制振力 F:構造物に実際に加わっている力 m:構造物を含む振動系固有の質量 c:構造物を含む振動系固有の減衰係数 k:構造物を含む振動系固有の剛性 ＋：構造物の静止系に対する応答加速度 ＋：構造物の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:構造物の静止系に対する応答変位
3. 【請求項３】構造物の床部分を構成し該構造物と共に振
   動する構造床上に長周期化手段を介して免振支持された
   被支承床を、アクチュエータが発生する制振力で制振す
   るに際して、構造床上の応答変位及び応答速度を予め検
   出し、これら応答変位及び応答速度により下式によって
   上記アクチュエータの制振力をフィードフォワード制御
   するようにしたことを特徴とする制振方法。 式 Ｐ＝−（ｃ＋ky） P:アクチュエータの制振力 ：構造床の応答速度 y:構造床の応答変位 c:被支承床を含む振動系固有の減衰係数 k:被支承床を含む振動系固有の剛性
4. 【請求項４】構造物の床部分を構成し該構造物と共に振
   動する構造床上に長周期化手段を介して免振支持された
   被支承床を、アクチュエータが発生する制振力で制振す
   るに際して、地震入力並びに上記アクチュエータからの
   制振力の作用により上記被支承床に実際に加わっている
   力及びそれに基づく該被支承床の応答量を検出し、これ
   ら諸検出値により下式によって上記アクチュエータの制
   振力をフィードバック制御するようにしたことを特徴と
   する制振方法。 式 Ｐ＝Ｆ−｛ｍ（＋） ＋ｃ（＋）＋ｋ（ｘ＋ｙ）｝ P:アクチュエータの制振力 F:被支承床に実際に加わっている力 m:被支承床を含む振動系固有の質量 c:被支承床を含む振動系固有の減衰係数 k:被支承床を含む振動系固有の剛性 ＋：被支承床の静止系に対する応答加速度 ＋：被支承床の静止系に対する応答速度 ｘ＋y:被支承床の静止系に対する応答変位