JP7340832B2 - 振動抑制装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 Ｄｙｎａｍｉｃｓ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１８ 講演論文集，講演番号２２４，一般社団法人日本機械学会，平成３０年８月２０日 Ｄｙｎａｍｉｃｓ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１８ 東京農工大学 小金井キャンパス，平成３０年８月３０日

本発明は、高層建築物の振動の抑制に適する振動抑制装置に関する。

地震動による建築物の振動を抑制する振動抑制装置としては、高層建築物に往復動可能に設置された可動マスと可動マスを駆動するアクチュエータとを備えたアクティブマスダンパがある。

アクティブマスダンパは、建築物が地震動等によって振動する際に、建築物の振動を打ち消すように可動マスを駆動して建築物の振動を抑制するものである。したがって、アクティブマスダンパは、アクチュエータを制御するための制御器を備えている。

たとえば、従来のアクティブマスダンパにおける制御器は、地震計が計測する地震力と、地面に設置されるカメラで建築物の各層に設置される目標マーカを撮影した画像を処理して求めた各層毎の変位とに基づいて、アクチュエータでマスを駆動して建築物に制振力を作用させて振動を抑制する（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００８－０７５２９７号公報

近年、建築物の高層化が進み、超高層ビルと称される高さが１００ｍに及ぶような高層建築物が建築されるようになってきており、国内でも固有周期が長く背の高い高層建築物が増加している。一方、大規模地震では、２秒から２０秒といった長い周期をもつ長周期地震動が発生することが知られ、長い固有周期をもつ高層建築物が長周期地震動によって大きく振動してしまうことから、早期の対策が必要となっている。

従来のアクティブマスダンパでは、都度入力される地震力と建築物の変位を用いて地震力と建築物の変位、速度および加速度の釣り合いを表現する運動方程式を解いて、建築物の振動を抑制する。地震力は、地盤に作用する加速度に他ならないから、加速度センサによって検知されることになる。

ところが、加速度センサは、ゆっくりとした低周波数の振動では大きな加速度が作用せずＳＮ比が小さくなるだけでなく、ドリフト成分の除去が必須で加速度の検知精度が低くなるから、こうした低周波数の振動の検知には不向きである。

よって、加速度センサで地震力を検知して、この地震力を低周波数の振動の抑制にも用いる従来のアクティブマスダンパを高層建築物の振動抑制に利用すると、高層建築物の振動を充分に抑制できない可能性がある。

また、建築物に加速度センサを設置して建築物の振動を検知して制振力を求める振動抑制装置もあるが、加速度センサは、加速度が大きくなる高周波数の振動を拾いやすいので、抑制したい低次モードの振動よりも高次の振動を大きく検知してしまい、アクティブマスダンパが却って高次モードの振動を励起してしまう恐れがある。

そこで、本発明は、高層建築物の振動の抑制に最適な振動抑制装置の提供を目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明の振動抑制装置は、低次モードの固有周期が２秒以上の高層建築物に対して往復動可能に設置される可動マスと、前記可動マスを駆動するアクチュエータとを有して高層建築物の振動を抑制する振動抑制器と、高層建築物と地面との間の変位を検出する変位検出器と、変位検出器で検出した変位のみに基づいて可動マスの変位を指示する制御指令を生成して、高層建築物の低次モードの振動を抑制する制御を行う制御器とを備える。

このように構成された振動抑制装置では、高次モードの振動による高層建築物の変位を遮断して、低次モードの振動によるゆっくりとした大きな振幅の高層建築物の変位を精度よく検出でき、制御器が変位検出器で検出した変位に基づいて高層建築物の低次モードの振動を抑制する制御を行うので、長周期地震動に対しても高層建築物の低次モードの振動を効果的に抑制できる。

また、振動抑制装置は、高層建築物の水平方向の加速度を検知する加速度検出器をさらに備え、制御器が加速度検出器で検出した加速度のみに基づいて高層建築物の高次モードの振動を抑制する制御を行ってもよい。このように構成された振動抑制装置によれば、高層建築物の低次モードから高次モードまで幅広い周波数帯の振動を効率的に抑制できる。

また、振動抑制装置は、変位検出器が高層建築物の最上層と地面との間の変位を検出するように構成されてもよい。このように構成された振動抑制装置によれば、より効果的に高層建築物の低次モードの振動を抑制できる。

さらに、振動抑制装置は、変位検出器が高層建築物のうち高次モードの振動に対して変位が少ない層と地面との間の変位を検出してもよく、このように構成された振動抑制装置によれば、より効果的に高層建築物の低次モードの振動を抑制できる。

また、振動抑制装置は、変位検出器がターゲットと、ターゲットを撮影可能なカメラとを有し、画像処理を利用して変位を検出してもよい。このように構成された振動抑制装置は、安価な装置で変位検出器を構成でき、高層建築物の最上層と地面との間の変位も容易に検出できる。

本発明の振動抑制装置によれば、高層建築物の振動の抑制に最適となる。

一実施の形態における振動抑制装置を高層建築物に適用した図である。 一実施の形態における振動抑制装置の制御器の制御ブロック図である。 一実施の形態における振動抑制装置に変位検出器の構成図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１および図２に示すように、一実施の形態における振動抑制装置１は、高層建築物Ｓの振動を抑制するため、低次モードの固有周期が２秒以上の超高層の高層建築物Ｓに設置されている。

振動抑制装置１は、図１および図２に示すように、高層建築物Ｓに対して往復動可能に設置される可動マス３と可動マス３を駆動するアクチュエータ４とで構成される振動抑制器２と、高層建築物Ｓの最上層Ｓｈと高層建築物Ｓが設置される地面Ｇとの相対的な変位を検出する変位検出器５と、高層建築物Ｓの最上層Ｓｈの水平方向の加速度を検出する加速度検出器６と、制御器７とを備えて構成されている。そして、本実施の形態の制御器７は、変位検出器５が検出する変位と、加速度検出器６が検出する加速度に基づいて振動抑制器２におけるアクチュエータ４へ与える制御指令を生成して振動抑制器２を制御する。

以下、各部について詳細に説明する。図１に示すように、可動マス３は、高層建築物Ｓの最上層に設けたガイドレール８上を走行して往復動できるように設置されている。アクチュエータ４は、たとえば、モータで駆動されるテレスコピック型の電動シリンダとされており、可動マス３を高層建築物Ｓに対してガイドレール８に沿って往復動させる。なお、アクチュエータ４の構成は、前記したものに限定されるものではなく、テレスコピック型の油圧シリンダであってもよい。本例では、アクチュエータ４がモータであるので、アクチュエータ４の回転動力を可動マス３の直線運動へ変換するのに、ボールナットとボール螺子とでなる送り螺子機構を利用しているが、ラックアンドピニオンを利用してもよい。このように本実施の形態では、振動抑制器２は、可動マス３を往復動させることによって高層建築物Ｓの振動を減衰させるアクティブマスダンパとして構成されているが、高層建築物Ｓの振動を抑制させ得る他のシステムを採用してもよい。

変位検出器５は、図３に示すように、高層建築物Ｓの最上層Ｓｈに設置されたカメラ５ａと、地面Ｇのカメラ５ａの撮影範囲に設置されるターゲット５ｂと、画像処理部５ｃとを備えて構成されている。カメラ５ａは、所定のサンプリング周期でターゲット５ｂとともにターゲット５ｂの周辺を撮影して画像データを画像処理部５ｃへ入力する。画像処理部５ｃは、ターゲット５ｂの画像データをテンプレートとして、テンプレートと順次撮影される画像との一致率によってターゲット５ｂの座標位置を求め、高層建築物Ｓが地面Ｇに対して中立位置にある場合にあるべきターゲット５ｂの座標位置とのずれから高層建築物Ｓの地面Ｇに対する変位を求める。

この場合、振動抑制器２がアクティブマスダンパとされているので、変位検出器５は、可動マス３の移動方向に一致する方向における高層建築物Ｓの最上層Ｓｈの変位を検出し、制御器７へ検出した変位を信号として入力する。なお、変位検出器５は、カメラ５ａが撮影した画像内のターゲット５ｂの位置から最上層Ｓｈの変位を求めるので、可動マス３の移動方向以外の変位も検出できるが、制御に必要な可動マス３の移動方向に一致する方向の変位を求めて制御器７へ入力する。

画像処理部５ｃは、前述のようにテンプレートマッチングによって変位を検出するが、粗密探索法を利用すればターゲット５ｂの位置の演算時間を短縮できる。なお、変位検出器５は、カメラ５ａを利用すると、安価に高層建築物Ｓの変位を検出できるが、レーザーや電波を利用して変位を検出するものであってもよい。また、カメラ５ａを地面Ｇに設置して、ターゲット５ｂを高層建築物Ｓの最上層Ｓｈに設置してもよいが、制御器７を振動抑制器２と同じ最上層Ｓｈに設置する場合には配線が容易となるのでカメラ５ａを最上層Ｓｈに設けるとよい。変位検出器５は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）のように高層建築物Ｓの絶対変位を検出してもよく、その場合、制御器７は絶対変位を処理して後述する制御指令を求めてもよい。

なお、カメラ５ａを高層建築物Ｓ側に設ける場合、カメラ５ａの図示しないレンズを下方へ向けられるので、レンズ汚れやレンズへの雨の付着を抑制できる利点がある。また、高層建築物Ｓが吹き抜けを有しており、吹き抜けを通してカメラ５ａからターゲット５ｂを撮影可能であれば、カメラ５ａとターゲット５ｂとを屋内に配置してレンズ汚れや雨の影響を受けないようにできる。また、変位検出器５は、高層建築物Ｓの層間の水平方向の変位を検出してもよい。

加速度検出器６は、高層建築物Ｓの最上層Ｓｈに作用する加速度を検出するべく、高層建築物Ｓに設置されており、検出した加速度は信号として制御器７へ入力される。加速度検出器６の加速度の検出方向は、可動マス３の移動方向に一致させてある。

制御器７は、変位検出器５が検出した変位と加速度検出器６が検出した加速度の信号を受け取ると、これを処理して制御指令を生成して、アクチュエータ４を駆動する。

制御器７は、変位と加速度の入力によって制御指令Ｕを生成する制御指令演算部７ａと、アクチュエータ４を駆動するサーボアンプ７ｂとを備えて構成されている。

制御指令演算部７ａは、本実施の形態では、振動周期が２秒位以上の低次モードの振動と振動周期が２秒未満の高次モードの振動を抑制できるように、低次モードの周波数帯の振動に与える減衰と高次モードの周波数帯の振動に与える減衰とを予め設定してフィードバックによる振動抑制制御を行うコントローラとされている。また、制御指令演算部７ａは、閉ループの応答の収束速度を向上するために適切に極配置されたコントローラとされている。このように、制御指令演算部７ａは、高層建築物Ｓの周期が２秒以上の低次モードの振動の抑制には変位が卓越するので主として変位を用い、高層建築物Ｓの周期が２秒未満の高次モードの加速度が卓越する振動の抑制には主として加速度を用いてフィードバック制御を行って制御指令Ｕを求める。

制御指令Ｕは、可動マス３のストローク中心からの変位を指示する指令であって、サーボアンプ７ｂは、制御指令演算部７ａから制御指令Ｕの入力を受けると、アクチュエータ４を駆動して、可動マス３を制御指令Ｕ通りの位置へ移動させる。

このようにして、可動マス３が駆動されると、可動マス３は高層建築物Ｓの振動に対してこの振動を減衰させ得る位相と振幅で往復動して、高層建築物Ｓの振動を抑制する。

なお、制御指令演算部７ａは、変位検出器５が検出した高層建築物Ｓの最上層Ｓｈの変位から高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制するためのアクチュエータ４の操作量を求め、加速度検出器６が検出した加速度から高層建築物Ｓの高次モードの周波数帯の加速度を抽出し、抽出した加速度から高層建築物Ｓの高次モードの振動を抑制するためのアクチュエータ４の操作量を求めて、二つの操作量から制御指令Ｕを求めるものであってもよい。

前述したように振動抑制装置１は、低次モードの固有周期が２秒以上の高層建築物Ｓに設置されて高層建築物Ｓの振動を抑制する振動抑制器２と、高層建築物Ｓと地面Ｇとの間の変位を検出する変位検出器５と、変位検出器５で検出した変位に基づいて高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制する制御を行う制御器７とを備えて構成されている。

低周波数の地震動が入力される場合、高層建築物Ｓの低次モードの振動は極低周波数の振動となるがその振幅が大きくなるため、変位検出器５は、大きな変位を検出できる。また、高層建築物Ｓは、低次モードより周波数が大きな高次モードの振動で変位が小さくなる。よって、低次モードの固有周期が２秒以上の高層建築物Ｓの変位を変位検出器５で検出すると、変位検出器５は、低次モードの振動による変位をよく検出するが、高次モードの振動による変位を検知しにくい。つまり、変位検出器５は、高次モードの振動による高層建築物Ｓの変位を遮断して、低次モードの振動によるゆっくりとした大きな振幅の高層建築物Ｓの変位を精度よく検出できる。

そして、本実施の形態の振動抑制装置１では、制御器７が変位検出器５で検出した変位に基づいて高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制する制御を行うので、低次モードの固有周期が２秒以上の高層建築物Ｓをゆっくりではあるが大きく振幅させるような振動を与える長周期地震動に対しても高層建築物Ｓの低次モードの振動を効果的に抑制できる。したがって、本実施の形態の振動抑制装置１によれば、高層建築物Ｓの振動の抑制に最適となる。

また、本実施の形態の振動抑制装置１は、高層建築物Ｓの水平方向の加速度を検知する加速度検出器６をさらに備え、制御器７が加速度検出器６で検出した加速度に基づいて高層建築物Ｓの高次モードの振動を抑制する制御を行う。加速度検出器６は、高層建築物Ｓの低次モードの振動による極小さな加速度を拾いにくいものの、高次モードの振動による加速度については検出しやすい。また、加速度検出器６で検出した高次モードの振動による加速度のＳＮ比は大きく、この加速度をドリフト成分の除去のためにハイパスフィルタで処理しても高周波数の高次モードの振動による加速度成分は除去され辛い。よって、加速度検出器６は、高層建築物Ｓの高次モードの振動の加速度をノイズ等の影響も少ない加速度として検出できる。そして、本実施の形態の振動抑制装置１では、制御器７が変位検出器５で検出した変位に基づいて高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制する制御に加えて、加速度検出器６で検出した加速度に基づいて高層建築物Ｓの高次モードの振動を抑制する制御を行うので、高層建築物Ｓの低次モードから高次モードまで幅広い周波数帯の振動を効率的に抑制できる。

また、変位検出器５に異常があった場合に、加速度検出器６で検出した加速度を低次モードの振動を抑制する制御に利用するように制御器７を設定しておくこともできる。このように設定された振動抑制装置１によれば、変位検出器５に異常があっても従来の振動抑制装置と同等の振動抑制効果は得られ、振動抑制制御を継続できる。なお、加速度検出器６に異常があった場合には、振動抑制装置１は、変位検出器５で検出する変位によって低次モードの振動を抑制する制御のみを行えばよい。変位検出器５および加速度検出器６の異常の検知については、たとえば、自己診断機能を備えた変位検出器５および加速度検出器６を用いればよい。

また、本実施の形態の振動抑制装置１は、変位検出器５が高層建築物Ｓの最上層Ｓｈと地面Ｇとの間の変位を検出している。このように変位検出器５で最上層Ｓｈと地面Ｇとの間の変位を検出する場合、高層建築物Ｓのうち地面Ｇに対して最大振幅するのが最上層Ｓｈであるので、変位検出器５での変位検出が容易となる。さらに、変位検出器５は、最上層Ｓｈの地面Ｇに対する相対的な変位を検出する。高層建築物Ｓが地面Ｇに対して相対的にどの程度振動しているのかを把握することができないが、変位検出器５で高層建築物Ｓと地面Ｇとの相対的な変位を検出できるから、高層建築物Ｓの実際の振動状態にあった振動抑制制御を行うことができる。したがって、このように構成された振動抑制装置１によれば、より効果的に高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制できる。

なお、変位検出器５は、高層建築物Ｓのうち高次モードの振動に対して変位が少ない層と地面Ｇとの間の変位を検出してもよい。変位検出器５が高次モードでの振動が少ない層と地面Ｇとの間の変位を検出すれば、変位検出器５は、低次モードの振動による変位成分が主となる変位を検出できるので、より精度よく低次モードの振動による変位を検出できる。したがって、このように構成された振動抑制装置１によれば、より効果的に高層建築物Ｓの低次モードの振動を抑制できる。

また、本実施の形態の振動抑制装置１は、変位検出器５がターゲット５ｂと、ターゲット５ｂを撮影可能なカメラ５ａとを有し、画像処理を利用して変位を検出する。このように構成された振動抑制装置１は、カメラ５ａとターゲット５ｂと画像を処理する画像処理部５ｃといった安価な装置で変位検出器５を構成でき、高層建築物Ｓの最上層Ｓｈと地面Ｇとの間の変位も容易に検出できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、及び変更が可能である。

１・・・振動抑制装置、２・・・振動抑制器、５・・・変位検出器、５ａ・・・カメラ、５ｂ・・・ターゲット、６・・・加速度検出器、７・・・制御器、Ｇ・・・地面、Ｓ・・・高層建築物

Claims (5)

1. 低次モードの固有周期が２秒以上の高層建築物に対して往復動可能に設置される可動マスと、前記可動マスを駆動するアクチュエータとを有して前記高層建築物の振動を抑制する振動抑制器と、
   前記高層建築物の層間の変位或いは前記高層建築物と地面との間の変位を検出する変位検出器と、
   前記変位検出器で検出した変位のみに基づいて前記可動マスの変位を指示する制御指令を生成して、前記高層建築物の前記低次モードの振動を抑制する制御を行う制御器とを備えた
   ことを特徴とする振動抑制装置。
2. 前記高層建築物の水平方向の加速度を検知する加速度検出器をさらに備え、
   前記制御器は、前記加速度検出器で検出した加速度のみに基づいて前記高層建築物の高次モードの振動を抑制する制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動抑制装置。
3. 前記変位検出器は、前記高層建築物の最上層と前記地面との間の変位を検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動抑制装置。
4. 前記変位検出器は、前記高層建築物のうち高次モードの振動に対して変位が少ない層と前記地面との間の変位を検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動抑制装置。
5. 前記変位検出器は、ターゲットと、前記ターゲットを撮影可能なカメラとを有し、画像処理を利用して前記変位を検出する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動抑制装置。

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