(57)【要約】      （修正有）【課題】強風時・長周期地震時に居住性を損なう程度の揺れを感じる既存大型構造物においてその現状を的確に把握した上で効果的に振動低減を図る制振装置を提供する。【解決手段】既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器（ＡＭＤ）と、前記質量マスを駆動制御する制御装置と、を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、前記アクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、制御装置によりＡＭＤの質量マスを駆動制御して既存大型構造物の制振を行う。【選択図】図１
0003143970.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、
このアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御する制御装置と、
を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、
前記アクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、
前記制御装置は、前記応答加速度によって仕様を決定し製作された現代制御理論に基づくソフトを含むものであること、
を特徴とする既存大型構造物の制振装置。
【請求項２】
既存大型構造物の設置現場に所定の配置で設置された２台の質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、
この２台のアクティブ動吸振器の質量マスを各々駆動制御する制御装置と、
を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、
前記２台のアクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速風向計、加速度計を用いた風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する一次等価マス、一次固有値、等価減衰等の固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、
前記制御装置は、前記応答加速度によって仕様を決定し製作された現代制御理論に基づくソフトを含むものであること、
を特徴とする既存大型構造物の制振装置。
【請求項３】
既存大型構造物の設置現場に所定の配置で設置された２台の質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、
この２台のアクティブ動吸振器の質量マスを各々駆動制御する制御装置と、
を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、
前記２台のアクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速風向計、加速度計を用いた風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する一次等価マス、一次固有値、等価減衰等の固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであって、床面上に設置する基台と、基台上に設置したＸ方向架台と、Ｘ方向架台上に配置した平行一対構成のＸ方向レールと、Ｘ方向架台上に配置した２台のＸ方向モータと、Ｘ方向モータによりＸ方向架台上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マスと、Ｘ方向レール上にＹ方向に沿って配置したＹ方向架台と、Ｙ方向架台上に配置した平行一対構成のＹ方向レールと、Ｙ方向架台上に配置した一台のＹ方向モータと、Ｙ方向レール上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータによりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マスと、加速度センサーと、を有し、
前記制御装置は、前記応答加速度によって仕様を決定し製作された現代制御理論に基づくソフトを含み、フィードバック制御により２台のアクティブ動吸振器のＸ方向質量マス、
Ｙ方向質量マスを各々制御するものであること、
を特徴とする既存大型構造物の制振装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、既存大型構造物（特に高層・超高層ビル等）の強風時、長周期地震時の安全性、居住性を効果的に改善する既存大型構造物の制振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、日本においては高層・超高層ビル等の新設大型構造物については地震時、強風時の安全性、居住性を効果的に改善・向上するために、構造物の設計当初から振動低減のため下記のような制振（震）装置（エネルギー吸収装置、マスダンバー）等が計画、検討されており、数多く設置もされている。
【０００３】
制震装置（エネルギー吸収装置）は、原理的に粘性、粘弾性、弾塑性又は摩擦等を利用するものであり、また、制振装置（マスダンパー）は、パッシブ型、セミアクティブ型、アクティブ型等が存在する。
【０００４】
通常、高層・超高層構造物は、地震荷重よりも風荷重で構造強度が決まってくるので、強風時の振動低減対策が重要となる。
【０００５】
また、大都市の既存高層・超高層構造物は、深さ約数キロメートルの堆積層の上に建築されているため、遠隔地で大きな地震が発生した時、大都市では短周期成分は距離減衰で消滅し長周期成分しか残らなくなり、その振動が高層・超高層構造物に伝達されて居住者にとっては不快な揺れを与えることになる。
【０００６】
例えば東京の例では、北海道の地震、鳥取の地震、最近では新潟県中越沖地震等の影響で既存の高層・超高層ビルが数秒の長周期地振動と共振し居住性を損なうという事態が起きている。
【０００７】
このように既存の高層・超高層構造物の一部は強風時、長周期地震時には振動問題を抱えた状態で存在していることになる。
【０００８】
上述の通り新設大型構造物の場合では、地震対策としての制震、強風対策としての制振装置は多く設置されているが、例えばエネルギー吸収装置である制震装置（質量数百キロ程度）を既存構造物内部に設置する場合には、室内空間確保のため壁の中に仕込むので改修、設置工事が大掛かりになる。
【０００９】
また、建物外部に設置する場合には、大きな反力を受けるので基礎工事が十分にされることが必要となり敷地が狭い場合には施工が困難になる。
【００１０】
上記の如く高層・超高層ビルでは地震荷重より風荷重が構造強度に影響を大きく与えるので、制震、制振装置は寿命や性能の観点から多くの場合風振動対策として積極的に採用されないことが多い。
【００１１】
また、既存大型構造物に対してのパッシブ制振装置の場合には、可動マス質量の大きさは対象構造物の振動質量に対して質量比１％〜３％が性能上必要であり数十トンから数百トンになるため、居住者・周辺環境との関係から十分な施工計画の基で短期間で完了する必要が有ること、このように大きな質量のため設置する床の補強が十分検討されていること、更に一番重要なことであるが、非常に高い設置場所（通常は屋上付近）までの揚重が行われるため、装置の分割、組立が安全、かつ、容易に、しかも精度良くできること等が必要となる。
【００１２】
通常、新設大型構造物については、例えば強風時の居住性を高めるための制振装置は構造物の設計段階の与条件で検討する。すなわち、必要となる制振装置の設計仕様の決定は対象物件の計画値で行うことになる。
【００１３】
当然のことながら、制振装置は実際の構造物の振動特性が分かっていない時点での設計となるため、十分に効果を発揮するためには竣工後構造物の振動特性の把握は必ず必要となり、最終的には制振装置設置後、制振装置の再調整を行うことになる。
【００１４】
また、設計時の装置仕様が竣工後に大概変わることから、装置の再製作、設置工事が必要となる点を考慮し、設計段階で予め装置の調整範囲を予想しており、予想外の調整範囲となった場合には更に制振装置の修正・改良や部品の追加手配等が必要となり、不経済である。
【００１５】
更に、パッシブ制振装置の場合には、装置設置後の対象構造物付加減衰の大きさは約７％程度であり、この場合加速度低減率は１／２．６５となる。
また、構造物の振動特性が分からないと装置の最適減衰や最適振動数を決めることができないので性能的には不安が残る。
【００１６】
構造物頂上部付近に設置される装置施工は、上述の通り新設の場合には通常構造物の柱・梁等の施工時に使用する重機を使用することになるが、大部分は柱・梁サイズや大型設備機械で決められる重機の能力及び現場環境により装置の設計そのものが制限される。
【００１７】
しかし、既存の超高層構造物の場合には特別の重機を使用する必要から、その分割方法や組立精度及び短期間での工事完了のため、格別の工夫と施工技術が必要になる。このように色々な問題（特に性能上・現場施工上・構造物の補強技術上等の諸問題）があり対策が困難となっており、実際の施工例は存在しない。
【００１８】
上述のように、新築ではなく既存大型構造物（例えば高さ６０ｍ以上の高層・超高層ビル）の場合には、強風時、長周期地震動に対する振動低減対策がされた例が無く、多くの超高層構造物は問題・不安を抱えた状態である。
【００１９】
すなわち、既存超高層ビルに対しては、上述したように強風時、最近話題になってきている長周期地震動に対しての対策手法も確立されてない等、居住性改善のための振動低減対策は実施されていない。
【００２０】
特許文献１には、建物に対して相対移動可能な所定重量の付加質量体をアクチュエーターにより駆動させて建物に制御力を与えるアクティブ動吸振器を、建物の上層部と中層部にそれぞれ設置し、この上層部と下層部の相対運動をセンサーにより検出し、前記上層部と中層部のアクティブ動吸振器に前記相対運動に比例した逆位相の制御信号を入力することで建物の制振を行うように構成したアクティブ動吸振器による制振方法が提案されている。
【００２１】
この制振方法の場合、アクティブ動吸振器を用いるものではあるが、既存建物の風等に対する振動応答性の解析、アクティブ動吸振器の設計、製作、搬入、組み立て、性能試験等の一連の過程までは配慮されていない。
【特許文献１】特開平７−２６７８４号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【００２２】
本考案が解決しようとする問題点は、強風時・長周期地震時に居住性を損なう程度の揺れを感じる既存大型構造物においてその現状を的確に把握した上で効果的に振動低減を図る制振制振装置が従来存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本考案は、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、このアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御する制御装置と、を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、前記アクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、前記制御装置は、前記応答加速度によって仕様を決定し製作された現代制御理論に基づくソフトを含み、前記制御装置によりアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御して既存大型構造物の制振を行うことを最も主要な特徴とする。
【考案の効果】
【００２４】
請求項１乃至３記載の考案によれば、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作したアクティブ動吸振器及び現代制御理論に基づくソフトを含む制御装置によって、既存の大型構造物に対する効果予測を経て、既存大型構造物の強風等に伴う振動低減を実現し、居住性改善を実現できる既存大型構造物の制振装置を提供できる。
【００２５】
この場合に、風速風向計、加速度計による風速、風向、加速度の測定、既存大型構造物の設置現場の床への２台のアクティブ動吸振器とフィードバック制御を行う制御装置の設置等の手段を通じて既存大型構造物に最適の既存大型構造物の制振装置を提供できる。また、アクティブ動吸振器（ＡＭＤ）は、ＴＭＤやＨＭＤに比べ、質量は１／３程度で構成でき、制御系を効率的に設計することで、部品点数の削減、揚重、床補強の設計、施工の簡略化、工期の短縮化等によりトータルコストを低減でき、かつ、既存大型構造物の居住者の負担軽減をも図ることができる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２６】
本考案は、強風時・長周期地震時に居住性を損なう程度の揺れを感じる既存大型構造物においてその現状を的確に把握した上で効果的に振動低減を図る制振装置を提供することを目的とする。
【００２７】
本考案は、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、このアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御する制御装置と、を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、前記アクティブ動吸振器は、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物の解析モデルとに基づき既存大型構造物に関する固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、前記制御装置は、前記応答加速度によって仕様を決定し製作された現代制御理論に基づくソフトを含み、前記制御装置によりアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御して既存大型構造物の制振を行う構成により上記目的を実現した。
【実施例】
【００２８】
以下に、本考案の実施例に係る既存大型構造物の制振装置について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
本実施例の既存大型構造物の制振装置は、強風時・長周期地震時等において、高層・超高層構造物等の既存大型構造物の居住性を向上するための効果的な対策として、対象構造物に大きな負荷減衰を付与するものである。
【００３０】
本実施例に係る既存大型構造物１の制振装置は、ＡＭＤ１１の質量は小さいが性能が良く、従って、床補強工事、装置の移動組み立て等が容易であり、短期間、かつ、高精度で既存高層・超高層構造物のような既存大型構造物１の強風等に伴う振動低減を図り居住性改善を実現できる制振システム、制振装置、ＡＭＤ１１を提供するものである。
【００３１】
すなわち、本実施例では、制振手段として、パッシブ制振装置ではなくＡＭＤ１１（アクティブマスダンパー（アクティブ動吸振器））を使用して図１８に示す既存大型構造物１の強風等に伴う振動低減を実現するものである。
【００３２】
また、本実施例に係るＡＭＤ１１は、質量比（＝可動マス／振動質量）は０．６％程度なのでパッシブ制振装置に比較して質量は１／２乃至１／６程度で済む。更に付加減衰は１６％から２０％強になるので加速度低滅率も１／３．９乃至１／４．５となり、大きな振動低減効果を得ることができる利点がある。
【００３３】
更に、本実施例に係るＡＭＤ１１は、既存大型構造物１の現状測定としての詳細は後述する風速風向計２、加速度計３を用いた風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物１の解析モデルとに基づき既存大型構造物１に関する一次等価マス、一次固有値、等価減衰等の固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物１の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、実際の既存大型構造物１の強風等に伴う振動特性を反映させた高性能の振動低減機能を発揮するものである。
【００３４】
一般的な既存高層・超高層ビルを想定した場合、制振装置（ＡＭＤ：アクティブマスダンパー：アクティブ動吸振器）を使用して効果的に強風等による振動を低減するために必要な事項は概ね下記の通りである。
【００３５】
（１）営業中・居住中を前提とした施工方法の構築（特に納期・振動・騒音に対して）
（２）建物振動特性の把握（既存構造物の加振試験、或いは常時微動測定による振動質量・振動数・減衰等（実測値による））
（３）その結果に基づく風洞試験を行うと同時に計算による設置後の結果推定
（４）上記（３）で得られた結果に基づく装置仕様確定・装置設計（無駄な設計を無くし経済性を向上）・装置製作
（５）現場補強のための解析技術と補強方法の検討
（６）現場における装置の搬入・揚重等の計画
（７）現場施工
（８）効果確認試験
【００３６】
なお、既存超高層ビル等が振動対策されない理由は、構造物床の補強工事、補強部材の搬入、装置の揚重、設置（組立）等制約条件が多いことに起因すると思われる。逆に言うと、実施するには上述しただけの作業が必要と言うことである。
【００３７】
以下に本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置について具体的に説明する。本実施例においては、図１に示すように、以下の処理過程ステップＳ１Ａ乃至Ｓ１０により既存大型構造物に対する振動低減対策を実現するものである。
【００３８】
すなわち、本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置は、
既存建物の現状測定（ステップＳ１Ａ）
建物解析モデル作成（ステップＳ１Ｂ）
風荷重の作成（ステップＳ１Ｃ）
固有値解析（ステップＳ２）
建物風の応答解析（ステップＳ３）
制振装置設計（ステップＳ４）
制振装置製作（ステップＳ５）
工場試験（ステップＳ６）
解体・搬入（ステップＳ７）
現場設置・調整（ステップＳ８）
現場性能確認試験（ステップＳ９）
維持管理（ステップＳ１０）
【００３９】
以下に各処理過程について詳述する。
【００４０】
まず、既存大型構造物の現状測定を実行する（ステップＳ１Ａ）。
図２に示すように、既存大型構造物１の例えばヘリポート階上例えば３．５ｍの高さの位置に風速風向計２を設置し、この既存大型構造物１に対する最大風速（瞬間）、平均風速（１０分）及び風向（度）を測定する。
【００４１】
実際の測定結果を図３、図４に示す。図３は風速風向計２により測定した１７時間分の最大風速（瞬間）（ｍ／ｓ）、平均風速（１０分）（ｍ／ｓ）の測定結果を示すものである。図４は、同じく１７時間分の風向き（度）の測定結果を示すものであり、風速風向計２により上述した場合と同様１７時間にわたって計測した風向データ（１０分毎に集計）である。
【００４２】
また、既存大型構造物１の例えば屋上塔の隅部の測定点２箇所及び中央部に、図５、図６、図７に示すように、合計３個の加速度計３を設置し、既存大型構造物１のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の各振動に伴う加速度を測定する。
【００４３】
加速度計３の他に、図示しないがカットオフ周波数５Ｈｚのローパスフィルタ、データロガーを使用し低周波数大域、微振動測定可能な仕様が選定される。
【００４４】
また、加速度計３を使用して測定した大型構造物１の風による振動に伴うＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の各加速度データを図８、図９に示す。
【００４５】
図８は、平均風速（１０分）（ｍ／ｓ）に対応する既存大型構造物１における７００（ｓｅｃ）分のセンターねじれＸ方向、隅Ｘ方向、隅Ｙ方向の加速度の時間経過を示している。
【００４６】
図９は、最大風速（瞬間）（ｍ／ｓ）に対応する既存大型構造物１における７００（ｓｅｃ）分のセンターねじれＸ方向、隅Ｘ方向、隅Ｙ方向の加速度の時間経過を示している。
【００４７】
なお、後述する居住性評価は通常再現期間として一年間の最大加速度を用いるため、最低限一年の観測が必要である。
【００４８】
図１０は、図示しないスペクトラムアナライザーを用いて解析した既存大型構造物１のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の４種類（ケース１乃至ケース４）の振動周波数データを、図１１は、図１０に示すケース１の場合の既存大型構造物１のセンターＸ方向、隅Ｘ方向及び隅Ｙ方向の周波数−振幅特性を示すものである。
【００４９】
次に、既存大型構造物１の解析モデルを作成する（ステップＳ１Ｂ）。すなわち、図１２に示すような既存大型構造物１の力学的な解析モデルを作成する。
【００５０】
この解析モデルは、Ｘ，Ｙ方向の並進一次モードと、ねじれ一次モードとからなる三自由度系である。そして、この解析モデルの平面二箇所にＡＭＤの二方向の制御力が作用するようにする。
【００５１】
これにより、ねじれに対してはＸ，Ｙ方向それぞれの制御力を同時に作用させることができる。
【００５２】
次に、既存大型構造物１に対する理論的な風荷重の作成を行う（ステップＳ１Ｃ）。
【００５３】
具体的には、
基準風速の決定
粗度区分の選定
鉛直方向分布係数の決定
再現期間の決定
再現期間換算係数の算定
設計風速の算定
設計速度圧の算定
風力係数の決定
ガスト影響係数の決定
風荷重の算定
等の検討を行い、各々理論的な値を設定する。
【００５４】
次に、既存大型構造物１の固有値解析を行う（ステップＳ２）。
【００５５】
すなわち、上述したステップＳ１で実測した既存大型構造物１の風速、風向、加速度の各データと、ステップＳ１Ｂで作成した解析モデルを使用して、その固有値を解析する。
【００５６】
この場合、既存大型構造物１の固有値解析に際しては、ＡＭＤの一次等価マス、一次固有値、等価減衰仮定、１質点系に置換（風荷重の場合）等について検討し解析する。
【００５７】
次に、既存大型構造物１の建物風応答解析を行い、風による応答加速度の推定を行う（ステップＳ６）。
【００５８】
この場合に、風に関しては上述したステップＳ２で解析した固有値のデータを用い、また、１０分間平均風速、最大風速、１年期待値、５年期待値、５０年期待値、１００年期待値等の点を考慮して応答加速度の推定を行う。
【００５９】
更に、ＡＭＤの設置有無による比較を行うために、既存大型構造物１の模型を作成して、その振動特性を考慮しての風応答の解析を行う。この場合、風洞試験を行うことで、既存大型構造物１のための精度の高い予測を得ることができ、正確な評価が可能となる。
【００６０】
このようにして、既存の大型構造物１に設置するＡＭＤ、制御装置の装置仕様を決定する。
【００６１】
次に、ＡＭＤ、制御装置の設計を行う（ステップＳ４）。すなわち、上述のようにしてＡＭＤ、制御装置の装置仕様を決定した後、下記の点を考慮しつつ計画図面、製作図面の作成、設置場所のスペース検討等を行い、ＡＭＤ、制御装置を設計する。
【００６２】
すなわち、ＡＭＤの質量マスの大きさとしては、制御対象となる１次振動モードの一般化質量が建物質量の１／３程度と仮定すると、１次振動モードの一般化質量に対して凡そ０．６％程度の付加錘質量と推定される。
【００６３】
また、質量マスのストロークの大きさや、制御系について検討する。
【００６４】
更に、制御系の設計に関しては、下記数１の運動方程式、数２の特性式、更には、運動方程式を状態方程式に書き換える式、最適レギュレータを得るためのフィードバック制御系等について考慮する。
【００６５】
【数１】
0003143970.tif 000003
【００６６】
【数２】
0003143970.tif 000004
【００６７】
次に、制振装置４を構成する２台のＡＭＤ１１と、制御装置１２の製作を行う（ステップＳ５）。この場合、必要電気容量、構造強度、稼動時の騒音等を考慮する。ここで、ＡＭＤ１１、制御装置１２について図１３乃至図１６を参照して具体的に説明する。
【００６８】
ＡＭＤ１１は、図１３乃至図１５に示すように、床面上に設置する基台２０と、基台２０上に設置したＸ方向架台２１と、Ｘ方向架台１２上に配置した平行一対構成のＸ方向レール２２と、Ｘ方向架台２１上に配置した２台のＸ方向モータ２３と、Ｘ方向モータ２３によりＸ方向架台１２上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マス２４と、Ｘ方向レール２２の上方で、Ｙ方向に沿って配置したＹ方向架台２５と、Ｙ方向架台２５上に配置した平行一対構成のＹ方向レール２６と、Ｙ方向架台２５上に配置した一台のＹ方向モータ２７と、Ｙ方向レール２６上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータ２７によりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マス２８と、加速度センサー２９と、を有している。
【００６９】
前記ＡＭＤ１１としては、例えばアクティブ式の例を挙げることができる。また、モータ制御のアクティブ式であれば、本機構に限定されず、パッシブ機構（ばね要素、減衰要素）を組み合わせたハイブリッド式でも可能である。
【００７０】
制御装置１２は、図１６に示すように、前記加速度センサー２９の検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３１と、制御ソフト（大概は現代制御理論に基づくソフト等）を格納したメモリ３２と、前記加速度センサー２９の検出信号と制御ソフトに基づいてＸ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部３０と、Ｘ方向の制御信号に基づき２台のＸ方向モータ２３を往復駆動するＸ方向駆動部３３と、Ｙ方向の制御信号に基づきＹ方向モータ２６を駆動するＹ方向駆動部３４とを具備している。
【００７１】
これらの基幹技術は、
１  制御対象構造物が強風等の外乱を受けて応答する（振動解析技術）
２  計測装置である加速度センサーがこの応答を計測し（一般には応答の一部、場合によっては外乱も応答とともに計測する（計測技術）
３  この情報が制御装置に送られる
４  制御装置は受け取った情報を元に予め設定されたアルゴリズム（現代制御理論に基づく：ＬＱ制御、ロバスト制御等）に沿ってＸ方向駆動部、Ｙ方向駆動部に制御指令を送る（フィードバック制御技術）
５  制御装置は制御のためのアクションをＡＭＤに与える（起動技術）
等からなる。
【００７２】
ここで、現代制御理論は、制御系を状態方程式で記述し、２次形式で表された評価関数を最小にする状態フィードバックゲインを決定する制御系設計理論であり、ＬＱ制御理論等がある。
【００７３】
このＬＱ制御理論を使用するには制御対象の内部構造が解明されていることが必要となる。すなわち、最適レギュレータ理論を適用するためには制御システム全体が線形な数学モデルに表現されることが前提となる。
【００７４】
具体的には、
・制御対象の内部を明確にする対象構造物の運動方程式、可動質量の運動方程式
・状態フィードバックできるセンサーの配置
・重み係数の設計バラメータとしての位置付け
等が必要となる。
【００７５】
例えば、
対象構造物の絶対速度のフィードバック係数    ０．３５ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ
ＡＭＤのストローク変位のフィードバック係数    ０．０２ｔｏｎｆ／ｃｍ
ＡＭＤのストローク速度のフィードバック係数    ０．００１ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ
等の検討を要する。
【００７６】
前記最適レギュレータ理論は、現代制御理論の基本であるレギュレータ問題として取り扱うことができる。すなわち、レギュレータとは、外乱によって平衡点からずれた出力信号を速やかに元に帰還するフィードバック制御システムであり、状態フィードバック制御、出力フィードバック制御の２通りが存在する。
【００７７】
また、前記ロバスト制御（Ｈ∞制御など）は、古典制御と最適レギュレータ制御とが融合した技術であり、多入力多出力系、時間領域と周波数領域、評価関数の設定、制御対象のモデル化誤差評価等の諸点で極めて理論的であり、有用な制御技術として活用される。
【００７８】
次に、各種測定機器類を用いて製作したＡＭＤ１１、制御装置１２の工場試験を行い（ステップＳ６）、その性能、稼動時の騒音チェックを行って、試験要領を作成する。
【００７９】
次に、ＡＭＤ１１の解体を行い、既存大型構造物１へ搬入する（ステップＳ７）が、搬入に先立ち、既存大型構造物１の設置箇所の床補強の要否を検討する。床補強工事が必要な場合には、公知の３次元有限要素法を活用した補強方式等を検討し、具体的な補強方式を決定する。
【００８０】
図１７に既存大型構造物１の既存床４０に対する床補強の一例を示す。この場合にはＨ形鋼を井桁状に組み込んで補強床４１とし、この補強床４１をスパン１０ｍの梁４２、４３、梁４４、４５間に両端固定する。
【００８１】
また、荷重条件は梁中央部分に３０トンの静荷重がかかるとものした。この場合の応力、撓みの計算結果は各々７５０ｋｇｆ／ｃｍ２、８ｍｍであった。
【００８２】
なお、既存大型構造物１の既存床４０に対して直接に床補強工事を施すことも勿論可能である。
【００８３】
次に、ＡＭＤ１１、制御装置１２の現場設置・調整を行う（ステップＳ８）。
【００８４】
この場合には、ＡＭＤ１１の現地搬入及び揚重に際して、機械加工品等の精度確保した上での組立方法、分割方法、揚重方法に留意する。基本的には仮設クレーンを設置し、揚重する。高さ１１０ｍ程度までの超高層ビルでは地上走行クレーン等の利用も考える。
【００８５】
また、必要に応じて揚重用の各種工具等も使用し、更に、仮設、組み立て治具を活用した組立工事、レベリング等を施工上の品質管理を十分行いながら実行する。
【００８６】
このようにして、図１８に示すように既存大型構造物１の所定の階にＡＭＤ１１を２台、制御装置１２を一台設置する。
【００８７】
次に、設置した２台のＡＭＤ１１、制御装置１２の現場性能確認試験を行う（ステップＳ９）。
【００８８】
すなわち、この場合には、ＡＭＤ１１を利用した加振試験による実際の既存大型構造物１の振動特性を測定し、その結果を記録し試験要領を作成する。
【００８９】
次に、設置したＡＭＤ１１を２台、制御装置１２に関して維持管理のための交換部品リスト作成、メンテナンス契約の締結等を行う（ステップＳ１０）。
【００９０】
図１９に再現期間１年の風に対するＡＭＤ１１を設置しない場合の既存大型構造物１の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを、図２０にＡＭＤ１１を設置した場合の既存大型構造物１の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示す。
【００９１】
図２１に既存大型構造物１の居住性能指針であるＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の周波数−加速度特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本考案は、上述した高層・超高層ビル等の他、鉄道、道路のための橋梁、電力送電用等の鉄塔、各種タワー等に広範に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本考案の実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するための処理の流れを示すフローチャートである。
【図２】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するために風速、風向を測定する風速風向計の設置状態を示す概略斜視図である。
【図３】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の風速風向計により測定した風速データを示すグラフである。
【図４】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の風速風向計により測定した風向データを示すグラフである。
【図５】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するために加速度を測定する加速度計の設置状態を示す平面図である。
【図６】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置のＸ方向、Ｙ方向の加速度を測定する２個の加速度計を示す斜視図である。
【図７】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の加速度を測定する既存大型構造物の中央に配置する速度計を示す斜視図である。
【図８】本実施例に係る既存大型構造物の１０分平均風速下における７００秒にわたるＸ方向（センター）、Ｘ方向（隅）、Ｙ方向（隅）の各振動加速度データの推移を示すグラフである。
【図９】本実施例に係る既存大型構造物の瞬間風速下における７００秒にわたるＸ方向（センター）、Ｘ方向（隅）、Ｙ方向（隅）の各振動加速度データの推移を示すグラフである。
【図１０】本実施例に係る既存大型構造物のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の４種類（ケース１乃至ケース４）の振動周波数データを示す表である。
【図１１】本実施例に係る既存大型構造物における図１０に示すケース１の場合のセンターＸ方向、隅Ｘ方向及び隅Ｙ方向の周波数−振幅特性を示すグラフである。
【図１２】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の力学的な解析モデルを示す説明図である。
【図１３】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの平面図である。
【図１４】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの正面図である。
【図１５】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの側面図である。
【図１６】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成する制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における既存床に対する床補強の態様を示す概略平面図である。
【図１８】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置におけるＡＭＤ、及び制御装置の設置態様を示す平面図である。
【図１９】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における再現期間１年の風に対するＡＭＤを設置しない場合の大型構造物の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示すグラフである。
【図２０】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における再現期間１年の風に対するＡＭＤを設置した場合の大型構造物の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示すグラフである。
【図２１】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における居住性能指針であるＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の周波数−加速度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１  既存大型構造物
２  風速風向計
３  加速度計
４  制振装置
１１  ＡＭＤ
１２  制御装置
２０  基台
２１  Ｘ方向架台
２２  Ｘ方向レール
２３  Ｘ方向モータ
２４  Ｘ方向質量マス
２５  Ｙ方向架台
２６  Ｙ方向レール
２７  Ｙ方向モータ
２８  Ｙ方向質量マス
２９  加速度センサー
３０  制御部
３１  Ａ／Ｄ変換器
３２  メモリ
３３  Ｘ方向駆動部
３４  Ｙ方向駆動部
４０  既存床
４１  補強床
４２  梁
４３  梁
４４  梁
４５  梁
【図１】
0003143970.tif 000005
【図２】
0003143970.tif 000006
【図３】
0003143970.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003143970.tif 000011
【図８】
0003143970.tif 000012
【図９】
0003143970.tif 000013
【図１０】
0003143970.tif 000014
【図１１】
0003143970.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
0003143970.tif 000017
【図１４】
0003143970.tif 000018
【図１５】
0003143970.tif 000019
【図１６】
0003143970.tif 000020
【図１７】
0003143970.tif 000021
【図１８】
0003143970.tif 000022
【図１９】
0003143970.tif 000023
【図２０】
0003143970.tif 000024
【図２１】
0003143970.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月10日(2008.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、
このアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御する制御装置と、
を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、
前記アクティブ動吸振器は、
床面上に設置する基台と、基台上に設置したＸ方向架台と、Ｘ方向架台上に配置した平行一対構成のＸ方向レールと、Ｘ方向架台上に配置したＸ方向モータと、Ｘ方向モータによりＸ方向架台上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マスと、Ｘ方向レール上にＹ方向に沿って配置したＹ方向架台と、Ｙ方向架台上に配置した平行一対構成のＹ方向レールと、Ｙ方向架台上に配置したＹ方向モータと、Ｙ方向レール上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータによりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マスと、加速度センサーと、を有し、前記Ｘ方向質量マス、Ｙ方向質量マスは、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果を前提として既存大型構造物の建物質量の１／３程度の値を制御対象となる１次振動モードの一般化質量と仮定して、この一般化質量の凡そ０．６％程度の質量に設定されたものであり、
前記制御装置は、
前記加速度センサーの検出信号と予め設定されたＬＱ制御理論又はロバスト制御理論のアルゴリズムに基づき、Ｘ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部と、Ｘ方向の制御信号に基づきＸ方向モータを往復駆動するＸ方向駆動部と、Ｙ方向の制御信号に基づきＹ方向モータを駆動するＹ方向駆動部とを具備し、フィードバック制御によりアクティブ動吸振器のＸ方向質量マス、Ｙ方向質量マスを各々制御するものであること、
を特徴とする既存大型構造物の制振装置。
【請求項２】
既存大型構造物の設置現場に所定の配置で設置された２台の質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、
この２台のアクティブ動吸振器の質量マスを各々駆動制御する制御装置と、
を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、
前記２台のアクティブ動吸振器は、
床面上に設置する基台と、基台上に設置したＸ方向架台と、Ｘ方向架台上に配置した平行一対構成のＸ方向レールと、Ｘ方向架台上に配置した２台のＸ方向モータと、Ｘ方向モータによりＸ方向架台上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マスと、Ｘ方向レール上にＹ方向に沿って配置したＹ方向架台と、Ｙ方向架台上に配置した平行一対構成のＹ方向レールと、Ｙ方向架台上に配置した一台のＹ方向モータと、Ｙ方向レール上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータによりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マスと、加速度センサーと、を有し、前記Ｘ方向質量マス、Ｙ方向質量マスは、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果を前提として既存大型構造物の建物質量の１／３程度の値を制御対象となる１次振動モードの一般化質量と仮定して、この一般化質量の凡そ０．６％程度の質量に設定されたものであり、
前記制御装置は、
前記加速度センサーの検出信号と予め設定されたＬＱ制御理論又はロバスト制御理論のアルゴリズムに基づき、Ｘ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部と、Ｘ方向の制御信号に基づき２台のＸ方向モータを往復駆動するＸ方向駆動部と、Ｙ方向の制御信号に基づき一台のＹ方向モータを駆動するＹ方向駆動部とを具備し、フィードバック制御により２台のアクティブ動吸振器のＸ方向質量マス、Ｙ方向質量マスを各々制御するものであること、
を特徴とする既存大型構造物の制振装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、既存大型構造物（特に高層・超高層ビル等）の強風時、長周期地震時の安全性、居住性を効果的に改善する既存大型構造物の制振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今、日本においては高層・超高層ビル等の新設大型構造物については地震時、強風時の安全性、居住性を効果的に改善・向上するために、構造物の設計当初から振動低減のため下記のような制振（震）装置（エネルギー吸収装置、マスダンバー）等が計画、検討されており、数多く設置もされている。
【０００３】
制震装置（エネルギー吸収装置）は、原理的に粘性、粘弾性、弾塑性又は摩擦等を利用するものであり、また、制振装置（マスダンパー）は、パッシブ型、セミアクティブ型、アクティブ型等が存在する。
【０００４】
通常、高層・超高層構造物は、地震荷重よりも風荷重で構造強度が決まってくるので、強風時の振動低減対策が重要となる。
【０００５】
また、大都市の既存高層・超高層構造物は、深さ約数キロメートルの堆積層の上に建築されているため、遠隔地で大きな地震が発生した時、大都市では短周期成分は距離減衰で消滅し長周期成分しか残らなくなり、その振動が高層・超高層構造物に伝達されて居住者にとっては不快な揺れを与えることになる。
【０００６】
例えば東京の例では、北海道の地震、鳥取の地震、最近では新潟県中越沖地震等の影響で既存の高層・超高層ビルが数秒の長周期地振動と共振し居住性を損なうという事態が起きている。
【０００７】
このように既存の高層・超高層構造物の一部は強風時、長周期地震時には振動問題を抱えた状態で存在していることになる。
【０００８】
上述の通り新設大型構造物の場合では、地震対策としての制震、強風対策としての制振装置は多く設置されているが、例えばエネルギー吸収装置である制震装置（質量数百キロ程度）を既存構造物内部に設置する場合には、室内空間確保のため壁の中に仕込むので改修、設置工事が大掛かりになる。
【０００９】
また、建物外部に設置する場合には、大きな反力を受けるので基礎工事が十分にされることが必要となり敷地が狭い場合には施工が困難になる。
【００１０】
上記の如く高層・超高層ビルでは地震荷重より風荷重が構造強度に影響を大きく与えるので、制震、制振装置は寿命や性能の観点から多くの場合風振動対策として積極的に採用されないことが多い。
【００１１】
また、既存大型構造物に対してのパッシブ制振装置の場合には、可動マス質量の大きさは対象構造物の振動質量に対して質量比１％〜３％が性能上必要であり数十トンから数百トンになるため、居住者・周辺環境との関係から十分な施工計画の基で短期間で完了する必要が有ること、このように大きな質量のため設置する床の補強が十分検討されていること、更に一番重要なことであるが、非常に高い設置場所（通常は屋上付近）までの揚重が行われるため、装置の分割、組立が安全、かつ、容易に、しかも精度良くできること等が必要となる。
【００１２】
通常、新設大型構造物については、例えば強風時の居住性を高めるための制振装置は構造物の設計段階の与条件で検討する。すなわち、必要となる制振装置の設計仕様の決定は対象物件の計画値で行うことになる。
【００１３】
当然のことながら、制振装置は実際の構造物の振動特性が分かっていない時点での設計となるため、十分に効果を発揮するためには竣工後構造物の振動特性の把握は必ず必要となり、最終的には制振装置設置後、制振装置の再調整を行うことになる。
【００１４】
また、設計時の装置仕様が竣工後に大概変わることから、装置の再製作、設置工事が必要となる点を考慮し、設計段階で予め装置の調整範囲を予想しており、予想外の調整範囲となった場合には更に制振装置の修正・改良や部品の追加手配等が必要となり、不経済である。
【００１５】
更に、パッシブ制振装置の場合には、装置設置後の対象構造物付加減衰の大きさは約７％程度であり、この場合加速度低減率は１／２．６５となる。
また、構造物の振動特性が分からないと装置の最適減衰や最適振動数を決めることができないので性能的には不安が残る。
【００１６】
構造物頂上部付近に設置される装置施工は、上述の通り新設の場合には通常構造物の柱・梁等の施工時に使用する重機を使用することになるが、大部分は柱・梁サイズや大型設備機械で決められる重機の能力及び現場環境により装置の設計そのものが制限される。
【００１７】
しかし、既存の超高層構造物の場合には特別の重機を使用する必要から、その分割方法や組立精度及び短期間での工事完了のため、格別の工夫と施工技術が必要になる。このように色々な問題（特に性能上・現場施工上・構造物の補強技術上等の諸問題）があり対策が困難となっており、実際の施工例は存在しない。
【００１８】
上述のように、新築ではなく既存大型構造物（例えば高さ６０ｍ以上の高層・超高層ビル）の場合には、強風時、長周期地震動に対する振動低減対策がされた例が無く、多くの超高層構造物は問題・不安を抱えた状態である。
【００１９】
すなわち、既存超高層ビルに対しては、上述したように強風時、最近話題になってきている長周期地震動に対しての対策手法も確立されてない等、居住性改善のための振動低減対策は実施されていない。
【００２０】
特許文献１には、建物に対して相対移動可能な所定重量の付加質量体をアクチュエーターにより駆動させて建物に制御力を与えるアクティブ動吸振器を、建物の上層部と中層部にそれぞれ設置し、この上層部と下層部の相対運動をセンサーにより検出し、前記上層部と中層部のアクティブ動吸振器に前記相対運動に比例した逆位相の制御信号を入力することで建物の制振を行うように構成したアクティブ動吸振器による制振方法が提案されている。
【００２１】
この制振方法の場合、アクティブ動吸振器を用いるものではあるが、既存建物の風等に対する振動応答性の解析、アクティブ動吸振器の設計、製作、搬入、組み立て、性能試験等の一連の過程までは配慮されていない。
【特許文献１】特開平７−２６７８４号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【００２２】
本考案が解決しようとする問題点は、強風時・長周期地震時に居住性を損なう程度の揺れを感じる既存大型構造物においてその現状を的確に把握した上で効果的に振動低減を図る制振装置が従来存在しない点である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本考案は、既存大型構造物の設置現場に設置された質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、このアクティブ動吸振器の質量マスを駆動制御する制御装置と、を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、前記アクティブ動吸振器は、床面上に設置する基台と、基台上に設置したＸ方向架台と、Ｘ方向架台上に配置した平行一対構成のＸ方向レールと、Ｘ方向架台上に配置したＸ方向モータと、Ｘ方向モータによりＸ方向架台上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マスと、Ｘ方向レール上にＹ方向に沿って配置したＹ方向架台と、Ｙ方向架台上に配置した平行一対構成のＹ方向レールと、Ｙ方向架台上に配置したＹ方向モータと、Ｙ方向レール上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータによりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マスと、加速度センサーと、を有し、前記Ｘ方向質量マス、Ｙ方向質量マスは、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果を前提として既存大型構造物の建物質量の１／３程度の値を制御対象となる１次振動モードの一般化質量と仮定して、この一般化質量の凡そ０．６％程度の質量に設定されたものであり、前記制御装置は、前記加速度センサーの検出信号と予め設定されたＬＱ制御理論又はロバスト制御理論のアルゴリズムに基づき、Ｘ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部と、Ｘ方向の制御信号に基づきＸ方向モータを往復駆動するＸ方向駆動部と、Ｙ方向の制御信号に基づきＹ方向モータを駆動するＹ方向駆動部とを具備し、フィードバック制御によりアクティブ動吸振器のＸ方向質量マス、Ｙ方向質量マスを各々制御するものであることことを最も主要な特徴とする。
【考案の効果】
【００２４】
請求項１、２記載の考案によれば、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定を行ない、測定結果を前提として既存大型構造物の建物質量の１／３程度の値を制御対象となる１次振動モードの一般化質量と仮定して、この一般化質量の凡そ０．６％程度の質量に設定したＸ方向質量マス、Ｙ方向質量マスを含むアクティブ動吸振器と、アクティブ動吸振器に設けた加速度センサーの検出信号と予め設定されたＬＱ制御理論又はロバスト制御理論のアルゴリズムに基づき、アクティブ動吸振器をフィードバック制御により駆動制御する制御装置と、を含む構成で、既存の大型構造物に対する効果予測を経て、既存大型構造物の強風等に伴う振動低減を実現し、居住性改善を実現できる既存大型構造物の制振装置を提供できる。
【００２５】
この場合に、風速風向計、加速度計による風速、風向、加速度の測定、既存大型構造物の設置現場の床への２台のアクティブ動吸振器とフィードバック制御を行う制御装置の設置等の手段を通じて既存大型構造物に最適の既存大型構造物の制振装置を提供できる。また、アクティブ動吸振器（ＡＭＤ）は、ＴＭＤやＨＭＤに比べ、質量は１／３程度で構成でき、制御系を効率的に設計することで、部品点数の削減、揚重、床補強の設計、施工の簡略化、工期の短縮化等によりトータルコストを低減でき、かつ、既存大型構造物の居住者の負担軽減をも図ることができる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２６】
本考案は、強風時・長周期地震時に居住性を損なう程度の揺れを感じる既存大型構造物においてその現状を的確に把握した上で効果的に振動低減を図る制振装置を提供することを目的とする。
【００２７】
本考案は、既存大型構造物の設置現場に所定の配置で設置された２台の質量マスを用いたアクティブ動吸振器と、この２台のアクティブ動吸振器の質量マスを各々駆動制御する制御装置と、を含み、既存大型構造物の強風時、長周期地震時における制振を行う既存大型構造物の制振装置であって、前記２台のアクティブ動吸振器は、床面上に設置する基台と、基台上に設置したＸ方向架台と、Ｘ方向架台上に配置した平行一対構成のＸ方向レールと、Ｘ方向架台上に配置した２台のＸ方向モータと、Ｘ方向モータによりＸ方向架台上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マスと、Ｘ方向レール上にＹ方向に沿って配置したＹ方向架台と、Ｙ方向架台上に配置した平行一対構成のＹ方向レールと、Ｙ方向架台上に配置した一台のＹ方向モータと、Ｙ方向レール上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータによりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マスと、加速度センサーと、を有し、前記Ｘ方向質量マス、Ｙ方向質量マスは、既存大型構造物の現状測定としての風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果を前提として既存大型構造物の建物質量の１／３程度の値を制御対象となる１次振動モードの一般化質量と仮定して、この一般化質量の凡そ０．６％程度の質量に設定されたものであり、前記制御装置は、前記加速度センサーの検出信号と予め設定されたＬＱ制御理論又はロバスト制御理論のアルゴリズムに基づき、Ｘ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部と、Ｘ方向の制御信号に基づき２台のＸ方向モータを往復駆動するＸ方向駆動部と、Ｙ方向の制御信号に基づき一台のＹ方向モータを駆動するＹ方向駆動部とを具備し、フィードバック制御により２台のアクティブ動吸振器のＸ方向質量マス、Ｙ方向質量マスを各々制御するものである構成により上記目的を実現した。
【実施例】
【００２８】
以下に、本考案の実施例に係る既存大型構造物の制振装置について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
本実施例の既存大型構造物の制振装置は、強風時・長周期地震時等において、高層・超高層構造物等の既存大型構造物の居住性を向上するための効果的な対策として、対象構造物に大きな負荷減衰を付与するものである。
【００３０】
本実施例に係る既存大型構造物１の制振装置は、ＡＭＤ１１の質量は小さいが性能が良く、従って、床補強工事、装置の移動組み立て等が容易であり、短期間、かつ、高精度で既存高層・超高層構造物のような既存大型構造物１の強風等に伴う振動低減を図り居住性改善を実現できる制振システム、制振装置、ＡＭＤ１１を提供するものである。
【００３１】
すなわち、本実施例では、制振手段として、パッシブ制振装置ではなくＡＭＤ１１（アクティブマスダンパー（アクティブ動吸振器））を使用して図１８に示す既存大型構造物１の強風等に伴う振動低減を実現するものである。
【００３２】
また、本実施例に係るＡＭＤ１１は、質量比（＝可動マス／振動質量）は０．６％程度なのでパッシブ制振装置に比較して質量は１／２乃至１／６程度で済む。更に付加減衰は１６％から２０％強になるので加速度低滅率も１／３．９乃至１／４．５となり、大きな振動低減効果を得ることができる利点がある。
【００３３】
更に、本実施例に係るＡＭＤ１１は、既存大型構造物１の現状測定としての詳細は後述する風速風向計２、加速度計３を用いた風速、風向、風に伴う振動の加速度の測定結果と、既存大型構造物１の解析モデルとに基づき既存大型構造物１に関する一次等価マス、一次固有値、等価減衰等の固有値を解析し、この固有値の解析結果と、理論的な風荷重とに基づいて既存大型構造物１の模型を使用した風洞試験を行って推定した応答加速度によって仕様を決定し製作されたものであり、実際の既存大型構造物１の強風等に伴う振動特性を反映させた高性能の振動低減機能を発揮するものである。
【００３４】
一般的な既存高層・超高層ビルを想定した場合、制振装置（ＡＭＤ：アクティブマスダンパー：アクティブ動吸振器）を使用して効果的に強風等による振動を低減するために必要な事項は概ね下記の通りである。
【００３５】
（１）営業中・居住中を前提とした施工方法の構築（特に納期・振動・騒音に対して）
（２）建物振動特性の把握（既存構造物の加振試験、或いは常時微動測定による振動質量・振動数・減衰等（実測値による））
（３）その結果に基づく風洞試験を行うと同時に計算による設置後の結果推定
（４）上記（３）で得られた結果に基づく装置仕様確定・装置設計（無駄な設計を無くし経済性を向上）・装置製作
（５）現場補強のための解析技術と補強方法の検討
（６）現場における装置の搬入・揚重等の計画
（７）現場施工
（８）効果確認試験
【００３６】
なお、既存超高層ビル等が振動対策されない理由は、構造物床の補強工事、補強部材の搬入、装置の揚重、設置（組立）等制約条件が多いことに起因すると思われる。逆に言うと、実施するには上述しただけの作業が必要と言うことである。
【００３７】
以下に本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置について具体的に説明する。本実施例においては、図１に示すように、以下の処理過程ステップＳ１Ａ乃至Ｓ１０により既存大型構造物に対する振動低減対策を実現するものである。
【００３８】
すなわち、本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置は、
既存建物の現状測定（ステップＳ１Ａ）
建物解析モデル作成（ステップＳ１Ｂ）
風荷重の作成（ステップＳ１Ｃ）
固有値解析（ステップＳ２）
建物風の応答解析（ステップＳ３）
制振装置設計（ステップＳ４）
制振装置製作（ステップＳ５）
工場試験（ステップＳ６）
解体・搬入（ステップＳ７）
現場設置・調整（ステップＳ８）
現場性能確認試験（ステップＳ９）
維持管理（ステップＳ１０）
【００３９】
以下に各処理過程について詳述する。
【００４０】
まず、既存大型構造物の現状測定を実行する（ステップＳ１Ａ）。
図２に示すように、既存大型構造物１の例えばヘリポート階上例えば３．５ｍの高さの位置に風速風向計２を設置し、この既存大型構造物１に対する最大風速（瞬間）、平均風速（１０分）及び風向（度）を測定する。
【００４１】
実際の測定結果を図３、図４に示す。図３は風速風向計２により測定した１７時間分の最大風速（瞬間）（ｍ／ｓ）、平均風速（１０分）（ｍ／ｓ）の測定結果を示すものである。図４は、同じく１７時間分の風向き（度）の測定結果を示すものであり、風速風向計２により上述した場合と同様１７時間にわたって計測した風向データ（１０分毎に集計）である。
【００４２】
また、既存大型構造物１の例えば屋上塔の隅部の測定点２箇所及び中央部に、図５、図６、図７に示すように、合計３個の加速度計３を設置し、既存大型構造物１のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の各振動に伴う加速度を測定する。
【００４３】
加速度計３の他に、図示しないがカットオフ周波数５Ｈｚのローパスフィルタ、データロガーを使用し低周波数帯域、微振動測定可能な仕様が選定される。
【００４４】
また、加速度計３を使用して測定した大型構造物１の風による振動に伴うＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の各加速度データを図８、図９に示す。
【００４５】
図８は、平均風速（１０分）（ｍ／ｓ）に対応する既存大型構造物１における７００（ｓｅｃ）分のセンターねじれＸ方向、隅Ｘ方向、隅Ｙ方向の加速度の時間経過を示している。
【００４６】
図９は、最大風速（瞬間）（ｍ／ｓ）に対応する既存大型構造物１における７００（ｓｅｃ）分のセンターねじれＸ方向、隅Ｘ方向、隅Ｙ方向の加速度の時間経過を示している。
【００４７】
なお、後述する居住性評価は通常再現期間として一年間の最大加速度を用いるため、最低限一年の観測が必要である。
【００４８】
図１０は、図示しないスペクトラムアナライザーを用いて解析した既存大型構造物１のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の４種類（ケース１乃至ケース４）の振動周波数データを、図１１は、図１０に示すケース１の場合の既存大型構造物１のセンターＸ方向、隅Ｘ方向及び隅Ｙ方向の周波数−振幅特性を示すものである。
【００４９】
次に、既存大型構造物１の解析モデルを作成する（ステップＳ１Ｂ）。すなわち、図１２に示すような既存大型構造物１の力学的な解析モデルを作成する。
【００５０】
この解析モデルは、Ｘ，Ｙ方向の並進一次モードと、ねじれ一次モードとからなる三自由度系である。そして、この解析モデルの平面二箇所にＡＭＤの二方向の制御力が作用するようにする。
【００５１】
これにより、ねじれに対してはＸ，Ｙ方向それぞれの制御力を同時に作用させることができる。
【００５２】
次に、既存大型構造物１に対する理論的な風荷重の作成を行う（ステップＳ１Ｃ）。
【００５３】
具体的には、
基準風速の決定
粗度区分の選定
鉛直方向分布係数の決定
再現期間の決定
再現期間換算係数の算定
設計風速の算定
設計速度圧の算定
風力係数の決定
ガスト影響係数の決定
風荷重の算定
等の検討を行い、各々理論的な値を設定する。
【００５４】
次に、既存大型構造物１の固有値解析を行う（ステップＳ２）。
【００５５】
すなわち、上述したステップＳ１で実測した既存大型構造物１の風速、風向、加速度の各データと、ステップＳ１Ｂで作成した解析モデルを使用して、その固有値を解析する。
【００５６】
この場合、既存大型構造物１の固有値解析に際しては、ＡＭＤの一次等価マス、一次固有値、等価減衰仮定、１質点系に置換（風荷重の場合）等について検討し解析する。
【００５７】
次に、既存大型構造物１の建物風応答解析を行い、風による応答加速度の推定を行う（ステップＳ３）。
【００５８】
この場合に、風に関しては上述したステップＳ２で解析した固有値のデータを用い、また、１０分間平均風速、最大風速、１年期待値、５年期待値、５０年期待値、１００年期待値等の点を考慮して応答加速度の推定を行う。
【００５９】
更に、ＡＭＤの設置有無による比較を行うために、既存大型構造物１の模型を作成して、その振動特性を考慮しての風応答の解析を行う。この場合、風洞試験を行うことで、既存大型構造物１のための精度の高い予測を得ることができ、正確な評価が可能となる。
【００６０】
このようにして、既存の大型構造物１に設置するＡＭＤ、制御装置の装置仕様を決定する。
【００６１】
次に、ＡＭＤ、制御装置の設計を行う（ステップＳ４）。すなわち、上述のようにしてＡＭＤ、制御装置の装置仕様を決定した後、下記の点を考慮しつつ計画図面、製作図面の作成、設置場所のスペース検討等を行い、ＡＭＤ、制御装置を設計する。
【００６２】
すなわち、ＡＭＤの質量マスの大きさとしては、制御対象となる１次振動モードの一般化質量が建物質量の１／３程度と仮定すると、１次振動モードの一般化質量に対して凡そ０．６％程度の付加錘質量と推定される。
【００６３】
また、質量マスのストロークの大きさや、制御系について検討する。
【００６４】
更に、制御系の設計に関しては、下記数１の運動方程式、数２の特性式、更には、運動方程式を状態方程式に書き換える式、最適レギュレータを得るためのフィードバック制御系等について考慮する。
【００６５】
【数１】
0003143970.tif 000026
【００６６】
【数２】
0003143970.tif 000027
【００６７】
次に、制振装置４を構成する２台のＡＭＤ１１と、制御装置１２の製作を行う（ステップＳ５）。この場合、必要電気容量、構造強度、稼動時の騒音等を考慮する。ここで、ＡＭＤ１１、制御装置１２について図１３乃至図１６を参照して具体的に説明する。
【００６８】
ＡＭＤ１１は、図１３乃至図１５に示すように、床面上に設置する基台２０と、基台２０上に設置したＸ方向架台２１と、Ｘ方向架台１２上に配置した平行一対構成のＸ方向レール２２と、Ｘ方向架台２１上に配置した２台のＸ方向モータ２３と、Ｘ方向モータ２３によりＸ方向架台１２上でＸ方向に往復駆動されるＸ方向質量マス２４と、Ｘ方向レール２２の上方で、Ｙ方向に沿って配置したＹ方向架台２５と、Ｙ方向架台２５上に配置した平行一対構成のＹ方向レール２６と、Ｙ方向架台２５上に配置した一台のＹ方向モータ２７と、Ｙ方向レール２６上にＹ方向に移動可能に配置され、Ｙ方向モータ２７によりＹ方向に往復駆動されるＹ方向質量マス２８と、加速度センサー２９と、を有している。
【００６９】
前記ＡＭＤ１１としては、例えばアクティブ式の例を挙げることができる。また、モータ制御のアクティブ式であれば、本機構に限定されず、パッシブ機構（ばね要素、減衰要素）を組み合わせたハイブリッド式でも可能である。
【００７０】
制御装置１２は、図１６に示すように、前記加速度センサー２９の検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３１と、制御ソフト（大概は現代制御理論に基づくソフト等）を格納したメモリ３２と、前記加速度センサー２９の検出信号と制御ソフトに基づいてＸ方向、Ｙ方向の制御信号を生成する制御部３０と、Ｘ方向の制御信号に基づき２台のＸ方向モータ２３を往復駆動するＸ方向駆動部３３と、Ｙ方向の制御信号に基づきＹ方向モータ２６を駆動するＹ方向駆動部３４とを具備している。
【００７１】
これらの基幹技術は、
１  制御対象構造物が強風等の外乱を受けて応答する（振動解析技術）
２  計測装置である加速度センサーがこの応答を計測し（一般には応答の一部、場合によっては外乱も応答とともに計測する（計測技術）
３  この情報が制御装置に送られる
４  制御装置は受け取った情報を元に予め設定されたアルゴリズム（現代制御理論に基づく：ＬＱ制御、ロバスト制御等）に沿ってＸ方向駆動部、Ｙ方向駆動部に制御指令を送る（フィードバック制御技術）
５  制御装置は制御のためのアクションをＡＭＤに与える（起動技術）
等からなる。
【００７２】
ここで、現代制御理論は、制御系を状態方程式で記述し、２次形式で表された評価関数を最小にする状態フィードバックゲインを決定する制御系設計理論であり、ＬＱ制御理論等がある。
【００７３】
このＬＱ制御理論を使用するには制御対象の内部構造が解明されていることが必要となる。すなわち、最適レギュレータ理論を適用するためには制御システム全体が線形な数学モデルに表現されることが前提となる。
【００７４】
具体的には、
・制御対象の内部を明確にする対象構造物の運動方程式、可動質量の運動方程式
・状態フィードバックできるセンサーの配置
・重み係数の設計バラメータとしての位置付け
等が必要となる。
【００７５】
例えば、
対象構造物の絶対速度のフィードバック係数    ０．３５ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ
ＡＭＤのストローク変位のフィードバック係数    ０．０２ｔｏｎｆ／ｃｍ
ＡＭＤのストローク速度のフィードバック係数    ０．００１ｔｏｎｆ／ｋｉｎｅ
等の検討を要する。
【００７６】
前記最適レギュレータ理論は、現代制御理論の基本であるレギュレータ問題として取り扱うことができる。すなわち、レギュレータとは、外乱によって平衡点からずれた出力信号を速やかに元に帰還するフィードバック制御システムであり、状態フィードバック制御、出力フィードバック制御の２通りが存在する。
【００７７】
また、前記ロバスト制御（Ｈ∞制御など）は、古典制御と最適レギュレータ制御とが融合した技術であり、多入力多出力系、時間領域と周波数領域、評価関数の設定、制御対象のモデル化誤差評価等の諸点で極めて理論的であり、有用な制御技術として活用される。
【００７８】
次に、各種測定機器類を用いて製作したＡＭＤ１１、制御装置１２の工場試験を行い（ステップＳ６）、その性能、稼動時の騒音チェックを行って、試験要領を作成する。
【００７９】
次に、ＡＭＤ１１の解体を行い、既存大型構造物１へ搬入する（ステップＳ７）が、搬入に先立ち、既存大型構造物１の設置箇所の床補強の要否を検討する。床補強工事が必要な場合には、公知の３次元有限要素法を活用した補強方式等を検討し、具体的な補強方式を決定する。
【００８０】
図１７に既存大型構造物１の既存床４０に対する床補強の一例を示す。この場合にはＨ形鋼を井桁状に組み込んで補強床４１とし、この補強床４１をスパン１０ｍの梁４２、４３、梁４４、４５間に両端固定する。
【００８１】
また、荷重条件は梁中央部分に３０トンの静荷重がかかるとものした。この場合の応力、撓みの計算結果は各々７５０ｋｇｆ／ｃｍ２、８ｍｍであった。
【００８２】
なお、既存大型構造物１の既存床４０に対して直接に床補強工事を施すことも勿論可能である。
【００８３】
次に、ＡＭＤ１１、制御装置１２の現場設置・調整を行う（ステップＳ８）。
【００８４】
この場合には、ＡＭＤ１１の現地搬入及び揚重に際して、機械加工品等の精度確保した上での組立方法、分割方法、揚重方法に留意する。基本的には仮設クレーンを設置し、揚重する。高さ１１０ｍ程度までの超高層ビルでは地上走行クレーン等の利用も考える。
【００８５】
また、必要に応じて揚重用の各種工具等も使用し、更に、仮設、組み立て治具を活用した組立工事、レベリング等を施工上の品質管理を十分行いながら実行する。
【００８６】
このようにして、図１８に示すように既存大型構造物１の所定の階にＡＭＤ１１を２台、制御装置１２を一台設置する。
【００８７】
次に、設置した２台のＡＭＤ１１、制御装置１２の現場性能確認試験を行う（ステップＳ９）。
【００８８】
すなわち、この場合には、ＡＭＤ１１を利用した加振試験による実際の既存大型構造物１の振動特性を測定し、その結果を記録し試験要領を作成する。
【００８９】
次に、設置したＡＭＤ１１を２台、制御装置１２に関して維持管理のための交換部品リスト作成、メンテナンス契約の締結等を行う（ステップＳ１０）。
【００９０】
図１９に再現期間１年の風に対するＡＭＤ１１を設置しない場合の既存大型構造物１の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを、図２０にＡＭＤ１１を設置した場合の既存大型構造物１の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示す。
【００９１】
図２１に既存大型構造物１の居住性能指針であるＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の周波数−加速度特性を示す。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本考案は、上述した高層・超高層ビル等の他、鉄道、道路のための橋梁、電力送電用等の鉄塔、各種タワー等に広範に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本考案の実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するための処理の流れを示すフローチャートである。
【図２】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するために風速、風向を測定する風速風向計の設置状態を示す概略斜視図である。
【図３】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の風速風向計により測定した風速データを示すグラフである。
【図４】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の風速風向計により測定した風向データを示すグラフである。
【図５】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構築するために加速度を測定する加速度計の設置状態を示す平面図である。
【図６】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置のＸ方向、Ｙ方向の加速度を測定する２個の加速度計を示す斜視図である。
【図７】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の加速度を測定する既存大型構造物の中央に配置する速度計を示す斜視図である。
【図８】本実施例に係る既存大型構造物の１０分平均風速下における７００秒にわたるＸ方向（センター）、Ｘ方向（隅）、Ｙ方向（隅）の各振動加速度データの推移を示すグラフである。
【図９】本実施例に係る既存大型構造物の瞬間風速下における７００秒にわたるＸ方向（センター）、Ｘ方向（隅）、Ｙ方向（隅）の各振動加速度データの推移を示すグラフである。
【図１０】本実施例に係る既存大型構造物のＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の４種類（ケース１乃至ケース４）の振動周波数データを示す表である。
【図１１】本実施例に係る既存大型構造物における図１０に示すケース１の場合のセンターＸ方向、隅Ｘ方向及び隅Ｙ方向の周波数−振幅特性を示すグラフである。
【図１２】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置の力学的な解析モデルを示す説明図である。
【図１３】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの平面図である。
【図１４】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの正面図である。
【図１５】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成するＡＭＤの側面図である。
【図１６】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置を構成する制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における既存床に対する床補強の態様を示す概略平面図である。
【図１８】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置におけるＡＭＤ、及び制御装置の設置態様を示す平面図である。
【図１９】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における再現期間１年の風に対するＡＭＤを設置しない場合の大型構造物の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示すグラフである。
【図２０】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における再現期間１年の風に対するＡＭＤを設置した場合の大型構造物の応答加速度（風向２７０度：１２００秒）の想定される測定データを示すグラフである。
【図２１】本実施例に係る既存大型構造物の制振システム、装置における居住性能指針であるＸ方向、Ｙ方向及びねじれ方向の周波数−加速度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１  既存大型構造物
２  風速風向計
３  加速度計
４  制振装置
１１  ＡＭＤ
１２  制御装置
２０  基台
２１  Ｘ方向架台
２２  Ｘ方向レール
２３  Ｘ方向モータ
２４  Ｘ方向質量マス
２５  Ｙ方向架台
２６  Ｙ方向レール
２７  Ｙ方向モータ
２８  Ｙ方向質量マス
２９  加速度センサー
３０  制御部
３１  Ａ／Ｄ変換器
３２  メモリ
３３  Ｘ方向駆動部
３４  Ｙ方向駆動部
４０  既存床
４１  補強床
４２  梁
４３  梁
４４  梁
４５  梁