(57)【要約】【目的】建造物設計時においてあらゆる地震や強風のケースを想定した複雑・大規模な解析を行い所定のルールを求めておき、実際に地震や強風が発生した時には、設計時に求めて置いた前記ルールを用いて、簡便に建造物に含まれるダンパーの最適減衰係数をもとめ、それに基づいてダンパーを制御することにより構造物の振動制御を行う方法を提供する。【構成】予め設定した振動波形を用いて基準波形を決定し、その基準波形に基づいて構造物の設計時に、前記振動波形による加速度をもとに、構造物の時刻歴応答計算を行ない、得られた構造物の応答変位を「出力」、減衰係数と周波数特性を「入力」とし、これらを教師データとして、ニューラルネットワーク解析を行い、周波数特性、構造物の応答変位、構造物に含まれるダンパーの減衰係数からなる「ルール」を設定することを特徴とする構造物の振動制御方法。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定した振動波形を用いて基準波形を決定し、その基準波形に基づいて構造物の設計時に、前記振動波形による加速度をもとに、構造物の時刻歴応答計算を行ない、得られた構造物の応答変位を「出力」、構造物内に配置したダンパの減衰係数と振動波形の周波数特性を「入力」とし、これらを教師データとして、ニューラルネットワーク解析を行い、周波数特性、構造物の応答変位、構造物に含まれるダンパーの減衰係数からなる「ルール」を設定することを特徴とする構造物の振動制御方法。
【請求項２】
前記振動波形は地震波または強風波であることを特徴とする請求項１に記載の構造物の振動制御方法。
【請求項３】
地震を地震型と周波数特性と最大加速度の要因で分類し、それに構造物の応答変位という要因を加えニューラルネットワークによりルールを決定することを特徴とする請求項２に記載の構造物の振動制御方法。
【請求項４】
前記減衰係数は振動開始から各時点までの区間における最大加速度αｔ　、地震の最初から最後までの全期間の最大加速度αｍａｘ　に基づいて補正されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の構造物の振動制御方法。
【請求項５】
地震（強風）が発生した際に、地震（強風）の周波数特性を求め、さらに請求項１〜請求項４のいずれかに記載したルールに基づいてその建造物の対応する減衰係数を求め、さらに建造物内に設けたダンパーの減衰係数を変更することを特徴とする建造物の振動制御方法。
【請求項６】
構造物と、構造物に設けた振動制御用のダンパーと、このダンパーの減衰係数変更手段と、前記減衰係数を制御する制御手段とを備え、振動発生時、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法により求めたルールにもとづき減衰係数を設定し、減衰係数変更手段によりダンパーの減衰係数を変更することを特徴とする構造物の振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地震や風等による振動被害から構造物を護るための振動制御方法および振動制御装置に関するものであり、特に、建造物設計時においてあらゆる地震や強風のケースを想定した複雑・大規模な解析を行い所定のルールを求めておき、実際に地震や強風が発生した時には、設計時に求めて置いた前記ルールを用いて、簡便に建造物に含まれるダンパーの最適減衰係数をもとめ、それに基づいてダンパーを制御することにより構造物の振動制御を行う方法および振動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（ａ）ダンパーは、地震や風による振動被害から構造物を護るための免震構造・制震構造に用いられている。
図１はその一例であり、一般的な免震構造を表している。図中に表示されているダンパーは減衰効果を持っているので、構造物の振動を低減する効果が期待できる。ダンパーの構造の一例は図２のようなものである。図２はオイルダンパーの構造を模式的に表したものである。
この構造では、シリンダーの中にピストンが設置されており、それ以外の空間はオイルで満たされている。ピストンに連結しているロッドが外力を受け移動するとき、オイルはピストンに設けられた開口を通過して移動する。オイルには粘性があるため、この開口を通過する移動は徐々に行われるので、外力に対するダンパーの抵抗は減衰効果を持ったものとなる。
以上はオイルダンパーの例であるが、他の形式のダンパー（摩擦式ダンパー等）でも事情は同様である。つまり、ダンパーの減衰効果が構造物の振動を低減するので、ダンパーには減衰効果（減衰係数の大きさで評価）を大きくする工夫が施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２に示すダンパーの減衰係数はピストンに設けたオリフィスの開口面積の他、ロッドの相対速度にも依存するものである。したがって、単に、オリフィスの開口面積を小さくすればするほど大きな減衰係数が得られるという訳ではない。また、どんな地震や風に対しても、常時、最大の減衰係数が得られるようオリフィスの開口面積を決定すれば良いものではない。なぜならば、このような処置はダンパーの各部品に負担をかけ、ダンパーの寿命を短いものにするからである。従って、各地震や強風に対してダンパーに求められる最適な減衰係数を算出し、それを提供するために必要な開口面積を設定する必要がある。
【０００４】
そこで本発明は、建造物設計時においてあらゆる地震や強風のケースを想定した複雑・大規模な解析を行い所定のルールを求めておき、実際に地震や強風が発生した時には、設計時に求めて置いた前記ルールを用いて、簡便に建造物に含まれるダンパーの最適減衰係数をもとめ、それに基づいてダンパーを制御することにより構造物の振動制御を行う方法および振動制御装置を提供せんとするもんである。つまり、高層物の共用期間中に様々な地震や強風が発生したりするが、その都度、予め求めておいたその建造物のルールを基に、ダンパーに求められる最適減衰係数値をリアルタイムで推定し、それを用いてダンパーを制御し構造物の振動を低減し、構造物の破壊を未然に防ぐことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
予め設定した振動波形を用いて基準波形を決定し、その基準波形に基づいて構造物の設計時に、前記振動波形による加速度をもとに、構造物の時刻歴応答計算を行ない、得られた構造物の応答変位を「出力」、構造物内に配置したダンパの減衰係数と振動波形の周波数特性を「入力」とし、これらを教師データとして、ニューラルネットワーク解析を行い、周波数特性、構造物の応答変位、構造物に含まれるダンパーの減衰係数からなる「ルール」を設定することを特徴とする構造物の振動制御方法である。
また、前記振動波形は地震波または強風波であることを特徴とする構造物の振動制御方法である。
また、地震を地震型と周波数特性と最大加速度の要因で分類し、それに構造物の応答変位という要因を加えニューラルネットワークによりルールを決定することを特徴とする構造物の振動制御方法である。
また、前記減衰係数は振動開始から各時点までの区間における最大加速度αｔ　、地震の最初から最後までの全期間の最大加速度αｍａｘ　に基づいて補正されることを特徴とする構造物の振動制御方法である。
また、地震（強風）が発生した際に、地震（強風）の周波数特性を求め、さらに前述したルールに基づいてその建造物の対応する減衰係数を求め、さらに建造物内に設けたダンパーの減衰係数を変更することを特徴とする建造物の振動制御方法である。
また、構造物と、構造物に設けた振動制御用のダンパーと、このダンパーの減衰係数変更手段と、前記減衰係数を制御する制御手段とを備え、振動発生時、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法により求めたルールにもとづき減衰係数を設定し、減衰係数変更手段によりダンパーの減衰係数を変更することを特徴とする構造物の振動制御装置である。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して本発明に係る構造物の振動制御方法について説明する。図３は直下型地震波の基準波形を示す図、図４は海洋型地震波の基準波形を示す図、図５は地震波（強風波）の周波数特性を示す図、図６は直下型のルールを示す図、図７は海洋型のルールを示す図、図８は減衰係数の設定をするための説明図、図９は最大加速度を決定するための説明図、図１０は最大加速度／各時点までの最大加速度を示す図である。
【０００７】本発明では構造物設計時に行う「設計時解析」と地震発生時（強風時）に行う「地震時解析（強風時解析）」という２種類の数値解析を用いる。設計時解析は構造物を設計する段階で地震（強風）の基準波形および構造物のデータから予め地震（強風）の周波数特性、構造物の応答変位、ダンパーの減衰係数をマップ化しておくことである。
【０００８】（ａ）設計時解析
地震波には大きく別けて直下型（図３）と海洋型（図４）がある。図３・図４の地震波は東京都防災会議による方法に従って、過去の多数の地震観測記録を統計的に処理して求めたスペクトルと経時特性を用いて模擬的に作製された地震波である。
本発明では対象とする地震（風）の基準波形として、標準的・代表的なものを最初に設定することを前提としている。図３・図４はその一例である。ただし、最大加速度（縦軸方向の最大値）は地震ごとに異なるが、それは基準波形（図３・図４）の縦軸方向の倍率を変えることによって対処する。また、周波数特性も地震ごとに異なるが、それについても後述する方法により修正を加える。
図３、図４は基準波形の一例であり、他の模擬地震波作成法によって作成された他の直下型、海洋型の地震波を図３、図４のかわリに採用することも可能である。強風に対しては強風の基準波形を設定する。
【０００９】図３、図４は東京における標準的な地震を対象としたものであるが、上述したように、基準波形をベースにして、それに最大加速度と周波数特性に関する補正を加えることにすれば、その地震波を日本全般に対して適用しても大きな誤差は生じない。このことは図３、図４以外の基準波形を採用した場合にも同様である。
下記の式（１）は地震や風により振動する構造物の運動方程式であるが、通常、実務レベルで構造物の設計時に行われる動的応答計算も式（１）に基づくものである。
【００１０】
【数１】
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【００１１】
本発明では構造物の設計時に、式（１）の右辺に図３・図４に示す地震波（強風波）による地震加速度（風加速度）を与えて、構造物の時刻歴応答計算を行う。式（１）に含まれる〔Ｃ〕マトリッスは各部材の減衰係数で構成されている。振動制御装置を取り付けるとその部分の減衰係数を大きくすることができ、その効果により、構造物の応答変位・加速度を小さく抑えることができ、構造物の破壊を防止することが出来る。
【００１２】構造物の設計段階においては減衰係数の最適値は不明である。なぜなら対象とする地震（強風）がまだ発生していないためである。また、入力地震波（入力強風波）の周波数特性も不明である。そこで、構造物設計段階時では周波数特性と減衰係数の値を様々に変化させて、応答計算を数多く行う。
ここで周波数特性とは、元の２種類の地震波（強風波）をフーリエ変換することにより得られるフーリエスペクトル〔３〕を図５の様に左にずらしたものを「２」、右にずらしたものを「４」としたものである。このようにフーリエスペクトルをずらした後、逆フーリエ変換を行うと、再び地震波（強風波）が得られる。その場合「２」に相当する地震波（強風波）は周期が小さいため激しく揺れ、逆に「４」に相当する地震波（強風波）は周期が大きいため緩やかに揺れる地震波（強風波）となっている。
【００１３】応答計算の結果、得られた構造物の応答変位を「出力」、減衰係数と周波数特性を「入力」とし、これらを教師データとして、ニューラルネットワーク解析を行い、後述する周波数特性、構造物の応答変位、ダンパーの減衰係数からなる「ルール」を設定する。このルールをコンピュータ内に取り込み蓄積データ（マップ）とする。
ニューラルネットワークは広く知られている解析法である。原因と結果の間に因果関係の存在することはわかっているが、それらの間の関係式までは明らかでない場合に、原因となるデータの数値を与えて結果を予測する。このような場合に適用されるのがニューラルネットワークである。ニューラルネットワークによる解析過程は二つに分かれている。その第１は既知の原因・結果データを用いて学習し、ルールを誘導する学習過程である。第２は誘導されたルールを用いて、任意の原因データに対する結果を求める推論過程である。ニューラルネットワーク解析のためのソフトウエア（例えばＭＡＴＬＡＢ）は数多く市販されているので、既知の原因・結果データさえ用意すれば、それらのソフトウエアによりルール（図６、図７）は容易に得ることができる。
【００１４】図６・図７はそれぞれ直下型地震波、海洋型地震波に対して得られた「ルール」である。ｚ軸に最大応答変位（ｃｍ）、ｙ軸に減衰係数（ｋＮ・ｓ／ｃｍ）、ｘ軸に周波数特性をとり、表示されている。
なお、図６、図７は、地震の基準波形として図３・図４に示すものを使用して求めているが、別の地震や風の基準波形を使用し、同様の手法により図６、図７に対応する「ルール」を求めることも可能である。
【００１５】（ｂ）地震時解析（強風時解析）
地震時解析（強風時解析）とは地震（強風）が発生した直後、その振動がピークになる前の段階で、地震（強風）のＳ波開始からその時点までのデータと前述の設計時解析（ａ）で得られたマップ、即ち「ルール」を用いて、振動制御装置用の最適な減衰係数を求めるための解析である。その手順は次のとおりである。
まず発生した地震波が直下・海洋型のどちらなのかを判定し、図６・図７のどちらのルールを用いるかを決定する。二つの直下・海洋型の判定は地震の震源が日本のどの地点であるかによってなされるものである。近年、地震直後、震源の位置が極めて短時間の間にテレビやラジオで報じられることからもわかるように、地震の震源位置を地震発生直後に知ることは比較的容易であるので、それが直下・海洋型の判定も地震発生直後素早くおこなうことができる。
ただし、図６と図７を比較するとわかるように、両者の間に大きな差異はないので、誤差が実質上無視できる場合には、この「直下・海洋型」の判定は省略することも可能である。
次に、地震波（強風波）の周波数特性をその時点までのデータから判定する。これにはその時点までの地震波データ（強風波データ）をフーリエ変換し、図５上における位置を求めることによって可能である。
そして、図８に示すように、ルール（マップ）を利用し、周波数特性と設計時に予め設定しておいた許容応答変位の値を満足するグラフの平面上の点を見つけ、その点の減衰係数の値を読む。これが制御に採用する「仮の減衰係数」である（仮の意味は後述）。
例えば、発生した地震波は海洋型で周波数特性は「３」であり、最大応答変位を非制御時の１／１０に押さえるという条件で、その値が３．５ｃｍであったとする。その場合図８の様に３．０と３．５の交点にあたる平面上の点の値の減衰係数の値は５５００ｋＮ・ｓ／ｃｍであり、これが採用値（仮）である。
以上で減衰係数の採用値を仮としたが、それは次の理由による。前述の「ルール」（図６・７）は図３・図４の地震波に基づくものである。しかし、現実の地震（強風）の最大加速度αｔ　は図３・図４の最大加速度αｍ　とは異なる。したがって、次式（２）で補正することにより、減衰係数採用値を得ることができる。
減衰係数採用値＝仮の減衰係数×（αｔ　／αｍ　）　　　　　　　（２）
【００１６】以上の補正の他にもう一つ補正が必要である。それは、地震の初期段階においては、地震波の最大加速度は分からないからである。例えば図９において、Ａ、Ｂ点では最大加速度αｍａｘ　（Ｃ点）は分からない。これに対する補正は次のように行う。
地震のＳ波開始から各時点（図９のＡ、Ｂ点等）までの区間における最大加速度をαｔ　、地震の最初から最後までの全期間の最大加速度をαｍａｘ　、そして、（αｍａｘ　／αｔ　）を倍率をβ（ｔ）と呼ぶ。
【００１７】図１０は、予め図３の直下型・図４の海洋型の地震データに基づいて、倍率β（ｔ）を縦軸に、時間を横軸にとってプロットしたものである。なお、倍率を決定する図１０を作成する基準地震波は他の地震データに基づいて作成することも可能である。
そして最終的に使用する減衰係数採用値は、次式（３）により求めることができる。
減衰係数採用値＝仮の減衰係数×（αｔ　／αｍ　）×β（ｔ）　　　　（３）
ここに、αｔ　は地震の開始からその時点までの最大加速度、αｍ　は図３・図４の最大加速度、仮の減衰係数は式（２）と同一である。また、β（ｔ）の値は図１０等を参考に設定することができる。ただしβ＝１．０に設定しても、最適な制御と比べると多少の遅れはあるが、実用的な効果は期待できる。一方、強風に対しては、時間的余裕はさらにあるのでβ＝１．０としても良い。
減衰係数採用値の算定は最大加速度を確認するまで数回行う必要がある。つまり、図９のＡ点、Ｂ点、Ｃ点で行い、その後、それ以上大きな加速度が確認されなければ、最大加速度がその時点で確定する（それ以後はβ（ｔ）＝１）
【００１８】
具体的実施例
本発明に基づくソフトウェアをインストールしたパソコン（制御手段）（不図示）を図１、図２に示したオイルダンパー１と接続し、図２に示すオイルダンパーのピストンに設けられたオリフィスの開口面積２の制御に用いる。なおオリフィスの開口面積２の制御は流量制御用の電磁バルブ（減衰係数変更手段）等を使用する。そのオイルダンパーは図１に示すように、構造物に取り付けられており、構造物の振動制御のために機能する。ダンパーが摩擦式ダンパーの場合には減衰係数の修正（減衰係数変更手段）はオリフィスの開口面積ではなく、摩擦係数または摩擦面積を変化させて行う点が相違するのみである。
【００１９】本発明により提供されるダンパーに求められる最適減衰係数値は前述した式（１）の〔Ｃ〕マトリックスに含まれているものである。
式（１）において、右辺は外力であり、左辺はそれに対する構造物の抵抗力である。左辺の第１項が加速度項、第２項が速度項、第３項が変位項である。これらのうち、右辺は人為的に大きさを操作することはできない。それに対して、左辺については第２項のパラメータ〔Ｃ〕を大きくすることにより、残りの第１項、第３項をその分、小さくすることができる。第１項（加速度項）、第３項（変位項）が小さくなれば、加速度や変位が小さくなり、構造物に発生する断面力が小さくなり、結果として構造物を破壊から護ることができる。
【００２０】以上の具体例を制御フローとして説明しておくと、地震（強風）が発生すると、先ずその地震（強風）の周波数特性を求め、さらに構造物設計時解析に求めておいたデータから許容応答変位を求める。そして求めた周波数特性と許容応答変位を利用し、先述した「ルール」から対応する減衰係数を求め、さらに減衰係数を補正してオリフィス開口面積（あるいは摩擦式ダンパーの摩擦係数）の制御を実行する。こうすることで、最適な減衰係数を持ったダンパーとすることができ、地震（強風）の被害を最小限にくい止めることができる。
【００２１】
以上、本発明に係る振動制御装置の一例について説明したが、地震（強風）の基準波形は図３・図４に限定されることはなく、他の波形を使用することも可能である。またダンパーはオイルダンパーに限定することなく減衰係数を制御できる構造のダンパーであれば種々の形態のものを使用することができる。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、地震（強風）が発生する度に上述した手法によってダンパーに求められる最適減衰係数値がリアルタイムで推定され、それを用いたダンパーの振動減衰効果によって、構造物の振動を低減し、構造物の破壊を未然に防ぐことができる。また既存の住宅においても、ダンパーを取り付け、そのダンパーの減衰係数値を制御することで容易に耐震性を向上させることができる。このため従来は対象とされなかった一般家庭用の住宅（戸建住宅等）にも安価に適用することができ、さらに既存の住宅にも取り付けることができるなど、優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な免震構造を表している模式図である。
【図２】オイルダンパーの構造図である。
【図３】直下型地震波の基準波形を示す図である。
【図４】海洋型地震波の基準波形を示す図である。
【図５】地震波（強風波）の周波数特性を示す図である。
【図６】直下型のルールを示す図である。
【図７】海洋型のルールを示す図である。
【図８】減衰係数の設定をするための説明図である。
【図９】最大加速度を決定するための説明図である。
【図１０】最大加速度／各時点までの最大加速度を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　ダンパー
２　　　　　　開口面積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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