戸田建設

技術研究報告第32号

稲井慎介 *

２層化されたセミアクティブ免震システムの基礎実験

渡壁守正 *

概要

本報告は、従来１層で構成されていた免震層を２層に分け、複数の磁気粘性流体（MR：Magneto-Rheological Fluid）ダンパを配置することで、より効果的な応答低減を目指した２層化セミアクティブ免震システムを提案する。免震シス
テムのセミアクティブ制御は、幅広い周波数帯域で応答を制御できる H ∞理論を採用したゲインスケジュールド（GS：Gain-Scheduled）制御手法を用いる。まず免震層の各層間に配置されたふたつの可変ダンパをひとつの制御器で制御する集中制御系の設計を示す。次に、シミュレーション解析および小型の多自由度系試験体を用いた振動台実験により、２層化セミアクティブ免震システムの制御性能について検討を行った。免震層をふたつに分け、ストローク量が小さく発生減衰力の小さい MR ダンパを２箇所に分散させた２層化免震システムを導入することで、ひとつの免震層に MR ダンパを集中させ、大きな減衰力を発生させる従来の１層免震システムと比べ、より効率的かつ効果的な応答低減が可能となることを示し、本提案手法の有効性を確認した。

Two-Layer Seismic Isolation System with Magneto-Rheological Fluid Dampers
for a Multi-Degree-of-Freedom Structure
Morimasa WATAKABE*1
Shinsuke INAI*1

This paper deals with a new semi-active seismic isolation system which is composed of two layers with a Magneto-Rheologicalfluid (MR) damper on each layer. We design a Gain-Scheduled (GS) controller based on H ∞ control theory, as applied in thesemi-active seismic isolation system installed a multi-degree-of-freedom structure. By using the new seismic isolation system anddividing the roles into two layers, it is expected that the total damping force of the traditional seismic isolation system is reduced andperformance of isolation is held or improved. It has been demonstrated by simulation analysis and experiments that seismic responses
installed the new isolation system are compared with those of the one-layer isolation system. It is verified that the new system issuperior to the traditional one and the gain-scheduled controller designed is effective for seismic isolation.

**

戸田建設（株） 技術研究所
Technical Research Institute, Toda Corp.

1

２層化されたセミアクティブ免震システムの基礎実験

２層化されたセミアクティブ免震システムの基礎実験

渡壁
稲井

守正 *
慎介 *

り効果的な応答低減を目指した免震システムある。ここ

１．はじめに阪神淡路大震災以降、建築物への地震入力を低減させでは、免震層を 2 層化した新たな免震システムを提案し、る目的で免震構造とする事例が普及している。しかし、

GS 制御手法を用いて免震層の各層間に配置されたふた免震構造とした場合であっても、想定外のレベル・周期つの可変ダンパをひとつの制御器で制御する集中制御系帯を持つ地震外力が作用する場合には、その性能を十分の設計を行った。さらに、小型の多自由度系試験体を用発揮できず、過大な加速度・変位などが生ずることも考いた振動台実験およびシミュレーション解析より、そのえられる。現在までに、免震構造の耐震性向上のため、制御性能の有効性を確認した。

減衰力を可変とする種々の装置が開発され、セミアクティブ免・制震構造システムの技術開発も報告されてい２．２層化免震システムの概要と制御系設計る。中でも、微細な金属粉を混入することで磁場の作用下における流体の粘度の調整を可能とした磁気粘性流体

2.1

試験体および解析モデル（Magneto-Rheological fluid：MR）を使って開発され２層化免震層を６層試験体の下部に設置した状況およた MR ダンパ 1,2）を組み込んだセミアクティブ免震構造

び解析モデルを図−１、図−２に示す。上部構造は、柱システムについて、実用化への検討も進められている。

を板ばね、各階床版を SS400 の鋼材で構成している。

筆者らも、（独）建築研究所、千葉大学および民間７社

２層化免震システム外観および 2 層化免震層の内部を図（戸田建設㈱、㈱熊谷組、佐藤工業㈱、西松建設㈱、㈱−３に示す。2 層化された免震層は、MR ダンパ（RD間組、㈱フジタ、前田建設工業㈱）の共同研究体制のも1005-05M LORD 社製２kN）、コイルばね、リニアベと、免震構造の性能向上を目指し、MR ダンパを使用しアリング、質量から構成されている。従来の免震層を２たセミアクティブ免震システムにゲインスケジュールド層化し、その各層間にもセミアクティブダンパを配置す（GS）制御手法を適用し、その制御性能について報告しることで、より効果的な応答低減を図るものである。最3,4）。本報は、共同研究開発成果の内容の一部と下部の板は基礎部、最上部の板は上部構造の 1 階部分でして、GS 制御手法を用いた 2 層化セミアクティブ免震あり、その下部が従来の免震システムの免震層に相当すシステムの内容について紹介する。2 層化免震システム

る。解析モデルの各パラメータを表−１に示す。従来免は、従来１層で構成されていた免震層（１層化免震と呼震システムと 2 層化免震システムの解析モデルを図−４ぶ）を２層に分け、複数のダンパを配置することで、よに示す。図−４（b）に示すように、2 層化した免震層てきたを構成することで、下部のダンパで基礎部から建物への振動を緩和し、上部のダンパで層間変位を抑制すること
表−１

図−１

試験体外観

図−３
*

図−２

解析モデルの各種パラメータ解析モデル

２層化免震装置の概要

図−４

戸田建設（株） 技術研究所

2免震層のモデル化

戸田建設

図−５セミアクティブダンパモデル

図−６MR ダンパ減衰係数の変動範囲

図−７周波数重み関数

図−８一般化プラント

図−９

技術研究報告第32号

制御器の周波数応答幅に非対称性を持たせることでβl を小さくすることがが可能となる。制御対象は、6 自由度の上部構造と 2 自でき、免震性能の向上が期待できる 3）。

由度の 2 層化免震層からなる 8 自由度系のモデルを想運動方程式は各層の変位を並べたベクトルを用いて次定している。模型高さは約２m、総重量は約 300kg でのようにあらわすことができる。

ある。振動台と構造物基礎部の間には質点 m m、m b とふ（2）たつの MR ダンパ、コイルばね、リニアベアリングによ

ここに、M、C、K は質量行列、減衰行列、剛性行列り構成される 2 層化免震層が設けてある。非免震時の固をそれぞれ示す。制御入力

有振動数は一次 2.0Hz、二次 6.0Hz、三次 9.8Hz、四次下部および上部に配置された各セミアクティブダンパの13.1Hz である。2 層化免震層を設置することで固有振発生減衰力であり、各ダンパの可変減衰係数とストロー動数は一次 0.77Hz、二次 3.7Hz、三次 5.1Hz、四次 7.5Hz

ク速度を用いると次のようにあらわされる。となる。

2.2

は、2 層化免震層（3）セミアクティブモデルと制御系設計

ここでは、ふたつの可変ダンパそれぞれにセミアクGS 制御系設計の際には、図−５に示すセミアクティティブダンパモデルを想定し、制御対象の運動方程式にブダンパモデルを想定する。このダンパは入力電圧 e*

バルブ開度の制約による支配方程式を含めた拡大系を構（*=l or u）によりオリフィス部のバルブ開度 xa* を変化成する。p11、p12 を変動パラメータとして、各ダンパのさせ、以下の式で示すようにηl1 〜ηl2、ηu1 〜ηu2 の範ストローク速度 p21、p22 をバルブ開度の制約によるパラ囲内でバルブ開度 xa* に比例した減衰係数 cv* を発生するメータとして、系をよっつのスケジューリングパラメーものとする。模式図を図−７に示す。

タが変動する線形パラメータ依存（LPV）モデルへと変換し、GS 制御を適用する。周波数重み関数を図−７（1）に示す。周波数重み関数 W T によって高周波数領域でのこ こ で ηl1=0.065、ηl2=0.035、ηu1=0.05、ηu2=0.05、α =制御入力の影響を低減し、周波数重み関数 W S によって26600、βl=1000、βu=1400とし、cvu は 70〜2340Ns/m

外乱に対する応答を低感度化する。一般化プラントをの範囲で変動させるものとする。バルブ開度 x al の変動

図−８のように構成し、決定した周波数重み関数を用い3２層化されたセミアクティブ免震システムの基礎実験

図− 10実験に用いた MR ダンパ

図− 11制御実験フローて制御器を設計する。システムの動作点はよっつのスケジューリングパラメータ（p11、p12、p21、p22）の最大値と最小値の組み合わせで囲まれる範囲で変動する。2 層化免震層に組み込んだ上部、下部に対する端点制御器の周波数応答を図−９に示す 5）。

図− 12３．実験とシミュレーション解析結果

実験とシミュレーション解析結果の比較

生する減衰係数 cvl、cvu、入力電流 il、iu の時刻歴応答を図−

２層化免震システムのセミアクティブ制御用に設計し13 に示す。いずれも実線が実験結果、破線がシミュレーた GS 制御器の性能を検証し、シミュレーションと加振ション結果である。実験とシミュレーション解析結果は実験により２層化免震システムの有効性を検証する。

よく対応していることが確認できる。

実験で用いた２kN 小型ＭＲダンパの外観および模式

２層化免震システムの性能検証のため、特性の異なる

図を図− 10 に、制御実験フローを図− 11 にそれぞれ地震波について検討を行った。一例として、JMA Kobe示す。制御の流れは、まず質点 mb の絶対加速度をフィー

NS 地震波を入力とした 1 層免震モデル、2 層化免震モドバック信号とし、設計した GS 制御器に入力する。そデルのシミュレーション解析結果を比較して図− 14 にの際、制御器はふたつのダンパそれぞれのストローク速示す。同図（a）、（b）より、2 層化免震システムでは度の正負によって異なるため、相対速度データを取り込１層免震に比べ、質量 m b、m6 の応答最大加速度値で約み制御器の切り換え判定をする。次に、算出された制御25% 程度を抑制していることが確認できる。免震層部

入力 e l、e u をそれぞれ仮想セミアクティブダンパに入力の応答変位と MR ダンパ減衰力を図− 15 にそれぞれ示し、バルブ開度 xa*（*=l or u）から減衰係数 cv* を求める。

す。２層化免震システムの基礎部変位 x b は 1 層免震シ

必要な減衰力は c v* とダンパのストローク速度により求ステムに比べ、応答最大変位値が約 20% 程度大きくなっまるので、この減衰力を発生させるために必要な入力電ている。しかし、（b）、（c）の２層化免震システムにお流により逆算し、直流電源を介して各 MR ダンパへ印加ける各ダンパのストローク量（相対変位）は、（a）の 1する。直流電源は松定プレシジョン製 PL-36-3 を 1 台層免震システムの場合の約半分程度と小さい。これに用いる。解析モデルおよび GS 制御器の妥当性を検討すともない（d）、（e）に示した各ダンパの減衰力は、1 層るために、JMA Kobe NS 地震波を外乱とした場合の免震時より小さくでき、免震層を２層化することで各ダ実験とシミュレーション解析結果を図− 12 に示す。図ンパひとつひとつにかかる負荷も小さくすることができは免震層加速度、最上層加速度、基礎部−中間層間の相る。多層化免震層システムを導入することで、従来のよ対変位、中間層−免震層間の相対変位を示している。発うに 1 層にダンパを集中させた免震システムよりもダン4

戸田建設

図− 13

技術研究報告第32号

減衰係数と入力電流の比較

パのストローク量、発生減衰力ともに小さく抑えることが可能となる。シミュレーション解析結果を表−２、表−３に示す。表には各地震波に対する免震層 m b、最上層 m6 の応答加速度の R.M.S. 値を示す。いずれも 2 層化
免震層に減衰係数が最小値 70Ns/m のパッシブダンパを設置した場合の応答加速度値を 100% とした比率であらわしている。神戸地震波、タフト地震波を入力した場
合の各層応答加速度の R.M.S. 値を比較して図− 16 に示す。最上層加速度の R.M.S. 値は各層でばらつきはあるが、従来の免震システムに比べ約 10% 〜 20 % 低減していることが確認できる。ひとつの免震層にダンパを集中させ、大きな減衰力を発生させる従来型免震システム
よりも、免震層をふたつに分散させ、ストローク量が小さく発生減衰力の小さいダンパを 2 ヵ所に分散させた 2層化免震システムを導入することで、より効率的かつ効果的な応答低減が可能となることを示しており、本提案手法の有効性が確認できる。

４．まとめ

図− 14

応答加速度記録の比較（JMA 神戸 NS）

表−２１F 応答加速度 R.M.S. 値の比率（%）

表−３６F 応答加速度 R.M.S. 値の比率（%）

免震層を 2 層化した新たな免震システムを提案し、GS 制御を用いて免震層の各層間に配置されたふたつの可変ダンパをひとつの制御器で制御する集中制御系の設計を行い、その制御性能を確認した。2 層化免震システ
ムを導入することで、従来の免震システムと比べ、より効率的かつ効果的な応答低減が可能となることを、実験とシミュレーション解析により示した。今後、実構造物に近い大規模システムに対する有効性の検証や、2 層化免震層を上層に配置した中間層 2 層化システムなどの検討を行う予定である。

謝辞
本研究は、（社）建築研究振興協会に設置された「新システムによる免・制震化技術の開発（原子力施設を含5２層化されたセミアクティブ免震システムの基礎実験

図− 15

免震部応答変位と MR ダンパ減衰力の比較む）委員会」により、独立行政法人建築研究所、千葉大学および民間７社（戸田建設㈱、㈱熊谷組、佐藤工業㈱、西松建設㈱、㈱間組、㈱フジタ、前田建設工業㈱）の共同研究として実施された。関係各位に謝意を表する。また、本研究の一部は、原子力委員会の評価に基づき、文部科学省原子力試験研究費により実施されたものである。
【参考文献】
１）建築研究所、国土交通省国土技術政策総合研究所、日本建築センター :「高知能建築構造システムの開発」平成 14 年
度報告書、Ⅳ、Ⅴ、平成 15 年 3 月
２）袖山・砂子田ほか：高知能建築構造システムに関する日米共同構造実験研究（その 14）２kN 級 20kN 級 MR ダンパの開発、日本建築学会大会学術講演梗概集、No.21459、pp.917-918、2000
３）西村秀和、井上波彦、渡壁守正、龍神弘明、藤波健剛、仲宗根淳、安田征一郎、高井茂光、木本幸一郎、中村佳也：
MR ダンパを用いたセミアクティブ免震建物に関する研究（その１−５）、日本建築学会大会学術講演梗慨集、Vol. B、
pp.919-926、2003
４）H. Nishimura, Y. Miyahara, N. Iwata, N. Inoue, M.
Watakabe, J. Nakasone, Y. Nakamura, H. Ryujin,
M. Kanagawa and C. Minowa: Experimental
Verification of Semi-Active Seismic Isolation forfour-degree-of-freedom structures using mr damper,
9th World Seminar on Seismic Isolation, Energy
Dissipation and Active Vibration Control of Structures
Kobe, Japan, June 13-16, 2005
５）Gahinet, P., Nemirovski, A., Laub, A.J., Chilali, M.: LMIControl Toolbox, For Use with MATLAB, The MATH
WORKS INC, 1995

図− 166２層化免震システムと１層化免震システムの比較（応答最大加速度値の R.M.S. 値）