The design, fabrication, and construction of smart infrastructures is one of the ultimate challenges to engineering researchers today. Because they form the essence of system intelligence, one of the cores of smart structures technology centers around innovative sensors and sensor systems. Structural health monitoring (SHM) represents one of the primary applications for new sensor technologies. Indeed, much attention has been focused in recent years on the declining state of the aging infrastructure in Japan. These concerns apply not only to civil engineering structures, such as the nation's bridges, highways, and buildings, but also to other types of structures, such as the aging fleet of aircraft currently in use by domestic and foreign airlines. However, an important issue to smart structures is dealing with the wealth of information produced by the dense array of smart sensors ; therefore, networking and information technology become crucial areas. In this research project synergistic integration of key technologies such as modern sensors and feedback controls for design and construction of engineering systems and issues on the application and implementation to urban infrastructure systems are deeply discussed. A roadmap towards the goal is also presented

The design, fabrication, and construction of smart infrastructures is one of the ultimate challenges to engineering researchers today. Because they form the essence of system intelligence, one of the cores of smart structures technology centers around innovative sensors and sensor systems. Structural health monitoring (SHM) represents one of the primary applications for new sensor technologies. Indeed, much attention has been focused in recent years on the declining state of the aging infrastructure in Japan. These concerns apply not only to civil engineering structures, such as the nation's bridges, highways, and buildings, but also to other types of structures, such as the aging fleet of aircraft currently in use by domestic and foreign airlines. However, an important issue to smart structures is dealing with the wealth of information produced by the dense array of smart sensors ; therefore, networking and information technology become crucial areas. In this research project synergistic integration of key technologies such as modern sensors and feedback controls for design and construction of engineering systems and issues on the application and implementation to urban infrastructure systems are deeply discussed. A roadmap towards the goal is also presented

Remarkable developments of active structural response control technology have been made in civil and architectural engineering fields. In the 9th World Conference on Earthquake Engineering (9WCEE) held in 1988, recent studies for structural response control were reported and discussed, and a great interest in response control technology arose in many researchers and engineers. The main objective of active response control of structures is the reduction of response induced by uncertain dynamic disturbances such as earthquakes or strong winds. Actively controlled systems in civil and building structures are mainly the type using control force generated by actuators or the type with devices for changing structural characteristics such as stiffness or damping.To start this research project, updating and rearrangements of databases for recent studies of response control technology in the mechanical, civil and architectural engineering fields, were carried out. These materials were accumulated from databases based on investigations by cooperative research group of Japan and the U.S.started since 1994. Most recent databases are arranged systematically on several physical objectives : control theorem, control device and system design for practical applications. State-of-Art-Report for each research objective was published through detailed investigations and discussions by research project groups composed from researchers of Japan and the U.S.Earthquake response data of the buildings equipped with structural control devices during Northridge Earthquake in January 17,1994 and Hyogoken Nanbu Earthquake in January 17,1995, was collected. Then, characteristics of behavior of these controlled building structures during earthquakes were studied by comparing observational and analytical data. In March, 1996, U.S.-Japan workshop in cooperative research on structural control were held in Kyoto/Japan. This workshop is closely related with the research program "Development of Intelligent Structural Control for Large Earthquakes" which was submitted to the Japanese Society for the Promotion of Science. The Principal Investigator and researchers of this program mainly planned and managed the workshop. During the workshop, the participants inspected the real size structural control test facilities at Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University, and exchanged information on development of innovative structural control systems.Recent developments concerning active control are reported both by Japanese and U.S.researchers. The contents were selected from special theme session of "Active Control of Stuctures" in the 11th World Conference of Earthquake Engineering (11WCEE) held in June, 1996. Then, a new direction was proposed. In December, 1996, the 2nd international workshop of structural control was organized as a program of this work, and summarizes "Building Control", "Bridge Control", "Health Monitoring", "Case Studies of Control" and "Design Philosophy of Control Codes"

本研究は、本来アクティブ制振構造のためのアクチュエータであるAMD(Active Mass Damper)を、建築構造物同定のための加振源として利用し、線形回帰モデルを用いて構築した制御モデルから、実際の制振システムを構成し、その有効性をシミュレーションおよび実験によって、検証するものである。研究の成果として得られたことを以下に整理する。1.構造物の固有振動数、減衰定数の推定に当たっては、加速度データに比べて、速度データの方が精度の点で、より良い結果を与える。速度データを用いると、低次モードが強調されるため、同定しやすいモデルとなる。とくに実験においては、速度データは加速度を積分して求めたため、積分時のロ-パスフィルタの効果が発揮され、高周波の雑音の除去に役立ったことも理由として挙げられる。2.固有振動数の同定に比べて、減衰定数の方が同定しにくく、データ数が特に少ない場合は、精度の点でかなりの差が見られる。3.同定した低次モードから制御モデルを構築し、H^∞制御を用い、ロバスト安定な制御が行われていることを確認した。実験は、4層のせん断モデルに対して衝撃応答試験により行い、シミュレーションとの対応が取れていたことを確認した。4.この同定手法は、常時微振動測定による同定結果との比較を行うためのもう1つの手段を提供することにもなり、今後は両者の比較の応用する予定である

構造物のモード特性の同定として、アクティブ制振構造に用いるAMD(Active Mass Damper)を利用した同定および常時微振動による同定の2つの手法に対してシミュレーションおよび実験を行い、以下の成果が得られた。1.AMDを用いた振動モード特性の同定4層並進・捩れ系構造物を対象として、最上層に設置されたAMD 1台で、並進・捩れのモード特性を同定した。並進・捩れ非連成系の同定においては、重心から離れた場所に入力を与え、並進・捩れそれぞれ1入出力として同定が行えることをシミュレーションおよび実験により確認した。連成系の同定では、非連成系と異なり多入出力系の同定となるが、回転中心を除きAMDの位置に関わらず固有振動数・減衰定数・振動モードが得られることをシミュレーションにより示した。さらに、同定した低次モードのみから、刺激係数をもとめる方法を提示し、地震応答予測が可能な数学モデルに置き換えるまでの方法を構築した。この方法の有効性を検証するため、4層せん断系構造物の実験モデルを作製し、実験をおこなった。振動台を用いて加振した実験モデルの地震応答と、同定により構築した数学モデルの地震応答を比較し、充分な精度で地震応答予測が可能であることを確認した。2.常時微振動による同定早稲田大学51号館を対象として、自己相関関数法、パワースペクトル法、RD法により、減衰評価をおこない、それぞれの手法の特性および誤差の特色を把握した。これら3つの手法で得られた減衰定数から真値により近い減衰を把握すること、およびAMDを用いた同定とこれらの常時微振動の結果をどのように結び付けるかが今後の研究課題として残っている

Faced with the rapid development of structural control technologies in the field of civil engineering, building design philosophy has been changing its traditional concept. However, in the current stage, active control of structures is still under development and hence not for ensuring the safety during large earthquakes. One of the major purposes of this research is to construct an intelligent control system which can work even in case of large earthquake. To do this, two systems are demonstrated to have their promising possibilities : one is a hybrid control system combining variable gain-based active mass damper (AMD) with hysteretic damper and the other is a semi-active system utilizing variable friction damper.For the purpose of constructing an appropriate reduced model for controlled high-rise building structures, the concept of model reduction for a controlled structure is presented and the effectiveness of the control system design based on such a concept is demonstrated

A design methodology for structures integrating semiactively-controlled variable friction dampers into base isolation systems is mainly focused on in this research. These variable friction dampers control only their slip-force levels in such a way as to exhibit hystereses having the similar shapes, and therefore they can be referred to as "variable slip-force level dampers."Relatively simple control algorithm has been proposed utilizing the motion characteristics of base-isolation structures that the acceleration responses of the floors above the base isolators are almost the same each other, in particular for the case of severe earthquake. Base isolation structures incorporating the dampers based on such a control algorithm have been demonstrated to give a good performance in seismic event. These actively-controlled structures have the following beneficial characteristics: (1) Control can be conducted only based on the acceleration response of the base isolators; and (2) Robust control can be provided even if the actual dynamical characteristics of the base isolators are more or less different from the one expected in the design stage.In addition, the total design methodology for and entire building structure having the proposed semiactively-controlled base isolation system in the middle story is investigated

The head investigator has area proposed the concept of variable -force level dampers as autonomous-decentralized semiactive control system accounting for the use of controllable oil hydraulic dampers. Based upon the proposed concept this research mainly deals with several issues on the use of MR dampers.In MR fluid contained in MR dampers the sedimentation of strong magnetic corpuscles inside occurs along with the time passage. This phenomenon changes certain mechanical property of MR fluid. A control algorithm is proposed with this effect considered.From the mathematical treatment point of view, it is demonstrated that elastic perfectly plastic modeling technique effectively describes the behavior of MR dampers. Utilizing this modeling technique the control algorithm targeting at a damper ductility factor of two is proved to make optimum energy dissipation in case of ideal steady-state sinusoidal excitation. Computer simulations demonstrates that MR damper based variable slip-force level dampers could work out with this algorithm even during nonstationary seismic excitation,It is also demonstrated that the controller using a manufactured microprocessor could work as effectively as the controller using PC.In addition, the concept of "autonomous-decentralized" system is also very effective for conducting structural health monitoring of the buildings in certain local area. Smart, wireless sensor based urgent assessment scheme of those buildings is proposed as autonomous-decentralized health monitoring network

1989年に世界初のアクティブ制震建築物が誕生して以来、アクティブ制震構造は、高層建築を中心にその採用が続いている。制震構造の対象となる建築・土木構造物は、従来の制御工学分野が取り扱っていた対象と比べてきわめて巨大であり、動的挙動の自由度が非常に大きいという特色を持っている。　このような意味から、建築・土木分野にふさわしい、制御対象の低次元化モデルの構築法が望まれている。現在、アクティブ制震構造物では、構造物をモード分解し、低次元化を行うことが一般的に行われている。構造物の応答をいくつかの低次モードによって近似し、各モードの時間関数をもとにしたフィードバックから制御力の決定を行っている。この手法では、応答の計測位置等の影響により制震構造システムが不安定に陥ったり、フィードバックする応答の誤差が大きい、等の問題がある。これに対して本研究では、数年来研究している同定手法を応用した低次元化モデル手法を提案している。提案する手法では低次元化モデルの応答をそのままフィードバックして制御を行うことができる。この妥当性、AMDを用いたケースについて考察し、シミュレーションと実験を行って確認した。　本研究で得られた成果により、きわめて多自由度の制御対象となりやすい建築物に対して、取り扱いの比較的容易で、制御効率の点からも望ましい制御対象低次元化モデルを構築することができる。＜研究成果の発表＞1998年6月“Model Reduction for Active-Control Building Structures”を2WCSC（第2回世界構造制御会議）において発表予定

　近年、建築構造の世界は大きな転換期を迎えようとしている。制震、免震という新技術を契機として、伝統的な耐震構造の枠組みを超えた新たな、構造設計の考え方、あり方が誕生しようとしている。　特に本来的に予測の難しい地震に対して、地震動の大きさ、性状に応じて、建物自らが揺れの制御を行うアクティブ制震構造物は、21世紀に向けての技術として、大きな可能性を秘めており、世界的にも強い注目、期待が寄せられている。　本研究は、このようなアクティブ制震構造建築物を対象に、構造システム全体としての構造計画、トータルデザインに向けての設計規範の開発、すなわちアクティブ制震建築物のための構造計画原論の確率を目指すものである。これにより、建物がもつ耐震性とアクティブ制震を融合した耐震システムが実現される。　この指針の確立に向けて、制震効果評価指数にあたる数量の算出を試みた。特定の地震動を対象とする、いわば特解としての評価ではなく、より一般的な意味において、制御効果が発揮されうる振動特性を備えた建物であるか否かを評価するための指標の算出である。最上層にAMDを持つ建物を対象に、建物振動性状および最上層における制御力の影響を考慮した評価に向けて、コンピュータシミュレーション・データを蓄積した。　また、制御対象としては、とくに大きすぎる自由度を持つモデルとなりやすい建築物の、低次元化モデルの開発も合わせて行っている。物理的な意味の明確な低次元化モデルを確立することは、限られた観測データを有効に活かして、適切な制御力を決定する観点から非常に有用である。　以上の、評価のための指標の確立、および制御対象である建物の、物理的意味の明確な低次元化モデルの構築は、制震構造物のトータルデザインのための主要な要素となる。

本研究は，建築構造物の減衰評価を含む構造同定を目的として，アクティブ制振に用いられるAMDを加振源に用いる方法と，常時微振動による2つ方法を各別に検証し，建築構造物への応用を行った。 現在，アクティブ制振構造物に最も多く用いられる制御方法は，建築物の最上層に設置された付加的な質量を，人為的に動かすことによって応答を低減する，AMD（Active Mass Damper）方式である。本研究はこのAMDを制振のためだけでなく，同定のための加振源として構造物を同定するという方法にもとづいている。入出力データから周波数領域での伝達関数，固有振動数・減衰比・モードベクトル等のモード特性を求める代数的計算法を確立し，4層のせん断実験モデルに対してその有効性を示した。さらに地震に対する刺激係数を算出する簡便な方法を提案し，同定された低次モードから地震応答予測を行った。また，一軸偏心をもつ構造物に対しても本方法を応用し，1つのアクチュエータで並進捩れ両方向の同定を行うために注意すべき点を整理した。 常時微振動を用いた建築物の減衰定数の評価では，シミュレーション解析により，カーブフィット法・RD法・自己相関関数法の3つの方法の特性を把握し，実在構造物への応用に際して考慮すべき点を明らかにした。本学51号館を実験対象構造物とし，最上階である18階の屋上のNS，EW方向の加速度計測にもとづき，固有周期・減衰比を3つ方法で推定をおこない，シミュレーション結果との対応を確認した。