安全安心の向上は大きな国家的な課題である.私的な空間の安全や健康管理などの個人的問題に対しては,受益者や対象が明確であり,センシングや情報技術の実装に関する研究開発が活発である.それに対して,人間活動のかなりの割合を占める公的空間は,対象空間が極めて広く,不特定多数が相手であり,かつ事象も事故・火災・犯罪・地震.・テロなど多種多様であるため,問題は桁違いに複雑である.これに対し本研究では,研究代表者が提唱する,センシングによって状況を「知」り,人間を含む能「動」的アクチュエーションによって現実空間にフィードバックするという「知動化」構想にもとづき,人間や車両などの移動体を利用したセンサ・アクチュエータ・ネットワークによる,安心・安全な「知動化セキュア空間」の実現に必要な技術課題に関するロードマップの構築を目指した.これに向けて,8月には箱根において,20余名のメンバーにより,知動化都市基盤構造の構築に必要な技術,とくにセンシング,ネットワーク技術の体系を議論し,そこでの議論を小冊子の形でまとめた.また,11月には,全米科学財団(NSF)の協力のもとに,日米ワークショップ「センサー,スマート構造とメカトロニックシステムズ」を開催した.日本側は,藤野,保立(ともにメンバー),アメリカ側は,スペンサー教授(イリノイ大学),富塚教授(カリフォルニア大学バークレー校)がホストをとなり,アメリカ側25名,日本側30名の参加を得た.そこでは,センサー,スマート構造,メカトロニックシステムズの実社会,とくに都市基盤構造への適用とその技術的課題について,議論を深め,この分野のロードマップを作ることで合意した

安全安心の向上は大きな国家的な課題である.私的な空間の安全や健康管理などの個人的問題に対しては,受益者や対象が明確であり,センシングや情報技術の実装に関する研究開発が活発である.それに対して,人間活動のかなりの割合を占める公的空間は,対象空間が極めて広く,不特定多数が相手であり,かつ事象も事故・火災・犯罪・地震.・テロなど多種多様であるため,問題は桁違いに複雑である.これに対し本研究では,研究代表者が提唱する,センシングによって状況を「知」り,人間を含む能「動」的アクチュエーションによって現実空間にフィードバックするという「知動化」構想にもとづき,人間や車両などの移動体を利用したセンサ・アクチュエータ・ネットワークによる,安心・安全な「知動化セキュア空間」の実現に必要な技術課題に関するロードマップの構築を目指した.これに向けて,8月には箱根において,20余名のメンバーにより,知動化都市基盤構造の構築に必要な技術,とくにセンシング,ネットワーク技術の体系を議論し,そこでの議論を小冊子の形でまとめた.また,11月には,全米科学財団(NSF)の協力のもとに,日米ワークショップ「センサー,スマート構造とメカトロニックシステムズ」を開催した.日本側は,藤野,保立(ともにメンバー),アメリカ側は,スペンサー教授(イリノイ大学),富塚教授(カリフォルニア大学バークレー校)がホストをとなり,アメリカ側25名,日本側30名の参加を得た.そこでは,センサー,スマート構造,メカトロニックシステムズの実社会,とくに都市基盤構造への適用とその技術的課題について,議論を深め,この分野のロードマップを作ることで合意した

構造物のアクティブ制震は、地震や風などのような不確定な動的外乱による土木建築構造物等の動的応答を、外部から制御力を与えるか、自らの構造特性を変化させることによって時々刻々コントロールしようとするものである。この分野の研究は、1988年第9回世界地震工学会議以来大きな関心を集め、近年急速に研究が進展してきている。そこで、本年度の研究調査として、まず、平成6、7年度実施した建築・土木・機械分野における研究の現況についての文献調査を日米双方において特に最新のものを中心に継続してまとめを行った。すなわち、調査結果を系統的に分類して資料化を行い、これを持ち寄って制御理論、制御装置、実構造物の設計への適用等具体的な課題ことに、日米双方の研究者グループによる検討を行って、各課題ごとのState-of-Art-Reportをまとめた。94年1月17日の米国ノースリッジ地震及び95年1月17日の兵庫県南部地震における制震構造物の地震観測記録を収集し、これに基づく制震構造物の地震時挙動の特性を比較検討とともに、シミュレーション解析を実施して、観測と解析との比較から、構造物における制震効果の定量的把握を行った。96年3月に米国側研究者の来日を求めて日米合同のアクティブ制震構造システムワークショップを京都で共同開催した。このワークショップは日本学術振興会の産学共同研究「大地震を対象としたインテリジェント制震構造システムの開発」と連動したもので、本研究の代表者および分担者が中心となって企画運営を行った。併せて、京都大学防災研究所構内の実大実験架構を用いたアクティブ制震構造システムの確証実験を視察し、日米両国の研究者で制震効果の確認をするとともに意見交換を行った。96年6月開催の第11回世界地震工学会議における特別テーマセッション「構造物のアクティブ制震」で、日米両国の研究者が中心となって研究の現況などを報告するとともに、今後の研究の方向づけについて討論し、まとめた。また、96年12月開催の第2回構造制御国際ワークショップを日米両国の研究者が中心となって運営し、「建築物の構造制御」、「橋梁構造制御」、「構造健全性の診断法」、「構造制御の事例調査」、「構造制御規定の考え方」などについて討論し、成果の取りまとめを行った。以上の各調査研究成果をもとに、98年6月京都で日本側研究者が中心となって、開催予定の第2回世界構造制御会議における主要テーマとして、「建築物の構造制御共通試験」、「釣橋における構造制御効果」、「重要物への構造制御適用手法」、「アクティブ清新そう地の開発」、「非線形系の制御アルゴリズム」などにテーマの採択について討論決定し、その運営方法について打合わせた。また、日米両国の研究者が中心となって設立している国際構造制御学会の今後の活動方針として、組織や規定のあり方、研究集会の開催時期や頻度、学会誌の刊行などについて検討し、意見の取りまとめを行った

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

制震構造の究極の目的は、大地震時の安全性の確保にある。しかしながら、現在アクティブ制震の主流となっているAMD方式では、ストロークや駆動力の限界から、そのほとんどが大地震時に停止する設定がなされている。可変フィードバックゲイン制御を適用することで、性能限界を考慮しながら、大地震時にあっても稼動しつづけるAMDとすることは可能であるが、AMDの機能限界を考慮するため大地震時には大きな制震効果は期待しにくい。大地震時のAMDの制震効果を補う目的で、低層階に設置した履歴ダンパを主に大地震時の制震を想定して設計し、AMDとの複合制震システムとすることで、大地震時には主に履歴ダンパで、中小地震時には主にAMDによる可変フィードバックゲイン制御での制震が可能となることを、シミュレーションにより確認した。引き続き、振動台による模型実験を計画中である。また、摩擦ダンパの降伏点を制御することで、地震規模に合わせた効率的で、省エネルギー型の制震が可能となる、可変摩擦ダンパによるセミアクティブ制御については、実験、シミュレーションによりその効果を確認している。引き続き、より本格的な実験を計画中である。制御システムのモデル化にあたって、制震構造物として相応しい(制御対象として望ましい)モデルの構築に関しては、出力計測層の状態を反映させた低次元化モデルを、実際の高層ビルに近い構造性状をもつ建物モデルに適用し、有効な制御が可能となることを確認している

免震機構にセミアクティブ可変摩擦ダンパを組み込んだ制震構造物の設計法を中心に研究を行った。最下階に免震層をもつ構造物、中間階に免震層をもつ構造物の両者を対象とする。ここでの可変摩擦ダンパは、スリップレベルのみを可変とすることで、応答の大きさによらず、ほぼ相似形の履歴を描くように制御されるダンパであり、「可変スリップレベルダンパ」と呼ぶこともできる。既に、このダンパについては、各層への設置を想定した簡潔な制御則を提案しているが、ここでは免震層にのみへの設置を前提とする。免震構造物では、免震層より上部の各層応答加速度がほぼ同様となることを利用して、免震層応答加速度をもとにスリップレベルを切り替える制御アルゴリズムを提示した。このダンパを免震機構と複合することで有効な能動型の制震構造物となる。この制震構造物の特長は以下の通りである:(1)免震層の加速度によってほぼ上部構造の加速度応答値を代表できるので、免震層の絶対加速度計測のみで制御可能となる;(2)上部構造の動特性の変動・ばらつきや、免震層動特性のばらつきの影響を受けにくいロバスト性を期待できる。中間階免震のアクティブ制震化に関しては、セミアクティブ可変摩擦ダンパとの組み合わせにより、応答低減効果をより向上させるための、構造物全体としての設計のあり方に関する検討を行った

MRダンパーを用いた可変スリップレベルダンパー型の制御を実施しようとすると、微粒子の沈降の影響により、たとえ同じ電流を印加したとしてもスリップレベルが変化してしまう。誘導起電力を測定しながら、この影響を考慮して修正を行うセミアクティブ制御則を提案した。MRダンパーの挙動は、ある振動数を超えると完全弾塑性型のばねへの置き換えるが可能であることを明らかにし、これをもとにCaugheyの等価線形化手法によって等価線形剛性と等価粘性減衰を求め,ダンパー塑性率2を目指すセミアクティブ制御の有効性を理論的に示した。また、非定常地震時にあってもMRダンパーが想定した履歴を描き、効率よいエネルギー吸収が可能となることも明らかにした。マイクロプロセッサー(マイコン)制御基盤を作製し、このマイコンによってオイルダンパーをセミアクティブ制御して、PC制御に比べ遜色ない制御が可能となることを実験的に確認した。自律分散の考え方は、制御のみならず、モニタリングにおいても有効となる。現在のスマート構造は、自ら自身の状態を感知し、自ら挙動する構造物である。建築構造物に適したスマートセンサーを、既存のMICA MOTEをもとに作製した。この作製したスマート無線センサーの使用を前提とした自律分散型の緊急健全度判断のためのヘルスモニタリングネットワークの考え方を示し、そのための簡易な診断法を提示した

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。