Q：振動台を使った耐震実験にはどのような傾向がありますか？
Brad Thoen 氏: 振動台の背景にある考えは、実際の地震の際に構造物が受けるであろう地面の動きを、より忠実に生成することです。これらの台上で構造物を試験することで、研究者は耐震性を高めるために必要な知見を得ることができます。
最近では、最も意味のある地震を再現するために、研究者はできるだけフルスケールに近い試料を台の上に置くよう努力しています。その理由は、物理的な構造を縮小するとき、すべてが線形に縮小するわけではなく、構造のさまざまな要素が異なる形で縮小するためです。そのため、小規模な試料から得られた結果をフルスケールの構造物にどのように反映させるかについては、多くの工学的判断が必要となります。
例えば、1995 年の阪神淡路大震災では、耐震基準を満たした多くの建物が倒壊しました。その後の調査では、当時の規格がより小さなスケールの試験モデルを使った試験データに依存していた可能性が示唆されました。NIED E-Defense の大きなテーブルが作られたのは、日本の構造技術者がフルスケールの試料を試験して、スケーリングの判断をしなくて済むようにしたかったからです。
Q：大型の物理試料を使用することで、振動台の操作にどのような固有の課題が生じますか？
Thoen 氏：大規模な土木建造物試料を振動台の上で使用すると、制御上の大きな課題が生じます。
これらの試料は非常に巨大で、わずかに減衰されます。一度動き出すと動き続け、台と大きく連動し、その応答に影響を与えます。それが制御問題の根幹です。台が一方向に進むようにコマンドを出しているのに、試料がほぼ同じ力で反対の方向に強く押すのです。
また、これらの試料の固有振動数は非常に低くなる傾向があり、しばしば非常に高くなります。このような試料の底面を加振すると、試料は倒れようとし (転倒モーメント)、ピッチングやローリングが発生します。
つまり、次の 2 つのことが起こるのです。試料はあなたが望む線形動作に抵抗し、あなたが望まないピッチングやローリングの動作を引き起こします。これらの要素によって試験が無効になります。
Q：これら大型試料の課題を克服するためのツールや技術はありますか？
Thoen 氏： はい、現行の従来型「イタレーション」手法に加え、新たに開発された MTS の手法「SDC (試料動的補償)」があります。
イタレーション手法は以前からある手法で、どこでも使われています。学習アルゴリズムを採用しているため、(試料の損傷を避けるために) 低いレベルで試験を実行し、応答を測定してどこが不適切かを確認した後、駆動信号を修正して再度試験を実行し、2 回目により良い応答が得られることを期待することができます。研究者が再現しようとしている地震の波形に非常に近い応答が測定されるまで、これを何度も繰り返します。これが実際の、全振幅地震試験で使用される最終的な波形です。
イタレーションの実行方法には多くのこつがあります。どの研究者も、イタレーションを何回実行すべきか、どのレベルでイタレーションを増やすべきか、独自の考えを持っているようで、それはある種の作家的要素です。これは学校では学べないラボの技術です。
ただし、このイタレーション手法には根本的な欠陥があります。まず第一に、土木構造物の試料は多くの場合非常に非線形で非常に壊れやすいものです。壊れやすいため、反復する際には低い振幅で励起する必要があります。しかし、実際の全振幅の試験を行うと、試料はへこみ始め、イタレーション中に弾性域から非線形の塑性域に移行します。
つまり、試料が塑性化したりへこみ始めると、その動的要素すべてが恒久的に変化してしまいます。イタレーションにより計算した動作は、試料が弾性の場合には適切ですが、塑性の場合には全く適切ではありません。
Q：試料動的補償について説明していただけますか?
Thoen 氏： SDC は、非線形で時間的に変化する試料の共振効果を、振動台の動きの動的要素からリアルタイムで効果的に除去する、フィードバック補償器で、従来のイタレーションに代わる、より安全で忠実度が高くかつ効率的な手法を提供します。
既存のテーブルセンサーを用いて、SDC は全振幅試験中に試料が台上でどれだけ押し戻されているかをリアルタイムで判定します。次に、動的な試料の反対の力を打ち消すのに必要な力をアクチュエータが正確に発生させするよう、サーボ弁の流量をどれだけ増やすかを決定します。
SDC で利用されるフィードバック信号を試料に依存せずに得られることは、非常に大きな利点です。試料はモデル化しないため、時間変化や非線形が可能です。SDC にとっては、台を押し返す力がどのような物理的プロセスによって発生するかは問題ではありません。それらを感知し、相殺しればよいのです。
Q：従来のイタレーション技術と SDC を対比させます。
Thoen 氏： そもそも SDC はイタレーション技術と比べ、一貫して高い試験忠実度を実現しています。それを証明するために、代表的な 2 つの土木試料を使った実験を行いました。それは鉄筋コンクリートの梁と、鉛ゴム製ベアリングです。どちらも非常に非線形で、土木構造物では典型的なものです。まず、ネバダ大学リノ校の Patrick Laplace 博士が開発した手法を使って、典型的なイタレーションレジームを実行しました。次に SDC を単純に適用しました。顧客が実行するであろう方法、つまり何の準備もせず、ただ 100％ の状態で稼働させました。私は 2 つの地震に対する両方の試料の誤差を測定し、誤差の少ない順に並べました。その結果すべてのケースにおいて、SDC が最も誤差が少ないことがわかりました。イタレーションは、いくつかのケースではエラーが非常に低くなりましたが (他のケースでは呆れるほど高いエラー)、それでも SDC より高いエラーでした。
時間とコストの効率性という点で、SDC がイタレーションよりも優れていることは間違いありません。SDC のプロセスはシンプルです。試料を装着してボタンを押すだけです。一方、システムの周波数応答を識別して複数のイタレーションを実行する作業には膨大な時間とリソースが必要です。さらに、そのプロセスは主観的な作業であるためミスも多くなります。時間の節約という点では比較になりません。
SDC のもう一つの大きなメリットは、シンプルで合理的なチューニングです。SDC を使ってテーブルをチューニングする場合は、基本的に素のテーブルとして設定し、どんな試料を置いても同じ動作応答が得られます。試料を必要としないため、きれいな周波数応答 (すべての周波数で調和) を得るために好きなだけ時間をかけることができ、それが終われば終了です。台の上に好きな試料を置いておけば、SDC はそれを元の状態に戻してくれます。
Q：SDC 技術の起源について説明します。誰が、いつ、どのようにして開発したのでしょうか。
Thoen 氏： 基本的なアイデアの発案者であり特許権者でもある Al Clark 氏は、MTS に何十年も勤務し、数年前に退職しました。1990 年、当時の革新的な振動台設計の上でこの技術が試されました。これは新しい電子機器、新しい油圧装置、新しい制御アルゴリズムを備えていました。残念ながら、プロジェクト全体が複雑であったため (実際のところ、デジタル管理されたアナログ制御装置を使用していた)、この斬新な技術を使用することはできず、その時点では何の進展もありませんでした。しばらくの間、まさに放置されたままでした。そして 8 年ほど前、Al 氏と相談して、もう一度やってみようと決めたのです。彼が作ったものを見て、基本的なコンセプトは非常に良いと結論しましたが、いくつかの重要な改良を加えることにしました。これらの改良を加え、より高速なプロセッサを使用することにより、コンセプトを証明し技術を復活させることができました。
Q：SDC の効果を証明するプロセスについて説明します。
Thoen 氏： SDC の実用性と有効性を証明するために、3 回にわたる実機での現場試験を行いました。最初の現場試験は、2011 年にネバダ大学リノ校の二軸振動台で行われました。このシステムで SDC を一軸および二軸で実行させたところ、それなりに成功しました。2 回目の現場試験は、2013 年にリノで行われ、現場の 6DOF 振動台を使用しました。この試験は回転自由度のあるシステムに SDC を適用した場合にどうなるかを調べるためのもので、この試みも成功しました。3 回目の現場試験は、2016 年 1 月に SUNY Buffalo で行われました。ここでは、単に SDC を別の振動台で徹底的に試して調査を完了しようと思いました。多くのシステムで試すほど、多くを学ぶことができます。最終的には、何の変化もなく、SDC のパフォーマンスは変わりませんでした。Buffalo での経験から得た成果の 1 つは、SDC のユーザーインターフェースの合理化でした。これにより、今では専門家向けのユーザーインターフェースと、一般向けのシンプルなユーザーインターフェースがあります。
Q：研究者はいつ、どのようにして SDC の機能を利用できますか？
Thoen 氏： SDC は MTS の標準的な振動台制御ソフトウェアパッケージである、469D 地震台制御ソフトウェアの機能となっています。
また、システムアップグレードパッケージの一部として、既存の地震コントローラに SDC を統合するための手法も開発しました。このアップグレードパッケージには、システムの電子機器や油圧機器の健全性をチェックするオプションや、システムの再チューニングのオプションも含まれています。もちろん、SDC トレーニングもアップグレードの一部です。最適な結果を得るためには、大きな質量の片持ち梁のような試料をお客様に提供していただく必要があります。
Brad Thoen 氏: 振動台の背景にある考えは、実際の地震の際に構造物が受けるであろう地面の動きを、より忠実に生成することです。これらの台上で構造物を試験することで、研究者は耐震性を高めるために必要な知見を得ることができます。
最近では、最も意味のある地震を再現するために、研究者はできるだけフルスケールに近い試料を台の上に置くよう努力しています。その理由は、物理的な構造を縮小するとき、すべてが線形に縮小するわけではなく、構造のさまざまな要素が異なる形で縮小するためです。そのため、小規模な試料から得られた結果をフルスケールの構造物にどのように反映させるかについては、多くの工学的判断が必要となります。
例えば、1995 年の阪神淡路大震災では、耐震基準を満たした多くの建物が倒壊しました。その後の調査では、当時の規格がより小さなスケールの試験モデルを使った試験データに依存していた可能性が示唆されました。NIED E-Defense の大きなテーブルが作られたのは、日本の構造技術者がフルスケールの試料を試験して、スケーリングの判断をしなくて済むようにしたかったからです。
Q：大型の物理試料を使用することで、振動台の操作にどのような固有の課題が生じますか？
Thoen 氏：大規模な土木建造物試料を振動台の上で使用すると、制御上の大きな課題が生じます。
これらの試料は非常に巨大で、わずかに減衰されます。一度動き出すと動き続け、台と大きく連動し、その応答に影響を与えます。それが制御問題の根幹です。台が一方向に進むようにコマンドを出しているのに、試料がほぼ同じ力で反対の方向に強く押すのです。
また、これらの試料の固有振動数は非常に低くなる傾向があり、しばしば非常に高くなります。このような試料の底面を加振すると、試料は倒れようとし (転倒モーメント)、ピッチングやローリングが発生します。
つまり、次の 2 つのことが起こるのです。試料はあなたが望む線形動作に抵抗し、あなたが望まないピッチングやローリングの動作を引き起こします。これらの要素によって試験が無効になります。
Q：これら大型試料の課題を克服するためのツールや技術はありますか？
Thoen 氏： はい、現行の従来型「イタレーション」手法に加え、新たに開発された MTS の手法「SDC (試料動的補償)」があります。
イタレーション手法は以前からある手法で、どこでも使われています。学習アルゴリズムを採用しているため、(試料の損傷を避けるために) 低いレベルで試験を実行し、応答を測定してどこが不適切かを確認した後、駆動信号を修正して再度試験を実行し、2 回目により良い応答が得られることを期待することができます。研究者が再現しようとしている地震の波形に非常に近い応答が測定されるまで、これを何度も繰り返します。これが実際の、全振幅地震試験で使用される最終的な波形です。
イタレーションの実行方法には多くのこつがあります。どの研究者も、イタレーションを何回実行すべきか、どのレベルでイタレーションを増やすべきか、独自の考えを持っているようで、それはある種の作家的要素です。これは学校では学べないラボの技術です。
ただし、このイタレーション手法には根本的な欠陥があります。まず第一に、土木構造物の試料は多くの場合非常に非線形で非常に壊れやすいものです。壊れやすいため、反復する際には低い振幅で励起する必要があります。しかし、実際の全振幅の試験を行うと、試料はへこみ始め、イタレーション中に弾性域から非線形の塑性域に移行します。
つまり、試料が塑性化したりへこみ始めると、その動的要素すべてが恒久的に変化してしまいます。イタレーションにより計算した動作は、試料が弾性の場合には適切ですが、塑性の場合には全く適切ではありません。
Q：試料動的補償について説明していただけますか?
Thoen 氏： SDC は、非線形で時間的に変化する試料の共振効果を、振動台の動きの動的要素からリアルタイムで効果的に除去する、フィードバック補償器で、従来のイタレーションに代わる、より安全で忠実度が高くかつ効率的な手法を提供します。
既存のテーブルセンサーを用いて、SDC は全振幅試験中に試料が台上でどれだけ押し戻されているかをリアルタイムで判定します。次に、動的な試料の反対の力を打ち消すのに必要な力をアクチュエータが正確に発生させするよう、サーボ弁の流量をどれだけ増やすかを決定します。
SDC で利用されるフィードバック信号を試料に依存せずに得られることは、非常に大きな利点です。試料はモデル化しないため、時間変化や非線形が可能です。SDC にとっては、台を押し返す力がどのような物理的プロセスによって発生するかは問題ではありません。それらを感知し、相殺しればよいのです。
Q：従来のイタレーション技術と SDC を対比させます。
Thoen 氏： そもそも SDC はイタレーション技術と比べ、一貫して高い試験忠実度を実現しています。それを証明するために、代表的な 2 つの土木試料を使った実験を行いました。それは鉄筋コンクリートの梁と、鉛ゴム製ベアリングです。どちらも非常に非線形で、土木構造物では典型的なものです。まず、ネバダ大学リノ校の Patrick Laplace 博士が開発した手法を使って、典型的なイタレーションレジームを実行しました。次に SDC を単純に適用しました。顧客が実行するであろう方法、つまり何の準備もせず、ただ 100％ の状態で稼働させました。私は 2 つの地震に対する両方の試料の誤差を測定し、誤差の少ない順に並べました。その結果すべてのケースにおいて、SDC が最も誤差が少ないことがわかりました。イタレーションは、いくつかのケースではエラーが非常に低くなりましたが (他のケースでは呆れるほど高いエラー)、それでも SDC より高いエラーでした。
時間とコストの効率性という点で、SDC がイタレーションよりも優れていることは間違いありません。SDC のプロセスはシンプルです。試料を装着してボタンを押すだけです。一方、システムの周波数応答を識別して複数のイタレーションを実行する作業には膨大な時間とリソースが必要です。さらに、そのプロセスは主観的な作業であるためミスも多くなります。時間の節約という点では比較になりません。
SDC のもう一つの大きなメリットは、シンプルで合理的なチューニングです。SDC を使ってテーブルをチューニングする場合は、基本的に素のテーブルとして設定し、どんな試料を置いても同じ動作応答が得られます。試料を必要としないため、きれいな周波数応答 (すべての周波数で調和) を得るために好きなだけ時間をかけることができ、それが終われば終了です。台の上に好きな試料を置いておけば、SDC はそれを元の状態に戻してくれます。
Q：SDC 技術の起源について説明します。誰が、いつ、どのようにして開発したのでしょうか。
Thoen 氏： 基本的なアイデアの発案者であり特許権者でもある Al Clark 氏は、MTS に何十年も勤務し、数年前に退職しました。1990 年、当時の革新的な振動台設計の上でこの技術が試されました。これは新しい電子機器、新しい油圧装置、新しい制御アルゴリズムを備えていました。残念ながら、プロジェクト全体が複雑であったため (実際のところ、デジタル管理されたアナログ制御装置を使用していた)、この斬新な技術を使用することはできず、その時点では何の進展もありませんでした。しばらくの間、まさに放置されたままでした。そして 8 年ほど前、Al 氏と相談して、もう一度やってみようと決めたのです。彼が作ったものを見て、基本的なコンセプトは非常に良いと結論しましたが、いくつかの重要な改良を加えることにしました。これらの改良を加え、より高速なプロセッサを使用することにより、コンセプトを証明し技術を復活させることができました。
Q：SDC の効果を証明するプロセスについて説明します。
Thoen 氏： SDC の実用性と有効性を証明するために、3 回にわたる実機での現場試験を行いました。最初の現場試験は、2011 年にネバダ大学リノ校の二軸振動台で行われました。このシステムで SDC を一軸および二軸で実行させたところ、それなりに成功しました。2 回目の現場試験は、2013 年にリノで行われ、現場の 6DOF 振動台を使用しました。この試験は回転自由度のあるシステムに SDC を適用した場合にどうなるかを調べるためのもので、この試みも成功しました。3 回目の現場試験は、2016 年 1 月に SUNY Buffalo で行われました。ここでは、単に SDC を別の振動台で徹底的に試して調査を完了しようと思いました。多くのシステムで試すほど、多くを学ぶことができます。最終的には、何の変化もなく、SDC のパフォーマンスは変わりませんでした。Buffalo での経験から得た成果の 1 つは、SDC のユーザーインターフェースの合理化でした。これにより、今では専門家向けのユーザーインターフェースと、一般向けのシンプルなユーザーインターフェースがあります。
Q：研究者はいつ、どのようにして SDC の機能を利用できますか？
Thoen 氏： SDC は MTS の標準的な振動台制御ソフトウェアパッケージである、469D 地震台制御ソフトウェアの機能となっています。
また、システムアップグレードパッケージの一部として、既存の地震コントローラに SDC を統合するための手法も開発しました。このアップグレードパッケージには、システムの電子機器や油圧機器の健全性をチェックするオプションや、システムの再チューニングのオプションも含まれています。もちろん、SDC トレーニングもアップグレードの一部です。最適な結果を得るためには、大きな質量の片持ち梁のような試料をお客様に提供していただく必要があります。
