初期免震建築物の振動特性の検証 モード 形状 振幅依存性 捩れ 振動特性 免震装置 地震観測 正会員 ○真川 公男 常時微動 固有振動数 はじめに 多田 同 篠崎 祐三 の壁剛性の影響が上部構造に影響を与えないように 地下 東京理科大学神楽坂校舎 号館 以下 号館 は 年 １階の壁の頂部全体に開口を設けることで表現した 竣工の初期免震建物である 我々は 年 月以来 号館 ボックス型鉄骨柱 ボックス型鉄骨柱 で地震観測 微動観測を行ない 様々な振動特性を検出する 弾性バネ とともに 構造計算書等を基に解析ソフトにより 号 館の構造モデルを作成し 動的フレーム解析により振動特 鉄筋ダンパー 性を再現 検証することを試みてきた 中空鉄筋コンクリート 本報は 号館の振動特性について微動 地震観測を通じ これらを検証したものである 構造概要 長辺方向 短辺方向 の鉄骨鉄筋コンクリート 造の建物である 平面形状は各階とも 図 に例として示 した 階と同様で 長方形に近い 構造上の特徴は地下 階 柱で免震装置を形成していることである C 便所 (女) 郵便室 管財一課 8700 便所 (男) 広報室 防災 センター E.V. E.V. ホール UP 3100 19400 給湯室 倉庫 B ロッカー室 エントランス ホール 入学課 経理課 7600 E.V. 応接室 A 張間方向 4300 " " " " 45120 385 1 2 3 4 図 5 6 図 免震装置 実測で得られた地下 階の加速度応答波形を解析用モデル 号館は 地下 階 地上 階 塔屋 階 最高高さ 印刷室 弾性バネ 構造モデル 実物 て新たな知見を得るとともに 動的フレーム解析によって 卓 同 " " 4300 " 5650 桁行方向 7 8 9 10 11 階平面図 解析用モデル概要 の地下 微動 階に入力し 動的フレーム解析を行なった 地震観測概要 年 月 日 号館で 回の微動観測 順に観測 と呼ぶ を行なった．図 に微動 地震観測に用いた地震 計 強震計の配置図を示す．観測 は 号館の固有振動時 のモード 形状を検出することが目的で 地震計を地下 階 階 屋上に 台ずつ 計 か所設置した． 観測 は 屋上での微動観測で検出された捩れ振動が 建物 全体としてはどのような捩れ形状を示しているかを検出す ることを目的として 地震計を地下 階 階 階 屋上に 台ずつ 計 つの階の か所に設置した．両観測とも地 下 階の免震装置の影響を考え 地震計設置位置は主に低 層階に重点を置いている 地震観測用の強震計は地下 階 階 階 屋上の計 か所に設置され 年 月観測開始以来 回 年 月 日現在 最大震度 弱までの地震を観測している． 解析用の構造モデルは 後述の微動観測で得られた固有 #1 振動数とモード 形状をできるだけ精度よく再現するように RF 既往の構造モデル を修正 改善することにより作成した 15F 号館の地下 階柱は コンクリートを充填したボックス 型鉄骨柱を内側に 上部を切断して鉄筋ダンパーを設置し た中空鉄筋コンクリート柱を外側に配置して 重柱を構成 している 図 解析用モデルでは 重柱の内側の柱 だけを表現し 外側の柱を省略する一方 柱頭部に新たに弾 性バネを設置することで免震柱を表現した 図 弾性 #2 #3 最高高さ 63.1m 地震計(観測1) 12F 10F 8F 7F 地震計(観測2) 5F 強震計 3F 2F 1F B1F 張間方向 19.4m 桁行方向 45.1m バネを設けたのは 後述の微動観測時のモード 形状 図 より 免震層が他の層に比べて特段低剛性となっていない と推測されたからである 免震クリアランスは 地下１階 図 ! "#$!% "!%& ' (% ) *)!% +)% % , ' 地震計 ※#1,#2,#3は各階の 地震計の番号を示す 強震計配置図 *-*.*/* 0 ! 捩れ固有振動数に対応するのではないかという推測のもと 回の微動観測において 屋上1 で得られた加速度パ ワースペクトルのピークより推定した 号館の 次固有振 動数 実測 の平均値を 解析値と対比して表 に示す 表 次固有振動数 方向 実測 解析 張間 23 23 桁行 23 23 ともに 各観測点間の振動の位相関係を調べた結果 地下 階を除く屋上 階 階がいずれも全体として剛体的に回 転する動き つまり捩れ振動を起こしていることが確認さ れた Displacement 各観測点の変位パーティクルモーション 図 を求めると #30 #29 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0 -0.2 次 次固有振動の -0.4 -0.2 0 0.2 Displacement モード 形状を解析結果とあわせて図 に示す 実測で 屋上 0.4 -0.6 -0.6 0.6 -0.4 -0.4 Displacement 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.2 Displacement Displacement 0.2 0 0 -0.2 -0.4 階 0.2 0.4 -0.6 -0.6 0.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 次 図 0.5 1 解析 微動時のモード 形状 実測 振幅依存性 0.2 0.2 0.2 0 0 -0.2 階 0.4 0.6 -0.6 -0.6 0.6 0.2 0 -0.2 -0.4 0.2 0 #24 0.4 0 0.4 #21 0.6 -0.2 0.6 -0.2 Displacement 0.4 -0.4 -0.4 0.6 -0.4 -0.4 Displacement 階 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 -0.6 -0.6 -0.4 Displacement 階 -0.2 0 0.2 Displacement 図 各階の変位パーティクルモーション 単位μ 実測 しかし 解析においては捩れ振動を再現することができ なかった 地下 図 は 回の微動観測および 回の地震観測で実測さ 次固有振動数 との関係を示す 両方向とも右下がりの図になり 揺れの 振幅が大きくなるほど 次固有振動数が低下するという いわゆる振幅依存性が見られた なお 観測された最大レ ベルの地震に対し 張間 桁行各方向における 次固有振 動数の低減率はそれぞれ ％ ％程度となった 1.4 1.4 ○:地震観測 ▲:微動観測 1.35 1.35 1.3 Frequency(Hz) 1.3 Frequency(Hz) -0.6 -0.6 0.6 0.4 解析 0.4 0.6 -0.6 -0.6 0.5 1 0.2 階各点における入力間の位相差や 風の 影響を解析で無視したことが可能な原因として考えられる れた張間 桁行各方向の屋上最大加速度と 1.25 1.2 1.15 1.25 1.2 1.15 1.1 1.1 1.05 1.05 1 ○:地震観測 ▲:微動観測 1 1 10 Peak acceleration(gal) 図 -0.4 -1 -0.5 0 0 Displacement -0.2 次 階 -0.2 #23 実測 0.4 0 -0.4 -0.4 Displacement 解析 実測 階 0.2 -0.2 -0.4 0.6 0 #26 0.2 0 0.4 #25 0.4 -0.2 -0.2 Displacement 0.6 -0.4 -0.4 屋上 0.4 張間方向 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -0.6 -0.6 0.6 0.6 Displacement 解析 実測 桁行方向 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.4 0.4 -0.2 Displacement 解析 実測 張間方向 Floor Floor 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.2 屋上 Displacement 桁行方向 0 0.6 -0.6 -0.6 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -0.2 #27 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.6 次 次固有振動時ともに地下 階と 階の層間変位が他の層 間に比べて特に大きいと認められないことから 微動時に は免震装置が働いていないと推測される 震度 弱までの 地震時のモード 形状に関してもほぼ同様の結果が得られた 0 -0.2 -0.4 微動観測 観測 により検出した #28 0.6 Displacement モード 形状 Displacement Displacement 固有振動数 100 1 10 100 Peak acceleration(gal) 張間方向 桁行方向 屋上最大加速度と 次固有振動数の関係 微動時の捩れ振動 微動観測 において各階で得られた張間方向の加速度パ ワースペクトルには 中心付近の1 を除く両端の1 1 においてのみ 23 の位置にピークが見られた これは ½ 東京理科大学大学院工学研究科建築学専攻 ¾ 東京理科大学工学部建築学科 助手・理博 ¿ 東京理科大学工学部建築学科 教授・工博 が 正確な理由は未詳である まとめ 本研究では微動 地震観測によって 号館の振動特性に ついて以下の新たな知見を得るとともに 動的フレーム解 析によってこれらを検証する試みを行った モード 形状より 微動および震度 弱までの地震時には 免震装置が働いている徴候が見られなかった 次固有振動数が微動時 小地震時に対して大地震時に 低下するという振幅依存性が見られた 微動時の 号館の地上階全体の捩れ振動を検出した 謝辞 本研究を進めるにあたり ご協力頂いた小野 格三郎氏に謝意を表しま す 参考文献 徳永 健人 他 初期免震建築物の振動特性その 日本建築学会大会 学術講演梗概集 小野 格三郎 他 初期免震建築物の振動特性その 日本建築学会大 会学術講演梗概集 米田 裕 他 三次元フレーム解析による初期免震建築物の振動特性の 検証その 日本建築学会大会学術講演梗概集 真川 公男 他 三次元フレーム解析による初期免震建築物の振動特 性の検証その 日本建築学会大会学術講演梗概集
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