Evaluation of structural member performance by dynamic strain measurement of real buildings
| Project/Area Number |
20H02293
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 23010:Building structures and materials-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
伊山 潤 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30282495)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 構造ヘルスモニタリング / 鉄骨構造 / 地震後損傷検知 / 柱脚 / ひずみ計測 / 動ひずみ計測 / 被災度区分判定 / 鉄骨柱脚の損傷検知 / 機能維持 / 加速度計測 / 実建物 / 構造性能 / 性能評価 / 被災度判定 / 損傷検知 / 常時微動 / 鉄骨構造部材 |
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| Outline of Research at the Start |
建築設計の際には構造設計により構造性能を確認してから建設するが、建設された後、実際に建物のなかの鉄骨構造部材がどのような挙動をし、どのような性能を有しているかを評価する技術は確立されていない。これを直接的に評価するには、ひずみを計測することがもっとも簡単かつ有益であるが、高コストである点やデータ分析手法が確立されていないなど、多くの課題が残されている。本研究では、IT/IoT技術の活用により安価な微小動ひずみ計測システムを構築して実建物に適用し、構造解析計算と直接的に比較することにより部材レベルでの構造性能を評価する手法に関する課題の整理と克服を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、実際の鉄骨造建物に適用可能な、ひずみおよび加速度の多点・リアルタイム計測システムを構築し、そのデータ分析手法の確立と適用性の検証を目的としている。本年度は特に（項目１）前年度構築した実大試験装置による載荷実験、（項目２）ひずみ計測システムの改良、（項目３）大型振動台実験での適用性検証、および（項目４）実建物への適用拡大、について検討を行った。
まず、（項目１）前年度構築した実大鉄骨骨組建物試験装置を用いて、静的載荷試験、動的応答計測、および載荷ロッド破断による衝撃加振実験を行った。層間変形角1/50までの静的載荷試験および衝撃加振試験を行い、壁や柱脚に損傷が生じること、また損傷に応じた応答性状の変化を捉えられることが確認された。
上記実験では独自に開発した低価格の動ひずみ計測ユニットを多数設置して実験を行ったが、計測点数が増えるにつれ、多くのユニットを使用する必要があり、製作・設置のコストが大きな負担となってきた。そこでコストのさらなる低減を目指し、（項目２）これまで１台あたりのひずみ計測数を4chから8chにまで拡大し、より容易にさらに多点での動ひずみ計測を可能とした。
この改善されたユニットの適用性を確認するため、（項目３）世界最大の振動台試験装置であるE-Defenseで行われた 10層鉄骨造建物の大型振動台実験に参加し、開発している装置および手法の適用を試みた。このなかでは合計240枚のひずみゲージと6つの3軸MEMS加速度計を用いたが、今回の構造物の挙動変化を捉えるという面において、必要十分であること、また、ごくわずかな応答挙動および構造性能の変化を捉えていることが確認された。
さらに（項目４）この手法を実用建物に適用していくための課題抽出のため、他大学および民間との協力を求め、実在の体育館や工場、オフィスビルでの計測・設置を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで開発してきた手法および計測システムを用いて、実大鉄骨骨組を用いた静的載荷実験や、大型振動台装置を用いた振動台実験を行うことができ、多くの構造データの取得が実現できた。詳細な分析は未完了な部分もあるが、概ね構築理論と整合する結果が得られている。また、これまで多くの適用実績を重ねてきたことにより、計測装置や計測システム、データの処理方法なども改善を進めることができた。 特に今年度後半実施した大型振動台実験（上記項目３）では、ほぼ完璧な形で多点の動ひずみおよび加速度記録の取得ができており、実建物への適用にはずみをつけることができた。
これに関連して、他大学の研究者や民間との連携も進めることができており、実建物の計測や大型実験において、ひずみ計測や加速度計測において共同で研究を行う場面も多くなった。これらの計測については実験目的という点では本研究課題と完全には一致しないものもあるが、建物にモニタリングシステムを普及させるためには、一つの計測システムに多数の目的と効果を与え、設置コストに対するパフォーマンスを向上させてゆくことも重要であり、良い方向性であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
前述したように、これまで多くの試験体や実建物を対象とした計測を実施しており、大量の計測データを蓄積している。次年度は本研究課題の最終年度として、データの分析とその活用法についての検討に注力したい。
実大鉄骨骨組建物試験装置による載荷実験（実績項目１）および実大建物の振動台実験（実績項目３）では、柱脚や梁端などの損傷が予想される箇所において多数のひずみを計測した。ただし、その詳細な分析は未了であり、次年度はこの部分の有限要素解析や３次元形状計測の結果との比較により、計測結果と損傷との対応付けを明らかにする。
この検討完了を受け、建築鉄骨構造物で想定される主要な損傷形態の検出原理の全体像を整理し、さらなる適用性拡大と信頼性向上のための課題抽出、および次なる研究目標の策定を進めたい。
なお、実建物での実測経験も増えてきているが、さらに計測を普及させ、鉄骨建築物の安全・安心を向上させるためには、その結果をどのように建物所有者に提供すべきか、どのようにモニタリングの意義を説明するか、という点についても検討しなければならない。さらに他分野の計測（人流、気温、湿度、明るさなど）との連携を拡大するという観点も引き続き重視することとしたい。
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Report
(3 results)
Research Products
(47 results)
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[Presentation] EXPERIMENT ON SMRF CONSIDERING MULTIPLE EARTHQUAKES PART 1 THE TEST SPECIMEN & LOADING PROTOCOL2021
Author(s)
R. Tenderan, K. Kohtaki, T. Isihda, S. Yamada, S. Kishiki, T. Seike, T. Hasegawa, J. Iyama, S. Yagi, N. Tatsumi
Organizer
17th World Conference on Earthquake Engineering, 17WCEE
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