超高層建築物の空力不安定振動に伴う崩壊機構に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650586
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 河井 宏允 京都大学, 防災研究所, 教授 (60027282)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤波 潔 東京電機大学, 理工学部, 助手 (70307669)
• Keywords: 空力不安定振動 / 弾塑性振動 / 振動制御 / カルマン渦 / ギャロッピング / 構造減衰 / 風洞実験 / 振動依存風力

Research Abstract

辺長比1:2の角柱の空力不安定振動について,振動時のカルマン渦放出の相似性と振幅に伴う揚力係数の増大を考慮した振動解析モデルを,カルマン渦による強制振動モデルを基礎として作成し,減衰定数と質量比を広範囲に変化させた実験結果と比較した。その結果,この空力不安定振動の大きな特長である発現風速の減衰定数への非依存性と,質量比に伴う発現風速および振幅の変化などが,提案したモデルによって定性的にも定量的にも極めて精度良く推測できることが明らかになり,解析モデルの妥当性と有用性を立証することができたとともに,この空力不安定現象に関する物理的な理解を深めることができた。弾塑性振動に係わる不安定現象に対する空力振動実験を実施するため,フィードバック制御による装置を考案し,振動装置を試作しその性能について検討した。従来のハイブリッド型フィードバック振動装置では,建物模型に作用する風力を風力天秤で測定し,それを振動方程式に入力して振動変位を求め,これを振動装置に与えるという方法を用いていた。この方法の場合,建物模型に作用する風力を如何に精度良く測定するかが大きな問題であった。本装置では,建築模型に作用する風力を測定することなく,応答変位のみの関数としてフィードバック力を振動装置に加えることによって,従来の装置の欠点を克服し,より広い範囲の応用を目指した。
振動装置を作成するにあたって,数値実験で履歴剛性な振幅依存減衰などを含む任意の振動系の基礎的なフィードバック制御方法を検討し,その結果に基づいて振動装置を試作しその性能を測定した。自由振動実験によって,負減衰を含めて臨界減衰までの任意の減衰を加えられることが確認された。しかし,3次元角柱を用いた応答実験により,渦励振時の振幅が従来のオイルダンパーを用いた振動装置によるものと若干異なることが明らかになった。この原因は変位測定時のAD変換に伴う離散化処理によって,当初計画したフィードバック力が振動装置に与えられていないことにあることが判明した。離散化誤差を最小にするためのフィードバック計算アルゴリズムを作成した結果,ほぼ従来の結果と同様な応答値が得られた。
また,先に開発した空力弾性不安定振動モデルを等価線形化法によって拡張した空力弾塑性不安定振動モデルを作成した。今後,このモデルによって空力弾塑性不安定振動解析を実施するとともに,試作した振動装置を用いて弾塑性応答実験を実施し結果を比較する計画である。

Research Products

• [Publications] H.Kawai: "Aeroelastic Instability of a Rectangular Cylinder with Side Ratio of 1/2 in Smooth Flow"Proceedings of Fourth International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications. 255-258 (2000)
• [Publications] 河井宏允, 藤波 潔: "一様流中の辺長比2の3次元角柱の空力不安定振動"第16回風工学シンポジウム論文集. 285-290 (2000)