Development of an innovative inerter-damper for high-performance seismic isolation system

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20F20796
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 五十子 幸樹 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (20521983)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): GUO XUEYUAN 東北大学, 災害科学国際研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2020-11-13 – 2023-03-31
• Keywords: 複素減衰 / 一般化マクスウェルモデル / 免震構造 / ダイナミック・マス / damping function

Outline of Annual Research Achievements

免震構造は建物の中に水平方向に柔らかく大きな変形を許容する特別な層を設け，そこに減衰を介在させることで地震力の影響を低減させることを目的とした構法であるが，これまでは入力振動数に応じた減衰抵抗力を任意に設計することは出来なかった．一方で，支持ばねに粘性減衰要素を直列接続して得られるMaxwell要素を並列に無数に配置することで，任意の遅れ系の伝達特性(damping function)を設計できることが知られている．Tuned Maxwell-Wiechert (TMW) modelと呼ばれているモデルである．
本研究では，TMWモデルにダイナミック・マスを加えることで2次の遅れ系を構築し，それを複数接続することで免震建物用振動制御装置を提案する．この方法により，減衰要素の変位から抵抗力への伝達関数であるdamping functionを効果的に設計することができ，免震構造物の地震時応答制御効果を高めることにつながると期待されている．
初年度である2020年度は研究準備として提案技術と関連の深いTMW model, Golla-Hughes-McTavish法などを含む関連既往研究についてサーベイを行った．また，本研究の成果として，実際の免震建物への適用可能性を示すことを目標としているので，実装置の諸元を検討しそれが製作可能なものであるかどうかを検討するため，検討モデルとして５階建ての病院建物の解析モデルを構築した．
免震建物のような長周期構造物においては，地震時応答に低振動数成分が多く含まれるので，その低振動成分を選択的・効果的に減衰する必要がある．その理想モデルは複素減衰であるので，初年度の検討は複素減衰モデルのdamping functionを目標として制御装置諸元を探索するアルゴリズムを検討した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新型コロナウィルス感染拡大の影響により，研究の開始時期が遅れていたが，初年度の目標としていた研究準備のための既往研究サーベイは順調に終えることができた．次年度における本格的な研究の準備として，解析用のモデルの構築も終わっており，予備的な解析がうまく実行できるところまで確認している．
以上より，研究開始の遅れをある程度取り戻して概ね順調に進展していると評価している．

Strategy for Future Research Activity

理想モデルである複素減衰のdamping function との誤差関数を最小化するアルゴリズムについて，これまでの単純な方法では精度に限界があることが分かってきたので，目標振動数の幅についても可変としてより複雑なアルゴリズムを検討する．これがうまく行けば，粘性要素について，その抵抗力が応答変形の分数次導関数に比例するようなモデルを考え，それを線形バネと直列接合することでいわゆるScott-Blairモデルを構築し，これを取り込んだモデルへ提案アルゴリズムの拡張を試みる．
また，減衰要素の数を複数にする検討についても実施する予定としている．