Verification of wind-induced instabilities of structures against future super typhoons

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02232
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 八木 知己 京都大学, 工学研究科, 教授 (30293905)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野口 恭平 京都大学, 工学研究科, 助教 (70802685)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 耐風安定性 / 空力振動 / 風洞実験 / 数値風洞実験 / 渦励振 / フラッター / 橋梁 / 高欄

Outline of Annual Research Achievements

想定外の強風下における構造物の耐風安定性をより精緻に評価する方法の確立を目的として，以下の二つの課題に大別される内容の研究を実施した．その成果を列記する．
１）構造物の微細部のモデル化に着目した数値実験法と風洞実験法の検討
高欄を形成する部材は極めて微細である．従って，風洞実験や数値実験を実施する上で，その微細構造をモデルとして完全に再現することは困難である．従って，高欄の手摺部分にあたる最上段の水平材はモデルとして再現するとして，それより下段の部分をどのような簡易モデルに置き換えられるかを六角形断面を対象に風洞実験で検討した．高欄のモデルとして，実際の高欄形状に近い非格子型高欄と格子状のモデル化した格子型高欄の２種類を使用した．その結果，全体的に空隙率と渦励振応答振幅は線形の関係があることが判明した．渦励振応答は空隙率に加えて中間水平材の本数ならびに断面辺長比が大きく影響し，中間水平材の位置や鉛直材の本数はほとんど関与しないことが明らかとなった．高欄を空隙率を合せた多孔質材でモデル化することはある程度可能であるが，より正確な応答振幅を評価するためには，圧力損失をより精緻に表現できるパラメータの導入や重要部材のみ再現する方法等を検討する必要があることが示唆された．
２）高風速域における空力振動現象の把握
本研究では，矩形断面の高風速域・大振幅域におけるねじれフラッターを対象とし，自由振動実験ならびに大振幅時もしくは回転時の非定常空気力測定実験を実施して，現象解明を行った．その結果，発散振動とされるねじれフラッターも，高無次元風速においては大振幅で定常振動となること，高無次元風速域におけるねじれ1自由度振動現象は，迎角と迎角速度を考慮した空気力で説明が可能であることから，水平・鉛直・ねじれ３自由度の空力振動現象も相対迎角速度を導入することで，現象を再現できる可能性が示唆された．

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では，１）構造物の微細部のモデル化に着目した数値実験法と風洞実験法の検討と２）高風速域における空力振動現象の把握という大きく分けて二つのテーマを中心に検討進めており，当初予定通り順調に進んでいる．しかし，１）のテーマに関する風洞実験を実施する上で，構造細部のモデル化もさることながら，構造細部が空力振動現象に及ぼす影響に未解明な点が多数残されていることが判明した．従って，当初予定していた上記２つのテーマに加えて，構造細部が空力振動特性に及ぼす影響の解明を３つ目のテーマとして追加することを考えている．高欄が橋梁桁断面の空力振動応答に及ぼす影響のみならず，塔構造物における隅角部の形状やケーブル構造物の表面形状の効果も検討する予定である．本検討内容は，テーマ２）ともかかわっており，従来のテーマと同時進行が可能であることから，新しいテーマを加えても研究の進捗状況には遅延は発生しないと考えている．

Strategy for Future Research Activity

今後は，以下の3種類の検討課題の研究を実施する予定である．
１）構造細部が空力振動特性に及ぼす影響の解明：2020年度に以下の２）の検討を実施した際に、構造細部が空力振動現象に及ぼす影響にまだ未解明な点が数多くの残されていることが判明したため、高欄が橋梁桁断面の渦励振応答に及ぼす影響に加えて、塔構造物における隅角部の形状と空力特性の関係、ケーブル構造物における表面形状と空力特性の関係も併せて風洞実験により明らかにする予定である。
２）数値実験と風洞実験における構造細部のモデル化に関する検討：
2020年度において、種々の高欄模型を作成し、渦励振の応答振幅とその発現風速域をばね支持自由振動応答実験で確認しており，2021年度以降は同様の高欄モデルや簡略した高欄モデルを用いて数値実験を実施し、より合理的な高欄モデルを検討する予定である。さらに、同様の検討を塔構造物の隅角部についても実施する予定である。
３）発現風速よりも高風速域における空力振動現象の解明
ギャロッピング（鉛直1自由度）、ねじれフラッター（ねじれ1自由度）、連成フラッター（鉛直曲げ・ねじれ2自由度）等のフラッター現象を対象に、発現風速よりも高風速域の状態で如何なる挙動を示すのか、明らかにする予定である。2020年度は、構造物の相対迎角と相対迎角速度に着目した空気力をもとに大振幅応答の現象解明を実施した。その結果、高風速域における応答挙動をある程度説明することが可能となった。しかし、実際の構造物が対象となる風速域よりも，かなり高い風速領域での検討に留まっており、2021年度は、風速の検討領域を拡大し、構造物の自励振動をより包括的に理解することを試みる予定である．