JP2005100051A - 免震建物の振動解析システム及び振動解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】免震建物の２次部材を考慮し、振幅依存性を考慮した振動特性（剛性、減衰）に基づいて、免震建物の振動を解析し、実際の建物の振動との誤差の少ない、より現実に近く、精度の高い振動解析を行うことができ、無駄なく、安全な構造設計を行うことができる免震建物の振動解析システムを提供する。
【解決手段】ＣＡＤデータベース、骨組み部材データベース、２次部材データベースにアクセスして、骨組み部材及び２次部材の数量と免震建物の構造のデータと、骨組み部材の振動特性と、２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性を演算する第一の演算手段30と、第一の演算手段30により演算した免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、地震を想定した変位を免震層に入力した場合の免震建物の振動を解析する第二の演算手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、免震建物の振動解析システム及び振動解析方法に関するものである。

従来、交通振動等の微小振動の影響を振動解析から推測する方法がある。しかし、建物の応答が小さい微小振動レベルにおける中低層鉄骨建物の剛性は構造躯体の骨組のみならず、外壁、内壁等の２次部材等も建物の剛性に寄与する場合があるため、建物の微小振動レベルの挙動については通常の構造計算で得られる結果とは異なることがあった。

特に、低層の鉄骨造建物の場合、外壁や内壁等の２次部材の剛性の影響で、微小振動レベルにおける建物の固有振動数（剛性）が従来の構造躯体の骨組のみから構造計算した値より大きくなり、建物の実際の振動と建物の振動解析結果との間で誤差が生じていた。

かかる問題を解決するため、建物の構造に関する建物情報及び建物の壁要素の微動剛性に関する壁要素情報に基づいて建物の重量及び剛性を算出し重量及び剛性から建物の固有振動数を推定し、建物の微小振動解析を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３４９７７６号公報

しかしながら、従来、免震建物の地震時の振動解析において、上部構造の応答は従来の耐震建物に比べ非常に小さい為、微小振動レベルでの振動解析と同様に、２次部材の剛性の影響を考慮すべきであったが、そのような解析方法は提案されておらず、かかる振動解析においては依然として建物の実際の振動と建物の振動解析結果との間で誤差が生じていた。

また、建物の振動は２次部材の影響によって減衰が促進されるが、従来の解析方法では、２次部材が振動の減衰に与える影響について考慮されていない。よって、建物の振動の減衰を骨組のみで計算した値は、実際の値よりも小さくなる。このため、免震建物の振動解析において、従来の２次部材を考慮しない骨組のみから計算した減衰（実際の減衰よりも小さな減衰）で計算することによって、免震建物の上部構造はオーバースペックの設計となる。また、実際の減衰よりも小さな減衰で計算すると、上部構造の変位は実際よりも大きな値となり、免震建物の免震層の変位は実際よりも小さな値となってしまい、危険側の計算結果となるという問題があった。

また、振動特性（剛性、減衰）は、建物の振動の振幅によってその値が変動する振幅依存性を有している。すわなち、変位が増すにつれ、剛性（固有振動数）は２次部材の影響が低減され、逆に減衰は２次部材の影響で増加する。従って、かかる振幅依存性を考慮していない従来の振動特性で計算する建物の振動と実際の建物の振動との誤差が大きくなるという問題があった。

そこで本発明は、免震建物の２次部材を考慮し、振幅依存性を考慮した振動特性（剛性、減衰）に基づいて、免震建物の振動を解析し、実際の建物の振動との誤差の少ない、より現実に近く、精度の高い振動解析を行うことができ、無駄なく、安全な構造設計を行うことができる免震建物の振動解析システム及び振動解析方法を提供することを目的する。

目的を達成するための本発明に係る免震建物の振動解析システムの第１の構成は、下部に免震層を有する免震建物の骨組み部材及び２次部材の名称、数量と前記免震建物の構造のデータを少なくとも有するＣＡＤデータが蓄積されたＣＡＤデータベースと、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記骨組み部材の名称に対応した骨組み部材の振動特性を蓄積した骨組み部材データベースと、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記２次部材の名称に対応した前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性を蓄積した２次部材データベースと、前記ＣＡＤデータベース、前記骨組み部材データベース、前記２次部材データベースにアクセスして、前記骨組み部材及び２次部材の数量と前記免震建物の構造のデータと、前記骨組み部材の振動特性と、前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性を演算する第一の演算手段と、該第一の演算手段により演算した前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、地震を想定した変位を前記免震層に入力した場合の前記免震建物の振動を解析する第二の演算手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る免震建物の振動解析システムの第２の構成は、前記骨組み部材データベースは、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記骨組み部材の名称に対応した骨組み部材の振動特性のデータを蓄積し、前記２次部材データベースは、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記２次部材の名称に対応した前記２次部材の振動特性のデータを蓄積し、前記ＣＡＤデータベース、前記骨組み部材データベース、前記２次部材データベースにアクセスして、前記骨組み部材及び２次部材の振動特性のデータと、前記第二の演算手段により解析した前記免震建物の振動に基づいて、免震建物の地震に対する安全性を診断することを特徴とする。

また、本発明に係る免震建物の振動解析方法の第３の構成は、下部に免震層を有する免震建物の骨組み構造の振動特性を算出し、前記免震建物の２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性を算出し、前記骨組み構造の振動特性と、前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性を算出し、前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振動を解析することを特徴とする。

本発明により、地震等の振動を想定した免震建物の振動解析において、実際の建物の振動との誤差の少ない、より現実に近く、精度の高い振動解析を行うことができ、無駄なく、安全な構造設計を行うことができる。

本発明に係る免震建物の振動解析システム及び振動解析方法の実施形態について、図を用いて説明する。

（システム構成）
まず、免震建物の振動解析システムのシステム構成及び振動解析方法について説明する。図１は本実施形態に係る免震建物の振動解析システムのシステム構成を示すブロック図である。図１に示すように、免震建物の振動解析システム１は、コンピュータ本体11、入力装置12、表示装置13から構成されている。

コンピュータ本体11は、記憶装置20、第一の演算手段30、第二の演算手段31を有している。入力装置12は文字、数字等を入力してコンピュータ本体11を操作するキーボード、マウス等であり、表示装置13はメニュー画面や、ＣＡＤデータ、免震建物の応答結果等を表示するためのモニタ等である。

記憶装置20には、免震建物の振動解析に必要な各種データを蓄積しているＣＡＤデータベース21、骨組み部材データベース22、２次部材データベース23が記憶されている。

ＣＡＤデータベース21は、コンピュータで作成した下部に免震層を有する免震建物の設計図面の（画像）データと、骨組み部材の名称、数量と、２次部材（ＡＬＣ外壁、内壁等）の名称、数量と、免震建物の構造のデータを少なくとも有するＣＡＤデータを蓄積している。

骨組み部材データベース22は、ＣＡＤデータベース21に格納された骨組み部材の名称に対応した振動特性（剛性Ｋ１ｘ（ｔ／ｃｍ）、減衰定数ｈ１ｘ）を蓄積している。

２次部材データベース23は、ＣＡＤデータベース21に格納された２次部材の名称に対応した振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ２ｘ、減衰定数ｈ２ｘ）を蓄積している。

第一の演算手段30は、ＣＡＤデータベース21、骨組み部材データベース22、２次部材データベース23にアクセスして、骨組み部材及び２次部材の数量と、免震建物の構造のデータと、骨組み部材及び２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ１ｘ、Ｋ２ｘ、減衰定数ｈ１ｘ、ｈ２ｘ）に基づいて、免震建物の質量ｍと、免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ、減衰定数ｈ）を演算する。

図２（ａ）に示すように、免震建物の振幅依存性を考慮した剛性Ｋは、Ｋ＝Ｋ１＋Ｋ２から算出される。ここで、骨組み部材及び２次部材の剛性Ｋ１、Ｋ２は、免震建物に使用されている骨組み部材及び２次部材の振幅依存性を考慮した剛性Ｋ１ｘ、Ｋ２ｘと、それらの数量、免震建物の構造のデータから算出される。

図２（ｂ）に示すように、免震建物の振幅依存性を考慮した減衰定数ｈは、ｈ＝ｈ１＋ｈ２から算出される。ここで、骨組み部材及び２次部材の減衰定数ｈ１、ｈ２は、免震建物に使用されている骨組み部材及び２次部材の振幅依存性を考慮した減衰定数ｈ１ｘ、ｈ２ｘと、それらの数量、免震建物の構造のデータから算出される。

第二の演算手段31は、第一の演算手段30により演算した免震建物の質量ｍと、免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ、減衰定数ｈ）とに基づいて、地震を想定した力Ｆ（ｓ）：ｓ＝時間、を免震層に入力した場合の免震建物の振動を解析する。

具体的には、まず、免震建物を図３に示すような力学モデルにモデル化する。図３において、免震建物は、質点（ｍ：質量）、剛性棒（Ｋ：剛性、Ｃ：減衰係数）によりモデル化されている。

そして、この力学モデルから得られる下記の振動方程式（数１）を解くことにより、免震建物の振動を解析する。

（システム動作）
次に、免震建物の振動解析システムの動作及び振動解析方法について説明する。図４は免震建物の振動解析システムのフローチャートである。図４に示すように、まず、予めＣＡＤシステム等により免震建物の設計がされ、ＣＡＤデータベース21に蓄積された免震建物のＣＡＤデータから振動解析を行う免震建物を選択する（Ｓ１）。

次に、第一の演算手段30が、選択した免震建物に用いられる骨組み部材及び２次部材の名称、数量と、免震建物の構造のデータをＣＡＤデータベース21から抽出する。そして、抽出された骨組み部材の名称に対応する骨組み部材の振動特性（剛性Ｋ１ｘ、減衰定数ｈ１ｘ）を骨組み部材データベース22から抽出する（Ｓ２）。同様に、抽出された２次部材の名称に対応する２次部材の振動特性（剛性Ｋ２ｘ、減衰定数ｈ２ｘ）を２次部材データベース23から抽出する（Ｓ３）。

そして、第一の演算手段30により免震建物の質量ｍと、免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ、減衰定数ｈ）を演算する（Ｓ４）。この免震建物の質量ｍと、免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性（剛性Ｋ、減衰定数ｈ（減衰係数Ｃ））とに基づいて、第二の演算手段31により、振動方程式（式１）から、地震を想定した力Ｆ（ｓ）を免震層に入力した場合の免震建物の振動を解析する（Ｓ５）。

最後に、解析した免震建物の振動から、免震建物の安全性を評価する（Ｓ６）。ここで、上部構造の応答、免震層の変位をチェックし、上部構造の応答が大きすぎる場合や、免震層の変位が免震装置の許容範囲を超えるような場合には、Ｓ１に戻り免震建物の設計を修正する。また、上部構造の応答、免震層の変位が許容範囲内であれば、免震建物の安全であると評価する。

（免震建物の振動解析例）
次に、免震建物の振動解析を行った免震建物の応答結果について説明する。図５は免震建物に神戸原波（ＪＭＡ神戸）を入力した場合の免震建物の応答結果である。

図５に示すように、下部に免震装置（免震層）を有する２階建の免震建物の免震層に神戸原波（ＪＭＡ神戸）を入力した実験と、２次部材の振動特性及び振幅依存性を考慮した振動解析（本発明による解析）と、２次部材及び振幅依存性を考慮しない振動解析（従来の解析）とを行った。尚、免震建物に入力する波は、神戸原波（ＪＭＡ神戸）に限らず、例えば、エルセントロＮＳ等であってもよい。

尚、縦軸は免震建物の位置を示し、０：地面、１：１階、２：２階、３：屋上での振動を計測、計算した。また、図５（ａ）では、横軸に最大加速度をとり、図５（ｂ）では、横軸に最大変位をとっている。

波形の種類の異なる地震であっても、実際の免震建物の振動（実験データ）と本発明による解析結果とはほぼ一致した。一方、従来の解析では実験データとの誤差が大きく現れた。

これは、従来の解析では、２次部材が振動の剛性に与える影響について考慮されておらず、骨組のみで計算した建物の剛性は、実際の値よりも小さくなっていることに起因する。また、２次部材が振動の減衰に与える影響についても考慮されておらず、建物の減衰も骨組のみで計算した値は、２次部材の影響で実際の値よりも小さくなっていることにも起因する。

また、図６は建物の振動特性（剛性、減衰）と振幅（変位）との関係を示す図である。図６に示すように、実際の建物では振幅（変位）が大きくなるにつれて、固有振動数（剛性）は小さくなり、減衰定数（減衰）は大きくなる。このように、振幅によって振動特性（剛性、減衰）が変化するのに対し、従来の解析では、振動特性（剛性、減衰）の振幅依存性について考慮していないことも、従来の解析と実験データとの誤差の要因となっている。

以上説明したように、免震建物の２次部材を考慮し、振幅依存性を考慮した振動特性（剛性、減衰）に基づいて、免震建物の振動を解析することにより、実際の建物の振動との誤差の少ない、より現実に近く、精度の高い振動解析を行うことができる。このため、免震建物の上部構造はオーバースペックの設計とならず、無駄のない設計とすることができる。また、免震建物の免震層の変位は実際よりも小さな値となることなく、安全側の解析、安全な構造設計を行うことができる。

本発明の活用例として、免震建物の振動解析システム及び振動解析方法に適用可能である。

本実施形態に係る免震建物の振動解析システムのシステム構成を示すブロック図である。 免震建物、骨組み部材、２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性を示す図である。 振動解析を行うための力学モデルを示す図である。 免震建物の振動解析システムのフローチャートである。 免震建物に地震の波形を入力した場合の免震建物の応答結果である。 建物の振動特性（剛性、減衰）と振幅（変位）との関係を示す図である。

符号の説明

Ｆ …力
Ｋ …剛性
ｈ …減衰定数
ｍ …質量
１ …振動解析システム
11 …コンピュータ本体
12 …入力装置
13 …表示装置
20 …記憶装置
21 …ＣＡＤデータベース
22 …骨組み部材データベース
23 …２次部材データベース
30 …第一の演算手段
31 …第二の演算手段

Claims (3)

1. 下部に免震層を有する免震建物の骨組み部材及び２次部材の名称、数量と前記免震建物の構造のデータを少なくとも有するＣＡＤデータが蓄積されたＣＡＤデータベースと、
   前記ＣＡＤデータベースに格納された前記骨組み部材の名称に対応した骨組み部材の振動特性を蓄積した骨組み部材データベースと、
   前記ＣＡＤデータベースに格納された前記２次部材の名称に対応した前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性を蓄積した２次部材データベースと、
   前記ＣＡＤデータベース、前記骨組み部材データベース、前記２次部材データベースにアクセスして、前記骨組み部材及び２次部材の数量と前記免震建物の構造のデータと、前記骨組み部材の振動特性と、前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性を演算する第一の演算手段と、
   該第一の演算手段により演算した前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、地震を想定した変位を前記免震層に入力した場合の前記免震建物の振動を解析する第二の演算手段と、
   を有することを特徴とする免震建物の振動解析システム。
2. 前記骨組み部材データベースは、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記骨組み部材の名称に対応した骨組み部材の振動特性のデータを蓄積し、
   前記２次部材データベースは、前記ＣＡＤデータベースに格納された前記２次部材の名称に対応した前記２次部材の振動特性のデータを蓄積し、
   前記ＣＡＤデータベース、前記骨組み部材データベース、前記２次部材データベースにアクセスして、前記骨組み部材及び２次部材の振動特性のデータと、前記第二の演算手段により解析した前記免震建物の振動に基づいて、免震建物の地震に対する安全性を診断することを特徴とする請求項１に記載の免震建物の振動解析システム。
3. 下部に免震層を有する免震建物の骨組み構造の振動特性を算出し、
   前記免震建物の２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性を算出し、
   前記骨組み構造の振動特性と、前記２次部材の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性を算出し、
   前記免震建物の振幅依存性を考慮した振動特性に基づいて、前記免震建物の振動を解析することを特徴とする免震建物の振動解析方法。

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