振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査 那須信治

防災科挙枝術総合研究報告

第31号 1973

614．8：699841：550，346：711

振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査

那須信治 ・竹内盛雄・古藤田喜久雄・風間 了

     早稲田大学

     沢田健吉   国立防災科学技術センター

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    The bui1ding of the fire station is desired to be safe against the earthquake，that i・，t・b・…thq・・k・一P…f，i… d・・th・tn・thi・g… i・t・・f… th… ti…ffi・・b・ig・d・

 at the time of an ear比quake．The bui1ding，however，is somewhat of such comp1icated  form that it has a high tower on its roof top．Therefore，its vibration may be thought  not simp1e・

    Forced and free vibration tests and earthquake response ana1yses were made in  order to make c1ear the vibrationa／characteristics of the bui1ding of Takatsu Fire  house in Kawasaki City． The house was−consisted of two parts，i．e．，a bui1ding and a  ㍗atch tower thereon erected− The bui1ding is1arger in area than the tower．

    The resu1ts of the tests aηd ana1yses show that the response of the tower becomes  1arger than that of the bui1ding， and that the degree of earthquake response of the  combined system of bui1ding and towerと㎝siderab1y varies according to types of  earthquake vibrations emp1oyed in the ana1yses．

       昭和46年11月10，11日  ま え が き

      1．2 建物概要

 消防署の建物は大地震時にも消防活動に支障を   （1）場所 川崎市二子522

きたさないよう特に安全性，換言すれば耐震性が   （2）建物 （図一1，2）建物部分は地上2階 要望されている建物である．そして一般には，屋 （C−L．十8．07m），平面18．0（m）x23．0（m），

上に高い望楼を有する溝造である．この種の建物  の矩形であり，望楼部分は4階（G．L。十23．57m）

の振動性状を把握するために，川崎市高津消防署  平面3．0（m）×4．0（m）である．また，構造はR の実在建物の振動実験を行なうとともに，今後建  C造で，基礎は独立直接基礎である．

設される消防署の呵震設計に寄与する資料を得よ   1・3 起振機および測定計器

うとするものである．       （1）起振機（手動式） 偏心重量  60晦）

 また高津消防署建物について地震応答解析を行       偏心距離  21（剛 ない，地震時の挙動についても検討を行なってい      最高回転数

る．       420（C／1㎜！）

       最大出力  2．46（t）

 1． 振動実験       （2）測定計器

 1，1 実験年月日      a）換振器 水、平動 MTKH−1c

＊ 現在，建設省土木研究所千葉支所

 （The p r e sen壬 addr es s：Ch i ba BrancれPub ．c WOrks Research InStitute，

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大震時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

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振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

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大震時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

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 動コイル型，∫。二1．0Hz（保坂振動計器        製）

 b）増巾器 6L1−PDY （三栄測器製）

 c）記録器 レクチグラフ 8S11−2−A        4S11−2−A

       （三栄測器製）

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 d）周波数分析器 特注（TEAC）

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 1．4 加振および測定方    法

 （1）強制振動  起振機 を最高回転数420c／朋加

†た達するまで手動により回 転して手をはなす．その後 回転数は自然に減少するが この過程で測定を行なった．

 （2）自由振動  起振機i の回転を共振時に急激に停 止し，その後の自由振動測 定を行なった．

 （3）測定方法  丁。に 換振器を加振方向に1台固 定し，他の5台を各測定位 置に順次移動し，計6台で 同時測定を行なった．

 なお，起振機設置位置，

起振方向および測定方向は 図一1に示した．

 1．5 解析方法  （1）減衰定数

  a）共振曲線 1／恢  法

  b）自由振動 h＝

 log（Ai■Ai＋n）／nπ（対  数減衰率より），

 ここでAi：i番目の振巾，

 Ai．n：i番目からn／2

 周期後の振巾

 （2）常時徴動周期頻度曲 線 周波数分析器により。

 O．02秒刻みで2分問周期  を読みとり，全波数に対す  る各周期成分の個数の百分  率（周期頻度）を求めた．

 1．6 測定結果およびその考察  1．6．1 短辺（X）方向強制振動実験

 図＿3にC−2通りの共振曲線を不した．X方 向の共振周期は各階により多少異なるが，短辺方 向の1次固有周期は約O，26秒付近と考えられる．

また，Y方向も各階により共振点が異なり・共振 周期はX方向に比してわずかに長い・

 図＿4に1次固有周期，0．26秒時のC−2通 りのX方向，Y方向およびX，Y方向合成の変形

振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

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第31号1973

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振動実険による消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

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曲線を示した．望楼部分の変形状態は，X方向が せん断的変形を，またY方向が曲げ的変形を示し

ている．

 図一5に1次固有周期，O．26＝秒時の建物全体 の変形曲線を示した．望楼部分はあたかも建物屋 上で固定された如き状態で振動し，建物部分に比

して変形が非常に大きい．

 図一6に1階におけるA−5およびC−1通り

の上下動の共振曲線を，図一7に0．26秒時の1 階の上下方向の変形曲線を示したが，1，2通り は比較的スムーズな変形状態を示しており，また 全体的にみると，望楼部分の変形が大きい．この 1通りの上下動の変形状態を水平動の変形曲線に 図一8の如く示したが，建物に対するRocking

＋Sway（％）は45％程度となる。また，望楼に 対しては11．8（％）となり非常に小さくなる．す なわち，望楼部分の弾性変形は建物部分に比して 可成り大きくなることを示している．

 図一9に共振曲線から，図一10に自由振動実

験の波形から求めた減衰定数を示したが，減衰定 数は h＝4．O〜4．5（％）程度であることが判明

した．

 1．6．2 長辺（Y）方向強制振動実験

 図一11に共振曲線を示したが，Y方向の共振

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振動実験による消防暑建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

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点はO．26秒．X方向は0，27秒となり，短辺

（X）方向加振時と逆の傾向を示している．これら の理由として，共振周期（1次固有周期）は望楼 部分のみの1次固有周期とほぼ一致すると考えられ｛）

また，短辺方向と長辺方向の剛性が非常に近く，

望楼部分が建物の端部に接属されている故に建物 との一一体性が失なわれやすい等が考えられる．

 また，図一12の建物屋上の加振方向と直角Cつ 方向の共振曲線においても，各通りで共振周期が 異なっている．これらの各共振時の変形曲線を図 一13（a）〜（Φに示したが，明らかに建物の変形は 望楼の影響を大きく受けている．

 図一14，15にC−2通りの0．26秒および

O．27秒時の変形曲線をそれぞれ示したが，変形 状態は短辺方向加振時とほぼ同じ傾向を示してい

る．また，これらの変形状態（X方向とY方向の 変位の比）から，O．26秒はY方向の，0．27秒 はX方向の1次固有周期とも考えられる．

 図一16，17は建物全体の変形曲線である．

 図一18，19はO．26秒およびO．27秒時の

1階の上下動変形曲線である．同図において，

特に望楼部分のみが独白にRocking振動をして いるため，望楼のあるC通リがA通りに比して複

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       図一10 X方向自由振動測定波形

Fig−10 Records of free vibrat ion（dampi ng，h（％））

大震時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

雑な変形状態を示している、また，O．26秒時と O．27秒時の変形状態はかなり異な一、ている．

 図一20に共振曲線より求めた減衰定数を示し たが，減衰定数はh÷4％となり，短辺方向とほ ぼ同じ値を示した．

 1．6，3 常時微動測定

 測定波形の一例を図一21〜24に示した．ま

た，図一25，26はX方向およびY方向の周期

頻度曲線である．測定波形からも判かるごとく，

望楼部分はX，Y方向とも約O．26秒が大きく卓 越し，強制振動実験から求めた共振周期とよく一

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 図一27はXおよびY方向の変形曲線であるが，

変形状態は強制振動実駒こよる結果と同様に塔部 分の変形が建物部分に比して非常に大きい．また，

図一28の建物屋上の平面的変形状態をみると，

望楼の影響により，X方向は1，2通リが，Y方 向ではC，D通りがそれぞれ他の通りに比して変 形が明らかに大きくなり，強制振動実験結果とほ ぼ同様底傾向を示している．

         1，7 結 論

         振動の1次固有周期は，短辺         および長辺方向ともO．26秒であ         り，この値は望楼部分の1次固有         周期とほぼ一致すると考えられる．

         1次の減衰定数は両方向とも         約4％である．

         変形状態を全体的にみると，

        望楼部分が建物部分に比して非         常に大きく，地震時には一般に         言われているホイッピング現象         （むちうち現象）が生じ，望楼         部分と建物屋上部分の接合部に         応カ集中が生じると考えられる．

        また望楼が建物の端部にあるた         め，平面的変形状態が偏心的に         なっている．このように望楼部．

        分の位置が，建物の振動性状に         大きく影響するから，設計時に         は望楼を含む建物全体の状態を         十分考慮することが望まれる．

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（SeC）

    図一11 共振曲線（Y方向加振）

Fig−11 Response curves of vibration     （Y＿forced vibration）

 2．地震応答解析

 2，1 建物のモデル化  望楼部分を4質点に，また建

物部分を2質点に置換し，建物 全体を基礎固定の6質点系とし て解析した．

 2．2 入力地震波

 解析に使用した入力地震波は 下記の2種類である．

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   図一13 変形図（3階）

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大震時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

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大震時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

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振助実喰による消防暑建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

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Fig−17

  図一17 Y方面加振変形図（T＝0．27秒時）

Def1ect ion curves（Y−forced vibrati on，T＝O．27sec）

大農時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

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      （μ）1o

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    図一18 上下動変形曲線（Y方向加振，T＝O．26秒）

Fig−18 Deformation（rotation），I st f1oor（Y−forced vibration，

   T＝0．26sec）

コ／1 5 ⑨

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T二・α211s㏄）

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     図一19 上下動変形曲線（Y方向加振，T＝0．27秒）

Fig−19 Deformation（rotation），I st floor（Y−forced vibration，

   T・＝O．2 7sec）

振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査…那須・竹内・占藤田・風間・沢田

ω5o「

5ot﹄1■1一ヨo20﹇10

TR−Y

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●

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●

o

昌      ．o      s一

  C．：i層の減衰係数

  ω1：1次の円振動数（実験値）

  mi→1（i＋1）層の質量

  X ：i層の変位（実験値）

  hl：1次の減衰定数（実験値）

 なお，（1），（2）式より求めて解析に用いた諸定数 を下表に示した。

」階 敏 ω  ］1

一・・1質喜川・・｛1〕・帥。・・〃

1五篁：ll∵ぶ太㌫1：：

O．0311 0．325 196．32

O．0334 0．0409

、こa壬：ll：：

O．0298

     昌0

      frequOnCy（C／S）

    図一20 共振曲線（減衰定数）

 Fig−20Response curve（dampi㎎，

      h（％））

 地震波TAKATSUは小林啓美（東京工茱大学 教授）が1968年十勝沖地震の際，HACHI一一 NOHEにおいて観測した地震波を重復反射理論 により基盤層までもどし，この波形を高津の基盤層 に入力し，G．L．一2mでの地震波を作製したもの

である．

 なお，EL−CENTR0およびTAKATSUの地

震派の特性を比較するために，図一29，30に

それぞれのRESPONESE SPECTRUM

（VELOCITY）を示したが，両者のSPECT−

RUMの型は傾向的によく一致している．

 2−3 解析方法

 応答解析はRung6s Kutta法により行なった．

解析時問はEL−CENTR0を入力波とするときは

8秒間，TAKATSUの場合は60秒間であり，

また解析時問の刻みは∠t＝O．01秒である．

 解析に用いたバネ定数，減衰係数は（1），（2）式よ り求めた．

  Ki：ωi・2（m、→1・Xi，1）／（Xi÷rXi）

       1も

      （1）

  Ci＝2・h1・KI／ω1      （2）

 ここで

 2．4 解析結果およびその考察

 入力波形および望楼，建物の応答波形をEL−

CENTR0の場合は図一31に、TAKATSUの

場合は図一32に示した．

 EL−CENTR0地震波を入力とした場合，望

楼屋上では最大応答加速度は解析開始後約2．5秒 の所で生じ，その時の振動周期は1次固有周期 O．26秒である．これに対して、建物慶上は建物 部分の1次固有周期約O．15秒で振動し，最大加 速度の生じる時刻は望楼屋上の場合と異なってい

る．

 TAKATSUを入力した場合は，EL−CENT−

R0の場合と異なり，比較的応答が大きい振動が 長時問継続じ，また入力波に現われている長周期 成分が特に建物屋1上の応答波形に現われている．

 また，望楼および建物の最大応答加速度を下表 に示したが，いずれの地震に対しても塔屋上の最 大応答加速度は建物屋上に比して2，6〜3．O倍と

大きくなる、また，EL−CENTROの応答値は

建物および望楼屋．ヒともTAKATSUの場合の約

2倍となる．

 入力地震波

入力最大加速度

建物屋』二（BR）

塔  展  上（TR）

EL−CENTRO  1OO ga1

780 300

TAKATSU

 lO09a l 460 150  2．5 結 論

 入力波のEL−CENTROおよびTAKATSU のRESPONSE SP ECTRUM（yELOCI TY）

の型はよく一致しているにもかかわらず，望楼，

建物の応答波形はかなり傾向を異にし，また最大 応答値も異なっている．これらの結果から，応答 解析を行う際に， 十分入力波の性質を種々の方面

大盲セ時における都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31．号 1973

T4C−6 25005伽

；竃。C三含

§吾。C誌

1FC−6 12500，5

0 1 2 5   ■

4   5    6   7   8（sOC） 9

臼

嬰遺匡

㌧

     図一21 X方向常時徴動測定波形

Fig−21Records ofmicro−tremors（X−direction）

T4C−6

250 05Vレイ万

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BPC・6

5000−5

1FC−6

5000．5

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五

寒ξj匡

＾

1

＾

      図一22 v方向常時徴動測定波形

Fig−22 Records1 micro−tremors（Y−direction）

振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

 C 一

125005脾

1。；札

1。凱。

1。賠。

0

11 I

^{2 3 ．4}

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^{6 ア 8（soc、}

撃o・巨 睾も匝

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．1」

、 。 、1 、

8 （soc、

Fig−23

    図一23 BRX方向常時徴動測定波形

Records of micro−tremors，BR（X＿direction）

5F 1ト1

500tOVん

；F C−1 500  t0

5F 8・1 500  10

卵＾一1 500  1．0

0 1 2 三 4 5

d                   8  ｛宮eC）

望お匝

三      4       5      d 8 ｛蝸o）

Fig−24

   図一24 BRY方向常時測定波形

R ecords of m i cro＿tremor s，BR（Y−di rect i on）

大震醐こおける都市防災に関する研究 防災科学技術総合研究轍告 第3一号 亘973

︵目◎一−o①−一01＊︶ω﹄◎昌①﹄一−◎﹄o︸冒︸o O◎−−①q ．ω＞

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      ︵OΦ吻︶ 嚢    璽

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（％）〕1閉

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0．O   ︵自◎一一〇①−︸；︶ω﹄◎ε①﹄−1◎﹄〇一∈︸o o◎︸−8．ω＞ ①o⊆①﹄−コoo◎ ︸◎ ＞o⊆①50①﹄︸ −o︸ ω①＞−目O  ㊤NlbO︸−       ︵NIO．恒肯↑︶誰一榎幽緊黒睡  ㊤NI図       ︵O①OO︶  匝拭  i虫  吃．O   ω．O  寸．0   竃   N．O   ﹁．0      0

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振動実験による消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風問・沢田

TR

O    〇一5    1．O

十 □「

T，

丁日

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T！       T，

BR      目R

丁三〇．26砂

O    O．5    t O

□「

丁畠o−26秒

 望楼部分の応答値は建物部分に比して大きくな り，また望楼部分は望楼部分の周期で，建物部分 は建物部分の周期で個々に振動する傾向を示して いる．この傾向は常時徴動測定結果にも現われて

いる．

 ろ． ま と め

 振動実験結果および地震応答解析結果から，望 楼部分の振動は建物部分に比して大きくなり，地 震時には望楼と建物の接合部分に非常に大きな応 力が生じることが予想される．また望楼の位置が，

建物全体の変形状態に大きく影響を与えるため，

設計時には望楼の位置およびそれの建物全体の変 形に及ぼす影響を考慮する必要がある．

Xカ向       Yカ向

図一27常時徴動変形（相対）曲線 C−2通り

Fig−27 Def1ection Curves（micro−

     tremOrS）

参 考 文 献

1） Nobu j i Nasu and Others  Vi brat i o−

 nal Characteristics of the Bui1d−

 ingwithaTower on the Roof  第3

回日本地震工学シソポジウム（1970）

051、 DCB＾

目

5         ｛ 2      1

図一28

Fig−28

 B R常時徴動時変形（相対）図

（T：O．26秒）

 Deformation，BR（micro一

＿tremorS T＝O．26sec）

大店時における都11i防災に関する研究 防災科学技術総合研究報告 第31号 1973

EL−CENTRO NS Z max二〇．112夕  h＝O，05

○ 茗

｝  40

＞ ω

20

0         1

4 5

T（SEC）

    図一29 地震波応答スペクトル（速度），E L−CENTR0，NS

Fig−2g Reponse spectrum（velocity）of EL−CENTR0，NS

40

o z

｝

＞ω  20

TAKA  Zmax UNS昌O，112夕

＝0．

5

0        1

3 4 5

T（SEC）

 図一30地震波応答スベクトル（速度），TAKATSU，NS

Fi g−30 R esponse spectrum（veroci ty）of TAKATSU・NS

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  目

（免2）

図一32 入力波および応答波形（TAKATSU）

Fig−32 Response wa v e s （TAKATS U）

振動突蜘こよる消防署建物の振動性状に関する調査一那須・竹内・古藤田・風間・沢田

（9a1、

800 600 400

刎0

  O

−200 一ω0

−600

−800

（9aI）

400 200 二鴛﹁ 0

2 5

塔  屋  上（TR、

6      7      8

（SeC）

1 2

3      4      5 」

  建物屋上（BR）

6   7   と

      （SeC）

（9a1）

 100  50

  O

−50

−100

1     2      3     4     5      6     7

      入力波（EL−CENTR0）

      建物 丁、＝O．26秒 ， h＝0．04

  図一31 入力波および応答波形（EL−CENTR0）

 Fig−31 Response waves（EL−CENTR0）

 8

（SeC、