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埋込み剛基礎の動特性に基づく動的擬似3次元効果の考察 : 境界要素法による動的擬似3次元効果に関する研究(その2)

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(1)

1

論  文】 UDC :624

131

55 :624

15 :624

042

7:517

544 日本建築学会構造系論文報告 集 第 3SO号

昭和 62 年10月

埋 込

基 礎

動 特 性

動 的 擬 似

         

3

考 察

境 界要 素 法

に よ る

擬似 3

効 果

する

研究

その

2

員 員 会 会 正 正

_

* *  1

は じめに  前 報1) い て

,2

次 元 場 減 衰を導入 して

地表 面 剛基 礎の 擬似

3

次 元境界要素 解 析を行い

,2

次 元お よ び

3

次元場の析 結との比較を 通し て

擬 似

3

次元場の動 特 性 を解 析 的に検 討 し た

 本 論で は, 基 礎が埋 込 まれ る場 合

隣 接し て基 礎が存 在する場合,

お よ び成 層 地 盤の最も極 端な例と し て基 盤 が存 在 する場 合の検 討 を 行い

埋 込み効 果

基 礎 間 連 成 効果

成層効 果に及ぼす速 度 比 例 型 減 衰の影 響を考 察す る さ らに 加 振 時の波 動 伝 播エ ル ギ

を求め 解 析 次 元に よ る波 動の逸 散 性 状の差 異 を検 討し, 擬 似3次 元 解析が面外へ の波 動の逸 散 を過 度に評 価する傾 向があ ること を示す。 ま た, 速度比例型 減 衰の効果を1次 元 土 柱に適用 し て簡易 地 盤 ばねを求め

陽な形で得ら れ たイ ン ピ

ダン ス を も とに

擬 似 3次 元 場の イン ピ

ダンス の特徴を数式 的に説明す る

 以 上の検 討 をもとに

擬 似3次 元 解 析 特 有の動 的 挙 動 を考 察 し, 適用上の留 意 点 を 明確にする

 2

解 析 方 法   解 析 対 象は図

1に示す よ うに

半 無 限地 盤 ま た は剛 基 盤 上の弾 性 層に埋 込ま れ た剛 基 礎に

SV

波が 入射す る 問題で あり

隣 接して存 在す る 基 礎 も考慮 す る

地 盤 お よび基 礎 埋 込み部には擬 似3次元 効 果を表す た め に面外 方 向に ダッ シュ ポッ ト を取り付け

支配方 程式に速度比 例 型 減 衰を導 入する

 解 析 方 法は前 報1 )と 同 様で あり, 境 界 要 素 法 を用い て 基 礎の イン ピ

ダンス およ び ドライビングフ ォ

ス を求 め, 動的サ プス トラ ク チャ

法の概 念に基づい て基 礎の 応 答 を求める。 こ こ で は埋 込み を有 する場 合に生 じ る境 界 要 素 法 定 式 化上の注 意 点を明 確にする ために

解析 方 法の概略 を示 す

な お

特に説 明の ない諸 量 につ い ては 前

va1

定 義 さ れて い る の照 さ れ た

 まず

境界上

i

点に お け る定 常 動 弾 性 問 題の散 乱 波 場 本 論 文の

部は参 考文 献 〔8)

(10>に 発表し た もので あ る

清 水 建 設 (株 )大 崎 研 究室 主 任 研 究 員

清 水 建 設 (株 )大 崎 研 究 室

工 修   〔昭 和 62年2月6日 原 稿受理) の分方程式は [・

a1

il

P

muluSldr

[喇 脚

r

              

……・

……・

一 …一 …一 ・

(1 > と示さ れ る。 こ こ に,

luSl

, 

lpS

}は境界 上の変 位お よび 表 面 力ベ ク トル で あり, 上 添 字

S

は散 乱 波 場の諸 量 を 示す

また

[Ci]は i点 近 傍の境 界 形 状によっ て定まる 係 数マ トリックス である。

1

崘}

Ip

謝は変 位お よ び表 面 力の基 本 解で あり

下 添 字 (

k

)は基 本 解 を算 定し た場 の次 元 を 示す

本 論で は基 本 解とし て Appendix に示す 地 盤の境 界 条 件 を満 足し た グ リ

ン関 数 を用い る の で

境 界 積 分

r

は基 礎

地 盤 接 触 部のみ実 行す ればよい 。  実 際の応 答 値剛,

lp

}は以下の よ うに散 乱 波場 と 入反 射 波場の和で表さ れ る。

    

lul

luSI

iuG

       

……・

…………・

…・

……・

(2)     

lP

}ニ {ps }+

IP

1

こ こに,

lut

}, {ρ ’

1

は 入反 射 波 場の諸 量 を示 し前報il (11)

15式 を用て求め られ る

 (1)式に (2}式を代入し て

定 要 索に よ り離 散 化し

これを全 要 素につ い て連 立させ ると

   

[鼠勺]ヨul

G

〔勧]

ipl

十[

HtkJluil

G

エitJlpl 

…・

 

3

) が得られる

こ こ に

Hl

丿陶]

δ,丿[

C

‘]・

f

.,[躍

r

【偏 一

dr

…・

…………

(4 ) であ る。 な お

境 界の形 状に よっ て定ま るマ トリッ クス   a 図

1 解 析モデル

56

(2)

C

』につ い て は

剛 体 許 容 条 件z} を 用いて静的な[

H

]マ ト リッ クスか ら求めて い る。 本 論では, 剛 基 礎 を対 象と す るので変位ベ ク トル

lul

を     

lul

[コ「]

IU

 

t−・

 (

5

) の よ う に変 換マ ト リッ ク ス [T ]を 介して剛基 礎底面 中 心の変 位 {酬 で代 表さ せ る

さ らに

各 境 界要 素の面 積を対角項に含むマ トリ ク ス [

A

]を 導入 し, (

3

)式 の両辺に

T

T [

A

][

Gcm

1 乗じ ることに よっ て

    [κ

lui

= {

F

}十

iD

 

tt・

 

一・

 6 が得られ る

こ こ に

    [K]

T

TA

][

Gny

1[

Hcni

[T }

   

IF

[T]「 [A]

ip

       ・

 

(7 )     

1D

T

]T[

A

]([

G

κ]

1 [

H

(k)]

1u

1

lpa

) で あり

K

]は剛 基 礎の インピ

ダン ス マ ト リッ ク ス

は外 力ベ ク ト

iDi

は ドラ イ ビングフ ォ

ス ベ ク ト ルである

ま た, 外力ベ ク トル

1FI

o

と して (6 )式 を解いた結 果が基 礎 入 力 地 動 (無 質 量 剛 基 礎の 応 答)で あ る

 こ こで

注 意 を要す るの は以下の点である

入反 射 波 場は支 配 場が

2

次 元ま た は 3次 元となる の で

(1)式 に対 応する積分方程式の離散化 表 現 式は

    [HCt

3]

1

Gii

s]

IP

’}+

lull

…・

…・

……・

tt・

8

) と な る。 こ の関 係 を 用い ると

(7)式で定 義さ れ た ド ライビングフ ォ

ス は

   

のト[T]惣 ]([

Gim

1[H(ltJlu ’

1

     

G

〔2

sJ

i [

Hca.

3Jlu ’

1

十[

Gt2,

Sb]

11ul })

 

(9) と表さ れ る

2 次元場や3次 元 場の解 析の場 合に は入反 射 波 場と散 乱 波 場の支 配 場が同

であるの で, (9 )式 中の右 辺 第1項と第2項が相 殺して     

iDl

[T ]τ [A ][G ]

Hu

「 }

……・

………

(IO) とな り

通 常の境 界 要 素 解 析で用い ら れ てい る ド ライ ビ ングフ ォ

ス の定 義 となる。 しか し, 擬 似

3

次元 場 を対 象と する場 合に は

入反 射 波 場と散 乱 波 場の支配 場が異 な るの で

(7 )式に よる定 義が必 要とな る

た だ し,

地 表面基礎の 場合に は [

H

]マ スが単 位の対 角 行 列と な り (9 )式中の右辺第 2項と第 3項が相 殺する の で

va1

の ご と く (IO式によ る定 義 も可 能である。   また

擬 似3次 元 場の地 盤 インピ

ダン ス と ド ラ イ ビ ングフ ォ

ス に関しては

2に示す よ う に基 礎 埋込 み部に付 加し たダッ シュ ポ ッ トの寄与も考慮す る。 す な わち

(7 )式 中の イン ピ

ダン ス

K

に は

i・Vs

ll

ぬ               

…………・

……・

……・

……

(11 ) を

ドライビングフ ォ

iDI

に は

1

1

陰 ]

・・一

・12) 無 質 且 剛 基 礎

rII

        形

i4

:四     ww

−一

pVs    

……一

{ (a》 イ ン ピ

ダン ス算 定 図

2       無 質 量剛基 礎    

tt

 

  

4

      {al}地      サ {Ui}   

r

盤       ∠

_

_

_

_

:「享ノ      

Lj (b) ド ラ イ ビング7t

ス算定 基 礎 埋込み部に付 加し た ダッ シュ ボッ トの寄 与 を付加 す

な お

比 較に用い る3次元 解 は半無 限 地 盤 の場合に は吉 田ら3) よる境界要 素法 (直接 法}か ら得 られ た正 方 形 基 礎の結 果 を

剛 基 盤が存 在する場 合に は 軸 対 称 有限要 素 法4, 面 積 等 価 形 基 礎 結 果を用い る。  

3

埋 込み効 果の検 討   埋込み剛 基 礎の擬 似3次元効果の検 討を行う

対 象と する の は半 無 限 地 盤に埋 込まれ た単 独 剛 基 礎である

正 方 形 基 礎 を 想 定 し て半 幅

B =

40m

埋 込み

E =

20m

奥 行長 さ

L =

80m と し, 境界要 素 長は 4m とする

地 盤はボ アソ ン v

=O.

4

せ ん断 波 速 度

Vs=500

 ms 基 礎は標準的

BWR

型原 子 炉 建 屋 を想 定 し, 重量

W

334 200t

重心 高 さ 洗 = 20m

回 転

慣性 1

2

683× 10s tm2

表 示す る

ン ス

お よ

SV

波が鉛 直 下 方か ら 入射す る時の基 礎入力 地 動

剛 基 礎重心 の応 答であ り

地 表面 応 答に対 する伝達関 数とし て示 す。 いず れも無 次 元 化 表 示 し, 横軸は無 次 元 振 動 数 αo

ω

B

Vs

とする。

 

3に剛基 礎の イン ピ

ダンスを 示 す

地 表面基 礎 の結 果 (前 報i)

7比 較 , 実 部と虚部の値が 大き く増 加して いる。 これ は

埋 込み に伴う基 礎

地 盤 接地面 積の増 加が逸 散 減 衰と拘 束 効果 を増 大さ せた こと に よる。 インピ

ダン ス増 加の割 合は回 転

水 平

上 下 の順に小さ く なっ て い る

これ は

4(a)に示 すよ うに基 礎 側 面 地 盤の寄 与の差に起 因 して おり

側 面 地 盤 の変 形モ

ド とし て せん断モ

ド と圧縮 伸張モ

ドの い ずれ が卓越 す る かによ る。 例え ば

側 面 地 盤 を水 平 方向 に のびる土 柱と仮 定すると

土柱の剛性は圧縮 伸張モ

ドの方が せ ん断モ

ドよ り も大き く なる

し たがっ て 圧 縮 伸 張モ

ドを含む 回転お よ び水 平 成 分に おい て埋 込 みに よるイン ピ

ダン ス の増 加の 割 合が大き く な る と考 えら れ る

 擬 似 3次 元 効 果にし て は, 地表面 基 礎の場 合 と 同様

擬 似3次 元 解は 2次 元解に比較して実 部が増 大し

3次元解 をか な り よ く模擬して いる

ただし

埋 込みが 存 在す る場 合に は実 部の み な らず 虚 部の値 も増 大する傾 向が あ る

これ は (11 >式に示し た基 礎 埋込み部の ダッ シュ ポッ トによ る寄与で あり

これによっ て 擬似 3次 元 解の虚 部の傾き は

3

次 元解と よい対 応 を示すように な る。 しか し

全体と して

擬似 3 次元 解は低 振 動 数 域で 実 部を小さ め に虚 部を大き めに評 価 し

と くに回転 成 分

57

(3)

   5

0    4

0     3

0 寒

  2

0 霞     1

0     0

o  

_

1

0    8

0     6

0

4

o

    2

0    0

0  

_

2

0 留       4

0

                         翼                      1

o                            0

O O

O   O

5    1

0    1

5   2

0    2

5    a

0       0

0   0

5    1

0    1

5   2

0   2

5    3

0       無元振 動 数 (ao

mBiVs )      無 次元振動 数{ao

wBiVs )        {a) 水 平 対 角項〔KHH)      Cb)

回 転 対 角 項 (KRR)       1

0

lil

 

2

 

                  0

0 0

0   0

5    1

0    1

5   巨

0    2

5    3

0      0

0   0

5    1

0    1

5   2

0   2

5    3

0       鰍 元 振 臘 〔。。

BtVs)      無 次 元振 動蜘

eBtVs ,        {c) 上下対 角項(Kvv )       (d〕 水 平

回 転 迎 成 項〔κHκ〕   図

3 半 無 限 地 盤に埋込まれた単独剛基 礎のイン

ン ス EB

O

5

v

0

4) 1

5                                           0

5                 、

e

 

      掣 e

5

 

 

s

 ・

2                       o

1  0

0                                                          0

0    0

0   0

5    1

0    1

5   2

0    2

5    3

0      0

0   0

5    LO    1

5   2

0    2

5    3

0           無 次 元 振 動 数 〔ao

ω8!VS>                           無 次元振 動 数 (ao

ω

B/VS〕               〔a) 水 平 成 分(IH)                                 (b) 回 転 成 分〔IR〕    図

一5

半 無 限地 盤に埋 込 まれた単 独 剛 基 礎の基 礎入力地動 {EIB

o

5

 v

o

4 禦 挈 L5 1

0 O

5 o

o0

0       1

e                           2次元 解       

L

 擬 似3凍 元 解

   

s

− ’

3次元解

  

・・       m

  

Sio

4

      

6

− ’

『’

__

      

f /

1.

t’

…t−”

         0

2        Z二

      

itt

      O

0  0

5    1

0    1

5   2

0   2

5    3

O      O

O   O

5    1

O    L5   2

0    2

5    3

0    無 次 元 振 勣蜘 αo

as/Vs}        無次 元振 動 数 {・o

ω

B/Vs)      〔fi} 水 平 成 分〔RH〕       〔b) 回転成 分RR)   図

 半無 限 地 盤に埋 込まれ た単 独 剛基 礎の応 答 (E/B

0

5

v

0

4)

一 58 一

(4)

圧 縮 伸 張モ

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ⇔

l

   

I ⇔ せん断モ

〔a) 単 独 基 礎の

圧 縮 伸張+せ ん断モ

ド   [

   

ll

#; ← レ 

_

    

  ←じ       馳   「

   

     コ

fii

に H  

L曽

       

  ← ←     (b) 隣接基礎が存在 す る 場 合 図

4 墓 礎 加 振 時の側 面地 盤の寄 与 の減 衰を過 大に評 価す る結 果とな っ て い る

  図

5に基 礎入力 地 動を示 す。 埋 込み を有 する と きに は鉛 直 下 方 入 射の場 合で も幾 何 学 的 相 互 作 用 効 果 (埋 込 み 剛 基礎の拘 束効果 )が 認 め ら れ

水 平 成 分は振動 数の 増 加と と もに減 少し, 回 転 成 分は 逆 に増 加す る。 こ れ は 深さ方向に 入射波の位相が異な ること に よっ て生じ る

  次 元に よ る 比較を行う と

埋 込み を有する場 合には 地 表 面 基 礎 (前 報1)

一8

と はな り

,2

次 元 解擬 似

3

次 元 解とに高 振 動 数 域で差 異が生 じ ること が分か る。 ま た 擬 似3次 元 解は水 平 成 分で は 3次 元 解と非 常に よ く 対 応して い る もの の回転 成 分 を や や小さ めに評 価して い る

 図

6に剛 基 礎の応答を示す。 埋 込み に よ る逸 散減衰 増 加お よ び幾 何 学 的 相 互 作 用 効 果によっ て

地 表 面 基 礎 の場 合 (前 報ll図

一9

)に比 較して答 値が減 少して いる。  擬似3次 元 効果に関して は

擬似 3次 元解は2次 元 解 に比較して ピ

ク が高振 動数 側に移 行し, 水 平応答 値が 大き くなっ てい る

これ は

と く に水 平 方 向の インピ

ダンス実 部 増 加によ る剛 性の増 大と減 衰の減 少に よる

これによっ て

擬 似3次 元 解は3次元解とほ ぼ同様の応 答 を与える よ うにな る。 し か し

回転応 答 値に関して は 小さ めに評 価する傾 向が あり

回 転 インピ

ダン ス の減 衰の大き さ に起 因していると考えられ る。  

4.

基礎 間連 成 効 果の検 討

 

隣 接して 2つ の基 礎が存 在す る場 合の 擬 似 3次 元効果 の検 討 を 行う

対 象とするの は半 無 限地 盤に 20m 埋込 まれ た同

諸 元の 剛 基礎で あ り

基礎の 中 心 間 距 離は D

100m と する。 な お

各 諸 元は前 節 と 同

 図

7に インピ

ダン ス を示す

隣 接 基 礎が存 在す る 場 合には インピ

ダン スは2つ の基 礎の 6自由 度に関す るフ ルマ ト リス で得られ るが

こ こ で は下式の よ う に

基礎間の インピ

ダンズマ トリッ ク ス のう ち対 角 項と水 平

回転の連 成 項 を

基 礎 間 連 成の イン ピ

ダン スマ ト リックス の う ち水 平お よ び 上下 対 角 項を示す

K

基 礎 1 基 礎2 2y

 

O

  r ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

、 ・

d

臨  

 

   

HR

 図

一3

に示し た単 独 基 礎の結 果と比 較 する と

隣 接 基 礎が存在する イン ピ

ダン ス の実 部が増 加 し虚 部 が 減少す る と と も に, 振 動 数に よっ て若 干 振 動 する傾 向 が見ら れ る

これ は隣 接 基 礎に よる基 礎 側 面 部の拘 束 効 果の大, お よ び隣接 基 礎に お け る逸 散 波の反射に よる 逸 散 減 衰 減 少が原 因して い る。 こ の効 果の大き さ は

基 礎 側 面 地 盤の モ

ドにより差が あ り

方 向 成 分で異な る。 すな わ ち

4(b)に示 し た よ うに

水平成 分で は 圧 縮 伸 長モ

ドが

上下 成 分で は せ ん断モ

ドが卓越する と考えられ る

例え ば基 礎 側 面地 盤 を隣接基 礎 位 置で 固 定され た平 土 柱と仮 定すると

固定 境 界の影 響 は 圧 縮 伸 長モ

ドの方が大 きく現れ る。 し た がっ て

圧縮伸長 モ

ドが卓 越 する水 平 成 分に隣 接 基 礎の影 響が よ り強く 現れ てい る と考え られ る

な お回転 成 分は圧縮 伸長モ

ドを含むが 基 本 的に自 己 釣 合 系 となる の で隣接 基 礎の 響は水 平 成 分ほ ど大き く現れて いない

 こ の よ うな隣 接 基 礎の存 在に より現れる現象 は

2次 元 解で最 も強く

3次 元 解

擬 似3次 元 解のさ く なっ て い る

これ は

2次 元 場で は波 動が面 内にの み伝 播する の に対し 3次 元

擬 似 3次 元 場で は面 外 方 向に も波 動が逸 散す るの で

隣 接 基 礎に反射 して基 礎に戻っ て く る波 動が減 少し

結果と し て隣 接 基 礎の影 響 が 小さ く な ることによ る と考え ら れ る

ま た, 擬似 3次 元 解と 3次 元 解の原 因 後 述の ご と く擬 似3次 元 解が波 動を面 外へ 逸散さ せ ることによ る

 図

一8

に基 礎入力 地 動を示す

隣 接 基 礎の存 在に よ り 高振 動数域での水平応答値が単独 基 礎に比較して大きく なっ て い る。 単独基 礎の場合と 同様に

,2

次元解は擬 似 3次 元 解

3次 元 解に比 較 して 水平応答が かな り大きめ に評 価され て いる

擬 似3次 元 解と 3次 元 解と の対 応は 微 小 量 と判 断で きる上 下 応 答 値 を除 く と 比較 的 よい。  図

9に剛基 礎 重心位置の応 答を示す

基 礎 間 連 成が ある場 合の水 平 応 答 結 果は単独基 礎の結 果 (図T6 )と 差 異が認め ら れ る。 この差 異の程度は

2

次元

,3

次元, 擬似3次 元解の 順に小さ く なっ て お り

擬 似

3

次元解は 単 独 基 礎の果 と ほ と ん ど

致 している

ま た, 隣 接 基 礎の存在によっ て励 起さ れ る 回転 動お よび 上下動の値は 擬似 3 次元解が最も小さ く なっ て お り

応 答に関しても 隣 接 基礎の影 響 が か な り抑制さ れ る 傾 向 が見ら れ る

 こ の よ うに

擬 似

3

次 元 解は隣 接 基 礎の存在に よ り生 じ る影 響を過 小に評 価する傾向が ある

し か し

イン ピ

ダン ス の対 角 成 分

基 礎入力 動や重心応 答の水 平 成分 な

一 59 一

(5)

   5

0     4

0     3

O 鼠 ミ 葺 2

D }     1

0     0

O  

1

0 1

D O

8 $・

6F 丶 ミ 0

4 盲 D

2 0

0 0

0  0

5  1

0  1

5  2

0  2

5  3

0     無次 元 振 動 数〔ao

ωB〆VS}   (a) 

基 礎 間 水 平対 角 項〔KIHIH) 4

o 3

0

ミ 2

o ∫ 5     1

0 0

00

0  0

5  1

D  1

5   2

0  2

5  3

0     無 次 元振 動 数 (ao

teBiVs )   〔b〕同

基礎 間 回転 対 角項〔KIRIR) 2

0 1

0 00 艮 ミ 霞 監

1

0

_

2

0 8

0 6

0

4

ξ 2

o 0

0

_

2

0 1

0 o

5 00 ミ

丶 撃

0

O   O

5   1

0   1

5   2

0   2

5   3

0         0

0    0

5   工

O   l

5    2

0    2

5   3

O     無 次 元 振 動 数 〔ao

wBtVS 〕       無 次元 振動 絞 〔ao

tsBJVS ,  Cd) 同

基礎 間水平

回 転 連 成 項 (KlnlR)       〔e〕 連 成 基 礎 問 水 平 対 角 項(Klfi2u,       図

7 半無 限 地 盤に埋 込 ま れ た 連 成 剛 基礎のイン ピ

ダン ス 〔E/B

0

5

_

0

5 0

0  0

5  1

O  l

5  2

0  25   3

0      無 次元振 動 数 (α0

ω

8’VS)   {c) 同

基 畦 間 上 下 対 角 項 (Klvlv)

_

1

O    O

0   0

5   1

0   1

5   2

0   2

5  3

0        無 次 元 振 動 数〔ao

wB /VS,     〔f) 連 成 基 礎 間 上 下対 角 項(K

Lv2v) P/B

2

5

 レ

0

4} 犁 1

5 1

o 0

5 0

0 o

5   o

4 × 0

3R 犁 D

2 o

1 0

0 0

10 O

08    0

06 糴    0

04 0

D   O

5   1

O   l

5  2

0   2

5   3

O        O

0   0

5   1

0   1

5   2

0   2

5   3

O     無 次 元 振 動 数〔ao

wBtVS }             無 次 元 娠 動 数 (ao

wBiVS )       〔a}水平 成 分 (JH)       〔bレ 回 転 成 分 (IR)         図

8 半無 限 地 盤に 埋 込 ま れ た連 成 剛 基 礎の基 礎入力 地動 (E〆B

O

5

0

02 0

oe     0

0   0

5   1

0   1

5   2

0   2

5   3

0        無 次 元 振 動 数{ao

■BiVS)          〔c) 上 下 成5}Clv) P/B

2

5

 り

0

4) 1

5 LO o

5 

 

 

 

1

0 0

8 国 X  O

6 覊 o

4 O

2 o

4 0

3 R e

2 0

1 0

0       0

O        o

0   0

0  0

5  1

0  1

5  2

0  2

5  3

O         D

0  0

5  1

0  1

5  2

0  2

5  3

D         O

0       無次 元 振 動 数〔ao

BiVS,       無 次 元 振 動 数Cao

mB/VS)         〔a) 水平成 分 (RH レ      (b) 回 転 成 分 (RR)       図

9 半 無限地 盤に埋込まれ た連 成 剛 基 礎の応 答 (E/B

O

5

DIB

2

5

60

0

5    1

0    1

5   2

0   2

5  3

0  無 次 元 振 勣 激 〔ao

ω

B/Vs⊃       〔c〕 上 下 成 分 〔Rv) レ

0

4>

(6)

5

04

O   3

0 喜 鳧 2

o 會   1

00

D        

_

1

0       0

0    0

5     1

0     1

5     2

0     2

5      3

0       無 次 元 振 動 数(ao

wBIVS } 図

10 剛 基 盤上の弾 性 層に埋 込ま れた単 独 剛 基 礎の水 平 イン       ピ

ダン ス       (EIB

0

5

 HIB

4

o

 v

o

4) どに関 して は

擬似 3次元解は 2次元解に比べて 3次 元 解へ 改 善さ れ て お り , ある程 度の改 善 効 果が得ら れて いると考え ら れる。 な お, 隣 接 基 礎の存 在による影 響の 過小 評 価につ い て は

解 析 次元に よる面 外 方 向へ の波 動 の逸 散 性 状の差 異に関 連して い るもの と考え られ

6節 におい て検 討 する。   5

基 盤の影 響に関 する検 討   擬 似 3次 元 効 果が基 盤の 存 在に及ぼす影 響の検 討を行 う

剛 基 盤 上の 弾 性 地 盤に 20m 埋 込ま れ た単 独 剛 基礎 を対 象とし

基 盤 深さ は H

160m と する

ほ か の元 は前 述の と おりで ある。 剛 基 盤 を有 する場 合には 2次 元 解お よ び 3次 元 解が共 振 振 動 数で特 異 性 を示 すの で

減 衰 定 数 h

O

 05の 内 部 減 衰を考 慮す る

な お

比較に 用い る

3

次 元 解は基 礎 版 底 面 積 を等 価に し た半 径

R

の 円 形 基 礎 とし

軸 対 称 有 限 要 素 法4) 求 めて い 。 こ こ で は

インピ

ダン ス お よび基 礎入 力 地 動の水 平 成

1

分 を示 す。   図

10に水 平 イソピ

ダン ス を示す。 基盤の存 在に より

2次元解お よ び 3次 元解は半無 限解 (図

3) を 中心に大き く振 動して お り, 虚部の値は カ ッ トオフ振 動 数で あ る α。

π/

8

以 下では内 部 減 衰に よ る寄 与の みと なっ てい る

これに対して擬 似3次 元 解は半 無限解に ほ と ん ど

致 してい る。

3

次 元 解は 2次 元 解に比較して振 動の振 幅が小さい もの の基 盤の影 響を明らか に受け て お り

擬 似3次元 解は基盤の存在によ る共振現象を過 度に 抑 制して い る。

 

11

に基 礎入力地動の水 平 成 分を示す が, イン ピ

ダン ス と同 様に擬似 3次元 解は半無 限解 (図

5)によ く

致 してお り

基 盤の影響 をほと んど受けて い な い

  この よ うに 基 盤 が存 在す る場 合

擬 似 3次 元 解は3 次元 解の振 動 特 性の平 均 値 を模 擬 する ことは でき る が

基盤 を有す る地 盤の共 振 現 象が過 度に抑 制さ れ る傾 向が あ る

と くに

カ ッ トオフ振 動 数 以 下の低振動 数 域で減 衰を過大に評 価する傾 向が あり

成 層地盤を対 象と する 場合に は注 意 を要る点で ある。 こ の擬 似

3

次元解の特 性は基 礎 間 連 成の場 合と同 様に逸 散 波が面外方向に過 度 覃 捜 糴 1

5 1

0 0

5        o

0          0

0   0

5    LO    l

5   2

0   2

5    3

0       無 次 元 振 動 數 〔ao

wB 〆VS) 図

11  剛 基 盤 上の弾 性 層に埋 込まれ た単 独 剛 基 礎の水 平 基 礎       入力地動       (EIB

0

5

 H/β

4

O

 レ

0

4) に逸 散 してい る ため と考えられ る

 6

波 動伝 播ーネルギ

によ る考 察  以 上の結 果から

速 度 比 例 型 減 衰は2次 元の インピ

ダン ス実 部を増 加さ せ

3次 元 解に 近 づ け る 効果が あ る。 し か し

虚 部が増 加し逸 散 減 衰を 大 き く評価 する た めに

基 礎 間の連 成 効 果や基 盤のによる振 現を抑制す る傾向が あ るこ と が 明 ら か と なっ た

こ れ は, 解析 次 元 に よ る 波 動の逸 散 性 状の差 異 が 原 因 して い る と考え ら れ る。 そこ で

こ こ では地表 面に線 加振を作用させ た時の 波 動 伝 播エ ルギ

を求め るこ と に よ り

解析次元の差 に よ る 波 動 逸 散特 性を 検 討 す る

  面

S

を1周 期 当たり に通 過す る平 均エ ル ギ

伝 播 率は

総 和 規 約を用い て次 式でえ られ るs〕6, 。 ・

1・

溺 …

…・

(・3) こ こ に, ni は外 向き法 線の方 向 余 弦

  Ui

σ c,は変 位お よび応 力

は共 役 複 素 数 を示 す

  図

12の よ うに 地 表 面に奥 行 長さ L

加 振 合 力 1 の線 加 振が作 用する時の同心半 円 筒 面 (半 径

R ,

奥 行

L

) における平 均エ ルギ

伝播率は

 

  

E 一

暫 ∫:

1

・縞

一i

・uJ)

dyRde ・

(・4) と表さ れ る

こ こ に

u、

 OIJ は半無 限 地 盤の グリ

ン 関 数で ある

2次 元お よ び擬 似3次 元 場で はAppendix によ り, 3次 元 場で は松 岡

八幡の解 7〕有 限 線 積 分 ることに よ り求める

以下に お い て は

無 次 元 振 動 数 aL(

LtO/ Vs ,  aR(

Rω/l/

k

波 数

h

← ω/ Vs)を用い て

無 次 元 化 表 示 する。   (14)式におい て R→ 0と す るこ とに よ り加 振 源に お け る逸 散エ ネルギ

量 が 求 め ら れ る

13に水平加 振の場 合の逸散エ ネル ギ

量 を示す

図 よ り擬 似 3次 元 効果は逸 散エ ネルギ

を低 減し3次 元 解に近づける効 果 がある が

α L が 2 を 下 回 る範 囲で は逸 散エ ルギ

3

次元解に比 較し て大き く

なっ て い る

こ の逸 散エ ネル ギ

の過 大 評 価は地 盤 ばねの過 大 な 減 衰の

因と考え ら れ る

61

(7)

線 加

0

20 L  〆

  ’

 

       

−9・

♂   ,                                     I       J

   職

W

     

ワノノ

 

1

γ

   

      

   、

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

   、

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    、

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

    s 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

     、

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     、

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

  図

12 波 動 伝 播エ ルギ

の解 析モ デル  O

IS 署 HsO

leX 0

05 O

O0

0 図

13 1

0     2

0     3

0     4

0     5

0     無 次 元振 動 数 (aL 

diLiVs ) 加 振 源に お け る逸 散エ

(水平加 振

v

O

4) 150 §エ25

・。・ 晃 75

準  50 阻    25OO

0 図

14   1

0      2

0      3

0      4

0      5

0     無 次元 振 動数 (aL

wUVs ) 面 内 伝 播エ ネルギ

比の振 動 数 特 性 (水 平 加 振

v

0

4) 150 §1251  1eo 窒

壽 75H    50 阻 2500

O 図

15 1

0     2

0     3

D      4

0      5

G   無 次 元 振 動 数 〔aR

diRiVs ) 面 内伝 播エ ル ギ

比の距 離特性 (水 平 加 振

v

0

4)          aR G

0 1

0 2

0 3

04

0 5

0 一   2次 元 場 〔a) 水 平加振          aR O

0 1

0 2

0 3

04

0 5

0

一 一 擬 似3次 元 場 (a) 水平 加振                     aR       O

0 1

0 2

0 3

04

0 5

O lO

s  IO

210

1

T

−一

T

−一

3次元場          αR O

0 1

0 2

0 3

04

0 5

0 − 一 2次元場          aR O

01

0 2

0 3

04

0 5

O 一          aR O

0 1

0 2

0 3

04

0 5

0 − 一       擬 似3次元場       (b) 上 下加 振 図

16 地 盤 内の面 内 伝 播エ ルギ

の分布 (aL= 1

0

  v

0

4} 3次 元 場

62

(8)

  面 内に逸 散するエ ル ギ

と面 外に逸 散す るエ ル ギ

の割 合 を 把 握する ために

14

15に面 内 伝 播 エ ネルギ

比 率 (円 筒 面

S

を透 過 するエ ル ギ

と加 振 源の逸 散エ ルギ

の比 )の振 動 数

距 離 特 性を示す

2次 元 解の場 合に は面 外へ の波 勤の逸 散がな い の で ユOO % 円筒 面に達 する が

擬 似

3

次 元 解

,3

次 元 解で は振 動 数や距 離に より到 達 比 率が変動す る。 擬似 3次元解は円 筒 面に到 達 する割 合が3次 元 解を下 回っ ており

こ の差 は距 離,振 動 数の増 加と ともに増 大し ている

す な わ ち, 面 外に逸 散す る波の成 分 が 多く評 価され てい る

 地 盤内のエ ネルギ

仕 方を把握す る た めに

一16

に加 振 源か ら面内 方向に逸散す るエ ネル ギ

の 分布 を示す

これ は

同心円筒面に達す るエ ネルギ

の 単 位面 積 当 た りの値を示し た もの で

aL

1

0の と きの (14 )式の被積分 関 数に相 当する

面 外へ の波 動逸散の 有無に よ り

2次 元 解に比 較 して

擬 似3次 元 解

,3

次 元 解で は距離に よるエ ル ギ

低 減が大き く

分布形状 も異な っ て い る。 擬 似3次 元解は 加 振 源 近 傍で 3次元解 と よい対 応 を示して いる が

前述 の ご と く 距離に よ る低 減が強く

遠 方の分布に異が見ら れ る。  こ の よ うに

擬 似3次 元 解 析は 2次 元 場の逸 散 性 状 を 3次 元 場へ とるが

低 振 動 数 域で逸 散エ ルギ

を過 大に評価す る こと, 高 振 勤 数かつ 遠 距 離 域で面 外 方 向に過 度に波 動を逸 散させ る ことが明らか となっ た

し た がっ て

擬 似3次 元 解析におい ては

加 振 源から離れ た位置の影 響が抑 制され る ことに な り, 結 果と し て隣接 構 造 物の影 響や基 盤の影 響 が 過 小に評 価さ れ る

 

7.

擬 似

3

次 元 土 柱に よ る簡易 ばね を用いた考察  以

ヒの考 察か ら, 速 度 比 例型減 衰が構 造 物の動 的 挙 動 に与え る影 響につ いて定 性 的に把 握, 説 明し た

しか し

イン ピ

ダン ス の実 部の みが増 大し虚 部があまり変 化し ないこ と

お よ び低 振 動 数 域の減 衰が大き くなるこ との 理 由が十 分に説 明さ れてい ない。 そこで

17の よ うに

,1

次 元 土柱の周 囲に ダッ シュ ポ ッ トを付 加す るこ とによ り

擬 似 3次 元 効 果 を1次 元 土 柱に適 用 し, これ か ら簡易的な地 表 面イン ピ

ダン ス を陽な形 式で求め る。振動方向に は

P

波の

面外 方向に は

S

波のダッシュ ポッ トを 想 定 し

面外方向の ダッ シュ ポッ トの無に よ る差を検討す ることによ り擬 似3次元 効 果を考察す る。  

例と して水平 イン ピ

ダン スにつ い て示す。 基 礎版 と同

の断 面 積A を有 する せん断 土 柱の つ り合い方 程 式は

 

  

穿

・ ・

……・

…9・

一 ・

…・

(・5) と表さ れ る

こ こに,ηは土 柱に付 加され たダッ シュ ポッ トによ る粘 性 減 衰 係 数であり, 正 方 形 基 礎の場 合に は対 象と する次元に応 じ て以 下の よ うに決 定さ れ る。       H

 

 

・…’・

ll

φ

鐺 ,]

、                    

4

     。v。       pVs       1次元 せ ん 断 土 柱       〔a) 3次元場の問 題         ぐ

〉      ぐ

       

聯 韈

      

    

_

e

        

tS

                ρVp       1次 元 せ ん 断 土 柱       〔b)2次 元 場の問 題       図

17 簡易 地 盤ばね定 用解析モデル 5

04

0   3

0

ミ 2ρ 蒔 1

o

 

0

O

_

LO0

0     1

0     2

0     3

G     4

0         無 次 元 振 動 数【ao

ωBIVS) 5

0 図

18 簡 易地 盤 ばねによ る水 平インピ

ダン ス (v= O

4)          

0

     η

ρVp/

B

         ρ(Vs十 v,)/B この よ うに

    (1次 元) (2次 元 を模 擬) (3次 元 を模 擬)

 (16        ηの値は面 外 方 向の ダッ シュ ポッ トの存 在 により増 大 する。 (15)式 を地 表 面で の単 位変位の条 件 および無 限 遠で の放 射 条 件を 用い て解 き

基礎 版 下端の 反 力を求める ことにより

水 平 イン ピ

ダン ス は,    

K

μ

Al−

(ω/ 

Vs

2十

i

ωij/μ

P

/2

…・

…・

…・

(17) と な る

18に得られ た簡 易ばね を示す

基 礎お よ び地 盤の諸元は述のを 用い る

ばね は面外 方 向 の ダッシュポッ トによ り実 部 が 増 加し てい る が, 虚 部は あま り変 化して お らず

擬 似 3次 元 効 果の特 徴 とよく対 応し て い る b こ れ は

地 盤ばね の表 現 式か ら説 明さ れ る

(17)式 を実 部と虚 部に分 離し て示す と

飾一

(・・脚 副

(・・

v

・) ! ・ i (・・賠 (・η/・) ・ +(・脚

18

) と な る

(18 )式か ら

高振動 数 域で は

実部は粘 性 減 衰項 (ωη/μ)の寄 与が大き く, 虚部は (ω/  

Vs

支 配 的で ある こと が分か る

し たがっ て

擬 似 3次 元 効 果 を考 慮す る と減 衰 係 数 ηが大きく な り, 実 部の値が 増 加 すること が説 明できる。 ま た

低 振 動 数 域における 虚 部の増 大は

(18 )式の 虚部に おい て

ω が小さいと きに粘 性 減 衰 項の寄 与 が相対 的に大 き く なる ためで あ る

63

(9)

 こ の よ うに

擬 似 3次 元 場 におい て

インピ

ダン ス の実部が増大す ること

低振動 数 域の 減 衰が相 対 的に大 き く な ること が解 析 的に説明 で き る

 

8.

結  論  前 報1) よ び本 報におい て インピ

ダン ス

基礎入 力 地 動

基 礎の応 答 を通 して 2次 元, 3次 元

擬 似3 次 元の 3者を比 較する ことに より

擬 似3次 元 効 果につ い て の検 討を行っ た

そ の結 果

以 下の結 論が得ら れ た

  (1) 地 盤の支 配 方 程 式に速 度 比 例 型 減 衰の項 を導 入 する ことに より擬 似 3次 元 場の グ リ

ン関 数 を新た に誘 導し 境 界 要 素 法を用い て擬 似 3次 元 効 果 を解 析 的に 討した。 また

擬 似 3次 元 場 特 有の境 界 要 素 解 析にお け る定 式 化 上の注 意 点を 明確に し た

 (2) 速 度 比 例 型 減 衰の導 入によっ て 半無 限 地 盤に 埋 込ま れた単 独 基 礎の振 動 性 状が2次 元 解か ら3次 元 解 へ とき く改 善さ れ る

し か し

低 振 動 数 域で イン ピ

ダン ス の 実部を 小 さ めに虚部を大きめ に評 価 (特に回 転 方向の減衰が大き く な る)す る た め に

構 造 物の応 答が 小さ く なる傾 向があ る

 (3) 隣 接 基 礎が存 在す る場 合 や基盤 が存 在す る場 合 に は 擬 似3次 元 解は

3

次 元解の振 動性 状を平均 的に模 擬する ことは できるが, これ らに起 因す る 現象が抑制さ れ る傾 向が ある

特に 基 盤の影 響 を 減 じ ること は 成層 地 盤 を対 象と す る場 合 留 意すべ あ る 。   (4 ) 線加 振作用時の 波動伝 播ルギ

を求め る こ とによ り, 擬似

3

次 元場では波 動を面 外 方 向に過 度に逸 散す ること が明ら か と なっ た。 特に距 離に よる面 内 伝 播 エ ネルギ

の低 減が著しく

隣接 基 礎や基盤の影 響を減 じる原因 と な る

 (5 ) 簡 易 地 盤 ばねの考察を行い, 速 度比例 型 減 衰の 存 在に よる イン ピ

ダン ス実 部の増 加, 低 振 動 数 域の 減 衰の過 大 評 価 を解 析 的に説 明し た

  (

6

)  擬似

3

次元 解は半 無 限 地 盤かつ 単 独 基 礎の場 合 に はや や減 衰が大き く な るもの の 3次 元 解の簡 略 解と し て非 常に有用であ る

し か し

隣 接 基 礎や成 層 地 盤を対 象 とす る場合に は擬似

3

次 元 解の与える特 性 を十 分に理 解して果を吟 味す る必 要がある

謝   辞

 

本研 究を行 うに当た り

清 水 建 設 (株)大崎研究室の 吉田

博 氏は 3次 元 境 界 要 素 法に よ る解 析 結 果を快く提 供 して下さい まし た

こ こ に 深く感 謝の意を表し ま す。 参 考 文献 1) 中 井 正

一,

福 和 伸 夫 :境 界 要 素 法に よ る 動的擬 似3次 元

  

効果に関 する研 究

 

2次 元 地 盤 地表面上剛 基礎の動 特 性

  日本建築 学会論文報 告 集

第344号

pp

81

92

昭 和    59年10月

2)Brebbia

 C

 A

:The Boundary Element Method for

  Engineers

 Pentech Press

1978

64

3) 吉 田

川 瀬 博 1埋設さ れた剛 構 造 物 相 互の連 成 振    動

第7回 日本 地 震工 学 シンポ ジ ウム

pp

1045

1050

    昭 和61年12月 4>福和伸夫

長谷川正幸

高田 毅士

佐 藤俊 明

奈 良 岡 浩二

   小 柳 義 雄 :FEM に よる造物

地 盤連 成系解 析シス テ     ム

電 子 計 算 機 利 用シンポ ジウム

pp

85

90

昭 和59     年 3月

5)

Pao,

 Y

H

 and MQw

 C

 C

:Diffraction of Elastlc

   Waves and  Dynamic 

Stress

 Concentrations

 Crane Rus

   sak

 1973

6) Miller

 G

 F

 and  Pursey

 H

;On the Partition of

   Energy between Elastie Waves  in a Semi

infinite Solid

   Proc

 Roy

 Soc

 A

233

 pp

55

69

1955

7) 松 岡 理

八 幡 夏 恵 子 :3次 元 均質等方 弾性 体勤 問 題の    基 本 解 と その応 用 (その 1)

(その 3

日本建築学 会論    文 報 告 集

第288号

昭 和55年 2月

第293号, 昭 和    55年 7月

第298号

昭 和 55年12月 8) 中 井正

一,

福 和 伸 夫

畏 谷川 正 幸 :擬似 3次 元 効 果 を 有    す る 2次 元 半 無限地 盤に埋め込ま れた剛 基 礎の動 的 性 状

   第 33回 応 用 力 学 連 合 講 演 会, pp

171

172

昭和58年    12 月

g}Nakai

 S

 Fukuwa

 N

 and  Hasegawa

 M

;Approxi

   mate  Three

dimensional Analyses o {EmbedCled Struc

   tu【es

8th WCEE

 Vol

 pp

689

696

1984 10) 中 井 正

一.

福 和 伸 夫:動 的 相 互 作用問 題にお け る擬 似3    次 元 効 果につ い て

日本 建 築 学 会 大 会 学術 講演梗概 集

   pp

569

−−

572

昭和61年8月  Appendix 擬似 3次 元 場のグリ

ン関 数  A

1 半無 限 地盤の場 合  擬 似3次元半無 限 地 盤の地 中 線 加 振 解を 示 す

x

2平 面 を対 象 と し

地 表 面 をz

O

加振位 置 を (x

2)

(O

f

(X

2)方向 加 振 力を (X

Z)と す る

解 析 方 法は

八幡7〕 と同 様に

鏡 嫁 解 (全 無 限 界の重ね 合 わ せ)と斉 次 解とを組み合わ せ ること により境界 条 件 を満 足さ せ る

x 方 向 加 振解は

  

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参照

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