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球形ドームの屋根面に作用する風圧力の性状と屋根面の動的挙動

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(1)

【論  文

1

UDC :624

074

2 日本 建 築学 会構 造 系 論 文 報 告 集 第 404 号

1989 年10月

ム の

根 面

風 圧

      性状

動 的

正 会 員 正 会 員 正 会 員

* *

* * *   §

1.

序   論   大空 間構造物と して多く の可 能 性 を有 する ラチス ド

ムや空気膜構造物が

近 年 多く建 設

計 画さ れて い る

特に空 気膜に代 表さ れ る 膜 構 造 物 は

構 造的には自重 が 小さ く大 空間 の架構が容易であ ること

ま たジ 建 築 計 画 的には

光の透 過 性の ある面白い曲面空 間が得ら れ るこ とか ら多用 され る傾 向にあ る

構造 設計の面ら は

自 重が小さい

こと, お よび剛 性が小さい こと は, 自然

外 力 とし て風 荷 重 の重 要 性 がよ り大き く な ることにな る

す な わ ち

t 風荷 重下で の屋根 面の 変形 や 振 動

構造安全 性が重要な課題 と な る。 本 研 究は

最 も基 本 的な曲 面形 態で あ る球 形 ド

ムを取り上げ

球 形 屋 根 面に作 用す る 風 圧 力の性 状を明ら かにす る と ともに

そ の風 荷 重 下で の屋根面の動的挙 動 を 把 握 することを 目的 と して いる。   球形 ド

ムに関する風 荷 重につ い て の既 往の研 究に は 剛 な 模 型 を 用いて風 洞実験に より平 均風 圧係 数を調 べ

Maher

‘,

 

Blessmann5

口 らE,

  Toy

 

Savory

ら7}

8》

川村ら9} お よ び中山 ら1°)が あ る

Maher

滑 表 面お よび粗表面 を持つ模 型 を 用いて

ま た

Toy

SaVQry

二 種 類の境

層 中での表 面を持つ 型 につ いて平 均 風 圧 係 数お よび平 均 抗 力

揚 力係 数 を求め

さ らに

Reynolds

数の影 響 等を調べ いる

谷ロ らの 究は, 対数則に従う境界層の粗度長と球面の半径をパ ラ メ

タ と し た精力的な測定で あるが

そ の果は

亜 臨 界域の結 果を思わ せ るもの であ る。 これら の実 験に対 し て

中山 らは

気 流の性 状

およびド

ム形 状の平 均 風 圧係 数に与える影 響を系 統 的に とら え て い る

以 上の研 究 か ら

剛 な球 形ド

ム に作 用す る静 的な風 圧力の性 状 は あ る程 度 明ら かになっ て い る といえ る。これに対して

動 的な 風 圧力の 性状を調べ た研究は少な く

川 村ら11)

小 河ら12)の結果が ある程度で ある

川 村 らの結 果で は

ム面に作 用す る変 動風圧の空 間 相関 が 十 分 に明 ら か 本論文の

部は

文mal)

2):3)に おいて発表し た

 ホ東 京業 大学   助 教 授

フ ジ タ 工

1

)技 術 研 究 所

工博 韓 擧 鹿 島 建 設 (株 )

工修     (1989 年 4 月 10日原 稿 受 理

1989 年 7 月 14日採 用 決定 ) になっ て お らず, ま た, 小 河らの結果は, 限 られ た気 流 に関す るもの であり系 統 的に動 的な風 圧 力の性 状 が とら え られ てい ない

 以上の風洞 実 験に よる剛 模 型を用い た研 究の ほ か に 変 形しうる空 気 膜 構 造の柔 模 型 上の風 圧 力 を測 定した Berger ら]3)

 Dietz141

 

Nieman

ら15》 の 研究

変位を 測 定した

Nieman

ら15)

川 村ら16〕

11〕

お よび剛 模 型 上の 平 均 風圧係 数を用い て計 算した静 的 変 位と 柔模型 上の静 的変位を比較し た中 山ら剛の研 究 が ある

し か

これ ら は模 型へ の剛 性の付 与の困 難さの た め 風 圧 力 と動 的 変 位 との対 応が確 認で き ていな い

 こ うし た曲 面 構 造 物の動 的 挙 動 を柔模型 を用いて 実 験 的に扱う と きの厄 介さは

質量 お よ び剛 性を同 時に付 与 され た相 似 模 型の製作上の 困難さ に あ る。

パ フェ ッ ティング理 論 を応 用し て

屋根 面の振を外圧の変 動に タる強 制 振 動と し て扱う 場合に は

曲面 上の 動 風 圧力 を どの よ うに モデル化し て与え る か とい う問題 が あ る。 ま た

曲 面 構 造 物の振 動モ

ドは超 高層ビル の それ と比 べ ると複 雑であり

かつ 各 次の 固有 振動 数 が 近 接 して存 在して いる とい う特 徴る。 パ フ ェ ッテング理論を応 用し て屋根面の応 答 計 算 を行っ た研 究に は

森IS)

又木 ら19 切 研 究が ある。 森は

つ り屋 根で代 表さ れ る 大ス パ ン陸 屋 根 を対 象に して お り, 又木ら は, 低ライ ズケ

ブ ル補 強 空 気 膜 屋 根 を対 象 として い る

しか し

対 象が低 ライズで あるた め鉛 直 方 向ののみ を扱っ て おり 三 次 元 的な振動を対 象に行っ た研 究は見 られない

 本 研 究で は

球 形 ド「 ム屋根 面の風荷 重 下で の挙 動を と らえ るた めに

段 階 と して

剛模型 上の風圧力, 特に動 的な風 圧 力の性 状 を球 形 ド

ムの ラ イズ

ス パ ン 比および接 近 流の風 速の乱れ強さをパ ラメ

タに し た風 洞実験に より明ら か に す る。 次に第二段 階と して, その 結果を用いて

パ フェ ッ テ ィ ング理 論 を応 用し た 屋根 面 の応答計算を試み

そ の計算 例 を 示 してい る

  §

2.

風 洞実験  使 用 風 洞は

フ ジ タ 工業 (株 ) 技 術 研 究 所 所有のエ ッ フェ ル型吸 込 式 風 洞 (幅 L6m

高さ L2m

吹 走 部

(2)

S

300mm

−一一一一

A

← 300mi

ト 300mm ■

Fig

1a Geometry of testing spherical  models

7

22m

最大風速

15m

/sで ある

 Fig

1a に験 模 型の状 寸法を示 す 模 型

ライ ズ

ス パ ン比 (

HIS

)の異な る

3

種 類の ア クリル製の 剛 模 型 (A

B

 

C

−TYPE

で ある。 各 模 型に は直径 0

8 mm の圧 力 測 定 孔が

Fig.

 

l

 

b

の よ う に設け て あ り, 内径 L2 皿m

長 さ40 cm の ビニ

ル チュ

ブが 取 り付けて あ る。  模型 を除い た時の 模 型 位 置で の実 験 気 流の平 均 風 速 と乱れ強さの鉛 直 方 向 分 布を Fig

2

3に示す。 気流は

乱れ の十 分 発 達し た 3種 類の乱 流 境 界 層 FLOW

−S

 

3

(べ き指 数 α

0

28

高 さ15c皿 で の乱れ強さ

1

. 、,

=0,25

, 同じ く乱れ の積 分スケ

ルthl, LUIs

35 cm

 

FLOW −S

2 (α= O

18

, Iuis

O

 18, Luis

31 crn)

 FLOW

−S

 1 (α =

o・

14・1

・i5

=0.

10, 

L.

is

21 cm )と

様 流

FLOW

U

O

で あ る。

様流に は厚さ約 15cm の境 界 層が発 達 し て いる。

Fig.

4に変動風速の パワ

スペ ク トルを示 す

図 中の実 線は

Karman

型のスペ ク トル で あ り

本 実 験の スペ ク トル はこ れ と 良 く対応 している

 風 速は

定 温 度 型熱線 流 速計によ り測 定し, 平 均 風 圧 の測定に は

圧力 変換器と し て

MKS

 

BARATORON

: TYPE  

310,

 

F .S.

10 mm  

Aq

変 動風圧の測 定に は

三 計エ ン ジニ ア リン グ社 :P 315

V

F

 S

100 mmAq ATVPE

τ

17 − II

尠 98

 

BTYPE C 下YPE

Fig

1b  Position of pTessure taPPings  o【L domes

(c市 ) 60OFLOW  S3 口FLGW S2 △ FLOW S1 50 ◇FLOW UO 的 30 働 20 α ム 10

Z(crrD60 50 40 30 20 10 △ △ 〉 △             Φ   O        O

5 Uz’U50 1

O     O       IO     20 【u 〔

°

ん} 30 Fig

2 T重me

averaged  wind   Fig

3 Turbulence intensity

     velocity  profite

O 吋 ミ お

δ

O δ O

O

 

注 1)乱 れの分ス ケ

Jレは 次 式 で求め てい る。

   

L

σ

R(・)d・       u :平均風速       R (T):自己相 関関 数       ただしR(τ)は 1

1/e≒0

37ま で減衰す る範 囲で     exp (

Cτ)と近 似して用いる

       Z詈O

151m}

 

Kd「mOn  lype

   

OF W S3

・… 51 、

K

X・、・’・

F

l

X

fLxz’Uz

 Lxz

2

95(m )          Uz

6

72〔m,s          0

Ol    〔M      

1      10        f’Uz          (11m)

Fig

4 Normahzed powerspec しrum  Qf fluctuating wiiLd  velecity

を用い て い る

変 動風 圧 の測 定は

,FLOW

−S

 

1,

 S 

2,

S3 の気 流に対 し て の み行っ た

スペ ク トル計 算は 評 価 時 間40

96秒

タ 間 隔

At =・

1/200 秒 とし てデ

タ総 数 8192個を4分 割し て

各々 2048個のデ

タにつ い て

FFT

を行っ て ア ンサンブル平 均を とっ た。 な お, チュ

ビングに伴 う変 動 風 圧の振 幅

位 相 特 性の補 正 を 行っ て い る

 2

1 平 均 風 圧 係 数

96

(3)

距 ρ

C

い 驫

      ATYPE go

°

       \      

丶o

 

KAMEt          

F1

0  

−−

KA… URA

MAHER

e

 

 

 

e

。 ・

e

・ Cpms   ooo

。 。 。

呂呂

       ロ ロ ロ ム ム ム       ム ムム ム ム ム

◇     O ロ ム           Ω 凵 △       O 囗   △ 4   0 洞 △ α 0 ロ O   △

1

5

Fig

5 Time

averaged  wind  pressure coefficient (X

X

90

°

45

   

   

45

 

9ぴe OFLOW  S3  囗FLOW  S2    △ FLOW 51

Fig

6 R

 M

 S

 wind  pressure cQefficient 〔X

Xり

0

150

moO

250

30 o

300

25 2530 α Q

lL

3

1520 552220 20 箆 25 033

UOO O

10 o

10O

15

1

Fig

 IsQbars of R

 M

S

 wind  pressure coefficient

 模 型 頂 部高さでの速 度圧で規 準 化さ れ た平 均風 圧係数

Cp

高さ60 cm の位 置で の風 速 を10m /s

− 14

 msの 範 囲で変 化さ せ てもほ ぼ同じで あっ た。 し た がっ て, 本 実験で は 風速を高さ

60cm

で約

10

 m /s と し た

こ れ に よ り

模型頂 部 高さで の平 均風速

U

と模 型の ス パ ン

S

による レイノ ルズ数 Re は約 L2 ×105

2

1× losとな る

 

A −TYPE

模 型の平 均風圧 係 数の風向 方 向 (X

X’ 方 向)分 布 を, 既 往の結 果と合わ せ て Fig

5に示 す

本 実験において

気 流の乱 れ強 さが 異 なっ て も平 均 風 圧 係 数 分 布 に顕著 な 違 い は 見 ら れ な い

。B −TYPE

, 

C −

TYPE

に おい て も

このは同様で あっ た1)

2)

3)

ま た

本実 験結果は本実験と ほ ぼ同じ オ

Re

数領 域で行わ れ た乱流境 界 層 中で の既往の 4 }

91

tl)と良く 類 似してい る。  以 上よ り

乱れの十 分発 達 し た乱 流境界層中では

球 形 ド

ム屋根 面の均 風 圧係数 分布は気 流の乱れ強さの 影 響 をほ とん どけない こ とが確 認で き た

 2

2  変 動風圧 係 数  風 圧力の r

m

 s

値を模 型 頂 部で の速 度 圧で規 準 化し た変 動 風 圧 係 数 C。.ms の風 向 方 向 (X

X

方 向 )分 布を

Fig.

6に示す。 変 動 風 圧 係 数は

風 上と頂 部 付 近で大き く, 背 面で は小さ くほぼ

気 流影 響 を 見る Cprmso

3 0

2 O

1       lUH         O     10    20    30%,

Fig

8  Relation between turbulence intensity and R

M

S

     w 弖nd pressure coefficient と

気 流の乱れ強さ が大きい 方が

変動 風 圧係 数は大き く なっ て い る。 Fig

7に変 動風 圧係数の等圧線の

例を 小 す。 これ ら は

平 面 上に投 影し た図で あ る

等圧線は 風向とほぼ直角な方 向に走っ て い る

気 流の乱れ強さ や 模型が異 なっ て もこ の 傾 向は見ら れる。 Fig

8に模 型 頂 部 高さ での気流の乱れ強さ

1

。H と模 型 頂 部で の変 動 風 圧 係 数

Cp

。ms の関 係を示す。 両 者の 関 係は単 調で あ り

変 動風圧 係 数は乱れ強さに ほ ぼ 比例して いる。  

2.

3

変動 風圧の パ ワ

ス ペ ク トル

 

屋根面 上の動 風圧の パ ワ

スペ ク トル

Sp

∫)と模

(4)

O          

O          

OO

O

哩 ⊃ 亀

こ 五 い

N こ

α un

δ O

 

口 ∪ ▲ 璽 血

愈 自 愈 翩 ▲ 公   倉   Y  

a

O

O O

01  0

1fHIUH 1

o

Fig

9 Normalized  power spectra  of fluctuating wind  pressure

     and  velocity

Table l Experimetal constants

                        「

x (f,       RI

 ‘「〕

(D 〔D 【訂江) X

ズ  iY

Y1

触 B卩  【PA β  Bo 区PAp   Bp  KpKxo !凵

Ky

ATYPEBTYPECTYPE】

31

73

35

06

76

811

3     1

3     1

71

42

51

0 13

1     12

9      7

5O

a50

371

50

1

1

lll

ll

3

3 5

7  正

74

03

O   I ユ

71

Ol

II2

01

5lLoI 型頂部 高 さで の変 動 風 速の線 形変換と してま る速 度 圧 のパ ワ

ス ペ ク トル

S3

f

)(式 (

1−b

)参照〉を合わ せ て

Fig.

9

に示す

両者は平 均速度圧の 自乗で無 次 元 化 さ れてお り

f

は 周 波数で あ る。 変 勤 風 圧の パ ワ

ス ペ ク トル のピ

ク は形 成さ れて いる が

特に卓 越し た周 波 数 成分 は ない

変 動風速の パ ワ

ス ペ ク トルと比 較す る と, 低周波 数 域で両者の上りこう 配 はほ ぼ同じ で ある が, 高周波 数 域で は変動風 圧 のパ ワ

スペ ク トル の方が 落 ちこう配は急で ある

変 動 風 圧の パ ワ

スペ ク トル の 形 状は

(i)風上 面 [測 定 孔

No .

2

4]

ii

} 頂 部 付 近 と側 面 [測 定 孔No

11,34,

38

], (

iii

)風下 面 [測 定 孔 No

16

18]の 3つ の タ イ プに分け ら れ る (測定孔

No .

 

Fig.

1b 参 照 )

こ の傾 向は模型, 気流 が異なっ ても見ら れ, 球 形 ド

変 動

ス ペク ト ル は お お むね

Fig.

10 aに示す

3

つ の領 域の タイ プに 分 け て考え ら れ る

  変動風 圧 のパ ワ

スペ ク トル は

接 近 流

およびはく 離あ るい は せ ん断層中の乱れによる成 分か ら成っ てい る と考え ら れ る

そ れ ら を 独 立 して扱うの は困 難な ため, 本報で は, 接近流の乱 れ の成 分を主 体と して考え ること に し た

実 際

変 動風圧の パ ワ

スペ ク トル の形 状は

卓 越し た ピ

ク も認め られず

変 動風 速のそ れ と 良 く類 似し てい る

こ の ことか ら, 変動 風 圧のパ ワ

スペ ク ト ル Sρ(

f

)と模 型 頂 部 高さで の変 動風速の パ ワ

ス ペ ク トル Su”(/)を対 応づ け る ため

(1

a)式で示さ れ る 両 者の伝 達 関 数 X(

f

)を 求 め

前 述

3

つ の領 域に分け て

Fig.

 10 a lob

10c に示す

     X(∫)

S。(ノ)/S;(∫)

………・

………・

(1

a)

98

O

ε

_

Xo

PQO

2 瞬 メ

旺       M       △ ◇ s3  

撫 醜

 

 

 

 

 

 

D

一 0

01fHtUH0

1 一  1

0

Fig

10a Transfer functionλ1(∫ )in region (i)

O

PQO Fig

10b

O

s _

x6 δ

O

8

 

0.

01

     

0.

1       1

O

        fHIUH

Transfer function XJ

in region ii)

o・

01fH

’UHO

11

1

0

Fig

10c

 Transfer functionλ1(

f)in region iii

     

Sk

f

ρ2U 誇

S

..(

f

 (

1−b

)  pl 空気密度 

U.

:模 型頂部 高 さでの 均 風 速 (

i

ii

)の 領域で は, 疋(

f

)は低周波数 域で ほ ぼ

定で あ り, 周波 数の増 加と と もに減少し てい る

iii

} の 領 域で は,

x

f

)は低 周 波 数 域で 小さく, 周 波 数の 増 加と ともに増 加し

高 周 波 数 域で は減少し てい る

こ こ に は示 して い ない が

気 流の乱れ強 さが異 なっ て も x(

f

>は良く類 似し て い る。 前 述の変 動 風 圧 係 数が気 流の乱れ強さにほ ぼ比例して いる とい うことは

気 流の 乱れ強さが 異 なっ て もx (

f

)が良

く類似して い る とい うこ と と対 応し ている。  図 中の実 線は

変 動風圧の性 状をモ デル化す る た め

(5)

X (

f

)を (2 )式で近 似し たもの である。

   

无(

f

)= 1/〔

Am

Bn ・

fH

/U,) xs )

 

(2 )  

A

β

,B

β

 

K

, :実験か ら定まる定 数 (β

i

ii

iii> 実線は実 験結果と大き く異な る部 分 も

部 ある が

安 全

側の評 価と な る よ う あ てはめ た

こ こ に示し て いない模 型

気 流のも同様の 傾 向が見ら れ x(

f

)はい ず れ も (

2

)式で近 似で き る

。X

f

)の 近 似 式を定め る こと に よ り変動風速の パ ワ

スペ ク トル か ら

変動風 圧 の パ ワ

ス ペ ク トル がめ られ る ことに なる。 Table l に あ て は め た

A

,Bs ,

 

Kn

の値 を示 す。  

2.

4  変 動風 圧の空 間 相 関  

Fig.

11に i点に対する

j

点の位 相 差

e

,, (

f

)を 示 す (測定孔

No .

 

Fig.

1b を 参 照 )。 横 軸は2点 間の距 離

d

と ド

ム頂 上で の平均風速 防 で無 次 元 化された周 波 数で あ る。 風向方 向 (

X −X

方 向)に隔っ た 2点 間の 位相差は

周波数の増 加と ともに ほ ぼ直線 的に増 加 し

変動 風 圧が移 流 的で あ ること を 示 し てい る

こ れ に対 し て 風 向と直 角な方 向 (

y −

 

Y

方 向 )っ た2点 間の 位 相 差は ほ ぼ零であ り

変動風圧は移 流 的ではない。   Fig

12に風向 方 向 (

X −X

方 向)に隔っ た 2点 i

ゴ 問の コ コヒ

レ ン ス

Rw

f

)を示す

 R∫(

f

>は

測 定 孔の組み合わ せ に よ るぱらつ き

1

が多 少 見ら れるが

お お む ね周 波 数の加 と と もに指 数 関 数 的に減 少し て い る。 この傾 向 型, 気 流が変わっ て も認め ら れ る

製  

07 −

4   ●30

31      △   △16

15  ▲  37

3B

t

 

口 5

4

     

o

 

O

6       口       △

O

  ミ       ロ t      囗       ○ 口          △

 

 

7

▲ ▲ ○

 

x

o

Y574 訓  37   Y

3  1    x

16

O

    

O・

1 FL  S3

ATYPE

0・

2 ● ● ▲ fdiU, 

o・

4

Fig

11 Pltase differences of fluctuating wind  pTessuTe

O

  口 ●

O

O         O

1          0

2

1

       fdx1UH FLOW S3

 A TYPE X

X

■ ■ ■ ■

  

4

Rg

12 Co

cohelence  Qf fluctuatlng wind  pressure (X

X

 Fig」

3

に 風 向と直角な方 向 (

y −

y

方 向 〉に隔っ た 2 点 i

ノ間の コ 」ヒ

レ ンス を示す。 Rw (

f

)は

測定 孔の組み合わ せに よ るばらつ き がほ とんど見ら れず

お お むね周 波 数の 増 加と と も に

数関数 的に減 少し てい る

 

Fig

12中の実 線は

変動 風圧の空 間 相 関をモデル するため 変 動 風圧 の移流速度

Uc

定 と して (3}式 で

Fig

13中の実線は

(4}式で Rw (ノ)を近 似し た もの であ る

    

R

“(ノ)

r。t,(∫)

cos ・

ei

、(∫)         

 exp (

− Kx’

f

d

エ/

UH

)          

COS (2π(

U

,川 ,)チ d。/σ。)

……

3 )

   Rw

f

ry」(

f

)= exp (

− Kylf ・dy

/U,)

……

(4 )

 

rx、J(ノ)

 r,W(

f

>:そ れ ぞれ

X −xt,

 

Y −y

’ 方向に隔っ          た2点

i,

j

間のル

トコヒ

レ ン ス

 

dx

 

dy

:球 面 上の

2

点 間の

X ,

 

y

方 向 距 離

 Kx ,

 

Ky

:実 験か ら定まる定数 こ こ に

し て い な い模型

気 流に つ い て も X

X’

Y −y

方 向

に隔っ た

2

i,

j

R

.(

f

)はそ れ ぞ れ (3)

(4) 式で近 似で き る

。Table

 1に あて は め た Kエ, Ky, Uc/ UHの 値を 示 す

 以 上で変 動風 圧係数 の 分布, 変 動風圧の パ ワ

ス ペ トル

動 風圧の空 間関 がモ デル 化 された ことにな る。 こ の結 果か ら

変動 風 圧が風上か ら風下へ 移 流す る に っれ

変化し てい るこ と が分か り

また それ は

平 均 風 圧 係 数の等圧 線が 風向に ほ ぼ直 角 な 方 向に走っ て いるこ

とに対 応してい る

 

§

3

球 形ド

ム屋 根面 の応答 計算   3

1 応 答 計 算の法  風 による構 造 物の振 動には

1

)風の乱れに よ る振 動 (パ フェ ッティ ング)

2

)構造物 背後の渦発生に ょ る振 動 (渦 励 振)

(3 )空 気 力の負 減 衰に よる振 動 (自 励 振 動 )等が挙げ ら れ る

本 論 文TIは

前 節の結 果か ら 球 形 ド

ム屋 根 面の 振動を, 地 上 構 造 物の振 動の最 も基 本 的な もの である

パ フェ ッテ ィ ング振 動と して取り扱 い

応 答 計 算を試み る。 ま た

屋根 面の変 形

お よび振

Fig

13 Co

coherence  of fluct岨 ting wind  press凹re Y

Y

99

(6)

Z

iX

Fig

14 Analyzed mQdel  of response

動 が

屋 根 面に作 用す る風 圧 力に及ぼ す影 響は小さい と 仮 定 して

これ を無 視してい る。 ま た振動に伴う室 内 圧 の変 動も 無い もの と す る

 Fig.

14

に示す

N

面に分 割さ れ た球 面 上の

i

点の変動 変 位 (変 位の r

m

 s

〉を求め る

ド解 析 法22 )に よ り

i

点の α 方 向の変 位

X

a (t)

(5) 式,  n 次の 時刻 関 数に関す る運 動 方程式は (

6

)式と な る。 こ こで

α

1

2

3 図の

X ,y ,

 

Z

方 向に応し て い る

       ゆ

    

Xia

(t)

Σ φtna qn

t

……・

……・

…………

(5)       n

1     ぴn(t)+

2

 

h

 a,。すn( t)十磁 α。ω

F

π

ω/

Mn

              

…・

………・

………・

(6 )    

iltna

i

点の n 次の α 方 向の振 動モ

ド    qn(t):n 次の基 準 座 標     hn:n 減衰定数     ω。:n 次の固有円振 動 数  

F

。(t):n 次の

般 化 外 力       N    3          

Σ Σ φ‘騎

Pia(置)       1

1a

1    

Mn

:n 次の

般 化質量       N    a        = Σ Σ

difna

m

A

,       t

1a

監       ん :

i

の分 担 面 積  

Pt

α(

t

):

i

点に作 用 するα 方 向の風 圧 力      m :屋根 面の面 積 密 度 であ る。 (

6

)式を周 波 数 領 域で解くことに よ り,

Xta

(t) の 分散a皇‘a は

i

点の α 方 向の変 動 変 位の パワ

スペ ク トル

Sxt

。 (

f

)を用い て

(7), (8 )式で求め ら れ る。

   

・鮎

・… (

f

>・ノ

…一 ・

…・

…一 …・

(・)    

s

エ‘αω ; Σ Σ φ伽 φ衂       皿

1n

1

       

Hm

(∫)

H

盃(/)

S

跏 (

f

…・

…・

(8 )    

H

。(

f

>:n 次の周波数 応 答 関 数

      

1

/[

2

2M π

       

ll

f

A2

+2》⊂

i

h。

if

fJl

] *は複 素 共 役

V

虚 数単 位

 

fn

n 次の

一 100一

固有 振動 数で ある

m 次と n 次の

般 化 外 力の クロ ス ス ペ ク トル

S

。m。(

f

)は (

9

)式で求め ら れ る。       N   N       s     

SFmn

(∫)

Σ Σ Σ Σ φ侮α φ姻

ん       S

1J

1a

1Pil      

nten」es ρ ‘丿(ノ)

 

t−・

 (9)      n‘a :

i

点の 外 向 単 位 法 線ベ ク トル の ar方 向成 分  

Spw

f

):

i

点とノ点の変動 風圧の クロ ス ス ペ ク トル  

Spw

f

)は

1

>式を用い て (1の 式で求め られる

   

Spl,(

f

)= P !

UZ

  X

f

,{

f

Su

”(ノ)          

r.w (

f

)ryw(ノ)

       

(cos  

e

f

+ノ=

T

sin e ,,(

f

))

(10) (10)式に (2 )

3

(4 )式 を導入 す る

i

点の a方 向の変動変位 aXi

α

が求め ら れ る。

 

3

2 応答計 算 対 象お よ び計算条 件  計 算 対 象はス パ ン

S

50m 半 開 角が

90

°

球 形 空 膜 構 造 物である

膜は等 方 性 膜 (ボアソン比 μ= O

5

引 張 剛 性 Et 

 330 kgwcm , 自 重 fre

1

Okgw /m2 )を 仮 定し た。こ の材 料 定 数は

通 常よ く使われ る

PCV

ティ ング ポリエ ステル繊 維 布の値 を 参 考に してい るen)

 

振動モ

ドお よ び平 均風 圧 による静 的 変 位は 有限要 素 解析Z° よ り求めて いる。 解 析モ デル は

緯 線 方 向に 18

°

ピッチ

経線方向に

22.

S

° ピッ チで分 割し た総 節 点 数81の もの で あ り

Fig

14に示す。 内圧は 20 mmAq とし 屋根頂 部での平 均

U

;10,20,

30

40m /s 時の

10

次ま での振 動

ド を考 慮 して い る

減 衰 定 数 は文 献19 )を参 考に

各 次と も5% と し た。 変 動風速 の パ ワ

ス ペ ク トル は

Karman 型 (屋 根 頂 部の風 速 の スペ ク トルの長さの スケ

L =・

850m ) を用い

乱 れ強さ は30% と し た

また 動 風 圧 力の性状を定め る (2 )

(3)

(4) 式の係 数は

Table

 

1

に よっ てい る

。Appendix

1次 (2次 )

3次

4次 (5次 )の 固 有 振 動モ

ドを示す。  3

3応答計算 例  

Fig.

15 に均風速

u

,とス パ ン

S

で無 次 元 化し た屋

6           δ

O     ー

d く ト Z 凵 Σ 国 り ゴ 島 δ O 国 N コ く Σ

5Z

F.

O δ 6 δ q

O 6 δ 6 δ O

0   2

      X

  9=cu △ MAX 匸]MEANOR

M

S

    X

di厂     Y

dir     Z

dir         10203Q4010203040102

O3040 UHCmls ) Fig

15 Normalized displacement at  the top of Ihe dome

(7)

6      

O

O         rOO

〇 四 u 凝 り

ご コ × の

麗10

956 65

10

3

3 , x10

3

Fig

16 Contours ef   normalized  R

M

 S

 displacement

0

01o

1 1 10 ts/

UH

Fig

17 Power spectra  of 

displacement

 at the top of the dome

根 面 頂 部の平 均

変動お よび最大 変 位の関 係 を示 す。

Y

方 向の平 均 変 位は

構 造物の称 性か ら零と なっ て いる。 平均 変位は,

FEM

に よ り求め

最大 変位は, ピ

ク フ クタ

g を用いて (11)式 より求め ているz3 

   

X

、。max

R

9

。・

σ

、a

…一 ・

…・

……・

(11 )

   

gtα=

 21n 

vtα

T  

十 〇

5772/

 

21n

 

vta 

T ・

12 ) X‘。max :

t

点の α 方 向の最 大 変 位   

XL。

:i点の a 方向の平 均変位

  

axia :i点の a 方 向の変動変位

   

レ‘

: ゼ ロクロ ッ シング数

 

s

− (

f

df

s漁 (ノ)

df

    

T

:評 価 時 間 (600秒) (

12

)式よ り求めた

g

3

5程 度で あ る。 各 方向の変 動

位は

平 均 変 位 と 同 じよ うにお お む ね平 均 風速のべ き乗に比例し てい る

指 数は 2程 度で あり

高 層 建 物の そ れ よ り小さい

X 方 向の変 動 変 位は 平 均 変 位 よりも大き く なっ ている

 Fig.

16に ス パ ン

S

で無 次 元 化 し た変 動 変 位の等 変 位 線 を示 す、 これ らはt 平面上に投 影し た もの である。 X

4

3

2

1 する卓 越し た ピ

クを持っ ている

動変位のパ ワ

へ の寄 与 分は小さ く, 屋 根 面の変 動 変 位 は

風によ る乱れ が支 配的で あ る と考え ら れる

こ の こ と よ り, 変動 変 位 を評 価す る際に は

低 次の モ

の み を考慮す ればよいと判 断できる。

 

変 位の ガス トフ ァ ク タ

G は

次式で求め られ る

   G

‘a

1十

9

‘α

σXta /X‘α

………・

(13)

X

方 向

,Z

方 向の変 位の ガス ト ファク タ

ーG

は, 屋 根 頂 部で それぞれ 6

8

1

6 程度と なっ て おり, また, 平 均変位が小さい部 分では7程 度の値も 認 め られ る

  §

4.

結  風洞 実 験に よ り

剛な球 形 ド

ム屋 根 面に作 用 する静 的, 動 的な 風 圧 力の性状 を明らか に し

風 洞 実 験 結 果を 用い て

パ フェ ッ テ ィング理 論に基づ く球 形 ド

ム屋 根 面の応 答 計 算を試み た

られた結 果 を以 下に示 す。  剛 模 型 上の風圧係 数 分布につ い ては

1

)乱れの十 分 発運し た乱流境界層中で は, 球 形 ド

  ム屋根 面 上の平 均 風圧係 数は

気 流の乱れ強さの影   響をほとんどけ な い。 (

2

) 変動風圧 係 数は

気 流の乱れ強さ と密 接な関 係に   あ り, 両 者は ほ ぼ比例 してい る

(3 ) 変 動 風圧の パ ワ

ス ペ ク トル は

3つの領 域の タ   イ プに分け ら れ る

(4 ) 変 動風 圧 は

風向 と 直角 な方 向へ 移 流 的で は な   いが

風向方 向へ は そ の性 状を変 化さ せ な が ら

  風上 か ら 風下へ 移 流て い る。

 

半 球形の空 気 膜 構 造の風 荷 重 下で の計算例か ら は

(1> 屋 根 面の動 変 位に及ぼす応 答の共 振 成 分の影 響    は小さ く

風 の乱れによる成 分が支 配 的で あ る。 (2) 屋 根 面の変動変位は, 平 均 風 速の 2乗にほ ぼ比 例     し て い る。

 

今後の課 題と して

計算例の蓄積お よび, 本 計 算に よ る結果 と実 現 象との比 較

検 討が挙げられ る。 方 向の変 位 線は ほ ぼ風 向方向 へ

,y

方 向の 等変 位 線は おおむね風 向と直 角な方 向に走っ てい る

また,

Z

方 向 の等 変位 線は

ほ ぼ同 心 円 状と なっ てい る

この傾 向は

それ ぞ れ屋根の

1

次振 動モ

ド, 2次 振 動モ

,3

次 振 動モ

ドと 良く 対 応して い る

 

Fig.17

に屋 根 面 頂 部の変 動 変 位の パ ワ

ス ペ ク トル を 示 す。 X

Y

Z 方 向の 変 動 変 位の パ ワ

ス ペ ク トル は

そ れ ぞ れ屋 根 の 1

2

3次の 固 有 振 動 数に対 応         しか し

それ らの変

101

(8)

5

      }S量rnotieeMINs

oe”  3rd mo 」e

MIN

1

SO9

    2nd mod ε 匸ndese

Fig

 A l Eigen modes

Appendix  固 有 振 動 モ

MAX

os3D      

MAκ

0326 4th m 凶 e日M :liF

 

oas2 5亀hmode ‘畑 1

麿

49 り  Fig

A1 に 1次 (2次)

3次

4次 (5次)の固有 振 動モ

ド の例 を示す

1次と2次

4次と 5次の モ

ドは縮 退して い るた め

固 有 振 動 数は それぞ れ同じ であるが

振 動 方 向の み 90

°

(1次 と2次

1

ある い は 45

°

(4次と5次 ) ずれて い る

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平成 元年5月 20日

(9)

SYNOPSIS

UDC:624.074.2CHARACTERISTICS

OF

AND

RESPONSEWIND

PRESSURE

ON

SPHERICAL

OF

DOMES

IN

TURBURENT

FLOWDOMES

by Dr.TOSHIYUKI OaAWA, Assoc.Prof.of Tokyo

tuteof

Technology,

Dr.MASANAO NAKAYAMA,

turalEngineerof Technica[Diyisionof FujitaCorp..

and SATOSHI MURAYAMA, KajimaCorp.,Members

ofA.I.J.

The

purposeof thispaper

is

toclarify thecharacteristics of wind pressureon the spherical

domes

and toevalute the

dynamic

response of spherical

domes.

As thefirststep, the characteristics of static and dynamic wind pressureon the surface of rigicl spherical

domes

are testeclthrough wind tunnel experiment.

Ancl

at the second step, we treat the

'

'

t

t

'

response of the spherical

dome

as a

buffetting

problem after the

'method

of modal analysis.

'

The

following

properties

became

evident.

-(

1

)

Differeneeinfully

developed

turbulent

bundary

layershaslittleeffects upon thetime-averaged wind pressure

coefficients on the surface of spherical

domes.

(2)

R.M.S. wind pressure coefficients are

in

proportionto turbulence intensityof oncoming'flow.

(

3

)

Power spectra and spatial

dorrelation

of fluctuatingwina

pressures

are appreximated

by

simple equations.

(4)

The

contribution of theresopance parttothevariance of

di$placement

is

small,

{

s

)

The

displacement

(both

R.M.S

and maximum)

'is

proportinal to a square of wind velocityl

Table   l   Experimetal   constants

参照

関連したドキュメント

Two grid diagrams of the same link can be obtained from each other by a finite sequence of the following elementary moves.. • stabilization

Standard domino tableaux have already been considered by many authors [33], [6], [34], [8], [1], but, to the best of our knowledge, the expression of the

An easy-to-use procedure is presented for improving the ε-constraint method for computing the efficient frontier of the portfolio selection problem endowed with additional cardinality

We show that a discrete fixed point theorem of Eilenberg is equivalent to the restriction of the contraction principle to the class of non-Archimedean bounded metric spaces.. We

A mathematical formulation of well-posed initial boundary value problems for viscous incompressible fluid flow-through-bounded domain is described for the case where the values

We study the classical invariant theory of the B´ ezoutiant R(A, B) of a pair of binary forms A, B.. We also describe a ‘generic reduc- tion formula’ which recovers B from R(A, B)

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The proposed fifth-order nonlinear mathematical model represents the main characteristics of this nonlinear dynamic system, as servo valve dead zone, air flow-pressure