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セ ミサブ型浮体式免震構造物 を対象 とした三次元地震応答解析

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Academic year: 2022

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(1)海岸 工 学 論 文 集,第55巻(2008) 土木 学 会,876‑880. セ ミサブ型浮体式免震構造物 を対象 とした三次元地震応答解析 Three-Dimentional Isolation. Seismic Structure. Response. Analysis. Based on Expanded. of Semi-Submersible-Type Mild. Slope Equations. 長 谷 部 雅 伸1・ 大 山 巧2 Masanobu Three-dimentional. expanded mild-slope. HASEBE. and Takumi. OHYAMA. equation models were applied to seismic response analysis of semi-submersible-. type isolation structure. Against horizontal vibration, damping effects caused by wave generation calculated by the 3Dmodel was relatively weak, and the peak of magnification factor indicated larger value than the results of 2D-model. We also estimated axial forces of rubber bearings under vertical and horizontal heaving but also rocking motion increases axial forces.. 1.. external vibration, and found that not only. 2. 数 値 モ デ ル. は じ め に. 浮 体 式 免 震 構 法 で は浮 力 に よ って 構 造 物 重 量 を 支 持 す る こ とが で き るた め,陸 上 建 築 の 分 野 で広 く用 い られ て. (1) 数 値 モ デ ル の 概 略 本 研 究 で は,筆 者 らが 前 報(長 谷 部 ら,2007)に. おい. い る基 礎 免 震 の よ う な支 持 荷 重 に よ るせ ん 断 剛 性 の制 約. て 拡 張 緩 勾 配 方 程 式(大. が 緩 和 さ れ,固 有 周 期 を長 周 期 に設 定 す る こ とが 可 能 で. 震 応 答 解 析 モ デ ル を 用 い る.本 解 析 モ デ ル は水 深 変 化 や. あ る.最 近 実 用 化 され た浮 体 式 免 震 建 築 物 の 例(土 屋 ら,. 周 辺 の護 岸 配 置 に よ る屈 折 ・反 射 ・回 折 の影 響 を考 慮 で. 2005)で. は,建 物 重 量 を浮 力 と積 層 ゴ ム の 双 方 で 支 持 す. る構 造 形 式(以 下,パ. 山 ら,1996)を. 元 に 開発 した 地. き る こ と に加 え,計 算 効 率 が 比 較 的 高 い と い う実 用 上 の. ー シ ャル フ ロー ト免 震 工 法 とす る). 利 点 も有 す る.た だ し従 来 の拡 張 緩 勾 配 方 程 式 モ デ ル は. が採 用 され て お り,実 際 の地 震 動 に対 す る観 測 か ら も良. ポ ンツ ー ン型 浮 体 の動 揺 解 析 を対 象 と した もの で あ っ た. 好 な 免 震 性 能 が 確 認 さ れ て い る(猿 田 ら,2006).. が,本. 筆 者 らは この新 しい浮 体 式 免 震 構法 を,湖 沼 や 港 湾 な. モ デ ル で は構 造 体 没 水 部 上 部 の 流 体 運 動 も考 慮 す. る こ と で セ ミサ ブ型 浮 体 へ の適 用 も可 能 と な って い る.. ど比 較 的 静 穏 な 水 域 へ の免 震 人 工 地 盤 と して 活 用 す る た. 詳 細 は長 谷 部 ら(2007)を. め の 検 討 を行 な って き た.特 に水 線 面 積 が小 さ く潮 汐 に. (2) 検 討 条 件 の設 定. よ る軸 力 変 動 が 小 さ い セ ミサ ブ型 浮 体 免 震 構 造 につ い て は,断 面 二 次 元 モ デ ル に よ る地 震 応 答 解 析(長 2007)が. 谷 部 ら,. 参 照 さ れ た い.. 検 討 対 象 と した セ ミサ ブ型 浮 体 式 免 震 構 造 物 と周 辺 地 形 の状 況 を 図‑1に 示 す.浮 体 構 造 物 は 上 部 デ ッキ,没 水. 行 な わ れ て い る もの の,地 震 動 に伴 って 発 生 す. 部 と も に平 面 形 状 が100m四. 方 の矩 形 で あ り,10m〜17m. る水 面 波 の 回折 ・屈 折 が 考 慮 され て お らず,周 辺 地 形 と. の 水 深 変 化 が あ る 幅140mの. 水 路 状 海 域 に 設 置 され て い. 構 造 物 の 配 置 に よ って は実 現 象 の 再 現 性 に疑 問 が 残 る.. る もの と す る.ま. と りわ け上 下 ・回 転 運 動 も含 め た 三 次 元 的 な 応 答 特 性 を. 上 面 ・底 面 は それ ぞ れ 水 面 下2m,9mに. 把 握 す る こ と は,支 持 部 材 に作 用 す る軸 力 変 動 の 正 確 な 推 定 に 直 結 す る構 造 設 計 上 の重 要 な 課 題 で もあ る. そ こで 本 研 究 で は,セ. ミサ ブ型 パ ー シ ャル フ ロ ー ト免. た 構 造 体 没 水 部 は高 さ が7mで あ り, 位 置 す る.. 浮 体 構 造 物 は総 重 量 が1.11×106kN(113,000tf),没 部 体 積 が70,000m3で. あ り,海. 7.07×105kN(72,100tf)の. 浮 力 が 作 用 す る こ とに な る.. 震 人 工 地 盤 を主 対 象 と した三 次 元 地 震 応 答 解 析 に よ り,. 浮 力 が 差 引 か れ た 残 り の4.01×105kN(40,900tf)の. 波 の平 面 的 な伝 播 に よ る応 答 特 性 の 変 化 と浮 体 の 三 次 元. (浮体 総 重 量 の 約36%)は,1600mmの. 的 な応 答 に伴 う支 持 構 造 の軸 力 変 動 につ い て,断 面 二 次. て 支 持 さ れ る.図‑2は. 元 モ デ ル,お. 型 浮 体 構 造 で あ る.喫 水 が7mで あ る他 は,図‑1の. よ び ポ ン ツ ー ン浮 体 との 比 較 を交 え て 検 討. を行 な う.. な お,セ 1正 会 員 2正 会 員. 工修 工博. 清水建設(株)技術研究所 清水建設(株)技術研究所. 荷重. 積 層 ゴム16台 に よ っ. 比 較 の た め に設 定 した ポ ンツ ー ン. サ ブ型 浮 体 と浮 体 重 量,没 は同 一 で あ る.表‑1に. 水. 水 の 比 重 を1.03と す る と. 水 部 体 積,免. セ ミ. 震 機 構 等 の緒 元. 両 者 の 構 造 物 緒 元 を ま と め る.. ミサ ブ型 浮 体 の 上 部 デ ッキ を 支 持 す る カ ラ ム. の 流 体 力 に つ い て は,没 水 部 分 に作 用 す る流 体 力 や,支 持 構 造 か ら伝 達 す る外 力 と比較 して 非 常 に小 さ いオ ー ダー.

(2) セ ミサ ブ型浮体 式免 震構 造物 を対 象 と した三 次元 地震 応答 解析 で あ るた め,本 検 討 で は考 慮 しな い もの とす る. 解 析 で は 浮 体 中 心 の水 面 上 を 原 点 と し,鉛 直 上 方 をz 軸 の 正 とす る.x軸,y軸. は そ れ ぞ れ水 路 方 向,水 路 と直. 877. (3) 解 析 モ デ ル の 検 証 本 解 析 モ デ ル の 検 証 と して,没 水 部 上 の流 体 領 域 を考 慮 した 断面 二 次 元BEMモ. デ ル と の 比 較 を行 な っ た.図‑. 行 す る方 向 に設 定 す る.ま た,水 路 の 両 端 は水 面 波 が 透. 1の セ ミサ ブ 型 浮 体B‑B'断 面 を 対 象 と し,水 平,鉛. 過 す る放 射 境 界 と し,岸 壁 の 反 射 率 は0.9と す る.三 次. 向 に そ れ ぞ れ 神 戸NS波(最. 元 解 析 で は計 算 領 域 が 開 境 界 と岸 壁 の 二 種 類 の境 界 で 囲. 波(最 大 加 速 度332Gal)を. ま れ て い る の に対 し,AA',BB'断. 平,上. 面 を対 象 と した二次. EMモ. 元 解 析 で は両 端 が 岸 壁 も し くは 開 境 界 と な る.. 下,回. 大 加 速 度818Gal),神. 直方 戸UD. 同 時 に 入 力 した ケ ー スで の水. 転 方 向 の加 速 度 応 答 を 図‑3に 示 す.な. おB. デ ル で は 非 定 常 の 時 間 発 展 解 法 を用 い て お り,本. 解 析 モ デ ル は 周 波 数 領 域 で の 応 答 に逆 フー リエ変 換 を施 して い る.上 下,回 転 運 動 に 関 して は両 モ デ ル の解 析 結 果 は ほ ぼ 同 じ波 形 と な っ って お り,水 平 方 向 の 応 答 に 関 して も ピー ク値 が 若 干 異 な って い る もの の 比 較 的 良 好 な 一致 が 見 られ た . 3. 水 平 振 動 に 対 す る 応 答 特 性 x方 向 の 正 弦 振 動 に 対 す る 加 速 度 応 答 倍 率 を 図‑4に 示 す.セ 図‑1 セ ミサブ型パ ー シャル フロー ト免震構 造物. ミサ ブ,ポ. ン ツ ー ン共 に,3Dモ. 析 で は,断 面2Dモ. デル を用 いた解. デ ル の ケ ー ス に比 べ て ピ ー ク値 が 大. き くな って い る こ とが わ か る.図 一5にて 造 波 減 衰 係 数 を 比 較 して み る と,3Dモ. デ ル で は全 周 波 数 帯 域 に わ た り. 非 常 に 小 さ な値 と な って い る こ とが わ か る.セ. ミサ ブ型. 浮 体 で は固 有 周 期 で あ るT=6.7秒 で の造 波 減 衰 係 数 の 相 違 が 著 しい.T=6.7秒. で の断 面 二 次 元 モ デ ル で の 半 周 期. 間 で の 水 面 波 の発 生 状 況 を図‑6に,三. 次元 モデル におい. て 発 生 す る水 面 波 振 幅 の 分 布 を 図‑7に 示 す.断. 面2D解. 析 か ら は,造 波 減 衰 係 数 が 極 大 とな る周 期 に お い て 図‑6 図‑2. ポ ン ツ ー ン型 パ ー シ ャル フ ロ ー ト免 震 構 造 物. 表‑1 構造 物の緒元. の よ う に没 水 体 上 部 に両 側 を 自由 端 とす る定 在 波 が 発 生 し,浮 体 の存 在 しな い領 域 で は 進 行 波 が 水 路 方 向 に遠 方 へ と伝 播 して い る様 子 が 確 認 で き る.こ. れ に対 し3D解. 析 で は明 確 な共 振 波 が 発 生 せ ず,水 路 方 向 に 伝 播 す る進. (a) セ ミサ ブ:X方. 向加振. (a) Sway (b) ポ ン ツー ン:X方 向 加 振. (b)Heave. (c) Roll. 図‑3. 断 面2D‑BEMモ. デ ル と の地 震 応 答 に 関 す る比 較. 図‑4. x方 向加 振時(AA'断. 面)の 加 速度応 答倍 率.

(3) 878. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 行 波 も2D解 析 に 比 べ て 小 さ い こ と が わ か る.一 方 ポ ン (a) セ ミサ ブ:X方. ツ ー ン浮 体 で は,3D解. 向加 振. 析 に お い て 岸 壁 と浮 体 と の 間 隙. が考 慮 され て い るた め に,浮 体 動 揺 に よ って 水 路 方 向 に 発 生 す る波 が 断 面2D解 析 に比 べ 小 さ くな っ て い る と考 え られ る. 一 方 ,y方. 向 の 入 力 振 動 を想 定 し た ケ ー ス で は,主 共. 振 周 期 お よ び ピー ク値 につ い て,浮 体 形 式 お よ び 解 析 モ デ ル に関 わ らず ほ ぼ 同 じ値 と な った(図‑8).し セ ミサ ブ型 浮 体 に対 し神 戸NS波 (b) ポ ン ツー ン:X方. 向加振. 析 を 行 な っ た と こ ろ,図‑9に. 図‑5. を 入 力 とす る時 刻 暦 解. 示 す よ う に断 面2D解 析 で. は最 大 応 答 加 速 度 が39.2Galと3D解. (a) セ ミサ ブ:Y方. か し,. 析 に比 べ約10Gal大 き. 向加 振. x方 向加振 時(AA'断 面)の 造波 減衰 係数. (a) セミサ ブ. (b) ポ ン ツー ン:Y方. 向 加振. (b) ポ ン ツ ー ン. 図‑8. y方 向加振 時(BB'断 面)の 加速 度応 答倍率. (a) 入力 波形. 図‑6. x方 向加 振 時 に発 生 す る水 面波 の状況(断 面2Dモ デル). (b) 応答 波形. 図‑9. 神戸NS波 に対 す る加速 度応 答波形(y方 向入力 時). (a)Semi‑Submergiblb‑Type. (b)Pontoon‑Type. 図‑7. x方 向加 振時 に発 生す る水面 波 の状況(3Dモ. デル). 図‑10. y方 向加 振時 の加 速度 応答倍 率(高 周 波数 帯域).

(4) セ ミサ ブ型 浮体 式免 震構 造物 を対象 と した三 次元 地震 応答解 析. 879. く,お よ そ4Hz程 度 の 振 動 成 分 が 卓 越 す る な ど特 異 な 傾. 解 析 ケ ー ス と は異 な り,付 加 質 量 が 大 き く変 動 して い な. 向 が 見 られ た.図‑10に. い こ と が わ か る.ま. 示 す 高 周 波 数 帯 域 で のy方 向 加 速. 度 応 答 倍 率 を 見 る と,T=0.7s以. 下 の周 期 帯 に お い て2D. 解 析 で の 値 が 大 き くな って い る こ とが わ か る.図 は 省 く. た,セ. ミサ ブ,ポ. ンツ ー ン共 に3D. 解 析 で は お よ そ0.5Hzか ら付 加 質 量 が増 加 して い るの に. 平 方 向 の 波 強 制 力 の 振 幅 に つ い て も2D解 析 で 得. 対 し,断 面2D解 析 で は よ り低 い周 波 数 か ら増 加 し ほ ぼ 一 定 値 に収 束 して い る こ と か ら,上 下 動 の 際 の 浮 体 底 部. られ た値 の 方 が 大 き い こ とか ら,岸 壁 の 動 水 圧 の影 響 が. の 平 面 的 な流 体 運 動 が こ う した 流 体 力 の変 動 特 性 に深 く. 強 く反 映 され て い る もの と考 え る こ とが で き る.ま たT=. 関 係 して い る もの と考 え る こ とが で き る.. が,水. 0.25〜0.3s付 近 に見 ら れ る極 値 は,回 転 運 動 との 連 性 に よ る 固 有 周 期 で あ り,図‑8の. 時刻暦 応答 において卓越 し. て い る4Hzの 振 動 成 分 に対 応 して い る こ とが わ か る.. (2) 積 層 ゴム に作 用 す る 軸 力 の評 価 積 層 ゴ ム に つ いて は,引 張 軸 力 の作 用 に よ り降 伏 しや す い こ と が知 られ て お り,特 にパ ー シ ャル フ ロ ー ト免 震 構 造 で は静 止 時 の 初 期 軸 力 が 低 い た め,陸 上 の 免 震 構 造. 4. 上 下 ・回 転 運 動 に 伴 う 軸 力 変 動 の 評 価. 物 に比 べ 引 張 力 に対 す る脆 弱 性 が 問 題 に な る と考 え られ. (1) 鉛 直 振 動 に対 す る応 答 特 性. る.特. 鉛 直 方 向 地 震 動 と し て神 戸UD波(最. き な い た め,浮. 力 と した応 答 解 析 を 行 な った.な お,こ の 入 力 は考 慮 せ ず,断. 入. こで は水 平 振 動. 面2D解 析 につ い て はAA',BB'両. 断面 に対 して行 な っ た.図‑11に す が,3D解. 大332Gal)を. 変 位 応 答 の 時 刻 暦 を示. 析 で 得 られ る最 大 応 答 変 位 は2.6mmと2D解. 析 の 約3倍 近 い 値 と な って い る こ と,周 期1.4秒(0.71Hz). に 断 面2Dモ. デ ル で は平 面 的 な 流 体 運 動 が 再 現 で. 体 構 造 物 の 形 状 や 周 辺 地 形 次 第 で は3D. モ デ ル と全 く異 な る値 とな る場 合 が考 え られ る. 積 層 ゴ ム の軸 力 は,鉛 直 剛 性kと 上 下 お よ びx,y軸 周 り に 関 す る回 転 方 向 の 変 位 δ3,δ4,δ5,積 置(X,Y,Z)に. 層 ゴ ム の設 置 位. よ っ て求 め られ る.具 体 的 に は圧 縮 を. 正 と し,. の 振 動 成 分 が 卓 越 して い る こ と な どが わ か る.図‑12に 鉛 直 動 揺 に 関 す る付 加 質 量 係 数M33を 示 す.低. 周 波数 帯. 域 で は各 ケ ー ス と も複 雑 に 変 動 して い る が,3D解. 析の. み0.7Hz付 近 に お い て 符 号 が 変 化 して お り,こ の た め に. (1) FZOは 初 期 圧 縮 力 で あ り,静 止 時 に 各 積 層 ゴ ム に 作 用 して い る軸 力 で あ る.本 検 討 で は 約25,000kNで 上 下 方 向 に の み 神 戸UD波. 変 位 応 答 倍 率 が 大 き くな って い る もの と考 え られ る.な. 浮 体 につ い て,X=Y=35mの. お,ポ. す る軸 力 変 動 波 形 を 図‑15に 示 す.断. ン ツー ン浮 体 を 対 象 と した解 析 で は,セ. 体 の よ うに3D,2D両. 解 析 モ デ ル に お い て,最. ミサ ブ浮 大応答 値. 位 置 に あ る積 層 ゴ ム に作 用 面2Dモ デ ル に よ る. 解 析 で は軸 力 の 値 が 負 に な らず 引 張 力 が発 生 して い な い. に 関 して は 顕 著 な 差 異 は見 ら れ な い(図‑13).図‑14に. が,3D解. 付 加 質 量 係 数 の周 波 数 特 性 を示 す が,セ. い る こ と が わ か る.す. ミサ ブ型 浮 体 の. あ る.. が 作 用 して い る セ ミサ ブ型. 析 で は 時 刻5〜10sの 間 に2度 引 張 力 が 発 生 して な わ ち,本 検 討 の例 で は 断 面2D. 解 析 で は 引張 方 向 の軸 力 を 過 少 に評 価 す る こ と に な る. (a) 入力 波形. さ らに上 下 動 に加 えx,y各 方 向 に そ れ ぞ れ神 戸EW波,. (b) 応答波 形. 図‑11. 神 戸UD波 に対す る変位 応答 波形(セ ミサ ブ). 図‑12. 付 加 質 量 係 数M33の 周 波 数 特 性(セ. ミサ ブ). 図‑13. 図‑14. 神 戸UD波. に対 す る 変 位 応 答 波 形(ポ. 付 加 質 量 係 数M33の 周 波 数 特 性(ポ. ン ツ ー ン). ン ツ ー ン).

(5) 880 神 戸NS波. 海 を 同 時 に入 力 した,三. 形 を 図‑16に 示 す.上. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 軸 加 振 で の軸 力 変 動 波. 下 動 に回 転 運 動 が 加 わ る こ と で,. 軸 力 の変 動 量 が よ り大 きな も の と な る こ とが わ か る.こ の た め,別 途 ダ ンパ ー を 付 加 す る,あ. る い は あ る程 度 の. 浮 き上 が りが 許 容 で き る免 震 装 置 を用 い る な ど の対 策 が 必要 とな る.ま た,主 に地震 に よ る岸 壁 の水 平 変 位 に よ っ. 図‑15. て も た らさ れ る波 圧 が 回転 運 動 を 励 起 す る原 因 で あ る と も考 え られ る た め,パ. 積 層 ゴムに作用 す る軸力 の変 動波形 (セ ミサ ブ,上 下振 動 のみ). ー シ ャル フ ロ ー ト免 震 構造 物 を護. 岸 付 近 に設 置 す る場 合 に は 造 波 減 衰 が大 き くな る よ う消 波 工 な ど の対 策 も有 効 で あ る と考 え られ る. 5. ま と め 拡 張 緩 勾 配 方 程 式 を ベ ー ス と した 三 次 元 解 析 モ デ ル を. 図‑16. 用 い,既 存 内水 面 に 設 置 さ れ た セ ミサ ブ型 浮 体 式 免 震 構. 積 層 ゴム に作 用 す る軸 力 の変動 波形 (セ ミサ ブ,3軸 同 時加 振). 造 物 を 対 象 と した地 震 応 答 解 析 を 行 な っ た.断 面 二 次 元 モ デ ル を 用 い た解 析 で は,岸 壁 と浮 体 の間,お. よび浮体. 没 水 部 上 部 の水 面 に お け る波 の共 振 の 影 響 に よ り複 雑 な 応 答 特 性 を 示 す が,三. 次 元 モ デ ル で は水 面 波 の平 面 的 な. 伝 播 の影 響 に よ り顕 著 な 定 在 波 の 発 生 は確 認 で きな か っ た.た だ し,よ. り複 雑 な 周 辺 地 形 や,平 面 的 に細 長 い形. 状 の構 造 物 な どで は この 限 り で は な い と考 え られ る.ま た,上 下 動 に対 す る応 答 につ い て は,浮 体 下 部 お よ び没 水 部 上 部 の 流 体 の平 面 的 な 挙 動 が 再 現 され る こ とで,や は り断 面 二 次 元 モ デ ル と は異 な る応 答 特 性 を示 す.こ. う. した 解 析 モ デ ル の 差 異 は 支 持 構 造 と な る免 震 装 置 に作 用 す る軸 力 を精 度 良 く見 積 も る上 で 重 要 で あ る.ま た,特 に 本 論 で 対 象 と したパ ー シ ャル フ ロ ー ト免 震 構 造 で は 免 震 装 置 に 引張 方 向 の 軸 力 が 発 生 しやす い た め,ダ. ンパ ー. の付 加 や 消 波 護 岸 の 設 置 な どの 対 策 も重 要 な 課 題 で あ る.. 参 大 山 巧 ・土 田 充 の 動 揺 解 析,. 考. 文. 献. (1996): 拡 張 緩 勾 配 方 程 式 に よ る港 内 船 舶 土 木 学 会 論 文 集, No.539/II‑35, pp.141‑154.. 猿 田 正 明 ・大 山 巧 ・土 屋 宏 明 ・長 谷 部 雅 伸 ・岡 田 敬 一 (2006): パ ー シ ャ ル フ ロ ー ト免 震 構 造 に 関 す る 研 究‑そ の8実 建 物 に お け る 地 震 観 測,. 日 本 建 築 学 会 学 術 講 演 梗 概 集 (関. 東), pp.592‑593. 土 屋 宏 明 ・石 川 二 巳穂 ・堀 富 博 ・大 山 巧 ・長 谷 部 雅 伸 ・猿 田 正明 究‑そ 集. (2005): パ ー シ ャ ル フ ロ ー ト免 震 構 造 に 関 す る 研 の6実 建 物 へ の 適 用, 日 本 建 築 学 会 学 術 講 演 梗 概. (近 畿),. pp.827‑828.. 長 谷 部 雅 伸 ・大 山 巧 (2007): 拡 張 緩 勾 配 方 程 式 に よ る セ ミ サ ブ型 浮 体 式 免 震 構 造 物 の 応 答 解 析, 海 岸 工 学 論 文 集 第 54巻,. pp.886‑890..

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参照

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