【論 文】
UDC :624
.
042.
7:620.
1日本 建築 学 会構造系論 文 報告集 第 4Z3 号
・
1991年5 月 Journal ofStrvct
.
Constr,
Engng,
A【J,
No.
423,
May,
1991L
油
圧
制御
起
振機
の
試作
と
.
性 能 試 験
油
圧制 御起 振機
に よ る強制 振
動試験
に関 す る 研究
(
1
)
、
DESIGNI
’
NG
AND
PERFORMANCE
TESTS
OF
SERVOHYDRAULIC
−
』
,
TYPE
VIBRATOR
Forced
vibrationtests
with a servQhydraulic−type
vibrator,
part
1
篠 崎 祐
三*,
小 堀
鐸
二「
*
Yuxo
SffllVOZAKI
andTakuji
KOBORI
Iq
this paper an outline of a servohydraulic−
type vibrator which wedesigned
as a trialis
de−
scribed
,
The
vibratoris
capable of producinghigh
peakforce
to 1 じon andbroadband
freque
孕cy−
controUed sweeps
6f
both
variabld amplitude and sweep raしe in vertical as well ash6rizontal
vibration
direction
,
Methods
offorced
vibration tests arediscussed
’
giving’
adescription
of theelect[ical
・
hydraulic
method of contro 且ling
forced
vibrationforce
.
Some
preliminary tests onforced
vibration tests of reinforced concrete
footing
are carried out tQ check the performance of the vibra−
tor
.
It is shown 山 at methods of signal enhancement are successfuly applied in the fieLdduring
data
acquisition as well asin
computerdata
processing.
In
order toinves
巨gate the effect of sweepperiod
oO thefrequency
response of a subsurfaceirregular
ground
, tWodifferent
sweep period;i
,
e.
9seφand 300 sec,
of sweep generation rangedfrom
5Hz
to 30H 年are apPhed.
Compared
those・
results,
wehave
shown that shorter sweep period,
i.
e.
g
』
sec,
i’
s adequate to aquire a.
steady−
st’
ate response of the ground which is cQnvenient in compu しerdata
proOessing.
KeyWOizts
:full
−
scaleforced
vibration test,
seruahyd 厂α誠ひ卿thbratOr
,
subsurfaceirregular
ground,
wertical stacking 強制振 動 試験
,
油 圧 制 御 起 振機,
不 整形地 盤,
重 合 加算1.
ま えがき 地 震 学 あるい は地 震 探 査の分 野で地 層の速 度 構 造の推牢
や 地 盤の震 勤特 性・
・
波 動 伝 播 特 性の研 究に,
震 源とし て用い ら れ るもの には,
いわゆる板た たき法の ほ か に,
常 時微et1
)−
5],
爆 破昨 B∵ バ イ ブレー
ター
9 )・
10 ]・
u三1 ],
S
波 大砲tl )・
IZ ),
あ るいはエ ア・
ガン13な どの多 彩な方 法があ り,
その 目的 や 地 層の計 測 深さに応 じて使い分け られ る。
一
方,
建 築 構 造 物な どの振 動 特 性 を実 験 的に研 究するた めに,
振 勤 源とし て常 時 微 動,
人 力な ど様々 な方 法が試 み ら れ て き た が,
起 振 機 を構 造 物の床などの位 置に据え 付 けて強 制 振 動 試 験 を実 験し,
構 造 物の代 表 的な位 置で の変位応答を求め,
共 振 振 動 数や減 衰量な どの振 動 特 性 を評 価す る方法が最も一
般的・
実 用 的で あ ろ う141.
1 %々
だ単に, 構造 物の振 動特 性のみ な らず, 地 盤と構造物 基 注1) こ こ で は石 油 探 査 等で用い ら れるVibroseis(Conti・
.
nenIa 【Oi且Company の登録 商 標 )の大 型 油 圧制 御起 振機 システムを意 味す る。
礎との動 的相 互 作 用 を考 慮し た,
い わゆる, 構 造 物一
地 盤連 成系の振 動 特 性の基 礎 研 究と し て,
実 地 盤 上に製
作 し た 鉄 筋 コ ン クリ
ー
ト模型基礎 の上に起振 機を設ZL・
.
U て,
基 礎を強 制 加 振す ることに より,
構 造 物 基 礎の周 辺 地 盤の 振 動特性を概 括 的に把 握する実 験 的研 究に こ の方 法 は その ま ま踏 襲さ れてきて い、
る。 従来, これ ら の強 制 振 動 試 験に用い られて きた起 振 機 の大多数は原理的に全 く同r の タイ プと言っ て も過言で はない。
す な わ ち,
異な る 2点を中心に し て偏 芯する重 錘 を電動モー
タに よ’
り回転させることにより, 上下 あ る いは水 平 方 向の 加 振 力 を得る不 平 衡 質 量 形起 振 機と 呼ば れ る もの で あ る。
こ の不平 衡 質量 形 起 振機は機 構が簡単 であ り,.
比 較 的 小型で可搬性にと み,
さ らに 駆 動 源 とし て動 力 用 電 源があれ ば十 分である こ と か ら,
極め て多く の強 制 振 動 試 験で用い られ てきた。
、
.
しかしな が ら’
,
減 衰の小さい建 物の強 制 振 動 試 験を行 う場 合に は,
不 平 衡 質 量 形 起 振 機で はい くつ かの 克服 す “京 都 大 学 講師・
工博 **京 都 大 学 名誉教授・
工博Lecturer
,
Kyoto Univ、
,
Dr.
Eng.
Prof
.
Emeritus,
Kyotp Univ.
,
Dr.
Eng.
べ き問 題 点のある こと が従 来か ら指 摘さ れ て き たの で あ る
。
す な わち, 起 振 機の不 平 衡質量の 回転ム ラ の ため, 構 造 物の共 振 振 動 数近傍では加 振 振 動 数 を精 度 よく設 定 する こと が 困難にな り,
正確な共 振 応 答 曲 線 を求める こ とがで きない た め,
誤差 を含ん だ減 衰 量 評 価を す る場 合 が多い の であ る]G)・
hT)。
さ らに, 構 造 物の中 心と起 振 機に よる加 振 力の作用点を偏 芯する こ と な く正確に一
致させ ることは至 難の技であ り,
実際に は程 度の差こ そあ れ,
構 造 物は加 振 方向と直交 方向の振 動 をする場 合がある。 その際,
不平衡 質量 形 起 振 機で は加 振 方 向と直交する動 き を2
個の不 平 衡 質 量の反 転す る動きで打ち消す ように なっ て い る ため,
偏 芯と回 転ム ラ に よっ て惹 起 する加 振 方 向と直 交する振 動 応 答が 加振 方 向の共 振 応 答に大き な 影 響 を及ぼ し,
加 振 方 向の構 造 物の共 振 振 動 数や 減衰量 を精 度 よく評価で き ない 場 合 が ある の で あ る17) 。一
方,
地 盤の振 動特 性を把 握する た め に行う振動 試 験 で は,
後 述す る よ うに ゼロ・
ス ター
ト加 振 が 困 難で通常 の定 常加 振の みが 実 施 可 能な不 平 衡質量形の起 振機で は,
ノイ ズレ ベ ルの高い地 盤で実施す るス タッキン グが 行え ない などの理 由で,
地 盤の波 動 伝 播特性その もの を 研究す る た め に は適 切でない場 合が多いの で あ る。著 者ら は実大 構 造 物幽η 並びに
,
実 地 盤,
特に深 さ方 向 の み な らず水平方 向に お い て も地 形・
地 層 構成の変動が 著しい,
い わ ゆ る不整 形 地 盤の振 動 特 性および波動伝播 特 性を,
不 平 衡 質量 形起 振 機 を用い て多くの振動試 験を 実 施し,
以上の よ うな問 題 点を度々 痛感 して き た18 ]。
こ のこと が不平衡 質 量 形 起 振 機にとっ て代わ る機 構の全く 異な る起 振 機の開 発を目指した動 機で ある。 以 上の よ う な観点に たっ て本 研 究では 新 規に油 圧 制 御 起 振 機を開 発 し, 不 整 形 地 盤お よ び実大 鋼 構 造 試 験 架 構 11 )を 対 象と し て油圧制 御起振機に よ る一
連の強 制 振 動 試 験を実施し,
それら の振動特性,
並 びに波 動 伝 播 特 性を効率的に精 度 良 く実 験 的に研 究す ることを第一
の 目 的とし て いる。シ リ
ー
ズで の発 表予定の 本 研 究では,
まず,
最初に油 圧 制 御 起 振 機の 開発 概 要と性 能 試 験の結 果につ い て考察 し,
次に, こ の起 振機を用いて実施し た不 整 形 地 盤の振 動特性・
波 動 伝 播 特 性 並びに,
その シ ミュ レー
シ ョン結 果を考察する。
最 後に減 衰量 が極めて小さい実 大 鋼 構 造 試 験 架 構に対 し て行っ た振 動 試 験 結 果につ い て報 告 す る。
2.
油 圧 制 御 起 振機,
およ び 計 測 システ ム の開 発京都 大 学 工 学 部 建 築 系 教 室の著 者ら の研 究グル
ー
プ は,
過去 20年 近く の間,
非 常に軟 弱な地 盤か らT9 )−
24 〕,
比較的硬質な地as25
)一
’
:9 )まで の 様々 な地 盤 上に, 鉄 筋コ ン クリー
ト製の模 型 基 礎 を作 成し,
そ の上に不 平 衡 質 量 形起 振機を設置 して基 礎を強 制 加 振し,
主と し てDyna・
micalGround
Compliance
(D.
G.
C .
)に代 表され る構一
106
一
造 物 基 礎の周 辺地 盤の動 特 性を検 出し,D .
G .
C 、
などの 理論 解 析 結 果の妥 当 性を検証 す る一
連の研 究 を精 力的に 行っ て きた。 前 節で述べた よ うに,
不平衡質量 形 起 振 機 を用い て,
これ らの試験を行う 場 合に は, 不 平衡モー
メン トを所 定 の数 値に設 定し た後に起 動し, 加振 振 動 数 を徐々に増や し,
計測振動 数に達 し た時,
加 振 振 動 数 と基 礎の応 答が 定 常 状 態にな るの を待っ て計測を行う。
こ れ を各 振 動 数 につ い て繰り返して行 うの が もっ と も普 通の やり方であ る。
最 近, こ の ように加 振 振 動 数を固定して,
そ・
の 都度 応 答を計 測する や り方で はな く,
計 測 対 象と す る振動数 帯 域 を,
非 常にゆっ く り漸 増,
あ るいは漸減さ せ る,
い わ ゆる,
周 波 数 掃 引の加振を行う と同 時に,
パー
ソナル コ ン ピュー
タへ AD 変換 後の 計 測 デー
タ を 取 り 込 んで 種々 の振 動 応 答を オンラ イン処理 す る方 式が試み始め ら れ てきたが,
精度などで検 討すべ きことがま だ 残さ れて いる16L3°L3])。
さ らに,
起 振 力の小さ い場合に は,
応 答 に及ぼ す常時微 動の影 響は無 視で きず, 高 度 な デー
タ処 理技術を駆 使す る必 要があるが32),
後 述 するよ うに油 圧 制 御起振機を使用 する ことに より常 時 微 動レベ ル の高い 試 験 地で は重 合加算33♪ (Stacking
>の方 法 が 有 効に適 用 で き る た め、
上の よ う な デー
タ処 理が不 要で ある。
不 平 衡 質量形 起 振機は,
比 較 的 可 搬 性に富み,
駆 動 源 と して 3相交流電源の み を 必要と し, 機構が簡単な た め 故 障が少な く,
た と え故 障して も修理 が容 易である など の長所を 持つ一
方, 特 殊な もの を除き以下の よ うな欠 点 が あ るe1 ) 加 振 力は加 振 振 動 数の’
2乗に比 例す る た め,
地 盤を 所 定の振 動 数 範 囲で加 振 カー
定の状態で加振す るこが難 しい こと。
2) 原 則と して,
加 振振 動数ご と に定常 状態に な る の を 待っ て諸 応 答を計測 す る た め,
計 測 時 間が か か り,
場 合 に ょっ て は地 盤 条 件を試 験 初 期と異な る状態に変化さ せ る こともあ ること。 3> 地 盤 を伝 播 する波 動の立ち上がりを把握す る た めに 必要ないわゆるゼロ・
ス ター
トが困 難で あり,
し た がっ て常時 微 動 レベ ル の高い地 盤で通 常 行わ れ る重 合 加 算 (Stacking
)の テ クニ ックを使うこと ができな い こ と。
以 上の観 点か ら,
主 として不 整 形 地 盤の振 動 特 性 を 任 意の周 波 数 特 性を持っ た起 振 機 を用い て試 験す る た め に,
新 規に油圧制御 起振機を開発し た。
こ の 油圧制 御起 振 機を開 発す る うえ で の設計 上の基本要 点と して次の こ と を念頭に おいた。
ユ) 正 弦 波,
三角 波等の衝 撃 波 形が入 力できる こ.
と。
2
) 同 上の際, 入力 信 号の開 始 時 期がパ ル ス信 号とし て 得ら れ ること。
3) 同一
波 形 を繰り返し入力する際,
加 振 力 波 形に再 現 性を有す ること。4) 正弦 波の周 波 数 (O
.
1〜
40 Hz)が短 時 間 (10−
20秒 ) で対 数 掃 引が可 能 なこと。 5}・
出 来る限り小 型 軽 量を考 慮す る。.
6> 油 圧供 給ユ ニ ッ トの 冷 却は空冷に で き る こ と。,
7) 油圧供 給 鑑ニ ッ トの 雑 音・
振 勤は地盤に伝わ らな い こと。 試作し た油圧制 御 起 振 機は電 気 油圧方 式で駆 動さ れ る もの で,
起 振機お よ び その計測 シス テム の概 要を Fig,
1 に示す。 起 振機と し ての システムは, 大別し て4
個の機 器か ら構 成さ れ,
そ れ ら は,
起振 機 本体 (図中V
工B ・
RATOR と し た),
油 圧 供 給ユ ニ ッ ト (HYDRAULICPOWER
SUPPLY
UNIT
),
T
フ ィ ル ター,
そ して制御 操作 盤 (
CONSOLE
)である。
起振 機 本体と油圧供給ユ ニ ッ トの 間は
,
T フ ィ ル ター
を介 して,
高 耐 圧 ホー
ス を通じて加 圧さ れ た油が往 復 する。 本 計 測 装 置の大き
な 特徴の
一
つ は,
ス タ ッ キン グ装置 (図 中 TRANSI・
ENT MEMORY とAVERAGER )とモニ タ
ー
用としVIBRA丁OR
SE隠SOR
.
SE鮎SO殴SENSO只 TF 匸LτE只
HVDRハUL:C
PO旺R SUPPLY U鬨IT
OC 酬P
.
DATA RECORDER SY謎C尺.
S匚OPE CONSOLE SUEEP G匚旺RAτOR P匸配RECOROER PERSO岡Aし C PUτER TRAHSIE隅丁 帥EHORY 州ERAGE只Fig
.
1 B]ock diagram of the servohydraulic・
type vibrator andthe 皿easurement system
Epm1
.
A−
A’
S∈CT「ON 血亠Ω1_
職 豆 ELA1ELVALtEMAtL 「fPL [L 淵 鱒 且2LA工E A 「ー
耄
’
◎ Q ◎ ◎ e ◎ oo
o
o
o
o
o
o
o o
o ◎ φ 中 ◎ ◎ ◎
一
κFig
,
2 Plan and side schematic of the servohydraulic・
type vibrator て出 力 応 答の オン ライン 処 理の た めの パー
ソナル コ ン ピュー
タを備え付け たことである。
その起 振 機 本 体の概 要 図 がFig.
2に示さ れるよ うに,
130cm ×130 cm の厚さ 5cm の 8角 形 状べ一
ス プレー
ト に起 振 機はボル トで 緊 結され て い るが,
こ の べ一
スプレ
レー
トの形 状, 大 き さおよびア ンカー
ボル ト位 置は京 都 大 学 建 築 系 教 室 現 有の不 平 衡 質量形起振機の それ と 全 く 同一
に制 作されて おり,
同じ振 動 試 験を機 構の異な る 起 振 機に よっ て も実 施で き る ように し てい る。80cmX50
cmX50cm の直 方 体の起振機 本体の中心に円柱の固定ピ ス トン と,
そ の 平 衡 点を中心 に 振 動す る慣 性マ ス (SEISMIC
MASS )が据え付け ら れ,
そ の匡体の外 部に は慣 性マス を駆 動さ せ る た めの パイロ ッ トバルブ,
ス レー
ブバ ルブ および アクチュ エー
タ が組み込ま れてあ る。 加 振 振 動 源は制 御 盤で設 定し た電 気 信 号.
を高圧油 流 量に変換し,
起 振 機の慣 性マ ス を制
御し,
振 動さ せ る。
こ の起 振 機に より作ら れ る高い ピー
ク加 振 力は油圧制 御 起 振 機システムの何 段 階か の増 幅 作 用の効果に よって得「
ら れ る。
起振機の電 子制御 装置に 組み込 まれた 入力 基 準 掃 引 電 気 信 号がソ レ ノイ ドを駆 動させ , パ イロ ッ トバ ル ブのス プー
ル をそ の平 衡位置か ら移 動させ る。 スプー
ル の変 位の方 向は ソ レ ノイ ドの動きに応じ て変 化 するの で, 高圧油 流が ス レー
ブバ ルブの スプー
ル の いず れか の 流入 ロへ 送り込 まれ る。
そ して,
こ の スフー
ル はソ レ ノ イドの動きに応 じて平 衡 位 置か ら変 動 するの でt 多 量の 高圧油量 がメ インバ ル ブか ら慣 性マ ス の シリンダー
の左 右の流入口へ 交互に送り 込 ま れ, 慣 性マ スを 振 動させ,
その慣性 力 が 高 圧 油 を介し て固 定 ピス トンの切り欠き部 分を通じて反力と して起振機 本体に伝わ る。
本油圧制御起 振 機の主な特 徴 を列 挙すれば,
以 下のと お りで ある。
1) 固 定 振 動 数で加 振 (定 常 状態加 振 )が可能で あ る ば かり で な く,
静 止の 状 態か ら瞬 時に加振 を 始 める, いわ ゆ る ゼロ・
ス ター
トで任 意の振 動 数 範囲で上 下の線 形 掃 引お よ び対数掃 引の再 現性を確 立し たこ・
と,
した が っ て,
対 象振動数帯 域で の 波 形の重 合 加 算を効 率よ く高 精 度で 実施で き,SN
比が 飛 躍的に向 上した こと。
2 ) 京 大 建 築 系教室現有の不 平 衡 質 量 形 起 振 機に比べ,
比較的低振 動 数 域で も遜 色な い加 振 力が得られる こと。3
) 不平衡 質量形起 振機に比べ,
油 圧 供 給ユニ ッ トな ど の設 備を必 要とする た め全 体の装置は大き く な り が ちで あるが, 空 冷 方 式の油 圧 供 給ユ ニ ッ トと し た た め可搬 性・
操 作 性に優れて い る こと。 4) 起 振 機 本 体を盛り替え るだけで,
水 平 加 振のみ な ら ず 上 下 加 振 も 可 能に し た こ と。
主 な性能 を 列挙す れ ば以 下の と おり である。 最 大 励 振 力:1000kg
慣 性マ ス ス トロー
ク :50mm (ピー
ク・
ピー
ク)一 107一
5 2 1 5 0 ε 芒 。 ; 2
。
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Ne9
1
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一
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−
1F
「 0.
2o.
1 − 1 2 5 10 20 40 Frequency〔Hz)Fig
.
3 Performance of the servohydraulic.
type viblator一
H
伽 1 lL1
60 閣」
門 1L ・Os卑
゜9L
_
」1_
」 NO 3 速度 :50cm /sec 慣 性マ ス重 量お よび 加 速度 :150
kg
時 ;6,6G
300kg
時 ;3.3G
(重 量は 4段に.
切 り替え可 能 ) 振 動 数 範囲 ;自動掃引 時,O.
1−
40Hz,
定振 動制 御 時,0.
1−
40Hz NePl
M
*
w
−
一
一 一
ヨ
o.
9.
1 【賄 2.
1コ } 厂ヨ
Fig
.
4 Example of stacked wavelets.
STIqO Lndlcated in t止Lengure represents 山 e waveletstacked togeしher from No
.
1 to No.
10 振 動 波 形 :正弦 波,
三角 波, 矩形 波および外 部入力に よ る任 意 波 形。 Fig.
3に は,
こ の起 振機の最 大 能 力 線 図 を示し て ある。
すなわ ち, 横 軸に加 振 振 動 数を とっ て,
縦 軸に慣 性マ ス の加 速 度 をとっ て示 したもの で,
そ の加 速 度に慣 性マ ス の 質 量を乗 じ る と加 振 力に な る。
加 振 力の大き さは lHz
か ら2.
7Hz 位 まで は,
慣 性マ ス の ス トロー
ク50 mm に よっ て制 約さ れ, 2.
7Hz か ら10Hz ま で は慣 性マ ス の最 大 速 度 50cm /sec に よっ て制 約さ れ る。
10Hz 以 上 の高 振 動 数 域で は,
慣 性マ ス の重 量に よっ て出 力 加 速 度 は異な る が,
最 大 加 振 力は常に loookg
である。
』
な お,
こ の油圧 加振システム内には油圧振 動が存 在し,
その 共 振 振 動 数 (oil column resonance )は糸ll
1GO Hz程度で あ る が
,
後 述す るFig.6
の ア ク チュ エー
タ の動 きにみ られ るよ うに, その影 響は全く ない。
ま た,
油圧 供 給ユ ニ ッ トの主 要な ノイズ 源はコ ン プレ ッサー
であ る が, 油圧 供 給ユ ニ ッ トを加 振 基 礎 並 びに測定点か らでき るだけ離し,
さうにそ れをタイヤの上に載せ ることで振 動計測 に な ん ら支障は な か っ た。
3,
油圧制御起振機の性能試験 本起 振機は,
模型 基 礎 を加 振する こ とに よ っ て,
基 礎 の周辺地 盤の動特性を検出す る た め に開 発さ れ たもの で はな く,
む し ろ,
加 振 基 礎を震 源と して み な して,
そこ か ら逸 散する波 動による,
地形,
地層構造の深 さ方 向の み ならず 水 平 方 向に も変 化す る不 整 形 地 盤の振 動 特 性お よび波 動 伝 播 特 性の 的 確な検 出 を行うことを目的と して 開 発さ れ た もの である。 し たがっ て,
対 象とする不整形 地 盤の性 状に応 じて,
加 振 基 礎よ りか な り遠 方にまで展 開し た測 定点の動き を 測定す る 必要が しばし ば あ る が,
通 常 震 源 (加振 基 礎)よ り 離 れ るに従い振 動 レ ベ ル は当 然 小さ く な る。 も し,
その試験地が,
工場,
人家,
交 通 量の多い道 路な ど の振 動 源に近け れ ば,
常 時 微 動の勢 力 は 無 視で きな く な り,
信号 と しての 振 動は常 時 微 動の レ ベ ル と同 程 度か そ れ よ り以 下に な り,SN
比 が極端に悪 く な る場 合が多い。 この よ う な場 合,
重 合加算の方法は 有効 に働く。
す な わ ち, 再 現性が完全に保証 され た 設定 振動数帯域 (例えば後 述す る場 合な らばIO− 20
Hz
)お よび掃 引 時 聞の もとに, 基 礎の強 制 加 振 を 短 時 間の内に,
で き る だ け多く の回数を行い, 個々 の 計測 記 録の相 対 的な加 振 開 始 時 刻 を一
致 さ せ てAVERAGER
に よっ て重 合 加 算 し,
そ の結 果をTRANSIENT MEMORY に記 憶する。 加 振 基 礎より遠く離れ た測 定点で のこ の重合 加 算を行う 前の個々 の測 定 波 形は,
常 時 微 動と信 号と して の振 動が 渾 然一
体となっ て い る。
振 動レベル お よび位相角が時々 刻々 ラ ンダム に変 動す る常 時 微 動であるな ら ば, 振 動の 相 対 的な開 始 時 刻 を完 全に一
致 させて重 合 加 算する こと によ り,
位 相の ランダムな常 時 微 動の成 分は互い に打ち 消しあっ て, そ の レベ ル は小さ く な り, 微 動の中に埋も れて いた振 動レ ベ ル お よび位 相の規 則 的な信.
号 として の 振 動 波 形が強く浮き彫り に される ことに な る33)・
a2) 。 本 起 振機お よ び 計 測 シス テム に関して,
以 上の よ う な 注2> Stackingには様々 な方 法が あ る が,
こ こで は同一
の震 源一
観測 点の 組み 合わ せのもの に対し て行う L「ertical stacking を意 味し て い る。
一
108
一
Stacking
に関 する性 能 評 価 を行っ た試 験 結 果 がFig.
4 で ある。 す な わ ち, 京 大 宇 治 構 内の空き地に, 3m ×3
國
mXlm の 鉄 筋コ ンクリー
ト製 基 礎 を作成 し, 本起振機 を設 置して,
10−
20Hz
の 振 動 数 範叩
で 9秒間の線形 掃 引で NS 方 向に水平加 振 を繰り 返 し,
基礎よ り西 方 120 m 離れ た地 点の基 礎の加 振 方向と同一
の動きであ る NS 方 向 (地 動 としてSH
波、
.あ
るい は.
Lpve
波の卓越す る 方 向 }の速 度 応 答がNo .
1か らNo .
10に示さ れ る。 波 形に節 と腹の ある‘
う な り’
の現象が見ら れ る が,
これ は 伝 播 する波 動の波 長 と測 定 点 まで の距 離の関 係で生 ずる 波 動干 渉の た め起こ る現 象と考え られ る。
これ らの波 形 を相 対 的な振 動 開 始 時 刻 を一
致さ せ て,
重 合 加 算し たもの を波 形の個 数で除した結 果が, 図の上 部に示される STK IOである。
こ の結果に よれ ば, 測定 点で の雑 微 動が完 全に除 去さ れて い る ことが分か り, 本 起振機の加 振 波 形の再 現 性および重 合 加 算(b
方 法 が 精 度 よ く有 効に御
くこと が確 認で き た。
な お, 実 際のス タッ キングに おい て.
は,
こ の例よ りも回数多く行うのが普通 であり,
単 位 振 幅,
同一
周 期,
位 相ランダム の ノ イズ を N 回ス タ ックすると,SN
比 向 上の期待値.
C
は・
−
t2
;
pt
と な る34 }・
35 ]。
す な わ ち,
10 回の ろタ ッ ク で 3倍, 64回 の ス タック によ り8 倍のSN
比の向上 が期 待さ れ る。
次に本研究.
(そ の 2)で 詳 述 され る不 整 形 地 盤の振 動 試 験 結 果の一
部と起 振 機の性 能 試 験結 果 を紹 介 する。 試 験 を行っ た敷 地は,
大 阪 府 河 内 長 野 市に あ る変 電 所用地である。
小 高い丘の 尾 根を削り取っ て, そ の谷間を埋め立てて造 成 されてお り,
敷 地の南 西 部の三本の尾 根 を削り 取っ て切土 地 盤と北 東 部の盛 土地 盤 が複雑 に入 り組ん で い る。
Fig,
5に示す と お り,
320 m × 220m の広さを 持つ , 地 表 面 を平 坦に レた造 成 地である。
旧 地 形図と造 成 施工 図 を参照 して,
地 盤の構 成が切土地盤
か ら盛 土 地 盤, さ らに切 トー一一
マ 32 °・一 愈 / .)(
巳
溌・
_
儿 广 丶.
_
、醗 灘
謡
氏
遷
J
FILLI鬪G OROUND、
丶
、
一
“
」
T
墅 o 裂⊥
Fig
,
5 The measurement site and the situations Qf excited footings 土 地 盤へ と急 変す る,
ほ ぼ 南 北に沿 う 測線を 選 び,
切土 地 盤 上のAl
B ,
C
の地点お よ びABC
を斜 辺とする直 角三角 形の頂点を な す盛 土地盤上の D地点に,
合 計 4つ の基 礎 を 設置した。
旧地形の地山まで の盛土が,
AB 間 で は最 深18m ,
BC
間で は最 深 14m,
’
D 地 点 直下で は 探 さ24m に も達する不 整 形 地 盤で ある。
な お,
A,
B,
C
お よ びD
の 各 基 礎は,
い ず れ も真
径 3.
5m , 高さ 1m の 円柱形の鉄 筋コ ンクリー
ト基 礎である。 地 盤 構 成の 急 変 するABC
測 線 を 重 視 して,
B ,
A ,
C ,D
基礎の順 序で,
各基 礎の上に起 振 機を設置 して加 振 試 験を行っ た。 各 基 礎の基 本 的な加 振 方 法は, 上 下 加 振,EW
方 向 加振 お よ び そ れに直交 するNS
方 向の水 平 加 振 試 験 を30−
5Hz の 9 秒間お よ び 300秒 間の線形掃 引を基準と して,
加 振 力レ/ 導ル を変えて,
10〜
3Hz ,.
15
−
5Hz , 20− 10Hz
,28〜18Hz
の 9秒 間の 線 形 掃 引 を 含めて,
計5種 類の線 形掃 引を繰り返し て試 験し た。
な お,D
基礎の 水平 加 振は後 述 するよ うに DA 方 向, す な わ ち (NW − SE
)方向の みで あ る。加 振 基 礎 上に は水平 2成 分
,
上下 1成 分のサー
ボ 型 加 速度 計を設 置し,
加 振 基 礎より40m 以 遠の測線
上の ユ0、
m 間隔の地 点に,
地震計の設 置を安 定させ る た め,
表 土 を5cm ほど 鍬取っ て,
U
字管の 蓋 (30 cm ×50 cm × 5cm )をプラ入 ター
で固定して,その上に速 度 地 震 計 (固B
−
CLINE
FOR
,
LOVE TYPE
30「5瞬星BC
§
9
.
廴
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BCヱ
巨
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一
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一
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一
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証
一
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一
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蝋一一 一一
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一
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。1
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8
“
rtRCTuie 言゜齢
o : 2 ヨ 鴫 5 5 7 8 9 [o 且且 5【匚 Fig.
6 Example of recorded wavelets巴 O コ ト コ 巳 匪 q 四 ≧ 匿
一
凶 配 (a 〕 03 02 α Q・
0 0 0 凵 O コ ト コ 匹 匪 { ω )印
← 《 」 凵 匡 0 10「
20 {b}Fig
.
フ Effect of period of sweep generation on the relative amplitudes 。f surface ground m 。tion30H : 有 振 動 数 1Hz >の水 平
2
成分,
上 下1
成分の計3
個を一
組と し て設 置し て,
加 振 基礎お よ び 測線上 各 地点の応 答 を計 測し た。 計 測 中に,
各 地点の速度応 答の波形お よ び,
パー
ソナル・
コ ン ピュー
タ で オンライン処理し たパ ワー
スペ ク トラム の結 果を参 照して,
加振 基 礎か らの距 離に よ る増 幅あ るい は減 衰の激し い こと が分か っ た地 点 近 傍で は,
測 定 点 間 隔を2m
間 隔に して同様の計測を 続 行した。
Fig
.
6は,
その よ うに して計 測し た結果の一
例で あ る。 す な わ ち,B
基 礎を,30− 5Hz
の 9秒 間の線 形 掃 引でEW
加 振 し た場 合の,
起 振機の 慣 性マ スの 加 速 度,
B
基 礎のEW
方 向の速 度 応 答, そ し て B基 礎か らC基 礎 へ 向けて42m
離れ た地 点か ら2m 間 隔の地 点のEW
方 向の 速 度応 答を (Fig.
4の結 果と同 様に,
地 動と し てSH
波あ るい はLove
波の卓 越する方 向 ), 図の下 方か ら上方へ 向け て,
その順 序で示して いる。デー
タ・
レコー
ドの収録 チャ ン ネル 数 (16Ch >の関 係か ら,
BC
42〜
BC60 の 計 測 波 形とBC
62− BC
80の計測 波 形は同時 に計 測さ れ たもので は な く,
後者の グルー
プの計 測 波 形 を前者の そ れの 相対 的な振 動 開 始 時 刻に一
致さ せて プ ロ ッ ト し たもの である。 図 中, ACTU で示さ れ る慣 性 マ ス の加 速 度は加 振 開始 後6秒く らい まで,
ほ ぼ 同 じレ ベ ル の応 答を示 し て いる か ら,
加振力も そ れ ま では ほぼ一
定と み な せ る 。一
方,
図中BFOO
で示さ れ る B基 礎 の EW 方 向の速 度応 答は,
加 振 開 始 後 3秒く らい で最 大の応 答 を 示 す か ら, こ の時間帯の振 動 数で B 基礎が共 振 していること がわ か る。
BC
42
Tn 以 遠の地 盤 上の速 度 応 答は,
すべ て の縦 軸 は同一
の 大 き さ4×10−
3kine に統一
し て ある の で,
定 量 的な 比較が行え る。
加 振 開 始 直後の 30Hz 近 傍では,
BC
42− 70
m までの地 点で は,
増 幅 あるい は減 衰の程 度が小さ く,
ほと ん ど同一
の レベ ル で推 移して いる が,
それ 以 下の振動
数で は,
測定 点によっ て激しく変 動 する 腹 と節 を示 す。
ま た,
応答 全 般に関し て は,BC
44〜
50 m 位まで は,
基 礎の共振 振動 数近傍で の応 答が 卓 越し て い る が,
さ らに加振基 礎よ り離れ た測 定 点の BC 50 m− BC
60 m までの測 定点で は,
そ れ らの関 係 が維 持 さ れ な い で, 比 較 的 高 振動 数 域での応答は距 離とともに減 衰するが, 低 振 動 数 域の応 答は徐々に増 幅 ずる。BC6
m の地 点 までの低振動 数域の増幅は高振動 数域での減 衰 する性状とは異な り, 加 振 基礎よ り離 れ るに従い,
同 じ 低振 動数域でも, その卓 越 振 動 数が若 干 高い方 へ 移動し ながら増 幅 するとい っ た具 合い に測定点に よ る応 答 性 状 に規 則 的な もの が ある。 BC 60 m よ り遠い 地点では,
高 振 動 数 域で の増 幅が再び顕著になっ ている が, 切土地 盤であ る BC 70m 以遠では急 激に減 衰する。前 述した よ うに
,30〜5Hz
の9
秒 間お よ び 300 秒間 の 線 形 掃 引を基 本と して, 加 振 力レベ ルを変えて,
10−
3Hz ,15− 5
Hz,
20−
10Hz,
28−
18Hz の 9秒 間の線 形 掃引を含めて,
計 5種 類の線 形 掃 引を繰り返し て試 験 し た。
加振時間が短い ほ ど, 試 験 実 施上 並 びに計 算機で の処理 に有利な た め,
9秒 間の掃 引 時 間によ る測 定 記録 を 整 理 し た が,
基 礎の加 振 掃 引 時 間が測 定点の相対振幅 に与え る影 響を調べ た もの がFig.
7である。
B お よ びC
基 礎の各々EW
方 向,
UD
加 振 し た場 合の,
基 礎 よ り・
40m ある い は70m 離れ た 測定点で の, 振 動 数 範 囲 が30〜
5Hz の 掃 引 時 間が 300秒と9秒の 2つ の場 合に つ い て,FFT
(高 速フー
リエ 変 換 〉の計 算に用い た詰 条 件を同じ もの に して,
各 測 定 点で の速 度 応 答を加 振 基 礎の加振方向の速 度 応 答で基 準 化した相対 振幅を 評 価 し た結 果 を比 較した もの で あ る。B
基 礎をEW
加 振し た場合の結果で あ るFig.
7a
か ら,
9秒と 300秒の掃 引 時 間の違い に よ る応 答の変 化は まっ た く ない こ と が分か る。C
基 礎をUD
加 振 し た場 合の結果で あるFig.
7b で は,
5〜
8Hz,
12〜
15Hz
の 振 動 数 範 囲で掃 引 時 間が9秒の場 合のCB
40の応 答は300
秒の場 合のそれより若 『二 大 き めに な る。 このことの 原因 は不 明で あ る が,
こ の 図に示 さ れ る よ うに掃 引 時 間 の地動応答に与え る 影 響 は,C
基 礎のUD
加 振の場 合 のCB40
の計 測点におい て最大であっ た。 したがっ て,
そ の ことに注意して,
以 後の試 験では9秒 間の掃 引 時 間 の試 験 を 基 本 に して実 施 し た。
一
110
一
4,
結 び主と して地 層 構 成の変 動の著しい
,
いわ ゆる不 整 形 地 盤の振 動 特 性 を 実 験 的に研 究す る た め に開 発 し た油 圧 制 御 起 振 機の概 要 並 びに性 能 試験の結果につ い て述べ た。
性 能 試 験か ら得た こ の油 圧 制御起振機の主な特 徴 を以下 にまとめ ること がで き る。
1) 油 圧制御起 振機は不 平衡 質量 形 起 振 機に比べ 機 構が 複 雑かつ 大 型にな り が ちで あるが,
油 圧 供給
ユ ニ ッ トの 油温冷却 用 と して水 冷の 代 わり に比較 的 小 型の空 冷装 置 を用いた た め, 雑音源 と しても小さ くする ことが で き た の で,
設 計 意 図 をほ ぼ満足 す る性能・
操 作 性 を確保で き た。
「
2) 固 定 振 動 数の定 常 加 振のみ な ら ず任 意の周 波 数 帯 域 の ゼロスター
トの再 現 精 度の高い掃 引 加 振法 を確 立し,
し たがっ て,
常 時 微 動の レベ ルの高い地 盤 におい てSN
比を飛 躍 的に 向 上 させ る重 合 加 算の方 法 (Vertical stacking }を効 率 よく高 精 度で実 施で きる こと を示し た。
3) 山間部の切 土と盛 土か ら な る造 成地 盤で振 動 試 験 を 行い,
ほぼ定 常 状 態 とみ な せ る周波数帯域 30−
5Hz
で 加 振 時 間 900秒 間の掃 引 加 振の振動試 験 結 果と,
同じ く 9秒 間の そ れ を比 較 検 討し た 結 果,
ご く一
部の加 振 試 験 の結 果 を除き,
試 験・
解
析 処理上効率のよい 9秒 間の掃 引 加 振で実 用 上 十 分であるこ とを示した。 し か し なが ら,
後 続の研究でも 示 さ れ る よ うに実 大 構 造 物の場 合,
2Hz 程 度の 低 振 動 数 域で も十 分な精 度で 加振す ること がで き たの に対して,
実 地 盤 上に設 置し た 模型基 礎を加 振する不 整 形 地 盤の振 動 試験 で は,
5Hz 程 度の振 動 数が低 振 動 数 域の限 界である。
さ ら に, 低 振 動 数 域の振 動 試 験を行う た めに は起 振 機の慣 性マ ス の ス トロー
ク を もっ と 長い もの にする必 要があ り, し た がっ て起 振機・
並 びに油圧供 給ユニ ッ トの油 流 量 能 力・
サイ ズ を大幅に増大させ ね ば な ら ない こと を付 記す る。
謝 辞 油 圧 制 御 起 振 機の開 発 および試 験 を実施す る う えで,
京 都 大 学 防 災 研 究 所 名 誉 教 授 吉 川 宗 治先生,
同 教 授入倉 考次郎先生に は多く の示 唆に富ん だ ご助言 とご協 力 を頂 き 心 か ら感 謝 申し上 げ ます。
また, 起 振 機の設計,
製 作 に は明 石製作所の ご協 力を頂き ま し た。
性 能 試 験 を実 施 する うえ で関西電 力 株式会社,
並 びに同 社 員 瀬 戸 川 葆 氏,
岸 本 清 行 氏 (地 質調査 所),岩田知 孝 氏 (京 大 防 災 研 究 所), 市 川 正 武 氏 (間 組 ), 堀 チ 弘氏 (鹿島 建 設 ),
森 山 健一
氏 (大 成 建 設 ),
保 科 武 氏 (北 海 道庁 )の皆 様の多 大 な ご協 力 を頂き ま し たこと を,
こ こに記し て感 謝 申し上 げま す。
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ト 構 造 物の耐 震 安 全 余裕評価に関す る研 究,
京 都大学 学 位 論 文,
1983 30) 村田 勝,
原 道 也 :構 造 物の振 動 特 性 検 出の た めの Runup/down
技法一
そ の 1振動数お よ び振幅変 調 を伴う 起 振 力に関す る表 示 式の提 案,
日本 建 築 学 会 構 造系論 文 報 告 集, No.
347,
pp,
30−
37,
1985 31} 村 田 勝,
原 道也 ;構造物の振動 特 性 検 出のた めの Runup〆down技 法一
そ の 2シ ステム の開 発と実.
験 例,
日 本 建築 学会 構 造 系 論 文報 告 集,
No.
356,
pp.
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65,
1985 32} 広 松 猛1強 制 振 動 実 験に お け る解 析 法へ の アブロー
チ (その 2)常時 微 動 影 響 を 考慮し た一
質 点 系回帰分析の 誤 差 評 価,
日本建築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 集,
No.
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75,
198533} Sheriff
,
R.
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:EncyclopedicDictionary
ofExploration
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Geopysistε:,
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198434)Klipsch