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非定常ランダム振動解析に対する位相傾斜の確率特性の応用に関する基礎的研究

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(1)

【論  文

1

UDC :624

042

7:620

1 日本建 築 学会構 造系論文 報 告 集 第 365号

昭 和 61 年 7 月

非 定 常

振 動解析

位 相 傾 斜

確率特性

      

応 用

基 礎 的研 究

    

正 会 員

  曽

月 也

*  

1.

 

地 震 動は そ の振 幅

周波数特性の いずれも

が 時 間 的に 変 動する非 定 常な不 規 則過程であ ること よ り

構 造 物モ デル の ランダム振 動 解 析に当たっ て も外 乱を その よ うに モ デル 化する く ふ う が行わ れて いる

その 中で は

定 常 な白色 外 乱に時 間の関 数であ る振 幅 変調 関数や周 波 数 特 性を変調す る た めの関 数 を 乗じ ること に よっ て

定 常 外 乱を模擬 す る手 法が多 用さ れ て い る。 これ らの 変 調 関 数 は既 往の地震デ

タの分 析 等に よっ て経 験 的に定め ら れ た り

あ るい は数 学 的な処 理の要 易さ か ら便宜的に定め ら れ た りして い る が

振 幅 変 調による周 波 数特性へ の 影 響, あるいは その 逆の影 響につ い て は余り考 慮さ れて い ない よ うであ る

理論的な不 規 則 振 動 解 析の手 法には

多くの場 合

小 型の計 算機に よっ て も要 易に計算がで き ること や

種々のパ ラメ

タの化に対し て も安 定し た 解が得られ ること な どの長所が ある反 面

外 乱の モ デル 化にし て は前 述の よ うに 未 だ検 討を 必要と す る点が少 な く ない

 

最近の研究4)

S) よれ ば

地 震 動の非定常 性は震 源と 考え ら れ る 断 層の特 性や地 震 動の伝 播 経 路の性に よっ て大 略の が支配 され る こと が明らかに さ れて お り, 今 回の筆 者の研究は

実 際の地 震 動 あるいは断 層モ デ ル による模 擬地震 波の 分析に よ り外 乱の周 波 数帯域の違い によっ て振 幅 特 性の時 間的 変化が異な り この 分 布は 外 乱 の位 相に関す る特 性の中で特に位 相 傾 斜に強く依存す る とし た

大 崎ら9や 和 泉 4)

1°) 指 摘に注 目し た もので ある。 位 相 傾斜の特性を利 用する と

外乱の 全 継 続 時 間 を周 期と し た時の パ ワ

スペ ク トル特 性を変え ること な く任意に振 幅 変 調で き る こ とを示す

また

文 献4)

8) な どにおい て震 源の特 性と 地 震 動の周 波 数特 性

振 幅 特 性

位相特性など との関 係の定 式 化が試み ら れ てい る手 法 に 順 じて

対 象と す る地震動の周波 数 特 性 と 位 相 特 性 の確率特 性と が推 定さ れ た 場合に

同外 乱の平 均 値や自 己相 関々数がいか な る形で式表現さ れ るか を導き

さ  本 研 究の

部は 昭 和 59, 60年 度の建 築 学 会 関東 支 部研 究報告 会お よび秋 季 年 次 講 演 会に おい て発 表し た1 )

3)

 寧 佐 藤工業 (株) 中 央 技 術 研究 所

工博    (昭和60年11月1日原 稿 受 理 〉 らに これ らのを線形 系の規 則 振 動を 理論 的に解 析 することへ 応 用さ れことを示す

 

般の外 乱 2(t)につ い て

そ の継 続 時 間を周 期と し た場 合の パ ワ

ス ペ ク トル密 度 関 数 S

〔ω)の概 形は

例え ば

Fig.1

に実線です ところの nonwhite な分 布と な る

本 研 究では その分布を同 図 中の破 線の よ うに区 分 的に

様な パ ワ

を有す る制 限帯域白 色外乱の和と し て 近 似 表 現 し

個々 の帯域でそ の位相傾斜の特 性に従っ て 振 幅 特 性が時 間 的に任 意に変 動す る と考え る

 

以下の 2

4章で はFig

2

の ように帯 域の上限お よ び 下 限の振 動 数 を ωぴ

ω L とする制 限 帯 域 白色外乱 x (

t

) の非定 常な諸 確 率 特 性 (平 均

2 乗平 均

自己相 関々数 〉 と位相傾斜の特 性との関 係につ い て検 討 する。 個々 の制 限帯域外 乱の和 として

般の外 乱を表す場 合に, 同 外 乱 の確 率特性, お よ び同 外 乱に対す る線 形振動系の 応 答の 求め方に関して は 5章にま と めて示す。 聾 口1

      囚

      O       o

Fig

1 Nonwhite poweT spectral density functlon and its appro

     ximation  by rectangular  functions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 亞

2Tda ! Sx 〔

ω

)       0       0      

ω

L 

ω

U

Fig

2 Power spectral  density functlon of barLd

limited white

      nolse

 2

非 定 常 制 限 帯 域 白色 外 乱の 平 均 値       り  外乱の 円 振 動 数 WiC に対 応する位 相 角を

ilit

とし て複 素フ

リエ 係 数次式     X(ω

D

a(cos φ、+ ‘sin φ、)

……・

……一

(2

1

) で表す と き

外 乱x (t)は フ

リエ 数 を 用い て

48

(2)

      n    x(

t

Σ

X

(ω 陀)e‘ω κt

…・

……・

…………・

(Z

2

)       k1

n と なる た だ し

,一

般の外 乱と して

考慮 する振 動 数の正 帯 域が等間 隔

A

ω で n 等 分さ れ て い る と して

ωu

U ・

A

ω

ω

L ・

△ω

= 舮ω な ど とす る

(2

1)式 を (2

2)式に人 す る際に

,X

ω∂と その共 約な複 素 数

X

* (ω κ)との間に は      

X

ωre>=

x

* (ωん)

…一 ・

……・

……・

…・

(2

 3 の関 係が成 立し

ま た

外乱の継 続 時 間T, は

   

T

・−

7

……・

…・

…ttt

一 ……・

(・

・) と表さ れ ること よ り

 

 

 

x(・)

(・・s…、・c・s・“。t

       

sin φκsin tUtet)Aω

……・

……・

(2

5)

と な る。 森 を確

率 変 数とし て (2

5)式 両辺の期 待 値は

 

 

 

・[・(・)]

・・

(・[・ ・s φ日・ ・s 婦

     

E[sin 

iPiC

sin ωht )Aω

…・

…・

(2

6)

と なる

式 中の 記 号E [

]は集 合 平 均を表す

(2

6)式 の

E

cos φ君

 Esin φ司な どは以 下の とお りに して め る。

 

互に隣り 合っ た 振 動 数 に対応 す る位 相 角の差を位相差 分9它称し次の よ うに定 義す る。      △φi

φご

φ‘

1

 (2

7) こ の位 相差 分 を微 分の 形 式で △φノムω の よ うに表し た ものを位相傾 斜11) (位 相の ぎ り と 呼ぶ ことにす る

位相傾斜を用いて位 相 角 姦 は次の よ うに表され る

 

 

 

偏 ・

鴿

…一 …・

………・

……

〔・

・) た だ しφL はこ のの下 限 振 動 数 ω軌 に対 応す る位 相 角で あ る

。…

般の外乱を考え る場 合に振 動 数ゼロ に 対 応す る位 相 角を φ。 とし て

これ を位 相 傾 斜とは独 立に [

0,− 2

π]の

様 乱 数で与え ることにす る

こ の と き に φLは    φL

φo十 φ

 

t・

 

 (

2.

9) と表すこ と がで き る。 た だ し

φ は Wt

よ り も小さい振 動 数 域に お け る位 相 差 分の総 和で ある

φ。を

様乱 数 と す れ ば

E

[cos φ

E[sin φ,]

Oと な る こ とよ り, φ がどの よ う な も ので あっ て も    

E

[COS  

eL

E [COS φ 。]E [COS  di]          

一.

E

[sin φo]E[sin Φ]

O

   

E

[sin φ、]=

E

[sin φ。]

E

[COS ψ]

         十

E

[cos φD]E [sin Φ]

O

       

………・

…………・

(2

ユ0) とな り

さ らに ・[・ ・S φ圃 ・ ・S φ・]・

・ ・S

・・

 

 

 

 

 

 

E [ ¢L]・

A・

・ ・φ

・・ φ・]・

・ ・s

・・

 

 

 

 

 

E

[・ ・S φ・]・

鴿

・・

・      

……・

     

…・

(2

11) とな る の で 〔2

6)式に代入 し て

結局

外乱x 〈

t

)の 平 均 値は位 相 傾 斜の特 性や帯 域の特 性とは無 関 係で常に    

E

[x(

t

)]

=O−………・

………・

………・

……

2.

2

) と な る

 

3.

非 定常制限帯域 白色外乱の自己相 関々数  任 意の

2

時 刻 を

ti,

 

t

と して

外乱 xtの 自己相 関々 数は (2

ユ)

(2

4

)式の 関 係を用い て  

Rx

エ(

ti

t2

=E

[x(

t1

)x(

t2

)]

 

 

 

 

 

 

T

. α  

2

π

2 、

・[・(w、)・ ・ (・・t)]        

exp [

i

(ωκ彦1

ωitz)]△ω2

…………

3.

ユ)

 

 

 

 

 

 

α

2

1

・[・ ・s(幅 }ユ

      

COS (ωret、

ω、 t2)

E [sin (

iPit

φε)]

      [J    u

     

sin (blttl

ωlt2)

IA

ω 2

十Σ Σ

      it

L !

f・

L

      

iE

[COS (φit十φε)]COS (tUhtl 十tOl 

t2

 

 

 

 

 

 

 

E [… (φ・+φ・)]… (… tl+・・昭

1

      

…・

………・

…・

…………・

3,

2

} と表す こと がで き る

上式に は 2個の位相角 φκお よ び φ‘の 和

す な わ ち φ辻 φ、に閧す る 正弦お よ び余 弦 の平 均 値が含ま れ る が

その う ち和に関して は前章の (2

10) 式の場 合と同 様に して

    E[cos (2φL)]

O, E [sin (

2

φL)]

=0………

 (3

3)

の関 係が成 立する こと よ り

   

E[cos (φ,+φ、)]= 0

 

E

[sin (φ、+φ∂]

;O…

(3

4)

とな る

従っ て 自己相関々数は

 

 

 

R・ ・(

t1

t

・)一 ・

2

・[・・s(φ、

φ、}]          

COS (・ ・、

t

一 t・、t

− E

[sin (φ、

φ、)]          

sin (tUκ

tl一

ω ‘置2>

IA

ω2

………

(3

5)

と な り

,E

[cos (φ厂

dit

)]

 

E

[sin (φκ

iltj

]のみ が 必要と

な る。  位 相 傾 斜 Aφ/Aω の確 率 密 度 関数 を正規分布

も し く は正規分布に類 似し た関 数であると するな らば1ト3剛

2ケの 位 相 角の差 φ厂 φ‘は

ll

hl個の位相傾 斜の和で ある から やは り 正規 確 率 変 数とし て近 似でき る

す な わ ち,

確 率 変 数 φ厂 φ‘の確 率 密 度 関 数はその 平 均 と 分 散 と が分か れ ば 次の正 規 確率 密 度 関 数で表す ことが で き る]z ) e

49

(3)

・(

d

¢1)

7m

im

.et

 

 

 

 

 

 

 

 

P

y

(姦

lr

              ∵

 (3

6} た だ し

上式中で σ[

σ2[

]の記号ば そ れ ぞ れ標準偏 差, 分散を表す

 位 相 角の差 森

φ』の期 待 値は (2

8)式 より

 

  

・[・

・・1コ

・・

(・

’・

・・        

t

−・

 t

−・

 

  (3

7 と な る

また, 分 散は位 相 傾 斜 Aφ,

IAtU

i−一

 

h 〜

 

1

]を 互に独 立な確 率 変 数で あ る と して

 

  

・ ・ [φiC

iPt

IH

・・

隴 ]

一 ……

(… } と な る。 (3

7), (3

8)式 を (3

6 )式に代入 し て φκ

φ、 の正 弦お よび余弦に関す る平均 値 を求めれば次 式が得ら れ る

       

Tdfi

  

 

・[… (φ厂 ・・1}]

一一

exp

。,

1

− llA

  

 

  

 

  

 

 

S

1

(・・

1

)A・

 

 

 

・ ・s(φ副

exp

1

1

・・

      

C・S

η (

ic− 1

A

       

 

 (

3.9

) た だ し

位 根 傾 斜の平 均

分散をそれぞれ

 

 

 

△φ 面

÷

……・

と し

(2

4 >式の関係を利用 し た

 (3

9)式 を (

3.

5

)式に代入整 理 して さ らに △ω が cav

tOL に比 して十 分に小 さい もの と すれば (3

5}式を 次の積 分に変換で き る

  

 

Rxx

(・,

t2

a  2π

  ∬

°

exp1 ・

1

・・

11

           

COS  

I

b

,blL

− b2to2

)}

d

ω2d ω1              

………・

………・

……

3.11

} ただし

     

       Tdπ      

T

       

彦2

 (3

12)        

− ti,

 

b

    α

=一一

,b

       m      m       s である

上 式 を実 際に積 分す れ ば

R

=x・・・

1

− ・

α  2π

2

81

+・・+

R

・+

R

・・

 

 

 

・F

a    

α 。・+

+ 。・+

b

       

(b、

b,)(ω 一 ω。)      

sln        2           (

b

− b

,)(ω。+ω∂        

COS     2  

−.

r

50 一

      a2

− b

b2

                  [cos  

l

b

− b2

)a)

di

     

R2

      (α2十

bf

)(α2十

bi

)       十cosl (

b

− b2

)ω,

1

]        

α(〜冫1十

bz

)                  exp  

Ia

ω L广 ω L}      R3

      (α2+醐 (α2+ bl>

      

[sin 〔

b

,tU,

− b2

ωり)

sin (

bltOL

− b

,ω1

)]

 

 

 

R・

論 牆

… S ・

b

・a・・

・・ftiu・          十COS (

b2

ωr

bi

ωu)]              

…………・

……・

…・

3.

3

を得る

特に

b

− b

,+

墅 一

西 と す れば2乗 平 均 値       れ の時 刻 歴 が 次 式で与え られ る

 

 

 

朏 ・]

 

Tda2Ji

21

・a・v

di

1

       

_

2〔α:

− b2

) + 1       (al十

b

! )2        (a! 十

b2

)z

         

exp }α(ω v

ω L)

i

[4 absin  

lb

cav

ω L)} ・ ・〔・・

・り・・s 臨

ω

1

1

               

 

一・

 

−t…

 (3

14 ) 外 乱の振 幅 特 性と位 相 傾 斜の依存性を定性 的に実 証する こ と が すで に試み られて いる榊 謝 が

3.14

)式両 者の関 係 を確 率 論 的な見 地よ り定量的にし た もの であ ・洞 式・ ・

÷

こお・ て

E

[・・(・}]・駄 値を・ る こ と ま た位 相 傾 斜の特 性が同じであ る 場合に

帯 域 の幅によっ て振 幅 特 性の 非 定 常 性が異な る が

帯域の中 心 振 動 数の大

小の影 響は受け ない こと などが分か る

広帯 域white  noise 3

13

3

14>両式 と も1項 目のみ が支 配 的になっ てそれ ぞ れ

 

 

 

R

・ ・・・・

…)一 ・

 

T

, α  2π

2

・ 。

,      

(b,

b,)(ω u

ω L)      

°

Sm       2

 

 

 

 

 

 

 

 

c・s

・ )

1

幽 )

…・

(・

15)

 

 

・[・・(

t

>]

 Tda  

2

π

2

・t・u

t・L・

…・

(・

16) の よ う な簡潔な表 現で近似で きる

。Fig.

2の パ ク ス ペ ク トル密 度関 数を持つ定 常な外 乱 諷 の を 考え るとその平 均パ ワ

は     

E

[♂

2a2(ω t

ω L}

……・

…・

……・

…・

…・

(3

17) と表さ れ, これを用いる と (3

15)

(3

16}の各 式は       92(ti)十92(t2)     2      Rxx(ti

 tz

E万2]       2    (

b

− b2

)(COI

ω L)       (δ一 δ,)(ω 一 ωL)      

sin

      2

 

 

 

 

 

… s (δ且

半 キ

ω

……

(・

18

) E [X2(t)]

E [万2

92(t)

……・

………

(3

19)

(4)

と書き直すこと がで き る

ただ し関 数 g(t)は周 波 数 特 性には関 係な く次 式 とな る

     

 

 

 

・ω

……・

3・

 

従 来か ら広く用い ら れてい る手 法で は

定常な外乱

1

t

)と振 幅変調 関 数ψ(t)との積と し て非定常 外 乱x(t) を

   

X(

t

)=

di

t

°

ψt

……・

…・

…・

……・

…・

…・

3

21 ) の よ う に 表 す が

こ の場 合の x(t}の 己相 関々

2 乗 平均はそ れ ぞ れ 脇 謝 一 ・鬮 ψt ・)

e

{ti) (、1

ω                

b

− b

,)(ω 。

ω、)      

Sln      

       2                    (

b

b

,)〔ω。+ω、)

        

c°s

 

2

』 ’

(3

22 )

   

E[xz(

t

)]

=E

ji2

]ψ2(

t

 

3.

23

) と な る12’ 。 2乗 平 均に関 して は (3

19)式と (3

23 )式 と が全く同 じ形で表さ れ るの に対し

自己相関々に関 し て (3

18 >式と (3

22)式と は振 幅 変 調関数の

2

に 関 する相 加 平 均と相 乗平 均との違い で あるこ と が分か る

理 想white  noise の場合に は自己相 関々数 が デル タ 関 数と な り, ψ(

t

)= ・g(t)であれば (

3.18

), (

3.22

)の両 式はまっ た く同じ に な る。 理 想white  noise と振 幅変調 関 数の積 として もモ デル化し た非 定 常white  noise とい う特 別のに対して は

振 幅 変 調関数の具 体 的な形で は無く その

intensity

 moment に のみ依存して位 相傾 斜 の確 率 密 度 関 数の形が決まる と し た

N .

C .

 Nigam の 研 究があ る13j。 これに対 し, 今 回の筆 者の研 究で は

位 相 傾 斜の確率密度 関 数の具 体 的な形で は な くそ の モ

メ ン ト(平均

分 散 〉に の み依 存して振幅の時 間 的 変 化 を表 す関 数が決るの で Nigam のと は丁 度 表 裏の関 係 にあ ることにな る

 

4.

理 論 式の精 度の検証

 

4

1 パ

スペ ク ト密 度 関 数相 傾斜       性の分 類

 

外 乱の継 続 時間 を

T

.と して

全 継 続 時間に対す る フ

リエ 変 換よ りま るパ ワ

ス ペ ク トル密 度 関 数

Sx

(ω)が

Fig.

3の よ う な矩 形 関 数とな る制限帯 域 white noise につ い て計 算す る

帯域の上限, 下 限を ωu

ω L と して [ω‘

ωv]

0

16

], [16

32]

[0

32]の

3

種と す る。 た だ し

   

at(ωr ω∂

=16.

0 ……・

…一 ・

…・

…・

…・

(4

1) と規 準 化して

いずれの外 乱の平均パ ワ

も等しくし た

 

位相 傾斜の確 率 特 性 を 規 定す る 量 は (3

10)式の平 均 お よび分 散で あるが

同 式 中の m

s の 値は [m

 s

[2,18], [2

16]の組み 合 わせ 2種を 用い た。 2

3章 で も記し た と お り

非 定常外 乱の確 率 構 造を定める理 論 2

O5x {Ul 1〆Td

α

  1 2

0Sx  〕/Td ♂

11

o Sx〔mu匚/Td ゴ

D

5      

       

  0                          0                         0   0  16       016  12           0 ]2    a:  

0

・ω

U

16   b: 

16

・“

uny32   C

・・

L

°

・・

U

コ2

Fig

3 C置asslfication  of power spectral  

density

 fu【LctiQn of

     band

1imited white  noise

0

5 P〔Aφ/

        凸中/APt o  o    

Td/2 

Td     a: m

2

 s

8 o

DO    

Td/2 

Td     b

 di

2

 s

15

Fig

4

 Classification of probabi】ity density function of phase      inClinati。n (n・rmal  fUnCti・n)

解で は位相 傾斜の平 均

分 散のみ重 要でその確率密 度関 数の 具 体 的な形を必 要とは し ない

Fig.

4の a

 

b

は い ずれもシミュ レ

シ ョン にお け る サ ンプル波の作 成の た め に用い た

Aip

A

ω の確 率 密 度 関 数と して正規関 数を表 し た もの で ある

同じ均 値と分散を持つ 矩 形 分 布の関 数 を 用い て も シミュ レ

ショ ンの結果に ほ と んど違い の 無い ことは文 献1)に示してあ る。   4

2 シ ミュ レ

ショ ン の 方 法   サンプル 波は

FFT

(高速フ

リエ 変 換 )14 )を 用い て 作 成する

位 相 傾斜を も とに (2

8)式か ら位 相 角を与え

さ ら に 2

1)よ りフ

リエ係 数 を求め て フ

換 を 行え ぱ非定 常外乱 x(t}を求 める ことがで き る

本 解 析で は n= 128

ω

1と し て外 乱の周期は

T

= 2π で ある シ ミュ レ

ション は 100ケのサンプ波を用い て 行つ た

 4

3 均お よ び 2乗 平 均の時 刻歴につ い て

 

平均値と 2乗 平 均 平 方根 (

RMS

)の各時刻につ い て

理 論 解と シ ミュ レ

ショ ン解との比較を し た もの が

Fig.

5

6で ある

 

Fig.

5は位相傾 斜の特 性を規 定する 量が m = 2 , s= 8の場 合で,上よ り順に Fig

3の パ ワ

ス ペ ク トル密度関 数の 分 類a

c に対 応する。 各 図で太 い実 線は

RMS

の理論解を表し て いる

平 均 値の理 論 解 は常に ゼロと なっ て

座 標の横 軸 (時 間軸 )と

致 する ため省 略し て あ る。

RMS

の理 論 解お よ び時 間 軸に沿っ て細かく変 動して いる点線は シ ミュ レ

ショ ン に よ る RMS お よび平 均を表す。 Fig

6は

Fig.

5 と同 様の計 算 を位 相 傾 斜の特 性が m

2

s

16の場 合に関して行っ た結果で あ る

い ずれの 図におい て もシ ミュ レ

ショ ン によ る平 均 値は ほとん どゼロ と なっ てお り, 理論 解が ゼ ロ で あ ることに良 く対 応 し てい る。

RMS

に関して も理 論 解と シ ミュ レ

ショ ン解との対 応は良 好で ある

 4

4  自己 相 関々 数につ い て

51

(5)

50

o

  e50

0

  050

0

21 2r

Fig

5 Mean and RMS  Qf non

stationary  

band−

limited random

     excitation 伽

2

8

8)

50

o

  050

2T 0

  D50

  

2t o

  0                             1                             2

Fig

6 Mean and 

RMS

 of nQn

stationary  band

limited random

     excitation  (m

2

 s

16)

 外 乱の継 続 時 間 Td

2

π 中で任 意の 2時 刻

ti,

 

t2

を そ れぞれ tl

t

 

t

t+τと表すことにす る

置= π

4

2

π/4

,3

π/4

4π/4の各 時 刻につ い て τ

=一

π/4

o (破 線 )お よ び τ

0

π/4(実 線 )の範 囲に対する自己相 関々 数 をFig

7

8に示 す。 外乱の特 性は前節の時 刻 歴の計 算と同 様に分 類し てある

E[xt(

t

)]の精 度 を

Fig.

5, 6 で確 認 してある の で

Fig.

7

8

の縦 軸は

Rxx

(t

 t十τ)

R

t+ r)/E[x’ (

t

)]の よ うに無 次 元 化 し て あ る

横 軸は

i

τ

1

と して

τ の 正負につ い て重ね て図 示して あ る。 太線は (3

 13 )式による理 論 解 を表し

細 線は シ ミュ レ

ショ ン に よ る解 を表 す。 た だ し

4π/4の 場合の理論解はτ の 正負に関し完全に対 称で あ るの で 太い破 線は 省 略して ある

。Fig.

7 は位相 傾斜の特 性が m

2

s

8で表さ れ る場 合であり

左 右の図の 区別は 帯 域 幅 [tU,

,ω 配]を α :[0

16], 

b

:[16

32]と区 別し た ことに よる

。Fig.

8は同 様に して

 m

2, 8

16の 場合で ある。 Fig

7

8 と も

先に RMS 時 刻 歴の比 較

52

を し た場合程で は無いが

理 論 解とシ ミュ レ

シ ョ ン解 との応は概 して良 好である。  

Fig.

9に は

t=

4π/4に お け る正負 対 称な 自己相 関々 数

Rr

、c(

t,

 

t

+ r)(

1

τ

1

≦π)とそ の フ

リエ 変 換か ら求め たパ ワ

スペ ル 密 度 関 数

Sx

(ω)とを表 し た図であ る

上 よ り順に帯 域の違い 3種に対す る計 算 結 果を示す。 各 図に お い て

太い 実 線は定 常な外 乱に対す る関 数であ り

細い実 線

破 線は位 相 傾 斜の特 性 を 表 すパ ラメ

が m

 

2

s

16 お よ び m = 2

 s・=

8

る非 定 常 外 乱に対

る関 数で あ る。 (

3

13 )式が正解で あれば細 い実 線

破 線の区 別は無く

と も に定常な外 乱に対する 関 数と

致 する筈で あ る が

同 式の導入 過 程にお けるい くつ か の仮 定に よっ て生じ る誤差がこ の程度で ある こと を 示し た

 4

5 振 幅 変 調に伴う 周 波 数特 性の 変 化に関 す る考 察  非 定 常な外 乱を模 擬す る た めに

定常な外乱に振 幅 変 調 関 数 を乗 じ る手 法が従 来 より広く用い ら れ ていること はおよ び 3章に記し たと おり であ る

本 節で は 振 幅変 1

o

11 o

11

o

1

L 0

L o

1

 

1 0

1

 

1 o

1

1 D

1

 

1

Fig

7 Comparison of theoretical  a皿d

simulated  Auto

     correlation  functions of non

stationary  band

limited

     random  excitation  by Phase Inclinaしion Method(m

2

(6)

1

0

ll

o

1

↓ 0

⊥ ↓

o

1

o

1 0

11

0

↓ O

1

                                   

L

Fig

8 Comparison Qf theoretical and  simulated  

Auto

     correlation  

functions

 ef non

statiDnary  l〕and

limited

     random  excitation  by Phase lnclination Method m

2

     s

16)

調さ れ ること事に よっ て元の定 常な外 乱の周 波 数 特 性が 如 何に変 化 する かを検 討 する。   前 節の Fig

9と同 様に

無 次 元 化 し た 自 己 相 関々数 とそ の フ

リエ 変 換に よ り得られ るパ ワ

スペ ク トル密 度 関 数 をFig

10に示す

元の定 常な外 乱の周 波 数 特 性 3種に対 応 して上よ り3組の図 を示して ある

振 幅 変 調 関 数ψ(t)は (3

22)式の g{t)と等し く        

 

 

 

ψ(

… ’

15

2) と し て, m =

2

お よ び s

=8,16

につ い て計 算 例を示す。  太い実 線は変 調 前の定 常 外 乱の 自己相関々数

パ ワ

スペ ク トル密 度 関 数である の にし, 細い実線は (5

2) 式で m

2

s

 16 とし て振 幅 変 調 を 行っ た場 合の両関 数であ る

同 様に

細い破 線は m

2

s

8の場 合で あ る

定常 外乱 が振 幅 変 調さ れ る と

元の制 限 帯 域 内の パ ワ

が減少し

その が同 帯 域の広 が る傾 向 Sx〔”}Td

Fig

 g Auto

correlation  and  power spectra 且density functions Qf

     stationary  and non

stationaly  random  excitations

瞭に認め ることができ る

この傾 向は帯 域 幅の 狭い程

また

振 幅 変 調関数の変 化が急 激な 程強く な り

帯 域の 中心振 動 数の大小に も多少関係が有る よ う で あ る。  

Fig.

9

 loを比較す れば

非 定 常外乱の モ デル化に 際して

その 振 幅非 定 常な特 性を与え る た めに は

位 相 傾斜の確率 特性に基づい て モデル化 する手 法 (位 相 傾

斜法 :

Phase

 

Inclination

 Method の方が振 幅 変 調 関 数

を 用 い る手 法 (変 調 関 数 法 :Modulating 

Function

Method

)よりも

変 調 前 後に おける周 波 数 特 性の不 変 性という面で優れ て い るとい え よ う

 

5,一

般の非 定 常 外 乱に対 する線 形 応 答の定 式 化  5

1 

般の外 乱の平 均 値および自 己 相 関々数の定 式       化   前 章まで で個々 の制 限 帯 域 白色 外 乱の確 率 特 性の定 式 化に対して用い た手 法 を

般の外 乱の場 合に応 用す る方 法 以 下に示す

 

般の非 定 常 外 乱z(t)を N ケの制 限 帯 域 波の和とし て次式す。     z(t)

ΣユXi〔

t

 

 (

5.1

)       ’

1 2 章においてし た と お り, 帯域や位相傾斜の特性と は 無 関 係に個々 の帯 域 波の平 均 値は ゼロ と な るので

般の

53

(7)

Sx‘ul /Td

Fig

10 Auto

correlation  and power spectral  density funchons

      of stationary  and non

stationary  random  excitations

外乱の平 均値も ゼロと な る。 す な わ ち

    E [z(t)]= 0

 5

2 であ る。 z(t)の 自己相 関々数 }ま       N   rv      Rza(t,

ち)= Σ Σ E[XJ(ti)コcX t2)]

…………

(5

3)       「

1J

1 と表さ れ る が ∬

=J

の 成につ い ては (3

13) 式で与え ら れ る。

1

J

の成 分は以 下の と おり にな る。  Xi

 XJ の帯 域は

Fig,

11

の と お り と して

各々 の帯域 内の 円振 動 数tOki ω 1 に対

する位相角を

diit

φtで表せ ば

Xl

 XJ の複 素フ

リ工 係 数は     

X

,(ω∂= α(COS φκ十 isi皿 φh)                            

 (5

4 )

    XKtUr)

β(COS φε十 isin 

dil

と な り

これ よ りXi

 XJ の互相関々数は

  

 

・_ (

1

t

,)

es

2

π

2

菖嵩

             

1

E

[COS (

tlit

φ1)]COS ((b

κt1

to, t2)

             

E [sin (φκ

φ‘)]

             

sin (φkti

a,it2)}]△ω

2

……・

(5

5> とな る。 た だし

φκ+φ、の正弦

余 弦の平 均 値がい ず れ も ゼロ と な ることを利用 す る

     

一 54 一

2Tdゴ 2Td巳

      o        

Fig

11

Power spectral  density function of  two band

limited

      white  noises

:x、

XJ の帯 域の 関 係 が

Fig.

1

ユのと お りで あ り

‘≧

h

と すれ ば正 規 確 率 変 数 φ φどの平均

分散は次 式と な る

E[φκ

φ【]

kE[△φ]

IE[△φ]十M      I σ2[

ilit

∫σ2[△ φ]

− k

σ’[△φ]+Σ2      

 

t−・

tt・

tS・

 

tt・

(5

6) ただし

lM

Σ]2 は そ れ ぞ れ

M =− U

E

[△φ]十

L

E

[△φ]

− E

[φ]

x2

= σt[φ]

 (5

7 で, Φは振 動 数が ωu,と ω 、」の間の位相差分の相当 す る

φκ

φ‘を 正規確率 変数と す れば, (

5,

6

)の平均

分散 を用い て

E

[cos (φk

ill

)]

 

E

[si皿(φk

φ置)〕が表さ れ, さ らに (

5。5

)式に代入 して整 理 す れ ば最 終 的に次 の積分 と な る

娜 。

t

、)

di

T

2

π

z

exp

Σ・

  

    

s

蝋 蹴

ex

・Wl>

          

COS

blto1

− b

、tOt)

dto

d

ω i

  

    

S

・・(

M

7exp

(aWt

伽 )

  

    

si・(

b

・W・

5

・w・)

d

d

・・

……

(・

8) 上の

2

重 積 分は ω 1

ω2 に関す る独 立な

1

重 積 分のに 変 換さ れて容 易に行うこと ができ る。 結 果を下に記す。

  

 

・_ (・1

di

£

2exp

il2

コt

             

}(CI

C2 十 8t

Sl)

COS (

M

)               十〔Sl

Cz

Cl

82)

sin (

M

1

             (

1

J

 

−t・

−t・

(5

9

   

c1一

1

[・xp (

a・・)

1

・’・ ・s (

b

’・)

    

b

,sin (

b

、ω)}]

・・

窮 [exp (・・t・)

laJ

・ ・s (b・ ・)   +

b

、sin (

b

.ω)}耽

Sl

[ ・・p(

・・)

1

a’… (・’・)   

− b

,COS (わ,ω}膿 ; Sz

i

・.

li

El

i

[exp (酬 ・’・・s 〔・・ω}

(8)

  

b

、COS (

b

、W}

1

ユ臨

       P 

 

 

P 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

Td

πt   

Td

πi α・

;−

sf

α 尸

一一

”・

一・

一・

 (5

10      

T

¢

b

’=

一t

b

t・

 

E

一一

E

i

一一

 

a2

i

t ・・

鴿]

2      

 

 (5

ll)  5

2

 

般の外乱に対す る線形 1自 由 度 系の 2乗平均      応答の解法  非 定常 不規則外 乱 z(t)に対す る線形 1自 由 度 系の変 位応答を y(t)と してその 2乗 平均 は

 

  

E

[y’ {

t

)]

tlLt  

h

t−

.,)

h

tL

.,)

R

。Z{・T・.・T・}

d

・・

dTt

 

    

 

齲 ∫

τ

融 (t

rt            

Rx 、

X

(Tl

 rt)

drtdtt・

 (5

12 ) と表さ れ る。 た だ し

h

t

)は初 変位

初速度を ゼロと し た時の単 位 衡 撃変位 応 答 関 数であ り減 衰 定 数を ζと す れ ば

   

h

(t)

exp ← ζ。,。t)。

i

。(孤ε)

。。

π

      ω 0        

 (5

13) で あ る

 ∬

」の場合の分は

y

.(

t

)とし て次 式

 

  

Y

・( 

t

∫τ

h

丁・)・

R・

、,i(rl,

 

T・}

d

・・

drt

     

 

4■

 

t−…

 (5

14) を次の よ うに整 理 する

 

  

exp (

・ζ… t)[・… s (・観 ・)          十1,sin (2砺 ε)

1,]

 

………・

S

(5」5) ただし 1,

1,は次の と おり であ る。

   

・,

ズ∬

exp1 ζ岫(T・・+・T・)

1

・・s臨 (Tl+・・)

1

 

E[コじ,(τ、)Xl(τ,}]dT,dτ, ・z

置 expl ζ飾(Tl + Ts)

1

… 属 〔祠  

E

[xK T,>x,(v,)]

d

τ,晦 ・

イ ∬

exp1 ζ

釧 ・ ・s 臨

T2)}       

E [x,(r、)x,(Tt)]

d

dr2

     

 

−t…

 

t・

 

t−・

(5

16) (5

16)式に自己相 関々数を代入 し た と きに

 

 

expl9 ・・rl

    

_

−1

π

z+

5

17 ) ある い は 即

1

ζ婦

 

 

 

 

τ

T2

”…

tt”

15

 18 な る項が有る た め に (

5.16

)の各積分は陽な形で解くこ と がで き ない。そ こで

応答の 全継 続 時 間を 適当な 時 間々 隔に分 割して そ の間では (5

17)

(5

18)の各 式を近似 的に

定 値と扱 う手 法 を用いる

自己 相 関々数 (3

13

) の R,項 以 外の項を含む積 分は rl, τ2 に関 する 1重 積 分 の積と な り, 各 積 分は区 分さ れ た時 間 内に対し て陽な形 で表すこ とがで きる

。一

,R ,

項 を 含む積 分で は 2重 積分 が 必要と な り,      τ1

r2

u, τ1十τz

v

 (

5.

19

) の 積分変数の変 換の 後に

初に v に関す る積 分 を 行 え ば

u にす る 正弦積分, 余弦積分 14L151 含ん だ形で を得ること が で き る

 ∬〈」の場合の分 は

Y

Kt

)と して

次式

   

イ ∬

ゐ(

t−−

q)

h

t−

Tz)

Rxpc

(Tl

・T!)

d

・,

d

・・      

t−・

 

tt・

 (5

20) は

Rxnc、

T、

 T、)が τ1と τ!の それ ぞれ の関数の積に分解 さ れ る た め 比較的容易で あ る

た だ し

ここで も (

5.17

) 式の形 を し た 関 数 部 分に対 して は前 と 同様に 区 分的に

定値と し て扱う 近似手法が 必要で あ る

  以上の よ う に し て求め た

yl

,ω

 

y

粛 〉を用いて求め る

2

乗 平 均 変 位応答

E

[y2(t)]が       N      N     N      E [@2(t)]ニ Σ

Y

Kt

)十2 Σ Σ

Y

Kt

……

(5

20 )       「

1                  fFl J

J

1 と してら れ る

な お,

1,

2

つ の 帯域が離れ てい て (… )式中の exp

Σ・

が ゼ・ と近似・ れ ・駘 ・

減 衰の小 さい振 動系で周 波 数 応 答 関 数の ピ

ク が帯域 幅 に比べ て細く鋭い場 合には 上式の 2項 目を簡 略 化して       ゆ              N

]      E[y2(t)]

Σ

Y

.(t)十2Σ Y,

,. ,{t)

………

(5

21}       ’

i

匸            1

1 とでき る

 

5.

3

 解 析結果お よ び考察   震 源の特性

波動の伝播特 性などとの関係に よっ て位 相 傾斜の確 率 特性 を どの よ う にモ デル化 す る か

ま た, そのモデル違によっ て構 造物の応答が どの よ うに 変化す る か な ど につ いて の議論は別の機 会に行う こ と に して

本節では

本章に示 し た線形 応 答解析法の度の 検証例を示す。   外 乱は帯 域が連 続し た 2ケの制 限 帯 域 波の合 成と して 考え る

こ れ らの 帯 域 を

Fig.

11の よ うに

1,

 

J

と区 別 して 同 図お よ び (5

11) 式にある諸 変 数を      mt

2

  Sr

8

ω 1

1

0

ω Uf

16

α

1

0        

55

(9)

0

1

。・

  

   o       》 〜       

π

       3》?      2

π

Fig

12 

Compariso

ロ of theoretical and  simulat 巳d RMS  dis

     placement response  of a linear system  wlth ωo

Q

ζ

     

0

05

     MJ

4, 8,

=8

, ωL」

=16

, tOVJ

=32

, β

=1.0

と す る

振 動 系の固 有 振 動 数 an は

1,

 

J

両 帯域境 界 の振 動 数に等 しくω、

16 と し て両帯域 波の 相互相 関々 数

Rx,

x

ti

, 

t

,)の影 響が強 く表れ る よ う に し た。 減 衰 定 数は ζ ・O

05で あ る

 

Fig.

12は解析 解と シ ミュ レ

ショ ン解との比 較で あ る が, シ ミュ レ

ショ ンは修正線 形 加 速 度 法に より 100 波の サンプルに対して行っ た (図 中 点 線 )

解 析 解は

前 節に述べ た考え方に従い 応 答の全 継 続 時間を 区 分化 して図 中の黒 丸の点につ い て求めた の あるが

便 宜 的に 破線で結んである

解 析 解とシ ミュ レ

ショ ン解との対 応は非 常に良 好であり, 外 乱の自己相 関々数を陽な形で 求め た (5

3)

(3

13), (5

9)の各 式

お よびそ れ らの 関 数を用い た線 形 系の 2乗 平 均 応 答の近 似 解 法 が妥 当で ある こ とが確 認さ れ た

こ こで は変位 応答のみ を示し た が

(5

13}式の

h

{t)を

h

(t)に代え れば 速 度 応 答が求 め られ る

さ らに

変位と速 度とのの応 答 も求めれ ば

   E

[(抄十

2

)2]

=4

ζ2(砧

E

[シ2]十ω言

E

[y2]             十4ζω港E [yg ]

 

t−・

 (5

22) の関 係か ら加速度 応 答を求め る こともで き る

 

5.4

 線形 応 答 解 析 法に関 する補 足  

5.2

節で は外乱の 自己相 関々数を利 用し た時 間 領 域の 樌 分 に よ る 応答 解 析の手法 を示し たが

応 答の フ

リエ 変 換

y

〔ω)が外 乱の フ

リエ

in

 Xω)と系の周 波 数 応 答 関 数

H

(ω)とによっ て     

y

(ω)=

H

ω)

X

(ω)

……・

………・

…………

(5

23 ) と表さ れ るこ と を利 用 すれ ば

応 答 y(

t

)が

Y

〔ω)の 逆 フ

リエ 変換とし て

    y(

t

Σ 

H

(ωk)

X

(ω κ)exp (

icakt

…・

(5

24)

      陀

n に よ り与え ら れ ること よ り

2乗 平 均 応 答を

  

 

・[幽

f

H

(紬 )・・(c・}・[・( )・・(}]

e“ω1

ω 21 τ

d

ω Id ω 2

…・

…………・

(5

25} な る周波 数 領 域の積分によっ て得る こと も で きる

た だ しこ の場 合に は

周 波 数 領 域を適 当に区 分し た積分 を行 う 必要がある

− 56 一

 

6.

結   び  以上の各 章の内 容を要約す る と以 下の とお りにな るe   1) 位 相 傾 斜 を 正 規 分 布も し くは正規 分 布に類 似し た 分 布を持つ 確 率 変 数と す れ

位 相 角に関す る確 率 密 度 関 数 を正 規 分 布で 近似す ること がで き る。

 

2) 位 相 傾 斜の特 性を用い て非 定 常 外 乱の平 均, 2 乗 平 均

自己相関々数 な どの 定 式化を行う場 合に 乱の 振 動 数 がゼロの に対応 する位 相 角 φ。の確 率分布の 影 響 を受け る

。一

般の外 乱を複 数の制 限 帯 域 波の和 と し て表す 場 合に

φ

を 様 な乱 数とす れ ば, 個々 の帯 域 波の振 幅 特 性の時 間 的変化 の ピ

ク発 生 時 刻は位 相 傾 斜 の平 均に より決 まり

ク の度は主に位 相 傾斜の分 散に よ り決る

ま た

個々 の 帯 域 波の平 均は ゼ ロで, し たがっ て外 乱 全体と して も その平 均 値はゼロ と な る

  3) 外 乱 振 幅の非 定常性を振 幅 変 調 関 数と定 常外 乱 と の積と して表

方 法に は

制 限 帯 域 white  noise の帯域 幅の狭く な る程

ま た変 調 関 数の非 定常性の

調 前 後での周波数特性の変 化が大き く な る という欠点 が あ る

これに対 し

位 相 傾 斜の確 率特性にづ い て外 乱 振幅の非 定 常 性 を決 める方 法で は

外 乱の全 継 続 時 間を 周期と し た時の パ ワ

スペ ク トル密 度を変え ること無く 振 幅変 調を行え るとい う利 点が ある

この利 点

理 論 式におい て もほ と ん ど保 持さ れ るこ と が認め ら れ た

 

4) 近 年

位 相 傾 斜の特 性を利 用して非 定 常 外 乱 を模 擬す る手 法が注 目され ている が

本論で示 した手 法によ り そ の よ う な模 擬 外 乱の確 率特を理 論 的に得る ことが で き

さ らに同外乱 に対 す る線 形 系の応 答 を理論 的に め る こと が で き る。 断 層モデル等により位 相 傾 斜の確 率 特 性 と震 源 過程と の関係も 明 らかにさ れつ つ あるの で

本 手法 は 構 造 物モ デルの不 規 則 振 動 解し て震 源 過 程のを考慮す る手 法の 1つ て有 効な手段に な り 得る

  謝  辞

 

本研究を進めて行くに当た り

千 葉 大学教授尾崎昌凡 博 士よ り数々 の指導と助 言と を賜り ま し た

厚く御 礼申 し上げ ま す

参 考 文 献 ]) 曽 田五月也 ;非 定 常 不 規 則 外乱の平 均 お よ び2乗 平 均に

   対す る位 相 特 性の影 響 (そ の 1

Band limited white

   noise の場 合

1,

日本 建 築 学 会 関東支部 研 究 報 告

昭 和59

   年 7月

pp

245

248

2) 曽田五 月也:同上 (その 2

Non white  noise の場 合 ),    日本 建築 学 会 学 術 講 演 梗 概 集

昭和59年10月

pp

625    

6263 ) 曽 田五月 也 :同 上 (その 3

相 関 構 造に 及 ぼ す 位相 特性    の影響につ い て }

日本 建 築 学 会関東 支部 研 究 報 告

昭 和   6Q年7月

 pp

181

184 4) 和 泉正哲

勝 倉 裕:地 震 動の位 相 情 報に関す る基 礎 的   研 究

日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集

第327号

昭 和58年5

Fig ・ 4  Classification   of   probabi 】 ity   density   function   of   phase       inClinati 。 n (n ・ rmal   fUnCti・ n ) .

参照

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