愛 知 工 業 大 学 研 究 報 告 第33号B 平 成10年
建築構造体におけるま襲壌譲動的鮭織性状に関する観覧
4層 3スパン
R C構 造 物 模 型 に お け る 鍍 動 信 撫 性 状S
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イ左嬰予若君予三三*'>.~ * Harl101EINARUSE，J Hiroki kITABATAKE， KEEltaro11HAYASHI， Ya511yuki SANOAbstruct 刀!ispaper describes vib/'α，lionpropαrgation characteristics in the RC building const開ctionby
using4 stories 3司pansprototype model 0] acrylic resin.We obtα，in some results 0] the at印 刷ation0]
vibration acceleration level jrom the driving point冊1(1distribution 0] vibration acceletion level in the rool1ls
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We supposeitis import叩，t/0consider Ihe vibration mode shape0]即 lur官1jrequencies10obtain the
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1 .はじめに 建築物内外の振動源によって、建築物が起擬さ れ、建築構造体の共振などによって振動が増幅す ることにより、問題になることがある。環境振動 で取り扱う範鴎の振動は、比較的短周期で振幅の 小さいものであり、地震のように長周期で建物を 破壊に導くような振幅の大きいものではないが、 居住者や振動を嫌う精密機械などに影響を与える ことがある。従って、建築構造体の振動伝搬性状 を把握し、振動防止及び振動低減対策を講じるこ とは、我々が快適に生活する上で重要なことであ ると考えられる。 鉄筋コンクリート造の建物の振動に関する研究 は、現在までに多くの報告がある。その内容は、 主に床面の振動性状及びその防振対策についての 報告がもっとも多く、 F E M(有限要素法)を用 いた理論的解析によるもの日や、実験的モ}ダノレ 解析を用いて床面の振動性状を解析する手法2)な どがその代表的なものである。 また、実際の建築構造体の壁面や、床面の周辺 の固定条件は、施工方法により異なるものと考え られ、理論的解析以上に実験的な検討が必要であ ると考えられる。 しかしながら、壁面を含め構造物全般の振動伝 搬性状についてまで検討しているものは、既往の 研究にも例がなく、既報，)では実在の建築構造体
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愛知工業大学建築学科(豊田市)*
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愛知工業大学大学院(豊田市)*
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アクト音響振動調査事務所(名古屋市) について実験的モーダル解析を適用し、その床面 及び壁面についての振動性状及び振動伝搬性状を 考察している。本報では、壁面まで含めた建築構 造体の振動伝搬性状を解明するために、 4層 3ス パンプロトタイプ模型を用いて、上階及び同階他 室での振動加速度レベル分布及び振動源からの振 動加速度レベノレの距離減衰を求めている。 2.犠裂の相似則 模型実験では、実構造物とその模型との聞での 相似則を満足させることが必要であると考えられ る。 構造体の振動に関する相似則は次のようになる。 f m = n k f， k = ((Em/E，)x (ρ ，/ρm)) 1/2 f :振動数(Hz) E :ヤング率 (N/m2) p :密度 (kg/m') n:縮尺比 m :模型材料 r ;実物材料 今回の実験では、模型材料として、アクリノレ材 を使用している。実構造物の主材料であるコンク リートと模型の材料であるアクリルの物性値の比 較を表1に示す。模型の縮尺比を 1/50とした 場合、模型と実物の振動数の相似比は29. 3倍 となる。 3. 契機造物加援実験と模型実験との対応 実験の対象となる実構造物は愛知工業大学7号 館である。測定範囲は2階部分の2 0 3・2 0 4 教室床面としている。測定範囲の梁伏図を図1に 161示す。なお、力日振点は図中に示す黒丸とし、受振 点は既報3)に示す格子状の交点であるロ 模型はアクリノレ材を使用しており、縮尺比は1 / 5 0である。 解析の結果得られた (1
，
2)モードでの床面 のモードシェイプの一例を図2に示す。実物と模 型との聞で同様のモードシェイプを示しているこ とが認められる。また、模型と実物の振動数の相 似比は約2 9倍となっており、振動数においても 良い対応を示していると考えられる。 次に、振動加速度レベノレの距離減衰で実物と 模型について比較して図3に示す。これは実構造 物、模型それぞれの測定データの1/3オクター ブバンド周波数分析結果である。なお、図の横軸 は無次元距離としている。また、比較のため、模 型実験結果を10dB程度上げて示している。実 物、模型両者の振動加速度レベルの距離減衰は同 様の傾向を示している。 以上から、実物と模型の間で十分な対応関係が 得られているので、模型で得られた結果が実際の 建築物に応用できるものであると考え、以下の模 型実験を行っている。 4. 4屡3スパン模型加援実感 実験の対象となる4層3スパンプロトタイプ模 型を図4に示す。模型はアクリノレ材を使用してお り、床面、壁面、柱、梁の各部材をアクリルボン ドで剛に接合している。 4. 1 実験及び解析方法 図4に示した模型に対し、力日振実験を行った。 模型実験のブロックダイヤグラムを図5に示す。 加振はパ}ストランダム信号を 10~2048 Hzの範囲で10回行い、得られた振動加速度レ ベノレを加速度ピックアッフ。で測定し、加振力と合 わせてD A Tに伺時記録している。 D A Tに記録されたデータをリアルタイム周波 数分析器(HP-
3 5 6 9 A)に取り込む。その 際、信号の最大値を5回平均したものをデータと して採用している。得られたデータをもとに、振 動加速度レベノレの距離減衰及び振動加速度レベル 分布を求めている。 5. 解析結果及び考察 5. 1 撮動加速度レベル分布 4層 3スパンフ。ロトタイプ模型についてモーダ ル解析を適用した結果得られた周波数応答関数を 表1 材料物性値の比較i
築構造物 E 材質名 ￨コンクリート ヤ ン グ 寧 (N!m')I
2.3XI0川 密 度 (kg!ぜ)I
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1 図1 実構造物の測定範囲 __，.弘J血 可 「酬
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語幹 実物 21.37Hz~ヤ
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模型 6 21. 3 3 H z 図2 モードシェイプによる比較 80r--'回目白一一一一…一…一一一一一一一町一白ーー伺 一ー-_.... 0 0 0 6 4 Z ︹ 田 町 u v ﹂ ︿ ﹀ ー. τ 、-英語朝 20Hz ー観型{補正値)630llz。
16 11 21 Z6 31 図3 振動加速度レベルの距離減衰建築構造体における環境振動の伝搬性状に関する研究 図6に示す。なお、図中に 1/3オクターブパン ドの遮断周波数を示している。模型実験で得られ た振動加速度レベノレをもとに、模型床面における 振動加速度レベル分布を求めている。 各階床面の振動加速度レベノレ分布を図7に示 す。図 7から、 200Hzにおいては、加振源か ら徐々に振動加速度レベノレが減衰しているが、 4 OOHzでは床面の各スパン中央に他の部分と比 較して大きい振動加速度レベルが集中している。 5. 2 振動加速度レベルの距離減衰 2階床面の 200Hz、400Hzについての 振動加速度レベノレの散布図を図8に示す。 図8 から、固有振動数近傍と考えられる 400Hzに おいては援動加速度レベルの分布にばらつきが認 められる。 次に、床面の聞有振動モ}ドに着目し、モード の腹のラインの振動加速度レベルを用いて距離減 衰を求めたものと、モードの節にあたるラインの 振動加速度レベノレを用いて距離減衰を求めたもの を比較して図 9に示す。ライン及び室名について は図 10に示す。なお、振動加速度レベルの距離 減衰における距離は、 A室床面と外壁 1との接線 上からの距離としている。図 9から、固有振動数 近傍と考えられる振動数領域においては、グラフ の形状に大きな差が認められる。 5. 3 最小ニ乗法による直線近似 各階床面について振動加速度レベノレの距離減衰 を求め、最小二乗法による直線近似を行った。図 1 1にこれらの一例を示す。これによると固有振 動数近傍と考えられる振動数では距離を置いても MAXの最小二乗近似直線とM I Nの最小二乗近 似直線及び全体の最小二乗近似直線の間隔が狭ま らないことが示されている。固有振動数近傍にお いては、モードの腹のラインと節のラインで大き な差が認められることから、モードの腹のライン で振動加速度レベノレの距離減衰を検討する事が重 要であると考えられる。 5. 4 各階床面の振動加速度レベルの距離減衰 各階の床面についてモードとなる場合にはそ} ドの腹のラインの振動加速度レベルを採用して距 離減衰を示したものの一例を図 12に示す。なお、 モ}ドとならない場合の振動数については床面中 央ラインのものを採用している。 図12から、 2階床面とそれ以外の床面とでは違いが認めら 2階床面平面図 -加振点 図4 4層3スパンプロトタイプ模型 l叩edanceHead RION PF-60A Vibration Exciter 日以Ty回4809 図5 測定系のブロックダイヤグラム れ、 2階床面が独自の傾向を示している。 3
，
4，
5階については向様の振動加速度レベル 分布を示しており、振動加速度レベルも同様の値 を示している。 2~皆床面が他の床面と比較して大 1630.2 0.18 0.16 ，--， 0圃
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図6 周 波 数 蕗 答 関 数 2階 4階 2階 図7 援 勤 加 速 度 レ ベ ル 分 布 の 一 例 4階 3階 5階 3階 5階建築構造体における環境振動の伝搬性状に関する研究 165 きい振動加速度レベノレを示すことは、 2階床面が カ日振点であることと、 2階床面と 3
，
4，
5階床 面との拘束条件の違いによるものであると考えら れ，る。 5. 5 スパン平均 各階床面についてスパン単位でエネノレギ平均 し、振動加速度レベノレの距離減衰を求めたものの 一例を図13に示す。固有振動数近傍以外と考え られる 200Hzなどの振動数域では、 lまジA、 B、C室の順に振動加速度レベノレは減少している。 このことから、床面内において摂動加速度レベル の分布にまとまりのないこれらの援助数域では、 スパン単位でエネルギ平均して振動加速度レベノレ の距離減衰を検討することが、平均的な値が求め られ、妥当であると考えられる。 5. 6 壁画を含めた振動伝撒経路の検討 2階の A室床面中央部から壁面(界壁、外壁 1 など)を通り、 3，
4，
5階のA、B、C室床面 中央部への伝搬経路をそれぞれ挙げ、各階床面へ の伝惚経路についてどの経路が最も援助伝搬に関 与しているか検討を行った。図14にそれらの一 例として2階A室床面からその上階である3階A 皇室床面への壁面を含めた振動加速度レベノレの距離 減衰を示す。但し、、主に振動伝i
般経路について 検討しているため、到達点までの距離が呉なるも のも比較の対象とし、床面の固有振動モードに着 目し、モ)ドの中央からの伝搬経路としている。 また、田有振動数近傍以外と考えられる援助数 については床面の中央からの伝鍛経路としてい る。 400Hzの振動数では外壁1を伝搬経路とし たものと、界壁1を経路としたもの、外壁 4を経 路としたものではそれほど差は認められない。 このように、上階への振動伝倣についても固有 鍍動モードに着目することが重要であると考えら れる。 6.まとめ 本研究の結果以下のようなことが示された。 1.床面における上階及び向階他室への振動伝搬 は固有援助数近傍の振動数領域についてはモード に着目して振動伝搬を捉えることが重要であると 考えられる。 2.固有振動数近傍以外の擬動数領域においては、 スパン別にエネルギ平均し、振動加速度レベノレの 距離減衰を捉えることが妥当であると考えられ る。 2階 200Hz .-. 60r一 一 一 一 一 一 国 l ~ 40よ
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10 20 30 40 MJ量端からの麗陵 (cm) 図8 掻勤加速度レベルの散布図の一例 一一モードの蹴のー司胆・モード白鶴田 〔 10 80 回50 ~ 40 ..J30 " 20 > 10 ライ〉 山 ライン 14 21 28 35 42 Al置鏑から由庖隠(cm) 図9 選択ラインによる距離減衰の比較 件 墜2 外壁4 図 1 0 室名及び選択ライン 40部k;
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