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実時間ハイブリッド耐震試験装置の開発

実時間ハイブリッド耐震試験の概念図

図1 実時間ハイブリッド耐震試験の概念図

1.概要

 本開発は,構造物の耐震性を調べるための耐震試験装置に関するものである.耐震試験は,振動台に構造物を載せ地震加速度を再現して実施することが多い.しかし,積載可能重量などの試験限界があり,原子力発電技術機構をはじめとする大形振動台が稼動・計画されているものの,一般的には大型構造物の試験の実施にはさまざまな工夫が必要である.そこで,構造物の耐震評価上重要な部分の加振試験と残りの部分の数値計算とを融合して構造物全体の振動応答を求め,実際の地震挙動の評価を可能とする試験装置「実時間ハイブリッド耐震試験装置」を開発し初めて製品化した.本装置では部分構造物の加振試験のみで大型構造物の高精度な耐震評価が可能であり,これまで不可能だった大型構造物の非線形性を含む複雑な地震挙動把握が可能となった.開発した実時間ハイブリッド耐震試験装置は,加振試験と数値計算を融合し,かつ,実際の地震挙動の評価が可能であることから,「実時間ハイブリッド」と呼んでいる.

2.技術の内容

 その概要を図1で説明する.構造物の一部分を実モデルとして加振試験を行い,他の部分は数値モデルとして計算機に入力し振動応答を計算する.振動応答計算には次の運動方程式を用いる.
        MxCxKxfq
なお,MCKはそれぞれ数値モデルの質量,減衰,剛性マトリックス,xは相対変位ベクトル,fは地震による外力ベクトル,qは数値モデルと実モデルの境界点bに発生する力(以下,反力と呼ぶ)のベクトルである.そして,次の手順により加振試験と振動応答計算を同時進行させる.(1)加振実験で反力qを計測し,(2)その値を使って上式により振動応答を計算し,(3)得られた境界点の変位xbを実モデルに加え再びqを計測する.以上を繰り返し実施することで部分構造の加振試験だけで構造物全体の振動応答が評価できる.このとき,反力qは境界点の変位xbだけで決まるものではなく速度や加速度にも依存するので,正確な地震応答を求めるためには加振試験と振動応答計算の時間軸が一致した実時間での試験が要求される.そのためには,複雑な数値モデルの微小時間後の振動応答の計算をこの微小時間内に実施することと,得られた振動応答を正確に加振機により再現することが必要で,次の技術開発により実時間化を実現できた.

 まず,微小時間内でハイブリッド耐震試験に必要な計算処理・データ入出力を行うため,ハードレベルでの並列処理と入出力時間の短縮化により高い演算性能と実時間性能とを両立させた高速制御計算機を開発した.実時間入出力とともにメインフレームに匹敵する演算処理が可能な計算機である.

 また,加振機制御手法の高度化を行った.加振機では指令値はわずかな時間だけ遅れて変位として実現される特性を持っている.この応答遅れは実時間ハイブリッド耐震試験に組み込まれた場合,負の減衰と等価となる.したがって,実験精度が悪化し,場合によっては振動応答が発散して振動試験が不可能となることもある.そこで,加振機の応答遅れ時間先の振動応答を予測し指令信号とする補償手法を開発した.

3.まとめ

 大型構造物の耐震試験が比較的簡便に,かつ,精度よく実施できる装置を開発した.本装置は京都大学防災研究所,建設省土木研究所に納入されるとともに,(株)日立製作所機械研究所に設置され耐震試験に活用されている.今後,本装置による各種の構造物の耐震試験により新しい知見が生み出されることが期待される.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1999年、堀内敏彦((株)日立製作所)、笠井洋昭(同左)、梅北和弘(同左)、桃井康行(同左)、菅野正治(同左)に日本機械学会賞(技術)を贈った。

文献

[1] 堀内敏彦、「実時間ハイブリッド耐震試験装置」、日本機械学会誌、Vol.101, No.960, p.840, 1998.
[2] 堀内敏彦、今野隆雄、「加振機の応答遅れを補償した実時間ハイブリッド実験システムの開発 : 第3報, 非線形系構造物の実験への適用」(Development of a Real-Time Hybrid Experimental System with Actuator Delay Compensation : 3rd Report, Application to Nonlinear Structural Systems)、日本機械学会論文集. C編、Vol.64, No.617, pp.7-14, 1998.
[3] 井上雅彦、堀内敏彦、浪田芳郎、「実時間ハイブリッド加振による弾塑性ダンパ支持配管の振動実験」(Vibration Experiment of a Piping System Supported by Elastoplastic damper Using Real-Time Hybrid Excitation)、日本機械学会論文集. C編、Vol.63, No.615, pp.3832-3839, 1997.

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