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1 強制振動.3 強制振動 機械振動 荷重 地震 両荷重 規則 ( 周期 ) 荷重 不規則荷重 強制振動 (Forced Vibration) 励振動 (Self Self-excited excited Vibration) 動的な外 が作 した場合の構造物の挙動を求めることを 構造物の動的応答 (dynamic resonse) あ 自励振動の例 が前後に振動して コツコツと 属棒を打ちながらゆっくりと下に下りていく玩具 るいは単に応答 (resonse) を求め るという 鈴 浩平 : 振動を制する オーム社 解説 の脚部には ばね が付いている その ばね の先には スリーブ が付いていて 属棒が スリーブ の中を通っている 通常 スリーブ はわずかに傾いた状態で 属棒との間には 摩擦 が働き そのため は 属棒の任意の位置で まっている の頭を軽く押して ばねに変形を与えると は振動 は振動しはじめ が前屈み ( まえかがみ ) になったとき スリーブ と 属棒との間の摩擦 が切れて固定度が緩み は下 に振動しながら下りていく の頭を押したことによって 振動 が じ その後何ら外 を与えずとも その 振動 は が最下端に着くまで続く 励振動 が上 に使われた例である タコマナローズ橋 (Tacoma Narrows Bridge : タコマ橋 ) アメリカ合衆国 ワシントン州のピュージェット湾にある海峡 タコマナローズ (Tacoma Narrows) に架かる吊り橋である 94 年 7 月 日に開通 全長,6m 吊径間 853m 幅.9m 太平洋側有数の港湾都市タコマ市と アメリカ海軍有数の海軍工廠 ( こうしょう 造船所 ) があるブレマートン市などの位置するキトサップ半島地区を結ぶ目的で建設された 当時の最新理論に基づいて設計されており 架橋当時は世界で第 3 位の長さだった 設計は レオン モイセイフ (Leon Moisseiff) 架橋後すぐに風の影響で落橋したことで有名

2 建設中から タコマナローズ橋は風のある日に揺れることがすぐに分かった 橋桁は上下方向に揺れ 路面はあるところは高くなりあるところは低くなった このため開通をヵ月後に控えた6 月 日と 日には 橋の中央部でメインケーブルと桁をV 字型に結ぶステーと 塔と桁を結ぶダンパーが設置された 開通後も揺れたため さらに 月 4 日から7 日にかけて側径間から地上へケーブルが張られた しかし それでも揺れは収まらなかった 竣工以来揺れ続け 振幅がメートルを超えることもあったこの橋には "Galloing Gertie"( 馬乗りガーティ ) というあだ名が付くほどだった 94 年 月 7 日 早朝より風による振動が続いていたが 風速が9m/sに達した途端 それまでの上下方向の振動から大きくねじれる揺れに変わった このような揺れが 時間ほど続いた後 主径間の 4 分の 点で桁が座屈し 橋床が落下した この直後に最終的な崩壊が始まり 結果として主径間では橋桁がケーブルからちぎれて崩落した このため塔は側径間側に傾き 側径間はメートルあまり下方にたわんだ 当時は通行車が少なかったため死亡者はおらず 落下時に犠牲となったのは車内にとり残されたコッカー スパニエル犬一匹のみだった 原因調査で桁が薄い板状になっていると 振動が非常に起こりやすいことが分かった この振動は横風によって桁の上下に発生した空気の渦が桁を上下に振動させ さらに大きな渦が発生して振幅を増大させる自励振動 ( 発散振動 ) と呼ばれる 以後吊り橋には補強のための補剛トラスが備わることとなった 落橋のその瞬間のみならず 崩壊の全経過の映像が逐一撮影されていたため有名になった 撮影が成功したのは架橋直後からわずかな風でも激しく揺れることが注目され おりしもワシントン大学の研究チームが調査中であり 撮影による振動記録を含んだデータ取得が行われていたためだった この事故の詳細な記録により 構造物が風を受けて生じる振動についての研究が 急速に進展することになった 966 年に開通したセバーン橋では補剛トラスで補強するのではなく 桁断面の形状を翼状にして風の影響を少なくするというアプローチをとった タコマナローズにはその後新しい橋が建設され95 年 月 4 日に開通した 長さは5,979フィート (,8m) 最大スパンは,8フィート(853m) 海面からの高さは57.5m 建設業者は以前と同じ 今度はゆれなかったため "Sturdy Gertie" ( 丈夫なガーティ ) のあだ名がついた 当初 日 6 万台の通過を予定していた新タコマナローズ橋は交通量の増加により5 年には 日 9 万台の通過があり 年からすぐ横に新しい吊り橋の建設が行われた 7 年 7 月 5 日に開通し 従来の橋は西向き 新しい橋は東向きの車線に使われている 川田忠樹 だれがタコマを堕としたか 建設図書 975 年 由度系の強制振動 程式の誘導 m d y c dy ky F cos t m d y c dy ky F cost m d y k ky W F cos t c c dy 正弦波外 F cos t 由度系の強制振動 m d y dy c ky F cost d y c dy k y F m m m cost 単位質量あたりの運動 程式 d y h c m dy h y f cos t k m f F m d y hdy y f cost 強制振動 程式の 般解 = 次 程式の 般解 + 特殊解 ( 特解 ) 次 程式 : d y dy h y 次 程式の 般解 : y e * * * A cos t B sin t h t *???

3 特殊解 : あるいは y D cos( t ) y D cos cos t D sin sin t y a cos t b sin t a D cos b Dsin D a b tan b a 変位 y acost b sint 速度 加速度 dy a sin t b cos t d y a cos t b sin t d y dy h y f cos t (a cos t b sin t ) h(a sin t b cos t ) (a cos t b sin t ) f cos t cos t : a bh a f sin t : b ah b a f b f 4h h 4h d y dy h y f cos t (a cos t b sin t ) h(a sin t b cos t ) (a cos t b sin t ) f cos t cos t : a bh a f sin t : b ah b a f b f 4h h 4h 特殊解 y a cos t b sin t D cos(t ) D a b ( ( ) f ( ) 4h (h) ( ) 4h ( ) 4h f ( ) 4h f ( ) 4h ( 強制振動 程式の 般解 ) =( 次 程式の 般解 )+( 特殊解 ) y e ht (A cos t B sin t) ) = D f ( / ) 4h cos( t ) /

4 解説 強制振動の応答波形例 第 項は 由振動に関する項で A * と B * は初期条件か ら決定される積分定数である この 由振動項は 振動がはじ まって時間が経過すると 次第に減少する項である このこと y e ht f A cos t B sin t cost / 4h / は 減衰 由振動のところで解説したように 時間ともに さ くなる減少関数 e -hωt が 減衰の周期式である A * cos ω * t + B * sin ω * t に掛かっていることから理解できよう 従って時間が経過すると 第 項の強制振動項のみが残る 形となる A * y B * v hy * tan h / / y 5cm v cm / s f 5kgf 493N h. rad / s 5rad / s ( 固有周期 :T ω =.63s) ( 加振周期 :T =.4s) A cos( t) e ht A cos( t ) B sin( t) 次 程式の 般解 B sin( t ) A cos( t)b sin( t) f / 4 h / e h t A cos( t ) B sin( t ) f / cos( t ) 4 h / 特殊解 cos( t ) e ht 強制振動 程式の 般解 強制振動 程式の 般解 = 次 程式の 般解 + 特殊解 次 程式の 般解 と 特殊解 の関係を応答波形から考察すると 次 程式の 般解 は 減衰 由振動に起因する応答であり 前半の過渡応答の部分でのみ顕著に現れ 時間の経過と共に減少している 応答の後半は 定常応答に対応する 特殊解 の部分だけが残っている この 次 程式の 般解 と 特殊解 の両者が し合わされなければ 過渡応答と定常応答の両 を含む強制振動の正しい応答にはならないことが これより理解できる 特殊解 : f y D cost 振幅 Dについて考える D f / st L L / 4h / st 4h / cost / 4h / / 4h / f f k / m F k st ( 静的変位 )

5 変位の応答倍率 :L D st L ( 動的変位 = 静的変位 応答倍率 ) 変位の応答倍率 L = 動的変位 / 静的変位 L L D st / 4h / L / 4h / 構造系の固有振動数と加振振動数が 致する場合 : : L ( ) 4h h 変位共振曲線 (resonance curve) L L φ φ D st L f L 解説 横軸 /ω= の点で L は. である つまり /ω= では変位の応答倍率が. であることを示している この物理的な解釈は以下のとおりである まず /ω= ということは = を指す =πf であるから これが であるということは f= であり, さらに f=/t であるから この点は T= つまり 周期 T が無限大である加振力が作用している点を表している 周期 T が無限大の加振力は 言い換えれば 外力が静的に作用していることである /ω /ω /ω /ω h. L max h. 5. /ω= は 外力が静的に作用していることに相当し このときの動的変位は当然静的変位に一致することから 変位の応答倍率 = 動的変位 (= 静的変位 )/ 静的変位 =. となる訳である 静的な載荷は 動的な載荷において 無限大の周期で作用する加振力といった理解ができれば納得できるはずである L D st 変位共振曲線 h tan 4h /ω <<.: L. = /ω =.: L = /h =π/ /ω >>.: L. =π 加速度共振曲線 y D cos( t ) f / d y D cos(t ) f f / L 4h / cos( t ) / cos(t ) 4h / / cos(t ) f L cos(t ) 4h / / / 4h / L tan h( / ) ( / )

6 d y dx f L cos(t ) d y/dx は加速度 L は加速度応答倍率である 従って f は加速度でなければならない f =F /m であり f は単位質量あたりの外 と定義できるが これが加速度に相当していることは F /m の単位を考えれば明 である つまり F =mg であり F /m の単位は重 加速度 g の単位と同じ つまり cm/s であり これは加速度の単位である 加速度共振曲線 / L / 4h h tan / / L /ω <<.: L. = /ω =.: L = /h =π/ /ω >>.: L. =π 加速度共振曲線 例題 : 質点系構造物の定常強制振動について考える W=tf=98kN k=tf/m=98kn/m c=tfs/m=98kns/m F =tf=98kn =8π のときの動的変位 D および位相 φ は? L L /ω 振動 程式 : d y d y W g dy 98 dy.98 d y c dy ky F cost 98 y 98 cos 8 t 98 y.98 cos 8 t W 98kN k 98kN / m c 98kN s / m F cos t 98kN cos8t k m c h mk D f / h / f F m st L m tan h / / tan

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