(57)【要約】【課題】渦励振や空力不安定振動等の風振動の正確な評価が可能な、空力振動実験装置を提供する。【解決手段】風洞、空力振動実験に用いる建物模型１０を有する空力振動実験装置１であって、前記建物模型１０は、実験床Ｆ上の剛体部１１と、前記実験床Ｆの下方に設置された前記剛体部１１に接続される鉛直支持材１２と、を備え、前記実験床Ｆに対して揺動可能に設けられ、該鉛直支持材１２には補助腕木１３が取り付けられ、該補助腕木１３の両側にそれぞれ同質量の付加質量１４を設置することで、水平方向の異なる第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの各々において、前記建物模型１０の振動質量が異なる値に設定されていることを特徴とする空力振動実験装置１を提供する。【選択図】図１
2019002782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風洞、空力振動実験に用いる建物模型を有する空力振動実験装置であって、
前記建物模型は、実験床上の剛体部と、前記実験床の下方に設置された前記剛体部に接続される鉛直支持材と、を備え、前記実験床に対して揺動可能に設けられ、
該鉛直支持材には補助腕木が取り付けられ、該補助腕木の両側にそれぞれ同質量の付加質量を設置することで、水平方向の異なる第１の方向と第２の方向の各々において、前記建物模型の振動質量が異なる値に設定されていることを特徴とする空力振動実験装置。
【請求項２】
前記建物模型の前記振動質量は、前記実験床を揺動中心として、当該揺動中心と前記剛体部との間の距離と前記剛体部の質量、及び、前記揺動中心と前記付加質量との間の距離と前記付加質量の質量を基に、回転慣性質量を計算することにより決定されていることを特徴とする請求項１に記載の空力振動実験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力と建物振動との相互作用現象を含む建物に作用する風荷重を実験計測するための空力振動実験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、建物を施工するに際し、建物や周囲の環境に対する風の影響を調べるために、建物模型を用いた風洞実験が行われている。特許文献１には、風洞による動的実験に好適な風洞実験用模型が開示されている。特許文献２には、風によって振動を生じる構造体の風洞実験における模型支持方法およびその装置が開示されている。特許文献３には、風洞において建物模型の振動実験を行う場合に用いられる振動天秤装置が開示されている。
建物に関する風洞実験としては、建物模型表面に作用する風圧を計測する風圧実験、建物が施工される周辺地域の施工前後における風速の変化を計測する風環境実験、建物全体に作用する風の力を、建物基部等に設置した３軸方向の力とトルクを同時に計測できる５分力計等の計測センサーを用いて計測する空力実験等が挙げられる。
【０００３】
また、他の風洞実験として、空力振動実験が行われている。空力振動実験では、風洞実験において建物模型を振動可能とした状況における風の影響が計測される。
建物が風により変形を伴って振動する場合には、建物に作用する風力と建物の変形が相互に作用し、この相互作用を含んだ風力である振動依存性風力により振動性状が変化することがある。このような現象は、建物の質量が比較的軽く、渦励振や空力不安定振動等の風振動による変形が大きくなる建物等で問題となる。ここで、渦励振とは、建物が風直角方向に共振する場合に変形が増大する現象であり、空力不安定振動とは、更に振動が増大し続けて非常に大きな振動変位に発散していく現象である。
上記の風圧実験や空力実験等は、建物模型が振動しない状態における実験であるため、風による建物の振動に起因する現象を計測できない。したがって、このような、風による建物の振動に起因する現象を計測するような場合に、空力振動実験が実施される。空力振動実験により風による最大応答変位が求まるため、これを基に建物に作用する構造骨組設計用の風荷重が評価可能である。
【０００４】
空力振動実験においては、特に高層建築物を対象とした場合には、建物模型として、模型化が比較的容易なロッキング模型が採用される場合が多い。ロッキング模型は、建物模型を風で変形しない剛体とし、建物を１質点系に模擬したものであり、これを揺動可能に設けることで建物の振動が再現される。従来の、ロッキング模型を用いた空力振動実験装置を図１０に示す。図１０（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、空力振動実験装置１００の正面図と平面図である。
空力振動実験装置１００は、筐体１０１と建物模型１０２を備えている。図１０においては、筐体１０１は一部断面視されてこの内部構造が示されている。
建物模型１０２は、建物を模した建物模型の本体に相当する剛体部１０３の下に、鉛直支持材１０４が接合された構成となっている。鉛直支持材１０４には、下端から所定の高さの位置に一定の質量を備えた付加質量１０５が、及び、下端に例えば板材などにより形成された抵抗部材１０６が接合されている。
【０００５】
建物模型１０２は、筐体１０１の上面に開設された図示されない開口を鉛直支持材１０４が挿通するように設けられ、この開口に揺動の中心となる装置であるジンバル１０７を介して固定されている。これにより、建物模型１０２は筐体１０１に対して、ジンバル１０７を中心として揺動可能に設けられている。すなわち、実験時に剛体部１０３に風力が作用すると、建物模型１０２はジンバル１０７を中心として傾くように揺動する。
抵抗部材１０６は、オイルが満たされた容器１０８内に設けられており、抵抗部材１０６と容器１０８によりオイルダンパー１０９が構成されている。オイルダンパー１０９によって、建物の減衰特性を調整することができる。
鉛直支持材１０４は、筐体１０１内において、Ｘ方向に延在するＸ方向ばね１１０と、Ｘ方向に水平面内において直交するＹ方向に延在するＹ方向ばね１１１により、筐体１０１に接続されている。各ばね１１０、１１１の作用力を変えることにより、建物の剛性、すなわち固有振動数を調整することができる。
各ばね１１０、１１１の端部には、Ｘ方向検出器１１２とＹ方向検出器１１３が設けられている。各検出器１１２、１１３は、各ばね１１０、１１２の反力を検出する。
【０００６】
空力振動実験装置１００においては、建物模型１０２の重さが、実際の建物に基づいた振動質量に一致している必要がある。より詳細には、剛体部１０３、鉛直支持材１０４、抵抗部材１０６に、付加質量１０５を加えた総重量が、実際の建物に基づいた、振動評価上有効な質量（一般化質量）に一致しなければならない。付加質量１０５は建物模型１０２の重さを調整するものであり、建物模型１０２の総重量が目標値となるように、付加質量１０５は質量が設定されている。
図１０のような構成においては、Ｘ方向とＹ方向の一般化質量は、当然同じ値となる。
【０００７】
しかし、実際の建物においては、振動モードの高さ方向分布は、Ｘ方向とＹ方向で異なることが多い。これは、建物の平面形状が正方形ではない場合が多いこと、Ｈ形鋼等が柱として使用された場合にはＸ方向とＹ方向で剛性が異なること、Ｘ方向とＹ方向で柱が完全に等しく分布するようには設けられないこと等に起因する。
このような場合に、Ｘ方向とＹ方向の一般化質量が同じである従来の空力振動実験装置１００によって風振動を評価する際には、補正係数を用いて応答値を補正していた。しかし、振動依存性風力は、建物の一般化質量と建物と同じ体積の空気の質量の比（スクルートン数）によって、異なった値となる。すなわち、風振動に大きく影響する振動依存性風力は、建物の一般化質量に深く依存する。したがって、単なる補正係数による補正にとどまらず、より正確に風振動の評価が可能となるように、一般化質量を設定することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１９７３９６号公報
【特許文献２】特開平９−２０３６８５号公報
【特許文献３】特開２００３−７５２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、渦励振や空力不安定振動等の風振動の正確な評価が可能な、空力振動実験装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、風洞、空力振動実験に用いる建物模型として、実験床上の模型形状は同一でありながら、実験床下に繋がる鉛直材に水平方向に延びる補助腕木、または鉛直材上の付加質量を移動させることで、水平２方向（風方向と風直角方向）で異なる振動質量を設定できる点に着眼して、本発明に至った。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、風洞、空力振動実験に用いる建物模型を有する空力振動実験装置であって、前記建物模型は、実験床上の剛体部と、前記実験床の下方に設置された前記剛体部に接続される鉛直支持材と、を備え、前記実験床に対して揺動可能に設けられ、該鉛直支持材には補助腕木が取り付けられ、該補助腕木の両側にそれぞれ同質量の付加質量を設置することで、水平方向の異なる第１の方向と第２の方向の各々において、前記建物模型の振動質量が異なる値に設定されていることを特徴とする空力振動実験装置を提供する。
上記のような構成においては、建物模型は実験床に対して揺動可能に設けられているため、揺動の中心から離れた位置の質量は、回転慣性モーメントとして作用する回転慣性質量であり、これは揺動中心からの距離に依存する。また、付加質量は、鉛直支持材に取付けられた補助腕木の両側に設置されている。
建物模型が、例えば水平面内の、補助腕木の延伸する方向と直交する方向に揺動する場合には、当該直交方向においては鉛直支持材と付加質量との距離が０であるため、揺動中心すなわち鉛直支持材と実験床の接合部からの付加質量までの距離は、鉛直支持材上の付加質量が設けられた位置までの実験床からの距離である。これに対し、建物模型が、例えば水平面内の、補助腕木の延伸する方向に揺動する場合には、当該延伸方向においては補助腕木により鉛直支持材と付加質量とが離間されているため、揺動中心からの付加質量までの距離は、鉛直支持材上の付加質量が設けられた位置までの実験床からの距離と、補助腕木により離間されて設けられた鉛直支持材と付加質量の距離との、二乗和の平方根である。
すなわち、上記のような構成においては、水平方向の異なる第１の方向と第２の方向の各々において、建物模型の振動質量を異なる値に設定可能である。これにより、渦励振や空力不安定振動等の風振動の評価を正確に行うことが可能となる。
【００１１】
本発明の一態様においては、前記建物模型の前記振動質量は、前記実験床を揺動中心として、当該揺動中心と前記剛体部との間の距離と前記剛体部の質量、及び、前記揺動中心と前記付加質量との間の距離と前記付加質量の質量を基に、回転慣性質量を計算することにより決定されていることを特徴とする。
上記のような構成によれば、上記のような空力振動実験装置の実現に適している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、渦励振や空力不安定振動等の風振動の正確な評価が可能な、空力振動実験装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における空力振動実験装置の、（ａ）は一部断面視した正面図、（ｂ）は一部断面視した平面図である。
【図２】上記実施形態における空力振動実験装置の、建物模型の斜視図である。
【図３】建物の振動モード形の説明図である。
【図４】上記実施形態における空力振動実験装置の、第１の方向に建物模型が揺動する場合の説明図である。
【図５】上記実施形態における空力振動実験装置の、第２の方向に建物模型が揺動する場合の説明図である。
【図６】上記実施形態の変形例における建物模型の斜視図である。
【図７】上記変形例に関する実施例の説明図である。
【図８】上記実施例における各パラメータの設定例である。
【図９】上記実施形態の他の変形例の説明図である。
【図１０】従来の空力振動実験装置の、（ａ）は断面視した正面図、（ｂ）は断面視した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、風力と建物振動との相互作用現象を含む建物に作用する風荷重の実験測定装置として、簡易でありながら、建物の水平２方向において、異なる振動質量を設定することで、建物の水平２方向の水平剛性を、容易に所定値に設定できる建物模型を備えた空力振動実験装置である。
本実施形態の空力振動実験装置は、図１〜図５に示すように、実験床上の剛体部と、前記実験床の下方側に設置された鉛直支持材とで構成される建物模型を有しており、当該建物模型の鉛直支持材に、両側に付加質量が設置された補助腕木が取り付けられている。変形例では、図６、図７に示すように、前記実施形態の建物模型において、補助腕木の下方側に質量調整用の鉛直質量が設けられる。また、他の変形例では、図９に示すように、前記実施形態の建物模型では補助腕木は水平となるように設けられていたが、斜め下方向に延伸するように設けられている。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）は、本発明の実施形態における空力振動実験装置１の一部断面視した正面図であり、図１（ｂ）は一部断面視した平面図である。
空力振動実験装置１は、空力振動実験に用いるものであり、筐体２と建物模型１０を備えている。本実施形態における空力振動実験装置１は、建物模型を風で変形しない剛体とし、建物を１質点系に模擬したロッキング模型を建物模型１０として使用するものであり、建物模型１０を揺動可能に設けることで建物の振動を再現する。
本実施形態においては、筐体２は、上板２ａと、４つの側板２ｂ、及び下板２ｃにより箱状に形成されている。上板２ａの中央には図示されない開口が設けられている。この開口を囲って上板２ａから上方に突出するように突出部２ｄが設けられている。突出部２ｄの内部は、上板２ａの上記開口を介して筐体２の内部空間Ｓと連通するように中空に形成されている。この突出部２ｄの内部は、突出部２ｄの上面２ｅに設けられた図示されない開口を介して外部と連通している。
突出部２ｄの上面２ｅにより、水平面内に延在して実験床Ｆが形成されている。下板２ｃの上には、オイル等の粘性の高い流体Ｌが満たされた容器４が固定されている。
【００１６】
建物模型１０は、実験床Ｆ上の剛体部１１と、剛体部１１に接続される鉛直支持材１２とを備えている。建物模型１０は、剛体部１１、及び鉛直支持材１２に加えて、補助腕木１３、２つの付加質量１４、及び抵抗部材１５を備えている。図２に、建物模型１０の斜視図を示す。
剛体部１１は、建物を模した建物模型の本体に相当し、風で変形しない剛体として形成されている。剛体部１１は、例えばバルサ材等により軽量に形成されている。
鉛直支持材１２は、アルミニウム等の軽量の金属等により製作された棒状の部材である。鉛直支持材１２は、一端が剛体部１１の底面に接合されて、鉛直方向Ｚに延在するように設けられている。
鉛直支持材１２の下端から所定の高さ位置には、同様にアルミニウム等の軽量の金属等により製作された棒状の部材である補助腕木１３が、その中心部において鉛直支持材１２と直交して水平面内に延在するように接合されている。
補助腕木１３の両側には、それぞれ同じ質量を備えた２つの付加質量１４が設けられている。
鉛直支持材１２の下端には、例えば板材などにより形成された抵抗部材１５が接合されている。
【００１７】
建物模型１０は、鉛直支持材１２の剛体部１１に近い位置１２ａにおいて、図１に示されるように筐体２に取付けられている。
建物模型１０の位置１２ａより下方の部分、すなわち、鉛直支持材１２の位置１２ａより下方の部分、補助腕木１３、付加質量１４、及び抵抗部材１５が、筐体２の内部空間Ｓ内に、すなわち実験床Ｆの下方に設けられている。鉛直支持材１２は突出部２ｄの内部を挿通するように設けられて、剛体部１１が上面２ｅの上方に設けられている。
建物模型１０は、補助腕木１３が延在する方向に水平面内で直交する方向が空力振動実験装置１の第１方向Ｘに、補助腕木１３が延在する方向が空力振動実験装置１の第２方向Ｙに、それぞれ一致するように設けられている。
建物模型１０の位置１２ａは、突出部２ｄの上面２ｅすなわち実験床Ｆと同等の高さに設けられて、この位置でジンバル３によって突出部２ｄの内部に取付けられている。
ジンバル３は、突出部２ｄの内面に若干の間隙をもたせて、軸受けリングを例えば第１方向Ｘにピン支持させて設け、この軸受けリング内に若干の間隙をもたせて、鉛直支持材１２の位置１２ａを例えば第２方向Ｙにピン支持する構造になっている。
このように、建物模型１０は突出部２ｄの上面２ｅすなわち実験床Ｆに対して、位置１２ａを揺動中心１２ａとして第１方向Ｘと第２方向Ｙに揺動可能に設けられている。これにより、実験時に剛体部１１に風力が作用すると、建物模型１０はジンバル３を介して傾くように揺動する。
【００１８】
建物模型１０の抵抗部材１５は、容器４内の流体Ｌに浸されている。この抵抗部材１５と容器４の流体Ｌにより、減衰装置５が構成されている。減衰装置５によって、建物の減衰特性を調整することができる。
鉛直支持材１２は、筐体２の内部空間Ｓにおいて、第１方向Ｘに対向する２つの側板２ｂの各々に対して第１方向Ｘに延在する第１方向ばね６によって接続されている。同様に鉛直支持材１２は、第２方向Ｙに対向する２つの側板２ｂの各々に対して第２方向Ｙに延在する第２方向ばね７によって接続されている。第１及び第２方向ばね６、７の作用力を変えることにより、建物の剛性、すなわち固有振動数を調整することができる。
第１及び第２方向ばね６、７の端部には、第１及び第２方向検出器８、９が設けられている。第１及び第２方向検出器８、９は、第１及び第２方向ばね６、７の反力を検出する。
【００１９】
次に、付加質量１４について説明する。空力振動実験装置１においては、建物模型１０の重さが、実際の建物に基づいた振動質量に一致している必要がある。より詳細には、剛体部１１、鉛直支持材１２、補助腕木１３、抵抗部材１５に、付加質量１４を加えた総重量が、実際の建物に基づいた、振動評価上有効な質量（一般化質量）に一致しなければならない。付加質量１４は、建物模型１０の一般化質量を調整するものである。
一般化質量ｍＧは、建物の重さと、振動モード形により算定されるものであり、建物の鉛直方向Ｚにおける質量分布が例えば一定の値ｍ（ｋｇ／ｍ）であると仮定した場合に、次の数式１で表される。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
数式１において、Ｈは建物の鉛直方向Ｚにおける高さ（ｍ）、Ｍは建物全体の質量（ｋｇ）であり、ｍ＝Ｍ／Ｈで表される。
また、μ（Ｚ）は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれせん断型、直線分布型、及び曲げ型として示されるような、建物の鉛直方向Ｚにおける振動モード形である。βは、モード形の高さ方向分布のべき指数であり、μ（Ｚ）はβを用いて、μ（Ｚ）＝（Ｚ／Ｈ）βと表される。βが１の場合は図３（ｂ）に示されるような直線分布となる。
【００２２】
背景技術で説明したように、実際の建物においては、様々な要因により振動モードの高さ方向分布は第１方向Ｘと第２方向Ｙで異なることが多い。すなわち、例えば第１方向Ｘのべき指数をβＸ、第２方向Ｙのべき指数をβＸとは異なるβＹとしたときに、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸと第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹは異なる値となる。
したがって、本実施形態においては、第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々において個別に、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸと第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹの各々を基にして目標値を設定する。本実施形態においては、目標値は回転慣性質量、すなわち、一般化質量に揺動中心から重心までの距離の二乗を乗算したものである。そして、建物模型１０全体の回転慣性質量が第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々の目標値に近づき一致するように、建物模型１０の各部材の質量や設置位置を調整する。
【００２３】
目標値は、次のように設定される。まず、実際の建物と同じ比重を備え、形状寸法が剛体部１１と一致する、剛体部１１とは別の縮小模型を検討する。この縮小模型に対し、第１方向Ｘにおいては、第１方向Ｘの振動モード形を仮定し、この振動モード形を用いて数式１により縮小模型の第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸを計算する。更に、一般化質量ｍＧＸに第１方向Ｘにおける揺動中心から縮小模型の重心までの距離の二乗を乗算して第１方向Ｘの回転慣性質量を算出し、これを第１方向Ｘの目標値とする。
第２方向Ｙにおいても同様に、第２方向Ｙの振動モード形を仮定し、この振動モード形を用いて数式１により縮小模型の第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹを計算する。更に、一般化質量ｍＧＹに第２方向Ｙにおける揺動中心から重心までの距離の二乗を乗算して第２方向Ｙの回転慣性質量を算出し、これを第２方向Ｙの目標値とする。
【００２４】
上記のように設定された、第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々の目標値に、建物模型１０全体の第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々の回転慣性質量が一致するように、建物模型１０の各部材の質量や設置位置を調整することにより、建物模型１０を構成する。
次に、第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々における、建物模型１０の各部材の質量や設置位置の調整について説明する。
【００２５】
まず、図４を用いて、建物模型１０が第１方向Ｘに揺動する場合に関して説明する。図４（ａ）は、第２方向Ｙから建物模型１０を側面視した場合の説明図である。説明を簡単にするために、図４（ａ）においては建物模型１０の、特に剛体部１１、鉛直支持材１２、及び付加質量１４のみが模式的に図示されている。補助腕木１３は第２方向Ｙに延在するため、図４各図には図示されていない。また、鉛直支持材１２、補助腕木１３、及び抵抗部材１５は質量が０であるものと仮定する。
剛体部１１の質量をｍａ、付加質量１４の１つ分の質量をｍｅとする。これらの質量は、各部材の重心位置における集中質量であるものとした場合に、剛体部１１と付加質量１４の重心の各々と、鉛直支持材１２の揺動中心１２ａとの距離をそれぞれ、ｒａ、ｒｂとする。図４（ｂ）は、これらの関係を示す説明図である。
【００２６】
上記のように、空力振動実験装置１における建物模型１０は、揺動中心１２ａを中心として揺動する。したがって、空力振動実験装置１において設定される重量は、揺動中心１２ａ回りの回転慣性モーメントとなるため、揺動中心１２ａからの距離の二乗を乗じた一般化回転慣性質量により質量を設定すればよい。
すなわち、建物模型１０が第１方向Ｘに揺動する場合の回転慣性質量Ｉｘは、次の数式２により表される。本式において、付加質量１４側の項に対して２が乗じてあるのは、付加質量１４は、図４各図においては第２方向Ｙから建物模型１０を側面視しているために重なって１つとして表示されているが、実際には図１、図２に示されるように、２つが設けられているためである。
【００２７】
【数２】
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【００２８】
この数式２で表される回転慣性質量Ｉｘが、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸを基にした、第１方向Ｘの回転慣性質量の目標値に一致するように、各部材の質量や設置位置が調整される。
【００２９】
次に、図５を用いて、建物模型１０が第２方向Ｙに揺動する場合に関して説明する。図５（ａ）は、第１方向Ｘから建物模型１０を側面視した場合の説明図である。図４と同様に、図５（ａ）においては建物模型１０の一部のみが模式的に図示されている。補助腕木１３は第２方向Ｙに延在しており、付加質量１４は補助腕木１３によって鉛直支持材１２から離間されている。図４と同様に、鉛直支持材１２、補助腕木１３、及び抵抗部材１５は質量が０であるものと仮定する。
図５（ｂ）は、図４（ｂ）と同様に、各質量と距離の関係を示す説明図である。
【００３０】
図５の場合においても図４の場合と同様に、揺動中心１２ａからの距離の二乗を乗じた一般化回転慣性質量により質量を設定すればよい。ここで、図５の場合においては、各付加質量１４は、補助腕木１３によって鉛直支持材１２から一定の距離ｒｅだけ離れた位置に設けられている。したがって、揺動中心１２ａから付加質量１４までの距離は、図４に示される第１方向Ｘに建物模型１０が揺動する場合よりも長くなっている。
すなわち、建物模型１０が第２方向Ｙに揺動する場合の回転慣性質量Ｉｙは、次の数式３により表される。
【００３１】
【数３】
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【００３２】
この数式３で表される回転慣性質量Ｉｙが、第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹを基にした、第２方向Ｙの回転慣性質量の目標値に一致するように、各部材の質量や設置位置が調整される。
本実施形態においては、第２方向Ｙにおいては補助腕木１３によって付加質量１４の回転中心１２ａからの距離が長くなっているため、第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹは、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸよりも重く設定されている。
【００３３】
このように、空力振動実験装置１においては、水平方向の異なる第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの各々において、建物模型１０の振動質量が異なる値に設定されている。
より詳細には、建物模型１０の振動質量は、実験床Ｆを揺動中心として、すなわち実験床Ｆ近傍にジンバル３によって取り付けられた鉛直支持材１２の揺動中心１２ａを中心として、揺動中心１２ａと剛体部１１との間の距離と剛体部１１の質量、及び、揺動中心１２ａと付加質量１４との間の距離と付加質量１４の質量を基に、回転慣性質量を計算することにより決定される。
【００３４】
例えば、本実施形態のように第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹ（回転慣性質量Ｉｙ）を第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸ（回転慣性質量Ｉｘ）よりも重く設定する場合においては、次のように各部材の質量や設置位置を設定可能である。
まず、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々の、回転慣性質量の目標値を計算する。
次に、第１方向Ｘにおいて、建物模型１０全体の回転慣性質量が第１方向Ｘの目標値と一致するように、各部材の質量や設置位置を調整する。
更に、第２方向Ｙにおいて、建物模型１０全体の回転慣性質量が第２方向Ｙの目標値と一致するように、付加質量１４の鉛直支持材１２からの距離を調整する。
【００３５】
次に、上記の空力振動実験装置１の作用、効果について説明する。
【００３６】
上記のような構成においては、建物模型１０は実験床Ｆに対して揺動可能に設けられているため、揺動の中心１２ａから離れた位置の質量は、回転慣性モーメントとして作用する回転慣性質量であり、これは揺動中心１２ａからの距離に依存する。また、付加質量１４は、鉛直支持材１２に取付けられた補助腕木１３の両側に設置されている。
建物模型１０が、例えば水平面内の、補助腕木１３の延伸する第２方向Ｙと直交する第１方向Ｘに揺動する場合には、第１方向Ｘにおいては鉛直支持材１２と付加質量１４との距離が０であるため、揺動中心１２ａすなわち鉛直支持材１２と実験床Ｆの接合部からの付加質量１４までの距離は、鉛直支持材１２上の付加質量１４が設けられた位置までの実験床Ｆからの距離ｒｂである。これに対し、建物模型１０が、例えば水平面内の、補助腕木１３の延伸する第２方向Ｙに揺動する場合には、第２方向Ｙにおいては補助腕木１３により鉛直支持材１２と付加質量１４とが離間されているため、揺動中心１２ａからの付加質量１４までの距離は、鉛直支持材１２上の付加質量１４が設けられた位置までの実験床Ｆからの距離ｒｂと、補助腕木１３により離間されて設けられた鉛直支持材１２と付加質量１４の距離ｒｅとの、二乗和の平方根である。
すなわち、上記のような構成においては、水平方向の異なる第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの各々において、建物模型１０の振動質量、本実施形態においては一般化質量を異なる値に設定可能である。これにより、渦励振や空力不安定振動等の風振動の評価を正確に行うことが可能となる。
【００３７】
（実施形態の変形例）
次に、図６を用いて、上記実施形態として示した空力振動実験装置１の変形例を説明する。図６は、変形例の空力振動実験装置における建物模型２０の斜視図である。本変形例の建物模型２０においては、鉛直支持材１２の、補助腕木１３及び付加質量１４が設けられた位置よりも下方に、質量調整用の鉛直質量２１が設けられている点が異なっている。
鉛直質量２１の質量をｍｄ、揺動中心１２ａからの距離をｒｄとすると、回転慣性質量Ｉｘ、Ｉｙは、上記実施形態として数式２、数式３で表されていたものに対し、鉛直質量２１の回転慣性質量が更に加算された、次の数式４として表されるものとなる。
【００３８】
【数４】
2019002782.tif 000006
【００３９】
本変形例が、上記実施形態と同様の効果を奏することはいうまでもない。
本変形例においては、特に、建物模型２０がより多くの質量１４、２１を持つため、建物模型２０の回転慣性質量を目標値に設定する際の柔軟性が向上する。したがって、より容易に建物模型２０を設計することができる。
【００４０】
（変形例の実施例）
次に、上記変形例の実施例により、実際に建物模型２０の各部材の質量や設置位置の算定について説明する。本実施例においては、抵抗部材１５を除いた全ての部材が質量を有する場合を説明する。
建物としては、高さＨＲ＝２００ｍ、第１方向Ｘの長さＢＲ＝５０ｍ、第２方向Ｙの長さＤＲ＝３５ｍの、鉄骨造（比重ρ＝１８０ｋｇ／ｍ３）の高層建築物を対象とする。この場合には、実際の建物の重さは、次の数式５で表される。
【００４１】
【数５】
2019002782.tif 000007
【００４２】
まず、実際の建物と同じ比重を備え、形状寸法が剛体部１１と一致する、剛体部１１とは別の縮小模型により、目標値を算出する。目標値は、上記実施形態と同様に、縮小模型の第１方向Ｘと第２方向Ｙの各々における回転慣性質量である。
縮小模型として、上記の建物の１／５００の模型を製作する場合には、縮小模型の高さＨ＝２００／５００＝０．４ｍ、第１方向Ｘの長さＢ＝５０／５００＝０．１ｍ、第２方向Ｙの長さＤ＝３５／５００＝０．０７ｍとなるため、縮小模型の重さは、次の数式６で表される。
【００４３】
【数６】
2019002782.tif 000008
【００４４】
本実施例においては、第１方向Ｘ（強軸方向）の１次振動モード形を、図３（ｂ）に示される直線分布（βＸ＝１．０）と仮定する。また、第２方向Ｙ（弱軸方向）においては、図３（ｃ）に示される曲げ型で、βＹ＝１．２と仮定する。第１及び第２方向Ｘ、Ｙの各々における振動モード形μｘ（Ｚ）、μｙ（Ｚ）は、次の数式７で表される。
【００４５】
【数７】
2019002782.tif 000009
【００４６】
このとき、第１及び第２方向Ｘ、Ｙの各々における一般化質量ｍＧＸ、ｍＧＹは、数式１を基にすると、次の数式８で表される。
【００４７】
【数８】
2019002782.tif 000010
【００４８】
すなわち、この場合においては、次の数式９として表されるように、第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹは第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸの０．８８２倍となる。
本実施例においては、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸが数式６で示されるＭ＝０．５０４ｋｇに等しいものとする。この場合においては、第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹは数式９により０．５０４×０．８８２＝０．４４５ｋｇとなる。
【００４９】
【数９】
2019002782.tif 000011
【００５０】
このときの、第１及び第２方向Ｘ、Ｙの各々における回転慣性質量Ｉｘ、Ｉｙは、縮小模型の高さＨが０．４ｍであるから重心がその半分の高さａｒｍ＝０．２ｍに位置するものとすると、次の数式１０として表される。
【００５１】
【数１０】
2019002782.tif 000012
【００５２】
上記の回転慣性質量Ｉｘ＝０．０２０１６、Ｉｙ＝０．０１７７８が目標値となるように、建物模型１０の各部材の長さ、重さ、設置位置を設定する。
図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、建物模型２０の第１方向Ｘと第２方向Ｙの側面図である。図７において、剛体部１１、鉛直支持材１２、補助腕木１３、鉛直質量２１、付加質量１４の各々の重心が、各部材の中心に、点Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、Ｐｅとして示されている。剛体部１１、鉛直支持材１２、補助腕木１３、鉛直質量２１、付加質量１４の各々の重さをｍａ、ｍｂ、ｍｃ、ｍｄ、ｍｅとする。また、剛体部１１、鉛直支持材１２、補助腕木１３、鉛直質量２１、付加質量１４の各々の重心の、揺動中心１２ａからの鉛直方向Ｚの距離をａｒｍａ、ａｒｍｂ、ａｒｍｃ、ａｒｍｄ、ａｒｍｅとする。更に、揺動中心１２ａからの付加質量１４の距離、すなわち、ａｒｍｅと、補助腕木１３の中心から付加質量１４までの長さとの二乗和の平方根を、ａｒｍtotal-ｅとする。
このとき、回転慣性質量Ｉｘ、Ｉｙは次の数式１１として表され、これらがそれぞれ目標値０．０２０１６、０．０１７７８と一致するように、各々の重さや長さが設定される。
【００５３】
【数１１】
2019002782.tif 000013
【００５４】
図８は、上記の数式１１を満たすような、各部材の重さ、長さの設定例である。図８においては、第１及び第２方向Ｘ、Ｙの回転慣性質量の合計は、それぞれ０．０２０１４１、０．０１７７６となっており、目標値である０．０２０１６、０．０１７７８に非常に近く設定されている。
【００５５】
なお、本発明の空力振動実験装置は、図面を参照して説明した上述の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、その技術的範囲において他の様々な変形例が考えられる。
【００５６】
例えば、上記実施形態及び変形例においては、図２に示されるように、補助腕木１３は水平となるように設けられていたが、図９に示される建物模型３０のように、鉛直支持材１２への接続部を上端として、斜め下方向に延伸するように設けられていてもよい。このような場合であっても、付加質量１４の揺動中心１２ａからの距離は、上記実施形態と同様に、揺動中心１２ａからの付加質量１４までの第２方向Ｙにおける距離ｒｅと、鉛直方向Ｚにおける距離ｒｂを基に計算すればよい。
また、上記実施形態においては、第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹが第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸよりも重く設定されていたが、実施例で説明したように、第１方向Ｘの一般化質量ｍＧＸが第２方向Ｙの一般化質量ｍＧＹよりも重く設定されていてもよい。
【００５７】
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態及び変形例で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１                  空力振動実験装置        １３          補助腕木
１０、２０、３０    建物模型                １４          付加質量
１１                剛体部                  Ｆ            実験床
１２                鉛直支持材              Ｘ            第１方向
１２ａ              揺動中心                Ｙ            第２方向
【図１】
2019002782.tif 000014
【図２】
2019002782.tif 000015
【図３】
2019002782.tif 000016
【図４】
2019002782.tif 000017
【図５】
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【図６】
2019002782.tif 000019
【図７】
2019002782.tif 000020
【図８】
2019002782.tif 000021
【図９】
2019002782.tif 000022
【図１０】
2019002782.tif 000023