東急建設技術研究所報 No. 48

U.D.C 624.07

連続振動観測における構造物の振動特性評価―その 4 温湿度変動が高層 SRC・低層 S 造建物の振動特性に及ぼす影響―
知念

要輝＊

千葉一樹＊

伊丹十夢＊

豊嶋学＊

約： 近年，地震や台風といった大規模な自然災害などの緊急事態への対応として企業を中心に BCP 対応が求められるようになっている。BCP 策定に際し，振動分野では構造物の構造健全性診断を目的とした技術開発が盛んに行われている。中でも加速度計測による振動モニタリングは，構造物全体の振動特性変化を評価することができるため，構造健全性に関する状態監視への活用が期待されてきた。振動特性は外部因子による影響を受けることが報告されており，外部因子の影響を考慮することで，振動特性変化の評価及び診断精度の向上につながる。
本研究では，高層 SRC 造建物および低層 S 造建物の観測記録を対象に，気象情報から温湿度の年間変動及び日変動を外部因子として，固有振動数・減衰定数への影響を分析している。高層 SRC 造建物では，年間を通して振動特性に変動が見られ，固有振動数と気温・湿度に相関性が確認出来たが，日変動では相関性が確認出来なかった。低層 S 造建物では，年間を通して振動特性に変動が見られ，固有振動数と気温の間に顕著な負の相関関係が確認され，日変動でも同様の相関性が見られた。固有振動数と湿度の関係は，年間変動と日変動で逆の傾向を示すことから，相関性が無い可能性を示した。

キーワード： 連続解析，温度依存，固有振動数，減衰定数，SRC 造，S 造
目

次： 1．はじめに

5．日変動による振動特性の温度変化について

2．観測概要6．まとめ

3．観測記録

7．今後の課題

4．長期的な観測による振動特性の季節変動について
1．‌はじめに3．‌観測記録

構造物の健全性を加速度センサにより監視する構造ヘル

本論文では，4 章にて長期的な観測による建物の振動性スモニタリングシステムの普及が進んでいる。加速度セン状の変動について考察を行い，5 章にて 1 日の観測記録にサにより振動特性の変化を評価することが出来るため，状よる短期間での振動性状の変動を考察する。

態監視の役割を期待されている。しかしながら，建物の振長期的な観測には高層 SRC 造建物の 2016 年 9 月から動特性は外部因子による影響を受けることが報告されてお2021 年 12 月，低層 S 造建物の 2017 年 12 月から 2021 年

り 1），外部因子の影響を明らかにすることで振動特性の評12 月のデータを選定した。時系列変化を確認する為，毎価精度の向上につながる。本研究では，複数の建物に加速

日午前 1 時から午前 4 時の深夜帯に 1 時間おきに 45 分間度計を設置し地震及び常時微動の観測を行っている。本論実施した観測記録を対象に分析をした。

文では温湿度が高層 SRC 造建物および低層 S 造建物に与分析手法については地階を入力として算定した各観測階える影響について，観測記録を用いて評価を行う。評価はの伝達関数を対象に，多点参照・多自由度偏分反復法によ

長期的な計測による年間の温湿度の変動と振動性状変化，るシステム同定を行い，同定次数は 2 次までとした。デー

短期の計測記録による 1 日の温湿度変動による振動性状変タ分析に用いる気象データは対象建物に最も近い気象庁 6）化について行う。の観測サイトデータを参照した。

なお，本論文は 2020 年度の東急建設技術研究所報にて報告した内容 2）, 3），2022 年度日本建築学会大会（北海道）4．‌長期的な観測による振動特性の季節変動について観測対象建物周辺の外部環境の変化を把握する為，観測に投稿した内容 4）に加筆・修正し再構成した。

サ イ ト デ ー タ に よ る 温 湿 度 の 時 系 列 変 化 及 び Hanning2．‌観測概要

Window を用いて移動平均した結果を図 1 に示す。両観測点において，温湿度の時系列は同様の傾向を示し，気温は本論文では，その 1 と同様の高層 SRC 造建物および
5）

8 月頃で最高気温となり，1 月頃に最低気温になり，湿度は低層 S 造建物を対象とする。

気温に比べばらつきはあるが，6～9 月頃に湿度が高く，12月～3 月頃に湿度が低い傾向が確認出来る。時系列変化よ＊技術研究所

振動音響グループ31

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り，温湿度変化は概ね同様の傾向にあることが確認出来る。

下のものを用いた。

季節変動による温度と湿度の変化が概ね同様の傾向を示

図 5～図 8 に高層 SRC 造建物の固有振動・減衰定数とし，どちらが振動特性に影響を与えているのか区分するこ

気温・湿度の関係を示し，図 9～図 12 に低層 S 造建物のとが難しい。そこで，振動特性との比較の指標とするた固有振動・減衰定数と気温・湿度の関係を示す。図 5～図め，温度と湿度の対応関係を明確にする。温度と湿度の対

6，図 9～図 10 の太線は 0.1℃刻みで前後 1℃にあるデータ応関係を図 2 に示す。図 2 の太線は湿度 1% 刻みで前後の移動平均を示し，細線はその標準偏差を示している。図5% にあるデータの平均を示す移動平均を示し，細線はそ7～図 8，図 11～図 12 の黒線は図の太線は湿度 1% 刻みでの標準偏差を示している。気温と湿度は概ね二次曲線的な前後 5% にあるデータの移動平均を示し，細線はその標準正比例の関係であるが，湿度 80% を超えるとやや気温が偏差を示している。

下がる傾向がみられる。

また，表 1 に図 5～図 8 の気温及び湿度と振動数及び減

図 3，図 4 にシステム同定より同定した固有振動数及び衰定数との間の一次式による相関係数を求めた結果を示

減衰定数の時系列変化を示す。観測記録の変形量は風速のす。数値は－1 から＋1 の値をとり，－1 に近いほど負の影響を受けており，風速が大きい場合は変形量が大きくな相関性があり，＋1 に近いほど正の相関性があることを示る。その 1 より，変形量により振動性状が変化することがしている。また，0 に近い場合は相関性が低いことを示確認されている。変形量の差が評価に影響を与えないよう，全観測期間の風速が中央値以下の結果を抜粋し，Hanning
Window を用いて移動平均した結果を併せて示す。
固有振動数及び減衰定数は周期的な変動が認められ，おおよそ 1 年周期で変動していることが確認できる。変動値
は各年によって少し異なるが，概ね一定の範囲内での変動を繰り返している。温湿度の変化と同様に，年間で周期的に変動していることから，この変動は，周辺の温湿度等の変動によるものであり，季節変動と考えられる。
季節変動についてより詳細に検討する為，温度及び湿度について，それぞれと振動性状との関係性を求めた。使用するデータは変形量の影響を排除する為，風速が中央値以

図1

図2

温湿度の時系列変化

32

温湿度関係

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す。ここでは，±0.5 程で相関性あり，±0.8 程で強い相関響を受けているものと考えられる。

性があると判断する。

気温との比較では，固有振動数は各方向及び各次数にお4.1 高‌ 層 SRC 造建物

いて，気温の上昇に伴い減少する傾向が見られた。気温が固有振動数は各方向各次モードにおいて，8 月付近で極低い程気温差の影響が大きく，気温が高い程気温差の影響大となり，2 月付近で極小となる傾向が見られた。

が小さいように見られ，特に長辺方向でその傾向が確認出

減衰定数は短辺方向 2 次モードが 8 月付近で極小，2 月来 る。 相 関 係 数 は， 短 辺 方 向 1 次 で 0.81， 短 辺 2 次 で付近で極大となり，長辺方向 2 次モードが 8 月付近で極0.86，長辺方向 1 次で 0.79，長辺方向 2 次で 0.89 となり，大，2 月付近で極小となる傾向が見られた。1 次モードは強い負の相関性がみられる。また，2021 年のプロットが2 次モードに比べて減衰定数の分布がばらついており明確平均値よりもやや小さい傾向にあり，2020 年以前と比べな傾向は見られない。

建物の振動数がやや低下したと考えられる。

気温との比較では，固有振動数は各方向及び各次数に対減衰定数は，方向や次数によって傾向が異なるが，概ねして，気温の上昇に伴って増加する傾向が見られた。ただ気温が増加すると減少する傾向がみられる。短辺方向 1

し，短辺方向は 5～10℃付近の固有振動数が最小であり，次，長辺方向 2 次では 5～10℃付近で減衰定数の最大値を20～25℃付近で最大となった。長辺方向においても，10℃とり，そこから離れるほど減衰定数が低下する傾向がみら

以下はほぼ横ばいで緩やかな増加が認められるが，単調なれる。気温との相関関数は，短辺方向 1 次で－0.35，短辺増減関係ではない。この傾向は，図 2 の温湿度関係図の傾方向 2 次で－0.09，長辺方向 1 次で－0.47，長辺方向 2 次向と近い。固有振動数が最大値である 20～25℃付近は最で－0.56 となり，短辺方向 2 次を除いて若干の負の相関性

高気温時よりも湿度が高くなっていることから，湿度のがみられる。

影響が表れているのではないかと考えられる。相関係数

湿度との比較では，固有振動数は湿度 40% 以下程度では，短辺方向 1 次で 0.51，短辺 2 次で 0.57，長辺方向 1 次は湿度の上昇に伴い増加，40% を超えると減少を始め，で 0.50，長辺方向 2 次で 0.44 となり，やや相関性がみら90% を超えると増加する傾向が見られた。この傾向は，れる。

温湿度関係図の傾向の正負を反転させたものと近い。気温減衰定数は，方向や次数によって傾向が異なり，短辺方との強い相関が見られたことを考慮すると，気温との相関

向 2 次及び長辺方向 1 次は単調減少，長辺方向 2 次は気温関係が温湿度の関係により現れた結果ではないかと考えらと同様に 10℃付近が最小となり，温度増加により増加すれる。相関係数は，短辺方向 1 次で－0.50，短辺 2 次でる傾向であった。相関係数は，短辺方向 1 次で 0.02，短辺－0.53，長辺方向 1 次で－0.52，長辺方向 2 次で－0.64 で2 次 で－0.43， 長 辺 方 向 1 次 で－0.16， 長 辺 方 向 2 次 である。負の相関性がみられるが，気温に比べると相関性は0.36 とばらつきがみられ，相関性は低い。

低い。

湿度との比較では，固有振動数は湿度の増加に伴い概ね減衰定数は，湿度の増加に対しわずかに減少する傾向を単調増加の傾向が見られる。相関係数は，短辺方向 1 次で示した。相関係数は，短辺方向 1 次で－0.19，短辺 2 次で0.40，短辺 2 次で 0.47，長辺方向 1 次で 0.39，長辺方向 2－0.07，長辺方向 1 次で－0.29，長辺方向 2 次で－0.32 で次で 0.36 である。緩い相関性がみられるが，気温に比べある。

ると相関性は低い。

気温が建物の振動性状に影響を与える要因としては，熱減衰定数は，方向や次数によって傾向が異なり，短辺方膨張による接合部への影響や部材の温湿度による変化等が向 2 次は単調減少，長辺方向 2 次は単調増加傾向であっ考えられるが，正確な要因については不明である。

た。 相 関 係 数 は， 短 辺 方 向 1 次 で 0.029， 短 辺 2 次 で－SRC 造建物，S 造建物共に気温による振動性状の変動が0.26， 長 辺 方 向 1 次 で－0.08， 長 辺 方 向 2 次 で 0.24 で あ認められ，S 造建物での変動が顕著に表れることが確認でる。気温と同様に相関性は低い。

きた。これらは周期的に変動していることから，季節変動時系列変化及び相関係数より，固有振動数は気温と湿度により振動特性が変化することを考慮することで，建物どちらの影響も受けているのではないかと思われる。一の振動特性の変化をより精度よく評価することが期待で方，減衰定数は時系列データより周期的な変化は確認出来きる。

たが方向や次数による傾向の違いが見られた。傾向の違い
がばらつきによるものか，建物の性質によるものかは確認出来なかった。
4.2

表1‌低層 S 造建物

固有振動数，減衰定数共に各方向及び各次数において，8 月付近で極小となり，1 月付近で極小となる傾向が見られた。SRC 造建物に比べ季節変動の影響を明確に確認することが出来る。毎年 6～7 月頃の梅雨の時期に短期間，固有振動数及び減衰定数の増加がみられる。気象情報との比較より，梅雨は気温が低くなりやすい為，季節変化の影

33

気象変動-振動性状における相関係数

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図3

振動特性の時系列変化（高層 SRC 造建物）34

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図4

振動特性の時系列変化（低層 S 造建物）35

東急建設技術研究所報 No. 48

図5

気温-固有振動数関係（高層 SRC 造建物）

図6

気温-減衰定数関係（高層 SRC 造建物）図7

湿度-固有振動数関係（高層 SRC 造建物）

図8

湿度-減衰定数関係（高層 SRC 造建物）36

東急建設技術研究所報 No. 48図9気温-固有振動数関係（低層 S 造建物）

図 10

気温-減衰定数関係（低層 S 造建物）

図 11

湿度-固有振動数関係（低層 S 造建物）

図 12

湿度-減衰定数関係（低層 S 造建物）37

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5．‌日変動による振動特性の温度変化についてきており，気温変動に対して振動特性の感度が高いと考え

4 章では，年間記録の分析により，対象建物 2 棟で季節られる。一方，湿度と振動数は，長期観測では正の相関を変動と考えられる振動特性の変化を確認した。本章では，示していたが日変動では反比例関係にある。関係性が一致より短い期間での温度変化を対象とし，振動特性の変化としないことから，長期計測時の相関性は気温によるもの比較を行う。季節変動の極値は概ね 1～2 月と 7～8 月にあであり，湿度と振動性状の間には相関性が無いことが考るため，日変動の検討では気温の違いを考慮し，季節変動えられる。外気温の変化と振動性状の変化が連動していの極値付近とその中間の 4～5 月を対象とする。2019 年かることから，観測記録を用いた振動性状の評価の際は外ら 2021 年の各年 3 日間，合計 9 日間を対象とする。

気温を考慮することにより精度を向上することが考えら解析する日付の条件を以下に示す。

れる。

・建物使用者による影響を排除するため休日とする。
6．‌まとめ・降雨・積雪による影響を排除する為，気象庁データにおける晴れ・曇り表記のデータを使用する。

本論文では，高層 SRC 造建物および S 造建物を対象と・1 日の平均風速 4.0 m/s 未満とする。上記条件を満たすした連続振動観測結果を用いて気象変動による建物の振動日付の中から，1 日の気温変動の大きい日を選んだ。対特性の変動に関する分析を行った。

象日時と気象情報を表 2 に示す。最低気温は 0℃，最高時系列データより，各建物において季節変動の影響を確

気温は 35℃，1 日の気温差は 10℃程度である。解析方

認出来た。季節変動は各建物共に 7～8 月頃と 1～2 月頃を

向は高層 SRC 造建物では短辺方向，低層 S 造建物では極値とした変動をしていることを示した。

長辺方向を対象とする。

高層 SRC 造建物では，固有振動数は概ね温湿度と相関

図 13，図 14 にシステム同定より同定した固有振動数，関係が見られた。気温との関係は気温 10℃付近で最小，減衰定数と温湿度の時系列変化図を示す。相対湿度は気20～25℃で最大となり，単純な相関関係ではないことを示

温上昇により低下し，気温と湿度は反比例関係となってし，湿度による影響の可能性を示した。減衰定数はばらついる。

きが大きく温度依存性はほとんど確認出来なかったが，25.1‌高層 SRC 造建物次モードにおいて季節変動を確認することが出来た。

図 13 より，1 次固有振動数は，1.05～1.15 Hz の間を変低層 S 造建物では，固有振動数は気温と顕著な負の相動している。年間の温湿度変化に対しては振動性状の変化関関係であることを確認できた。減衰定数はばらつきが大がみられたが，温湿度の日変動との間にはほとんど相関性きいが同様に負の相関を確認できた。

は見られない。日変動では相関性がみられないことから，日変動データからは，高層 SRC 造建物では一日の気温観測する時間帯による振動性状への影響は少ないことがわ

差と振動性状の変化に相関性が見られないことから，短期かる。

的な気温変動に対しての感度が低い可能性を示した。ま相関性が見られない理由としては，2 つの要因が考えらた，温湿度双方の固有振動数への影響が打ち消しあった可れる。1 つは，構造・材質の特性により短期的な温湿度変能性を示した。

化に対しては感度が低い可能性である。高層建物である

低層 S 造建物においては，時系列データの分析と同様，為，部材寸法が大きいことやコンクリートによる熱容量の気温の日変動と振動性状には相関性が見られ，感度良く対大きさ等により，短期的な温湿度変化の影響が少ないこと応することが確認された。湿度の日変動と固有振動数の変が考えられる。

化の関係は，年間の湿度と固有振動数の関係と逆の傾向を

2 つめは，気温・湿度双方と固有振動数に正の相関関係示し，湿度の変化と振動性状の変化との間には関連性が無があり，温湿度の日変動は概ね反比例関係であることかいことを示した。

ら，互いの固有振動数への影響が打ち消しあった可能性である。
減衰定数は，日変動に対するばらつきが大きく，明確な相関関係は把握出来なかった。
5.2 低‌ 層 S 造建物

表2

図 14 より，1 次固有振動数は，おおむね 2.1～2.3 Hz の間を変動している。1 日の気温の変化と振動数の間には，年間の気温変化と同様に気温が高いほど固有振動数が低くなる傾向が表れており，夜間は固有振動数が大きく，昼間は固有振動数が小さくなる。また，気温変動と固有振動数の変化がほとんど同時刻に起きている。減衰定数においても固有振動数に比べ変動は小さいが，温度変化によると思われる変動がみられ，気温が高いほど低下する傾向が確認できる。減衰定数の変化も気温変動とほとんど同時刻に起38

対象日時及び気象情報

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図 13

高層 SRC 造建物における 1 次固有振動数及び 1 次減衰定数と温湿度の時刻歴

図 14

低層 S 造建物における 1 次固有振動数及び 1 次減衰定数と温湿度の時刻歴39東急建設技術研究所報 No. 48

7．‌今後の課題らの影響を明らかにするため，温湿度環境の違いによる材建物の振動性状に及ぼされる影響について分析を行い温料特性変化に関する材料試験や接合部試験を行う必要性が湿度との相関性を明らかにすることが出来たが，構造種別想定される。また，観測建物により違いがあることから，による違いがあり，関係性の把握には至っていない。

異なる構造種別，規模の建物の観測に基づく調査を進め，温湿度により振動性状が変化する要因としては，材料特様々な条件で得られた知見を統合することで，外部因子が性の変動，部材の膨張・縮小による接合部への応力変化等建物の振動性状に与える影響を明らかにし，モニタリングの影響，RC 部材の膨張・収縮によるひび割れへの影響，システムにおける振動性状評価の精度向上につなげる。

仕上げ材及び仕上げ材取付部の影響等が考えられる。これ謝辞
本論文その 3，その 4 で使用しました観測データについて，長期間の観測にご協力いただきました建物所有者様及び管理者様に感謝申し上げます。また本研究実施に当たり，東急プロパティマネジメント株式会社・イッツコミュニケーションズ株式会社，東急リニューアル株式会社が参画されている施設安全研究会にて貴重な意見交換をさせて頂きました。ここに記して謝意を示します。
参考文献
1）鼻山智貴，大野晋，他 2 名：長期連続観測に基づく鉄筋コンクリート造建築物の地震時および通常時における振動特性の変動・
日本建築学会技術報告集，第 23 巻，第 55 号，2017 年 10 月
2）伊丹十夢，知念輝他 2 名：連続振動観測における構造物の振動特性評価―その 1 高層鉄骨鉄筋コンクリート造建物―・東急建設技術研究所報 No. 46, pp. 51-56, 2021 年 1 月
3）知念輝，伊丹十夢他 2 名：連続振動観測における構造物の振動特性評価―その 2 低層鉄骨造建物―・東急建設技術研究所報No. 46, pp. 57-62, 2021 年 1 月4）知念輝，千葉一樹他 2 名：外部因子による構造物の振動特性変化に関する研究 その 2

高層 SRC・低層 S 造建物の気温日変動が振動特性に及ぼす影響・日本建築学会大会（北海道），2022 年 9 月5）千葉一樹：東急建設技術研究所報 No. 48，2023 年 1 月6）気象庁：https://www.jma.go.jp/jma/menu/menureport.html

EVALUATION OF VIBRATION CHARACTERISTICS OF STRUCTURES USING CONTINUOUS
OBSERVATION PART. 4 EFFECTS OF TEMPERATURE FLUCTUATIONS ON VIBRATIONCHARACTERISTICS OF HIGH-RISE SRC BUILDING AND LOW-RISE S BUILDING
A. CHINEN, K. Chiba
T. Itami, M. TOYOSHIMA
In recent years, business continuity plan（BCP）support has been required mainly by companies as a response toemergencies such as large-scale natural disasters such as earthquakes and typhoons. In formulating a BCP, in the fieldof vibration, technological development aimed at diagnosing the structural integrity of structures is being activelypursued. Vibration monitoring using acceleration measurement can evaluate changes in vibration characteristics of theentire structure. This has been expected to be used for condition monitoring related to structural health. It has beenreported that vibration characteristics are influenced by external factors. Considering the influence of external factors
leads to evaluation of changes in vibration characteristics and improvement of diagnostic accuracy. In this study,
observation records of high-rise SRC buildings and low-rise S buildings are targeted. The effects on the natural
frequency and damping constant are analyzed using the annual and daily fluctuations in temperature and humidity asexternal factors. In high-rise SRC buildings, fluctuations in vibration characteristics were observed throughout theyear, and a correlation was confirmed between natural frequency and temperature and humidity. On the other hand, nocorrelation was found between the daily variation in temperature and humidity and the vibration characteristics,
suggesting the possibility that the sensitivity of the vibration characteristics to the daily variation in temperature andhumidity is low. In the low-rise steel building, fluctuations in vibration characteristics were observed throughout theyear, and a significant negative correlation was confirmed between natural frequency and temperature. A similarcorrelation was found between the diurnal temperature fluctuation and the natural frequency, indicating that thevibration characteristics respond well to short-term temperature fluctuations.

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