[論文レビュー] In Situ Experiment and Modelling of RC-Structure Using Ambient Vibration and Timoshenko Beam

Clotaire Michel, Stéphane Hans+2 more|ArXiv.org|Sep 26, 2007

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、現場での環境振動測定を用いて鉄筋コンクリート（RC）構造物の動的挙動を表現するため、簡略化されたティモシェンコ梁モデルを提案する。グルノーブルに位置する構造的に同種の3棟の建物から得られた18チャネルのデータに周波数領域分解（FDD）を適用することで、梁パラメータと固有振動数の間の全単射関係を確立し、実験的モード形状および高次モード周波数と強い一致を示すモデルの正確なキャリブレーションと検証が可能になった。

ABSTRACT

Recently, several experiments were reported using ambient vibration surveys in buildings to estimate the modal parameters of buildings. Their modal properties are full of relevant information concerning its dynamic behaviour in its elastic domain. The main scope of this paper is to determine relevant, though simple, beam modelling whose validity could be easily checked with experimental data. In this study, we recorded ambient vibrations in 3 buildings in Grenoble selected because of their vertical structural homogeneity. First, a set of recordings was done using a 18 channels digital acquisition system (CityShark) connected to six 3C Lennartz 5s sensors. We used the Frequency Domain Decomposition (FDD) technique to extract the modal parameters of these buildings. Second, it is shown in the following that the experimental quasi-elastic behaviour of such structure can be reduced to the behaviour of a vertical continuous Timoshenko beam. A parametric study of this beam shows that a bijective relation exists between the beam parameters and its eigenfrequencies distribution. Consequently, the Timoshenko beam parameters can be estimated from the experimental sequence of eigenfrequencies. Having the beam parameters calibrated by the in situ data, the reliability of the modelling is checked by complementary comparisons. For this purpose, the mode shapes and eigenfrequencies of higher modes are calculated and compared to the experimental data. A good agreement is also obtained. In addition, the beam model integrates in a very synthetic way the essential parameters of the dynamic behaviour.

研究の動機と目的

• 鉄筋コンクリート（RC）建物の動的挙動を簡略化しつつも信頼性の高い梁モデルとして表現すること。
• 構造的に同種の建物からの現場環境振動測定を用いて梁パラメータをキャリブレーションすること。
• 予測された固有振動数およびモード形状を実験データと比較することで、モデルの正確性を検証すること。
• モデル同定のため、梁パラメータと固有振動数分布の間の全単射関係を確立すること。
• 最小限の複雑性で高次モードの動的挙動を的確に捉えるモデルの能力を示すこと。

提案手法

• 18チャネルのデジタル取得システム（CityShark）を用い、6台の3C Lennartz 5sセンサーを用いて現場での環境振動測定を実施した。
• 環境振動データから固有振動数やモード形状などのモードパラメータを抽出するために周波数領域分解（FDD）を適用した。
• 鉄筋コンクリート構造物の準弾性的動的挙動を表現するため、垂直連続ティモシェンコ梁モデルを構築した。
• ティモシェンコ梁のパラメータスタディを実施し、梁パラメータと固有振動数分布の間の全単射マッピングを確立した。
• モデル忠実度を確保するため、実験的固有振動数系列を用いて梁パラメータをキャリブレーションした。
• 予測された高次モード固有振動数およびモード形状を測定データと比較することで、キャリブレーション済みモデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境振動データに基づいて、ティモシェンコ梁モデルは鉄筋コンクリート（RC）構造物の動的挙動を的確に表現できるか？
• RQ2 ティモシェンコ梁パラメータとRC構造物の固有振動数分布との間に一意で全単射の関係が存在するか？
• RQ3 キャリブレーション済みティモシェンコ梁モデルは、実験的測定値と整合性の高い高次モード形状および周波数をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 現場での環境振動測定データのみから、モデルパラメータを信頼性高く推定する方法は何か？
• RQ5 簡略化された梁モデルは、最小限の複雑性でRC構造物の重要な動的特性を効果的に捉えることができるか？

主な発見

• ティモシェンコ梁パラメータと固有振動数分布の間の全単射関係が確立され、実験データから一意なパラメータ同定が可能になった。
• キャリブレーション済みティモシェンコ梁モデルは、固有振動数およびモード形状の両方において実験データと強い一致を示した。高次モードに対しても同様の一致が得られた。
• 環境振動測定とFDD処理のみを用いて、3棟のRC建物の準弾性的動的挙動を効果的に再現できた。
• パラメータスタディの結果、測定された固有振動数の系列から梁パラメータを信頼性高く推定できることを確認した。
• 予測されたモード形状と測定データの比較による検証により、モデルの正確性と頑健性が裏付けられた。
• 本研究では、最小限のデータで、単純なティモシェンコ梁モデルが複雑なRC構造物を高い忠実度で効果的に表現できることを示した。