[論文レビュー] Time-frequency analysis of Transitory/Permanent frequency decrease in civil engineering structures during earthquakes

Clotaire Michel, Philippe Guéguen|Mar 12, 2008

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 11被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、地震時の構造物における一時的および持続的周波数シフトを調査するために、再割り付けられた滑らか化擬似Wigner-Ville分布を用いた時間周波数解析を採用している。その結果、強い地面の振動が生じると、土木構造物と土壌の相互作用による損傷が原因で、共鳴周波数が急激に低下し、その後ゆっくりと回復する傾向が示された。一方、弱い地震では、周波数の変化が構造物の損傷ではなく、地面の振動スペクトルに起因していることが明らかになった。

ABSTRACT

The analysis of strong motion recordings in structures is crucial to understand the damaging process during earthquakes. A very precise time-frequency representation, the reassigned smoothed pseudo-Wigner-Ville method, allowed us to follow the variation of the Millikan Library (California) and the Grenoble City Hall building (France) resonance frequencies during earthquakes. Under strong motions, a quick frequency drop, attributed to damage of the soil-structure system, followed by a slower increase is found. However, in the case of weak earthquakes, we show that frequency variations come from the ground motion spectrum and cannot be interpreted in terms of change of the soil-structure system.

研究の動機と目的

• 強震および弱震の下での構造物の共鳴周波数の変化を、高度な時間周波数解析を用いて調査すること。
• 実際の構造的損傷による周波数変化と、地面の振動特性に起因する周波数変化を区別すること。
• 構造物の健全性を示す指標としての周波数シフトの信頼性を評価すること。
• 再割り付けられた滑らか化擬似Wigner-Ville分布が、一時的な周波数ダイナミクスを捉える性能を評価すること。
• 地震中の周波数低下が、土壌-構造系における一時的変化か、恒久的変化かを特定すること。

提案手法

• 強震記録の高分解能時間周波数表現を得るために、再割り付けられた滑らか化擬似Wigner-Ville分布を適用すること。
• カリフォルニア州のミルキラン図書館およびフランスのグルーノ市役所の地震イベント中の加速度データを分析すること。
• 時間周波数表現を用いて、構造物の支配的共鳴周波数のリアルタイム変化を追跡すること。
• 強震と弱震の励振条件下での周波数変化を比較し、システム固有の影響と地面の振動スペクトル内容を分離すること。
• 時間周波数表現の時間的変化に基づいて、一時的および持続的周波数シフトを特定すること。
• 観察された周波数変化と既知の地震の規模および構造応答特性を相関させることで、結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地震中における一時的および持続的共鳴周波数低下の原因は何か？
• RQ2 観察された周波数シフトは、土壌-構造系の実際の損傷と、地面の振動スペクトル特性のどちらに起因しているか、その程度はいかほどか？
• RQ3 再割り付けられた滑らか化擬似Wigner-Ville分布は、構造応答における時間変動する周波数成分をどの程度正確に解像できるか？
• RQ4 弱い地震における周波数変化は、構造的損傷の兆候か、それとも入力地面の振動による変調の結果か？
• RQ5 周波数シフトの時間的変化を用いることで、逆転可能な変化と不可逆的な構造的変化を区別できるか？

主な発見

• 強い地面の振動の間、共鳴周波数が急激に低下する傾向が観察され、これは土壌-構造系における一時的損傷または剛性低下を示している。
• 初期の低下の後、周波数がゆっくりと回復する傾向が観察され、これは剛性または減衰特性の徐々な回復を示唆している。
• 弱い地震では、周波数の変化が構造的損傷ではなく、地面の振動スペクトルと相関していることが判明し、システムの恒久的変化がないことを示している。
• 再割りつけられた滑らか化擬似Wigner-Ville手法により、高分解能の時間周波数解析が可能となり、地震イベント中の周波数変化の精密な追跡が可能になった。
• 本研究では、強い揺れ中の周波数低下が地面の振動によるものに限らないことが確認され、土壌-構造相互作用の実際の変化を示していることが判明した。
• 分析対象の構造物では、持続的周波数シフトは観察されず、地震後には動的特性が主に回復していることが示唆された。