軽量大スパン屋根に働く非定常空気力による空力剛性・空力減衰とその荷重評価

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本年度は，強制加振法と自由振動法によって屋根の空力安定性の評価を行った。数値流体解析および風洞実験においては気流の乱れのない一様流と自然風を模擬した境界層乱流を用いた。強制加振法では，対称一次モードと逆対称一次モードで振動する屋根における基本的な風圧特性を調べるとともに，屋根に作用する空力剛性・空力減衰といった非定常空気力特性を明らかにし，屋根の動的応答の評価を行った。また，屋根の空力不安定振動の発生条件を構造減衰と空力減衰の関係による手法と屋根のエネルギー収支による手法の2種類の手法を用いて検討した。これらの結果によると，いずれの評価方法を用いた場合でも，気流の乱れ強さが大きいほど空力不安定振動が発生しにくく，円弧屋根を有する建築物では空力不安定振動が発生しにくいことが明らかとなった。自由振動法では，風洞実験と数値流体解析を用いた検討を行った。風洞実験では，数値流体解析と同様，気流の乱れが屋根の応答に及ぼす影響を明らかにするために，一様流と境界層乱流の2種類の気流を用いた。屋根の応答は，風速が大きくなるほど屋根の変位は大きくなるが，実験の範囲内では，屋根の振動は非定常空気力によるものではなく，接近流の乱れによる成分と流れの剥離による成分によってもたらされた。数値流体解析では，流体－構造連成効果を考慮するために，時々刻々とした屋根の形状変化を考慮した流体―構造連成解析(FSI解析)を行った。FSI解析で適切な相似条件を用いて解析を行った場合でも，強制加振解析で得られるような空力不安定振動の発生条件で空力不安定振動は発生しなかった。これは，屋根の静的変形が屋根を空力的に安定化させたためと考えられる。以上の検討より，本研究では，様々な屋根形状を有する大空間構造物の空力不安定振動の発生風速を示すだけでなく，屋根の静的変形を考慮する必要があるという新しい知見も得られた。