構造物の地震時の応答をシミュレートするオンライン地震応答実験(以下,オンライン実験)は,加力実験部分および数値計算部分から構成される。加力実験部分においては,試験体を数値計算部分で算定された目標の変形に達するまで加力し,その際の復元力を測定する。数値計算部分においては,この復元力データに基づいて,質点やフレーム等の解析モデルの応答を数値積分法を用いて計算し,次のステップの試験体の変形を予測する。オンライン実験では,以上の操作を繰り返すことにより,試験体の地震応答を擬似的に実現する。すなわち,静的加力実験装置とコンピュータを用いて,擬似的ではあるものの,比較的容易に構造物の動的挙動を把握できる。この利点から,オンライン実験は構造物の動的な特性を検討する上で,極めて有効な手法として注目されている。

　オンライン実験においては,加力装置の変位制御精度の限界により,加力実験部分で試験体に変形を強制する際に目標の変形と試験体の到達変形との間に誤差が発生する。この誤差を変位制御誤差と定義する。変位制御誤差には試験体の変形が目標の値に到達しないアンダーシュート誤差と,逆に,目標の値を超えるオーバーシュート誤差がある。これらの変位制御誤差はオンライン実験によって得られる試験体の応答に影響を及ぼす要因となる。従って,オンライン実験によって構造物の地震応答をより正確に把握するためには,加力実験部分で発生する変位制御誤差が試験体の応答に及ぼす影響を把握し,この変位制御誤差の影響を排除する必要がある。

　本研究では,オンライン実験の精度向上を目的として,加力実験部分で発生する変位制御誤差が応答に及ぼす影響を検討する。そして,変位制御誤差の対策を提案し,その有効性を検証する。

　本研究においては,まず,粘性減衰定数を変動因子としたオンライン実験"RC-OLシリーズ"を実施した。この実験はオンライン実験において数値計算部分で仮定する粘性減衰が試験体の応答に及ぼす影響を検討することを目的とし,粘性減衰定数を0%,1%および3%とした3セットの実験を実施した。この実験では図-1に示す4体の鉄筋コンクリート造柱を含む骨組を試験体とした。なお,この実験に先立ち,同一仕様の試験体を用いた振動台実験が行われている。

図-1 "RC-OLシリーズ"の試験体

　オンライン実験の結果を検討したところ,粘性減衰定数の相違により応答が異なっており,数値計算部分で仮定する粘性減衰が試験体の応答に多大な影響を及ぼすことを確認した。更に,質点モデルの弾塑性応答解析および振動台実験の結果との比較から,各オンライン実験ともに,加力実験部分においてアンダーシュート誤差が発生しており,試験体の応答がアンダーシュート誤差の影響によって増幅されていることを明らかにした。

　この実験から,オンライン実験によって構造物の動的応答を精度良く把握するためには,数値計算部分で仮定する粘性減衰項を的確に評価する必要があることを確認した。更に,この前提として,オンライン実験において加力実験部分で発生する変位制御誤差が試験体の応答に及ぼす影響を正確に把握し,排除する必要があることを明らかにした。

　変位制御誤差が応答に及ぼす影響を評価するために,弾性系の質点モデルを想定し,振動理論を用いて変位の変動を考察した。この時,変位制御誤差に替えて,質点の到達変位と目標変位の差分である変位誤差に基づいて理論を展開した。変位誤差による質点の変位振幅の変動量算定式を以下に示す。

　この式から,変位誤差の大きさ,質点の振動サイクル数および粘性減衰に応じて応答が変動することを確認した。また,質点モデルの弾塑性応答解析から,この算定式は塑性化に応じて剛性が劣化する剛性劣化型の系に対して,変位誤差による試験体の変位の変動の上限を表すことを明らかにした。この変位誤差による質点の変位振幅の変動量算定式を用いることによって,オンライン実験において発生する変位制御誤差の影響を簡略に評価することができる。変位制御誤差が応答に及ぼす影響を無視できない場合には,その影響を抑制しなければならない。

　変位制御誤差が応答に及ぼす影響を抑制する方法として,本研究では,復元力線形補間法の導入を提案する。復元力線形補間法とは,加力実験部分において目標変位点を超える,すなわち,オーバーシュートするまで試験体を加力し,目標変位点前後で測定した復元力を線形補間することによって目標変位点の復元力を算定する手法である。この復元力線形補間法を導入することにより,オンライン実験の数値計算部分において,より正確な試験体の復元力に基づいて応答計算が行えることから,変位制御誤差が応答に及ぼす影響を抑制することが可能となる。ここで提案した復元力線形補間法は,特別な装置を必要とせず,従来のオンライン実験のシステムに容易に適用できることから,変位制御誤差の影響を抑制する方法として有望であると推察される。

　上記の復元力線形補間法の有効性を検証するために,加力実験部分に復元力線形補間法を導入したオンライン実験手法を開発し,復元力線形補間法の導入の有無を変動因子として,2セットの実験"OL95シリーズ"を実施した。図-2に実験装置の概略を示す。この実験では,鉄筋コンクリート造柱を試験体としている。

図-2 "OL95シリーズ"の実験装置

　実験によって得られた結果を検討し,更に,質点モデルの弾塑性応答解析により実験結果の追跡を行い,試験体の応答を変動させる要因となる変位制御誤差の影響は,復元力線形補間法を導入することによって効果的に抑制できることを確認した。すなわち,オンライン実験によって構造物の動的特性をより正確に把握するためには,復元力線形補間法の導入が極めて有効であることを明らかにした。

　以上のように,本研究においては,オンライン実験の精度を向上させることを目的として,加力実験部分で生じる変位制御誤差に注目し,変位制御誤差が試験体の応答に及ぼす影響を検討した上で,その対策として復元力線形補間法を提案した。この復元力線形補間法を従来のオンライン実験に導入することによって,変位制御誤差が試験体に及ぼす影響を効果的に抑制できることを示した。

　オンライン実験の精度を更に向上させるためには,数値計算部分で仮定する粘性減衰項を的確に評価する必要がある。この粘性減衰項を的確に評価し,変位制御誤差の対策として復元力線形補間法を導入したオンライン実験手法を用いることによって,構造物の地震時の挙動を極めて精度良く実現することが可能となると推察する。従って,粘性減衰項の適切な評価方法の開発が,オンライン実験に関する研究において,今後の重要な検討課題となる。適切な粘性減衰の評価方法および復元力線形補間法を導入したオンライン実験を行い,併せて振動台実験を実施し,2つの実験によって得られた結果を比較することによって,その有効性を検討することが望まれる。