This research intends to investigate the general characteristics of wind pressure field on various domed roofs, and the estimation of wind loads and dynamic responses. A common range about 105 of Reynolds number is assumed in this research. Turbulent boundary layer flow is simulated by barriers and roughness blocks in the wind tunnel. Testing models of domed roofs are composed of a curved roof acrylic model and a circular cylinder acrylic model. By changing the height-span ratio (roof height to span) and the wall-span ratio (cylinder height to span), various geometric models are obtained to include almost all kinds of dome structures. Dynamic wind pressures on the surface then measured and analyzed. The outline of each chapter is briefly introduced.

In Chapter 1, historical background of dome structures is briefly introduced. Published researches regarding hemispherical domes or various domed roofs are mentioned for the background knowledge of this research. Then the construction of this thesis is shown in flowchart diagram.

In Chapter 2, turbulent flow is simulated by barriers and roughness blocks to fit the urban terrain with power law index equals 0.27. The characteristics of oncoming wind are examined in detail to show the construction of wind profiles similar to those simulated in previous literatures. Specifications of devices for pressure measurements and acrylic models of domed roofs for experiments are introduced. Basic data processing is then explained and aerodynamic parameters in this thesis are briefly introduced.

In Chapter 3, distributions of wind pressure field on domed roofs are first examined by observation of aerodynamic parameters. Mean and R.M.S. wind pressure coefficients are calculated to show the general characteristics of wind flows on various domed models (including flat models and domed models with curved roofs) due to geometric changes. Correlations between any two pressure taps along the meridian parallel to the wind direction are then discussed to indicate the possibility of region zoning of domed roofs.

In Chapter 4, non-Gaussian features of wind pressure fluctuations are also discussed along the meridian. Peak factors based on the observation of higher moments are estimated and compared with other proposed methods in literatures.

In Chapter 5, power and cross spectra of wind pressure fluctuations are investigated to show the discrepancies in each region on various domed roofs. Models for fitting power spectra are then proposed by three main patterns in three regions. Weighting of each pattern is then indicated. Cross spectra within each region or across two regions are also investigated to show that only one model of cross spectrum for one domed roof is insufficient.

In Chapter 6, theoretical background of dynamic response estimation is briefly introduced. According to the approximation models proposed in Chapter 5, dynamic response can be estimated more precisely with the consideration of the discrepancies in power and cross spectra. Fundamental structural frequencies and vibration modes of domed roofs are then applied to the construction of finite element models. Wind loads with or without the considerations of cross spectra are estimated and dynamic responses are then calculated. Local wind loads in certain area are further conducted by integrating wind pressure cross spectra to show the significant discrepancies between regions.

Chapter 7 summarizes remarks in each chapter and suggests the possible extensions of related researches.

In summary, through the zoning of domed surface, understanding of wind flow changes on the surface is distinct. Based on the zoning results, not only the characteristics of wind pressure coefficients were well categorized, modeling of power and cross spectra in each zone was conducted and shower good agreement with the experiment results. For the power spectrum characteristics, transition of turbulence energy from zone to zone is clear and explained by observation of weighting factors of typical spectrum characteristics. For the co-coherence, a significant phase shift at zero frequency was indicated when wind flow converts from positive to negative values. Root-coherence and phase models were further improved for good agreements of modeling. Finally, the modeling results of power and cross spectra were utilized for calculation of generalized wind forces or integrated wind loads for claddings to verify the improvement of modeling quality.

本論文は、「Characteristics of Wind Pressure Fluctuations on Dome-like Structures(ドーム構造物に作用する変動風圧力に関する研究)」と題し、さまざまなドーム形状をもつ屋根構造に作用する風圧場の一般的な性状を実験によりとりまとめ定量的に評価した上で、その荷重効果について考察したものである。実験は境界層風洞において、この種の実験で一般的に用いられるレイノルズ数105を超える領域で実施されている。ドーム屋根の実験モデルはアクリル製で、高さスパン比の異なる屋根部と壁高さスパン比のことなる円筒部分からなり、一般的なドーム構造の形状を概ね網羅するものである。多点の風圧計測と結果の整理によって、新しい総合的知見としてとりまとめられており、全7章からなる。

第1章では、従来のドーム屋根の風圧性状に関する既往の論文の成果を整理し、本論の位置づけを明らかにしている。特にスペクトル特性についての評価の不十分性を明らかにした上で、設計用の動的荷重としてとりまとめる意義を述べている。

第2章では、境界層乱流としてべき指数0.27の市街地粗度区分を模擬した気流を作成し、変動風速および変動風圧にかかわる計測システムの特性を明らかにし、実験データの処理方法について述べている。

第3章では、ドーム構造の屋根面における風圧場の検討を、空力パラメータの評価に基づいて行っている。風圧係数の平均値およびRMS値をさまざまな形状に対して整理し、また風向に平行な経線方向の2点間の相関特性の検討に基づき、屋根面のゾーニングの可能性を導いている。

第4章では、風圧変動の非正規性について、風圧場の特性が経線方向に明確に生ずることを前章のゾーニングとの整合性の視点から検討している。ピーク係数の推定にあたっては、歪度および尖り度の高次モーメントを用いた評価の有効性を確認し、風圧場に応じた評価について取りまとめ、モデル化に基づく風圧の最大値が、実験値を説明することを示している。

第5章では、風圧変動のパワースペクトル、相互スペクトルについて、風圧場に応じたモデル化を提案している。風圧場として、風上部、剥離部、後流部の特性を反映した上で、汎用性のある定式化を行っている。パワースペクトルについては、風速変動によるもの、剥離域のもの、後流域のもの3者の重み付き線形和モデルで評価できることを示す一方、相互スペクトルについては、異なる風圧場間の相関性状が大きく変化するので、単一のモデルでは不十分であることを示している。

第6章では、ドーム屋根の動的応答に関する理論的な評価法を概観し、前章で得られたモデルに基づいて動的風荷重としての評価を試みている。固有振動数とモード形に配慮した上で有限要素解析を実施し、相互スペクトル特性評価の意味を論じている。

第7章は結論であり、各章で得られた成果をまとめて論じ、さらに今後の課題を考察している。

以上、本論文は、ドーム構造物の屋根面に作用する変動風圧力について、合理的な風圧場の区分を提案し、その変動風圧の性状を検討することにより、風圧特性のより精緻な評価を一般化した形で設計に反映することを可能にしており、社会文化環境学の発展に寄与するものであり、博士(環境学)の学位を授与できるものと認める。