報告書番号

N21001

タイトル（和文）

鉄塔の鋼管部材におけるレインバイブレーションの振動特性の解明―水路を模擬した突起付き円柱の風洞実験および応答解析による検討―

タイトル（英文）

Investigation of vibration characteristics of the rain-wind-induced vibration on pipe members of a transmission tower: Wind tunnel tests and response analysis for a cylinder with protrusion which simulates a water rivulet

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
鉄塔の鋼管部材では，降雨時かつ比較的高風速時に雨水による水路が形成され，空力不安定振動の一種であるレインバイブレーションとみられる振動が生じる場合がある．この現象は部材の疲労損傷の一因となると考えられ[1]，疲労損傷リスクの高い部材を明確にするには，鉄塔の各部材で生じ得る振幅の解析的評価が求められる．斜張橋ケーブルにおける現象には準定常空気力(*1)を用いた評価例があり，同様の手法を適用できる可能性がある．ただし，ケーブルと鋼管部材では構造特性の差異のために空力特性が異なると考えられる．鋼管部材に対して，水路形成時の空力特性を観点とした振動の発生条件を明らかにした上で，準定常空気力を用いた解析の適用性を確認する必要がある．

目　　的
水路を模擬した突起付き円柱(*2)の空力不安定振動について，円柱が風に直交する場合を対象に，振動の発生条件と準定常空気力を用いた解析的評価の適用性を明らかにする．

主な成果
1. 風洞実験による突起付き円柱の空気力・表面圧力の測定
空気力と表面圧力の測定結果を用いて突起の影響を考察した．突起を起点に剥離した流れが円柱に再付着するような突起位置では揚力係数が増加する．突起が後流に位置して再付着が生じなくなると，揚力係数が急減して円柱が空力的に不安定となる．
2. 振動の発生条件と準定常空気力を用いた解析的評価の適用性の評価
風洞実験と準定常空気力を用いた解析の両方で，揚力係数が急減する突起位置を中心に振動が生じ，その範囲は円柱が風に向かって斜め上向きに振動するプレート角度(*3)で広い．また，振幅は共に風速に応じて増加し，同風速時に最大振幅となるプレート角度も等しい．したがって，解析から実験における振動を評価できるといえる．
3. 揚力・抗力の寄与およびプレート角度の影響の評価
解析結果を用いて振動発生時の空気力の働きを分析し，揚力の励振効果が抗力と構造減衰の減衰効果を上回ると振動が発生することがわかった．励振効果は，円柱が風直交方向に振動するプレート角度条件において大きい．ただし，抗力による減衰効果は円柱が風に向かって斜め上向きに振動するプレート角度条件で小さくなるため，このような条件下で低風速帯でも振動が発生し，振幅も最大となったと考えられる．

今後の展開
突起付き円柱が風に対して水平偏角を持つ場合を対象とした評価を実施する．その上で，観測された鋼管部材のレインバイブレーションの再現解析を行う．

注）
*1：振動中の物体に，その瞬間の相対迎角・相対風速での静止物体に働く定常空気力が働くとする仮定を指す．
*2：円柱と細長いアクリル角棒を用いて，雨水により表面に水路が形成された鋼管部材を模擬したもの．
*3：部材の継手部のプレートと風向のなす角．部材はこの角度の直交方向に振動しやすい性質を持つ．

参考文献：
[1] 早田直広，他3名：送電用鉄塔の部材振動観測と疲労損傷評価，構造工学論文集，Vol.63A，pp.632-645，2017．

概要 （英文）

This study examines the aerodynamic and vibration characteristics of a cylinder with a protrusion which is placed orthogonally toward the wind as a model for a transmission tower member with a rivulet formed by rainwater. First, the aerodynamic coefficient of the cylinder is measured through wind tunnel tests. The lift coefficient increases when the flow peeled at the corner of the protrusion re-attaches to the cylinder. When the re-attachment disappears, the lift coefficient suddenly decreases, and the cylinder becomes aerodynamically unstable. Next, the condition of the protrusion position and vibration direction in which the aerodynamically unstable vibration of the cylinder occurs were examined by wind tunnel tests and single-degree-of-freedom response analyses assuming the quasi-steady aerodynamic force. The vibration characteristics can be appropriately evaluated by the analyses because the experimental and analytical results showed good agreement. This vibration occurs when the excitation effect of lift force exceeds the damping effect of drag force and structural damping. The excitation effect of lift force is largest when the cylinder vibrates vertically against the horizontal wind. On the other hand, the damping effect of drag force is smallest when the vibration axis inclines to the windward direction. As a result, when the vibration axis slightly inclines to the windward direction, the vibration occurs in a wider range of protrusion position and its amplitude becomes larger than the cases in which the cylinder vibrates in other directions.

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