JP2001124668A - 遠心力載荷試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】遠心力載荷試験装置において、駆動機の必要動
力の増大を抑えて回転腕を長大化する。 【解決手段】遠心力載荷装置では、垂直な回転軸４に水
平方向に回転腕６を固定する。この回転腕６の先端に、
供試体を載荷する揺動架台７を吊り下げる。揺動架台
は、回転腕６方向(半径方向)に回動自在である。回転軸
４を駆動機１が回転駆動する。回転腕６は軽量材６ｂか
らなり、摩擦抵抗を低減した形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤等をモデル化
して試験する遠心力載荷試験装置に係り、特に、縮尺モ
デルを用いて試験するのに好適な遠心力載荷装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】地盤等をモデル化して縮尺モデルを作成
し、この縮尺モデルを用いて通常の重力場で試験する
と、自重による応力の影響が過小評価され、実際の現象
を再現することが困難である。そこで自重の影響をも評
価出来るようにするため、遠心力載荷試験装置が用いら
れる。この遠心力載荷装置では、回転腕の先端に供試体
である地盤等の縮尺モデルを入れた材料容器を吊り下
げ、回転腕を高速で回転させて供試体に遠心加速度を与
える。そして、１／Ｎの縮尺モデルに対してはＮ倍の重
力加速度が与えられる。なお、この種の装置の例が、実
公昭６１−４６４３９号公報、特公平４−５４１７０号
公報、特開平４−１３９４６号公報、及び特開平９−２
１０８７１号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の遠心
力載荷試験装置では、回転腕のピン支点に支持され吊り
下げられた揺動架台に試料容器を載せている。そして、
駆動機の駆動力をベベル変速機および回転軸を介して回
転腕に伝達して回転腕を回転させている。回転腕の回転
に伴い、ピン支点を支点として試料容器を搭載した揺動
架台が振り上がり、試料容器に遠心加速度が加わる。

【０００４】そして、上記いずれの公報に記載のもの
も、試料容器の中の試料が試料容器の底面とほぼ平行に
なるようにするため、試料容器が搭載された揺動架台の
取付け位置、すなわち回転腕の回転半径を大きくしてい
る。回転腕の回転半径を大きくすると、この遠心力載荷
試験装置の回りの空気が抵抗として作用して、回転腕の
駆動動力を増大させる必要が生じる。従来は、この駆動
動力を減らすために、回転腕回りの空気量を減らす等の
工夫がなされてきたが、そのためには装置が複雑になる
という不具合があった。

【０００５】本発明は、上記従来技術の有する不具合に
鑑みなされたものであり、その目的は、遠心力載荷試験
装置の駆動動力を低減することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、垂直な回転軸に固定した水平
方向の回転腕を前記回転腕に吊り支持された供試体を載
荷する揺動架台とを備えた遠心力載荷試験装置におい
て、回転腕を軽量材により整形するものである。

【０００７】上記目的を達成するための本発明の第２の
特徴は、回転軸と、この回転軸にほぼ直交して取付けら
れた回転腕と、この回転軸を駆動する駆動手段と、回転
腕の長軸に直交する軸回りに回動可能に取付けられた揺
動架台とを備えた遠心力載荷試験装置において、回転腕
はこの回転腕の壁面を形成する第１の部材と、この第１
の部材より比重が小の第２の部材とを備え、第２の部材
は第１の部材の端部近傍であって第１の部材が形成する
壁面内部に配置されているものである。

【０００８】そして好ましくは、回転軸は実質的に鉛直
方向であり、回転腕は実質的に水平方向とする；第１の
部材を鋼製とし、第２の部材を発泡スチロール製とす
る；第1の部材の材質を鉄系合金とし、第2の部材をプラ
スチックとするものである。さらに好ましくは、第2の
部材を回転腕の実質的に先端部に配置するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施例
を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る遠心力
載荷装置の一実施例の正面図である。この図１において
は、ピット１０を断面で示している。駆動機１はピット
１０の床面に設置され、ベベル減速機２に駆動軸３を介
して連結されている。ベベル減速機２もピットの床面に
設置されており、回転軸４の一端がこのベベル減速機２
にベベル減速機２とともに回転するように強固に連結さ
れている。回転軸４の他端は、ピット１０の上部構造物
に取り付けられた軸受５に保持されて所定の回転を可能
にしている。

【００１０】回転腕６は、型材や板材等を溶接加工して
必要な強度を確保し、軽量材によって摩擦抵抗が少なく
なる形状に整形されている。この回転腕６は、回転軸４
の回転にともなって回転するように回転軸４に強固に取
り付けられ、回転軸４から回転駆動力が伝達される。こ
こで、回転軸４は実質的に鉛直に配置されており、回転
腕６はその長手方向中央部で回転軸４に実質的に水平に
取付けられている。

【００１１】回転腕６の左右両中間部であって、回転中
心からほぼ等しい位置に揺動架台７がピン８を介して取
付けられている。回転腕６が回転すると、揺動架台７が
遠心力によりピン８回りに揺動する。揺動架台７の一方
には、供試体を収容した試料容器９が載せられており、
揺動架台７の他方には、供試体を含む試料容器９の荷重
と等価な荷重のバランスウエイト１５が載置されてい
る。

【００１２】試料容器９には、供試体である、例えば地
盤上に建築物を建てた縮尺モデルが収容されている。そ
して、試験中には図示しない水供給装置から試料容器９
に水を供給し、地盤の軟弱度を調整している。ピット１
０は、遠心力載荷試験装置を設置するために地下に構築
されており、その側面１０ａは、回転腕６の端部が回転
時に接触しないように間隙を形成している。ピット１０
上には取り外し可能に蓋１０ｂが取付けられており、試
験中には危険防止のためにこの蓋１０ｂをピット１０上
にしておく。なお、蓋１０ｂをピット１０と一体構造に
し、ピット１０への試験者の出入り口をピット１０の上
面もしくは側面に設けてもよい。

【００１３】ところで、このように構成した遠心力載荷
試験装置では、試料容器９に作用する遠心加速度は、回
転軸４の回転中心を中心とする円周上で等しくなる。し
たがて、試料容器９の中の試料に試料容器９の底面に限
りなく平行に近い状態で遠心加速度を加えるためには、
試料容器の取付け位置、すなわちピン位置8を回転軸４
の中心から遠ざける必要がある。そのため、回転腕６の
回転半径を大きく長大化しているが、回転腕６の回転半
径を大きく長大化すると、上述したようにピット１０内
の空気との間に発生する摩擦抵抗力が増加し、回転腕６
を駆動するための動力の損失が大きくなる。

【００１４】そこで、本実施例においては図２に示すよ
うに、回転腕６を構成している。つまり、回転腕６は水
平方向に延びており、その水平方向両端部に軽量材６ｂ
が設けられている。水平方向に延びる部分６ａは溶接用
圧延鋼材を溶接加工して腕形状としており、この腕形状
の板材６ａを上面と下面に配置し、この両面間を位置決
めするために位置決め部材６ｃ、６ｄ、６ｅが両面間に
配置されている。

【００１５】位置決め部材６ｃには、上述したピン8が
保持されており、揺動架台７の揺動に用いられる。揺動
架台７が揺動して垂直位置から水平位置まで移動したと
きの揺動架台７の外半径より外側に位置決め部材6ｄが
配置されている。軽量部材６ｂをこの位置決め部材６ｄ
よりもさらに外方に設ける。図２に示した回転軸6の側
面図から明らかなように、回転腕６はその断面形状がロ
の字形状をしており、その上面及び下面は板材６ａが、
柱状部材として軽量材６ｂが両側面を形成している。こ
の軽量材６ｂは、発泡スチロール６ｂを吹付けた後、流
体抵抗が小さくなるように滑らかな形状に整形したもの
である。ここで、鋼材の比重は約7800kg/m³、発泡スチ
ロールの比重は約30kg/m³であることから,板材６aと軽
量材６ｂの比重比は、200:1となる。これにより、重量
増加による駆動力の増加を防止できる。

【００１６】次に、上記のように構成した遠心力載荷試
験装置の実施例の作用について説明する。駆動機１を回
転駆動(概ね１６０回／分程度)すると、この回転駆動力
はベベル軸３及び変速機２を介して回転軸４に伝達され
る。回転軸４の回転にともなって、回転腕６が回転す
る。回転腕６が回転して揺動架台７に遠心力が加わる
と、揺動架台７上に強固に固定された試料容器９がピン
８を中心として回転腕６の回転速度の上昇に比例して上
昇する。所定回転速度まで回転速度が上昇すると、回転
腕６が水平に振れ上がり、試料容器９内に収容された地
盤に円周方向の遠心加速度を加える。

【００１７】このとき、遠心力載荷試験装置を設置した
ピット１０内の空気は、回転腕６の回転につれて連れ回
る。この連れ回る空気は、一方では、ピット１０の側面
１０ａ、上部円板１１ａ及び下部円板１１ｂの表面にお
いて、摩擦抵抗力を発生する。つまり、ピット１０内の
空気は、回転腕６とともに動こうとするのを各壁面によ
り阻害されるために、風損抵抗として作用する。

【００１８】回転腕６を所定回転速度で回転させるに
は、駆動機１が風損抵抗以上の動力を有する必要があ
る。一般に、回転腕６は円筒状のピット内に設置される
ので、ピット１０を回転腕６に比べてそれ程大きくする
ことは困難である。このため、風損抵抗は、回転腕６の
回転につれて連れ回る空気と回転腕６およびピット１０
の壁面１０ａとの摩擦抵抗力としてモデル化することが
できる。

【００１９】ところで、本実施例では、回転腕６に軽量
材６ｂを用い、その軽量材６ｂを摩擦抵抗の少ない形状
に整形したので、回転腕の重量を大幅に増加させること
なく、回転腕６の回転につれて連れ回る空気と回転腕６
との間の摩擦抵抗力を小さくすることができる。この結
果、駆動機の必要動力の増大を抑制でき、回転腕６を長
大化して、理想の遠心力場に近づけることが可能にな
る。

【００２０】なお上記実施例においては、軽量材に発泡
スチロールを用いたが、柱状の軽量材６ｂを鉄系合金の
板状の部材とこの板状に隣り合うプラスチック材とで形
成した複合柱材としてもよい。この場合、プラスチック
の比重は約1500kg/m³で、鉄系合金材料は78500kg/m³で
あるから、大幅に軽量化可能である。また、鉄系合金の
板状部材は、上面及び下面の板材６ａの位置決め用であ
るから、それほど厚くする必要はなく、またプラスチッ
ク材は気流を整流するためであるから、これもそれほど
厚くする必要がない。したがって、プラスチックで囲わ
れた部分に空洞を形成すれば、重量を軽減できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、回転腕の回転につれて
つれ回る空気と回転腕との間で生ずる摩擦抵抗力を低減
することができるので、駆動機の必要動力を低減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る遠心力載荷試験装置の一実施例の
側面図。

【図２】本発明に係る回転腕の一実施例の部分正面図及
び側面図。

【符号の説明】

１…駆動機、２…ベベル変速機、３…軸、４…回転軸、
５…軸受、６…回転腕、６ａ…板材、６ｂ…軽量材、７
…揺動架台、８…ピン、９…試料容器、１０…ピット、
１０ａ…ピット側面、１１ａ…上部円板、１１ｂ…下部
円板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 雄志 茨城県土浦市神立東二丁目28番４号 日立 テクノエンジニアリング株式会社土浦事業 所内 Ｆターム(参考） 2G024 AD50 DA02 EA20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】垂直な回転軸に固定した水平方向の回転腕
   を前記回転腕に吊り支持された供試体を載荷する揺動架
   台とを備えた遠心力載荷試験装置において、前記回転腕
   は軽量材により整形されたことを特徴とする遠心力載荷
   試験装置。
2. 【請求項２】回転軸と、この回転軸にほぼ直交して取付
   けられた回転腕と、この回転軸を駆動する駆動手段と、
   前記回転腕の長軸に直交する軸回りに回動可能に取付け
   られた揺動架台とを備えた遠心力載荷試験装置におい
   て、前記回転腕はこの回転腕の壁面を形成する第１の部
   材と、この第１の部材より比重が小の第２の部材とを備
   え、前記第２の部材は前記第１の部材の端部近傍であっ
   て第１の部材が形成する壁面内部に配置されていること
   を特徴とする遠心力載荷試験装置。
3. 【請求項３】前記回転軸は実質的に鉛直方向であり、前
   記回転腕は実質的に水平方向であることを特徴とする請
   求項２に記載の遠心力載荷試験装置。
4. 【請求項４】前記第１の部材を鋼製とし、前記第２の部
   材を発泡スチロール製としたことを特徴とする請求項２
   に記載の遠心力載荷試験装置。
5. 【請求項５】前記第1の部材の材質を鉄系合金とし、前
   記第2の部材をプラスチックとしたことを特徴とする請
   求項２に記載の遠心力載荷試験装置。
6. 【請求項６】前記第2の部材を前記回転腕の実質的に先
   端部に配置したことを特徴とする請求項２ないし請求項
   ５のいずれか1項に記載の遠心力載荷試験装置。