JP2002090238A - 膜張力測定装置およびその方法 - Google Patents

膜張力測定装置およびその方法

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JP2002090238A JP2000281136A JP2000281136A JP2002090238A JP 2002090238 A JP2002090238 A JP 2002090238A JP 2000281136 A JP2000281136 A JP 2000281136A JP 2000281136 A JP2000281136 A JP 2000281136A JP 2002090238 A JP2002090238 A JP 2002090238A
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film
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Hiroshi Omori
博司 大森
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Abstract

(57)【要約】 【課題】建築構造形式の一つである膜構造物の膜内に生
じている張力を音波加振による共振現象を利用して測定
することができる膜張力測定装置を提供する。 【解決手段】膜面に当接することができる方形の境界部
材2と、その境界部材によって囲まれた範囲の膜面の略
中央部に向けて可聴域を持つ音波を与えることができる
音源3と、膜面の持つ固有振動数近傍でおこる共振現象
の振動数と波長を非接触で測定する振動計5と、前記振
動計および音源からの信号に基づいて、膜面の直交二方
向の張力を演算する演算手段6、7とからなることを特
徴とする膜張力測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、建築構造形式の一つで
ある膜構造物の膜内に生じている張力を音波加振による
共振現象を利用して測定することができる膜張力測定装
置およびその方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、膜材料で構成される膜パネルを用
いて空間を覆った大型膜構造建築物が、体育館、屋内テ
ニスコート、屋内グランド、屋内アイススケート場、パ
ビリオン、屋内野球場、屋外音楽ステージの天蓋、モニ
ュメント等として広く利用されるようになっている。
【0003】これらの膜構造建築物は、本来圧縮あるい
は曲げに対しては抵抗できない材料である膜材料を、適
切な引張状態に保持することにより安定化し、膜構造建
築物全体を雪や風による荷重に耐えられるようにするも
のであり、膜材料を引張状態に保持するための方法によ
って、膜パネル内部に空気圧を負荷する空気膜構造と骨
組やケーブルで囲まれた領域に膜パネルを直接引張して
張力を負荷するテンション膜構造とに分けられる。
【0004】こうした膜構造建築物においては、構造用
膜材は繊維補強された織布で作成されおり、一般に直交
二方向に異なる張力を負担しており、膜構造物の維持管
理のためには、竣工後の二方向の張力を測定し膜のたる
み等を検知することが重要になっている。
【0005】現在、竣工後の膜構造物において、その膜
に生じている膜張力の大きさを知る方法としては、膜面
に機械吸引を行い、その吸引方向への盛り上がりの大き
さから張力を推定する方法、膜面に特殊な器具を設置
し、その変形を測定することにより膜張力の大きさを推
定する方法等が行われているが、これらはいずれも膜張
力の定量的な把握を行うためにはほど遠い精度である等
の問題がある。
【0006】また音波を使用して一様な張力で張られた
膜の膜張力を簡易に測定する方法として、例えば特開2
000−2853等に記載されてものが提案されてい
る。この膜張力測定装置では、一様な張力で張られたメ
ンブレン(膜)に対して、スピーカから音波を与えるこ
とでメンブレンを振動させ、その振動をレーザドップラ
振動計で測定し、メンブレンの固有振動の基本振動数に
もとづいて張力を算出するものである。しかしながら、
この膜張力測定装置では、膜面に作用する直交二方向の
張力を同時に測定することができず、測定作業が面倒で
ある等の問題があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、膜
面に方形の境界部材を接触させることにより直交二方向
に振動境界を設定し、その中央上部から、可聴域を持つ
音波で膜面を加振し、膜面の持つ固有振動数近傍でおこ
る共振現象の振動数と波長をレーザドップラ振動計等で
非接触で測定することにより、間接的に膜内に作用する
直交二方向の張力を一度に測定できるようにした膜張力
測定装置およびその方法を提供し、上記問題点を解決す
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した技術解決手段は、膜面に当接することができる方形
の境界部材と、その境界部材によって囲まれた範囲の膜
面の略中央部に向けて可聴域を持つ音波を与えることが
できる音源と、膜面の持つ固有振動数近傍でおこる共振
現象の振動数と波長を非接触で測定する振動計と、前記
振動計および音源からの信号に基づいて、膜面の直交二
方向の張力を演算する演算手段とからなることを特徴と
する膜張力測定装置であり、膜面に当接することができ
る方形の境界部材によって囲まれた範囲の膜面の略中央
部に向けて可聴域を持つ音波を与え、この時の膜面の持
つ固有振動数近傍でおこる共振現象の振動数と波長を非
接触で測定し、前記振動数、波形および音源からの信号
に基づいて、膜面の直交二方向の張力を求めることを特
徴とする膜張力測定方法である。
【0009】
【実施の形態】以下、本発明に係る膜構造物に好適な膜
張力測定装置について、図面を参照して説明すると、図
1は膜張力測定装置の概略構成図である。図において、
1は膜構造物の膜、2は振動境界を形成する方形をした
境界部材、3は振動境界内の上方中央部に配置され可聴
域を持つ音波を発射することができる音源(スピー
カ)、4はスピーカと境界部材等を支持する本体、5は
被測定体としての膜面の持つ固有振動数近傍でおこる共
振現象の振動数と波長とを測定する例えばレーザドップ
ラ振動計、6はFFTサーボアナライザ、7はパソコン
等の演算手段である。レーザドップラ振動計5は非接触
で膜面の振動数(周波数)を測定できる装置であり、振
動している膜面にレーザ光線を照射し、反射させること
により膜面の振動測定を行う。レーザドップラ振動計5
により測定された膜面の振動はFFTサーボアナライザ
6等で解析され、音源3からの信号とレーザドップラ振
動計5からの波形等を基に間接的に膜内に作用する直交
二方向の張力を後述する理論式に基づいてパソコンで一
度に演算し求める。
【0010】本装置では、上記のように所定の張力で張
られた膜面の任意の場所に方形の境界部材を接触し、膜
面に直交二方向に振動境界を設定し、境界部材で区画さ
れた膜面の中央上部から可聴域を持つ音波で膜面を加振
し、膜面の持つ固有振動数近傍でおこる共振現象の振動
数と波長をレーザドップラ振動計等で非接触で測定し、
コンピュータ等の演算手段によって演算するため、間接
的に膜内に作用する直交二方向の張力を一度に測定する
ことが可能となる。
【0011】以下、直交二方向の張力を演算する手法に
ついて説明する。 1.基礎式 x、yの直交方向に異なった張力Tx 、Ty が作用して
いる場合の膜の運動方程式は次式のように表される。
【数1】 ここに、w=w(x,y,t)は膜面の面外のたわみ、
tは時間、p=p(x,y,t)は時間依存の圧力、m
は膜面の単位の見つけ面積あたりの質量を表している。
また、張力Tx 、Ty は単位長さあたりの張力(力)の
次元をもつ断面力を表している。
【数2】 と変数分離して(1)式に代入すれば次式となる。
【数3】 ここで、さらに
【数4】 とおいて、上式に代入すれば、
【数5】 したがって、次式を得る。
【数6】 ここで、さらに
【数7】 とおいて、上式に代入すれば次式が得られる。
【数8】 ここに、λx λy は長さの逆数の次元を持つ変数で、振
動波形の波長の逆数となっている。(5)式は
【数9】 という圧力による外乱が作用した時に、膜面が円振動数
ω、x方向波長1/λx、y方向波長1/λy 、振幅a
で振動するときの関係式を表している。この段階では、
膜面は−∞≦x、y≦∞の広がりを持っており、固有の
振動形は存在せず、外乱の空間分布形状をあらわす
【数10】 の形状に依存する振動形状で円振動数ωの振動を生じる
ことになる。
【0012】上記のような膜面において、方形の境界部
材を当接し、その境界中央上部に配置した音源から可聴
域を持つ音波で膜面を加振すると、固有の振動が出現
し、特定の固有円振動数ωで共振現象が発生する。この
とき、直交方向の張力Tx 、Ty であり、f1 、f2
2種類の異なった加振音源に振動数に対して以下の式が
成り立つ。
【数11】 ここで、lx1などは図1の境界の大きさの整数分の1と
なっていることから、加振音源の振動数との関係により
固有の振動数が励起されて測定されると、f1、f2
2種類の異なった加振音源による測定値を前記式を用い
て、これをTx、Ty に関して解くことで、直交する方
向の張力Tx 、Ty を得ることができる。この演算は、
パソコン等の適宜演算手段で演算し、結果を表示できる
ようになっている。
【0013】本発明は以上のように、境界部材を持つ簡
易な膜張力測定装置を使用し、境界部材を膜面に接触し
て直交方向に振動境界を設定し、境界間を半波長とする
直交二方向の共振振動を求めることで容易に直交二方向
の膜面の張力Tx 、Ty を求めることができる。
【0014】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、この膜張力測定装置は、膜構造物以外で使用
されている膜面の張力測定にも使用することができ、ま
た、装置内において音源、境界部材等の支持方法は設計
時において適宜設定することができる。さらに本発明は
その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の
いかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態
はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈しては
ならない。
【0015】
【発明の効果】以上の詳細に説明した如く、本発明によ
れば、境界設定により直交二方向の膜張力を簡便且つ正
確に測定でき、このため、これまで熟練者の経験や勘に
頼っていた膜構造建築物施工時にほぼ設計通りの膜張力
を容易且つ適切に導入することができる。また、膜材料
の経年変化に伴う膜張力の再導入も簡便且つ的確に行な
うことができる。さらにその構造、取扱等が極めて簡便
且つ容易であり、熟練者のみならず初心者においても十
分操作が可能であり、安全でより信頼性のある大規模膜
構造建築物の建築・施工を大幅に合理化することができ
るとともに、その維持・管理等の品質保証に寄与するこ
とができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る膜張力測定装置の概略構成図であ
る。
【符号の説明】
1 膜構造物の膜 2 振動境界を形成する方形をした境界部材 3 振動境界内の上方中央部に配置され可聴域を
持つ音波を発射することができる音源(スピーカ) 4 スピーカと境界部材等を支持する本体 5 被測定体としての膜面の持つ固有振動数近傍
でおこる共振現象の振動数と波長とを測定する例えばレ
ーザドップラ振動計 6 FFTサーボアナライザ 7 パソコン等の演算手段

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】膜面に当接することができる方形の境界部
    材と、その境界部材によって囲まれた範囲の膜面の略中
    央部に向けて可聴域を持つ音波を与えることができる音
    源と、膜面の持つ固有振動数近傍でおこる共振現象の振
    動数と波長を非接触で測定する振動計と、前記振動計お
    よび音源からの信号に基づいて、膜面の直交二方向の張
    力を演算する演算手段とからなることを特徴とする膜張
    力測定装置。
  2. 【請求項2】膜面に当接することができる方形の境界部
    材によって囲まれた範囲の膜面の略中央部に向けて可聴
    域を持つ音波を与え、この時の膜面の持つ固有振動数近
    傍でおこる共振現象の振動数と波長を非接触で測定し、
    前記振動数、波形および音源からの信号に基づいて、膜
    面の直交二方向の張力を求めることを特徴とする膜張力
    測定方法。
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