JP2024019786A - 振動試験装置および振動試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中にある構造物の振動試験において、試験体の液体中での刺激係数の低下を抑制して試験体の加振力を増大させることができる振動試験技術を提供する。【解決手段】内部が液体３で満たされ、液体３に没した状態で振動試験の対象である試験体７を収容する試験容器６と、試験容器７を加振する加振機４と、液体３と試験容器６の内面との間の少なくとも一部の範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層８とを備え、試験容器６が加振機４により加振されたときに、気体層８が収縮または膨張することで、液体３が加振方向１０に沿って移動し、液体３により試験体７に液体３の慣性力が加わるように構成されている。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、振動試験技術に関する。

着床式の洋上風力発電設備、水中展望塔、居住用水中建築物などは、その構造物の全部または一部が水中に没し水底に固定されている。これらの構造物が地震動を受けると、水中に没している構造部分には、支持基礎から伝わる地震力以外に構造物周囲にある水の流体慣性力が作用する。同様に原子力発電設備においても、使用済み燃料ラックのように、使用済み燃料プールの床面に燃料ラックを着床させる固定式、または滑り摩擦構造の着床式の流体中構造物がある。このような流体中構造物は、地震時に、支持基礎から伝わる地震力（構造物自体の質量に対する慣性力）以外に使用済み燃料ラック周囲にある水の流体慣性力が作用する。なお、本明細書書に記載の流体は、水などの液体を示している。

一方、我が国は世界的にも大きな地震が頻発する高地震帯に位置している。流体中構造物においては、これに作用する流体慣性力を考慮した耐震性評価が重要となる。建築土木構造物と機械構造物の耐震性評価においては、一般的に振動台を用いた耐震試験により、構造物の振動特性と構造健全性を評価している。流体中構造物の水中での振動特性を再現するためには、例えば、一般的に水槽を振動台上に設置し、水槽内に試験体を設置する。この水槽内に水を満たして水中環境を再現し、試験体に加振力（地震動）を加えることで、水中での地震時の振動特性を再現している。さらに、例えば、水槽の底面の一部に振動台を組込み、水槽は加振せずに、試験体のみを直接加振するものもある。

図１から図２は、従来の使用済み燃料ラックの振動試験装置１００の例を示している。この振動試験装置１００では、矩形状（箱状）を成す水槽１の底部に試験体である燃料ラック２の下端部が固定され、水槽１が水３（液体）で満たされている。水槽１は、加振機としての振動台４に載置されており、振動台４により水槽１が紙面左右の加振方向５に加振される。これによって、燃料ラック２に収納されている燃料（図示略）と燃料ラック２との流体－構造連成などの、流体を介在した燃料ラック２と燃料との連成振動を再現することができる。一方、水槽１の大きさは振動台４の試験体積載能力と加振力に制限を受けるため、コンパクトな構造に設計する必要がある。水槽１をコンパクトに設計すると、水槽１と燃料ラック２との距離が近くなり、流体ギャップが狭くなる。これによって、燃料ラック２が共振振動すると流体ギャップにおける流体の動きが大きくなり、流体－構造連成力が大きくなる。この流体－構造連成力が大きくなると、燃料ラック２に加わる流体付加質量が増加するため、固有振動数と刺激係数が低下する。刺激係数が低下すると、加振入力加速度に対する試験体応答加速度が低下し、所定の応答加速度を得るために過大な加振入力加速度が必要となる。また、水槽の底部に振動台を設置し、水中振動台を構成する場合には、一般的な汎用の気中振動台に比べ、振動台面積より大きな水槽が必要になるなど、設備を大型化する必要がある。

特許第６５２７３２２号公報

ＢＷＲ使用済燃料貯蔵ラックの減衰特性評価：第１３回日本保全学会学術講演会要旨集, １１５－１１８, ２０１６

本発明が解決しようとする課題は、液体中にある構造物の振動試験において、試験体の液体中での刺激係数の低下を抑制して試験体の加振力を増大させることができる振動試験技術を提供することである。

本発明の実施形態に係る振動試験装置は、内部が液体で満たされ、前記液体に没した状態で振動試験の対象である試験体を収容する試験容器と、前記試験容器を加振する加振機と、前記液体と前記試験容器の内面との間の少なくとも一部の範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層と、を備え、前記試験容器が前記加振機により加振されたときに、前記気体層が収縮または膨張することで、前記液体が加振方向に沿って移動し、前記液体により前記試験体に前記液体の慣性力が加わる、ように構成されている。

本発明の実施形態により、液体中にある構造物の振動試験において、試験体の液体中での刺激係数の低下を抑制して試験体の加振力を増大させることができる振動試験技術が提供される。

従来の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１のＡ－Ａ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 従来の振動試験装置を簡略化した構成を示す平面図。 図３の振動試験装置を加振した状態を示す平面図。 第１実施形態の振動試験装置を簡略化した構成を示す平面図。 図５の振動試験装置を加振した状態を示す平面図。 従来の試験体の振動解析モデルを示す説明図。 第１実施形態の試験体の振動解析モデルを示す説明図。 第１実施形態の試験体の解析結果を示すグラフ。 第２実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１０のＢ－Ｂ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第３実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１２のＣ－Ｃ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第４実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１４のＤ－Ｄ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第５実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１６のＤ－Ｄ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第６実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図１８のＦ－Ｆ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第７実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図２０のＧ－Ｇ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第７実施形態の振動試験装置の二重管を示す拡大断面図。 第８実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図２３のＨ－Ｈ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 図２３のＪ－Ｊ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第９実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図２６のＫ－Ｋ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。 第９実施形態の振動試験装置のベローズ管を示す拡大断面図。 第１０実施形態の振動試験装置の断面を示す側面図。 図２９のＬ－Ｌ断面に対応する振動試験装置を示す平面図。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しながら、振動試験装置および振動試験方法の実施形態について詳細に説明する。なお、それぞれの図面では、水平方向をＸ方向およびＹ方向とし、垂直方向をＺ方向として示している。まず、従来技術と第１実施形態について図３から図９を用いて説明する。

図３は、従来の振動試験装置１０１を簡略化した構成で示している。図４は、従来の振動試験装置１０１の加振時の動作を示す。ここで、水３（液体）が満たされた円筒形状の試験容器６が用いられ、円柱形状の試験体７の加振試験が行われる。なお、試験容器６は、水槽１（図１）の代替物であり、試験体７は、燃料ラック２（図１）の代替物であり、水中環境での振動特性を模擬する。

図３から図４示すように、従来の振動試験装置１０１は、水３を溜めた試験容器６と、この試験容器６を載置する加振機としての振動台４とを備える。振動試験の対象である試験体７は、試験容器６に収容される。試験容器６と試験体７の間が水３で満たされている。また、試験容器６は、剛な壁を形成し、水３を保持している。振動台４により試験容器６が加振されると、これに応じて試験体７が加振される。例えば、試験体７は、試験容器６の径方向（図３の紙面左右方向）に振動される。

従来の振動試験装置１０１において、例えば、試験容器６に対して、所定の加振方向１０（図４の紙面の右方向）に加振力を与えると、試験容器６の内部の水３が試験容器６と一体となって移動する。これは、試験容器６が剛な壁を形成しているために生じる現象である。しかし、試験容器６の揺れに対して、水３が留まらない。そのため、水３は、試験体７とは逆方向に移動してしまう（図４の水３の移動方向９を参照）。その結果、試験容器６の内部の水３の慣性力は、試験体７の慣性力（加振力）として作用しないという問題がある。

図５は、第１実施形態の振動試験装置１０１を簡略化した構成で示している。図６は、第１実施形態の振動試験装置１０２の加振時の動作を示す。ここで、水３が満たされた円筒形状の試験容器６が用いられ、円柱形状の試験体７の加振試験が行われる。

図５から図６示すように、第１実施形態の振動試験装置１０２は、水３を溜めた試験容器６と、この試験容器６を載置する加振機としての振動台４と、試験容器６の内面に設けられたバルーン８とを備える。振動試験の対象である試験体７は、試験容器６に収容される。試験容器６と試験体７の間が水３で満たされている。

試験容器６は、その内部が液体としての水３で満たされ、この水３に没した状態で試験体７を収容するものである。振動台４は、試験容器６を加振するものである。

バルーン８は、膜状の密閉された袋である。図５から図６では、理解を助けるために、試験容器６の内周の形状に沿う円筒形状を成すバルーン８が図示されている。このバルーン８の内部には、気体である空気が封入されている。このバルーン８により第１実施形態の気体層が形成されている。つまり、第１実施形態の振動試験装置１０２は、水３と試験容器６の内周面との間の全範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層を備えている。第１実施形態では、バルーン８という単純な構造で気体層を試験容器６の内面に設けることができる。

なお、気体層が内包する気体として空気を例示しているが、その他の態様でも良い。例えば、気体層が内包する気体は、窒素ガスまたは炭酸ガスなどの不活性ガスでも良い。また、気体層は、少なくとも水３（液体）よりも体積弾性率が低いものであれば良い。

第１実施形態の振動試験装置１０２では、試験体７から所定の距離を隔てて取り囲むように円環状のバルーン８が設けられていることで、試験容器６の内部の水３を柔な壁（柔構造壁）で保持している。なお、「柔」な壁とは、少なくとも試験容器６の「剛」な壁よりも柔であれば良い。

第１実施形態の振動試験装置１０２は、試験容器６が振動台４により加振されたときに、バルーン８が、加振方向の一方で収縮し、加振方向の他方で膨張することで、水３が加振方向１０に沿って移動し、この水３により試験体７に加振力が加わるように構成されている。

図５に示すように、試験容器６の内面にバルーン８が設けられているため、試験容器６の内部の水３が柔な壁に支持されている。ここで、試験容器６が揺れた場合、試験容器６の内部の水３は、その位置に留まるように動作する。例えば、試験容器６に対して、所定の加振方向１０（図６の紙面の右方向）に加振力を与えると、試験容器６の内部の水３の慣性力（加振力）が、試験体７の慣性力として作用する。そのため、第１実施形態の振動試験方法では、水３（液体）により試験体７に加えられる加振力が増大する。

次に、従来技術と第１実施形態の加振力の増大効果について説明する。図７に示す従来技術の振動解析モデルと図８に示す第１実施形態の振動解析モデルとが用いられ、これらの解析により比較評価した結果が図９のグラフに示されている。

図７に示すように、従来技術の振動解析モデルは、試験容器６（固定点）の質点質量１１（Ｍ２）と、試験体７の質点質量１３（Ｍ１）と、試験体７のばね剛性１２（Ｋ１）と、試験容器６と試験体７の差分（試験容器６－試験体７）である連成質量１４（Ｍ_１－２）とから成る。

試験体７の質点質量１３が、試験体７のばね剛性１２で振動台４に固定されている試験容器６の質点質量１１で支持され、試験容器６の質点質量１１と試験体７の質点質量１３との間の連成質量１４がモデル化されている。

図８に示すように、第１実施形態の振動解析モデルは、試験容器６（固定点）の質点質量１１（Ｍ２）と、試験体７の質点質量１３（Ｍ１）と、試験体７のばね剛性１２（Ｋ１）と、柔構造壁（バルーン８）のばね剛性１５（Ｋ３）と、柔構造壁の質点質量１６（Ｍ３）と、柔構造壁と試験体７の差分（柔構造壁－試験体７）である連成質量１７（Ｍ_１－３）とから成る。

試験体７の質点質量１３が、試験体７のばね剛性１２で振動台４に固定されている試験容器６の質点質量１１で支持されている。さらに、試験容器６の内部にバルーン８により構成される柔構造壁の質点質量１６が、試験容器６の質点質量１１と柔構造壁のばね剛性１５で支持されている。柔構造壁のばね剛性１５は、バルーン８の振動方向のばね剛性である。また、バルーン８と試験体７との間の流体－構造連成が、柔構造壁の質点質量１６と試験体７の質点質量１３との間の連成質量１７でモデル化されている。

図９は、試験体７の質点質量１３への加振力の増大効果を求めたものである。この図９では、試験容器６の内径Ｄ１に対する試験体７の外径Ｄ２（図３および図５）の割合に応じた刺激係数βが示され、試験体７のみかけの比重γをパラメータとしたときのグラフが示されている。なお、試験体構造質量をＭ１とし、試験体排除質量Ｍｄとした場合に、γ＝（Ｍ１／Ｍｄ）である。ここで、試験体７の質点質量１３が共振応答する際の固有振動モードに着目し、試験体７の質点質量１３への加振入力と応答に対する加振力の指標となる刺激係数βを求めた。試験体７の質量と試験体７の直径（試験容器６と試験体７との隙間の寸法）を変化させた場合のパラメータ解析結果が示されている。

従来技術においては、試験体７の質点質量１３の質量が低下すると刺激係数βが低下し、試験体７の直径が大きく、試験容器６と試験体７との隙間の寸法が狭くなるほど、刺激係数βが低下する（図９の４本のグラフ１８を参照）。

一方、第１実施形態においては、試験体７の質量と試験体７の直径に依存せず、刺激係数βは「１」となり変化しない（図９のグラフ１９を参照）。これは、バルーン８（柔構造壁）によって、水３の慣性力が試験体７にそのまま作用することを示している。従来技術のように、試験容器６と試験体７との間の流体－構造連成による応答の低下（刺激係数の低下）を抑制する効果があり、従来技術に対して、第１実施形態では、加振力を増大させる効果があることを示すものである。

第１実施形態では、従来技術に比べで試験体７に加わる加振力を大幅に増加させることができる。一般に加振力を増大させるためには、振動台４の動力機器、例えば、アクチュエータを大型化するなど高コストの改造が必要となる。しかし、第１実施形態では、振動台４を改造することなく、液体中にある試験体７への加振力を増大させることができる。

また、従来技術では、液体を満たす試験容器６の直径を小さくすればするほど試験体７の刺激係数が低下し、試験体７に対する実質的な加振力が低下してしまう問題がある。しかし、第１実施形態によれば、図９に示すように、刺激係数の低下を防ぐことができるため、試験容器６の直径を小さくすることが可能となり、振動台４などの加振設備のコンパクト化が可能となる。

耐震試験などの振動試験において、試験容器６と試験体７の間に気体を内包する気体層が設けられることで、水３を加振方向１０に柔に支持した柔構造壁が、試験容器６の内部に形成される。ここで、体積剛性率の低い柔構造壁を試験容器６と試験体７の間に介在させることで、試験容器６と試験体７の間の流体－構造連成力を低下させ、加振時に試験容器６の内部の流体慣性力が試験体７の慣性力に加わるように作用させることができる。そのため、従来、試験容器６と試験体７との流体－構造連成力によって低下していた試験体７の刺激係数を増加させ、試験体７の加振力を増大させる加振手段を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１０から図１１を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１０から図１１に示すように、第２実施形態の振動試験装置１０３は、矩形状（箱状）を成す水槽１（試験容器）と、この水槽１を載置する振動台４（加振機）と、水槽１の内面に設けられた２つのバルーン２０（気体層）とを備える。

燃料ラック２（試験体）は、水槽１に収容されている。水槽１の底部に燃料ラック２の下端部が固定され、水槽１が水３で満たされている。振動台４により水槽１が紙面左右の加振方向５に加振される。

第２実施形態の２つのバルーン２０は、加振方向５に対応して水槽１の左右の内面に設けられている。それぞれのバルーン２０は、水槽１の内面の形状に合わせて四角形に広がる形状を成す。つまり、第２実施形態の振動試験装置１０３は、水３と水槽１の内面との間の一部（対向している２つの内面）の範囲に設けられ、気体を内包する気体層を備えている。

燃料ラック２から所定の距離を隔てて、水槽１の加振方向５の内壁面にバルーン２０が設けられ、気体層が形成されることで、水槽１の水３が柔な壁（柔構造壁）で保持されている。

また、それぞれのバルーン２０の下部には、係留索２１が取り付けられている。これら係留索２１が、バルーン２０の浮力による浮き上がり防止し、バルーン２０を水槽１の底部に固定している。

バルーン２０は、例えば、熱可塑性ポウレタン（ＴＰＵ）などの樹脂膜により形成されている。バルーン２０の内部には、気体である空気が封入されている。バルーン２０の内部の気体の圧力は、バルーン２０の水深に応じて、その水頭圧と釣合うように設定されている。

水槽１の内面にバルーン２０が設けられているため、水槽１の内部の水３が柔な壁に支持されている。ここで、水槽１が揺れた場合、水槽１の内部の水３は、その位置に留まるように動作する。例えば、水槽１に加振力を与えると、水槽１の内部の水３（液体）の慣性力（加振力）が、燃料ラック２の慣性力として作用する。そのため、試験体である燃料ラック２に加えられる加振力が増大する。

このように、水槽１の水３を柔に支持することで、水槽１の水３の慣性力を燃料ラック２に加えることができ、水槽１と燃料ラック２の間の流体－構造連成による刺激係数の低下を抑制できる。そのため、従来技術よりも、加振力を大幅に増加させることができる。このように、従来、加振力を増大させるために必要であった振動台４の改造が不要となり、振動台４などの加振設備のコンパクト化を図ることができる。

また、バルーン２０の代わりに体積弾性率の低い部材、例えば、発泡樹脂材（発泡材）などを用いて柔構造壁を構成しても、前述と同様な効果が得られる。つまり、気体層は、体積弾性率が液体よりも低い発泡材で形成されていても良い。このようにすれば、発泡材により水槽１（試験容器）の内面に液体を加振方向５に柔に支持する柔構造壁を形成することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１２から図１３を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１２から図１３に示すように、第３実施形態の振動試験装置１０４は、水槽１（試験容器）と、振動台４（加振機）と、バルーン２２（気体層）とを備える。

燃料ラック２（試験体）は、水槽１に収容されている。水槽１の底部に燃料ラック２の下端部が固定され、水槽１が水３（液体）で満たされている。振動台４により水槽１が水平面内の四方の加振方向５に加振される。

第３実施形態のバルーン２２は、角筒状を成し、燃料ラック２を取り囲むように水槽１の内面全周に亘って設けられている。つまり、第３実施形態の振動試験装置１０４は、水３と水槽１の内面との間の全範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層を備えている。このバルーン２２は、水平面内のいずれの加振方向５に対しても、水槽１の内部の水３を柔な壁（柔構造壁）として保持することができる。

また、バルーン２２の下部には、複数の係留索２１が取り付けられている。これら係留索２１が、バルーン２２の浮力による浮き上がり防止し、バルーン２２を水槽１の底部に固定している。

水槽１の内面の全周に亘ってバルーン２２が設けられているため、水槽１が水平面内のいずれの加振方向５に加振されても、水槽１の内部の水３の慣性力（加振力）が燃料ラック２の慣性力として作用する。そのため、燃料ラック２に加えられる加振力が増大する。

また、バルーン２２が振動により、四方のうちのいずれかの部分が潰れても、反対側の部分が膨らむようになる。そのため、空気がバルーン２２の潰れた部分から反対側に逃げるため、バルーン２２の内部の圧力が高くならないようにできる。このように、振動によって、バルーン２２の気圧が変動しないことから、空気ばねによるばね反力を低く抑えることができ、柔構造壁の剛性がより低下し、水槽１の内部の水３の加振方向５の動きをより拘束しない。そのため、加振力の増大性能が向上する。

第３実施形態のバルーン２２は、燃料ラック２の周囲を取り囲むように平面視で環状に形成されているとともに、周方向に気体層が連通されている。このようにすれば、水槽１が四方のいずれの方向に加振されても、燃料ラック２に充分な加振力を加えることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について図１４から図１５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１４から図１５に示すように、第４実施形態の振動試験装置１０５は、着床式の洋上風力発電設備、水中展望塔などのように、構造物本体３０の下部に脚部３１を有する流体中構造物の振動試験が行われることを想定している。このような流体中構造物では、脚部３１が支持ばねとなり、構造物本体３０が試験体となっている。

構造物本体３０（試験体）は、矩形状を成し、水槽１（試験容器）に収容されている。構造物本体３０は、棒状の脚部３１により水槽１の底部に固定されている。また、水槽１と構造物本体３０の間が水３（液体）で満たされている。振動台４（加振機）により水槽１が水平面内の四方の加振方向５に加振される。

第４実施形態のバルーン２３（気体層）は、角筒状を成し、構造物本体３０を取り囲むように水槽１の内面全周に亘って設けられている。なお、脚部３１の周囲には、バルーン２３が設けられていない。つまり、構造物本体３０の高さ（深さ）位置に合わせてバルーン２３が設けられている。

また、バルーン２３と構造物本体３０との間には、角筒状を成す仕切筒２４が設けられている。この仕切筒２４は、水槽１の上面を塞ぐ蓋である天板２５から、吊りワイヤ２６（吊り具）で吊下げられている。仕切筒２４は、構造物本体３０の四方を板部材で囲むように形成されたものである。

この仕切筒２４は、例えば、バルーン２３において、構造物本体３０に対向する内面側に接触する隔壁である。この仕切筒２４により、水深により異なるバルーン２３の局所的な膨らみを抑えることができる。つまり、バルーン２３で形成される気体層の形状寸法を水槽１と仕切筒２４の間で制限し、かつバルーン２３と仕切筒２４により柔構造壁が形成されている。

バルーン２３と仕切筒２４で構成される柔構造壁が設けられる高さが調整され、柔構造壁の上下幅が、構造物本体３０とほぼ同じになるように設けられる。ここで、仕切筒２４は、金属材料または樹脂材などで形成されている。バルーン２３は、仕切筒２４にゴムバンド（図示略）などにより固定されている。

また、バルーン２３と仕切筒２４で構成される柔構造壁が、構造物本体３０と対面するため、水槽１の内部の水３の慣性力（加振力）が、構造物本体３０の慣性力として作用する。そのため、構造物本体３０に加えられる加振力が増大する。

また、水槽１と仕切筒２４の間でバルーン２３が挟み込まれることで、バルーン２３が膨らむことを制限できる。そのため、バルーン２３が構造物本体３０に衝突されることを防止することができる。さらに、衝突によるバルーン２３の破裂を防止することができる。

また、脚部３１（支持ばね）は、構造物本体３０（試験体）に比べて断面が小さく、水槽１との流体－構造連成力が小さい。そのため、脚部３１の加振力への増大効果が期待できないことから、構造物本体３０の高さと幅に合わせて、バルーン２３と仕切筒２４により構成される柔構造壁を設けている。このようにすれば、柔構造壁をコンパクトに構成することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について図１６から図１７を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１６から図１７に示すように、第５実施形態の振動試験装置１０６は、円柱形状を成す構造物本体３２（試験体）の下部に脚部３１を有する流体中構造物の振動試験が行われることを想定している。なお、第５実施形態の水槽４１（試験容器）とバルーン４２（気体層）と仕切筒４３は、円筒形状を成している。この仕切筒４３は、水槽４１の上面を塞ぐ蓋である天板４４から、吊りワイヤ２６（吊り具）で吊下げられている。

第５実施形態では、水槽４１とバルーン４２と仕切筒４３の平面視の形状が、構造物本体３２の断面に合わせて円形になっている。また、柔構造壁が、バルーン４２と仕切筒４３により構成され、かつ構造物本体３２の高さと幅に合わせて、柔構造壁が、構造物本体３２の外周面と対向するよう構成されている。この柔構造壁が構造物本体３２と対面するため、水槽４１の内部の水３（液体）の慣性力（加振力）が構造物本体３２の慣性力として作用する。そのため、構造物本体３２に加えられる加振力が増大する。

また、水槽４１と仕切筒４３の間でバルーン４２が挟み込まれることで、バルーン４２が膨らむことを制限できる。そのため、バルーン４２が構造物本体３２に衝突されることを防止することができる。さらに、衝突によるバルーン４２の破裂を防止することができる。

また、構造物本体３２の高さと幅に合わせて、バルーン４２と仕切筒４３により構成される柔構造壁を設けていることで、柔構造壁をコンパクトに構成することができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について図１８から図１９を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１８から図１９に示すように、第６実施形態の振動試験装置１０７は、多段バルーン４５（気体層）を備える。

この多段バルーン４５は、円筒形状を成し、空気（気体）が封入されている複数の気体室４６を有している。これら気体室４６が上下方向に分割されて設けられている。また、それぞれの気体室４６の圧力管理を個々に行うことができる。例えば、それぞれの気体室４６が設けられている位置（水深）における水圧と釣合うように、それぞれの気体室４６の気圧が調整されている。このようにすれば、多段バルーン４５の形状をそれぞれの深度で適切に保つことができる。

多段バルーン４５の上下の気体室４６の圧力が、水深に合わせて水頭圧と釣合うように細かく設定される。この多段バルーン４５は、前述の一体型のバルーン４２（図１６）と比べて、空気ばねとしての剛性が低下し、柔構造壁の加振方向５の剛性を低く抑えることができる。そのため、水槽４１の内部の水３（液体）の加振方向５の動きをより拘束しないことから、構造物本体３２（試験体）に加えられる加振力の増大性能がより向上する。

さらに、第６実施形態の振動試験装置１０７は、試験容器の上部から板部材を吊り下げて支持する吊り具を備え、この吊り具は、板部材を上下方向に移動可能な状態で支持する弾性体を有する。例えば、第６実施形態の仕切筒４３は、水槽４１（試験容器）の上面を塞ぐ蓋である天板４４から、弾性体としての吊りばね２８（吊り具）で吊下げられている。この吊りばね２８（金属ばね）は、仕切筒４３（板部材）を上下方向に移動可能な状態で支持する。このようにすれば、仕切筒４３が上下方向に柔に支持され、水３の流動に応じて仕切筒４３を適切に支持することができる。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態について図２０から図２２を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図２０から図２１に示すように、第７実施形態の振動試験装置１０８は、気体層を形成する二重筒５０を備える。

この二重筒５０は、円筒形状を成す水槽４１（試験容器）の内面の形状に合わせた内筒５１と外筒５２とから成る。内筒５１と外筒５２とは、金属または樹脂などの材質で形成されている。また、二重筒５０の内部には、気体である空気が封入されている。つまり、第７実施形態の振動試験装置１０８は、水３と水槽４１の内周面との間の全範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層を備えている。

また、二重筒５０の両端部における内筒５１と外筒５２との連結部分に、二重筒５０の内部への水３（液体）の浸入を防ぐシール部材５３（図２２）が設けられている。このシール部材５３は、円環状を成す防水型のスライド板となっている。例えば、シール部材５３に設けられるＯリング（図示略）などで防水されることで、二重筒５０の内部に空気を保持し、ボックス型の柔構造壁を構成することができる。

水槽４１が振動台４（加振機）により加振されたときに、内筒５１が加振方向５に沿ってスライド移動する。このようにすれば、内筒５１により水３を加振方向５に柔に支持する柔構造壁を形成することができる。

水槽４１の内面の全周に亘って二重筒５０が設けられているため、水槽４１が水平面内のいずれの加振方向５に加振されても、水槽４１の内部の水３の慣性力（加振力）が構造物本体３２（試験体）の慣性力として作用する。そのため、構造物本体３２に加えられる加振力が増大する。

このように、水槽４１の水３を柔に支持することで、水槽４１の水３の慣性力を構造物本体３２に加えることができ、水槽４１と構造物本体３２の間の流体－構造連成による刺激係数の低下を抑制できる。

また、気体層の気密性をシール部材５３（図２２）によって保持するため、前述のバルーン４２（図１６）のように、内部の気圧を水頭圧に合わせて調整し膨らませるなど、調整の煩雑さが無くなり、取り扱いが容易となる。また、バルーン４２の構成のように、バルーン４２が空気ばねとして作用し、柔構造壁の剛性を上昇させる懸念がない。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態について図２３から図２５を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図２３から図２５に示すように、第８実施形態の振動試験装置１０９は、燃料集合体６０のような長尺構造物の試験体への適用を示す実施形態である。この振動試験装置１０９は、水槽６１（試験容器）と、振動台４（加振機）と、多段バルーン６２（気体層）と、仕切筒６４とを備える。

水槽６１は、燃料集合体６０の寸法に合わせて上下方向に長尺の円筒形状を成す。また、多段バルーン６２は、円筒形状を成し、空気（気体）が封入されている複数の気体室６３を有している。さらに、仕切筒６４は、円筒形状を成し、水槽６１の上面を塞ぐ蓋である天板６５から、弾性体としての吊りばね６６（吊り具）で吊下げられている。

水槽６１の上部には、その内周面に固定された保持板６７が設けられている。図２４に示すように、この保持板６７の中央部には、矩形状を成す孔が上下方向に開口され、４本の燃料集合体６０の上部が挿通された状態で保持される上部保持部６８が設けられている。この上部保持部６８により、燃料集合体６０の上部が水平方向に移動不能な状態で支持されている。なお、燃料集合体６０同士の上部の隙間には、固定用のばね６９が設けられており、燃料集合体６０同士がぐらつかない構成と成っている。

図２３に示すように、水槽６１の底部には、燃料集合体６０の下端部を固定する支持金具７０が固定されている。燃料集合体６０の下端部は、円錐形状を成し、この下端部が支持金具７０に形成された円錐穴７１に嵌るようになっている。

燃料集合体６０の上部と下端部を除き、燃料集合体６０の上下方向の中央部付近の周囲を囲むように、多段バルーン６２と仕切筒６４が設けられている。この多段バルーン６２と仕切筒６４に柔構造壁が構成されている。この柔構造壁が燃料集合体６０の中央部付近と対面するため、水槽６１の内部の水３（液体）の慣性力（加振力）が燃料集合体６０の慣性力として作用する。そのため、燃料集合体６０に加えられる加振力が増大する。

また、燃料集合体６０は、上下端部が加振方向５となる水平方向に移動不能に拘束されているため、燃料集合体６０の上下端部が変形せず、燃料集合体６０の中央部付近が弓型に膨らむように変形して振動する。このことから、振動変位の大きい燃料集合体６０の中央部付近のみに、多段バルーン６２と仕切筒６４により構成される柔構造壁を配置することで、柔構造壁をコンパクトに設計することができ、低コスト化を図ることができる。

なお、燃料集合体６０のような長尺構造物のように、振動振幅に分布があり、局所的に振動振幅が大きい試験体の場合は、振動振幅の大きくなる位置に、柔構造壁を設置することが効率的である。

（第９実施形態）
次に、第９実施形態について図２６から図２８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図２６から図２７に示すように、第９実施形態の振動試験装置１１０は、気体層を形成する二重筒８０を備える。

この二重筒８０は、円筒形状を成す水槽４１（試験容器）の内面の形状に合わせた内筒８１と外筒８２とから成る。外筒８２は、金属または樹脂などの材質で形成されている。また、二重筒８０の両端部には、円環状を成す連結板８３が設けられている。これらの連結板８３により、内筒８１と外筒８２とが、その内部を密閉された状態で連結されている。

また、二重筒８０の内部には、気体である空気が封入されている。つまり、第９実施形態の振動試験装置１１０は、水３（液体）と水槽４１の内周面との間の全範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層を備えている。

図２８に示すように、内筒８１は、径方向には剛で管軸の曲げ変形には柔となるベローズ管により形成されている。このようにすれば、ベローズ管により水３（液体）を加振方向５に柔に支持する柔構造壁を形成することができる。

内筒８１（ベローズ管）は、矩形状（Ｕ字形状）の断面を有する樹脂で形成された複数の角管部８４と、これら角管部８４同士の間に設けられたゴム板部８５とで構成されている。なお、角管部８４とゴム板部８５とは、平面視で円形状を成す部材である。

図２６に示すように、第９実施形態では、内筒８１を多段のベローズ管構造とすることで、管軸に対して曲げ剛性が低い構成とし、構造物本体３２（試験体）の高さ寸法に対応して、上下方向に長い柔構造壁を形成することができる。そして、この柔構造壁が構造物本体３２と対面するよう構成することができる。

また、ベローズ管構造を成す内筒８１は、径方向に剛、かつ管軸の曲げ方向（管軸直交方向）には柔であることで、加振方向５である管軸直交方向の剛性が柔となる柔構造壁を構成することができる。そのため、構造物本体３２に加えられる加振力が増大する。

また、前述のバルーン４２（図１６）により柔構造壁を構成した場合と比べて、気体層の加圧が不要となる。さらに、バルーン４２の構成のように、加圧によりバルーン４２が空気ばねとして作用し、柔構造壁の剛性を上昇させる懸念がない。

（第１０実施形態）
次に、第１０実施形態について図２９から図３０を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図２９から図３０に示すように、第１０実施形態の振動試験装置１１１は、矩形状（箱状）を成す水槽１（試験容器）と、この水槽１を載置する振動台４（加振機）と、水槽１の内面に設けられた２つのバルーン９０（気体層）とを備える。

燃料ラック２（試験体）は、水槽１に収容されている。水槽１の底部に燃料ラック２の下端部が固定され、水槽１が水３で満たされている。振動台４により水槽１が紙面左右の加振方向５に加振される。

第１０実施形態の振動試験装置１１１は、それぞれのバルーン９０の燃料ラック２に対向する側に設けられている２つの板部材９１を備える。これら板部材９１は、例えば、バルーン９０において、燃料ラック２に対向する内面側に接触する隔壁である。なお、板部材９１は、金属板または樹脂板となっている。

燃料ラック２を挟んで対面する２つの板部材９１は、互いに上端が連結棒９２を介して連結されている。なお、連結棒９２と板部材９１の上端は、連結ピン部材９３で連結されている。

板部材９１は、燃料ラック２から所定の距離を隔てて設けられている。板部材９１は、水槽１の加振方向５にバルーン９０と一体となって動くものである。それぞれの板部材９１は、上端部が燃料ラック２の側に近づくように傾けられている。板部材９１の下端は、回転支持部材９４を介して水槽１の底面に固定されている。板部材９１は、回転支持部材９４を支点にして回転（揺動）する。

バルーン９０は、板部材９１の一方の面と水槽１の内面とで挟み込まれている。バルーン９０が挟み込まれることで、バルーン９０の形状が保たれる。例えば、バルーン９０の形状は、下端部から上端部にいくに従って広がるように、側面視で逆三角形状を成している。水槽１が振動台４により加振されたときに、バルーン９０の収縮または膨張に応じて板部材９１が移動される。このようにすれば、板部材９１によりバルーン９０を適切な形状に保つことができる。

振動台４により水槽１に加振力を与えると、バルーン９０と板部材９１とにより構成される柔構造壁によって、水槽１の水３を柔に支持することができる。また、板部材９１の下端部が、回転自由に支持されているため、柔構造壁が上部側で大きく変位することができる。

柔構造壁の上部側が大きく変位することで、下端が固定されている燃料ラック２の振動モード（下端支持・片持ち変形モード）とほぼ一致した変形となり、燃料ラック２（加振試験の対象物）の振動モードに合わせた柔構造壁の合理化、コンパクト化を実現できる。

振動試験装置および振動試験方法が第１実施形態から第１０実施形態に基づいて説明されているが、いずれかの実施形態において適用された構成が他の実施形態に適用されても良いし、各実施形態において適用された構成が組み合わされても良い。

なお、前述の実施形態は、試験容器６の内部が水３で満たされているが、その他の態様でも良い。例えば、試験容器６の内部が油などの水３以外の液体で満たされていても良い。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、液体と試験容器の内面との間の少なくとも一部の範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層を備えることにより、液体中にある構造物の振動試験において、試験体の液体中での刺激係数の低下を抑制して試験体の加振力を増大させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態またはその変形は、発明の範囲と要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…水槽、２…燃料ラック、３…水（液体）、４…振動台（加振機）、５…加振方向、６…試験容器、７…試験体、８…バルーン、９…水の移動方向、１０…加振方向、１１…質点質量、１２…ばね剛性、１３…質点質量、１４…連成質量、１５…ばね剛性、１６…質点質量、１７…連成質量、１８，１９…グラフ、２０…バルーン、２１…係留索、２２，２３…バルーン、２４…仕切筒、２５…天板、２６…吊りワイヤ、２８…吊りばね、３０…構造物本体、３１…脚部、３２…構造物本体、４１…水槽、４２…バルーン、４３…仕切筒、４４…天板、４５…多段バルーン、４６…気体室、５０…二重筒、５１…内筒、５２…外筒、５３…シール部材、６０…燃料集合体、６１…水槽、６２…多段バルーン、６３…気体室、６４…仕切筒、６５…天板、６６…吊りばね、６７…保持板、６８…上部保持部、６９…ばね、７０…支持金具、７１…円錐穴、８０…二重筒、８１…内筒、８２…外筒、８３…連結板、８４…角管部、８５…ゴム板部、９０…バルーン、９１…板部材、９２…連結棒、９３…連結ピン部材、９４…回転支持部材、１００～１１１…振動試験装置。

Claims (10)

1. 内部が液体で満たされ、前記液体に没した状態で振動試験の対象である試験体を収容する試験容器と、
   前記試験容器を加振する加振機と、
   前記液体と前記試験容器の内面との間の少なくとも一部の範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層と、
   を備え、
   前記試験容器が前記加振機により加振されたときに、前記気体層が収縮または膨張することで、前記液体が加振方向に沿って移動し、前記液体により前記試験体に前記液体の慣性力が加わる、
   ように構成されている、
   振動試験装置。
2. 前記気体層は、膜状の密閉された袋であるバルーンで形成され、前記バルーンの内部に前記気体が封入されている、
   請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記バルーンは、前記気体が封入されている複数の気体室を有し、それぞれの前記気体室が設けられている位置における前記液体の液圧と釣合うように、それぞれの前記気体室の気圧が調整されている、
   請求項２に記載の振動試験装置。
4. 前記バルーンは、前記試験体の周囲を取り囲むように平面視で環状に形成されているとともに、周方向に前記気体層が連通されている、
   請求項２または請求項３に記載の振動試験装置。
5. 前記バルーンの前記試験体に対向する側に設けられている板部材を備え、
   前記板部材の一方の面と前記試験容器の内面とで前記バルーンが挟み込まれることで、前記バルーンの形状が保たれ、かつ前記試験容器が前記加振機により加振されたときに、前記バルーンの収縮または膨張に応じて前記板部材が移動される、
   請求項２または請求項３に記載の振動試験装置。
6. 前記試験容器の上部から前記板部材を吊り下げて支持する吊り具を備え、
   前記吊り具は、前記板部材を上下方向に移動可能な状態で支持する弾性体を有する、
   請求項５に記載の振動試験装置。
7. 前記気体層は、体積弾性率が前記液体よりも低い発泡材で形成されている、
   請求項１に記載の振動試験装置。
8. 前記試験容器が円筒形状を成し、
   前記気体層は、前記試験容器の内面の形状に合わせた内筒と外筒とから成る二重筒により形成され、
   前記二重筒の両端部における前記内筒と前記外筒との連結部分に、前記二重筒の内部への前記液体の浸入を防ぐシール部材が設けられ、
   前記試験容器が前記加振機により加振されたときに、前記内筒が加振方向に沿ってスライド移動する、
   請求項１に記載の振動試験装置。
9. 前記試験容器が円筒形状を成し、
   前記気体層は、前記試験容器の内面の形状に合わせた内筒と外筒とから成る二重筒により形成され、
   前記二重筒の両端部で前記内筒と前記外筒とが密閉された状態で連結され、
   前記内筒が、径方向には剛で管軸の曲げ変形には柔となるベローズ管により形成されている、
   請求項１に記載の振動試験装置。
10. 内部が液体で満たされ、前記液体に没した状態で振動試験の対象である試験体を収容する試験容器と、
    前記試験容器を加振する加振機と、
    前記液体と前記試験容器の内面との間の少なくとも一部の範囲に亘って設けられ、気体を内包する気体層と、
    を用いて行う方法であり、
    前記試験容器が前記加振機により加振されたときに、前記気体層が収縮または膨張することで、前記液体が加振方向に沿って移動し、前記液体により前記試験体に前記液体の慣性力を加える、
    振動試験方法。

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