JP7397359B2 - 振動試験装置および振動試験方法 - Google Patents

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Description

特許法第３０条第２項適用 ２０１９年８月１日付で、土木学会全国大会 第７４回年次学術講演会 講演概要集 ＶＩ－７９１にて、池口雄大、齋藤千紘、中川雅史、柳秀一が公開。
本開示は、構造物に添架された管路の振動を試験する振動試験装置および振動試験方法に関する。
従来、図６に示すように、橋梁２１０などの構造物の下に電気、水道、通信などインフラ設備に供する管路設備２００を設けることができる。管路設備２００において、管路１０は、橋梁２１０の梁２２０により複数の支持点で支持され、Ｕ字ボルト２３０などの固定部材によりそれぞれの支持点で固定されている。
管路設備において、構造物との共振に起因して発生する管路の騒音又は異常応力などを防ぐため、支持点を共振しない箇所に設定しなければならない。そのため、支持点間の距離、管路の形状、管路の物性値などに基づいて、管路の振動特性（例えば、固有振動数など）を計測し、設計に反映することが必要とされている。実際の管路設備は、管路の形状、Ｕ字ボルトの拘束条件などに依って様々な形態を取るため、机上での管路の固有振動数の算出が難しい。このため、実設備または実設備を模した管路の振動計測を行う必要がある。
しかし、実設備は周辺環境の影響を受け易いため、管路の振動計測を簡易に実施することができない。そこで、振動試験装置を用いた試験方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
小林大樹、田中宏司、「橋梁に添架する補修用ＦＲＰ管の共振に対する検討」、土木学会年次講演、2014
しかしながら、従来の振動試験装置は、大型の油圧機械などを必要とするためコストが高く、さらに、仕様上、管路設備の形態に応じて計測条件（例えば、スパン長、スパン数など）を適宜変更することが困難であり、実設備の設計前に管路の振動特性を計測することは困難であった。
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、低コストでありながら、簡易に管路の振動を再現し、実設備の設計前に管路の振動特性を計測することが可能な振動試験装置および振動試験方法を提供することにある。
一実施形態に係る振動試験装置は、構造物に添架された管路の振動を試験する振動試験装置であって、所定の間隔を空けて壁面に接合され、前記管路を支持する複数の支持部材と、前記管路の一端が第１の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第１の支持部材に締結する第１の固定部材と、前記管路の他端が第２の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第２の支持部材に締結する第２の固定部材と、前記支持部材に加振力を付与する加振部と、前記管路の振動を検出する検出部と、前記管路の振動特性を計測する計測部と、を備えることを特徴とする。
一実施形態に係る振動試験方法は、構造物に添架された管路の振動を試験する振動試験方法であって、複数の支持部材が、所定の間隔を空けて壁面に接合され、前記管路を支持するステップと、第１の固定部材が、前記管路の一端が第１の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第１の支持部材に締結するステップと、第２の固定部材が、前記管路の他端が第２の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第２の支持部材に締結するステップと、加振部が、前記支持部材に加振力を付与するステップと、検出部が、前記管路の振動を検出するステップと、計測部が、前記管路の振動特性を計測するステップと、を含むことを特徴とする。
本開示によれば、低コストでありながら、簡易に管路の振動を再現し、実設備の設計前に管路の振動特性を計測することが可能な振動試験装置および振動試験方法を提供することができる。
一実施形態に係る振動試験装置の構成の一例を示す上面図である。 一実施形態に係る管路の形態の一例を示す図である。 一実施形態に係る管路の形態の一例を示す図である。 一実施形態に係る支持部材の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る支持部材の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る支持部材の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る支持部材の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係る振動試験装置の構成の一例を示す断面図である。 一実施形態に係る振動試験装置の構成の一例を示す断面図である。 一実施形態に係る振動試験装置の構成の一例を示す断面図である。 一実施形態に係る振動試験方法の一例を示すフローチャートである。 管路設備の構成の一例を示す図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
＜振動試験装置の構成＞
図１乃至図４を参照して、本発明の一実施形態に係る振動試験装置１００の構成について説明する。図４Ａは、図１におけるＩ１－Ｉ１断面を示す図である。図４Ｂは、図１におけるＩ２－Ｉ２断面を示す図である。図４Ｃは、図１におけるＩ３－Ｉ３断面を示す図である。
振動試験装置１００は、実験室内において使用され、構造物に添架された管路の振動を再現し、計測する装置である。管路１０は、樹脂製又は金属製の管であり、例えば、硬質ビニル管、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）管、鋼管、ＦＲＰＭ（Fiberglass Reinforced Plastic Mortar）管などである。なお、図１では、振動試験装置１００に管路１０が１本設置される場合を一例に挙げているが、振動試験装置１００に設置される管路１０の形態は、特に限定されるものではない。実際の管路設備に敷設される形態を模して、例えば、２条２段（図２Ａ参照）、２条３段（図２Ｂ参照）の形態で、振動試験装置１００に設置されてもよい。また、管路１０は、円筒形状を有していれば、径又は素材が特に限定されるものではなく、継ぎ手などが設けられて、凹凸を有していてもよい。
図１は、計測部１０５を除き、天井方向から見た図である。振動試験装置１００は、地面に対して垂直な方向に設けられる壁面２０に取り付けられる。管路１０は、地面に対して平行となるように、振動試験装置１００に設置される。なお、壁面２０は、一般的な建物で使用される壁面であればよく、材料などが特に限定されるものではない。
振動試験装置１００は、複数の支持部材１０１ａ，１０１ｂと、複数の固定部材１０２ａ，１０２ｂと、加振部１０３と、検出部１０４と、計測部１０５と、を備える。
支持部材１０１ａ、１０１ｂは、所定の間隔Ｓを空けて壁面２０に接合される。壁面２０と支持部材１０１ａ，１０１ｂとは、例えば、ボルト接合、溶接接合、接着剤接合など、公知の手法で接合される。作業者は、支持部材１０１ａと支持部材１０１ｂとの間隔Ｓを適宜調整することが可能である。
支持部材（第１の支持部材）１０１ａは、支持部材１０１ａの支持点（第１の支持点）Ｘ１において、管路１０を支持する。支持部材１０１ａは、管路１０の一端Ａが矢印Ａ１の方向へはみ出す位置で、支持部材１０１ａの支持点Ｘ１において、管路１０を支持する。支持部材１０１ａには、固定部材１０２ａを差し込むための貫通孔Ｈが設けられている。
支持部材（第２の支持部材）１０１ｂは、支持部材１０１ｂの支持点（第２の支持点）Ｘ２において、管路１０を支持する。支持部材１０１ｂは、管路１０の他端Ｂが矢印Ｂ１の方向へはみ出す位置で、支持部材１０１ｂの支持点Ｘ２において、管路１０を支持する。支持部材１０１ｂには、固定部材１０２ｂを差し込むための貫通孔Ｈが設けられている。
支持部材１０１ａ，１０１ｂは、管路１０の設置される面が平面であり、管路１０を安定して支持可能な構成であればよい。支持部材１０１ａ，１０１ｂは、例えば、図３Ａ又は図３Ｂに示すように、Ｌ形鋼で形成されてよい。支持部材１０１ａ，１０１ｂは、例えば、図３Ｃに示すように、平鋼で形成されてよい。支持部材１０１ａ，１０１ｂは、例えば、図３Ｄに示すように、Ｈ形鋼で形成されてよい。
支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との間の距離は、スパン長と呼ばれる。作業者は、支持部材１０１ａと支持部材１０１ｂとの間隔Ｓを調整することで、スパン長を適宜変更することが可能である。例えば、管路１０が硬質ビニル管である場合、作業者は、スパン長を、Ｌ＝２．５ｍとすることができる。例えば、管路１０がＦＲＰ管である場合、作業者は、スパン長を、Ｌ＝５．０ｍとすることができる。
複数の支持部材で支持される管路１０における支持点間の区間の個数は、スパン数と呼ばれる。作業者は、支持部材１０１の個数、および、支持部材１０１と壁面２０との接合位置を調整することで、スパン数を適宜変更することが可能である。
支持部材１０１ａ，１０１ｂは、加振部１０３により、加振箇所Ｐに加振力が付与される。例えば、作業者が、加振部１０３を用いて加振箇所Ｐを打撃すると、加振箇所Ｐに衝撃加振力が付与される。支持部材１０１ａ，１０１ｂは、付与された加振力に基づいて振動する。支持部材１０１ａ，１０１ｂの振動は、管路１０に伝達される。なお、図１では、加振箇所Ｐは、支持部材１０１ｂにおける所定の位置に設定されているが、支持部材１０１ａにおける所定の位置に設定されていてもよい。加振箇所Ｐは、支持部材１０１ａあるいは支持部材１０１ｂの何れに設定される場合であっても、振動計測の精度を高められる位置に設定されることが好ましい。
固定部材１０２ａ，１０２ｂは、管路１０を支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結する。固定部材（第１の固定部材）１０２ａは、管路１０の一端Ａが支持部材１０１ａからはみ出す位置で、管路１０を支持部材１０１ａに締結する。固定部材（第２の固定部材）１０２ｂは、管路１０の他端Ｂが支持部材１０１ｂからはみ出す位置で、管路１０を支持部材１０１ｂに締結する。
具体的には、固定部材１０２ａは、管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下（ｌ１≦０．２Ｌ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ａに締結する。
具体的には、固定部材１０２ｂは、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下（ｌ２≦０．２Ｌ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ｂに締結する。
管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下、および、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下、となる位置で、管路１０が、固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結されることで、振動試験装置１００において、管路１０が固定部材１０２ａ，１０２ｂの外側に大きく撓むことを防ぐことができる。
固定部材１０２ａは、例えば、Ｕ字ボルト１０２１ａと、ナット１０２２ａと、を備える（図４Ａ参照）。固定部材１０２ｂは、例えば、Ｕ字ボルト１０２１ｂと、ナット１０２２ｂと、を備える（図４Ｂ、図４Ｃ参照）。
Ｕ字ボルト１０２１ａ，１０２１ｂは、中央部が湾曲し、両端部がボルト構造となっている１本の鋼材である。Ｕ字ボルト１０２１ａ，１０２１ｂは、管路１０を挟むように、支持部材１０１ａ，１０１ｂに取り付けられて、両端部が該支持部材１０１ａ，１０１ｂに設けられる貫通孔Ｈに差し込まれる。
ナット１０２２ａ，１０２２ｂは、外径が貫通穴の外径より一回り大きい構造を有する。ナット１０２２ａ，１０２２ｂは、支持部材１０１ａ，１０１ｂにおける支持面Ｙ１，Ｙ２と反対側の面から、管路１０および支持部材１０１ａ，１０１ｂを挟み、Ｕ字ボルト１０２１ａ，１０２１ｂの両端部に螺合する。これにより、管路１０は、固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結される。
固定部材１０２ａがＵ字ボルト１０２１ａを備える場合、固定部材１０２ａは、管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、管路１０の外径φ以上（ｌ１≧φ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ａに締結する。
固定部材１０２ｂがＵ字ボルト１０２１ｂを備える場合、固定部材１０２ｂは、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、管路１０の外径φ以上（ｌ２≧φ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ｂに締結する。
管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、管路１０の外径φ以上、および、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、管路１０の外径φ以上、となる位置で、管路１０が、固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結されることで、振動試験装置１００において、管路１０と、支持部材１０１ａ，１０１ｂおよび固定部材１０２ａ，１０２ｂと、の境界条件を、実設備における管路と橋梁の梁およびＵ字ボルトとの境界条件と精度良く一致させることができる。これにより、実設備における管路と橋梁の梁およびＵ字ボルトとの境界条件を再現することが可能になるため、作業者は、実験室内に居ながらにして、例えば、車両が走行する橋梁と共振する管路に発生する振動を模した振動を、リアルに再現することができる。
なお、管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、管路１０の外径φより小さく、且つ、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、管路１０の外径φより小さくなる位置で、管路１０が、固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結された場合、管路１０と、支持部材１０１ａ，１０１ｂおよび固定部材１０２ａ，１０２ｂと、の境界条件は、固定支持の境界条件となってしまう。この場合、実設備における管路と橋梁の梁およびＵ字ボルトとの境界条件を再現することができない。
図４に示すように、管路１０と固定部材１０２ａ，１０２ｂとの間には、接着剤１０６により接着された保護片１０７が設けられていてもよい。管路１０と固定部材１０２ａ，１０２ｂとの間に保護片１０７を設けることで、管路１０が固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結される際に、管路１０を保護することができる。
加振部１０３は、支持部材１０１ａ，１０１ｂに、加振力を付与する。加振部１０３は、支持部材１０１ａにおける所定の位置に加振力を付与してもよいし、支持部材１０１ｂにおける所定の位置に加振力を付与してもよい。
加振部１０３は、例えば、ゴムハンマである。作業者が、例えば、ゴムハンマを用いて加振箇所Ｐを打撃すると、加振箇所Ｐに衝撃加振力が付与される。加振部１０３は、その形態が特に限定されるものではないが、ゴムハンマとすることで、振動試験装置１００の破損を防ぐことができ、また、作業者が支持部材１０１ａ又は支持部材１０１ｂに対して、簡易に加振力を付与することができる。また、加振部１０３をゴムハンマとすることで、計測される値のノイズを少なくすることができる。
加振部１０３が加振箇所Ｐに加振力を付与することで、支持部材１０１ａ，１０１ｂは振動し、支持部材１０１ａ，１０１ｂの振動は、管路１０に伝達される。なお、加振部１０３は、例えば、計測部１０５と無線通信可能なセンサ部などを備えていてもよい。この場合、センサ部が、支持部材１０１ａ，１０１ｂに付与された加振力を検出し、衝撃加振時の各種データを計測部１０５へ出力することで、計測部１０５は、これらのデータを考慮して、管路１０の振動特性をより高精度に計測することが可能になる。
検出部１０４は、管路１０の振動を検出し、検出結果を、計測部１０５へ出力する。検出部１０４は、例えば、接触型の加速度センサ、非接触型のレーザドップラ振動計などである。図１に示すように、検出部１０４が加速度センサである場合、加速度センサは、管路１０の中央部に設けられて、管路１０の振動を検出する。検出部１０４がレーザドップラ振動計である場合、レーザドップラ振動計は、振動試験装置１００から所定距離（例えば、２ｍ）離して設けられて、管路１０の中央部にレーザ光を照射し、ドップラシフトした反射レーザ光の周波数変化を電圧に変換して、管路１０の振動を検出する。
計測部１０５は、検出部１０４から入力された検出結果に基づいて、管路１０の振動特性を計測する。計測部１０５は、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）アナライザであり、管路１０の固有振動数を計測する。なお、計測部１０５は、図１に示すように、検出部１０４と有線で接続される構成のみならず、計測部１０５と無線通信する構成であってもよい。
作業者は、計測部１０５が計測した計測結果に基づいて、例えば、管路設備において、交通振動による橋梁との共振に対して、管路１０が安全であるか否かなどを把握することができる。すなわち、作業者は、振動試験装置１００により再現された管路１０の振動に基づいて取得した情報（管路１０の振動特性）を、実設備の設計前に把握し、管路設備の設計に反映させることができる。
本実施形態に係る振動試験装置１００は、管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下、および管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下、となる位置で、管路１０が、固定部材１０２ａ，１０２ｂにより支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結される。これにより、低コストでありながら、簡易に管路の振動を再現し、実設備の設計前に管路の振動特性を計測することが可能な振動試験装置１００を実現できる。
また、本実施形態に係る振動試験装置１００は、管路設備の形態に応じて、スパン長、スパン数などの計測条件を、適宜変更可能である。これにより、作業者は、装置の仕様上の制限を気にすることなく、所望の検証を実施することができる。
＜振動試験方法＞
次に、図５を参照して、本発明の一実施形態に係る振動試験方法について説明する。
ステップＳ１０１において、支持部材１０１ａ、１０１ｂは、所定の間隔Ｓを空けて壁面２０に接合され、支持部材１０１ａは、支持部材１０１ａの支持点Ｘ１において、管路１０を支持し、支持部材１０１ｂは、支持部材１０１ｂの支持点Ｘ２において、管路１０を支持する。
ステップＳ１０２において、固定部材１０２ａ，１０２ｂは、管路１０を支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結する。固定部材１０２ａは、管路１０の一端Ａと支持点Ｘ１との間の距離ｌ１が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下（ｌ１≦０．２Ｌ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ａに締結する。固定部材１０２ｂは、管路１０の他端Ｂと支持点Ｘ２との間の距離ｌ２が、支持点Ｘ１と支持点Ｘ２との距離Ｌの２０％以下（ｌ２≦０．２Ｌ）となる位置で、管路１０を支持部材１０１ｂに締結する。
ステップＳ１０３において、加振部１０３は、支持部材１０１ａ，１０１ｂに、加振力を付与する。作業者が、例えば、ゴムハンマを用いて加振箇所Ｐを打撃すると、加振箇所Ｐに衝撃加振力が付与される。加振部１０３が加振箇所Ｐに加振力を付与することで、支持部材１０１ａ，１０１ｂは振動し、支持部材１０１ａ，１０１ｂの振動は、管路１０に伝達される。
ステップＳ１０４において、検出部１０４は、管路１０の振動を検出する。例えば、検出部１０４が加速度センサである場合、加速度センサは、管路１０の中央部に設けられて、管路１０の振動を経時的に検出する。
ステップＳ１０５において、計測部１０５は、管路１０の振動特性を計測する。計測部１０５は、例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）アナライザであり、管路１０の固有振動数を計測する。実験により、管路１０を呼び径７５ｍｍの硬質ビニル管とした場合に、特に良い結果が得られることが判明した。
本実施形態に係る振動試験方法は、固定部材１０２ａ，１０２ｂが、ｌ１≦０．２Ｌ、およびｌ２≦０．２Ｌとなる位置で、管路１０を支持部材１０１ａ，１０１ｂに締結する。これにより、低コストでありながら、簡易に管路の振動を再現し、実設備の設計前に管路の振動特性を計測することが可能な振動試験方法を実現できる。
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本開示の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態により制限するものと解するべきではなく、請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。また、実施形態のフローチャートに記載の複数の工程を１つに組み合わせたり、あるいは１つの工程を分割したりすることが可能である。
例えば、本実施形態では、管路１０が、地面に対して平行となるように、振動試験装置１００に設置される構成を一例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。管路１０は、地面に対して垂直となるように、振動試験装置１００に設置されてもよい。
また本実施形態では、振動試験装置１００が、壁面２０に取り付けられる構成を一例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。振動試験装置１００は、例えば、天井面に取り付けられてもよい。
また本実施形態では、振動試験装置が、支持部材１０１を２個備える構成を一例に挙げて説明したが、支持部材１０１の個数は、これに限定されるものではない。支持部材１０１の個数は、複数であればよく３個以上であってもよい。
また本実施形態では、振動試験装置が、固定部材１０２を２個備える構成を一例に挙げて説明したが、固定部材１０２の個数は、これに限定されるものではない。固定部材１０２の個数は、複数であればよく３個以上であってもよい。
また本実施形態では、検出部１０４が、接触型の加速度センサ、非接触型のレーザドップラ振動計である構成を一例に挙げて説明したが、検出部１０４は、これに限定されるものではない。
１０ 管路
２０ 壁面
１００ 振動試験装置
１０１ａ 支持部材（第１の支持部材）
１０１ｂ 支持部材（第２の支持部材）
１０２ａ 固定部材（第１の固定部材）
１０２ｂ 固定部材（第２の固定部材）
１０３ 加振部
１０４ 検出部
１０５ 計測部
１０６ 接着剤
１０７ 保護片
１０２１ Ｕ字ボルト
１０２２ ナット

Claims (1)

  1. 構造物に添架された管路の振動を試験する振動試験方法であって、
    少なくとも第１の支持部材及び第２の支持部材を含む複数の支持部材が、所定の間隔を空けて壁面に接合され、前記管路を支持するステップと、
    第１の固定部材が、前記管路の一端が前記第１の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第１の支持部材に締結するステップと、
    第２の固定部材が、前記管路の他端が前記第２の支持部材からはみ出す位置で、前記管路を前記第２の支持部材に締結するステップと、
    加振部が、前記支持部材に加振力を付与するステップと、
    検出部が、前記管路の振動を検出するステップと、
    計測部が、前記管路の振動特性を計測するステップと、
    を含み、
    前記管路を前記第１の支持部材に締結するステップおよび前記管路を前記第２の支持部材に締結するステップは、
    Ｕ字ボルトと、ナットと、を用いた締結ステップであり、
    実設備における管路に発生する振動を規定する管路と橋梁の梁およびＵ字ボルトとの実設備境界条件を決定するステップと、
    前記管路の一端と、前記第１の支持部材が前記管路を支持する第１の支持点との間の距離、および、前記管路の他端と前記第２の支持部材が前記管路を支持する第２の支持点との間の距離を、前記管路と前記第１の支持部材および前記第２の支持部材との境界条件が前記実設備境界条件と一致する距離に決定するステップを含み、
    前記距離は前記管路の外径以上である、振動試験方法。
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