(57)【要約】【課題】遠心場における模型実験に適した軽量な起振装置を提供する。【解決手段】起振装置１０は、シリンダ本体１７と、このシリンダ本体１７に供給される油圧に応じて、シリンダ本体１７に対して進退変位するシリンダロッド１８とを有する油圧シリンダ１１を有し、油圧シリンダ１１のシリンダロッド１８側が加振対象物に固定され、油圧シリンダ１１が油圧の供給により伸縮するのに応じて、シリンダ本体１７が慣性質量として作用することにより加振対象物を加振する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じてシリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダを有する起振装置であって、
前記油圧シリンダの前記ロッド側が加振対象物に固定され、
前記油圧シリンダが油圧の供給により伸縮するのに応じて、前記シリンダ本体が慣性質量として作用することにより前記加振対象物を加振することを特徴とする起振装置。
【請求項２】
前記シリンダ本体の重量が伝達され、その反力がシリンダ本体に伝達されるように設けられた弾性体を有することを特徴とする請求項１記載の起振装置。
【請求項３】
前記シリンダ本体の重量を圧縮荷重として、前記弾性体に伝達する荷重伝達手段を有することを特徴とする請求項２記載の起振装置。
【請求項４】
前記弾性体は、ばねであることを特徴とする請求項２又は３記載の起振装置。
【請求項５】
前記ばねは、空気ばねであることを特徴とする請求項４記載の起振装置。
【請求項６】
シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じて、シリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダを有する起振装置により加振対象物を加振する方法であって、
前記油圧シリンダの前記ロッド側を加振対象物に固定し、
前記油圧シリンダを油圧の供給により伸縮させ、前記シリンダ本体の重量を慣性質量として作用させることにより加振対象物を加振することを特徴とする加振方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起振装置及び加振方法に関し、特に遠心場における模型実験に好適な起振装置及び加振方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地震時の地盤特性や構造物の振動特性を調べるため、縮尺模型に振動を加える加振実験が行われている。このような加振実験に用いられる起振装置として、例えば特許文献１には、錘と、この錘を上下動させる手段であるエアシリンダと、錘を弾性的に支持する手段とを備えた起振装置が記載されている。このような起振装置によれば、錘が弾性的に支持されているため、より小さな加振力で錘を上下動させ、加振対象物を加振することができる。
【０００３】
ところで、縮尺模型を用いた加振実験において、寸法のみを縮尺しただけでは、力学的相似則を満足することができない。そこで、近年、高速回転運動により遠心力を発生させた遠心場において実験を行うことにより力学的相似則を満足させる実験方法がとられることがある。
【特許文献１】特開平１０―２６３４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような遠心場における加振実験では、起振装置の荷重負荷が大きくなるので、試料模型にかかる荷重負担が大きくなり、実験精度が低下してしまう。このため、遠心場における加振実験に用いられる起震装置は軽量であることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、上記説明した起振装置は、上下動させるための手段として用いられるエアシリンダ等の重量及び錘の質量により、起振装置全体としての重量が非常に大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、遠心場における模型実験等に適した軽量な起振装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の起振装置は、シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じて、シリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダを有する起振装置であって、前記油圧シリンダの前記ロッド側が加振対象物に固定され、前記油圧シリンダが油圧の供給により伸縮するのに応じて、前記シリンダ本体が慣性質量として作用することにより前記加振対象物を加振することを特徴とする。
【０００８】
上記の起振装置によれば、シリンダ本体の重量を、加振のための慣性重量として用いるため、従来の起振装置における錘を省略することができる。これにより、装置全体としての重量を低減することができ、遠心場における模型実験の精度を向上させることができる。
【０００９】
また、前記起振装置は、前記シリンダ本体の重量が伝達され、その反力がシリンダ本体に伝達されるように設けられた弾性体を有することが望ましい。さらに前記シリンダ本体の重量を圧縮荷重として、前記弾性体に伝達する荷重伝達手段を有することが望ましい。また、前記弾性体は、ばねであってもよい。さらに、前記ばねは、空気ばねであってもよい。
【００１０】
シリンダ本体の重量を空気ばねにより支持することで、遠心力により発生するシリンダ本体の重量による荷重と空気ばねの復元力が打ち消しあうため、実験模型を加振する際に、油圧シリンダが負担する荷重を低減することができる。
【００１１】
本発明の加振方法は、シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じて、シリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダを有する起振装置により加振対象物を加振する方法であって、前記油圧シリンダの前記ロッド側を加振対象物に固定し、前記油圧シリンダを油圧の供給により伸縮させ、前記シリンダ本体の重量を慣性質量として作用させることにより加振対象物を加振することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の起振装置によれば、シリンダ本体の重量を慣性重量として用いているため、従来の起振装置において慣性質量として用いていた錘が不要となる。このため、装置全体の重量を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の起振装置の一実施形態を図面に基づき説明する。図１は、本実施形態の起振装置１０を示す斜視図であり、図２は、起振装置１０を示す鉛直断面図である。さらに、図３は模型試料２０を加振する起振装置１０を模式的に示す図である。図１〜図３に示すように、起振装置１０は、油圧シリンダ１１と、空気ばね１２と、油圧シリンダ１１に供給される油圧を制御するサーボバルブ１３と、シリンダ本体１７の変位を検出するための変位検出器１４と、起振装置１０により模型試料２０（図３）に作用する加速度及び加振力を測定するためのロードセル１５と、空気ばね１２を支持する枠組み１６とを備える。サーボバルブ１３には、適宜な油圧供給手段（図示せず）が接続されている。
【００１４】
図２に示すように、油圧シリンダ１１は、シリンダ本体１７と、このシリンダ本体１７に対して進退変位するシリンダロッド１８とを備える。油圧シリンダ１１のシリンダロッド１８側は、台座１９を介して加振対象物である模型試料２０に固定されている。また、油圧シリンダ１１のシリンダ本体１７側は、枠組み１６に接続されている。さらに、枠組み１６は空気ばね１２の上端部に接続されており、この空気ばね１２の下端部は支持台２２により下方より支持されている。この空気ばね１２内の圧力は、起振装置１０の上部に設けられた空気圧継手２１より調整することができ、本実施形態では、遠心場においてシリンダ本体１７の質量により圧縮された際に、空気ばね１２の厚さが標準高さになるように適宜調整されている。
【００１５】
また、シリンダ本体１７は所定の重量を有しており、模型試料２０を加振する際に慣性質量として機能する。変位検出器１４及びロードセル１５により測定された変位及び加振力に基づいて、サーボバルブ１３により油圧シリンダ１１に供給される油圧が制御され、この油圧に応じてシリンダロッド１８がシリンダ本体１７に対して進退変位することで、油圧シリンダ１１が伸縮運動する。ここで、本実施形態では、シリンダロッド１８は、模型試料２０に固定されているので、シリンダ本体１７が往復運動することになる。したがって、シリンダ本体１７の重量が慣性質量として働き、その反力がシリンダロッド１８を介して模型試料２０に伝達されることにより模型試料２０が加振される。
【００１６】
図３には、本実施形態の起振装置１０が模型試料２０を加振する際に、各部に作用する荷重を示している。なお、ｍはシリンダ本体１７の質量を、ｇは遠心場における加速度を、ａはシリンダ本体１７の加速度である。同図に示すように、シリンダ本体１７の重量ｆ１＝ｍｇは枠組み１６により伝達され、空気ばね１２の上方より圧縮力として作用する。すなわち、枠組み１６が荷重伝達手段に相当する。空気ばね１２の下端部は支持台２２により支持されているため、空気ばね１２に上方より圧縮力が作用するとこの圧縮力とは逆向きに反力ｆ２＝ｍｇを発生する。この反力は、再び枠組み１６により伝達され、シリンダ本体１７に荷重と逆向きの荷重ｆ３＝ｍｇとして作用する。これにより、後に詳細に説明するように、シリンダ本体１７の重量と、空気ばね１２の反力が打ち消しあうことで、油圧シリンダ１１はシリンダ本体１７の重量ｍｇを負担する必要がなくｍａのみを発生すればよい。なお、空気ばね１２に作用した圧縮力は支持台２２により模型試料２０に伝達される。
【００１７】
ここで、本実施形態の起振装置によれば、従来の起振装置に比べて、装置全体の重量を削減することができ、かつ、少ない加振力で模型試料に等しい加振力を加えられることを説明する。
【００１８】
図４は、従来の起振装置３０により加振をする際に、各部に作用する荷重を示す図である。同図に示すように、従来の起振装置３０は、油圧シリンダ３１と、錘３２（重量をＭとする）を備えている。油圧シリンダ３１に油圧が供給されて、油圧シリンダ３１が伸縮することにより錘３２が慣性重量として働き、模型試料２０に反力が作用する。従来の起振装置３０は、この反力により模型試料２０を加振することができる。油圧シリンダ３１を構成するシリンダ本体の重量を本実施形態のシリンダ本体１７と同じｍとすると、従来の起振装置３０のその他の部位の重量を無視した装置全体としての重量は、錘３２とシリンダ本体の重量の合計（ｍ＋Ｍ）となる。ここで、シリンダ本体の重量ｍは大きいため、装置全体の重量（ｍ＋Ｍ）も大きくなってしまう。
【００１９】
これに対し、図３に示すように、本実施形態の起振装置１０は、油圧シリンダ１１が伸縮する際、シリンダ本体１７を慣性質量として用いて模型試料を加振するので、従来の起振装置３０における錘３２を省略することができる。このため、従来の起振装置３０と同じ加振力を模型試料に発生するため、シリンダ本体１７の質量はＭであるとすると、本実施形態の起振装置１０のその他の部位の重量を無視した装置全体としての重量はＭとなる。このように本実施形態の起振装置１０によれば、従来の起振装置３０に比べて、重量を削減することが可能となる。
【００２０】
ここで、空気ばね１２の機能について説明する。シリンダ本体１７は、加振の際に例えば５ｍｍ程度の幅で上下動する。この際、正確な起振力で模型試料を加振するためには、シリンダ本体１７が５ｍｍ程度上下動しても、シリンダ本体１７の重量を支える支持力が一定であることが望ましい。図５は、空気ばね１２の荷重変形特性を示すグラフである。図中の横軸は、空気ばね１２の標準高さを基準とした変位を、縦軸は、空気ばね１２に作用する荷重を示す。一般にシリンダ本体１７の重量ｍは５０ｋｇ程度であり、遠心場における加速度ｇが１０Ｇ（Ｇは重力加速度）であるとすると、空気ばね１２には５００ｋｇｆの圧縮力が作用する。図５に示すように、空気ばね１２は荷重が大きくなるにつればね定数（図における荷重変位曲線の傾き）が小さくなる特性を有する。このため、空気ばね１２が５００ｋｇｆ程度の圧縮力が作用した状態で標準高さになるように調整されており、かつ、空気ばね１２の厚さが標準高さより±５ｍｍ程度以内の場合には、空気ばね１２の反力は２０ｋｇｆ程度しか変化せず、略一定とみなすことができる。このように、予め空気ばね１２を、遠心場において標準高さになるように内部圧力を調整しておくことで、空気ばね１２の厚さが油圧シリンダ１１の伸縮により変化しても、略一定の力でシリンダ本体１７の重量ｍｇを支持することができる。これにより、油圧シリンダ１１は加振力ｍａのみを負担すればよい。
【００２１】
図４に戻って、従来の起振装置３０により加振するためには、遠心場の遠心力による錘３２の重量を負担しつつ、錘３２に加振力を加えなければならないので、油圧シリンダ３１が発生すべき加振力は非常に大きい。
【００２２】
これに対し、上記説明したように、遠心場において空気ばね１２の反力がシリンダ本体１７の重量ｍｇと等しくなるように調整しておくことにより、油圧シリンダ１１が伸縮しても空気ばね１２は略一定な反力ｍｇでシリンダ本体１７を支持する。このため、図３に示すように、シリンダ本体１７の重量と空気ばね１２の反力が打ち消しあい、油圧シリンダ１１は、その自重による重量ｍｇを負担する必要はない。このため、油圧シリンダ１１が発生すべき加振力はｍａとなる。このように、本実施形態の起振装置１０によれば、油圧シリンダ１１が発生すべき加振力を低減することができ、また、空気ばね１２の反力が略一定であるため、一定の加振力で加振することができる。
【００２３】
また、通常の重力場では遠心場の遠心力に比べて重力加速度が小さいため、空気ばね１２には遠心場と比べてわずかな重量しか作用しない。しかし、図５に示すように、空気ばね１２は荷重が低下するにつればね定数が高くなる性質を有する。このため、通常のばねと比較して、荷重が小さい場合の厚さと標準高さの差が小さい。遠心場に用いる起振装置は、実験開始前は通常の重力加速度が作用するため空気ばねに働く荷重が小さく、実験中は遠心力により空気ばねに働く荷重が大きくなる。これに対して、空気ばね１２は、通常の重力場と遠心場においても高さの差が比較的に少なく、遠心場に用いる起振装置には好適である。
【００２４】
以上説明した本実施形態の起振装置１０によれば、シリンダ本体１７を、加振のための慣性重量として用いるため、従来の起振装置において設けられていた錘を省略することができる。これにより、装置全体の重量を小さくすることができるため、遠心場における加振実験の精度が向上する。
【００２５】
また、シリンダ本体１７の重量を空気ばね１２の反力により支持する構成としたため、シリンダ本体１７の重量と、空気ばね１２の反力とが打ち消しあい、油圧シリンダ１１が負担する加振力を小さくすることができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、シリンダ本体の重量を空気ばねにより支持する構成としたが、これに代えて、例えば粘弾性体や一般的なコイルばねを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態の起振装置の斜視図である。
【図２】本実施形態の起振装置の鉛直断面図である。
【図３】本実施形態の起振装置が加振する際に、各部に作用する荷重を示す図である。
【図４】従来の起振装置が加振する際に、各部に作用する荷重を示す図である。
【図５】空気ばねの荷重変形特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  起振装置                          １１  油圧シリンダ
１２  空気ばね                          １３  サーボバルブ
１４  変位検出器                        １５  ロードセル
１６  枠組み                            １７  シリンダ本体
１８  シリンダロッド                    １９  台座
２０  模型試料                          ２１  空気圧継手
２２  支持台                            ３０  従来の起振装置
３１  油圧シリンダ                      ３２  錘
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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