JP2008304419A - ドラム型遠心載荷装置及び津波造波実験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】縮尺水理模型による、押し波・引き波時の地盤の変状及び構造物の変形・破壊の再現精度を高める。
【解決手段】ドラム型回転容器１２の回転中心部分に配置されたツールテーブル１４を、回転駆動手段１６により回転させた状態で、マルチヘッド型カメラ１８と、多数のＬＥＤを用いた照明手段２０とからなる撮影器材で、造波装置５４によりドラム型回転容器内１２に発生する波と、地盤及び地盤上の構造物とを、複数箇所から同時に撮影する。特に、多数のＬＥＤを用いた照明手段２０により地盤及び地盤上の構造物とを高輝度に照らすことで、マルチヘッド型カメラ１８により高速撮影される映像の、高解像度化を図ることができる。又、レーザ照射手段２２によって、シート状のレーザ光Ｌを照射することにより、流体Ｗの二次元断面を視覚的に浮き立たせ、流体の流速を正確に把握することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドラム型遠心載苛装置及び津波造波実験方法に関するものである。

近年、海底を震源とした地震によって引き起こされる大規模な津波の発生を受け、津波災害に対する懸念がより一層高まっており、津波に関する防災技術の更なる充実が望まれている。
そして、現在開発が進められている津波に関する防災技術は、例えば、ソフト面からのアプローチとしては、津波伝播解析手法に基づくハザードマップの作成や、浸水エリアの判定、又は、津波波力の数値解析手法等が挙げられる。一方、津波の再現実験手法として、造波水槽に縮尺模型を設置して行う津波造波実験（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）や、実物大規模の二次元大型波動水槽による長周期波造波実験（例えば、非特許文献３）が実施されている。これら従来の実験手法は、基本的に、海岸工学における従来からの水理模型実験手法を踏襲したものである。

又、従来の、造波水槽に縮尺模型を設置して行う津波造波実験手法として、造波水槽を遠心力場に置き、水槽内の海水等を模した流体に波を発生させることにより、縮尺模型に加わる応力を、いわゆる「実験相似則」に基づき現実と同様に再現する手法が用いられている。この実験手法に用いられる従来の造波装置としては、造波板がヒンジによって揺動自在に設置された形式のフラップ型造波装置（例えば、非特許文献４）や、造波用フロートを備え、この造波用フロートが、液面と直交する方向へと直線的に駆動される形式の、プランジャ型造波装置（例えば、非特許文献５）等が挙げられる。

水谷将，今村文彦著，海岸工学論文集，２０００年，第４７巻，ｐ．９４６−９５０，「構造物に作用する段波波力の実験」 朝倉良介，岩瀬浩二，池谷毅，金戸俊道，藤井直樹，大森政則著，海岸工学論文集，２０００年，第４７巻，ｐ．９１１−９１５，「護岸を越流した波力に関する実験的研究」 有川太郎，池辺将光，山田文則，下迫健一郎，今村文彦著，海岸工学論文集，２００５年，第５２巻，ｐ．７４６−７５０，「護岸・陸上構造物に対する津波力の大規模実験」 宮本順司，佐々真志，関口秀雄著，海岸工学論文集，２０００年，第４７巻，ｐ．９２１−９２５，「波浪による砂地地盤の液状化と流動変形過程」 馬場慎太郎，三宅達夫，金夏永，鶴ヶ崎和博著，海岸工学論文集，２００２年，第４９巻，ｐ．１５３６−１５４０，「波・地盤・構造物の新しい実験手法」

しかしながら、従来の、造波水槽に縮尺模型を設置して行う津波造波実験は、実験相似則に起因する制約から、流体的挙動の再現までしか行うことができず、実際の津波被害で大きな問題となっている押し波・引き波時の地盤の変状を取り扱うことができないものである。
又、縮尺模型に作用する応力レベルが小さいため、構造物の変形・破壊などの問題を、実際と同様に取り扱うことが困難である。一方、従来の、大型波動水槽を用いる手法は、実物スケールに近付けることで、実際の応力レベルを再現するものであり、実験結果の精度は良くなるが、実験設備及び実験コストが桁違いに大きくなってしまうという問題がある。

更に、造波水槽を遠心力場に置く手法においても、実際の津波に相当する長周期波を発生させることができず、よって、津波と流体力と地盤との相互作用による災害メカニズムを解明するまでには至っていない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、縮尺水理模型による再現実験を行うことにより、実験設備及び実験コストの増大を抑え、なおかつ、従来の縮尺水理模型による再現実験では解析することができなかった、押し波・引き波時の地盤の変状及び構造物の変形・破壊の再現精度を高め、その解析を行うことにある。そして、津波と流体力と地盤との相互作用による津波災害メカニズムの解明を促進する事にある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）円筒状底面及び該円筒状底面の両側から該円筒状底面の半径方向内側へと立ち上がる円環状壁面を備えるコ字状断面のドラム型回転容器と、該ドラム型回転容器の回転中心部分に着脱自在に配置され、かつ、該ドラム型回転容器と一体若しくは独立して回転可能なツールテーブルと、前記ドラム型回転容器及び前記ツールテーブルを一体に若しくは独立して回転させる回転駆動手段とを備え、前記ツールテーブルには、撮影用器材として、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラと、多数のＬＥＤを用いた照明手段とが載置され、なおかつ、造波装置が載置されていることを特徴とするドラム型遠心載苛装置（請求項１）。

本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、断面コ字状のドラム型回転容器の内部に、地盤及び地盤上の構造物の１／Ｎの縮尺水理模型を設置し、ドラム型回転容器を高速回転させて、重力加速度１ＧのＮ倍の遠心加速度を与え、ドラム型回転容器内に充填される海水等を模した流体及び縮尺水理模型を遠心力場に置くことにより、実験相似則の関係を満足させるものである。
そして、ドラム型回転容器の回転中心部分に対し着脱自在に配置されるツールテーブルを、回転駆動手段により、必要に応じドラム型回転容器と一体若しくは独立して回転させた状態で、ツールテーブルに搭載された、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラと、多数のＬＥＤを用いた照明手段とからなる撮影器材で、造波装置によりドラム型回転容器内に発生する波と、地盤及び地盤上の構造物とを、複数箇所から同時に撮影するものである。特に、多数のＬＥＤを用いた照明手段により地盤及び地盤上の構造物とを高輝度に照らすことで、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサにより高速撮影される映像の、高解像度化を図るものである。

なお、多数のＬＥＤを用いた照明手段は、軽量、低電力で高輝度が得られることから採用されたものである。前述の遠心力場においての使用を考慮し、軽量であることは必須の条件である。又、特にＣＭＯＳセンサによる高速かつ高解像度での撮影を可能とするためには、高輝度であることが必要となる。更に、低電力であることは、実験コストの低減や環境対策において、必要不可欠な条件である。したがって、以上の条件を満たすものであれば、他の光源を用いることも当然に可能である。

（２）前記撮影用器材には、シート状のレーザ光を前記ドラム型回転容器の内部に照射するレーザ照射手段が含まれるドラム型遠心載苛装置（請求項２）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、レーザ照射手段によってシート状のレーザ光を前記ドラム型回転容器の内部に照射することにより、ドラム型回転容器内に充填される海水等を模した流体の二次元断面を視覚的に浮き立たせ、撮影機材によって必要に応じ複数箇所撮影することで、流体の流速を正確に把握するものである。

（３）前記ドラム型回転容器に対し、トレーサ粒子及び流体を供給する供給手段が設けられているドラム型遠心載苛装置（請求項３）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、供給手段によって、ドラム型回転容器に対し、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給することで、津波造波実験に必要な流体に混入したトレーサにより、流体の流れを視覚的に浮き立たせるものである。そして、撮影されるトレーサの一つ一つの動きを解析することで、流体の流れを高精度に把握することが可能となる。

（４）前記造波装置は、前記ドラム型回転容のコ字状断面に倣った平面を有する造波板と、該造波板を前記ドラム型回転容器の円筒状底面に沿って円弧運動させるための円弧状ガイド及び造波板駆動手段とを備えるドラム型遠心載苛装置（請求項４）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、ドラム型回転容器のコ字状断面に倣った平面を有する造波板を、円弧状ガイド及び造波板駆動手段によって、ドラム型回転容器の円筒状底面に沿って、所定のストロークで円弧運動させる。そして、かかる造波板の円弧運動により、ドラム型回転容器に供給された海水等を模した流体に対し、津波を模した長周期波を発生させるものである。

（５）前記造波板駆動手段には、サーボモータと、該サーボモータの回転軸に固定されたドライブプーリと、前記円弧状ガイドの円周方向一端に位置するドリブンプーリと、前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリに掛け回される第１の駆動ベルトと、
前記ドリブンプーリと一体回転する第１の造波板駆動プーリと、前記円弧状ガイドの円周方向他端に回転自在に軸支される第２の造波板駆動プーリと、前記造波板に固定されたベルト固定用プーリと、前記第１の造波板駆動プーリ、前記第２の造波板駆動プーリ及び前記ベルト固定用プーリに掛け回される第２の駆動ベルトとが含まれるドラム型遠心載苛装置（請求項５）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、造波板をサーボモータによって位置・速度制御することで、ドラム型回転容器に供給された海水等を模した流体に、必要な波を正確に再現するものである。又、サーボモータの回転軸に固定されたドライブプーリと、円弧状ガイドの円周方向一端に位置するドリブンプーリと、ドライブプーリ及びドリブンプーリに掛け回される第１の駆動ベルトと、ドリブンプーリと一体回転する第１の造波板駆動プーリと、円弧状ガイドの円周方向他端に回転自在に軸支される第２の造波板駆動プーリと、造波板に固定されたベルト固定用プーリと、第１の造波板駆動プーリ、第２の造波板駆動プーリ及びベルト固定用プーリに掛け回される第２の駆動ベルトとによって、造波板の円弧運動に係る駆動系統が構成されることで、ドラム型回転容器及びツールテーブルに対し造波板が相対的に円弧運動する際の、第１、第２の駆動ベルトのベルトテンションの変動を抑制し、なおかつ、円弧運動に係る部分の慣性重量の増加を抑えるものである。

（６）前記造波板駆動手段には、前記第１の造波板駆動プーリと一体回転する第１の同期プーリと、前記第２の造波板駆動プーリと一体回転する第２の同期プーリと、前記第１の同期プーリ及び前記第２の同期プーリに掛け回される同期ベルトとが含まれるドラム型遠心載苛装置（請求項６）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、第１の同期プーリと第２の同期プーリとに同期ベルトが掛け回されることにより、第１の造波板駆動プーリ及び第２の造波板駆動プーリの回転を強制的に同期させ、サーボモータのハンチングを防止するものである。

（７）前記造波板は、前記ドラム型回転容器に供給される流体に対し浮力が均衡するように、浮力調整されているドラム型遠心載苛装置（請求項７）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、前記ドラム型回転容器に供給される流体に対し浮力が均衡するように浮力調整されていることにより、遠心力場において、円弧状ガイド及び造波板駆動手段に加わる負荷を可能な限り減少させるものである。

（８）前記ドラム型回転容器の円環状壁面の少なくとも一部が、透明板によって構成されているドラム型遠心載苛装置（請求項８）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、ドラム型回転容器の円環状壁面の少なくとも一部を構成する透明板を介して、造波装置によりドラム型回転容器内に発生する波と、地盤及び地盤上の構造物とを、複数箇所から同時に撮影するものである。
なお、ドラム型回転容器の円環状壁面の、透明板と透明板以外の部分との境目は、液漏れが生じないように密閉処理されている。

（９）前記ドラム型回転容器の円筒状底面が、その全周にわたり、円環状の透明な仕切り板によって、前記円筒状底面の幅方向に区分され、区分された一方に縮尺水理模型が、もう一方に前記撮影器材が設置されるドラム型遠心載苛装置（請求項９）。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、円環状の透明な仕切り板によって区分された一方にセットされる縮尺水理模型に対し実施される水理実験を、もう一方の区分の、ドラム型回転容器の全周にわたる任意の位置に設置される撮影器材によって、撮影するものである。
なお、ドラム型回転容器の円筒状底面と、円環状の透明な仕切り板との当接部分は、液漏れが生じないように密閉処理されている。

（１０）前記ドラム型回転容器に、前記海水等を模した流体を溜めるためのサージタンクが設けられているドラム型遠心載苛装置。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、造波装置により、ドラム型回転容器内の海水等を模した流体に、長周期の波を発生させることで生ずる流体変動を、必要に応じサージタンクで受止めることで、縮尺水理模型に対する反射波（引き波）の影響を任意にコントロールするものである。

（１１）前記ドラム型回転容器と、前記ツールテーブルとが連結して用いられるドラム型遠心載苛装置。
本項に記載のドラム型遠心載苛装置は、ドラム型回転容器と、ツールテーブルとを連結して一体回転させることで、装置全体での重量バランスを正確に取ることを容易とするものである。

（１２）上記（１）から（１１）のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置の、前記ドラム型回転容器に、縮尺水理模型を設置し、所定の回転数で前記ドラム型回転容器及び前記ツールテーブルを一体に回転させ、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給し、前記造波装置によって前記流体に波を発生させ、前記マルチヘッド型カメラによって、前記縮尺水理模型と、前記流体と、前記トレーサ粒子とを、同時に高速撮影する津波造波実験方法。

本項に記載の津波造波実験方法は、断面コ字状のドラム型回転容器の内部に、地盤及び地盤上の構造物の１／Ｎの縮尺水理模型を設置し、ドラム型回転容器を高速回転させて、重力加速度１ＧのＮ倍の遠心加速度を与え、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給し、ドラム型回転容器内に充填される海水等を模した流体及び縮尺水理模型を遠心力場に置くことにより、実験相似則の関係を満足させるものである。
又、ドラム型回転容器の回転中心部分に対し着脱自在に配置されるツールテーブルを、回転駆動手段により、必要に応じドラム型回転容器と一体若しくは独立して回転させた状態で、ツールテーブルに搭載された、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラと、多数のＬＥＤを用いた照明手段とからなる撮影器材で、縮尺水理模型と、前記流体と、前記トレーサ粒子とを、同時に高速撮影するものである。この際、多数のＬＥＤを用いた照明手段を用いる場合には、かかる照明手段により地盤及び地盤上の構造物とを高輝度に照らすことで、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサによる映像を、高速かつ高解像度で撮影するものである。又、レーザ照射手段によってシート状のレーザ光を前記ドラム型回転容器の内部に照射する場合は、シート状のレーザ光により、ドラム型回転容器内に充填される海水等を模した流体の二次元断面を浮き出させ、撮影機材によって必要に応じ複数箇所撮影することで、流体の流速を正確に把握するものである。

（１３）上記（１２）項において、前記ドラム型回転容器の全周を用いて水理実験を行う津波造波実験方法。
本項に記載の津波造波実験方法は、ドラム型回転容器の全周を用いて実験を行うことで、ドラム型回転容器に供給された海水等を模した流体に対し、津波を模した長周期波を発生させ、津波被害の再現精度を高め、その解析を行うものである。

本発明はこのように構成したので、実験設備及び実験コストの増大を抑え、なおかつ、従来の縮尺模型による再現実験では解析することができなかった、押し波・引き波時の地盤の変状及び構造物の変形・破壊の再現精度を高め、その解析を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る、ドラム型遠心載苛装置１０は、図１及び図２に示されるように、円筒状底面１２ａ及び円筒状底面１２ａの両側から円筒状底面１２ａの半径方向内側へと立ち上がる円環状壁面１２ｂを備えるコ字状断面のドラム型回転容器１２を備えている。又、ドラム型回転容器１２の回転中心部分に着脱自在に配置され、かつ、ドラム型回転容器１２と一体若しくは独立して回転可能なツールテーブル１４を備えている。一例として、ドラム型回転容器１２の直径（円周）は２．２ｍ（６．７ｍ）、ツールテーブル１４の直径は１．４ｍである。そして、必要に応じ、ドラム型回転容器１２には、海水等を模した流体を溜めるためのサージタンク１３が設けられている。

更に、ドラム型回転容器１２及びツールテーブル１４を一体に若しくは独立して回転させる回転駆動手段１６（図１）を備えている。回転駆動手段１６は、モータ、ベルト、プーリ、回転軸、動力伝達アーム等からなる、ドラム型回転容器１２の駆動系１６Ａと、ツールテーブル１４に直結するサーボモータを備えた、ツールテーブル１４の駆動系１６Ｂとからなるものである。

又、ツールテーブル１４には、撮影用器材として、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラ１８と、多数のＬＥＤを用いた照明手段２０とが載置されている。これらの各マルチヘッド型カメラ１８及び照明手段２０は、図２に示される波ＷＡ、縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０の撮影に適した位置に、必要な角度で設置される。
又、多数のＬＥＤを用いた照明手段は、多数のＬＥＤが二次元状に複数列複数行並べられ、かつ、一つ一つのＬＥＤ毎に光照射方向を微調整することが可能となっている。光の指向性は１５°放射程度に設定され、主に、縮尺水理模型の地盤Ｍ１０及び構造物Ｍ２０の部分を照明するために用いられる。

又、ツールテーブル１４には、撮影用器材として、シート状のレーザ光Ｌをドラム型回転容器１２の内部に照射するレーザ照射手段２２が載置されている。レーザ照射手段２２の一例として、ＬＤ励起ＹＡＧ／ＹＶＯ４レーザ（波長：５３２ｎｍ）を光源とし、可視化用シリンドリカルレンズを用いてレーザをシート光化するものが用いられる。そして、このレーザ照射手段２２は、主として、流体Ｗの部分にシート状のレーザ光Ｌを照射するものである。

又、ツールテーブル１４には、ドラム型回転容器１２に対し、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給する供給手段２４が設けられている。供給手段２４は、流体タンク２４ａと、供給管２４ｂと、ポンプ２４ｃとを備えており、これらを複数系統設けることも可能である。流体タンク２４ａには、実験相似則を考慮して海水等を模した適切な物性を有する流体Ｗに、予めトレーサ粒子を混入した状態のものが収められている。又、ポンプ２４ｃは、電動モータによって駆動されるものであり、後述するスリップリングを介して、外部からＯＮ・ＯＦＦ制御されるものである。
なお、図中、ツールテーブル１４の器材設置棚２６の上方に示されるように、トレーサ粒子供給装置２４ｄと流体供給装置２４ｅとを別々に設け、トレーサ粒子と流体とを別個に供給する事としても良い。

又、図示の器材設置棚２６は、二段となっており、上段には、図３に示されるように、マルチヘッド型カメラ１８の高速度カメラヘッド２８、照明手段２０へと電力供給を行うためのＡＣ−ＤＣコンバータ３０、高速度カメラ記録部３２、ＬＡＮ形式ハードディスク３４、端子台３６が載置されている。これらに加えて、必要に応じ、超音波距離センサ３８、超音波処理センサアンプ４０、容量式波高計４２、容量式波高計アンプ４４が搭載されている。又、器材設置棚２６の下段には、動歪み式データロガー（図示省略）が載置されている。更に、器材設置棚２６の上方には、図１に示されるように、ツールテーブル１４の回転軸上に伸びる支柱４６が設置され、この支柱４６に、外部との制御信号の授受を行う通信用スリップリング４８と、外部から電力供給を受けるための動力用スリップリング５０とが設けられている。そして、各スリップリング４８、５０の端子は、外部制御手段５２に接続されている。

又、ツールテーブル１４には、図４〜図６に示される造波装置５４が載置されている。この造波装置５４は、ドラム型回転容器１２のコ字状断面に倣った平面を有する造波板５６と、造波板５６をドラム型回転容器１２の円筒状底面１２ａに沿って円弧運動させるための円弧状ガイド５８と、造波板駆動手段６０を備えている。

造波板５６は、少なくともその表面部分５６ａが、必要な強度を確保するためにアルミ等の金属板で形成され、内部５６ｂには、発泡樹脂等の比重の小さな材料が用いられることにより、ドラム型回転容器１２に供給される流体に対し浮力が均衡するように（好ましくは、流体Ｗと比重が同じとなるように）、浮力調整されている。又、流体に対向する平面（表面部分５６ａ）が、造波板５６の円弧運動の回転中心を通るように、半径方向外側へ向かって厚みが増加する形状となっている。
なお、造波板５６の作動角度は、円弧状ガイド５８の作動角度に起因しており、図示の例では６０°となっている。しかしながら、必要に応じ、さらに円弧長の長いガイドレール５８ａを用いることによって、造波板５６の作動角度をより広くすることも可能である。

又、造波板駆動手段６０には、サーボモータ６２と、サーボモータ６２の回転軸に固定されたドライブプーリ６４（図４）と、円弧状ガイド５８の円周方向一端に位置するドリブンプーリ６６と、ドライブプーリ６４及びドリブンプーリ６６に掛け回される第１の駆動ベルト６８（図４）と、ドリブンプーリ６４と一体回転する第１の造波板駆動プーリ７０と、円弧状ガイド５８の円周方向他端に回転自在に軸支される第２の造波板駆動プーリ７２と、造波板５６の支持板５７に固定されたベルト固定用プーリ７４、７６、７８と、第１の造波板駆動プーリ７０、第２の造波板駆動プーリ７２及びベルト固定用プーリ７４、７６、７８に掛け回される第２の駆動ベルト８０とが含まれる。更に、造波板駆動手段６０には、第１の造波板駆動プーリ７０と一体回転する第１の同期プーリ８２と、第２の造波板駆動プーリ７２と一体回転する第２の同期プーリ８４と、第１の同期プーリ８２及び第２の同期プーリ８４に掛け回される同期ベルト８６とが含まれる。

ここで、サーボモータ６２は、通信用スリップリング４８と、外部から電力供給を受けるための動力用スリップリング５０を介して、外部制御手段５２から、作動指令及び駆動電力の供給を受けるものである。

又、第１の駆動ベルト６８、第２の駆動ベルト８０及び同期ベルト８６の何れも、表裏両面に歯が設けられた両歯ベルトが用いられ、上記各プーリにも、各ベルトに対応する歯が形成されている。そして、固定用プーリ７４、７６、７８は、造波板５６の基端部を支持する支持板５７に対し、非回転状態で千鳥状に配置、固定され、第２の駆動ベルト８０が固定用プーリ７４、７６、７８に対し表裏交互に接触するように掛け回されることで、簡単かつ軽量な、造波板５６の支持板５６ａに対する第２の駆動ベルト８０の固定構造が構成されている。

なお、図５のみに符号８８で示される部分は、ガイドレール５８ａ上を移動するスライドブロック５８ｂが、ガイドレール５８ａの端部まで移動した時点でこれに当接し、スライドブロック５８ｂの移動限度位置を定める、緩衝装置であり、ゴム等の弾性体により構成されるものである。

又、ドラム型回転容器１２は、図７に示されるように、円環状壁面１２ａの少なくとも一部が、扇状の透明板９０によって構成されている。この場合、扇状の透明板９０の外側に、マルチヘッド型カメラ１８、照明手段２０、レーザ照射手段２２等が固定され、扇状の透明板９０を介して、内部の様子が撮影されるものとなる。なお、扇状の透明板９０は、十分な厚みを有する透明強化プラスチック板であり、図示の例では、厚み３０ｍｍのものが二枚重ねで使用されている。又、当然に、ドラム型回転容器１２の円環状壁面１２ｂの、透明板９０と透明板以外の部分との境目は、液漏れが生じないように密閉処理されている。

又、ドラム型回転容器１２別例が、図８（ａ）に示されている。このドラム型回転容器１２は、円筒状底面１２ａの幅が図７の例よりも広い大型のドラム型回転容器となっている。又、図８（ｂ）に示されるように、円筒状底面１２ａが、その全周にわたり、円環状の透明な仕切り板９２によって、円筒状底面１２ａの幅方向に区分されている。そして、区分された一方１２ｃに縮尺水理模型が、もう一方１２ｄに撮影器材（マルチヘッド型カメラ１８、照明手段２０、レーザ照射手段２２等）が設置されるようにして使用されるものである。
なお、この場合にも、円環状の透明な仕切り板９２には、厚み３０ｍｍの透明強化プラスチック板が二枚重ねで使用されている。又、ドラム型回転容器１２の円筒状底面１２ａに対する取り付け構造としては、図７の扇状の透明板９０と同様の透明板を円形に並べ、かつ、継ぎ目部分および周辺部を金属製フレームで覆い、この金属製フレームを円筒状底面１２ａに固定する等が挙げられる。当然に、ドラム型回転容器１２の円筒状底面１２ａと、円環状の透明な仕切り板９２との当接部分は、液漏れが生じないように密閉処理されている。

続いて、本発明の実施の形態に係るドラム型遠心載苛装置１０により、津波造波実験を行う手順について説明する。
まず、本発明の実施の形態では、ツールテーブル１４が、ドラム型回転容器１２に対し着脱自在となっていることから、ツールテーブル１４単体の状態で、必要な器材を器材設置棚２６に固定する。又、ツールテーブル１４を、ドラム型回転容器１２の回転中心部分に配置した状態で、図１に示されるように、ドラム型回転容器１２と、ツールテーブル１４とを、連結板９４及びボルト９６により、適切な場所において複数箇所を連結する。このように、ドラム型回転容器１２と、ツールテーブル１４とを連結して一体回転させることで、装置全体での重量バランスを正確に取ることが容易となる。

そして、ドラム型回転容器１２に、縮尺水理模型を設置する。縮尺水理模型は、図２に示されるように、地盤Ｍ１０と、構造物Ｍ２０とを、実験相似則に基づく縮尺で、ドラム型回転容器１２に収まるようにして予め構成する。そして、これを凍結させることによって固化させた状態で、ドラム型回転容器１２にセットする。この際、図２に示されるように、ドラム型回転容器１２の全周を用いて実験を行うために、サージタンク１３、縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０、造波板５６を、ドラム型容器１２の全周にわたって適切に配置することとする。
又、マルチヘッドカメラ１８、照明手段２０、レーザ照射装置２２を、各々、ブラケット９８（図１参照）によって、必要な撮影箇所にセットする。そして、装置全体の重量バランスを確保するために、ツールテーブル１４上の適切な場所に、バランスウエイトを設置する。なお、ツールテーブル１４には、バランスウエイト等必要な部品の固定を容易とするために、予め複数のねじ穴が、全体に分散するように形成されている。

続いて、ドラム型回転容器１２及びツールテーブル１４を回転させた状態で、供給手段２４から、ドラム型回転容器１２内にトレーサ粒子及び海水等を模した流体Ｗを供給する。その後、所定の回転数となるようにドラム型回転容器１２及びツールテーブル１４の回転速度を高め、造波装置５４の造波板５６を円弧運動させることにより、流体Ｗに波ＷＡを発生させる。そして、マルチヘッド型カメラ１８によって、縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０と、流体Ｗと、流体に混入されたトレーサ粒子とを、同時に高速撮影する。なお、図１には、トレーサ粒子が光に照らされて発光する様子が、模式的に符号１００で示されている。

なお、実験内容によっては、ドラム型回転容器１２とツールテーブル１４とを連結することなく、回転駆動手段１６のドラム型回転容器１２の駆動系１６Ａと、ツールテーブル１４に直結するサーボモータを備えたツールテーブル１４の駆動系１６Ｂにより、各々、独立して回転させることも可能である。又、ドラム型回転容器１２の回転を止めることなくツールテーブル１４の回転を停止させ、ツールテーブル１４をドラム型遠心載苛装置１０から降ろして、ツールテーブル１４上の器材の点検や交換を行うことも可能である。

上記構成をなす、本発明の実施の形態により得られる作用効果は、以下の通りである。ドラム型遠心載苛装置１０は、断面コ字状のドラム型回転容器１２の内部に、地盤Ｍ１０及び地盤上の構造物Ｍ２０の１／Ｎの縮尺水理模型を設置し、ドラム型回転容器１２を高速回転させて、重力加速度１ＧのＮ倍の遠心加速度を与え、ドラム型回転容器内１２に充填される海水等を模した流体Ｗ及び縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０を遠心力場に置くことにより、実験相似則の関係を満足させるものである。

そして、ドラム型回転容器１２の回転中心部分に配置されたツールテーブル１４を、回転駆動手段１６により回転させた状態で、ツールテーブル１４に搭載された、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラ１８と、多数のＬＥＤを用いた照明手段２０とからなる撮影器材で、造波装置５４によりドラム型回転容器内１２に発生する波ＷＡと、地盤Ｍ１０及び地盤上の構造物Ｍ２０とを、複数箇所から同時に撮影するものである。特に、多数のＬＥＤを用いた照明手段２０により地盤Ｍ１０及び地盤上の構造物Ｍ２０とを高輝度に照らすことで、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサにより高速撮影される映像の、高解像度化を図ることができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、レーザ照射手段２２によって、シート状のレーザ光Ｌをドラム型回転容器１２の内部に照射することにより、ドラム型回転容器１２内に充填される海水等を模した流体Ｗの二次元断面を視覚的に浮き立たせ、マルチヘッド型カメラ１８によって必要に応じ複数箇所撮影することで、流体Ｗの流速を正確に把握することが可能となる。

しかも、ドラム型遠心載苛装置１０は、供給手段２４によって、ドラム型回転容器１２に対し、トレーサ粒子及び海水等を模した流体Ｗを供給することで、津波造波実験に必要な流体に混入したトレーサにより、流体Ｗの流れを視覚的に浮き立たせることが可能となる（図１の符号１００参照）。そして、撮影されるトレーサの一つ一つの動きを解析することで、流体Ｗの流れを高精度に把握することが可能となる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、ドラム型回転容器１２のコ字状断面に倣った平面を有する造波板５６を、円弧状ガイド５８及び造波板駆動手段６０によって、ドラム型回転容器１２の円筒状底面１２ａに沿って、所定のストロークで円弧運動させるものである。そして、造波板５６の円弧運動により、ドラム型回転容器１２に供給された海水等を模した流体Ｗに対し、津波ＷＡを模した長周期波を発生させるものである。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、造波板５６をサーボモータ６２によって位置・速度制御することで、ドラム型回転容器１２に供給された海水等を模した流体Ｗに、必要な波ＷＡを正確に再現するものである。又、サーボモータ６２の回転軸に固定されたドライブプーリ６４と、円弧状ガイド５８の円周方向一端に位置するドリブンプーリ６６と、ドライブプーリ６４及びドリブンプーリ６６に掛け回される第１の駆動ベルト６８と、ドリブンプーリ６６と一体回転する第１の造波板駆動プーリ７０と、円弧状ガイド５８の円周方向他端に回転自在に軸支される第２の造波板駆動プーリ７２と、造波板５６に固定されたベルト固定用プーリ７４、７６、７８と、第１の造波板駆動プーリ７０、第２の造波板駆動プーリ７２及びベルト固定用プーリ７４、７６、７８に掛け回される第２の駆動ベルト８０とによって、造波板５６の円弧運動に係る駆動系統が構成されることで、ドラム型回転容器１２及びツールテーブル１４に対し造波板５６が相対的に円弧運動する際の、第１、第２の駆動ベルト６８、８０のベルトテンションの変動を抑制することができる。又、円弧運動に係る部分（特に、ベルト固定用プーリ７４、７６、７８等、造波板５６の支持板５６ａに対する第２の駆動ベルト８０の固定構造を構成する部分。）の慣性重量の増加を抑えることができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、第１の同期プーリ８２と第２の同期プーリ８４とに同期ベルト８６が掛け回されることにより、第１の造波板駆動プーリ７０及び第２の造波板駆動プーリ７２の回転を強制的に同期させ、サーボモータ６２のハンチングを防止することができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、ドラム型回転容器１２に供給される流体Ｗに対し浮力が均衡するように浮力調整されていることにより、遠心力場において、円弧状ガイド５８及び造波板駆動手段６０に加わる負荷を可能な限り減少させることができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、図７に示されるように、ドラム型回転容器１２の円環状壁面１２ｂの少なくとも一部を構成する扇状の透明板９０を介して、造波装置５４によりドラム型回転容器１２内に発生する波ＷＡと、地盤Ｍ１０及び地盤上の構造物Ｍ２０とを、複数箇所から同時に撮影することができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、図８に示されるように、円環状の透明な仕切り板９２によって区分された一方にセットされる縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０に対し実施される水理実験を、もう一方の区分の、ドラム型回転容器１２の全周にわたる任意の位置に設置される、マルチヘッド型カメラ１８撮影器材によって、撮影することが可能となる。
又、この場合には、ドラム型回転容器１２の円筒状底面１２ａの幅が広く形成され、装置が大型化することから、完成質量の増加による津波造波時の重量バランスの維持や、積載スペース増加による使用可能な実験領域の増加といった、付随的効果を得ることができる。

又、ドラム型遠心載苛装置１０は、造波装置５４により、ドラム型回転容器１２内の海水等を模した流体Ｗに、長周期の波ＷＡを発生させることで生ずる流体変動を、必要に応じサージタンク１３で受止めることで、縮尺水理模型Ｍ１０、Ｍ２０に対する反射波（引き波）の影響を任意にコントロールすることが可能となる。特に、図８に示される大型のドラム型回転容器１２を用いる場合には、大容量のサージタンク１３の設置による、津波の流れ制御の自由度の増大を図ることができる。

そして、ドラム型遠心載苛装置１０は、ドラム型回転容器１２の全周を用いて実験を行うことで、ドラム型回転容器１２に供給された海水等を模した流体Ｗに対し、津波ＷＡを模した長周期波を発生させ、津波被害の再現精度を高めることができる。

本発明の実施の形態に係るドラム型遠心載苛装置を模式的に示した縦断面図である。 図１に示されるドラム型遠心載苛装置の、ドラム型回転容器の横断面図である。 図１に示されるドラム型遠心載苛装置の、ツールテーブルに搭載される各機器を示す平面模式図である。 図１に示されるドラム型遠心載苛装置の、ツールテーブルに搭載される造波装置を模式的に示す平面図である。 図４に示される造波装置の斜視図である。 図４に示される造波装置の斜視図を、図５とは異なる角度から示したものである。 図１に示されるドラム型遠心載苛装置の、ドラム型回転容器の斜視図である。 （ａ）は、図１に示されるドラム型遠心載苛装置の、ドラム型回転容器の別例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示されるドラム型回転容器の内部構造を示す斜視断面図である。

符号の説明

１０：ドラム型遠心載苛装置、１２：ドラム型回転容器、１２ａ：円筒状底面、１２ｂ：円環状壁面、１３：サージタンク、１４：ツールテーブル、１６：回転駆動手段、１８：マルチヘッド型カメラ、２０：照明手段、２２：レーザ照射手段、２４：供給手段、５４：造波装置、５６：造波板、５７：支持板、５８：円弧状ガイド、６０：造波板駆動手段、６２：サーボモータ、６４：ドライブプーリ、６６：ドリブンプーリ、６８：第１の駆動ベルト、７０：第１の造波板駆動プーリ、７２：第２の造波板駆動プーリ、 ７４、７６、７８：ベルト固定用プーリ、８０：第２の駆動ベルト、８２：第１の同期プーリ、８４：第２の同期プーリ、８６：同期ベルト、９０：扇状の透明板、９２：環状の透明な仕切り板、Ｍ１０：地盤、Ｍ２０：構造物、Ｗ：流体、ＷＡ：波

Claims (12)

1. 円筒状底面及び該円筒状底面の両側から該円筒状底面の半径方向内側へと立ち上がる円環状壁面を備えるコ字状断面のドラム型回転容器と、該ドラム型回転容器の回転中心部分に着脱自在に配置され、かつ、該ドラム型回転容器と一体若しくは独立して回転可能なツールテーブルと、前記ドラム型回転容器及び前記ツールテーブルを一体に若しくは独立して回転させる回転駆動手段とを備え、
   前記ツールテーブルには、撮影用器材として、複数のＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳセンサの少なくとも一方を含むマルチヘッド型カメラと、多数のＬＥＤを用いた照明手段とが載置され、なおかつ、造波装置が載置されていることを特徴とするドラム型遠心載苛装置。
2. 前記撮影用器材には、シート状のレーザ光を前記ドラム型回転容器の内部に照射するレーザ照射手段が含まれることを特徴とする請求項１記載のドラム型遠心載苛装置。
3. 前記ドラム型回転容器に対し、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給する供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のドラム型遠心載苛装置。
4. 前記造波装置は、前記ドラム型回転容のコ字状断面に倣った平面を有する造波板と、該造波板を前記ドラム型回転容器の円筒状底面に沿って円弧運動させるための円弧状ガイド及び造波板駆動手段とを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置。
5. 前記造波板駆動手段には、サーボモータと、
   該サーボモータの回転軸に固定されたドライブプーリと、前記円弧状ガイドの円周方向一端に位置するドリブンプーリと、前記ドライブプーリ及び前記ドリブンプーリに掛け回される第１の駆動ベルトと、
   前記ドリブンプーリと一体回転する第１の造波板駆動プーリと、前記円弧状ガイドの円周方向他端に回転自在に軸支される第２の造波板駆動プーリと、前記造波板に固定されたベルト固定用プーリと、前記第１の造波板駆動プーリ、前記第２の造波板駆動プーリ及び前記ベルト固定用プーリに掛け回される第２の駆動ベルトとが含まれることを特徴とする請求項４記載のドラム型遠心載苛装置。
6. 前記造波板駆動手段には、前記第１の造波板駆動プーリと一体回転する第１の同期プーリと、前記第２の造波板駆動プーリと一体回転する第２の同期プーリと、前記第１の同期プーリ及び前記第２の同期プーリに掛け回される同期ベルトとが含まれることを特徴とする請求項５記載のドラム型遠心載苛装置。
7. 前記造波板は、前記ドラム型回転容器に供給される流体に対し浮力が均衡するように、浮力調整されていることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置。
8. 前記ドラム型回転容器の円環状壁面の少なくとも一部が、透明板によって構成されている請求項１から７のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置。
9. 前記ドラム型回転容器の円筒状底面が、その全周にわたり、円環状の透明な仕切り板によって、前記円筒状底面の幅方向に区分され、区分された一方に縮尺水理模型が、もう一方に前記撮影器材が設置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置。
10. 前記ドラム型回転容器に、前記海水等を模した流体を溜めるためのサージタンクが設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載のドラム型遠心載苛装置の、前記ドラム型回転容器に、縮尺水理模型を設置し、所定の回転数で前記ドラム型回転容器及び前記ツールテーブルを一体に回転させ、トレーサ粒子及び海水等を模した流体を供給し、前記造波装置によって前記流体に波を発生させ、前記マルチヘッド型カメラによって、前記縮尺水理模型と、前記流体と、前記トレーサ粒子とを、同時に高速撮影することを特徴とする津波造波実験方法。
12. 前記ドラム型回転容器の全周を用いて水理実験を行うことを特徴とする請求項１１記載の津波造波実験方法。

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