最近のコンサートはますます装飾が派手なものになってきています。この傾向は特にポップミュージック関係で顕著です。当然のことながら、照明や音響効果のためにミュージシャンが使用する機材も大型で重いものになります。屋根や照明用ガントリー(構台)の構造体に取り付け可能な最大荷重は限られているため、効果的なモニタリングが必要です。ミュンヘンのオリンピアハレ・アリーナにはユニークなデザインの屋根がありますが、この屋根の荷重モニタリングは、エンジニアにとって非常に面倒な仕事です。それを解決したのがHBM製の計測技術でした。

第20回夏季オリンピックに合わせて、1972年にミュンヘンに建設されたオリンピア公園の設計概念は、1936年のベルリン大会の時とは対照的に、自由と民主主義を象徴的に表現することを意図したものでした。

Behnisch & Partner建築事務所のオリンピアパーク建築グループが、フライ・オットー(Frei Otto)と共に設計した、世界的に有名な屋根構造は、スタジアム、室内オリンピックプール、さらにオリンピアハレ・アリーナを覆い、さらには各競技施設間のスペースにまで広がっています。これらの競技施設は、盛り土の丘や人工湖と共に85万平方メートルという広さの公園内に、まとめられています。競技施設の中には地面より低いものもあります。8万平方メートルの曲線的で巨大な屋根が、このオリンピア公園の印象的なフォーカルポイントとなっています。この屋根は、最大で80メートルもあるパイロン(鉄塔)に吊されたスチールケーブルの構造体で、それをアクリルガラスが覆っています。

屋根の構造体が照明装置を支持

オリンピアハレ・アリーナの屋根構造体には2つの主げたと4つの照明用ガントリーが付いており、これらを4点で吊り下げています。

1972年のオリンピック大会中、オリンピアハレ・アリーナは体操とハンドボール競技のホーム施設でしたが、現在では主としてコンサートやその他の大きなイベントのステージとなっています。特に大規模なコンサートなどのイベントを主催するプロモーターにとって、照明は大きな出費となっています。

オリンピアハレ・アリーナでは4箇所の照明用ガントリーが利用でき、テント型の屋根の下に東から西に向かって並んでいます。プロモーターは、持ち込んだ照明技術をこれらのガントリーに吊り下げることができます。これら4つの照明用ガントリーは静定されていて、南北に走る2本の主げたに取り付けられています。この主げたも静定されており、支柱のスチールケーブルによって吊り下げられています。テント型の屋根も、この支柱が支えています。

主げたと吊り下げケーブルの間の張力は、支持梁を通して走っている直径80 mmまたは110 mmのネジ付きスピンドルによって分散されます。スピンドルと支持梁の間にはニードルベアリング(針状ころ軸受け)があり、南北方向の曲げ応力がスピンドルにかかるのを防いでいます。東西方向にも同様の運動性がありますが、これは当初の計画に含まれていなかったため対策が行われていません。

主げた、照明用ガントリーとそこに固定されている照明機器、音響技術、映像関連機器をすべて含めると、その重量は350トンになり、この重量をすべてケーブルで吊り下げているため、ブランコによく似た挙動となっています。東西方向では荷重が均一に配分されていませんが、これはコンサート会場ではステージが片側に配置されるためで、こうした工学技術ではごく普通に見られます。その結果としてガントリー構造全体が移動し、ネジ付きスピンドルに想定外の曲げ応力がかります。

オリンピアハレ・アリーナの改装中に、ミュンヘン市の公益会社であるStadtwerke Münchenと建物の所有者らは、運営会社であるOlympiapark GmbHと共に、スピンドルの曲げ応力をチェックし、イベント用に吊り下げられる荷重を常設的に監視し、さらにガントリーにかかる荷重の配分もチェックするために、監視システムを取り付けることを決定しました。

屋根構造の全体が取り付けられているネジ付きスピンドルには、スピンドルの曲がりを検出することが可能な歪み変換器が固定されています。

計測技術側からの厳しい要求

コンサートのプロモーターは、組み立て作業を開始する前に、照明用ガントリー上のどこに荷重がかかるのかを示す計画書(いわゆる装備プラン)をオリンピアパークGmbHに提出しなければなりません。以前は、時間のかかる計測値の取得を個別に行い、その結果で実際の荷重を監視する方法しかありませんでした。しかしこの作業は、常に厳しいスケジュールに追われているプロモーターにとって実行が非常に困難でした。

コンサートで使用する技術がいっそう装飾の多いものになり、さらに構造体全体がその耐荷重性能の限界に近づくにつれて、かかっている荷重とその荷重のガントリー全体への分散状態を、監視システムでチェックすることが必要になります。Stadtwerke München社は、当該システムの実現可能性に加えて計画や設置方法などを確認するよう、Dr. Linse Ingenieure社に委託しました。同社は1997年にエンジニアリング事務所として創立されましたが、2006年からは独立したエンジニアリング会社として現在の企業形態で業務を行っています。業務内容は、多方面にわたる土木工学分野でのプランニングや検査、助言などです。

オリンピアハレ・アリーナにおける荷重モニタリングでは、計測技術にとって非常に厳しい条件が求められました。前述の公益会社が元々考えていたアプローチは、照明用ガントリーの緩衝装置の取り付け台とスピンドルにストレインゲージを固定するというものでした。これは変形を測定することで吊り下げ重量を判定することを目的としていました。コンピュータによる解析の結果、このアプローチは500 kgという予定計測精度が不適当なものであったため早々に拒否されました。

Dr. Linse Ingenieure社の経営パートナーであり、このプロジェクトの責任者であるRobert Schmiedmayer工学博士は、「ホール内における大きな温度変動がさらに大きな問題です」と説明しています。冬季には、空のホール内の温度は15℃前後です。しかしスポットライトから大量の熱が放出されるため、イベントの開催中には照明用ガントリーエリア周辺における温度が45℃前後まで上昇します

温度効果およびEMC(電磁妨害)の制御

Overall, four type QuantumX MX840A amplifiers are installed in the roof structure of the Olympiahalle arena
Measurement takes place at the points at which the working gantries are suspended on the main girders

Dr. Linse Ingenieure社のエキスパートらは、信頼性が高く正確な計測を確実に行うために比較的高価な構造解を設計しました。照明用ガントリーの緩衝領域内で、主げたの下側(圧縮領域)にある歪み変換器に対し、2箇所のそれぞれで2つの金属製ホルダを溶接しました。

照明用ガントリー上の荷重が変化すると支持梁に変形が起き、その変形が金属ホルダを介して変換器に伝達されます。ここには、HBM製のSLB700A ストレイン変換器が使用されています。この変換器は、ステンレス鋼製のストレインゲージフルブリッジによって作動するもので、非常に低いゼロオフセット良好な温度補正を特徴としています。計測の精度を向上させるため、変換器は絶縁ハウジングを使用して取り付けられています。「この方法ですと、極端な気温の変動を最小限に抑えることができますし、気温の変動に関連した温度勾配も同時に抑えることができます。さらに私たちは温度変換器もハウジングに取り付けて、追加的な温度補正を実行しています。」とSchmiedmayer博士は説明しています。

主げたの4個のスピンドルでは構造がさらに複雑です。ここではエンジニアが、ネジ付きスピンドルに正確に固定された4つの部分からなるナットを設計しました。この方式ではボルト式接続部によってスピンドルを所定の位置に保持することができます。こうした各ネジ付きスピンドルのナットのうち2つが、4つの歪み変換器を支えるホルダとして作用します。照明用ガントリー上での状況とは異なり、これらの変換器は並列接続されていないため別々に評価することができます。これにより、荷重によって引き起こされるスピンドルの曲がり(針状ころ軸受けでは補正できない)を検出することが可能になるのです。

エンジニア達は、制御下にある電磁妨害の影響も取得する必要がありました。Schmiedmayer博士は当時を思い出して、「最初の予備試験で、私たちは計測技術の隣にある大型のスポットライトスイッチを入れたり切ったりする時に、大きな電磁妨害が起きる可能性があることに気がついたのです。」と述べています。そこで、シールドされた計測用リード線を使用する必要が生じました。これらのリード線も連続的に密閉された金属製パイプを通過させることにより、シールド効果を二倍にすることができました。

同時に、計測用リード線が20 mを超えることがないように配意しました。アンプには、HBM QuantumX データ取得システムMX840A モジュールを使用しました。これらのコンパクトなアンプにはそれぞれ8個のチャンネルが装備されていて、ガントリーの構造体上に簡単に取り付けることが可能になるため、計測用リード線を短く保つことができます。合計4個のアンプにより、割り込み式の光ファイバリンクを使用して、中央計測ノードとして作用するタイプ CX27 のゲートウェイモジュールに計測データを転送します。

トラフィックライトによる過負荷の表示

All data acquisition and analysis is housed in a control cabinet in the lighting booth

CX27 QuantumXゲートウェイモジュールは、電源装置、UPS、ネットワークコンポーネントと一緒に、オリンピアハレの照明壇上にある制御キャビネットに収納されています。計測データ、ここからTCP/IP経由で関連したサーバのあるStadtwerke Münchenのコンピュータセンターに転送されています。

計測ノードは、荷重モニタリングの直接表示もトリガーします。オリンピアハレの内部では、データの転送量を示す大型のトラフィックライトがはっきり見えるようになっており、到達している荷重の状態を示します。このトラフィックライトがアンバー色までジャンプすると、予定のイベント荷重または最大ガントリー荷重の98%に到達したことを示しています。構造体が耐えられる最大荷重に達すると、トラフィックライトがく点灯します。この状態は、ステージ作業員が直ちに作業を中止し、照明ガントリーから荷重の一部を取り除く必要があることを、ホールの検査担当者に示すものです。

コンピュータセンターにあるサーバ上ではHBM製 catman®AP ソフトウェアが動作しています。このソフトウェアを使用して、荷重モニタリングの設定や実行を行います。各イベントに対し、以下の各項目についてHBM catmanの許容荷重を指定することができます。

  • 各計測ポイント
  • 照明ガントリー
  • 主げた
  • 総荷重

オリンピアハレのトラフィックライトが緑からアンバーに変わった時の詳細な警告レンジも、ここで設定することができます。計測周波数は1 Hzであり、したがってトラフィックライトの制御周波数も1 Hzになっています。データの保管用として、ケースごとに平均値最大値が分単位で保存されます。

荷重超過やシステム障害が発生した場合は、システム管理者に電子メールやSMSで通知されます。計測データは保存が可能であると同時に、インターネットを通して何カ所からでも閲覧することができます。

高い計測精度

2010年の春、すべてのコンポーネントとシステムが設置された後で、荷重モニタリングシステムの校正が行われました。これを行うため、最大で3トンまでの様々な荷重をガントリー上の異なるポイントに取り付けました。その後、計画通りに荷重の2%(または小さな荷重では100 kg)の計測精度を達成することができました。

Schmiedmayer博士は、自ら設計して設置したシステムに自信を持っています。「分解能非常に良好ですから、計測データから、自分が照明ガントリー上のどこでいつ作業していたのかを読み取ることができます。アクセスガントリーの熱変形と、それに関連するシステム内の変形を取得するだけで、システムに依存した計測値の変化を取り出すことができます。ですから影響を受けるのは隣接するガントリーだけになりますね。これは計測範囲全体の1%未満に過ぎません。」

HBM製の計測技術コンポーネントが持つ高い精度と信頼性が、ここで重要な役割を果たしています。あるエンジニアは、ミュンヘン工科大学で過ごした時からその事実を知るようになり、その点を高く評価しています。エンジニアは、この時の経験を要約して次のように述べています。「HBMの従業員の皆さんからは、有益なアドバイス計測上のノウハウを得ることができました。信頼できる人に仕事を任せている、というのが私の実感ですね。」

オリンピアハレ・アリーナに関する限り、ロケーション的に見て荷重モニタリングシステムが有利になっています。コンサートのプロモーターの中には、ミュンヘンで大きなコンサートツアーを開始する人もいます。照明技術がミュンヘンでの厳格なシステムに適合していれば、他のホール運営者も、当然そのコンサートプロモーターが提供する情報を頼りにすることができます。

Dr. Linse Ingenieure GmbH

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