高波からの保護: HBMの試験・計測技術が防波堤の科学実験で高信頼性データを提供

カタルーニャ大学の防波堤実験モデル
防波堤実験モデルを横方向から見た様子

防波堤の設計上、満潮時の堅牢性や安定性は非常に重要です。こうして設計された防波堤を波が大きな力で打ちつけた場合、どのようなことが起こるのでしょうか?

これまで科学者たちは、力や圧力を計算する計算式のみを使用して研究してきており、実際の実験データはありませんでした。 バルセロナ、スペインのカタルーニャ工科大学の科学者たちは、初めて波の衝撃時に発生する力を計測する実験的アプローチを実施しました。

HBMの圧力及び力センサと高品質の計測アンプは、この実験において中心的な役割を果たしています。

防波堤実験モデル上の圧力センサの位置

モデルの壁前面
カタルーニャ大学の防波堤実験モデル
防波堤実験モデルの横方向の写真

垂直の壁に波がうち寄せる時の影響は、高速で非常に強い力による現象なので計測するのは非常に困難です。波の衝撃によっておこる力の合計とその作用点を計測することが重要で、これにより負荷の予測が可能になり、防波堤を適切に設計することができます。圧力の計測も、防御壁となる鉄筋コンクリートの設計において重要になります。

この目的のために実物モデルがカタルーニャ工科大学(LIM-UPC)の海洋工学研究所に建設されました。防波堤モデルには、垂直方向の圧力分布を計測するために、衝突ゾーンに6台のP8AP圧力センサを設置しました。その構造体は、波の衝撃より生じる全体の力と運動量を測定するために、2つのZ6C3ビーム型ロードセルで保持されています。

P8AP圧力絶対値センサ

P8APは圧力の絶対値が得られるセンサです。クラス0.3の精度で10barまで計測できるひずみゲージを使用しています。P8APはIP67規格準拠で、耐候性になっていますが、防水性ではないので、水からセンサを保護する箱が必要になります。

壁前面には20個の穴があり、圧力センサをいろいろな組み合わせパターンで配置できるようになっています。6か所の穴には圧力センサを配置し、残りの穴は表面が平滑になり、且つ、水漏れがないようにネジでふさぎます。

様々なセンサ位置を試験して最適なパターンを決めて、各センサ間の距離が互いに25mmになるように6個のセンサを、同一垂線上に並べます。

Z6ロードセルの採用

HBMのZ6 はベンディングビーム型ロードセルで、公称負荷50kgで精度は最大許容値の0.009%です。ロードセルは、圧力センサの保護箱に機械的に固定され、前述した網状構造体に固定されています。

 

この機械的な固定部分が、力を吸収して測定に影響を与えないために、全く弾力性のない固定方式であることが重要です。波の水路の上部構造体に固定された網状構造(波の水路自体から独立している)が使用されています。その理由は、網状構造体では接合部分が固定されており、垂直効力だけが存在するからです。ロードセルの剛性は、それ自身を変形させて、正確な計測を実施するために、網状構造の剛性よりもはるかに低くなっています。

2個のロードセルの接続を、2か所の異なる位置で行い、全体の力、運動量、力の作用点を時系列で取得します。

すべてのセンサが接続できるデータ収集システム

時間/圧力の比率
力/周波数の比率
圧力と負荷データ

波により起こる現象が非常に早く変化する(数ミリ秒)ので、最速サンプル周波数が全チャンネルに対して19200HzとなっているHBMのQuantumXシリーズ  MX840(8チャンネル)高精度アンプ は、現在市場で入手可能な範囲では最高の選択となっています。圧力センサとロードセルの両方が同じQuantumXに接続でき、catmanEasyソフトウェアで制御できます。

6台の圧力センサと2個のロードセルを同じデータ収集システムに接続して、超高速で収集した両方のデータを正しく比較し解析することが、非常に重要なポイントとなります。

結果を検証するために、圧力センサとロードセル間のデータ比較は、P8APで計測された垂直断面上の圧力分布データを統合して行いました。

予備的な結果では、低いサンプル周波数においては圧力センサとロードセルの計測結果には良好な相関関係を示しています。サンプル周波数を増加すると両者のデータ結果に不一致がみられるようになります。これは波がぶつかる位置によっては、水と空気が入り混じった状態で衝撃の計測がされるためであり、P8AP圧力センサの配置場所によっては計測時に空気の圧縮性による影響が出ることが分かった。

この課題を解決するために、センサの開口部をグリセリンで充填して、真空膜の振動及びグリセリンの損失を回避するために真空を生成します。

この実験の次のステップの一つには、センサを8個とQuantumX  MX840を追加して、圧力計

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