揺れやすい配管の正体とは？──“固有振動数”とモード形状の基本を押さえる

Yusuke Yoshihara
5月15日
読了時間: 4分

はじめに

設備を点検していて、「似たような長さなのに、こっちの配管だけ妙に揺れる」という経験、ありませんか？

その“揺れやすさ”の正体は、ズバリ「固有振動数とモード形状」にあります。

構造物には、振動しやすい特有の“リズム”があり、その周波数に近い刺激があると、少しの入力でも大きな揺れになります。

この記事では、

固有振動数って何？
モード形状ってどう見るの？
配管のどこが揺れやすい？
現場でできる調べ方は？という疑問に、数式と図解＋現場知識でしっかり答えます。

1. 固有振動数とは？

構造に“備わっている”揺れの周波数

物体には、その構造・材質・質量によって、外から力を加えなくても「自然と揺れたくなる周波数」があります。これが 固有振動数（固有周期）です。

⚙ 数式で見る：1自由度系の固有振動数

f0：固有振動数（Hz）
k：剛性（N/m）
m：質量（kg）

そうです，前回もこれ「だけ」は頭の片隅に残してください，と言ったあの式です。

剛性が大きい ⇒ 高周波
質量が大きい ⇒ 低周波

つまり、「やわらかくて軽い構造」ほど高く揺れる、「重くてしっかりした構造」ほど低く揺れる。

2. 配管が揺れる“変形モード”とは？

変形モードとは、ある固有振動数で揺れるときの“変形のパターン”のことです。

📉 図でイメージ：

例：両端支持単純梁（配管の一般的な直管部）

第1モード：中央が大きく揺れる（一番揺れやすい）
第2モード：2か所で山、中央で節点（あまり起きにくい）
第3モード：3か所で山（より高い周波数）

振動計でよく見えるのは第1モード（最も低い固有振動数）です。

3. 配管の揺れやすさを決める5つの要因

以下のような設計要素が、“揺れやすさ”＝固有振動数の低さに直結します：

要因	説明	揺れへの影響
配管の長さ	長いほど剛性が下がる	低くなる（揺れやすく）
肉厚	厚いほど剛性が上がる	高くなる（揺れにくく）
材質	鋼よりSUS、SUSより樹脂は柔らかい	柔らかいほど低くなる
支持点の位置と間隔	支持間が広いほど“たわみ”やすい	中間で揺れる
接続機器の重さ	バルブやモーターで質量が増す	低くなる

✅ 現場での“危険な設計例”

長くて中間支持のない蒸気ライン
先端にアクチュエータが載った細い配管
脚がグラつく配管ラック（架台）

4. 固有振動数の近似計算と実測方法

🔢 簡易計算：単純梁モデルでの推定

梁（L：長さ、E：ヤング率、I：断面2次モーメント、m：質量、λ：支持係数）では、

fn：固有振動数（Hz）
L：長さ(mm)
E：ヤング率(MPa)
I：断面2次モーメント(mm4)
ρ：密度(ton/mm3)
A：断面積(mm2)
λ：支持係数

ここで見るべきは，固有振動数を変えるにはなんのパラメータを操作するか？です。

長さの2乗に反比例（少し長くなるだけで急激に下がる）
材質（E）と断面（I）も影響する（しかし長さより影響は少ない）

🧪 現場での測定方法

ハンマリングテスト（叩いて反応を見る）
加速度センサーを使った周波数解析（FFT）
モーダル解析装置（高精度）

🎯 Tip：簡易センサ（スマホアプリなど）でも意外と見える！

5. 固有振動数を知って得すること

✅ 1. 共振回避の設計ができる

使用するモーターの回転数（周波数）と配管の固有振動数が近ければアウト
設計時に解析して「ぶつからないように」するのが重要！

✅ 2. 揺れやすい場所を事前に察知できる

固有振動数が極端に低い部分は、揺れやすい ⇒ 点検強化
破損・緩み・腐食などで、固有振動数が“変化する”のもヒント

✅ 3. “目に見えない変化”を見える化できる

支持の脱落や、配管のたわみを「数字で確認」できる
点検の精度が格段にアップ！

まとめ

配管が“なぜ揺れやすいのか？”は、その構造に固有の「振動のクセ」＝固有振動数に理由があります。

🔑 本記事の要点：

固有振動数とは構造固有の揺れの周波数であり、小さな力でも共振が起きうる
変形モードによって、どこが・どう揺れるかが決まる
揺れやすさは「長さ・材質・断面形状」でコントロール可能
固有振動数を知ることで、共振予防・故障予測が可能になる

振動-No.4