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技術 構造物の歪み検知方法

出願人 三菱製鋼株式会社藤田隆史
発明者 鈴木公文倉林浩佐藤均藤田隆史
出願日 1996年10月23日 (24年1ヶ月経過) 出願番号 1996-280883
公開日 1998年5月15日 (22年6ヶ月経過) 公開番号 1998-122985
状態 拒絶査定
技術分野 建築構造一般 力の測定一般
主要キーワード 歪み検知 破断値 引張り側 事務器 材料欠陥 線状材 両コーナー 導電コイル
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この項目の情報は公開日時点(1998年5月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

建物橋梁、隋道などの構造物くわえ負荷に基づく歪みを検知して不測の事故を防止する。

解決手段

異なった長さの同一の破断点を有する検知用材料1,2,3,4又は異なった破断点を有する検知用材料を複数個用い、これを並列に並べ両端を構造物の歪みを検知しようとする位置5,6に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して破断点の低い検知用材料から高い検知用材料へ順次、破断していくように配置する方法。

概要

背景

建物を例にとれば、自重による負荷には、強度部材自身の重量の他に、外装内装材料フロア構造材、空調その他の機械設備昇降機などがあり、人為的な負荷には中に入る人間自身の重量と、その生活あるいは業務等に必要な用度品事務用品事務器械、工場であれば機械設備などがある。又、自然から受ける負荷には、風力積雪地震地盤の変化などがある。

構造物はこれらの考えうる負荷に耐えられるように設計し、建設されているが、計画以上の人為的な負荷や、又、大規模地震予期せぬ地盤の移動などによって強度部材に大きな負荷を受ける事態が起こりうる。

構造物が受ける歪みを推定する方法については、従来いくつかの提案がなされている。そのほとんどが歪みにより、特性に変化が生じる材料を構造物の中に組み込み、その特性の変化を調べて歪みの大きさを推定するものである。以下に、既に提案されている案の中から2つの例について述べる。

特表平6−500634号公報には歪みにより、材料の相が変化する性質を利用したものである。この内容を要約すれば、「歪みに対応して相が変化する物質」を構造部材応力によってその物質に「歪みを生じさせるように固定」し、「相の変化を測定する手段」を備えたものである。歪みにより相変化の起こる材料の例として、変態誘起塑性合金鋼(TRIP合金鋼と呼んでいる)を挙げている。この材料は歪みに応答して相が変化するが、外部から調べやすい特性変化は、磁気特性非磁性から強磁性に変化することである。この案は、TRIP合金鋼を予め構造物の中の歪みが起こる位置に組み込み、大きな歪みが発生したときなどに、この材料自身の磁気特性の変化を調べ、歪みの量を推定しようとするもので、その方法は、この材料の近接位置に導電コイルを設置し、このコイル磁性インダクタンスを測定することにより、材料の磁気特性変化を調べようとするものである。この案には下記の如き欠点がある。

1)TRIP合金鋼あるいはこれに似た特性を有する特殊な材料を必要とすること。
2)材料の磁気特性は歪みにより非強磁性から強磁性へ変化するが、強磁性というものの磁性的には顕著な変化は期待できず、材料ばらつきなどを含めると精度は低いものになると考えられること。
3)歪みを推定するための測定方法が磁性測定となるため、測定装置はそのための特殊な装置を準備する必要があること。

特開平5−332965号公報に記載の例は、炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックを利用したもので、この材料の引張りによる歪みに対応した電気抵抗変化との関係を調べ、構造物の歪みを測定しようとするものである。実用上はガラス繊維組合せた複合材として、構造物の中に歪みが検知できるように組み込まれて用いられるが、ガラス繊維は歪み検知のために使用されているわけではないので、ここでは目的に従い、炭素繊維のみをとりあげる。この方法によれば、炭素繊維は電気を通じる材料で、引張りによる歪みが増大すると、それに伴い電気抵抗も増加する性質があり、この関係を調べておけば電気抵抗値を測定することにより、歪みの量も推定できることになるというものである。実際には歪みが大きくなっていくと、炭素繊維は不可逆履歴をもつようになり、負荷を減らしても電気抵抗値は初期の値に戻らなくなるが、この性質も予め調査しておくことにより、構造物の歪みも推定できる。しかし、この方法にも以下のような欠点がある。

1)炭素繊維は伸びが小さいため、変位のごく小さい用途に用いるか、又は、伸びの絶対値が小さくなるような使用方法に限られる。
2)小型の検知器には不向きである。
3)設置後でも常に炭素繊維の履歴を調べておく必要があり、それを怠ると、万一破断があった後では、少なくともその炭素繊維の歪みの推定は困難である。

概要

建物、橋梁、隋道などの構造物にくわえる負荷に基づく歪みを検知して不測の事故を防止する。

異なった長さの同一の破断点を有する検知用材料1,2,3,4又は異なった破断点を有する検知用材料を複数個用い、これを並列に並べ両端を構造物の歪みを検知しようとする位置5,6に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して破断点の低い検知用材料から高い検知用材料へ順次、破断していくように配置する方法。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
4件

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請求項1

異なった長さの同一の破断点を有する検知用材料を複数用い、これを並列に並べ、両端を構造物の歪みを検知しようとする位置に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して長さの短い検知用材料から長い検知用材料へ順次、破断していくように配置することを特徴とする構造物の歪み検知方法。

請求項2

異なった破断点を有する同一または同一に近い長さの検知用材料を複数用い、これを並列に並べ、両端を構造物の歪みを検知しようとする位置に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して破断点の低い検知用材料から高い検知用材料へ順次、破断していくように配置することを特徴とする構造物の歪み検知方法。

請求項3

請求項1又は請求項2において、検知用材料に導電性材料を用い、検知用材料の破断を電気的な導通の有無によって検知する方法。

請求項4

破断部の再接触を避けるため検知用材料に予め張力を付与しておく請求項3記載の構造物の歪み検知方法。

技術分野

0001

本発明は、建物橋梁、隨道などの構造物に加わる負荷に基づく歪みを検知して、不測の事故を防止する方法に関する。

背景技術

0002

建物を例にとれば、自重による負荷には、強度部材自身の重量の他に、外装内装材料フロア構造材、空調その他の機械設備昇降機などがあり、人為的な負荷には中に入る人間自身の重量と、その生活あるいは業務等に必要な用度品事務用品事務器械、工場であれば機械設備などがある。又、自然から受ける負荷には、風力積雪地震地盤の変化などがある。

0003

構造物はこれらの考えうる負荷に耐えられるように設計し、建設されているが、計画以上の人為的な負荷や、又、大規模地震予期せぬ地盤の移動などによって強度部材に大きな負荷を受ける事態が起こりうる。

0004

構造物が受ける歪みを推定する方法については、従来いくつかの提案がなされている。そのほとんどが歪みにより、特性に変化が生じる材料を構造物の中に組み込み、その特性の変化を調べて歪みの大きさを推定するものである。以下に、既に提案されている案の中から2つの例について述べる。

0005

特表平6−500634号公報には歪みにより、材料の相が変化する性質を利用したものである。この内容を要約すれば、「歪みに対応して相が変化する物質」を構造部材応力によってその物質に「歪みを生じさせるように固定」し、「相の変化を測定する手段」を備えたものである。歪みにより相変化の起こる材料の例として、変態誘起塑性合金鋼(TRIP合金鋼と呼んでいる)を挙げている。この材料は歪みに応答して相が変化するが、外部から調べやすい特性変化は、磁気特性非磁性から強磁性に変化することである。この案は、TRIP合金鋼を予め構造物の中の歪みが起こる位置に組み込み、大きな歪みが発生したときなどに、この材料自身の磁気特性の変化を調べ、歪みの量を推定しようとするもので、その方法は、この材料の近接位置に導電コイルを設置し、このコイル磁性インダクタンスを測定することにより、材料の磁気特性変化を調べようとするものである。この案には下記の如き欠点がある。

0006

1)TRIP合金鋼あるいはこれに似た特性を有する特殊な材料を必要とすること。
2)材料の磁気特性は歪みにより非強磁性から強磁性へ変化するが、強磁性というものの磁性的には顕著な変化は期待できず、材料ばらつきなどを含めると精度は低いものになると考えられること。
3)歪みを推定するための測定方法が磁性測定となるため、測定装置はそのための特殊な装置を準備する必要があること。

0007

特開平5−332965号公報に記載の例は、炭素繊維を用いた繊維強化プラスチックを利用したもので、この材料の引張りによる歪みに対応した電気抵抗変化との関係を調べ、構造物の歪みを測定しようとするものである。実用上はガラス繊維組合せた複合材として、構造物の中に歪みが検知できるように組み込まれて用いられるが、ガラス繊維は歪み検知のために使用されているわけではないので、ここでは目的に従い、炭素繊維のみをとりあげる。この方法によれば、炭素繊維は電気を通じる材料で、引張りによる歪みが増大すると、それに伴い電気抵抗も増加する性質があり、この関係を調べておけば電気抵抗値を測定することにより、歪みの量も推定できることになるというものである。実際には歪みが大きくなっていくと、炭素繊維は不可逆履歴をもつようになり、負荷を減らしても電気抵抗値は初期の値に戻らなくなるが、この性質も予め調査しておくことにより、構造物の歪みも推定できる。しかし、この方法にも以下のような欠点がある。

0008

1)炭素繊維は伸びが小さいため、変位のごく小さい用途に用いるか、又は、伸びの絶対値が小さくなるような使用方法に限られる。
2)小型の検知器には不向きである。
3)設置後でも常に炭素繊維の履歴を調べておく必要があり、それを怠ると、万一破断があった後では、少なくともその炭素繊維の歪みの推定は困難である。

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は構造物が大きな負荷を受けたときにその歪みの大きさを推定するための従来の技術における欠点を解決し、簡単な仕組みにより、確実に構造物の歪みを検知しようとするものである。

課題を解決するための手段

0010

本発明は下記の構成よりなる構造物の歪み検知方法である。
(1)異なった長さの同一の破断点を有する検知用材料を複数用い、これを並列に並べ、両端を構造物の歪みを検知しようとする位置に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して長さの短い検知用材料から長い検知用材料へ順次、破断していくように配置することを特徴とする。

0011

(2)異なった破断点を有する同一または同一に近い長さの検知用材料を複数用い、これを並列に並べ、両端を構造物の歪みを検知しようとする位置に固定し、構造物に大きな歪みが発生したとき、その大きさに対応して破断点の低い検知用材料から高い検知用材料へ順次、破断していくように配置することを特徴とする。

0012

(3)上記(1)又は(2)において、検知用材料に導電性材料を用い、検知用材料の破断を電気的な導通によって検知すること。

0013

上記本発明の基本原理は下記のとおりである。
1)検知部を構造物の強度部材の一部に取付け、強度部材の歪みによる引張応力によって検知部に使用される検知用材料の応力に対する伸びと、その材料の伸びの限界を越えたときに発生する破断を利用する。

0014

2)検知部に用いる材料は、目視で破断を確認できる場所に設置する場合は、導電性材料である必要はないが、電気的方法で調べる場合は、導電性材料を用い、しかも配置は複数の材料を、それぞれがお互いに電気的に絶縁状態にする。設置は原則として並列に引張りを受けるように設置する。

0015

3)一組の検知部に用いる複数の材料は、それぞれが歪みの異なる大きさにおいて破断する性質を有するものを用いる。この性質は次の2案により達成可能である。
イ.同一の伸びを有する異なる長さの複数の検知用材料を用いる。
ロ.同一の長さを有する伸びの異なる複数の検知用材料を用いる。

0016

4)これらの検知用材料は、歪みにより引張りを受けた場合、それぞれ破断の限界値が異なるため、限界値の低い検知用材料から破断を起こす。したがって、歪みの大きさを推定する法としては、予めこれらの複数の検知用材料の伸びの限界値を調査しておき、どの限界値の検知用材料が破断したかを検知すれば歪みの大きさを推定できる。

0017

5)検知用材料の破断を遠隔にて調べる方法は、検知用材料の両端に予め電気の端子を用意しておき、電気の導通を調べることによって行う。複数の検知用材料個々はお互いに絶縁されているので、個々の検知用材料の導通を調査すれば、「伸び」を受けたものと「破断」したものとが判断できる。

0018

6)以上述べたとおり、本発明は、検知用材料の「破断」によって歪みを推定するものであるから、発生した歪みの最大値を記録したものとなり、その歪みは破断した検知用材料の破断値と、その次の破断しなかった検知用材料の間にあるという推定値となる。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下、本発明を図面に基づいて具体的に説明する。図1は同一の伸びを有し、長さの異なる検知用材料1,2,3,4を4本用意し、これを構造物の基板5,6にそれぞれ両端を固定したものである。(a)は正面図、(b)は側面図である。この例で並列に並べた検知用材料1,2,3,4を平行に矢印の上下方向に引張り、伸びを与えていくと、伸びがある量に達した時点で、まず、最も短い検知用材料1が破断する。さらに伸びを増していくと検知用材料2が破断し、次に検知用材料3が破断するというように、長さの短い順から破断していく。予めこの検知用材料の破断点を測定しておけば、目的の構造物の知りたい歪み量を決めておくことにより、検知用材料1から4の長さを決めることができる。

0020

図2は同一の長さを有し、伸びの異なる検知用材料7,8,9,10を基板11,12の間に平行に固定した検知部の例である。図1の場合と同様に検知用材料と平行に矢印方向に伸びを増していくと、例えば検知用材料7から10まで順に伸びが小から大となるように検知用材料を設置したとすれば、まず検知用材料7が破断し、つぎに検知用材料8が破断するというように順次破断していく。この場合は予め検知用材料7,8,9,10の各々についての破断点を調査しておかなければならない。

0021

図3は本発明による検知部13を構造物14に設置する場合の実施例である。すなわち、構造物14のコーナー部に検知部13を設けた例である。図4図3に示す構造物14が上部が右方向へ歪みを受けた場合の図である。本発明に係る検知部は引張りの伸びによる検知用材料の破断を利用するため、図のような構造物の場合は上部両コーナーのどちらが引張り側となるか不明であるため、両コーナーに対称に検知部の設置を行う必要がある。勿論、実際には双方とも引張り、圧縮の両方の応力を受けることが多いが、図4のような設置方法でいずれの場合にも対応できる。

0022

又、検知用材料は使用に際し、集中応力の発生によって、その材料のもつ伸びの限界値に達する前に破断を起こすことのないよう材料欠陥固定方法に留意しなければならない、一方で、電気的方法によって破断を調べる場合は、検知用材料はお互いに電気的に絶縁されていて、それぞれの検知用材料が単独に破断が起きているか否か、電気の導通の有無によって検知できなければならない。図5図6はこれらを解決するための例で、図5(a)は検知用材料15を線状にした場合の材料一本についての固定方法の例で、図5(b)はその側面図である。図6(a)はこれらを複数本の検知用材料15,16…を組合せて電気端子17を設けた場合の断面図(図6(b)のA−A断面図)で、図6(b)はその側面図である。

0023

構造物が歪みを起こすときは地震などのような振動によることが多い。このような場合、本発明の検知部は引張りのみではなく、圧縮力も同時に受ける。そのため、例えば一度破断を起こした検知用材料も、再び圧縮力を受けるといったことが繰返されることが考えられ、最後に破断部が接触したままになることが起こりうる。この状態で電気的方法で調べる場合、導通を測定しても破断を調べることができない。

0024

図7はこの問題点を解決するための例で、検知用材料15に予めバネ18等で背後から張力を与えておき、破断後は元の固定位置に戻らない構造にしたものである。これは検知用材料15の一方の端のみでも両端に設置してもよい。図8は同じ伸びを有する検知用材料を2本づつ使用した例である。材料欠陥などによる影響を小さくし、信頼性がより高くなる。

0025

本発明の実施例では検知用材料として線状材を並列に配置した形状を示したが、本発明の原理にしたがって、検知用材料の形状はさまざまに変化させることが可能である。

0026

又、用途によっては、応力に対し歪みの量の大きいもの、又小さいものが考えられるが、これはそれぞれの場合に対応して、伸びの大きい材料、小さい材料を選択すればよい。本発明に用いる構造材の歪みを検出する検知用材料としては、必要な特性の測定は実施しておかなければならないが、一般に入手可能な普通鋼あるいは炭素鋼などが使用できる。

発明の効果

0027

本発明は、歪み検知部の構造がきわめて簡単で、しかも歪み検知のための検知用材料は特殊なものでなくてもよく、一般に用いられている普通鋼、炭素鋼などで十分に目的を達成できる。又、検知部の施工が簡単で、特別な測定装置を必要とせず、測定は特殊な技術が不要であるから、誰にでも簡単に行うことができる。

図面の簡単な説明

0028

図1本発明の実施例の原理図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。
図2図2は他の実施例の原理図である。
図3本発明を構造物に適用した場合の概念図である。
図4図3の例が歪みを受けた状態の説明図である。
図5検知用材料を線状にした場合の固定方法の説明図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。
図6検知用材料を複数本組合せ、破断測定のための電気端子を取付けた例で、(a)は正面図で同(b)のA−A断面を示し、(b)は側面図の一部である。
図7検知用材料の破断が元に戻らないためバネを用いた例の説明図である。
図8同じ検知用材料を2本づつ用いた例の説明図である。

--

0029

1,2,3,4検知用材料
5,6基板
7,8,910 検知用材料
11,12 基板
13 検知部
14構造物
15,16 検知用材料
17電気端子
18 バネ

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