JPH0469745B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は複雑な構造物において、亀裂成長速度
を支配するパラメータである応力拡大係数を直接
求める構造物の亀裂成長監視装置に係る。 （従来の技術） 橋梁、其他の複雑な構造物においては車両其他
重量物通過による変動荷重を受けるため、疲労に
よる損傷を受け、亀裂を生ずることがある。これ
らの亀裂は何れは補修されなければならないが、
少くとも補修されるまでの間は安全でなければな
らず、破壊してはならない。そのためには、現在
の亀裂の成長速度を監視するとともに、将来の成
長量および、進展方向を推定するためのデータを
集録する監視装置が必要である。従来、構造物の
実働応力を計測する装置は実用されているが、複
雑な構造物において亀裂成長速度に支配的な応力
拡大係数を求める装置はなかつた。 （発明が解決しようとする問題点） このため特殊な形状のひずみゲージおよび演算
装置からなる自動監視装置を開発して応力拡大係
数を求めることが問題点である。 （問題点を解決するための手段） 第１図に示すように、中央部にスリツト６ａを
有する薄膜状基盤３ａに、スリツト６ａの一端を
中心とする円周上に等間隔（不等間隔でもよい）
に分散して複数枚の３軸ロゼツトゲージ（文献２
参照）を貼り付ける。１〜１３は３軸ロゼツトゲ
ージであり、スリツト６ａの反対側に１枚のクラ
ツクゲージ１５を貼り付ける。これらはコネクタ
１６を経て演算装置７ａに導かれる。演算装置７
ａはコンパクトに製作されて構造物の近くに置か
れる。演算装置７ａは応力拡大係数を算出、記
憶、記録するために動ひずみ計、極値検出回路な
らびにその演算回路と、タイマーと応力拡大係数
ならびにクラツクゲージ出力の記憶装置とから構
成され、クラツク周辺のひずみゲージのデータか
ら応力拡大係数を計算するもので、この監視装置
の構成することにより問題点を解決するための手
段と成つている。 （作用） ３軸ロゼツトゲージをスリツトの一端を中心と
ト部付近の応力を求めるには次の如くする。 今第３図、または第４図において、Ｘ方向（
方向）、Ｙ方向（方向）およびそれらの２等分
線方向（方向）のｐ番目の３軸ロセツトゲージ
の出力を夫夫ε〓ε〓ε〓とし、 測定点の中の任意の ｐ点の引張応力をσ_x，σ_y、剪断応力をτ_xyとすれ
ば式が成立する。 σ_x＝（Ｅ／１−υ²）・（ε_I＋υε〓）……(A) σ_y＝（Ｅ／１−υ²）・（ε〓＋υε〓） ……(B) τ_xy＝−1/2（σ₁−σ₂）sin2θ ……(C) ここに、 σ₁＝｛Ｅ／（１−υ²）｝（ε₁＋υε₂） σ₂＝｛Ｅ／（１−υ²）｝（ε₂＋υε₁） ε₁＝（ε〓＋ε〓）／２ ＋√｛（〓＋〓）２-〓｝²＋｛（〓-〓
）２｝² ε₂＝（ε〓＋ε〓）／２ −√｛（〓＋〓）２-〓｝²＋｛（〓-〓
）２｝² θ＝0.5tan^-1｛（ε〓＋ε〓−2ε〓）／（ε〓−ε
〓）｝ ここにυはポアツソン比である。 以下、ひずみゲージ３ａ１の読みから応力拡大
係数を算出する過程を述べる。（文献１参照）第
５図ａにおいて、対象物にPiおよびUiの力がか
かり図の如く亀裂が生じたとする。亀裂の一端を
Ｓの如く円または正方形で囲み周上に３軸ロゼツ
トゲージを配置する。円周Ｓ上の３点ロゼツトゲ
ージの配置要領を第５図ｂにて説明する。 Γは半径Ｒの円の境界で円周上にｎ個の３軸ロ
ゼツトゲージ１，２，３，……ｐ，ｐ＋１……ｎ
を図の如く配置する。その中ｐ番目から、ｐ＋１
番目の測定点が原点Ｏに対してなす角、およびｐ
番目から、ｐ＋２番目までの測定点が原点Ｏに対
してなす角度を夫夫 γ γ₀とし、_x、_yを境界に作用する表面力の
ｘ、ｙ成分とすると、測定点ｐでの表面力は ｛｝_p＝｛_x／_y｝_p＝l_xσ_x＋l_yτ_xy l_xτ_xy＋l_yσ_yｐ (1) ただし（l_x，l_y）はＳの境界Γ上で外向きに引
いた法線の方向余弦である。Γ上のｎ個の測定点
間の任意の点での表面力Ｔは二次式で近似すると ｛（_i｝＝｛｝＝｛_x／_y｝＝［Ｍ］｛Ｑ｝……(
2) となる。ここに ［Ｍ］＝a₁ ０ ０ a₄ a₂ ０ ０ a₅ a₃ ０ ０ a₆ ……(3) ｛Ｑ｝^T＝［T_xpT_ypT_{x p+1} T_{y p+1} T_{x p+2} T_{y p+2} ］ ……(4) ａ＝（１−γ／γ₀）（１−2γ／γ₀） a₂＝４（γ／γ₀）（１−γ／γ₀） a₃＝（γ／γ₀）（2γ／γ₀−１） a₄＝（１−γ／γ₀）（１−2γ／γ₀） a₅＝４（γ／γ₀）（１−γ／γ₀） a₆＝（γ／γ₀）（2γ／γ₀−１） 式(4)の｛Ｑ｝^Tの添字Ｔは転置行列を示す。以上
の各測定点ｐの応力成分σ_x，σ_y，τ_xyはひずみゲ
ージ３ａ１より前記式(A)、(B)、(C)により求められ
る。 次に亀裂部分の応力は応力拡大係数Ｋ、Ｋ
（モードをＫ、モードをＫとする。）： Ｋ Ｋ＝√2［Hα］｛Ｑ｝ ……(5) より求められるから亀裂部の応力も求められる。
ここに［Hα］は形状固有の常数を行列で表した
もので円周の上の12等分点上にひずみゲーしたも
ので円周の上の12等分点上に３軸ロゼツトゲージ
を配置した場合は次の如くなる。

【表】 ・・・・・・・・・・・(6)
［Ｑ］^T＝［T_x1T_y1…T_xpT_yp…T_x13T_y13］……(7) ただし、［Hα^T］は［Hα］の転置行列を示す。
12等分された３軸ロゼツトゲージの測定値を
［Ｑ］に与えれば、(5)式によりＫ、Ｋが求め
られ亀裂部分の応力拡大係数が求められる。（文
献１参照） また、クラツクゲージ１５は亀裂が成長するに
つれて順次グリツドが切断して信号が出力される
が、第２図においてその信号は動ひずみ計１３で
増幅され、その切断時刻はタイマ１４によつて計
測し、亀裂の成長量とその時刻を記憶装置１２ａ
で記憶しておけば亀裂の成長が自動的に記録でき
る。 以上の２つの記録（応力拡大係数の時系列デー
タおよび、亀裂成長量とその時刻）はカセツトテ
ープまたはデイスケツト等の記憶媒体により工場
に持帰りプリントして以後の解析に利用できる。 （実施例） 第１図ｂにて本発明の構造物の成長亀裂監視装
置に使用する。ひずみゲージ３ａ１の構成を説明
する。薄膜状基盤３ａはひずみゲージ中心点５ａ
を中心とする円形の薄膜で、スリツト６ａが中心
より半径方向に外方に切つてある。適当な半径Ｒ
の円周上に３軸ロゼツトゲージ１〜１３が配置さ
れている。第１図では等間隔で12等分した場合を
示したが、その中１，１３はスリツトの直上直下
に設けた。本実施例ではロゼツトゲージの等分数
を12としたが、等分数は12以外の配列可能な数で
あればよい。１５はクラツクゲージで中心点５ａ
に接してスリツト６ａの反対側に配置してある。 個々の３軸ロゼツトゲージを一度にセツトする
にはフオトレジスト法を用いると生産性がよい。 このひずみゲージ３ａ１を構造物にセツトする
には次の如くする。 即ち第３図に示すように、試験しようとする対
象物に発生した亀裂の先端と、ひずみゲージ３ａ
１の中心点５ａの一端とを合せながら、対象物の
亀裂の他端およびひずみゲージ３ａ１のスリツト
６ａの開口側を同一方向に向けて、瞬間接着剤等
によりひずみゲージ３ａ１と対象物とを接着す
る。 第１ａ図には本発明のひずみゲージ３ａ１（ロ
ゼツトゲージとクラツクゲージ）を対象物に取付
た所を示す。 Ｋ、Ｋ求めるには本実施例では次の如くし
た。 ひずみゲージ３ａ１の出力は１個のロゼツトゲ
ージから３つの出力があり、13個のロゼツトゲー
ジがあるので計39個の出力がある。これらの入力
を受けて動ひずみ計９ａは39個の応力 ［〓_x 〓_y 〓_xy］_p ｐ＝１〜13 を求め、これらを次の極値探索および記憶回路１
０ａに入力する。即ち、動ひずみ計９ａは式(A)(B)
(C)の計算を行い、その結果を次の極値探索および
記憶回路１０ａに出力する。第４図はひずみゲー
ジ３ａ１から得られた各応力値 σ_x、σ_y、τ_xy の時間変化を示す。 同図において左より極値にｉ＝１，２，３……
の番号をつけてある。極値ｉ毎に応力値 ［〓 _x〓 _y〓_xy］_p ｐ＝１〜13 を求め、(5)式を用いてｉ毎の（Ｋ、Ｋ）_iを求
めこれよりＫ、Ｋの時間的変化を得る。以上
の演算装置をブロツク線図で示したものが第２図
である。 極値探索および記憶回路１０ａは各応力および
剪断応力より(5)式によりＫ、Ｋを算出しその
時間的変化を次の記憶装置１２に入力する。 （発明の効果） (1) 構造物に発生した亀裂の先端と、ひずみゲー
ジ一端を合せながら、構造物の亀裂とひずみゲ
ージのスリツトとを同一方向に向けて、瞬間接
着剤等により接着できるので作業が著しく簡単
になつた。 (2) 境界条件の不明確な構造物に発生した亀裂に
各種の応力が作用した場合の亀裂に作用する応
力拡大係数Ｋ（モード）、Ｋ（モード）
の時間的変化が分離して計測できるので、Ｋ
から将来の亀裂成長量を、Ｋ／Ｋから亀裂
の進展方向を予測するためのデータ取ることが
できる。 (3) クラツクゲージがあるので、亀裂の成長過程
を無人で監視できる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は亀裂成長自動監視装置の全体図、ｂ
は本発明のひずみゲージの構成図、第２図は演算
装置のブロツク図、第３図は３軸ロゼツトゲージ
による測定点の番号図、第４図は各ロゼツトゲー
ジに生じる変動応力の例示図、第５図は亀裂パネ
ルのロゼツトゲージ位置の番号および符号の説明
図である。 １ａ……構造物、２ａ……亀裂、３ａ……薄膜
基盤、３ａ１……ひずみゲージ、６ａ……スリツ
ト、７ａ……演算装置、９ａ……動ひずみ（39チ
ヤンネル）、１０ａ……極値探索および記憶回路、
１１ａ……Ｋ、Ｋの演算回路、１２ａ……記
憶回路、１３ａ……動ひずみ（１チヤンネル）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 周辺より中央に向つて明けられたスリツトを
   有する薄膜状基盤と該スリツトの末端を中心とす
   る薄膜状基盤の円周上に分散して貼り付けられた
   複数枚の３軸ロゼツトゲージとスリツトの反対側
   に貼り付けられたクラツクゲージとよりなるひず
   みゲージならびに、前記３軸ロゼツトゲージの出
   力より応力成分を算出し該応力成分の極値および
   その時刻を求め該極値における応力拡大係数を演
   算しその時系列を記憶する記憶装置と前記クラツ
   クゲージ出力およびその時刻を記憶する記憶装置
   とより構成されることを特徴とする構造物の亀裂
   成長監視装置。