JPH09250978A - 荷重試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御計測系統の構成機器の精度及び分解能の
限界で試験できなかった載荷荷重の微小領域での試験を
可能にし、精度の良い荷重試験を実行する。 【解決手段】 油圧シリンダ１の左ロッド２４に入力荷
重と変位量が略比例関係にある弾性部材５を介して負荷
フランジ２と一体の受動筒２９を設け、負荷フランジ２
によって油圧シリンダ１の駆動力を荷重として供試体３
に載荷し、載荷荷重の微小領域、例えば入力０〜５％の
範囲では受動筒２９の変位に基づく変位制御モードで荷
重試験を実行し、載荷荷重の入力５％を越える領域では
油圧シリンダ１の荷重に基づく荷重制御モードで荷重試
験を実行し、制御計測系統の構成機器の精度及び分解能
の限界で試験できなかった載荷荷重の微小領域での試験
を可能にし、精度の良い荷重試験を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンクリート構造
物等の供試体に引張荷重あるいは圧縮荷重を載荷するた
めの荷重試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の荷重試験機としては、試験対象
物、負荷荷重の大きさ、荷重方向、載荷時間等によって
様々な方式が採用されている。また、駆動動力において
も、電気駆動、空圧・水圧・油圧駆動等が適材適所で活
用されている。さらに工夫されたものとして、特開平6-
241969号、特開平6-148047号、特開平6-317516号等が知
られている。

【０００３】即ち、特開平6-241969号におけるコンクリ
ート純引張試験では、コンクリートのひび割れ発生によ
る荷重の急激な低下で試験荷重が正確に把握できなくな
る現象を防止するために、供試体に並行して引張ばねを
設け、引張荷重対変位の特性図を取得した後に、バネ荷
重分を差し引いてコンクリート供試体の荷重対変位を求
める方法が示されている。

【０００４】また、特開平6-148047号においては、引張
試験機で試験片の荷重対伸び特性試験を行うために、伸
び計を使用する範囲とストローク変位計を使用する範囲
とがあり、両者の測定モードを試験の途中で切り換えて
も荷重伸び曲線が連続性を保った状態で作用できるよう
にしたものが示されている。

【０００５】更に、特開平6-317516号には、引張荷重を
与える際に、試験対象部以外が荷重対変形の影響を受け
ないように、試験片に補強部材を付加するものが示され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の荷重試
験機は、試験精度を向上するために、種々の補助手段を
講じているが、従来の荷重試験機では、載荷荷重に対す
る結果、即ち、試験体の変位、変形、応力等が一義的に
比例関係にあるものとして取扱っている。

【０００７】

【表１】 表１は、試験装置の載荷駆動源に油圧シリンダを使って
供試体に生ずる変位と応力の関係を実用工業単位で示し
たものである。仮に、載荷能力１００％＝２０tonfの試
験機を用いて、試験を行う場合、供試体の特性把握のた
めに、０．１％から順次載荷したいと考えても、油圧力
０．２kgf/cm² の制御による荷重の安定性確保あるい
は、２μの応力を精度よく測定することは不可能であ
る。即ち、現在普及している荷重試験機では、制御精
度、検出精度上、最小感度あるいは最小分解能に限界が
あるため、試験できないのが実情である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、入力荷重に対する変位量が略比例関
係にある弾性体を荷重が載荷される供試体と荷重出力装
置との間に介在させたことを特徴とし、荷重が載荷され
始める小負荷時には弾性体の変位に基づいて試験を行
い、荷重が大きくなった後は荷重出力装置の発生荷重に
基づいて試験を行う。

【０００９】また、前記弾性体の変位量を検出する検出
手段を備えると共に、前記荷重出力装置の発生荷重を検
出する荷重検出手段を備え、前記供試体に荷重を載荷し
た際に、前記弾性体が変位している場合には前記検出手
段の検出情報に基づいて荷重試験を実行し、前記弾性体
の変位終了後は前記荷重検出手段の検出情報に基づいて
荷重試験を実行する制御装置を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】荷重試験機の最大能力は、供試体
の最大変形や破壊荷重を把握する上で、不可欠である
が、最大能力に比較して微小領域での供試体の挙動も把
握したいとの要求に対して、微小領域たとえば０〜５％
までの入力対出力の関係を求めるために、載荷荷重を発
生するための油圧シリンダ等の荷重出力装置と荷重が載
荷される供試体との間に入力荷重と出力（変位）が略比
例関係にある弾性部材を介在させて入力対出力の精密な
関係を取得した後、例えば５％以上は通常の手法で載荷
試験を行う。

【００１１】載荷荷重を発生するために油圧シリンダの
変位あるいは荷重が任意に制御できる、いわゆる電気油
圧サーボ弁を用いた制御システムを構成し、載荷荷重が
微小な範囲では、変位制御モードを用い、載荷荷重が大
なる領域では荷重制御モードを用いることができるシス
テムを構成する。

【００１２】つまり、荷重試験機の全体を表した図１、
及び荷重出力装置である油圧シリンダを表した図２に示
すように、載荷荷重を発生するための荷重出力装置とし
ての油圧シリンダ１の駆動部には負荷フランジ２が設け
られ、負荷フランジ２には荷重が載荷される供試体３が
連結されている。油圧シリンダ１の駆動ロッド４と負荷
フランジ２との間には、入力荷重と変形（変位）量とが
略比例関係（事前較正により特性が既知である）にある
弾性部材５を内部に備えた受動筒２９が介在している。
荷重試験機の入力が微小な領域では、制御システム構成
要素の特性から微小な荷重を載荷することが困難なた
め、弾性部材５の変位を検出する変位制御モードを実行
する。

【００１３】即ち、前述した入力０〜５％の領域では入
力荷重が極めて小さいため油圧０．２kgf/cm² の制御に
よる載荷荷重の安定化が図れないので、油圧シリンダ１
の変位制御（１mmオーダ）により油圧シリンダ１を駆動
する。ここで、油圧シリンダ１の変位は弾性部材５を内
装した受動筒２９を介して発生する荷重が供試体３への
入力荷重として伝達されるので、安定した制御が可能と
なる。入力が５％以上の領域では受動筒６での変位−荷
重特性に制限を加え、油圧シリンダ１の荷重を検出する
荷重制御モードを実行する。

【００１４】

【実施例】図１には本発明の一実施例に係る荷重試験機
の全体構成、図２には油圧シリンダの断面、図３には荷
重試験機の制御ブロック、図４には荷重試験機の入・出
力関係の特性、図５には入力電力と出力変位の関係、図
６には弾性体の特性を示してある。

【００１５】図１に示すように、コンクリートの供試体
３の外面には鋼板６が張りつけられており、アンカー７
で一体化されて鋼板コンクリート構造となっている。供
試体３は固定金具８によって台板９に固定され、台板９
の一端から垂直に立てられた支持金具１０の上部に油圧
シリンダ１が取り付けられている。供試体３の上面の鋼
板６にはサポート１１が立設され、サポート１１と油圧
シリンダ１の負荷フランジ２の間には、ロードセル１
２、取付金具１３及び連結桿１４が挿入されている。そ
して、サポート１１と取付金具１３連結桿１４を介して
はピン１５，１６により結合されている。油圧シリンダ
１の駆動により、負荷フランジ２が図中左右に移動して
供試体３に引張もしくは圧縮荷重が加えられる。

【００１６】図２に基づいて油圧シリンダ１を説明す
る。

【００１７】油圧シリンダ１の本体２１の内周面にはピ
ストンパッキン２２を介してピストン２３が摺動自在に
支持され、ピストン２３の両側には駆動ロッド４として
左ロッド２４及び右ロッド２５が同軸上に接続され、そ
れぞれロッドパッキン２６，２７でシールされている。
本体２１の左側には左ロッド２４が突出する開口部２８
が設けられ、開口部２８内には左ロッド２４の端部を覆
う受動筒２９が配されている。受動筒２９には脚３０を
介して負荷フランジ２が連結されている。

【００１８】負荷フランジ２と一体になった受動筒２９
の内部には２個のばね受け３１と弾性部材５が装着さ
れ、ばね受け３１は両端で止め輪３２により左ロッド２
４と軸方向に摺動自在に結合されている。対向した２個
のばね受け３１は左ロッド２４に沿って摺動すると共
に、相対的な間隙ｘが確保されている。

【００１９】ピストン２３の右方に設けられた右ロッド
２５にはコイル３３が内装され、コイル３３の内部には
鉄芯３４が設けられている。鉄芯３４は支持棒３５の先
端に設けられ、支持棒３５は支持フランジ３６の外面中
央に穿設された凹部３７にねじ及びナット３８で固定さ
れている。これらコイル３３、鉄芯３４、支持棒３５に
よって検出手段としての変位検出器３９が構成されてい
る。支持フランジ３６は支持脚４１を介して本体２１と
一体に形成されている。尚、図中の符号で４０は信号用
のリード線である。

【００２０】油圧シリンダ１を作動させるため、油圧源
４３からの圧油をサーボ弁４４を介してピストン２３の
左右油室へ給排するための負荷ライン４５，４６が設け
られている。このため、サーボ弁４４への電気信号でピ
ストン２３は図中左右方向に変位することができるよう
になっている。

【００２１】図３に基づいて上述した荷重試験機の制御
ブロックを説明する。ａが変位制御モードの例で、ｂが
荷重制御モードの例であり、いずれのモードでも油圧シ
リンダ１を駆動するところまでは同じである。

【００２２】設定器４７，４８で印加荷重に対応した入
力電圧を設定する。加算器４９は、入力電圧とフィード
バック電圧を比較して偏差電圧を増幅器５０に入力す
る。増幅器５０は入力電圧に比例した制御電流に増幅し
てサーボ弁４４に入力する。サーボ弁４４は、図２に示
したように、油圧源４３からの圧油を制御電流の方向と
大きさに応じて負荷ライン４５あるいは負荷ライン４６
に圧油を給排することにより油圧シリンダ１を変位させ
る。

【００２３】ａの変位制御モードでは、油圧シリンダ１
の出力を変位検出器３９で検出して変換器５１で入力電
圧に見合ったフィードバック電圧に変換する。即ち、入
力電圧の最大値（例えばＤＣ１０Ｖ）で、油圧シリンダ
１の変位が最大（例えば５０mm）となるようにフィード
バック比（１０Ｖ／５０mm）を設定する。また、ｂの荷
重制御モードでは、油圧シリンダ１の出力を荷重検出手
段としての荷重計５２で検出して変換器５３で入力電圧
に見合ったフィードバック電圧に変換する。即ち、入力
電圧の最大値（例えばＤＣ１０Ｖ）で、油圧シリンダ１
の荷重が最大（例えば２０tonf）となるようにフィード
バック比（１０Ｖ／２０tonf）を設定する。

【００２４】図４は荷重試験機の入力、出力関係を示す
特性線図である。横軸は印加荷重に見合った入力電圧を
示し、縦軸は供試体３の変形量である。これはピン１５
の変位に等しい。特性ｃは従来の荷重制御方法により得
られる結果であり、特性ｄは本発明の変位制御と荷重制
御を併用した方法により得られる結果である。両者の差
は大きい変形が現われるｅ点までの入力電圧の大きさ
が、ｆ₁ ，ｆ₂ の如く相違する。供試体３の剛性が高い
ほど、特性ｃのｆ₁ は小さくなる。特性ｃの０〜ｆ₁ 間
の挙動を詳細に調べるためには、表１で示したように制
御系を構成する要素の分解能が極めて高いものが要求さ
れ、満足するために感度を高くすると不安定な制御とな
り再現性ひいては特性線図の信頼性に欠けることとな
る。

【００２５】これを解消するために、本発明の手法を用
いれば、特性ｄが得られることとなり特性ｄでは、ｅ点
までは変位制御モードで指令が入力されるので、受動筒
２９は十分な精度が得られるように変位制御されるが、
載荷荷重は弾性部材５を介して供試体３に伝達されるの
で急激な変化は生じない。ｅ点に達した時に、受動筒２
９内のばね受３１が接触（クリアランスｘが０になる荷
重とｅ点とが等しい）すれば、変位制御モードから荷重
制御モードに切り換えて、荷重制御によって載荷試験を
行う。

【００２６】図５は変位制御モードの場合の入力電圧対
出力変位を点線で、荷重制御モードの場合の入力電圧対
出力荷重を実線で示したものである。いずれの場合も、
入力対出力を比例関係で制御できる。また、図６は受動
筒２９の内部のばね受け３１と弾性部材５によって得ら
れる左ロッド２４の変位と負荷フランジ２に伝達される
荷重の関係を示したものである。この特性は試験に先立
って較正しておく。

【００２７】上述した荷重試験機では、油圧シリンダ１
の左ロッド２４に入力荷重と変位量が略比例関係にある
弾性部材５を介して負荷フランジ２と一体の受動筒２９
を設け、負荷フランジ２によって油圧シリンダ１の駆動
力を荷重として供試体３に載荷するようにしている。こ
のため、載荷荷重の微小領域、例えば入力０〜５％の範
囲では受動筒２９の変位に基づく変位制御モードで荷重
試験を実行し、載荷荷重の入力５％を越える領域では油
圧シリンダ１の荷重に基づく荷重制御モードで荷重試験
を実行することができる。従って、従来の荷重試験機で
は、制御計測系統の構成機器の精度及び分解能の限界で
試験できなかった載荷荷重の微小領域での試験が可能と
なり、精度の良い荷重試験を実行することが可能とな
る。

【００２８】図７乃至図１０に基づいて上述した油圧シ
リンダ１を用いた荷重試験機の他例を説明する。図７に
は供試体に引張力を載荷する荷重試験機の側面、図８に
は図７の平面、図９には供試体に曲げ剪断力を載荷する
荷重試験機の側面、図１０には図９の平面を示してあ
る。

【００２９】図７及び図８に基づいて引張力を載荷する
荷重試験機を説明する。図に示すように、供試体３及び
油圧シリンダ１は下部架台６１の上に設置された支持金
具６２の上に取付けられている。上部架台６３は下部架
台６１から垂直に立てられた４本の支柱６４で支持され
ている。油圧シリンダ１の負荷フランジ２はロードセル
６７及びサポート６８を介して供試体３に引張力を作用
させる。上部架台６３の下面には油圧ジャッキ６５及び
ロードセル６６が垂下され、供試体３に圧縮荷重をかけ
た状態で引張試験を行うように構成されている。

【００３０】図９、図１０に基づいて曲げ剪断力を載荷
する荷重試験機を説明する。供試体３に圧縮荷重をかけ
た状態は図７及び図８と同様であるので、同一符号を付
してある。図示すように、油圧シリンダ１の負荷フラン
ジ２、ロードセル７１から連結桿７２を経て軸７３、レ
バー７４、連結棒７５、ロードセル７６、ピン７７によ
りサポート７８を介して供試体３に曲げせん断力が載荷
されるように構成されている。レバー７４とサポート７
８は、供試体３と連結棒７５により平行四辺形を形成
し、供試体３に常に剪断曲げ荷重が作用するようになっ
ている。尚、図中８０は油圧シリンダ１を支持する支持
金具である。

【００３１】

【発明の効果】本発明の荷重試験機は、荷重出力装置と
これに結合されて荷重を載荷される供試体との間に、入
力荷重と変位量が略比例関係にある弾性部材を介在さ
せ、弾性部材を介して荷重出力装置の出力を供試体に載
荷し、載荷荷重の微小領域では弾性部材の変位に基づい
て荷重試験を行い、微小領域を越える領域では荷重出力
装置の出力に基づいて荷重試験を行うようにしているの
で、制御計測系統の構成機器の精度及び分解能の限界で
試験できなかった載荷荷重の微小領域での試験が可能と
なる。この結果、広範囲の領域で精度の良い荷重試験を
実行することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る荷重試験機の全体構成
図。

【図２】油圧シリンダの断面図。

【図３】荷重試験機の制御ブロック図。

【図４】荷重試験機の入力・出力関係を示す特性線図。

【図５】入力電力と出力変位の関係を表すグラフ。

【図６】弾性部材のの荷重特性図。

【図７】供試体に引張力を載荷する荷重試験機の側面
図。

【図８】図７の平面図。

【図９】供試体に曲げ剪断力を載荷する荷重試験機の側
面図。

【図１０】図９の平面図。

【符号の説明】

１ 油圧シリンダ ２ 負荷フランジ ３ 供試体 ５ 弾性部材 ２１ 本体 ２３ ピストン ２４ 左ロッド ２９ 受動筒 ３１ ばね受け ３３ コイル ３４ 鉄芯 ３５ 支持棒 ３９ 変位検出器 ４３ 油圧源 ４４ サーボ弁 ４７，４８ 設定器 ４９ 加算器 ５０ 増幅器 ５１，５３ 変換器 ５２ 荷重計

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力荷重に対する変位量が略比例関係に
   ある弾性体を荷重が載荷される供試体と荷重出力装置と
   の間に介在させたことを特徴とする荷重試験機。
2. 【請求項２】 前記弾性体の変位量を検出する検出手段
   を備えると共に、前記荷重出力装置の発生荷重を検出す
   る荷重検出手段を備え、前記供試体に荷重を載荷した際
   に、前記弾性体が変位している場合には前記検出手段の
   検出情報に基づいて荷重試験を実行し、前記弾性体の変
   位終了後は前記荷重検出手段の検出情報に基づいて荷重
   試験を実行する制御装置を備えたことを特徴とする請求
   項１に記載の荷重試験機。