JP4237387B2

JP4237387B2 - 残留ひずみ・残留応力計測用応力解放装置

Info

Publication number: JP4237387B2
Application number: JP2000269409A
Authority: JP
Inventors: 健一平嶋; 拓雄鈴木; 要小宮山
Original assignee: 有限会社香川建設
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP2002081999A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自然界に存在する全ての固形物体（地盤・岩盤・樹木・金属部材・非金属部材・生物の生体および死体骨格など）の表面に残留しているひずみ・応力を大きな損傷を与えることなく測定する残留ひずみ・残留応力の計測方法、及びそのために使用する残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対象物体に設置したひずみ測定装置の近辺で穿孔あるいは切り込みを入れることにより、残留ひずみ・残留応力を計測する方法として従来までに、次のようなものがある。
ａ）適切に配置した複数個のひずみゲージの近辺で、ドリルやショットピーニングにより穿孔を行う方法であり、一般にホールドリリング法と呼ばれている。（ASTM DESIGNATION D837−95）
ｂ）適切に配置したひずみゲージの周囲を、コンクリートカッター等を用いて直線状の切り込みを入れて多角形状に囲むことにより応力解放をさせる方法。（土木工学論文集 No.585／Ｖ−38(1998，2)p.11-16）
ｃ）適切に配置したひずみゲージの周囲を、コアカッター等を用いて円形の切り込みを入れて囲むことにより応力解放をさせる方法。ただし、ひずみ計測は作業を中断したのち、ゲージを結線して行う、いわゆる断線的・断続的方法に相当する（構造工学論文集 Vol.42A(1996，3) p333-340 ，Experimental Techniques，Ｖol.16(5)(1992) p17-24，RAM，Ｖol.4(1988) p5-10）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前記した従来の残留ひずみ計測方法にあっては、次のような問題点がある。
Ａ）ホールドリリング法は応力集中を利用しており、穿孔径に比してひずみゲージが大きいため、正確な残留ひずみ値を計測することは困難であり、かつ、穿孔位置には正確を期すための細心の注意が必要である。また、物体の弾性・粘弾性・非弾性特性といった物性を仲介とした応力集中に関する複雑で高度な理論解析結果を必要とする。
Ｂ）コンクリートカッターを用いた場合、周囲を同時に切り込むことができないために手間が掛かる上に応力解放を均一に生じさせることが不可能である。さらに、測定対象物体の現有の機能をはなはだしく低下させる。
Ｃ）通常のコアカッターを用いた場合では、ひずみ計測装置がコアビットの空間内に閉じこめられ、稼働中にコアビット外に計測データを取り出すことができないため連続的なひずみ計測が不可能である。また解放されたひずみ・応力を計測するためにはコアカッターの稼働をー旦停止させ、ビットを引き抜いてから、ひずみ測定装置をひずみ・応力表示装置と結線して計測を行う必要があるため、測定精度が著しく低下する。
また、通常のコアカッターでは、コアカッターの脚部を計測対象物体面ないしはその近傍の床面・壁面・天井面などの剛体面やそれらに接合された剛体台等に、予め穿孔設置したボルト等により十分に固定させなければならないが、ボルト穴等の損傷を対象物体に与えることが好ましくない場合や剛体面あるいは剛体台等を確保することが困難な場合には、任意の位置での応力解放を行うことが非常に困難である。
【０００４】
この発明は、上述のような従来までの種々の問題点を解決するものであって、あらゆる固形物体の残留ひずみ・残留応力を簡便・迅速、かつ精度よく定量的に計測する残留ひずみ・残留応力の計測方法、及びそのために使用する残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置の提案を目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明の残留ひずみ・残留応力計測方法は、計測対象の物体表面におけるひずみ・応力を測定することの可能な装置を設置し、その装置の外周辺を円形状に、かつ、等しい深さで切り込みを入れると共に、剛体台等への据え付け、磁力による保持、真空による吸着または人力のみあるいはそれらの組み合わせよって支持することが可能な機構をもつコアドリルカッターによって応力を均一に解放させながら、その作業中および作業終了後にひずみ・応力の値を連続的に計測することを特徴とする非破壊型に準ずる方法を提案する。
またこの発明の残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置は、駆動モー夕の駆動軸に動力的に連結されたコアビット接続軸と、該コアビット接続軸に圧入された軸受を介して回転可能に接続されたコアビットと、前記コアビット接続軸の軸方向に穿設された貫通孔又は閉塞孔に挿入され、前記コアビット内を軸方向に延びるガイドシャフトと、該ガイドシャフトに進退自在に挿入された剛性ワイヤホルダーと、該剛性ワイヤホルダーに挿し通され、計測対象物体に固着されたひずみゲージ又は応力検出器に一端が結線され、データロガーに他端が直接又は間接に結線されたリード線とを備え、前記ガイドシャフトは前記軸受の中心開口を通り、前記コアビット接続軸の回転から独立していることを特徴とするものである。
この発明の残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置は、ひずみゲージ又は応力検出器を取り囲む位置で計測対象物体に剛性ワイヤシェルが固着され、該剛性ワイヤシェルの内部にガイドシャフト又は剛性ワイヤホルダーが臨むようにしたことをも特徴とするものである。
したがって、まず最初に計測対象の固形物体の表面における、ひずみ・応力を測定することが可能な装置を設置し、その装置の外周辺を円形状に、等しい深さで切り込みを入れる。次に、剛体台等への据え付け、磁力による保持、真空による吸着または人力のみあるいはそれらの組み合わせによって支持することが可能な機構をもつコアドリルカッターによって応力を均一に解放させながら、稼働終了後はもちろんのこと稼働中も連続してひずみを計測することのできる装置を開発したものである。
【０００６】
【発明の実施の態様】
以下、この発明の残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明に従った残留ひずみ・残留応力計測方法では、現にひずみ・応力が生じている計測対象物体の表面にひずみ測定装置を設置し、その周囲に切り込みを入れる。次に、剛体台等への据え付け、磁力による保持、真空による吸着または人力のみあるいはそれらの組み合わせによって支持することが可能な機構をもつコアドリルカッターによって応力を均一に解放させながら、コアドリルカッターの稼働終了後はもちろんのこと稼働中も連続してひずみを計測することができるようにしている。
【０００７】
そのために使用する応力解放装置の１例を図１に示す。応力開放装置１０は、コアビットを取り付ける回転軸の中心に孔を設け、コアビット内部に設置してあるひずみ測定装置のリード線等を、断線させることなくコアビットの外部に導き出すことができるように工夫されている。すなわち応力開放装置１０は、駆動モータ１１のギアボックス１２にコアビット接続軸１３を内挿している。コアビット接続軸１３は、前方端部に圧入された中心開口をもつ軸受１４ａを介して中空円筒状のコアビット１５を回転可能に接続している。コアビット接続軸１３の後方端部にも同様な軸受１４ｂが圧入されている。軸受１４ａ．１４ｂの中心開口は、コアビット接続軸１３の軸方向に延びる貫通孔１３ａ（図２，図３）に一致し、ガイドシャフト１６挿通孔の一部となる。
【０００８】
図２はコアビット１５を取り付ける回転軸（コアビット接続軸１３）と駆動軸１７とが同一直線状にない場合を示したものであり、コアビット１５を取り付ける軸にのみ貫通孔１３ａを設けた例である。この貫通孔１３ａ内に通したリード線等の両端は、それぞれひずみゲージおよびデータロガーと結線され、オーバーコア作業中であっても連続的に計測を行うことができる。また、駆動軸１７は動力源と接続されており、コアビット接続軸１３へは歯車１８等を介して動力を伝達することになる。
【０００９】
図３はコアビット接続軸１３と駆動軸１７とが同一直線状にある場合を示したものであり、コアビットを取り付けたコアビット接続軸１３の軸端から駆動軸１７の軸端にかけて貫通孔１７ａを設けた例である。この貫通孔１７ａに通したリード線等の両端は、それぞれひずみゲージおよびデータロガーと結線され、オーバーコア作業中であっても連続的に計測を行うことができる。また、コアビット１５の駆動は、この軸上に設けられた動力源（駆動モータ１１）により行うことになる。
【００１０】
図４はコアビット接続軸１３の中途まで貫通孔１３ｂを設けたー例である。図からわかるように貫通孔１３ｂは袋状に閉じてリード線等を直接取り出すことができないため、貫通孔１３ｂの末端部に複数個の導電性リング２０を設置することにより測定したデータを外部に伝達するものである。この導電性リング２０の厚みはコアビット接続軸１３の内壁から外壁にまで連続しており、リード線等の末端はこの導電性リング２０内壁側と接触し、さらに対向する外壁側に別のリード線等を接触させ、これをデータロガー等と結線する方式である。したがってコアビット接続軸１３の回転中にもコアビット１５内部の測定値を外部へ伝達することが可能であり、オーバコア作業中であっても連続的に計測を行うことができる。また、このコアビット接続軸１３への動力源は図３で示したように同一直線上に設置してもよいし、図２で示したように同一直線状でなくともよい。
【００１１】
さらに詳しく説明すると、コアビット接続軸１３は、駆動モータ１１の駆動軸１７から歯車１８（図２）を介して動力伝達され、或いは駆動軸１７に直結して動力伝達される接続法（図３）でもよい。図２の場合にはコアビット接続軸１３に貫通孔１３ａを形成するだけでよいが、図３の場合には駆動軸１７にも同様な貫通孔１７ａを穿設する。
貫通孔１３ａにガイドシャフト１６が内挿され、両端がそれぞれひずみゲージＧ及びデータロガーＰに結線された複数のリード線１９がガイドシャフト１６に挿し通されている。ガイドシャフト１６は、後方の軸受１４ｂを過ぎた位置で滑らかな角度で直角に曲げられた後、接着剤等でギアボックス１２に固定されている。ガイドシャフト１６は、この配置により、コアビット接続軸１３の回転中にも回転することなく、スラスト方向にも固定される。リード線１９は、固定されたガイドシャフト１６に挿入されているのでコアビット接続軸１３の内壁に接触せず、コアビット１５の回転による破線・断線が防止され、オーバーコア作業中にも連続的な計測が可能となる。
貫通孔１３ａに代え、中途まで延びた閉塞孔１３ｂを穿設したコアビット接続軸１３を使用することもできる（図４）。この場合、閉塞孔１３ｂの閉塞側端部位置でコアビット接続軸１３に、コアビット接続軸１３の軸壁と同じ肉厚又は厚肉の導電性リング２０を嵌め込み、リード線１９を導電性リング２０の内壁に絹線する。導電性リング２０の外壁には、データロガーＰに至る外部リード２１が結線される。ひずみゲージＧで検出したデータは、リード線１９、導電性リング２０、外部リード２１を経てデータロガーＰに出力される。
オーバーコア作業中にコアビット１５から計測対象物体Ｂ（図５）までの距離が短くなり、リード線１９に弛みが発生することがある。リード線１９の弛みは、たとえばガイドシャフト１６の先端に剛性ワイヤホルダー２２を進退自在に挿入し、ガイドシャフト１６に剛性ワイヤホルダー２２が収納された長さ分トＬだけリード線１９を引き出すことにより防止できる（図６）。剛性ワイヤホルダー２２は、内部にリード線１９が挿通される剛性中空円筒体でできており、ガイドシャフト１６の内径にほぼ等しい外径をもっている。剛性ワイヤホルダー２２の先端に更に単数又は複数の小径剛性ワイヤホルダーを挿し込み、伸縮アンテナのような多段式剛性ワイヤホルダーを使用することもできる。
【００１２】
次いで、残留ひずみの計測方法を説明するが、ひずみゲージＧに代えて応力検出器を使用すると同様な方法によって残留応力が計測される。
計測対象物体Ｂの表面にひずみゲージＧを取り付け、ガイドシャフト１６、剛性ワイヤホルダー２２に挿し通したリード線１９をひずみゲージＧに結線する（図５Ａ、Ｂ）。なお、応力開放装置１０は、機械的、磁気的、真空吸着、人力等、適宜な方法で剛体台（図示せず）に固定される。
次いで、駆動モータ１１からの動力をコアビット１５に伝え、計測対象物体Ｂに向けてオーバーコア方向Ｄにコアビット１５を回転移動させる（図５Ｃ）。オーバーコアの進行に伴って剛性ワイヤホルダー２２がガイドシャフト１６内に収納されるため、リード線１９がコアビット１５の内壁に接触することはない（図５Ｄ）。このとき、ガイドシャフト１６に収納された剛性ワイヤホルダー２２の長さ分トＬだけリード線１９を後方から引き出すことにより、ガイドシャフト１６、剛性ワイヤホルダー２２内でのリード線１９の弛みが防止される。
【００１３】
コアビット１５の回転により計測対象物体Ｂが穿孔され、穿孔部Ｈの深さに対応して応力が徐々に且つ均一に開放される。開放された応力に相当する分のひずみがひずみゲージＧに指示される。回転するコアビット１５によって穿孔部Ｈか形成されるため、ひずみゲージＧ周辺の残留応力が均一に開放される。また、ひずみゲージＧを内部に収容できる内径である限り、コアビット１５を小径化できるため、計測対象物体Ｂに与える損傷を最小限に押さえることができる。ひずみゲージＧとして多軸ひずみゲージを使用すると、その点の多軸のひずみ状態、すなわち多軸の主ひずみの大きさ及び方向が計測される。
オーバーコア方向Ｄ方向へのコアビット１５の移動に伴ったリード線１９の弛みは、ひずみゲージＧを取り囲む位置で計測対象物体Ｂに配置した比較的大径の剛性ワイヤシェル２３によっても吸収される（図７Ａ，Ｂ）。オーバーコア方向Ｄにコアビット１５が進行すると、リード線１９の弛み分が剛性ワイヤシェル２３内に収容され、回転中のコアビット１５の内壁へのリード線１９の接触が防止される（図７Ｃ，Ｄ）。この場合、弛んだリード線１９を後端から引き出す必要がない。剛性ワイヤシェル２３は、剛性ワイヤホルダー２２と併用することも可能である。
なお、図１に示した応力解放装置の体外面には、剛体台へ固定するための脚、磁力による保持、真空による吸着または人力で支持するための適切なハンドルを組み付けることができる。
【００１４】
【実施例】
モルタル供試体を計測対象物体に使用し、図８（ａ）に示すモルタル供試体３０の表面位置に一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌ及び三軸ひずみゲージ３２を固着した。一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌの設置位置は、モルタル供試体３０の中心点から等距離に設定した。モルタル供試体３０の裏面には、表面側の一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌに対応する位置で同様な一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌを固着した。
ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌ，３２が固着されたモルタル供試体３０に上下方向から圧縮荷重Ｆを加え、モルタル供試体３０を一軸方向に圧縮し、圧縮状態を保持した（図８（ｂ））。１０，０００トンの圧縮荷重Ｆを加えたとき、６６．６７ｋｇｆ／ｃｍ²の応力値を示した。
次いで、三軸ひずみケージ３３の周囲をオーバーコア軌跡Ｔに沿ってコアビット１５によりオーバーコアした。このとき、モルタル供試体３０の中心にコアビット１５の中心をー致させ、モルタル供試体３０とコアビット１５との間に剛性ワイヤシェル２３を配置した。
オーバーコア中、穿孔部Ｈの深さが３ｃｍに達するまでは０．１ｃｍ増すごとに各ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌ，３２からの値をデータロガーＰに出力して記録し、穿孔部Ｈの深さが３ｃｍを超えるようになった時点以降は０．５ｃｍごとに記録した。モルタル供試体３０の表面に配置された一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌでは圧縮荷重Ｆ方向のひずみ（チャンネルナンバー：Ｃｈ．１，Ｃｈ．２）、裏面に配置された一軸ひずみゲージ３１Ｒ，３１Ｌでは圧縮荷重Ｆ方向のひずみ（チャンネルナンバー：Ｃｈ．３，Ｃｈ．４）、三軸ひずみゲージ３２では圧縮荷重Ｆ方向のひずみ（チャンネルナンバー：Ｃｈ．５）、圧縮荷重Ｆに直交する方向のひずみ（チャンネルナンバー：Ｃｈ．６）及び圧縮荷重Ｆ方向に４５度傾斜した方向のひずみ（チャンネルナンバー：Ｃｈ．７）を計測した。
【００１５】
オーバーコア中に連続的に計測した各ひずみは、穿孔部Ｈの深さに応じて図８（ｃ）に示すように変化した。
穿孔部Ｈの深さがゼロのとき、Ｃｈ．１〜５の実測ひずみ値はほぼ同じ値になっており、圧縮荷重Ｆが偏ることなく均一にモルタル供試体３０に加わっていることが判る。このときの圧縮荷重Ｆ＝６６．６７ｋｇｆ／ｃｍ²及びモルタル供試体３０のヤング率２０ラｌ０〓ｋｇｆ／ｃｍ²から縦ひずみが−333μｍ蛩と計算されるが、Ｃｈ．１〜５の実測ひずみ値は該計算値に近似している。
オーバーコアを開始すると、Ｃｈ．５〜７の実測ひずみ値か漸次ゼロに近づき、穿孔部Ｈの深さが１．５ｃｍになった時点でほぼゼロとなった。更にオーバーコアを続けると、Ｃｈ．５及びＣｈ．７の実測ひずみ値がプラス（引張りひずみ）になり、Ｃｈ．６の実測ひずみ値がマイナス（圧縮ひずみ）になったが、何れのチャンネルＣｈ．５〜７の実測ひずみ値もゼロに漸近しており、応力が開放されたことが判る。これに対し、応力開放のないＣｈ．１〜４では、オーバコア中にも実測ひずみ値がほぼ一定の値を示し、一様な負荷応力が作用し続けていることが判る。
【００１６】
【発明の効果】
この発明の残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置は、以上説明したことから次のような効果を達成することができる。
＜イ＞簡単な装置を使用して計測することができるから、経費もかからず、簡単な作業で正確な計測を行うことができる。
＜ロ＞介在物を含まない応力解放法を根拠としているから、ひずみ測定装置やリード線等を損傷させない限り、いかなる位置関係で応力解放を行っても正確な残留ひずみ・残留応力を計測することができる。
＜ハ＞応力解放装置には円筒状のコアビットを用いているため、ひずみ計測装置の外周辺を円形状に、等しい深さで迅速に切り込みを入れることができ、したがっていかなる場合であっても応力を均一に解放させることができる。
＜ニ＞応力解放装置内部に、リード線等を導き通すことの可能な機構が組み込まれているため、応力解放作業中および作業後もひずみを継続的に計測することができる。
＜ホ＞応力解放装置の支持方法は剛体台等への固定、磁力による保持、真空による吸着または人力で支持する方法あるいはそれらの組み合わせなどの方法を選択できるため、現場の状況に即した応力解放作業ができる。
＜ヘ＞使用するコアビットの径は、十分小さくすることが可能であることから、局所的な部位の計測や残留ひずみ・残留応力測定の対象物体に与える損傷を最小限に抑えることができる。
＜ト＞簡単な操作によって得られた計測結果をもとに、従来よりも詳細に対象物体の力学的な状態を正確に把握することが可能となり、様々な分野での現象解明に貢献することができる。
＜チ＞対象物体の機能をほとんど低下させることなく、大局的にみて非破壊的な現位置のひずみ・応力を定量的に計測することができる。
＜リ＞通常、残留ひずみ・残留応力の計測が不可能と考えられていたような複雑な形状等をもつ対象物体の部位に対しても適用できる。
さらに、この発明の応力開放装置によれば、ひずみゲージとデータロガーとを結ぶリード線をコアビット接続軸及びコアビットの回転から切り離している。そのため、コアビット接続軸及びコアビットの回転によりリード線が捩れることがなく、オーバコア中にも残留ひずみや残留応力を計測できる。特にリード線は、固定されたガイドシャフトに挿入されているのでコアビット接続軸の内壁に接触せず、コアビットの回転による破線・断線が防止され、オーバーコア作業中にも連続的な計測が可能となる。
また、円筒状のコアビットを用いてひずみゲージの外周辺に等しい深さの切込みをいれるため、応力の開放も均一化される。しかも、オーバーコア中に残留ひずみ・残留応力が測定されることから、測定値の信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の残留ひずみ・残留応力計測用応力開放装置の全体斜視図である。
【図２】コアビット接続軸と駆動軸とが同一直線上ではない場合のリード線処理の一例を示す斜視図である。
【図３】コアビット接続軸と駆動軸とが同一直線上にある場合のリード線処理の一例を示す斜視図である。
【図４】コアビット接続軸に閉塞孔を設けた場合の斜視図である。
【図５】剛性ワイヤホルダー方式によるリード線等弛み防止機構の一例を示す概略図である。
【図６】ガイドシャフトの先端に剛性ワイヤホルダーを進退自在に挿入した状態を示す斜視図である。
【図７】剛性ワイヤシェル方式によるリード線等弛み防止機構の一例を示す概略図である。
【図８】計測対象物体としてのモルタル供試体（ａ）に圧縮荷重を加え（ｂ）、オーバーコアの進行に応じたひずみ量の変化（ｃ）を求めた実施例の説明図である。
【符号の説明】
１０：応力開放装置
１１：駆動モータ
１２：ギアボックス
１３：コアビット接続軸
１３ａ：貫通孔
１３ｂ：閉塞孔
１４ａ，１４ｂ：軸受
１５：コアビット
１６：ガイドシャフト
１７：駆動軸
１８：歯車
１９：リード線
２０：導電性リンク
２１：外部リード
２２：剛性ワイヤホルダー
２３：剛性ワイヤシェル
Ｇ：ひずみゲージ
Ｐ：データロガー
Ｂ：計測対象物体
Ｄ：オーバコア方向
Ｈ：穿孔部

Claims

駆動モー夕の駆動軸に動力的に連結されたコアビット接続軸と、該コアビット接続軸に圧入された軸受を介して回転可能に接続されたコアビットと、前記コアビット接続軸の軸方向に穿設された貫通孔又は閉塞孔に挿入され、前記コアビット内を軸方向に延びるガイドシャフトと、該ガイドシャフトに進退自在に挿入された剛性ワイヤホルダーと、該剛性ワイヤホルダーに挿し通され、計測対象物体に固着されたひずみゲージ又は応力検出器に一端が結線され、データロガーに他端が直接又は間接に結線されたリード線とを備え、前記ガイドシャフトは前記軸受の中心開口を通り、前記コアビット接続軸の回転から独立していることを特徴とする残留ひずみ・残留応力計測用応力解放装置。
ひずみゲージ又は応力検出器を取り囲む位置で計測対象物体に剛性ワイヤシェルが固着され、該剛性ワイヤシェルの内部にガイドシャフト又は剛性ワイヤホルダーが臨む請求項１に記載の残留ひずみ・残留応力計測用応力解放装置。