JP6155115B2

JP6155115B2 - 加力試験装置

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Publication number: JP6155115B2
Application number: JP2013136053A
Authority: JP
Inventors: 英義渡辺; 智昭杉山; 和正今井; 聡安田; 努小室; 弘之成原
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2015010917A

Description

本発明は、試験体に水平力や鉛直力を加えて試験体の耐力や変形性状等の特性値を計測する加力試験装置に関する。

加力試験装置は、実構造物に近い条件を試験室等で模擬し、試験体に水平力や鉛直力を加えて試験体の耐力や変形性状等の特性値を計測する装置である。従来の加力試験装置として、例えば、特許文献１に記載の建研式加力試験装置が知られている。

図２の（ａ）は、特許文献１の建研式加力試験装置を示す概略図である。図２の（ａ）に示すように、建研式加力試験装置１００は、一対のＬ字状のフレーム１０１，１０２と、水平力導入ジャッキ１０３と、鉛直力導入ジャッキ１０４と、平行保持手段１０５とで主に構成されている。試験体Ｓは、フレーム１０１，１０２の間に設置されている。平行保持手段１０５は、パンタグラフ機構で構成されており、載荷中におけるフレーム１０１の基部１０１ａとフレーム１０２の基部１０２ａとの平行を維持する手段である。

建研式加力試験装置１００は、十分な剛性を有する平行保持手段１０５を形成し、当該平行保持手段１０５をフレーム１０１，１０２に確実に固定する必要があるため、装置の設計・製造が煩雑になるという問題がある。また、平行保持手段１０５のパンタグラフ機構によって装置が大型化し、広い設置面積が必要になるという問題がある。

一方、図２の（ｂ）は非特許文献１等の従来の加力試験装置を示す概略図である。図２の（ｂ）に示すように、従来の加力試験装置２００は、Ｌ字状のフレーム２０１，２０２と、水平力導入部２０３と、鉛直力導入部２０４，２０４とで主に構成されている。

水平力導入部２０３は、水平力導入アクチュエータ２１１と、水平力導入アクチュエータ２１１に作用する軸力を計測するロードセル２１２と、水平力導入アクチュエータ２１１とフレーム２０１とをピン接合により連結するクレビス２１３と、ロードセル２１２とフレーム２０２とをピン接合により連結するクレビス２１４と、で構成されている。

鉛直力導入部２０４は、鉛直力導入アクチュエータ２２１と、鉛直力導入アクチュエータ２２１に作用する軸力を計測するロードセル２２２と、鉛直力導入アクチュエータ２２１とフレーム２０１とをピン接合により連結するクレビス２２３と、ロードセル２２２とフレーム２０２とをピン接合により連結するクレビス２２４と、で構成されている。

鉛直力導入アクチュエータ２２１は、試験体Ｓに対して圧縮荷重及び引張荷重の両方を載荷することができる装置である。鉛直力導入アクチュエータ２２１，２２１は、フレーム２０１，２０２間の距離δ１と距離δ２とが等しくなるように制御される。また、鉛直力導入部２０４，２０４の両端には、それぞれクレビス２２３，２２４が設置されている。このため、フレーム２０１，２０２間の平行を維持することができる。また、従来の加力試験装置２００は、パンタグラフ機構は不要となるため、装置のコンパクト化を図ることができる。

加力試験装置２００において、試験体Ｓに水平力を載荷すると試験体Ｓにせん断力Ｑ_Ｓが作用するが、このせん断力Ｑ_Ｓは、水平力導入部２０３に作用する軸力Ｐと同等になると考えられるため、水平力導入部２０３のロードセル２１２によってせん断力Ｑ_Ｓを計測することができる。なお、本明細書では、試験体に作用するせん断力とは、試験体の材軸と直角方向から加わる外荷重を意味している。

実公平４−１６１９５号公報平石久廣ほか：鉄筋コンクリート造柱の曲げ降伏後の限界変形に関する研究（その１）柱の中心圧縮実験、純曲げ実験および曲げせん断実験とその相関、日本建築学会構造系論文報告集、第410号、PP.27〜PP.39,1990.4

しかし、試験体Ｓに水平力と鉛直力とを同時に載荷すると、鉛直力導入部２０４のクレビス２２３，２２４に回転摩擦が発生する。特に、実大に近い大型試験体や高強度材料を用いた試験体の試験を行う場合には、大きな鉛直力を作用させる必要があるため、クレビス２２３，２２４の回転摩擦が無視できなくなる。

クレビス２２３，２２４に回転摩擦が作用すると、クレビス２２３，２２４に水平方向成分の力が発生するため、鉛直力導入部２０４もせん断力の一部を負担することになる。これにより、水平力導入部２０３の軸力Ｐは試験体Ｓに作用するせん断力Ｑ_Ｓと同値とはならず、測定値の信頼性が低下する。クレビス２２３，２２４の回転摩擦を無視できる程度に低減できればよいが、特に、大規模加力試験装置に適用できる程度に大型で、かつ、回転摩擦が極小のクレビスは非常に高価となり現実的ではない。

このような観点から、本発明は、試験体の特性値を高い精度で計測することができるとともにコンパクトな加力試験装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明は、試験体の軸方向において前記試験体を挟んで配置される支持部及び載荷部と、前記支持部及び前記載荷部を介して前記試験体に前記軸方向に対して垂直な第一方向力を導入する第一方向力導入手段を備えた第一方向力導入部と、前記支持部及び前記載荷部を介して前記試験体の前記軸方向と平行な第二方向力を導入する第二方向力導入手段を備えた複数の第二方向力導入部と、を有し、前記第一方向力導入部は、前記第一方向力導入手段に作用する軸力を計測する第一計測手段を有し、前記第二方向力導入部は、前記支持部との間及び前記載荷部との間にそれぞれ介設されるピン接合部と、前記第二方向力導入手段の先端に設置される軸力及びせん断力を計測する第二計測手段と、を有し、前記第一計測手段及び前記第二計測手段に接続された制御部を備えており、前記制御部では、前記第一計測手段で計測された軸力から前記第二計測手段で計測されたせん断力が減算されることを特徴とする。

かかる構成によれば、試験体に作用するせん断力は、第一方向力導入部に作用する軸力から複数の第二方向力導入手段に作用するせん断力を減算した値と推定することができる。これにより、試験体の特性値を高い精度で計測することができる。また、両端にピン接合部を有する第二方向力導入手段を支持部と載荷部との間に設けたことにより、支持部と載荷部との平行を維持することができる。これにより、簡易かつコンパクトな構成にすることができる。

本発明の加力試験装置によれば、試験体の特性値を高い精度で計測することができるとともに装置全体をコンパクトにすることができる。

本発明の実施形態に係る加力試験装置を示す概略図である。（ａ）は特許文献１の建研式加力試験装置を示す概略図であり、（ｂ）は非特許文献１等の従来の加力試験装置を示す概略図である。図２の（ｂ）の従来の加力試験装置を用いて大きな軸力を作用させた加力試験において、試験体のせん断力−部材角の関係を示す正側包絡線である。

本実施形態に係る加力試験装置について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る加力試験装置１は、試験体に水平力及び鉛直力を同時に載荷して、試験体に作用するせん断力等の特性値を計測する装置である。本実施形態における水平力は、特許請求の範囲の「第一方向力」に相当する。また、鉛直力は、特許請求の範囲の「第二方向力」に相当する。なお、説明における「上下」、「左右」は図１の矢印に従う。また、説明における「前後」は、図１の紙面表裏方向を意味する。

加力試験装置１は、第一フレーム２と、第二フレーム３と、水平力導入部４と、鉛直力導入部５，５と、制御部６とで主に構成されている。

第一フレーム２は、加力試験装置１の土台となる部位であり、正面視Ｌ字状を呈する。第一フレーム２は、特許請求の範囲の「支持部」に相当する。第一フレーム２には、試験体Ｓや鉛直力導入部５等が配置される。第一フレーム２は、例えば鋼板等で形成されており、試験時の鉛直力に耐え得る耐力剛性を備えている。第一フレーム２は、基礎部２ａと、基礎部２ａの端部から立ち上がる柱状の立上り部２ｂとで構成されている。なお、加力試験装置１の土台となる部位を、本実施形態ではフレーム状としているが、試験室の床や壁を利用して試験体Ｓ等を配置するようにしてもよい。

第二フレーム３は、正面視Ｌ字状を呈し、第一フレーム２に対向して配置されている。第二フレーム３は、特許請求の範囲の「載荷部」に相当する。第二フレーム３は、例えば鋼板等で形成されており、試験時の鉛直力に耐え得る耐力剛性を備えている。第二フレーム３は、載荷梁３ａと、載荷梁３ａの端部から耐力床２ａに向かって延設された延設部３ｂとで構成されている。延設部３ｂは、立上り部２ｂと平行になっている。載荷梁３ａの左右方向の寸法は、耐力床２ａの左右方向の寸法の半分程度になっている。

試験体Ｓは、基礎部２ａと載荷梁３ａとの間に配置されている。試験体Ｓの形状は特に制限されないが、本実施形態では柱状を呈する。試験体Ｓの軸方向は、鉛直方向と平行になっている。

水平力導入部４は、第一フレーム２及び第二フレーム３を介して試験体Ｓに水平力を導入する部位である。水平力導入部４は、特許請求の範囲の「第一方向力導入部」に相当する。水平力導入部４は、立上り部２ｂと延設部３ｂとの間において、水平に設置されている。また、水平力導入部４は、その中心軸の延長線が試験体Ｓの断面中心を通る位置に設置されている。水平力導入部４は、水平力導入手段１０と、第一計測手段１１と、クレビス１２，１３とを含んで構成されている。

水平力導入手段１０は、本実施形態では油圧シリンダで構成されている。水平力導入手段１０は、特許請求の範囲の「第一方向力導入手段」に相当する。水平力導入手段１０は、試験体Ｓに水平力を導入できる装置であれば特に制限されるものではない。水平力導入手段１０は、例えば、空圧シリンダや電動シリンダ等他のアクチュエータを用いることもできる。水平力導入手段１０は、制御部６に電気的に接続されている。水平力導入手段１０は、制御部６からの制御信号に基づいて作動する。

第一計測手段１１は、水平力導入手段１０の載荷によって水平力導入手段１０に作用する軸力を計測可能な装置である。第一計測手段１１は、本実施形態では水平力導入手段１０のピストンロッドの先端に設置されている。第一計測手段１１は、例えば、一軸ロードセルを用いることができる。本実施形態では、軸力（一軸）のみ計測できる装置を用いているが、二軸以上を計測可能な装置を用いてもよい。第一計測手段１１で計測された計測データは、制御部６に記憶されるようになっている。

クレビス１２は、立上り部２ｂと水平力導入手段１０との間に設置されており、ピン接合部（ピン節点）となる部位である。クレビス１２は、前後方向に延設する軸１２ａを備えており、立上り部２ｂに対する水平力導入手段１０の回転を許容する。

クレビス１３は、第一計測手段１１と延設部３ｂとの間に設置されており、ピン接合部（ピン節点）となる部位である。クレビス１３は、前後方向に延設する軸１３ａを備えており、延設部３ｂに対する水平力導入手段１０の回転を許容する。

鉛直力導入部５，５は、第一フレーム２及び第二フレーム３を介して試験体Ｓに鉛直力を導入するとともに、第一フレーム２と第二フレーム３間の平行を維持する部位である。鉛直力導入部５は、特許請求の範囲の「第二方向力導入部」に相当する。鉛直力導入部５，５は、試験体Ｓを挟んで左右両側に設置されている。初期状態の鉛直力導入部５は、基礎部２ａと載荷梁３ａとの間において、基礎部２ａ及び載荷梁３ａに対してそれぞれ垂直になっている。鉛直力導入部５，５はそれぞれ同じ構成からなるが、両者を区別する場合には、「５Ａ」、「５Ｂ」の符号を付す。鉛直力導入部５は、鉛直力導入手段２０と、第二計測手段２１と、クレビス２２，２３とを含んで構成されている。

鉛直力導入手段２０は、本実施形態では試験体Ｓに圧縮及び引張を付与することができる油圧シリンダで構成されている。鉛直力導入手段２０は、特許請求の範囲の「第二方向力導入手段」に相当する。鉛直力導入手段２０は、試験体Ｓに鉛直力を導入できる装置であれば特に制限されるものではない。鉛直力導入手段２０は、例えば、空圧シリンダ、電動シリンダ等他のアクチュエータを用いることもできる。鉛直力導入手段２０は、制御部６に電気的に接続されている。鉛直力導入手段２０は、制御部６からの制御信号に基づいて作動する。なお、以下の説明では、鉛直力導入手段２０，２０のうち、一方の鉛直力導入部５Ａに対応する方に符号「２０Ａ」を付し、他方の鉛直力導入部５Ｂに対応する方に符号「２０Ｂ」を付す。

第二計測手段２１は、水平力導入手段１０及び鉛直力導入手段２０の載荷によって、鉛直力導入手段２０に作用する軸力、せん断力を計測可能な装置である。第二計測手段２１は、本実施形態では鉛直力導入手段２０のピストンロッドの先端に設置されている。第二計測手段２１は、例えば、公知の六軸力覚センサー等を用いることができる。本実施形態では、三軸方向の力および各軸回りのモーメントを計測できる装置を用いているが、少なくともせん断力及び軸力の二軸を計測可能な装置を用いてもよい。第二計測手段２１で計測された計測データは、制御部６に記憶されるようになっている。

クレビス２２は、基礎部２ａと鉛直力導入手段２０との間に設置されており、ピン接合部（ピン節点）となる部位である。クレビス２２は、前後方向に延設する軸２２ａを備えており、基礎部２ａに対する鉛直力導入手段２０の回転を許容する。

クレビス２３は、載荷梁３ａと第二計測手段２１との間に設置されており、ピン接合部（ピン節点）となる部位である。クレビス２３は、前後方向に延設する軸２３ａを備えており、載荷梁３ａに対する鉛直力導入手段２０の回転を許容する。

制御部６は、加力試験装置１の全体の動作を制御する部位である。制御部６は、ＣＰＵ、記憶手段、入力手段、表示手段等を含んで構成されている。制御部６は、水平力導入手段１０、第一計測手段１１、鉛直力導入手段２０、第二計測手段２１とそれぞれ電気的に接続されている。制御部６では、第一計測手段１１及び第二計測手段２１から送信された計測データを演算して、試験体Ｓに作用するせん断力等を算出する。

また、具体的な図示は省略するが、制御部６は、基礎部２ａと載荷梁３ａとの平行を維持する平行維持手段を備えている。平行維持手段は、変位計と、鉛直力導入手段２０，２０とを含んで構成されている。変位計は、鉛直力導入部５Ａが設置された部位における基礎部２ａと載荷梁３ａとの間の距離ＬＡと、鉛直力導入部５Ｂが設置された部位における基礎部２ａと載荷梁３ａとの間の距離ＬＢを計測する。変位計は、例えば、レーザー変位計を用いることができる。変位計で得られた計測データは、制御部６に記憶されるようになっている。

制御部６は、変位計から送られてきた距離ＬＡと距離ＬＢとの差を演算する。距離ＬＡと距離ＬＢとの差がゼロでなかった場合、当該差がゼロになるように、鉛直力導入手段２０Ａ又は鉛直力導入手段２０Ｂに制御信号を送信する。これにより、応力を載荷しているときにおいて、基礎部２ａと載荷梁３ａとの平行を維持することができる。なお、平行維持手段は、前記した構成に限定されるものではない。例えば、鉛直力導入手段２０のピストンロッドの変位量を計測可能な計測装置を設け、当該ピストンロッドの変位量の差に基づいて基礎部２ａと載荷梁３ａとの平行を維持するようにしてもよい。

本実施形態に係る加力試験装置１で、試験体Ｓに対してせん断加力試験を行う場合には、第一フレーム２と第二フレーム３との間に試験体Ｓを設置した後、水平力導入手段１０及び鉛直力導入手段２０を作動させて試験体Ｓに水平力と鉛直力とを付与する。この際、平行維持手段によって、基礎部２ａと載荷梁３ａとの平行は維持されながら、水平力が付与される。

試験体に作用するせん断力をせん断力Ｑ_Ｓとし、水平力導入手段１０に作用する軸力を軸力Ｐとする。また、鉛直力導入手段２０Ａに作用するせん断力をせん断力Ｑ_２０Ａとし、鉛直力導入手段２０Ｂに作用するせん断力をせん断力Ｑ_２０Ｂとする。せん断力Ｑ_Ｓは、式１で算出することができる。式１の演算は、本実施形態では、制御部６で行っている。
せん断力Ｑ_Ｓ＝軸力Ｐ−（せん断力Ｑ_２０Ａ＋せん断力Ｑ_２０Ｂ）（式１）

ここで、従来では、クレビス２２，２３に作用する回転摩擦によって、水平方向成分の応力が発生するため、軸力Ｐ≠せん断力Ｑ_Ｓとなり、計測されたせん断力の信頼性は低いものであった。図３は、図２の（ｂ）の加力試験装置２００を用いて大きな軸力を作用させた加力試験（以下、「参考試験」という。）において、試験体Ｓのせん断力−部材角の関係を示す正側包絡線である。当該参考試験では、設計基準強度が２００Ｎ／ｍｍ^２の超高強度コンクリート柱を用いた。

当該参考試験では、試験体の表面に貼付したひずみゲージの計測値を用いて複雑な解析を行い、試験体のせん断力を算出している。図３の実線Ｄ１は、ひずみゲージ計測値を元に解析されたせん断力を示している。一方、図３の点線Ｄ２は、ロードセル２１２（図２（ｂ）参照）によって計測された軸力を示している（水平力導入アクチュエータ２１１に作用する軸力＝試験体Ｓのせん断力）。また、図３の差分Ｅは、クレビス２２３，２２４の摩擦によって鉛直力導入部２０４が負担するせん断力を示している。

図３の差分Ｅに示すように、水平力導入アクチュエータ２１１によって計測した試験体Ｓのせん断力の中に、クレビス２２３，２２４の摩擦によって負担されるせん断力が含まれことは明らかであり、最大で２８％程度を占めている。つまり、試験体に大きな軸力を載荷する場合、試験体のせん断力の計測精度は著しく低下することがわかる。

しかし、本実施形態では、軸力及びせん断力を計測可能な第二計測手段２１，２１を備えているため、水平力導入手段１０に作用する軸力Ｐから、一対の鉛直力導入手段２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ作用するせん断力Ｑ_２０Ａ，Ｑ_２０Ｂを差し引いた値を試験体に作用するせん断力と推定することができる。これにより、試験体Ｓの特性値を複雑な解析を行うことなく高い精度で計測することができる。また、本実施形態では、前記した式１の演算を制御部６で行うようにしたため、簡易な構成でせん断力を算出することができる。

また、本実施形態では、第一フレーム２及び第二フレーム３と鉛直力導入部５（５Ａ，５Ｂ）とをピン接合で接合するとともに、平行維持手段を備えているため、基礎部２ａ，２ｂの平行状態が維持される。これにより、試験体Ｓに対してバランスよく水平力を付与することができる。また、従来のようにパンタグラフ機構を備える必要がないので、装置全体をコンパクトにすることができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では、断面Ｌ字状のフレームの形状を用いたが、他の形状のフレームを用いてもよい。また、本実施形態ではピン接合部としてクレビスを用いたが、部材同士をピン節点で連結可能な治具であれば他の治具を用いてもよい。また、鉛直力導入部５は、本実施形態では２体用いたが、３体以上設けてもよい。

また、本実施形態では、延設部３ｂを設けて水平力導入部４を設置しているが、延設部３ｂを省略するとともに、立上り部２ｂを延設して載荷梁３ａの端面に水平力導入部４を設置してもよい。

また、本実施形態では、試験体Ｓの軸方向が鉛直方向と平行となるように設置しているが、加力試験装置１を９０°回転させて、試験体Ｓの軸方向が水平方向と平行となるように設置してもよい。

１加力試験装置
２第一フレーム（支持部）
２ａ基礎部
２ｂ立上り部
３第二フレーム（載荷部）
３ａ載荷梁
３ｂ延設部
４水平力導入部（第一方向力導入部）
５鉛直力導入部（第二方向力導入部）
６制御部
１０水平力導入手段（第一方向力導入手段）
１１第一計測手段
１２クレビス（ピン接合部）
１３クレビス（ピン接合部）
２０鉛直力導入手段（第二方向力導入手段）
２１第二計測手段
２２クレビス（ピン接合部）
２３クレビス（ピン接合部）
Ｓ試験体

Claims

試験体の軸方向において前記試験体を挟んで配置される支持部及び載荷部と、
前記支持部及び前記載荷部を介して前記試験体に前記軸方向に対して垂直な第一方向力を導入する第一方向力導入手段を備えた第一方向力導入部と、
前記支持部及び前記載荷部を介して前記試験体の前記軸方向と平行な第二方向力を導入する第二方向力導入手段を備えた複数の第二方向力導入部と、を有し、
前記第一方向力導入部は、前記第一方向力導入手段に作用する軸力を計測する第一計測手段を有し、
前記第二方向力導入部は、前記支持部との間及び前記載荷部との間にそれぞれ介設されるピン接合部と、前記第二方向力導入手段の先端に設置される軸力及びせん断力を計測する第二計測手段と、を有し、
前記第一計測手段及び前記第二計測手段に接続された制御部を備えており、
前記制御部では、前記第一計測手段で計測された軸力から前記第二計測手段で計測されたせん断力が減算されることを特徴とする加力試験装置。