JP2014025862A

JP2014025862A - 構造物の強度試験装置および強度試験方法

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Publication number: JP2014025862A
Application number: JP2012167992A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Nishikawa; 嗣彬西川; Kazuoki Nakane; 一起中根
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: JP5905791B2

Abstract

【課題】高速で大きな変位を試験体に負荷できるとともに、試験体に作用する実効的な荷重の計測が可能な構造物の強度試験装置および強度試験方法を提供する。
【解決手段】試験体１が試験体保持部２ａ、２ｂにより保持され、試験体１の両端側の試験体保持部２ａは支持部３に連結されている。支持部３は荷重計測装置４を介して強度試験装置本体の基礎面Ｂに締結されている。試験体１の中央側の試験体保持部２ｂは、負荷伝達装置５に連結されている。負荷伝達装置５は、ピン機構５ａを支点とした梃子機構５ｂを介してピストン運動が可能な負荷装置６に連結され、負荷装置６は基礎面Ｂに締結されている。負荷装置６のピストン運動は、梃子機構５ｂを介して増幅されることで、負荷装置の最大能力以上の振幅を高速で試験体１に負荷できる。荷重計測装置４は、装置重量による慣性力の影響を受けず、試験体１の変形に寄与した荷重のみを計測できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の強度試験装置およびこれを用いた強度試験方法に関する。

建物や機器の耐震強度評価や耐震設計に対する社会的ニーズの高まりを背景に、様々な構造物の強度試験が行われている。例えば、Ｈ型鋼などの梁部材に曲げ荷重を負荷する試験によって、荷重と変形の関係や、破壊に至る限界荷重などが確認され、耐震設計に利用されている。

ここで、金属材料の強度には、負荷速度が大きいほど強度が上昇する負荷速度依存性が現れる場合がある。一方、地震時に建物や構造物はそれぞれの固有振動数で振動する場合があるため、地震時に想定されるような速度条件での構造物の強度試験を行うことで、現実に近い構造物の強度を確認することがしばしば重要になる。

一方、一般的に構造物の強度試験の負荷装置として用いられる油圧アクチュエータでは、油の最大流量や流速などに制限されるため、負荷速度が大きくなるにつれて負荷できる変位が小さくなる。したがって、地震時に想定されるような速度条件で構造物の強度試験を行うためには、油圧アクチュエータで負荷される変位の増幅が必要になる場合がある。

この課題に関連する従来技術として、例えば特許文献１には、梃子機構によるアクチュエータの変位増幅機構を備えた強度試験装置が記載されている。

特開２００４−２５７８５３号公報

大型構造物を対象として大きい負荷速度で強度試験を行うには、上記した変位量の問題だけでなく、試験装置の質量による慣性力の影響も考慮が必要になる。従来の強度試験装置では、油圧アクチュエータに設置された荷重計測装置によって試験体に作用する荷重が計測される。従って、大型構造物に対して大きい負荷速度で強度試験を行う場合に、荷重の計測値に装置質量による慣性力が重畳されしまうため、試験体に作用する実効的な荷重の正確な計測が難しくなる。

本発明の目的は、高速で大きな変位を構造物の試験体に負荷できるとともに、試験体に作用する実効的な荷重の計測が可能な構造物の強度試験装置および強度試験方法を提供することである。

本発明の強度試験装置は、強度評価に資する試験体と、試験体を支持する支持部と、荷重と変位を負荷する負荷装置と、負荷を試験体に伝達する負荷伝達装置と、試験体に作用する荷重を計測する荷重計測装置を有する強度試験装置において、負荷伝達装置が梃子機構を備えていることに加えて、荷重計測装置が負荷伝達装置の試験体押圧部と支持部との間の位置に設置されることを特徴とする。

本発明の強度試験装置では、負荷装置の変位を梃子機構で増幅することにより、高速で大きな変位を試験体に伝達できる。さらに、負荷伝達装置の試験体押圧部と支持部との間の位置に設置されている荷重計測装置では、装置質量の慣性力の影響を除き、試験体に作用する実効的な荷重の正確な計測ができる。

また、本発明の強度試験方法では、負荷装置による試験周波数を試験体の固有振動数とほぼ同等に設定する負荷条件決定ステップと、設定した負荷条件により、試験体に荷重を加え、最大荷重Ｐｍaｘを検出する強度試験ステップと、最大荷重Ｐｍaｘにより限界曲げモーメントＭｍaｘを算出する限界曲げモーメントＭｍaｘ算出ステップを有することにより、装置質量の慣性力の影響を除き、試験体に作用する実効的な荷重の正確な計測ができる。

本発明の強度試験装置によれば、試験体と、試験体を強度試験装置本体に支持する支持部と、試験体に側方から荷重と変位を負荷する負荷装置と、負荷装置の負荷を試験体に伝達する負荷伝達装置と、試験体に作用する荷重を計測する荷重計測装置を有する構造体の強度試験装置において、負荷伝達装置に負荷装置の試験体に加える変位を増幅する変位増幅機構を設け、荷重計測装置を負荷伝達装置と試験体との押圧部と強度試験装置本体の間に設置すること高速で大きな変位を試験体に負荷できるとともに、さらに試験体に作用する実効的な荷重の正確な計測が可能となる。

また、本発明の強度試験方法によれば、負荷装置による試験周波数を試験体の固有振動数とほぼ同等に設定する負荷条件決定ステップと、設定した負荷条件により、試験体に荷重を加え、最大荷重Ｐｍaｘを検出する強度試験ステップと、最大荷重Ｐｍaｘにより限界曲げモーメントＭｍaｘを算出する限界曲げモーメントＭｍaｘ算出ステップを有することにより、装置質量の慣性力の影響を除き、試験体に作用する実効的な荷重の正確な計測ができる。

本発明の実施例１にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の強度試験装置の測定原理を説明する模式図。本発明の実施例２にかかる強度試験装置を示す模式図。図３におけるＡＡ線矢視図。本発明の実施例２の応用例にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例３にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例４にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例５にかかる強度試験装置を示す模式図。図８におけるＢＢ線矢視図。本発明の実施例６にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例７にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例８にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の実施例９にかかる強度試験装置を示す模式図。本発明の強度試験方法を示すフローチャート。本発明の好適な負荷変位波形の例を示すグラフ。本発明実施例における検出された試験体荷重波形の例を示すグラフ。

以下に本発明を実施例と図面について説明する。

本発明の実施例１を以下に説明する。図１は本発明の実施例１にかかる強度試験装置の模式図を示す。本発明に好適である梁部材、角管などの細長い形状の構造物を対象として示している。図１に示す強度試験装置では、試験体１が試験体保持部２ａ、２ｂにより保持されている。試験体１の両端の試験体保持部２ａは、ピン機構を介して支持部３に回動可能に連結されている。支持部３は荷重計測装置４を介して建屋や強度試験装置本体などの基礎面Ｂに固定されている。一方、試験体１の中央側の試験体保持部２ｂは、ピン機構を介して負荷伝達装置５に連結されている。

上記のように、試験体保持部２ａ、２ｂはピン機構を介して支持部３および負荷伝達装置５に連結されているため、基本的には試験体１の軸方向と直交する力のみが伝達され、余分な曲げモーメントは作用しない。試験体１はネジ等の固定手段により試験体保持部２ａ、２ｂに固定される。荷重計測装置４には、ストレインゲージを持つロードセル等を用いる事ができる。

負荷伝達装置５は、負荷装置４の変位を増幅して伝達する変位増幅機構としてピン機構５ａを支点としたリンク機構からなる梃子機構５ｂを介して負荷装置６に連結され、負荷装置６は基礎面Ｂに固定されている。負荷装置６のピストン６ａの運動は、梃子機構５ｂを介して増幅され、負荷伝達装置５の試験体１への押圧部である試験体保持部２ｂの位置で試験体１に伝達される。なお、図１では試験体１が上側にたわんで変形している状態の図を示しているが、荷重試験では上下方向に交互に荷重が与えられ試験体１が上下方向に変形する。変位増幅機構には、作動流体と断面積の異なるピストンの組合わせ等もあるが、リンク式梃子機構が最も簡潔な構成をもつ。

荷重計測装置４を負荷装置６に直接設置する従来の構成では、負荷伝達装置５が高速で運動した場合、荷重の計測値に負荷装置６近傍に設けられた負荷伝達装置５の運動による慣性力が重畳して検出される。

一方、実施例１では、荷重計測装置４は支持部３に設置されている。支持部３に設置された荷重計測装置４に伝達する荷重は、試験体１を伝わる荷重のみであるため、装置重量の慣性力は減衰して除去され、その影響を受けずに試験体１の変形に寄与する荷重のみを計測することができる。負荷装置６としては、負荷波形や速度のコントロールが可能な油圧アクチュエータが好適であるが、その他サーボモータ等の任意の手段を用いても良い。

このように、本発明によれば負荷装置６の最大能力以上の振幅で試験体１に負荷を与えることが可能となり、さらに負荷伝達装置５の運動による慣性力の影響を受けない、試験体１の変形に寄与する実効的な荷重の計測が可能となる。

なお、実施例１にかかる構成例では、負荷装置６と負荷伝達装置５は、紙面上の同一面内で運動するため、試験体１に不安定な面外の負荷が作用しにくい構成となっている。

図２は、本発明の強度試験装置の計測原理を説明する模式図である。図２において、Ｍは梃子機構を持つ負荷伝達装置５の質量である。ここで、Ｆ’（ｔ）はアクチュエータにより生じる力であり、Ａは梃子機構の倍率である。
Ｆ’（ｔ）＝Ａ・Ｆ＝Ａ（Ｍ・ａ＋Ｋ・ｘ）・・・（１）

Ｆ（ｔ）は試験体保持部２ｂにおいて試験体１に作用する力である。
Ｆ（ｔ）＝Ｍ・ａ＋Ｋ・ｘ・・・（２）
また、Ｒは負荷伝達装置５の試験体１への押圧部である試験体保持部２ａにおいて試験体１に作用する力である。Ｋは試験体保持部２ａと２ｂの間における試験体１の持つバネ定数である。
Ｒ＝Ｋ・ｘ・・・（３）
従来は、アクチュエータに荷重計測装置を設け、Ｆ’（ｔ）を直接測定していた。本発明では、試験体１の押圧部と支持部３を支える基礎面Ｂとの間の任意の位置に荷重計測装置４を設けることにより、試験体１に作用する力Ｒのみを直接測定することができる。

図１では、試験体の中央部分から左右対称に加重を負荷し、一対の荷重計測装置で加重を測定している。これは測定条件を均一化する上で有効であるが、左右いずれかの荷重計測装置のみを用いても、実用上十分な精度での測定が可能である。

次に、図３は実施例２にかかる強度試験装置の模式図を示す。以下では、実施例１と同一の記号の説明は省略する。実施例２は、負荷伝達装置２５の梃子機構２５ｂが試験体１の軸方向に対して直交する方向に配置されている点で実施例１と異なる。実施例２の構成では、梃子機構２５ｂの寸法や支点２５ａの位置が試験体１の形状によって制限されないため、梃子の倍率の設定が容易になる。

図４は図３のＡＡ矢視図である。試験体１の軸方向と直交方向に、負荷伝達装置２５の梃子機構２５ｂが設けられている。

図５は実施例２の梃子機構の応用例を示す模式図である。梃子機構２５ｄに複数個のピン穴部２５ｃを予め設けておくことにより、支持部２５ａの位置を変更して梃子の倍率を自由に調整することができる。

図６は実施例３にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例３は、負荷伝達装置３５は梃子機構３５ｂと支点３５ａをもつ。実施例３は、試験体保持部を用いず、支持部３３で試験体３１を片持梁として直接固定した状態で負荷を与える簡潔な構成のものである。すなわち、本発明における試験体３１の支持方法は、固定支持、回転支持などを含む様々な支持状態の組合せを用いることができる。また、単一の荷重計測装置のみによって加重を計測するものでもよい。

図７は実施例４にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例４では、負荷装置４６にモータなど回転運動を行う機械的なシンプルな負荷装置を用いたものである。モータ軸の回転による変位が、偏心カムを介してリンク機構で上下運動に変換され、梃子機構４５ｂと支点４５ａをもつ負荷伝達装置４５に伝達される。すなはち、本発明における負荷装置は、油圧アクチュエータなど直線的なピストン運動を行う装置に限定するものではない。

図８は実施例５にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例５は、荷重計測装置４を試験体１の中央部分に設けた試験体保持部２ｂの内部に設置するものである。荷重計測装置４の設置位置は固定されている支持部３に設置するのが好適である。

荷重計測装置４は、基本的には慣性力の主要因となる梃子機構５５ｂと支点５５ａをもつ負荷伝達装置５５の試験体保持部２ｂと支持部３の間で、支持部３に近い位置に設けてあれば、慣性力の影響を受けることなく試験体１に作用する実効的な荷重を計測できる。或いは、荷重計測装置４は、試験体保持部２ａの内部に設けても良い。

図９は図８のＢＢ線矢視図である。荷重計測装置４が試験体保持部２ｂの内部に設置されていることが示されている。

図１０は実施例６にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例６は、実施例１において、試験体１の周りに加熱装置７を設置することで、所定温度での強度試験が実施できるようにしたものである。加熱装置７としては、マントルヒータなどが好適である。

負荷装置６による変位が、梃子機構６５ｂと支点６５ａをもつ負荷伝達装置６５に伝達される。

試験体が金属材料の場合は、特に温度条件による強度への影響が著しくなる。従って、実施例６のように加熱装置を設けることによって、実際の使用環境に即した強度試験を行うことができる。

図１１は実施例７にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例７は、実施例１において負荷装置６の個数を２台に増やしたものである。二台の負荷装置６を同期制御した負荷による変位が、梃子機構７５ｂと支点７５ａをもつ負荷伝達装置７５に伝達される。複数の負荷装置６を用いることで、より大きな荷重が必要な試験が容易に実施できるようになる。

図１２は実施例８にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例８は、実施例１において、試験体８１が支持部３の間隔より短い場合を対象とした構成例である。荷装置６の負荷による変位が、梃子機構８５ｂと支点８５ａをもつ負荷伝達装置８５に伝達される。試験体１にモーメント伝達部材８を接続固定することで、試験体１が短い場合でも強度試験が実施できる。モーメント伝達部材８は、強度試験への影響を与えないように試験体１に比べて十分剛性が高いほうがよい。

図１３は実施例９にかかる強度試験装置の模式図を示す。実施例９では、実施例６において、試験体１の変形量を計測するための変位計測装置９と変位計測ターゲット９ａを設けたものである。変位計測装置９と変位計測ターゲット９ａの距離を計測することで、試験体１の変形量と負荷荷重の関係を評価することができるようになる。

また、変位計測ターゲット９ａを設けることで、試験体１の外側に加熱装置７を設置した状態でも、試験体１の変形量を直接計測できるようになる。変位計測装置９としては、高速での計測ができて計測可能な範囲が広い、レーザ式変位計が好適である。

図１４は、本発明に好適な強度評価手順のフローチャートである。以下では、図１３に示した実施例９を例に、強度評価手順を説明する。

まず、ステップＳ１１で試験体１を試験体保持部２に固定する。この段階では、試験体保持部２により試験体１に固定手段による荷重が作用しないように調整する。また、高温で試験を行う場合は、加熱装置７により、試験体１を加熱する。

次に、Ｓ１２で予備的な負荷と計測を行い、試験体系の妥当性を検証する。予備的な負荷は、試験体１の弾性的変形範囲内で行う。試験体系の妥当性は、予備的な負荷で得られた荷重計測装置４の値と変位計測装置８の値の関係が、弾性理論による計算値と同等であることを確認することによって検証する。

次に、Ｓ１３で負荷条件を決定する。図１５は負荷変位波形を示すグラフである。負荷条件としては、図１５に示すような、変位制御により負荷装置６の変位を漸増させる負荷波形が好適である。図１５の試験周波数は、対象とする構造物の地震時などに想定される固有振動数と同等にすればよい。また、固有振動数は、強度試験の試験体の形状、材料、支持している周辺構造物の質量などから算出することができる。

次に、Ｓ１４で決定した負荷条件による強度試験を行う。図１６は検出された試験体荷重波形を示すグラフである。図１６のように一定周波数で負荷装置６の変位を経時的に漸増していくと、二つの荷重計測装置４で計測される荷重の和は、正の最大荷重Ｐｍａｘ及び負の最大荷重Ｐｍｉｎを超えると低下する。これは、荷重により試験体の形状が大きく変形し、構造体として荷重を支えられなくなって崩壊したことを示す。すなわち、これにより想定される周波数における対象構造物の限界荷重ＰｍａｘまたはＰｍｉｎが得られる。

最後に、Ｓ１５で、得られた限界荷重Ｐｍａｘから、弾性理論により試験体とされた対象構造物の限界曲げモーメントＭｍａｘが算出できる。曲げ方向に荷重を受ける長尺構造物の強度評価のクライテリアとしては、限界曲げモーメントＭｍａｘが好適である。

以上のような手順で、本発明を用いて試験体１の限界曲げモーメントＭｍａｘが評価できる。以上の実施例は、試験体１を横向きに記載しているが、試験体１の支持方法の縦、横を限定するものではなく、これらを縦方向に設置した場合でも同様に限界曲げモーメントを得ることができる。

また、以上の実施例は、一般的な負荷装置で負荷できる荷重レベルに対して、試験体１が断面幅が１５ｃｍ程度の長尺の角管部材の場合に好適な強度レベルとなる。また、大きな変位を負荷することが困難にはなるものの、負荷伝達装置５が梃子機構を備えていない場合でも、本発明にかかる荷重計測装置４の設置位置によれば慣性力の影響を受けない実効的な荷重の計測が可能となる。

本発明は、梁などの構造材に限定されることはなく、断面積に対し十分な長さを持つ長尺構造物、柱、管、棒状体などについて、適用することが可能である。

１・・・試験体
２ａ、２ｂ・・・試験体保持部
３・・・支持部
４・・・荷重計測装置
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５・・・負荷伝達装置
５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａ、５５ａ、６５ａ、７５ａ、８５ａ・・・支持点
５ｂ、２５ｂ、３５ｂ、４５ｂ、５５ｂ、６５ｂ、７５ｂ、８５ｂ・・・梃子機構
５ｃ・・・ピン穴部
６、４６・・・負荷装置
６ａ・・・ピストン
７・・・加熱装置
８・・・モーメント伝達部材
９・・・変位計測装置
９ａ・・・変位計測ターゲット
Ｂ・・・基礎面

Claims

強度評価の対象とする長尺構造体からなる試験体と、該試験体を強度試験装置本体に支持する支持部と、前記試験体に側方から荷重と変位を負荷する負荷装置と、該負荷装置の負荷を前記試験体に伝達する負荷伝達装置と、前記試験体に作用する荷重を計測する荷重計測装置を有する構造体の強度試験装置において、
前記負荷伝達装置に前記負荷装置の前記試験体に加える変位を増幅する変位増幅機構を設け、前記荷重計測装置を前記負荷伝達装置と前記試験体との押圧部と前記強度試験装置本体の間に設置することを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１に記載された構造体の強度試験装置において、前記荷重計測装置を前記支持部と前記強度試験装置本体の基礎面との間に設置したことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１または２に記載された構造体の強度試験装置において、前記荷重計測装置を前記保持部内に設置したことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載された構造体の強度試験装置において、前記負荷伝達装置の前記変位増幅機構は前記強度試験装置本体に支点を持つ梃子機構を有することを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項４に記載された構造体の強度試験装置において、前記梃子機構は、前記試験体を含む平面内で回動することを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項４または５に記載された構造体の強度試験装置において、前記梃子機構は、前記試験体を含む平面内とほぼ直交する平面内で回動することを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項４または５に記載された構造体の強度試験装置において、前記負荷装置と前記梃子機構を複数個設けたことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載された構造体の強度試験装置において、前記試験体側面に変位計測ターゲットを設け、前記強度試験装置本体に前記試験体の前記負荷伝達装置による前記試験体の側方への変位を計測する変位計測装置を設けたことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載された構造体の強度試験装置において、前記支持部に前記試験体を固定する保持部を設け、前記負荷伝達装置に前記試験体を固定する保持部を設けたことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項９に記載された構造体の強度試験装置において、前記保持部と前記支持部とを回動自在に設け、前記負荷伝達装置に設けた前記保持部と前記負荷伝達装置とを回動自在に設けたことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載された構造体の強度試験装置において、前記試験体と前記支持部の間にモーメント伝達部材を設けたことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載された構造体の強度試験装置において、前記試験体を所定温度に加熱するヒータを設置したことを特徴とする構造体の強度試験装置。
請求項８に記載された構造体の強度試験装置において、前記試験体が長尺の角管であることを特徴とする構造体の強度試験装置。
強度評価に資する構造体からなる試験体と、該試験体を強度試験装置本体に支持する支持部と、荷重と変位を負荷する負荷装置と、前記負荷装置の負荷を試験体に伝達する負荷伝達装置と、前記試験体に作用する荷重を計測する荷重計測装置と、前記試験体の側方への変位を計測する変位計測装置を有し、前記荷重計測装置を、前記負荷伝達装置の前記試験体への押圧部と前記強度試験装置本体との間に設置する構造体の強度試験方法において、
前記負荷装置による試験周波数を前記試験体の固有振動数とほぼ同等に設定する負荷条件決定ステップと、
設定した負荷条件により、前記試験体に荷重を加え、最大荷重Ｐｍaｘを検出する強度試験ステップと、
前記最大荷重Ｐｍaｘにより限界曲げモーメントＭｍaｘを算出する限界曲げモーメントＭｍaｘ算出ステップ
を有することを特徴とする構造体の強度試験方法。
請求項１４に記載された構造体の強度試験方法において、前記各ステップの前段に、
前記試験体の弾性変形範囲内で前記試験体に予備的な負荷をかけ、前記荷重計測装置と前記変位計測装置の値が、弾性理論による計算値と同等であることを確認する試験体系検証ステップを有することを特徴とする構造体の強度試験方法。