JP2014517301A - ケーブルの疲労キャピタルを決定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するための方法に関し、本方法は、ケーブルにかかる標準張力及び曲げ力が同期的に測定されてケーブルの合力を得る、測定段階（Ｓ１、Ｓ２）と、測定された合力に基づいて、力の強度の関数として応力サイクル数の計数が行われる計数段階（Ｓ３）と、ケーブルの疲労キャピタルが計数段階で実行された計数とケーブルに関してあらかじめ決定されたヴェーラー曲線とを比較することによって決定される、ケーブルの疲労キャピタルを評価する段階（Ｓ４）と、を含む。

Description

本発明は、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定する方法及びそのようなケーブルの疲労キャピタルを決定するためのデバイスに関する。

数多くの土木工学構造がケーブルで支持されており、特に、しかし排他的ではなく、斜張橋や吊り橋がある。

これらのケーブルは、一般的にエンドフィッティング部材に類似した係留手段によって土木工学構造に係留されているが、完全ではない可能性がある。その結果、ケーブルは、長手方向の引張力の影響を受けるのに加えて、寄生的な曲げ力の影響を受け、局所的な曲げ応力を発生させる。

ケーブルは、様々な種類の負荷、特に静的負荷および動的負荷として知られるものの影響を受ける。

静的負荷は、一般に遅い変化、例えば、温度変化や土木工学構造にかかる負荷全体の変化によるものである。

動的負荷は、より急速な変化、例えば、突風や土木工学構造上のトラックの通過に対応する。

これらの負荷に起因する応力は、それらがケーブルの耐性以下であっても、過度に繰り返されるとケーブルの破断につながる可能性がある。この場合を、ケーブルを構成する材料の疲労破壊と呼ぶ。

ケーブルの大きさが、構造がその寿命の間に負う負荷に耐えることができることを検証するのに用いることのできる計算のガイドラインが存在する。

一般に、これらの計算ガイドラインは、第１に、疲労キャピタル、またはケーブルの初期キャピタルを決定することにある。次に、構造がその寿命の間に受けるであろう負荷を、その負荷の周波数と共に見積もる。最後に、これらの見積もられた負荷がケーブルの初期キャピタルを部分的に消費するのみであることを確認する。

ケーブルは、まずその係留部領域で疲労を受け、その領域では引張負荷または軸応力の変動が曲げ応力に加えられる。曲げ応力は、ケーブルが係留部に対して完全に位置合わせされていないことの結果として、ケーブルが経験する角度変化に対して顕著である可能性がある。構造の動き、ケーブルの振動または引張負荷における変動に関連する懸垂円弧の変化によるこの係留部の角度の変動は、変化し、顕著である曲げ応力につながる。

ケーブルの疲労損傷及びすなわち設計段階における寿命範囲を評価するのに計算を用いることができる一方で、これらの計算は初期仮定によって制限される。

例えば、橋の場合には、橋の上の自動車の通行に関連するケーブルの疲労は時間が経つにつれて超過する可能性がある見積もりに基づいている。

さらに、車列、特にトラックの車列の通過に関連する動的効果は、現在は計算過程において完全には考慮に入れられていない。最後に、交通状況に関連するいくつかの動的効果は、単純に予測できない。

さらに、風の動的効果は、定量化することが困難である。振動、強さ及び発生頻度は、システムの設計において非常に不明である。

従って、構造の寿命の間、構造を支持するケーブルの初期疲労キャピタルの変化を追跡できるようにすることは有用である。

このようにすることで、維持及び更新活動は、疲労キャピタルの異常に急速な消費の事象においてまたはほとんど消耗してしまうような場合にいつでも計画することが可能である。

欧州特許出願公開第０４２１８６２号明細書

本発明の目的は、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するための方法を提供することにある。

従って、本発明は、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するための方法であって、
前記ケーブルにかかる標準張力及び前記ケーブルにかかる曲げ力が同期的に測定されて前記ケーブルの合力を得る、測定段階と、
測定された合力に基づいて、力の強度の関数として応力サイクル数の計数が行われる計数段階と、
前記ケーブルの前記疲労キャピタルが前記計数段階で実行された計数と前記ケーブルに関してあらかじめ決定されたヴェーラー曲線とを比較することによって決定される、ケーブルの疲労キャピタルを評価することを含む段階と、を含む方法を提案する。

有利には、本発明に従う方法は、ケーブルが経験した実際の負荷を決定し、外挿によって、過去及び将来の負荷並びにケーブルの疲労キャピタルの変化を見積もるのに用いることができる。

本発明に従うケーブルの疲労キャピタルを決定する方法はまた、以下の任意の特徴の１つ以上を、個別にまたはありうるいかなる組み合わせも考慮して含むことができる。

前記ケーブルの標準張力の測定が、例えば、ロードセルによって直接実施される。及び／または、

前記ケーブルの標準張力の測定が、例えば、係留部に配置されたひずみゲージを用いることによって、または複数のケーブルストランドのうちの１つにかかる力を測定することによって、または振動弦法及び前記ケーブルの振動の固有周波数の測定を用いることによって、間接的に実施される。及び／または、

前記ケーブルにかかる曲げ力の測定が、直接実施される。及び／または、

前記ケーブルにかかる曲げ力の測定が前記係留部または前記ケーブル上または前記ケーブル内に配置された１つ以上のひずみゲージから実施される。及び／または、

前記ケーブルにかかる曲げ力の測定が、例えば、前記ケーブルの軸と交差し、例えば前記軸に対して垂直であり、係留部から既知の距離にある平面における前記ケーブルの運動の測定に基づいて、間接的に実施される。及び／または、

前記ケーブルの運動の測定が、横方向の振動を減衰するために前記ケーブル上に配置される衝撃吸収部内で実施される。及び／または、

前記運動の測定が、２回積分された加速度運動によって得られる。及び／または、

前記運動の測定が、１回積分された受振器によって得られる速度によって得られる。及び／または、

前記張力及び／または曲げ測定が、１Ｈｚから１ｋＨｚのオーダーの周波数で実施される。及び／または、

前記測定段階が、経済的であることを保つが測定期間の前後の負荷の現実的な外挿を表し、可能とするのに十分長い、ありうる最短測定期間の間に実施され、この期間は典型的には週または月の単位である。及び／または、

前記測定段階が、前記ケーブルの設置時から連続的に行われ、前記ケーブルの設置時からの前記ケーブルにかかる張力及び曲げ力を測定する。及び／または、

前記計数段階が、「雨だれ」計数法として知られる種類の計数法によって実施される。及び／または、

過去の負荷の経緯または外挿が、前記ケーブルが実際に経験した疲労と建設時になされた仮定とを比較するのに用いられる。及び／または、

将来の負荷の外挿が、疲労に関して前記ケーブルの容量または寿命を見積もるのに用いられる。及び／または、

曲げ測定にもちいられる運動センサが、ケーブルの振動を制限するのに用いられる衝撃吸収部内に統合される。及び／または、

衝撃吸収部内に統合された運動センサが、衝撃吸収部の累積的な移動を測定し、経年劣化を追跡するのにも用いられる。

本発明はまた、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するためのデバイスであって、
前記デバイスが本発明に関する方法を実装した手段、すなわち、
前記ケーブルが経験する全張力を測定する手段と、
前記ケーブルが経験する全曲げ力を測定する手段と、
前記ケーブルが経験した張力及び曲げ力の大きさの関数として応力サイクル数を計数する手段と、
前記計数手段によって実施された計数を前記ケーブルに関してあらかじめ確立されたヴェーラー曲線と比較する手段と、
を含むデバイスに関する。

本発明に従うデバイスはまた、以下の任意の特徴の１つ以上を、個別にまたはありうるいかなる組み合わせも考慮して含むことができる。

前記ケーブルの容量または残留寿命が所定の閾値を下回って減少するときはいつでも自動通報する警報手段（１６）。及び／または、

前記土木工学構造の前記ケーブルの係留デバイスが、前記ケーブルの曲げ力を測定するためのセンサを統合した衝撃吸収部。

本発明は、単なる例を提供するに過ぎない以下の説明を読み、添付した図面を参照することによってより容易に理解することができる。

本発明の実施形態に従う方法のそれぞれの段階を示す。 本発明に従うデバイスを有する斜張橋の概略図を示す。

明確化の理由のため、図に示されるそれぞれの要素は必ずしもスケールどおりでない。

本発明は、土木工学構造を支持する少なくとも１つのケーブルの疲労キャピタルの決定を可能にすることを求めている。土木工学構造は、どのような種類でもよいが、特に吊り橋または斜張橋である。ある実施形態に関して、本発明に従う方法は、引張測定段階Ｓ１、曲げ測定段階Ｓ２、計数段階Ｓ３及びケーブルの疲労キャピタルを決定する段階Ｓ４を含む。

引張の測定を含む段階Ｓ１及び曲げの測定Ｓ２において、測定は、力が最大である、すなわち、一般には土木工学構造のケーブルの係留部領域における応力を見積もるようにして行われる。さらに、引張測定段階Ｓ１及び曲げ測定段階Ｓ２は、ケーブル上の合力を得ることができるように、同期して実施される。

本発明の実施形態に関して、引張測定段階Ｓ１の間、ケーブルの標準張力の測定は当業者に既知のどのような手段によっても直接実施することが可能である。例えば、標準張力の測定は、ロードセルによって実施することができる。ここで、「ロードセル」とは、ケーブルまたはケーブルのストランドの１つにかかる引張負荷を測定するように特に設計されたセンサを指す。この種類のセンサは多数が存在する。有利には、本実施形態は直接使用可能な情報を提供する。

本発明の他の実施形態に関して、引張測定段階Ｓ１において、ケーブルの標準張力の測定は、当業者に既知のどのような手段によっても間接的に実施することが可能である。例えば、標準張力の測定は係留部に配置されたひずみゲージによって実施することができる。ここで、「ひずみゲージ」とは、負荷の変化に関して鉄の変形における変化を測定するために用いることができるセンサを指す。これらのセンサは、鉄の弾性率の分野では時に、間違って、応力ゲージと呼ばれることがあるが、変形（σ＝Ｅε）から局所的応力を計算するのに用いることができる。電子的または光学的な原理で作動する数多くのこの種類のセンサが存在する。この場合、解釈及び恐らくは校正段階が、センサによって供給される測定結果からケーブルにかかる引張負荷を見積もるのに必要となりうる。この実施形態は、一般に、直接測定が不可能である場合、例えばセンサを取り付けることが不可能である場合に用いられる。

ストランドにかかる力が類似していることが確実な、張力が等しい種類の方法（例えば、特許文献１に記載されている）を用いて伸ばされた複数ストランドのケーブルにおける標準張力を間接的に測定する他の方法は、ストランドにかかる力の測定に基づくことができる。

ケーブルにかかる標準張力を間接的に測定するさらに他の方法は、振動弦法を用い、ケーブルの振動固有周波数の測定を採用することができる。

曲げ測定段階において、ケーブルにかかる曲げ力は、この構造におけるケーブルの係留部近傍、例えば係留部の部分で測定される。

本発明の実施形態に関して、曲げの測定は土木工学構造の係留部に関するケーブルの相対的な傾きを測定することによって行うことができる。

本発明の実施形態に関して、ケーブルにかかる曲げ力の測定は、当業者に既知のどのような手段によっても直接的に実施することができる。

例えば、係留部またはケーブルの上または内部に配置された１つ以上のひずみゲージに基づく。例えば、有利には、軸方向の測定に用いられる同一の種類のゲージを使用することが可能である。

本発明の実施形態に関して、ケーブルにかかる曲げ力の測定は、当業者に既知のどのような手段によっても直接的に実施することが可能である。例えば、軸と交差し、例えば軸に対して垂直であり、係留部からの所定の距離における面内のケーブルの動きの測定に基づく。有利には、この実施形態は、困難であることが多い最大曲げ領域に到達することも、この位置において通常は不可能である、直接測定のためのセンサを設置することも必要としない。

全曲げ力は、ケーブルが係留部となす角度を測定することに用いることができるセンサによって決定することができる。この角度測定は、ケーブルが経験する曲げ応力を、計算によって決定するのに用いることができる。

ケーブルにかかる曲げ力を測定するために、傾斜計を用いることができる。本発明の実施形態に関して、第１の傾斜計が、ケーブルの絶対傾斜を決定するために係留部が存在するケーブル上に配置される。

第２の傾斜計は、係留部の付近において構造上に配置され、この構造の絶対傾斜を決定するために用いられる。傾斜の差は、係留部内のケーブルの相対的傾斜を決定するのに用いられ、係留部は構造と統合されている。

他の実施形態に関して、係留部からの特定の距離における構造に関して、ケーブルの動きを測定することによって、係留部における曲げ力を決定することが可能である。

好適には、この距離は、顕著であり測定可能な動きに関して十分に大きく、ケーブルを先端における力がかかる固定端ビームと比較することによって、計算を単純化することが可能である程度に十分小さい。大きさの典型的な程度は１から１０ｍである。

測定された動きからの曲げ力の計算は、ケーブル及び係留部の構成（大きさ、偏差の存在など）に対して適切でなければならない。

例えば、下部係留部が橋のデッキ上に存在するケーブルに関して、カバーチューブの端部における対応する距離は完全に適している。

特定の橋において、カバーチューブの端部は、衝撃吸収部が備えられている。運動センサは、このとき有利には衝撃吸収部内に組み込まれることができる。係留部が存在する部分でケーブルにかかる曲げ力を評価することができるようになるのに加えて、経年劣化を監視し、維持管理を計画するための重要なパラメータである衝撃吸収部の累積的な移動を追跡するのに用いることができる。この測定は、運動センサによって、または取得動画を画像分析と組み合わせることによって、または当業者に既知のその他どのような方法によっても実施することが可能である。

本発明の実施形態に関して、引張測定段階Ｓ１及び曲げ測定段階Ｓ２は、１Ｈｚ以上の周波数、例えば１０Ｈｚ以上、及び１ｋＨｚ以下、例えば５００Ｈｚ以下、または１００Ｈｚ以下でも行うことができる。実際には、数Ｈｚの値（例えば「柔軟な」構造に関しては１０Ｈｚから「固い」構造に関しては５０Ｈｚまで）が、振動の第１の標準モードに関して振動を測定するのに一般的に重要である。

しかしながら、交通に関する振動を測定する場合にオーバーサンプルすることまたはデジタルフィルタを設置し、事象のエイリアシングを避けることは有益である可能性がある。

好適には、測定周波数は、ケーブルにかかる力の変化のありうる最大数、特に各サイクルにおいて到達するどのような極端な値も考慮に入れることができる。

ケーブルの振動の標準周波数及びケーブルの近傍における車列の速度を考慮に入れることができる。典型的には、振動サイクルごとに約４０の測定がなされ、車列が最大速度で通過している場合、測定はほぼ１０ｃｍごとに行われる。

例えば、１００ｋｍ／ｈ、すなわち１０００００／３６００ｍ／ｓで通過する車列に関して、１０ｃｍごとに取られる測定では、データは１０００００／０．１／３６００＝約３００Ｈｚの周波数で記録される。

引張測定段階Ｓ１及び曲げ測定段階Ｓ２は、経済性があるが測定期間前後の負荷の現実的な外挿を表し、可能にするのに十分長いようなありうる最短の測定期間で実施される。この期間は、典型的には週または月の単位である。

本発明に従う方法はまた、計数段階を備え、その段階の間、測定された合成応力に基づいて、応力の大きさの関数としての応力サイクル数の計数が実施される。

本発明の実施形態に関して、計数段階は「雨だれ」計数法として知られる種類の計数法によって実施される。

雨だれ計数法は、時間の関数としての応力負荷を最小応力及び最大応力によって特徴づけられる単純な応力サイクルに変換するのに用いられる。このことは、増大する最小値及び減少する最大値の関連する対によって負荷を分解することを含む。しかしながら、この関連性は、時間の関数としての完全な負荷の「帰納的な」分析を必要とするものであり、負荷の完全な経緯が保持される必要がある。この情報の保存を避けるため、アルゴリズムが、負荷印加の間の部分的なサイクルを得るための最小値と最大値の対を関連付ける。

ケーブルの疲労キャピタルが決定される段階は、計数段階の間に実行された計数とケーブルに関してあらかじめ確立されたヴェーラー型曲線とを比較することによって、ケーブルの疲労キャピタルを決定するのに用いることができる。

ヴェーラー曲線は、Ｓと記載されることもある印加された応力σ及び破損時のサイクル数ＮＲ、換言すれば破損のＰ％が観察されるサイクル数との間の関連を画定する。実際には、ヴェーラー曲線は一般に破損確率Ｐ＝０．５で与えられる。

有利には、過去の力の経緯または外挿は、構造が建設されたときになされた仮定を検証するためにケーブルが経験した実際の疲労と比較することができる。

さらに、疲労負荷の外挿は、疲労に関連してケーブルの容量または残留寿命を見積もるのに用いることができる。

本発明は、土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するのに用いることができるデバイスに関連する。

ケーブルによって支持される土木工学構造の例が図２に示されている。

図２は斜張橋１の概略図である。斜張橋１は塔６に結合され、デッキ４を支持する斜めのケーブル２を含む。

図２に示される橋は、本発明の実施形態に従うデバイスが備えられる。

ケーブル２にかかる全張力を測定する手段８は、デッキ４上のケーブル２の係留部に設けられる。

ケーブル２にかかる全曲げ力を測定する手段１０は、ケーブル２に沿って設けられる。

全張力を測定する手段８及び全曲げ力を測定する手段１０は計数手段１２に接続される。計数手段１２は、応力サイクルの回数を、ケーブルが経験した張力及び曲げ力の大きさの関数として計数するのに用いることができる。計数手段は、例えば、計数を実施するようにプログラムされたプロセッサとすることができる。

図２の実施形態に関して、計数手段１２は比較手段１４に、実施した計数の結果を送信する。比較手段１４は、計数手段によって実施された計数をケーブル２に関してあらかじめ確立されたヴェーラー曲線と比較するのに用いることができる。

１つの実施形態に関して、本発明に従うデバイスは、ケーブルの容量または残留寿命が所定の閾値を下回って減少したときはいつでも信号を報知する警報手段１６を含むことができる。

本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、非限定的に解釈されるべきであり、いかなる等価的な実施形態も包含すると解釈されるべきである。

Ｓ１ 引張測定段階
Ｓ２ 曲げ測定段階
Ｓ３ 計数段階
Ｓ４ ケーブルの疲労キャピタルを決定する段階
１ 斜張橋
２ ケーブル
４ デッキ
６ 塔
８ 全張力を測定する手段
１０ 全曲げ力を測定する手段
１２ 計数手段
１４ 比較手段
１６ 警報手段

Claims (15)

1. 土木工学構造を支持するケーブルの疲労キャピタルを決定するための方法であって、
   前記ケーブルにかかる標準張力及び前記ケーブルにかかる曲げ力が同期的に測定されて前記ケーブルの合力を得る、測定段階（Ｓ１、Ｓ２）と、
   測定された合力に基づいて、力の強度の関数として応力サイクル数の計数が行われる計数段階（Ｓ３）と、
   前記ケーブルの前記疲労キャピタルが前記計数段階で実行された計数と前記ケーブルに関してあらかじめ決定されたヴェーラー曲線とを比較することによって決定される、ケーブルの疲労キャピタルを評価する段階（Ｓ４）と、を含む方法。
2. 前記ケーブルの標準張力の測定が、例えば、ロードセルによって直接実施される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ケーブルの標準張力の測定が、例えば、係留部または前記ケーブル上に配置されたひずみゲージを用いることによって、複数のケーブルストランドのうちの１つにかかる力を測定することによって、または振動弦法及び前記ケーブルの振動の標準周波数の測定を用いることによって、間接的に実施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ケーブルにかかる曲げ力の測定が、直接実施される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ケーブルにかかる曲げ力の測定が、例えば、前記ケーブルの軸と交差し係留部から既知の距離にある平面における前記ケーブルの運動の測定に基づいて、間接的に実施される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ケーブルの運動の測定が、横方向の振動を減衰するために前記ケーブル上に配置される衝撃吸収部内で実施される、請求項５に記載の方法。
7. 前記張力及び／または曲げ測定が、１Ｈｚから１ｋＨｚのオーダーの周波数で実施される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記測定段階が、前記ケーブルの設置の瞬間から非連続的に行われ、測定されたデータが、測定期間の前後の負荷から外挿するのに用いられる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記測定段階が、前記ケーブルの設置時から連続的に行われ、前記ケーブルの設置時からの前記ケーブルにかかる張力及び曲げ力を測定する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記計数段階が、雨だれ計数法によって実施される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 過去の負荷の経緯または外挿が、前記ケーブルが実際に経験した疲労と建設時になされた仮定とを比較するのに用いられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 将来の負荷の外挿が、疲労に関して前記ケーブルの容量または残留寿命を見積もるのに用いられる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 土木工学構造（１）を支持するケーブル（２）の疲労キャピタルを決定するためのデバイスであって、
    前記デバイスが請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実装した手段、すなわち、
    前記ケーブル（２）にかかる全張力を測定する手段（８）と、
    前記ケーブル（２）にかかる全曲げ力を測定する手段（１０）と、
    前記ケーブルが経験した張力及び曲げ力の大きさの関数として応力サイクル数を計数する手段（１２）と、
    前記計数手段によって実施された計数を前記ケーブルに関してあらかじめ確立されたヴェーラー曲線と比較する手段（１４）と、
    を含むデバイス。
14. 前記ケーブルの容量または残留寿命が所定の閾値を下回って減少するときはいつでも自動通報する警報手段（１６）をさらに含む、請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記土木工学構造の前記ケーブルの係留デバイスが、前記ケーブルの曲げ力を測定するためのセンサを統合した衝撃吸収部を含む、請求項１３または１４に記載のデバイス。

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