JP2017187327A

JP2017187327A - き裂診断方法および装置

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Publication number: JP2017187327A
Application number: JP2016074905A
Authority: JP
Inventors: 信弥宮崎; Shinya Miyazaki; 安田　茂; Shigeru Yasuda; 茂安田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2017-10-12

Abstract

【課題】き裂の発生の有無の診断について精度の向上化を図る。【解決手段】き裂診断装置１は、き裂診断対象１００に定められた２つの領域１１および領域１２に設置されたひずみセンサ２およびひずみセンサ３ａ，３ｂと、演算装置４とを備える。き裂診断対象１００のき裂なし解析モデルとき裂あり解析モデルとを用いた応力解析により、き裂の発生に伴うひずみ変化量の相対的な変化割合が設定された値以上になる２つの領域を求める。この２つの領域に対応する配置として、領域１１と領域１２は、き裂診断対象１００に設定されている。演算装置４は、き裂診断時期に各ひずみセンサ２，３ａ，３ｂより入力されるデータによる診断データ群について、き裂診断対象１００にき裂１０４が発生していない正常状態のときに蓄積した正常データ群と統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、き裂診断対象のき裂に関する診断を行うき裂診断方法および装置に関するものである。

橋梁、鉄塔、建築物、船体、車体、航空機の機体、クレーンやその他の運搬装置の骨組のような構造物は、主に金属製の構造部材で形成されている。

この種の構造部材は、複数の部材の接合によって形成されることが多く、この部材同士の接合は、その多くが溶接により行われている。

構造部材では、接合部などに疲労によるき裂が発生することがある。構造部材に発生したき裂が進展した場合は、構造部材の性能低下につながる可能性がある。更に、構造部材の性能低下は、構造物の構造の保持や機能の維持に影響する可能性がある。

そこで、構造物では、き裂の発生の有無を診断できるようにすることが望まれている。

従来、構造体のモニタリングシステムが提案されている。これは、構造体の損傷を検出するために、構造体に取り付けられた複数のセンサによる測定データの応答曲面と、前記構造体の健全時における測定データの応答曲面との間の同等性検定を行い、統計的に応答曲面の同等性が棄却されたときに前記構造体に異常が発生していると判定するものである。

更に、このモニタリングシステムについては、センサとしてひずみゲージを用いること、２つのひずみゲージ間の応答曲面を作成し、その応答曲面の同等性の有意差検定によりき裂の発生を判定することも提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許第３７７７４５３号公報

ところが、特許文献１に示されたものでは、複数のひずみゲージを用いてき裂の発生を判定する考えは示されているが、その複数のひずみゲージの配置については、具体的に示されていない。また、特許文献１には、き裂の発生と、ひずみゲージの計測結果との関連も示されていない。

そのため、特許文献１に示されたものでは、き裂の発生の判定について、精度を高めることは難しい。

そこで、本発明は、き裂診断対象におけるき裂の発生の有無を診断することができると共に、該診断の精度の向上化を図ることができるき裂診断方法および装置を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、き裂診断対象における第１の領域に設置された第１のひずみセンサと、前記き裂診断対象における第２の領域に設置された第２のひずみセンサと、前記第１と第２の各ひずみセンサよりデータが入力される演算装置とを備え、前記第１の領域と前記第２の領域は、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がない状態の第１の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果と、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がある状態の第２の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果との比較により、前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた２つの領域に対応する配置で、前記き裂診断対象に設定された２つの領域とされ、前記演算装置は、前記き裂診断対象にき裂が発生していない正常状態のときに、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、正常データ群として蓄積する機能と、前記き裂診断対象のき裂診断時期に前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、診断データ群に設定する機能と、前記診断データ群について、前記正常データ群と統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、前記き裂診断対象におけるき裂の発生の有無を判定する機能と、を備えるき裂診断装置とする。

前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた前記２つの領域は、いずれか一方の領域でのひずみ変化量がひずみの増加であり、他方の領域でのひずみ変化量がひずみの減少である構成としてある。

前記演算装置は、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータについて、設定された荷重モードに対応する周波数成分は通過させる一方、それ以外の周波数成分はカットする機能を備えるフィルタ部を有する構成としてある。

き裂診断対象に、第１の領域と第２の領域を、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がない状態の第１の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果と、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がある状態の第２の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果との比較により、前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた２つの領域に対応する配置で設定して、前記第１の領域に設置された第１のひずみセンサと、前記第２の領域に設置された第２のひずみセンサとを用意し、前記き裂診断対象にき裂が発生していない正常状態のときに、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、正常データ群として蓄積する処理と、前記き裂診断対象のき裂診断時期に前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、診断データ群に設定する処理と、前記診断データ群について、前記正常データ群と統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、前記き裂診断対象におけるき裂の発生の有無を判定する処理とを行うき裂診断方法とする。

本発明のき裂診断方法および装置によれば、き裂診断対象におけるき裂の発生の有無の診断を行うことができると共に、該診断の精度の向上化を図ることができる。

き裂診断装置の第１実施形態を示す概要図である。第１実施形態におけるひずみセンサの配置を説明するための図である。第１実施形態の変形例を示す概要図である。き裂診断装置の第２実施形態を示す概要図である。第２実施形態におけるひずみセンサの配置を説明するための図である。き裂診断装置の第３実施形態を示す概要図である。第３実施形態におけるひずみセンサの配置を説明するための図である。き裂診断装置の第４実施形態を示す概要図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１はき裂診断装置の第１実施形態を示す概要図である。図２は、図１のき裂診断装置におけるひずみセンサ（ひずみゲージ）の配置を説明するための図で、図２（ａ）（ｂ）はそれぞれ応力解析用の解析モデルを示す概要図、図２（ｃ）はひずみ変化率を基に設定される領域を示す概要図である。

本実施形態のき裂診断装置は、図１に符号１で示すもので、一例として、き裂診断対象１００に適用した場合が示してある。

ここで、先ず、図１に示したき裂診断対象１００について説明する。

本実施形態におけるき裂診断対象１００は、たとえば、構造物にて、平板状の構造部材１０１の面に、別の平板状の構造部材１０２の端部が溶接により接合されて、溶接継手１０３が形成された部分としてある。更に、構造部材１０１には、矢印Ｘで示す方向に、引張、圧縮の単軸荷重が繰り返し作用するものとしてある。

この荷重の影響により、き裂診断対象１００には、構造部材１０１における溶接継手１０３の付近となる個所に、二点鎖線で示すような疲労によるき裂（疲労き裂）１０４が発生する可能性がある。なお、き裂診断対象１００において疲労によりき裂１０４が発生する個所は、き裂診断対象１００の構造、継手形式、作用する荷重の方向などから、経験的に、あるいは、解析により、図１に示した位置となることが明らかとなっている。

そこで、本実施形態のき裂診断装置１は、前記のようなき裂診断対象１００に対し、き裂１０４の発生の有無を診断するために適用するものとする。

本実施形態のき裂診断装置１は、き裂診断対象１００に対して後述する配置で設置されたひずみセンサ（ひずみゲージ）２、および、ひずみセンサ（ひずみゲージ）３ａ，３ｂを備え、更に、各ひずみセンサ２，３ａ，３ｂより入力されるデータを処理する演算装置４を備えた構成とされている。

き裂診断対象１００に設置するひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂの配置は、以下の手法で定められている。

すなわち、先ず、図２（ａ）に示すように、応力解析（応力・ひずみ解析）用の解析モデルとして、き裂診断対象１００（図１参照）の構造に対応する構造を備えた解析モデル５Ａを用意する。

この際、解析モデル５Ａとしては、き裂診断対象１００の構造をそのまま模したものではなく、き裂診断対象１００の構造を規格化した構造の解析モデル５Ａを用いることが好ましい。

この点に鑑みて、解析モデル５Ａは、図１に示したき裂診断対象１００の構造部材１０１と構造部材１０２と溶接継手１０３とを備える構造を規格化するための構造として、図２（ａ）に示すように、プレート部材６の面に、面外ガセットプレート７の端部がすみ肉溶接または完全溶け込み溶接によって接合された、いわゆる面外ガセット溶接継手の構造を備えるようにしてある。

この面外ガセット溶接継手は、構造物の疲労設計基準として広く参考とされている一般社団法人日本鋼構造協会の「構造物の疲労設計指針・同解説」や、公益社団法人日本道路協会の「鋼道路橋の疲労設計指針」に示されている溶接継手のうちの一つとして知られているものである。

また、図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）に示した解析モデル５Ａと同様の構造を備え、更に、図１のき裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生個所に対応する個所にき裂８を備えた構造の解析モデル５Ｂを用意する。

この際、解析モデル５Ｂに備えるき裂８の長さＬは、き裂診断対象１００（図１参照）に実際に生じるき裂１０４について、そのき裂１０４がどのような長さになる時点で検知を望むかという点に対応する寸法に設定すればよい。

なお、き裂８の長さＬは、５ｍｍ以上に設定されていることが好ましい。これは、き裂８の長さＬが５ｍｍ未満に設定される場合は、解析モデル５Ｂを用いた応力解析の結果と、図２（ａ）のき裂がない状態の解析モデル５Ａを用いた応力解析の結果との差が小さくなり、よって、後述するひずみ変化量についての情報を得にくくなってしまうためである。

また、き裂８の長さＬは、５０ｍｍ以下に設定されることが好ましい。これは、たとえば、「阪神高速道路の鋼製橋脚隅角部損傷平成１４年度調査研究報告書」によれば、鋼製橋脚の隅角部の疲労き裂の損傷判定などでは、長さが１００ｍｍ未満のき裂は、即時補修ではなく、数年単位での補修の対象とされることに鑑みたものである。よって、図１に示したき裂診断対象１００のき裂１０４は、本実施形態のき裂診断装置１を用いて長さが５ｍｍ〜５０ｍｍの段階で発生を検知することができれば、現地確認や補修計画の立案の時間を十分に確保することが可能になる。

更に、き裂８の長さＬは、３０ｍｍ未満に設定されていることがより好ましく、１０ｍｍ〜２０ｍｍに設定されることが更に好ましい。これは、一般に、実際の構造物で目視検査により発見できるき裂の長さは３０ｍｍ以上とされていることに鑑みたものである。したがって、この構成によれば、き裂診断対象１００に発生するき裂１０４について、目視検査では検知できない段階であっても、本実施形態のき裂診断装置１では検知することができるようになる。

解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂについて行う応力解析の手法としては、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）を用いることが好ましいが、応力解析を行って、解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂにおけるひずみの分布についての情報を得ることができれば、有限要素法解析以外の任意の応力解析手法を採用してもよい。したがって、解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂは、使用する応力解析手法に応じたモデルとして作成してあればよい。

前記のように解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂを作成した後は、解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂのそれぞれについて、図２（ａ）（ｂ）に矢印ｘで示す方向に応力が作用する場合の応力解析を行い、解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂに生じるひずみの分布を求める。

次に、き裂８あり状態の解析モデル５Ｂ（図２（ｂ）参照）で得られたひずみの分布の解析結果は、き裂なし状態の解析モデル５Ａ（図２（ａ）参照）で得られたひずみの分布の解析結果と比較する。この比較により、き裂８あり状態の解析モデル５Ｂの各位置におけるひずみが、き裂なし状態の解析モデル５Ａの同位置におけるひずみを基準としてどのように変化したかを、ひずみ変化量として求める。よって、このひずみ変化量は、き裂なし状態の解析モデル５Ａの各位置におけるひずみが、所定の長さＬのき裂８がある状態への変化、すなわち、き裂８の発生に伴って、どのように変化するかを表す指標となる。以下の説明では、ひずみ変化量の値をｒで示す。

次いで、前記ひずみ変化量ｒの情報を基に、図２（ｃ）に示すように、解析モデル５Ｂについて、以下の条件を満たす２つの領域９と領域１０を定める。なお、図示しないが、この領域９と領域１０は、解析モデル５Ａに定めるようにしてもよいことは勿論である。

本実施形態では、２つの領域９と領域１０を定めるための条件は、第１の領域９におけるひずみ変化量ｒ_１がひずみの増加であり、第２の領域１０におけるひずみ変化量ｒ_２がひずみの減少であり、且つ、ひずみ変化量ｒ_１とひずみ変化量ｒ_２との相対的な変化割合（以下、ひずみ変化率という）が、種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差を有するという条件である。この場合、たとえば、有意水準５％ないし１％で同等性が棄却されるという条件を採用すればよいが、この条件に必ずしも限定されるものでないことは勿論である。前記のようにひずみ変化率の差が所定の大きさ以上になるように設定したのは、領域９におけるひずみ変化量ｒ_１と領域１０におけるひずみ変化量ｒ_２との差が明確になるようにして、後述するき裂１０４（図１参照）の検知精度の向上化を図るためである。

解析モデル５Ｂにおける領域９と領域１０が定められた後は、図１に示すように、実際のき裂診断対象１００において、解析モデル５Ｂの領域９と領域１０の配置にそれぞれ対応する配置となる２つの領域１１と領域１２を定める。なお、図１では、図示する便宜上、この２つの領域１１と領域１２が二点鎖線で示してあるが、実際のき裂診断対象１００では、領域１１と領域１２は、その配置が分かればよく、特に表示する必要はない。

その後、前記のように設定された２つの領域１１と領域１２は、いずれか一方が、き裂検知用データ取得領域に設定され、いずれか他方が、比較用データ取得領域に設定される。

図１では、領域１１がき裂検知用データ取得領域に設定され、領域１２が比較用データ取得領域に設定された場合が示してある。

き裂検知用データ取得領域とされた領域１１には、き裂検知用データａを取得するためのひずみセンサ２が設置されている。また、比較用データ取得領域とされた領域１２には、比較用データｂを取得するための２つのひずみセンサ３ａ，３ｂが、領域内の２個所に配置されて設置されている。

なお、き裂診断対象１００に設置されたひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂは、環境から受ける光や温度、水分、油分、酸化性のガスなどの影響を抑えて保護するために、図示しない樹脂やカバーで覆うようにしてもよい。

演算装置４には、ひずみセンサ２よりき裂検知用データａが入力され、ひずみセンサ３ａ，３ｂより比較用データｂが入力される。

次に、演算装置４の機能について説明する。

演算装置４は、き裂診断対象１００にき裂が発生していない正常状態のときに、ひずみセンサ２より入力されるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂより入力される比較用データｂとを含むデータ群を、正常データ群として蓄積する機能を備えている。

また、演算装置４は、正常データ群の蓄積の後、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無の診断が必要とされるき裂診断時期になると、その時期にひずみセンサ２より入力されるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂより入力される比較用データｂとを含むデータ群を、診断データ群に設定する機能を備える。

更に、演算装置４は、診断データ群について、正常データ群と、統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無を判定する機能を備えている。

演算装置４による、診断データ群の正常データ群との相対比較の手法は、たとえば、以下のような手法を用いるようにすればよい。

図１に示したように、本実施形態では、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂは、き裂診断対象１００に比較的近い配置で設けられている。そのため、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂは、き裂診断対象１００における温度変化や荷重変化のような外乱の影響をほぼ同様に受ける。

このため、ひずみセンサ２によるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂによる比較用データｂとの相対関係（相関関係）、たとえば、比例関係は、前記温度変化や荷重変化のような外乱の影響を受けにくく、ほぼ一定に保持される。

これに対し、ひずみセンサ２を設けた領域１１と、ひずみセンサ３ａ，３ｂを設けた領域１２は、解析モデル５Ａ，５Ｂ（図２（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）を用いた応力解析により、き裂８の発生に伴うひずみ変化率が種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差を有する２つの領域９と領域１０に対応して設定されている。したがって、き裂診断対象１００にき裂１０４が生じた場合は、ひずみセンサ２によるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂによる比較用データｂとの相対関係である比例関係には、前記ひずみ変化率と関連する割合で変化が生じると推定される。

そこで、演算装置４では、診断データ群におけるき裂検知用データａと比較用データｂとの比例関係について、正常データ群におけるき裂検知用データａと比較用データｂとの比例関係との同等性を、統計的検定（統計的仮設検定ともいう）の１つであるＦ検定により検定する処理を行う。この検定処理では、診断データ群における前記比例関係についての応答曲面と、正常データ群における前記比例関係についての応答曲面との同等性検定を行うようにすればよい。

その結果、前記同等性が棄却されると、演算装置４は、き裂診断対象１００にき裂１０４が発生していると判定する。

一方、前記同等性が棄却されない場合は、演算装置４は、き裂診断対象１００にはき裂１０４が発生していないという判定を行う。

この演算装置４によるき裂診断対象１００についてのき裂１０４の有無の判定結果は、必要に応じて、図示しない記録装置へ出力して記録したり、図示しない表示装置や音声出力装置へ出力して監視者に知らせるようにしてもよい。

なお、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂから演算装置４へのデータ送信は、有線、無線、電話などの通信回線や、インターネットなどのネットワークを介して行うようにしてもよい。同様に、演算装置４から前記記録装置や表示装置、音声出力装置への出力は、有線、無線、電話などの通信回線や、インターネットなどのネットワークを介して行うようにしてもよい。

したがって、本実施形態のき裂診断装置１によれば、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無を診断することができる。

また、き裂診断対象１００における領域１１内の任意の複数個所では、き裂１０４からの距離がたとえ異なっていても、き裂１０４が発生したときには、ひずみが同様の増加傾向を示す。同様に、き裂診断対象１００における領域１２内の任意の複数個所では、き裂１０４からの距離がたとえ異なっていても、き裂１０４が発生したときには、ひずみが同様の減少傾向を示す。

したがって、き裂診断対象１００に複数のひずみセンサを設けたとしても、それらすべての設置位置が領域１１内に含まれていたり、領域１２内に含まれていたり、あるいは、き裂１０４が発生してもひずみの変化が小さい領域に配置されていたりした場合は、各ひずみセンサの検出データを基に、き裂１０４の発生を精度よく検知することは難しい。

これに対し、本実施形態のき裂診断装置１は、解析モデル５Ａ，５Ｂを用いた解析結果を基に、き裂１０４の発生に伴うひずみ変化率が前記所定の値になると推定される領域１１と領域１２に、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂを分けて設置した構成を備えている。このため、本実施形態のき裂診断装置１によれば、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無の診断について、精度の向上化を図ることができる。なお、領域１１と領域１２とを定める場合は、ひずみ変化率が正確に把握できるように、ひずみの大きさや分布について予備的なひずみ計測を行い、解析結果と併せて考慮するようにしてもよく、このようにすれば、より高精度な診断を実現するひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂの設置領域を決定することができる。

更に、本実施形態では、領域１２に２つのひずみセンサ３ａ，３ｂを備えて、それぞれで比較用データｂを取得することができる。

たとえば、比較用データｂが１つだけの場合は、その比較用データｂとき裂検知用データａが、増加方向または減少方向の同じ方向に変化すると、ひずみ変化率の相対差が統計的に優位な差を持つようにするためには、大きな差を持つ必要があり、よって検知感度が低くなる。

これに対し、本実施形態では、比較用データｂを２つ取得するようにしてあるので、仮に、２つの比較用データｂが共にき裂検知用データａと同じ方向に変化したとしても、比較用データｂとき裂検知用データａとのひずみ変化率の相対差は、より小さい段階で検知可能になる。また、２つの比較用データｂのうちの１つが、き裂検知用データａとは逆の方向に変化すれば、さらに検知精度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、比較用データｂを取得するためのひずみセンサとして、２つのひずみセンサ３ａ，３ｂを備える構成を例示したが、比較用データｂの取得用のひずみセンサを３つ以上備える構成を採用してもよいことは勿論である。

［第１実施形態の変形例］
図３は、第１実施形態の変形例を示すものである。なお、図３において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

前記第１実施形態では、図１に示したように、領域１１がき裂検知用データ取得領域に設定され、領域１２が比較用データ取得領域に設定されていたが、図３に示すように、領域１１が比較用データ取得領域に設定され、領域１２がき裂検知用データ取得領域に設定された構成としてもよい。

この場合は、き裂検知用データａを取得するためのひずみセンサ２が領域１２に設置され、比較用データｂを取得するためのひずみセンサ３ａ，３ｂが領域１１に設置された構成とすればよい。

かかる構成としてある本変形例においても、第１実施形態と同様に使用することができて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態］
前記第１実施形態では、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示したように、解析モデル５Ａと解析モデル５Ｂとを用いた解析結果を基に、き裂８の発生に伴ってひずみが増加する領域９と、ひずみが減少する領域１０とを、両者のひずみ変化率が種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差を有する条件の下で求めていた。図１に示したき裂診断対象１００には、解析モデル５Ｂについて求めた領域９と領域１０に対応する配置で、センサ設置用の領域１１と領域１２を定めていた。

しかし、実際のき裂診断対象１００では、構造上の制約などにより、解析モデル５Ｂにおける領域１０に対応する配置となる個所に、センサ設置用の面や空間を確保できない場合がある。

この場合、き裂診断装置は、図４に示す構成とすればよい。

図４はき裂診断装置の第２実施形態を示す概要図である。図５は本実施形態におけるひずみセンサの配置を説明するための図である。なお、図４、図５において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態のき裂診断装置は、図４に符号１Ａで示すもので、第１実施形態と同様に、き裂診断対象１００に設置されたひずみセンサ２、および、ひずみセンサ３ａ，３ｂと、演算装置４を備えた構成を有するが、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂの配置が、第１実施形態とは異なる手法で定められている。

すなわち、本実施形態では、第１実施形態と同様に、図２（ａ）に示したき裂なし状態の解析モデル５Ａと、図２（ｂ）に示したき裂８あり状態の解析モデル５Ｂとを用いた解析結果を基に、解析モデル５Ｂの各位置におけるひずみが、解析モデル５Ａの同位置におけるひずみを基準としてどのように変化したかを、ひずみ変化量ｒとして求める。

次いで、前記ひずみ変化量ｒの情報を基に、図５に示すように、解析モデル５Ｂについて、以下の条件を満たす２つの領域１３と領域１４を定める。なお、図示しないが、この領域１３と領域１４は、解析モデル５Ａに定めるようにしてもよいことは勿論である。

この２つの領域１３と領域１４とを定める条件は、第１の領域１３におけるひずみ変化量ｒ_３がひずみの増加であり、第２の領域１４におけるひずみ変化量ｒ_４が、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件である。且つ、ひずみ変化量ｒ_３とひずみ変化量ｒ_４とのひずみ変化率については、種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差を有するという条件が設けられている。このようにひずみ変化率の差が所定の大きさ以上になるように設定した理由は、第１実施形態と同様である。

解析モデル５Ｂにおける領域１３と領域１４が定められた後は、図４に示すように、実際のき裂診断対象１００において、解析モデル５Ｂの領域１３（図５参照）の配置に対応する個所に、き裂検知用データａを取得するための領域１５を定める。また、き裂診断対象１００には、解析モデル５Ｂの領域１４（図５参照）の配置に対応する個所に、比較用データｂを取得するための領域１６を定める。

なお、図４では、図示する便宜上、この２つの領域１５と領域１６が二点鎖線で示してあるが、実際のき裂診断対象１００では、領域１５と領域１６は、その配置が分かればよく、特に表示する必要はない。

領域１５には、第１実施形態と同様のひずみセンサ２が設置され、領域１６には、２つのひずみセンサ３ａ，３ｂが、領域内の２個所に配置されて設置されている。なお、本実施形態は、比較用データｂの取得用のひずみセンサを３つ以上備える構成を採用してもよいことは第１実施形態と同様である。

以上の構成としてある本実施形態のき裂診断装置１Ａにおいても、第１実施形態と同様に使用することができて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、き裂診断対象１００の構造上の制限などを回避して、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂの設置領域を設定することができる。

［第３実施形態］
前記第１実施形態では、図２（ｃ）に示したように解析モデル５Ｂについて求めた領域９と領域１０に対応する配置で、図１に示したようにき裂診断対象１００におけるセンサ設置用の領域１１と領域１２を定めていた。

しかし、実際のき裂診断対象１００では、構造上の制約などにより、解析モデル５Ｂにおける領域９に対応する配置となる個所に、センサ設置用の面や空間を確保できない場合がある。

この場合、き裂診断装置は、図６に示す構成とすればよい。

図６はき裂診断装置の第３実施形態を示す概要図である。図７は本実施形態におけるひずみセンサの配置を説明するための図である。なお、図６、図７において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態のき裂診断装置は、図６に符号１Ｂで示すもので、第１実施形態と同様に、き裂診断対象１００に設置されたひずみセンサ２、および、ひずみセンサ３ａ，３ｂと、演算装置４を備えた構成を有するが、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂの配置が、第１実施形態とは異なる手法で定められている。

次いで、前記ひずみ変化量ｒの情報を基に、図７に示すように、解析モデル５Ｂについて、以下の条件を満たす２つの領域１７と領域１８を定める。なお、図示しないが、この領域１７と領域１８は、解析モデル５Ａに定めるようにしてもよいことは勿論である。

この２つの領域１７と領域１８とを定める条件は、第１の領域１７におけるひずみ変化量ｒ_５がひずみの減少であり、第２の領域１８におけるひずみ変化量ｒ_６が、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件である。且つ、ひずみ変化量ｒ_５とひずみ変化量ｒ_６とのひずみ変化率については、種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差を有するという条件が設けられている。このようにひずみ変化率の差が所定の大きさ以上になるように設定した理由は、第１実施形態と同様である。

解析モデル５Ｂにおける領域１７と領域１８が定められた後は、図６に示すように、実際のき裂診断対象１００において、解析モデル５Ｂの領域１７（図７参照）の配置に対応する個所に、き裂検知用データａを取得するための領域１９を定める。また、き裂診断対象１００には、解析モデル５Ｂの領域１８（図７参照）の配置に対応する個所に、比較用データｂを取得するための領域２０を定める。

なお、図６では、図示する便宜上、この２つの領域１９と領域２０が二点鎖線で示してあるが、実際のき裂診断対象１００では、領域１９と領域２０は、その配置が分かればよく、特に表示する必要はない。

領域１９には、第１実施形態と同様のひずみセンサ２が設置され、領域２０には、２つのひずみセンサ３ａ，３ｂが、領域内の２個所に配置されて設置されている。なお、本実施形態は、比較用データｂの取得用のひずみセンサを３つ以上備える構成を採用してもよいことは第１実施形態と同様である。

以上の構成としてある本実施形態のき裂診断装置１Ｂにおいても、第１実施形態と同様に使用することができて、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
図８（ａ）はき裂診断装置の第４実施形態を示す概要図である。図８（ｂ）（ｃ）（ｄ）はき裂診断対象の構造部材に働く荷重と応力分布との関係を示す概要図である。

なお、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

実際の構造物においては、図１に矢印Ｘで示したような単軸荷重のみが働く場合のほかに、単軸荷重や曲げ荷重などの複数の荷重モードが重畳して働くことがある。

図８（ｂ）に示すように、たとえば、平板状の構造部材１０１について、矢印で示す方向の単軸荷重モードが働く場合は、板幅方向に一様な応力分布が生じる。

これに対し、図８（ｃ）に示すように、構造部材１０１に、矢印で示すような曲げ荷重モードが働く場合は、板幅方向に一様ではない応力分布が生じる。

このように、異なる荷重モードでは応力の分布が異なるため、図８（ｄ）に示すように、構造部材１０１に単軸荷重モードと曲げ荷重モードが重畳して働くと、応力分布は不均一になってしまう。更に、一般に、単軸荷重モードと、曲げ荷重モードでは、周波数が異なるため、それぞれの荷重モードが単振動であるとしても、ある位置に作用している応力は、単振動ではなくなってしまう。

そのため、図８（ａ）の領域１１に設置されたひずみセンサ２で取得されるき裂検知用データａと、領域１２に設置されたひずみセンサ３ａ，３ｂで取得される比較用データｂとの相対関係は、単軸荷重モードに関する比例関係と、曲げ荷重モードに関する比例関係を含んだものとなる。

この場合、個々の荷重モードの比例関係は、温度変化や荷重変化のような外乱の影響を受けにくく、ほぼ一定に保持されるとしても、２つの比例関係が存在している状態では、き裂診断対象１００にき裂１０４が生じた場合に生じる比例関係の変化を検出することは困難である。

そこで、本実施形態のき裂診断装置１Ｃは、図８（ａ）に示すように、第１実施形態と同様の構成において、演算装置４に、フィルタ部２１を備えた構成とされている。

フィルタ部２１は、ひずみセンサ２より入力されるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂより入力される比較用データｂについて、設定された荷重モードに対応する周波数成分は通過させる一方、それ以外の周波数成分はカットする機能を備えている。

フィルタ部２１は、通過させる周波数成分の波長に応じて、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタを適宜選択して用いるようにすればよい。

以上の構成としてある本実施形態のき裂診断装置１Ｃによれば、き裂診断対象１００に複数の荷重モードが重畳して働く場合であっても、演算装置４では、フィルタ部２１を通過した所定の荷重モードに対応する周波数成分のデータを基に、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無を診断することができる。

したがって、本実施形態のき裂診断装置１Ｃにおいても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

［ひずみセンサの配置］
前記第２実施形態では、き裂診断対象１００について、比較用データｂを取得するひずみセンサ３ａ，３ｂを設置する領域１６は、図５に示した解析モデル５Ｂにおける領域１４の配置と対応させて定めた。この領域１４を求めるための条件の１つとしては、領域１４におけるひずみ変化量ｒ_４が、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件を備えた。

しかし、解析モデル５Ｂにおいて、領域１３のひずみ変化量ｒ_３と領域１４のひずみ変化量ｒ_４とのひずみ変化率が設定された値以上になっていれば、領域１４のひずみ変化量ｒ_４については、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件は、必ずしも必要ない。この場合であっても、き裂診断対象１００にき裂１０４が生じたときには、ひずみセンサ２によるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂによる比較用データｂとの比例関係には、第１実施形態の場合と同様の変化が生じる。

前記第３実施形態では、き裂診断対象１００について、比較用データｂを取得するひずみセンサ３ａ，３ｂを設置する領域２０は、図７に示した解析モデル５Ｂにおける領域１８の配置と対応させて定めた。この領域１８を求めるための条件の１つとしては、領域１８におけるひずみ変化量ｒ_６が、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件を備えた。

しかし、解析モデル５Ｂにおいて、領域１７のひずみ変化量ｒ_５と領域１８のひずみ変化量ｒ_６とのひずみ変化率が設定された値以上になっていれば、領域１８のひずみ変化量ｒ_６については、設定された値よりも小さいひずみの変化（増減）になるという条件は、必ずしも必要ない。この場合であっても、き裂診断対象１００にき裂１０４が生じたときには、ひずみセンサ２によるき裂検知用データａと、ひずみセンサ３ａ，３ｂによる比較用データｂとの比例関係には、第１実施形態の場合と同様の変化が生じる。

ここで、前記の点、並びに、前述した各実施形態および変形例から、本発明におけるひずみセンサの配置の点についてまとめる。き裂検知用データａを取得するひずみセンサ２を設置する領域と、比較用データｂを取得するひずみセンサ３ａ，３ｂを設置する領域の配置を、解析モデル５Ｂにおける２つの領域の配置に対応させて設定するとした場合、この２つの領域を定める基本的な条件は、以下のようになる。

これは、第１の領域におけるひずみ変化量ｒ_ｘと、第２の領域におけるひずみ変化量ｒ_ｙとのひずみ変化率が、種々の統計的手法で有意な差が検出できるようなひずみ変化率の差以上になるという条件である。

この条件を満たしていれば、ひずみ変化量ｒ_ｘとひずみ変化量ｒ_ｙについては、一方がひずみの増加で他方がひずみの減少である場合と、双方がひずみの増加である場合と、双方がひずみの減少である場合のいずれであってもよい。

［解析モデル］
前記各実施形態および変形例では、解析モデル５Ａ，５Ｂは、き裂診断対象１００の構造をそのまま模したものではなく、き裂診断対象１００の構造を規格化した構造を備えるものとした。更に、この規格化された構造としては、一般社団法人日本鋼構造協会の「構造物の疲労設計指針・同解説」や、公益社団法人日本道路協会の「鋼道路橋の疲労設計指針」に示されている溶接継手のうちの一つである面外ガセット溶接継手の構造とした。

このため、様々な構造物について、前記のような疲労設計指針を疲労設計基準の参考として面外ガセット溶接継手の構造として作成された部分をき裂診断対象１００とする場合は、解析モデル５Ａ，５Ｂとして共通のものを使用することができる。また、解析モデル５Ｂについて、図２（ｃ）に示した領域９と領域１０、図５に示した領域１３と領域１４、図７に示した領域１７と領域１８を予め求めておくこともできる。

なお、き裂診断対象の構造に応じて、解析モデルを変更してよいことは勿論である。その場合、き裂診断対象の構造を規格化した構造の解析モデルとしては、たとえば、荷重伝達型十字溶接継手、面内ガセット溶接継手、カバープレートをすみ肉溶接で取り付けた継手など、前記各疲労設計指針に示されている溶接継手の構造を備えたものとしてよいことは勿論である。

また、前記各疲労設計指針に示されている溶接継手の構造を備えたき裂なし状態の解析モデルと、き裂あり状態の解析モデルとを用意して、ひずみ変化率が設定された値以上となる複数の領域についての情報を予め求めておくようにすれば、き裂診断装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、様々なき裂診断対象に対して速やかに適用することが可能になる。

なお、き裂なし状態の解析モデルと、き裂あり状態の解析モデルとしては、前記したような規格化された構造のものを用いることが好ましいが、き裂診断対象の構造をそのまま模した構造のものを用いるようにしてもよいことは勿論である。この場合であっても、き裂診断装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、前記各実施形態および変形例と同様の効果を得ることができる。

［応用例］
前記各実施形態および変形例では、き裂診断装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、き裂診断対象１００におけるき裂１０４の発生の有無を診断するものとして説明したが、き裂診断対象１００に生じたき裂１０４の進展の検知に応用してもよい。

ここで、き裂１０４の進展という現象について考えると、き裂１０４の進展は、既に発生しているき裂１０４の先端側の延長上となる個所に、き裂１０４が生じる現象であると捉えることができる。

したがって、既存のき裂１０４の先端側の延長となる個所に限定して着目して、該個所についてのき裂１０４の発生の有無を診断すれば、き裂診断対象１００全体では、既存のき裂１０４の進展の有無を検知できることになる。

この点に鑑みて、前記各実施形態および変形例のき裂診断装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃと同様の構成において、き裂１０４の発生の有無の診断対象となる個所を、既存のき裂１０４の先端側の延長上となる個所に設定する。すなわち、前記各実施形態および変形例のき裂診断装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃと同様の構成において、ひずみセンサ２とひずみセンサ３ａ，３ｂを設置する領域１１，１２、領域１５，１６、領域１９，２０は、き裂１０４の発生の有無の診断対象となる個所を既存のき裂の先端側の延長上となる個所へずらして設定した構成とする。

これらのひずみセンサ２、ひずみセンサ３ａ，３ｂから出力されるデータは、前記各実施形態および変形例の演算装置４と同様の機能を備えた演算装置で処理すればよい。

この構成によれば、演算装置では、き裂診断対象１００において、既存のき裂１０４の進展の有無を検知することができる。

なお、本発明は、前記各実施形態および変形例にのみ限定されるものではなく、演算装置４は、診断データ群の正常データ群との相対比較を行うときに、き裂検知用データａと比較用データｂとの比例関係以外の相対関係を用いるようにしてもよい。

演算装置４で行う診断データ群の正常データ群との相対比較の手法としては、診断データ群におけるき裂検知用データａと比較用データｂとの比例関係について、正常データ群におけるき裂検知用データａと比較用データｂとの比例関係との同等性を、Ｆ検定以外の任意の統計的検定の手法で検定してもよい。

更に、演算装置４で行う診断データ群の正常データ群との相対比較の手法としては、正常データ群に対する診断データ群の異常性を、ＭＴ法（マハラノビスタグチメソッド）で検証する手法を採用してもよい。この場合、演算装置４は、前記異常性があると判断されると、き裂診断対象１００にき裂１０４が発生していると判定する機能を備えるようにすればよい。

第１実施形態の変形例、第２実施形態、および、第３実施形態に、第４実施形態に示したフィルタ部２１を備えた演算装置４を用いるようにしてもよい。

図１乃至図８では、領域９，１０、領域１１，１２、領域１３，１４、領域１５，１６、領域１７，１８、領域１９，２０の形状を、楕円や多角形で示したが、それぞれ任意の形状としてもよいことは勿論である。また、領域９，１０、領域１１，１２、領域１３，１４、領域１５，１６、領域１７，１８、領域１９，２０のサイズは、図示した以外のサイズであってもよいことは勿論である。

き裂診断対象１００は、構造物においてき裂の発生する位置が分かっている部分であれば、構造部材同士の溶接継手による接合部以外の任意の部分であってもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

２ひずみセンサ、３ａ，３ｂひずみセンサ、４演算装置、５Ａ，５Ｂ解析モデル、８き裂、９領域、１０領域、１１領域、１２領域、１３領域、１４領域、１５領域、１６領域、１７領域、１８領域、１９領域、２０領域、２１フィルタ部、１００き裂診断対象、１０４き裂、ａき裂検知用データ（データ）、ｂ比較用データ（データ）

Claims

き裂診断対象における第１の領域に設置された第１のひずみセンサと、
前記き裂診断対象における第２の領域に設置された第２のひずみセンサと、
前記第１と第２の各ひずみセンサよりデータが入力される演算装置とを備え、
前記第１の領域と前記第２の領域は、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がない状態の第１の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果と、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がある状態の第２の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果との比較により、前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた２つの領域に対応する配置で、前記き裂診断対象に設定された２つの領域とされ、
前記演算装置は、
前記き裂診断対象にき裂が発生していない正常状態のときに、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、正常データ群として蓄積する機能と、
前記き裂診断対象のき裂診断時期に前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、診断データ群に設定する機能と、
前記診断データ群について、前記正常データ群と統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、前記き裂診断対象におけるき裂の発生の有無を判定する機能と、を備えること
を特徴とするき裂診断装置。
前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた前記２つの領域は、いずれか一方の領域でのひずみ変化量がひずみの増加であり、他方の領域でのひずみ変化量がひずみの減少である
請求項１記載のき裂診断装置。
前記演算装置は、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータについて、設定された荷重モードに対応する周波数成分は通過させる一方、それ以外の周波数成分はカットする機能を備えるフィルタ部を有する
請求項１または２記載のき裂診断装置。
き裂診断対象に、第１の領域と第２の領域を、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がない状態の第１の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果と、前記き裂診断対象に対応する構造で且つき裂がある状態の第２の解析モデルを用いた応力解析によるひずみ変化量の分布の結果との比較により、前記各解析モデルにおけるひずみ変化量同士の相対的な変化割合が設定された値以上になるという条件を満たすように定められた２つの領域に対応する配置で設定して、前記第１の領域に設置された第１のひずみセンサと、前記第２の領域に設置された第２のひずみセンサとを用意し、
前記き裂診断対象にき裂が発生していない正常状態のときに、前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、正常データ群として蓄積する処理と、
前記き裂診断対象のき裂診断時期に前記第１と第２の各ひずみセンサより入力されるデータを、診断データ群に設定する処理と、
前記診断データ群について、前記正常データ群と統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、前記き裂診断対象におけるき裂の発生の有無を判定する処理とを行うこと
を特徴とするき裂診断方法。