JP3616814B2

JP3616814B2 - 木質材料の内部強度推定方法とその装置

Info

Publication number: JP3616814B2
Application number: JP2000219448A
Authority: JP
Inventors: 正彦軽部
Original assignee: Forestry and Forest Products Research Institute
Current assignee: Forestry and Forest Products Research Institute
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2000-07-19
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2020-07-19
Also published as: JP2002039929A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、木質材の強度推定方法ならびにその装置に関し、詳しくは木質材の形態を損なわずに内部における腐朽等、強度に影響を及ぼす要因の存否を探測して強度の推定をなす技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９９９年９月愛媛県下で、耐朽性が高いとされているアフリカ産のボンゴシ材による木橋が、架橋後１０年で落下する事故が発生した。調査の結果、外観は健全であるにもかかわらず、内部に腐朽が進行していたことが判明した。
この事案からもわかるように、構造用木質材の維持・管理において、材料の外部観察のみではなく内部の状況の正確な把握、特に内部組織における腐朽等を検出して、その強度を的確に判定することが重要課題となっている。
【０００３】
一般に、木材等の強度等を判定する手法としては、従来は、外部観察、触診、打音検査、超音波検査等の非破壊検査が多用されている。しかしながら、このような非破壊検査法では、判定を主観的な感覚に頼らざるを得ず、内部の状況を客観的に把握して強度等の判定をなすことが困難であった。
このため、内部状況を客観的に検知する技術が不可欠であるが、従来この種の技術としては、例えば特開昭５７−１９７４６８号あるいは特開平２６７９２２号に開示されたものがある。
【０００４】
特開昭５７−１９７４６８号に係る技術は、木質材に錐で穿孔する際のトルクを測定して木材強度を推定するものである。
一方、特開平２６７９２２号に係る技術は、木質材に螺合した木ネジに所定の引き抜き力を与えた結果、木ネジの抜けの存否により強度を判定しようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開昭５７−１９７４６８号に係る技術にあっては、深さ方向の強度変化の正確な測定のために、錐送りの精密な制御、すなわち錐の押し込み力や送り量をコントロ−ルして安定した抵抗トルクを得ることが不可欠であるが、このような制御は極めて困難である。また、錐の進行に伴い発生する切削屑が摩擦によるトルクを生じ、錐切削に係るトルクの正確な計測を損なうという不都合も生じる。また、さらには測定対象樹種毎に含水率、経年、深さに関る係数を予め測定しておく必要があり、煩些な作業を要することになる。
【０００６】
また、特開平２６７９２２号に係る技術では、木ネジの引き抜きにより材料面における損傷の発生が不可避であるうえ、測定精度が深さにより影響を受けるという問題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、木質材料の内部強度推定方法を、
（ａ）木質材の複数箇所に所定径のガイド孔を形成する工程、
（ｂ）前記ガイド孔に遊嵌可能な本体部とこの本体部の一端に形成されて前記ガイド孔の内壁面に食い込み回転進行する木ネジ部とからなる探測子の前記木ネジ部を前記ガイド孔に係合して探測子を回転させ木ネジ部を内部方向に所定深さまで進行させる工程、
（ｃ）探測子の回転に併せてその回転モ−メントを測定する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程により得られた前記複数箇所における木ネジ部の回転数（深度）とこれに対応する回転モ−メントとの関係を比較して木質材内部の強度を推定する工程、
からなるプロセスで構成して上記従来の課題を解決しようとするものである。
【０００８】
上記において、探測子の回転数とこれに対応する回転モ−メントの数値を時系列的に検出するとともにこれらを電子的に処理して各箇所における木ネジ部の回転数とこれに対応する回転モ−メントとの関係をグラフ化して表示し、表示された複数のグラフを比較解析するように構成することがある。
【０００９】
さらに、本願発明は、内部組織の疎密の度合いを探測するために木質材内部に回転進出する探測子と、探測子の回転に併せてその回転モ−メントを測定するトルク計測装置と、から材料の内部強度推定装置を構成するとともに、前記探測子は、木質材の複数箇所に形成された所定径のガイド孔に遊嵌可能な本体部と、この本体部の一端に形成されて前記ガイド孔の内壁面に食い込んでて回転進行する木ネジ部とを具える構成、となして上記従来の課題を解決しようとするものである。
【００１０】
上記装置において、トルク計測装置は比較解析手段を有し、この比較解析手段は、探測子の回転数とこれに対応する回転モ−メントの数値を時系列的に検出する手段と、電気信号に変換して送られた前記検出結果を記録する手段と、記録された検出結果を演算してグラフ化する手段と、グラフ化された検出結果の表示手段と、前記各手段の制御手段とを具えることがある。
また、このトルク計測装置は、さらに探測子の回転手段と、探測子の回転角度検出手段を具えることがある。
【００１１】
【発明の実施形態】
木質材の表面にドリル等の適宜手段でガイド孔を穿ち、このガイド孔に探測子を内部までねじ込みにより進出させ、その際のトルクを連続的にトルクレンチ等により測定する。探測子は、本体部部とその先端に形成された先鋭端を有する木ネジ部とからなり、本体部はガイド孔より小径に形成されガイド孔に遊嵌状態となり、他方、木ネジ部はいわゆる木ネジ様に形成され、ネジ山がガイド孔の壁面に食い込みながら内部に進行する。トルクレンチ等で測定したトルクがネジ山と当該木質材との間に生じる捻じ込み抵抗である。この捻じ込み抵抗は、密度等の物性値や材料強度と関係が深く、この捻じ込み抵抗の深さ方向における分布状況を解析して木質材の強度を推定する。上述のように、探測子はガイド孔により形成される空隙部内を進行し、その際、木ネジ部の刃部のみがガイド孔の内壁面に食い込み摺動するから、探測子の深さ方向への進行は円滑でありネジ部におけるトルク値を正確に抽出できるのである。
すなわち、本体部はガイド孔に対して遊嵌状態にあるから木ネジ部のみの捻じ込み抵抗が測定でき、かつ切削屑の排出によりトルクに影響が生じることがない。よって、測定精度は深さにより変動するこはない。また、材料面には、ガイド孔による細径の痕跡が残るのみで測定作業による損傷は微小にとどまる。
【００１２】
【発明の実施例】
以下、本願発明の実施例を説明する。
図１は、発明の１実施例を示す説明図であり、図において１は探測子で、本体部部１ａとその下端に形成される木ネジ部１ｂとで構成されている。本体部１ａは断面円形のロッド状をなし、その径は後述のガイド孔２より小径に形成されている。木ネジ部１ｂは、木ネジ様の先細りのネジ部で構成されていて前記ガイド孔２に螺合するようになっている。この実施例では、探測子１は、９０ｍｍ長で首下胴部の径が３．２ｍｍの既成の木ネジのネジ部分を先端から１５ｍｍ残してその余は切削加工したものを用いている。
【００１３】
４は、測定対象である木材で、前記探測子１の長さより深くガイド孔２が穿設されている。ガイド孔２の径は、該実施例では３．５ｍｍとされているが、要は、本体部の径はガイド孔と同径または未満で、かつ木ネジ部はガイド孔よりネジ山高さ分だけ大径にすればよい。
３はトルク計測装置としての置き針付きトルクレンチでアダプタ−等を介して探測子１の本体部部１ａの上端部に係合している。
【００１４】
前記のように、内部組織の疎密の度合いを探測するために木質材内部に回転進出する探測子１と、この探測子１の回転に併せてその回転モ−メントを測定するトルク計測装置としてのトルクレンチ３とにより内部強度推定装置が構成されるが、前記探測子１の本体部部１ａは、ガイド孔２に遊嵌状態にあり木ネジ部１ｂのみがガイド孔２の内壁部に食い込んで回転抵抗が生じるのみで、探測子１の回転進行は他の抵抗を受けないからネジ部におけるトルク値を高精度で測定できるのみならず、より深い箇所まで計測できる。
すなわち、ガイド孔を形成せず、木材等の稠密箇所に探測子をねじ込むとなると、探測子に生じる極めて大きな抵抗に影響されて木ネジ部におけるトルク値の高精度な測定が困難になるばかりか、探測子の進行できる深度も極めて限定されてしまうことになる。
次に上述の内部強度推定装置の作用に併せて強度推定方法の実際について説明する。
該実施例では、強度強度推定の対象として南アフリカ産広葉樹であるボンゴシ材を使用した。この試験材は、実際に木造橋の部材として使用されていたものである。作業手順として、図１においてまず、木材１の所定箇所にガイド孔２を穿設する。次いで、探測子１の木ネジ部１ｂをすべてガイド孔２にねじ込んだ後、トルクレンチ３の置き針を０に設定してトルクレンチ３を介して探測子１を回転させて木ネジ部１ｂを木材３内部に進行させていく。
置き針により測定される１回転毎の最大トルク値を記録していく。
【００１５】
上記のようにして、所定箇所の深さ方向における各地点でのトルク値の採集後、これをグラフ化する。この際、深さ地点の算出は、回転数、回転角度、ネジ山ピッチに係る次式による。
回転数＝回転角度／３６０度、深さ＝回転数・ネジ山ピッチ
【００１６】
測定地点は、該実施例では４か所選定したが、具体的には、先行措置としてまず木材の非破壊診断（外部観察、触診、打音検査、超音波検査）により、健全と推定される箇所を２か所、腐朽が疑われる箇所を２か所選定した。
健全箇所の選定の理由は、強度の比較判定において健全箇所におけるトルク値を基準値として使用するためである。
図２は、上記４か所の測定結果のグラフであり、曲線ａ，ｂは事前に健全箇所と推定された箇所における各深さ地点でのトルク値の変動を示しており、トルク値は所定値で連続している。一方、ｂ，ｃは腐朽が疑われる箇所における各深さ地点でのトルク値の変動を示しており、これらをａ，ｂにおけるトルク値と比較するとその差は特にｄにおいて著しい低下を示している。ｃのトルク値は前記両者のほぼ中間を示している。
【００１７】
前記、ａ，ｂ，ｃ，ｄの比較検討から、ｄ曲線を示した箇所付近における腐朽の存在が推定される。この推定を検証するため、測定箇所の切断面を観察したところ、ａ，ｂ曲線を示す箇所付近では木材内部は健全であり、一方ｄ曲線を示した箇所では腐朽が進行して、ぼろぼろと簡単に崩れる状態であった。ｃ曲線を示す箇所は健全と腐朽の中間の状態を示していた。
なお、該実施例における測定対象の前記木材の表面外観は全く健全な状態を呈するものである。
また、上記実施例では、腐朽が疑われる箇所に２本のガイド孔を形成して測定したが、ガイド孔の単位面積当たりの数を増加することによりより精密な強度推定が可能である。
なお、上記では４本のガイド孔におけるトルク値の比較により強度推定をなしているが、各ガイド孔においても、表面から内部に向かってトルク値が変化する状況を解析して表面の強度から内部の強度を推定することができることはもちろんである。
【００１８】
さて、上記実施例では、トルク値のグラフ化をマニュアルで実行する場合を説明したが、圧電変換素子等によりトルク値を電気信号に変換してマイクロコンピュ−タにより電子的に処理してグラフ化しプリンタ−等の表示手段に自動的に出力しても良い。
【００１９】
図３は、内部強度推定装置に係る他の実施例を示すブロック図である。
図において、４は電歪素子、ストレインゲ−ジ等により構成される周知のトルクセンサ−で、探測子１に電歪素子、ストレインゲ−ジ等を付設し電位差を計測して探測子の回転数とこれに対応する回転モ−メントの数値を時系列的に検出する。５はトルクセンサ−４から電気信号として出力される検出結果としてのトルク値情報をメモリ−６に送る入力部、７はメモリ−６に蓄積されたトルク値情報を処理してグラフ化する演算部、８は演算部またはメモリ−からの情報信号を外部に出力する出力部、９はプリンタその他の表示手段、１０はこれらの制御手段である。以上４ないし１０に係る要素によりトルク計測装置および比較解析手段が構成されている。
ここに述べた実施例に係る内部強度推定装置によれば、探測子１の回転に伴うトルク値をリアルタイムで連続的に測定でき、測定結果のグラフ化も自動的になすことができる。
【００２０】
図４は、内部強度推定装置のさらに他の実施例を示すブロック図である。この実施例に係る内部強度推定装置では、図３に示した実施例において、さらに探測子の回転手段と、探測子の回転数の計測のために回転角度検出手段を設けてある。すなわち、図４において、１１は探測子１の回転角度検出手段であり該実施例では光式または磁気式のロ−タリ−エンコ−ダを使用している。また、１２はコンピュ−タ制御によるステップモ−タあるいはサ−ボモ−タ等による電動回転手段である。ロ−タリ−エンコ−ダによる探測子の回転角度検出により、探測子の回転数を精密に算出できるので、木材の各深さ地点とこの地点のトルク値との対応関係をより正確に把握できる。
【００２１】
上述の実施例では、測定結果の解析（グラフ解析）において、強度性能を相対的（比較判定）に捉えるようにしているが、測定デ−タの蓄積によって相対的な評価にとどまらず絶対的な評価をなすことも可能である。この場合、広葉樹など年輪の影響の少ない樹種では適用が容易と思われるが、針葉樹のように年輪の硬い部分と柔らかい部分の差が大きく、またガイド孔の深さよりも年輪の幅が大きい場合がある等により、測定に際して種々解決すべき問題は生じる可能性がある。
本願発明では、対象材にガイド孔を穿設するから、厳密な意味では非破壊検査とは言えないが、ガイド孔は微細なものであるから実質的には非破壊検査の範疇に入るといって良く、外部観察、触診、打音、超音波等、主観的感覚的判定に頼らざるを得ない非破壊検査に比較して、内部強度の推定を客観的な数値として把握することができる。さらに、構造材の接合部その他、局所的な部分の調査を精密になすには最適の技術と考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したように、簡単な構成にもかかわらず木質材の内部腐朽等を確実容易に検知して、強度の推定を客観的になすことができる。また、調査対象に対する外部的な損傷も微小であって、供用中の構造物の健全度合いの判定においても多大の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の１実施例に係る強度推定装置の説明図である。
【図２】深さ方向におけるトルク値の分布を示すグラフである。
【図３】発明の他の実施例に係る強度推定装置の構成のブロック図である。
【図４】発明のさらに他の実施例に係る強度推定装置の構成のブロック図である。
【符号の説明】
１．．．．．．．．探測子
１ａ．．．．．．．本体部部
１ａ．．．．．．．基部
１ｂ．．．．．．．木ネジ部
２．．．．．．．．ガイド孔
３．．．．．．．．トルク計測装置
４．．．．．．．．木材

Claims

（ａ）木質材の複数箇所に所定径のガイド孔を形成する工程、
（ｂ）前記ガイド孔に遊嵌可能な本体とこの本体部の一端に形成されて前記ガイド孔の内壁面に食い込んで回転する木ネジ部とからなる探測子の前記木ネジ部を前記ガイド孔に係合して探測子を回転させ木ネジ部を内部方向に所定深さまで進行させる工程、
（ｃ）探測子の回転に併せてその回転モ−メントを測定する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程により得られた前記複数箇所における木ネジ部の回転数（深度）とこれに対応する回転モ−メントとの関係を比較して木質材内部の強度を推定する工程、
以上の工程からなる木質材料の内部強度推定方法。
請求項１において、探測子の回転数（深度）とこれに対応する回転モ−メントの数値を時系列的に検出するとともにこれらを電子的に処理して各箇所における木ネジ部の回転数（深度）とこれに対応する回転モ−メントとの関係をグラフ化して表示し、表示された複数のグラフを比較解析するようにしたことを特徴とする木質材料の内部強度推定方法。
内部組織の疎密の度合いその他強度に影響を及ぼす要素を探測するために木質材内部に回転進出する探測子と、探測子の回転に併せてその回転モ−メントを測定するトルク計測装置とを具え、前記探測子は、木質材の複数箇所に形成された所定径のガイド孔に遊嵌可能な本体部と、この本体部の一端に形成されて前記ガイド孔の内壁面に食い込んで回転進行する木ネジ部とを具えたことを特徴とする木質材料の内部強度推定装置。
請求項３において、トルク計測装置は比較解析手段を有し、この比較解析手段は、探測子の回転数とこれに対応する回転モ−メントの数値を順次に検出する手段と、電気信号に変換して送られた前記検出結果を記録する手段と、記録された検出結果を演算してグラフ化する手段と、グラフ化された検出結果の表示手段と、前記各手段の制御手段とを具えたことを特徴とする木質材料の内部強度推定装置。
請求項４において、トルク計測装置は、さらに探測子の回転手段と、探測子の回転角度検出手段を具えたことを特徴とする木質材料の内部強度推定装置。