JP3689636B2 - 予め応力が加えられた棒材の残留応力を測定するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、２つの定着部間に固定され予め応力が加えられた棒材の残留応力Ｆ₁を上記定着部から取外すことなく測定するための方法に関し、この測定は、棒材の長手方向の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間Ｔ₁を求め、残留応力Ｆ₁をＦ₁＝Ｆ₀＋ｋ_b．（Ｔ₁−Ｔ₀）の形式の式により評価することにより行なう。式中Ｆ₀、Ｔ₀およびｋ_bは、棒材を取外さずに実施する予備較正中に求めた定数である。
【０００２】
このタイプのプロセスは、フランス特許第２７５０４９８号に記載されている。この特許に従うと、予備較正は、
予め応力が加えられた棒材の一方端に漸次増加する牽引作用力Ｆを加え、
同時に予め応力が加えられた棒材の一方端の長手方向の変位Ａおよび上記の牽引作用力を測定することにより、行なわれる。これらの測定値は、牽引作用力Ｆの、変位Ａの関数としての曲線に対応し、この曲線には、傾きの大きい第１の直線にほぼ従う最初の部分と、次の湾曲した部分と、最後の、傾きがより小さい第２の直線にほぼ従う最終部分とがある。上記予備較正はさらに、
残留応力を、上記２つの直線の交わりに対応する牽引作用力Ｆの値として求め、
上記予め応力が加えられた棒材の一方端に対する牽引力により、残留応力よりも大きな少なくとも２つの既知でかつ別個の応力値を予め応力が加えられた棒材に連続的に加え、
各応力値について、予め応力が加えられた棒材の長手方向の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間を測定し、
これら測定値から残留応力の評価式の定数を導くことにより、行なわれる。
【０００３】
このような測定のため、予め応力が加えられた棒材の一方端には較正中に一度だけ牽引作用力を加えることが必要なだけである。
【０００４】
較正が実施されれば、その後、必要なときに随時、予め応力が加えられた棒材の残留応力を、この棒材の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間を測定するだけで検査できる。したがってこうして後に行なわれる検査は非常に簡単かつ迅速である。このプロセスは、たとえば電離放射線などにより構造体へのアクセスが制限されるような場合に、非常に適している。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の目的は、残留応力を超音波により測定するためのプロセスの正確度を高めることである。
【０００６】
導入部で述べたタイプの、本発明に従う方法において、予備較正は、
２つの定着部間の間隔の外側の領域で、値の異なる牽引作用力Ｆを棒材に加えるステップと、
加えた牽引作用力Ｆの各値について、棒材の長手方向の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間Ｔを、牽引作用力Ｆを２方向伝搬時間Ｔと関連付ける曲線のポイントを記憶するように測定するステップと、
定数Ｔ₀を牽引作用力Ｆ＝０について測定した２方向伝搬時間Ｔとして求めるステップと、
上記曲線を、牽引作用力値Ｆ＝０の近くで、傾きがｋ_aの第１の直線により近似するステップと、
上記曲線の上部分を、傾斜がｋ_Lの第２の直線により近似するステップと、
定数Ｆ₀を、上記第１および第２の直線の交わりのポイントに対応する牽引作用力Ｆとして求めるステップと、
定数ｋ_bを式１／ｋ_b＝（１／ｋ_L）−（１／ｋ_a）に従い求めるステップとを含む。
【０００７】
こうすれば、特に、係数ｋ_bの決定において、較正システムが導き得る寄生効果を厳密に考慮することにより、改良がもたらされる。ポイント（Ｔ₀、０）の近くで曲線（Ｔ、Ｆ）を近似する第１の直線は、牽引作用力Ｆが加えられるポイントと隣接する定着部との間の領域における棒材の伸びを考慮しており、第２の直線は、牽引作用力が加えられるポイントと対向する定着部との間の長さＬの増加を考慮している。実施中、特に後続の検証において、残留応力Ｆ₁が加わるのは、２つの定着部間の長さｂ＝Ｌ−ａのみである。したがって、傾き係数ｋ_bを第２の直線の傾きｋ_Lと関連させて訂正するのが賢明である。この訂正は、予め応力が加えられた棒材が比較的短い場合、ますます重要になるであろう。
【０００８】
この方法の好ましい実施例において、上記曲線を傾きｋ_aの第１の直線により牽引作用力値のＦ＝０の近くで近似することは、放物線をこの曲線の下部分に合わせることと、第１の直線を牽引作用力値Ｆ＝０についての上記放物線の接線として求めることとを含む。
【０００９】
好都合な実施例では、上記予備較正は、棒材の材料の温度の測定および測定した温度の記憶を含む。こうすれば、測定した伝搬時間に対する温度効果を、後で考慮できる。したがって、較正に続く測定段階中、棒材の材料の温度および棒材の長手方向の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間が測定され、上記の式の適用についての時間Ｔ₁が、測定した２方向伝搬時間を、予備較正時および続く測定段階で測定した温度間の偏差の関数として訂正することによって求められる。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照することにより、以下の非制限的な実施例の記載において明らかになるであろう。
【００１１】
【実施例の説明】
図１に示すように、本発明に従うプロセスの設計は、２つの定着部２および３間に固定された、たとえば金属製で予め応力が加えられた棒材１の残留応力Ｆ₁を測定するために行なわれる。上記２つの定着部２および３は、上記棒材の長手方向の端部４および５の近くにある。
【００１２】
予め応力が加えられた棒材１の２つの端部４および５間の長さは、典型的には５ｍ未満であり、一般的には２ｍ未満であり、たとえば、５０ｃｍと２ｍとの間の範囲にある。
【００１３】
図面で示す非制限的な例では、定着部２および３は、一方が予め応力が加えられた棒材と一体化した拡大ヘッド２であり、他方が完全にまたは部分的にねじ切りされたナット３により棒材１にねじ止めされるものとなるように構成される。これら２つの定着部は、予め応力を加えるコンクリートの塊６または別の塊に対し圧縮作用力を加える。
【００１４】
予め応力が加えられた棒材１の残留応力Ｆ₁を超音波により定期的に検査できるようにするために、対象となる棒材に関し装置の予備較正が実施される。
【００１５】
そのために、棒材１には、塊６の外側において、超音波変換器７および予め応力が加えられた棒材に対し牽引力を加えるためのユニット１１が設けられる。
【００１６】
超音波を送りかつ感知するための変換器７は、棒材１の端部５に設けられる。これは、マイクロコンピュータ８内に一体化された特殊な電子カードに直接または間接的に連結され、このカードにより、変換器７を制御して、端部５に好ましくはパルスとして超音波を放出する。変換器７はまた、２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間Ｔを測定するために、予め応力が加えられた棒材の一方端４から反射した後の音波の端部５におけるエコーを感知できるようにする。
【００１７】
図１に示した例において、ユニット１１は、端部５と定着部３との間にある、予め応力が加えられた棒材１のゾーンにねじ止めされる金属リング１２と、予め応力が加えられた棒材１のまわりにあり塊６とリング１２との間で軸方向に挿入される環状の流体圧ジャッキ１３とを備え、このジャッキは、ポンプ１６により作動流体が供給される環状のシリンダ１５内でスライドする環状のピストン１４を有する。
【００１８】
ジャッキ１３の流体圧回路には、予め応力が加えられた棒材１に対しジャッキ１３が加える牽引力を測定するための圧力センサ１７が設けられる（ジャッキの有用部分およびその降伏を考慮している）。その代わりとして、作用力の測定を、ジャッキ１３とリング１２との間または塊６とジャッキ１３との間に歪みゲージを置くことによって実施できる。
【００１９】
測定した作用力は、マイクロコンピュータ８に属する電子収集カードに送られ、このマイクロコンピュータは、予め応力が加えられた棒材１に加えられる牽引作用力Ｆの値を記録できる。
【００２０】
較正段中、ポンプ１６を制御して、予め応力が加えられた棒材に加えられる牽引作用力Ｆを増大させ、この間、マイクロコンピュータ８は、予め応力が加えられた棒材の端部５に設けられた変換器７によって２方向伝搬時間Ｔをおよびセンサよって牽引作用力Ｆを、同時に測定しかつ記録する。
【００２１】
この記録は、図２または３に示した曲線のように、２方向伝搬時間Ｔの関数としての牽引作用力Ｆの曲線のポイントに対応する。
【００２２】
この曲線Ｃは典型的に以下を有する。
傾きがｋ_aの直線Ｄ₁にほぼ従う最初の部分。この傾斜は比較的大きく、ナット３およびリング１２の間の棒材１の部分の伸びを表わす。
【００２３】
上部分。ここでは、作用力Ｆの値がより大きく、傾きｋ_L＜ｋ_aの直線Ｄ₂にほぼ従い、この傾きは棒材１の応力が加えられた部分すべての伸びを表わしており、この部分の長さはＬ＝ｂ＋ａで、式中ｂは２つの定着部２および３間の長さであり、ａは定着部３とリング１２との間の長さである（図１）。
【００２４】
ここからわかるように、直線Ｄ₁およびＤ₂の交わりは縦座標Ｆ₀に対応し、この縦座標は較正中の予め応力が加えられた棒材の残留応力を表わす。
【００２５】
マイクロコンピュータ８は、直線Ｄ₁およびＤ₂ならびにこれらの交わりのポイントを求めるようにプログラムされる。マイクロコンピュータはここから、交わりのポイントに対応する牽引作用力Ｆである定数Ｆ₀すなわち較正中の残留応力値を導く。
【００２６】
マイクロコンピュータ８はまた、牽引作用力を加えていないときすなわちＦ＝０の場合の、較正中に得られる２方向伝搬時間Ｔの値Ｔ₀の記憶も行なう。
【００２７】
座標が（Ｔ₀、Ｆ₀）であるポイントは、較正システムがない場合に、２方向伝搬時間を予め応力が加えられた棒材における残留応力に結び付ける曲線である。この曲線は線形的であることがわかっているので、その等式は以下の形式である。
【００２８】
Ｆ₁＝Ｆ₀＋ｋ_b．（Ｔ₁−Ｔ₀） （１）
これによって、残留応力Ｆ₁の値を、２方向伝搬時間Ｔ₁の簡単な測定から導くことができる。
【００２９】
較正中に傾き係数ｋ_bを求めるために、マイクロコンピュータ８は以下の関係を用いる。
【００３０】
１／ｋ_b＝（１／ｋ_L）−（１／ｋ_a） （２）
こうすれば、係数ｋ_bは棒材１の長さｂの応力が加えられたゾーンの挙動を正確に考慮している。
【００３１】
図２で示す例において、曲線Ｃは本質的に、湾曲した部分で接続される２つの線形部分からなると考えられる。マイクロコンピュータ８はしたがって、傾きｋ_aおよびｋ_Lの２つの直線Ｄ₁およびＤ₂を、たとえば従来の最小２乗適合法により、較正中に行なった測定から得た曲線の上下部分に合わせ、ここから、関係（２）に従い定数Ｆ₀および定数ｋ_bを導く。
【００３２】
この較正の精度をさらに高めるために、マイクロコンピュータ８をプログラムして、放物線Ｐを曲線Ｃの下部分に調整することもできる。実際、予め応力が加えられた棒材１と係合するねじを考慮すれば、曲線Ｃの下部分が線形的ではなく放物線であることを示すことができる。図３はこのような実施例（放物線Ｐの湾曲を強調している）を示す。上記の計算は同じように、求めた放物線のポイント（Ｔ₀、０）での接線である直線Ｄ₁を用いて行なわれる。この直線Ｄ₁は、起点（Ｔ₀、０）に最も近い曲線Ｃのポイントの近似である。
【００３３】
一度だけこうした較正を行なえば、予め応力が加えられた棒材１の残留応力Ｆ₁の値を検査したいときに、この棒材の端部５にユニット１１を設けなくとも、ただマイクロコンピュータ８に連結された変換器７を用いるだけでよい。
【００３４】
こうしてマイクロコンピュータ８により、簡単に、変換器７が超音波を予め応力が加えられた棒材の端部５に好ましくはパルスとして放出する。次に、変換器７は棒材の端部４から反射した後エコーする超音波を検知し、マイクロコンピュータ８は超音波の２方向伝搬時間Ｔ₁を測定する。この２方向伝搬時間Ｔ₁に基づき、マイクロコンピュータ８は、式（１）により測定時に残留応力Ｆ₁の値を導く。
【００３５】
棒材１の、鉄などの材料の温度が、この材料における超音波伝搬速度に影響ししたがって測定された２方向伝搬時間に影響することがわかっている。結果として、この棒材の温度が変化しやすければ、以下のタイプの式を適用することにより測定値の処理において自動的に訂正を行なうことが好都合である。
【００３６】
Ｔ₁＝Ｔ_m＋β．（θ_m−θ_i） （３）
式中、Ｔ_mは温度θ_mで測定した２方向伝搬時間であり、Ｔ₁は式（１）の適用に用いる、たとえば較正中の温度である温度θ_iに対応する訂正された時間であり、βは、材料およびその幾何学的特徴に依存する予め定められた定数である。
【００３７】
較正中に棒材の材料の温度θ_iが測定され、次に、後続の測定中に訂正（３）が行なわれる。温度の測定を、超音波変換器７近くにあるまたはこの変換器と一体化される、熱電対などの、センサ２０により実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う方法の実現化例を示す概略図である。
【図２】 本発明に従う方法の予備較正中、予め応力が加えられた棒材の端部近くに加えられる牽引作用力Ｆの増大の例を、超音波の２方向伝搬時間の関数として概略的に示すグラフの図である。
【図３】 本発明に従う方法の予備較正中、予め応力が加えられた棒材の端部近くに加えられる牽引作用力Ｆの増大の例を、超音波の２方向伝搬時間の関数として概略的に示すグラフの図である。
【符号の説明】
１ 棒材、２ 定着部、７ 変換器。

Claims (4)

1. ２つの定着部（２、３）間に固定され予め応力が加えられた棒材（１）の残留応力Ｆ₁を前記定着部から取外すことなく測定するための方法であって、前記残留応力は、前記棒材の長手方向の２つの端部（４、５）間における超音波の２方向伝搬時間Ｔ₁を求め、前記残留応力Ｆ₁を、
   式 Ｆ ₁ ＝Ｆ ₀ ＋ｋ _b （Ｔ ₁ −Ｔ ₀ ）により評価することにより求められ、前記式中Ｆ₀、Ｔ₀およびｋ_bは、前記棒材を取外さずに実施する予備較正中に求められる定数であり、前記予備較正は、
   前記棒材に対し、前記２つの定着部間の間隔の外側の領域で、値の異なる牽引作用力Ｆを加えるステップと、
   前記加えた牽引力Ｆの各値について、前記棒材の長手方向の２つの端部間における超音波の２方向伝搬時間Ｔを測定し、前記牽引作用力Ｆを前記２方向伝搬時間Ｔと関連付ける曲線（Ｃ）のポイントを記憶するステップと、
   前記定数Ｔ₀を牽引作用力Ｆ＝０について測定された２方向伝搬時間Ｔとして求めるステップと、
   前記曲線（Ｃ）の前記牽引作用力の値Ｆ＝０から始まる最初の部分を傾きがｋ _a である第１の直線（Ｄ₁）により近似するステップと、
   前記曲線（Ｃ）の中央部分を残して、この中央部分より牽引作用力Ｆが大きい前記曲線（Ｃ）の部分を、傾きがｋ _a より小さいｋ _L である第２の直線（Ｄ ₂ ）により、近似するステップと、
   前記定数Ｆ₀を前記第１および第２の直線の交わりのポイントに対応する牽引作用力Ｆとして求めるステップと、
   前記定数ｋ_bを１／ｋ_b＝（１／ｋ_L）−（１／ｋ_a）に従い求めるステップとを含む、予め応力が加えられた棒材の残留応力を測定するための方法。
2. 前記曲線（Ｃ）を傾きがｋ_aの第１の直線により前記牽引作用力の値Ｆ＝０の近くで近似することは、放物線（Ｐ）を前記曲線の前記最初の部分に合わせることと、前記第１の直線（Ｄ₁）を牽引作用力の値Ｆ＝０についての前記放物線の接線として求めることとを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記予備較正は、前記棒材（１）の材料の温度（θ_i）の測定および前記測定した温度の記憶を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記較正に続く測定段階は、前記棒材（１）の材料の温度（θ_m）および前記棒材の長手方向の２つの端部（４、５）間における超音波の２方向伝搬時間（Ｔ_m）を測定するステップと、前記式Ｆ ₁ ＝Ｆ ₀ ＋ｋ _b （Ｔ ₁ −Ｔ ₀ ）の適用について時間Ｔ₁を、前記測定した２方向伝搬時間（Ｔ_m）を前記予備較正および後続の測定段階中に測定した温度（θ_i、θ_m）間の偏差の関数として訂正することにより、求めるステップとを含む、請求項３に記載の方法。

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