JP3766602B2 - 片持ち状又は門型状構造物の疲労診断方法及び診断システム並びに該診断に用いる振幅計測器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物（例えば高速道路の標識柱や照明柱など）の疲労診断を行う方法及び診断するシステム並びに該診断に用いる振幅計測器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば高速道路に設置された標識柱は、走行車両からの応力振動や風によって繰返し荷重を受け、疲労損傷を起こす場合がある。これにより、突然倒壊した事例も報告されており、保守点検の重要な課題となっている。最近、疲労試験データや構造設計手法による疲労設計を行うことも検討されているが、車両の走行量や風の強さなどは設置場所によって異なり、すべての疲労要因を網羅する設計基準の確立には至っていない。そこで、実際の現場では、標識柱において疲労損傷が予想される危険断面部にひずみゲージを貼付し、このひずみゲージに動ひずみ計測器を接続し、その計測結果に基づいてレインフローなどによる応力頻度分布解析を行い、疲労破壊までの残存寿命を推定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ひずみゲージを貼付するには標識柱にグラインダーをかけなければならない。また、動ひずみ計測器の設置場所を確保したり、計測器用の電源を準備したりする必要があり、現場計測のために多大な労力と費用がかかっている。したがって、計測は道路の限られた箇所の限られた本数にならざるを得ず、高速道路などの多数の標識柱を全てチェックするのは困難である。また、計測対象の決定には学識経験者などの判断が必要なため、汎用性や簡易性に欠ける。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、標識柱などのように、振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物の疲労を簡易な手段によって診断できるようにすることであり、ひいては同時に多数（複数）の構造物を簡易かつ安価に疲労診断できるようにすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の第１の特徴は、振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物の疲労診断方法に係る。まず、上記構造物の所定部位に振幅計測器を設ける。この振幅計測器により上記所定部位の振動時の変位振幅の大きさと発生数を一定期間にわたって計測する。この計測結果に基づいて上記構造物の疲労診断を行う。
この第１の特徴での「疲労診断」には、後述する「疲労度」の診断だけでなく、構造物が疲労し易い箇所に設置されているかどうかを診断する場合をも含む。
【０００５】
本発明の第２の特徴では、上記第１の特徴と同様にして行った振幅計測器による計測結果に基づいて、上記構造物の危険断面部に上記一定期間中に作用した応力振幅の大きさと発生数を算出し、ひいては上記危険断面部の疲労度を診断する。
ここで、「疲労度」とは、構造物の疲労損傷の進行の程度が、疲労破断に至る損傷度に対してどのくらいの割合に相当するかを示したものであり、「疲労度を診断する」とは、構造物の供用開始から上記疲労破断に至るまでの疲労寿命、及び疲労寿命から供用期間を差し引いた残存寿命を求めることを含む。
【０００６】
本発明の第３の特徴は、振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物の疲労診断を行うシステムに係る。この診断システムは、振幅計測器と、解析装置とを備えている。振幅計測器は、上記構造物の所定部位に設けられ、この所定部位の振動時の変位振幅の大きさと発生数を計測する。解析装置は、振幅計測器の一定期間にわたる計測結果に基づいて当該期間中に上記構造物の危険断面部に作用した応力振幅の大きさと発生数を算出し、ひいては上記危険断面部の疲労寿命を推定する。
【０００７】
本発明の第４の特徴では、上記第１〜第３の特徴における振幅計測器が、上記所定部位の実際の変位振幅を予め設定した複数の変位振幅のうちの何れかとして感知する感知部と、感知した回数を上記設定変位振幅ごとにカウントするカウント手段とを備えている。
【０００８】
本発明の第５の特徴では、上記第１〜第３の特徴における振幅計測器が、互いに異なる設定以上の変位振幅を感知する複数の感知部と、各感知部の感知回数をカウントするカウント手段とを備えている。
第４、第５の特徴において、上記振幅計測器が、上記構造物に着脱自在な取付部を有しているのが望ましい（本発明の第６の特徴）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１において、符号１は、高速道路用の高架橋である。その欄干２には、鋼製の標識柱３（片持ち状長尺構造物）が立設されている。標識柱３は、柱本体３Ｘを備え、この柱本体３Ｘの上端部からアーム５が水平に延び、このアーム５に標識板４が吊り下げられている。
【００１０】
標識柱３は、走行車両や風など、設置箇所固有の要因によって疲労していく。図２は、この疲労度を診断するための疲労診断システムＳを示したものである。疲労診断システムＳは、振幅計測器１０とデータ解析装置２０とを備えている。
【００１１】
振幅計測器１０は、例えば５つ（複数）の計測部１１Ａ〜１１Ｅを一列に連ねた構造になっている。これら計測部１１Ａ〜１１Ｅの裏面に、永久磁石製の取付板１９（取付部）が設けられており、この取付板１９が、鋼製（磁性体）の標識柱３に磁力で着脱できるようになっている。
【００１２】
各計測部１１Ａ〜１１Ｅは、ケース１２を有している。ケース１２の内部に、ばね（図示せず）で支持された振動子１３（本発明の第５の特徴の「感知部」）と、カウント回路１４（カウント手段）が収容されている。ケース１２に入力された振動は、ばねを介して振動子１３に伝わり、振動子１３が振動する。この振動子１３が、一往復するごとにカウント回路１４の接点に接触して、カウントアップ信号が出力され、カウント回路１４のカウント値が１ずつ加算されるようになっている。カウント値は、ケース１２の表板に設けられた液晶ディスプレイ１５に表示される。
【００１３】
計測部１１Ａ〜１１Ｅが感応する変位振幅のしきい値（レベル）δ_１〜δ_５は、互いに異なっている。すなわち、計測部１１Ａの振動子１３は、ケース１２の変位振幅がδ_１（レベル１）以上のときカウントアップ信号を出力させるようになっている。同様にして、計測部１１Ｂの振動子１３は、δ_２（レベル２）以上、計測部１１Ｃの振動子１３は、δ_３（レベル３）以上、計測部１１Ｄの振動子１３は、δ_４（レベル４）以上、計測部１１Ｅの振動子１３は、δ_５（レベル５）以上の変位振幅に対してそれぞれカウントアップ信号を出力させる。そして、δ_１＜δ_２＜δ_３＜δ_４＜δ_５になっている。これら５つの振動子１３の感応の有無及び回数を総合することによって、ケース１２に入力された変位振幅の大きさとその変位振幅の発生数を計測することができる。
【００１４】
データ解析装置２０は、例えばパーソナルコンピュータで構成され、上記振幅センサ１０の計測結果などを入力する入力部２１と、入力データに基づいて疲労解析を行う処理部２２と、記憶部２３と、解析結果を表示するＣＲＴ２４（表示部）とを有している。記憶部２３には、標識柱３を構成する鋼材のＳ−Ｎ（応力−繰返し）線図データなどの疲労解析に必要な材料データが予め記憶されている。
【００１５】
上記のように構成された疲労診断システムを用いて標識柱３の疲労診断を行う方法を説明する。
標識柱３において疲労破壊が予想されるのは、主に柱本体３Ｘの基端（固定端）の危険断面部３ａ（図１）である。この危険断面部３ａから上に距離Ｈだけ離れた被計測部位３ｂ（所定部位）に、振幅計測器１０を取り付ける。このとき、取付板１９を標識柱３に当てがうだけで、両者が磁力でくっ付き、取付作業を極めて簡単かつ迅速に行うことができる。
【００１６】
走行車両や風で標識柱３が振動すると、それと一緒に振幅計測器１０も振動する。そして、被計測部位３ｂの変位振幅が例えばδ_５以上であれば、５つすべての計測部１１Ａ〜１１Ｅの振動子１３が感応し、これら計測部１１Ａ〜１１Ｅのカウント値が振動の一往復ごとに１つカウントアップされる。変位振幅がδ_４以上であれば、計測部１１Ａ〜１１Ｄがカウントアップされる。変位振幅がδ_３以上であれば、計測部１１Ａ〜１１Ｃがカウントアップされる。変位振幅がδ_２以上であれば、計測部１１Ａ，１１Ｂがカウントアップされる。変位振幅がδ_１以上であれば、１つの計測部１１Ａだけがカウントアップされる。そして、各計測部１１Ａ〜１１Ｅの液晶ディスプレイ１５に、その計測部１１Ａ〜１１Ｅがカウントした変位振幅の累積数が表示される。
なお、被計測部位３ｂの変位振幅がδ_１未満のときは、５つの計測部１１Ａ〜１１Ｅの何れも感応しないが、このδ_１未満の変位振幅時に危険断面部３ａに作用する応力振幅は、疲労限未満であり、疲労診断に影響を与えることはない。
【００１７】
こうして、例えば２ヶ月間にわたって計測を行う。２ヶ月経過時の計測部１１Ａ〜１１Ｅの累積カウント値は、例えば、計測部１１ＡがＮ_１、計測部１１ＢがＮ_２、計測部１１ＣがＮ_３、計測部１１ＤがＮ_４、計測部１１ＥがＮ_５であるものとする。
【００１８】
この計測期間終了後、振幅計測器１０を標識柱３から取り外す。そして、５つの計測部１１Ａ〜１１Ｅの液晶ディスプレイ１５に表示されたカウント値Ｎ_１〜Ｎ_５や、計測部１１Ａ〜１１Ｅのしきい値δ_１〜δ_５や、危険断面部３ａと被計測部位３ｂとの間の距離Ｈや、計測期間Ｔ＝２ヶ月などの計測データをデータ解析装置２０の入力部２１に入力する。また、標識柱３が高架橋１に設定されてから現在までの供用期間なども入力する。
【００１９】
データ入力を受けた処理部２２は、標識柱３の疲労度の診断を行う。すなわち、計測期間Ｔ中に被計測部３ｂの変位振幅がδ_１になった回数Ｎ_δ１は、
Ｎ_δ１＝Ｎ_１−（Ｎ_２＋Ｎ_３＋Ｎ_４＋Ｎ_５）
として求めることができる。同様にして、変位振幅δ_２の回数Ｎ_δ２は、
Ｎ_δ２＝Ｎ_２−（Ｎ_３＋Ｎ_４＋Ｎ_５）、
として求めることができ、変位振幅δ_３の回数Ｎ_δ３は、
Ｎ_δ３＝Ｎ_３−（Ｎ_４＋Ｎ_５）、
として求めることができ、変位振幅δ_４の回数Ｎ_δ４は、
Ｎ_δ４＝Ｎ_４−Ｎ_５、
として求めることができ、変位振幅δ_５の回数Ｎ_δ５は、
Ｎ_δ５＝Ｎ_５
として求めることができる。標識柱３が振動して被計測部位３ｂが変位するたびに、危険断面部３ａには、応力が作用するので、上記の変位振幅δ_１〜δ_５の発生回数Ｎ_δ１〜Ｎ_δ５は、危険断面部３ａでの応力振幅σ_１〜σ_５の発生回数にもなる。
【００２０】
そして、被計測部位３ｂの変位振幅がδ_１のときの危険断面部３ａに作用する応力振幅σ_１、変位振幅δ_２のときの応力振幅σ_２、変位振幅δ_３のときの応力振幅σ_３、変位振幅δ_４のときの応力振幅σ_４、変位振幅δ_５のときの応力振幅σ_５を、有限要素法などによる応力解析手法を用いて求めることができる。
【００２１】
このようにして、計測期間Ｔ中に危険断面部３ａに発生した応力振幅の大きさσ_１〜σ_５と発生回数Ｎ_δ１〜Ｎ_δ５とを算出できる。図３に示すように、この算出結果は、ＣＲＴ２４に応力頻度分布図として表示することができる。
【００２２】
その後、公知の解析手法を使うことにより、上記算出結果と、上記記憶部２３に格納されたＳ−Ｎ線図などの材料データとに基づいて、計測期間Ｔ中に危険断面部３ａが疲労した度合いを推定でき、ひいては、危険断面部３ａの疲労寿命を推定することができる。そして、疲労寿命から標識柱３の供用期間を差し引くことにより、疲労破壊に至るまでの残存寿命を求めることができる。得られた疲労寿命や残存寿命は、ＣＲＴ２４に表示される。これにより、標識柱３の寿命が尽きて倒壊する前に、補強、補修したり、新たなものに設置し直したりするなどの対策をとることができる。
【００２３】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図４に示すように、この実施形態では、振幅計測器１０’が、上記第１実施形態における複数の振動子１３と複数のカウンタ回路１４とに代えて、例えば１つの圧電素子１６と１つの処理回路１７とを有している。圧電素子１６は、ケース１２ひいては標識柱３の変位振幅を感知して電圧に変換する。処理回路１７は、感知回路部１７ａとカウント回路部１７ｂ（カウント手段）とを有している。感知回路部１７ａは、圧電素子１６と協働して本発明の第４の特徴の「感知部」を構成している。この感知回路部１７ａは、上記変換された電圧を、その大きさに応じて、予め設定した複数の電圧のうちの何れかに補正し（感知部が、実際の変位振幅を予め設定した複数の変位振幅のうちの何れかとして感知し）、カウント回路部１７ｂに入力する。カウント回路部１７ｂは、この電圧の入力回数（すなわち変位振幅の回数）を、入力電圧の大きさ（すなわち設定変位振幅）ごとにカウントする。カウント結果は、設定変位振幅ごとに液晶ディスプレイ１５に表示される。この実施形態によれば、計測器１０’をよりコンパクトにすることができる。また、設定変位振幅の数を多くすることができ、より細かい疲労診断を行うことができる。
【００２４】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の改変が可能である。
例えば、疲労診断の対象となる構造物は、標識柱のほか、照明柱や背高のポールなどのように垂直に延びる片持ち柱状のものは勿論、水平に延びる片持ち梁状のものや斜めに延びる片持ち状にものにも適用できる。
また、片持ち状ではなく、２つの柱部とそれらの先端部間に架け渡された梁部とからなる門型状の構造物にも適用できる。この場合、例えば柱部の中間部に本発明に係る振幅計測器を設けることによって、この柱部の基端部（危険断面部）の疲労診断を行うことができ、梁部の中間部に本発明に係る振幅計測器を設けることによって、この梁部の両端部（危険断面部）の疲労診断を行うことができる。
図１の標識柱３において、アーム５の所定部位に振幅計測器１０，１０’を設け、このアーム５の危険断面部である基端部（柱本体３Ｘとの連結部）の疲労診断を行うこともできる。
【００２５】
危険断面部は、片持ち状又は門型状構造物の固定端付近の一箇所だけとは限らない。１つの構造物に複数の危険断面部が存在する場合もある。各危険断面部について本発明の疲労診断を行うことができる。
【００２６】
振幅計測器１０，１０’にメモリカードなどの記憶手段を格納し、この記憶手段に変位振幅のカウント値を記憶させ、記憶した情報をデータ解析装置２０で読み取ることができるようにしてもよい。記憶手段の記憶容量は、小さくても十分である。また、振幅計測器１０，１０’に疲労診断のための解析機能を内蔵してもよい。
【００２７】
振幅計測器を構造物に着脱自在に取り付けるための取付部は、周方向の一箇所が切欠された環状をなし、この環状体を構造物の外周に嵌めた後、ねじなどで切欠部を狭めることにより、構造物に取り付けられるようになっていてもよい。また、構造物に巻き付けられるバンドであってもよい。
【００２８】
多数の片持ち状又は門型状構造物（例えば１つの橋梁に設置された全ての標識柱や照明柱）にそれぞれ振幅計測器を取り付け、その計測結果から各構造物が疲労し易い（例えば大きな変位振幅の発生数が多い）箇所に設置されているかどうかを判断（疲労診断）することにより、特に疲労し易く危険であると考えられる数個（例えば２、３個）の構造物を特定し、その特定された構造物についてのみ従来のひずみゲージによる詳細な測定を行うことにしてもよい。危険と考えられるものの特定は、例えば大きな変位振幅の発生数が多いものを選べばよいので、ひずみ計測の専門家でなくても容易に行うことができる。この場合、本発明の振幅計測器による疲労診断は、粗診断として位置付けられる。この粗診断によって、工数のかかるひずみ計測（精密診断）の対象を多数の中から僅かな数に絞り込むことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１〜３の特徴によれば、振動環境下に設置された片持ち状又は門型状構造物の疲労診断を簡単に行うことができ、計測のための費用や作業工数を大幅に低減できる。
本発明の第４の特徴によれば、振幅計測器をコンパクトにすることができる。
本発明の第５の特徴によれば、振幅計測器を簡単な構成にすることができる。
本発明の第６の特徴によれば、振幅計測器を診断対象の構造物に簡単に取り付けたり取り外したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高架橋の標識柱に振幅計測器を取り付けた状態における本発明の一実施形態に係る正面図である。
【図２】上記一実施形態に係る疲労診断システムの概略構成図である。
【図３】疲労度の解析途中で得られる応力振幅の大きさと発生回数の関係を示す応力頻度分布図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る振幅計測器の正面図である。
【符号の説明】
３ 標識柱
３ａ 危険断面部
３ｂ 被計測部位（所定部位）
１０，１０’ 振幅計測器
１３ 振動子（感知部）
１４ カウンタ回路（カウント手段）
１９ 取付板（取付部）
２０ データ解析装置

Claims (6)

1. 振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物の危険断面部から離れた所定部位に振幅計測器を設ける工程と、この振幅計測器により上記所定部位の振動時の変位振幅の大きさごとの発生数を一定期間にわたって計測する工程と、上記所定部位の変位振幅の大きさと上記危険断面部の応力振幅の大きさとの関係を解析する工程と、上記振幅計測器による計測結果と上記関係とに基づいて上記危険断面部の疲労度を推定する工程と、を実行することを特徴とする片持ち状又は門型状構造物の疲労診断方法。
2. 上記関係を、有限要素法によって求めることを特徴とする請求項１に記載の片持ち状又は門型状構造物の疲労診断方法。
3. 振動環境下に設置された片持ち状又は門型状の構造物の疲労診断を行うシステムであって、上記構造物の危険断面部から離れた所定部位に設けられ、この所定部位の振動時の変位振幅の大きさごとの発生数を計測する振幅計測器と、この振幅計測器の一定期間にわたる計測結果と、上記所定部位の変位振幅の大きさと上記危険断面部の応力振幅の大きさとの関係とに基づいて上記一定期間中に上記危険断面部に作用した応力振幅の大きさと発生数を算出し、ひいては上記危険断面部の疲労寿命を推定する解析装置とを備えたことを特徴とする片持ち状又は門型状構造物の疲労診断システム。
4. 請求項１若しくは２に記載の疲労診断方法又は請求項３に記載の疲労診断システムにおける振幅計測器であって、上記所定部位の実際の変位振幅を予め設定した複数の設定変位振幅のうちの何れかとして感知する感知部と、感知した回数を上記設定変位振幅ごとにカウントするカウント手段とを備えたことを特徴とする疲労診断用振幅計測器。
5. 請求項１若しくは２に記載の疲労診断方法又は請求項３に記載の疲労診断システムにおける振幅計測器であって、互いに異なる設定以上の変位振幅を感知する複数の感知部と、各感知部の感知回数をカウントするカウント手段とを備えたことを特徴とする疲労診断用振幅計測器。
6. 上記構造物に着脱自在な取付部を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の疲労診断用振幅計測器。

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