JP3842249B2 - 構造物の疲労診断方法 - 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構造物の疲労診断を行う方法に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
例えば高速道路等の標識柱や照明柱は、走行車両や風によって基部に繰返し応力が作用し、疲労損傷を起こしやすい。これにより、突然倒壊した事例も報告されており、耐久性評価や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、基部等の被診断部位にひずみゲージを設け、これにヒストグラムレコーダを繋ぐ等して応力頻度を計測し、疲労度を診断していた。
【０００３】
しかし、ひずみゲージを貼り付けるにはグラインダをかけなければならない。交通規制をしなければならないこともある。また、ヒストグラムレコーダ等のために一定容量の外部電源や足場の確保を要し、多大な労力とコストがかかる。そのため、機器の設置数に限度があり、高速道路等に延々と設けられた標識柱や照明柱を網羅するのは困難である。そこで出願人は、標識柱や照明柱の被診断部位に作用する振動応力と、そこから離れた別の部位の振幅（変位）との間に相関関係があることに着目し、上記別の部位に振動計測器を設け、この計測器による一定期間の計測データに基づいて被診断部位に作用した応力頻度を算出し、疲労診断を行なうことを提案した（特願２００１−９４４８３号）。
【０００４】
一方、標識柱や照明柱の設置された高架橋等の親構造物自体が振動している場合もある。そのような場合には、計測器による計測値に親構造物の変位（すなわち標識柱や照明柱全体の変位）も含まれる。したがって、この計測値から求めた被診断部位の応力振幅が実際より大きくなり、疲労診断の精度に影響が出る。
また、計測器として、変位の大きさごとに別々の素子で感知する方式のものを用いたが、大型になってしまう問題もある。
【０００５】
さらに、疲労損傷は、標識柱や照明柱のような片持ち状又は門型状のものに限られた問題ではない。例えば、多主桁橋梁においては、車両通行時の偏載荷によって主桁間に変位差が生じ、対傾構や横桁と主桁との接合部に疲労損傷が生じやすい。従来、以下のような手段によって主桁間の変位差を計測し、偏載荷による疲労度の診断を行なっていた。
（１）一方の主桁から他方の主桁に向けて治具を延ばし、この治具の先端に変位計を設けて他方の主桁との相対変位を測る。
（２）両方の主桁にそれぞれ変位計を設け、各計測器と地面との間にワイヤを張ることにより地面を基準とする各主桁の変位を測り、その差を取る。
しかし、変位計や治具又はワイヤ等の設置作業が主桁間の空間やその下の空間に渡る大掛かりなものとなり、上記標識柱や照明柱等の場合と同様に、一定容量の外部電源や足場の確保を要し、多大な労力とコストがかかる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る疲労診断方法は、振動環境下にある被診断構造物の被診断部位又はそれと一体に変位する当該若しくは他の構造物の部位からなる第１部位と、この第１部位に対し相対変位する当該被診断構造物の第２部位とに振動計測器をそれぞれ設け、これら計測器によって上記各部位の変位の大きさごとの発生回数を示す変位データを一定期間にわたって採取した後、上記第１部位の変位データによって上記第２部位の変位データを第１部位に対する相対変位データに修正するとともに、この相対変位データに基づいて上記被診断部位の疲労診断を行なうことを第１の特徴とする。
【０００７】
これによって、疲労診断を簡単、安価に行なうことができるだけでなく、被診断構造物全体ひいては被診断部位自体の振動の有無に拘わらず、被診断部位における応力頻度を正確に算出することができ、疲労診断の精度を高めることができる。
なお、「疲労診断」には、後記する疲労度（累積損傷度）の診断だけでなく、被診断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。「疲労度（累積損傷度）」とは、被診断構造物の疲労損傷の進行の程度が、疲労破断に至る限界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、被診断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。
第１、第２部位は、それぞれ１つに限られず、複数設定することができる。
例えば、被診断構造物が橋梁等の親構造物に設置された標識柱や照明柱であり、被診断部位が、これら柱の基部である場合、上記橋梁等の親構造物は、柱基部と一体に変位する「他の構造物」となり得る。
【０００８】
第１、第２部位の各振動計測器による振動計測と同時並行して、これらの計測値どうしを照らし合わせることにより、上記第２部位の第１部位に対する相対変位の大きさごとの発生回数を示す相対変位データを一定期間にわたって採取し、その後、この相対変位データに基づいて上記被診断部位の疲労診断を行なうことにしてもよい（第２の特徴）。
これによって、被診断部位における応力頻度を一層正確に算出することができ、疲労診断の精度を一層高めることができる。
【０００９】
上記第１、第２部位の主たる振動方向がそれぞれ分かっている場合（予備調査で事前に解析しておいた場合も含む）、振動計測器によって少なくとも上記主たる振動方向についてデータ採取（第１特徴では第１、第２部位の各々についての変位データの採取。第２特徴では相対変位データの採取。以下同様。）を行なうことにしてもよい。これによって、計測ひいては疲労診断の合理化を図ることができる。
この場合において、第１、第２部位の主たる振動方向が互いに同一の方向であれば、第１、第２部位の振動計測器は、共に、少なくとも当該一方向の振動を計測するようにする。第１、第２部位の主たる振動方向が互いに異なる方向であれば、第１、第２部位の振動計測器の何れもが、少なくともこれら２つの方向の振動を計測するようにする。例えば、第１部位の主たる振動方向が第１方向であり、第２部位の主たる振動方向が第２方向であることが分かっている場合、第１部位の振動計測器は、少なくとも第１、第２方向の振動を計測し、第２部位の振動計測器も同様に、少なくとも第１、第２方向の振動を計測する。そして、第１、第２方向の各々について相対変位データを算出（第１の特徴の「修正」と第２の特徴の「採取」の両方の意を含む。以下、同様。）する。
例えば、橋梁等の親構造物に設置された標識柱や照明柱等を被診断構造物とし、この柱の基部または親構造物の柱基部近傍部を第１部位とし、柱の中間部を第２部位とする場合、親構造物の主たる振動方向（第１部位の主たる振動方向）、及び被診断構造物自体の主たる振動方向（第２部位の主たる振動方向）は、それぞれ経験的に分かっていることが多い。予備調査によって主たる振動方向を把握しておいたうえで、本発明の計測を行なうことにしてもよい。
第１、第２部位の主たる振動の位相が、互いに１８０度ずれている場合（例えば、第１部位がｘ軸のプラス方向に振れる時、第２部位がｘ軸のマイナス方向に振れるような場合）には、両者の計測値の和を取ることにより相対変位データを算出する。
【００１０】
上記被診断部位における疲労亀裂を起こしやすい振動方向が分かっている場合において、上記振動計測器によって少なくとも上記疲労亀裂を起こしやすい振動方向についてのデータ採取を行なうことが望ましい。
これによって、専ら疲労亀裂を起こしやすい振動方向についての採取データに基づいて疲労診断でき、診断の合理化と信頼度向上を図ることができる。
データ採取は任意の振動方向について行ない、疲労診断の段階で採取データを上記第１部位における疲労亀裂を起こしやすい振動方向のものに換算することにしてもよい。
【００１１】
上記被診断構造物が、柱状物であり、その基端部には、補強リブが周方向に離れて複数設けられている場合、この補強リブの配置方向と同方向への振動についてのデータ採取を行なうことが望ましい。
補強リブの配置箇所はそれの無い箇所と比べて一般に疲労亀裂が起きやすいところである。そこの採取データに基づいて疲労診断でき、診断の合理化と信頼度向上を図ることができる。
【００１２】
上記振動計測器によって振動の方向をも計測可能であり、振動の方向ごとにデータ採取を行なうことにしてもよい。
これによって、振動の方向をも考慮した疲労診断を行なうことができる。主たる振動方向が不明であっても、その方向を割り出すことができ、前記予備診断無しに適用することもできる。
【００１３】
上記振動計測器が、設置された部位の加速度を計測し、この加速度計測値を変位に換算するのが望ましい。これによって、計測器を安価かつ小型にすることができる。更に、振動計測器が互いに直交する２又は３方向ごとに加速度成分を計測することが望ましい。これによって、応力頻度を平面的、立体的に解析でき、疲労診断の精度をより一層高めることができる。
【００１４】
上記変位データの要素として、変位の回数に代えて（又はそれに加えて）変位の発生時刻を含ませてもよい。この時刻を含むデータは、上記主たる振動方向が判明していない場合や、不規則で特定しきれない場合等に有効である。例えば、第１、第２部位の各々について直交する３つの方向成分ごとに変位（又は換算前の加速度）の大きさと時刻からなる変位データを一定期間にわたって採取し、記憶手段に記憶させておく。振動計測器による所定個数（例えば２５６個）のサンプリング値ごとに１つの変位データとしてまとめて記憶することにしてもよい。その後、これら第１、第２部位の同時刻の変位データによって上記相対変位データを求め、この相対変位データに基づいて上記被診断部位の疲労診断を行なう。勿論、振動計測と同時並行して相対変位の大きさと時刻からなる相対変位データを算出し、これを記憶手段に記憶させておき、この相対変位データに基づいて疲労診断を行なうことにしてもよい。これによって、上記３つの方向成分の合成方向に振動している場合、その合成方向への変位の大きさを正確に把握することができ、疲労診断の精度を確保することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照して説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は、高速道路用の橋梁１（親構造物）を示したものである。橋梁１は、Ｉ断面桁からなる複数の主桁１ａと、これら主桁１ａの間に設けられた対傾構（又は横桁）１ｂと、主桁１ａに支持された床版１ｃとを有している。床版１ｃの左右の地覆１ｄに照明柱２（被診断構造物）が立設されている。照明柱２は、道路に沿って間隔を置いて延々と多数設置されている。
【００１６】
照明柱２は、走行車両や風荷重などの要因によって、特に基部（被診断部位２ａ）が疲労していく。
図２は、この被診断部位２ａ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、第１、第２振動計測器１０Ａ，１０Ｂと、解析装置４０とを備えている。図１に示すように、第１、第２振動計測器１０Ａ，１０Ｂは、各照明柱２に上下に離れて配されている。すなわち、第１振動計測器１０Ａは、照明柱２の危険断面部である被診断部位（第１部位）２ａに配されている。第２振動計測器１０Ｂは、照明柱２の中途高さの第２部位２ｂに配置されている。２つの部位２ａ，２ｂ間の距離Ｈは、所定（例えば１．５ｍ〜２ｍ）に設定されている。
【００１７】
各計測器１０Ａ，１０Ｂは、互いに同一構成をなし、計測器本体１１と、その背面に設けられた取付けバンド１２とを有している。計測器本体１１が、照明柱２の周面に当てられるとともに、バンド１２が、照明柱２に巻き付けられている。
【００１８】
計測器本体１１は、例えば１６×８×６ｃｍの密閉箱状をなしている。図２に示すように、この計測器本体１１の内部に加速度計２０とＣＰＵ２１（変位データ作成手段）が収容されている。図２および図３に示すように、加速度計２０は、例えば２軸の静電容量型加速度センサを２個組み合せることにより、ｘ，ｙ，ｚの互いに直交する３方向の加速度成分ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚを計測できるようにしたものである。例えば、１個の加速度センサの軸をｘ，ｙ方向に取り、もう１個の加速度センサの軸をｘ，ｚ方向に取ってある。
【００１９】
ところで、図３に示すように、一般的に照明柱２や標識柱の基部には、周方向に離れて複数（例えば９０度間隔で４枚）の補強リブ４Ｕ，４Ｖが溶接されている。この補強リブ４Ｕ，４Ｖの配置方向への振動成分によって各補強リブ４Ｕ，４Ｖの溶接箇所に応力が集中し、疲労亀裂が出来やすい。そこで、各振動計測器１０Ａ、１０Ｂの計測軸ｘ，ｙを補強リブ４Ｕ，４Ｖの取り付け方向に向けることにする。すなわち、各振動計測器１０Ａ、１０Ｂの計測軸ｘを補強リブ４Ｕの取り付け方向に合わせ、計測軸ｙを補強リブ４Ｖの取り付け方向に合わせる。計測軸ｚは鉛直に向ける。
なお、図３において、振動計測器１０Ａ，１０Ｂは、実際には照明柱２の外周面に設けられているが、簡単のために照明柱２の中心軸上に図示している。
【００２０】
あるいは、多くの場合、橋梁１の主たる振動方向（ひいては被診断部位即ち第１部位２ａの主たる振動方向）、および照明柱２自体の主たる振動方向（ひいては第２部位２ｂの主たる振動方向）はそれぞれ経験的に判明しているので、これら２つの主たる振動方向に、各振動計測器１０Ａ、１０Ｂの３つの計測軸のうちの２つをそれぞれ合わせることにしてもよい。上記主たる振動方向が経験的に判明していない場合は、予備調査によって求めることにしてもよい。
【００２１】
なお、上記補強リブ４Ｕ，４Ｖの配置や主たる振動方向に関わらず、例えば計測軸ｘを橋軸方向へ向け、計測軸ｙを橋幅方向へ向け、計測軸ｚを鉛直方向へ向けることにしてもよい。
【００２２】
図示は省略するが、各加速度センサは、縦横寸法が５ｍｍ角で、厚さが２ｍｍ弱の小チップ状になっている。
なお、２個の２軸加速度センサに代えて、３個の１軸加速度センサを組み合せてもよく、１個の３軸加速度センサを用いてもよい。静電容量型加速度センサに代えて、圧電型、サーボ型等の他の方式の加速度センサを用いてもよい。
【００２３】
加速度計２０に、フィルタ２２、増幅器２３、Ａ／Ｄコンバータ２４を順次介して上記ＣＰＵ２１が接続されている。ＣＰＵ２１は、加速度計２０の計測加速度を変位に換算し、その変位の大きさ（後記レベルＬ１〜Ｌ５）ごとに回数をカウントする等の情報処理動作を実行する。
【００２４】
計測器１０Ａ，１０Ｂには、上記情報処理を実行するための記憶手段として、図示しないプログラム格納用ＲＯＭや一時保存用ＲＡＭに加えて、２つの記憶テーブル２５，２６が設けられている。図４に示すように、ａ−δ（加速度−変位）換算テーブル２５には、加速度を変位に換算するための換算係数ｋが振動の半周期Ｔ_１／２の大きさと対応付けられて設定されている。何故なら、振動は周期関数と考えてよいから、振動による変位振幅は、加速度振幅に比例し、周波数の略２乗に反比例する関係にあると見做すことができる。換算係数ｋは、この関係に基づいて算定されたものである。ただし、実際の情報処理では、加速度計２０からの加速度相当の電圧に基づいて換算を行なうので、図４に例示した数値は、加速度計２０に固有のものであり、加速度相当の電圧の取り方が異なれば、上記数値も異なるものになる。なお、換算テーブル２５に代えて、上記変位振幅と加速度振幅と周波数（ないしは周期）との関係を示す式をＲＯＭに格納しておき、この関係式に加速度振幅及び周波数（周期）の計測値を当てはめることにより、変位振幅を求めるようにしてもよい。
【００２５】
図５に示すように、各計測器１０Ａ，１０Ｂのδカウントテーブル２６（変位データ蓄積手段）には、変位（δ）の大きさと回数からなる変位データが蓄積されている。
詳述すると、図５（ａ）に示すように、第１振動計測器１０Ａのカウントテーブル２６には、例えばＬ１からＬ５までの５つの変位振幅レベルが設定されるとともに、各レベルまで変位した回数を数えるカウント欄が設けられている。各レベルの変位振幅δ１ｘ，δ１ｙ，δ１ｚの範囲は、レベルＬ１が０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ未満、レベルＬ２が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ未満、レベルＬ３が１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ未満、レベルＬ４が１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ未満、レベルＬ５が２．０ｍｍ以上等となっている。なお、δ１ｘは、被診断部位２ａのｘ方向の変位振幅を示し、δ１ｙは、被診断部位２ａのｙ方向の変位振幅を示し、δ１ｚは、被診断部位２ａのｚ方向の変位振幅を示している。カウント欄は、ｘ，ｙ，ｚの各方向成分に対応して３つに区分けされている。すなわち、ｘ方向への変位振幅δ１ｘに対応する回数Ｎ１ｘの欄と、ｙ方向への変位振幅δ１ｙに対応する回数Ｎ１ｙの欄と、ｚ方向への変位振幅δ１ｚに対応する回数Ｎ１ｚの欄とが設けられている。
【００２６】
同様に、図５（ｂ）に示すように、第２振動計測器１０Ｂのカウントテーブル２６には、上記第１振動計測器１０Ａと同一範囲の５つの変位振幅レベルＬ１〜Ｌ５が設定されるとともに、各レベルまで変位した回数を数えるカウント欄がｘ，ｙ，ｚの各方向成分ごとに設けられている。同図において、δ２ｘは、第２部位２ｂのｘ方向の変位振幅を示し、δ２ｙは、第２部位２ｂのｙ方向の変位振幅を示し、δ２ｚは、第２部位２ｂのｚ方向の変位振幅を示し、Ｎ２ｘは、変位振幅δ２ｘの回数を示し、Ｎ２ｙは、変位振幅δ２ｙの回数を示し、Ｎ２ｚは、変位振幅δ２ｚの回数を示す。
なお、変位振幅δ２ｘ，δ２ｙ，δ２ｚは、地面を基準とする静止座標上での絶対変位振幅であり、被診断部位２ａを基準とする相対変位振幅（後記図６のδ'２ｘ，δ'２ｙ，δ'２ｚ）とは異なる。
【００２７】
更に、図２に示すように、計測器本体１１には、収容素子２０〜２６に電力を供給する乾電池Ｖのホルダ２７が収容されている。
また、計測器本体１１の外面には、外部出力端子２８が設けられている。この外部出力端子２８にケーブル４９を介して上記解析装置４０が接続されるようになっている。
【００２８】
解析装置４０は、例えば携帯可能なパーソナルコンピュータからなり、上記計測器１０Ａ，１０Ｂの計測結果等を入力する入力部４１と、入力データに基づいて疲労解析を行う処理部４２と、記憶部４３と、解析結果を表示する表示部４４とを有している。記憶部４３には、δ−σ（変位−応力）相関データ４３ａやＳ−Ｎ（応力−繰り返し）線図データ４３ｂ等の柱２の疲労解析に必要な諸種のデータや解析用プログラムが予め記憶されている。
【００２９】
δ−σ相関データ４３ａは、柱２の第１部位すなわち被診断部位２ａに対してそこから距離Ｈだけ離れた第２部位２ｂが所定量変位したとき、被診断部位２ａにどれだけの応力が作用するかをデータ化したものである。すなわち、図６に示すように、δ−σ相関データ４３ａには、第２部位２ｂの被診断部位２ａに対する相対変位振幅が、図５と同一のレベルＬ１〜Ｌ５ごとに設定されている。そして、各レベルのｘ，ｙ，ｚの方向成分ごとに、被診断部位２ａに作用する応力振幅の値が定められている。図６において、δ'２ｘは、第２部位２ｂの被診断部位２ａに対するｘ方向への相対変位であり、δ'２ｙは、ｙ方向への相対変位であり、δ'２ｚは、ｚ方向への相対変位である。また、σ１ｘは、被診断部位２ａに作用するｘ方向への応力振幅であり、σ１ｙは、ｙ方向への応力振幅であり、σ１ｚは、ｚ方向への応力振幅である。
【００３０】
Ｓ−Ｎ線図データ４３ｂは、被診断部位２ａの応力振幅σ１ｘ，σ１ｙ，σ１ｚの大きさと、その応力を繰り返し受けることにより破断に至るまでの繰り返し回数との関係を、ｘ，ｙ，ｚの各方向成分ごとにデータ化したものである。
【００３１】
上記構成の疲労診断システムＳによる疲労診断方法を、図８及び図９のフローチャートにしたがって説明する。
まず、診断対象の柱２と、２つの被計測部位２ａ，２ｂを決定する（ステップ１００）。また、上記疲労解析に必要なデータ４３ａ，４３ｂ等を予め求め、記憶部４３に登録しておく（ステップ１０１）。δ−σ相関データ４３ａは、柱２の断面諸元をもとにＦＥＭ等の構造解析によって求めることができる。Ｓ−Ｎ線図データ４３ｂは、実際の柱や試験片を用いて疲労試験を行なうことによって得ることができる。
【００３２】
現地においては、柱２の被計測部位２ｂ，２ｂにそれぞれ第１、第２振動計測器１０Ａ，１０Ｂを取り付ける（ステップ１０２）。この取付け作業は、バンド１２を柱２に巻き付けるだけで簡単に行なうことができ、交通規制などは不要である。電池ホルダ２７には、新しい乾電池Ｖを収容しておく。加速度計２０をはじめとする計測器１０Ａ，１０Ｂの各素子は、消費電力が極めて小さく、乾電池で十分に駆動できる。したがって、外部電力を確保する必要がない。
【００３３】
そして、一定期間（例えば１週間〜２ヶ月）にわたって変位データの採取を実行する（ステップ１０３）。
すなわち、車両が走行したり風荷重が作用したりすると、照明柱２が、基部（被診断部位２ａ）を支点に振動する。これと一緒に第２振動計測器１０Ｂが振動し、第２部位２ｂの変位データ（変位振幅レベルごとの変位回数Ｎ２ｘ，Ｎ２ｙ，Ｎ２ｚ）が採取される。すなわち、第２振動計測器１０Ｂの加速度計２０が、上記振動の加速度に感応して、ｘ，ｙ，ｚの各成分ごとの加速度ａ_ｘ，ａ_ｙ，ａ_ｚを電圧信号として出力する。この信号が、フィルタ２２によってフィルタ処理され、増幅器２３によって増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ２４によって例えば１０ｍｓごとにサンプリングされる。図７は、一つの方向、例えばｙ方向の加速度ａ_ｙの振動の様子を例示したものである。同図の黒丸が、Ａ／Ｄコンバータ２４による１０ｍｓごとのサンプリングデータを示している。このようなサンプリングデータが、ＣＰＵ２１に順次入力される。
【００３４】
サンプリングデータが偏った変動をすることもあることを考慮して、ＣＰＵ２１は、ｘ，ｙ，ｚの各成分ごとのサンプリングデータについて、例えば２５６（２^８）個ごとの平均を取る。この平均値を基準軸Ｑ（図７の破線）として、加速度振動の半波ごとに半周期Ｔ_１／２と振幅Ｗを求め、それに基づいて変位振幅δ２ｘ，δ２ｙ，δ２ｚへの換算を行ない、カウントテーブル２６の対応欄の回数Ｎ２ｘ，Ｎ２ｙ，Ｎ２ｚをカウントアップする。 例えば、図７において、ｙ方向の加速度ａ_ｙが基準軸Ｑを上回ってから極大値を越えて再び基準軸Ｑに達するまでの時間を求め、これを第ｉ回目の半周期Ｔ_１／２ｉとする。この半周期Ｔ_１／２ｉに対応する換算係数ｋ＝ｋｉを換算テーブル２５で特定する。また、上記極大値すなわち加速度相当電圧の第ｉ回目の振幅Ｗｉを求める。この振幅Ｗｉと換算係数ｋｉとを乗じることにより、ｙ方向の第ｉ回目の変位振幅δ２ｙｉ（＝Ｗｉ×ｋｉ）を求めることができる。この変位振幅δ２ｙｉの含まれるレベルを求め、カウントテーブル２６における上記レベルのｙ方向の回数Ｎ２ｙをカウントアップする。ただし、上記の変位振幅δ２ｙｉは、往復したときの振幅ではなく、往きだけの振幅であるので、回数Ｎ２ｙは、０．５だけカウントアップされる。
【００３５】
続いて、加速度ａ_ｙが基準軸Ｑを下回ってから極小値を越えて再び基準軸Ｑに達するまでの時間を求め、これを第ｊ（＝ｉ＋１）回目の半周期Ｔ_１／２ｊとする。この半周期Ｔ_１／２ｊに対応する換算係数ｋ＝ｋｊを換算テーブル２５で特定する。また、上記極小値すなわち加速度相当電圧の２回目の振幅Ｗｊを求める。これにより、第ｊ回目の変位振幅δ２ｙｊ（＝Ｗｊ×ｋｊ）を求め、それに対応するレベルの回数Ｎ２ｙを０．５だけカウントアップする。
このようにして初めの２５６個のサンプリングデータが終わるまで、半波ごとに変位振幅δ２ｙの算出（換算）と対応レベルの回数Ｎ２ｙのカウントアップを繰り返すことにより、ｙ方向の変位データを採取する。
この処理を次の２５６個のサンプリングデータにも行い、以降２５６個のサンプリングデータごとに繰り返す。
同様にして、ｘ方向及びｚ方向についても変位データの採取を実行する。
なお、加速度の変位への換算は、換算テーブル２５を用いるのに代えて、加速度と変位の関係を示す関係式によって行なうことにしてもよく、積分回路等を用いて計測加速度を２回積分することによって行なうことにしてもよい。
【００３６】
以上は、第２部位２ｂの振動計測器１０Ｂでの処理内容であるが、車両走行時等には、照明柱２だけでなく橋梁１自体も振動することがある。そうすると、照明柱２の被診断部位２ａが橋梁１と一体に振動する。これによって、第１振動計測器１０Ａが、被診断部位２ａの変位データ（５つの変位振幅レベルごとの変位回数Ｎ１ｘ，Ｎ１ｙ，Ｎ１ｚ）を上記計測器１０Ｂと同様にしてカウントテーブル２６に蓄積していく。
一方、第２部位２ｂの振動は、照明柱２自体の振動と橋梁１の振動とを合成したものとなる。すなわち、変位振幅δ２ｘ，δ２ｙ，δ２ｚは、第２部位２ｂの橋梁１に対する変位振幅に、橋梁１の変位振幅を加算したものとなる。したがって、第２振動計測器１０Ｂによる変位データは、橋梁１ひいてはそれと一体になった被診断部位２ａに対する第２部位２ｂの変位データに、被診断部位２ａの変位データとを加算したものとなる。
【００３７】
こうして、一定の期間（１週間〜２ヶ月）にわたって変位データの採取を行なう（ステップ１０３）。消費電力が極小であるので、上記一定期間中の電力は、乾電池Ｖで十分に賄うことができる。期間の経過後、計測器１０Ａ，１０Ｂにケーブル４９を介して解析装置４０を接続する。これによって、各計測器１０Ａ，１０Ｂのカウントテーブル２６の変位データを解析装置４０に簡単に入力することができる（ステップ１０４）。解析装置４０には、照明柱２が橋梁１に設置されてから現在までの供用期間等も入力される。解析装置４０の処理部４２は、入力データを記憶部４３に記憶させる。そして、照明柱２の被診断部位２ａの疲労診断を行なう。
【００３８】
ここで、第２部位２ｂの計測器１０Ｂによる変位データには、被診断部位２ａの変位データが加算されていることは、上述した通りである。一方、被診断部位２ａの変位データについては計測器１０Ａによって取得されている。そこで、解析装置４０の処理部４２は、先ず、第２部位２ｂの計測器１０Ｂによる変位データと被診断部位２ａの計測器１０Ａによる変位データとの差分を取る（ステップ１０５）。具体的には、同一の変位振幅レベルごとに、第２部位２ｂの変位回数から被診断部位２ａの同一方向の変位回数を差し引く。すなわち、各レベルごとに以下の計算を行なう。
Ｎ'２ｘ＝Ｎ２ｘ−Ｎ１ｘ
Ｎ'２ｙ＝Ｎ２ｙ−Ｎ１ｙ
Ｎ'２ｚ＝Ｎ２ｚ−Ｎ１ｚ
これによって、第２部位２ｂの変位データを、被診断部位２ａに対する相対変位データ（レベルごとの変位回数Ｎ'２ｘ，Ｎ'２ｙ，Ｎ'２ｚ）に修正することができる。この相対変位データと記憶部４３のδ−σ相関データ４３ａとによって、被診断部位２ａに作用した応力振幅ごとの作用回数、すなわち応力頻度データを正確に得ることができる。
【００３９】
この応力頻度データやＳ−Ｎ線図データ４３ｂや供用期間データ等により、被診断部位２ａの累積損傷度（疲労の度合い）を算出することができる。例えば、ｙ方向の累積損傷度Ｄｙは、
Ｄｙ＝（Ｎｙ_Ｌ１／Ｎｆ_Ｌ１）＋（Ｎｙ_Ｌ２／Ｎｆ_Ｌ２）＋（Ｎｙ_Ｌ３／Ｎｆ_Ｌ３）＋（Ｎｙ_Ｌ４／Ｎｆ_Ｌ４）＋（Ｎｙ_Ｌ５／Ｎｆ_Ｌ５）
として求めることができる。ここで、Ｎｙ＝Ｎ'２ｙ×（計測期間／供用期間）であり、Ｎｆは、Ｓ−Ｎ線図データ４３ｂにおける疲労破壊に至る繰り返し回数であり、これらＮｙ，Ｎｆの添え字Ｌ１〜Ｌ５は、対応する変位振幅のレベルを示している。得られた累積損傷度や、その他の疲労診断結果は、表示部４４等に出力される。これにより、診断作業者は、診断結果（柱２の疲労の度合い、累積損傷度の大きさ等）を容易に把握することができる（ステップ１０６）。そして、累積損傷度≧１．０のときは、疲労亀裂が起きている可能性があるため現場で詳細なチェックを行なう（ステップ１０７）。亀裂が有った場合には、補強・補修を行なったり、新たなものに設置し直したりするなどの処置をとる。累積損傷度＜１．０のときは、特に処置の必要はないが（ステップ１０８）、疲労破壊に至る（累積損傷度≧１．０に達する）までの残存寿命を求めておくことにより、寿命が近くなってきた時点で補強・補修等を行なうことができる。これにより、柱２が倒壊する等の事故を未然に防止することができる。
計測器１０Ａ，１０Ｂは安価、軽量であるので、多数の柱２を低コストで診断することができる。
【００４０】
このシステムＳでは、ｘ，ｙ，ｚの３方向についてデータを取得できるので、いずれの方向の振動であっても疲労診断することができる。特に、照明柱２においては補強リブ４Ｕ，４Ｖの溶接部分で疲労亀裂が生じやすいところ、ｘ方向の計測データによって補強リブ４Ｕの溶接部分の疲労度を診断でき、ｙ方向の計測データによって補強リブ４Ｖの溶接部分の疲労度を診断できる。これによって、診断の合理化と信頼度の向上を図ることができる。
【００４１】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
本発明は、上記の照明柱２や標識柱のような片持ち状又は門型状のものに限られず、振動環境下にある構造物に遍く適用できる。
例えば、図１０に示す第２実施形態では、橋梁１の主桁１ａを疲労診断の対象としている。すなわち、主桁１ａにおける対傾構（又は横桁）１ｂとの接合部を被診断部位とし、この被診断部位又はその近傍を第１部位として、この第１部位に第１振動計測器１０Ａを設置するとともに、該第１部位から桁１ａの長手方向に所定距離Ｌだけ離れた位置を第２部位として、そこに第２振動計測器１０Ｂを設置する。これら計測器１０Ａ，１０Ｂの本体１１の側面には、取付け手段として、バンド１２に代えて板状の永久磁石１３が設けられている。これによって、計測器１０Ａ，１０Ｂを主桁１ａに磁力で簡単にくっつけることができる。
【００４２】
そして、上記柱２の場合と同様にして、振動計測器１０Ｂ，１０Ａの変位データの差分を取ることにより、第２部位の第１部位に対する相対変位データを求め、この相対変位データに基づいて被診断部位に作用する応力頻度を求め、この応力頻度により疲労診断を行なう。
主桁１ａと対傾構１ｂの接合部には応力が３次元的に作用しやすい。本システムＳは、３次元対応であるため、このような主桁１ａの疲労解析に特に有効である。
なお、上記主桁１ａはＩ断面桁であるが、箱桁その他の桁にも適用可能なことは勿論である。
【００４３】
図１１に示す第３実施形態では、橋梁１の複数の主桁１ａの各々に、振動計測器１０を設置してある。これら振動計測器１０の構成は、上記第１、第２振動計測器１０Ａ，１０Ｂと同一になっている。各振動計測器１０の変位データを比較することによって、偏荷重による主桁１ａ間の相対変位を簡単に把握することができる。ひいては、各主桁１ａと対傾構（横桁）１ｂとの接合部の疲労診断を容易に行なうことができる。
この実施形態においては、１つの主桁１ａの対傾構１ｂとの接合部を「被診断部位（第１部位）」とするとき、他の主桁１ａの対傾構１ｂとの接合部は、「第２部位」となる。
【００４４】
１つの診断対象に３つ以上の振動計測器を設置してもよい。例えば、図１２に示す第４実施形態では、トラストランガー橋３（親構造物）のトラス斜材３ａを疲労診断の対象とし、このトラス斜材（被診断構造物）３ａに３つの振動計測器を設置してある。すなわち、図１２（ｂ）に示すように、トラス斜材３ａの両端部をそれぞれ被診断部位（第１部位）として、そこに第１振動計測器１０Ａを設置してある。また、トラス斜材３ａの中間部を第２部位として、そこに第２振動計測器１０Ｂを設置してある。そして、トラス斜材３ａの両端部の変位データを中間部までの距離に応じて案分し、この案分値を中間部の変位データから差し引く等の演算処理により、中間部の相対変位データを得ることができる。この相対変位データから両端部の応力頻度を求め、疲労診断を行なうことができる。
なお、この実施形態のように、振動計測器を３つ以上設ける場合、これらの計測器が互いに同一直線に配置されているのが好ましいが、それに限定されるものではなく、同一平面上に配置されていてもよく、立体的に配置されていてもよい。
【００４５】
図１３、図１４は、本発明の第５実施形態の疲労診断システムＳ'を示したものである。図１３に示すように、照明柱２の被診断部位２ａには、第１振動計測器１０Ａ’が設けられ、第２部位２ｂには、第２振動計測器１０Ｂ'が設けられている。これら計測器１０Ａ'，１０Ｂ'が、柱２に沿って配線された信号ケーブル１４で結ばれている。図１４に示すように、第１振動計測器１０Ａ'には、加速度計２０が設けられる一方、ＣＰＵ２１が設けられていない。したがって、ＣＰＵ２１に付属する記憶テーブル２５，２６や図示しないＲＯＭやＲＡＭも設けられていない。第１振動計測器１０Ａ'において加速度計２０にフィルタ２２を介して連なる増幅器２３が、上記信号ケーブル１４を介して第２振動計測器１０Ｂ'のＡ／Ｄコンバータ２４に接続されている。
【００４６】
車両の走行等によって柱２が振動するとともに橋梁１自体も振動したときは、第１振動計測器１０Ａ'の加速度計２０が、橋梁１の振動加速度を計測する。この計測加速度信号が、当該第１振動計測器１０Ａ'のフィルタ２２でフィルタ処理され、増幅器２３で増幅された後、ケーブル１４を介して第２振動計測器１０Ｂ'に送られる。そして、計測器１０Ｂ'のＡ／Ｄコンバータ２４を介してＣＰＵ２１へ入力される。
【００４７】
これと併行して、第２振動計測器１０Ｂ'の加速度計２０によって柱２の第２部位２ｂの振動加速度が計測される。したがって、第２振動計測器１０Ｂ'のＣＰＵ２１には、柱２の被診断部位２ａの加速度信号と第２部位２ｂの加速度信号とが同時並行して入力される。ＣＰＵ２１は、これら２つの入力信号の差分を取る。これによって、第２部位２ｂの被診断部位２ａに対する相対加速度を求めることができる。勿論、上記２つの加速度信号をアナログの段階で差分を取ったうえで、ＣＰＵ２１に入力するように回路構成を組んでもよい。ＣＰＵ２１は、この相対加速度の振動データとａ−δ換算テーブル２５とを用いて、第２部位２ｂの被診断部位２ａに対する相対変位の大きさと回数を求める。そして、δカウントテーブル２６の対応欄をカウントアップする。
【００４８】
このシステムＳ'によれば、第２部位２ｂの相対変位の大きさを振動計測と並行して直接的に採取することができる。これにより、解析装置４０による差分の演算処理が不要になるだけでなく、被診断部位２ａに作用した応力頻度をより正確に求めることができ、一層正確な疲労診断を行なうことができる。
システムＳ'において、ＣＰＵ２１やそれに付属する記憶テーブル２５，２６等は、第２振動計測器１０Ｂ'に代えて第１振動計測器１０Ａ'に収容してもよく、計測器１０Ａ'，１０Ｂ'とは別体にユニット化して柱２近傍に配置するとともに、各計測器１０Ａ'，１０Ｂ'とケーブル１４で繋ぐことにしてもよい。
【００４９】
図１５は、本発明の第６実施形態を示したものである。この実施形態の照明柱２の基部には、補強リブが周方向に４５度間隔で８つ設けられている。すなわち、第１実施形態と同様の９０度置きの補強リブ４Ｕ，４Ｖの中間に、補強リブ４Ａ，４Ｂが設けられている。各振動計測器１０Ａ，１０Ｂ（または１０Ａ’，１０Ｂ’）の加速度計２０に組み込まれた２個の２軸加速度センサ２０ａ，２０ｂのうち、１個の加速度センサ２０ａの一方の計測軸ｘ_２０ａは、補強リブ４Ｕの方向に向けられ、他方の計測軸ｙ_２０ａは、補強リブ４Ｖの方向に向けられている。もう１個の加速度センサ２０ｂの一方の計測軸ｘ_２０ｂは、補強リブ４Ａの方向に向けられ、他方の計測軸ｙ_２０ｂは、補強リブ４Ｂの方向に向けられている。これによって、８つの補強リブ４Ｕ，４Ｖ，４Ａ，４Ｂの溶接箇所について、それぞれ直接的に振動計測して疲労度診断を行なうことができる。
【００５０】
図１６〜図１８は、本発明の第７実施形態を示したものである。この実施形態は、橋梁１および柱２の主たる振動方向や、疲労亀裂の起きやすい振動方向が不明な場合に適している。各振動計測器１０Ａ，１０Ｂ（または１０Ａ’，１０Ｂ’）の計測軸ｘは、例えば橋軸方向に向けられ、計測軸ｙは、橋幅方向に向けられ、計測軸ｚは、鉛直に向けられている（図１７参照）。また、振動計測器１０Ａ，１０Ｂ（または１０Ｂ’）には、変位データ蓄積手段として、図５のものに代えて図１８に示すカウントテーブル２６Ａが設けられている。このカウントテーブル２６Ａは、所定の角度（例えば２０°）ごとに区分された振動方向θと、複数（例えば５つ）のレベルＬ１〜Ｌ５ごとに区分された変位の大きさδ（θ）とのマトリックスで構成されている。ここで、θは、ｘ軸となす角度を指す（図１７）。各レベルＬ１〜Ｌ５の数値範囲は、図５のものと同様である。
【００５１】
第７実施形態におけるＣＰＵ２１は、２つの計測軸ｘ，ｙの変位成分δｘ，δｙを合成することによって、実際の振動の方向θと振幅（方向θへの変位の大きさδ（θ））を算出する。そして、カウントテーブル２６Ａ上において、上記算出値に対応する欄の計測値をカウントアップする。これによって、振動データを振動の方向θごとに蓄積することができ、方向をも考慮した疲労診断を行なうことができる。橋梁１や照明柱２の主たる振動方向も把握することができるので、前記予備診断に適用することもできる。
【００５２】
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。
第１振動計測器１０Ａ，１０Ａ'は、被診断構造物の被診断部位に直接設置する必要はなく、被診断部位と一体に変位する箇所に設置してもよい。一体に変位するのであれば当該被診断構造物に限らず他の構造物（該被診断構造物が定着される構造物など）に設置してもよい。例えば、被診断部位が照明柱２の基部の場合、その近くの地覆や床版等に設置してもよい。また、被診断部位が主桁１ａの対傾構（横桁）１ｂとの接合部の場合、この接合部と一体に変位する限り、接合部から多少離れた部位に設置してもよい。
振動計測器の構造物への取付け手段として、上記バンド１２や磁石１３の他、ねじを用いた取付け手段等を適用してもよい。
本発明は、橋脚の張り出し部やパイプアーチ橋等にも適用できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、疲労診断を簡単、安価に行なうことができるだけでなく、構造物全体の振動の有無に拘わらず、被診断部位における応力頻度を正確に算出することができ、疲労診断の精度を高めることができる。 振動計測器として加速度計を用いることにすれば、安価かつ小型化を図ることができ、２方向又は３方向の計測も容易に行なうようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１実施形態を適用したＩ断面桁橋梁の斜視図である。
（ｂ）上記Ｉ断面桁橋梁の正面図である。
【図２】上記第１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】（ａ）被診断構造物たる照明柱の基部の解説斜視図である。
（ｂ）上記照明柱の基部の平面解説図である。
【図４】上記疲労診断システムの振動計測器内の加速度−変位換算テーブルのデータ構造を例示した表である。
【図５】（ａ）上記疲労診断システムの第１振動計測器内のカウントテーブルのデータ構造を例示した表である。
（ｂ）上記疲労診断システムの第２振動計測器内のカウントテーブルのデータ構造を例示した表である。
【図６】上記疲労診断システムの解析装置内の変位−応力相関データの構造を例示した表である。
【図７】上記振動計測器によって計測された加速度振動の様子を例示したグラフである。
【図８】上記疲労診断システムによる疲労診断の手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】図８の手順の続きを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２実施形態を適用したＩ断面桁橋梁の斜視図である。
【図１１】本発明の第３実施形態を適用したＩ断面桁橋梁の斜視図である。
【図１２】（ａ）本発明の第４実施形態を適用するトラストランガー橋の斜視図である。
（ｂ）上記トラストランガー橋において第４実施形態を適用したトラス斜材の側面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態を適用したＩ断面桁橋梁の斜視図である。
【図１４】上記第５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１５】本発明の第６実施形態を示し、被診断構造物たる照明柱の基部の平面解説図である。
【図１６】本発明の第７実施形態に係る疲労診断システムの振動計測器の概略構成図である。
【図１７】上記第７実施形態の被診断構造物たる照明柱の基部の平面解説図である。
【図１８】上記第７実施形態の振動計測器内のカウントテーブルのデータ構造を例示した表である。
【符号の説明】
Ｓ,Ｓ' 疲労診断システム
Ｈ,Ｄ 第１、第２部位間の距離
Ｖ 乾電池
１ 橋梁（構造物）
１ａ 主桁
１ｂ 対傾構又は横桁
１ｃ 床版
１ｄ 地覆
２ 照明柱
２ａ 照明柱の第１部位（被診断部位）
２ｂ 照明柱の第２部位
３ トラストランガー橋（構造物）
３ａ トラス斜材
４Ｕ，４Ｖ，４Ａ，４Ｂ 補強リブ
１０Ａ,１０Ａ' 第１振動計測器
１０Ｂ,１０Ｂ' 第２振動計測器
１０ 振動計測器
１１ 計測器本体
１２ 取付けバンド
１３ 永久磁石
１４ 信号ケーブル
２０ 加速度計
２０ａ，２０ｂ ２軸加速度センサ
２１ ＣＰＵ（変位データ作成手段）
２２ フィルタ
２３ 増幅器
２４ Ａ／Ｄコンバータ
２５ ａ−δ（加速度−変位）換算テーブル
２６，２６Ａ 変位量カウントテーブル（変位データ蓄積手段）
２７ 乾電池ホルダ
２８ 外部出力端子
４０ 解析装置
４９ ケーブル
４１ 入力部
４２ 処理部
４３ 記憶部
４３ａ δ−σ（変位−応力）相関データ
４３ｂ Ｓ−Ｎ（応力−繰り返し）線図データ
４４ 表示部

Claims (8)

1. 振動環境下にある被診断構造物の被診断部位又はそれと一体に変位する当該若しくは他の構造物の部位からなる第１部位と、この第１部位に対し相対変位する当該被診断構造物の第２部位とに振動計測器をそれぞれ設け、これら計測器によって上記各部位の変位の、複数段階に区分して設定した大きさごとの発生回数のデータを一定期間にわたって採取した後、上記第１部位の発生回数データによって上記第２部位の発生回数データを修正するとともに、この修正データに基づいて上記被診断部位の疲労診断を行なうことを特徴とする構造物の疲労診断方法。
2. 振動環境下にある被診断構造物の被診断部位又はそれと一体に変位する当該若しくは他の構造物の部位からなる第１部位と、この第１部位に対し相対変位する当該被診断構造物の第２部位とに振動計測器をそれぞれ設け、これら計測器による振動計測と同時並行して、これらの計測値どうしを照らし合わせることにより、上記第２部位の第１部位に対する相対変位の、複数段階に区分して設定した大きさごとの発生回数のデータを一定期間にわたって採取し、その後、この発生回数データに基づいて上記被診断部位の疲労診断を行なうことを特徴とする構造物の疲労診断方法。
3. 上記第１部位と第２部位の主たる振動方向がそれぞれ分かっている場合において、上記振動計測器によって少なくとも上記主たる振動方向についてデータ採取を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の疲労診断法方法。
4. 上記被診断部位における疲労亀裂を起こしやすい振動方向が分かっている場合において、上記振動計測器によって少なくとも上記振動方向についてのデータ採取を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の疲労診断法方法。
5. 上記被診断構造物が、柱状物であり、その基端部には、補強リブが周方向に離れて複数設けられており、この補強リブの配置方向と同方向への振動についてのデータ採取を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の疲労診断法方法。
6. 上記振動計測器によって振動の方向をも計測可能であり、振動の方向ごとにデータ採取を行なうことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物の疲労診断法方法。
7. 上記振動計測器が、設置された部位の加速度振動を計測し、この加速度計測値が変位に換算されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の疲労診断方法。
8. 上記振動計測器が、互いに直交する２又は３方向ごとに加速度成分を計測することを特徴とする請求項７に記載の疲労診断方法。

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