JP6536815B2 - 応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材 - Google Patents

Description

本発明は、被計測物の応力・ひずみ状態を測定するための応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材に関する。

構造物等の被計測物の応力・ひずみ状態を計測する場合には、ひずみゲージを用いるのが一般的である。他には、例えば、特許文献１、２に記載される方法、装置により応力・ひずみ状態を把握するものが知られている。

特許文献１には、き裂を有する試験片を応力ゲージとして被計測物に設け、そのき裂進展をモニタリングし、得られたき裂進展長さと別途定めたＳ−Ｎ線図より疲労損傷度を評価する方法について記載されている。
また、特許文献２には、被計測物に設けた切欠きを有する試験片から発生する音響放出波（ＡＥ波）を検出して応力を推定する応力検出装置について開示されている。

特許第３０２０１６２号公報 特公昭６２−３２４１１号公報

しかしながら、従来の応力ゲージでは、以下のような問題があった。
すなわち、一般的に使用されるひずみゲージや特許文献２に示す応力検出装置では、計測機器による継続的あるいは断続的な電気的モニタリング、そのための電源の確保、さらにはゲージと計測機器との配線が必要となるため、計測に手間と時間がかかり、コストが増大するという問題があった。一方、特許文献１に示す評価方法についても、応力ゲージとなる試験片のき裂長さを継続的あるいは断続的に測定することが必要であり、ひずみゲージや特許文献２に示す応力検出装置と同様に、計測に手間と時間を要する。結果として、従来の方法については改善の余地があり、新たな技術が求められていた。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、継続的あるいは断続的なモニタリング無しで応力・ひずみ状態を定量化することが可能であり、また特別な計測装置が無くとも対応できる応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材を提供することを目的とする。このような技術の提供によって、特にひずみ・応力状態の計測にかかる手間や時間を省くことができ、結果としてコストを低減することが可能となる。

上記目的を達成するため、本発明に係る応力ゲージは、被計測物の部材表面に設けられ、該被計測物の応力・ひずみ状態を測定するための応力ゲージであって、切欠きを有する検出部材を備え、該検出部材は、前記被計測物のひずみの変化に基づいて、前記切欠きの先端部から発生するき裂が進展可能に設けられ、き裂の進展状況を検出することにより応力・ひずみ状態を測定可能に構成され、前記検出部材は、前記被計測物よりも破壊靱性値が小さい材料であり、アルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）、シリコン（Ｓｉ）、又はタングステン（Ｗ）の材料のうち異なる材料からなる積層構造とされていることを特徴としている。

本発明に係る応力ゲージでは、被計測物の検出部材が例えば貼付あるいは印刷等による直接形成によって設けられた箇所に応力・ひずみが生じ、その応力・ひずみが所定の大きさに達したときに、検出部材の切欠きの先端部（切欠き先端）からき裂が進展する。この検出部材のき裂の進展状況を目視やカメラ、或いは他の検出手段によって検出することにより、被計測物が被った応力・ひずみ状態を容易に測定し、確認することができる。本応力ゲージは、検出部材の材質や切欠きサイズの選択により、検出部材の切欠き先端からき裂が進展することを利用し、被計測物が被った応力・ひずみ状態を直接的に計測するところに特徴がある。
このように、本発明に係る応力ゲージは、被計測物の部材表面に設けた検出部材のき裂の進展により、容易に被計測物の応力・ひずみ状態を特定することが可能となる。この結果、従来の方法と比較して、応力・ひずみ状態の評価を簡単に行うことができ、コストの低減を実現することができる。

また、本発明に係る応力ゲージでは、切欠きを有する検出部材を被計測物の任意の位置に複数配置したり、複数の切欠きを有する検出部材を被計測物の任意の位置に配置したりすることができる。つまり、被計測物における必要なスケールに応じて、μｍ〜ｍｍ〜ｃｍ単位の大きさの検出部材を選択して配置することが可能であり、必要とする目的、被計測物の構造などの条件に応じて構成することができる。
したがって、ひずみが発生しやすい箇所など測定したい箇所に集中的に検出部材を配置することができ、その付与位置から複数の応力状態を精度よく確認することができる。そのため、インフラ設備の経年劣化の評価に好適である。しかも、複数の検出部材を配置することで、比較的広い範囲の応力・ひずみ状態を評価することができる。
また、本発明では、被計測物よりも破壊靱性値が小さい検出部材を用いることで、被計測物に生じる小さな変位（ひずみ）の応力・ひずみ状態を測定することができる。

また、本発明に係る応力ゲージにおいて、前記検出部材は、複数設けられてなり、これら前記複数の検出部材に設けられる少なくとも２つの切欠きの長さが異なることが好ましい。

この場合には、被計測物の計測したい箇所の条件に合せて好適な切欠き長さの切欠きを有する検出部材を選択することができるため、被計測物の応力・ひずみ状態を精度よく確認することができる。

また、本発明に係る応力ゲージにおいて、前記検出部材は、複数設けられてなり、これら前記複数の検出部材に設けられる切欠きの長さが同じであるようにしてもよい。

本発明では、それぞれの検出部材に同じ応力・ひずみが生じる場合において、それぞれの切欠きの先端部から発生するき裂が進展状況の違いから、応力ゲージの精度のばらつきを確認することができる。

また、本発明に係る応力ゲージは、前記複数の検出部材に設けられる前記切欠きの向きを異なる方向に向けた状態で配置されていてもよい。

本発明では、複数の検出部材を、それぞれの切欠きの開口の向きを変えるだけで、任意の方向に向けて容易に配置することができる。例えば同じ切欠き長さの切欠きを有する検出部材を円周方向に複数配置することによって、任意の方向の応力を自在に測定することができる。

また、本発明に係る応力ゲージは、前記複数の検出部材は、それぞれ１つの切欠きを有し、前記切欠きの長さの長い順、短い順、あるいはランダムに配列されていてもよい。

この場合、被計測物の応力が大きくなるに従い、例えば切欠き長さの長い検出部材から短い検出部材となるように順次、き裂を進展させることができる。そのため、複数の検出部材のうちき裂が進展した検出部材の位置を確認することで、被計測物に作用した応力・ひずみ状態の程度（大きさ）を把握することができる。つまり、切欠き長さの異なる検出部材は、一種のインジケーターの機能を有することから、連続的な応力・ひずみの評価が可能であり、より高い精度で被計測物の応力・ひずみ状態を確認することができる。

また、本発明に係る応力ゲージは、前記検出部材の表面が着色されていてもよい。
また、本発明に係る応力ゲージは、前記検出部材は、複数の切欠きを有するようにしてもよい。
また、複数の前記検出部材を備えることが可能な円形のベース部材が設けられ、前記複数の検出部材は、前記ベース部材の半径方向に沿って配列されていることを特徴としてもよい。
さらに、前記複数の切欠きは、前記切欠きの長さの長い順、短い順、あるいはランダムに配列されていてもよい。

また、本発明に係る応力ゲージは、前記検出部材には、電気的な機能を有する端子を備えていてもよい。

この場合には、検出部材が切欠き先端部からき裂が進展したことを電気的に確認することができる。例えば、端子を可視的に確認できるモニター等の機器に接続しておくことで、容易に確認することが可能となる。
また、検出部材に端子を接続し、電気回路の一部として利用することもできる。さらに、蛍光体を含む材料や外部からの電磁波照射に対して発光することや、熱を発生することも可能である。

また、本発明に係る応力ゲージを備えた鋼材は、上述した応力ゲージが設けられていることを特徴としている。

本発明では、上述した作用効果により、応力ゲージが設けられた鋼材の応力・ひずみ状態を容易に、かつ精度よく確認することができる。

本発明の応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材によれば、構造物の各部位における応力・ひずみ状態を測定する方法として、構造物の健全性の評価において、従来のひずみゲージを用いた計測に対して、その健全性を確認するための臨界応力、臨界ひずみの検出を容易にすることで、設置や計測を簡単に行うことが可能となり、これらの作業にかかる手間や時間を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による鋼材に設ける応力ゲージの構成を示す平面図である。 図１に示す応力ゲージに設けられる検出部材を示す平面図である。 検出部材の接着状態の一例を示す平面図である。 検出部材の接着状態の他の例を示す図であって、（ａ）は検出部材の平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）における接着状態の他の例を示す断面図である。 実施例による応力ゲージを示す平面図である。 図５に示す実施例の切欠き先端の形状を示す拡大図である。 切欠き長さとクラック発生時応力の関係を示す図であって、試験結果と理論値を示す図である。 第２の実施の形態による応力ゲージの構成を示す平面図である。 第３の実施の形態による応力ゲージの作用を説明する図であって、ひずみと応力の関係を示す図である。 第４の実施の形態による応力ゲージの構成を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１０に示す検出部材の接着状態の示す平面図である。 応力ゲージの適用例を示す図であって、橋梁の主桁と横桁の接合部の斜視図である。 （ａ）〜（ｅ）は、変形例による検出部材を示す平面図である。 変形例によるせん断力を確認するための応力ゲージを示す平面図である。 適用例１による箱体に応力ゲージを設けた構成を示す斜視図である。 適用例２による箱体に応力ゲージを設けた構成を示す斜視図である。 適用例３による箱体に応力ゲージを設けた構成を示す斜視図である。 適用例４による箱体に応力ゲージを設けた構成を示す斜視図である。 （ａ）はガーダーのき裂発生箇所の一例を示す斜視図、（ｂ）は図１９（ａ）のＲ３部分のき裂発生箇所を示す拡大図、（ｃ）は図１９（ｂ）に示すき裂発生箇所の補修状態を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、適用例（Ａ）〜（Ｄ）によるガーダーにおける他の溶接部近傍、或いはその周辺に応力ゲージを貼付した例を示す要部斜視図である。

以下、本発明の実施の形態による応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態の応力ゲージ１は、鋼材２（被計測物）に設けられ、その鋼材２の応力・ひずみ状態を測定するためのものであり、１つの応力ゲージ１中に多数の検出部材３を有している。

応力ゲージ１は、円形のベース部材１１の上面に１つの切欠き３ａが形成された検出部材３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）を複数備え、鋼材２のひずみの変化に基づいて、切欠き先端３ｂ（先端部）からき裂が進展することが可能に設けられ、き裂の進展状況を検出することにより応力・ひずみ状態を測定可能に構成されている。
ここで、「き裂の進展」とは、切欠き先端３ｂから生じるき裂の長さ方向に延びるき裂の状態を示すが、破断した状態も含んでいる。

ベース部材１１は、円形シート状に形成されており、例えばフィルム、紙、金属板等の材料のものを接着することができる。ベース部材１１が金属板の場合には、上面に検出部材３が接着により配置されるとともに、下面が適宜な接着剤などからなる接着材料層によって鋼材２に貼着される。この時、応力ゲージ１は検出部材３（切欠き３ａを含む部分）の全面（図３参照））、あるいは一部が接着している構造とする。

検出部材３は、上述したようにベース部材１１の上面に例えば接着剤により貼着され、単体（１個）で設けられるもの（符号３Ｄの検出部材）と、ベース部材１１の半径方向Ｒに沿って複数個（ここでは３個、符号３Ａ〜３Ｃの検出部材）を配列させた組み合わせとして構成されるゲージ群３０（図１の二点鎖線で囲まれた集合体）と、を有している。これら検出部材３は、図２に示すように、平面視で正方形をなし、脆性材料を対象としており、鋼材２よりも破壊靱性値ＫＩＣが小さい材料が用いられる。あるいは鋼材２よりも破断ひずみが小さい材料を用いてもよい。検出部材３としては、例えばアルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）やシリコン（Ｓｉ）、タングステン（Ｗ）などのセラミックス、半導体、金属のいずれの材料でも用いることができる。また、これらの中の異なる材料を積層構造としても良い。さらに、検出部材３の表面には必要に応じて任意の色で着色することや蛍光塗料で着色しても良い。着色により、視認性を高めることができる。

また、検出部材３は、接着によりベース部材１１に貼着する構成に限定されず、例えば上面に検出部材３を蒸着技術や印刷技術などによりコーティングしたベース部材１１を鋼材２の表面に設けるようにしてもよい。高能率な印刷技術を用いる場合には、検出部材３となる脆性材料の付与を低コストで行うことができる。
検出部材３は図３に示すように全体（全面）、図４（ａ）、（ｂ）に示すように一部（符号３ｃ）が接着材により貼着（符号３ｄは非貼着部）されているもの、あるいは図４（ｃ）に示すように検出部材３がベース部材１１に直接貼着されないようにフィルム、紙、金属箔等の材料（符号３ｅ）が検出部材３とベース部材１１との間に存在しても良い。例えば、ベース部材１１の表面上に検出部材３を直接貼着しない部分では、水溶液や溶剤により除去できる材料をあらかじめコーティングしておいても良い。

なお、検出部材３の接着範囲は、図４（ａ）に示すように、切欠き３ａを挟んだ両端部分においてき裂の進展方向（切欠き３ａの長さ方向）に対して平行で、かつ同一幅となる範囲としているが、このような接着範囲であることに制限されるものではなく、例えば前記進展方向に対して傾きをもつように設けることも可能である。また、検出部材３の接着範囲として、き裂の進展方向に沿って同一幅ではなく、その幅寸法が前記進展方向の一方から他方に向かうに従い漸次、拡大または縮小するような範囲に設定してもよい。

図１に示すように、検出部材３の切欠き３ａは、４辺のうちの１辺を三角形状に切り欠いた形状をなしている。検出部材３は、それぞれ切欠き３ａの長さ寸法（切欠き長さａ）が異なっている。具体的には、単体で設けられる２つの検出部材３Ｄは、共に同形状の切欠き長さａをなし、切欠き先端３ｂを半径方向Ｒの中心Ｏ側に向けて配置されている。

また、２箇所のゲージ群３０は、例えば応力ゲージ１のうちとくに精度よく計測したい位置（図１で紙面右側部分）に集中させて配置されている。ゲージ群３０を構成する３つの検出部材３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、半径方向Ｒの内側から外側に向けて切欠き長さａの長いものから短いものになる順で配列され、３個の検出部材３Ａ〜３Ｃとも切欠き先端３ｂを半径方向Ｒの中心Ｏ側に向けて配置されている。つまり、鋼材２とともに応力ゲージ１に円周方向のひずみが作用すると、切欠き長さａの長い半径方向Ｒの中心Ｏ側に位置する検出部材３Ａの切欠き先端３ｂから最先でき裂が進展し、その後、符号３Ｂ、３Ｃの検出部材の切欠き先端３ｂからその順でき裂が進展する。つまり、１つのゲージ群３０において、３つの検出部材３Ａ、３Ｂ、３Ｃが設けられていることから、３段階の応力・ひずみ状態を確認することができる。

円周方向の異なる位置に設けられる検出部材３は、それぞれ切欠き３ａの開口の向きを異なる方向に向けて配置されている。

また、検出部材３の厚さは、１００ｎｍ以上に設定され、検出部材３を構成する材料の引張強度、或いは降伏応力の小さい方の応力σが０．０６／√ａ＜σ＜６０／√ａを満足するように設定されている。さらに、検出部材３は、その面内で厚さが異なっていてもよい。さらにまた、１つのベース部材１１において、全ての検出部材３の厚さが同じであってもよいし、全て或いは一部の検出部材３の厚さが異なっていてもよい。

ここで、本実施の形態の応力ゲージ１では、測定すべき位置に配置される検出部材３の部位における応力が一定の値を超えたときに、この検出部材３が切欠き先端３ｂからき裂が進展するが、検出部材３の材料の破壊靱性値ＫＩＣを確認することで、（１）式を用いて、この部位に生じた応力σ（ひずみ）を算出することができる。ここで、（１）式において、αは、検出部材３と切欠き３ａの形と寸法で決定される定数であり、１〜０．２程度の値である。

次に、上述した応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材の作用について図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、本実施の形態では、被計測物である鋼材２の検出部材３が貼付により設けられた箇所にひずみが生じると、その応力が所定の大きさに達したときに、検出部材３は切欠き３ａが拡大することによりその切欠き先端３ｂからき裂が進展する（図２参照）。そして、この検出部材３のき裂の進展状況を目視やカメラ、或いは他の検出手段（図示省略）によって検出することにより、鋼材２が被った応力・ひずみ状態を容易に測定し、確認することができる。本応力ゲージ１は、検出部材３の材質や切欠きサイズの選択により、検出部材３の切欠き先端３ｂからき裂が進展することを利用し、鋼材２が被った応力・ひずみ状態を直接的に計測するところに特徴がある。
このように、本実施の形態の応力ゲージ１は、鋼材２の部材表面に設けた検出部材３のき裂の進展により、容易に鋼材２の応力・ひずみ状態を特定することが可能となる。この結果、従来の方法と比較して、応力・ひずみ状態の評価を簡単に行うことができ、コストの低減を実現することができる。

このように、本実施の形態による応力ゲージ１では、鋼材２に対する検出部材３の付与とそのき裂の進展状況のモニタリングとを極めて簡単に行うことができ、コストの低減を図ることができる。なお、具体的なモニタリングの方法としては、目視の他に、電気的、光学的、画像的、熱的な検出による方法を採用することができる。
したがって、鋼材２に設けた検出部材３のき裂の進展により、容易に鋼材２の応力・ひずみ状態を特定することが可能となる。この結果、従来の方法と比較して、応力・ひずみ状態の評価を簡単に行うことができ、コストの低減を実現することができる。

また、本実施の形態の応力ゲージ１では、切欠き３ａを有する検出部材３を鋼材２の任意の位置に複数配置したり、複数の切欠き３ａを有する検出部材３を鋼材２の任意の位置に配置したりすることができる。つまり、鋼材２における必要なスケールに応じて、μｍ〜ｍｍ〜ｃｍ単位の大きさの検出部材３を選択して配置することが可能であり、必要とする目的、鋼材２などの被計測物の構造などの条件に応じて構成することができる。
そして、半径方向Ｒ及び円周方向に配置する検出部材３の数量は、図１に示す形態に限定されることはなく、検出を必要とする応力の方向とその大きさに応じて１〜ｎ個の数を自由に選択することができる。

したがって、ひずみが発生しやすい箇所など測定したい箇所に集中的に検出部材３を配置することができ、その付与位置から複数の応力状態を精度よく確認することができる。
そのため、インフラ設備の経年劣化の評価に好適である。しかも、複数の検出部材３を配置することで、より広い範囲の応力・ひずみ状態を評価することができる。

また、本実施の形態の応力ゲージ１では、ゲージ群３０において、複数の検出部材３Ａ〜３Ｃはそれぞれ切欠き長さａが異なる構成であるので、鋼材２の計測したい箇所の条件に合せて好適な切欠き長さａの切欠き３ａを有する検出部材３を選択することができる。
そのため、鋼材２の応力・ひずみ状態を精度よく確認することができる。

しかも、本実施の形態のゲージ群３０では、例えば切欠き長さａの長い順に複数の検出部材３を連続的に配列することで、鋼材２の応力が大きくなるに従い、切欠き長さの長い検出部材３から短い検出部材３となるように順次、き裂を進展させることができる。そのため、連続的に配列される複数の検出部材３のうちき裂が進展した検出部材３の位置を確認することで、被計測物が被った応力・ひずみ状態の程度（大きさ）を把握することができる。つまり、切欠き長さａの異なる検出部材３は、一種のインジケーターの機能を有することから、連続的なひずみを確認することができ、より簡便かつ高い精度で鋼材２の応力・ひずみ状態を確認することができる。

また、本実施の形態の応力ゲージ１において、複数の検出部材３を、それぞれの切欠き３ａの開口の向きを変えるだけで、任意の方向に向けて容易に配置することができる。そのため、本実施の形態のように、同じ切欠き長さの切欠き３ａを有する単体の検出部材３を円周方向の異なる位置で同心円上に配置することによって、任意の方向の応力を自在に測定することができる。

上述した本実施の形態による応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材では、被計測物となる構造物（鋼材２）の各部位における応力・ひずみ状態を測定する方法として、構造物の健全性の評価において、従来のひずみゲージを用いた計測に対して、簡便に応力、ひずみの検出を可能とすることで、設置や計測が簡単に行え、手間や時間を低減することができ、コストの低減を図ることができる。

次に、上述した実施の形態による応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材の効果を裏付けるための実施例について以下に説明する。

（実施例）
本実施例では、図５に示すように、厚さ０．１５ｍｍ×巾３０ｍｍ ×長さ１６０ｍｍで、ヤング率２１０ＧＰａの鋼板４１（ベース部材）の上に、異なる切欠き長さａの切欠き４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを有する４つのＡｌ_２Ｏ_３薄膜（検出部材４２Ａ〜４２Ｄ）をＰＶＤ法で蒸着した。図５中の検出部材４２Ａ〜４２Ｄの接着部４ａ、４ａ同士の間の部分には、あらかじめアルコール溶剤で除去できる有機材料を厚さ１０〜１００ｎｍで設けておく。Ａｌ_２Ｏ_３薄膜をＰＶＤ法でコーティングした後、鋼板をアルコール溶剤中に入れ、有機材料を除去した。なお、図５の数値の単位はｍｍである。切欠き４２ａ〜４２ｄの切欠き長さａは、それぞれａ＝７ｍｍ、１０ｍｍ、１３ｍｍ、１６ｍｍである。検出部材４２Ａ〜４２Ｄは、５０μｍ厚、２０ｍｍ角の正方形で、破壊靭性値Ｋ_ＩＣ =４．０ ＭＰａ・√ｍを有する。
ここで、これら検出部材４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄを備えた鋼板４１は応力ゲージ４を構成している。なお、各切欠き４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの先端の形状は、図６に示すように、θ＝９０°で直角となっている。

試験は、応力ゲージ４に対して、引張試験機を用いて徐々に応力を加えながら、その表面を観察した。荷重の増加に伴い、最も長いき裂（切欠き）を有する検出部材４２Ａ（ａ＝１６ｍｍ）でクラックが先ず発生し、その後の荷重の増加に伴って、ａ＝１３ｍｍ、１０ｍｍ、７ｍｍの切欠き４２ｂ、４２ｃ、４２ｄの各検出部材４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄの順にクラックが発生することが観察された。また、クラックが発生した時の荷重はそれぞれ７２Ｎ、７９Ｎ、９０Ｎ、１０９Ｎであった。
クラックが発生するき裂先端における破壊応力σは、上述した（１）式で求められる。
（１）式中のαは、１．１２とされる。その結果、クラック発生時の応力の測定値は、それぞれ１６．０ＭＰａ、１７．６ＭＰａ、２０．０ＭＰａ、２４．２ＭＰａであった。試験結果と理論値との対応関係を図７に示す。図７の結果より、精度よく応力の検出が可能であることを確認することができる。

次に、本発明の応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図８に示すように、第２の実施の形態による応力ゲージ１Ａは、平面視で四角形のベース部材１２において複数の検出部材３１を配置した構成となっている。
検出部材３１の切欠き３１ａは、スリット状に切り込まれている。その切欠き３１ａの長さ（切欠き長さ）の異なる検出部材３１、３１、…を、切欠き長さの長いものから順に一方向から他方向に向けて配列したゲージ群３０Ａがベース部材１２上に４つ設けられている。
これら４つのゲージ群３０Ａは、それぞれ４５°ずつの異なる方向にずらした状態で配置されており、複数の応力の測定に対応できる構成となっている。

（第３の実施の形態）
次に、上記の実施の形態では検出部材３、３１として脆性材料を対象としているが延性材料に適用する場合について説明する。
この場合の検出部材として、延性を有する材料で公称ひずみまで測定すると仮定し、検出部材の材料の降伏強度をσ_ｙとし、き裂の進展ひずみをε_Ｆとする。ひずみ計測の場合には、ε_Ｆ＞１％以上の材料が使用される。
図９に示すように、切欠きを設けた材料では負荷荷重（ひずみ）が大きくなると、切欠き先端で降伏領域が生じるが、その降伏領域の大きさは、γ_ｐ〜Ω（Ｋ／σ_ｙ）^２となる。ここで、Ωは応力状態による定数、Ｋは応力拡大係数（（２）式）、ａは切欠き長さを示している。

本実施の形態の検出部材では、変形が進み降伏領域が全面降伏状態になった場合、降伏領域部の応力はσ_ｙ以上にはならないが、ひずみは伸びにつれて増加する。すなわち、切欠き先端部での応力集中ではなく、ひずみ集中が生じることになる。つまり、ひずみ集中の最大がき裂の進展ひずみに等しくなったときが切欠き先端から破壊が始まる条件となるので、一端破壊が始まれば切欠きは外部からの変位の増加（伸びの増加）なしに進展することになる。

すなわち、検出部材として、小さな変位（ひずみ）に対しては脆性材料を使用し、大きな変位（ひずみ）に対しては延性材料を使用することが好ましい。このような延性材料の伸びは、たとえば、金属やプラスチックスに小さなセラミックス粒子を混入することにより、制御することができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態による応力ゲージについて、図面に基づいて説明する。
図１０に示す第４の実施の形態による応力ゲージ１Ｂは、上述した実施の形態と同様に、鋼材２に設けられ、鋼材２の応力・ひずみ状態を測定するためのものであって、１つの検出部材３２に複数の切欠長さａ１〜ａ４の異なる切欠き３２ａ〜３２ｄが形成された構成となっている。この検出部材３２は、鋼材２のひずみの変化に基づいて、複数の切欠き３２ａ〜３２ｄがそれぞれ拡大することによってき裂の進展が可能なように設けられている。これら複数の切欠き３２ａ〜３２ｄは、切欠き長さの長い順に配列されている。
図１１（ａ）、（ｂ）には、接着部３ｃを示している。接着部３ｃは、図１１（ａ）に示すように検出部材３２の両端部のみに設けられていてもよいし、図１１（ｂ）に示すように検出部材３２の両端部および切欠き３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ同士の間の部分に設けられていてもよい。

この場合、１つの検出部材３２において切欠き長さの長い順に複数の切欠き３２ａ〜３２ｄを連続的に配列することで、被計測物２の応力が大きくなるに従い、切欠き長さの長い切欠き３２ａから短い切欠き３２ｄとなるように順次、き裂を進展させることができる。そのため、連続的に配列される複数の切欠き３２ａ〜３２ｄのうちき裂の進展した切欠き３２ａ〜３２ｄを確認することで、応力・ひずみ状態の程度（大きさ）を把握することができる。つまり、切欠き長さの長い（短い）順に配列されるこれら切欠き３２ａ〜３２ｄは、インジケーターの機能を有することから、連続的なひずみを確認することができ、より高い精度で鋼材の応力・ひずみ状態を精度よく確認することができる。

以上、本発明による応力ゲージ、及びこれを備えた鋼材の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば本実施の形態では、複数の検出部材に設けられる少なくとも２つの切欠きの長さが異なる構成、又は複数の切欠きを有する検出部材の構成としているが、これらの形態に限定されることはなく、複数の検出部材に設けられる切欠きの長さが同じである構成としてもよい。このような構成では、それぞれの検出部材に同じ応力・ひずみが生じる場合において、それぞれの切欠きの先端部から発生するき裂が進展状況の違いから、応力ゲージの精度のばらつきを確認することができる。

また、上述した実施の形態では、切欠き長さの長い順（短い順）に直線状に一列に配列されている例を示しているが、これに限定されることはない。例えば、切欠き長さの長い順（短い順）に円周方向に沿って配列する構成でもよい。また、長さの順に関係なく、一列又は円周状に配列される切欠きのそれぞれの切欠き長さが、その配列順に沿ってランダムに配置されていてもよい。

また、本実施の形態では、応力ゲージ１、１Ａ、１Ｂを設ける被計測物として、鋼材を対象としているが、これに限定されることはない。例えば、被計測物の他の材料として、非鉄（金属）、ガラス、セラミック、コンクリート（モルタル）、アスファルト、プラスチック（樹脂）、木材、石膏、ゴム、紙、複合材料等に適用することができる。また、人体や動物のような生体に適用することもできる。

なお、被計測物として種々の材料を挙げたが、上記の実施の形態のように汎用性として、建材用、橋梁用、船舶用、海洋構造物用として用いられる鋼板やＨ形鋼、鋼矢板等の鋼材を対象とすることが好ましい。例えば、好適な使用方法として、被計測物が建築物の場合、鉄骨からなる柱梁の接続部における塑性化し易い部分に検出部材を取り付け、地震によって被った応力・ひずみ状態をモニタリングし、その健全性を定量化することができる。
また、一般的な適用例として、図１２に示すように、橋梁５の主桁５１と横桁５２とが補剛材５３を介して接合される接合部において、例えば図１２において二点鎖線で囲んだ部分５Ａ、５Ｂ、５Ｃの疲労き裂が発生しやすい部分や発生が予想される部分に、上述した複数の検出部材３、３１、３２を備えた円形状或いは四角形状等の応力ゲージ１、１Ａ、１Ｂを適宜な箇所に設け、その接合部における応力・ひずみ状態をモニタリングし、疲労き裂の発生・進展の状況を把握することができる。

また、上述した実施の形態のように、応力ゲージにおける検出部材の形状、大きさ（寸法）、材質、数量は、付与する被計測物の条件（材質、大きさ、形状など）や、被計測物に対する付与方法（直接接着、ベース部材を介して接着、蒸着、印刷等による直接形成など）の条件に応じて適宜設定することができる。そのため、検出部材の形状としては、上記実施の形態の正方形に限らず、円形、三角形、長方形や五角形以上の多角形、楕円形などの任意の形状に設定することができる。
そして、検出部材は、電気伝導性のものでも良いし、電気絶縁性のものでもよい。

また、検出部材の材質として、蛍光体、発光体、発熱体を含ませることで、き裂の進展状態を目視で確認し易い機能をもたせることも可能である。
さらに、検出部材は、１つの材料から形成される部材であっても良いし、２つ以上の材料からなる積層構造の部材であってもかまわない。例えば、電気伝導性を有する部材の層と電気絶縁性を有する部材の層を組み合わせて積層させることもできる。

さらにまた、検出部材に電気的な機能を有する端子を備えるようにしても良い。この場合には、検出部材が切欠き先端からでき裂が進展したときに電気的に確認することができる。例えば、端子を可視的に確認できるモニター等の機器に接続しておくことで、容易に確認することが可能となる。
また、検出部材に接続される端子を電気回路の一部として利用することができ、蛍光体を含む材料や外部からの電磁波照射に対して発光することや、熱を発生することも可能である。

また、検出部材は、被計測物に対してコーティング（例えば蒸着や印刷）や接着剤を用いた接着により直接的に設けることも可能であるので、上述した実施の形態のようなフィルム等のベース部材１１、１２を省略してもよい。さらに、ベース部材として、転写プロセス用接着材料層が表面に設けられたものとし、検出部材のみを被計測物に接着させるようにしても良い。

なお、検出部材のコーティング（印刷）に関しても、上記実施の形態のようにフィルム等のベース部材１１、１２に印刷するのではなく、ベース部材１１、１２を省略して直接、被計測物２に印刷する方法によるものでもよい。
さらに、フィルム等のベース部材上に検出部材をコーティング（印刷）した状態で、さらにその表面にベース部材と同じ材料（フィルム等）、或いは異なる材料のものをコーティング（印刷）してもよく、これにより、設置条件（水分、湿度などの影響）による耐環境特性を向上させることができ、測定精度を高めることが可能となる。

検出部材の切欠きにおける切欠き先端の形状は、直線でも円弧状（曲線）でもよい。直線の場合、たとえば図６にあるような９０°である必要はなく、θは任意の角度に設定することができる。また、円弧状の場合、そのラディアスは任意に設定することができる。
ただし、切欠き先端の曲率半径ρが切欠き長さａより小さい（ρ＜ａ）条件を満たす必要がある。そして、前記ラディアスは、自然に発生するき裂を利用しても良い。
検出部材において、切欠きの切欠き長さａが検出部材の最も長い辺よりも小さければ良く、直線であっても、曲線であってもよい。さらに、直線や曲線の一部が２つ以上の直線や曲線に分岐していてもよい。

このように個々の検出部材３に設ける切欠き３ａの配置と切欠き３ａの形状、寸法（サイズ）、及び切欠き数量（１〜ｋ個）は任意に設定することが可能である。
例えば、図１３（ａ）に示す第１変形例による検出部材３３は、同軸上に対向して２つの三角形状の切欠き３３ａを設けた形状である。
図１３（ｂ）に示す第２変形例による検出部材３４は、同軸上に対向する２個を、直交方向に配置して計４個の切欠き３４ａを設けた形状である。
図１３（ｃ）に示す第３変形例による検出部材３５は、異なる軸上に２個の切欠き３５ａを設けた形状である。
図１３（ｄ）に示す第４変形例による検出部材３６は、切欠き３６ａを１個設けた形状である。
図１３（ｅ）に示す第５変形例による検出部材３７は、検出部材の形状が四角ではなく、正三角形状をなす場合であって、３つの各辺に切欠き３７ａを設けた形状である。

また、本発明による応力ゲージでは、被計測物におけるせん断力を測定することも可能である。例えば、図１４に示すように、応力ゲージ１Ｃの検出部材３８は、一対の切欠き３８ａ、３８ａが互いに対向して配置されるとともに、対向する一対の切欠き３８ａ、３８ａの切欠き先端３８ｂ、３８ｂ同士が互いにせん断方向Ｅに離れた位置に配置されている。
これにより、一対の切欠き３８ａ、３８ａが切欠き先端３８ｂ、３８ｂ同士を結ぶ線（図１４で点線で示すせん断ライン）においてせん断力τが作用し、そのせん断ラインでき裂が進展する。これを上述した実施の形態と同様に目視などにより把握することで、被計測物のせん断状態を確認することが可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

次に、以上説明した応力ゲージの適用事例について、図面に基づいて説明する。
図１５〜図１８に示す適用例１〜４は、それぞれ例えば輸送用で商品梱包用の段ボール箱からなる箱体６を形成する６面のうち１面（これを検出面６Ａという）の四隅に応力ゲージ１Ｄ〜１Ｇを貼付したものである。
図１５に示す適用例１の応力ゲージ１Ｄは、１つの切欠き３ａを有する平面視で四角形状をなす１枚の検出部材３からなり、その切欠き３ａが検出面６Ａの角頂部６ａに向けた状態で貼り付けられている。適用例１では、輸送時に箱体６の落下や衝突が起こった場合に、応力ゲージ１Ｄのき裂状況を見ることで、衝撃を受けた履歴がわかり、箱体６内に収容されている商品の状態を簡易に確認することができる。

また、図１６に示す適用例２における箱体６に設けられる応力ゲージ１Ｅは、異なる切欠き長さの２枚の四角形状をなす検出部材３Ａ、３Ｂが箱体６の検出面６Ａにおける対角線方向に沿って配列された構成となっている。一対の検出部材３Ａ、３Ｂのうち対角線方向で角頂部６ａ側に配置される第１検出部材３Ａは、他方の第２検出部材３Ｂよりも小さい切欠き３ａのものが配置されている。そして、検出部材３Ａ、３Ｂは、それぞれの切欠き３ａが角頂部６ａに向けた状態で貼り付けられている。
この場合には、箱体６が受ける応力に応じてひずみが作用すると、先に切欠き３ａの長さが長い第２検出部材３Ｂの切欠き３ａが第１検出部材３Ａよりも先にき裂が進展し、その後、第１検出部材３Ａの切欠き３ａでき裂が進展する。そのため、適用例２では、受けた最大応力の程度を段階的に推測することが可能になる。なお、応力ゲージ１Ｅの枚数は、２枚であることに限定されず、３枚以上を設けるようにしてもよい。

また、図１７に示す適用例３における箱体６に設けられる応力ゲージ１Ｆは、１枚の四角形状をなす検出部材３Ｃに複数（ここでは２つ）の切欠き３ａ、３ａを設けたものである。検出部材３Ｃは、四角形の４辺のうち隣り合う２辺のそれぞれに切欠き３ａが設けられ、各切欠き３ａの方向は箱体６の面互いに直交する方向に切欠き３ａ、３ａが形成されている。適用例３では、直交する２方向のき裂の状況を確認することができるので、箱体６に作用する応力の向きを評価することが可能となっている。

また、図１８に示す適用例４における箱体６に設けられる応力ゲージ１Ｇは、平面視で正三角形状の検出部材３Ｄの各辺に切欠き３ａを設けた構成となっている。検出部材３Ｄは、１つの頂部３ｆを箱体６の検出面６Ａにおける角頂部６ａ側に向けて配置されている。この場合には、箱体６に作用する応力の向きを３方向から評価することができる。

ここで、上述した適用例１〜４のように箱体６における発生応力を評価する方向は任意であるが、検出面６Ａの四隅のそれぞれに１つの検出部材のみを貼付する場合には、検出面６Ａの角部が引き裂かれる方向、すなわち図１５に示す適用例１のように、切欠き３ａの向きが角部を構成する一辺に対して４５°の方向となるように貼り付けるのが通常である。或いは、角部の凹みを対象とする場合には、図１７に示す適用例２のように、切欠き３ａの向きが角部を構成する一辺と平行な方向となるように貼り付けるようにしてもよい。
また、上述した適用例１〜４では、箱体６の６面のうち１面のみを検出面６Ａとしているが、１面であることに限らず、２面以上、或いは全面に設けられていてもよい。

このように構成される適用例１〜４では、従来、輸送時の衝撃履歴を確認することが困難であったが、応力ゲージの使用により、容易に確認することができる。また、異なる切欠き長さの応力ゲージを複数枚することで受けた最大応力の程度が容易に推定できる。このような使用により、輸送時の保証制度にも活用することができる。

次に、応力ゲージを備えた鋼材において、溶接時の応力上昇を確認した適用事例について、図面に基づいて説明する。
図１９（ａ）、（ｂ）は、Ｈ形鋼からなるガーダー７において、応力集中してき裂Ｋが発生しやすい箇所を図中の符号Ｒ１〜Ｒ３の二点鎖線で示している。ガーダー７は、上フランジ７１、下フランジ７２、及びウェブ７３からなり、適宜な箇所にガセットプレート７４を接合させた構成となっている。図１９（ｂ）は、下フランジ７２とガセットプレート７４との溶接部に発生しているき裂Ｋの状態を示している。

図１９（ｃ）は、下フランジ７２の上面７２ａにおけるガセットプレート７４との接合部付近に生じているき裂Ｋの近傍に応力ゲージ１を貼付した補修状態を示している。き裂Ｋは、下フランジ７２の延在方向に対して略直交する方向に延びている。このき裂Ｋは、ガウジング（溝掘り）した部位に溶接を施した補修が施される。そして、このき裂Ｋに対する補修部Ｒ３の両側に１箇所の切欠き３ａを有する四角形状の検出部材３（応力ゲージ１）を貼り付けている。検出部材３は、切欠き３ａがウェブ７３に対して対向し、かつ切欠き３ａの方向がき裂Ｋの向きと略平行となるように配置されている。すなわち、検出部材３は、き裂補修時のガウジングによる引張応力（図１９（ｃ）の矢印Ｐ）に対して略直交する方向に切欠き３ａが位置するように配置されている。

また、図２０（ａ）〜（ｄ）には、上述したガーダー７における他の溶接部近傍、或いはその周辺に応力ゲージ１を貼付するなどの例を示している。図２０中の矢印（符号Ｐ）は、図１９（ｃ）と同様に、溶接時の引張応力の作用方向（引張応力方向）を示している。応力ゲージ１の検出部材３は、切欠き３ａの向きが引張応力方向Ｐの方向に対して直交するように配置されている。

図２０（ａ）に示すように、適用例（Ａ）は、下フランジ７２の下面７２ｂにおいて、面外ガセットまわし溶接部Ｗ１の近傍に２つの応力ゲージ１を貼付した一例を示している。この場合、二方向の引張応力Ｐのそれぞれに対応する向きに切欠き３ａを向けて配置されている。
図２０（ｂ）に示すように、適用例（Ｂ）は、上フランジ７１とウェブ７３のガセットプレート７４が接続される部分の近傍において、面外ガセットまわし溶接部Ｗ２、すなわち上フランジ７１から鉛直力が卓越していると考えられる部分の近傍に複数の応力ゲージ１を貼付した一例を示している。この場合、上フランジ７１及びウェブ７３のそれぞれにおいて、ガセットプレート７４を挟んだ両側に配置されている。

図２０（ｃ）に示すように、適用例（Ｃ）は、下フランジ７２に接続されるガセットプレート７４において、面内ガセットまわし溶接部Ｗ３の近傍に応力ゲージ１を貼付した一例を示している。
また、図２０（ｄ）に示すように、適用例（Ｄ）は、板継溶接部Ｗ４の近傍に応力ゲージ１を貼付した一例を示している。

このように、鋼材を溶接する場合には、応力ゲージを溶接部近傍、或いはその周辺に貼付しておくことにより、溶接時による母材の応力上昇の程度を容易に確認することができる。また、所定の応力上昇内に収まり、溶接作業の品質確認を簡易に把握することができる。

１、１Ａ〜１Ｇ、４ 応力ゲージ
２ 鋼材（被計測物）
３、３１〜３８、４２Ａ〜４２Ｄ 検出部材
３ａ、３１ａ〜３８ａ、４２ａ〜４２ｄ 切欠き
３ｂ、３１ｂ〜３８ｂ 切欠き先端（切欠きの先端部）
１１、１２ ベース部材
３０、３０Ａ ゲージ群
Ｒ 検出部材の半径方向

Claims (11)

1. 被計測物の部材表面に設けられ、該被計測物の応力・ひずみ状態を測定するための応力ゲージであって、
   切欠きを有する検出部材を備え、
   該検出部材は、前記被計測物のひずみの変化に基づいて、前記切欠きの先端部から発生するき裂が進展可能に設けられ、き裂の進展状況を検出することにより応力・ひずみ状態を測定可能に構成され、
   前記検出部材は、前記被計測物よりも破壊靱性値が小さい材料であり、アルミナ（Ａｌ _２ Ｏ _３ ）、シリコン（Ｓｉ）、又はタングステン（Ｗ）の材料のうち異なる材料からなる積層構造とされていることを特徴とする応力ゲージ。
2. 前記検出部材の表面が着色されていることを特徴とする請求項１に記載の応力ゲージ。
3. 前記検出部材は、複数設けられてなり、
   これら前記複数の検出部材に設けられる少なくとも２つの切欠きの長さが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の応力ゲージ。
4. 前記検出部材は、複数設けられてなり、
   これら前記複数の検出部材に設けられる切欠きの長さが同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の応力ゲージ。
5. 前記複数の検出部材に設けられる前記切欠きの向きを異なる方向に向けた状態で配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の応力ゲージ。
6. 複数の前記検出部材を備えることが可能な円形のベース部材が設けられ、
   前記複数の検出部材は、前記ベース部材の半径方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項５に記載の応力ゲージ。
7. 前記複数の検出部材は、それぞれ１つの切欠きを有し、前記切欠きの長さの長い順、短い順、あるいはランダムに配列されていることを特徴とする請求項３に記載の応力ゲージ。
8. 前記検出部材は、複数の切欠きを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の応力ゲージ。
9. 前記複数の切欠きは、前記切欠きの長さの長い順、短い順、あるいはランダムに配列されていることを特徴とする請求項８に記載の応力ゲージ。
10. 前記検出部材には、電気的な機能を有する端子を備えていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の応力ゲージ。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の応力ゲージが設けられていることを特徴とする応力ゲージを備えた鋼材。

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