JPS58223725A - 部材の応力測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、部材の応力測定方法およびその装置に関す
るものであり、特に、構造物における構成部利の応力測
定方法およびその装置に係る。

その概要ｄ１、特定発明である応力測定方法にあっては
、孔を有する板状の光弾性体を部材にあらかじめ接着固
定しておき、そこに生じる干渉縞像、　を基準の干渉縞
像と比較することにより、この部材の応力を…り定する
ものである。その結果、部材に孔をあける必要はなく、
シかも、測定作業が簡単であって、現場において測定で
きるものである。

なお、この測定方法にあっては、部材を弱めないで済む
。

一方、特定発明の方法を実施する装置である部材の応力
測定装置にあっては、光弾性体からの反射光により作ら
れる干渉縞像を写し出す装置と、複数の基準となる干渉
縞像を選択的に表示する装置とを備えるものであって、
２つの干渉縞像を比較することにより、その６１す定を
行なう。この装置によって、現場にお、いて、その場で
簡単に部材の応力測定ができることになり、しかも、部
材は、傷付けなくても済むことになる。

従来、建築構造物の構成部材の応力を解析する方法の１
つとして、光弾性体によるものがあるが、これは、荷重
を受けた透明な弾性体に偏光を当てると、その応力に応
じた縞が現れ、こノ１．を調べることにより、その応力
を知るものである。この方法は、よく模型により、行な
われるが、直接、部材にエポキン樹脂などの光弾性体を
接着して、この部材と光弾性体とに孔をあけて、その孔
の周辺に集中する応力の状態を測定することも行なわれ
ている。

こｈは、実際の構造物に荷重がかけられ、これが負荷さ
れると、そこに、応力とひずみが生じるからである。そ
こで、この構造物を構成する部材の孔のあいだ表面に、
あらかじめ光弾性体を接着しておくと、この部材の孔の
周辺において、発生した応力とひずみが光弾性体に伝達
されることになり、そして、このとき、この孔の周囲に
、応力が集中することになる。その結果、光弾性体上に
明確な干渉縞が生じる。

従来の測定方法にあっては、この光弾性体に現れる縞次
数が構造物の表面の主ひずみ差に比例することを利用す
る。ここに、その縞次数を読み取ることにより、数式演
′ＪＡ−等を行なって、その応力を解析するものである
。

しかしながら、このような従来の測定方法にあっては、
まず、部材に孔をあけなければならず、母材を弱めるこ
とになる。しかも、その測定の作業性はよく′／Ｃいも
のであって、現、陽で簡単に、正確な測定ができ兄とい
うものではない。

かかる事情にかんがみて、ここに提案する発明はなされ
たもので、その目的は、このような従来技術の問題点を
除去することにあって、母材を傷付けたり、弱めたりす
ることなく、現場において、簡単に、正確な応力測定が
できるという部材の応力測定方法°およびその装置を提
供することにある。

しかして、」−記の目的を達成するだめのこの出願にお
ける特定発明にあっては、光弾性体の干渉縞像のパター
ンと色とに着目し、その構成例として、後述する実施例
および添付図面に示す如く、孔２ａを有する板状の光弾
性体２を測定すべき部材１にあらかじめ接着固定して、
この部材１が荷重を受けだ状態において、光弾性体２に
光を照射することにより発生した干渉゛′縞像２０を、
複数の基準となる干渉縞像と比較することにより、前ｉ
；［：部材１の応力を測定する、このような応力測定方
法に係る。

さらに、上記のような測定方法を実施する装置としての
関係発明にあってｄｌ、その構成例とし７て、後述する
如く、孔２ａを有する板状の光弾性体４４があらかじめ
接着固定され、その後、荷重がかけられた部材４１．４
２に対する応力を測定するものであって、光弾性体４４
に光を照射する装置５０と、この光弾性体４４から反射
してくる光による干渉縞像を写し出す装置５１．５２と
、この光弾性体４４に対応して、応力に応じて発生する
複数の基準となる干渉縞像を選択的に表示する装置５３
．５２とを備えるものであって、ここで、写し出された
干渉縞像と基準となる干渉縞像とを比較することからな
る応力測定装置４０に係る。

ところで、これら発明にあっては、部材（母材）に孔を
あけることなく、光弾性体のみに孔をあける方式を採っ
ている。そこで、この光弾性体に現わり、る縞は、従来
の光弾性体に比べて、単調なものとなる。

その結果、従来のごとく、その縞次数のみを読み取って
、その応力を解析するということは１．あまり適さない
。しかしながら、その縞が単調であるが故に、そのノミ
ターンは、読み取り易く、白色光の場合においては、そ
の色彩は、従来のものに比べて、非常に明確である利点
を持っている。

この利点に着目して、あらかじめ用意した基準のノミタ
ーンの形と色彩まだは、基準の色図表と得られた干渉縞
のパターンの形と色彩とを比較することにより、構造物
等の応力を正確に解析するのが、ここに提案する、以下
詳細に説明する発明である。

その結果、この方法、または、装置においては、もはや
、母相に孔をあけなくても、簡単にその応７、）′″１
“ｊ定”１き机 ところで、この明細書において使用する図表とは、ｘ、
ｙ座標に対応する数値を書き、そのグラフとして現わさ
れるグラフ図を始めとして、対応する数値を書き込んだ
テーブル、さらには、コンピュータのメモリの中に記憶
されたテーブル等でいう図または表を意味する広い概念
として１史用するものである。

以Ｆ１図面を参照して、この出願における発明の実施例
について、詳細に説明する。

第１図は、特定発明を適用した実施である部材の応力測
定方法の概念的６）？、明図である。

図中、１は部材であって、測定対象となるものである。

この部ｔＡ１には、あらかじめ板状の光弾性体２が接着
固定されている。ここに、光弾性体２は、その中央部に
孔２ａを有している。６は光源であって、その光線は、
偏光板４　、１／、１波長板５を経て、光弾性体２に照
射される。照射された光線は、光弾性体２内部で、複屈
折し、部１’　１　（ｉｌｌのその、底面において反、
射して、孔２：ｌを中心に、その表面に部材１に発生す
る応力に応じた干渉縞を作り出す。

この反射光線は、次に、１／４波長板６．偏光板７を経
て、スクリーン８上に干渉縞像を写し出す。

ここに、１−渉縞像は、例えば、この部材１の両端部に
加えら）］、る曲げモーメントＮ４、まだは面応力Ｎに
応じて変化するもので・（りる。

第２図は、このとき発生する干渉縞像の様子、を示して
いる。ここで、光弾性体２の孔２ａの半径をａとすると
ともに、光弾性体２の長手方向に沿った、その中心を通
Ｚ軸をｙ軸として、そこからの回転角をθ、中心からの
距離をｒと仮定する。

ここに、光弾性体２の孔２ａ周辺の応力を求め。

ると、それは、 σＣ２ａ２３ａ’ τγθ＝　−−（１→−−）ｓ＋ｎ２θ２　　　ｒ２Ｓ で表わされることになる。

なお、ここで、σ　ば、γ方向の応ツバ　り、はθ方向
の応力、そしてτ□は、そのせん断応力を示している。

捷だ、σ。は、光弾性体２に生じるｙ軸方向の応力であ
る。

以上の式から、光弾性体２の光弾性縞次数は、次の式で
与えられることになる。

ｐ４＝２１ａ（ａθ−０ｒ） ここに、ｔｃは、光弾性体２の厚さであり、αは、光弾
性体の感度を示している。

さらに、例えば、　Ａ　、　１１点における縞次数を求
めてみる。ずなわち、θ＝π／２　、７０およびγ＝１
とおくと、次の式の如くなる。

Ｎ人　＝６ｔｏｃｔａ ＮＢ＝−２ｔασ 以上の結果から作シ出される干渉縞は、例えば、第２図
の２０に示す如きものとなり、ここで、白色光を用いて
いる場合には、それぞれの縞の間には、応力に応じた色
彩が現われることになる。

ところで、その測定にあたっては、捷ず、あらかじめ板
状の光弾性体２を測定すべき部材１に、例えば、エポキ
シ樹脂、まだはエポキシ樹脂系の接着剤を用いて接着固
定することが望捷しい。

ここに、接着固定する光弾性体２の形状としては、例え
ば、長さ６０　ｍｍ　、幅４０　ｍｍ　、厚さ３　ｍｍ
のものを用い、その中央部に１．　Ｏｍｍφの孔２ａを
あけたものである。

なお、使用さハ、る光弾性体の好ましい形状の範囲は、
実験の結果、その幅が孔径の２〜４倍程度のものであっ
て、孔径は、５〜２０ｍｍ程度のものが良く、厚さは、
２〜６關が適当である。なお、その長さについては、適
宜選定することになる。

このような光弾性体２の部材１の接着面は鏡面仕上げさ
れ、エポキシ樹脂系の接着剤により、接。１　　　着面
“空気力入ら″う′１φ７・音ｌ′利″ＩＫＩＭ定され
る。

次に、この部材は、構造物、例えば、建築物の中に組み
込ｆＪｌ、て、荷重を受けることになる。ここで、第１
図に示す如く、光源乙により、スクリーン８　にに、そ
の応力に応した干渉縞像を写し出す。ここに、スクリー
ン８は、例えば、ノノメラにおけるフィルムであっても
より、寸だ、テレビカメラを用い、　ｃ　ｎ　’ｒディ
スプレイー１−に表示されるようなものであってもよい
。

こうして写し出された干渉縞像は、あらかじめ、実験的
にシミュレーションして、同様な光弾性部材２を、同様
な部材１に接着固定して測定さ、Ｉｔだ、各種の曲げモ
ーメントＭ、直応力Ｎに対応して、作成さノ１．た基準
の干渉縞像、複数と比較される。

そして、同じような干渉縞が選択されて、□ここに、そ
の応力を読み取ることになる。

このとき、その色彩については、等色線縞の色ごとの縞
次数を読み取り、これに対応した等色線縞と応力につい
ての関係をあらかじめ、実験的にシミュレーションして
作成しておき、この図表と照合することより、その測定
を行なうことができる。

第３図は、このシミュレーションした基準トなる図表を
表わしている。すなわち、第：３図に示す図表は、その
縦軸に引張応力σ。を、横軸如ひずみεを、各々示しだ
もので、光弾性体に生じる縞（次数）と色についての基
準値を示す。

なお、同図のグラフは、幅５０　ｍｍ　、厚さ６喘の銅
相に、幅４０　ｍｍ　、厚さ３　ｍｍのエポキシ樹脂の
光弾性体を接着同定した例であって、引張実験のシミュ
レーションの結果得たものである。

図中、黄１．黄２．橙１．橙２の添字１　、２　、。

・・・・・・は、孔２ａを基準として、生じだ各色をそ
の発生した縞を境に外１１すより付した各等色ごとにつ
いての次数である。

このような図表をもとにして、発生した干渉縞像の色彩
ごとの、比較を行なうことによって、その応力を正確に
測定することができる。

第４図は、以上の方法を実施する部材の応力測定装置の
発明の一実施例としこの応力測定器の外観図とその使用
状態を示すものである。

ここで、４０は、応力測定装置であって、はシ部材４１
を測定する場合と、柱部材４２を測定する場合の２つの
例を示している。

応力測定装置４０は、移動ディスク４６」―に載置され
て、対応する光弾性体４４に一致する位置に配置される
。

筒体４５．４６は、それぞれ、応力測定装置４０に設け
られた、投光器と受光器であって、投光器４５は、応力
測定器４０に内蔵された光源からの光を光弾性体４４に
投射するものである。これは、その内部に、偏光板と１
／４波長板と、レンズ系とを備えている。一方、受光器
４６も、その内部に偏光板と１／４波長板とレンズ系と
を備えていて、光弾性体４４の反射光を受ける。

ここに、投光器４５と受光器４６とはそＪしぞれ、移動
自在に、応力測定器４０に取付けられていて、その位置
調整が可能である。光弾性体４４に対して、投光器４４
からの光は、はぼ、５°〜１５°の角度の範囲に調整で
き、特に、好ましくは、７゜〜８°の角度で入射させて
、この光弾性体４４における反射光が受光器４６に至る
ように設定する。

受光器４６から受けた反射光は、応力測定装置４０の内
部装置で処理され、　に　Ｉｔ　Ｔスクリーン４７上の
、右片面に、これが表示される。

一方、ｃ　ｎ、　’ｒスクリーン４７上の左片面には、
基準となる干渉縞像が表示さノ１．て、これらが比、較
されることになる。なお、基準干渉縞は、応力測定装置
４０のスイッチ４８を押すことにより、順次、応力の小
さい順に選択されて、表示される。

以上の応力測定装置４０を構成する各装置のブロック図
を第５図に示す。

図中、４０は、応力測定装置であって、投光装置５０．
映像信号発生装置５１．ディスプレイ装置５２および基
準干渉縞像発生装置５６とから構成されている。

ここに、投光装置５０は、この応力測定装置でいうとこ
ろの光を照射する装置の具体例であって、映像信号発生
装置５１とディスプレイ装置５２と１．１　　は、光弾
性体からの干渉縞像を写し出す装置の具体例である。丑
だ、基準干渉縞発生装置５６とディスプレイ装置５２と
は、基準となる干渉縞像を選択的に表示する装置の具体
例である。ここでは、ディスプレイ装置５２ば、こり、
ら２つの装置に兼用されている。

ここに、投光装置５０は、投光器４５と光源と、その制
御回路とから構成されているものであり、映像信号発生
装置５１は、通常テレビカメラ、その映像信号発生回路
と受光器４６とを備えて構成されている。まだ、ディス
プレイ装置５２は、Ｃｎ、　ｌ’スクリーン５２ａ（第
４図における４７に対応）を有していて、光弾性体から
の干渉縞像と基準干渉縞像とを同時に、スクリーン上の
２つの領域にそれぞれ写し出す。

捷だ、基準干渉縞像発生装置５６は、具体的には、例え
ば、ビデオテープレコーダで構成されて、いくつもの基
準干渉縞像を選択的に取り出さるように記録しているも
のである。

なお、第５図において、４１は、第４図におけるはり部
材であり、４４は、そこに接着された光弾性体である。

このような構成よりなる応力測定装置４０の動作は、投
光装置５０の投光器４５と映像信号発生装置５１の受光
器４６とを調整して、ＯＲ，Ｔスクリーン５２２１上の
右側画面に、光弾性体４４の干渉縞像を表示させるとと
もに、基準干渉縞像発生装置５６を操作して、Ｃ１（、
′１゛スクリーン５２ａ上の左側両面に、基準干渉縞像
を順次選択的に発生させる。そこで、これを比較し、は
ぼ、同一の、。

ターンが選択された時点で、その基準干渉縞像の応力を
読み取るものである。

以上、詳述してきたが、前記第１図に示す実施例にあっ
ては、光源６は、申−色光のものであっても、白色光の
ものであってもよく、寸だ、スクリーン８ｒよ、白色の
布体てあっても、ノノメラ（１）フィルム等であっても
よい。

さらに、基準干渉縞像は、カラーのものであっテモモノ
クロームのものであってもよい。基準＝Ｆ−渉縞像がモ
ノクロームの場合には、第３１閑に示す色比較の図表を
用いると良い。また、モノクロームの場合には、基準干
渉縞像のノミターンを比較する方法と、その光弾性縞次
数を読み取る方法とのいずれかを用い、または両方用い
てもよい、さらに、色比較を図表によって行なう方法を
採ることができる。

第５図に示す実施例においてＣ２、（ｊ　Ｉｔ　ｉ’ス
クリーン５２ａを分割せずに、２つの干渉縞像を重複し
て表示してもよく、まだ、独立の（！　Ｉ（ｉ’スクリ
ーンに表示してもよい。さらに、基準−Ｉ′渉縞像ｄ：
、カラー写真を用いて、これと比較するということも可
能である。

以」二の如く、この発明にあっては、その特定発明の構
成として、孔を有する板状の光弾性体を測定すべき部材
にあらかじめ接着固定して、この部材が荷重を受けだ状
態において、前記光弾性体に光を照射することにより発
生した干渉縞像を複数の基準となる干渉縞像と比較する
ととにより、前記部材の応力を測定するようにしたので
、その干渉縞像が単純なものであって、比較が容易にで
き、現場においても、作業性よく、簡単に、構造物を構
成する部材の応力を測定することができる。

まだ、この方法を実施する部材の応力測定装置にあって
は、その構成として、孔を有する板状の光弾性体があら
かじめ接着固定され、その後、荷重がかけられ友部利に
対する応力を測定する応力測定装置であって、前記光弾
性体に光を照射する装置と、この光弾性体から反射して
くる光によ、る干渉縞像を写し出す装置と、この光弾性
体に対応して、応力に応して発生する複数の基準となる
干渉縞像を選択的に表示する装置とを備え、前記写し出
された干渉縞像と基準と在る干渉縞像とを比較するよう
にしだので、現場で１、簡単に、構造物におる構成部材
の応力を測定することができる。

しかも、これらの方法、装置にあっては、部材に孔をあ
ける。ことかないので、その部利を弱めることがなく、
効率よく、その測定ができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、特定発明を適用した実施例である部材の応力
測定方法の概念的説明図、第２図は、第一；・ １図における応力測定方法における光弾性体の干渉縞像
の一例を示す図、第３図は、光弾性体に生しる等色縞次
数と応力との関係についての基準値を示す図表の説明図
、第４國は、特定発明の方法を実施する部材の応力測定
装置の一実施例を示す外観図とその使用状態図、第５図
は、第４図に示す応力測定装置の各装置の構成を示すブ
ロック図である。 １・・・部材、２・・・光弾性体、６・・・光源、４，
７・・・偏光板、５，６・・・１／４波長板、８・・・
スクリーン、４゜・・・応力測定装置、５ｏ・・・投光
装置、５１・・・映像信号発生装置、５２・・・ディス
プレイ装置、５３・・・基準干渉縞像発生装置。 実用新案登録出願人　　大成建設株式会社代理人　弁理
士　森　　　哲　也 弁理士　内　藤　嘉　昭 弁理士　清　水　　　　正 弁、理士　　梶　　山　　枯　　是

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）孔を有する板状の光弾性体を測定すべき部材にあ
   らかじめ接着固定して、この部材が荷重を受けた状態に
   おいて、前記光弾性体に光を照射することにより発生し
   た干渉縞像を複数の基準となる干渉縞像と比較すること
   により、前記部制の応力を測定することを特徴とする部
   材の応力測定方法。
2. （２）発生した干渉縞像のパターンと色彩とを基準の干
   渉縞像のものと比較することを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の部材の応力測定方法。
3. （３）発生した干渉縞像のパターンについては、基準の
   干渉縞像のものと比較し、その色彩については、基準の
   図表を参照することを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の部材の応力測定方法。
4. （４）孔を有する板状の光弾性体があらかしめ接着固定
   され、その後、イＷｊ　Ｎかかけられた部月に対する応
   力を測定する応力測定装置であって、前記光弾性体に光
   を照射する装置と、この光弾性体から反射してくる光に
   よる干渉縞像を写し出す装置と、この光弾性体に対応し
   て、応力に応じて発生する複数の基準となる干渉縞像を
   選択的に表示する装置とを備え、前記写し出された干渉
   縞像と基準となる干渉縞像とを比較することを特徴とす
   る部材の応力測定装置。
5. （５）　　写し出す装置は、カラーのに渉縞像を発／：
   １；するものであり、表示する装置は、カラーの基準と
   なる干渉縞像を有することを特徴とする特許請求の範囲
   第（４）項記載の部材の応力４１］Ｉ定装置。