JPS61167835A - 構造物の亀裂成長監視装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は複雑な構造物において、亀裂成長速度を支配す
るパラメータである応力拡大係数を直接求める構造物の
亀裂成長監視装置係る。

（従来の技術） 橋梁、其他の複雑な構造物においては車両其他重量物通
過による変動荷重を受けるため、疲労による損傷を受け
、亀裂を生ずることがある。これらの亀裂は何れは補修
されなければならないが、少くとも補修されるまでの間
は安全でなければならず、破壊してはならない、そのた
めには、現在の亀裂の成長速度を監視するとともに、将
来の成長量および、進展方向を推定するためのデータを
集録する監視装置が必要である。従来、構造物の実働応
力を計測する装置は実用されているが、複雑な構造物に
おいて亀裂成長速度に支配的な応力拡大係数を求める装
置はなかった。

（発明カシ解決しようとする問題点） このため特殊な形状のひずみゲージおよび演算装置から
なる自動監視装置を開発して応力拡大係数　　を′　求
　　め　　る　　こ　　と　　が　　問　　題　　点　
　で　　ある。

（問題点を解決するための手段） 第１図に示すように、中央部にスリット６ａを有する薄
膜状基盤３ａに、スリット６ａの一端を中心とする円周
上に等間隔（不等間隔でもよい、）に分散して複数枚の
３軸ロゼツトゲージ（文献２参照）を貼り付ける。１〜
１３は３軸ロゼツトゲージであり、スリット６ａの反対
側に１枚のクラックゲージ１５を貼り付ける。これらは
コネクタ１６を経て演算装置７ａに導かれる。演算装置
７ａはコンパクトに製作されて構造物の近くに置かれる
。演算装置７ａは応力拡大係数を算出、記憶、記録する
ために、動ひずみ計、極値検出回路ならびにその演算回
路と、タイマーと応力拡大係数ならびにクラックゲージ
出力の記憶装置とから構成され、クラック周辺のひずみ
ゲージのデータから応力拡大係数を計算するもので、こ
の監視装置の構成することにより問題点を解決するため
の手段と成っている。

（作用） ３軸ロゼツトゲージをスリットの一端を中心とト部付近
の応力を求めるには次の如くする。

合格３図、または第４図において、Ｘ方向（■方向）、
ｙ方向（■方向）およびそれらの２等分線方向（■方向
）の２番目の３軸ロゼツトゲージの出力を夫夫ｅｌε１
εｍとし、 剃定点の中の任意の ２点の引張応力をσ　、σ　、剪断応力をτ！　　　　
　！　　　　　　　　　　　　　　　冨！とすれば式が
成立する。

σ　＝（Ｅ／ｌ−υ１）・（ε　＋υ＠　Ｉ）−−−（
Ｂ）ｙ■ ここに、 σ　　＝　　（Ｅ／　　（１−？）　　）　　（ε＋υ
　（）σ　＝　（Ｅ／　（１−υ２））（ε２＋υ＠ｔ
　　　）＋（（ε、−ε、）／２１“ （２＝（ε、＋εｍ）／２−　　　　ε、＋ε、／２−
〜）０　＝　０．５　ｔａｎ−璽（ε、＋　εｍｌ　　
２　ａｘ）　／　（εｚ　−ε、）） ここにυはポアッソン比である。

以下、ひずみゲージ３ａｌの読みから応力拡大係数を算
出する過程を述べる。（文献ｌ参照）第５図（ａ）にお
いて、対象物にＰｉおよびＵｉの力がかかり図の如く亀
裂が生じたとする。亀裂の一端をＳの如く円または正方
形で囲み周上に３軸ロゼツトゲージを配置する０円周Ｓ
上の３点ロゼツトゲージの配置要領を第５図（ｂ）にて
説明する。

ｒは半径Ｒの円の境界で円周上にｎ個の３軸ロゼツトゲ
ージ１，２，３．、、、ｐ、ｐ＋１　　、、、ｎ　　を
図の如く配置する。その中ｐ番目から、ｐ＋１番目の測
定点が原点０に対してなす角、および２番目から、ｐ＋
２番目までの測定点が原点０に対してなす角度を夫夫 ７　　、　とｌ７、〒　、〒 を境界に作用する表面力のｘ、ｙ成分とすると。

測定点ｐでの表面力Ｔは に引いた法線の方向余弦である。ｒ上のｎ個の測定点間
の任意の点での表面力Ｔは二次式で近似すると （〒、）＝（〒）＝（〒　／〒　）　＝　　［Ｍ］　　
（Ｑ）１　　　ｘツ ・・拳・・Φ（２） となる、ここに ・・・・寺拳・・・（０ ／−％／鳴６＋＋／＋Ｎ ａ、、＝４（γ／γｏ）（１−γ／γ。）ａ３＝（γ／
γｏ）（２γ／γ　−１）ａ４＝＝（ｌ−γ／γ。）（
１−２γ／γ。）ａ５々４（γ／γ。）（１−γ／γ０
）ａ　　　＝（γ／γ　　）　（２γ／γ　　−１）　
。

６　　　　　　　　　　０　　　　　　　　　　　　。

式（４）の（Ｑ′ｆの添字Ｔは転置行列を示す。

以上の各測定点ｐの応力成分σ、σ、τ　　はひ！　　
　！　　　　冨！ すみゲージ３ａｌより前記式（Ａ）、（Ｂ）　、　（Ｃ
）により求められる。

次に亀裂部分の応力は応力拡大係数ＫＩ、Ｋｎ（モード
ＩをＫＩ、モード■をに■とする。）：より求められる
から亀裂部の応力も求められる。

ここに　［Ｈα］　は形状固有の常数を行列で表したも
ので円周の上の１２等分点上にひずみゲーしたもので円
周の上の１２等分点上に３軸ロゼツトゲージを配置した
場合は次の如くなる。

［ＨＱ］”＝ ・・・・・・・・・ｍ−（６） −−・　・　・　・　リ　＝　（７） ただし、［Ｈ（Ｘ”ｌは［Ｈ・］の転置行列を示す、１
２等分された３軸ロゼツトゲージの測定値を［Ｑ］　に
与Ｌ　しｇａｆｆ、（５）式ニヨリＫ１．Ｋｎが求めら
れ亀裂部分の応力拡大係数が求められる、（文献ｌ参照
） また、クラックゲージ３は亀裂が成長するにつれて順次
グリッドが切断して信号が出力されるが、第２図におい
てその信号は動ひずみ計１３で増幅され、その切断時刻
はタイマ１４によって計測し、亀裂の成長量とその時刻
を記憶装置１２で記憶しておけば亀裂の成長が自動的に
記録できる。

以上の２つの記録（応力拡大係数の時系列データおよび
、亀裂成長量とその時刻）はカセー、トテープまたはデ
ィスケット等の記憶媒体により工場に持帰りプリントし
て以後の解析に利用できる。

（実施例） 第１図（ｂ）にて本発明の構造物の成長亀裂監視装置に
使用する　ひずみゲージ３ａｌの構成を説明する。薄膜
状基盤３ａはひずみゲージ中心点５ａ＋中心とする円形
の薄膜で、スリット６＆が中心よす半径方向に外方に切
っである。適当な半径Ｒの円周上に３軸ロゼツトゲージ
１〜１３が配置されている。第１図では等間隔で１２等
分した場合を示したが、その中１，１３は、スリットの
直上直下に設けた０本実施例ではロゼツトゲージの等分
数を１２としたが、等分数は１２以外の配列１能な数で
あればよい、１５はクラックゲージで中心点５ａに接し
てスリツ）６ａの反対側に配置しである。

個々の３輪ロゼツトゲージを一度にセットするにはフォ
トレジスト法を用いると生産性がよＩ／旭　。

このひずみゲージ３ａｌを構造物にセ−／　トするには
次の如くする。

即ち第３図に示すように、試験しようとする対象物に発
生した亀裂の先端と、ひずみゲージ３ａｌの中心点５ａ
の一端とを合せながら、対象物の亀裂の他端およびひず
みゲージ３ａｌのスリット６ａの開口側を同一方向に向
けて、瞬間接着剤等によりひずみゲージ３ａｌと対象物
とを接着する第１ａ図には本発明のひずみゲージ３ａｌ
　（ロゼツトゲージとクラックゲージ）を対象物に取付
た所を示す。

’Ｋ１．Ｋｎ求めるには本実施例では次の如くした。

ひずみゲージ３ａｌの出力は１個のロゼツトゲージから
３つの出力があり、１３個のロゼツトゲージがあるので
計３９個の出力がある。これらの入力を受けて勤ひすみ
計９ａは３９個の応力”　ｘ　　（ｌ′ｙ　　”ｘｙ’
ｐ　　　Ｐ’ｌ１１　〜１３を求め、これらを次の極値
探索および記憶回路ｌＯａに入力する。即ち、動ひすみ
計９ａは式（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の計算を行い、その結果
を次の極値探索および記憶回路１０ａに出力する。第４
ｒｌ！Ｊはひずみゲージ３ａｌから得られた各応力値！
！！！ の時間変化を示す。

同図において左より極値にｌ＝１．ヱ、旦、。

の番号をつけである。極値ｉ毎に応力値【　ｆｆ菫　’
ｙ”ｘｙ’ｐ　　　ｐｓｍｌ　　〜１３を求め、（５）
式を用いてｉ毎の（ＫＩ、Ｋｎ）。

を求めこれよりＫ１．に■の時間的変化を得る。

以上の演算装置をブロック線図で示したものが第２図で
ある。

極値探索および記憶回路１０ａは各応力および剪断応力
より（５）式によりＫＩ、ＫＩＩを算出しその時間的変
化を次の記憶装置１２に入力する。

（発明の効果） （１）構造物に発生した亀裂の先端と、ひずみゲージ一
端を合せながら、構造物の亀裂とびずみゲージのスリッ
トとを同一方向に向けて、瞬間接着剤等により接着でき
るので作業が著しく簡単になった。

（２）境界条件の不明確な構造物に発生した亀裂に各種
の応力が作用した場合の亀裂に作用する応力拡大係数Ｋ
Ｉ（モードＩ）、に■（モード■）の時間的変化が分離
して計測できるので、ＫＩから将来の亀裂成長量を、Ｋ
ＩＩ／ＫＩから亀裂の進展方向を予測するためのデータ
取ることができる。

（３）クラックゲージがあるので、亀裂の成長過程東無
人で監視できる。

【図面の簡単な説明】

第１　（ａ）図は亀裂成長自動監視装置の全体図、（ｂ
）は本発明のひずみゲージの構成図、第２図は演算装置
のブロック図、第３図は３軸ロゼツトゲージによる測定
点の番号図、第４図は各ロゼツトゲージに生じる変動応
力の例示図、第５図は亀裂パネルとロゼツトゲージ位置
の番号および符号の説明図である。 １ａ・・・構造物、２ａ・・・亀裂、３ａ・・・薄膜基
盤、３ａ１・・・ひずみゲージ、６ａ・・・スリッ）、
７ａ・・・演算装置、９ａ１１＋１・動ひすみ（３９チ
ヤンネル）、１０ａ・・・極値探索および記憶回路、ｌ
ｌａ・・・Ｋ１．Ｋｎの演算回路、１２ａ・・番記憶回
路、１３ａ・・・動ひずみ（１チヤンネル）。 （１）北用英夫９石用哨雄：日本機械学会論文集４４巻
３８３号ｐ、２２０９ （２）服部敏夫著：工業計測器Ｐ、４２０第１図 （ｂ） 第３図 第４図 綺肩 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周辺より中央に向って明けられたスリットを有する薄膜
   状基盤と該スリットの末端を中心とする薄膜状基盤の円
   周上に分散して貼り付けられた複数枚の３軸ロゼットゲ
   ージとスリットの反対側に貼り付けられたクラックゲー
   ジとよりなるひずみゲージならびに、前記３軸ロゼット
   ゲージの出力より応力成分を算出し該応力成分の極値お
   よびその時刻を求め該極値における応力拡大係数を演算
   しその時系列を記憶する記憶装置と前記クラックゲージ
   出力およびその時刻を記憶する記憶装置とより構成され
   ることを特徴とする構造物の亀裂成長監視装置。