JP5714493B2 - 設置された特別設計材料停止システムのための現場強度試験装置及び方法 - Google Patents

Description

＜関連出願情報＞
本願は、２００８年９月２５日付で出願された、「設置された特別設計材料停止システムのための現場強度試験方法」と題する米国仮特許出願第６１／０９９，９３７号による優先権を主張し、その開示全体を援用してここに組み入れる。

本発明の実施例は、一般的に低強度材料のための、特に設置された特別設計材料停止システム（Engineered Material Arresting Systems、以下ＥＭＡＳと呼ぶ）又は車両圧縮停止システム上の低強度材料のための、持ち運び可能な試験装置及び試験方法に関する。ＥＭＡＳの一例は、「車両停止ベッドシステム」と題された米国特許第５，８８５，０２５号等に記載されている。

ＥＭＡＳシステム又は車両圧縮停止システムの一例は、滑走路の末端に配置され、滑走路の末端から外れて進行する航空機の重量を受けて、予測可能に且つ確実に砕かれる（あるいは変形する）材料を含む。低強度材料により与えられる抵抗力は、航空機を減速させ、航空機をオーバーラン領域（過走領域）内にて停止させる。ＥＭＡＳの目的は、予測可能且つ特定の方法で破損することにより、車両がＥＭＡＳシステムを変形させる際に、制御された予測可能な抵抗力をもたらすことにある。それゆえにＥＭＡＳは一般的に、圧縮性、変形性、破砕性を有するか又は適切な衝撃によって圧縮、変形、破砕可能である。ＥＭＡＳは今やアメリカ合衆国の飛行場設計の標準であり、２００５年９月３０日付の米連邦航空局の勧告回状１５０／５２２０−２２Ａ「航空機のオーバーランのための特別設計材料停止システム（ＥＭＡＳ）」に記載されている。ＥＭＡＳ及び滑走路の安全領域計画は米連邦航空局の指令５２００．８及び５２００．９において指導されている。あるいは、ＥＭＡＳ材料又は車両圧縮停止システム（又は、車両変形停止システム）を、車道又は歩行者用通路（又はその他の場所）に、例えば航空機以外の車両や物体を減速させる目的で設置してもよい。

ＥＭＡＳの設計及び製造は、米連邦航空局の勧告回状１５０／５２２０−２２Ａに詳述されたすべての要求を満たさなければならない。特定の滑走路において作動する特定の航空機構成に対してＥＭＡＳの性能を最適化するため、所定の強度の材料が選択される。米連邦航空局の指令５２００．９に基づくライフサイクルコスト計算においては、ＥＭＡＳは所定の期間で交換が必要となるものとして想定されている。設置されたＥＭＡＳシステムが、設計された車両停止能力を維持していることを判定すべく、設置されたＥＭＡＳの経時的な強度を計測するために、現場における強度試験装置及び試験方法の開発が必要とされている。

米国特許第５，７８９，６８１号には、ＥＭＡＳ材料の試験装置及び試験方法の一例が記載されている。この米国特許はまた、圧縮傾斜強度（Compressive Gradient Strength、ＣＧＳ）基準について定義しているが、この基準は製造時に材料強度を制御するために工場内で用いられてきたものである。しかしながら、この特許された工場内試験方法は、少なくとも試験装置が持ち運び可能でないという理由により、設置されたＥＭＡＳシステムの現場における強度試験に直接適用することはできない。このシステムは、支持台に載せられた停止用材料の試験片に対して試験を行う。そして試験片に対して（試験用プローブヘッドを有した軸を制御する液圧システムを用いて）比較的速い一定速度で荷重が加えられ、その際に、試験用プローブヘッドが試験片を貫いて移動するのにあわせて連続的に、又は試験用プローブヘッドの変位が少しずつ増加するごとに、力計測が行われる。しかしながら、すでに設置されたＥＭＡＳシステムの試験が所望されている場合、一つ又はそれ以上の材料部分をＥＭＡＳシステムから取り外し、これらの部分を試験のために試験所に輸送するということは実際的ではないと共に信頼性に欠ける。生じうる問題の例としては、試験片を取り外す間に材料にひびが入る可能性、又は、試験片の取り外しによってＥＭＡＳシステム全体に不具合が生じる可能性があり、いずれによっても試験過程に問題が生じてしまう。試験片を取り外すことによって、時にはＥＭＡＳ床（ＥＭＡＳベッド）全体を使用休止にする必要があるかもしれず、これにより付随する滑走路の使用が長期にわたり不可能になるかもしれない。

それゆえに、本文に記載の発明の実施例は、既存の、現在設置されているＥＭＡＳに対して現場で簡単に実施できる（すなわちその場での）強度試験装置及び強度試験方法を提供する。所望される持ち運び可能な試験装置は、抵抗負荷及び貫入深さの値を読み取る必要がある。測定された抵抗負荷はＣＧＳに変換することが出来る。材料内への貫入深さは異なる種類の距離測定装置を用いても測定出来る。

いくつかの市販の土壌貫入計は、抵抗負荷測定と距離測定の両方を行うことが可能であるが、これら土壌貫入計を、現状の設計のままで、ＥＭＡＳ材料の現場強度試験に直接適用することは出来ない。これらの貫入計は、主に土壌締固めの調査のために設計されている。例えば、米国農業技術者学会（ＡＳＡＥ）と米国試験・材料協会（ＡＳＴＭ）は円錐形のパンチヘッドの使用を要求しているが、これは特に土壌試験のために企図されたものであり、ＥＭＡＳ材料の独特の特性ゆえに、これらの円錐形パンチヘッドをＥＭＡＳの試験のために用いることはできない。よって、本発明の実施例は、現在設置されているＥＭＡＳシステムの様々な特徴を試験するための、持ち運び可能な試験装置と試験方法を提供する。

設置されたＥＭＡＳシステムのための現場強度試験には大きな需要がある。しかしながら、特許された工場内ＥＭＡＳ試験装置も、土壌試験用の貫入計もＥＭＡＳ現場試験の専門的な要求を満たさない。したがって、本発明の実施例は、ハードウェア設計、標本サイズ決定、ランダムサンプリング、強度データ解釈を含む現場強度試験装置及び方法を提供する。ここに記述された強度試験装置及び方法は、既存のＥＭＡＳシステムのみではなく、類似する停止能力を有する他の低強度材料を利用するであろう新世代のＥＭＡＳにも用いることができる。各種の材料は、選択されたパンチヘッドのサイズに関連づけられた固有の許容幅を有する。これらの許容幅は、おそらく、監督機関又はＥＭＡＳシステムの製造業者によって前もって設定されることになるだろう。そしてこれらの許容幅は、設置の際に調節される。しかしながら、設置されたシステムの許容幅は、材料が、時間を経た後に所望の且つ要求された強度を維持していることを確認するために、本明細書に記載された装置及び方法を用いて、設置された後、様々な間隔で、適切に試験されるべきである。

図１は、現場試験装置の一実施例の側面図である。 図２は、図１の現場試験装置の一端の拡大図である。 図３は、図１の現場試験装置のパンチヘッドの一実施例の底面図である。 図４は、本発明の様々な実施例にしたがって変更される前の、従来技術の土壌貫入計の一例である。 図５は、試験方法の一実施例にしたがった試験工程の概略図である。

図１に示すように、持ち運び可能な現場試験装置１０の一実施例は、軸１２と、パンチヘッド２０と、計測系３０とを有する。可搬性を増すため、軸１２は、２つ又はそれ以上の部分に分割されており、現場で組み立てられるものであってもよい（しかし、そうでなくてもよい）。図１に示された具体例では、軸１２は上部軸１４及び下部軸１６の２つの部分を備えており、現場ですばやく組み立てることができ、しかも運搬の容易性をもたらしている。しかしながら、単一の軸又は任意の数の部分に分かれる軸であってもよいことが理解されるべきである。図１の具体例においても示されるように、上部軸部分１４と下部軸部分１６は螺子連結部１８によって連結され得る。ここでも、本発明の範囲内において、スナップ式連結、ｊロック／タブ式連結、蟻継ぎ（Ｖ字型継ぎ手）連結、先細り（テーパ）連結等の、任意の数の適切な連結が使用、考慮され得ることが理解されるべきである。

具体的な実施例において、パンチ軸１２は、所望の最大貫入深さをカバーするために、少なくとも約２５インチ（約６３．５０ｃｍ）の長さを有する。試験される材料の種類に応じて、軸１２は一般的に少なくとも約５インチ（約１２．７０ｃｍ）の長さを有すべきであるが、約５インチ（約１２．７０ｃｍ）から約３６インチ（約９１．４４ｃｍ）の範囲のいかなる値でもよく、もし使用が容易になるのであればさらに長いものであってもよい。一般的に、パンチ軸１２の長さは、貫入速度を一定に維持する操作が容易になるよう最適化されるべきである。

装置１０は、その下部にパンチヘッド２０も有している。パンチヘッド２０の一のタイプは、図３に示すように、平坦な下面２２及び一般的には円形である径２４を有している。一実施例では、現場試験装置１０は抵抗負荷及び貫入深さを測定する能力を備えた設計に基づくものとし得る。他の実施例では、現場試験装置１０は、既存の土壌貫入計のパンチヘッドと軸に変更を加えたものに基づいて構築してもよい。

土壌貫入計７０の一例を図４に示す。このような装置には、様々な選択肢が存在するが、土壌貫入計は一般的に、様々なパラメータを測定すべく土壌を突き刺すよう設計された、円錐形又は尖状のパンチヘッド７２を有する。ＡＳＡＥ及びＡＳＴＭ標準により提示されているように、土壌貫入計は一般的に、３０°又は６０°のどちらかの円錐形の土壌試験用パンチヘッドを有する。これによって、土壌貫入計の尖状端は、土壌に容易に突き刺さることができる。

明らかに、そのような装置はＥＭＡＳの圧縮傾斜強度を試験するためには有用ではないだろう。ＥＭＡＳ試験の目的は、必ずしもＥＭＡＳを貫くことではなく、加えられた所定の荷重のもとでのＥＭＡＳの破損を、所定の規定領域にわたって測定することである。よって、既設のＥＭＡＳシステムを試験するための現場試験装置１０は、好ましくは平坦な下面２２を有するパンチヘッド２０を備えるよう設計されている。パンチヘッド２０はまた、一般的に略円形又は円形で備えられる。平坦円形は、パンチヘッド２０が、主に材料のＣＧＳ強度からうける抵抗力に打ち勝つように選択される。パンチヘッド２０の厚さ２８は、パンチヘッド２０からの摩擦抵抗を最小化するように設計されている。対照的に、土壌貫入計の円錐形ヘッドは、目的に適う抵抗値を全く調べることなく、即座にＥＭＡＳを貫くだろう。パンチヘッドの材料は、ＥＭＡＳ材料による摩擦に起因する損耗に抵抗するよう選択されるべきである。特に限定はされないが、パンチヘッドの材料の例としては、任意の適切な種類の金属、ポリマー、若しくはセラミックス又はこれらの任意の組合せ若しくは合金が挙げられる。パンチヘッド２０は異なる有効表面を有し得ることが理解されるべきであり、完全な平面且つ円形である必要はないことが理解されるべきである。ある強度材料を試験するためには、好適なヘッドサイズを選択することができる。特に限定はされないが、可能なパンチ直径としては、約０．５インチ（約１．２７ｃｍ）から約２．０インチ（約５．０８ｃｍ）の範囲が挙げられる。しかし、パンチ直径は材料及び試験環境次第では、上述の範囲よりも大きく又は小さくし得ることが理解されるべきである。

図１においてパンチ軸１２は、パンチヘッド２０の直径２４よりも小さい直径２６を有するものとして示されている。この設計は、軸１２からの摩擦負荷を除去するのに役立つ。パンチ軸１２を、パンチヘッド２０の直径２４とほぼ同じサイズ又は等しいサイズとすることも可能である。軸１２はまた、抵抗負荷に起因する座屈を回避できる程度に頑強であるべきである。軸の材料は、激しい使用による損耗にも抵抗するように選択すべきであり、その例としては、パンチヘッド２０について上に提示したものと同じであってよい。

装置１０はまた、その上部に、ハンドル１３又は何らかの他の種類の把持素子又は安定化素子を有する。図１に示すように、ハンドル１３は、現場で調べられている所望のパラメータを測定するための測定系３０を支え得る（しかしながら、測定系３０は、必要に応じて軸１２に沿ったいかなる場所にも配置し得ることが理解されるべきである）。一実施例において、パンチヘッド２０の貫入深さは、超音波センサ及びレーザセンサ等の様々な距離センサ又は貫入深さセンサ３２を用いて測定できる。距離センサ３２の選択は、要求される正確さ及び周囲の起伏（険しさ）の状態に応じてなされるであろう。材料強度は変形速度の影響を受けやすいため貫入速度の制御が重要であり、これは、抵抗負荷測定に大いに影響を与えるであろう。貫入速度は、貫入深さの測定値から算出することができる。速度計３４は、パンチヘッド速度の制御を補助するために使用することができる。抵抗負荷センサ（図示しないが、ハンドル上に示された他のセンサに類似するものである）も備え得る。

標本サイズが大きすぎると時間と資源の無駄となる一方、小さすぎる標本サイズは統計的に意味がないかもしれず、不正確な試験結果につながるため、標本サイズの決定も重要である。標本サイズは、主に、所望の精度水準、信頼性水準及び材料強度の変動率によって決定することができる。ＥＭＡＳシステムの平均強度を所望の信頼区間内で信頼性をもって決定するため、ランダムサンプリングを用いることも重要である。現場強度試験用のサンプル位置は、ＥＭＡＳ設計及びメンテナンス標準に応じて規定することができるＥＭＡＳの有効アレスタ（拘束）領域に関する、ＡＳＴＭ Ｄ ３６６５を用いて決定することができる。

設置されたＥＭＡＳシステムの強度の現場試験に用いうる方法の一実施例は、適切な現場試験装置を提供し、採取する標本サイズを規定し、設置されたＥＭＡＳにおいてサンプリング位置の特定をするものである。サンプリング位置（そして具体的にはランダムサンプリング位置）は位置決定における作業者エラーを防ぐため、コンピュータプログラムによって特定してもよい。しかし、ＥＭＡＳにおいて様々な高さ及び間隔において試験が行われるように（例えば、全てのサンプルがＥＭＡＳのベースに位置しているべきではなく、且つ全てのサンプルがＥＭＡＳ上の一方側又は他方側から取られるべきではなく、異なった高さ及び間隔からの好適なサンプリングとすべきである）、作業者がＥＭＡＳにおいてランダムに位置を特定することも可能である。

次いで作業者は、ＥＭＡＳにおいてそれぞれのサンプリング位置で現場試験装置を操作（運転）して、それぞれのサンプリング位置における抵抗負荷、貫入深さ、パンチヘッド速度、又は任意の組み合わせを記録すべきである。一旦全てのデータが得られたならば、材料の圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）が、この得られたデータから算出される。この計算は手計算で行ってもよく、又、データを受け取って処理し、結果の出力要約を提供する、適切なコンピュータプログラムによって行ってもよい。

上述した試験手順を用いると、ランダムに選択された位置の抵抗負荷を貫入深さの関数として記録することができ、その後、分析のためにコンピュータにダウンロードすることができる。材料強度、ＣＧＳは付随するパンチヘッドのサイズに基づいて計算することができる。工場内試験のための米国特許第５，７８９，６８１号において定義された許容幅と同等又は類似であるため、所定の強度の材料及び付随するパンチヘッドのための現場試験許容幅が開発されるべきである。算出された材料強度は、特定の現場試験許容幅と比較されるべきである。例えば、一旦ＣＧＳが特定されれば、規定されたＣＧＳ限度と比較し得る。結果として生じる材料強度は、次いで統計分析に基づく信頼区間として提示されるべきである。

現場強度試験は、経時強度変化の傾向を見出すために、及び設置されたシステムが要求された強度を維持していることを確認するために、定期的に施行されるべきである。本発明に明示した現場強度試験方法は、他の現場検査方法と統合された場合に、設置されたＥＭＡＳシステムの状態を監視することを支援するであろう。

上述され且つ図示された構造及び方法への変更及び修正、追加及び削除は、本発明及び以下の請求項の範囲又は主旨を逸脱することなく行い得る。

Claims (18)

1. 設置された車両圧縮停止システムの現場強度試験のための方法であって、
   (a) 圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を計測するために、前記設置された車両圧縮停止システムを構成する床材に接触される平坦な下面を有するパンチヘッドと、所望のパラメータを測定するよう構成された測定系とを備える持ち運び可能な現場試験装置を提供することと、
   (b) 前記設置された車両圧縮停止システムにおいてサンプリング位置を特定することと、
   (c) 前記車両圧縮停止システムにおけるそれぞれのサンプリング位置で前記持ち運び可能な現場試験装置を操作することと、
   (d) それぞれのサンプリング位置における、前記所望のパラメータを記録することとを含む方法。
2. 前記所望のパラメータは、抵抗負荷、貫入深さ、パンチヘッド速度、又はそれらの任意の組み合わせを含む請求項１の方法。
3. さらに、得られた前記抵抗負荷、貫入深さ、パンチヘッド速度、又はそれらの任意の組み合わせから圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を算出することを含む請求項２の方法。
4. さらに、得られた前記抵抗負荷、貫入深さ、パンチヘッド速度、又はそれらの任意の組み合わせから圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を算出することと、ＣＧＳを規定されたＣＧＳ限界と比較することとを含む請求項２の方法。
5. 前記特定されたサンプリング位置がランダムである、請求項１から請求項４のいずれか１項の方法。
6. 現場試験装置は、設置された車両圧縮停止システムの圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を計測するための持ち運び可能な現場試験装置であって、
   （ａ） 長さ及び直径を有する軸と、
   （ｂ） 前記軸の一端に設けられ、前記設置された車両圧縮停止システムを構成する床材に接触される平坦な略円形の下面を有するパンチヘッドと、
   （ｃ）前記圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を計測するために所望のパラメータを測定するよう構成された測定系と、
   （ｄ） 前記持ち運び可能な現場試験装置の前記軸に取り付けられたハンドルであって、前記軸の前記パンチヘッドが設けられた端部とは反対側の端部において前記軸に取り付けられており、前記軸に直交する一方向及び前記一方向の反対方向に延びるハンドルとを含み、
   前記軸は、可搬性のために２つ以上の部分を有しており、前記２つ以上の部分は現場での使用時に互いに連結可能である請求項１から請求項５のいずれか１項の方法。
7. 前記現場試験装置は、前記測定系が前記ハンドルに配置されている請求項６の方法。
8. 前記測定系が、抵抗負荷センサ、貫入深さセンサ、速度計、又はこれらの任意の組み合わせを含む請求項６又は７の方法。
9. それぞれのサンプリング位置で前記持ち運び可能な現場試験装置を操作することと、それぞれのサンプリング位置における前記所望のパラメータを記録することとは同時に行われる請求項１から請求項８のいずれか一項の方法。
10. 前記計測系は、抵抗負荷センサ及び貫入深さセンサを含む請求項１から請求項９のいずれか一項の方法。
11. 設置された車両圧縮停止システムの圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を計測するための持ち運び可能な現場試験装置であって、
    （ａ） 長さ及び直径を有する軸と、
    （ｂ） 前記軸の一端に設けられ、前記設置された車両圧縮停止システムを構成する床材に接触される平坦な略円形の下面を有するパンチヘッドと、
    （ｃ）前記圧縮傾斜強度（ＣＧＳ）を計測するために所望のパラメータを測定するよう構成された測定系と、
    （ｄ） 前記持ち運び可能な現場試験装置の前記軸に取り付けられたハンドルとを含み、
    前記軸は、可搬性のために２つ以上の部分を有しており、前記２つ以上の部分は現場での使用時に互いに連結可能である装置。
12. 前記所望のパラメータは、抵抗負荷、前記パンチヘッドの前記設置された車両圧縮停止システムへの貫入、前記設置された車両圧縮停止システム内への前記パンチヘッドの速度、又はこれらの任意の組み合わせを含む請求項１１の持ち運び可能な現場試験装置。
13. 前記測定系が、抵抗負荷センサ、貫入深さセンサ、速度計、又はこれらの任意の組み合わせを含む請求項１２の持ち運び可能な現場試験装置。
14. 前記軸の直径が、前記パンチヘッドの直径より小さいか又は同じである請求項１１から請求項１３のいずれか１項の持ち運び可能な現場試験装置。
15. 前記軸の長さが、１２．７０ｃｍから９１．４４ｃｍである請求項１１から請求項１４のいずれか１項の持ち運び可能な現場試験装置。
16. 前記測定系が前記ハンドルに配置されている請求項１１から請求項１５のいずれか１項の持ち運び可能な現場試験装置。
17. 前記測定系は、前記パンチヘッドが前記設置された車両圧縮停止システムに打ち込まれる間に前記所望のパラメータを測定する請求項１１から請求項１６のいずれか１項の持ち運び可能な現場試験装置。
18. 前記測定系は抵抗負荷センサ及び貫入深さセンサを含む請求項１１から請求項１７のいずれか一項の持ち運び可能な現場試験装置。

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