JP7208622B2 - 金属構造物の歪測定装置、及び金属構造物の劣化損傷検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、動的な外力を繰り返し受けて生じる疲労き裂によって変化する金属構造物の歪を測定するための金属構造物の歪測定装置及び金属構造物の劣化損傷検知方法に関する。

鋼橋などの動的な外力を繰り返し受ける金属構造物では、溶接部等から疲労き裂が発生し、やがては疲労破壊にいたる危険性がある。従来、このような危険を未然に防止するための劣化損傷検知方法として、溶接部近傍に歪ゲージを配設し、車両の荷重等、外力が作用したときの歪信号の振幅の変化をモニタリングする方法が知られている。そして、歪信号の振幅の変化量がしきい値を超えた場合に異常と判定することにより、点検・補修等の対策につなげることができる。

例えば、鋼構造物に生ずる応力を電気信号に変換して検出する歪ゲージと、歪ゲージで検出した検出信号に増幅、Ａ／Ｄ変換を施して得られた応力信号の振幅の検出値と基準値との比較判定などの信号処理を司るＣＰＵと、データを記録するメモリ部およびＵＳＢと、これらからの出力を受けて判定結果を表示するＬＥＤ表示部と、各部に電源を供給する電源部と、ＣＰＵ、ＬＥＤ表示部、電源部を収容する筐体とを有する鋼構造物の応力監視装置が知られている（特許文献１）。この応力監視装置の監視時間帯は、１日のうち少なくとも１列車編成の列車が通過する限られた時間帯に割り当てられ、且つ複数日に一回の周期で割り当てられる。

また、き裂診断対象に定められた２つの領域に設置された歪センサと、演算装置を備えたき裂診断装置が知られている（特許文献２）。このき裂診断装置では、き裂診断対象のき裂なし解析モデルと、き裂あり解析モデルとを用いた応力解析（外力を作用させた応力解析）により、き裂の発生に伴う歪信号の振幅の変化量の相対的な変化割合が設定された値以上になる２つの領域が求められ、この２つの領域に対応する領域に歪センサが設置される。演算装置は、き裂診断時期に各歪センサより入力されるデータによる診断データ群と、き裂診断対象にき裂が発生していない正常状態のときに蓄積した正常データ群とを統計処理により相対比較し、その比較結果を基に、き裂診断対象におけるき裂発生の有無を判定する。

特開2017-49112号公報（2017年3月9日公開） 特開2017-187327号公報（2017年10月12日公開）

しかしながら、上述のような従来技術は、通過車両等の荷重等による外力が作用したときの歪信号の振幅の変化をモニタリングする方法であるため、車両等が通過する短時間で発生する歪を高速サンプリングで計測しなければならない。このため、高価な計測設備が必要であるという問題があった。

本発明の目的は、動的な外力を繰り返し受ける金属構造物の劣化損傷を安価且つ簡便に検知することができる金属構造物の歪測定装置、及び金属構造物の劣化損傷検知方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る金属構造物の歪測定装置は、動的な外力が繰り返し加わる金属構造物の歪測定装置であって、前記金属構造物の歪を表す歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された歪ゲージと、前記動的な外力に基づいて前記金属構造物に生じた疲労き裂による内部応力の変化を検出するために、前記歪ゲージから出力された歪信号の動的応答過程に基づいて、前記金属構造物の内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定する測定部とを備えることを特徴とする。

この特徴によれば、歪信号の動的応答過程に基づいて、金属構造物の内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定することにより、金属構造物に生じた疲労き裂による内部応力の変化を検出することができる。このため、短時間で変化する歪を高速で計測するための高価な計測設備は不要であり、動的な外力を繰り返し受ける金属構造物の劣化損傷を安価且つ簡便に検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記ベース値は、前記歪信号の動的応答過程の起点となる値であって、前記外力が双方向に継続して加わる場合は前記歪信号の振幅の中央値を含み、前記外力が一方向に継続して加わる場合は前記歪信号の振幅の極大値又は極小値を含み、前記外力が間欠的に加わる場合は前記歪信号の変動の起点であるとともに前記外力が加わっていないときの前記歪信号の値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、外力の作用状況に応じて歪信号からベース値を検出することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の複数個のサンプリング値から、最大値から大きい順に選択した所定個数のサンプリング値と最小値から小さい順に選択した所定個数のサンプリング値とを除外した残りのサンプリング値の平均値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、歪ゲージから出力された歪信号のノイズを排除することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の、前記動的な外力が双方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の中央値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、歪信号の複数個のサンプリング値の中央値が金属構造物に生じた内部応力を表すため、中央値の変化を検出することにより金属構造物の劣化損傷を検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の、前記動的な外力が一方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の極大値又は極小値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、歪信号の複数個のサンプリング値の極大値又は極小値が金属構造物に生じた内部応力を表すため、極大値又は極小値の変化を検出することにより金属構造物の劣化損傷を検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の前記動的な外力が加わっていないときのサンプリング値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、車両の荷重等の外力が作用したときの歪の変化を測定する必要が無いため、短時間で発生する歪を高速で計測する必要が無くなる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記歪信号のサンプリング周波数が０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下であることが好ましい。

上記構成によれば、歪信号の高速サンプリングが不要になる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、前記歪ゲージは、前記金属構造物の溶接によって内部応力が引張応力になっている箇所に設置され、前記他の歪ゲージは、前記金属構造物の溶接によって内部応力が圧縮応力になっている箇所に設置されることが好ましい。

上記構成によれば、金属構造物に損傷が発生したときに発生する内部応力の変化に応じて金属構造物の劣化損傷を精度良く検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、前記金属構造物が、第１金属材と、第２金属材と、前記第１及び前記第２金属材を締結する溶接部とを有し、前記歪ゲージは、前記溶接部によって前記金属構造物に生じた引張の内部応力が生じている溶接部領域に配置され、前記他の歪ゲージは、前記溶接によって生じた引張の内部応力とバランスする逆方向の圧縮の内部応力が生じている逆方向応力領域に配置されることが好ましい。

上記構成によれば、金属構造物に損傷が発生したときに発生する内部応力の変化に応じて金属構造物の劣化損傷を精度良く検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記金属構造物が、第１金属板材と、第２金属板材と、前記第１金属板材の表面及び前記第２金属板材の表面に接合する溶接部とを有し、前記歪ゲージが前記第１金属板材の裏面に設置されることが好ましい。

上記構成によれば、金属構造物に損傷が発生したときに発生する第１金属板材の表面と裏面での内部応力の変化に応じて金属構造物の劣化損傷を精度良く検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、前記歪ゲージが前記金属構造物の表面に設置され、前記他の歪ゲージが前記金属構造物の裏面に設置されることが好ましい。

上記構成によれば、金属構造物に損傷が発生したときの第１金属板材の表面と裏面での内部応力の変化に応じて金属構造物の劣化損傷を精度良く検知することができる。

本発明に係る金属構造物の歪測定装置では、前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、前記歪ゲージに対応する前記金属構造物の歪が第１方向に沿った歪であり、前記他の歪ゲージに対応する前記金属構造物の他の歪が前記第１方向に直交する第２方向に沿った歪であり、前記歪ゲージ及び前記他の歪ゲージは、測定方向が互いに直交するように設置されることが好ましい。

上記構成によれば、金属構造物に損傷が発生したときに発生する内部応力の発生方向に応じて金属構造物の劣化損傷を精度良く検知することができる。

上記の課題を解決するために、本発明に係る金属構造物の劣化損傷検知方法は、動的な外力が繰り返し加わる金属構造物の劣化損傷検知方法であって、前記金属構造物の表面に設置された歪ゲージから出力された歪信号の動的応答過程に基づいて、前記金属構造物に生じた疲労き裂によって変化する内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定し、前記ベース値の経時的な変化量を求める測定工程と、前記測定工程で求められた前記ベース値の経時的な変化量を、予め定められた既定値と比較する比較工程と、前記ベース値の経時的な変化量と前記既定値との比較結果に基づいて、前記金属構造物の劣化損傷の発生の有無を判断する判断工程とを包含することを特徴とする。

この特徴によれば、歪信号の動的応答過程に基づいて、金属構造物に生じた疲労き裂によって変化する内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定することにより、金属構造物の劣化損傷による内部応力の変化を検出することができる。このため、短時間で発生する歪を高速で計測するための高価な計測設備は不要であり、動的な外力を繰り返し受ける金属構造物の劣化損傷を安価且つ簡便に検知することができる。

本発明に係る金属構造物の劣化損傷検知方法は、前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記歪信号の値と、測定開始時点の前記歪信号の初期値との間の差分値を含むことが好ましい。

上記構成によれば、ベース値の変化量に基づいて、金属構造物の劣化損傷の発生の有無を判断することができる。

本発明に係る金属構造物の劣化損傷検知方法は、前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記ベース値の単位時間当たりの変化量を含むことが好ましい。

上記構成によれば、ベース値の変化量に基づいて、金属構造物の劣化損傷の発生の有無を判断することができる。

本発明に係る金属構造物の劣化損傷検知方法は、前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記所定の時間間隔で継続的に測定されたベース値の変化量の中で所定の範囲以上に異なった変化傾向を示す変化量を含むことが好ましい。

上記構成によれば、ベース値の変化量に基づいて、金属構造物の劣化損傷の発生の有無を判断することができる。

本発明は、動的な外力を繰り返し受ける金属構造物の劣化損傷を安価且つ簡便に検知することができるという効果を奏する。

実施形態に係る鋼構造物の歪測定装置の構成を示す概略斜視図である。 （ａ）～（ｃ）は上記鋼構造物の歪測定装置により測定されるベース値の概念を示す波形図である。 （ａ）（ｂ）は疲労試験における上記ベース値の変化を説明するためのグラフである。 （ａ）は上記鋼構造物の要部を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｄ）は上記鋼構造物の各要部に負荷された荷重の繰り返し回数と各要部の平均歪との間の関係を示すグラフである。 （ａ）～（ｆ）は上記鋼構造物の要部のき裂発生による内部応力の変化の熱応力解析の結果を示す画像である。 上記鋼構造物に溶接によって生じた内部応力のバランスと境界線の一例を示す模式的斜視図である。 （ａ）は上記鋼構造物の要部に発生した疲労き裂と歪ゲージを示す模式的斜視図であり、（ｂ）は上記疲労き裂に基づく歪範囲、平均歪を示すグラフである。 上記鋼構造物の要部に発生した疲労き裂と一対の歪ゲージを示す模式的斜視図である。 上記鋼構造物の歪測定装置に設けられた複数の歪ゲージの配置態様の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は実施形態に係る鋼構造物２の歪測定装置１の構成を示す概略斜視図である。歪測定装置１は、動的な外力が繰り返し加わる鋼構造物２（金属構造物）に発生する歪を測定する。鋼構造物２は、例えば、矩形平板状の鋼材５（第１金属材）と、鋼材５の一端に溶接部８により鋼材５に垂直に接合された矩形平板状の鋼材６（第２金属材）と、鋼材５及び６の間の接合を補強するように溶接部１１により鋼材５及び６に接合された台形平板状の鋼材７とを備える。但し、図１に示される鋼構造物２は、理解の容易のための一例を示すものであり、図１に示す構造に限定されない。

歪測定装置１は、鋼材５の歪を表す歪信号を出力するために鋼材５の表面に配置される歪ゲージ３と、動的な外力に基づいて鋼材５に生じた疲労き裂１６による内部応力の変化を検出するために、歪ゲージ３から出力された歪信号の動的応答過程に基づいて、外力が作用していない状態で計測された鋼材５の内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定する測定装置１０とを備える。

本明細書において「ベース値」とは、鋼構造物２の溶接によって生じた内部応力に関連する値であり、歪信号の動的応答過程の起点となる値であって、同一の大きさの外力が鋼構造物２に双方向に継続して加わる場合は歪信号の振幅の中央値に対応するものであり、外力が鋼構造物２に一方向に継続して加わる場合は、外力が零となった際に生じる歪信号の振幅の極大値又は極小値に対応するものであり、外力が鋼構造物２に間欠的に加わる場合は歪信号の変動の起点に対応するとともに外力が鋼構造物２に加わっていないときの歪信号の値に対応するものである。

このベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の複数個のサンプリング値から、最大値から大きい順に選択した所定個数のサンプリング値と最小値から小さい順に選択した所定個数のサンプリング値とを除外した残りのサンプリング値の平均値を含むことができる。

このベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の前記動的な外力が双方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の中央値を含むことができる。

このベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の前記動的な外力が一方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の極大値又は極小値を含むことができる。

このベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の前記動的な外力が加わっていないときのサンプリング値を含むことができる。

一定期間にサンプリングされた歪信号のサンプリング周波数は、０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下であることが好ましい。

歪測定装置１は、鋼材５の他の歪を表す他の歪信号を出力するために鋼材５の表面に配置される歪ゲージ４を備えることが好ましい。歪ゲージ３は溶接によって鋼材５に引張応力が生じる箇所に設置され、歪ゲージ４は、溶接によって鋼材５に圧縮応力が生じる箇所に設置されることが好ましい。

鋼構造物２の鋼材５・６は、溶接部８・１１に生じた内部応力（例えば引張応力）に対応する溶接部領域Ｒ１と、溶接部８・１１に生じた内部応力とバランスする逆方向の他の内部応力（例えば圧縮応力）に対応する逆方向応力領域Ｒ２と、この溶接部領域Ｒ１及び逆方向応力領域Ｒ２を区画する境界線９とを有する。歪ゲージ３は溶接部領域Ｒ１に配置されることが好ましく、歪ゲージ４は逆方向応力領域Ｒ２に配置されることが好ましい。

歪ゲージ３・４は、鋼材５の鋼材７と反対側の面に設置されてもよいし、鋼材５の鋼材７側の面と鋼材７と反対側の面との双方に設置されてもよい。

歪ゲージ４が検出する歪の方向は、歪ゲージ３が検出する歪の方向と同じ方向であっても良いし、異なる方向、例えば直交する方向であってもよい。

測定装置１０は、鋼構造物２の鋼材５の表面に設置された歪ゲージ３・４から出力された歪信号の動的応答過程に基づいて、鋼材５の溶接によって生じる内部応力に関連するベース値を所定の時間間隔で継続的に測定し、このベース値の経時的な変化量を求めるベース値の測定部１３と、ベース値の測定部１３で求められたベース値の経時的な変化量を、予め定められた既定値と比較するベース値の変化量の比較部１４と、このベース値の経時的な変化量と既定値との比較結果に基づいて、鋼材５の劣化損傷の発生の有無を判断する劣化損傷の判断部１５とを含む。

ベース値の測定部１３で求めるベース値の経時的な変化量は、歪ゲージ３から出力された歪信号の値と、測定開始時点の歪信号の初期値との間の差分値を含んでもよいし、ベース値の単位時間当たりの変化量を含んでもよいし、上記所定の時間間隔で継続的に測定されたベース値の変化量の中で所定の範囲以上に異なった変化傾向を示す変化量を含んでもよい。

実施形態に係る歪測定装置１は、動的な外力を繰り返し受ける鋼構造物２の疲労き裂１６の発生などの劣化・損傷を、外力（荷重）の大きさに対する変形量の大きさ、即ち、歪信号の振幅の大きさを測定し、外力に対して歪信号の振幅の大きさが一定以上になると劣化損傷が発生していると判断していた従来の手法とは異なり、鋼構造物２の溶接による内部応力のバランスに着目したものである。

鋼構造物２の内部応力は、溶接部８・１１による引張応力と釣り合うように、部材締結部近傍だけでなく鋼構造物２の全体に生じて分布している。また、ボルト等の部材締結部による建造時の締め付けにより初期的に発生した残留応力も内部応力となる。

そのため、鋼構造物２の劣化損傷、例えば、溶接部８・１１にき裂などが発生すると、鋼構造物２全体の内部応力のバランスが疲労き裂１６により変化する。つまり、この内部応力の変化を効率的に検知できれば、鋼構造物２の劣化損傷を知ることができる。

本実施形態は、上述の知見に加え、外力によって変化する歪を測定する中で、内部応力のバランスの変化が、歪信号の動的な応答過程に基づくベース値の変化により検知できるという新たな知見に基づきなされたものである。本実施形態に係る歪測定装置１は、外力が加わったときの変形量（歪信号の振幅）を測定するのではなく、歪信号の動的な応答過程に基づくベース値を時系列に継続的に測定することで、内部応力の絶対値ではなくて、経時的な変化量（ベース値の経時的な変化量）の大きさを検出するものである。

そして、ベース値の経時的な変化量と予め定められた既定値とを比較することにより、鋼構造物２の劣化損傷の発生の有無を判断することができる。「予め定められた既定値」とは、対象となる鋼構造物２の機械的特性等の各種パラメータを反映したモデル実験等に基づいて予め定めた値であり、動的な外力によって生じた損傷の度合いと歪の応答過程のベース値の相関から決定される。

このような金属構造物の歪測定装置及び金属構造物の劣化損傷検知方法によれば、高い周波数のサンプリングを必要とせず、測定周期を長くできる。そして、１日数回の計測でよく、バッテリーによる長期間の運用が可能であるため、高価な計測設備を必要としない、簡易なモニタリングシステムを実現することができる。

図２（ａ）～（ｃ）は鋼構造物２の歪測定装置１により測定されるベース値Ｂ１・Ｂ２・Ｂ３の概念を示す波形図である。歪ゲージ３から出力された歪信号Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３の動的な応答過程のベース値とは、歪の動的変動の起点（外力が零の状態）となる値である。

図２（ａ）に示すように、外力が双方向に均等に鋼構造物２に加わる場合は、歪ゲージ３から出力された歪信号Ｓ１の振幅の中央値が、外力が零の状態のベース値Ｂ１である。図２（ｂ）に示すように、外力が一方向に鋼構造物２に加わる場合は、歪ゲージ３から出力された歪信号Ｓ２の極大値が、外力が零の状態のベース値Ｂ２となる。なお、上記外力が逆方向から一方向に作用した場合は極大値の替わりに極小値が、外力が零の状態のベース値Ｂ２となる。図２（ｃ）に示すように、外力が間欠的に鋼構造物２に加わる場合は、変動の起点であるとともに外力のかかっていないときの値がベース値Ｂ３となる。

図３（ａ）（ｂ）は疲労試験における上記ベース値の変化を説明するためのグラフである。図４（ａ）は鋼構造物２の要部を示す斜視図であり、（ｂ）～（ｄ）は鋼構造物２の各要部に負荷された荷重の繰り返し回数と各要部の平均歪との間の関係を示すグラフである。図５（ａ）～（ｆ）は鋼構造物２の要部における疲労き裂１６の発生による内部応力の変化の熱応力解析の結果を示す画像である。図６は鋼構造物２に溶接部８・１１によって生じた内部応力のバランスと境界線の一例を示す模式的斜視図である。

本発明者らは、図３（ａ）（ｂ）に示すように、試験体である鋼構造物２に繰り返し荷重を作用させた疲労試験を行い、長期にわたる無荷重下の歪（平均歪）の変化から損傷を検知することができないかについて検討したところ、繰り返し回数が一定回数に達すると歪ゲージ３により検出される無荷重下の歪（平均歪）の変化曲線に、図４（ｂ）に示されるように異常が認められ、それが図４（ａ）に示される疲労き裂１６の発生と進展に大きく関係していることを見出した。そして、その結果の妥当性は、疲労き裂１６の発生による内部応力の変化の熱応力解析によって、図５（ａ）～（ｆ）に示されるように、疲労き裂１６が発生し進展すると、無荷重下の歪（平均歪、残留応力）が変化することで確認された。鋼構造物２には、溶接部１１によって鋼材５に、図６に示されるような、境界線９によって区画される引張応力に対応する溶接部領域Ｒ１と、圧縮応力に対応する逆方向応力領域Ｒ２とが生じる。このため、疲労き裂１６が発生して内部応力が変化すると、溶接部領域Ｒ１に貼り付けた歪ゲージ３のベース値は圧縮側の歪（図４（ｂ））となり、逆方向応力領域Ｒ２に貼り付けた歪ゲージ４のベース値は引張側の歪（図４（ｃ））となる。

本実施形態は、このような知見に基づくものであり、従来のような外力が加わったときの変化量（歪信号の振幅）を測定するのではなく、歪信号の動的な応答過程のベースとなる値（ベース値）を時系列で継続的に測定することで、鋼構造物２の劣化損傷によって変化する内部応力の絶対値ではなく、内部応力の経時的な変化の大きさを検出するものである。そして、ベース値の経時的な変化量と予め定められた既定値とを比較することにより、鋼構造物２の劣化損傷が発生したと判断することができる。

図７（ａ）は鋼構造物２の要部に発生した疲労き裂１６と歪ゲージ３とを示す模式的斜視図であり、（ｂ）は上記疲労き裂１６の発生・進展に基づく歪範囲、平均歪の変化を示すグラフである。従来は、疲労き裂１６の有無は荷重の作用による歪信号の振幅の変化により評価する方式が一般的であったが、図７（ｂ）の歪範囲の変化を示す曲線Ｌ１及び平均歪の変化を示す曲線Ｌ２に示すように、上記荷重の作用による歪範囲の変化よりも無荷重下の歪（平均歪）の方が、疲労き裂１６の発生に敏感に反応するという知見を本発明者らは見出した。鋼構造物２に溶接部８・１１によって生じる内部応力（残留応力）が影響する範囲内であれば、鋼構造物２のどの部位に対しても上記知見を適用することが可能である。

従来の鋼構造物２の劣化損傷検知のためのモニタリングシステムは、リアルタイムモニタリングであり、力学的には外的荷重に対する応答による評価であり、常時電源が必要であったり、あるいは計測期間が限定されていた。そして、損傷による力学的挙動・振動特性などは室内実験で検証していた。

これに対して、実施形態に係る歪測定装置１によるモニタリングシステムは、一定期間ごとのデータを蓄積するだけでよいモニタリングであり、１日に１回あるいは数秒計測するだけでよく、計測されたデータの転送は、１日１回、又は１週間に１回程度でよい。従って、計測機器、通信機器の電力消費量が従来のモニタリングシステムに比べて非常に少なくなる。このため、常時電源が不要となり電池のみで数年間の長期に渡る計測期間の計測が可能となる。

実施形態に係る歪測定装置１は、外力等が鋼構造物２に作用していない状態の歪データを計測することができる。計測対象は、鋼構造物２に限定されず、損傷が生じると内部応力の釣り合いが変化する構造物であれば、他の金属構造物や金属を部分的に利用したコンクリート構造物であってもよい。

実施形態に係る歪測定装置１の計測対象は、損傷が生じると内部応力の釣り合いが変化するので、歪測定装置１は損傷を検知するために動的な外力を作用させる必要が無い。

図８は鋼構造物２の要部に発生した疲労き裂１６と一対の歪ゲージ３・４とを示す模式的斜視図である。鋼構造物２に発生した疲労き裂１６により異なる方向の内部応力（例えば圧縮応力と引張応力）が発生する異なる箇所に一対の歪ゲージ３・４を設置してもよい。そして、発生した疲労き裂１６に対して、鋼構造物２に外力（荷重）が作用しない状態の歪を計測することにより、鋼構造物２の動的な外力の繰り返しによる疲労き裂１６の進展を監視することが可能である。

歪ゲージ３・４を鋼構造物２に設置する例を示したが、本発明はこれに限定されない。歪ゲージ３・４の替わりに、コイルに交流電流を印加する渦流探傷検査等で疲労き裂１６の進展を監視することが可能である。

鋼構造物２の疲労き裂１６を検知する例を示したが、本発明はこれに限定されない。鋼構造物２に設けられたボルトの頭部あるいは軸部に歪ゲージを設置し、鋼構造物２に外力（荷重）が作用しない状態の歪を計測してもよい。また、鋼構造物２の溶接によって生じる内部応力（残留応力）が腐食によって変化する位置の歪のベース値の変化を経時的に計測できれば鋼構造物２の腐食の進行を検知することも可能であるし、加速度計や変位計を用いて鋼構造物２の角度を計測できれば鋼構造物２の変位・角度に係る損傷を検出することも可能である。

そして、実施形態に係る歪測定装置１は、ＲＣ（Reinforced Concrete、鉄筋コンクリート）、ＰＣ（Prestressed Concrete、プレストレストコンクリート）に係る損傷によって内部応力のバランスが変化する損傷も検出することが可能である。例えば、ＰＣケーブルの定着部近傍のナット部の歪等を計測することにより、ＰＣケーブルの損傷等を検知することが可能である。

歪測定装置１が鋼構造物２に生じた疲労き裂１６による内部応力の変化を検出する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。歪測定装置１が検出する対象は、鋼構造物２に生じた損傷によって変化する指標であればよい。そして、歪測定装置１の計測値は、荷重が作用していない状態の計測値でよく、頻繁に計測する必要が無い。歪測定装置１は、荷重が作用していない平常時のデータを取り続けることで鋼構造物２の損傷を検知することができる。

図９は鋼構造物２の歪測定装置１に設けられた複数の歪ゲージ３の配置態様の一例を示す図である。鋼構造物２は例えば、図９に示すように、橋梁であり得る。この橋梁に設けられた鋼板に所定の間隔を空けて複数個の歪ゲージ３が設置される。各歪ゲージ３は、鋼板の歪を表す歪信号を無線により測定装置１０に送信する。

以上のように、本実施形態に係る金属構造物の歪測定装置及び金属構造物の劣化損傷検知方法は、動的な外力を繰り返し受ける金属構造物に発生する劣化損傷による内部応力のバランスの変化を検知することができ、これにより、溶接部の疲労き裂などの構造物の劣化損傷の発生を検知できる。

本実施形態は更に以下のような特長を有している。

（１）歪以外の物理量の測定は必要としない。

（２）溶接部近傍だけでなく、劣化損傷により金属構造物の構成単位全体で釣り合っている内部応力の変動が検知できる位置であれば損傷が検知できる。

（３）高い周波数でのサンプリングは必要なく、測定間隔を長くできる。

（４）目視できない箇所の損傷も検知できる。

（５）従来の動的負荷に対する歪の大きさの判断よりも検知の感度が良い。

日本の高度成長期などに建造された大規模な社会インフラの劣化が大きな問題となってきている。かかる社会情勢のもと、この社会的課題の解決に対する要請が高まっている。また、ＩｏＴ（Internet of Things、物のインターネット）や高速度大容量通信（５Ｇ（第５世代移動通信システム、5^th Generation）規格など）の技術の進歩の期待も高まっており、新しい技術を応用した技術の開発が望まれている。本実施形態はこれらの社会的要請に応えるものである。

本実施形態は、動的な外力を繰り返し受けて劣化損傷する金属構造物および金属を部分的に利用した構造物であれば適用可能であり、例えば、高速道路や道路橋、河川にかかる橋梁、鉄塔、鉄橋、車両の通行可能な大型の吊橋、及び、鉄道車両の台車部分などに対して適用することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 歪測定装置
２ 鋼構造物（金属構造物）
３ 歪ゲージ
４ 歪ゲージ
５ 鋼材（第１金属材）
６ 鋼材（第２金属材）
７ 鋼材
８ 溶接部（締結部）
９ 境界線
１０ 測定装置（測定部）
１１ 溶接部
１３ ベース値の測定部
１４ ベース値の変化量の比較部
１５ 劣化損傷の判断部
１６ 疲労き裂
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 歪信号
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ ベース値
Ｒ１ 溶接部領域
Ｒ２ 逆方向応力領域

Claims (15)

1. 動的な外力が繰り返し加わる金属構造物の歪測定装置であって、
   前記金属構造物の歪を表す歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された歪ゲージと、
   前記金属構造物の内部応力の変化を利用して、前記動的な外力によって前記金属構造物に生じた劣化損傷を検出するために、前記外力が零になるときに前記歪ゲージにより計測された前記金属構造物の前記歪信号の値であるベース値を所定の時間間隔で継続的に測定する測定部とを備えることを特徴とする金属構造物の歪測定装置。
2. 前記ベース値は、前記外力が双方向に継続して加わる場合は、外力が零になる前記歪信号の振幅の中央値を含み、前記外力が一方向に継続して加わる場合は、外力が零になる前記歪信号の振幅の極大値又は極小値を含み、前記外力が間欠的に加わる場合は前記歪信号の変動の起点であるとともに前記外力が加わっていないときの前記歪信号の値を含む請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
3. 前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の複数個のサンプリング値から、最大値から大きい順に選択した所定個数のサンプリング値と最小値から小さい順に選択した所定個数のサンプリング値とを除外した残りのサンプリング値の平均値を含む請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
4. 前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の、前記動的な外力が双方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の中央値を含む請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
5. 前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の、前記動的な外力が一方向に繰り返し加わっているときの複数個のサンプリング値の極大値又は極小値を含む請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
6. 前記ベース値は、一定期間にサンプリングされた歪信号の前記動的な外力が加わっていないときのサンプリング値を含む請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
7. 前記歪信号のサンプリング周波数が０．１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下である請求項３～６の何れか１項に記載の歪測定装置。
8. 前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備える、請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
9. 前記金属構造物が、第１金属板材と、第２金属板材と、前記第１金属板材の表面及び前記第２金属板材の表面に接合する溶接部とを有し、
   前記歪ゲージが前記第１金属板材の裏面に設置される請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
10. 前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、
    前記歪ゲージが前記金属構造物の表面に設置され、
    前記他の歪ゲージが前記金属構造物の裏面に設置される請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
11. 前記金属構造物の他の歪を表す他の歪信号を出力するために前記金属構造物に設置された他の歪ゲージをさらに備え、
    前記歪ゲージに対応する前記金属構造物の歪が第１方向に沿った歪であり、
    前記他の歪ゲージに対応する前記金属構造物の他の歪が前記第１方向に直交する第２方向に沿った歪であり、
    前記歪ゲージ及び前記他の歪ゲージは、測定方向が互いに直交するように設置される請求項１に記載の金属構造物の歪測定装置。
12. 動的な外力が繰り返し加わる金属構造物の劣化損傷検知方法であって、
    前記金属構造物の表面に設置された歪ゲージから出力された歪信号に基づいて、前記金属構造物の内部応力の変化を利用して、前記動的な外力によって前記金属構造物に生じた劣化損傷を検出するために、前記外力が零になるときに前記歪ゲージにより計測された前記金属構造物の前記歪信号の値であるベース値を所定の時間間隔で継続的に測定し、前記ベース値の経時的な変化量を求める測定工程と、
    前記測定工程で求められた前記ベース値の経時的な変化量を、予め定められた既定値と比較する比較工程と、
    前記ベース値の経時的な変化量と前記既定値との比較結果に基づいて、前記金属構造物の劣化損傷の発生の有無を判断する判断工程とを包含することを特徴とする金属構造物の劣化損傷検知方法。
13. 前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記歪信号の値と、測定開始時点の前記歪信号の初期値との間の差分値を含む請求項１２に記載の金属構造物の劣化損傷検知方法。
14. 前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記ベース値の単位時間当たりの変化量を含む請求項１２に記載の金属構造物の劣化損傷検知方法。
15. 前記測定工程で求めるベース値の経時的な変化量が、前記所定の時間間隔で継続的に測定されたベース値の変化量の中で所定の範囲以上に異なった変化傾向を示す変化量を含む請求項１２に記載の金属構造物の劣化損傷検知方法。

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