| 【発明の名称】 |
Ｉ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】境 禎明
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| 【要約】 |
【課題】磁歪センサーを備えた応力測定ヘッドを用い、Ｉ型断面鋼構造物のウェブ部の負荷応力を短時間に精度良く測定できる装置。
【解決手段】励磁コイルと検出コイルを巻いたコの字型ヨーク111と112が互いにヨーク鞍部の中央で直交配置され、磁歪効果による磁気異方性を利用して被測定物6の負荷応力を求める磁歪センサー11と、センサー11を回転させるモーター12と、センサー11の回転角を計るエンコーダー13とを備えた応力測定ヘッド1と、被測定物6を脱磁する脱磁ヘッド2と、応力測定ヘッド1と脱磁ヘッド2を搭載するヘッド支持台3と、Ｉ型断面鋼構造物に固定されヘッド支持台3をそのウェブ61面上で走査する走査機構4、5と、走査機構4、5を制御する制御装置とを有してなる応力測定装置。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】励磁用コイルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを巻いたコの字型のヨークが互いにヨーク鞍部の中央部で直交するように配置されており、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して被測定物に負荷されている応力を求める磁歪センサーと、前記磁歪センサーを回転させるモーターと、前記磁歪センサーの回転角を計測するエンコーダーとを備えた応力測定ヘッドと、前記被測定物を脱磁する脱磁ヘッドと、前記応力測定ヘッドと前記脱磁ヘッドを搭載するヘッド支持台と、Ｉ型断面鋼構造物に固定され前記ヘッド支持台を前記Ｉ型断面鋼構造物のウェブ面上で走査する走査機構と、前記走査機構を制御する制御装置と、を有してなるＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して鋼構造物、特にＩ型断面を有する鋼構造物のウェブ部に負荷されている応力を非破壊的に測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】保守診断の観点から構造物の安全性を評価するには、その構造物に作用している応力状態を把握することが有効である。
【０００３】応力測定の代表的な測定法として、「ひずみゲージ」と呼ばれる小型センサーを被測定物に貼り付け、被測定物の相対的なひずみを電気抵抗の変化によって検出して応力を求める「ひずみゲージ法」がある。しかし、この方法では、ひずみゲージを既設構造物に貼り付け構造物にかかる絶対的な応力を測定するには、構造物を破壊して応力開放を行う必要があるので、実際の橋梁や鉄骨などに適用できない。
【０００４】最近、鉄鋼材料などの強磁性材料に負荷されている応力を測定する方法として、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用し、鋼構造物や機械部品に負荷されている応力を非破壊で、しかも比較的簡便に測定できる方法が、特開昭６２ー１２１３２５号公報、実開平１ー１３５３３８号公報、特開平７ー１１０２７０号公報、特開平９ー２５７５９８号公報あるいは文献１〔境等：土木学会第５０回年次学術講演会予稿集、Ｐ６６２〜６６３（１９９５．９）〕などに紹介されている。
【０００５】この方法は次のような原理に基づいている。図７に、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用する応力測定方法の原理図を示す。
【０００６】磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用する応力測定には、互いにヨーク鞍部の中央部で直交する励磁用コイルを巻いたコの字型のヨーク１１１と検出用コイルを巻いたコの字型のヨーク１１２、交流電源１１３、電圧計１１４で構成される磁歪センサー１１で行われる。
【０００７】いま、被測定物６のＸ軸方向に引張応力σXが作用すると、磁性材料である被測定物６のＸ、Ｙ軸方向の透磁率μX、μYには、磁歪効果により下記の式（２）の関係、すなわち磁気異方性が生じるμX＞μY・・・（２）
【０００８】このような状態にある被測定物６に磁歪センサー１１を接近させ、この磁歪センサー１１のヨーク１１１に巻かれた励磁用コイルに交流電源１１３から電流を流して被測定物６を励磁すると、ヨーク１１１の開口端１１１ａから出た磁束の大部分は直接ヨーク１１１の開口端１１１ｂへ向かうが、被測定物６には引張応力σXにより式（２）のような磁気異方性が生じているため、磁束の一部１１５はヨーク１１２を経由してヨーク１１１の開口端１１１ｂへ流れる。そのため、ヨーク１１２に巻かれた検出用コイルには下記の式（３）に示す出力波形の起電力Ｖが誘起され、電圧計１１４に表示される。
Ｖ＝Ｍ0・（μX−μY）・COS[２・（θ−π／４)]・・・（３）
【０００９】ここで、Ｖは検出用コイルに誘起される交流起電力の整流値、Ｍ0は励磁条件、コイルの条件、被測定物６の磁気的特性などにより定まる定数、COS[２・（θ−π／４)]は余弦関数、θはヨーク１１２の開口端１１２ａと１１２ｂを結ぶ直線とＸ軸のなす角である。
【００１０】透磁率の差（μX−μY）は応力の差（σX−σY）に比例するので、式（３）は下記の式（４）のように書換えできる。
Ｖ＝Ｍ・（σX−σY）・COS[２・（θ−π／４)]・・・（４）
【００１１】ここで、Ｍは励磁条件、コイルの条件、被測定物６の磁気的特性などにより定まる定数である。
【００１２】実際の測定では、式（４）を下記の式（５）に書換え、測定データからパラメータＡ、Ｂ、Ｃを回帰して求め、Ｂから主応力差、Ｃから主応力方向が決定される。
Ｖ＝Ａ＋Ｂ・COS[２・（Ｘ−Ｃ)]・・・（５）
【００１３】特に、橋梁の主桁に用いられるＩ型断面や箱型断面のウェブやフランジ部では１軸応力場に近い（σX−σYの絶対値が大）ので高い出力が得られ、高精度の測定が可能になる。
【００１４】また、特開平９ー２５７５９８号公報には、上記磁歪センサーと、磁歪センサーを回転させるモーターと、回転角を計測するエンコーダーとを備えた応力測定ヘッドが開示されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平９ー２５７５９８号公報に記載の応力測定ヘッドを用いて、I型断面の橋梁や鉄骨などの長大な鋼構造物にかかる応力を測定するには、測定すべき箇所に応力測定ヘッドを人手により設置して測定する必要があり、膨大な時間がかかるとともに、応力測定ヘッドで鋼構造物を磁化したときに生じる残留磁気の影響で精度良く測定できないといった問題があった。
【００１６】本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して応力測定する磁歪センサーを備えた応力測定ヘッドを用い、Ｉ型断面を有する鋼構造物のウェブ部に負荷されている応力を短時間に精度良く測定できる装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記課題は、励磁用コイルを巻いたコの字型のヨークと検出用コイルを巻いたコの字型のヨークが互いにヨーク鞍部の中央部で直交するように配置されており、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して被測定物に負荷されている応力を求める磁歪センサーと、前記磁歪センサーを回転させるモーターと、前記磁歪センサーの回転角を計測するエンコーダーとを備えた応力測定ヘッドと、前記被測定物を脱磁する脱磁ヘッドと、前記応力測定ヘッドと前記脱磁ヘッドを搭載するヘッド支持台と、Ｉ型断面鋼構造物に固定され前記ヘッド支持台を前記Ｉ型断面鋼構造物のウェブ面上で走査する走査機構と、前記走査機構を制御する制御装置と、を有してなるＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置により解決される。
【００１８】磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して被測定物に負荷されている応力を求める磁歪センサーと磁歪センサーを回転させるモーターとその回転角を計測するエンコーダーとを備えた応力測定ヘッドと、被測定物を脱磁する脱磁ヘッドとを共用することにより、被測定物の測定点を脱磁してから応力測定が可能になるので残留磁気の影響を取り除くことができ、測定精度が向上する。
【００１９】また、応力測定ヘッドと脱磁ヘッドをヘッド支持台に搭載し、このヘッド支持台をＩ型断面鋼構造物のウェブ面上で走査する走査機構を設け、走査機構を制御装置によりコントロールすれば、任意の測定点に脱磁ヘッドと応力測定ヘッドを迅速に設定でき、測定時間を大幅に短縮できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の１実施の形態であるＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置の平面図を示す。図２に、図１の正面図を示す。図３に、図２のＡＡ矢視図を示す。
【００２１】本発明であるＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置は大きく分けて、磁歪センサー１１と磁歪センサー回転用モーター１２とエンコーダー１３を備えた応力測定ヘッド１と脱磁ヘッド２が搭載されたヘッド支持台３と、このヘッド支持台３をウェブ長手方向へ走査するウェブ長手方向走査機構５と、このウェブ長手方向走査機構５をウェブ深さ方向へ走査するウェブ深さ方向走査機構４と、走査機構４、５を制御する制御装置（図示されてない）とから構成されており、ヘッド支持台３を両走査機構４、５によりウェブ部の任意の点に設定して、ヘッド支持台３上に搭載された応力測定ヘッド１と脱磁ヘッド２により応力測定を迅速かつ高精度に行う装置である。
【００２２】応力測定ヘッド１と脱磁ヘッド２はヘッド押し付け用リンク１４により被測定物であるウェブ面に押し付けられ、また、測定面上を円滑に走査できるように両ヘッドの先端には走査用ガイドボール１５、２１が設けられている。
【００２３】ヘッド支持台３には、ウェブ長手方向走査機構５の駆動用ボールネジシャフト５３とスライダー５０が結合されており、駆動用ボールネジシャフト５３を駆動用モーター５２で回転させスライダー５０をリニアウエイ５１に沿って移動させることにより、ヘッド支持台３はウェブ長手方向に走査される。
【００２４】ウェブ長手方向走査機構５には、ウェブ深さ方向走査機構４のスライダー４１が結合されており、ウェブ深さ方向走査機構４の駆動用モーター４２を回転させ駆動用ラック４６と駆動用ピニオンギア４７を介してスライダー４１をリニアウエイ４５に沿って移動させることにより、ウェブ長手方向走査機構５はウェブ深さ方向に走査される。なお、ウェブ深さ方向走査機構４は、被測定物取り付け用アジャスター４３と固定ネジ４４によりウェブ面上に固定される。被測定物取り付け用アジャスター４３を伸長させてＩ型鋼構造物の上下フランジ間に納まるよう長さを調整し、すなわち「突っ張り棒方式」で固定用ネジ４４により固定される。
【００２５】図４に、図１のＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置を被測定物にセットしたときの状態を示す。
【００２６】このように、ウェブ深さ方向走査機構４を、被測定物取り付け用アジャスター４３を伸長させてＩ型鋼構造物の上下フランジ６２の間に納まるよう長さを調整し、固定用ネジ４４により固定することにより、本発明であるＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置はウェブ６１面上にセットされる。
【００２７】図５に、図１のＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置を用いて応力分布を測定するフローチャートを示す。
【００２８】まず、図４に示すように本装置をアジャスターによりウェブ面にセット（Ｓ１）後、測定位置情報を入力（Ｓ２）する。
【００２９】次に、脱磁ヘッドを計測点に移動し（Ｓ３）、計測点を脱磁（Ｓ４）する。そして、脱磁箇所に応力計測ヘッドを移動し（Ｓ５）、磁歪センサーを回転しながら出力を収集し（Ｓ６）、Ｖ＝Ａ＋Ｂ・COS[２・（Ｘ−Ｃ)]に回帰してパラメータＢとＣを求め、主応力差と主応力方向を決定する。
【００３０】このような測定を設定した測定点の数だけ行い、測定位置を次の位置へ移動し（Ｓ９）同様なことを行えば、ウェブ部全体としての応力分布が得られ（Ｓ１０）、設計上想定される応力分布と比較することによりウェブ部の安全性を評価できる（Ｓ１１）。
【００３１】図６に、図１のＩ型断面鋼構造物のウェブ部応力測定装置を用いて応力分布を測定した結果の1例を示す。
【００３２】図６の矢印の方向は主応力方向、長さは主応力差を表しているが、ウェブ長手方向に平行に、深さ方向の上半分では圧縮力、下半分では引張力の１軸応力が負荷されていることがわかる。
【００３３】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されているので、磁歪効果によって生じる磁気異方性を利用して応力測定する磁歪センサーを備えた応力測定ヘッドを用い、Ｉ型断面を有する鋼構造物のウェブ部に負荷されている応力を短時間に精度良く測定できる装置を提供できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４１２３
【氏名又は名称】日本鋼管株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年８月１２日（１９９８．８．１２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９７２７２
【弁理士】
【氏名又は名称】高野 茂
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| 【公開番号】 |
特開２０００−５５７４９（Ｐ２０００−５５７４９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月２５日（２０００．２．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２２７８８５ |
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