JP2799431B2 - 構造物の疲労損傷予知モニタリングのための犠牲試験片 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、疲労損傷の可能
性のある構造物の構造安全性を確保するのに役立つ、疲
労損傷の構造モニタリングのための犠牲試験片に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】船舶、橋梁、鉄橋、鉄塔、海洋構造物、
建設機械、鉄道輸送機器などの構造安全性を確保するた
めには、構造物の疲労損傷を予測することが重要であ
る。近年の構造解析、設計手法の進歩により、疲労設計
は日々進歩しているものの、疲労損傷箇所を的確に予測
して合理的な疲労設計を行えるには至っていない。その
理由は、疲労メカニズムの複雑さはもとより、外力の不
確実性、構造解析の精度、工作精度、残留応力など種々
の不確実性要因が存在することによると考えられる。

【０００３】このような状況下で一層の安全性を確保し
ようとする場合、保守点検や構造モニタリングなど、構
造物を使用中における安全管理面の強化が有効と考えら
れる。かかる使用中の疲労安全性維持のための手法とし
ては、図２に示すように大別して亀裂検出法と亀裂予知
法とがある。このうち、亀裂検出法は、構造物中の実在
亀裂を検出する方法であり、なかでも使用中検査は多く
の構造物で行われている。

【０００４】しかし、構造物には検査が容易でない部材
も多く見られ、かかる部材には、使用中検査を適用し難
い。また、使用中検査ではヒューマンエラーによる検査
ミスのおそれがあり、検査費用や検査に伴う稼働停止損
失の問題もある。したがって、上記亀裂予知法について
も研究開発が進められている。

【０００５】この亀裂予知法は、構造物の疲労損傷を事
前に予知する方法であり、部材の歪み測定、組織の微細
観察、部材から切り出した微小試験片の残余寿命試験及
び実部材より早期に損傷が発生する犠牲試験片取り付け
法などがある。このうち、部材の歪を測定する方法は、
実際のホットスポットの亀裂予知のために行われている
が、歪計測には電源や長期間の歪履歴の記録装置が必要
になる。また、この方法は累積被害則を介して寿命を推
定するので、累積被害則の精度が問題となる。

【０００６】他方、犠牲試験片取り付け法は、構造部材
の応力が拡大伝達されるように工夫した犠牲試験片を構
造物のホットスポット近傍に設置して一定期間モニタを
行い、犠牲試験片に生じた疲労損傷の状態から、構造物
の疲労損傷時期を推定する方法である。この犠牲試験片
取り付け法は、実部材の寿命予測だけでなく、実機疲労
で問題でなる荷重履歴や限界累積被害値に関する有用な
情報が得られる可能性があり、更に、構造物が将来向か
うであろう知能化構造物への接近を目指すものだといえ
る。

【０００７】このように将来有望な犠牲試験片取り付け
法ではあるが、現在のところは研究の端諸に付いたばか
りであってアイデア段階に過ぎず、未だ実用可能な犠牲
試験片は開発されていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明では、
犠牲試験片を実構造物に設置して、この犠牲試験片に生
じた疲労損傷状況から、構造物の疲労損傷時期を予知す
ることのできる、構造物の疲労損傷予知モニタリングの
ための犠牲試験片を提案することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の犠牲試験片
は、疲労損傷を予知しようとする構造物と同一材料より
なり長さ方向中央部に人工亀裂を設けた薄板状の犠牲試
験片本体を、二枚の樹脂製薄板の間に挟み、これらを上
記人工亀裂を含む犠牲試験片本体の中央部を除いた領域
で接着してなる、構造物の疲労損傷予知モニタリングの
ための犠牲試験片である。

【００１０】この犠牲試験片は、犠牲試験片本体の厚み
が約0.25mmであることがより好ましい。

【００１１】さて、犠牲試験片を構造物に取り付ける方
法として、これまでにボルト結合、溶接及び接着が考え
られた。しかし、ボルト結合や溶接では構造物に余計な
応力集中箇所を生むおそれがあったり、設置時に残留応
力を生じるなどの問題がある。一方、接着による方法
は、構造物に対して無害であり、この点で前記ボルト結
合や溶接による方法よりも有利である。しかし、この接
着による方法にも、以下に述べるような諸問題があっ
て、実用化を阻んでいた。

【００１２】(1) 犠牲試験片は構造物のホットスポット
近傍に設置するために、小型のものが望ましい。しか
し、小型の犠牲試験片ほど接着で伝達できる荷重は小さ
くなる。その結果、接着部の強度が不足し、接着部に剥
離などを生じ易い（接着強度の問題）。

【００１３】(2) そこで、接着部の負担を軽減して剥離
を防止すべく、犠牲試験片の断面積を小さくすると、十
分な応力集中が得られなかったり、亀裂発生から破断ま
での時間がごく短くなったりして、モニタリング期間が
限定される（応力集中の確保とモニタリング期間の問
題）。

【００１４】(3) 犠牲試験片と構造物の素材が異なる場
合は、犠牲試験片の疲労寿命のデータが得られたとして
も、素材の疲労特性の差異から、構造物の寿命を推定す
ることが困難である（累積被害則の問題）。

【００１５】(4) 犠牲試験片は引張と圧縮の両歪が作用
するが、圧縮歪に対する犠牲試験片の座屈防止対策が困
難な場合がある（座屈の問題）。

【００１６】ここに発明者らは、鋭意研究の成果とし
て、これらの問題を全て解決した有利な犠牲試験片の実
用化に成功したのである。かかるこの発明の犠牲試験片
を開発するための基本的な考え方は以下のとおりであ
る。

【００１７】(1) 犠牲試験片本体に、構造部材と同一材
料を用いることにより、素材の疲労特性を一致させる。 (2) 犠牲試験片の取り付けは接着とし、部材表面に設置
したときに凹凸が少ない構造とする。 (3) 犠牲試験片の断面積を小さくして接着部剥離を防止
する。同時に座屈を防止する工夫をする。 (4) 犠牲試験片の断面積が小さくても、高い応力集中が
確保でき、ホットスポットよりも早期に疲労損傷が生じ
る構造とする。 (5) 疲労の進行状態をモニタするため、犠牲試験片は亀
裂伝播型とする。また、進行状態を見落とさないよう
に、長い亀裂伝播期間が確保できる形状とする。 (6) 応力集中率や応力拡大係数の計算が容易な、できる
だけ単純な形状とする。

【００１８】この発明の犠牲試験片の一例を図１を用い
て説明する。図１(a) に犠牲試験片本体１を示し、同図
(b) に犠牲試験片の平面図を、また、同図(c) に犠牲試
験片の断面図をそれぞれ示す。図１(a) において、犠牲
試験片本体１は、疲労損傷を予知しようとする構造物の
部材と同一材料とする。これは、限界累積被害値等の疲
労特性を構造部材と一致させるためである。また、この
犠牲試験片本体１には、疲労損傷を構造物の部材よりも
早期に発生させるために、応力集中部を設ける工夫をし
てあり、具体的には長さ方向中央部に人工亀裂２を設け
てある。図示した犠牲試験片においては、犠牲試験片本
体１の長さ方向中央部に円形の孔を形成し、この孔から
幅方向に0.1 mm幅の人工亀裂２をそれぞれ2.5 mmずつ設
けてある。

【００１９】この犠牲試験片本体１は、厚さを約0.25mm
と、極薄くすることが必要である。これは、構造物に接
着した際、接着部に作用するせん断応力を低く抑えるた
めである。犠牲試験片本体１は小型であることが要求さ
れ、そのために、例えば長さ60mm、幅10mmとする。

【００２０】なお、図１(a) の犠牲試験片本体１におい
て、長さ方向端部寄りに２個ずつ形成した孔は、犠牲試
験片本体と樹脂製薄板とを接着する際に接着用樹脂を充
てんすることで、この犠牲試験片本体と樹脂製薄板とを
固定するためのピン孔である。

【００２１】このような犠牲試験片本体１を、図１(b)
、(c) に示すように２枚の樹脂製薄板３で挟み、両者
を接着する。このとき、犠牲試験片本体における人工亀
裂を含む中央部の所定領域については接着しないように
して、犠牲試験片本体１と樹脂製薄板３とが一体となる
ように接着する。この両者の接着剤には、例えばエポキ
シ樹脂系接着剤を用いる。この犠牲試験片本体１と樹脂
性薄板３との接着強度が確保できれば、他の接着剤でも
良い。

【００２２】上記のように犠牲試験片１の長さ方向中央
部を接着しないこととしたのは、犠牲試験片本体１のこ
の所定領域を、樹脂製薄板と接着した後も自由に変形
（伸縮）できるようにするためである。

【００２３】そのために図１(b) 、(c) の犠牲試験片に
おいては、透明なふっ素樹脂（ポリテトラフルオロエチ
レン）のフィルム４を、犠牲試験片本体１の長さ方向中
央部の一定領域（図示した例では、20mm）にて全周にわ
たり巻付けている。このポリテトラフルオロエチレン製
のフィルムにはエポキシ樹脂が付着しない。なお、ポリ
エチレンフィルムを巻付ける方法や、エポキシ樹脂用離
型材を塗る方法でも同様の効果が得られる。

【００２４】この発明で、犠牲試験片本体を二枚（それ
ぞれの厚さ：約0.25mm）の樹脂製薄板３で挟む構成にな
るのは、ふっ素樹脂のフィルムを巻き付けた犠牲試験片
本体をそのまま構造物に接着して使用すると、圧縮荷重
により座屈するおそれがある他、取扱いも不便であるか
らである。犠牲試験片本体を二枚（それぞれの厚さ：約
0.25mm）の樹脂製薄板３で挟む構成により、かかる問題
を回避することができる。なお、この２枚の樹脂製薄板
の材質について、図１に示した犠牲試験片ではエポキシ
樹脂を用いているが、透明あるいは半透明で、ある程度
の強度のある樹脂であれば、エポキシ樹脂以外でも良
い。

【００２５】かくして得られた犠牲試験片のサイズの一
例としては、長さ70mm、幅20mm、板厚約1.0 mmである。

【００２６】図１に示した犠牲試験片の製造方法を図３
を用いてより具体的に説明する。まず、犠牲試験片本体
１は、構造物と同じ素材から先ず外形の長さ及び幅にな
るように加工し、人工亀裂と孔加工を行う（図３(a)
）。例えば長さ60mm、幅10mmとする。これをワイヤカ
ットで0.3 mm厚さにスライスした後（同図(b) ）、エメ
リー紙で研磨する。

【００２７】次に、犠牲試験片本体１の人工亀裂を含む
中央部を透明のポリテトラフルオロエチレンのフィルム
で巻く（同図(c) ）。この部分は樹脂に挟んで接着した
後も独立して伸縮できる。

【００２８】次に、予め作成しておいた２枚の透明又は
半透明のエポキシ樹脂薄板の間に犠牲試験片本体を挟ん
で接着する（同図(d) ）。接着には、樹脂板と同じ樹脂
を用いることができ、また、接着強度が確保できれば、
他の接着剤でも良い。この２枚のエポキシ樹脂薄板に犠
牲試験片本体を挟んで接着することにより、犠牲試験片
をたるみなく構造物の部材に接着することができるとと
もに、圧縮歪による犠牲試験片の座屈を防止することが
でき、さらに、極薄い犠牲試験片本体の取扱いが容易と
なる。接着後の厚みは約1.0 mmである

【００２９】接着剤が乾燥した後、所定の大きさに切り
出して完成となる（同図(e) ）。例えば長さ70mm、幅20
mmとする。

【００３０】かかるこの発明の犠牲試験片を使用すると
きには、予知しようとする構造物の部材のホットスポッ
ト近傍に接着して使用する。この接着には、例えば、エ
ポキシ樹脂系接着剤を用いる。このエポキシ樹脂系の接
着剤に限らず、構造部材と犠牲試験片との接着強度が確
保できれば、他の接着剤でも良い。そして、亀裂伝播
は、顕微鏡などを用いて、透明又は半透明の樹脂性薄板
を介して観察する。

【００３１】なお、犠牲試験片のサイズ、人工亀裂長
さ、ふっ素樹脂フィルム巻き部分の長さ、樹脂製薄板の
厚さを変化させることにより、犠牲試験片への荷重伝達
率と応力集中率を変化させることができ、所望の特性に
なる犠牲試験片を安定して得ることができる。このふっ
素樹脂フィルム巻き部分の長さが長いほど犠牲試験片の
疲労亀裂は早く成長し、また、犠牲試験片の下部樹脂製
薄板（使用するときに構造物と接着する側の樹脂製薄
板）が厚いと応力伝達が悪化する。図１に示した犠牲試
験片では、荷重伝達率は92〜93％が得られている。

【００３２】

【発明の実施の形態】この発明の犠牲試験片を用いて、
構造物の疲労損傷を予知する方法を説明する。構造物の
部材寿命より十分短い、半年から１年の実機使用で疲労
損傷が生じるように設計しておいた犠牲試験片を接着に
より、予知しようとする構造物の部材に取り付ける。こ
の取り付け位置は、図４に示すように、溶接止端部など
の鋭い応力勾配箇所（ホットスポット）から離れた位置
とする。これは構造解析などで、設置箇所の応力の推定
精度を確保し易いためである。

【００３３】この構造物の部材に取り付けた犠牲試験片
の疲労損傷状況から、構造物の疲労損傷時期を予知推定
するのであるが、この方法は、図５を用いて説明すると
以下のとおりである。

【００３４】図５(a) に示すように、犠牲試験片の設置
箇所における部材応力をＳ、ホットスポット部の応力を
Ｓmax とし、ホットスポットの応力集中率をＫtm＝Ｓma
x ／Ｓと定義する。犠牲試験片の人工亀裂先端に生じる
応力振幅σmax がＳmax よりも大きければ、犠牲試験片
に亀裂が早期に発生伝播することになる。このＫtmは構
造解析あるいは歪計測により明らかにしておき、事前に
構造部材のＳ−Ｎ線図を予測しておく。また、犠牲試験
片は、別途平滑材に設置して試験を行い、Ｓ−Ｎ線図を
求めておく。この構造部材及び犠牲試験片のＳ−Ｎ線図
を同図(b) に示す。

【００３５】ここに、部材に設置した犠牲試験片に損傷
が生じたときの荷重繰り返し数Ｎsac を犠牲試験片のＳ
−Ｎ線図に代入すると応力振幅Ｓが求まる。この応力振
幅Ｓを構造部材のＳ−Ｎ線図に代入すると、ホットスポ
ット部の寿命Ｎmembを推定できるのである。

【００３６】図６は犠牲試験片を平滑材に設置して、完
全両振りで一定応力振幅の軸力疲労試験を行ったときの
Ｓ−Ｎ線図である。図中には、平滑材及び応力集中率が
3.0の切り欠き材のＳ−Ｎ線図も、比較のために示して
ある。この図６より、犠牲試験片の応力集中率は５程度
あり、Ｋtmが３ないし４の箇所に設置すれば、構造部材
よりも早期に犠牲試験片に亀裂が生じ、ホットスポット
寿命を予知できるといえる。また、犠牲試験片は、0.2
mmの亀裂が生じた後、破断するまでの期間が長く、十分
なモニタリング期間が確保できることが分かる。なお、
疲労試験中に犠牲試験片の接着部のはく離や座屈は全く
生じず、この点でも実用化に問題はなかった。

【００３７】図７に、この発明の犠牲試験片の亀裂進展
曲線の一例を示す。

【００３８】

【発明の効果】この発明の犠牲試験片によれば、犠牲試
験片の断面積が小であっても、十分な応力集中が得ら
れ、かつ亀裂発生から破断までの時間も十分に確保され
ている。また、圧縮歪に対しても、犠牲試験片が座屈す
ることはない。かくして、犠牲試験片を実構造物に設置
して、この犠牲試験片に生じた疲労損傷状況から構造物
の疲労損傷時期を予知することのできる、構造物の疲労
損傷予知モニタリングのための犠牲試験片を実現するこ
とができ、構造安全性の確保のために有用であって、そ
の効果は大である。

【００３９】すなわち、これまで構造物の疲労寿命推定
は、ホットスポットでの歪計測に基づいて行われること
が多かったけれども、この歪計測には電源や長期間の歪
履歴の記録装置が必要である。また、この方法は累積被
害則を介して寿命を推定するので、累積被害則の精度が
問題になる。これに対して、犠牲試験片取り付け法によ
れば、犠牲試験片の寿命から構造部材の寿命を、累積被
害則を介入させることなく直接推定できる。例えば、
“犠牲試験片の寿命が半年であれば構造部材の寿命はそ
の10倍の５年である”というように、犠牲試験片と構造
部材の寿命の倍率が分かれば、この構造部材の寿命が推
定できる。

【００４０】かくして、構造部材の疲労損傷時期の予知
精度が向上すれば、使用中検査の改善等も併せて、構造
安全性を確保することができる。また、モニタリング情
報は将来の疲労設計に活用できる。

【００４１】なお、犠牲試験片を挟んだ樹脂は、犠牲試
験片が破断した後も損傷を生じないため、犠牲試験片破
面の清浄性が保たれる。その結果、破面観察を容易に行
うことができ、ストライエーション間隔の計測を行うこ
とにより、構造物の荷重履歴を推定することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の犠牲試験片の一例を示す図である。

【図２】使用中の疲労安全性維持のための手法を説明す
る図である。

【図３】この発明の犠牲試験片の犠牲試験片の製造方法
を説明する図である。

【図４】犠牲試験片の使用時における取り付け位置を示
す図である。

【図５】犠牲試験片を用いた構造物の疲労損傷時期の推
定方法を説明する図である。

【図６】犠牲試験片のＳ−Ｎ線図の一例を示す図であ
る。

【図７】この発明の犠牲試験片の亀裂進展曲線の一例を
示す図である。

【符号の説明】

１ 犠牲試験片本体 ２ 人工亀裂 ３ 樹脂性薄板 ４ フィルム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01M 19/00 G01L 1/00 G01N 3/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 疲労損傷を予知しようとする構造物と同
   一材料よりなり長さ方向中央部に人工亀裂を設けた薄板
   状の犠牲試験片本体を、二枚の樹脂製薄板の間に挟み、
   これらを上記人工亀裂を含む犠牲試験片本体の中央部を
   除いた領域で接着してなる、構造物の疲労損傷予知モニ
   タリングのための犠牲試験片。
2. 【請求項２】 犠牲試験片本体の厚みが約0.25mmである
   請求項１記載の犠牲試験片。