(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象構造物（Ｘ）の変形量を検出する変形量検出手段（Ｈ）と、
変形量に応じた評価対象構造物（Ｘ）の疲労損傷率を検出する疲労損傷率検出手段（Ｋ）と、
疲労損傷率を積算する疲労損傷率積算手段（Ｓ）と、を具備し、
変形量検出手段（Ｈ）は、評価対象構造物（Ｘ）に固定される第１の固定部材（１）と、該第１の固定部材（１）に隣接して評価対象構造物（Ｘ）に固定される第２の固定部材（２）と、第１の固定部材（１）と第２の固定部材（２）とに跨るように、第１の固定部材（１）と第２の固定部材（２）とに軸（６，７）を介して傾斜自在に設けられる第１の可動部材（３）と、からなり、
疲労損傷率検出手段（Ｋ）は、可動部材（３）上に設けられ、軸（６，７）を結ぶ方向に移動自在な第２の可動部材（４）と、該第２の可動部材（４）に設けられた凸部（８）が係合するものであって、評価対象構造物（Ｘ）の変形量に対応した疲労損傷率に相当する移動量ｉだけ第２の可動部材（４）を移動させるように形状設定された溝部（５）と、からなることを特徴とする構造物の疲労損傷評価装置。
【請求項２】
変形量検出手段（Ｈ）、疲労損傷率検出手段（Ｋ）及び疲労損傷率積算手段（Ｓ）を機械的に一体構成することを特徴とする請求項１記載の構造物の疲労損傷評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の疲労損傷評価装置に係わり、特に鋼材からなる構造物の変形に起因する疲労損傷率の評価技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
上記構造物では、地震や風等の外力によって変形することにより疲労損傷を受けることが知られている。この疲労損傷の程度を評価して適切なメンテナンスを行うことは、構造物の性能を維持する上で極めて重要な事柄である。このような鋼材からなる構造物に関する従来の疲労損傷では、構造物の変形量を単純に累積加算し、その累積値に基づいて構造物の疲労損傷率を評価することが行われている。
【０００３】
一方、鋼材の疲労損傷については、疲労破壊までに何度変形を受けることができるかが、鋼材に与えられる変形量に応じて大きく変化することが知られている。すなわち、鋼材からなる構造物の疲労損傷を変形量の累積値によって正確に評価できないことは周知であるが、他に適切な評価方法がないため、現状では便宜的に変形量の累積値に基づく疲労損傷率の評価が行われている。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、構造物の疲労損傷率をより正確に評価することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、評価対象構造物の変形量を検出する変形量検出手段と、前記変形量に応じた評価対象構造物の疲労損傷率を検出する疲労損傷率検出手段と、前記疲労損傷率を積算する疲労損傷率積算手段とを具備する手段を採用する。
【０００６】
また、第２の手段として、上記第１の手段において、変形量検出手段、疲労損傷率検出手段及び疲労損傷率積算手段を機械的に一体構成するという手段を採用する。
【０００７】
第３の手段として、上記第１または第２の手段において、変形量検出手段は、評価対象構造物に傾斜自在に装着された第１の可動部材の傾斜角θとして評価対象構造物の変形量を検出するという手段を採用する。
【０００８】
第４の手段として、上記第３の手段において、疲労損傷率検出手段は、第１の可動部材に移動自在に装着された第２の可動部材の移動量ｉとして傾斜角θに応じた評価対象構造物の疲労損傷率を検出するという手段を採用する。
【０００９】
第５の手段として、上記第４の手段において、疲労損傷率積算手段は、第２の可動部材に対して圧接配置された回転部材の一方向の累積回動量として疲労損傷率を積算するという手段を採用する。
【００１０】
第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、疲労損傷率検出手段は、コフィン−マンソンの法則に基づいて変形量に対応する疲労損傷率を検出するという手段を採用する。
【００１１】
第７の手段として、上記第１または第２の手段において、変形量検出手段は、評価対象構造物に固定される第１の固定部材と、該第１の固定部材に隣接して評価対象構造物に固定される第２の固定部材と、第１の固定部材と第２の固定部材とに跨るように第１の固定部材と第２の固定部材とに軸）を介して傾斜自在に設けられる第１の可動部材とからなるという手段を採用する。
【００１２】
第８の手段として、上記第７の手段において、疲労損傷率検出手段は、可動部材上に設けられ、軸を結ぶ方向に移動自在な第２の可動部材と、該第２の可動部材に設けられた凸部が係合するものであって、その形状が評価対象構造物の変形量に対応した疲労損傷率に相当する移動量ｉだけ第２の可動部材を移動させるように設定された溝部とからなるという手段を採用する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる構造物の疲労損傷評価装置の一実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の構成を示す平面図である。この図において、参照符号Ｘは評価対象構造物、１は第１固定板（第１の固定部材）、２は第２固定板（第２の固定部材）、３は可動棒（第１の可動部材）、４はスライド筒（第２の可動部材）、５は案内溝（溝部）、６及び７は回動軸、８は係合ピン（凸部）、９は一方向回転板（回転部材）である。
【００１５】
これら各構成要素のうち、第１固定板１、第２固定板２、可動棒３及び回動軸６，７は、本実施形態における変形量検出手段Ｈを構成し、スライド筒４、案内溝５，係合ピン８は、本実施形態における疲労損傷率検出手段Ｋを構成し、また一方向回転板９は、本実施形態における疲労損傷率積算手段Ｓを構成するものである。
【００１６】
評価対象構造物Ｘは、建築物における金属製の耐震デバイス、例えば履歴減衰機構型の制振ダンパーであり、立方体形状に形成されている。第１固定板１は、図示するように長方形状に形成され、評価対象構造物Ｘの１側面の下端に固定配置されるものである。第２固定板２は、当該１側面の上端に上記第１固定板１に隣接して固定配置されている。可動棒３は、第１固定板１と第２固定板２とに跨るように設けられるものであり、第１固定板１上に設けられた回動軸６及び第２固定板２上に設けられた回動軸７を介することにより第１固定板１及び第２固定板２に対して回動自在に設けられている。
【００１７】
ここで、評価対象構造物Ｘの側面において可動棒３が垂直姿勢となるように、回動軸６及び回動軸７の各位置は、回動軸６及び回動軸７を結ぶ方向が垂直方向となるように設定されている。このような可動棒３の配置状態において、例えば評価対象構造物Ｘがせん断変形（水平方向の変形）した場合、回動軸６と回動軸７との相対的な位置関係は垂直状態から変位し、この結果可動棒３は、その変位量に応じて左側あるいは右側に傾斜する。すなわち、本実施形態の変形量検出手段Ｈは、可動棒３の傾斜角θとして評価対象構造物Ｘの変形量を検出するものである。
【００１８】
スライド筒４は、このような可動棒３に沿って移動自在に設けられるものであり、その裏面には係合ピン８が案内溝５に係合するように突設配置されている。すなわち、このスライド筒４は、案内溝５によって可動棒３上における位置が規定されるようになっている。上述したように可動棒３が傾斜すると、スライド筒４は、案内溝５の形状によって規制される量だけ可動棒３に沿って上方に移動する。そして、可動棒３が傾斜状態から垂直状態に復帰すると、図示するような既定位置に戻る。
【００１９】
案内溝５は、上記第２固定板２に形成されるものであり、その形状は評価対象構造物Ｘの変形量に対応する疲労損傷率に相当するように距離だけスライド筒４を移動させるように設定されている。評価対象構造物Ｘのせん断変形による変形量に応じて可動棒３が所定角度だけ傾斜すると、スライド筒４は、案内溝５の形状に基づいて、当該変形量に対応する疲労損傷率分だけ可動棒３に沿って上方に移動する。すなわち、案内溝５の形状は、変形量と疲労損傷率との関係に相当するものである。
【００２０】
例えば、周知の低サイクル疲労における変形量と疲労損傷率との関係は、コフィン−マンソンの法則に基づいて与えられる。したがって、案内溝５の形状は、コフィン−マンソン（Coffin-Manson）の法則に基づいて以下のように決定されている。なお、このコフィン−マンソン（Coffin-Manson）の法則については、当業者間においてマンソン−コフィン（Manson-Coffin）の法則と表記される場合もある。
【００２１】
図２は、評価対象構造物Ｘのせん断変形による係合ピン８の位置（すなわちスライド筒４の位置）の変化を示す模式図である。この図において、点Ｏ（原点）は回動軸６の位置、点Ａは回動軸７の位置、点Ｂは係合ピン８の位置をそれぞれ示している。また、ｈDは原点Ｏを基準とした評価対象構造物Ｘの垂直方向の寸法、ｈAは原点Ｏを基準とした点Ａの垂直方向の長さ、γは評価対象構造物Ｘのせん断変形角、θはせん断変形による可動棒３の傾斜角、ｌ0はせん断変形がないつまり可動棒３が垂直状態（基準状態）にある場合における原点Ｏと点Ｂ0（点Ｂの基準位置）とを結ぶ線分ＯＢ0の長さ、またｌ(θ)は傾斜角θの関数でありせん断変形時における原点Ｏと点Ｂとを結ぶ線分ＯＢの長さ、をそれぞれ示している。
【００２２】
まず、点Ａ及び点Ｂの各座標は、以下のように表される。
Ａ：（ｈAtanθ，ｈA）
Ｂ：（ｌ(θ)sinθ，ｌ(θ)cosθ）
また、上記せん断変形角γと疲労サイクル数Ｎとの間には、コフィン−マンソンの法則に基づいて下式（１）が成立する。
γ＝Ｃ1・Ｎm1＋Ｃ2・Ｎm2                   （１）
ここで、右辺第１項は高サイクル疲労（弾性変形疲労）に関する項、右辺第２項は低サイクル疲労（塑性変形疲労）に関する項であり、Ｃ1，Ｃ2，ｍ1，ｍ2は実験に基づいて得られる定数である。
【００２３】
次に、線分ＯＢの長さ変化（ｌ(θ)−ｌ0）、つまり可動棒３に対するスライド筒４の移動量ｉが評価対象構造物Ｘのせん断変形による疲労損傷率を示すものとして下式（２）を定義する。
ｉ＝  ｌ(θ)−ｌ0＝Ｒ・Ｄf＝Ｒ／Ｎ           （２）
ここで、Ｄfは疲労サイクル数Ｎの逆数に相当する損傷量、またＲは損傷に関する係数であり疲労損傷の限界値を示す量である。
【００２４】
一方、評価対象構造物Ｘの傾斜角度γと可動棒３の傾斜角θとの間には、次式（３）によって与えられる関係がある。
γ＝ｈAtanθ／ｈD                          （３）
上記式（２），（３）を式（１）に代入することにより、線分ＯＢの長さ変化（ｌ(θ)−ｌ0）と傾斜角θとの関係を示す式（４）が得られる。
【００２５】
【数１】
0004278839.tif 000002
【００２６】
点Ｂの座標は、（ｌ(θ)sinθ，ｌ(θ)cosθ）として与えられるので、式（４）を用いて傾斜角θに応じた点Ｂの座標（ｌ(θ)sinθ，ｌ(θ)cosθ）の変化、つまり案内溝５の形状を求めることができる。すなわち、評価対象構造物Ｘが外力によって傾斜角度γだけ変形した場合、可動棒３は傾斜角θだけ傾斜し、このときスライド筒４は、上述のように形状設定された案内溝５に案内されて当該傾斜角θに対応する疲労損傷率に相当する移動量ｉだけ移動する。このように、本実施形態の疲労損傷率検出手段（Ｋ）は、可動棒３に移動自在に装着されたスライド筒４の移動量ｉとして傾斜角θ（すなわち評価対象構造物Ｘの変形量）に応じた疲労損傷率を検出するものである。
【００２７】
一方向回転板９は、このようなスライド筒４に対して圧接配置され、例えばストッパー（図示略）等の作用により当該スライド筒４の上方向（正確には斜め上方）の移動に対してのみ一方向（反時計方向）に回動するものである。評価対象構造物Ｘに作用するせん断力の方向に応じて可動棒３は右側あるいは左側に傾斜し、この傾斜に伴ってスライド筒４は可動棒３に沿って上方に移動し、この結果、一方向回転板９は、スライド筒４の移動量に応じて反時計方向に回動する。
【００２８】
これに対して、評価対象構造物Ｘにせん断力が作用しなくなると、スライド筒４は、可動棒３が垂直状態に戻ることにより基準位置（点Ｂ0の位置）に復帰する。この復帰の際にスライド筒４は、可動棒３に沿って下方（正確には斜め下方）に移動するが、一方向回転板９は、反時計方向のみに回動自在となっているために回動しない。
【００２９】
すなわち、この一方向回転板９は、評価対象構造物Ｘにせん断力が作用する度に、各々のせん断力に応じた疲労損傷率相当分だけ反時計方向に回動することにより、疲労損傷率を順次積算する。したがって、一方向回転板９の回転量から評価対象構造物Ｘの疲労損傷率の積算値つまり評価対象構造物Ｘの累積疲労損傷率を読み取ることができる。
【００３０】
このように、本実施形態によれば、図１に示す一体化された比較的単純な機械的構成のみによって評価対象構造物Ｘに順次作用するせん断力による累積疲労損傷率を確認することができる。また、機械的に一体構成とされているため、評価対象構造物Ｘへの装着等取り扱いが容易である。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形をも包含するものである。
（１）上記実施形態では、評価対象構造物Ｘの変形量を可動棒３の傾斜角θによって検出するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではない。せん断変形を検出する手段としては、周知の歪みゲージや可動ロッドの位置によって変形量を検出するソレノイド等、種々の方法が考えられる。このようなソレノイドや歪みゲージを用いることにより直線的な運動として評価対象構造物Ｘの変形量を検出する場合、例えば所定形状に形成されたカムを組み合わせることにより、当該カムの形状によって変形量を疲労損傷率に変換することが考えられる。
【００３２】
（２）この他にも、本発明における変形量検出手段Ｈ、疲労損傷率検出手段Ｋ及び疲労損傷率積算手段Ｓを機械的に構成することは、周知の各種機構を組み合わせることによって実現可能である。
【００３３】
（３）本発明は、この機械的な構成のみに限定されるものではなく、せん断力による評価対象構造物Ｘの変形量を示す傾斜角θから疲労損傷率を求める処理をコンピュータ等を用いた演算処理によって実現しても良い。また、本発明は、上記鋼材製の耐震デバイスに限定されるものではなく、振動環境下にある各種の金属製構造物、例えばプラント、輸送機械、海洋構造物、橋梁等に適用可能である。
【００３４】
（４）上記式（１）は、高サイクル疲労と低サイクル疲労のいずれも考慮したものであるが、高サイクル疲労と低サイクル疲労のいずれか一方のみを対象とする場合には、右辺第１項あるいは右辺第２項を削除することにより、式（１）を簡単化することができる。例えば、建築物を構成する耐震部材等では、低サイクル疲労が疲労損傷の主要因となる。このような場合には上記右辺第１項が削除され、この結果式（４）は下式（５）のように変形されて案内溝５の形状が変更される。
【００３５】
【数２】
0004278839.tif 000003
【００３６】
（５）上記実施形態では、せん断力による評価対象構造物Ｘの疲労損傷評価について説明したが、本発明は、せん断変形に限定されることなく、評価対象構造物Ｘの軸線方向の変形や曲げ変形等にも適用することが可能である。例えば、軸線方向の変形に対しては、上記ソレノイドや歪みゲージによって評価対象構造物Ｘの変形量を直線的な運動として検出し、該ソレノイドや歪みゲージに組み合わせたカムの形状によって軸線方向の変形量を疲労損傷率に変換することが考えられる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる構造物の疲労損傷評価装置によれば、評価対象構造物の変形量に基づいて検出された疲労損傷率を積算することにより評価対象構造物の疲労損傷を評価するので、従来の構造物の変形量を単純に累積加算する方法に比較して構造物の疲労損傷率をより正確に評価することができる。また、機械的に一体構成することにより、評価対象構造物への装着を容易に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】  本発明の一実施形態の作用を示す模式図である。
【符号の説明】
Ｈ……変形量検出手段
Ｋ……疲労損傷率検出手段
Ｓ……疲労損傷率積算手段
Ｘ……評価対象構造物
１……第１固定板（第１の固定部材）
２……第２固定板（第２の固定部材）
３……可動棒（第１の可動部材）
４……スライド筒（第２の可動部材）
５……案内溝（溝部）
６，７……回動軸
８……係合ピン（凸部）
９……一方向回転板（回転部材）
【図１】
0004278839.tif 000004
【図２】
0004278839.tif 000005