島根県産業技術センター研究報告資第48号(2012)

料

画像相関法を用いたI形梁のせん断性能の測定とその評価
河村進＊・大畑

１. 目

的敬＊＊・大橋義＊＊＊・ 松本和茂＊＊＊

大規模建築物の梁材やトラス梁材の代替としても使われている.

画像相関法とは材料表面の変形挙動を解析する手法の一Ⅰ形梁ではフランジが引張/圧縮力を担い, 一方ウェブつであり, デジタルカメラ等を用いて撮影された表面画像にはせん断力が生じる. 近年日本で国産材を用いたⅠ形梁より変形量やひずみを定量的に計測する. 具体的な手法とを実用化するにあたってウェブのせん断性能の向上が課題しては, 変形前の画像において解析したい座標点周囲の輝となっている. 国産Ⅰ形梁ではウェブに合板を利用する事度分布形を座標同定のテンプレート画像として利用するこ例が多く, 合板は輸入Ⅰ形梁で使われるOSBよりも面内せとにより, 変形後の画像中にテンプレート画像が最も一致

ん断弾性率, 強度ともに小さく, 実用スパンでの荷重条件する座標を探索して, 変形後の座標点の同定作業を行う方によるⅠ形梁のたわみ設計を行うとせん断たわみが大きく法が一般的である.

なる３). ただし合板の面内せん断性能は角度依存性を持っ動体認識や画像計測の分野において, この手法はパターており, 繊維方向が周辺に対して45°とすれば, 一般的なン (またはテンプレート) マッチング法として急速に実用合板である０°・90°の場合 (以下, 通常合板と記す) と化が進められている. しかし動体認識への実用化において比較するとせん断性能が高くなることが知られている４).

は精度よりも高速動作が求められることから専用の画像解

そこで筆者らは合板のせん断弾性率を改善するため, 繊維析装置が用いられることが多い. 一方画像計測を目的に販方向が周辺に対して45度をなす合板 (以下, 斜行型合板と売されている製品についても汎用的な撮影装置やソフトウェ記す) を試作し５)-11), Ⅰ形梁のウェブとしての利用開発に

アでは精度保証が難しいことから専用の撮影装置と画像処取り組んできた.
これまで曲げ試験によるⅠ形梁の性能評価を行う場合,理装置の組み合わせで販売されており, 低コストで利用で計測機器類にかかるコストや作業性を勘案して, フランジきる製品は存在しないのが現状である.
汎用的な撮影装置を用いた画像計測では撮影精度が問題中央部または荷重点たわみを変位計を用いて計測した値のとされているが, 計測物にひずみゲージやスケール等を貼みを用いた性能評価が行われてきた. ウェブのせん断ひずり付けて撮影し比較校正を行えば, 撮影精度は十分確保でみやフランジの引張／圧縮変形の解析を行うために試験体きると考えられる. そこで我々は市販のデジタルカメラで表面に使い捨てのひずみゲージセンサを貼り付けて計測さ撮影した画像をパーソナルコンピュータ上で処理することれることもあるが, ひずみゲージによる計測では貼り付けにより, ローコストでひずみ計測を行う方法を提案してきた部位のみしか計測できず, ウェブ全体の変形挙動やひずた. 比較的小さな材料単体レベルでのせん断挙動の解析にみを計測するには困難があった. しかし実際のⅠ形梁では

１)

画像相関法を適用した事例 はすでに報告されており, まフランジとウェブ, およびウェブとウェブの接合部で破壊た当センターにおいても耐力壁面材のせん断挙動の解析にが生ずることが多く, 接合性能を含めた評価を行う必要が２)適用した事例 がある. 今回画像相関法を構造物のひずみある. そこで, 画像相関法を用いれば接合部を含め試験体や変位測定の手法として活用することが可能かどうか探る

全体の挙動を測定できるのではないかと考え, Ⅰ形梁の曲ため, 実大の木質Ⅰ形梁の曲げ (せん断) 試験への適用をげおよびせん断試験と画像相関法によるひずみ, 変位の解試みた.

析を行い, 両者の結果からせん断性能を総合的に検討した.

木質Ⅰ形梁とは表１の断面図に示すように, 合板やOSB

２. 方などの板材をウェブとし, 製材品やLVLをフランジとして法接着接合することで生産される木質軸材料の一つである.

試験体の一覧と断面形状を表１に示す. 試験体の曲げ剛アメリカではLVLの生産量のうち１/３がI形梁に利用され性およびせん断剛性を確認するため, フランジとウェブ材るほど広く普及した部材であり, また住宅部材だけでなく質の組み合わせを８種類, 断面形状 (梁せい) を２種類と＊した試験体それぞれについて, スパン3640㎜, ３等分点２

材料技術グループ,

産試験場

＊＊

浜田技術センター,

＊＊＊

北海道立林

点荷重による曲げ試験, およびスパン1280㎜, 中央集中荷― 20 ―

河村・大畑・大橋・松本：画像相関法を用いたI形梁のせん断性能の測定とその評価重によるせん断試験を行った. 本報告書では１種類あたり２に示す寸法領域を画面上に設定して解析を行った. また,１検体, すなわち合計32試験体のデータ解析を行った.

画像相関によって得られる変位量および下側フランジに取試験方法の概要を図１に示す. 試験は北海道立林産試験

り 付 け た ひ ず み ゲ ー ジ 式 変 位 計 (( 株 ) 共 和 電 業 製 ,場の200kN油圧式強度試験機 ((株)東京衡機製造所製) おDT-100A, 容量100㎜, 分解能1/100㎜) によるたわみのよび100kN電動式強度試験機 ((株)エー・アンド・デイ製)値との比較を行うとともに, 画像相関によるひずみ量およで行った. 試験体の作成, および試験方法の詳細についてび撮影した面の裏側に貼り付けたひずみゲージ ((株) 東京

は既報12),13)によった. 試験を行う前に, 試験体表面にはあ測器研究所製PL-90-11-3L) の値とを比較した. なお, DOらかじめ希釈した墨汁をスプレーし, ランダムドットパター以外の試験体では図１に例示するようにウェブ材の原板サ

ン を 付 与 し た . 撮 影 に は 焦 点 距 離 18〜70 ㎜ の レ ン ズ

イズの制約から, スパン方向に810㎜毎にウェブ継ぎ手を(Nikon AF-S DX Zoom-Nikkor ED18-70㎜) を装着した有しており, 撮影範囲にウェブ継ぎ手が含まれる試験体にデジタルスチルカメラ (Nikon D50) ２台を用いた. うちついては継ぎ手の接合状態についての観察もあわせて行った.

１台は試験体全体が撮影範囲に入るよう設置し (以後全体３. 結撮影と記す), 残り１台については最大せん断力を負担すると考えられる荷重区間のみを拡大撮影される位置に設置

3.1

果

画像相関による変位量測定

し, ２台のカメラの方向に向けて５秒毎に赤外線リモコン

画像閲覧ソフトで目視で確認したⅠ形梁高さの画素数よを自動操作してインターバル撮影を行った. ５kN, 10kN,り, １画素あたりの長さを算出した結果を図２〜３に示す.

および各試験体の最大荷重 (12.7〜46.6kN) に対して20,

なお, 異なる倍率で撮影した試験結果相互を比較するため

40, 60, 80, 100％荷重に最も近い時刻に撮影された画像平均長さを１とした相対値により図示している. スパンによりせん断ひずみを計算した. 撮影画像からせん断ひずみついても, スパン長さ (曲げ試験においては3640㎜, せんを計算する方法については既往文献

１),２)によった. なお,

断試験においては1280㎜) を１とした相対値により図示し画像相関法による変位量やひずみの解析にあたっては, 表
表１ている.

試験体の一覧と断面形状― 21 ―

島根県産業技術センター研究報告第48号(2012)

１画素あたりの長さが撮影範囲の中央と周辺部で異なっ

この方法により, ひずみゲージ式変位計によって求めらた原因はレンズの歪曲収差によると考えられるが, 特にスれた試験体のたわみと比較した結果を図４に示す. 歪曲収

パン3640㎜の曲げ試験においては試験体全体を広角側で撮差を補正しない場合では変位計の計測値と画像相関による影したことから±2.5％の差が生じた. そこで, スパンたわみの絶対値には４％以上の差が生じていたが, 歪曲収3640㎜の曲げ試験について, 画像相関法によって求められ差補正によって１％程度の差に収まりほぼ同等の値となったウェブ表面のＹ方向の移動距離を, 図２をもとにレンズた. また, 上側荷重点に対する変位 (赤■) については,の歪曲収差に応じて補正したものを, 画像相関法によって歪曲収差が小さい撮影範囲中央の画像範囲から求められた求められる試験体のたわみとした.

値であることから､ 非常に高い相関を示した.

スパン長=１としたときのX方向の座標
図２スパン長=１としたときのX方向の座標

Y方向の画素数あたり長さ

図３(曲げ試験体)(せん断試験体)

変位計の計測値(㎜)
図４

変位計と画像相関によるたわみの比較

Y方向の画素数あたり長さ

ひずみゲージによるせん断ひずみ
図５(曲げ試験体／全体撮影)

ひずみゲージと画像相関によるせん断ひずみの比較(曲げ試験体／拡大撮影)― 22 ―

河村・大畑・大橋・松本：画像相関法を用いたI形梁のせん断性能の測定とその評価
なお, 図１にも示すように, ひずみゲージ式変位計によって求められた試験体のたわみは試験体下部, すなわち下側いてもⅠ形梁の形状変化を測定可能であると考えられる.
3.2

画像相関によるひずみ測定

フランジ表面での測定結果であるのに対して, 画像相関法

ひずみゲージの値と拡大撮影を用いた画像相関によるせによって求めた変位量はウェブのＹ方向移動距離であるの

ん断ひずみの関係を図５に示す. この図に示すようにひずで, ウェブの座屈やフランジへのウェブのめりこみの影響

みゲージによる値と画像相関による値はおおむね一致してを考慮すると等価のものとはいえない. しかしこの比較結いた. ただし, 図６〜８に示すように, 低い解像度で撮影果からは両者がほぼ一致する値を示す傾向を示したことかされた全体写真には概してノイズが多く十分な精度が得ら

ら, 一般的な変位計による寸法測定と同様に画像相関を用れない事例も見られることから, 寸法が大きく縦横の比率

図６

全体写真と拡大写真を用いた画像相関解析結果の比較 (梁せい286㎜曲げ試験体, TK, 5.0kN時)

図７

全体写真と拡大写真を用いた画像相関解析結果の比較 (梁せい286㎜曲げ試験体, TK45, 5.0kN時)

図８

全体写真と拡大写真を用いた画像相関解析結果の比較 (梁せい286㎜せん断試験体, SS, 9.8kN時)― 23 ―

島根県産業技術センター研究報告

図９曲げ試験体の変形状態(2012)

図10 曲げ試験体の変形状態(梁せい286㎜, 5kN時)

図11第48号(梁せい286㎜, Pmax時)

試験体のひずみ分布 (梁せい286㎜曲げ試験体, 5kN付近, 拡大撮影)― 24 ―

河村・大畑・大橋・松本：画像相関法を用いたI形梁のせん断性能の測定とその評価が大きく異なるⅠ形梁に画像相関法を適用する場合, 試験たわみが大きいものの, OSBやPBを用いた試験体 (TO,体全体を低い解像度で撮影するより, 複数のデジタルカメSO, TP) と同等のたわみ性能であることが画像相関法かラを同期させて撮影を行い, 解像度の高い拡大写真をつならも確認された.

ぎ合わせて解析するのが望ましいといえる. このように十５kN付近における梁せい286㎜曲げ試験体におけるせん分な解像度を持った撮影画像を用いるなどの留意を行えば,断ひずみ分布を図６〜７および11に示す. 図６, ７に示す

画像相関によって得られたせん断ひずみの値もひずみゲー

ように曲げ試験体の左側荷重スパンはその大部分が治具やジによる値と同等に扱えるといえる.

装置で遮られており, また先にも述べたように全体写真に3.3

ついては解像度の関係から十分な精度が得られているとは画像相関を用いた各試験体の比較

曲げ試験体を撮影した画像から５kN時 (荷重レベルはいえないが, おおむね理論通り左側荷重スパンで負のせんPmaxの12〜37％), およびPmax時のスパン全体のたわみ断ひずみ, 右側荷重スパンでは正のせん断ひずみが働いて形状を求めた結果を図９〜10に示す. これらの試験体にはいる状態が観察される.

図１に示すようにＸ座標０〜１の間に３箇所 (0.33, 0.58,

図11では右側荷重スパンでの拡大写真およびひずみ分布0.83付近) にウェブ継ぎ手が配置されたものであるが, いを重ねて示した. また, 上側荷重点からの横方向の距離がずれの荷重レベルにおいてもウェブ継ぎ手付近におけるＹ等しい解析ブロック (縦列毎) について, ウェブ上端から方向変位量の段差, すなわちウェブ継ぎ手のずれは読みと下端までの全平均値を求め, 横方向の距離と平均せん断ひれず, 試験体の変形状態の観察のみから判断するとウェブずみの値を写真の下に示した. 縦方向の距離と平均せん断継ぎ手の接合強度は十分確保されていると考えられる. まひずみの値についても同様の方法により写真の左側に示した５kN時 (図９) で比較すると, 通常合板をウェブに用た. 図７のせん断力図に示すように, 梁の曲げ理論によるいた試験体 (SS, TK) は最もたわみが大きく, 斜行型合と３等分点２点載荷においては左側または右側の荷重スパ板をウェブに用いた試験体 (TK45, SS45) はDOよりはンの外側全域に渡って均一なせん断力が働くことが示され

図12

試験体のひずみ分布 (梁せい286㎜せん断試験体, 10kN付近, 拡大写真)― 25 ―

島根県産業技術センター研究報告第48号ている. また, 縦方向のせん断力分布については, 長方形(2012)

４. ま断面の部材の場合ウェブ上下で小さく, 中央部では平均せとめん断力の1.5倍とされている. しかし今回計測した右側荷Ⅰ形梁の曲げ試験およびせん断試験に際して, 試験体の重スパンにおける横方向のせん断ひずみ分布は, 平均せん挙動を画像相関法によって観察した結果, 試験体に大量の断ひずみが大きいTKおよびSS試験体を除いて, 上側荷重変位計を装着したり, ひずみゲージを貼り付けることなく点付近でのせん断ひずみが大きく, 上側荷重点から離れる試験体表面全体の変位量やひずみ量分布が計測可能であるほどせん断ひずみが小さくなる結果となった. 縦方向のせことを確認できた. また, 低い荷重レベルにおいても接合ん断ひずみ分布についても長方形断面の部材における理論部のせん断ひずみは発生するが, その変位量 (ずれ) 自体値とは異なる結果となっていた.

は梁全体のたわみ量と比較して非常に小さいことが示され10kN付近における梁せい286㎜せん断試験体でのＹ方向た.

ひずみ, およびせん断ひずみ分布を図12に示す. 10kNで今回は市販のデジタルスチルカメラやレンズを用いてⅠの荷重レベルはPmaxの23〜48％であり, 荷重レベルが形梁のせん断変形挙動の観察を行ったが, Ⅰ形梁試験体はPmaxの40％を越えたのはTK45試験体のみであった. せ長大であることから試験体全体を十分な精度で撮影して解ん断試験体ではスパン中央部を試験機本体によって遮られ析するには困難があった. また画像相関法に用いたソフトており荷重点付近の状態を十分確認できないものの, 平均

ウェアは文献３)に用いられているプログラムを参考に島根

せん断ひずみが大きなTKおよびSS試験体については上側荷重点と下側荷重点の中間付近でせん断ひずみが大きい.
それ以外の試験体については下側荷重点から上側荷重点に向かって斜めにせん断ひずみの比較的大きな部分が分布する傾向があるが, ウェブとフランジの接合部において最もせん断ひずみが大きいことが確認できる. また, Ｙ方向のひずみ分布図で示すように, ほとんどの試験体ではウェブとフランジの接合部において大きなＹ方向ひずみが発生しており, フランジがウェブにめりこみ (紫色で着色された部分), またはフランジがウェブから引き抜け (黄色〜赤色で着色された部分) の変形を生じていると考えられる.
このように比較的低い荷重レベルにおいても, ウェブとフランジの接合部あるいはウェブ相互の接合部には圧縮, 引張, またはせん断ひずみが集中しているといえる.

県産業技術センターにおいてDelphi５で作成しなおし, 画像入出力機能を付加したものであるが, 計算速度の最適化については十分でない. Core i3-550, 3.2GHzのPCにおいても１画像の解析に数分〜数十分要することから, さまざまな荷重レベルにおける画像を解析するには時間的な制約が最大の課題となっている.
撮影作業についても, 試験体が試験機本体に遮られる部分が多いと観察可能な面が限られることや, 一般的な万能強度試験機では試験機の駆動とカメラの撮影を同期させるのが難しく, 試験と撮影の開始を手作業で行ったり, 撮影された画像から荷重レベルを判定するのが手作業になることも課題であった. これらの問題については, 試験機の開口部を広く設計してカメラを導入しやすくすること, 撮影画像に荷重値を写し込める可搬型の表示器を付属すること,試験機とカメラの動作を同期できる機能を付属させること

斜行型合板をウェブに用いた試験体 (TK45, SS45) で等により解消することが可能である.

は通常合板を用いた試験体 (TK, SS) よりもせん断ひず

カメラの解像度や台数を増加させ, また現在パターンマッみが小さく, その結果試験体のたわみも小さくなると考えチング法の分野でよく使われている高速な画像処理ライブられる. TKおよびSS試験体については大きなせん断ひず

ラリを用いれば, 今後変位計やひずみゲージを使用せずにみが生じて, ウェブがせん断変形することから理論図と近試験体の変形挙動を解析することも十分可能になると考え

いせん断ひずみ分布が得られるのに対し, せん断ひずみがられた.

生じにくい試験体においては上側荷重点付近での圧縮変形

また, Ⅰ形梁の材質による比較を行った結果, ウェブにが支配的となり, 荷重点から離れると応力集中が起こりに通常合板を用いたⅠ形梁ではせん断ひずみが大きく, またくくなってせん断ひずみが小さくなると考えられる. これ

せん断区間全体においてせん断ひずみはほとんど均一であっらの試験体ではひずみゲージを貼った点 (上側荷重点よりたが, 斜行型合板やOSB, PBを用いた試験体では荷重点横方向に450㎜付近) でのせん断ひずみの値も比較的小さ付近やフランジとウェブの継ぎ手に引張, 圧縮, およびせかった.

ん断ひずみが集中する状態が観察された. ウェブに斜行型

すなわち, 斜行型合板, OSB, またはPBなどのせん断合板やOSB, PBを用いたⅠ形梁のせん断性能をさらに向性能が大きな材料をⅠ形梁のウェブに用いると通常合板を上させるには, フランジやウェブの継ぎ手の接合方法を改用いるよりたわみは減少するものの, 一方でウェブとフラ良することが有効であると考えられる.

ンジ, あるいはウェブ相互の接合部の引張, 圧縮, せん断謝ひずみが支配的となることから, 継ぎ手の接合強度を増加させればさらに強度性能を向上させることが可能であると考えられる.

辞

本研究は平成20年度 JST シーズ発掘試験 (課題番号01107) により実施した.

― 26 ―

河村・大畑・大橋・松本：画像相関法を用いたI形梁のせん断性能の測定とその評価

文号. 2006-09-29.

献８) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材及びその製造方法. アメリ

１) M. Ikeda, M. Masuda, K. Murata, S. Ukyo. Analysis of InPlane Shear Behavior of Wood Based Panels by Digitalカ特許7384675. 2008-06-10.
９) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材及びその製造方法. 中国特Image Correlation. Journal of the Society of Materials
Science, Japan. 2006, Vol. 55, No.6, p.569-576.

許ZL200380105698.3. 2008-07-30.
10) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材及びその製造方法. カナダ

２) 河村進, 大畑敬, 村田功二. 斜行型合板を用いた耐力壁の面内せん断性能. 材料. 2006, Vol. 58, No. ４, p.280-285.
３) 大橋義特許2509623. 2008-08-19.
11) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材及びその製造方法. ヨーロッ. 北海道産人工林材を用いた木質Ⅰ形梁の材料特性と構造設計に関する研究. 北海道大学農学部学位論文, 2009.

パ (フィンランド・イタリア) 特許1616679. 2008-09-17.
12) 大橋義４) 高見勇. 合板の剪断性能に関する基礎的研究. 林試研報. 1969,, 松本和茂, 河村進, 大畑敬.

いた木質Ⅰ形梁の力学特性

No.225, p.42-132.

種々の国産材料を用. 加工技術協会第27回年次大会

講演要旨集. 熊本, 2009-10-8/10. 社団法人日本木材加工技術

５) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材の製造方法. 特許第3729410
号. 2005-10-14.

協会, 2009, p.85-86.
13) 大橋義６) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材. 特許3858177号. 2006-0929.

, 松本和茂, 河村進, 大畑敬.

用いた木質 I 形梁の曲げ変形挙動

45 度合板をウェブに. 日本材料学会第59期学術講演会講演論文集. 札幌, 2010-5-21/23. 公益社団法人日本７) 島根県. 大畑敬. 斜行型単板積層材の製造方法. 特許第859013― 27 ―

材料学会, 2010, p.41-42.