河村：木材および木質構造接合部の強度試験における変位計測

資料

木材および木質構造接合部の強度試験における変位計測
進＊

河村

１. 緒当言島根県産業技術センター有機材料技術科では木材や木質構造接合部の強度試験を数多く手がけてきた. 強度試験においては部材自体や接合部の変形性能を計測する必要があり, 対象物によっては同時に複数部位の変形を計測する必要もある. 変位計測には一般的に変位計 (伸び計) が用いられるが, 計測対象によって求められるスペックは異なるので, 計測対象に適した変位計を選定する必要がある. しかしそれら変位計の具体的な取り扱いに関する留意点は多くの場合製品取扱説明書に記載されるのみであるので, 複図１

数メーカーにまたがって変位計や計測システムを運用する

接触式変位計の取り付け方法

場合の取り扱いは実験者の経験のみに任されている現状がある. そのため, 強度性能評価において変位計を用いずに柔らかい物体などへの対応が難しい. 出力方法の違いにつ強度試験機のクロスヘッドストロークを変位の値として扱いては, アナログ値を出力する変位計を使うには別途デーう事例や, 適切でない変位計を用いた議論も見受けられる.

タロガーなどのAD変換器を必要とするが, 既存の計測シ

本稿では当科で行っている寸法変化の計測の事例紹介と,ステムとの混在利用が容易である. 一方, デジタル値を出実際の実験で利用した際の測定精度に関する考察を行った

力する変位計はパソコンに直結して高精度な記録が行えるので, その結果について報告する.

反面, アナログ入力で構築された既存の計測システムとの２. 本
2.1

一体的な運用が難しい.

論

当科で保有する変位計の仕様を表１に示す. 一般的に木変位計の種類と選択材試験や構造物試験においては10〜500㎜程度の寸法の試変位計を選択する際のポイントとして, 計測可能な距離

験体の変形量を, 実験中の変化量の最大値に対して１％の(計測レンジ) , 接触・非接触の有無, 出力方法などが挙精度で計測することが求められる１). この仕様を満たす変げられる. 動きが速い事象を計測する場合は応答速度も重位計として, 木材・建築・土木分野では寸法変化をひずみ要な選択ポイントとなる. 長時間にわたる計測や過酷な環量に変換して出力する接触式変位計が広く用いられる. 接境での計測を行う場合は, 温度や湿度に対する耐久性や環触式変位計の使い方は, 図１(a)に示すように部材に変位境変動に関する指示値の特性を確認する必要もある.

計の測長棒を直接押し当てて測定する. 測定点の位置が測変位計の精度の指標として直線性がある. 変位計の直線長棒に対して平行方向に変化する場合は, 図１(b)に示す性は多くの機種で最大計測レンジの0.1〜0.5％程度であり,ように部材に当て板を取り付け, 変位計を当て板に押し当

たとえば計測レンジが100㎜で直線性が0.1％の変位計であてて測定する. 変位計のストロークより離れた位置にある

れば0.1㎜程度の精度で寸法変化を計測することになる.

測定点間の寸法変化を計測する場合は, 図１(c)のようにしたがって, 微小変化の計測において計測レンジが長い変試験体にフックを取り付け, 変位計とフックとをワイヤー位計を用いると精度が不足するので, 計測したい寸法変化などで接続して計測することもある (ただしワイヤーの伸に応じた適切な計測レンジの変位計を選定する必要がある.

縮やずれが発生するので計測精度は劣る) . ひずみゲージ

また, 接触式の変位計は, 計測レンジが同等であれば非接式変位計は比較的安価ではあるが, ひずみゲージ出力を電触の変位計より測定精度に優れるとされるが, 直接接触さ気信号に変換するひずみゲージアンプが必要であり, 電圧せて計測するのが難しい事案, すなわち動きの速い事象やや温度のみを記録できる安価なタイプのデータロガーには＊接続できない.

有機材料技術科―7―島根県産業技術センター研究報告
表１第54号(2018)

有機材料技術科で保有する変位計の仕様

接触式変位計としてはその他デジタル出力タイプの機種

量を画素単位で検出する画像センサ (OMRON製FH-3050)がある. デジタル出力タイプの変位計は内部の目盛をカウも導入している. 画像センサとはカメラと解析用ソフトウェントする光学方式や電磁誘導方式などがあるが, これらのアが組み込まれたコンピュータとで構成され, ソフトウェ

多くは計測レンジにかかわらず最小読み取り目盛は0.1〜

アの機能設定により撮影画像中のさまざまな形状を認識し10μ程度であり, 計測レンジが長い変位計でも微小な寸法て, その位置や形状係数などの数値をリアルタイムに出力変化を精度良く計測できる. たとえば強度試験で, 接着材するものである. 寸法精度は撮影系 (レンズや画素数など)料のように大きな荷重で微小な弾性変形を生じた後に, 接に依存するものの, 撮影画像中の複数箇所の移動量を同時着層のはく離によりわずかな荷重増加で大きな塑性変形をに検出できる利点がある (ただし, 処理速度は機能によっ生じる場合, 精度のよい寸法変化が計測可能となる. 反面,既存システムとは出力形式の互換性が少なく, 強度試験機ソフトウェアや既存の変位計と組み合わせて計測する場合は, 個別に計測開始／停止の操作を行うとともに, それぞれのシステムから得られるデータを分けて解析する必要があるので操作性が劣る上, 計測開始時刻の同期も難しい.
なお, 接触式の変位計は試験体の破壊に伴い変位計本体が破損する危険性があり, 強度試験機メーカーでは試験体が破壊する前に変位計を取り外すことを推奨している.
一方, 非接触の変位計として当科では反射式のレーザ変位計を利用している. 反射式のレーザ変位計はセンサヘッドから対象物に向けてレーザ光を発し, 反射光をセンサヘッドの受光部で検出して対象物までの距離を計測するので,接触式の変位計とほぼ同様に利用できる. 当科におけるレー図２

ザ変位計の使用方法については2.2で詳しく述べる.
また, 当科ではカメラで対象点を撮影し, 対象点の移動―8―包装用ポリエチレンフィルムの引張試験において,試験体にマーカーを貼付して伸びを計測した事例

河村：木材および木質構造接合部の強度試験における変位計測

図３

レーザ変位計固定治具の使用例(合板−釘一面せん断試験)て変化する) . 強度試験に適用すると, 試験中に試験体の形状は変化することが多いので, ソフトウェアが対象点を図４判別できなくなる問題がある. 対象点にマーカーを貼付す測定点間の距離が長く, かつ寸法変化が微小な場合のレーザ変位計の使用例 (ドアのせん断変形の計測)

れば誤検出は少なくなるが, 柔らかい材料や微小な材料では試験体にマーカーを貼付する方法を検討する必要がある.

で, DINレールをねじ止めした試験体に対してレーザ変位包装用ポリエチレンフィルムの引張試験に際して伸びを計計の着脱と, 変位計の位置合わせにかかる作業時間が飛躍測した例を図２に示す.

的に短縮された. 当科ではこの方式を採用するまで, 変位

なお, 非接触式の変位計としてこれ以外には渦電流式変計の着脱時間を短縮するため交換用の接触式変位計を用意

位計, 超音波式変位計などが挙げられるが, 前者は金属のして試験体とともに取り替えており, 交換用の変位計を用みを対象とし, 最大計測可能距離が比較的短く (〜10㎜程意するコストが生じていた. ただし, DINレール取り付け度) , 後者は温度による変動が大きいので当科では利用し具を利用する場合の問題点として, DINレール取り付け具ていない.とDINレールとのすべりや, 樹脂製の取り付け具 (本体：2.2ABS製, 爪：６-ナイロン製) の寸法変化を考慮する必要

レーザ変位計の使用方法

レーザ変位計は多くの機種が電圧出力, すなわち変位をがある. すべりの問題については, アルミ製DINレールと変換式に基づいて電圧値として出力する機能があり, 電圧試験体(木材)とを皿タッピングねじで取り付けるとDINレー入力に対応したデータロガーに接続して, 記録された電圧ルにゆがみが発生してすべりやすくなることが判明したの値から変位に換算する. USBやシリアル通信により直接パで, トラスタッピングねじに変更することで解決された.

ソコンに変位を出力できる機種もあり, 当科でもシリアル取り付け具の寸法変化については2.4で検討を行った.

通信ユニットを装着して専用プログラムを作成することで,接触式変位計と同様, レーザ変位計においても当て板がデータロガーを使用しない強度試験も行っている. 既存の必要な場合がある. 先にも述べたように接触式変位計では強度試験機ソフトウェアを利用する場合は, 変位計の電圧測長棒が接触すると当て板が変形する可能性もあるため,出力を強度試験機の外部電圧入力端子に接続する.

当て板には剛性を有するL字金具が用いられる. しかしレー

ひずみゲージ式の変位計と比較して, レーザ変位計はひザ変位計を利用する場合は当て板に接触圧がかからないのずみゲージアンプが不要でシステム構築の自由度が高い優で, アルミ製のDINレールあるいは合板の薄板などの利用位点がある. また接触式の変位計と比較して, 接触圧によも可能であり, 軽量であることから当て板を鋼製の試験機る変位計や当て板の変形を拘束する必要がなく, 変位計や治具にマグネットで貼り付けて固定することも可能となっ当て板の固定方法に自由度が生ずる.

た. 他方, スポット径が小さなレーザ変位計では当て板に当科で開発したレーザ変位計固定治具を図３に示す. まは平滑さが求められる. さらに, 色むらのある対象物の計ず変位計を意図せぬ衝突から保護するため, レーザ変位計測で誤差を生ずる場合もあり, 当て板を必要としない場合をアルミ角パイプ内に格納した. 角パイプの一辺の両端にも試験体に白いラベル用紙などを貼付するのが望ましいとねじ穴を設けており, 角パイプに格納された状態のみでも考えられる. 例えば, 図３に示す事例では色むらの影響を試験体またはマグネットスタンド等への取り付けは可能で除外するため, 荷重載荷部材に当て板として白板を取り付あるが, 角パイプをDINレール取り付け具に組み込むことけ, 変位を計測した.

―9―島根県産業技術センター研究報告第54号(2018)

上がった瞬間に大きな寸法変化を記録したり, あるいは変位計の計測範囲を超過することがある. このような試験結果に対して, 試験をやり直せない場合, あるいは表面の浮き上がりを無視した解析を行いたい場合など何らかの方法でデータ解析が必要な場合は, 工学的に妥当と判断される方法により変位データを補正する.
たとえば強度試験機付属のソフトによっては, 変位計を取り外した後は変位計の値に代えて強度試験機のストロー
図５

ク (モーターのパルスカウントにより計算したクロスヘッドアのせん断変形の計測事例ドの移動量) を自動記録する機能がある２). 強度試験においては, 試験開始直後は治具のゆるみが生じていることや,試験体と治具とのすき間の平行度が十分でない状態で試験を開始すると, 変位計による試験体の変形量とクロスヘッドの移動量とは差が生じやすいが, 試験体に荷重がある程度加わった後は治具間のゆるみや治具とのすき間が消失してクロスヘッドの移動量が変位計の変形量と一致するようになるので, この補正方法は妥当と考えられる. また, 測定レンジが異なる変位計を２台並べて試験開始し, 変形が図６小さいときは測定レンジが短い (精度の高い) 変位計の値変位データの補正事例のみを記録し, 測定レンジを超える直前に測定レンジの長接触式の変位計を用いて, 測定点までの距離が長く, かつ微小な寸法変化を計測する場合は, 図１(ｃ)にも示した

い変位計の値に自動的に切り替えて記録する機能を有するものもある.

ように変位計と測定点間をワイヤーで接続する方法がある.

一方, 図５のようにデータが瞬時に大きく変化するようレーザ変位計を用いる場合も, レーザ変位計と当て板の距な場合について, 変化前後における変位量の変化はほぼゼ離が適切な位置関係となる治具を考案する必要がある. 一ロであるとみなして, 変化前後の変位が一致するように補例としてドアに垂直荷重をかけたときのせん断変形を計測正することも考えられる. この方法に基づくと, 図５の事した事例を図４に示す. この事例ではドアに錘を載せて荷例についても図６のような補正により, 計測系の不具合と重を加え, その後錘を取り除いたときのドアの対角線方向考えられる現象を取り除いた結果を得ることができる.の変形量を計測した. なおドアの表側と裏側で対称方向のこの考え方を拡張したのが, 木材試験における変位計の計測を行い, それぞれCh１, Ch２として記録した. 計測

盛り替えというテクニックである. すなわち測定レンジがにあたっては上下の測定点からアルミ製のアングルと角パ短い変位計を用いて大きな変位を計測するもので, 変位計イプを伸ばしている. すなわちテフロンシートを貼ったアが測定レンジを超える直前に強度試験機のクロスヘッドをルミアングルを対角線上にドア下方２点で固定して, レー一時停止させ, 変位計を計測レンジ内に移動させた後に試ザ変位計を取り付けたアルミ角パイプ (アングルとの摺動

験機の動きを再開させる方法である. しかしながらクロス面にテフロンシートを貼った) をドア上端１点でボルト止ヘッドを一時停止している間にも試験体は徐々に変形するめして, 角パイプが回転可能, かつアングル上をなめらかので, 盛り替えた後の計測精度は不明である. 変位計の盛に動くようにした. 荷重を加えたときの変形により生ずるり替えを前提とした変位計の利用を検討するより, たとえアルミアングルと角パイプのずれをレーザ変位計により計

微小変位の計測精度は低くても測定レンジが長い変位計を測したところ, 図５に示すようにCh.１では錘の載荷, 除用いて, 盛り換えを行わずに計測する方が望ましいと考え去に応じて変形量が徐々に変化したが, Ch.２では数値がられる. また, 試験中にクロスヘッドを一時停止して変位大きく変化する現象が発生した. これはアルミアングルと計を移動させる必要があることから試験機ソフトウェアに角パイプの摺動が不十分であったことが理由として考えら

この機能が組み込まれている必要もあるが, 盛り替えに対れる.

応する試験機ソフトウェアは少ない.

2.3

2.4

変位データの補正

一般環境下における寸法変化の実測例

先にも述べたように, 接触式の変位計は試験体が破壊す

多くの強度試験は短時間に終了するので試験中の温湿度る前に変位計を取り外すことがあるが, この場合は試験途変化の影響をあまり考慮する必要はないが, 長期間にわた中から変形量の生データは取得できない. また試験体に大る試験体の寸法変化を計測する場合は温湿度変化に対するきな損傷が生じなくても, 表面の化粧板がはく離して浮き計測系の挙動を確認する必要がある. 試験場所の標準状態― 10 ―

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図７表２

計測に用いた変位計, 治具および試験体との位置関係計測に用いた変位計と固定方法

図８

試験体や変位計を恒温恒湿機内に設置した状況

図９

設定した温湿度変化

変位計の試験体への取り付け方法や位置関係については,
表２および図７〜８に示すように変位計を２本のDINレール上に横に並べて取り付けた. DINレールへの変位計の取３)についてはJIS Z8703 で規定するように一定温湿度で行り付けに際しては, 測定点までの距離が各変位計の計測レうことになっており, 当科が保有するほとんどの変位計もンジに合致するように, 変位計ごとに上下位置を調整して変動環境下において精度保証するものは存在しないが, 木取り付けた. 試験体設置用の台座として60×60×5㎜厚さ材試験においては試験体が大きいこともあって外気環境でのアルミ製アングルを用いた. これらの変位計を取り付け試験を行ったり, 建築物の経年変化を想定して温湿度変化たDINレールおよび台座アングルを, 図７に示す位置で２における評価を行うこともある.

本の25㎜角のアルミ製角パイプに固定した. アングルの上

温湿度変化による材料の寸法変化を計測する場合は変位にスギ (寸法：高さ70×奥行き60×長さ900㎜, 気乾密度, 含水率9.7％) を載せ, 恒温恒湿機 (エスペック

計が直接温湿度変化にさらされるので, 計測された変位計

0.42g/の数値には材料の寸法変化と計測系の温湿度依存性が含ま製PL-３KP) 内に設置し, 設定した温湿度変化を与えたとれることになる. そこで温湿度変化に対する木材の寸法変きの計測値を記録した. なお,計測系の温湿度依存性を確化を計測する場合を想定した実験を行い, 計測系の違いに認するため, スギ材を支持する台座のアングルのみを計測よる計測値の変動を考察した.

した値の変化についても計測した (アングルのみを計測す― 11 ―

島根県産業技術センター研究報告

図10第54号(2018)温湿度変化を与えたときの計測値の変化

る場合は各変位計の計測値がレンジ内に収まるよう, 変位変化の平均値を模したものであるが, 計測系を安定させる計とアングル間の距離を70mm接近させた). 今回の計測ため, 試験開始前に試験体を設置した状態で25℃45％で24

値は, 変位計と試験体上面あるいは台座アングル表面の距時間定値運転してから計測を開始した. よって, 以下の議離を計測していることになるが, 台座アングルはもとより,論では周期的な温湿度変化の開始時刻を経過日数0とした

試験体についても横方向の位置の相違による距離の相違は寸法変化を示す.

無く, 各変位計が試験体の横方向の異なる位置に設置され計測値の変化を図10に示す. 木材を計測した指示値からていても, その影響は無視でき, 計測値には変位計型番と台座アングルのみを計測した指示値を差し引くと木材の寸取り付け方法の相違が反映されると考えた.

法変化が求められると考えたが, 台座アングルのみを計測設定した温湿度変化を図９に示す. この周期的な温湿度した指示値も変位計によってかなり異なる結果を示した.

変化は2017年５月下旬に観測された松江市の１日の温湿度

すなわち, 周辺温度の下降によって指示値が増加するもの― 12 ―

河村：木材および木質構造接合部の強度試験における変位計測(たとえば①〜④, ⑭), および逆の変化を示したもの(⑤度変化は10℃であるから, 変位計や台座を固定するアルミ⑥, ⑨〜⑫)があった. 指示値のドリフトが生じた⑦につ角パイプが温度変化により伸縮したと考えると変位計を固いては, 変位計の固定に使用した木製ブロックが吸放湿す定するねじ穴の位置とアルミアングル間距離は134㎜と計ることによる寸法変化が計測されたと考えられる. 一方変算されるが, 実測距離は136㎜(図７に示すように70㎜厚さ位計をボルト留めにより固定したものに対するDINレールの木材を設置した状態では206㎜であったが, 台座のみを留め具を用いた場合(①⑥に対する⑨⑪, あるいは⑭に対計測する場合は70㎜接近させて136㎜とした)とほぼ一致しする⑫)を比較した結果では, 指示値の変動に大きな差はた. すなわち今回作成したような試験装置により温度変動なく, 指示値の顕著なドリフトも観測されなかった. 逆にのある環境で長期計測を行う場合は, 変位計固定治具など同一変位計を同一固定方法により設置した場合 (①と⑥)の寸法変化の影響も考慮する必要があるといえる. また木でも異なる結果が得られたことや, 計測系を支持する２本材の計測においては治具の加工精度や剛性は軽視されがちのアルミ角パイプの外側 (①〜④, ⑪〜⑮) と内側 (⑤〜であるが, 微小な寸法変化の計測においては治具の設計に⑩) では台座のみの指示値が逆の増減を示すものが多く見も十分な配慮が必要であるといえる.

られたことから, 横方向の位置の相違は生じないとした当

３. ま初の仮定に問題があり, 台座アングルや変位計の固定方法とめによる影響も考えられる. ただし, 多くの変位計はその直当科で行っている変位計の使用方法やデータのとりまと線性の精度が指示値の高々数分の１程度であり, 誤差が大め方法などについて, その概略を紹介した. 誌面の都合できく相対的な寸法変化についても十分計測できているとは十分な紹介ができなかったので, その他の変位計の使用に言いがたい. また, 同一メーカー製のともにひずみケージ関する案件については個別にお問い合わせいただければ幸式変位計である⑤と⑬を比較すると, 計測レンジは同一のいである.

100㎜で直線性が0.1㎜と0.2㎜で相違しているだけであるが,文⑬の方にノイズが多く生じており, ⑬の変位計の方が周辺環境の温湿度変化により大きく影響を受け易いとも考えら

１) 日本住宅・木材技術センター. 構造用木材の強度試験
マニュアル. 2011, p.７.

れる. さらにワイヤーを引っ掛けて計測する方法 (⑧や⑮)１)は, １％の精度で計測することが求められる 木材試験に

２) 島津製作所.

おいて, 今回の実験への使用にはふさわしくないといえる.
最も直線性が優れた②を用いて台座のみを計測した結果では最大0.031㎜の変化が観測されたが, 20℃におけるア
４)

ルミニウムの線膨張率 は23.1×10−６

献TRAPEZIUM Xソフトウェアリファレンスマニュアル. p.125.
３) JIS Z 8703-1983.

試験場所の標準状態.

４) 国立天文台. 平成20年理科年表. p.401.

/℃であり, 周辺の温― 13 ―p.１.