JP2000186944A - 自己検知機能あるいは自己修復機能を有する構造物及び構造部材 - Google Patents

自己検知機能あるいは自己修復機能を有する構造物及び構造部材

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JP2000186944A
JP2000186944A JP10363224A JP36322498A JP2000186944A JP 2000186944 A JP2000186944 A JP 2000186944A JP 10363224 A JP10363224 A JP 10363224A JP 36322498 A JP36322498 A JP 36322498A JP 2000186944 A JP2000186944 A JP 2000186944A
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fiber sensor
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Tadahiro Kakizawa
忠弘 柿沢
Yukio Ishikawa
幸雄 石川
Yoshiaki Higuchi
祥明 樋口
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Takenaka Komuten Co Ltd
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の部材を一括して集中的に各種物理量を
検知することができる構造物を提供すること、また、高
い信頼性と安全性を備え、メンテナンスを省力化するこ
とができ、かつ部材の構造設計上の安全率を下げ最適設
計を行うことができる構造物を提供すること。 【解決手段】 複数の部材からなる構造物であって、該
複数の部材にそれぞれ設置され、各部材の物理量を検知
するための光ファイバーセンサーと、該光ファイバーセ
ンサーが検知した物理量と、各部材についての物理量の
規定限界値とを比較して情報を発する装置を有し、前記
複数の部材を集中検知するための集中検知システムを備
えた構造物、及び前記集中検知システムとこれからの情
報に基づき、部材の物理量を規定限界値から遠ざけるた
めの制御システムを備えた構造物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、土木・建築分野に
おいて、複数の部材の状態を集中的に検知するシステム
を備えた構造物、及び部材の状態を検知し部材のあるべ
き状態に自動的に復元させることができるシステムを備
えた構造物に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、一般構造物においては、設計荷重
を越えた外力が作用する場合も想定されるので、定期的
な点検と補修、補強が行われている。このメンテナンス
行為はかなりの経済的負担を強いるので、可能ならば労
力を伴わない自動化が望まれる。したがって、何らかの
方法により部材のひずみ、応力状態を常に最適な状態に
保つことができれば、構造設計上の安全率を下げて部材
の最適設計を行うことがが可能になり、コストの点でか
なり有利となる。一方、危険性の高い物質を貯蔵する原
子炉格納容器や、使用済み核燃料廃棄物貯蔵容器のよう
な構造物では、構造設計上の安全率は高く設定されてお
り、重大な事故が生じないよう、材料、構造面から設計
されているのが一般的である。しかし、冷却システムの
不具合などによる部材の温度上昇は危機管理の観点から
は考えておくべき特殊なケースであり、この場合はこれ
による事故を未然に防ぐための方策を考えておく必要が
ある。また、巨大地震や環境条件の劇的な変化などによ
って生じる部材のひび割れなどの変形・損傷も、最悪の
場合、放射性物質の漏洩といった重大事故と直結する危
険性があり、フェイルセーフとして早期の段階でひび割
れなどの変形・損傷などを検知してコントロールする技
術を考えておくことが重要である。したがって、一般構
造物や原子炉格納容器などの構造物においては、高い信
頼性と安全性を実現するためにまたコストの点からも、
検知とその情報に基づいて制御を行うシステムが望まれ
る。
【0003】一般の土木・建築構造物では部材の温度、
ひずみ、変形、ひび割れなどを検知する方法は既に提案
されており、また検知手段としては最近光ファイバーセ
ンサが注目されている。これを用いた技術としては、例
えば「溶融金属精錬容器用湯漏れ検知方法、並びにその
判断方法(特開平9−218125)」や、「漏洩検出
手段を備えたタンク(特開平9−323784)」、
「鉄筋コンクリートの監視装置(特開平6−7508
4)」、「コンクリート構造体のひび割れ検出方法(公
開昭61−169704)」等がある。これらは対象構
造物の温度や気密性、ひずみなどを常時監視するととも
に、それらを検出する手段として光ファイバーセンサを
使用しているのみであり、温度の異常な上昇や規定限界
値を超えたひずみ、変形、ひび割れ、内包物の漏洩など
が検出された場合、それらを正常状態に戻すための制御
手段については特に考慮されていない。
【0004】一方で特殊な構造物、例えば原子炉格納容
器や使用済み核燃料廃棄物貯蔵容器などでは、ひずみや
ひび割れ、温度の検知、制御方法については特に考慮さ
れていないが、これは温度を例にとると、定常運転時に
は部材温度がある一定温度以下に制御されるよう設計さ
れており、この状態が安定して制御されることを前提と
しているからである。したがってこの種の構造物では、
システムの不具合による異常な発熱による部材の温度上
昇などを、センサーにより積極的に監視する考え方は現
在のところ見られない。また、構造設計上、十分な安全
率を見込んだ設計がなされていると同時に、地震に対す
る倒壊・転倒防止システムが考えられていることが一般
的であり、温度と同様、外力によるひずみやひび割れの
測定はほとんど考えられていない。従って、温度、ひず
みが規定限界値を越えたり、あるいはひび割れが発生し
た場合に、これを制御する方法も考えられていない。
【0005】ところで、構造物のひずみ、損傷、温度な
どの検知については電気抵抗式ひずみゲージや変位計、
熱電対などが使用されることは容易に想像される。しか
し例えば原子炉格納容器において温度やひずみを精度良
く測定する場合、あるいは将来貯蔵ヤードに膨大に設置
されると予想される使用済み核燃料廃棄物貯蔵容器の温
度やひずみを測定する場合は、これら従来のセンサーを
用いると莫大な数量のセンサーを使用することになり、
管理システムはかなり煩雑なものとなる。これはまた、
構造物のイニシャルコストを上げる要因ともなる。また
従来のセンサーでは50〜100年程度以上の長期にわ
たる使用時の耐久性や機能の劣化が懸念される。従って
検知のために用いるセンサーには、少ないセンサー数で
多くの情報量を得ることができること、集中管理に適し
ていること、長期的な耐久性に優れていることなどの性
能が要求される。制御方法については、異常を検知した
段階で自動的にコントロールできるシステムが望まし
く、センサーと連動して作動することが必要であり、そ
のためにもセンサーはネットワーク化できることが求め
られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、その目的は、複数の部材を一括
して集中的に各種物理量を検知することができる構造物
を提供すること、また、高い信頼性と安全性を備え、メ
ンテナンスを省力化することができ、かつ部材の構造設
計上の安全率を下げ最適設計を行うことができる構造物
を提供することにある。また、本発明はさらに構造部材
にプレストレスを導入し、ひずみ等を常に最適な状態に
保つことが可能な装置を備えた構造部材をも提供するも
のである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の構造
物あるいは構造部材を提供することにより解決される。 (1)複数の部材からなる構造物であって、該複数の部
材にそれぞれ設置され、各部材の物理量を検知するため
の光ファイバーセンサーと、該光ファイバーセンサーが
検知した物理量と各部材についての物理量の規定限界値
とを比較して情報を発する装置とを有する、前記複数の
部材を集中検知するための集中検知システムを備えたこ
とを特徴とする構造物。 前記物理量としては、温度、ひずみ、温度分布、ひずみ
分布、変形量、ひび割れ発生、ひび割れの発生位置、又
は放射線の漏洩量等が挙げられ、また、各々の部材にお
いて、同一又は異なる物理量を検知することができ、さ
らに1つの部材において異なる物理量を検知することも
できる。
【0008】(2)前記集中検知システムからの情報に
基づき、部材の物理量を規定限界値から遠ざけるための
制御システムをさらに有していることを特徴とする前記
(1)に記載の構造物。 前記物理量が温度の場合、前記制御システムが、貯水タ
ンクと散水装置及び/又は冷却空気送気装置を有してい
るものが挙げられる。また、前記物理量が引張ひずみ量
又は変形量である場合、前記制御システムが、部材中に
設けられたPC緊張材を緊張させプレストレスを導入す
るためのPC緊張材緊張装置であることができる。さら
に、前記PC緊張材緊張装置が、PC緊張材に定着され
かつ予め曲げ変形させた形状記憶合金製アクチュエータ
ーと該アクチュエーターを加熱するための加熱装置を有
するものであることができる。また、前記(2)の構造
物としては、前記の温度を制御するシステム及び引張ひ
ずみ量又は変形量を制御するためのシステムの2つのシ
ステムを備えたものが挙げられる。
【0009】(3)部材、該部材中に配置されたPC緊
張材、該部材に設置され該部材の引張ひずみ量又は変形
量を検知するための光ファイバーセンサー、該光ファイ
バーセンサーが検知した引張ひずみ量又は変形量と、該
部材についての規定限界値とを比較して情報を発する装
置、及び前記情報に基づいてPC緊張材を緊張させプレ
ストレスを導入するためのPC緊張材緊張装置を有する
ことを特徴とする構造部材。 前記PC緊張材緊張装置が、PC緊張材に定着されかつ
予め曲げ変形させた形状記憶合金製アクチュエーターと
該アクチュエーターを加熱するための加熱装置を有する
ものであることができる。
【0010】上記(1)または(2)の構造物、及び
(3)の構造部材において使用する光ファイバーセンサ
ーは、グレーティングファイバーセンサーであることが
好ましく、また前記光ファイバーセンサーは螺旋状ある
いは蛇行状に設置することが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】上記のシステムを実現するため
に、本発明においては、各種物理量を検知するために光
ファイバーセンサーを使用することを特徴とする。光フ
ァイバーは光通信における伝送媒体として広く用いられ
ており、図1には、その典型的な光ファイバーの断面図
が示されている。図中、10は光ファイバー、12はコ
ア、14はクラッド、16は被覆材を示す。コアは主に
石英系あるいはプラスチック系の材料で作られている。
光ファイバーは通信用の他に温度センサー、ひずみセン
サーとしての応用も可能であり、建設分野においてもそ
の適用は広がりつつある。ファイバー上の温度・ひずみ
の分布量を測定することも可能であるため、広い領域の
監視に向いている材料である。本発明においてはこの光
ファイバーセンサを構造物に応用することにより、特に
温度、ひずみを多点で測定することができる。
【0012】本発明においては、光ファイバーセンサー
を用いることにより、部材の温度、ひずみ、温度分布、
ひずみ分布、変形量、又は放射線の漏洩量等の物理量が
検知される。ひずみ、ひずみ分布、及び変形量を測定す
ることにより、ひび割れが発生していること、またひび
割れの発生位置を検知することも可能である。放射線の
漏洩に関しては、放射線の照射に対して後方散乱光が励
起されるので、原子炉貯蔵容器や使用済み核燃料廃棄物
貯蔵容器においては、これを測定することにより放射線
の漏洩も検知することが原理的に可能である。原理的に
は温度とひずみ分布を1本の光ファイバーセンサで同時
に測定することも可能であり、これにより1つの部材に
おいて温度、ひずみの測定を1本の光ファイバーで行う
ことが可能になる。ただし、このような場合において
は、ひずみの測定値に対しては温度の影響を補償し、温
度の測定値に対してはひずみの影響を補償する必要があ
る。
【0013】光ファイバーの材料的な特徴としては、軽
量で耐電磁放射性に優れ、ノイズなどの影響をほとんど
受けないこと、また、長期の耐久性にも優れ、さらに多
点測定が可能であるためネットワーク化が可能であるこ
と等が挙げられる。さらに、光ファイバーは通信用とし
て広く用いられているものであり、コストは極めて安価
である。光ファイバーセンサーは測定の原理により各種
のタイプにわかれるが、光干渉型センサー、Gap光干
渉型センサー、グレーティングファイバーセンサー(分
布測定型)、後方散乱を利用したセンサー、マイクロベ
ンド型センサーなどが一般には用いられている。本発明
においては、検知する物理量や部材に基づき、上記の光
ファイバーセンサーから適切なものが選択して使用され
る。温度の制御が必要とされる構造物、例えば原子炉格
納容器など原子力発電関連施設、サイロなどの監視に用
いるセンサーは、モニタリングするひずみや温度の精
度、測定点数などによって適切なセンサー形式を選択す
ることができる。
【0014】これら光ファイバーセンサーは測定対象と
なる部位によって部材中に埋め込んだり、あるいは表面
に貼り付けて使用するなど、対象とする部材への設置方
法を好適に選択することが可能である。図2(A)は光
ファイバーセンサーを部材の中に埋め込んだ例を示すも
ので、図中、18は部材、20は光ファイバーのセンサ
ー部分、22は投光用光ファイバー、24は受光用光フ
ァイバー、26は投光装置、28は受光装置、30はフ
ィルター、32は処理装置であり、処理装置32は、光
ファイバーセンサーにより検知した物理量と規定限界値
を比較し、検知した物理量が規定限界値を越えた場合や
検知した物理量と規定限界値との差が所定の値より小さ
くなった場合等に情報を発する。また図2(B)は光フ
ァイバーのセンサー部分を部材の表面に例えば接着剤で
貼りつけた例を示す。図2(B)中、18〜32は図2
(A)と同じであるので説明は省略する。本発明におけ
る光ファイバーの効果的な設置方法の一つとして、分布
測定型光ファイバーを部材に螺旋状に、あるいは蛇行状
に配置することが挙げられ、このように配置することに
より実質的な測定密度を大きくすることができる。また
螺旋や蛇行のピッチ幅等、螺旋や蛇行の形状を適宜変更
することにより、部材の種類や測定対象、測定目的等に
応じてより適切な測定を行うことが可能となる。図3は
梁部材などの部材中に光ファイバーのセンサー部分を螺
旋状に配置した例を示す。また、図4は、壁、外装板な
どの部材中に、蛇行状に配置した例を示す。
【0015】本発明においては、複数の部材の温度、ひ
ずみなどを数本の光ファイバーセンサで集中して検知で
きることも大きなメリットである。すなわち、本発明に
おいては図5に示すように、複数の部材18に光ファイ
バーセンサーからなる検知ケーブル36を各々設置し、
各光ファイバーセンサーにより温度やひずみ等の物理量
を検知し、その各々の検知した物理量と各部材について
の物理量の規定限界値とを比較し、検知した物理量が規
定限界値を越えた場合や検知した物理量と規定限界値と
の差が所定の値より小さくなった場合等にその情報を発
する装置38(検知ボックス)を有する集中検知システ
ムにより、各部材の物理量を集中検知することを特徴と
する。複数の部材における検知すべき物理量は同一でも
また異なっていてもよい。例えば、ある部材では温度
を、他の部材ではひずみを、さらに他の部材では放射線
の漏洩量を測定することが可能である。また、上記のよ
うに、1つの部材に1本の光ファイバーを設置すること
により温度とひずみを同時に測定することも可能であ
る。
【0016】また、本発明は、上記のごとき集中検知シ
ステムと、光ファイバーセンサで検知した部材の物理
量、例えばひずみ、温度に応じて、これらの値を自動的
に規定限界値から遠ざけるように制御するシステムとを
ネットワーク化することにより、両システムを連動させ
ることが可能である。すなわち、本発明は、前記の集中
検知システムに加え、集中検知システムから発せられ
る、各部材に設定された物理量が規定限界値を越えたな
どの情報を受けて、各部材の物理量を、規定限界値から
遠ざけるように制御する制御システムを備えた構造物に
も関するものである。このような構造物においては、制
御システムにより例えば温度が規定限界値以下に設定さ
れている場合、測定した温度が規定限界値を越えた場合
その温度を規定限界値以下に低下させたり、あるいはひ
び割れを検知した場合にその進展を防止したり、または
ひび割れを閉鎖させるためのシステムと連動させること
が可能である。図6には、光ファイバーセンサにより検
知された物理量と部材に設定された規定限界値とを比較
し、その結果情報を発する集中検知システムと、発せら
れた情報に基づき部材の物理量を規定限界値から遠ざけ
るようにコントロールする制御システムの配置を概念的
に表したものである。図6中、40は処理装置32から
の情報を受けて制御信号を発信する制御信号発信装置で
あり、また42はその信号を受けて部材の物理量を規定
限界値から遠ざけるようにコントロールするための制御
装置である(処理装置が情報を発するまでの過程は、図
2(B)に示す検知システムと同じであり、図中、18
から32は図2(B)におけるものと同じものを指すの
で説明は省略する。)図6においては説明を簡単にする
ために複数の部材は示されていないが、複数の部材から
の検知物理量は同様に処理装置32により処理され、集
中検知が行われ、その情報に基づいて各部材の物理量の
集中制御が行われる。
【0017】例えば、原子炉格納容器や使用済み核燃料
廃棄物貯蔵容器の温度を光ファイバーセンサーにより検
知し、検知した温度と設定温度(規定限界値)の差が所
定の値より大きくなったことが認識されると、原子炉格
納容器や使用済み核燃料廃棄物貯蔵容器の温度を規定限
界値以下に降下させるために、散水装置を備えた貯水タ
ンクから、冷却水を散水することができる。また水を散
水する代わりに、冷却空気を送気装置を介して送り部材
を冷却することも可能である。さらに水や空気以外にも
通常冷却媒体として用いられるものは特に制限なく使用
することができる。従来、原子炉格納容器や使用済み核
燃料廃棄物貯蔵容器の温度を検知し、設定値以上に温度
が上昇した場合、上記のごとき冷却装置を用いて、容器
を冷却することは行われておらず、そのため容器の材料
として特性の優れた材料を用い、また容器の厚み等も十
分大きくするなど、設計上安全率を高く設定する必要が
あるため、コストが高い欠点があったが、本発明の構造
物のような集中検知システムと制御システムを組み合わ
せることにより、容器の温度を精度よく管理することが
でき、またこのため安全率を非常に高く設定する必要が
なくなり、コスト面でも有利である。
【0018】また、本発明においては、梁などの構造部
材のひずみや変形量を検知することにより、所定の変形
量が生じたときに、構造部材にプレストレスを導入し、
ひずみ又は変形量を規定限界値以下に抑え、あるいはひ
び割れの発生を抑制することができる。また、仮にひず
み又は変形量が規定限界値を越えた場合、あるいはひび
割れが発生してしまった場合には、ひずみ又は変形量を
規定限界値以下に低減させ、あるいはひび割れを閉鎖さ
せるべく、部材にプレストレスを導入することが可能で
ある。本発明において、ひずみ又は変形量を検知するシ
ステムと、プレストレスを導入するシステムを協働させ
ることにより、ひずみ、応力状態を最適にコントロール
することができ、梁などの部材断面を小さく設計するこ
とも可能となる。
【0019】
【実施例】以下に、光ファイバーセンサにより得られた
情報をもとに、部材の状態を最適にコントロールシステ
ムについて実施例を挙げて、さらに詳細に説明するが、
本発明はこれにより限定されるものではない。 1.ひずみ・ひび割れ・変形制御システムを備えた構造
部材(1) この例は、部材にひずみや変形が検知された場合に、プ
レストレスを導入して部材を最適な状態に復元すること
ができる構造部材の一例に関するものである。この場
合、設計段階から部材に予めプレストレスを導入してお
くことも可能である。図7は梁部材43にプレストレス
を導入するためのシステムを備えた構造部材の断面図を
示すものである。梁部材43はPC緊張材44を内蔵
し、また梁部材の表面には光ファイバーのセンサー部分
が接着剤等により貼りつけられており、光ファイバーセ
ンサーにより、梁部材のひずみあるいは変形量が検知さ
れる。PC緊張材の末端に例えばジャッキ等のPC緊張
材緊張装置46が設けられている。処理装置32によ
り、検知した引張ひずみ量あるいは変形量と、梁部材の
引張ひずみ量あるいは変形量の規定限界値との差が所定
の値より小さくなったことが感知されると、その情報
が、制御信号発信装置40に入力され、制御信号発信装
置からはジャッキ等のPC緊張材緊張装置を緊張させる
ための信号が発信される。この信号に基づいて、PC緊
張材緊張装置はPC緊張材を緊張させ、梁部材にプレス
トレスを導入する。
【0020】図8は、図7の構造部材において、引張ひ
ずみ量又は変形量と規定限界値との差が所定の値以下に
なったとき、PC緊張材緊張装置を自動的に働かせ、ひ
ずみ又は変形が初期値に戻るようにPC緊張材を緊張さ
せることを時間の経過に従って繰り返し行うことを示す
グラフである。図8は、構造部材のひずみ又は変形が規
定限界値に達しないように、あるいはひび割れが発生し
ないように、予めプレストレスを導入するものである
が、このような構造部材において、光ファイバーセンサ
で検知したひずみ・変形量が規定限界値を超えた場合
や、ひび割れを検知した場合に情報を発するように設定
し、その情報に基づいて、PC緊張材緊張装置(ジャッ
キなど)を自動的に作動させて部材にプレストレスを導
入することも可能である。このように、変形を最適状態
に修復したり、あるいは発生したひび割れが進展しない
ようコントロールすることにより、構造物の安全性を確
保することも可能である。
【0021】2.ひずみ・ひび割れ・変形制御システム
を備えた構造部材(2) この例は、プレストレスを導入するのに、形状記憶合金
板バネを利用する構造部材の例である。前記板バネは平
板状を記憶するように製造されており、これに予め曲げ
変形を与えておき、その状態でPC緊張材の端部に設置
し、形状記憶合金板バネを加熱することによって生ずる
変形回復特性を利用してプレストレスを導入するもので
ある。図9(A)はPC緊張材にプレストレスを導入す
るための一例を示すものであり、梁部材のごとき構造部
材中にPC緊張材であるPC鋼棒50を通し、形状記憶
合金板バネ52を定着具であるナット56により、PC
鋼棒に定着し、また、形状記憶合金板バネを加熱するた
めの加熱装置、例えば面状セラミックヒーターを板バネ
の近くに配置したものを示している。なお、58は板バ
ネが変形する場合の支点となるべきチェアである。
【0022】光ファイバーセンサーによりひずみや変形
量が検知され、この測定値と規定限界値との差が所定の
値より小さくなった場合には、既に図6で説明したよう
な処理装置(図示せず)からの情報を受けて制御信号発
信装置(図示せず)が信号を発し、この信号に基づき、
加熱装置が形状記憶合金板バネを所定の温度に加熱する
ように加熱装置の制御が行われる。板バネは予め記憶し
ている形状に戻ろうとするので、その結果部材にプレス
トレスが導入されることになる。図10はこの一連の過
程を説明する図であり、図10(A)は形状記憶合金板
バネに曲げ変形を与える前の状態を、図10(B)は外
力を与え予め前記板バネに曲げ変形を与えた状態を、及
び図10(C)は前記板バネを加熱することにより、板
バネが元の形状である平板状に復元する際、矢印の方向
にPC緊張材を引っ張るような回復力が生ずる状態をそ
れぞれ示すものである。形状寸法によってはトンオーダ
ーの回復力が得られるので、構造物のひずみ又は変形量
の制御に適しており、特に、ひずみ又は変形量が所定の
規定限界値を越えないように、あるいはひび割れが発生
しないように制御するのに特に適しているシステムであ
る。
【0023】図11に、形状記憶合金製板バネにひずみ
を与えた後、板バネを加熱して得られる回復力を示す。
図11(A)は板バネ52の下縁にひずみゲージを設置
し、板バネ下縁ひずみが約6%になるまで載荷しする実
験方法の概略を示す図である。使用した形状記憶合金板
バネの形状記憶合金としてはNi−Ti合金を使用し、
また幅が30mmで厚さ15mmのものを使用し、支点
間距離を120mmとした。また図11(B)は図11
(A)のようにしてひずみを与えた板バネを、ひずみを
拘束した状態で加熱した場合に得られる回復力を示すグ
ラフであり、6%のひずみを与えた場合、約1.0to
nの回復力が得られることが示されている。また、ひず
み又は変形量が規定限界値を超えたり、あるいはひび割
れが発生した場合に情報が発せられるように設定してお
き、その情報に基づき上記と同様に加熱装置を制御し、
形状合金板バネを加熱することにより、プレストレスを
導入し、ひずみ又は変形量を規定限界値以下に低減さ
せ、あるいはひび割れを閉鎖させることも可能である。
【0024】また、原子炉格納容器、あるいは使用済み
核燃料廃棄物貯蔵容器において、容器の部材の中にPC
緊張材を配し、前記の図9で示されると同様の形状記憶
合金製アクチュエータ(板バネ)を定着具によりPC緊
張材に定着すると共に、該板バネが設置される部分の温
度がおおよそ80〜100℃になるようコントロール
し、かつ板バネの材料設計を、温度が例えば50〜60
℃以上になると記億した形状に戻るように設計しておけ
ば、板バネは予め生じている曲げ変形から記憶している
変形に常に戻ろうとする。この時に発生する回復力によ
ってPC緊張材は緊張され、部材には常にプレストレス
が導入されている状態になる。また、例えば100℃以
上で記憶した形状に戻るように材料設計した板バネと加
熱装置をさらに別の箇所にPC緊張材に設置しておき、
また原子炉格納容器の温度を光ファイバーセンサーで検
知し、容器の温度が100℃を越えたことを知らせる信
号に基づき加熱装置を制御するためのシステムを働かせ
て板バネを100℃以上に加熱することにより、ひずみ
やひび割れの状況に応じて新たにプレストレスを導入す
ることもできる。
【0025】本発明において使用可能な形状記憶合金と
しては、工業的に一般的に使用されるNi−Ti系合金
の他、Cu−Al−Ni系合金、Ti−Cd系合金、N
i−Al系合金、Fe系などの形状記憶合金も利用可能
である。形状回復温度は合金の比率を変えることである
程度選択することが可能である。また回復力の大きさは
板バネの寸法や、予め生じさせる曲げ変形量等によって
調整できる。バネの形状は板状に限らず、必要とする性
能や設置条件などによってコイル状バネ、その他の形状
が選択できる。加熱装置としては、形状記憶合金製板バ
ネ(アクチュエータ)を加熱することができる装置であ
れば、特に制限なく使用できるが、例えば、面状ヒータ
ーを電気的に加熱する装置は、前記板バネを全体的に加
熱することができ、かつ加熱制御も容易であるので好ま
しく用いることができる。
【0026】(3)温度制御システムを備えた構造物 図12は、原子炉格納容器、使用済み核燃料廃棄物貯蔵
容器、あるいはサイロなど温度制御を必要とする構造物
において、部材の温度を光ファイバーセンサーにより測
定し、その値が規定限界値を越えた場合、あるいは測定
値と規定限界値との差が所定の値より小さくなった場合
に、温度を規定限界値以下に降下させるあるいは規定限
界値から遠ざけるために、散水システムを備えた構造物
を示すものである。図12において、26は投光装置、
28は受光装置、30はフィルター、40は制御回路・
制御信号発信装置、62は温度測定用の光ファイバーセ
ンサー、64は制御弁コントロール装置、66は制御
弁、70は容器、72は貯水タンク、74は雨水、76
は雨水通水孔、80は雨水排水孔をそれぞれ示す。この
例では構造物上部に設置した貯水タンクに雨水を貯蔵し
て利用し、雨水を自然流下させる方式であるため省資源
・省エネルギーの観点において優れている。流下のON
/OFFを制御する弁66は、光ファイバーセンサーに
より検知した温度と温度限界値を比較した結果得られる
情報に基づき、制御弁コントロール装置により制御され
る。
【0027】(4)本発明の構造物は、複数の部材に設
けた光ファイバーセンサーと該光ファイバーセンサーが
検知した温度やひずみ等の物理量と、各部材についての
物理量の規定限界値とを比較して情報を発する装置を有
する集中検知システムと、上記の(1)ないし(3)で
示したような制御システムを組み合わせることにより、
複数の部材について同一あるいは異なる物理量の状態を
遠隔的に把握し、かつ異常な状態が発生している場合に
は、これを自動的に正常状態に戻すことができる。
【0028】
【発明の効果】本発明における構造物は、光ファイバー
センサーを使用する集中検知システムを有しているた
め、各種物理量を検知することが可能で、また1本の光
ファイバーにより異なる物理量を検知することもでき
る。また光ファイバーが低コストであるため、大きな構
造物に使用した場合でも、コストを低く抑えることがで
きる。光ファイバーのこの特性を生かすことにより、複
数の部材を一括して集中的に各種物理量を検知すること
ができ、各種の部材からなる構造物の各部材の状態を効
率よく把握することができる。また、本発明の他の構造
物は、前記のような集中検知システムに加え、検知した
物理量と規定限界値を比較し、その結果得られる情報に
基づき、部材の物理量を規定限界値から遠ざけるように
コントロールする制御システムを備えたことにより、高
い信頼性と安全性を備え、メンテナンスを省力化でき、
かつ部材の構造設計上の安全率を下げ最適設計が可能で
あるという特徴を有するものである。すなわち、部材の
温度、ひずみ、応力状態などを常に最適な状態に保つこ
とが可能であり、このような自動的に修復するシステム
により、構造物の安全性を飛躍的に高めることができる
(自動検知機能と自動修復機能)。また、物理量が規定
限界値を越えた場合には、正常状態に復元するように設
定をすることも可能である。したがって、本発明の構造
物は、構造設計上の安全率を下げて部材の最適設計が可
能になりコスト的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における光ファイバーセンサーの光フ
ァイバーの断面を示す図である。
【図2】 光ファイバーセンサーの設置例を示す図で、
図2(A)は部材中に埋め込む例を示し、図2(B)は
部材に貼り付ける例を示す。
【図3】 光ファイバーセンサーを部材内に螺旋状に配
置する例を示す。
【図4】 光ファイバーセンサーを部材内において蛇行
状に配置した例を示す。
【図5】 複数の部材を、複数の光ファイバーセンサー
を用いて集中検知するシステムを示す概念図である。
【図6】 光ファイバーセンサーを用いて、物理量を測
定し、それに基づき物理量を制御するシステムを概念的
に示す図である。
【図7】 光ファイバーセンサーを用いてPC緊張材の
ひずみを測定し、それに基づきPC緊張材にプレストレ
スを与える制御システムを示す概念図である。
【図8】 PC緊張材に生ずるひずみが規定限界値に近
くなった場合に、プレストレスを与えることによりひず
みを制御することを時間経過にしたがって示す図であ
る。
【図9】 PC緊張材にプレストレスを与えるための装
置を示す図で、図9(A)は形状記憶合金板バネと加熱
装置と定着具を有する該装置の断面図を、図9(B)は
該装置の平面図を示す。
【図10】 形状記憶合金板バネを用いてプレストレス
を導入する過程を示す図であり、図10(A)は該板バ
ネに変形を与える前の図を、図10(B)は該板バネに
外力を与えて変形させた図を、図10(C)は加熱によ
り該板バネが復元し、矢印方向に力が負荷されることを
示す図である。
【図11】 形状記憶合金板バネに与えられたひずみが
加熱により元の形状に戻る際発生する回復力を示す図
で、図11(A)は該板バネに載荷して板バネにひずみ
を与える実験方法を示す図を、図11(B)は加熱によ
り発生する回復力を示すグラフを示す。
【図12】 光ファイバーセンサーを使用して温度を測
定し、それに基づき温度の制御を行う構造物の一例を示
す概念図である。
【符号の説明】
10 光ファイバー 12 コア 14 クラッド 16 被覆材 18 部材 20 センサー部分 22 投光用光ファイバー 24 受光用光ファイバー 26 投光装置 28 受光装置 32 処理装置 38 検知ボックス 36 検知ケーブル 40 制御信号発信装置 46 PC緊張材緊張装置 50 PC鋼棒(PC緊張材) 52 形状記憶合金板バネ 54 面状セラミックヒーター 56 ナット 70 容器 72 貯水タンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01B 11/16 G01B 11/16 Z G G01L 1/24 G01L 1/24 A G01M 19/00 G01M 19/00 Z G21C 17/00 G21C 17/00 A

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の部材からなる構造物であって、該
    複数の部材にそれぞれ設置され、各部材の物理量を検知
    するための光ファイバーセンサーと、該光ファイバーセ
    ンサーが検知した物理量と各部材についての物理量の規
    定限界値とを比較して情報を発する装置とを有する、前
    記複数の部材を集中検知するための集中検知システムを
    備えたことを特徴とする構造物。
  2. 【請求項2】 物理量が温度、ひずみ、温度分布、ひず
    み分布、変形量、ひび割れ発生、ひび割れの発生位置、
    又は放射線の漏洩量から選ばれることを特徴とする、請
    求項1に記載の構造物。
  3. 【請求項3】 各々の部材において、同一又は異なる物
    理量が検知されることを特徴とする請求項1または請求
    項2に記載の構造物。
  4. 【請求項4】 前記集中検知システムからの情報に基づ
    き、部材の物理量を規定限界値から遠ざけるための制御
    システムをさらに有していることを特徴とする請求項1
    ないし請求項3のいずれか1項に記載の構造物。
  5. 【請求項5】 前記物理量が温度であることを特徴とす
    る請求項4に記載の構造物。
  6. 【請求項6】 前記制御システムが、貯水タンクと散水
    装置及び/又は冷却空気送気装置を有していることを特
    徴とする請求項5に記載の構造物。
  7. 【請求項7】 前記物理量は引張ひずみ量又は変形量で
    あることを特徴とする請求項4に記載の構造物。
  8. 【請求項8】 前記制御システムが、部材中に設けられ
    たPC緊張材を緊張させプレストレスを導入するための
    PC緊張材緊張装置を有することを特徴とする請求項7
    に記載の構造物。
  9. 【請求項9】 前記PC緊張材緊張装置が、PC緊張材
    に定着されかつ予め曲げ変形させた形状記憶合金製アク
    チュエーターと該アクチュエーターを加熱するための加
    熱装置を有することを特徴とする請求項8に記載の構造
    物。
  10. 【請求項10】 請求項4に記載の構造物において、前
    記制御システムが請求項5又は請求項6の制御システム
    と、請求項7ないし請求項9のいずれか1項の制御シス
    テムを有していることを特徴とする構造物。
  11. 【請求項11】 部材、該部材中に配置されたPC緊張
    材、該部材に設置され該部材の引張ひずみ量又は変形量
    を検知するための光ファイバーセンサー、該光ファイバ
    ーセンサーが検知した引張ひずみ量又は変形量と、該部
    材についての規定限界値とを比較して情報を発する装
    置、及び前記情報に基づいてPC緊張材を緊張させプレ
    ストレスを導入するためのPC緊張材緊張装置を有する
    ことを特徴とする構造部材。
  12. 【請求項12】 前記PC緊張材緊張装置が、PC緊張
    材に定着されかつ予め曲げ変形させた形状記憶合金製ア
    クチュエーターと該アクチュエーターを加熱するための
    加熱装置を有することを特徴とする請求項11に記載の
    構造部材。
  13. 【請求項13】 前記光ファイバーセンサーが、グレー
    ティングファイバーセンサーであることを特徴とする請
    求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の構造
    物。
  14. 【請求項14】 前記光ファイバーセンサーが、グレー
    ティングファイバーセンサーであることを特徴とする請
    求項11または請求項12に記載の構造部材。
  15. 【請求項15】 前記光ファイバーセンサーが螺旋状あ
    るいは蛇行状に設置されることを特徴とする請求項1な
    いし請求項10のいずれか1項に記載の構造物。
  16. 【請求項16】 前記光ファイバーセンサーが螺旋状あ
    るいは蛇行状に設置されることを特徴とする請求項11
    または請求項12に記載の構造部材。
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