JP2003075301A - 構造物の疲労亀裂モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼橋などの構造物について、疲労亀裂の発生
の有無を容易に低コストでモニタリングできるシステム
を提供する。 【解決手段】 鋼橋１において疲労亀裂が発生しやすい
領域Ｒに、連続した１本の超極細導線からなる線状セン
サ４０を設け、その両端をデータロガー２０に接続す
る。線状センサ４０は、領域Ｒの全域に行き渡るように
波形状に折り曲げられている。この線状センサ４０への
通電データを、電話端末２１，３１を使ってデータロガ
ー２０からパーソナルコンピュータ３０へ自動送信し、
遠隔監視する。

Description

【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（例えば鋼
橋など）の疲労亀裂をモニタリングするシステムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】構造物の維持管理は、２１世紀における
社会資本整備の中で最も重要な課題の１つである。例え
ば橋梁の分野では、その維持管理システムの開発事例が
国内外で多数報告されており、今後その機運が益々高く
なることが予想される。かかる維持管理には、モニタリ
ングが不可欠である。特に、疲労亀裂の発生及び進展の
モニタリングは重要である。

【０００３】図７は、鋼橋１の疲労亀裂に対するモニタ
リングシステムの一例を示したものである。このシステ
ムでは、目視点検で見つかった疲労亀裂１ｃの前方にク
ラックゲージ５０を貼付する。このクラックゲージ５０
にデータロガー２０を接続し、疲労亀裂１ｃの進展状況
を計測、記録する。このデータロガー２０にパーソナル
コンピュータ３０を接続することにより、記録されたデ
ータをパーソナルコンピュータ３０に取り込む。これに
よって、亀裂進展状況をモニタリングすることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高所に架け渡された鋼
橋の亀裂を目視点検で見付けるのは容易でない。しか
も、点検は定期的に行う必要があり、維持管理費の上昇
を招く。上記のモニタリングシステムによっても記録を
定期的に確認に行く必要があり、同様に維持管理費は高
くなる。一方、疲労亀裂が鋼橋のどのあたりから発生し
易いかについては、構造解析や過去のデータなどからあ
る程度予測がつく。しかし、発生予測場所を一点に特定
するのはほとんど不可能である。このため、大きさ（例
えば数センチ角）に限りがあるクラックゲージで亀裂発
生（既に発生した亀裂の進展状況ではなく）を検出しよ
うとしても、貼付箇所を特定できない。発生予測領域の
全体を網羅するように、クラックゲージを大きくしたり
枚数を増やしたりすることも考えられるが、数センチ角
のクラックゲージ１枚でさえ高価（数千円）な現状で
は、コストの高騰が避けられない。本発明は、上記事情
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、鋼橋などの構造物について、疲労亀裂の進展状況だ
けでなく発生の有無についても、容易に、しかも自動化
することで低コストにモニタリングすることができるシ
ステムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は、構造物の疲労亀裂をモニタリングする
システムであって、連続した１本の絶縁被覆された超極
細導線からなる線状センサと、上記線状センサに通電を
行う通電手段と、上記通電時の通電データを記録する記
録手段とを備えている。そして、上記線状センサが、上
記構造物における疲労亀裂をモニタリングすべき領域の
ほぼ全長に及ぶようにして固定される。

【０００６】ここで、上記線状センサが、上記モニタリ
ング領域のほぼ全域に行き渡るように例えば波形状に何
度も折り曲げられているのが望ましい。さらに、上記記
録手段に記録されたデータを自動送信する送信手段と、
送信されたデータを自動受信する受信手段と、受信した
データを疲労亀裂の監視に資するように処理する処理手
段とを備えていることが望ましい。この場合、上記通電
手段が、第１の時間間隔ごとに通電を行い、上記送信手
段が、上記第１時間間隔以上の時間長さを有する第２の
時間間隔ごとに、少なくとも前回の送信時以降の通電デ
ータを自動送信するのが好ましい。上記通電手段及び記
憶手段が、データロガーで構成され、上記送信手段が、
上記データロガーに接続された第１の電話端末で構成さ
れ、上記処理手段が、パーソナルコンピュータで構成さ
れ、上記受信手段が、上記パーソナルコンピュータに接
続された第２の電話端末で構成されていることが好まし
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
にしたがって説明する。図１に示すように、鋼橋１（構
造物、橋梁）の疲労亀裂モニタリングシステムＳは、現
地に設置されたデータロガー２０と、管理センターＣに
設けられた自動データ通信機能を持つパーソナルコンピ
ュータ３０（処理手段）と、これらデータロガー２０と
パーソナルコンピュータ３０の各々に付属の第１、第２
携帯電話端末２１，３１（送信手段、受信手段）とを備
えている。なお、第１、第２の携帯電話端末２１，３１
は電話回線を引けるところであれば固定電話でもよい。

【０００８】データロガー２０には、チャージアンプ２
２を介して太陽電池パネル２３が接続されている。これ
によって、太陽電池パネル２３で発電した電力をチャー
ジアンプ２２に蓄え、データロガー２０の後述する各構
成要素２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅに供給できるよ
うになっている。なお、配線の図示は省略するが、チャ
ージアンプ２２は第１携帯電話端末２１にも接続されて
電力を供給できるようになっている。データロガー２０
と携帯電話端末２１とチャージアンプ２２とは、保護ボ
ックス（図示せず）に収容されている。

【０００９】図２に示すように、データロガー２０の内
部には、制御部２０ａと、複数（例えば３０個、図では
１つだけ図示）のチャンネル２０ｂ（通電手段）と、メ
モリ２０ｃ（記憶手段）と、自動データ通信機能を持つ
通信部２０ｄとが格納されている。この通信部２０ｄに
上記携帯電話端末２１（送信手段）が接続されている。
各チャンネル２０ｂには、定電圧源２０ｅと開閉器２０
ｆと抵抗計２０ｇとによる直列回路２０ｘが構成されて
いる。開閉器２０ｆは、制御部２０ａで開閉操作される
ようになっている。抵抗計２０ｇの測定データ（通電時
の通電データ）は、図示しないＡ／Ｄ変換器でデジタル
変換され、通電時刻と共にメモリ２０ｃに記録されるよ
うになっている。なお、抵抗計２０ｇに代えて、電流計
を用いてもよい。

【００１０】各チャンネル２０ｂの回路２０ｘの両端に
は、リード端子２０ｈが設けられている。図１に示すよ
うに、３０個のチャンネル２０ｂのリード端子２０ｈど
うしは、データロガー２０の上面に縦横に整列して配さ
れている。これらリード端子２０ｈの各々に、線状セン
サ４０の両端が接続されている（図１、図２では、１つ
のリード端子２０ｈの１本の線状センサ４０のみ図
示）。データロガーがモニタリング領域Ｒから遠く、途
中で線状センサ４０が破断する虞のある場合は、リード
端子２０ｈからモニタリング領域までの箇所はリード線
を用いることもできる。線状センサ４０は、エナメルな
どで絶縁被覆された連続した１本の超極細導線で構成さ
れている。超極細導線の直径は、０．０１ｍｍ〜０．１
０ｍｍ程度が好ましく、０．０１０ｍｍ〜０．０３５ｍ
ｍ程度がより好ましい。そして、僅かな引張応力で断線
するものである。具体的には、例えば電磁モータの巻線
用のウレメット銅線（住友電気工業株式会社の登録商
標）が用いられている。

【００１１】図１〜図３に示すように、線状センサ４０
の中間部分は、鋼橋１のモニタリング領域Ｒに向けて延
びている。そして、中央のセンサ部４１が、モニタリン
グ領域Ｒの全域にわたって接着剤で接着されている。図
面では、モニタリング領域Ｒの一例として、支承１５直
上における主桁１０のウエブ１１と下フランジ１２との
溶接部分が示されている。センサ部４１は、これらウエ
ブ１１と下フランジ１２間を往復するように波形状に折
り曲げられ、モニタリング領域Ｒの全域に行き渡ってい
る。なお、領域Ｒ全域に行き渡るようにできる限り必ず
しも波形状にする必要はなく、渦巻き形状になるように
折り曲げてもよく、その他任意に何度も折り曲げてもよ
い。線状センサ４０は、可撓性に富んでいるので、容易
に折り曲げることができる。

【００１２】モニタリング領域Ｒは、構造解析や過去の
データなどによって疲労亀裂が発生しやすいと思われる
箇所が選ばれる。具体的には、上記支承１５直上のウエ
ブ１１と下フランジ１２の溶接部分の他、支承１５のカ
バープレート１６と下フランジ１２との溶接部分、支承
１５直上の垂直補剛材１３と下フランジ１２との溶接部
分、主桁１０のウエブ１１と横桁（図示せず）の上フラ
ンジとの溶接部分などが挙げられる。各モニタリング領
域Ｒの長さは、概ね１０〜２０ｃｍ程度である。これら
モニタリング領域Ｒに、互いに別のチャンネル２０ｂの
線状センサ４０が１本ずつ設置される。モニタリング領
域Ｒが複雑に入り組んだ形状になっていても、線状セン
サ４０の優れた可撓性によって容易に対応することがで
きる。

【００１３】システムＳを用いた疲労亀裂モニタリング
方法を、図４及び図５のフローチャートにしたがって説
明する。データロガー２０は、２つの時間パラメータＴ
１，Ｔ２を用いて動作する。また、パーソナルコンピュ
ータ３０は、１つの時間パラメータＴ２を用いて動作す
る。これら時間パラメータＴ１，Ｔ２の初期値は、共に
ゼロになっており、図４のフローの「スタート」と同時
に、データロガー２０とパーソナルコンピュータ３０が
それぞれ内蔵するタイマに合わせてカウントアップされ
る。

【００１４】そして、データロガー２０の制御部２０ａ
は、時間パラメータＴ１が例えば５分（第１の時間間
隔）になった時（ステップ１００）、各チャンネル２０
ｂの開閉器２０ｆを閉じて線状センサ４０への通電を行
い、抵抗計２０ｇによる抵抗値を測定する（ステップ１
０１）。この時、モニタリング領域Ｒ内に疲労亀裂１ｃ
が発生していなければ、抵抗は所定の正常値を示す。

【００１５】一方、疲労亀裂１ｃが発生した場合には、
この亀裂１ｃによってセンサ部４１に引張応力が働き、
断線される。センサ部４１がモニタリング領域Ｒの全域
に行き渡っているので、疲労亀裂１ｃが領域Ｒ内の何れ
の地点で発生しても、センサ部４１を確実に断線させる
ことができる。そして、抵抗計２０ｇの抵抗値が無限大
方向に振り切れることになる。

【００１６】データロガー２０の制御部２０ａは、抵抗
測定値をチャンネル２０ｂごとに区別して測定時刻と共
にメモリ２０ｃに記憶させる（ステップ１０２）。次
に、もう１つの時間パラメータＴ２が、例えば１時間
（第２の時間間隔）になったか否かを判断し（ステップ
１０３）、なっていなければ、上記時間パラメータＴ１
をリセットしてゼロからカウントし直す（ステップ１０
４）。そして、ステップ１００に戻る。これによって、
５分置きに、センサ部４１の抵抗値を測定してメモリ２
０ｃに記録する動作が反復される。

【００１７】上記反復動作を１２回繰り返した時、ステ
ップ１０３で「ｙｅｓ（Ｔ２＝１時間）」と判断され
る。これによって、データロガー２０付属の第１携帯電
話端末２１がオンされる（ステップ１０５）。

【００１８】図５に示すように、管理センタＣの自動デ
ータ通信機能を持つパーソナルコンピュータ３０は、Ｔ
２＝１時間になるのに合わせて、付属の第２携帯電話端
末３１をオンする（ステップ１１０）。そして、この携
帯電話端末３１からデータロガー２０の携帯電話端末２
１に自動的に電話をかけ、データロガーの自動データ通
信機能によって携帯電話端末３１，２１どうしを通話状
態にする（ステップ１１１）。これにより、データロガ
ー２０のメモリ２０ｃに記録されたデータが、制御部２
０ａ、通信部２０ｄを経て、携帯電話端末２１から携帯
電話端末３１へ送信され、パーソナルコンピュータ３０
に取り込まれる（ステップ１１２）。

【００１９】その後、パーソナルコンピュータ３０から
データロガー２０に、データが正常に受信された旨を示
す確認信号が送られる。データロガー２０の制御部２０
ａは、この確認信号に基づいて正常受信の肯定判断を行
い（ステップ１１３）、送信済みのデータをメモリ２０
ｃから消去する（ステップ１１４）。これによって、新
たな測定データを記憶するためのメモリ容量を常時確保
することができる。

【００２０】次に、パーソナルコンピュータ３０の自動
データ通信機能により携帯電話端末３１がオフされ、デ
ータロガー２０の通信部２０ｈの自動データ通信機能に
より携帯電話端末２１がオフされる（ステップ１１
５）。また、時間パラメータＴ１，Ｔ２がそれぞれリセ
ットされる（ステップ１１６）。そして、ステップ１０
０に戻る。これによって、１時間置きに、データロガー
２０からパーソナルコンピュータ３０へデータを送信す
る動作が反復される。

【００２１】なお、ステップ１１１で携帯電話端末２
１，３１どうしが繋がらなかったり、ステップ１１２の
データ送受信時にエラーが発生したりする場合がある。
その場合、パーソナルコンピュータ３０からデータロガ
ー２０に正常受信の確認信号が送られず、ステップ１１
３で否定判断がなされる。これにより、ステップ１１４
がスキップされることになり、メモリ２０ｃには、その
時間帯の記憶データが消去されることなく、維持され
る。そして、１時間後に次回のデータ送受信を行う際、
上記維持したデータも一緒に送信する。これによって、
測定したデータの全てを欠落なくパーソナルコンピュー
タ３０へ送ることができる。

【００２２】以上のようにして、パーソナルコンピュー
タ３０には、鋼橋１の測定データが時々刻々と蓄積され
る。このデータを、例えばコンピュータ３０のディスプ
レイに数値やグラフで表示することにより、鋼橋１の各
モニタリング領域Ｒに疲労亀裂１ｃが発生していないか
どうかを、管理センタＣに居ながら簡単に遠隔監視する
ことができる（ステップ１２０）。

【００２３】すなわち、抵抗値が正常であれば疲労亀裂
１ｃが無いと判定できる。一方、あるチャンネル２０ｇ
の抵抗値が、ある時刻以降、無限大方向に振り切れてい
れば、その時刻に、そのチャンネル２０ｇに対応するモ
ニタリング領域Ｒで疲労亀裂１ｃが生じたと判定でき
る。更に、上記判定システムをパーソナルコンピュータ
３０に載せ、疲労亀裂発生の警告を出すこともできる。
したがって、鋼橋１を目視で直接点検する必要が無く、
管理コストを大幅に低減することができる。

【００２４】図６に示すように、疲労亀裂１ｃの発生が
確認された領域Ｒには、亀裂１ｃの前方に複数本の新た
な線状センサ４０を例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍの間隔で
並設する。これによって、亀裂１ｃの進展に伴って線状
センサ４０が順次断線される。したがって、データロガ
ー２０によるこれら線状センサ４０への通電結果をパー
ソナルコンピュータ３０に送信することにより、亀裂１
ｃの進展状況を遠隔監視することができる。なお、上記
新たな複数本の線状センサ４０に代えて、クラックゲー
ジを用いてもよい。

【００２５】疲労亀裂１ｃの出来るおそれが比較的高い
モニタリング領域Ｒについては、はじめから複数本の線
状センサ４０を疲労亀裂１ｃの進展予想方向に間隔をあ
けて並設しておいてもよい。

【００２６】各モニタリング領域Ｒに、線状センサ４０
だけでなく、疲労亀裂に影響を与える種々のファクタを
検出する他のセンサ（例えば歪センサや温度センサな
ど）をも設け、データロガー２０によるこれらセンサの
検出データをもパーソナルコンピュータ３０に送信する
ことにより、疲労亀裂の総合的な解析を遠隔で行うこと
もできる。

【００２７】疲労亀裂１ｃの発生のみ検出できれば場所
については検出する必要が無い場合には、連続した１本
の線状センサ４０を、鋼橋１の全長にわたって例えばウ
エブ１１と下フランジ１２の溶接部に沿うように配線し
てもよい。

【００２８】データロガー２０に組み込まれた第１、第
２の時間間隔などの設定値は、パーソナルコンピュータ
３０からの電話指示により任意に自動変更することがで
きる。したがって、現地に赴いて行う必要はない。

【００２９】本発明は、鋼橋以外の橋梁や、その他の構
造物にも適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
超極細導線からなる線状センサを構造物のモニタリング
領域のほぼ全長に及ぶようにして固定することにより、
上記モニタリング領域内に疲労亀裂が発生したか否かを
容易に、しかも低コストで監視することができる。線状
センサを例えば波形状に何度も折り曲げ、モニタリング
領域のほぼ全域に行き渡らせることによって、疲労亀裂
がモニタリング領域内の何れの地点で発生しても確実に
検出することができる。

【００３１】送信手段と受信手段でデータを送受信する
ことによって、例えば管理センタなどにおいて構造物の
疲労亀裂を遠隔監視することができる。その場合、第１
の時間間隔置きに採取したデータを第２の時間間隔置き
に送受信することができる。この遠隔モニタリングシス
テムは、自動データ送信機能を持つデータロガーとパー
ソナルコンピュータ及びそれらに接続された電話端末と
で簡単に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る鋼橋の疲労亀裂モニ
タリングシステムを示す解説斜視図である。

【図２】上記システムのデータロガーのブロック図であ
る。

【図３】上記鋼橋の疲労亀裂モニタリング領域を拡大し
て示す斜視図である。

【図４】上記システムによる疲労亀裂モニタリング方法
を示すフローチャートである。

【図５】上記システムによる疲労亀裂モニタリング方法
を示すフローチャートである。

【図６】亀裂の進展状況をモニタリングする様子を示す
斜視図である。

【図７】従来の鋼橋の疲労亀裂モニタリングシステムに
おいて、一部を拡大して示す解説斜視図である。

【符号の説明】

Ｓ 疲労亀裂モニタリングシステム Ｒ モニタリング領域 Ｃ 管理センター １ 鋼橋（構造物） １ｃ 疲労亀裂 ２０ データロガー ２０ａ 制御部 ２０ｂ チャンネル（通電手段） ２０ｃ メモリ（記憶手段） ２０ｄ 通信部（自動データ通信機能） ２０ｅ 定電圧源 ２０ｆ 開閉器 ２０ｇ 抵抗計（または電流計） ２１ 第１の携帯電話端末（送信手段） ２２ チャージアンプ ２３ 太陽電池パネル ３０ パーソナルコンピュータ（処理手段及び自動デー
タ通信機能） ３１ 第２の携帯電話端末（受信手段） ４０ 線状センサ

フロントページの続き (72)発明者 河原 一央 東京都千代田区四番町５番地９ トピー工 業株式会社内 Ｆターム(参考） 2D059 AA05 GG39 2F063 AA25 BA14 BB05 DC08 EC02 FA08 NA01 2G024 AD34 BA12 CA04 CA18

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の疲労亀裂をモニタリングするシ
   ステムであって、連続した１本の絶縁被覆された超極細
   導線からなる線状センサと、上記線状センサに通電を行
   う通電手段と、上記通電手段の通電データを記録する記
   録手段とを備え、上記線状センサが、上記構造物におけ
   る疲労亀裂をモニタリングすべき領域のほぼ全長に及ぶ
   ようにして固定されることを特徴とする構造物の疲労亀
   裂モニタリングシステム。
2. 【請求項２】 上記線状センサが、上記モニタリング領
   域のほぼ全域に行き渡るように何度も折り曲げられてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の疲労亀裂モニタリ
   ングシステム。
3. 【請求項３】 上記記録手段に記録されたデータを自動
   送信する送信手段と、送信されたデータを自動受信する
   受信手段と、受信したデータを疲労亀裂の監視に資する
   ように処理する処理手段とをさらに備えたことを特徴と
   する請求項１または２に記載の構造物の疲労亀裂モニタ
   リングシステム。
4. 【請求項４】 上記通電手段が、第１の時間間隔ごとに
   通電を行い、上記送信手段が、上記第１時間間隔以上の
   時間長さを有する第２の時間間隔ごとに、少なくとも前
   回の送信時以降の通電データを自動送信することを特徴
   とする請求項３に記載の構造物の疲労亀裂モニタリング
   システム。
5. 【請求項５】 上記通電手段及び記憶手段が、データロ
   ガーで構成され、上記送信手段が、上記データロガーに
   接続された第１の電話端末で構成され、上記処理手段
   が、パーソナルコンピュータで構成され、上記受信手段
   が、上記パーソナルコンピュータに接続された第２の電
   話端末で構成されていることを特徴とする請求項３また
   は４に記載の構造物の疲労亀裂モニタリングシステム。