JP2005017109A - Structure residual deformation measuring device and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure residual deformation measuring device having an easy execution method, and capable of measuring a residual deformation of a structure member of the structure, and provide a structure residual deformation measuring method. <P>SOLUTION: When detecting that an excessive external force exceeding a prescribed discrimination value is applied to the main reinforcing steel 206 of a cast-in-place concrete pile 203, the CPU 45 of a residual deformation measuring part 4 detects elapse of the first one hour after detection of the excessive external force from a timer output, and then closes a changeover switch 54, and performs conduction between an external force response member 1 and a capacitor 51, to thereby accumulate the residual charge in the external force response member 1 into the capacitor 51. Thereafter, the CPU closes a changeover switch 55, allows a voltmeter 52 to measure the voltage of the capacitor 51, operates the residual charge based thereon, and operates the value of the residual deformation based thereon. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物等に所定値を越える外力が作用した場合に、その箇所の残留電荷を検出することにより構造物の残留変形を計測する構造物残留変形計測装置、その装置を用いて構造物の残留変形を計測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物に外力が作用した場合に、損傷を生じたか否かを検知するための方法としては、破壊試験（破壊検査）と、非破壊試験（非破壊検査）とがある。破壊試験（破壊検査）は、実際の材料を用いて作製した供試体に荷重を加えて破壊し、供試体における損傷の箇所やその状況等を観察又は計測し、実際の構造物の場合に当てはめて判定する方法であり、直接的な方法ということができる。
【０００３】
一方、非破壊試験（非破壊検査）は、構造物や供試体等を破壊せず、何らかの物理量を利用して構造物等の内部の状況を推定しようとする方法であり、破壊試験に比べると間接的な方法といえる。非破壊試験において利用する物理量としては、振動、超音波、放射線、磁気、材料破壊時に内部で発生する音（ＡＥ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）などがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１０５６６５号公報（第６−７頁、図１−３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の方法においては、以下に述べるような各種の問題点があった。
【０００６】
破壊試験（破壊検査）の場合は、構造物ごとに供試体作製とその破壊試験を行うとすると、そのための時間、供試体作製の手間、費用がかかり、効率的ではない、という問題がある。また、破壊は、作製された供試体の形状、あるいはその寸法の影響が大きく、供試体の形状等が異なると、破壊時の挙動も異なってくる。このため、実際の構造物の場合に当てはめる場合には、破壊試験結果に人間の判断や考察等を加えることになる。このことから、実際の構造物の損傷の状況等を精度よく判定することは困難で、かつ熟練を要する、という問題もあった。
【０００７】
また、非破壊試験（非破壊検査）の場合は、構造物の内部で何らかの破壊が発生した事実、あるいは構造物の内部に何らかの損傷が存在する事実までは、検出できること多いが、その損傷の具体的な箇所、損傷の形状や寸法の明確な把握は困難であることが多い、という問題があった。
【０００８】
また、場所打ちコンクリート杭のような地下構造物は、地中に構築されるため、地震等の外力により地下構造物の内部で何らかの破壊が発生、又は何らかの損傷が存在する事実は、人間の目視による直接的な確認が非常に困難である。このため、構造物の検査は容易ではない、という問題があった。このような地下構造物の検査については、行った例はあるが、この場合には、場所打ちコンクリート杭等の地下構造物の周囲の掘り返し作業等が伴うため、多大な費用等がかかる、という問題もあった。
【０００９】
そして、構造物に地震力のような過大な外力が作用した場合には、構造物の部材、例えば鉄筋等に生じると考えられる残留変形の値を知りたい場合もある。
【００１０】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、実施方法が容易で、かつ構造物の構造部材の残留変形を計測し得る構造物残留変形計測装置、及び構造物残留変形計測方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る構造物残留変形計測装置は、
変形を生じると表面である分極面が電気的に分極し一方の分極面に正電荷が発生するとともに他方の分極面に負電荷が発生する圧電材料からなり構造物の略円柱状又は略円筒状の構造部材の外面に貼付されるように配置される外力応答部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の一方の分極面となる側に電気的に接続された第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の他方の分極面となる側に電気的に接続された第２導体部材と、
前記第１導体部材又は前記第２導体部材に取り付けられ回路を開閉するスイッチ手段と、
前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の他端に取り付けられるとともに、前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の間の電荷を計測する電荷測定手段と、
時間を計測する計時手段と、
制御演算手段を備え、
前記制御演算手段は、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたことを検知した場合には、前記計時手段に時間の計測を開始させ、前記計時手段の出力から前記過大外力の検知後第１時間の経過を検出した場合には、前記スイッチ手段を閉じるように制御して前記外力応答部材と前記電荷測定手段とを電気的に導通させ、前記電荷計測手段が検出した電荷である残留電荷の計測値に基づいて、前記構造物の残留変形計測箇所における残留変形を演算することを特徴とする。
【００１２】
上記の構造物残留変形計測装置において、好ましくは、前記制御演算手段は、第１静電容量値Ｃファラッドを有するコンデンサと、前記コンデンサの一方の電極と他方の電極の間の電圧を計測する電圧計と、前記電圧計の計測値に基づいて前記電荷を演算する電荷演算手段を有し、前記電荷演算手段は、前記第１時間の期間に前記外力応答部材から前記コンデンサに流入した電荷によって前記コンデンサの両極間に生じた第１電圧値Ｖボルトから、第１式Ｑ＝Ｃ×Ｖにより前記残留電荷値Ｑクーロンを算出する。
【００１３】
また、上記の構造物残留変形計測装置において、好ましくは、前記制御演算手段は、前記外力応答部材における前記残留電荷の値Ｑと、前記外力応答部材における残留変形の値δの関数関係式である第２式δ＝ｆ（Ｑ）に基づき、前記算出された残留電荷値を前記第２式の右辺に代入することにより、前記外力応答部材における残留変形の値を演算する。
【００１４】
また、上記の構造物残留変形計測装置において、好ましくは、
前記構造物の構造部材に外力が付加されたことを検知する外力検知手段をさらに備え、
前記制御演算手段は、前記外力の値が、設定された過大外力発生判別値を越えた場合には、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたと判別する。
【００１５】
また、上記の構造物残留変形計測装置において、好ましくは、前記外力検知手段は、電流計を有する。
【００１６】
また、上記の構造物残留変形計測装置において、好ましくは、前記外力検知手段は、電圧計を有する。
【００１７】
また、本発明に係る構造物残留変形計測方法は、
変形を生じると表面である分極面が電気的に分極し一方の分極面に正電荷が発生するとともに他方の分極面に負電荷が発生する圧電材料からなり構造物の略円柱状又は略円筒状の構造部材の外面に貼付されるように配置される外力応答部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の一方の分極面となる側に電気的に接続された第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の他方の分極面となる側に電気的に接続された第２導体部材と、
前記第１導体部材又は前記第２導体部材に取り付けられ回路を開閉するスイッチ手段と、
前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の他端に取り付けられるとともに、前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の間の電荷を計測する電荷測定手段と、
時間を計測する計時手段と、
制御演算手段を用い、
前記制御演算手段により、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたことを検知した場合には、前記計時手段に時間の計測を開始させ、前記計時手段の出力から前記過大外力の検知後第１時間の経過を検出した場合には、前記スイッチ手段を閉じるように制御して前記外力応答部材と前記電荷測定手段とを電気的に導通させ、前記電荷計測手段が検出した電荷である残留電荷の計測値に基づいて、前記構造物の残留変形計測箇所における残留変形を演算することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態である構造物残留変形計測システムの構成を示す図である。また、図２は、図１に示す構造物残留変形計測システムにおける外力応答部材の設置状態を示す図である。また、図３は、図１及び図２に示す構造物残留変形計測システムにおける外力応答部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。また、図４は、図１に示す構造物残留変形計測システムにおける残留変形計測部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１（Ａ）に示すように、この構造物残留変形計測システム１０１は、鉄道線路３００を支持する高架橋２００の基礎である場所打ちコンクリート杭２０３のコンクリート内部に設置されている外力応答部材１と、接続部材２と、残留変形計測部４と、通信ケーブル５と、構造物管理部６を備えて構成されている。
【００２０】
図２に示すように、外力応答部材１は、場所打ちコンクリート杭２０３内の鉄筋カゴ２０５を構成する鉛直方向の主鉄筋２０６に取り付けられている。また、図１及び図２に示すように、接続部材２は、その一部が場所打ちコンクリート杭２０３のコンクリート内部や、高架橋２００のフーチング２０２等の内部に設置され、その残部が高架橋２００の外部に配置されている。
【００２１】
また、図３に示すように、接続部材２は、その内部にリード線２２を有しており、リード線２２の外側が保護部材２１によって包囲された構造となっている。また、図３（Ａ）ないし図３（Ｃ）に示すように、リード線２２は、第１導体部材２２ａと、第２導体部材２２ｂと、絶縁部材２２ｃを有して構成されている。第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂは、電気の導体（導電体）、例えば銅（Ｃｕ）等により形成された線状部材である。また、絶縁部材２２ｃは、電気の不導体、例えば合成樹脂材料又はゴム系材料等により形成され、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂの間に所定間隔を配するとともにこれらを取り囲むように配置され、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂ、第１導体部材２２ａとその周囲、及び第２導体部材２２ｂとその周囲を電気的に絶縁している。
【００２２】
また、リード線２２の第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂの一端は、外力応答部材１に接続され、また、リード線２２の第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂの他端は、残留変形計測部４の電荷検出部４１（後述）に接続されている。また、残留変形計測部４と構造物管理部６は、通信ケーブル５によって接続されている。なお、外力応答部材１と、接続部材２の一部は、場所打ちコンクリート杭２０３やフーチング２０２のコンクリート打設前に所定箇所に配置され、コンクリート中に埋設されて設置される。
【００２３】
次に、上記した外力応答部材１のさらに詳細な構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１及び図２に示す構造物残留変形計測システムにおける外力応答部材のさらに詳細な構成を示す断面図であり、図３（Ａ）は全体構成図を、図３（Ｂ）は接続部材２の縦断面図を、図３（Ｃ）は接続部材２の接続箇所付近の拡大縦断面図を、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）におけるＡ−Ａ方向に見た横断面図を、それぞれ示している。
【００２４】
図３（Ａ）に示すように、外力応答部材１は、例えば、薄膜（フィルム）状でかつ面形状が細長い長方形状の帯状体（テープ状の部材）に形成されている。また、外力応答部材１は、接着剤１５により、略円柱状の主鉄筋２０６の外周側面に、主鉄筋２０６の長手方向に沿って略直線状に貼付されている。主鉄筋２０６は、丸棒状でもよいし、表面に凹凸等が形成された異形鉄筋であってもよい。ここに、主鉄筋２０６は、構造物内部の構造部材に相当している。
【００２５】
外力応答部材１は、応力を付加すると表面（帯状体を構成する２つの略平行な広い表面。以下、「分極面」という。）が電気的に正の極と負の極に分極し電位差（電圧）を発生する材料（以下、「圧電材料」という。）からなり、第１分極面１１ａと第２面分極１１ｂを有している。
【００２６】
また、上記した外力応答部材１の第１分極面１１ａには、接着又はハンダ付け等により、第１導体部材２２ａが電気的に接続された状態で固定され、外力応答部材１の第２分極面１１ｂには、接着又はハンダ付け等により、第２導体部材２２ｂが電気的に接続された状態で固定される。
【００２７】
ここに、圧電材料としては、セラミックス系圧電材料と、高分子系圧電材料と、単結晶系圧電材料と、複合系圧電材料が使用可能である。セラミックス系圧電材料としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）等が使用可能である。また、高分子系圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｅＦＥ））、シアノビニリデンと酢酸ビニルの共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ−ＶＡｃ））等が使用可能である。また、単結晶系圧電材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸バリウムナトリウム（Ｂａ２ＮａＬｉＮｂ５Ｏ１５）、ニオブ酸鉛カリウム（Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５）等が使用可能である。また、複合系圧電材料としては、２種類以上の材料を混合して形成した圧電材料であり、ポリビニリデンタスフロライトとセラミックスを複合させた材料が使用可能である。これらの圧電材料のうち、高分子系圧電材料は、他の圧電材料よりも大きな可撓性を有する。このため、第２部材１２の材料としては、高分子系圧電材料が好適である。
【００２８】
これらの圧電材料においては、形成された帯状体のいずれかの表面（帯状体を構成する２つの略平行な広い表面。以下、「分極面」という。）に垂直な方向（分極面を貫通する方向）に直流高電界を印加した後に、この直流高電界を除去することにより、両法の分極面に残留分極（一方の分極に正の電荷が帯電し、他方の分極面に負の電荷が帯電すること）が生じた状態となる。この状態で、帯状体の展開方向（分極面に略平行な方向）に引張り力、又は圧縮力を加えると、分極の電気分極（正電荷が帯電している側の分極面にさらに正電荷が帯電し、負電荷が帯電している側の他の分極面にさらに負電荷が帯電すること）がさらに増大し、両方の分極面の間に電位差（電圧）が生じる。以下、上記の作用を「圧電作用」という。この場合に、両方の分極面を電気的導体で接続すると電流が流れる。本実施形態においては、圧電作用により第１分極面１１ａに正電荷が帯電し（正電極となり）、第２分極面１１ｂに負電荷が帯電する（負電極となる）ように設定されているものとする。
【００２９】
また、接着剤１５としては、エポキシ樹脂系接着剤、シアノアクリレート系樹脂接着剤、その他の有機系接着剤、無機系接着剤などが使用可能である。
【００３０】
また、上記した外力応答部材１の上端付近においては、接続部材２は、接着剤等の接合部材１６によって接合されている。接合部材１６の材料としては、接着剤１５と同様のものが使用可能である。
【００３１】
次に、上記した場所打ちコンクリート杭２０３に、大きな外力、例えば地震動による力が作用し、場所打ちコンクリート杭２０３の内部の主鉄筋２０６に残留変形が発生した場合を例にとって、本実施形態の構造物残留変形計測システム１０１の詳細な構成とその作用を説明する。
【００３２】
上記のように、場所打ちコンクリート杭２０３の内部の主鉄筋２０６に残留変形が発生するような大きな外力が場所打ちコンクリート杭２０３に作用すると、そのコンクリートの内部のいずれかの箇所に埋設されている主鉄筋２０６は、伸びたり、縮んだり、弓状に曲がるように変形する。
【００３３】
この場合、主鉄筋２０６の外面に設置されている外力応答部材１は、圧電材料で形成されているため、主鉄筋２０６の変形に伴って変形させられると、帯状の外力応答部材１の第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂに略平行な方向への伸び変形、又は縮み変形が付加される。外力応答部材１は圧電材料で形成されているため、この変形により、電気的な分極が生じる。すなわち、第１分極面１１ａには電荷（例えば正電荷）が発生し、かつ第２分極面１１ｂには第１分極面１１ａの電荷とは逆の電荷（例えば負電荷）が発生する。このため、第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂの間には、電圧が発生する。
【００３４】
第１分極面１１ａに発生した電荷と、第２分極面１１ｂに発生した電荷は、主鉄筋２０６の表面の変形にほぼ比例している。このため、主鉄筋２０６への外力の付加が終了し停止した場合であっても、主鉄筋２０６の表面に変形が残留している場合には、その変形（以下、「残留変形」という。）の値に略比例した電荷（以下、「残留電荷」という。）が、第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂのそれぞれに残留している。
【００３５】
本実施形態の構造物残留変形計測システム１０１における電荷検出部４１は、上記した残留電荷を検出する部分である。
【００３６】
図４は、図１に示す構造物残留変形計測システムにおける残留変形計測部４のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【００３７】
図４に示すように、残留変形計測部４は、きょう体４０と、電荷検出部４１と、増幅器４２と、Ａ／Ｄコンバータ４３と、入出力インタフェース４４ａ及び４４ｂと、ＣＰＵ４５と、ＲＯＭ４６と、ＲＡＭ４７と、送信機４９を有して構成されている。また、きょう体４０は、例えば、図１（Ａ）に示すように、高架橋２００の柱２０１に取り付けられている。
【００３８】
上記の構成要素のうち、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）４５は、図示はしていないが、ＣＰＵ４５の内部での電流（信号）の授受を行うための信号線である内部バスを有しており、この内部バスに、演算部と、レジスタと、クロック生成部と、命令処理部等を有している。ＣＰＵ４５内の演算部は、一般に、レジスタに記憶されている各種データに対して、四則演算（加算、減算、乗算、及び除算）を行い、又は論理演算（論理積、論理和、否定、排他的論理和など）を行い、又はデータ比較、若しくはデータシフトなどの処理を実行する部分である。処理の結果は、レジスタに格納されるのが一般的である。
【００３９】
レジスタは、一般に、１語のデータを記憶する部分である。通常、ＣＰＵ４５内には、複数のレジスタが設けられている。クロック生成部は、ＣＰＵ４５の各部分の時間の同期をとるための刻時信号（クロック信号）を生成する部分である。ＣＰＵ４５は、このクロック信号に基づいて動作する。命令処理部は、演算部等が実行すべき命令の取り出し、その解読、及びその実行などを制御し処理する部分である。
【００４０】
ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ：読出し専用メモリ）４６は、ＣＰＵを制御するための制御プログラムや、ＣＰＵが用いる各種データ等を格納している部分である。ＲＯＭとしては、半導体チップにより構成されるものと、ハードディスク装置等が用いられる。ハードディスク装置は、図示はしていないが、その内部に、円盤状の磁気ディスクを有しており、この磁気ディスクをディスク駆動機構により回転駆動し、磁気ヘッドをヘッド駆動機構によって磁気ディスクの任意位置に移動させ、磁気ディスク表面の磁性膜を磁気ヘッドからの書込電流によって磁化することによりデータを記録し、磁化された磁性膜の上を磁気ヘッドが移動する際に磁気ヘッドのコイル等に流れる電流を検出することにより記録データを読み出す装置である。
【００４１】
上記した制御プログラムは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等のＣＰＵ４５の基本ソフトウェアのほか、各種の処理や分析演算等をＣＰＵ４５に実行させるための命令等の処理手順が、所定のプログラム用言語で記述された文字や記号の集合である。
【００４２】
また、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：随時書込み読出しメモリ）４７は、ＣＰＵ４５により演算された途中のデータ等を一時記憶する部分である。ＲＡＭは、半導体チップにより構成されるものが主である。
【００４３】
また、ＣＰＵ４５によって生成されたディジタル電気信号、又はＣＰＵ４５へ入力されるディジタル電気信号は、入出力インタフェース４４ａ及び４４ｂを経て外部と授受される。また、Ａ／Ｄコンバータ４３は、アナログ信号をディジタル信号に変換する装置である。
【００４４】
また、残留変形計測部４は、時間を計測するタイマー（図示せず）を備えている。このタイマーは、ＣＰＵ４５の制御により始動し、計測開始時刻からの経過時間を、例えばＣＰＵ４５のクロック信号などに基づいて計測し、設定された所定時間（例えば、後述する時間τなど）が経過した場合に、ＣＰＵ４５に「設定時間の経過」を出力するものである。このタイマーのハードウェア的な構成は、図４に示されたＣＰＵ４５とＲＯＭ４６とＲＡＭ４７からなるコンピュータと基本的には同じ構成を有しており、タイマーの機能は、ソフトウェアで実現されている。このタイマーは、特許請求の範囲における計時手段に相当している。
【００４５】
図５は、図４に示す残留変形計測部４における電荷検出部４１のさらに詳細な構成を示すブロック図である。図５に示すように、電荷検出部４１は、コンデンサ５１と、電圧計５２と、電流計５３と、切換スイッチ５４及び５５及び５６を有している。
【００４６】
また、電荷検出部４１において、コンデンサ５１と切換スイッチ５４を有する直列回路（以下、「第１回路」という。）は、外力応答部材１に対して電気的に直列となるように、第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂによって接続されている。切換スイッチ５４は、制御線Ｌ１によってＣＰＵ４５に電気的に接続され、ＣＰＵ４５によって制御されるようになっている。
【００４７】
また、電圧計５２と切換スイッチ５５を有する直列回路（以下、「第２回路」という。）が、上記した第１回路に対して電気的に並列となるように導線によって接続されている。電圧計５２の出力は、出力線Ｌ４により増幅器４２に送られるようになっている。また、切換スイッチ５５は、制御線Ｌ２によってＣＰＵ４５に電気的に接続され、ＣＰＵ４５によって制御されるようになっている。
【００４８】
また、電流計５３と切換スイッチ５６を有する直列回路（以下、「第３回路」という。）が、上記した第１回路に対して電気的に並列となるように導線によって接続されている。電流計５３の出力は、出力線Ｌ５により増幅器４２に送られるようになっている。また、切換スイッチ５６は、制御線Ｌ３によってＣＰＵ４５に電気的に接続され、ＣＰＵ４５によって制御されるようになっている。
【００４９】
以下、残留変形計測部４の作用について説明を行う。まず、通常の状態、すなわち主鉄筋２０６に地震力のような過大な外力が検知されてはいない状態（以下、「過大外力非検知状態」という。）では、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ３により、切換スイッチ５６にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５６が閉じ、外力応答部材１と電流計５３は電気的に導通された状態となる。
【００５０】
また、この過大外力非検知状態においては、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ１により、切換スイッチ５４にスイッチオフ制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５４は開放状態となり、コンデンサ５１と外力応答部材１は電気的に不導通の状態となる。
【００５１】
また、過大外力非検知状態においては、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ２により、切換スイッチ５５にスイッチオフ制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５５は開放状態となり、電圧計５２と外力応答部材１は電気的に不導通の状態となる。
【００５２】
この状態で、外力応答部材１に外力（たとえば地震力）が付加されると、主鉄筋２０６の変形に伴って外力応答部材１が変形させられ、帯状の外力応答部材１の第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂに略平行な方向に引張り応力、又は圧縮応力が付加され、電気的な分極が生じ、第１分極面１１ａに正電荷が帯電するとともに第２分極面１１ｂに負電荷が帯電し、第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂの間に電圧が発生する。したがって、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂに電流（図示せず。以下、「外力検知電流」という。単位：アンペア）が流れる。
【００５３】
この外力検知電流は、第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂを通って電荷検出部４１に到達し、切換スイッチ５６から電流計５３に入力されて検出される。このような外力検知電流が検出されると、電流計５３は、検出した電流値をアナログ電気信号として出力線Ｌ５により増幅器４２に出力する。このアナログ電気信号は、増幅器４２により増幅される。増幅器４２によって増幅された電流信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース４４ａを経てＣＰＵ４５に送られる。
【００５４】
ＣＰＵ４５は、電流計５３からの外力検知電流の信号を検出すると、この電気信号の値を、あらかじめ設定された過大外力発生判別値ｉＲ１と比較する。その結果、電流計５３からの電気信号の値が過大外力発生判別値ｉＲ１を越えている場合には、ＣＰＵ４５は、「電流を発生した外力応答部材１の箇所の主鉄筋２０６に過大な外力が作用した」と判別する。
【００５５】
図６は、残留変形計測部４における作用を説明するグラフ図である。図６に示すように、この例では、時刻ｔ１において、電流計５３の出力は、過大外力発生判別値ｉＲ１を越えており、ＣＰＵ４５は、この時点で、「電流を発生した外力応答部材１の箇所の主鉄筋２０６に過大な外力が作用した」と判別することとなる。この場合、電流計５３は、特許請求の範囲における外力検知手段に相当している。また、電流値である過大外力発生判別値ｉＲ１に対応する外力の値は、特許請求の範囲における第１外力値に相当している。
【００５６】
上記の過大外力発生の判別の後、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ３により、切換スイッチ５６にスイッチオフ制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５６が開き、外力応答部材１と電流計５３は電気的に不導通の状態となる。
【００５７】
また同時に、ＣＰＵ４５は、上記したタイマーを始動させ、経過時間の計測を開始する。そして、時刻ｔ１から時間τが経過し時刻ｔ２（図６参照）となると、タイマーからの設定時間経過の出力により、ＣＰＵ４５は、「時刻ｔ１から時間τが経過した」と判別する。τの値としては、例えば、時刻ｔ１の後、５分、１０分などの値（任意の値）が用いられる。この場合、設定された経過時間τは、特許請求の範囲における第１時間に相当している。経過時間τは、外力応答部材１に残留する電荷の計測を開始するまでの時間であるから、残留電荷測定時は、外力応答部材１に地震等の過大な外力が作用したのちであって、この外力の付加が終息している必要がある。したがって、τの値は約３分以上の値が好ましい。
【００５８】
この設定時間τ経過の時刻ｔ２において、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ１により、切換スイッチ５４にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５４が閉じ、外力応答部材１とコンデンサ５１は電気的に導通した状態となる。これにより、この時点（主鉄筋２０６への過大外力の作用開始から時間τ経過後の時刻ｔ２の時点）で外力応答部材１に残留している電荷（残留電荷）は、電流となってコンデンサ５１の両側端子に流入し、外力応答部材１にあった残留電荷に等しい電荷がコンデンサに蓄電される。
【００５９】
上記した時刻ｔ２の切換スイッチ５４のＯＮの後、所定の第２時間（例えば５秒、１０秒、３０秒などの任意の値）が経過すると、この第２時間の経過を上記した第１時間の場合のタイマー（図示せず）と同様の作用によりＣＰＵ４５が検知し、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ２により、切換スイッチ５５にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５５が閉じ、コンデンサ５１と電圧計５２は電気的に導通した状態となる。
【００６０】
このようにして、コンデンサ５１の一方の電極と他方の電極の間の電圧Ｖ（コンデンサ５１の両極の間の電圧。単位：ボルト）が計測される。この場合、電圧Ｖは、特許請求の範囲における第１電圧値に相当している。ここに、コンデンサ５１と電圧計５２は、特許請求の範囲における電荷測定手段を構成している。また、切換スイッチ５４及び５５は、特許請求の範囲におけるスイッチ手段に相当している。
【００６１】
電圧計５２は、検出した電圧値をアナログ電気信号として出力線Ｌ４により増幅器４２に出力する。このアナログ電気信号は、増幅器４２により増幅される。増幅器４２によって増幅された電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース４４ａを経てＣＰＵ４５に送られる。
【００６２】
ＣＰＵ４５は、電圧計５２からの電流信号を検出すると、この電気信号の値に基づき、コンデンサ５１に蓄えられた電荷量を演算する。コンデンサ５１の静電容量値（以下、「第１静電容量値」という。）Ｃ（単位：ファラッド）は、既知の値であり、あらかじめＲＯＭ４６に記憶されている。ＣＰＵ４５は、このＣの値をＲＯＭ４６から読み出し、第１電圧値Ｖから、下式（以下、「第１式」という。）
Ｑ＝Ｃ×Ｖ ………（１）
により、コンデンサ５１に蓄電されている電荷の値Ｑ（単位：クーロン）を算出する。この電荷値Ｑは、時刻ｔ２において外力応答部材１に残留していた残留電荷の量と等しい。
【００６３】
本出願の発明者らは、上記のようにして測定された残留電荷の量Ｑの値が、外力応答部材１が貼付されている構造部材である主鉄筋２０６の残留変形（あるいは残留歪み）の値と密接な関係があることを発見した。この関係は、例えば、正比例関係のような直線的関係のほか、条件によっては、非直線的な関係もありうる。一般には、残留電荷値をＱとすると、残留変形量δは、下式（以下、「第２式」という。）
δ＝ｆ（Ｑ） ………（２）
により、表される。
【００６４】
上記の関数ｆ（Ｑ）は、構造物、構造部材により異なるから、事前の実験などにより、あらかじめ把握しておく必要がある。本実施形態では、関数ｆの式、又は数値計算式は、あらかじめＲＯＭ４６に記憶されている。ＣＰＵ４５は、関数ｆに基づき、残留電荷量Ｑから、上記の第２式により、構造部材である主鉄筋２０６に残ると推測される残留変形の値δを算出する。
【００６５】
上記のように、ＣＰＵ４５によって算出された主鉄筋２０６の残留変形推測値は、入出力インタフェース４４ｂを経て送信機４９に送られる。送信機４９は、ディジタル電気信号をそのまま、または他の信号形態（例えば光信号）に変換し、通信ケーブル５によって構造物管理部６へ送信する。通信ケーブル５としては、電流を導通させる導線、光ファイバー等が用いられる。
【００６６】
構造物管理部６は、図１（Ａ）に示すような構成を有している。すなわち、構造物管理部６は、ある鉄道線区（例えば、「山手線」や「埼京線」等。）の鉄道線路に関連する構造物を統括して管理する施設であり、中央コンピュータ６１と、構造物状態表示盤６２と、記憶・出力装置６３を有して構成されている。
【００６７】
中央コンピュータ６１には、この線区の各構造物、例えば高架橋の各杭の残留変形計測部からの通信ケーブル５ａ〜５ｄなどが接続しており、その構造物からのデータが集中するようになっている。構造物状態表示盤６２は、図１（Ｂ）に示すように、表示パネル部６２ａと、操作卓６２ｂを有している。表示パネル部６２ａには、この線区全体が表示され、杭等の構造物がランプ等によって表現されている。このような構成により、残留変形が発生した箇所は、図１（Ｂ）において６２ｃで図示されるように、操作者（構造物管理者）が視認できる状態、例えばランプの点灯や点滅の状態となる。記憶・出力装置６３は、残留変形の値やその履歴などを記録媒体に記憶させたり、印字等を行う装置である。
【００６８】
上記した実施形態の構造物残留変形計測システム１０１によれば、以下のような利点がある。
【００６９】
ａ）鉄道の構造物等に大きな外力（例えば地震動等）が付加されて構造部材（例えば鉄筋等）に残留変形が発生した場合に、構造物内部の構造部材において予想される残留変形の値を容易に、かつリアルタイムで計測することができる。このため、構造部材の残留変形が発生傷した箇所の位置等を、容易に推測することができる。
【００７０】
ｂ）杭等の地下構造物のように、地盤の内部に構築されているため、そのままでは目視が不可能な箇所の残留変形についても、支障なく計測することができる。
【００７１】
ｃ）鉄道や道路のように、線状に長い範囲にわたる施設において、各構造物の内部の残留変形の有無を集中的に監視することができる。
【００７２】
上記した実施形態において、構造物残留変形計測システム１０１は、特許請求の範囲における構造物残留変形計測装置に相当している。また、また、場所打ちコンクリート杭２０３は、特許請求の範囲における構造物に相当し、主鉄筋２０６は、特許請求の範囲における構造部材に相当している。また、ＣＰＵ４５とＲＯＭ４６とＲＡＭ４７は、特許請求の範囲における制御演算手段を構成している。
【００７３】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００７４】
例えば、上記した実施形態においては、外力応答部材（例えば外力応答部材１）が貼付される構造部材としてコンクリート構造物（例えば場所打ちコンクリート杭２０３、２０４）の内部の主鉄筋２０６を例に挙げて説明したが、本発明は、この例には限定されず、他の構成の構造部材、例えば、他の鉄筋（フープ鉄筋、配力鉄筋等）であってもよく、コンクリート構造物の鉄筋であれば、どの鉄筋であってもよい。また、外力応答部材の貼付される構造部材は、コンクリート構造物の内部に配置される略円柱状又は略円筒状態の鉄骨部材などであってもよい。
【００７５】
また、外力を計測する対象である構造物は、場所打ちコンクリート杭に限定されず、他の基礎構造物、例えば既製コンクリート杭、フーチング、ケーソン基礎等であってもよい。あるいは基礎構造物以外の構造物、コンクリート構造物以外の構造物であってもよい。
【００７６】
また、外力応答部材（例えば外力応答部材１）の設置される構造部材（例えば主鉄筋２０６）の配置方向（例えば外力応答部材１の軸の方向）を適宜に調整することにより、軸方向の残留変形、曲げ方向の残留変形、せん断方向の残留変形、ねじり方向の残留変形を検出することも可能である。
【００７７】
また、外力応答部材（例えば外力応答部材１）は、可撓性を有する絶縁体からなる被覆部材によって被覆されてもよい。このように構成することにより、外力応答部材の損傷を防止することができる。可撓性を有する絶縁体としては、プラスチックス系材料と、ゴム系材料が含まれる。プラスチックス系材料としては、いわゆる合成樹脂材料のほか、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチックス）等のプラスチックを用いた複合材料を含む。また、ゴム系材料としては、天然ゴム、人造ゴムのほか、ゴムを用いた複合材料も含む。
【００７８】
また、外力応答部材（例えば外力応答部材１）の配置位置、配置状態は、上記した第１実施形態の例、すなわち、外力応答部材が、構造部材である主鉄筋２０６の長手方向に沿って略直線状に貼付される例に限定されず、他の配置位置又は配置状態、例えば、構造部材の長手方向中心線のまわりに略螺旋状に巻き付けられるようにして貼付されてもよい。
【００７９】
また、上記の実施形態のように、集中管理型の構造物管理部６を設けず、分散型の構成としてもよい。すなわち、図示はしていないが、残留変形計測部４には送信機４９を設けず、個々の残留変形計測部４の電源として、個々に電池（水銀電池等の公知の長寿命型電池）を用い、地震などの過大外力作用後に、構造物検査担当者が、該当する箇所の残留変形計測部４を巡回し、ＲＡＭ４７等から直接に残留変形履歴データ等を回収するようにしてもよい。この場合には、ＲＡＭ４７は、データを長期間保持可能なものを採用する必要がある。あるいは、ＲＡＭ４７として、供給電源が切れてもデータが揮発しない「不揮発型メモリ」を採用するようにしてもよい。
【００８０】
また、上記した第３回路、すなわち、電流計５３と切換スイッチ５６を有する直列回路は、設けなくてもよい。この場合には、外力検知を第２回路（電圧計５２と切換スイッチ５５を有する直列回路）によって行うことになる。以下に、この場合の過大外力検知の方法と、残留電荷計測の方法について説明する。
【００８１】
この場合には、図５において第３回路（電流計５３及び切換スイッチ５６）は接続されない。
【００８２】
まず、過大外力非検知状態においては、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ２により、切換スイッチ５５にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５５は閉じ、電圧計５２と外力応答部材１は電気的に導通された状態となる。
【００８３】
また、過大外力非検知状態においては、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ１により、切換スイッチ５４にスイッチオフ制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５４は開放状態となり、コンデンサ５１と外力応答部材１は電気的に不導通の状態となる。
【００８４】
この状態で、外力応答部材１に外力（たとえば地震力）が付加されると、主鉄筋２０６の変形に伴って外力応答部材１が変形させられ、帯状の外力応答部材１の第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂに略平行な方向に引張り応力、又は圧縮応力が付加され、電気的な分極が生じ、第１分極面１１ａに正電荷が帯電するとともに第２分極面１１ｂに負電荷が帯電し、第１分極面１１ａと第２分極面１１ｂの間に電圧（図示せず。以下、「外力検知電圧」という。単位：ボルト）が発生する。
【００８５】
この外力検知電圧は、第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂ及び切換スイッチ５５を介して電圧計５２に達し検出される。このような外力検知電圧が検出されると、電圧計５２は、検出した電圧値をアナログ電気信号として出力線Ｌ４により増幅器４２に出力する。このアナログ電気信号は、増幅器４２により増幅される。増幅器４２によって増幅された電流信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース４４ａを経てＣＰＵ４５に送られる。
【００８６】
ＣＰＵ４５は、電圧計５２からの外力検知電圧の信号を検出すると、この電気信号の値を、あらかじめ設定された過大外力発生判別値ｉＲ２と比較する。その結果、電圧計５２からの電気信号の値が過大外力発生判別値ｉＲ２を越えている場合には、ＣＰＵ４５は、「電圧を発生した外力応答部材１の箇所の主鉄筋２０６に過大な外力が作用した」と判別する。
【００８７】
図６における電流計出力を電圧計出力と読み替え、値ｉＲ１をｉＲ２と読み替えることにより、この場合の残留変形計測部４における作用を説明することができる。すなわち、時刻ｔ１において、電圧計５２の出力は、過大外力発生判別値ｉＲ２を越えており、ＣＰＵ４５は、この時点で、「電圧を発生した外力応答部材１の箇所の主鉄筋２０６に過大な外力が作用した」と判別することとなる。この場合、電圧計５２は、特許請求の範囲における外力検知手段に相当している。また、電圧値である過大外力発生判別値ｉＲ２に対応する外力の値は、特許請求の範囲における第１外力値に相当している。
【００８８】
上記の過大外力発生の判別の後、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ２により、切換スイッチ５５にスイッチオフ制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５５が開き、外力応答部材１と電圧計５２は電気的に不導通の状態となる。
【００８９】
また同時に、ＣＰＵ４５は、上記したタイマーを始動させ、経過時間の計測を開始する。そして、時刻ｔ１から時間τが経過し時刻ｔ２（図６参照）となると、タイマーからの設定時間経過の出力により、ＣＰＵ４５は、「時刻ｔ１から時間τが経過した」と判別する。τの値としては、例えば、時刻ｔ１の後、５分、１０分などの値（任意の値）が用いられる。この場合、設定された経過時間τは、特許請求の範囲における第１時間に相当している。経過時間τは、上記の例の場合と同様に、約３分以上の値が好ましい。
【００９０】
この設定時間τ経過の時刻ｔ２において、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ１により、切換スイッチ５４にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５４が閉じ、外力応答部材１とコンデンサ５１は電気的に導通した状態となる。これにより、この時点（主鉄筋２０６への過大外力の作用開始から時間τ経過後の時刻ｔ２の時点）で外力応答部材１に残留している電荷（残留電荷）は、電流となってコンデンサ５１の両側端子に流入し、外力応答部材１にあった残留電荷に等しい電荷がコンデンサに蓄電される。
【００９１】
上記した時刻ｔ２の切換スイッチ５４のＯＮの後、所定の第２時間（例えば５秒、１０秒、３０秒などの任意の値）が経過すると、この第２時間の経過を上記した第１時間の場合のタイマー（図示せず）と同様の作用によりＣＰＵ４５が検知し、ＣＰＵ４５は、制御線Ｌ２により、切換スイッチ５５にスイッチオン制御信号を出力する。これにより、切換スイッチ５５が閉じ、コンデンサ５１と電圧計５２は電気的に導通した状態となる。
【００９２】
このようにして、コンデンサ５１の一方の電極と他方の電極の間の電圧Ｖ（コンデンサ５１の両極の間の電圧。単位：ボルト）が計測される。この場合、電圧Ｖは、特許請求の範囲における第１電圧値に相当している。ここに、コンデンサ５１と電圧計５２は、特許請求の範囲における電荷測定手段を構成している。また、切換スイッチ５４及び５５は、特許請求の範囲におけるスイッチ手段に相当している。
【００９３】
電圧計５２は、検出した電圧値をアナログ電気信号として出力線Ｌ４により増幅器４２に出力する。このアナログ電気信号は、増幅器４２により増幅される。増幅器４２によって増幅された電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース４４ａを経てＣＰＵ４５に送られる。
【００９４】
ＣＰＵ４５は、電圧計５２からの電圧信号を検出すると、この電気信号の値に基づき、コンデンサ５１に蓄えられた電荷量を演算する。コンデンサ５１の静電容量値である第１静電容量値Ｃ（単位：ファラッド）は、既知の値であり、あらかじめＲＯＭ４６に記憶されている。ＣＰＵ４５は、このＣの値をＲＯＭ４６から読み出し、第１電圧値Ｖから、上記した第１式（１）により、コンデンサ５１に蓄電されている電荷の値Ｑ（単位：クーロン）を算出する。この電荷値Ｑは、時刻ｔ２において外力応答部材１に残留していた残留電荷の量と等しい。
【００９５】
また、ＣＰＵ４５は、ＲＯＭ４６に記憶されている上記した第２式（２）に基づき、残留電荷量Ｑから、構造部材である主鉄筋２０６に残ると推測される残留変形の値δを算出する。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、変形を生じると表面である分極面が電気的に分極し一方の分極面に正電荷が発生するとともに他方の分極面に負電荷が発生する圧電材料からなり構造物の略円柱状又は略円筒状の構造部材の外面に貼付されるように配置される外力応答部材と、導電体からなり一端が外力応答部材の一方の分極面となる側に電気的に接続された第１導体部材と、導電体からなり一端が外力応答部材の他方の分極面となる側に電気的に接続された第２導体部材と、第１導体部材又は第２導体部材に取り付けられ回路を開閉するスイッチ手段と、第１導体部材の他端と第２導体部材の他端に取り付けられるとともに第１導体部材の他端と第２導体部材の間の電荷を計測する電荷測定手段と、時間を計測する計時手段と、制御演算手段を備えるように構成したので、制御演算手段により、構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたことを検知した場合には、計時手段に時間の計測を開始させ、計時手段の出力から過大外力の検知後第１時間の経過を検出した場合には、スイッチ手段を閉じるように制御して外力応答部材と電荷測定手段とを電気的に導通させ、電荷計測手段が検出した電荷である残留電荷の計測値に基づいて、構造物の残留変形計測箇所における残留変形を演算することができる、という利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である構造物残留変形計測システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す構造物残留変形計測システムにおける外力応答部材の設置状態を示す図である。
【図３】図１及び図２に示す構造物残留変形計測システムにおける外力応答部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図４】図１に示す構造物残留変形計測システムにおける残留変形計測部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示す残留変形計測部における電荷検出部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】図４に示す残留変形計測部における作用を説明するグラフ図である。
【符号の説明】
１ 外力応答部材
２ 接続部材
４ 残留変形計測部
５〜５ｄ 通信ケーブル
６ 構造物管理部
１１ａ 第１分極面
１１ｂ 第２分極面
１５ 固定部材
１６ 接合部材
２１ 保護部材
２２ リード線
２２ａ 第１導体部材
２２ａ１ 導体接続部
２２ｂ 第２導体部材
２２ｂ１ 導体接続部
２２ｃ 絶縁部材
４０ きょう体
４１ 電荷検出部
４２ 増幅器
４３ Ａ／Ｄコンバータ
４４ａ、４４ｂ 入出力インタフェース
４５ ＣＰＵ
４６ ＲＯＭ
４７ ＲＡＭ
４９ 送信機
５１ コンデンサ
５２ 電圧計
５３ 電流計
５４〜５６ 切換スイッチ
６１ 中央コンピュータ
６２ 構造物状態表示盤
６２ａ 表示パネル部
６２ｂ 操作卓
６２ｃ 残留変形発生箇所
６３ 記憶・出力装置
１０１ 構造物残留変形計測システム
２００ 高架橋
２０１ 柱
２０２ フーチング
２０３、２０４ 場所打ちコンクリート杭
２０５ 鉄筋カゴ
２０６ 主鉄筋
３００ 鉄道線路
Ｇ 地盤
Ｌ１〜Ｌ３ 制御線
Ｌ４、Ｌ５ 出力線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure residual deformation measuring device for measuring a residual deformation of a structure by detecting a residual charge at the location when an external force exceeding a predetermined value is applied to the structure or the like, and a structure using the device. The present invention relates to a method for measuring a residual deformation of an object.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are a destructive test (destructive inspection) and a nondestructive test (nondestructive inspection) as methods for detecting whether or not damage has occurred when an external force is applied to a structure. Destructive testing (destructive inspection) is performed by applying a load to a specimen made of actual material to break it, observing or measuring the location of damage on the specimen and its status, and applying it to an actual structure. It can be said that it is a direct method.
[0003]
On the other hand, non-destructive testing (non-destructive inspection) is a method that tries to estimate the internal state of structures using some physical quantity without destroying structures and specimens. This is an indirect method. Examples of the physical quantity used in the nondestructive test include vibration, ultrasonic wave, radiation, magnetism, and sound generated internally (AE: Acoustic Emission) at the time of material destruction (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-105665 (page 6-7, FIG. 1-3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional methods described above have various problems as described below.
[0006]
In the case of a destructive test (destructive inspection), if a specimen is manufactured and its destructive test is performed for each structure, there is a problem that it takes time, labor and cost for preparing the specimen, and it is not efficient. In addition, destruction is greatly affected by the shape of the produced specimen or its dimensions, and the behavior at the time of destruction varies depending on the shape of the specimen. For this reason, when applying to an actual structure, human judgment and consideration are added to the destructive test result. For this reason, there is a problem that it is difficult to accurately determine the actual state of damage to the structure and that skill is required.
[0007]
In the case of non-destructive testing (non-destructive inspection), it is often possible to detect the fact that some destruction has occurred inside the structure, or the fact that some damage exists inside the structure. There is a problem that it is often difficult to clearly grasp the specific location, the shape and dimensions of the damage.
[0008]
In addition, since underground structures such as cast-in-place concrete piles are built underground, the fact that some damage has occurred or some damage has occurred inside the underground structure due to external forces such as earthquakes is Direct confirmation by is very difficult. For this reason, there existed a problem that the test | inspection of a structure was not easy. There is an example of such an inspection of the underground structure, but in this case, it is necessary to dig up around the underground structure such as cast-in-place concrete piles, and so it costs a lot of money. There was also a problem.
[0009]
When an excessive external force such as seismic force is applied to the structure, there are cases where it is desired to know the value of the residual deformation that is considered to occur in a member of the structure, such as a reinforcing bar.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the problem to be solved by the present invention is that a structure residual deformation that is easy to implement and can measure the residual deformation of a structural member of the structure. An object of the present invention is to provide a measuring device and a structure residual deformation measuring method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a structure residual deformation measuring apparatus according to the present invention is
When deformation occurs, the surface polarization plane is electrically polarized and positive charge is generated on one polarization plane and negative charge is generated on the other polarization plane. An external force responsive member arranged to be affixed to the outer surface of the structural member;
A first conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the side that becomes one polarization surface of the external force response member;
A second conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the other polarization surface of the external force response member;
Switch means attached to the first conductor member or the second conductor member for opening and closing a circuit;
Charge measuring means attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member, and measuring a charge between the other end of the first conductor member and the second conductor member;
A time measuring means for measuring time;
Equipped with control calculation means,
When the control calculation means detects that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure, the control calculation means causes the time measuring means to start measuring time, When it is detected from the output that the first time has elapsed after the detection of the excessive external force, the switch means is controlled to be closed to electrically connect the external force response member and the charge measuring means, thereby measuring the charge. A residual deformation at a residual deformation measurement location of the structure is calculated based on a measurement value of a residual charge that is a charge detected by the means.
[0012]
In the above structure residual deformation measuring apparatus, preferably, the control calculation means includes a capacitor having a first capacitance value C farad and a voltage for measuring a voltage between one electrode and the other electrode of the capacitor. A charge calculating means for calculating the charge based on a measured value of the voltmeter, and the charge calculating means is configured to calculate the charge by the charge flowing into the capacitor from the external force response member during the first time period. The residual charge value Q coulomb is calculated from the first voltage value V volts generated between the two poles of the capacitor by the first equation Q = C × V.
[0013]
In the structure residual deformation measuring apparatus, preferably, the control calculation means is a functional relational expression between the residual charge value Q in the external force response member and a residual deformation value δ in the external force response member. Based on the second expression δ = f (Q), the value of the residual deformation in the external force response member is calculated by substituting the calculated residual charge value into the right side of the second expression.
[0014]
In the structure residual deformation measuring device, preferably,
An external force detecting means for detecting that an external force is applied to the structural member of the structure;
The control calculating means determines that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure when the value of the external force exceeds a set excessive external force generation determination value. .
[0015]
In the structure residual deformation measuring apparatus, preferably, the external force detection means includes an ammeter.
[0016]
In the structure residual deformation measuring apparatus, preferably, the external force detection means includes a voltmeter.
[0017]
Further, the structure residual deformation measuring method according to the present invention is:
When deformation occurs, the surface polarization plane is electrically polarized and positive charge is generated on one polarization plane and negative charge is generated on the other polarization plane. An external force responsive member arranged to be affixed to the outer surface of the structural member;
A first conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the side that becomes one polarization surface of the external force response member;
A second conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the other polarization surface of the external force response member;
Switch means attached to the first conductor member or the second conductor member for opening and closing a circuit;
Charge measuring means attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member, and measuring a charge between the other end of the first conductor member and the second conductor member;
A time measuring means for measuring time;
Using control calculation means,
When it is detected by the control arithmetic means that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure, the time measuring means starts measuring time, and the time measuring means When it is detected from the output that the first time has elapsed after the detection of the excessive external force, the switch means is controlled to be closed to electrically connect the external force response member and the charge measuring means, thereby measuring the charge. A residual deformation at a residual deformation measurement location of the structure is calculated based on a measurement value of a residual charge that is a charge detected by the means.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a structure residual deformation measuring system according to an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 2 is a figure which shows the installation state of the external force response member in the structure residual deformation | transformation measurement system shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of the external force response member in the structure residual deformation measuring system shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 4 is a block diagram showing a more detailed configuration of a residual deformation measuring unit in the structure residual deformation measuring system shown in FIG.
[0019]
As shown in FIG. 1A, this structure residual deformation measuring system 101 includes an external force response member 1 installed in a concrete of a cast-in-place concrete pile 203 that is a foundation of a viaduct 200 that supports a railroad track 300. The connecting member 2, the residual deformation measuring unit 4, the communication cable 5, and the structure management unit 6 are configured.
[0020]
As shown in FIG. 2, the external force response member 1 is attached to a vertical main reinforcing bar 206 that constitutes a reinforcing bar 205 in the cast-in-place concrete pile 203. Further, as shown in FIGS. 1 and 2, a part of the connecting member 2 is installed inside the concrete of the cast-in-place concrete pile 203 or the footing 202 of the viaduct 200, and the rest is the outside of the viaduct 200. Is arranged.
[0021]
As shown in FIG. 3, the connecting member 2 has a lead wire 22 inside, and the outside of the lead wire 22 is surrounded by a protective member 21. As shown in FIGS. 3A to 3C, the lead wire 22 includes a first conductor member 22a, a second conductor member 22b, and an insulating member 22c. The first conductor member 22a and the second conductor member 22b are linear members formed of an electric conductor (conductor), for example, copper (Cu). The insulating member 22c is formed of an electrical non-conductor, such as a synthetic resin material or a rubber material, and has a predetermined interval between the first conductor member 22a and the second conductor member 22b and surrounds them. The first conductor member 22a and the second conductor member 22b, the first conductor member 22a and the periphery thereof, and the second conductor member 22b and the periphery thereof are electrically insulated.
[0022]
Also, one end of the first conductor member 22a and the second conductor member 22b of the lead wire 22 is connected to the external force response member 1, and the other end of the first conductor member 22a and the second conductor member 22b of the lead wire 22 is The charge detection unit 41 (described later) of the residual deformation measurement unit 4 is connected. The residual deformation measuring unit 4 and the structure management unit 6 are connected by a communication cable 5. In addition, the external force response member 1 and a part of the connection member 2 are arranged at predetermined positions before the concrete placement of the cast-in-place concrete pile 203 and the footing 202, and are embedded and installed in the concrete.
[0023]
Next, a more detailed configuration of the external force response member 1 will be described with reference to FIG. 3 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of the external force response member in the structure residual deformation measuring system shown in FIGS. 1 and 2, FIG. 3 (A) is an overall configuration diagram, and FIG. FIG. 3C is a longitudinal sectional view of the connecting member 2, FIG. 3C is an enlarged longitudinal sectional view of the vicinity of the connecting portion of the connecting member 2, and FIG. 3D is a transverse section viewed in the AA direction in FIG. Each figure is shown.
[0024]
As shown in FIG. 3A, the external force response member 1 is formed in, for example, a thin strip (film) and a rectangular strip (tape member) having an elongated surface. The external force response member 1 is attached to the outer peripheral side surface of the substantially columnar main reinforcing bar 206 by the adhesive 15 in a substantially straight line along the longitudinal direction of the main reinforcing bar 206. The main reinforcing bar 206 may be in the shape of a round bar or a deformed reinforcing bar having irregularities formed on the surface. Here, the main reinforcing bar 206 corresponds to a structural member inside the structure.
[0025]
When the external force response member 1 is applied with stress, the surface (two substantially parallel wide surfaces constituting the band-like body, hereinafter referred to as “polarized surface”) is electrically polarized into a positive pole and a negative pole, and a potential difference ( It is made of a material that generates (voltage) (hereinafter referred to as “piezoelectric material”), and has a first polarization surface 11a and a second surface polarization 11b.
[0026]
Further, the first polarization surface 11a of the external force response member 1 is fixed in a state where the first conductor member 22a is electrically connected to the first polarization surface 11a by bonding or soldering, and the second polarization surface of the external force response member 1 is fixed. The second conductor member 22b is fixed to 11b in an electrically connected state by bonding or soldering.
[0027]
Here, as the piezoelectric material, a ceramic piezoelectric material, a polymer piezoelectric material, a single crystal piezoelectric material, and a composite piezoelectric material can be used. Ceramic-based piezoelectric materials include barium titanate (BaTiO 3 ), Lead titanate (PbTiO 3 ), Zircon lead titanate (PZT), etc. can be used. Polymeric piezoelectric materials include polyvinylidene fluoride (PVDF), a copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene (P (VDF-TrFE)), and a copolymer of vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene (P (VDF-TeFE)), a copolymer of cyanovinylidene and vinyl acetate (P (VDCN-VAc)) or the like can be used. As a single crystal piezoelectric material, lithium niobate (LiNbO 3 ), Lithium tantalate (LiTaO) 3 ), Sodium barium niobate (Ba) 2 NaLiNb 5 O 15 ), Lead potassium niobate (Pb) 2 KNb 5 O 15 ) Etc. can be used. In addition, the composite piezoelectric material is a piezoelectric material formed by mixing two or more kinds of materials, and a composite material of polyvinylidene fluoride flour and ceramics can be used. Among these piezoelectric materials, polymer piezoelectric materials have greater flexibility than other piezoelectric materials. For this reason, as the material of the second member 12, a polymer piezoelectric material is suitable.
[0028]
In these piezoelectric materials, a direction (penetrating the polarization plane) perpendicular to one of the surfaces of the formed band (two substantially parallel wide surfaces constituting the band, hereinafter referred to as “polarization plane”). After applying a DC high electric field in the direction), removing the DC high electric field causes residual polarization (positive charge is charged in one polarization and negative charge is charged in the other polarization surface). Charging). In this state, when a tensile force or a compressive force is applied in the development direction of the belt-like body (a direction substantially parallel to the polarization surface), an electric charge of the polarization (a positive charge is further applied to the polarization surface on which the positive charge is charged). The negative charge is further charged on the other polarization plane charged and charged with a negative charge), and a potential difference (voltage) is generated between both polarization planes. Hereinafter, the above action is referred to as “piezoelectric action”. In this case, a current flows when both polarization surfaces are connected by an electrical conductor. In the present embodiment, the first polarization surface 11a is charged with a positive charge (becomes a positive electrode) by the piezoelectric action, and the second polarization surface 11b is set to be charged with a negative charge (becomes a negative electrode). And
[0029]
As the adhesive 15, an epoxy resin adhesive, a cyanoacrylate resin adhesive, other organic adhesives, an inorganic adhesive, or the like can be used.
[0030]
Further, in the vicinity of the upper end of the external force response member 1 described above, the connection member 2 is joined by a joining member 16 such as an adhesive. As the material of the joining member 16, the same material as the adhesive 15 can be used.
[0031]
Next, the structure of the present embodiment will be described by taking as an example a case where a large external force, for example, a force due to earthquake motion, acts on the above-mentioned cast-in-place concrete pile 203 and residual deformation occurs in the main reinforcing bar 206 inside the cast-in-place concrete pile 203. The detailed configuration and operation of the object residual deformation measurement system 101 will be described.
[0032]
As described above, when a large external force that causes residual deformation in the main reinforcing bar 206 inside the cast-in-place concrete pile 203 acts on the cast-in-place concrete pile 203, it is buried in any part of the concrete. The main reinforcing bar 206 is deformed so as to expand, contract, or bend in a bow shape.
[0033]
In this case, since the external force response member 1 installed on the outer surface of the main reinforcing bar 206 is formed of a piezoelectric material, the first external force response member 1 of the belt-like external force response member 1 is deformed when the main reinforcing bar 206 is deformed. Extension deformation or contraction deformation in a direction substantially parallel to the polarization surface 11a and the second polarization surface 11b is added. Since the external force response member 1 is made of a piezoelectric material, this deformation causes electrical polarization. That is, a charge (for example, a positive charge) is generated on the first polarization surface 11a, and a charge (for example, a negative charge) opposite to the charge on the first polarization surface 11a is generated on the second polarization surface 11b. For this reason, a voltage is generated between the first polarization surface 11a and the second polarization surface 11b.
[0034]
The charge generated on the first polarization surface 11 a and the charge generated on the second polarization surface 11 b are substantially proportional to the deformation of the surface of the main reinforcing bar 206. For this reason, even when the application of the external force to the main reinforcing bar 206 is finished and stopped, when the deformation remains on the surface of the main reinforcing bar 206, the deformation (hereinafter referred to as “residual deformation”). The electric charge (hereinafter referred to as “residual electric charge”) approximately proportional to the value of γ remains on each of the first polarization surface 11a and the second polarization surface 11b.
[0035]
The charge detection unit 41 in the structure residual deformation measurement system 101 of the present embodiment is a part that detects the above-described residual charge.
[0036]
FIG. 4 is a block diagram showing a more detailed configuration of the residual deformation measuring unit 4 in the structure residual deformation measuring system shown in FIG.
[0037]
As shown in FIG. 4, the residual deformation measurement unit 4 includes a housing 40, a charge detection unit 41, an amplifier 42, an A / D converter 43, input / output interfaces 44a and 44b, a CPU 45, a ROM 46, A RAM 47 and a transmitter 49 are included. Moreover, the housing 40 is attached to the pillar 201 of the viaduct 200 as shown in FIG. 1 (A), for example.
[0038]
Among the above components, a CPU (Central Processing Unit) 45 is not shown, but has an internal bus which is a signal line for transferring current (signal) inside the CPU 45. The internal bus includes a calculation unit, a register, a clock generation unit, an instruction processing unit, and the like. The arithmetic unit in the CPU 45 generally performs four arithmetic operations (addition, subtraction, multiplication, and division) or various logical operations (logical product, logical sum, negation, exclusive) on various data stored in the register. This is a portion for performing processing such as logical sum or data comparison or data shift. In general, the result of the processing is stored in a register.
[0039]
The register is generally a part for storing one word of data. Usually, a plurality of registers are provided in the CPU 45. The clock generator is a part that generates a clock signal (clock signal) for synchronizing the time of each part of the CPU 45. The CPU 45 operates based on this clock signal. The instruction processing unit is a part that controls and processes fetching, decoding, and execution of instructions to be executed by the arithmetic unit and the like.
[0040]
A ROM (Read Only Memory) 46 is a part that stores a control program for controlling the CPU, various data used by the CPU, and the like. The ROM includes a semiconductor chip and a hard disk device. Although not shown, the hard disk device has a disk-shaped magnetic disk therein, and the magnetic disk is rotated by a disk drive mechanism, and the magnetic head is moved to an arbitrary position of the magnetic disk by a head drive mechanism. The data is recorded by magnetizing the magnetic film on the surface of the magnetic disk with a write current from the magnetic head, and flows to the coil of the magnetic head when the magnetic head moves over the magnetized magnetic film. It is a device that reads recorded data by detecting current.
[0041]
In the above control program, in addition to the basic software of the CPU 45 such as an OS (Operating System), processing procedures such as instructions for causing the CPU 45 to execute various processes and analysis operations are described in a predetermined program language. A set of characters and symbols.
[0042]
A RAM (Random Access Memory) 47 is a part for temporarily storing intermediate data calculated by the CPU 45. The RAM is mainly composed of semiconductor chips.
[0043]
The digital electrical signal generated by the CPU 45 or the digital electrical signal input to the CPU 45 is exchanged with the outside via the input / output interfaces 44a and 44b. The A / D converter 43 is a device that converts an analog signal into a digital signal.
[0044]
The residual deformation measuring unit 4 includes a timer (not shown) that measures time. This timer is started under the control of the CPU 45, and the elapsed time from the measurement start time is measured based on, for example, a clock signal of the CPU 45, for example, and a set predetermined time (for example, a time τ described later) has elapsed. In addition, “elapse of set time” is output to the CPU 45. The hardware configuration of the timer is basically the same as that of the computer including the CPU 45, the ROM 46, and the RAM 47 shown in FIG. 4, and the timer function is realized by software. This timer corresponds to the time measuring means in the claims.
[0045]
FIG. 5 is a block diagram showing a more detailed configuration of the charge detection unit 41 in the residual deformation measurement unit 4 shown in FIG. As shown in FIG. 5, the charge detection unit 41 includes a capacitor 51, a voltmeter 52, an ammeter 53, and changeover switches 54, 55, and 56.
[0046]
In the charge detection unit 41, a series circuit (hereinafter referred to as “first circuit”) having the capacitor 51 and the changeover switch 54 is electrically connected to the external force response member 1 in the first conductor. It is connected by the member 22a and the second conductor member 22b. The changeover switch 54 is electrically connected to the CPU 45 by a control line L1 and is controlled by the CPU 45.
[0047]
Further, a series circuit (hereinafter referred to as “second circuit”) having a voltmeter 52 and a changeover switch 55 is connected by a conducting wire so as to be electrically parallel to the first circuit. The output of the voltmeter 52 is sent to the amplifier 42 via the output line L4. The changeover switch 55 is electrically connected to the CPU 45 by the control line L2, and is controlled by the CPU 45.
[0048]
Further, a series circuit (hereinafter referred to as “third circuit”) having an ammeter 53 and a changeover switch 56 is connected by a conducting wire so as to be electrically parallel to the first circuit. The output of the ammeter 53 is sent to the amplifier 42 through the output line L5. The changeover switch 56 is electrically connected to the CPU 45 by the control line L3 and is controlled by the CPU 45.
[0049]
Hereinafter, the operation of the residual deformation measuring unit 4 will be described. First, in a normal state, that is, in a state where an excessive external force such as seismic force is not detected in the main reinforcing bar 206 (hereinafter referred to as “excessive external force non-detected state”), the CPU 45 is switched by the control line L3. A switch-on control signal is output to the switch 56. As a result, the changeover switch 56 is closed, and the external force response member 1 and the ammeter 53 are electrically connected.
[0050]
Further, in this excessive external force non-detection state, the CPU 45 outputs a switch-off control signal to the changeover switch 54 through the control line L1. As a result, the changeover switch 54 is opened, and the capacitor 51 and the external force response member 1 are electrically disconnected.
[0051]
In an excessive external force non-detection state, the CPU 45 outputs a switch-off control signal to the changeover switch 55 through the control line L2. As a result, the changeover switch 55 is opened, and the voltmeter 52 and the external force response member 1 are electrically non-conductive.
[0052]
In this state, when an external force (for example, seismic force) is applied to the external force response member 1, the external force response member 1 is deformed along with the deformation of the main reinforcing bar 206, and the first polarization surface 11 a of the belt-like external force response member 1. Tensile stress or compressive stress is applied in a direction substantially parallel to the second polarization surface 11b, and electrical polarization is generated. The first polarization surface 11a is positively charged and the second polarization surface 11b is negatively charged. It is charged and a voltage is generated between the first polarization surface 11a and the second polarization surface 11b. Accordingly, a current (not shown; hereinafter referred to as “external force detection current”, unit: ampere) flows through the first conductor member 22a and the second conductor member 22b.
[0053]
This external force detection current reaches the charge detection unit 41 through the first conductor member 22a and the second conductor member 22b, and is input to the ammeter 53 from the changeover switch 56 and detected. When such an external force detection current is detected, the ammeter 53 outputs the detected current value as an analog electric signal to the amplifier 42 via the output line L5. This analog electric signal is amplified by the amplifier 42. The current signal amplified by the amplifier 42 is converted from an analog quantity into a digital quantity by the A / D converter 43 and sent to the CPU 45 via the input / output interface 44a.
[0054]
When the CPU 45 detects the external force detection current signal from the ammeter 53, the CPU 45 sets the value of the electric signal to a preset excessive external force generation determination value i. R1 Compare with As a result, the value of the electric signal from the ammeter 53 is an excessive external force generation discriminating value i. R1 If it exceeds the upper limit, the CPU 45 determines that “an excessive external force has acted on the main reinforcing bar 206 at the location of the external force response member 1 that generated the current”.
[0055]
FIG. 6 is a graph illustrating the operation in the residual deformation measuring unit 4. As shown in FIG. 6, in this example, at time t1, the output of the ammeter 53 is an excessive external force generation determination value i. R1 At this point, the CPU 45 determines that “an excessive external force has acted on the main reinforcing bar 206 at the location of the external force response member 1 that generated the current”. In this case, the ammeter 53 corresponds to the external force detection means in the claims. In addition, an excessive external force generation determination value i which is a current value R1 The value of the external force corresponding to 1 corresponds to the first external force value in the claims.
[0056]
After determining the occurrence of excessive external force, the CPU 45 outputs a switch-off control signal to the changeover switch 56 through the control line L3. As a result, the changeover switch 56 is opened, and the external force response member 1 and the ammeter 53 are electrically disconnected.
[0057]
At the same time, the CPU 45 starts the above-described timer and starts measuring elapsed time. Then, when the time τ elapses from the time t1 and becomes the time t2 (see FIG. 6), the CPU 45 determines that the time τ has elapsed from the time t1 by the output of the set time elapse from the timer. As the value of τ, for example, a value (arbitrary value) such as 5 minutes and 10 minutes after time t1 is used. In this case, the set elapsed time τ corresponds to the first time in the claims. Since the elapsed time τ is the time until the measurement of the charge remaining on the external force response member 1 is started, at the time of residual charge measurement, an excessive external force such as an earthquake acts on the external force response member 1, The addition of this external force needs to end. Therefore, the value of τ is preferably about 3 minutes or more.
[0058]
At time t2 when the set time τ has elapsed, the CPU 45 outputs a switch-on control signal to the changeover switch 54 through the control line L1. As a result, the changeover switch 54 is closed, and the external force response member 1 and the capacitor 51 are electrically connected. As a result, the charge (residual charge) remaining in the external force response member 1 at this time (time t2 after the time τ has elapsed since the start of the action of the excessive external force on the main reinforcing bar 206) becomes a current and becomes the capacitor 51. The charge equal to the residual charge in the external force response member 1 is stored in the capacitor.
[0059]
When a predetermined second time (for example, an arbitrary value such as 5 seconds, 10 seconds, 30 seconds, etc.) elapses after the change-over switch 54 is turned on at the time t2, the second time has passed. In this case, the CPU 45 detects the same action as a timer (not shown), and the CPU 45 outputs a switch-on control signal to the changeover switch 55 through the control line L2. As a result, the changeover switch 55 is closed, and the capacitor 51 and the voltmeter 52 are electrically connected.
[0060]
In this way, the voltage V between one electrode and the other electrode of the capacitor 51 (voltage between both electrodes of the capacitor 51. Unit: volts) is measured. In this case, the voltage V corresponds to the first voltage value in the claims. The capacitor 51 and the voltmeter 52 constitute charge measuring means in the claims. The changeover switches 54 and 55 correspond to the switch means in the claims.
[0061]
The voltmeter 52 outputs the detected voltage value as an analog electric signal to the amplifier 42 via the output line L4. This analog electric signal is amplified by the amplifier 42. The voltage signal amplified by the amplifier 42 is converted from an analog quantity to a digital quantity by the A / D converter 43 and sent to the CPU 45 via the input / output interface 44a.
[0062]
When detecting the current signal from the voltmeter 52, the CPU 45 calculates the amount of charge stored in the capacitor 51 based on the value of this electrical signal. The capacitance value of the capacitor 51 (hereinafter referred to as “first capacitance value”) C (unit: farad) is a known value and is stored in the ROM 46 in advance. The CPU 45 reads the value of C from the ROM 46 and calculates the following expression (hereinafter referred to as “first expression”) from the first voltage value V.
Q = C × V (1)
Thus, the value Q (unit: coulomb) of the electric charge stored in the capacitor 51 is calculated. This charge value Q is equal to the amount of residual charge remaining in the external force response member 1 at time t2.
[0063]
The inventors of the present application indicate that the amount Q of the residual charge measured as described above is a residual deformation (or residual strain) of the main reinforcing bar 206 that is a structural member to which the external force response member 1 is attached. I found that there was a close relationship with the value. This relationship may be a linear relationship such as a direct proportional relationship or a non-linear relationship depending on conditions. In general, when the residual charge value is Q, the residual deformation amount δ is expressed by the following equation (hereinafter referred to as “second equation”).
δ = f (Q) (2)
Is represented by
[0064]
Since the function f (Q) is different depending on the structure and the structural member, it is necessary to grasp in advance by a prior experiment or the like. In the present embodiment, the formula of the function f or the numerical calculation formula is stored in the ROM 46 in advance. Based on the function f, the CPU 45 calculates a residual deformation value δ estimated to remain in the main reinforcing bar 206, which is a structural member, from the residual charge amount Q by the above-described second equation.
[0065]
As described above, the estimated residual deformation value of the main reinforcing bar 206 calculated by the CPU 45 is sent to the transmitter 49 via the input / output interface 44b. The transmitter 49 converts the digital electric signal as it is or converts it into another signal form (for example, an optical signal) and transmits it to the structure management unit 6 through the communication cable 5. As the communication cable 5, a conducting wire that conducts current, an optical fiber, or the like is used.
[0066]
The structure management unit 6 has a configuration as shown in FIG. In other words, the structure management unit 6 is a facility that centrally manages structures related to railway tracks in a certain railway line section (for example, “Yamanote Line”, “Saikyo Line”, etc.). The structure state display board 62 and the storage / output device 63 are provided.
[0067]
The central computer 61 is connected to each structure of the line section, for example, communication cables 5a to 5d from the residual deformation measuring section of each viaduct pile, and data from the structure is concentrated. ing. As shown in FIG. 1B, the structure state display board 62 includes a display panel unit 62a and a console 62b. The entire display section 62a is displayed on the display panel unit 62a, and a structure such as a pile is represented by a lamp or the like. With such a configuration, the portion where the residual deformation has occurred is in a state where an operator (structure manager) can visually recognize, for example, a lamp is lit or flashing, as shown by 62c in FIG. Become. The storage / output device 63 is a device that stores the value of residual deformation, its history, etc. in a recording medium, or performs printing or the like.
[0068]
According to the structure residual deformation measuring system 101 of the above-described embodiment, there are the following advantages.
[0069]
a) When a large external force (for example, seismic motion) is applied to a railway structure or the like and a residual deformation occurs in a structural member (for example, a reinforcing bar), the value of the expected residual deformation in the structural member inside the structure is calculated. It can be measured easily and in real time. For this reason, it is possible to easily estimate the position or the like of the location where the residual deformation of the structural member is generated and damaged.
[0070]
b) Since it is built inside the ground like an underground structure such as a pile, it can be measured without any trouble even in a residual deformation of a portion that cannot be seen as it is.
[0071]
c) It is possible to centrally monitor the presence or absence of residual deformation inside each structure in a facility that extends over a long line like a railroad or a road.
[0072]
In the above-described embodiment, the structure residual deformation measuring system 101 corresponds to the structure residual deformation measuring apparatus in the claims. Moreover, the cast-in-place concrete pile 203 is equivalent to the structure in a claim, and the main reinforcement 206 is equivalent to the structural member in a claim. Further, the CPU 45, the ROM 46, and the RAM 47 constitute a control calculation means in the claims.
[0073]
The present invention is not limited to the embodiment described above. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0074]
For example, in the above-described embodiment, the main reinforcing bar 206 inside the concrete structure (for example, the cast-in-place concrete piles 203 and 204) is taken as an example of the structural member to which the external force response member (for example, the external force response member 1) is attached. Although described above, the present invention is not limited to this example, and may be a structural member having another configuration, for example, another reinforcing bar (hoop reinforcing bar, distribution reinforcing bar, etc.), or a reinforcing bar of a concrete structure. Any rebar may be used. Further, the structural member to which the external force response member is affixed may be a substantially columnar or substantially cylindrical steel member disposed inside the concrete structure.
[0075]
Moreover, the structure which is the object for measuring the external force is not limited to the cast-in-place concrete pile, but may be another foundation structure such as a ready-made concrete pile, a footing, a caisson foundation, or the like. Or structures other than a foundation structure and structures other than a concrete structure may be sufficient.
[0076]
Further, by appropriately adjusting the arrangement direction of the structural member (for example, the main reinforcing bar 206) on which the external force response member (for example, the external force response member 1) is installed (for example, the direction of the axis of the external force response member 1), It is also possible to detect deformation, residual deformation in the bending direction, residual deformation in the shearing direction, and residual deformation in the torsional direction.
[0077]
Moreover, the external force response member (for example, the external force response member 1) may be covered with a covering member made of a flexible insulator. By comprising in this way, damage to an external force response member can be prevented. Examples of the flexible insulator include plastics materials and rubber materials. Examples of the plastics material include composite materials using plastics such as FRP (Fiber Reinforced Plastics) in addition to so-called synthetic resin materials. The rubber material includes natural rubber and artificial rubber, as well as composite materials using rubber.
[0078]
Moreover, the arrangement position and arrangement state of the external force response member (for example, the external force response member 1) are substantially the same as those in the first embodiment described above, that is, the external force response member is substantially along the longitudinal direction of the main reinforcing bar 206 which is a structural member. It is not limited to the example of being attached in a straight line, but may be attached so as to be wound in a substantially spiral shape around another arrangement position or arrangement state, for example, around the longitudinal center line of the structural member.
[0079]
Further, as in the above-described embodiment, the centralized management structure management unit 6 may not be provided, and a distributed configuration may be used. That is, although not shown, the residual deformation measuring unit 4 is not provided with a transmitter 49, and a battery (a known long-life battery such as a mercury battery) is individually used as a power source for each residual deformation measuring unit 4. In use, after an excessive external force action such as an earthquake, the person in charge of structure inspection may circulate the residual deformation measuring unit 4 at the corresponding location and collect the residual deformation history data directly from the RAM 47 or the like. In this case, it is necessary to employ a RAM 47 that can hold data for a long time. Alternatively, a “nonvolatile memory” that does not volatilize data even when the power supply is cut off may be adopted as the RAM 47.
[0080]
Further, the third circuit described above, that is, the series circuit having the ammeter 53 and the changeover switch 56 may not be provided. In this case, the external force is detected by the second circuit (a series circuit having a voltmeter 52 and a changeover switch 55). In the following, an excessive external force detection method and a residual charge measurement method in this case will be described.
[0081]
In this case, the third circuit (the ammeter 53 and the changeover switch 56) is not connected in FIG.
[0082]
First, in an excessive external force non-detection state, the CPU 45 outputs a switch-on control signal to the changeover switch 55 through the control line L2. As a result, the changeover switch 55 is closed, and the voltmeter 52 and the external force response member 1 are electrically connected.
[0083]
In an excessive external force non-detection state, the CPU 45 outputs a switch-off control signal to the changeover switch 54 through the control line L1. As a result, the changeover switch 54 is opened, and the capacitor 51 and the external force response member 1 are electrically disconnected.
[0084]
In this state, when an external force (for example, seismic force) is applied to the external force response member 1, the external force response member 1 is deformed along with the deformation of the main reinforcing bar 206, and the first polarization surface 11 a of the belt-like external force response member 1. Tensile stress or compressive stress is applied in a direction substantially parallel to the second polarization surface 11b, and electrical polarization is generated. The first polarization surface 11a is positively charged and the second polarization surface 11b is negatively charged. It is charged and a voltage (not shown; hereinafter referred to as “external force detection voltage”, unit: volt) is generated between the first polarization surface 11a and the second polarization surface 11b.
[0085]
This external force detection voltage reaches the voltmeter 52 through the first conductor member 22a, the second conductor member 22b, and the changeover switch 55 and is detected. When such an external force detection voltage is detected, the voltmeter 52 outputs the detected voltage value as an analog electric signal to the amplifier 42 through the output line L4. This analog electric signal is amplified by the amplifier 42. The current signal amplified by the amplifier 42 is converted from an analog quantity into a digital quantity by the A / D converter 43 and sent to the CPU 45 via the input / output interface 44a.
[0086]
When the CPU 45 detects the signal of the external force detection voltage from the voltmeter 52, the CPU 45 converts the value of this electric signal into a preset excessive external force generation determination value i. R2 Compare with As a result, the value of the electric signal from the voltmeter 52 is the excessive external force generation determination value i. R2 If it exceeds the upper limit, the CPU 45 determines that “an excessive external force has acted on the main reinforcing bar 206 at the location of the external force response member 1 that generated the voltage”.
[0087]
The ammeter output in FIG. 6 is read as the voltmeter output, and the value i R1 I R2 The operation of the residual deformation measuring unit 4 in this case can be explained by rereading as follows. That is, at the time t1, the output of the voltmeter 52 is an excessive external force generation determination value i. R2 At this time, the CPU 45 determines that “an excessive external force has acted on the main reinforcing bar 206 at the location of the external force response member 1 that has generated the voltage”. In this case, the voltmeter 52 corresponds to the external force detection means in the claims. Also, the excessive external force occurrence determination value i which is a voltage value R2 The value of the external force corresponding to 1 corresponds to the first external force value in the claims.
[0088]
After the determination of the occurrence of excessive external force, the CPU 45 outputs a switch-off control signal to the changeover switch 55 through the control line L2. As a result, the changeover switch 55 is opened, and the external force response member 1 and the voltmeter 52 are electrically disconnected.
[0089]
At the same time, the CPU 45 starts the above-described timer and starts measuring elapsed time. Then, when the time τ elapses from the time t1 and becomes the time t2 (see FIG. 6), the CPU 45 determines that the time τ has elapsed from the time t1 by the output of the set time elapse from the timer. As the value of τ, for example, a value (arbitrary value) such as 5 minutes and 10 minutes after time t1 is used. In this case, the set elapsed time τ corresponds to the first time in the claims. The elapsed time τ is preferably about 3 minutes or more, as in the above example.
[0090]
At time t2 when the set time τ has elapsed, the CPU 45 outputs a switch-on control signal to the changeover switch 54 through the control line L1. As a result, the changeover switch 54 is closed, and the external force response member 1 and the capacitor 51 are electrically connected. As a result, the charge (residual charge) remaining in the external force response member 1 at this time (time t2 after the time τ has elapsed since the start of the action of the excessive external force on the main reinforcing bar 206) becomes a current and becomes the capacitor 51. The charge equal to the residual charge in the external force response member 1 is stored in the capacitor.
[0091]
When a predetermined second time (for example, an arbitrary value such as 5 seconds, 10 seconds, 30 seconds, etc.) elapses after the change-over switch 54 is turned on at the time t2, the second time has passed. In this case, the CPU 45 detects the same action as a timer (not shown), and the CPU 45 outputs a switch-on control signal to the changeover switch 55 through the control line L2. As a result, the changeover switch 55 is closed, and the capacitor 51 and the voltmeter 52 are electrically connected.
[0092]
In this way, the voltage V between one electrode and the other electrode of the capacitor 51 (voltage between both electrodes of the capacitor 51. Unit: volts) is measured. In this case, the voltage V corresponds to the first voltage value in the claims. The capacitor 51 and the voltmeter 52 constitute charge measuring means in the claims. The changeover switches 54 and 55 correspond to the switch means in the claims.
[0093]
The voltmeter 52 outputs the detected voltage value as an analog electric signal to the amplifier 42 via the output line L4. This analog electric signal is amplified by the amplifier 42. The voltage signal amplified by the amplifier 42 is converted from an analog quantity to a digital quantity by the A / D converter 43 and sent to the CPU 45 via the input / output interface 44a.
[0094]
When detecting the voltage signal from the voltmeter 52, the CPU 45 calculates the amount of charge stored in the capacitor 51 based on the value of this electric signal. The first capacitance value C (unit: farad) that is the capacitance value of the capacitor 51 is a known value, and is stored in the ROM 46 in advance. The CPU 45 reads the value of C from the ROM 46 and calculates the value Q (unit: coulomb) of the electric charge stored in the capacitor 51 from the first voltage value V according to the above-described first equation (1). This charge value Q is equal to the amount of residual charge remaining in the external force response member 1 at time t2.
[0095]
Further, the CPU 45 calculates a residual deformation value δ estimated to remain in the main reinforcing bar 206 as a structural member from the residual charge amount Q based on the above-described second formula (2) stored in the ROM 46.
[0096]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the deformation occurs, the polarization surface as a surface is electrically polarized, a positive charge is generated on one polarization surface, and a negative charge is generated on the other polarization surface. An external force response member arranged to be affixed to the outer surface of a substantially columnar or substantially cylindrical structural member of the structure, and one end of the external force response member that is electrically connected to one polarization surface of the external force response member. First conductor member connected electrically, a second conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the other polarization surface of the external force response member, and the first conductor member or the second conductor member Switch means for opening and closing a circuit, and a charge attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member, and measuring a charge between the other end of the first conductor member and the second conductor member Measuring means, timing means for measuring time, and control Since the calculation means is provided, when the control calculation means detects that an excessive external force exceeding the predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure, the time measurement means measures the time. When the first time after the detection of the excessive external force is detected from the output of the time measuring means, the switch means is controlled to be closed to electrically connect the external force response member and the charge measuring means. There is an advantage that the residual deformation at the residual deformation measurement location of the structure can be calculated based on the measurement value of the residual charge which is the charge detected by the measuring means.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a structure residual deformation measuring system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an installation state of an external force response member in the structure residual deformation measurement system shown in FIG. 1;
3 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of an external force response member in the structure residual deformation measuring system shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
4 is a block diagram showing a more detailed configuration of a residual deformation measuring unit in the structure residual deformation measuring system shown in FIG. 1; FIG.
5 is a block diagram showing a more detailed configuration of a charge detection unit in the residual deformation measurement unit shown in FIG. 4. FIG.
6 is a graph illustrating the operation of the residual deformation measuring unit shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 External force response member
2 connecting members
4 Residual deformation measuring unit
5-5d communication cable
6 Structure Management Department
11a First polarization surface
11b Second polarization surface
15 Fixing member
16 Joining members
21 Protection member
22 Lead wire
22a First conductor member
22a1 Conductor connection
22b Second conductor member
22b1 Conductor connection
22c Insulating member
40 body
41 Charge detector
42 Amplifier
43 A / D Converter
44a, 44b I / O interface
45 CPU
46 ROM
47 RAM
49 Transmitter
51 capacitors
52 Voltmeter
53 Ammeter
54-56 selector switch
61 Central computer
62 Structure status display board
62a Display panel section
62b console
62c Residual deformation occurrence location
63 Memory and output devices
101 Structure residual deformation measurement system
200 Viaduct
201 pillars
202 Footing
203, 204 Cast-in-place concrete piles
205 Reinforcement basket
206 Main reinforcement
300 Railroad tracks
G ground
L1-L3 control line
L4, L5 output line

Claims (7)

変形を生じると表面である分極面が電気的に分極し一方の分極面に正電荷が発生するとともに他方の分極面に負電荷が発生する圧電材料からなり構造物の略円柱状又は略円筒状の構造部材の外面に貼付されるように配置される外力応答部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の一方の分極面となる側に電気的に接続された第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の他方の分極面となる側に電気的に接続された第２導体部材と、
前記第１導体部材又は前記第２導体部材に取り付けられ回路を開閉するスイッチ手段と、
前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の他端に取り付けられるとともに、前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の間の電荷を計測する電荷測定手段と、
時間を計測する計時手段と、
制御演算手段を備え、
前記制御演算手段は、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたことを検知した場合には、前記計時手段に時間の計測を開始させ、前記計時手段の出力から前記過大外力の検知後第１時間の経過を検出した場合には、前記スイッチ手段を閉じるように制御して前記外力応答部材と前記電荷測定手段とを電気的に導通させ、前記電荷計測手段が検出した電荷である残留電荷の計測値に基づいて、前記構造物の残留変形計測箇所における残留変形を演算することを特徴とする構造物残留変形計測装置。When deformation occurs, the surface polarization plane is electrically polarized and positive charge is generated on one polarization plane and negative charge is generated on the other polarization plane. An external force responsive member arranged to be affixed to the outer surface of the structural member;
A first conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the side that becomes one polarization surface of the external force response member;
A second conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the other polarization surface of the external force response member;
Switch means attached to the first conductor member or the second conductor member for opening and closing a circuit;
Charge measuring means attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member, and measuring a charge between the other end of the first conductor member and the second conductor member;
A time measuring means for measuring time;
Equipped with control calculation means,
When the control calculating means detects that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure, the control calculating means causes the time measuring means to start measuring time, When it is detected from the output that the first time has elapsed after the detection of the excessive external force, the switch means is controlled to be closed to electrically connect the external force response member and the charge measuring means, thereby measuring the charge. A residual deformation measuring apparatus for a structure, which calculates a residual deformation at a residual deformation measurement location of the structure based on a measurement value of a residual charge that is a charge detected by the means. 請求項１記載の構造物残留変形計測装置において、
前記制御演算手段は、第１静電容量値Ｃファラッドを有するコンデンサと、前記コンデンサの一方の電極と他方の電極の間の電圧を計測する電圧計と、前記電圧計の計測値に基づいて前記電荷を演算する電荷演算手段を有し、前記電荷演算手段は、前記第１時間の期間に前記外力応答部材から前記コンデンサに流入した電荷によって前記コンデンサの両極間に生じた第１電圧値Ｖボルトから、第１式Ｑ＝Ｃ×Ｖにより前記残留電荷値Ｑクーロンを算出することを特徴とする構造物残留変形計測装置。In the structure residual deformation measuring device according to claim 1,
The control calculation means includes a capacitor having a first capacitance value C farad, a voltmeter for measuring a voltage between one electrode and the other electrode of the capacitor, and based on a measured value of the voltmeter. Charge calculating means for calculating charge, wherein the charge calculating means has a first voltage value V volt generated between the two poles of the capacitor by the charge flowing into the capacitor from the external force response member during the first time period. Then, the residual charge value Q coulomb is calculated by the first equation Q = C × V. 請求項２記載の構造物残留変形計測装置において、
前記制御演算手段は、前記外力応答部材における前記残留電荷の値Ｑと、前記外力応答部材における残留変形の値δの関数関係式である第２式δ＝ｆ（Ｑ）に基づき、前記算出された残留電荷値を前記第２式の右辺に代入することにより、前記外力応答部材における残留変形の値を演算することを特徴とする構造物残留変形計測装置。In the structure residual deformation measuring device according to claim 2,
The control calculation means is calculated based on a second equation δ = f (Q), which is a functional relational expression between the residual charge value Q in the external force response member and the residual deformation value δ in the external force response member. Substituting the residual charge value into the right side of the second equation to calculate the residual deformation value in the external force response member. 請求項１記載の構造物残留変形計測装置において、
前記構造物の構造部材に外力が付加されたことを検知する外力検知手段をさらに備え、
前記制御演算手段は、前記外力の値が、設定された過大外力発生判別値を越えた場合には、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたと判別することを特徴とする構造物残留変形計測装置。In the structure residual deformation measuring device according to claim 1,
An external force detecting means for detecting that an external force is applied to the structural member of the structure;
The control calculating means determines that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure when the value of the external force exceeds a set excessive external force generation determination value. A structure residual deformation measuring apparatus characterized by the above. 請求項４記載の構造物残留変形計測装置において、
前記外力検知手段は、電流計を有することを特徴とする構造物残留変形計測装置。In the structure residual deformation measuring device according to claim 4,
The structural residual deformation measuring device, wherein the external force detecting means includes an ammeter. 請求項４記載の構造物残留変形計測装置において、
前記外力検知手段は、電圧計を有することを特徴とする構造物残留変形計測装置。In the structure residual deformation measuring device according to claim 4,
The external force detecting means includes a voltmeter, and the structure residual deformation measuring device. 変形を生じると表面である分極面が電気的に分極し一方の分極面に正電荷が発生するとともに他方の分極面に負電荷が発生する圧電材料からなり構造物の略円柱状又は略円筒状の構造部材の外面に貼付されるように配置される外力応答部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の一方の分極面となる側に電気的に接続された第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記外力応答部材の他方の分極面となる側に電気的に接続された第２導体部材と、
前記第１導体部材又は前記第２導体部材に取り付けられ回路を開閉するスイッチ手段と、
前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の他端に取り付けられるとともに、前記第１導体部材の他端と前記第２導体部材の間の電荷を計測する電荷測定手段と、
時間を計測する計時手段と、
制御演算手段を用い、
前記制御演算手段により、前記構造物の構造部材に所定の第１外力値を越える過大外力が付加されたことを検知した場合には、前記計時手段に時間の計測を開始させ、前記計時手段の出力から前記過大外力の検知後第１時間の経過を検出した場合には、前記スイッチ手段を閉じるように制御して前記外力応答部材と前記電荷測定手段とを電気的に導通させ、前記電荷計測手段が検出した電荷である残留電荷の計測値に基づいて、前記構造物の残留変形計測箇所における残留変形を演算することを特徴とする構造物残留変形計測方法。When deformation occurs, the surface polarization plane is electrically polarized and positive charge is generated on one polarization plane and negative charge is generated on the other polarization plane. An external force responsive member arranged to be affixed to the outer surface of the structural member;
A first conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the side that becomes one polarization surface of the external force response member;
A second conductor member made of a conductor and having one end electrically connected to the other polarization surface of the external force response member;
Switch means attached to the first conductor member or the second conductor member for opening and closing a circuit;
Charge measuring means attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member, and measuring a charge between the other end of the first conductor member and the second conductor member;
A time measuring means for measuring time;
Using control calculation means,
When it is detected by the control arithmetic means that an excessive external force exceeding a predetermined first external force value is applied to the structural member of the structure, the time measuring means starts measuring time, and the time measuring means When it is detected from the output that the first time has elapsed after the detection of the excessive external force, the switch means is controlled to be closed to electrically connect the external force response member and the charge measuring means, thereby measuring the charge. A residual deformation measurement method for a structure, comprising: calculating a residual deformation at a residual deformation measurement location of the structure based on a measurement value of a residual charge that is a charge detected by the means.
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CN103645061A (en) * 2013-11-28 2014-03-19 长安大学 Lattice anchoring technology large-scale physical model test method
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