JP2005090619A - ヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー及び構造物のヘルスモニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、振動エネルギー吸収装置としての機能弾塑性ダンパーの外力作用時の塑性変化を利用し、構造物のヘルスモニタリングを行い、構造物の安全性、居住性の改善には寄与するヘルスモニタリング装置を提供する。
【解決手段】本発明のヘルスモニタリング装置は、構造物に設置される弾塑性ダンパーが外力を受けてその構成材料が弾性から塑性に転じ組織変化する前後の各電気抵抗値を、モニタリング手段により検出し、分析することで、当該構造物のヘルスモニタリングを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種構造物に対するヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー及び構造物のヘルスモニタリング装置に関するものである。

各種ビルディング、橋梁等の構造物が、地震、強風等による大きな外力を受けた時に生じる損傷を簡単、且つ、正確には把握し、その構造物の損傷具合を外部から確認できることは非常に有効であり近年重要な技術（ヘルスモニタリング技術）として注目されている。

このような技術として実用化されたものは、従来、（１）光ファイバをセンサとして構造物の内部に予め装着し、構造物が、地震、強風等による大きな外力を受けた後に又は同時に光ファイバの一端から光を入射し、他端でその光出力（干渉縞）を検出して、得られた光出力を分析し当該構造物の損傷の程度を確認するようにする方法、（２）炭素棒等のような導電性部材をセンサとして構造物内の所定の箇所装着し、大きな外力が加わる前後における導電性部材の抵抗値の変化を外部から測定して当該構造物の損傷の程度を確認するようにする方法等が知られている。

このような光ファイバや炭素棒を利用した構造物のヘルスモニタリング技術の最大のポイントは、センサとしての光ファイバや炭素棒は、何時も損傷具合の最大値をホールドしていることである。構造物が受ける外力の大部分は、地震、強風、交通振動等、振動、衝撃荷重であり、このような入力に対して構造物の応答は振動的になり、最終的な揺れ幅は必ずしも最大振幅になるとは限らない。

このため、ある時期の最大変形又は最大応力時の数値を把握できていることが必要であり、このような測定値を解析することにより損傷具合が分かり、更には構造物のヘルス状態を判定する目安となる。

しかし、光ファイバや炭素棒を利用したセンサでは、構造物のヘルスモニタリング機能は発揮し得るものの、後述する弾塑性ダンパーのような振動エネルギー吸収装置としての機能は何等保有していないため、構造物の安全性、居住性の改善には何等寄与しない。

一方、構造物が地震、強風等による大きな外力を受けた時には大きな揺れを伴うが、このような構造物の大きな揺れに対して安全性、居住性を高める手段として振動エネルギー吸収装置である弾塑性ダンパーが構造物の主要な箇所に装着されている。弾塑性ダンパーは、構成材料が弾性から塑性へ変化することを利用して振動エネルギーを吸収するものであり、弾性から塑性へ変化した際に構成材料の組織が変化し又は構成材料の形状が変化する。更に、組織変化、形状変形に伴って構成材料の電気抵抗値も変化する。

特許文献１には、構造物のジョイント部に圧電素子を貼り付け、圧電素子からの信号を処理して構造物の振動モードを解析して当該構造物のヘルスモニタリングを行うヘルスモニタリング装置が開示されている。しかし、この装置の場合も、ヘルスモニタリング機能は発揮し得るものの振動エネルギー吸収装置としての機能は何等保有していない。
特開２００１−９９７６０号公報

解決しようとする問題点は、構造物に取り付けた光ファイバや炭素棒、更には圧電素子を利用したセンサでは、構造物のヘルスモニタリング機能は発揮し得るものの、後述する弾塑性ダンパーのような振動エネルギー吸収装置としての機能は何等保有していないため、構造物の安全性、居住性の改善には何等寄与しない点である。

振動エネルギー吸収装置である弾塑性ダンパーの構成材料が、外力を受けて弾性から塑性へ変化することを利用し、この変化の前後の構成材料の電気抵抗値を各センサ信号として検出、分析して、構造物のヘルスモニタリングを行うことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、構造物に設置される弾塑性ダンパーの構成材料が、外力を受けて弾性から塑性へ変化する前後の電気抵抗値をヘルスモニタリング用の各センサ信号とすることで、ヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパーを提供することができる。
また、本発明によれば、上記弾塑性ダンパーを利用し、弾性から塑性への変化の前後の構成材料の電気抵抗値を各センサ信号としてモニタリング手段にて検出、分析することで、構造物のヘルスモニタリングを簡略に行うことが可能な構造物のヘルスモニタリング装置を提供することができる。

構造物に設置される振動エネルギー吸収装置としての弾塑性ダンパーを利用し、当該構造物のヘルスモニタリングを行うという目的を、構造物に設置される弾塑性ダンパーが外力を受けてその構成材料が弾性から塑性に転じ組織変化する前後の各電気抵抗値を、モニタリング手段により検出し、分析することで、当該構造物のヘルスモニタリングを実行することで実現した。

以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本実施例に係る例えばビルディング等の構造物２０の例えば梁２１と柱２２との間に配置されるヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー１及び該弾塑性ダンパー１が外力を受けてその低降伏点鋼等のよあな導電性金属材料等からなる構成材料２が弾性から塑性に転じ組織変化する前後の各電気抵抗値を検出し、分析するヘルスモニタリング装置１０を示すものである。弾塑性ダンパー１は構成材料２の上端、下端に各々フランジ３を備えている。

前記弾塑性ダンパー１は、構造物２０が地震振動等の一定以上の外力（降伏点を越える外力）を受けた場合に、この弾塑性ダンパー１の構成材料２が弾性から塑性に転じて組織変化し、又は初期状態から変形することを利用し、その前後の各電気抵抗値信号をヘルスモニタリング用のセンサ信号として利用するヘルスモニタリングセンサ機能を具備している。

構成材料２の弾性から塑性への転換は、地震振動等の外力による圧縮変形、曲げ変形、引っ張り変形、剪断変形、捩り変形のいずれか又はこれらの２以上の複合変形により生じるものであるが、図１に示す例では主に圧縮変形を受ける弾塑性ダンパー１を示している。

前記ヘルスモニタリング装置１０は、弾塑性ダンパー１の構成材料２に接触させる一対の検出端子１１ａ、１１ｂと、この一対の検出端子１１ａ、１１ｂにケーブル１３を介して接続され、前記構成材料２の組織変化前後の電気抵抗値信号をセンサ信号として検出し、外力を受けた構造物２０の損傷状態等を分析し出力する分析処理手段１２とを有している。

前記分析処理手段１２の具体的構成としては、例えば、前記センサ信号を増幅する増幅器１４、増幅されたセンサー信号を基に構成材料２の組織変化前後の電気抵抗値の算出、各電気抵抗値の比較、比較結果による構造物の損傷具合の判定等の各種信号処理を行うＣＰＵを含む信号処理部１５、信号処理部１５の処理データ（前記構成材料２の組織変化前後の電気抵抗値データ）を記憶する記憶部１６、信号処理部１５の処理データを表示する表示部１７、信号処理部１５の処理データを印刷出力するプリンタ１８を具備する構成とする。

本実施例に係る弾塑性ダンパー１及びこの弾塑性ダンパー１を利用するヘルスモニタリング装置１０において、前記構造物２０の梁２１と柱２２との間に配置される弾塑性ダンパー１の構成材料２は、地震振動等の一定以上の外力Ｆの作用により降伏し組織変化が生じる。又は構成材料２は外力Ｆに応じて初期状態から変形する。

この場合に、ヘルスモニタリング装置１０により地震振動等が作用する以前の弾塑性ダンパー１の構成材料２の電気抵抗値を一対の検出端子１１ａ、１１ｂを使用して予め測定し、前記記憶部１６に記憶しておく。また、構成材料２が地震振動等による外力Ｆの作用で降伏し組織変化が生じた後の弾塑性ダンパー１の構成材料２の電気抵抗値を一対の検出端子１１ａ、１１ｂを使用し、分析処理手段１２にて測定し前記記憶部１６に記憶する。更に信号処理部１５により構成材料２の組織変化前後（又は構成材料２の初期状態から変形の前後）各電気抵抗値の比較、比較結果による構造物の損傷具合の判定を行い、処理データを表示部１７に表示し、またプリンタ１８にて処理データを印刷出力する。

このようにして、本実施例に係る弾塑性ダンパー１及びこの弾塑性ダンパー１を利用するヘルスモニタリング装置１０によれば、弾塑性ダンパー１の構成材料２が地震振動等による外力Ｆの作用で降伏し組織変化が生じた場合に、組織変化前後の各電気抵抗値の比較、判定により当該構造物２０の損傷具合を簡略に把握することが可能となる。

図２乃至図５は、本実施例が適用可能な各種の弾塑性ダンパー１Ａ乃至１Ｄを示すものである。

図２に示す弾塑性ダンパー１Ａは、梁３１と吊下構造物３２との間に設置され、引張り力が作用する構造のもの、図３に示す弾塑性ダンパー１Ｂは、基礎３３とこの基礎３３の上方に支持される床３４との間に設置される曲げ力が作用するする構造のもの、図４に示す弾塑性ダンパー１Ｃは、下部構造物３５、上部構造物３６との間に設置される剪断力が作用する構造のもの、図５に示す弾塑性ダンパー１Ｄは、交差する部材３７、３８間に設置される捩り力が作用する構造のものである。

これら弾塑性ダンパー１Ａ乃至１Ｄの場合も、各々既述した弾塑性ダンパー１の場合と同様ヘルスモニタリングセンサ機能を発揮し、また、ヘルスモニタリング装置１０を使用して、地震振動等による外力の作用で構成材料が降伏し組織変化が生じた場合（又は構成材料が初期状態から変形した場合）に、組織変化前後、変形の前後の各電気抵抗値の比較、判定することにより、構造物の損傷具合を簡略に把握することが可能となる。

本発明は、橋梁、ダム、トンネル等の土木構造物、中低層ビルディング、超高層ビルディング、マンション等の構造物、神社仏閣、家屋等の各種木造建物のヘルスモニタリングに幅広く適用できる。

本実施例に係るヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー及びヘルスモニタリング装置を示す概略構成図である。 本実施例に係るヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパーの他の設置例を示す概略断面図である。 本実施例に係るヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパーの更に他の設置例を示す概略断面図である。 本実施例に係るヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパーの別の設置例を示す概略断面図である。 本実施例に係るヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパーの更に別の設置例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１ 弾塑性ダンパー
１Ａ乃至１Ｄ 弾塑性ダンパー
３ フランジ
１０ ヘルスモニタリング装置
１１ａ、１１ｂ 検出端子
１２ 分析処理手段
１３ ケーブル
１４ 増幅器
１５ 信号処理部
１６ 記憶部
１７ 表示部
１８ プリンタ
２１ 梁
２２ 柱
３１ 梁
３２ 吊下構造物
３３ 基礎
３４ 床
３５ 下部構造物
３６ 上部構造物
３７、３８ 部材

Claims (5)

1. 構造物に設置され、外力を受けて構成材料が弾性から塑性に変化することで外力エネルギーを吸収する弾塑性ダンパーであって、
   外力を受けて前記構成材料が弾性から塑性に転じ組織変化する前後の各電気抵抗値をヘルスモニタリング用のセンサ信号として利用することを特徴とするヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー。
2. 前記構成材料の弾性から塑性への転換は、
   外力を受ける構成材料の曲げ変形、圧縮変形、引っ張り変形、剪断変形、捩り変形のいずれか又はこれらの２以上の複合変形によるものである請求項１記載のヘルスモニタリングセンサ機能を持った弾塑性ダンパー。
3. 構造物に設置され、外力を受けて構成材料が弾性から塑性に変化することで外力エネルギーを吸収する弾塑性ダンパーと、
   該弾塑性ダンパーが外力を受けて構成材料が弾性から塑性に転じ組織変化する前後の各電気抵抗値を検出し、分析するモニタリング手段と、
   を有することを特徴とする構造物のヘルスモニタリング装置。
4. 前記構成材料の弾性から塑性への転換は、
   外力を受ける構成材料の曲げ変形、圧縮変形、引っ張り変形、剪断変形、捩り変形のいずれか又はこれらの２以上の複合変形によるものである請求項３記載の構造物のヘルスモニタリング装置。
5. 前記モニタリング手段は、
   弾塑性ダンパーの構成材料に接触させる一対の検出端子と、この一対の検出端子を介して前記構成材料の組織変化前後の電気抵抗値を検出し、外力を受けた構造物の状態を分析出力する分析処理手段とを有することを特徴とする請求項３又は４記載の構造物のヘルスモニタリング装置。

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