JP2016061602A - 構造物の変形測定装置およびその変形測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既設の道路橋や鋼製橋梁などの構造物に対して、汎用的に構造物の変形測定に適するマーカーを設けることができる構造物の変形測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象となる構造物２０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射するエネルギー線照射装置１０と、構造物２０の前記エネルギー線の照射面を撮像する装置３０と、撮像装置３０の撮像信号を入力して、エネルギー線の照射によって構造物２０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定する手段４０と、撮像装置３０の撮像信号を入力して、照射部位同定手段４０の同定した構造物２０の照射部位の変位量を演算する手段５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば橋梁、ビルディングなどの構造物の変形や損傷を計測するような用途において、当該構造物に荷重や負荷が作用した時の変形を測定するのに用いて好適な構造物の変形測定装置およびその変形測定方法に関する。

橋梁などは車の通行時の前後、ビルディングなどは強風時と無風時など、荷重や負荷が作用した時と無負荷の時を比較すれば、構造物の変形測定が行える。この場合、変位を測定している場所を特定するために、目印となる何らかのマーカーが必要である。窓枠やタイルなど構造物にもともとついている部品やよごれなど後から付着したものをマーカーとしても良いが、マーカーとなる物がもともと無い場合は構造物に格子やランダムパターンなどのマーカーを描く必要がある。大型の既設構造物に対して塗料などでマーカーを描く場合には、大変な労力と費用を要する。

このような構造物の非接触測定方法として、各種の手法が提案されている。例えば、特許文献１では、パターンを投影機にて測定対象の構造物に投影することで、三次元的に変形量を測定しており、二次元パターンを有する試料に対してパターンを投影することが示されている。しかし、全空間テーブル化手法を用いているため、演算負荷が大きくなり、コンピュータによるソフトウェア計算では計算負荷が大きくなりすぎて、実時間での測定が困難になるという課題がある。

特許文献２では、不可視光であるレーザーを照射し、そのレーザーが照射された同一の場所に小さいエネルギーのレーザーを再度照射し、蛍光などによりレーザーが照射されている時にパターンが可視化できるようにした装置が提案されている。しかしながら、橋梁やビルディングでは人間が存在している可能性があるため、人体を損傷する可能性が少ないクラス１（例えばＪＩＳ Ｃ６０８２参照）程度の弱いレーザー光が安全に使用される。
特許文献３では、レーザー光を物体に照射して物体の変形量を計測する装置が提案されている。しかしながら、レーザー光が照射される物体にはあらかじめパターンを作製しておく必要があり、大型の既設構造物に対しては汎用性を欠くという課題がある。

特許文献４では、レーザー光を反射板に当て、反射してきたレーザー光についてレーザー距離計を用いて測定する装置が提案されている。しかしながら、基本的には三角測量の原理を用いて、橋梁構造物のたわみ変形を測定するものであり、精度を高めるには測定精度の高いレーザー距離計を用いる必要があり、設備価格が高価になるという課題がある。
また、特許文献５では、複数のレーザー光を複数の反射板に当て、反射してきたレーザーを複数のレーザー距離計を用いて測定し、反射板と距離計との距離を計測する手法が提案されている。これらの手法では、反射板を測定対象の構造物に設置する作業が必要になり、大型の既設構造物に対しては汎用性を欠くという課題がある。

特開２０１１−２３７８号公報 特開平５−２３８８１号公報 特開２０１２−２２０３４９号公報 国際公開２００６／０１１３８６号 国際公開２００８／１２３５１０号

このため既設の道路橋や鋼製橋梁等の構造物に対して、あらかじめパターンや反射板を設ける必要がなく、汎用的に構造物の変形測定に適するマーカーを設けることができる構造物の変形測定装置およびその変形測定方法が望まれていた。

本発明は上記課題を解決するもので、被測定対象となる構造物の表面に、変形測定に適するマーカーを随時描くことにより変形量を計測する方法において、当該マーカーの随時作製作業が困難である領域にも、簡易かつ迅速にマーカーを描くことができる構造物の変形測定装置およびその変形測定方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の構造物の変形測定装置は、例えば図１に示すように、測定対象となる構造物１０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射するエネルギー線照射装置２０と、構造物１０のエネルギー線の照射面を撮像する装置３０と、撮像装置３０の撮像信号を入力して、エネルギー線の照射によって構造物１０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定する照射部位同定手段４０と、撮像装置３０の撮像信号を入力して、照射部位同定手段４０の同定した構造物１０の照射部位の変位量を演算する手段５０と、を備えることを特徴とする。

本発明の構造物の変形測定装置において、好ましくは、構造物１０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化は、測定対象となる構造物１０の表面の温度や輝度や放射率の変化であるとよい。

本発明の構造物の変形測定装置において、好ましくは、構造物１０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化は、測定対象となる構造物１０の表面に、エネルギー照射により溶隔・溶発・酸化・表面改質により視覚的に観察できるグリッド状又はパターン状の変化であるとよい。

本発明の構造物の変形測定装置において、好ましくは、前記エネルギー線は、レーザー光、紫外線又は赤外線の何れかを含むとよい。
本発明の構造物の変形測定装置において、好ましくは、撮像装置３０は、フィルムカメラ、デジタルカメラ、サーモグラフィーの何れかを含むとよい。

上記目的を達成する本発明の構造物の変形測定方法は、測定対象となる構造物１０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射するステップと、構造物１０のエネルギー線の照射面を撮像するステップと、撮像信号を入力して、エネルギー線の照射によって構造物１０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定するステップと、撮像信号を入力して、前記同定された構造物１０の照射部位の変位量を、演算するステップとを備えることを特徴とする。

本発明の構造物の変形測定装置によれば、従来の谷間の橋などマーカーとなるグリッドの作製が困難であった既設の構造物に対して、マーカーを容易に作製して、容易に積載荷重に対する撓み量を計測することができる。

本発明の構造物の変形測定装置を説明する構成斜視図である。 本発明の一実施形態に係る可視光の写真で、蓄光テープを貼ったアルミニウム板にレーザープロジェクターでレーザーをグリッド状に照射し、照射している時に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る可視光の写真で、蓄光テープを貼ったアルミニウム板にレーザープロジェクターでレーザーをグリッド状に照射し、照射停止後３０秒後に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る可視光の写真で、蓄光テープを貼ったアルミニウム板にレーザープロジェクターでレーザーをグリッド状に照射し、照射停止後１分後に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、発泡プラスチックボードにＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を１０分間照射している時に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、発泡プラスチックボードにＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を１０分間照射し、照射停止後５秒後に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、石膏ボードにＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を１．５分間照射している時に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、石膏ボードにＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を１．５分間照射し、照射停止後３０秒後に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、鉄筋コンクリートの壁にＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を５分間照射している時に撮影した場合を示してある。 本発明の一実施形態に係る赤外線サーモグラフィー写真で、鉄筋コンクリートの壁にＰＣプロジェクターでグリッド状に超高圧水銀ランプ光を５分間照射し、照射停止後２０秒後に撮影した場合を示してある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の構造物の変形測定装置を説明する構成斜視図である。図において、本発明の構造物の変形測定装置は、エネルギー線照射装置２０、撮像装置３０、照射部位同定手段４０、変位量演算手段５０で構成されている。
エネルギー線照射装置２０は、測定対象となる構造物１０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射する。エネルギー線は、例えばレーザー光、紫外線又は赤外線である。エネルギー線照射装置２０は、空気層を介して測定対象となる構造物１０の表面にエネルギー線を照射する為、空気中での減衰量の大きな粒子線や電子線、イオン線は利用しがたい。また、エネルギー線はビームを細く絞る必要性があるため、電子線、音波、Ｘ線は利用しがたい。

エネルギー線照射装置２０での照射量は、測定対象となる構造物１０の表面の温度や輝度の変化を生じさせて、構造物の変形測定の期間中、撮像装置３０で相違を認識できる程度であればよい。エネルギー線照射装置２０での照射量は、測定対象となる構造物１０の表面に、エネルギー照射により溶隔・溶発・酸化・表面改質により視覚的に観察できるグリッド状又はパターン状の変化を生じさせても良い。ただし、この変化量は、測定対象となる構造物１０の表面の損壊を生じさせる程度に至らないのがよい。

ここで、測定対象となる構造物１０は、既設の道路橋や鋼製橋梁等の構造物である。測定対象となる構造物１０は、蓄光樹脂をコーティングしたほとんどの構造材料、例えば鉄骨、コンクリート、モルタル、石膏ボード、発泡石膏ボード、プラスチックボード、金属ボード、金属部品、発泡樹脂ボード、木材、石材、繊維強化プラスチック、粒子強化プラスチックで構成されていてよい。

撮像装置３０は構造物１０のエネルギー線の照射面を撮像するもので、例えば赤外線サーモグラフィー（温度の違いを色の違いとして表わす装置）や通常の可視光を撮影するデジタルカメラやフィルムカメラで撮影してもよい。後者の場合は、高感度カメラ、通常のデジタルカメラ、フィルムカメラでもよい。

照射部位同定手段４０は、撮像装置３０の撮像信号を入力して、エネルギー線の照射によって構造物１０の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定する。照射部位同定手段４０は、例えば画像処理装置を用いることができる。

変位量演算手段５０は、撮像装置３０の撮像信号を入力して、照射部位同定手段４０の同定した構造物１０の照射部位の変位量を演算するもので、例えばコンピュータに演算用ソフトウェアを組み込んで構成する。

このように構成された装置の動作を次に説明する。
まず、エネルギー線照射装置２０を測定対象となる構造物１０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射できる位置に設置する。続いて、エネルギー線照射装置２０で構造物１０の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射する。構造物１０の表面状態の変化が、撮像装置３０の撮像に適する程度に至ったら、撮像装置３０により構造物１０のエネルギー線の照射面を撮像する。

続いて、照射部位同定手段４０に対して、撮像装置３０により撮像された信号を入力して、エネルギー線の照射によって前記構造物の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定する。また、変位量演算手段５０は、撮像装置３０により撮像された信号を入力して、照射部位同定手段４０で同定された構造物１０の照射部位の変位量を演算する。

このように構成された装置を用いて、具体的に測定した例を次に説明する。
［具体例１］
測定対象となる構造物１０の表面として、アルミニウム板を採用した。そして、当該アルミニウム板に蓄光樹脂テープを貼り、エネルギー線照射装置２０としてレーザープロジェクター（ESpuls製, Laser Micro Projector seeser m1（ＲＧＢレーザー：波長４５０ｎｍ、５３２ｎｍ、６５０ｎｍ，最大輝度２５ルーメン））で６０ｃｍの距離より照射し、縦２９ｃｍ、横４０ｃｍの領域にグリッド状にレーザー光を１０分間照射する。明るい部分は一辺が２．２ｃｍの正方形で暗いグリッドの幅は０．８ｃｍである。図２は照射時の写真である。照射を止めた後、３０秒後に撮影した写真が図３である。１分後の写真が図４である。撮影には撮像装置３０としてデジタルカメラ（Canon Power Shot SX50 HS）を用いた。どちらも観察に十分な輝度を持って観察することができる。

［具体例２］
測定対象となる構造物１０の表面として、発泡プラスチックボードを採用した。そして、当該発泡プラスチックボードに、エネルギー線照射装置２０としてのＰＣプロジェクター（EPSON製 ELP-500）を用いて、超高圧水銀ランプ光を照射する。超高圧水銀ランプ光は、出力１２０Ｗ、輝線スペクトルは４０４．７、４３５．８、５４６．１、５７７．０、５７９．１ｎｍである。ここでは、エネルギー線照射装置２０は、当該発泡プラスチックボードに対して、１２０ｃｍの距離で縦４３ｃｍ、横５６．５ｃｍの領域に明るい２．２ｃｍの直交グリッド状に１２．７ｃｍ間隔で当該超高圧水銀ランプ光を７分間照射する。

図５は照射時のプラスチックボードの温度の違いを輝度の違いとした写真である。照射を止めた後、５秒後に撮影した写真が図６である。撮影には撮像装置３０として赤外線サーモカメラ（FLIR CPA-SC660）を用いた。どちらも観察に十分な温度差を持ち色の違いとして観察することができる。

［具体例３］
測定対象となる構造物１０の表面として、石膏ボードを採用した。そして、エネルギー線照射装置２０として前述のＰＣプロジェクターを用いて、当該石膏ボードにグリッド状に超高圧水銀ランプ光を１．５分間照射する。図７は照射時のモルタルボードの温度の違いを輝度の違いとした写真である。照射を辞めた後、３０秒後に撮影した写真が図８である。撮影には撮像装置３０として前述の赤外線サーモカメラを用いた。どちらも観察に十分な温度差を持ち、色の違いとして観察することができる。

［具体例４］
測定対象となる構造物１０の表面として、鉄筋コンクリートの壁を採用した。そして、エネルギー線照射装置２０として前述のＰＣプロジェクターを用いて、当該鉄筋コンクリートの壁に超高圧水銀ランプ光を５分間照射する。図９は照射時のモルタルボードの温度の違いを輝度の違いとした写真である。照射を辞めた後、２０秒後に撮影した写真が図１０である。撮影には撮像装置３０として前述の赤外線サーモカメラを用いた。どちらも観察に十分な温度差を持ち、色の違いとして観察することができる。

なお、測定対象となる構造物１０の表面としては、具体例２〜４に例示したものに加えて、コンクリート、モルタル、石膏ボード、発泡石膏ボード、プラスチックボード、発泡プラスチックボード、繊維強化プラスチック、粒子強化プラスチックおよび樹脂やセラミックスをコーティングしたほとんどの構造材料（鉄骨、コンクリート、モルタル、石膏ボード、発泡石膏ボード、プラスチックボード、金属ボード、金属部品、発泡樹脂ボード、木材、石材）を掲げることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に説明した内容に限定されるものではなく、当業者にとって自明な範囲で適宜の変形実施例も可能であり、これらの変形実施例も本発明の権利範囲に含まれる。
即ち、測定対象となる構造物１０の表面としては、照射されたエネルギー線のエネルギーを温度差、放射率や輝度の差として表わせる材料で構成されていればよい。具体的には、上記の構造材料に加えて、セラミックス、樹脂をコーティングしたかわらでもよい。さらに、エネルギー照射により溶融・溶発・酸化・表面改質によりグリッドかパターンを作製する場合は、全ての構造材料に用いることができる。
また、上記材料をコーティングした金属材料や塗料を塗布した金属材料にも使用できる。

本発明の構造物の変形測定装置およびその変形測定方法によれば、従来の谷間の橋などマーカーとなるグリッドの作製が困難であった既設の構造物に対して、マーカーを容易に作製して、容易に積載荷重に対する撓み量を計測することができ、建設後５０年以上を経過して老朽化した橋梁等の構造物の劣化診断に好適である。

１０ 構造物（測定対象物）
２０ エネルギー線照射装置
３０ 撮像装置
４０ 照射部位同定手段
５０ 変形量演算手段

Claims (6)

1. 測定対象となる構造物の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射するエネルギー線照射装置と、
   前記構造物の前記エネルギー線の照射面を撮像する装置と、
   前記撮像装置の撮像信号を入力して、前記エネルギー線の照射によって前記構造物の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定する照射部位同定手段と、
   前記撮像装置の撮像信号を入力して、前記照射部位同定手段の同定した前記構造物の照射部位の変位量を、演算する手段と、
   を備えることを特徴とする構造物の変形測定装置。
2. 前記構造物の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化は、測定対象となる構造物の表面の温度や輝度や放射率の変化であることを特徴とする請求項１に記載の構造物の変形測定装置。
3. 前記構造物の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化は、測定対象となる構造物の表面に、エネルギー照射により溶隔・溶発・酸化・表面改質により視覚的に観察できるグリッド状又はパターン状の変化であることを特徴とする請求項２に記載の構造物の変形測定装置。
4. 前記エネルギー線は、レーザー光、紫外線又は赤外線の何れかを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の構造物の変形測定装置。
5. 前記撮像装置は、フィルムカメラ、デジタルカメラ、サーモグラフィーの何れかを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の構造物の変形測定装置。
6. 測定対象となる構造物の表面にエネルギー線をグリッド状又はパターン状に照射するステップと、
   前記構造物の前記エネルギー線の照射面を撮像するステップと、
   前記撮像された信号を入力して、前記エネルギー線の照射によって前記構造物の表面に生じるグリッド状又はパターン状の変化が生じた部位を同定するステップと、
   前記撮像された信号を入力して、前記同定された前記構造物の照射部位の変位量を、演算するステップと、
   を備えることを特徴とする構造物の変形測定方法。