JP2016110668A - 建造物の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】建造物の応力発生状況を客観的に監視する。【解決手段】建造物１０の応力及び／又は変位を計測する建造物計測方法であって、建造物１０に対して、複数のねじ部材３０を配置し、このねじ部材３０には、自身に生じるひずみを検知するひずみセンサ及び／又は変位を検知する加速度センサを設け、情報収集装置１００によって、センサ部に有線又は無線で接続することにより、センサ部材で計測される計測情報を蓄積するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ビルや橋梁等の建造物の内部に作用する応力等の情報を計測する手法に関する。

現在、学校の校舎、駅舎、空港のターミナル、病院、市区町村の庁舎、橋梁、トンネルなど、社会インフラ等に関連する様々な建造物が存在する。これらの建造物は、長期間に亘って利用されることが前提となるが、経年劣化や震災等の衝撃による外力にさらされるため、老朽化は避けられない。老朽化を放置すれば、人為的な災害が発生するおそれもある。

従って、今後、建造物を含めた社会インフラ等をメンテナンスして強靭化し、減災・防災を実現すること（ナショナル・レジリエンス）が重要となっている。

しかしながら、膨大な数の建造物が存在している昨今、メンテナンスを行うべき建造物に優先順位をつけたり、一つの建造物の中でどの部位を集中的にメンテナンスすべきかを判断したりすることが、現実的には困難となっている。

ところで現在も、橋梁の維持管理を行うために橋梁管理カルテを作成し、都道府県・市区町村の担当者が、橋梁を定期点検している。しかし、人間による目視外観検査を中心とした点検であるため、個人差が生じ易く客観性に欠けることから、抜本的なメンテナンスの判断には利用できないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて本発明者の鋭意研究により成されたものであり、建造物の状況を客観的に測定可能にすることで、メンテナンス時期の判断や、より優れた構造物の設計につなげることを目的としている。

上記目的を達成する本発明は、建造物の応力及び／又は変位を計測する建造物計測方法であって、建造物に利用され、雄ねじ体及び／又は雌ねじ体を有する複数のねじ部材に対し、該ねじ部材に生じるひずみを検知するひずみセンサ及び／又は該ねじ部材の変位を検知する加速度センサとなるセンサ部を設けるようにし、情報収集装置を前記センサ部に有線又は無線で接続することにより、前記情報収集装置が前記センサ部材で計測される計測情報を蓄積することを特徴とする、建造物計測方法である。

上記建造物計測方法に関連して、一つの建造物に対して、前記ねじ部材を複数利用するようにし、複数の前記ねじ部材の前記センサ部の計測情報を、前記情報収集装置に蓄積することを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材は、前記建造物の柱又は梁の鉄骨の接合に利用されるものであることを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、複数の前記ねじ部材は、前記建造物において、その軸方向が互いに異なる向きとなるように設置されることを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材における軸方向に離れた軸方向電気接点対が設けられ、前記軸方向電気接点対に電圧を印加した際の該ねじ部材の抵抗値変化により、前記ねじ部材の軸方向に生じる前記ひずみを検知することを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材に前記軸方向電気接点対が複数設けられ、前記複数の前記電気接点対で検知される前記ひずみの差によって前記ねじ部材の曲げ力を検知することを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材における径方向に離れた前記径方向電気接点対が設けられ、前記径方向電気接点対に電圧を印加した際の該ねじ部材の抵抗値変化により、前記ねじ部材の径方向に生じる前記ひずみを検知することを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材に、無線通信用のアンテナが設けられることを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材に、個体識別情報を有するＩＣチップが設けられることを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、前記ねじ部材に、バッテリが設けられることを特徴とする。

上記建造物計測方法に関連して、複数の建造物に前記ねじ部材が利用されており、前記情報収集装置は、複数の前記建造物の前記計測情報を蓄積することを特徴とする。

本発明によれば、建造物に生じる応力は変位を、客観的に監視する事が出来る。

本発明の実施形態に係る計測システムの全体構成を示す図である。 同計測システムが適用される建造物の構造体を拡大して示す斜視図である。 （Ａ）は同計測システムで利用される雄ねじ体を示す正面図、上面図、底面図であり、（Ｂ）は正面断面図である。 同雄ねじ体の変形例を示す正面断面図である。 同雄ねじ体の変形例を示す正面図、上面図、底面図である。 同雄ねじ体に内蔵される基板の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は同計測システムの情報収集装置のハード構成を示すブロック図であり、（Ｂ）は情報収集装置の機能構成を示すブロック図である。 同計測システムのねじ部の緩み防止構造の例を示す正面図である。 同計測システムのねじ部の緩み防止構造の例を示す正面図である。 同計測システムのねじ部の緩み防止構造の例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、本発明の実施形態に係る建造物の計測システム１が示されている。この計測システム１は、ビルや橋梁等の複数の建造物１０と、この建造物１０に建設時の部材として利用されるねじ部材３０と、このねじ部材３０に対して有線又は無線によって接続される情報収集装置１００を備えて構成される。

ねじ部材３０は、雄ねじ体又は雌ねじ体であり、好ましくは、建造物１０の基本構造部材に用いられる。

具体的には、図２に示すように、建造物１０の鉛直方向に延びる角柱鋼材となる支柱１２を連結する接合部位や、この支柱１２から水平方向に延びるＨ鋼材となる梁１４を連結する接合部位の複数箇所に、ねじ部材３０が採用される。即ち、ねじ部材３０を用いる場所は、主として、建造物１０の構造材（骨組み材）を接合する部位となる。このように、ねじ部材３０が、構造材同士の接合に関与することにより、構造材に生じる内部応力を間接的に受けることができる。

とりわけ、図２に示すように、複数のねじ部材３０において、その軸方向（締結方向）が互いに異なる場所を選定しておくことが好ましい。このようにすることで、建造物１０の構造材に対して前後、左右、上下から作用する応力状態を、三次元的に計測することが可能になる。

図３に、ねじ部材３０として雄ねじ体４０を採用した場合の基本構造を示す。雄ねじ体４０は所謂ボルトであり、頭部４２と軸部４４を有する。軸部４４には、円筒部４４ａとねじ部４４ｂとが形成される。勿論、円筒部４４ａは必須ではない。

頭部４２内には、頭部収容空間４８が形成されており、軸部４４内には、軸方向に延びる軸部収容空間４６が形成される。頭部収容空間４８と軸部収容空間４６は連通しており、頭部収容空間４８が軸部収容空間４６よりも径方向に拡張した構造となっている。ここでは、これらの頭部収容空間４８及び軸部収容空間４６を総称して内部空間４９と呼ぶ。

内部空間４９内には、内周面に接するようにして、軸方向に離れた箇所に軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂが設けられる。この軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂには、それぞれ絶縁被覆された配線４９Ａ、４９Ｂが接続されており、軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂ間に電圧を印加できる。これにより、軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂに電圧を印加した際の雄ねじ体４０の抵抗値変化により、雄ねじ体４０に作用する軸力又は軸力変動を検出することができる。配線４９Ａ、４９Ｂは、内部空間４９内に収容されるので、雄ねじ体４０を建造物１０の建設に利用する際にも配線が邪魔にならない。

内部空間４９内には、更に、配線４９Ａ、４９Ｂが接続される基板５４と、基板５４に電力を供給するバッテリ５２が収容される。なお、本実施形態ではバッテリ５２を内蔵する場合を例示するが、外部にバッテリボックスが配置され、このバッテリボックスからねじ部３０に電力が供給されるようにしても良い。また、本実施形態ではバッテリ５２を利用して雄ねじ体４０が稼動する場合を示すが、例えば、外部から有線の電力配線によって電力が供給される場合は、このバッテリを省略できる。更に、外部のリーダ等から電波をエネルギーとし受信し、このエネルギーを電源として動作するパッシブ構造の場合も、バッテリ５２を省略できる。また、ここでは軸方向に離れた軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂのみによって抵抗値を検知する場合を例示したが、半径方向或いは周方向に離れた電気接点対に電圧を印加して抵抗値を測定することもできる。なお、これらの抵抗変化は微小であるため、軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂの中間にブリッジ用接点を配置し、ブリッジ回路を構成して高精度の抵抗値を測定するようにしてもよい。

更に内部空間４９に異物や水分が進入するのを防止するために、内部空間４９の開口部分にはキャップ５０が設置される。頭部収容空間４８側のキャップ５０をとりはずせば、建造物１０から雄ねじ体４０を取り外すことなく、バッテリ５２の交換や、基板５４、配線４９Ａ、４９Ｂのメンテナンスが可能となっている。

なお、ここでは一対の軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂを設ける場合を例示しているが、例えば図４に示すように、複数対となる軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂを、中心軸線を境にとした直径方向両側に配置することも好ましい。このようにすると、例えば雄ねじ体４０の軸部４４に曲げモーメントが作用した場合、一方の軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂは圧縮力、他方の軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂの間には伸長力が作用するので、抵抗値に差が生じ得る。この差によって雄ねじ体４０に作用する曲げモーメントの変化を検知することができる。

また、この軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂによる一体型応力センサ及び後述する基板５４に搭載される加速度センサを含めて「ねじ部３０に一体化されるセンサ部」と定義できる。

図５に、雄ねじ体４０の他の構成例を示す。雄ねじ体４０の軸部４４の外周面には、断面が非円形となるような凹部（平面）６０が形成される。この凹部（平面）６０は軸方向に延びており、軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂ及び配線４９Ａ、４９Ｂが設置される。凹部（平面）６０には、ひずみゲージ６２が張り付けられており、このひずみゲージ６２の両端の接点が軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂとなる。従って、雄ねじ体４０の軸部４４に軸力が作用すると、ひずみゲージ６２を介してその応力変化を検知できる。なお、ここでは軸部４４の軸方向全域に平面６０を形成する場合を例示したが、円筒部４４ａの領域に限って凹部（平面）６０を形成することも好ましい。

図６に基板５４の構成を示す。基板５４は、アナログ回路及び／又はＩＣチップ等から構成されており、全ての処理を制御する中央演算処理装置となるＣＰＵと、一時的なデータを読み書きするための高速メモリＲＡＭと、プログラムを格納するために使用する読み出し専用メモリＲＯＭと、データを格納するために書き込み可能なメモリＥＰＲＯＭと、基板と外部の通信制御を行うインタフェースと、外部と無線通信したり、外部電波を利用して電力を供給したりするアンテナと、抵抗値検出部と、加速度センサを有する。

抵抗値検出部は、配線４９Ａ、４９Ｂが接続されて、軸方向電気接点対４８Ａ、４８Ｂ間の抵抗値を検出すると同時に、この値をデジタル情報に変換してＣＰＵに提供する。結果、抵抗値データはＥＰＲＯＭに格納される。

加速度センサは、基板５４の振動や移動を検知して、雄ねじ体４０の移動量データを算出する。これにより、建造物１０の構造体が曲がったり、揺れたりする動きを把握できる。移動量データはこのデータはＥＰＲＯＭに格納される。

ＥＰＲＯＭに格納される抵抗値データや移動量データは、管理者が情報収集する随時タイミングや、定期的なタイミングにより、アンテナを介して外部（情報収集装置１００）に送信される。

ＲＯＭ又はＥＰＲＯＭには、この雄ねじ体４０の個体を識別するための情報（個体識別情報）が格納されており、情報収集装置１００側においては、個体識別情報に対応付けて、建造物１０の住所、名称、構造体への設置場所等を登録しておく。これにより、各雄ねじ体４０を個別に管理する。なお、本実施形態では、この基板５４の一部は、ＩＣチップを利用したいわゆるＲＦＩＤ技術を採用しているが、本発明はこれに限定されず、他の技術を用いてもよい。

図７（Ａ）に情報集装置１００のハード構成を示す。この情報収集装置１００は、いわゆるサーバであり、中央演算処理装置となるＣＰＵ、一時的なデータを読み書きするための高速メモリＲＡＭと、マザーボードプログラムを格納するために使用する読み出し専用メモリＲＯＭと、データを格納するために書き込み可能なハードディスクＨＤＤと、外部の通信制御を行うインタフェースと、雄ねじ体４０と無線通信するアンテナを有する。なお、このアンテナは、情報収集装置１００のハードウエアを構成するサーバ内に配置されている場合に限られず、各建造物１０の雄ねじ体４０の近辺に配置された中継アンテナであっても良い。

図７（Ｂ）に情報収集装置１００のプログラム構成を示す。情報収集装置１００は、情報整理部、情報分析部、アラーム表示部、メンテナンス履歴保持部を有する。情報整理部は、既に述べた雄ねじ体４０の個体識別情報に対応付けて、建造物１０の名称、住所、構造体の設置場所、設置方角、ねじ部３０のサイズ、管理者（連絡先）等の他、各雄ねじ体４０から収集された抵抗値データ及び移動量データを時系列で蓄積する。

情報分析部は、収集された抵抗値データ及び移動量データを解析し、異常判断を行う。異常判断は、例えば時間の推移に伴って異常な数値が現れていないかや、複数のねじ部３０から収集されたデータに基づいて建造物１０の全体の力学バランスが崩れていないかを解析・判定する。アラーム表示部は、情報分析部が、その分析結果に異常データが含まれると判断した際に、オペレータにメンテナンスアラームを画面、文字、音等によって通知する処理を行う。メンテナンス履歴保持部が、建造物１０のメンテナンス履歴を保存する。

以上の建造物１０の計測システム１によれば、建造物１０の構造体中に複数のねじ部材３０を利用することで、ねじ部材３０に生じるひずみ及び／又は変位を検知することが可能となる。この検知結果は、情報収集装置１００によって、有線又は無線で接続されて回収されるので、客観的なデータとして活用できる。また例えば、データ回収を自動化できると同時に、略リアルタイムに観測・収集することが可能となり、地震等が生じた際の建造物１０の変形量や内部応力変化等を把握できる。この状況に基づいて、メンテナンスの優先順位や、重要箇所を判断することもできるようになる。

なお、このねじ部３０の締結方法は様々であるが、本計測システム１の目的からして、ねじ部３０が絶対的に緩まない構造であることが好ましい。この構造について例示すると、例えば図８には、雄ねじ体４０のねじ部４０ｂに、二種類の雄ねじ螺旋溝を形成し、一方の螺旋溝と螺合する第一雌ねじ体７０Ａと、他方の螺旋溝と螺合する第二雌ねじ体７０Ｂを螺合させると同時に、両者の相対回転を防止する機構を組み込むことで、完全に緩まないねじ部３０を構築することができる。なお、この技術に関しては、本願の発明者に係る特許第４６６３８１３号公報を参照されたい。

また例えば図９に示すように、ワッシャ１５０を利用して緩み止めを行う手法も採用できる。例えば、雄ねじ体４０の頭部４２の下部乃至付け根に相当する部位にねじ体側座部１２２を形成し、ワッシャ１５０の一方側（図９の上面側）に第一受部１６０を形成し、両者の間には、第一係合機構Ａが構成する。この第一係合機構Ａは、ラチェット機構等になっており、雄ねじ体４０を緩める方向に回転しようとすると互いに係合して、当該回転方向に対する第一受部１６０とねじ体側座部１２２との相対回転を防止する。

更にワッシャ１５０の他方側（図９の下面側）には、第二受部１７０が形成される。この第二受部１７０は、建造物１０の構造体（支柱又は梁）１２、１４と対向する。構造体１２、１４には、ワッシャ１５０の第二受部１７０に対向する部材側座部１８２が孔として形成される。この部材側座部１８２と、ワッシャ１５０の第二受部１７０の間には、第二係合機構Ｂが構成される。具体的には、部材側座部１８２及び第二受部１７の外形が、軸心に対して非正円形状となっており、この第二係合機構Ｂは、少なくともワッシャ１５０が緩める方向に回転しようとすると、第二受部１７０と部材側座部１８２が互いに係合して、当該回転方向に対する第二受部１７０と部材側座部１８２との相対回転を防止する。この第一係合機構Ａと第二係合機構Ｂの作用により、雄ねじ体４０が緩み方向に回転しようとすると、ワッシャ１５０の介在によって、雄ねじ体４０と構造体１２、１４の相対回転が規制される。

更に図１０に示すように、雌ねじ体９０とワッシャ５０を利用して緩み止めとすることもできる。雄ねじ体４０の軸部４４に、軸方向から視て断面非円形となる雄ねじ側連携領域８０を形成する。この雄ねじ側連携領域８０は、既に述べた平面６０を兼ねることもできる。

ワッシャ５０と雌ねじ体９０が互いに対向する面には、第一係合機構Ａが構成される。この第一係合機構Ａは、例えばラチェット機構となっており、少なくとも雌ねじ体９０が、螺合する雄ねじ体４０に対して緩まる方向に回転しようとすると、互いに係合して、当該回転方向に対する雄ねじ体４０とワッシャ５０の相対回転を防止する。ワッシャ５０の他方側は構造材１２、１４と対向する。

ワッシャ５０における雄ねじ体の貫通孔８２は、軸方向から視た場合に非正円形となっている。従って、この貫通孔８２は、雄ねじ体４０の雄ねじ側連携領域８０に対して周方向に係合する（これを補助係合機構Ｂと定義する）。

以上の通り、第一係合機構Ａ及び補助係合機構Ｂによって、雌ねじ体９０が緩むことができない構造にすることができる。

なお、上記実施形態では、ねじ部３０の部材に生じるひずみを直接検出するか、またこの部材にひずみゲージを張り付けて、該ひずみゲージを利用して間接的にねじ部３０のひずみを検出する場合を例示したが、他の構造を採用することも可能である。例えば、ねじ部３０の伸縮に連動する金属棒をねじ部の内部又は外部に配置し、この金属棒の伸縮（即ちねじ部３０の伸縮）を抵抗値等によって検出する場合も、本発明におけるひずみ検知の概念に含むものである。

また、上記実施形態では、雄ねじ体４０に、ひずみセンサ等を内蔵する場合を例示しているが、雌ねじ体側に内蔵しても良く、また両者を組み合わせて一つのセンサとして機能させるようにしても良い。

本発明の実施例は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 計測システム
１０ 建造物
１２ 支柱（構造体）
１４ 梁（構造体）
３０ ねじ部材
４０ 雄ねじ体
４８Ａ、４８Ｂ 軸方向電気接点対
４９Ａ、４９Ｂ 配線
５２ バッテリ
５４ 基板

Claims (11)

1. 建造物の応力及び／又は変位を計測する建造物計測方法であって、
   建造物に利用され、雄ねじ体及び／又は雌ねじ体を有する複数のねじ部材に対し、該ねじ部材に生じるひずみを検知するひずみセンサ及び／又は該ねじ部材の変位を検知する加速度センサとなるセンサ部を設けるようにし、
   情報収集装置を前記センサ部に有線又は無線で接続することにより、前記情報収集装置が前記センサ部材で計測される計測情報を蓄積することを特徴とする、
   建造物計測方法。
2. 一つの建造物に対して、前記ねじ部材を複数利用するようにし、
   複数の前記ねじ部材の前記センサ部の計測情報を、前記情報収集装置に蓄積することを特徴とする、
   請求項１に記載の建造物計測方法。
3. 前記ねじ部材は、前記建造物の柱又は梁の鉄骨の接合に利用されるものであることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の建造物計測方法。
4. 複数の前記ねじ部材は、前記建造物において、その軸方向が互いに異なる向きとなるように設置されることを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の建造物計測方法。
5. 前記ねじ部材における軸方向に離れた軸方向電気接点対が設けられ、前記軸方向電気接点対に電圧を印加した際の該ねじ部材の抵抗値変化により、前記ねじ部材の軸方向に生じる前記ひずみを検知することを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の建造物計測方法。
6. 前記ねじ部材に前記軸方向電気接点対が複数設けられ、前記複数の前記電気接点対で検知される前記ひずみの差によって前記ねじ部材の曲げ力を検知することを特徴とする、
   請求項５のいずれかに記載の建造物計測方法。
7. 前記ねじ部材における径方向に離れた前記径方向電気接点対が設けられ、前記径方向電気接点対に電圧を印加した際の該ねじ部材の抵抗値変化により、前記ねじ部材の径方向に生じる前記ひずみを検知することを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の建造物計測方法。
8. 前記ねじ部材に、無線通信用のアンテナが設けられることを特徴とする、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の建造物計測方法。
9. 前記ねじ部材に、個体識別情報を有するＩＣチップが設けられることを特徴とする、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の建造物計測方法。
10. 前記ねじ部材に、バッテリが設けられることを特徴とする、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の建造物計測方法。
11. 複数の建造物に前記ねじ部材が利用されており、
    前記情報収集装置は、複数の前記建造物の前記計測情報を蓄積することを特徴とする、
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の建造物計測方法。

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