JP2023034991A - 応力モニタリングセンサ、センサ位置決め部材、および、応力モニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にする。【解決手段】コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサを支持する支持部材と、前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部と、を備えることを特徴としている。【選択図】図６Ａ

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り ・令和３年７月２０日、２０２１年度日本建築学会大会（東海）学術講演梗概集、第１５７～１５８頁、一般社団法人 日本建築学会

本発明は、コンクリート構造物内部の応力モニタリングセンサ、センサ位置決め部材、および、応力モニタリング方法に関する。

ＲＣ（Reinforced-Concrete）造やＳＲＣ（Steel Reinforce Concrete）造などのコンクリート構造物において、ひび割れが発生することは、コンクリート構造物の構造性能を大きく低下させるとともに、かぶりコンクリートの剥落につながる。その結果、第三者被害を発生させる場合がある。したがって、ひび割れの発生を含むコンクリートの損傷を検知することは、コンクリート構造物の維持管理に極めて重要である。コンクリートのひび割れの原因には、鉄筋腐食、乾燥収縮、温度応力や外力によるものが存在する。特に、地震や地盤沈下などの外力が加わった場合、各部位にひずみが生じる。このような状況下において、コンクリート構造物の各部位に生じたひずみをモニタリングすることは非常に重要である。

コンクリートは、一般的に弾性域を有しており、収縮または膨張する。しかし、コンクリート構造物に対し、地震や地盤沈下などの弾性限界を超える大きな外力が加わりひび割れ等が生じることで、コンクリート構造物の各部位に生じたひずみは、元に戻らず、大きな残存ひずみが生じる。このように、コンクリート構造物に大きな残存ひずみが生じた場合、コンクリート構造物には損傷が生じていることになる。

コンクリート構造物において、損傷が生じた場合には、表面にひび割れが生じる場合が多いが、例えば、建築物などのように仕上げ材がある場合などは、目視で確認することは困難である。また、コンクリート構造物内部にひび割れが生じた場合など、コンクリート構造物には目視で確認できない部位も多い。

コンクリート構造物内部のひずみを計測する方法として、光ファイバセンサによりコンクリート構造物内部の応力を計測する方法が知られている（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の発明では、特定の一点を通り平行でない方向に延在するように、複数の光ファイバセンサの検知部を設け、コンクリート構造物内の多方向のひずみを計測している。

また、特許文献１に記載の発明では、糸や番線などの固定部材を型枠内に設置し、保護チューブで被覆された光ファイバセンサを、接着剤などを用いて固定部材に固定することによって、光ファイバセンサを直線状に設置することを可能にしている。

特開２０２０－５６７６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、検知部をどの位置に設置するのか分かりにくいことから、光ファイバセンサの設置が作業者の負担となるおそれがある。特に、多方向のひずみを計測する場合には、このような問題が顕著である。そのため、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することが容易となる技術が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にした、コンクリート構造物内部の応力モニタリングセンサ、センサ位置決め部材、および応力モニタリング方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明は、以下の手段を講じた。すなわち、本発明の応力モニタリングセンサは、コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサを支持する支持部材と、前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部と、を備えることを特徴としている。

このように、光ファイバセンサを支持する支持部材と、支持部材に設けられ、複数の検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように検知部の位置を制限する位置決め部とを備えるから、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にする。

（２）また、本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記複数の検知部は、第１の検知部と第２の検知部とを含み、前記第１の検知部と前記第２の検知部とは直交していることを特徴としている。

このように、第１の検知部と第２の検知部と直交するから、直交する２方向におけるひずみを計測可能とする。また、第１の検知部と第２の検知部の延在方向がコンクリート構造物の表面に平行となるように、応力モニタリングセンサをコンクリート構造物内に設けることによって、コンクリート構造物内部におけるひずみの方向および大きさを容易に把握することができる。

（３）本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記複数の検知部は、特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されていることを特徴としている。このように、複数の検知部が、特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されているから、コンクリート構造物内部における主応力を算出することができる。

（４）本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、前記第１、第２および第３の検知部は、互いに直交するように設けられることを特徴としている。

このように、第１、第２および第３の検知部が互いに直交するように設けられるから、コンクリート構造物内部におけるひずみを３次元的に計測でき、コンクリート構造物中の３次元的なひずみの分布の算出を可能にする。

（５）本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差するように設けられ、前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差する平面上において、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間に前記第３の検知部が延在するように設けられることを特徴としている。

このように、第１の検知部と第２の検知部とが交差するように設けられ、第１の検知部と第２の検知部とが交差する平面上において、第１の検知部と第２の検知部との間に第３の検知部が延在するように設けられる。そのため、同一平面上に３つの検知部を設けていない場合と比べて、第１、第２および第３の検知部が設けられている平面上におけるひずみの大きさや方向をより正確に把握することができる。

（６）本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記検知部を囲繞するように前記光ファイバセンサを被覆する被覆部をさらに備えることを特徴としている。このように、検知部を囲繞するように光ファイバセンサを被覆する被覆部をさらに備えるから、コンクリートを打設する前に、センサ位置決め部材により位置決めされた検知部の位置を、被覆部によって固定できる。これにより、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することをさらに容易にする。

（７）本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記被覆部は第１の被覆部であり、少なくとも前記検知部を除く前記光ファイバケーブルを被覆する第２の被覆部をさらに備えることを特徴としている。

このように、第１の被覆部だけでなく、光ファイバケーブルを被覆する第２の被覆部をさらに備えるから、応力モニタリングセンサをコンクリート構造物内へ埋設する際に、応力モニタリングセンサを損傷させることを抑制できる。その結果、応力モニタリングセンサの取り扱い性が向上する。また、少なくとも検知部を除く部分に第２の被覆部が設けられるから、検知部においてひずみを捉えることができる。

（８）本発明のセンサ位置決め部材は、光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサを保持するセンサ位置決め部材であって、前記光ファイバセンサを支持する支持部材と、前記支持部材の位置を固定する固定部材と、前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部と、を備えることを特徴としている。

このように、光ファイバセンサを支持する支持部材と、支持部材の位置を固定する固定部材と、支持部材に設けられ、複数の検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように検知部の位置を制限する位置決め部とを備えるから、光ファイバセンサの検知部を所望の位置に設置することを容易にする。これにより、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置可能にする。

（９）本発明のセンサ位置決め部材において、前記複数の検知部は、第１の検知部と第２の検知部とを含み、前記第１の検知部と前記第２の検知部とが直交するように、前記位置決め部が設けられることを特徴としている。

このように、第１の検知部と第２の検知部と直交するように位置決め部が設けられるから、直交する２方向におけるひずみを計測可能となるような位置に、検知部を正確に配置することが容易となる。また、第１の検知部と第２の検知部の延在方向がコンクリート構造物の表面に平行となるように、応力モニタリングセンサをコンクリート構造物内に設けることによって、コンクリート構造物内部におけるひずみの方向および大きさを容易に把握することができる。

（１０）本発明のセンサ位置決め部材において、前記複数の検知部が特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されるように、前記位置決め部が設けられることを特徴としている。

このように、複数の検知部が、特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されているように、位置決め部が設けられるから、コンクリート構造物内部における主応力を算出可能となる位置に、検知部を正確に配置することが容易となる。

（１１）本発明のセンサ位置決め部材において、前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、前記第１、第２および第３の検知部が互いに直交するように、前記位置決め部が設けられることを特徴としている。

このように、第１、第２および第３の検知部が互いに直交するように、位置決め部が設けられるから、コンクリート構造物内部におけるひずみを３次元的に計測でき、コンクリート構造物中の３次元的なひずみの分布の算出可能な位置に、検知部を正確に配置することが容易となる。

（１２）本発明のセンサ位置決め部材において、前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差し、前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差する平面上において、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間に前記第３の検知部が延在するように、前記位置決め部が設けられることを特徴とするとしている。

このように、第１の検知部と第２の検知部とが交差するように設けられ、第１の検知部と第２の検知部とが交差する平面上において、第１の検知部と第２の検知部との間に第３の検知部が延在するように設けることが容易となる。そのため、同一平面上に３つの検知部を設けていない場合と比べて、第１、第２および第３の検知部が設けられている平面上におけるひずみの大きさや方向をより正確に把握することができる。

（１３）本発明のセンサ位置決め部材において、前記固定部材は、前記光ファイバケーブルが挿通可能な挿通部をさらに備える特徴としている。このように、固定部材はケーブルが挿通可能な挿通部をさらに備えるから、特に、複数の光ファイバセンサを保持する場合において、挿通部によって光ファイバケーブルをまとめることができるから、応力モニタリングセンサの取り扱い性が向上する。

（１４）本発明のセンサ位置決め部材において、前記支持部材と前記固定部材とが分離可能であることを特徴としている。このように、支持部材と固定部材とが分離可能であるから、固定部材を取り外した状態でコンクリート構造物に埋設することができる。特に、セメント系材料を用いて光ファイバセンサの位置を固定した後に、コンクリート構造物に埋設する場合には、固定に用いたセメント系材料と、コンクリート構造物を構成するコンクリートとが一体化するため、コンクリート構造物の強度に影響を与えることがない。

（１５）本発明の応力モニタリング方法は、光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサを用いて、コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリング方法であって、前記光ファイバセンサを支持する支持部材、前記支持部材の位置を固定する固定部材、および前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部を備えるセンサ位置決め部材を用いて、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように、前記検知部の位置を制限することによって、前記光ファイバセンサの位置決めをするセンサ位置決め工程と、前記位置決めされた光ファイバセンサを、前記コンクリート構造物内に埋設する工程と、前記埋設した光ファイバセンサのひずみを測定する工程と、前記測定したひずみの経時的変化の特性に基づいて、前記コンクリート構造物内に生じた応力を推定する工程と、を少なくとも含むことを特徴としている。

このように、位置決め部材を用いて、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように、前記検知部の位置を制限することによって、前記光ファイバセンサの位置決めをするセンサ位置決め工程を含むから、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にする。

（１６）本発明の応力モニタリング方法において、前記検知部を囲繞するように、被覆部により前記光ファイバセンサを被覆する工程と、前記被覆した光ファイバセンサから前記固定部材を取り外す工程とをさらに含むことを特徴としている。

このように、光ファイバセンサを埋設するために、被覆部によって、検知部を囲繞するように光ファイバセンサを被覆する工程をさらに含むから、コンクリートを打設する前に、センサ位置決め部材により位置決めされた検知部の位置を、被覆部によって固定できる。これにより、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することがさらに容易となる。

また、被覆した光ファイバセンサから固定部材を取り外す工程をさらに含むから、コンクリート構造物に埋設した際に、固定部材を取り外した分、コンクリート構造物を構成するコンクリートの量が多くなり、コンクリート構造物の強度が向上する。

（１７）本発明の応力モニタリング方法は、前記センサ位置決め工程において、前記光ファイバセンサの損失値が所定の閾値以上になるように、前記光ファイバセンサを前記位置決め部に設置させることを特徴としている。

このように、光ファイバセンサを損失値が所定の閾値以上になるように、光ファイバセンサをセンサ位置決め部材に保持させるから、モニタリングに十分な損失値を維持することを可能にする。

このように、本発明によれば、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にする。そのため、コンクリート構造物内部におけるひずみの方向や大きさをより正確に把握することができ、コンクリート構造物内部のひび割れなどの損傷状況についても、より正確に把握することが可能となる。

ＸＹ平面上において、第１および第２の検知部が直交し、その間に第３の検知部が延在する様子を示す模式図である。 図１に示す模式図について、ＸＹ平面を正面として見た正面図である。 第１、第２および第３の検知部が互いに直交する様子を示す模式図である。 交点が端部に位置する場合におけるロゼット配線の様子を示す模式図である。 ６本の検知部が互いに交差する様子を示す模式図である。 図５Ａに示す模式図におけるＢ－Ｂ断面図である。 本実施形態におけるセンサ位置決め部材の斜視図である。 本実施形態における型枠形成部材の斜視図である。 センサ位置決め部材と型枠形成部材とを嵌め合わせた状態を示す図である。 本実施形態における支持部材の概略構成を示す図である。 支持部材の変更例の概略構成を示す図である。 支持部材の変更例の概略構成を示す図である。 センサ位置決め部材の変更例の概略構成を示す模式図である。 図１０に示すセンサ位置決め部材を横から見た斜視図である。 センサ位置決め部材の変更例の概略構成を示す模式図である。 本実施形態における応力モニタリングセンサの概略構成を示す模式図である。 本実施形態における光ファイバセンサの構成を示す図である。 本実施形態に係る応力モニタリングセンサを、コンクリート構造物内に設置した様子を模式的に示す図である。 本実施形態に係る応力モニタリング方法を示すフローチャートである。 比較例であるひずみゲージが設置された位置を示す図である。 ひずみゲージに対して載荷試験を実施した結果を示すグラフである。 ロゼット配線された応力モニタリングセンサに対して載荷試験を実施した結果を示すグラフである。 ３軸配線された応力モニタリングセンサに対して載荷試験を実施した結果を示すグラフである。

［検知部を設置する位置について］
本明細書において、光ファイバセンサ１０は、光信号を伝送する光ファイバケーブル９にひずみを検知する検知部３を備える。単一の検知部３が設けられた複数の光ファイバセンサ１０を用いても良いし、複数の検知部３を備えた単一の光ファイバセンサ１０を用いても良い。まず、本発明によって、１または複数の光ファイバセンサ１０が備える複数の検知部３が設置される位置について説明する。本発明における複数の検知部３は、特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように設置される。すなわち、複数の検知部３は、２以上の検知部３が特定の一点において互いに交わり、異なる方向に延在するように設置される。

図１は、第１および第２の検知部が直交し、その間に第３の検知部が延在する様子を示している。図２は、図１のＸＹ平面をｚ軸方向から見た正面図である。図３は、第１の検知部、第２の検知部および第３の検知部が互いに直交する様子を示している。なお、図１～３では、検知部３のみを示しており、光ファイバケーブル９については省略している。

図１では、ある直方体の頂点を原点とした三次元直交座標系におけるＸＹ平面上において、第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとが交点Ｉで直交している。そして、図２に示すように、第１の検知部３Ａとの距離と、第２の検知部３Ｂとの距離が等しくなるように、第３の検知部３Ｃが延在している。このような構成とすることで、検知部３ＡによりＸ軸方向のひずみの評価ができ、検知部３ＢによりＹ軸方向のひずみの評価ができるとともに、主応力についても適切に評価できる。本明細書では、図１に示すように検知部３が配置されることを「ロゼット配線」とも呼ぶ。なお、各検知部３の交差角度については、上述の例に限られない。特定の一点で交差するように、同一平面状に延在する検知部３を３つ配置すれば、少なくとも主応力については適切に評価することができる。

図１に示すように３つの検知部３を設置すると、同一平面上に３つの検知部３を設けていない場合と比べて、第１、第２および第３の検知部が設けられている平面上におけるひずみの大きさや方向をより正確に把握することができる。また、第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとが直交しているから、コンクリート構造物内部における主応力の算出が容易となる。

図３では、図１と同様の三次元直交座標系において、第１の検知部３Ａがｘ軸、第２の検知部３Ｂがｙ軸、第３の検知部３Ｃがｚ軸と平行になるように、ある特定の一点を交点Ｉとして互いに直交している。本明細書では、図１に示すように検知部３が配置されることを「三軸配線」とも呼ぶ。

このように、第１、第２および第３の検知部が互いに直交するように設けられるから、コンクリート構造物内部におけるひずみを３次元的に計測でき、コンクリート構造物１００中の３次元的なひずみの分布の算出を可能にする。また、第１、第２および第３の検知部が互いに直交しているから、ひずみの分布の算出が容易となる。

図１、３では、検知部３の中央近傍に交点Ｉが位置しているが、図４に示すように交点Ｉは検知部３の端部に位置してもよい。少なくとも検知部３が交差していれば、交点Ｉの位置に関わらず、交点Ｉ近傍の局所的なひずみを複数の検知部３によって検出できる。なお、交点Ｉを検知部３の中央近傍に配置した場合には、交点Ｉを中心とした検知範囲が３方向で略等しくなるため、より局所的なひずみを検知することができる。そのため、交点Ｉが検知部３の中央近傍に位置することが好ましい。

また、交点Ｉを通る検知部３は２本であってもよいが、３本以上であることが好ましい。交点Ｉを通る検知部３が３本以上であるから、コンクリート構造物１００内部における主応力を算出することができる。

また、複数の検知部３のうち、交点Ｉにおいて互いに直交する検知部３が少なくとも１組あることが好ましい。交点Ｉにおいて互いに直交する検知部３があるから、コンクリート構造物１００内部におけるひずみを容易に把握することができる。

また、図１では、ＸＹ平面上に３本の検知部３が延在するように設けられているが、３つの検知部３が同一平面上に位置していればよく、Ｚ軸方向における位置は特に問わず、紙面奥側に位置してもよいし、ＹＺ平面またはＸＺ平面に位置してもよい。また、複数の面に検知部３が設けられてもよい。このとき、検知部３が検知するひずみの方向が重複しないように、交点Ｉを通る検知部３の本数が他の面よりも少ない面があってもよい。

加えて、検知部３を６本としてもよい。図５Ａは、６本の検知部３が交点Ｉにて交差する様子を示す図である。交点Ｉを中心とした三次元直交座標系としたとき、交点Ｉで直交する３つの各平面において、ロゼット配線と同様に、３つの検知部３が交点Ｉで交差するように延在する。

図５Ｂは、ＸＹ平面における断面図である。なお、ＸＹ平面と平行に延在しない検知部３Ｄ～Ｆについては省略している。図５Ｂに示すように、ＸＹ平面では第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとが交点Ｉで直交し、第１の検知部３Ａとの距離と、第２の検知部３Ｂとの距離が等しくなるように、第３の検知部３Ｃが延在している。

ＸＹ平面と同様に、ＹＺ平面では第１の検知部３Ａと第４の検知部３Ｄとが交点Ｉで直交し、第１の検知部３Ａとの距離と、第４の検知部３Ｄとの距離が等しくなるように、第５の検知部３Ｅが延在している。ＺＡ平面では第２の検知部３Ｂと第４の検知部３Ｄとが交点Ｉで直交し、第２の検知部３Ｂとの距離と、第４の検知部３Ｄとの距離が等しくなるように、第６の検知部３Ｆが延在している。

以上の通り、本発明における複数の検知部３は、特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように設置されることにより、多方向のひずみを検出することができる。

［センサ位置決め部材の構成］
以下に本実施形態におけるセンサ位置決め部材、応力モニタリングセンサ、および、応力モニタリング方法について順に説明する。

図６Ａは、第１の型枠形成部材の構成を示す斜視図である。図６Ｂは、第２の型枠形成部材の構成を示す斜視図である。図７は、対となる第１の型枠形成部材と第２の型枠形成部材とが組み合わさった状態を示す図である。図８は、本実施形態に係る支持部材を示す模式図である。

センサ位置決め部材２００は、複数の検知部３が特定の一点である交点Ｉにおいて互いに交わり、平行でない方向に延在するように、光ファイバセンサ１０の位置決めをする。図６Ａに示す第１の型枠形成部材２１を含むセンサ位置決め部材２００では、第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとが直交し、第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとが直交する平面上において、第１の検知部３Ａと第２の検知部３Ｂとの間に第３の検知部３Ｃが延在するように、各検知部３を位置決め可能な構成となっている。すなわち、図１のように、複数の検知部３を位置決めする。なお、各検知部３の交差角度については特に限定されず、特定の一点で交差するように、同一平面状に延在する３つの検知部３が位置決め可能な構成となっていればよい。

センサ位置決め部材２００は、図６Ａに示す第１の型枠形成部材２１と、図６Ｂに示す第２の型枠形成部材２５とを備える。第１の型枠形成部材２１と第２の型枠形成部材２５とは、それぞれ３枚の板部材２０５から形成されている。第１の型枠形成部材２１は、篏合凹部２２を有し、第２の型枠形成部材２５は、篏合凸部２６を有する。第１の型枠形成部材２１と第２の型枠形成部材２５とは、篏合凹部２２および篏合凸部２６を篏合させることで、図７に示すような立方体状の型枠を形成する。

また、第１の型枠形成部材２１と第２の型枠形成部材２５とは、切り欠き部４２を有していることが好ましい。切り欠き部４２は、型枠形成時に第１の被覆部１１を形成する材料を投入可能な投入口２０１を形成する。投入口２０１は、材料を投入可能であればよく、切り欠き部４２の形態に限られない。型枠形成部材を形成する板部材２０５に貫通孔を形成し、貫通孔を投入口２０１としてもよい。

第１の型枠形成部材２１は、支持部材３０と、固定部材４０とを備えている。支持部材３０は、光ファイバセンサ１０を支持する部材であり、固定部材４０は、支持部材３０の位置を固定する部材である。

支持部材３０は、光ファイバセンサ１０の２か所以上を支持することによって、検知部３を直線状に設置することを容易にする。すなわち、光ファイバセンサ１０は、支持部材３０によって支持される２か所以上の部分の間に検知部３が位置するように設置される。支持部材３０は、例えば、図８に示すような棒状の部材であるが、光ファイバセンサ１０を支持できればどのような形状であってもよく、１または複数の部材から構成されていてもよい。

また、支持部材３０は、検知部３の位置決めをする位置決め部３１を備えており、検知部３の位置を制限する。そのため、光ファイバセンサ１０を位置決め部３１に保持させることで、検知部３の位置がズレることが抑制され、光ファイバセンサ１０の設置が容易となる。

位置決め部３１は、光ファイバセンサ１０の位置決めをする観点においては、図７に示す貫通孔であることが好ましい。また、位置決め部３１は、光ファイバセンサ１０を保持できればよく、図９、１０に示すような凹部や凸部であってもよい。また、位置決め部３１は、検知部３を設置する位置に合わせて、１つの支持部材３０に対して複数設けられてもよい。

固定部材４０は、複数の支持部材３０と結合し、支持部材３０の位置を固定する。図６Ａに示す第１の型枠形成部材２１では、３枚の板部材２０５のうち、２枚の板部材２０５が固定部材４０であり、それぞれ２つずつ支持部材３０が固定されている。センサ位置決め部材２００は、３次元的に複数の検知部３の位置を定める必要があるが、支持部材３０を固定部材４０に固定することによって、複数の検知部３の位置を３次元的に定めることを容易にする。これにより、多方向のひずみを計測する複数の検知部３を、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にする。

また、第１の型枠形成部材２１は、挿通部４１を備えることが好ましい。挿通部４１は、光ファイバセンサ１０を挿通する部分であり、例えば、固定部材４０の外周近傍に挿通孔を設けることで形成されてもよい。また、挿通部４１は、型枠形成時に挿通孔を形成するように、固定部材４０の外周部に形成される凹部や切り欠きであってもよい。センサ位置決め部材２００が複数の光ファイバセンサ１０を保持する場合、挿通部４１にて光ファイバセンサ１０をまとめることで応力モニタリングセンサ１の取り扱い性が向上する。

また、センサ位置決め部材２００は、どのような材料および形成方法によって形成されてもよいが、３Ｄプリンター等を用いて一体成型されることが好ましい。このとき、支持部材３０と固定部材４０とを、手で分離可能な程度の強度を有する樹脂で構成されることが好ましい。なお、支持部材３０の断面積が小さければ、３Ｄプリンターで通常用いられる樹脂によって、手で簡単に分離できる。他方、支持部材３０と固定部材４０とが別々に形成されてもよく、接続部を介して接続および分離可能な構成であってもよい。

また、センサ位置決め部材２００は、立方体状だけでなく、矩形状、多角形状、球状や柱状等であってもよい。センサ位置決め部材２００が立方体状であるとき、１辺の長さが５ｃｍ以下であることが好ましい。１辺の長さが５ｃｍ以下であるから、一般的なコンクリート構造物１００の過密鉄筋部への設置が容易となり、かつ、応力モニタリングセンサ１の設置によってコンクリート構造物１００の強度に与える影響についても小さくすることができる。

センサ位置決め部材２００は、図１１、図１２に示すように、３本の検知部３が互いに直交するように形成されてもよい。図１１、図１２は、図３に示すように、３本の検知部３が互いに直交するように複数の検知部３の位置決めをする第１の型枠形成部材２１であり、図６Ｂに示す第２の型枠形成部材２５と対になるように作製されている。図１１、図１２に示す第１の型枠形成部材２１は、第１の型枠形成部材２１を形成する３枚の板部材２０５のすべてが固定部材４０であり、各板部材２０５にそれぞれ２つずつ支持部材３０が固定されている。

また、センサ位置決め部材２００は、図１３に示すように、６本の検知部３が交点Ｉにて交差するように形成されてもよい。図１３は、図５Ａに示すように、６本の検知部３が交点Ｉにて交差するように複数の検知部３の位置決めをする第１の型枠形成部材２１である。図１３では、１本の光ファイバセンサ１０を保持した状態を示しており、篏合凹部２２や挿通部４１、切り欠き部４２については省略している。

図１３に示す第１の型枠形成部材２１は、図１１、図１２と同様に、第１の型枠形成部材２１を形成する３枚の板部材２０５のすべてが固定部材４０であり、各板部材２０５にそれぞれ２つずつ支持部材３０が固定されている。他方、図１１、図１２に示す第１の型枠形成部材２１とは、１つの支持部材３０に設けられる位置決め部３１の数が異なっている。図１１、図１２に示す第１の型枠形成部材２１では、各支持部材３０に対して位置決め部３１が１つ設けられているが、図１３に示す第１の型枠形成部材２１では、各支持部材３０に２つの位置決め部３１が設けられている。

上記では、第１の型枠形成部材２１だけに支持部材３０が形成される場合について説明したが、第１の型枠形成部材２１および第２の型枠形成部材２５の少なくとも一方に形成されていればよい。

また、センサ位置決め部材２００は、検知部３が所望の位置となるように保持可能であればよく、支持部材３０と固定部材４０のみであってもよい。すなわち、型枠を形成する固定部材４０以外の板部材２０５が設けられてなくてもよく、第２の型枠形成部材２５がなくてもよい。しかしながら、後述する第１の被覆部１１の形成が困難であるため、板部材２０５によって型枠を形成する形態が好ましい。

（応力モニタリングセンサの構成）
図１４は、本実施形態に係る応力モニタリングセンサの概略構成を示す図である。図１５は、光ファイバセンサ１０の概略構成を示す図である。図１４では、応力モニタリングセンサのうち、検知部３の部分にハッチングを付している。なお、本実施形態では、ＦＢＧセンサである光ファイバセンサ１０を用いた場合について説明する。

応力モニタリングセンサ１は、交点Ｉにおいて互いに交わり、平行でない方向に延在するように設置された検知部３を有し、多方向のひずみを計測する。応力モニタリングセンサ１は、１または複数の光ファイバセンサ１０と、支持部材３０とを備えている。

支持部材３０は、上述した通り、光ファイバセンサ１０を支持する部材である。応力モニタリングセンサ１は、支持部材３０だけでなく、センサ位置決め部材２００を構成する部材をさらに有していてもよい。

また、応力モニタリングセンサ１は、光ファイバセンサ１０を保護する被覆部を有していてもよい。例えば、応力モニタリングセンサ１は、光ファイバセンサ１０の検知部３の周辺を被覆する第１の被覆部１１と、光ファイバケーブル９を被覆する第２の被覆部１２とを有しても良い。

第１の被覆部１１は、セメント系材料または樹脂で構成されている。第１の被覆部１１を構成するセメント系材料または樹脂は、応力モニタリングセンサ１を設置するコンクリート構造物に用いるコンクリートと同程度以上の強度を有する材料であれば良い。また、第１の被覆部１１にセメント系材料を用いる場合、第１の被覆部１１がひび割れて水分や塩分などの劣化因子が侵入することを防ぐため、収縮の小さいまたは無収縮モルタルとすることがより好ましい。

第１の被覆部１１は、検知部３を覆うのに十分な厚みを有することが好ましい。例えば、検知部３が１０ｍｍの場合には、第１の被覆部１１の厚さも１０ｍｍより大きいことが好ましく、検知部３の厚さに応じて、検知部３が露出しないように検知部３の厚さと同程度以上の厚みと有することが好ましい。

また、交点Ｉで互いに交わる複数の検知部３を覆うように、矩形状、多角形状、球状や柱状を形成するように、第１の被覆部１１が設けられることがより好ましい。特に矩形状に形成される場合には、第１の被覆部１１の表面に平行となるように検知部３を設けることによって、第１の被覆部１１によって検知部３の位置が外部から見えずとも、検知部３をコンクリート構造物１００の所望の位置に設置しやすくなる。

第１の被覆部１１が立方体状であるとき、１辺の長さが１辺の長さが５ｃｍ以下であることが好ましい。１辺の長さを５ｃｍ以下とした場合には、一般的なコンクリート構造物１００の過密鉄筋部への設置が容易となり、かつ、応力モニタリングセンサ１の設置によってコンクリート構造物１００の強度に与える影響についても小さくすることができる。しかしながら、１辺の長さは特に限定されず、当該配筋の間に配置可能な長さであればよく、例えば、コンクリート構造物１００の配筋の過密度合に応じて、５ｃｍより大きくしてもよい。

第２の被覆部１２は、図１５に示すように、少なくとも検知部３除く部分にて光ファイバケーブル９を保護することが好ましい。より好ましくは、少なくともセンサ位置決め部材２００に保持されている部分を除いて光ファイバケーブル９を保護することであり、第２の被覆部１２に保護された光ファイバセンサ１０が曲げにくくなりやすいことから、光ファイバセンサ１０の設置を容易にする。第２の被覆部１２は、例えば、円筒状であり、光ファイバケーブル９が挿通可能な保護チューブであるが、光ファイバケーブル９の表面をコーティングすることで形成されてもよい。

第２の被覆部１２の材料は、フッ素樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＴＰＥＥ（熱可塑性ポリエーテルエステルエラストマー、ハイトレル）、高耐熱柔軟性エラストマー樹脂、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、ＰＵ（ポリウレタン）樹脂等が挙げられるが、これに限らない。また、第２の被覆部１２の内径は０．３～０．５ｍｍ、かつ外径は１ｍｍ以下が好ましい。

［応力モニタリングセンサのコンクリート構造物への設置例］
図１６は、コンクリート構造物１００内部に埋設された応力モニタリングセンサの様子を示す図である。コンクリート構造物１００は、横方向や縦方向に鉄筋１０１を備えている。光ファイバセンサを設置する位置は、柱、梁など構造物の主要構造部が好ましい。図１６は、３本の光ファイバセンサから応力モニタリングセンサが構成されている場合を示す図である。図１６では、複数の検知部３および第１の被覆部１１については模式的に示されており、支持部材３０については省略されている。

応力モニタリングセンサ１は、計測器８０と接続している。計測器８０は、応力モニタリングセンサ１が有する各光ファイバセンサ１０に接続されており、検知部３にて検知したひずみを測定する。計測器８０は、光ファイバセンサによるひずみを測定できれば良く、地震時の振動モニタリングを行なう場合には、測定周波数が１００Ｈｚ以上のものが好ましく、より好ましくは１ｋＨＺ以上である。

事前にセンサの載荷試験を実施し、応力と光ファイバセンサのひずみの関係を求めてお
くことにより、その部位の応力を把握することもできる。また、損傷の有無を確認する場
合には、ひずみをモニタリングし、残存ひずみで損傷が生じているかを把握することがで
きる。

また、応力モニタリングセンサ１は、図１６に示すように、１つの応力モニタリングセンサ１によりコンクリート構造物１００内部の複数の場所でひずみを計測できるように構成されてもよい。すなわち、検知部３の両端から光ファイバケーブル９が伸びてもよい。このとき、１つのセンサ位置決め部材２００が有する挿通部４１が２以上であってもよい。

［応力モニタリング方法］
次に、本実施形態に係る応力モニタリング方法について説明する。図１７は、本実施形態に係る応力モニタリング方法を示すフローチャートである。

まず、上述したセンサ位置決め部材２００を用いて、複数の検知部３が交点Ｉにおいて互いに交わり、平行でない方向に延在するように、検知部３の位置を制限することによって、光ファイバセンサ１０の位置決めをする（ステップＳ１）。このとき、２以上の位置決め部３１の間に検知部３が位置するように位置決めをする。これにより、検知部３が直線状に設置できる。

また、センサ位置決め部材２００に光ファイバセンサ１０を設置する際に、光ファイバセンサ１０の伝搬光の損失値が所定の閾値以上になるように設置することが好ましい。すなわち、光ファイバセンサ１０の損失値が所定の閾値以上であることを確認しながら、光ファイバセンサ１０を設置する。所定の閾値とは、応力のモニタリングに十分な損失値のことである。例えば、複数の光ファイバケーブル９を挿通部４１に挿通する場合、各光ファイバケーブルに曲げが生じることになるが、光ファイバセンサ１０の損失値が所定の閾値以上であることを確認しながら、各光ファイバケーブル９を設置することで、最小曲げ半径以内の範囲であっても、ひずみを取得することができる。なお、損失値については、測定機器の種類等によって誤差が生じる可能性があるため、所定の閾値を定める際には、応力モニタリングセンサ１を作製する前に損失値を変えた複数の応力モニタリングセンサ１を試作し、所定の閾値の目処をつけることが望ましい。

応力モニタリングセンサ１を構成する光ファイバセンサ１０は１または複数であってもよいが、光ファイバセンサ１０の損失値を所定の閾値以上にするためには、複数の光ファイバセンサ１０から構成されることが好ましい。複数の検知部３を有する１つの光ファイバセンサ１０をセンサ位置決め部材２００に保持させる場合には、曲げを抑えるために、コンクリート構造物１００に設置可能な範囲でセンサ位置決め部材２００を大きくしてもよい。

次に、検知部３を囲繞するように、第１の被覆部１１を形成する（ステップＳ２）。第１の被覆部１１は、第１の被覆部１１の材料を投入口２０１から充填することで形成される。なお、第２の被覆部１２の形成は、第１の被覆部の形成（ステップＳ２）とともに行われても良いが、光ファイバセンサの設置（ステップＳ１）より前に行なわれることが好ましい。

次に、第１の被覆部１１が形成された後に、固定部材４０を取り外す（ステップＳ３）。固定部材４０の取り外しは、手で取り外すことができ、表面を加工するために、カッターやニッパーなどの工具を補助として用いてもよい。固定部材４０を取り外すことで、セメント系材料からなる第１の被覆部１１と、コンクリート構造物を構成するコンクリートとが一体化するため、コンクリート構造物１００の強度に影響を与えることがない。

次に、応力モニタリング対象となるコンクリート構造物の内部に応力モニタリングセンサを埋設する（ステップＳ４）。応力モニタリングセンサ１は、コンクリート構造物１００を形成する型枠のなかに設置され、その状態のままコンクリートを打設されることでコンクリート構造物１００内部に埋設される。

次に、埋設した応力モニタリングセンサのひずみを測定する（ステップＳ５）。応力モニタリングセンサに接続された計測器８０によって、検知部３が検知したひずみが計測される。

次に、計測されたひずみから主応力を算出する（ステップＳ６）。交点Ｉで交差し、同一平面上に延在する３つ以上の検知部がある場合に、計測されたひずみから主応力の大きさや方向を算出することができる。

［実施例］
次に、本実施形態に係る応力モニタリングセンサの性能について検証した。本実施例で用いた応力モニタリングセンサ１には、上述した応力モニタリング方法におけるステップＳ１～Ｓ３に基づいて作製された応力モニタリングセンサを用いた。また、図６Ａに示すセンサ位置決め部材を用いて作製した応力モニタリングセンサを実施例１とし、図１１に示すセンサ位置決め部材を用いて作製した応力モニタリングセンサを実施例２とした。実施例１および２では、第１の被覆部１１が一辺４ｃｍとなる立方体を形成するように作製した。また、比較例として、ひずみゲージを使用した。

表１は、実施例に係る第１の被覆部を構成するコンクリートの配合を示す表である。表１に示すように、「Ｗ」は「水道水（密度１ｇ／ｃｍ３）」である。また、「ＰＭ－Ａ」は、ダクタル（登録商標、太平洋セメント社製）のセメントであるダクタルプレミックスＡ」であり、「ＰＭ－Ｂ」は、「ダクタル（登録商標、太平洋セメント社製）の細骨材であるダクタルプレミックスＢ」である。ダクタル（登録商標、太平洋セメント社製）は、超高強度繊維補強コンクリートであるが、繊維を混入させずに高流動高強度のセメント系材料として使用した。

比較例では、一辺が４ｃｍとなる立方体状の第１の被覆部の表面に、図１８に示すような位置にひずみゲージを貼り付けた。つまり、第１のひずみゲージ５００Ａと第２のひずみゲージ５００Ｂとが交点Ｉで直交し、第１のひずみゲージ５００Ａとの距離と、第２のひずみゲージ５００Ｂとの距離が等しくなるように、第３のひずみゲージ５００Ｃが延在するように設置した。第１の被覆部にひずみゲージを貼りつけた後に、耐圧試験機でセンサの載荷試験を実施した。図１９は、比較例の結果を示している。

実施例１および２では、第１の被覆部１１を形成し、固定部材を取り外した後に、耐圧試験機でセンサの載荷試験を実施した。図２０および２１は、耐圧試験機で載荷試験を実施した結果を示すグラフであり、図２０は実施例１の結果を示しており、図２１は実施例２の結果を示している。

比較例において、最も大きい荷重がかかったときに測定された横ひずみは２４μであり、縦ひずみは－１７６μであった。また、実施例１において、最も大きい荷重がかかったときに測定された横ひずみは、２７μであり、縦ひずみは－１７６μであった。実施例２において、最も大きい荷重がかかったときに測定された横ひずみは４３μであり、縦ひずみは－２５４μであった。

どちらの実施例についても、弾性域における縦ひずみと横ひずみの関係を確認すると、横ひずみが縦ひずみの１／６程度の大きさになった。第１の被覆部の表面に貼り付けたひずみゲージの縦ひずみに対する横ひずみの関係も１／６程度であることから、応力モニタリングセンサによって、正確にひずみを取得できることが確認された。

以上のことから、本発明に係る応力モニタリングセンサは、多方向のひずみを計測する場合であっても、所望の方向に対して直線状に設置することを容易にすることができ、測定されるひずみについても、ひずみゲージと同程度の確度であることが確認できた。

１ 応力モニタリングセンサ
３ 検知部
３Ａ 第１の検知部
３Ｂ 第２の検知部
３Ｃ 第３の検知部
９ 光ファイバケーブル
１０ 光ファイバセンサ
１１ 第１の被覆部
１２ 第２の被覆部
２１ 第１の型枠形成部材
２２ 篏合凹部
２５ 第２の型枠形成部材
２６ 篏合凸部
３０ 支持部材
３１ 位置決め部
４０ 固定部材
４１ 挿通部
４２ 切り欠き部
８０ 計測器
１００ コンクリート構造物
１０１ 鉄筋
２００ センサ位置決め部材
２０１ 投入口
２０５ 板部材
５００Ａ 第１のひずみゲージ
５００Ｂ 第２のひずみゲージ
５００Ｃ 第３のひずみゲージ
Ｉ 交点

Claims (17)

1. コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、
   光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサを支持する支持部材と、
   前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部と、を備えることを特徴とする応力モニタリングセンサ。
2. 前記複数の検知部は、第１の検知部と第２の検知部とを含み、
   前記第１の検知部と前記第２の検知部とは直交していることを特徴とする請求項１に記載の応力モニタリングセンサ。
3. 前記複数の検知部は、特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の応力モニタリングセンサ。
4. 前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、
   前記第１、第２および第３の検知部は、互いに直交するように設けられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の応力モニタリングセンサ。
5. 前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、
   前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差するように設けられ、
   前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差する平面上において、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間に前記第３の検知部が延在するように設けられることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の応力モニタリングセンサ。
6. 前記検知部を囲繞するように前記光ファイバセンサを被覆する被覆部をさらに備えることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の応力モニタリングセンサ。
7. 前記被覆部は第１の被覆部であり、
   少なくとも前記検知部を除く前記光ファイバケーブルを被覆する第２の被覆部をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の応力モニタリングセンサ。
8. 光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサを保持するセンサ位置決め部材であって、
   前記光ファイバセンサを支持する支持部材と、
   前記支持部材の位置を固定する固定部材と、
   前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部と、を備えることを特徴とするセンサ位置決め部材。
9. 前記複数の検知部は、第１の検知部と第２の検知部とを含み、
   前記第１の検知部と前記第２の検知部とが直交するように、前記位置決め部が設けられることを特徴とする請求項８に記載のセンサ位置決め部材。
10. 前記複数の検知部が特定の一点を通り平行でない３方向に少なくとも設置されるように、前記位置決め部が設けられることを特徴とする請求項８または９に記載のセンサ位置決め部材。
11. 前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、
    前記第１、第２および第３の検知部が互いに直交するように、前記位置決め部が設けられることを特徴とする請求項８～１０のいずれか一項に記載のセンサ位置決め部材。
12. 前記複数の検知部は、第１、第２および第３の検知部を含み、
    前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差し、
    前記第１の検知部と前記第２の検知部とが交差する平面上において、前記第１の検知部と前記第２の検知部との間に前記第３の検知部が延在するように、前記位置決め部が設けられることを特徴とする請求項８～１０のいずれか一項に記載のセンサ位置決め部材。
13. 前記固定部材は、前記光ファイバケーブルが挿通可能な挿通部をさらに備えることを特徴とする請求項８～１２のいずれか一項に記載のセンサ位置決め部材。
14. 前記支持部材と前記固定部材とが分離可能であることを特徴とする請求項８～１３のいずれか一項に記載のセンサ位置決め部材。
15. 光信号を伝送する光ファイバケーブルにひずみを検知する検知部が設けられた複数の光ファイバセンサまたはひずみを検知する検知部が複数設けられた単一の光ファイバセンサを用いて、コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリング方法であって、
    前記光ファイバセンサを支持する支持部材、前記支持部材の位置を固定する固定部材、および前記支持部材に設けられ、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように前記検知部の位置を制限する位置決め部を備えるセンサ位置決め部材を用いて、複数の前記検知部が特定の一点において互いに交わり、平行でない方向に延在するように、前記検知部の位置を制限することによって、前記光ファイバセンサの位置決めをするセンサ位置決め工程と、
    前記位置決めされた光ファイバセンサを、前記コンクリート構造物内に埋設する工程と、
    前記埋設した光ファイバセンサのひずみを測定する工程と、
    前記測定したひずみの経時的変化の特性に基づいて、前記コンクリート構造物内に生じた応力を推定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする応力モニタリング方法。
16. 前記検知部を囲繞するように、被覆部により前記光ファイバセンサを被覆する工程と、
    前記被覆した光ファイバセンサから前記固定部材を取り外す工程とをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の応力モニタリング方法。
17. 前記センサ位置決め工程において、
    前記光ファイバセンサの損失値が所定の閾値以上になるように、前記光ファイバセンサを前記位置決め部に設置させることを特徴とする請求項１５または１６に記載の応力モニタリング方法。
    
    

Images