JP2023049424A - 計測装置及び計測装置の設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート部材に加わる荷重をコンパクトな構成で光ファイバを用いて計測することができる計測装置及び計測装置の設置方法を提供する。
【解決手段】計測装置１は、計測対象のコンクリート部材の内部に設置され、周囲のコンクリート部材からの軸方向Ｄ１に沿う荷重を径方向Ｄ２に沿う変位に変換する荷重変換部２０と、変位が生じる荷重変換部２０の側面２４ｂに沿って巻き回された光ファイバケーブル３０と、光ファイバケーブル３０のひずみを計測すると共に、計測された光ファイバケーブル３０のひずみと荷重変換部２０の荷重から変位への変換特性とに基づいて、荷重を取得する荷重演算部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、計測装置及び計測装置の設置方法に関する。

従来、コンクリート部材に生じるひずみを計測する計測装置として、特許文献１に記載の光ファイバセンサが知られている。この光ファイバセンサは、光ファイバと、応力を光ファイバのひずみに変換する変換部と、ひずみに伴う光ファイバの後方散乱光の変化を検出する検出部とを備えている。変換部は弾性体からなり、直線状をなしている。弾性体に応力が作用して生じる変形に光ファイバが追従し、光ファイバにひずみが生ずるようになっている。

特開２００６－３８７９４号公報

ところで、コンクリート部材に埋設するひずみ計測用の光ファイバを利用して、弾性部材に光ファイバを貼り付けて設置し、コンクリート部材に生じる荷重を取得することが試みられている。光ファイバでのひずみ計測においては、計測の特性上、光ファイバ上の複数の位置のひずみ（計測値）を平均化することが要される。そのため、この複数の位置同士の距離である検長長さ（空間分解能）を考慮して光ファイバを設置する必要がある。従来技術のように弾性部材が直線状である場合、必要な計測点数を確保するには弾性部材の全長が長くなってしまい、コンクリート部材への配置が困難となるおそれがある。また、弾性部材の全長を変えずに検長長さを極端に短くして距離あたりの計測点数を増やすと、これにつられて当該光ファイバの他の部分の距離あたりの計測点数が過剰となり、全体のデータ量が膨大になるおそれがある。

そこで、本発明は、コンクリート部材に加わる荷重をコンパクトな構成で光ファイバを用いて計測することができる計測装置及び計測装置の設置方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、コンクリート部材に加わる荷重を計測する計測装置であって、計測対象のコンクリート部材の内部に設置され、周囲のコンクリート部材からの第１方向に沿う荷重を第１方向に交差する第２方向に沿う変位に変換する荷重変換部と、変位が生じる荷重変換部の変位面に沿って巻き回された光ファイバと、光ファイバのひずみを計測すると共に、計測された光ファイバのひずみと荷重変換部の荷重から変位への変換特性とに基づいて荷重を取得する荷重演算部と、を備える。

この計測装置では、計測対象のコンクリート部材の内部に設置された荷重変換部に、周囲のコンクリート部材からの第１方向に沿う荷重が加わると、荷重変換部の変位面が第２方向に沿って変位する。荷重変換部の変位面には光ファイバが巻き回されているため、荷重変換部の変位面が変位すると、光ファイバにひずみが生じる。ここで、第１方向に沿う荷重を第２方向に沿う変位に変換する荷重変換部の特性を用いることで、変位面の変位から第１方向に沿う荷重を取得することが可能である。この変位面の変位は、計測された光ファイバのひずみに基づいて求めることができる。また、光ファイバが変位面に巻き回されているため、巻き回されない直線状の配置と比べて、同じ計測点数を確保するための荷重変換部の第１方向の寸法が短くて済む。したがって、計測装置によれば、コンクリート部材に加わる荷重をコンパクトな構成で光ファイバを用いて計測することが可能となる。

一実施形態において、荷重変換部は、第１方向に沿う荷重を受ける底面と変位面である側面とを有する柱状の弾性部材を含み、荷重演算部は、荷重変換部の変換特性として弾性部材の弾性係数とポアソン比とに基づいて荷重を算出してもよい。この場合、弾性部材の弾性係数とポアソン比とが既知であれば、このような変換特性を用いることで、側面の変位から底面で受けた荷重を容易に取得することができる。

一実施形態において、荷重変換部は、複数の弾性部材と、隣り合う弾性部材に挟まれる板部材と、を含み、弾性部材と板部材とは、第１方向に沿って交互に積層されていてもよい。この場合、例えば荷重変換部全体の第１方向に沿う寸法が同じ条件であれば、ひとつの弾性部材で荷重変換部が構成される場合と比べて、複数の弾性部材と板部材とが第１方向に沿って交互に積層されている構成の方が、弾性部材ひとつあたりの第１方向に沿う寸法が小さくなる。これにより、弾性部材ひとつあたりの側面の変位が小さくなるため、側面の変位の大きさが第１方向に沿ってばらつくことを抑制することができる。

一実施形態において、計測装置は、変位面及び光ファイバを覆うように設けられた緩衝部材を更に備えてもよい。この場合、緩衝部材が変位面及び光ファイバを覆っているため、緩衝部材の厚さ分の変位面及び光ファイバの変位が許容される。よって、変位面及び光ファイバの変位が妨げられて荷重の計測に影響することを抑制することができる。

一実施形態において、荷重変換部は、荷重変換部から離れる方向の荷重を受ける引張荷重受け部を含んでもよい。この場合、引張荷重受け部により、荷重変換部から離れる方向の荷重が引張荷重として荷重変換部に伝達される。これにより、コンクリート部材に加わる引張荷重を光ファイバを用いて計測することが可能となる。

本発明の他の態様は、コンクリート部材に加わる荷重を計測する計測装置の設置方法であって、上記の計測装置を準備するステップと、第１方向に沿う荷重を予め付与した状態で計測装置を埋設するようにコンクリートを打設するステップと、を備えてもよい。この場合、第１方向に沿う荷重を予め付与した状態で計測装置が埋設されるため、コンクリート部材に加わる引張荷重を好適に計測することができる。

本発明によれば、コンクリート部材に加わる荷重を光ファイバを用いてコンパクトな構成で計測することができる。

実施形態に係る計測装置を示す概略構成図である。 図１の計測装置の要部を示す概略構成図である。 （ａ）図２の弾性部材の表面近傍の断面図である。（ｂ）変形例の弾性部材の表面近傍の断面図である。 光ファイバの巻回し諸元を説明するための図である。 図２の弾性部材による荷重から変位への変換を説明するための図である。 計測装置の変形例を示す概略構成図である。 （ａ）図６の計測装置の内部を例示する断面図である。（ｂ）図６の計測装置の内部の他の例を示す断面図である。 計測装置の設置方法を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る計測装置の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いる場合があり、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係る計測装置を示す概略構成図である。計測装置１は、コンクリート構造物（コンクリート部材）Ｓに加わる荷重を計測する装置である。コンクリート構造物Ｓとしては、例えば、トンネルの覆工コンクリート（トンネル周方向）、ＰＣ箱桁、ダムコンクリート等の構造物が挙げられる。

計測装置１は、コンクリート構造物Ｓに埋設される応力抑制容器１０と、応力抑制容器１０の内部に設けられた荷重変換部２０と、応力抑制容器１０から延び出す線状の光ファイバケーブル（光ファイバ）３０と、光ファイバケーブル３０の端部に設けられた荷重演算部４０と、を備えている。なお、図の理解の容易化のため、図１においてコンクリート構造物Ｓに対応するハッチングを省略している。

応力抑制容器１０は、荷重変換部２０と光ファイバケーブル３０の一部とを収容する容器である。応力抑制容器１０は、コンクリート構造物Ｓにおいて、荷重の計測を要する箇所に配置される。応力抑制容器１０は、コンクリート構造物Ｓにおいて複数箇所に設けられていてもよい。応力抑制容器１０は、外部のコンクリートＳ１から内部のコンクリートＳ２への応力の伝達を抑制する。応力抑制容器１０は、樹脂又は金属等の硬質材料からなっている。応力抑制容器１０は、円筒等の筒状であってもよいし、有蓋箱状であってもよい。応力抑制容器１０の寸法は、特に限定されないが、一例として、応力抑制容器１０の軸方向Ｄ１（第１方向）の長さが２００ｍｍ程度とすることができる。

応力抑制容器１０の内部には、周囲（外部）のコンクリートＳ１と同様のコンクリートＳ２が打設されている。コンクリートＳ２は、外部のコンクリートＳ１と同じ材料とされ、同じ材齢とされている。応力抑制容器１０の内壁面には、外部のコンクリートＳ１から内部のコンクリートＳ２への応力の伝達を抑制するための緩衝材（図示省略）が取り付けられている。緩衝材としては、例えば、濾紙、ポーラスシート、金網、及びフェルトがこの順で内側から外側に積層されていてもよい。これにより、外部のコンクリートＳ１と内部のコンクリートＳ２とがいわゆる縁切りされ、応力抑制容器１０の軸方向に交差する方向の応力が伝達されることが抑制される。

荷重変換部２０は、計測対象の応力抑制容器１０内部のコンクリートＳ２の内部に設置されている。荷重変換部２０は、コンクリートＳ２からの荷重を一方側の端面２１及び他方側の端面２２に作用させるように、その軸方向が軸方向Ｄ１に沿うように配置されている。荷重変換部２０には、一方側の端面２１にアンカ２３が設けられていてもよい。アンカ２３は、内部のコンクリートＳ２からの荷重として荷重変換部２０から離れる方向の荷重を受ける引張荷重受け部として機能する。なお、引張荷重受け部としては、アンカ２３に代えて、応力抑制容器１０の軸方向に交差する方向に突出する部分を含むフランジであってもよい。荷重変換部２０の詳細な構成については、後述する。

応力抑制容器１０の両端部には、例えば、光ファイバケーブル３０が挿通される貫通孔が設けられている。応力抑制容器１０の一方側から引き込まれた光ファイバケーブル３０は、荷重変換部２０に螺旋状に取り付けられ（詳しくは後述）、応力抑制容器１０の他方側から引き出される。応力抑制容器１０の両端から延び出す光ファイバケーブル３０は、例えば、コンクリート構造物Ｓの内部の構造用鉄筋（図示省略）に沿うように配置されている。

応力抑制容器１０の両端から延び出した光ファイバケーブル３０は、コンクリート構造物Ｓの外部で荷重演算部４０に接続されている。荷重演算部４０は、光ファイバケーブル３０のひずみを計測する。応力抑制容器１０の内部の光ファイバケーブル３０は、コンクリートＳ２に加わる荷重の計測に用いられる。荷重演算部４０は、計測された光ファイバケーブル３０のひずみ（特に荷重変換部２０に沿う光ファイバケーブル３０のひずみ）と、後述の荷重変換部２０の変換特性とに基づいて、内部のコンクリートＳ２からの荷重を取得する。応力抑制容器１０の外部の光ファイバケーブル３０は、コンクリートＳ１に作用する全ひずみの計測に用いることができる。つまり、１本の光ファイバケーブル３０で、荷重及びコンクリート構造物Ｓの内部のコンクリートの全ひずみを計測できる。

荷重演算部４０は、計測器と分析装置とを含む。計測器は、光ファイバケーブル３０に計測光Ｋ１を入射するとともに、光ファイバケーブル３０の長手方向の各計測位置から戻ってくる後方散乱光Ｋ２を受光し、受光した後方散乱光Ｋ２の強度や波長等に関する情報を分析装置（図示省略）に送信する。上記の散乱光としては、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光等がある。計測器の例として、例えばレイリー散乱光を利用するＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）やブリルアン散乱光を利用するＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）等を用いることができる。

分析装置は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成されたコンピュータである。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて、分析装置を制御する。ＲＡＭは、ＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムを実行する際のワークメモリとして機能する。分析装置では、後方散乱光Ｋ２の強度や波長が、光ファイバケーブル３０に加わったひずみ等に依存するとの原理に基づき、光ファイバケーブル３０の長手方向の各計測位置における後方散乱光Ｋ２の強度や波長が分析される。この分析により、光ファイバケーブル３０の長手方向の各計測位置のひずみが取得され、その結果、光ファイバケーブル３０に加わった長手方向のひずみ分布が得られる。

図２は、図１の計測装置の要部を示す概略構成図である。図２に示されるように、荷重変換部２０は、弾性部材２４と、弾性部材２４を囲む緩衝部材２５と、緩衝部材２５を囲むカバー部材２６と、を有している。

荷重変換部２０は、周囲のコンクリートＳ１からの軸方向Ｄ１に沿う荷重を、荷重変換部２０の径方向Ｄ２に沿う変位に変換する。径方向Ｄ２は、軸方向Ｄ１に交差する第２方向である。弾性部材２４は、このような軸方向Ｄ１に沿う荷重を径方向Ｄ２に沿う変位に変換する機能を有する。弾性部材２４は、柱状をなしており、底面２４ａと側面２４ｂとを有している。底面２４ａは、応力抑制容器１０の軸方向Ｄ１（第１方向）に沿う荷重を受ける。側面２４ｂは、軸方向Ｄ１に沿う荷重に応じて径方向Ｄ２に沿って変位する変位面である。底面２４ａには、コンクリートＳ２から軸方向Ｄ１に沿う荷重を受けて底面２４ａに伝達するための荷重受け部材（図示省略）が設けられていてもよい。

弾性部材２４は、弾性係数及びポアソン比が既知（例えば比例関係）であり、経時的変化が十分に小さい材料で構成されている。弾性部材２４は、ポアソン比が比較的大きい材料であることが好ましく、例えばゴムで構成されている。弾性部材２４がゴム製の場合、一例として、ヤング係数は０．１～１０ｋＮ／ｍｍ^２、ポアソン比は０．５程度であってもよい。弾性部材２４は、クリープ及び収縮などの経時的変化が既知であってもよい。つまり、弾性部材２４の弾性係数及びポアソン比は、軸方向Ｄ１に沿う荷重を径方向Ｄ２に沿う変位に変換する荷重変換部２０の特性である。なお、弾性部材２４の材料は、ゴムのほか、例えば金属材料、樹脂材料であってもよい。

弾性部材２４では、光ファイバケーブル３０が弾性部材２４の側面２４ｂに沿って巻き回されている。図３は、図２の弾性部材の表面近傍の断面図である。図３（ａ）に示されるように、光ファイバケーブル３０は、弾性部材２４の側面２４ｂに接着されていてもよい。あるいは、図３（ｂ）に示されるように、光ファイバケーブル３０は、弾性部材２４の側面２４ｂに形成された溝の底に接着されていてもよい。

図４は、光ファイバの巻回し諸元を説明するための図である。図４において、Ｒは光ファイバケーブル３０の巻回し部分の半径であり、θは光ファイバケーブル３０の巻回し部分の側面視での径方向Ｄ２に対する光ファイバケーブル３０の角度であり、Ｈは光ファイバケーブル３０の巻回し部分の１巻き分の軸方向Ｄ１の長さである。

光ファイバケーブル３０は、全体として円筒状の外径をなすように螺旋状に巻き回されている。光ファイバケーブル３０の巻回し部分の直径（２Ｒ）は、光ファイバケーブル３０の最小曲げ半径を２０ｍｍと仮定した場合、例えば４０ｍｍ～５０ｍｍ程度とすることができる。光ファイバケーブル３０の巻回し部分の軸方向Ｄ１の全長（Ｈの巻き数倍の長さ）は、荷重変換部２０での光ファイバケーブル３０の計測点数を考慮して決定され、例えば５０ｍｍ程度とすることができる。θは、上述のＲ及びＨに応じて設定され、例えば１０°となる。

このような諸元での有効計測点は、例えば空間分解能１０ｃｍでデータ取得間隔５ｃｍの場合、１５プロット程度となる。また、ひずみ計測精度が１μ（１０^－６）であり、ヤング係数が１００００Ｎ／ｍｍ^２であるとすると、ひずみを軸方向Ｄ１に換算した場合の計測感度は、０．０５８Ｎ／ｍｍ^２であり、ひずみを径方向Ｄ２に換算した場合の計測感度は、０．０２０Ｎ／ｍｍ^２である。このように、光ファイバケーブル３０を弾性部材２４に螺旋状に設置することで、例えば、荷重の計測に必要な光ファイバケーブル３０の長さに対して弾性部材２４の軸方向Ｄ１の長さが短い場合であっても、有意な複数の計測点を設定することができる。

図２に戻り、弾性部材２４の側面２４ｂは、緩衝部材２５で覆われている。緩衝部材２５は、側面２４ｂに沿って巻き回された光ファイバケーブル３０を覆っている。つまり、緩衝部材２５は、変位面及び光ファイバケーブル３０を覆うように設けられている。緩衝部材２５は、例えば弾性部材２４と同程度の軸方向Ｄ１の寸法とされている。緩衝部材２５の径方向Ｄ２の厚さは、弾性部材２４のポアソン比に従った変形を拘束しない程度の寸法とされている。緩衝部材２５は、光ファイバケーブル３０を保護及び固定する部材としての機能も有する。緩衝部材２５は、荷重変換部２０よりも軟質な材料で構成されている。緩衝部材２５は、一例として、スポンジを用いることができる。

緩衝部材２５の側面は、カバー部材２６で包囲されている。カバー部材２６は、荷重変換部２０の外形を保持するための部材である。カバー部材２６は、例えば円筒状部材であり、弾性部材２４と同程度の軸方向Ｄ１の寸法とされている。カバー部材２６の外径は、応力抑制容器１０の内部に収容可能な外径であってもよい。カバー部材２６は、緩衝部材２５よりも硬質な材料で構成されている。カバー部材２６としては、例えば、塩化ビニル製のパイプ等を用いることができる。

図５は、図２の弾性部材による荷重から変位への変換を説明するための図である。図５に示されるように、コンクリートＳ２から荷重変換部２０の底面２４ａに軸方向Ｄ１に沿う荷重が作用すると、側面２４ｂが径方向Ｄ２に膨らむ。これにより、弾性部材２４の形状は、全体として俵状を呈する。弾性部材２４とカバー部材２６との間に緩衝部材２５が介在するため、側面２４ｂは、周囲のコンクリートＳ２及びカバー部材２６に拘束を受けることなく、径方向Ｄ２に膨らむことができる。これにより、側面２４ｂは、弾性係数及びポアソン比の関係に従った関係で径方向Ｄ２に変位し、光ファイバケーブル３０を径方向Ｄ２に沿って押し広げる。光ファイバケーブル３０には、底面２４ａが受ける軸方向Ｄ１に沿う荷重に応じたひずみが生じる。

ここで、応力抑制容器１０の内部のコンクリートＳ２は、周囲のコンクリートＳ１と応力抑制容器１０によって縁切りされているので、周囲のコンクリートＳ１からの応力の影響が低減された状態で、底面２４ａが軸方向Ｄ１に沿う荷重を受ける。光ファイバケーブル３０で計測されるひずみは、実質的にコンクリートＳ２での軸方向Ｄ１に沿う荷重のみに相当する。したがって、荷重演算部４０によって、コンクリート構造物Ｓ全体に設置される光ファイバケーブル３０の一部区間である荷重変換部２０に巻き回された光ファイバケーブル３０のひずみから、弾性部材２４の弾性係数及びポアソン比（荷重変換部２０の変換特性）を介して、底面２４ａが受けている軸方向Ｄ１に沿う荷重が算出される。

以上説明したように、本実施形態に係る計測装置１では、計測対象のコンクリートＳ２の内部に設置された荷重変換部２０に、応力抑制容器１０の軸方向Ｄ１（第１方向）に沿う荷重が周囲のコンクリートＳ２から加わると、荷重変換部２０の変位面である側面２４ｂが荷重変換部２０の径方向Ｄ２（第２方向）に沿って変位する。荷重変換部２０の側面２４ｂには光ファイバケーブル３０が巻き回されているため、荷重変換部２０の側面２４ｂが変位すると、光ファイバケーブル３０にひずみが生じる。ここで、軸方向Ｄ１に沿う荷重を第２方向に沿う変位に変換する荷重変換部２０の特性を用いることで、側面２４ｂの変位から軸方向Ｄ１に沿う荷重を取得することが可能である。この側面２４ｂの変位は、計測された光ファイバケーブル３０のひずみに基づいて求めることができる。また、光ファイバケーブル３０が側面２４ｂに巻き回されているため、巻き回されない直線状の配置と比べて、同じ計測点数を確保するための荷重変換部２０の軸方向Ｄ１の寸法が短くて済む。換言すれば、空間分解による必要計測長が見かけ上短縮される。したがって、計測装置１によれば、コンクリートＳ２に加わる荷重をコンパクトな構成で光ファイバケーブル３０を用いて計測することが可能となる。

なお、荷重計測用の光ファイバとして、コンクリート構造物Ｓに埋設するひずみ計測用の光ファイバケーブル３０を利用することで、光ファイバケーブル３０を用いたひずみ計測で荷重まで含めたいわゆる連続的計測が可能となる。また、ひずみ計測用の光ファイバケーブル３０とは別に、従来のロードセル型の荷重計を準備しなくても済むため、コンクリートＳ２に作用する荷重（応力）を簡便に計測することができる。また、長尺の弾性部材に光ファイバを貼り付ける場合と比べて、荷重を計測するための部材が小型となるため、コンクリートＳ２内部への配置についての制約が小さくなる。

計測装置１では、荷重変換部２０は、軸方向Ｄ１に沿う荷重を受ける底面２４ａと側面２４ｂとを有する柱状の弾性部材２４を含んでいる。荷重演算部４０は、荷重変換部２０の変換特性として弾性部材２４の弾性係数とポアソン比とに基づいて荷重を算出する。これにより、弾性部材２４の弾性係数とポアソン比とが既知であり、例えば比例関係にある場合、このような変換特性を用いることで、側面２４ｂの変位から底面２４ａで受けた荷重を容易に取得することができる。

計測装置１では、計測装置１は、側面２４ｂ及び光ファイバケーブル３０を覆うように設けられた緩衝部材２５を更に備えている。これにより、緩衝部材２５が側面２４ｂ及び光ファイバケーブル３０を覆っているため、緩衝部材２５の厚さ分の側面２４ｂ及び光ファイバケーブル３０の変位が許容される。よって、側面２４ｂ及び光ファイバケーブル３０の変位が妨げられて荷重の計測に影響することを抑制することができる。

計測装置１では、荷重変換部２０は、荷重変換部２０から離れる方向の荷重を受けるアンカ２３を含んでいる。アンカ２３により、荷重変換部２０から離れる方向の荷重が引張荷重として荷重変換部２０に伝達される。これにより、コンクリートＳ２に加わる引張荷重を光ファイバケーブル３０を用いて計測することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。

荷重変換部２０の構成は、上述の例に限定されない。例えば、図６に示されるような荷重変換部２０Ａの構成であってもよい。図６は、計測装置の変形例を示す概略構成図である。荷重変換部２０Ａは、複数の弾性部材２７と、隣り合う弾性部材２７に挟まれる板部材２８と、を含んでいる。弾性部材２７と板部材２８とは、軸方向Ｄ１に沿って交互に積層され、いわゆる積層ゴム支承のように構成されている。複数の弾性部材２７及び板部材２８は、例えば、荷重変換部２０Ａ全体の軸方向Ｄ１に沿う寸法が弾性部材２４の全長と同等とされ、その両端には弾性部材２７がそれぞれ配置されている。

弾性部材２７及び板部材２８のそれぞれは、例えば互いに接着されている。そのため、弾性部材２７と板部材２８との接合面では、弾性部材２７が板部材２８に対して径方向Ｄ２には変位しない。弾性部材２７は、ポアソン比が板部材２８よりも高い材料で構成され、例えばゴム製の円柱材である。板部材２８は、ポアソン比が弾性部材２７よりも小さい材料で構成され、例えば円盤状の鋼板である。

このような複数の弾性部材２７と板部材２８とが軸方向Ｄ１に沿って交互に積層されている構成によれば、軸方向Ｄ１の荷重の主たる検知部位が複数の弾性部材２７に分割されることで、ひとつの弾性部材２４で荷重変換部２０が構成される場合と比べて、弾性部材２７ひとつあたりの軸方向Ｄ１に沿う寸法が小さくなる。また、弾性部材２７の底面２７ａが軸方向Ｄ１の荷重を受けると、弾性部材２７の側面２７ｂが径方向Ｄ２に変位するところ、軸方向Ｄ１の荷重は、複数の弾性部材２７に分散される。よって、ひとつの弾性部材２７について見れば、弾性部材２７の俵形状の側方への膨らみが、弾性部材２４の俵形状の側方への膨らみよりも小さくなるため、弾性部材２７と板部材２８との接合面を基準にした側面２７ｂの径方向Ｄ２への変位の大きさは、上記実施形態の弾性部材２４の底面２４ａを基準にした側面２４ｂの径方向Ｄ２への変位の大きさよりも小さくなる。つまり、側面２７ｂの変位の大きさが軸方向Ｄ１に沿ってばらつくことを抑制することができる。これにより、側面２７ｂの変位に伴って生じる光ファイバケーブル３０のひずみの大きさが、軸方向Ｄ１に沿って平準化され、光ファイバケーブル３０の複数の計測点でのひずみ値のばらつきを抑えることができる。

なお、弾性部材２７が板部材２８に対して接着されることに加えて又は代えて、弾性部材２７と板部材２８との相対移動を抑制する部材を設けてもよい。図７（ａ）は、図６の計測装置の内部を例示する断面図である。図７（ｂ）は、図６の計測装置の内部の他の例を示す断面図である。図７（ａ）の例では、弾性部材２７側に突出する突起２８ａが、それぞれの板部材２８の中央部に設けられている。それぞれの突起２８ａにより、弾性部材２７と板部材２８との相対移動が抑制される。図７（ｂ）の例では、弾性部材２７及び板部材２８の中央部を貫通する棒材２９が設けられている。この棒材２９によっても、弾性部材２７と板部材２８との相対移動が抑制される。

上記実施形態の荷重変換部２０は、内部のコンクリートＳ２からの荷重として荷重変換部２０から離れる方向の引張荷重を計測可能となっていたが、引張荷重の計測をより好適とする計測装置１の設置方法について説明する。

計測装置１の設置方法は、計測装置１を準備するステップと、軸方向Ｄ１に沿う荷重を予め付与した状態で計測装置１を埋設するようにコンクリートＳ２を打設するステップと、を備える。軸方向Ｄ１に沿う荷重を予め付与した状態とは、軸方向Ｄ１に沿う荷重に応じて（ポアソン効果によって）径方向Ｄ２に沿って側面２４ｂが予め変位しており、光ファイバケーブル３０にも側面２４ｂの変位に応じたひずみが生じている状態（初期状態）を意味する。軸方向Ｄ１に沿う荷重を予め付与するために、例えば図８で示されるように、計測装置１を埋設するようにコンクリートＳ２を打設する前に、計測装置１に圧縮荷重を付与する与圧装置５０を用いてもよい。この場合、与圧装置５０が圧縮荷重を付与する方向が軸方向Ｄ１に相当する。与圧装置５０が圧縮荷重を付与した状態で計測装置１を設置予定位置に配置し、その後、コンクリートＳ２を打設することで、計測装置１がコンクリートＳ２に埋設された状態となる。これにより、コンクリートＳ２に加わる引張荷重を好適に計測することができる。

その他の変形例について説明する。上記実施形態及び変形例では、荷重変換部２０（すなわち弾性部材２４、緩衝部材２５、及びカバー部材２６）は、全体として円柱状であったが、これに限定されない。その他の柱状でもよいし、他の形状（例えば錐状）であってもよい。

上記実施形態では、荷重変換部２０は、ゴム製の円柱部材である弾性部材２４を用いて、軸方向Ｄ１に沿う荷重を径方向Ｄ２に沿う変位に変換したが、これに限定されない。つまり、周囲のコンクリート部材からの第１方向に沿う荷重を第１方向に交差する第２方向に沿う変位に変換し、荷重変換部の荷重から変位への変換特性が既知であれば、他の構成の荷重変換部を採用できる。そのような荷重変換部の一例として、荷重変換部は、周囲のコンクリート部材からの第１方向に沿う荷重を受けて第１方向に沿って変位可能に設けられた部材と、当該部材の第１方向に沿う変位を機械的に第１方向に交差する第２方向に沿う変位に変換する変換機構と、を備えて構成されていてもよい。変換機構は、例えばカム等を用いた所定の変換特性で動作する機構を含んでもよい。この場合、例えば、ばね係数が既知の渦巻きばね等を用いて、第１方向に沿う荷重に対するカムの動作を介した変形（第２方向に沿う変位）が比例関係になるように構成することで、その変形量に基づいてコンクリートＳ２に加わる荷重を計測することができる。

上記実施形態では、弾性部材２４の側面２４ｂは、緩衝部材２５で覆われていたが、側面２４ｂの一部が覆われてもよい。要は、弾性部材２４のポアソン比に従った変形を拘束しない構成であればよく、側面２４ｂのうち光ファイバケーブル３０が設けられていない範囲において側面２４ｂとカバー部材２６との間隙を保持する間隙保持部材であってもよい。なお、緩衝部材２５が省かれてもよい。

上記実施形態では、応力抑制容器１０の内壁面に緩衝材が設けられていたが、必須ではない。また、応力抑制容器１０を用いていたが必須ではなく、応力抑制容器１０を省いてもよい。

上記実施形態では、荷重演算部４０は、荷重変換部２０の変換特性として弾性部材２４の弾性係数とポアソン比とに基づいて荷重を算出したが、弾性係数及びポアソン比は必須ではない。例えば、荷重演算部４０は、荷重変換部２０の変換特性として、予めキャリブレーションを行って設定した係数を用いて荷重を算出してもよい。この場合、弾性部材２４の弾性係数及びポアソン比は、既知でなくてもよい。

１…計測装置、２０，２０Ａ…荷重変換部、２４，２７…弾性部材、２４ａ，２７ａ…底面、２４ｂ，２７ｂ…側面、２５…緩衝部材、２８…板部材、３０…光ファイバケーブル（光ファイバ）、４０…荷重演算部、Ｄ１…軸方向（第１方向）、Ｄ２…径方向（第２方向）、Ｓ…コンクリート構造物（コンクリート部材）、Ｓ２…コンクリート（コンクリート部材）。

Claims (6)

1. コンクリート部材に加わる荷重を計測する計測装置であって、
   計測対象の前記コンクリート部材の内部に設置され、周囲の前記コンクリート部材からの第１方向に沿う荷重を前記第１方向に交差する第２方向に沿う変位に変換する荷重変換部と、
   前記変位が生じる前記荷重変換部の変位面に沿って巻き回された光ファイバと、
   前記光ファイバのひずみを計測すると共に、計測された前記光ファイバのひずみと前記荷重変換部の前記荷重から前記変位への変換特性とに基づいて前記荷重を取得する荷重演算部と、を備える、計測装置。
2. 前記荷重変換部は、前記第１方向に沿う荷重を受ける底面と前記変位面である側面とを有する柱状の複数の弾性部材と、隣り合う前記弾性部材に挟まれる板部材と、を含み、
   前記弾性部材と前記板部材とは、前記第１方向に沿って交互に積層されている、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記変位面及び前記光ファイバを覆うように設けられた緩衝部材を更に備える、請求項１又は２に記載の計測装置。
4. 前記荷重変換部は、前記荷重変換部から離れる方向の前記荷重を受ける引張荷重受け部を含む、請求項１～３の何れか一項に記載の計測装置。
5. 前記荷重変換部は、前記第１方向に沿う荷重を受ける底面と前記変位面である側面とを有する柱状の弾性部材を含み、
   前記荷重演算部は、前記荷重変換部の変換特性として前記弾性部材の弾性係数とポアソン比とに基づいて前記荷重を算出する、請求項１～４の何れか一項に記載の計測装置。
6. コンクリート部材に加わる荷重を計測する計測装置の設置方法であって、
   請求項４に記載の計測装置を準備するステップと、
   前記第１方向に沿う荷重を予め付与した状態で前記計測装置を埋設するようにコンクリートを打設するステップと、を備える、計測装置の設置方法。

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