JP4039963B2 - Structure external force detection device and structure external force detection method - Google Patents

Structure external force detection device and structure external force detection method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の外力が作用した場合に電気を導通させることにより検知する構造物外力検知装置と、その装置を用いて構造物の外力を検知する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、構造物に外力が作用した場合に、損傷を生じたか否かを検知するための方法としては、破壊試験(破壊検査)と、非破壊試験(非破壊検査)とがある。破壊試験(破壊検査)は、実際の材料を用いて作製した供試体に荷重を加えて破壊し、供試体における損傷の箇所やその状況等を観察又は計測し、実際の構造物の場合に当てはめて判定する方法であり、直接的な方法ということができる。
【0003】
一方、非破壊試験(非破壊検査)は、構造物や供試体等を破壊せず、何らかの物理量を利用して構造物等の内部の状況を推定しようとする方法であり、破壊試験に比べると間接的な方法といえる。非破壊試験において利用する物理量としては、振動、超音波、放射線、磁気、材料破壊時に内部で発生する音(AE:Acoustic Emission)などがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−105665号公報(第6−7頁、図1−3)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の方法においては、以下に述べるような各種の問題点があった。
【0006】
破壊試験(破壊検査)の場合は、構造物ごとに供試体作製とその破壊試験を行うとすると、そのための時間、供試体作製の手間、費用がかかり、効率的ではない、という問題がある。また、破壊は、作製された供試体の形状、あるいはその寸法の影響が大きく、供試体の形状等が異なると、破壊時の挙動も異なってくる。このため、実際の構造物の場合に当てはめる場合には、破壊試験結果に人間の判断や考察等を加えることになる。このことから、実際の構造物の損傷の状況等を精度よく判定することは困難で、かつ熟練を要する、という問題もあった。
【0007】
また、非破壊試験(非破壊検査)の場合は、構造物の内部で何らかの破壊が発生した事実、あるいは構造物の内部に何らかの損傷が存在する事実までは、検出できること多いが、その損傷の具体的な箇所、損傷の形状や寸法の明確な把握は困難であることが多い、という問題があった。
【0008】
また、場所打ちコンクリート杭のような地下構造物は、地中に構築されるため、地震等の外力により地下構造物の内部で何らかの破壊が発生、又は何らかの損傷が存在する事実は、人間の目視による直接的な確認が非常に困難である。このため、構造物の検査は容易ではない、という問題があった。このような地下構造物の検査については、行った例はあるが、この場合には、場所打ちコンクリート杭等の地下構造物の周囲の掘り返し作業等が伴うため、多大な費用等がかかる、という問題もあった。
【0009】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、実施方法が容易で、かつ構造物の損傷の箇所等の検知が可能な構造物外力検知装置、及び構造物の外力検知方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る構造物外力検知装置は、
可撓性材料からなり第1封入体が封入された第1容器と、脆性材料からなり前記第1封入体と混合することにより電解質溶液を生成する第2封入体が封入され前記第1容器に収容される第2容器を有して棒状に構成される外力応答部材をn個(n:3以上の整数)以上有し、前記各外力応答部材の一端を集中させて接合するとともに、前記各外力応答部材の他端が拡がるようにし、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答器と、
導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所に挿入された第1導体部材と、導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の前記第1挿入箇所とは異なる第2挿入箇所に挿入された第2導体部材からなる組をn組と、
前記第1導体部材の他端と前記第2導体部材の他端に取り付けられるとともに電気の導通を検出する電気導通検出手段を備え、
前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が付加された場合には、前記n個の外力応答部材のうちの少なくとも1個の内部の第2容器が破断して前記第2封入体が前記第1封入体内に漏出し、前記第2封入体と前記第1封入体が混合して電解質溶液が生成し、電気の導通が前記第1導体部材及び前記第2導体部材を経て前記電気導通検出手段により検出され、前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が作用した旨を検知すること
を特徴とする。
【0011】
上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記外力応答部材は3個であり、前記3個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記3個の外力応答部材の他端は前記基準点で互いに直行する3つの軸線上の位置となるようにして前記外力応答器を構成する。
【0012】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記外力応答部材は4個であり、前記4個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記4個の外力応答部材の他端が正四面体の各頂点の位置となるようにして前記外力応答器を構成する。
【0013】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記可撓性材料は、合成樹脂材料を含む。
【0014】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記脆性材料は、ガラス、又は陶磁材料、若しくはセラミックス系材料を含む。
【0015】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第1封入体は液体状の第1物質であるとともに、前記第2封入体は液体状の第2物質であり、前記第1物質と前記第2物質の少なくとも一方に電解質物質が含まれる。
【0016】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第1封入体は固体状の第3物質であるとともに、前記第2封入体は液体状の第4物質であり、前記第3物質は電解質物質を含み、かつ前記第4物質は水を含む。
【0017】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記電気導通検出手段は、電流計又は電圧計若しくは電気抵抗計を有する。
【0018】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記外力応答器は、前記3個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記3個の外力応答部材の他端は前記基準点で互いに直行する3つの軸線上の位置となるように保持する3個取付部材を有する。
【0019】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、るとともに、前記4個の外力応答部材の他端が正四面体の各頂点の位置となるように保持する4個取付部材を有する。
【0020】
また、本発明に係る構造物の外力検知方法は、
可撓性材料からなり第1封入体が封入された第1容器と、脆性材料からなり前記第1封入体と混合することにより電解質溶液を生成する第2封入体が封入され前記第1容器に収容される第2容器を有して棒状に構成される外力応答部材をn個(n:3以上の整数)以上有し、前記各外力応答部材の一端を集中させて接合するとともに、前記各外力応答部材の他端が拡がるようにし、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答器と、
導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所に挿入された第1導体部材と、導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の前記第1挿入箇所とは異なる第2挿入箇所に挿入された第2導体部材からなる組をn組と、
前記第1導体部材の他端と前記第2導体部材の他端に取り付けられるとともに電気の導通を検出する電気導通検出手段を用い、
前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が付加された場合には、前記n個の外力応答部材のうちの少なくとも1個の内部の第2容器が破断して前記第2封入体が前記第1封入体内に漏出し、前記第2封入体と前記第1封入体が混合して電解質溶液が生成し、電気の導通が前記第1導体部材及び前記第2導体部材を経て前記電気導通検出手段により検出され、前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が作用した旨を検知すること
を特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の第1実施形態である構造物損傷検出システムの構成を示す図である。また、図2は、図1に示す構造物損傷検出システムにおける外力応答器のさらに詳細な構成を示す断面図である。また、図3は、図2に示す外力応答器における外力応答部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【0022】
図1(A)に示すように、この構造物損傷検出システム101は、鉄道線路300を支持する高架橋200の基礎である場所打ちコンクリート杭203のコンクリート内部に設置されている外力応答器Sと、接続部材2と、外力検出・送信部4と、通信ケーブル5と、構造物管理部6を備えて構成されている。
【0023】
接続部材2は、その一部が場所打ちコンクリート杭203のコンクリート内部や、高架橋200のフーチング202等の内部に設置され、その残部が高架橋200の外部に配置されている。また、接続部材2は、後述するが、その内部に4本の個別接続部材20を収容している。
【0024】
各個別接続部材20は、図3(B)に示すように、リード線22を有しており、リード線22の外側が保護部材21によって包囲された構造となっている。リード線22の一端は、外力応答器Sに接続し、また、リード線22の他端は、外力検出・送信部4に接続している。また、外力検出・送信部4と構造物管理部6は、通信ケーブル5によって接続されている。なお、外力応答器Sと、接続部材2の一部は、場所打ちコンクリート杭203やフーチング202のコンクリート打設前に所定箇所に配置され、コンクリート中に埋設されて設置される。
【0025】
次に、上記した外力応答器Sのさらに詳細な構成について、図2を参照しながら説明する。図2(A)は、外力応答器Sの全体構成を示した斜視図である。
【0026】
外力応答器Sは、図2(A)に示すように、4本の外力応答部材1、1、1、及び1と、これらの4本の外力応答部材1、1、1、及び1の根元部分の一端を集中させて接合する4個取付部材Fを有して構成され、全体として、略テトラポッド状の形状となっている。
【0027】
この外力応答器Sにおいては、図2(A)に示すように、4個取付部材Fの中心点が正四面体Pの中心点(基準点)の位置となり、かつ、4個の外力応答部材1、1、1、及び1の他端が正四面体Pの各頂点の位置となるように構成されている。
【0028】
図2(B)は、外力応答器Sにおける4個取付部材Fのさらに詳細な構成を示した斜視図である。図2(B)に示すように、4個取付部材Fは、円柱状の部材である4個の柱状部f1、f2、f3、及びf4をテトラポッド状に接合して構成されている。柱状部f1、f2、f3、及びf4には、それぞれ先端部に円形断面形状の取付凹部V1、V2、V3、及びV4が形成され、それぞれの凹部の底部中央から4個取付部材Fの中心部へ向けて円形断面の導孔h1、h2、h3、及びh4が形成されている。したがって、導孔h1、h2、h3、及びh4の中心軸線は、正四面体Pの中心と各頂点を結ぶ直線と一致している。また、図示はしていないが、4個取付部材Fの中心部と4取付部材Fの外部を連絡する連絡孔も形成されている。
【0029】
次に、外力応答部材1のさらに詳細な構成について、図3を参照しつつ説明する。図3(A)に示すように、外力応答部材1は、第1容器11と、第2容器12と、第1液13と、第2液14を有して構成されている。
【0030】
第1容器11は、プラスチックス系材料やゴム系材料などの可撓性を有する材料(以下、「可撓性材料」という。)からなり、内部が中空状となった円筒形状に形成されている。また、第1容器11の下端と上端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。第1容器11の略円筒状の外側部には、外側部を環状に取り巻く溝状の凹部11eが複数形成されている。これらの複数の環状凹部11eにより、場所打ちコンクリート杭203の内部に埋設される外力応答部材1の表面部に凹凸が形成され、コンクリートに対する外力応答部材1の付着性を向上させ、杭内の応力が外力応答部材1に伝達される性能を向上させる効果を有している。なお、第1容器11の上端となる円板には、後述するリード線22を挿通するための挿通孔11aが開設されている。この第1容器11の内部には、第1液13が封入されるとともに、第2容器12が収容されている。
【0031】
ここに、プラスチックス系材料としては、いわゆる合成樹脂材料のほか、FRP(Fiber Reinforced Plastics:繊維強化プラスチックス)等のプラスチックを用いた複合材料を含む。また、ゴム系材料としては、天然ゴム、人造ゴムのほか、ゴムを用いた複合材料も含む。
【0032】
また、第2容器12は、ガラス系材料や陶磁材料やセラミックス系材料などの脆性を有する材料(以下、「脆性材料」という。)からなり、内部が中空状となった円筒形状に形成されている。また、第2容器12の下端と上端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。この第2容器12の内部には、第2液14が封入されている。
【0033】
ここに、ガラス系材料としては、いわゆるガラスのほか、ガラスを用いた複合材料を含む。また、陶磁材料としては、陶器、磁器のほか、これらを用いた複合材料を含む。また、セラミックス系材料としては、いわゆるセラミックスのほか、これらを用いた複合材料も含む。
【0034】
また、第1容器11の上端の円板に設けられた挿通孔11aには、環状の固定部材15が嵌め込まれている。この固定部材15は、プラスチックス系材料やゴム系材料などの可撓性を有する材料から形成されており、中央部に円柱状の開口部を有し、この開口部に後述するリード線22が挿通されている。リード線22の外径は、固定部材15の開口部の内径よりもわずかに大きな値となっており、リード線22を固定部材15の開口部に押し込むことにより、固定部材15の可撓性を利用してリード線22が嵌め込まれ、リード線22の導体露出端部22cが第1容器11内の第1液13の中に差し込まれた状態となっている。
【0035】
また、第1液13としては、蒸留水が用いられている。また、第2液14としては、塩(塩化ナトリウム:NaCl)の水溶液が用いられている。
【0036】
上記のような構成の外力応答部材1の第1容器11の一端部(図3(A)における上端部)の外径は、4個取付部材Fの取付凹部(例えばV1)の内径よりも小さい値に設定されており、第1容器11の一端部(図3(A)における上端部)は、4個取付部材Fの取付凹部(例えばV1)の中に収容可能なように構成されている。
【0037】
また、個別接続部材20の外径は、4個取付部材Fの導孔(例えばh1)の内径よりも小さい値に設定されており、個別接続部材20は、4個取付部材Fの導孔(例えばh1)の中に収容されるように構成されている。
【0038】
また、図示はしていないが、個別接続部材20を4本内蔵した接続部材2の外径は、4個取付部材Fの中心部と4取付部材Fの外部を連絡する連絡孔の内径よりも小さい値に設定されており、接続部材2は、4個取付部材Fの連絡孔の中に挿入可能なように構成されている。
【0039】
上記のような構成により、接着剤等によって、外力応答部材1の第1容器11の一端部(図3(A)における上端部)を、4個取付部材Fの取付凹部(例えばV1)に接合させ、各外力応答部材1の個別接続部材20を、それぞれ対応する導孔(例えばh1)に挿通させ、4個取付部材Fの中心部に集まった4本の個別接続部材20を4本たばねて接続部材2とし、4個取付部材Fの連絡孔から外部へ引き出すようにすることができる。
【0040】
次に、上記した場所打ちコンクリート杭203に、大きな外力、例えば地震動による力が作用し、場所打ちコンクリート杭203の内部にき裂等の損傷が発生した場合を例にとって、この第1実施形態の構造物損傷検出システム101の詳細な構成とその作用を説明する。
【0041】
上記のように、場所打ちコンクリート杭203の内部にき裂等の損傷が発生するような大きな外力が場所打ちコンクリート杭203に作用すると、そのコンクリートの内部に応力が発生する。これによいり、コンクリート内部のいずれかの箇所に埋設されている外力応答器Sのうちの外力応答部材1の第1容器11は、可撓性材料により形成されているため、例えば、引張られたり、圧縮されたり、弓状に曲がったり、せん断されるように変形する。一方、第1容器11の内部に収容されている第2容器12は、脆性材料で形成されているため、ある程度以上の変形には耐えられず、破断する。
【0042】
この結果、第2容器12の内部に収容されていた塩化ナトリウム水溶液からなる第2液14が、蒸留水である第1液13の中に漏出し、第1液13と第2液14の両者が互いに混合し、希釈塩化ナトリウム水溶液となる。
【0043】
希釈塩化ナトリウム水溶液は、電解質溶液である。希釈塩化ナトリウム水溶液においては、塩化ナトリウム(NaCl)が電離しており、溶媒である水の中に、正電荷を帯びた陽イオンであるナトリウムイオンNa+と、負電荷を帯びた陰イオンである塩素イオンCl-が存在している。このため、希釈塩化ナトリウム水溶液は、電気伝導性を示す。
【0044】
図3(D)に示すように、第1容器11の内部に差し込まれたリード線22は、第1導体部材22aと、第2導体部材22bと、絶縁部材22cを有して構成されている。第1導体部材22a及び第2導体部材22bは、電気の導体(導電体)、例えば銅(Cu)等により形成された線状部材である。また、絶縁部材22cは、電気の不導体、例えば合成樹脂材料又はゴム系材料等により形成され、第1導体部材22aと第2導体部材22bの間に所定間隔を配するとともにこれらを取り囲むように配置され、第1導体部材22aと第2導体部材22b、第1導体部材22aとその周囲、及び第2導体部材22bとその周囲を電気的に絶縁している。
【0045】
図4は、図1に示す構造物損傷検出システムにおける外力検出・送信部4のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【0046】
図4(A)に示すように、外力検出・送信部4は、きょう体40と、電気導通検出器41と、増幅器42と、A/Dコンバータ43と、入出力インタフェース44a及び44bと、CPU45と、ROM46と、RAM47と、送信機49を有して構成されている。また、きょう体40は、例えば、図1(A)に示すように、高架橋200の柱201に取り付けられている。
【0047】
電気導通検出器41は、図4(B)に示すように、直流電源41aと電流計41bを有しており、直流電源41aの陽極に第1導体部材22aが電気的に接続されている。また、直流電源41aの陰極に電流計41bの一方の端子が電気的に接続され、電流計41bの他方の端子に第2導体部材22bが電気的に接続されている。
【0048】
このような構成により、外力応答部材1に外力が作用して第2容器12が破断し、第1液13と第2液14の両者が互いに混合して希釈塩化ナトリウム水溶液となると、この希釈塩化ナトリウム水溶液は電気伝導性を示す。したがって、図3(D)あるいは図4(A)において波線で示すように、第1導体部材22aが第1液中に露出している端部22a1と、第2導体部材22bが第1液中に露出している端部22b1の間に電流iが流れる。
【0049】
この電流iは、第2導体部材22bを通って電流計41bに到達して検出される。電流iが検出されると、電流計41bは、電流を検出したことを電気信号(例えば電流)として出力する。電気導通検出器41から出力された電流は、増幅器42により増幅される。増幅後の電流は、A/Dコンバータ43により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース44aを経てCPU45に送られる。
【0050】
CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)45は、図示はしていないが、CPU45の内部での電流(信号)の授受を行うための信号線である内部バスを有しており、この内部バスに、演算部と、レジスタと、クロック生成部と、命令処理部等を有している。CPU45内の演算部は、一般に、レジスタに記憶されている各種データに対して、四則演算(加算、減算、乗算、及び除算)を行い、又は論理演算(論理積、論理和、否定、排他的論理和など)を行い、又はデータ比較、若しくはデータシフトなどの処理を実行する部分である。処理の結果は、レジスタに格納されるのが一般的である。
【0051】
レジスタは、一般に、1語のデータを記憶する部分である。通常、CPU45内には、複数のレジスタが設けられている。クロック生成部は、CPU45の各部分の時間の同期をとるための刻時信号(クロック信号)を生成する部分である。CPU45は、このクロック信号に基づいて動作する。命令処理部は、演算部等が実行すべき命令の取り出し、その解読、及びその実行などを制御し処理する部分である。
【0052】
ROM(Read Only Memory:読出し専用メモリ)46は、CPUを制御するための制御プログラムや、CPUが用いる各種データ等を格納している部分である。ROMとしては、半導体チップにより構成されるものと、ハードディスク装置等が用いられる。ハードディスク装置は、図示はしていないが、その内部に、円盤状の磁気ディスクを有しており、この磁気ディスクをディスク駆動機構により回転駆動し、磁気ヘッドをヘッド駆動機構によって磁気ディスクの任意位置に移動させ、磁気ディスク表面の磁性膜を磁気ヘッドからの書込電流によって磁化することによりデータを記録し、磁化された磁性膜の上を磁気ヘッドが移動する際に磁気ヘッドのコイル等に流れる電流を検出することにより記録データを読み出す装置である。
【0053】
上記した制御プログラムは、OS(Operating System)等のCPU45の基本ソフトウェアのほか、各種の処理や分析演算等をCPU45に実行させるための命令等の処理手順が、所定のプログラム用言語で記述された文字や記号の集合である。
【0054】
また、RAM(Random Access Memory:随時書込み読出しメモリ)47は、CPU45により演算された途中のデータ等を一時記憶する部分である。RAMは、半導体チップにより構成されるものが主である。
【0055】
上記のような構成により、CPU45は、電気導通検出器41からの電気信号を検出すると、「電気伝導性を示した外力応答部材1の箇所の杭コンクリートに損傷が発生した」と判断し、「杭に損傷発生」を表現するフラグ等のデータに、杭の位置等を特定するための情報(例えば、杭の位置の位置座標等のデータ)を付加してディジタル出力信号を生成する。
【0056】
CPU45によって生成されたディジタル電気信号は、入出力インタフェース44bを経て送信機49に送られる。送信機49は、ディジタル電気信号をそのまま、または他の信号形態(例えば光信号)に変換し、通信ケーブル5によって構造物管理部6へ送信する。通信ケーブル5としては、電流を導通させる導線、光ファイバー等が用いられる。
【0057】
構造物管理部6は、図1(A)に示すような構成を有している。すなわち、構造物管理部6は、ある鉄道線区(例えば、「山手線」や「埼京線」等。)の鉄道線路に関連する構造物を統括して管理する施設であり、中央コンピュータ61と、構造物状態表示盤62と、記憶・出力装置63を有して構成されている。
【0058】
中央コンピュータ61には、この線区の各構造物、例えば高架橋の各杭の外力検出・送信部からの通信ケーブル5a〜5dなどが接続しており、その構造物からのデータが集中するようになっている。構造物状態表示盤62は、図1(B)に示すように、表示パネル部62aと、操作卓62bを有している。表示パネル部62aには、この線区全体が表示され、杭等の構造物がランプ等によって表現されている。このような構成により、損傷が発生した箇所は、図1(B)において62cで図示されるように、操作者(構造物管理者)が視認できる状態、例えばランプの点灯や点滅の状態となる。記憶・出力装置63は、損傷の履歴等を記録媒体に記憶させたり、印字等を行う装置である。
【0059】
上記した第1実施形態の構造物損傷検出システム101によれば、以下のような利点がある。
【0060】
a)鉄道の構造物等に大きな外力(例えば地震動等)が付加されて損傷が発生した場合に、損傷した部分の位置等を、容易に、かつリアルタイムで検出することができる。
【0061】
b)杭等の地下構造物のように、地盤Gの内部に構築されているため、そのままでは目視が不可能な箇所の損傷についても、支障なく検出することができる。
【0062】
c)鉄道や道路のように、線状に長い範囲にわたる施設において、各構造物の損傷の有無を集中的に監視することができる。
【0063】
d)各検知位置には、外力応答部材1が、1本だけでなく、それぞれ異なった方向に4本設置されることになり、各方向の応力成分に相当するものを検出することが可能となる。このため、損傷が発生した位置に作用した応力の種類や強さを推定することも可能となる。
【0064】
上記した第1実施形態において、構造物外力検知システム101は、特許請求の範囲における構造物外力検知装置に相当している。また、第1液13は、特許請求の範囲における第1封入体及び第1物質に相当し、第2液14は、特許請求の範囲における第2封入体及び第2物質に相当している。また、外力検出・送信部4の電気導通検出器41とCPU45は、特許請求の範囲における電気導通検出手段に相当している。また、第1導体部材22aの露出端部22a1は、特許請求の範囲における第1挿入箇所に相当し、第2導体部材22bの露出端部22b1は、特許請求の範囲における第2挿入箇所に相当している。
【0065】
なお、上記した第2容器12の破断強度を調整して所定強度値に設定することにより、外力応答部材1の電気的導通が生じた場合には、CPU45が、「場所打ちコンクリート杭203の当該外力応答器設置箇所に所定外力値が付加された」と定量的に算定し、その旨を構造物管理部6に送信するように構成することもできる。
【0066】
また、外力応答部材1の配置状態を適宜に工夫することにより、例えば、杭203における鉛直方向の高さ位置が異なる複数の位置に外力応答部材1を配置したり、杭の中心付近とその周囲の異なる位置に外力応答部材1を配置することにより、杭203の内部の損傷状態から逆算することにより、CPU45が、杭203に作用した所定外力値を定量的に算定することも可能である。
【0067】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0068】
例えば、上記実施形態においては、外力応答器(例えばS)は、4個の外力応答部材(例えば1)を正四面体状に配置して構成した例について説明したが、本発明はこれには限定されず、外力応答器は、他の構成であってもよい。例えば、外力応答器に使用する外力応答部材の個数は、4個だけでなく、3個でもよい。3個の場合は、3個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、3個の外力応答部材の他端は基準点で互いに直行する3つの軸線上の位置となるように設置する。すなわち、この場合には、外力応答部材は、三次元座標系のX、Y、Z軸の方向に伸びるように配置し、根元部分を接合する部材(3個取付部材)の中心を座標原点の位置に配置し、この3個取付部材により3個の外力応答部材1の位置を固定する。あるいは、外力応答部材の個数は、5個以上であってもよい。
【0069】
また、上記実施形態においては、第1封入体として蒸留水を用い、第2封入体として塩化ナトリウム水溶液を用いる例について説明したが、本発明はこれには限定されず、他の構成、例えば、第1封入体と第2封入体を逆にしてもよい。
【0070】
また、第1封入体と第2封入体の組み合わせは、他の物質の組み合わせによっても可能である。要は、第2容器が破断して第2封入体が第1封入体内に漏出して両者が混合した際に電解質溶液が生成すればよいのである。したがって、例えば、第1封入体が水(蒸留水、純水等)で、第2封入体が電解質の固体又は電解質溶液となる組み合わせが挙げられる。
【0071】
また、第1封入体が電解質の固体で、第2封入体が水(蒸留水、純水等)又は電解質水溶液となる組み合わせも可能である。この場合、第1封入体は、特許請求の範囲における第3物質に相当し、第2封入体は、特許請求の範囲における第4物質に相当している。電解質としては、硫酸等の酸、水酸化ナトリウム等のアルカリ物質、酸とアルカリとの反応によって生じる塩、その他の化合物等が含まれる。
【0072】
また、第1容器、第2容器の形状は、上記した円筒形状には限定されず、他の形状、例えば、楕円断面の筒状、多角形断面の筒状などであってもよい。また、第1容器の外表面に形成される凹凸の形状は、環状凹部以外に、環状凸部、螺旋状の凸部又は凹部、多数のイボ状の凸部、多数の穴状の凹部等であってもよい。
【0073】
また、図3(C)及び図3(D)においては、第1導体部材22aが第1液中に露出している端部22a1(特許請求の範囲における第1挿入箇所)と、第2導体部材22bが第1液中に露出している端部22b1(特許請求の範囲における第2挿入箇所)の位置に段差があるように図示されているが、本発明はこの例には限定されず、他の構成、例えば、露出端部22a1と22b1の間に段差のないような構成(例えば、図3(C)及び図3(D)において両者がともに同じ水平位置となるような配置)であってもよい。
【0074】
また、第1導体部材と第2導体部材を外力応答器に挿入する第1挿入箇所と第2挿入箇所の構成は、図3(C)及び図3(D)に図示した構成に限定されず、他の構成でもよい。要は、第2容器の破断前の状態では、第1導体部材と第2導体部材の間に電解質溶液が存在せず、第2容器の破断後の状態では、第1導体部材と第2導体部材の間に電解質溶液が満たされるように構成されればよい。したがって、第1導体部材の露出端部は、第1容器の内部に挿入されてもよいし、第2容器の内部に挿入されてもよい。また、第2導体部材の露出端部は、第1容器の内部に挿入されてもよいし、第2容器の内部に挿入されてもよい。したがって、第1導体部材の露出端部が第1容器の内部に挿入され、第2導体部材の露出端部が第2容器の内部に挿入されるように構成してもよい。このような構成の場合には、第1封入体と第2封入体のいずれもが電解質溶液であってもよい。これは、第2容器の電気的絶縁を十分に行っておけば、第2容器が破断する前には、第1導体部材と第2導体部材の間には電流は流れないからである。
【0075】
また、第1容器の可撓性の程度、第2容器の脆性の程度は、適宜に設定可能である。これらの値をどのように設定するかにより、検出しようとする構造物の外力、損傷の程度を調整することができる。また、第2容器の外径を第1容器の内径よりもわずかに小さく設定しておけば、小さい外力でも容易に第2容器を破断させることができる。
【0076】
また、外力を検出する対象である構造物は、杭に限定されず、他の基礎構造物であってもよい。あるいは基礎構造物以外の構造物であってもよい。
【0077】
また、外力応答器である外力応答器の配置位置、配置状態は、上記した第1実施形態の例、すなわち4本の外力応答部材(例えば1)のうちの1本の長手方向が鉛直上下方向に平行となる状態には限定されない。その他の状態、例えば、外力応答部材(例えば1)の長手方向が水平方向に平行となる状態、あるいは外力応答器の長手方向が杭の断面における円の接線の方向となる状態、あるいは待ったく任意の傾斜角度であってもよい。
【0078】
また、電気導通検出手段としては、上記した電流計のかわりに、電圧計、あるいは電気抵抗計を用いてもよい。
【0079】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可撓性材料からなり第1封入体が封入された第1容器と、脆性材料からなり第1封入体と混合することにより電解質溶液を生成する第2封入体が封入され第1容器に収容される第2容器を有して棒状に構成される外力応答部材をn個(n:3以上の整数)以上有し、各外力応答部材の一端を集中させて接合するとともに、各外力応答部材の他端が拡がるようにし、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答器と、導電体からなり一端が各外力応答部材の一つの第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所に挿入された第1導体部材と、導電体からなり一端が各外力応答部材の一つの第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所とは異なる第2挿入箇所に挿入された第2導体部材からなる組をn組と、第1導体部材の他端と第2導体部材の他端に取り付けられるとともに電気の導通を検出する電気導通検出手段を備えるように構成したので、構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が付加された場合には、第2容器が破断して第2封入体が第1封入体内に漏出し、第2封入体と第1封入体が混合して電解質溶液が生成し、電気の導通が第1導体部材及び第2導体部材を経て電気導通検出手段により検出され、構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が作用した旨を容易に検知することができる、という利点を有している。また、各検知位置には、外力応答部材が、1本だけでなく、それぞれ異なった方向に4本設置されることになり、各方向の応力成分に相当するものを検出することが可能となる。このため、損傷が発生した位置に作用した応力の種類や強さを推定することも可能となる、という利点も有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である構造物損傷検出システムの構成を示す図である。
【図2】図1に示す構造物損傷検出システムにおける外力応答器のさらに詳細な構成を示す斜視図である。
【図3】図2に示す外力応答器における外力応答部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図4】図1に示す構造物損傷検出システムにおける外力検出・送信部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 外力応答器
2 接続部材
3 構造物内挿入部材
4 外力検出・送信部
5〜5d 通信ケーブル
6 構造物管理部
11 第1容器
11a 挿通孔
11e 環状凹部
12 第2容器
13 第1液
14 第2液
15 固定部材
16 接合部材
20 個別接続部材
21 保護部材
22 リード線
22a 第1導体部材
22a1 導体露出端部
22b 第2導体部材
22b1 導体露出端部
22c 絶縁部材
40 きょう体
41 電気導通検出器
41a 直流電源
41b 電流計
42 増幅器
43 A/Dコンバータ
44a、44b 入出力インタフェース
45 CPU
46 ROM
47 RAM
49 送信機
61 中央コンピュータ
62 構造物状態表示盤
62a 表示パネル部
62b 操作卓
62c 損傷発生箇所
63 記憶・出力装置
101 構造物損傷検出システム
200 高架橋
201 柱
202 フーチング
203 場所打ちコンクリート杭
204 挿入孔
300 鉄道線路
F 4個取付部材
f1〜f4 柱状部
h1〜h4 導孔
G 地盤
i 電流
P 正四面体
S 外力応答器
V1〜V4 取付凹部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure external force detection device that detects electricity by conducting electricity when an external force of the structure is applied, and a method of detecting the external force of the structure using the device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are a destructive test (destructive inspection) and a nondestructive test (nondestructive inspection) as methods for detecting whether or not damage has occurred when an external force is applied to a structure. Destructive testing (destructive inspection) is performed by applying a load to a specimen made of actual material to break it, observing or measuring the location of damage on the specimen and its status, and applying it to an actual structure. It can be said that it is a direct method.
[0003]
On the other hand, non-destructive testing (non-destructive inspection) is a method that tries to estimate the internal state of structures using some physical quantity without destroying structures and specimens. This is an indirect method. Examples of the physical quantity used in the nondestructive test include vibration, ultrasonic wave, radiation, magnetism, and sound generated internally (AE: Acoustic Emission) at the time of material destruction (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-105665 (page 6-7, FIG. 1-3)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional methods described above have various problems as described below.
[0006]
In the case of a destructive test (destructive inspection), if a specimen is manufactured and its destructive test is performed for each structure, there is a problem that it takes time, labor and cost for preparing the specimen, and it is not efficient. In addition, destruction is greatly affected by the shape of the produced specimen or its dimensions, and the behavior at the time of destruction varies depending on the shape of the specimen. For this reason, when applying to an actual structure, human judgment and consideration are added to the destructive test result. For this reason, there is a problem that it is difficult to accurately determine the actual state of damage to the structure and that skill is required.
[0007]
In the case of non-destructive testing (non-destructive inspection), it is often possible to detect the fact that some destruction has occurred inside the structure, or the fact that some damage exists inside the structure. There is a problem that it is often difficult to clearly grasp the specific location, the shape and dimensions of the damage.
[0008]
In addition, since underground structures such as cast-in-place concrete piles are built underground, the fact that some damage has occurred or some damage has occurred inside the underground structure due to external forces such as earthquakes is Direct confirmation by is very difficult. For this reason, there existed a problem that the test | inspection of a structure was not easy. There is an example of such an inspection of the underground structure, but in this case, it is necessary to dig up around the underground structure such as cast-in-place concrete piles, and so it costs a lot of money. There was also a problem.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to detect a structure external force that is easy to implement and can detect a damaged part of the structure. An object of the present invention is to provide an apparatus and a method for detecting an external force of a structure.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a structure external force detection device according to the present invention is
A first container made of a flexible material and encapsulating the first enclosure, and a second enclosure made of a brittle material and mixed with the first enclosure to produce an electrolyte solution are enclosed in the first container. It has n (n: an integer greater than or equal to 3) external force response members configured in a rod shape with a second container to be accommodated, and one end of each of the external force response members is concentrated and joined. An external force responder arranged so that the other end of the external force response member expands and is arranged at an external force detection location of the structure;
A first conductor member made of a conductor and having one end inserted into one of the first container or the second container of each of the external force responsive members, and one end made of a conductor and each of the external force responsive members A set of second conductor members inserted in a second insertion location different from the first insertion location in one of the first container or the second container, and n sets,
An electrical continuity detection means for detecting electrical continuity and attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member;
When an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection location of the structure, at least one second container of the n external force response members is broken and the second enclosure is Leakage into the first enclosure, the second enclosure and the first enclosure are mixed to produce an electrolyte solution, and electrical conduction is conducted through the first conductor member and the second conductor member. A detection means detects that an external force exceeding a predetermined value is applied to an external force detection portion of the structure.
[0011]
In the structure external force detection device, preferably, the number of the external force response members is three, and one end of the three external force response members is joined while being concentrated on a reference point. The external force responder is configured such that the other end is positioned on three axes orthogonal to each other at the reference point.
[0012]
In the structure external force detecting device, preferably, the number of the external force response members is four, and one end of the four external force response members is concentrated on a reference point and joined, and the four external force response members are joined. The external force responder is configured such that the other end of the member is positioned at each vertex of the regular tetrahedron.
[0013]
In the structure external force detection device, preferably, the flexible material includes a synthetic resin material.
[0014]
In the structure external force detection device, preferably, the brittle material includes glass, a ceramic material, or a ceramic material.
[0015]
In the structure external force detection device, preferably, the first enclosure is a liquid first substance, the second enclosure is a liquid second substance, and the first substance and An electrolyte material is included in at least one of the second materials.
[0016]
In the structure external force detection device, preferably, the first enclosure is a solid third substance, the second enclosure is a liquid fourth substance, and the third substance is An electrolyte material is included, and the fourth material includes water.
[0017]
In the structure external force detection device, preferably, the electrical continuity detection means includes an ammeter, a voltmeter, or an electrical resistance meter.
[0018]
In the structure external force detection device, preferably, the external force responder concentrates and joins one end of the three external force response members to a reference point and the other end of the three external force response members. Has three attachment members that hold the three reference axes at positions on three axes that are orthogonal to each other.
[0019]
In addition, the structure external force detection device preferably includes four attachment members that hold the other external force response members so that the other end of each of the four external force response members is positioned at each vertex of the regular tetrahedron.
[0020]
Further, the external force detection method for a structure according to the present invention includes:
A first container made of a flexible material and encapsulating the first enclosure, and a second enclosure made of a brittle material and mixed with the first enclosure to produce an electrolyte solution are enclosed in the first container. It has n (n: an integer greater than or equal to 3) external force response members configured in a rod shape with a second container to be accommodated, and one end of each of the external force response members is concentrated and joined. An external force responder arranged so that the other end of the external force response member expands and is arranged at an external force detection location of the structure;
A first conductor member made of a conductor and having one end inserted into one of the first container or the second container of each of the external force responsive members, and one end made of a conductor and each of the external force responsive members A set of second conductor members inserted in a second insertion location different from the first insertion location in one of the first container or the second container, and n sets,
Using electrical continuity detection means for detecting electrical continuity while being attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member,
When an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection location of the structure, at least one second container of the n external force response members is broken and the second enclosure is Leakage into the first enclosure, the second enclosure and the first enclosure are mixed to produce an electrolyte solution, and electrical conduction is conducted through the first conductor member and the second conductor member. A detection means detects that an external force exceeding a predetermined value is applied to an external force detection portion of the structure.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a structure damage detection system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of the external force responder in the structure damage detection system shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of the external force response member in the external force responder shown in FIG.
[0022]
As shown in FIG. 1 (A), this structural damage detection system 101 includes an external force responder S installed inside a concrete of a cast-in-place concrete pile 203 that is a foundation of a viaduct 200 that supports a railroad track 300; The connecting member 2, the external force detection / transmission unit 4, the communication cable 5, and the structure management unit 6 are configured.
[0023]
A part of the connecting member 2 is installed inside the concrete of the cast-in-place concrete pile 203 or the footing 202 of the viaduct 200, and the rest is arranged outside the viaduct 200. Moreover, although the connection member 2 is mentioned later, the four individual connection members 20 are accommodated in the inside.
[0024]
As shown in FIG. 3B, each individual connection member 20 has a lead wire 22, and has a structure in which the outside of the lead wire 22 is surrounded by a protection member 21. One end of the lead wire 22 is connected to the external force responder S, and the other end of the lead wire 22 is connected to the external force detection / transmission unit 4. The external force detection / transmission unit 4 and the structure management unit 6 are connected by a communication cable 5. Note that the external force responder S and a part of the connecting member 2 are arranged at predetermined locations before the concrete placement of the cast-in-place concrete pile 203 and the footing 202, and are embedded and installed in the concrete.
[0025]
Next, a more detailed configuration of the external force responder S will be described with reference to FIG. FIG. 2A is a perspective view showing the overall configuration of the external force responder S. FIG.
[0026]
As shown in FIG. 2A, the external force responder S includes four external force response members 1, 1, 1, and 1 and the roots of these four external force response members 1, 1, 1, and 1. It is configured to have four attachment members F that are joined by concentrating one end of the portion, and has a substantially tetrapod shape as a whole.
[0027]
In this external force responder S, as shown in FIG. 2A, the center point of the four attachment members F is the position of the center point (reference point) of the regular tetrahedron P, and the four external force response members The other ends of 1, 1, 1, and 1 are configured to be the positions of the vertices of the regular tetrahedron P.
[0028]
FIG. 2B is a perspective view showing a more detailed configuration of the four attachment members F in the external force responder S. FIG. As shown in FIG. 2B, the four attachment members F are configured by joining four columnar portions f1, f2, f3, and f4, which are cylindrical members, in a tetrapod shape. The columnar portions f1, f2, f3, and f4 are respectively formed with mounting recesses V1, V2, V3, and V4 having a circular cross-sectional shape at the tip portions, and the central portions of the four mounting members F from the bottom center of each recess. Conductive holes h1, h2, h3, and h4 having a circular cross section are formed toward the top. Therefore, the central axes of the guide holes h1, h2, h3, and h4 coincide with the straight line connecting the center of the regular tetrahedron P and each vertex. Further, although not shown, a communication hole that connects the center of the four mounting members F and the outside of the four mounting members F is also formed.
[0029]
Next, a more detailed configuration of the external force response member 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3A, the external force response member 1 includes a first container 11, a second container 12, a first liquid 13, and a second liquid 14.
[0030]
The first container 11 is made of a flexible material (hereinafter referred to as “flexible material”) such as a plastics material or a rubber material, and is formed in a cylindrical shape having a hollow inside. Yes. Moreover, the lower end and upper end of the 1st container 11 are each obstruct | occluded by the disk-shaped member. A plurality of groove-like recesses 11 e surrounding the outer portion in an annular shape are formed on the outer side of the substantially cylindrical shape of the first container 11. Due to the plurality of annular recesses 11e, irregularities are formed on the surface portion of the external force response member 1 embedded in the cast-in-place concrete pile 203, improving the adhesion of the external force response member 1 to the concrete, and the stress in the pile Has the effect of improving the performance transmitted to the external force response member 1. In addition, an insertion hole 11 a for inserting a lead wire 22 to be described later is formed in the disk that is the upper end of the first container 11. A first liquid 13 is enclosed in the first container 11 and a second container 12 is accommodated therein.
[0031]
Here, the plastics material includes a composite material using plastic such as FRP (Fiber Reinforced Plastics) in addition to a so-called synthetic resin material. The rubber material includes natural rubber and artificial rubber, as well as composite materials using rubber.
[0032]
The second container 12 is made of a brittle material (hereinafter referred to as “brittle material”) such as a glass-based material, a ceramic material, or a ceramic-based material, and is formed in a cylindrical shape in which the inside is hollow. Yes. Moreover, the lower end and upper end of the 2nd container 12 are each obstruct | occluded by the disk-shaped member. The second liquid 14 is sealed inside the second container 12.
[0033]
Here, as a glass-type material, the composite material using glass other than what is called glass is included. Ceramic materials include ceramics, porcelain, and composite materials using these materials. In addition to so-called ceramics, ceramic materials include composite materials using these materials.
[0034]
An annular fixing member 15 is fitted in the insertion hole 11 a provided in the upper end disk of the first container 11. The fixing member 15 is formed of a flexible material such as a plastics material or a rubber material, and has a cylindrical opening at the center, and a later-described lead wire 22 is provided in the opening. It is inserted. The outer diameter of the lead wire 22 is slightly larger than the inner diameter of the opening of the fixing member 15, and the flexibility of the fixing member 15 is increased by pushing the lead wire 22 into the opening of the fixing member 15. The lead wire 22 is fitted by use, and the conductor exposed end portion 22 c of the lead wire 22 is inserted into the first liquid 13 in the first container 11.
[0035]
Further, distilled water is used as the first liquid 13. As the second liquid 14, an aqueous solution of salt (sodium chloride: NaCl) is used.
[0036]
The outer diameter of one end portion (the upper end portion in FIG. 3A) of the first container 11 of the external force response member 1 configured as described above is smaller than the inner diameter of the mounting recesses (for example, V1) of the four mounting members F. The one end portion (the upper end portion in FIG. 3A) of the first container 11 is configured to be accommodated in the mounting recesses (for example, V1) of the four mounting members F. .
[0037]
The outer diameter of the individual connection member 20 is set to a value smaller than the inner diameter of the guide holes (for example, h1) of the four attachment members F. For example, it is configured to be accommodated in h1).
[0038]
Although not shown, the outer diameter of the connecting member 2 including four individual connecting members 20 is larger than the inner diameter of the communication hole that connects the center of the four mounting members F and the outside of the four mounting members F. The connection member 2 is configured to be insertable into the communication holes of the four attachment members F.
[0039]
With the configuration as described above, one end portion (the upper end portion in FIG. 3A) of the first container 11 of the external force response member 1 is joined to the mounting recesses (for example, V1) of the four mounting members F with an adhesive or the like. Then, the individual connection members 20 of each external force response member 1 are inserted through the corresponding guide holes (for example, h1), and the four individual connection members 20 gathered at the center of the four attachment members F are used as springs. The connecting member 2 can be pulled out from the communication holes of the four mounting members F.
[0040]
Next, a case where a large external force, for example, a force due to earthquake motion is applied to the above-mentioned cast-in-place concrete pile 203 and damage such as a crack occurs in the cast-in-place concrete pile 203 will be described as an example. A detailed configuration and operation of the structure damage detection system 101 will be described.
[0041]
As described above, when a large external force is applied to the cast-in-place concrete pile 203 so as to cause damage such as a crack in the cast-in-place concrete pile 203, stress is generated in the concrete. For this, the first container 11 of the external force response member 1 of the external force responder S embedded in any part of the concrete is formed of a flexible material, and thus, for example, is pulled. It is deformed to be compressed, bent, bowed or sheared. On the other hand, since the 2nd container 12 accommodated in the inside of the 1st container 11 is formed with the brittle material, it cannot endure a deformation | transformation more than a certain amount, and it fractures | ruptures.
[0042]
As a result, the second liquid 14 made of an aqueous sodium chloride solution contained in the second container 12 leaks into the first liquid 13 which is distilled water, and both the first liquid 13 and the second liquid 14 are used. Are mixed with each other to form a dilute aqueous sodium chloride solution.
[0043]
The diluted sodium chloride aqueous solution is an electrolyte solution. In the dilute sodium chloride aqueous solution, sodium chloride (NaCl) is ionized, and in the solvent water, there is a sodium ion Na + that is a positively charged cation and a negatively charged anion. Chlorine ion Cl - is present. For this reason, the diluted sodium chloride aqueous solution exhibits electrical conductivity.
[0044]
As shown in FIG. 3D, the lead wire 22 inserted into the first container 11 has a first conductor member 22a, a second conductor member 22b, and an insulating member 22c. . The first conductor member 22a and the second conductor member 22b are linear members formed of an electric conductor (conductor), for example, copper (Cu). The insulating member 22c is formed of an electrical non-conductor, such as a synthetic resin material or a rubber material, and has a predetermined interval between the first conductor member 22a and the second conductor member 22b and surrounds them. The first conductor member 22a and the second conductor member 22b, the first conductor member 22a and the periphery thereof, and the second conductor member 22b and the periphery thereof are electrically insulated.
[0045]
FIG. 4 is a block diagram showing a more detailed configuration of the external force detection / transmission unit 4 in the structure damage detection system shown in FIG.
[0046]
As shown in FIG. 4A, the external force detector / transmitter 4 includes a housing 40, an electrical continuity detector 41, an amplifier 42, an A / D converter 43, input / output interfaces 44a and 44b, and a CPU 45. A ROM 46, a RAM 47, and a transmitter 49. Moreover, the housing 40 is attached to the pillar 201 of the viaduct 200 as shown in FIG. 1 (A), for example.
[0047]
As shown in FIG. 4B, the electrical continuity detector 41 has a DC power supply 41a and an ammeter 41b, and the first conductor member 22a is electrically connected to the anode of the DC power supply 41a. Also, one terminal of the ammeter 41b is electrically connected to the cathode of the DC power supply 41a, and the second conductor member 22b is electrically connected to the other terminal of the ammeter 41b.
[0048]
With such a configuration, when an external force acts on the external force response member 1 and the second container 12 is broken, both the first liquid 13 and the second liquid 14 are mixed with each other to form a diluted sodium chloride aqueous solution. Sodium aqueous solution shows electrical conductivity. Therefore, as shown by the wavy line in FIG. 3D or FIG. 4A, the end 22a1 where the first conductor member 22a is exposed in the first liquid and the second conductor member 22b are in the first liquid. A current i flows between the end portions 22b1 exposed to.
[0049]
This current i reaches the ammeter 41b through the second conductor member 22b and is detected. When the current i is detected, the ammeter 41b outputs that the current is detected as an electric signal (for example, current). The current output from the electrical continuity detector 41 is amplified by the amplifier 42. The amplified current is converted from an analog amount into a digital amount by the A / D converter 43 and sent to the CPU 45 via the input / output interface 44a.
[0050]
Although not shown, a CPU (Central Processing Unit) 45 has an internal bus which is a signal line for sending and receiving current (signal) inside the CPU 45. The bus has an operation unit, a register, a clock generation unit, an instruction processing unit, and the like. The arithmetic unit in the CPU 45 generally performs four arithmetic operations (addition, subtraction, multiplication, and division) or various logical operations (logical product, logical sum, negation, exclusive) on various data stored in the register. This is a portion for performing processing such as logical sum or data comparison or data shift. In general, the result of the processing is stored in a register.
[0051]
The register is generally a part for storing one word of data. Usually, a plurality of registers are provided in the CPU 45. The clock generator is a part that generates a clock signal (clock signal) for synchronizing the time of each part of the CPU 45. The CPU 45 operates based on this clock signal. The instruction processing unit is a part that controls and processes fetching, decoding, and execution of instructions to be executed by the arithmetic unit and the like.
[0052]
A ROM (Read Only Memory) 46 is a part that stores a control program for controlling the CPU, various data used by the CPU, and the like. The ROM includes a semiconductor chip and a hard disk device. Although not shown, the hard disk device has a disk-shaped magnetic disk therein, and the magnetic disk is rotated by a disk drive mechanism, and the magnetic head is moved to an arbitrary position of the magnetic disk by a head drive mechanism. The data is recorded by magnetizing the magnetic film on the surface of the magnetic disk with a write current from the magnetic head, and flows to the coil of the magnetic head when the magnetic head moves over the magnetized magnetic film. It is a device that reads recorded data by detecting current.
[0053]
In the above control program, in addition to the basic software of the CPU 45 such as an OS (Operating System), processing procedures such as instructions for causing the CPU 45 to execute various processes and analysis operations are described in a predetermined program language. A set of characters and symbols.
[0054]
A RAM (Random Access Memory) 47 is a part for temporarily storing intermediate data calculated by the CPU 45. The RAM is mainly composed of semiconductor chips.
[0055]
With the configuration as described above, when the CPU 45 detects the electrical signal from the electrical continuity detector 41, the CPU 45 determines that "the pile concrete at the location of the external force response member 1 that exhibits electrical conductivity has been damaged" Information for specifying the position and the like of the pile (for example, data such as the position coordinates of the position of the pile) is added to data such as a flag expressing “damage to the pile” and a digital output signal is generated.
[0056]
The digital electrical signal generated by the CPU 45 is sent to the transmitter 49 via the input / output interface 44b. The transmitter 49 converts the digital electric signal as it is or converts it into another signal form (for example, an optical signal) and transmits it to the structure management unit 6 through the communication cable 5. As the communication cable 5, a conducting wire that conducts current, an optical fiber, or the like is used.
[0057]
The structure management unit 6 has a configuration as shown in FIG. In other words, the structure management unit 6 is a facility that centrally manages structures related to railway tracks in a certain railway line section (for example, “Yamanote Line”, “Saikyo Line”, etc.). The structure state display board 62 and the storage / output device 63 are provided.
[0058]
The central computer 61 is connected to each structure of this line section, for example, the communication cables 5a to 5d from the external force detection / transmission unit of each pile in the viaduct so that data from the structure is concentrated. It has become. As shown in FIG. 1B, the structure state display board 62 includes a display panel unit 62a and a console 62b. The entire display section 62a is displayed on the display panel unit 62a, and a structure such as a pile is represented by a lamp or the like. With such a configuration, the place where the damage has occurred is in a state where the operator (structure manager) can visually recognize, for example, a lamp is lit or flashing, as shown by 62c in FIG. . The storage / output device 63 is a device that stores a damage history or the like in a recording medium or performs printing or the like.
[0059]
The structure damage detection system 101 according to the first embodiment described above has the following advantages.
[0060]
a) When a large external force (for example, seismic motion or the like) is applied to a railway structure or the like and damage occurs, the position of the damaged portion can be easily detected in real time.
[0061]
b) Since it is built inside the ground G like an underground structure such as a pile, it is possible to detect damage to a portion that cannot be seen without any trouble.
[0062]
c) It is possible to centrally monitor the presence or absence of damage to each structure in a facility extending over a long line, such as a railway or a road.
[0063]
d) At each detection position, not only one external force response member 1 but also four external force response members 1 are installed in different directions, respectively, and it is possible to detect the stress component corresponding to each direction. Become. For this reason, it is also possible to estimate the type and strength of the stress acting on the position where the damage has occurred.
[0064]
In the first embodiment described above, the structure external force detection system 101 corresponds to the structure external force detection device in the claims. The first liquid 13 corresponds to the first inclusion body and the first substance in the claims, and the second liquid 14 corresponds to the second inclusion body and the second substance in the claims. Further, the electrical continuity detector 41 and the CPU 45 of the external force detection / transmission unit 4 correspond to electrical continuity detection means in the claims. The exposed end portion 22a1 of the first conductor member 22a corresponds to a first insertion location in the claims, and the exposed end portion 22b1 of the second conductor member 22b corresponds to a second insertion location in the claims. is doing.
[0065]
In addition, when the electrical continuity of the external force response member 1 occurs by adjusting the breaking strength of the second container 12 and setting it to a predetermined strength value, the CPU 45 determines that “the cast-in-place concrete pile 203 concerned” It can also be configured to quantitatively calculate that a predetermined external force value has been added to the external force responder installation location, and to transmit that fact to the structure management unit 6.
[0066]
Further, by appropriately devising the arrangement state of the external force response member 1, for example, the external force response member 1 is arranged at a plurality of positions where the vertical height positions in the pile 203 are different, and the vicinity of the center of the pile and its surroundings. By arranging the external force response member 1 at different positions, the CPU 45 can calculate the predetermined external force value applied to the pile 203 quantitatively by calculating backward from the damage state inside the pile 203.
[0067]
The present invention is not limited to the embodiment described above. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0068]
For example, in the above-described embodiment, the external force responder (for example, S) has been described with respect to an example in which four external force response members (for example, 1) are arranged in a regular tetrahedron shape. Without being limited, the external force responder may have other configurations. For example, the number of external force response members used in the external force responder is not limited to four but may be three. In the case of three, one end of the three external force response members is concentrated and joined to the reference point, and the other end of the three external force response members is positioned on three axes that are orthogonal to each other at the reference point. Install in. That is, in this case, the external force response member is arranged so as to extend in the X, Y, and Z axis directions of the three-dimensional coordinate system, and the center of the member (three attachment members) that joins the root portions is set to the coordinate origin. It arrange | positions in a position and the position of the three external force response members 1 is fixed by these three attachment members. Alternatively, the number of external force response members may be 5 or more.
[0069]
Moreover, in the said embodiment, although the example using a distilled water as a 1st enclosure and using sodium chloride aqueous solution as a 2nd enclosure was demonstrated, this invention is not limited to this, For example, other structures, for example, The first inclusion body and the second inclusion body may be reversed.
[0070]
Moreover, the combination of a 1st inclusion body and a 2nd inclusion body is also possible by the combination of another substance. The point is that the electrolyte solution only needs to be generated when the second container breaks and the second enclosure leaks into the first enclosure and is mixed. Therefore, for example, a combination in which the first inclusion body is water (distilled water, pure water, etc.) and the second inclusion body is an electrolyte solid or an electrolyte solution.
[0071]
A combination in which the first enclosure is an electrolyte solid and the second enclosure is water (distilled water, pure water, etc.) or an aqueous electrolyte solution is also possible. In this case, the first enclosure corresponds to the third substance in the claims, and the second enclosure corresponds to the fourth substance in the claims. Examples of the electrolyte include acids such as sulfuric acid, alkali substances such as sodium hydroxide, salts generated by a reaction between an acid and an alkali, and other compounds.
[0072]
The shapes of the first container and the second container are not limited to the above-described cylindrical shape, and may be other shapes, for example, a cylindrical shape with an elliptical cross section, a cylindrical shape with a polygonal cross section, or the like. Moreover, the shape of the unevenness formed on the outer surface of the first container includes an annular convex part, a spiral convex part or concave part, a number of warped convex parts, a number of hole-shaped concave parts, etc. There may be.
[0073]
3 (C) and 3 (D), the end 22a1 where the first conductor member 22a is exposed in the first liquid (first insertion position in the claims) and the second conductor Although the member 22b is illustrated as having a step at the position of the end 22b1 (second insertion position in the claims) where the member 22b is exposed in the first liquid, the present invention is not limited to this example. In other configurations, for example, a configuration in which there is no step between the exposed end portions 22a1 and 22b1 (for example, an arrangement in which both are in the same horizontal position in FIGS. 3C and 3D). There may be.
[0074]
Moreover, the structure of the 1st insertion location and 2nd insertion location which insert a 1st conductor member and a 2nd conductor member in an external force responder is not limited to the structure shown in FIG.3 (C) and FIG.3 (D). Other configurations may be used. In short, the electrolyte solution does not exist between the first conductor member and the second conductor member before the second container is broken, and the first conductor member and the second conductor are not broken between the second container and the second container. What is necessary is just to be comprised so that electrolyte solution may be satisfy | filled between members. Therefore, the exposed end portion of the first conductor member may be inserted into the first container or may be inserted into the second container. Further, the exposed end portion of the second conductor member may be inserted into the first container or may be inserted into the second container. Therefore, the exposed end portion of the first conductor member may be inserted into the first container, and the exposed end portion of the second conductor member may be inserted into the second container. In the case of such a configuration, both the first inclusion body and the second inclusion body may be an electrolyte solution. This is because if the second container is sufficiently electrically insulated, no current flows between the first conductor member and the second conductor member before the second container breaks.
[0075]
The degree of flexibility of the first container and the degree of brittleness of the second container can be set as appropriate. Depending on how these values are set, the external force and the degree of damage of the structure to be detected can be adjusted. Further, if the outer diameter of the second container is set slightly smaller than the inner diameter of the first container, the second container can be easily broken even with a small external force.
[0076]
Moreover, the structure which is the object which detects an external force is not limited to a pile, Other foundation structures may be sufficient. Or structures other than a foundation structure may be sufficient.
[0077]
In addition, the arrangement position and arrangement state of the external force responder which is an external force responder are the same as those in the first embodiment described above, that is, one longitudinal direction of four external force response members (for example, 1) is vertically up and down. It is not limited to the state which becomes parallel to. Other states, for example, the state where the longitudinal direction of the external force response member (for example, 1) is parallel to the horizontal direction, or the state where the longitudinal direction of the external force responder is the direction of the tangent to the circle in the cross section of the pile, or any desired The inclination angle may be.
[0078]
Further, as the electrical continuity detecting means, a voltmeter or an electric resistance meter may be used instead of the above-described ammeter.
[0079]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first container that is made of a flexible material and in which the first enclosure is enclosed and the first enclosure that is made of a brittle material and mixed with the first enclosure are used to generate the electrolyte solution. 2 It has n (n: an integer greater than or equal to 3) external force response members configured in a rod shape with a second container enclosed and contained in the first container, and one end of each external force response member The external force response members arranged at the external force detection portion of the structure and the one end of each external force response member are connected to each other, and the other end of each external force response member expands. Or the 1st conductor member inserted in the 1st insertion place inside the 2nd container, and the 1st insertion place in the inside of the 1st container of each external force response member which consists of a conductor, or each 2nd container N sets of second conductor members inserted in different second insertion locations; Since it is configured to include electrical continuity detection means for detecting electrical continuity while being attached to the other end of the first conductor member and the second conductor member, an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection location of the structure. In such a case, the second container breaks and the second enclosure leaks into the first enclosure, and the second enclosure and the first enclosure are mixed to produce an electrolyte solution. It has an advantage that it can be easily detected that an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection portion of the structure, which is detected by the electrical continuity detecting means via the first conductor member and the second conductor member. . Further, at each detection position, not only one external force response member but four four are installed in different directions, respectively, and it is possible to detect the stress component corresponding to each direction. . For this reason, it also has an advantage that it is possible to estimate the type and strength of the stress applied to the position where the damage has occurred.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a structure damage detection system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a more detailed configuration of an external force responder in the structure damage detection system shown in FIG. 1; FIG.
3 is a cross-sectional view showing a more detailed configuration of an external force response member in the external force responder shown in FIG. 2. FIG.
4 is a block diagram showing a more detailed configuration of an external force detection / transmission unit in the structure damage detection system shown in FIG. 1; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 External force transponder 2 Connection member 3 Structure insertion member 4 External force detection and transmission part 5-5d Communication cable 6 Structure management part 11 1st container 11a Insertion hole 11e Annular recessed part 12 2nd container 13 1st liquid 14 2nd Liquid 15 Fixing member 16 Joining member 20 Individual connection member 21 Protective member 22 Lead wire 22a First conductor member 22a1 Conductor exposed end 22b Second conductor member 22b1 Conductor exposed end 22c Insulating member 40 Housing 41 Electrical continuity detector 41a DC Power supply 41b Ammeter 42 Amplifier 43 A / D converters 44a and 44b Input / output interface 45 CPU
46 ROM
47 RAM
49 Transmitter 61 Central Computer 62 Structure Status Display Panel 62a Display Panel Unit 62b Console 62c Damage Location 63 Memory / Output Device 101 Structure Damage Detection System 200 Viaduct 201 Pillar 202 Footing 203 Cast-in-place Concrete Pile 204 Insertion Hole 300 Railway Line F Four mounting members f1 to f4 Column-shaped portions h1 to h4 Guide hole G Ground i Current P Regular tetrahedron S External force responder V1 to V4 Mounting recess

Claims (11)

可撓性材料からなり第1封入体が封入された第1容器と、脆性材料からなり前記第1封入体と混合することにより電解質溶液を生成する第2封入体が封入され前記第1容器に収容される第2容器を有して棒状に構成される外力応答部材をn個(n:3以上の整数)以上有し、前記各外力応答部材の一端を集中させて接合するとともに、前記各外力応答部材の他端が拡がるようにし、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答器と、
導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所に挿入された第1導体部材と、導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の前記第1挿入箇所とは異なる第2挿入箇所に挿入された第2導体部材からなる組をn組と、
前記第1導体部材の他端と前記第2導体部材の他端に取り付けられるとともに電気の導通を検出する電気導通検出手段を備え、
前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が付加された場合には、前記n個の外力応答部材のうちの少なくとも1個の内部の第2容器が破断して前記第2封入体が前記第1封入体内に漏出し、前記第2封入体と前記第1封入体が混合して電解質溶液が生成し、電気の導通が前記第1導体部材及び前記第2導体部材を経て前記電気導通検出手段により検出され、前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が作用した旨を検知すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
A first container made of a flexible material and encapsulating the first enclosure, and a second enclosure made of a brittle material and mixed with the first enclosure to produce an electrolyte solution are enclosed in the first container. It has n (n: an integer greater than or equal to 3) external force response members configured in a rod shape with the second container to be accommodated, and one end of each of the external force response members is concentrated and joined. An external force responder arranged so that the other end of the external force response member expands and is arranged at an external force detection location of the structure;
A first conductor member made of a conductor and having one end inserted into one of the first container or the second container of each of the external force responsive members, and one end made of a conductor and each of the external force responsive members A set of second conductor members inserted in a second insertion location different from the first insertion location in one of the first container or the second container, and n sets,
An electrical continuity detection means for detecting electrical continuity and attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member;
When an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection location of the structure, at least one second container of the n external force response members is broken and the second enclosure is Leakage into the first enclosure, the second enclosure and the first enclosure are mixed to produce an electrolyte solution, and electrical conduction is conducted through the first conductor member and the second conductor member. A structure external force detection device which detects that an external force exceeding a predetermined value is applied to an external force detection portion of the structure detected by a detection means.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記外力応答部材は3個であり、前記3個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記3個の外力応答部材の他端は前記基準点で互いに直行する3つの軸線上の位置となるようにして前記外力応答器を構成すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The number of the external force response members is three, and one end of the three external force response members is joined while being concentrated on a reference point, and the other end of the three external force response members is three at the reference point. A structure external force detecting device, wherein the external force responder is configured to be positioned on an axis.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記外力応答部材は4個であり、前記4個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記4個の外力応答部材の他端が正四面体の各頂点の位置となるようにして前記外力応答器を構成すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The number of the external force response members is four, and one end of the four external force response members is joined while being concentrated on a reference point, and the other end of the four external force response members is positioned at each vertex of the regular tetrahedron. The external force responder is configured as described above, and the structure external force detector.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記可撓性材料は、合成樹脂材料を含むこと
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The structure external force detection device, wherein the flexible material includes a synthetic resin material.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記脆性材料は、ガラス、又は陶磁材料、若しくはセラミックス系材料を含むこと
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The structural external force detection device, wherein the brittle material includes glass, a ceramic material, or a ceramic material.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記第1封入体は液体状の第1物質であるとともに、前記第2封入体は液体状の第2物質であり、前記第1物質と前記第2物質の少なくとも一方に電解質物質が含まれること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The first inclusion body is a liquid first substance, the second inclusion body is a liquid second substance, and an electrolyte substance is contained in at least one of the first substance and the second substance. Structure external force detection device characterized by.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記第1封入体は固体状の第3物質であるとともに、前記第2封入体は液体状の第4物質であり、前記第3物質は電解質物質を含み、かつ前記第4物質は水を含むこと
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The first inclusion body is a solid third substance, the second inclusion body is a liquid fourth substance, the third substance contains an electrolyte substance, and the fourth substance contains water. A structure external force detector.
請求項1記載の構造物外力検知装置において、
前記電気導通検出手段は、電流計又は電圧計若しくは電気抵抗計を有すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 1,
The electrical continuity detecting means includes an ammeter, a voltmeter, or an electric resistance meter.
請求項2記載の構造物外力検知装置において、
前記外力応答器は、前記3個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記3個の外力応答部材の他端は前記基準点で互いに直行する3つの軸線上の位置となるように保持する3個取付部材を有すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 2,
The external force responder is formed by concentrating and joining one end of the three external force response members to a reference point, and the other end of the three external force response members is a position on three axes orthogonal to each other at the reference point. A structure external force detection device having three mounting members for holding the structure.
請求項3記載の構造物外力検知装置において、
前記外力応答器は、前記4個の外力応答部材の一端を基準点に集中させて接合するとともに、前記4個の外力応答部材の他端が正四面体の各頂点の位置となるように保持する4個取付部材を有すること
を特徴とする構造物外力検知装置。
In the structure external force detection device according to claim 3,
The external force responder concentrates and joins one end of the four external force response members to a reference point, and holds the other end of the four external force response members at the position of each vertex of the regular tetrahedron. A structure external force detection device comprising four mounting members.
可撓性材料からなり第1封入体が封入された第1容器と、
脆性材料からなり前記第1封入体と混合することにより電解質溶液を生成する第2封入体が封入され前記第1容器に収容される第2容器を有して棒状に構成される外力応答部材をn個(n:3以上の整数)以上有し、前記各外力応答部材の一端を集中させて接合するとともに、前記各外力応答部材の他端が拡がるようにし、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答器と、
導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の第1挿入箇所に挿入された第1導体部材と、導電体からなり一端が前記各外力応答部材の一つの前記第1容器又は第2容器の内部の前記第1挿入箇所とは異なる第2挿入箇所に挿入された第2導体部材からなる組をn組と、
前記第1導体部材の他端と前記第2導体部材の他端に取り付けられるとともに電気の導通を検出する電気導通検出手段を用い、
前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が付加された場合には、前記n個の外力応答部材のうちの少なくとも1個の内部の第2容器が破断して前記第2封入体が前記第1封入体内に漏出し、前記第2封入体と前記第1封入体が混合して電解質溶液が生成し、電気の導通が前記第1導体部材及び前記第2導体部材を経て前記電気導通検出手段により検出され、前記構造物の外力検知箇所に所定値を越える外力が作用した旨を検知すること
を特徴とする構造物の外力検知方法。
A first container made of a flexible material and containing a first enclosure;
An external force response member made of a brittle material and having a second container encapsulated with a second enclosure for producing an electrolyte solution by mixing with the first enclosure and having a second container accommodated in the first container. n (n: an integer of 3 or more) or more, one end of each external force response member is concentrated and joined, and the other end of each external force response member is expanded to be arranged at an external force detection location of the structure An external force responder,
A first conductor member made of a conductor and having one end inserted into one of the first container or the second container of each of the external force responsive members, and one end made of a conductor and each of the external force responsive members A set of second conductor members inserted in a second insertion location different from the first insertion location in one of the first container or the second container, and n sets,
Using electrical continuity detection means for detecting electrical continuity while being attached to the other end of the first conductor member and the other end of the second conductor member,
When an external force exceeding a predetermined value is applied to the external force detection location of the structure, at least one second container of the n external force response members is broken and the second enclosure is Leakage into the first enclosure, the second enclosure and the first enclosure are mixed to produce an electrolyte solution, and electrical conduction is conducted through the first conductor member and the second conductor member. A method for detecting an external force of a structure, characterized by detecting that an external force exceeding a predetermined value is applied to an external force detection location of the structure, which is detected by a detection means.
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