JP4039964B2 - 構造物外力検知装置、及び構造物の外力検知方法 - Google Patents
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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熱が発生するようにし、形状記憶物質からなる外力応答手段が熱により変形することにより、電気の導通等の電気的状態を変化させ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、
可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を備え、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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、前記可撓性材料は、合成樹脂材料を含む。
【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。
【００１３】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第１封入体は固体状の第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、かつ前記第２物質は水を含む。
【００１４】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第１封入体は液体状の第３物質であるとともに、前記第２封入体は固体状の第４物質であり、かつ前記第３物質は水を含む。
【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電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が接触した場合には電気の導通を検出する。
【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電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の不導通を検出する。
【００１７】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、
前記第１電極と前記第２電極からなる組が２組設けられるとともに、前記第１導体部材と前記第２導体部材からなる組が２組設けられ、
一方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
他方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記一方の組の前記第１電極と前記第２電極が接触するとともに前記他方の組の前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の切り換えが行われたことを検出する。
【００１８】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記電気状態検出手段は、電流計又は電圧計若しくは電気抵抗計を有する。
【００１９】
また、本発明に係る構造物外力検知方法は、
可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を用い、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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。
【００２０】
【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。
【００２１】
（１）第１実施形態
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体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体１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、図２（Ｂ）に示すように、接続部材２は、その内部に第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂ（後述）を有しており、これらの導体部材の外側が合成樹脂系材料やゴム系材料からなる保護部材によって包囲された構造となっている。第１導体部材２２ａの一端は、外力応答体１に接続し、また、第２導体部材２２ｂの一端は、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、外力応答体１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。
【００２４】
次に、上記した外力応答体１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）に示すように、外力応答体１は、第１容器１１と、第２容器１２と、固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３と、水１４と、作用部材１５と、第１電極１６と、第２電極１７を有して構成されている。ここに、酸化カルシウム（ＣａＯ）１３は、特許請求の範囲における第１物質に相当している。また、水１４は、特許請求の範囲における第２物質に相当している。
【００２５】
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の一端と他端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。なお、第１容器１１の一端となる円板には、後述する第１導体部材２２ａを挿通するための第１挿通孔１１ａが開設され、第１容器１１の他端となる円板には、後述する第２導体部材２２ｂを挿通するための第２挿通孔１１ｂが開設されている。この第１容器１１の内部には、第１物質である固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３が封入されるとともに、第２容器１２が収容されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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の一端と他端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。なお、第２容器１２の一端となる円板には、後述する第１導体部材２２ａを挿通するための第１挿通孔１２ａが開設され、第２容器１２の他端となる円板には、後述する第２導体部材２２ｂを挿通するための第２挿通孔１２ｂが開設されている。
【００２８】
この第２容器１２の内部には、水１４が封入されている。また、第２容器１２の内部には、作用部材１５が配置され、第１導体部材２２ａに電気的に接続している。また、作用部材１５のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６が電気的に接続している。また、第２容器１２の内部の、前記第１電極１６と対向する位置には、第２電極１７が配置され、第２導体部材２２ｂに電気的に接続している。
【００２９】
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。
【００３０】
また、作用部材１５は、形状記憶物質により形成されている。形状記憶物質とは、当初は第１形状に形成されており、所定の変態温度以上になると、あらかじめ記憶された第２形状に変形する物質である。第１実施形態においては、形状記憶物質として、形状記憶合金を使用している。
【００３１】
形状記憶合金としては、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、銅−アルミニウム−ベリリウム合金、金−カドミウム合金、インジウム−タリウム合金、鉄−マンガン−ケイ素合金などが使用可能である。形状記憶合金は、電気の導体である。
【００３２】
上記した作用部材１５は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００３３】
また、第１電極１６と第２電極１７は、電気の良導体、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。
【００３４】
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。
【００３５】
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のいずれかの箇所に埋設されている外力応答体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、弓状に曲がるように変形する。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、破損する（図３（Ａ）参照）。
【００３６】
この結果、第２容器１２の内部に収容されていた水１４が第２容器１２から漏出して第１容器１１の中に入り込み、水１４と、第１容器１１内の固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３の両者が互いに混合する。酸化カルシウム（ＣａＯ）１３は、生石灰、石灰等とも呼ばれるが、水１４と反応して、多量の熱を発生し、水酸化カルシウムとなる。このため、第２容器１２内の水１４は、高温となり、作用部材１５の温度は、上記した変態温度以上の温度となる。
【００３７】
このため、作用部材１５は、当初の第１形状の場合には、長さが短いため、第１電極１６は第２電極１７に接触してはいなかったが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６は、第２電極１７に接触する（図３（Ｂ）参照）。第２電極１７は、第１電極１６と軽く嵌合するような形状に形成されている。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂは電気的に導通した状態となる。
【００３８】
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。
【００３９】
図４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に示すように、高架橋２００の柱２０１に取り付けられている。
【００４０】
電気導通検出器４１は、図示はしていないが、直流電源と電流計を有しており、直流電源の陽極に第１導体部材２２ａが電気的に接続されている。また、直流電源の陰極に電流計の一方の端子が電気的に接続され、電流計の他方の端子に第２導体部材２２ｂが電気的に接続されている。
【００４１】
このような構成により、外力応答体１に外力が作用して第２容器１２が破損し、酸化カルシウム１３と水１４の両者が互いに混合することによって反応が起こり、多量の熱を発生すると、作用部材１５が長く伸びた第２形状に変形して第１電極１６が第２電極１７と接触し、電気的に導通した状態となる。したがって、図４において矢印で示すように、第１導体部材２２ａと外力応答体１と第２導体部材２２ｂを通る電流ｉが流れる。
【００４２】
この電流ｉは、第２導体部材２２ｂを通って電気導通検出器４１（例えば、電流計）に到達して検出される。電流ｉが検出されると、電気導通検出器４１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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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体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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、外力応答体１は、特許請求の範囲における外力応答手段に相当している。また、酸化カルシウム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、水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電極と第２電極の間で電気が導通する状態に変化することは、特許請求の範囲における電気的状態の変化に相当している。
【００５７】
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、外力応答体１の発光が生じた場合には、ＣＰＵ４５が、「場所打ちコンクリート杭２０３の当該外力応答体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。
【００５８】
また、外力応答体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体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体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。
【００５９】
（２）第２実施形態
本発明は、上記した第１実施形態以外の構成によっても実現可能である。図５は、本発明の第２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６は、図５に示す構造物損傷検出システムにおける構造物内挿入部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【００６０】
図５（Ａ）に示すように、第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２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た構造物内挿入部材３と、この構造物内挿入部材３の内部に設置されている外力応答体１Ａ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。
【００６１】
この第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２が、第１実施形態の構造物損傷検出システム１０１と異なる点は、場所打ちコンクリート杭２０３のコンクリート内部に外部から構造物内挿入部材３が挿入され、この構造物内挿入部材３の内部に外力応答体１Ａが配置されている点である。したがって、第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２は、すでに構築されている場所打ちコンクリート杭２０３の内部に、後から外力応答体１Ａを設置する場合に好適である。なお、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の構成と作用については、第１実施形態の場合と同様であるので、その説明は省略する。
【００６２】
次に、第２実施形態の場合の、構造物内挿入部材３と、外力応答体１Ａの設置方法について、図５及び図６を参照しつつ詳細に説明する。
【００６３】
まず、削孔機等（図示せず）により、地上から場所打ちコンクリート杭２０３に向けて、削孔を行い、円柱状の挿入孔２０４を形成する。次に、挿入孔２０４の中に挿入管３１を挿入する。挿入管３１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可撓性材料からなり、内部が中空状となった円筒形状に形成されている。これは、場所打ちコンクリート杭２０３に大きな外力が付加されても、挿入管３１を形成する材料の強度や剛性が大きいと、挿入管３１の内部の外力応答体１Ａに作用する力が減殺され、外力応答体１Ａ内部の第２容器１２が破損せず、水１４が酸化カルシウム１３中へ漏出しない場合があるからである。
【００６４】
また、挿入管３１の外径は挿入孔２０４の内径よりもわずかに小さい値に設定されている。この場合、挿入孔２０４と挿入管３１とを接着剤等により接着すれば、挿入孔２０４と挿入管３１との間で「滑り」が生じることが防止され、場所打ちコンクリート杭２０３に加わった外力に応じた変形が支障なく挿入管３１に作用する。
【００６５】
次に、挿入管３１の内部における外力応答体１Ａの位置を所定箇所に設定するため、挿入管３１の内部の空洞部に、位置決め部材３２ａを挿入し、先端までの長さがあらかじめ計測された所定長さの棒状の定規部材等（図示せず）によって背後から押し込む等の方法で所定箇所まで挿入し、その後、接着剤等により挿入管３１の内部に固定する。位置決め部材３２ａは、挿入管３１の強度や剛性をあまり増加させない材料、例えば、発泡性合成樹脂材料などが用いられる。
【００６６】
次に、外力応答体１Ａを地上の外部から挿入管３１内に挿入し、棒状部材等（図示せず）により背後から押し込むことにより、あらかじめ位置決め部材３２ａが設置された箇所まで移動させる。その後、接着剤等により、外力応答体１Ａを挿入管３１の内部に固定する。次に、挿入管３１内の外力応答体１Ａの背後に、上記と同様にして、他の位置決め部材３２ｂを挿入する。この場合、外力応答体１Ａの外表面には、外力応答体１に設けられていたような環状凹部（１１ｅ）は設けられていない。これは、第２実施形態においては、外力応答体１Ａの外表面には、杭のコンクリートとの付着性は必要ないからである。なお、外力応答体１Ａの背後（地上に近い方）の位置決め部材３２ｂについては、後述するように、現存の外力応答体を引き抜いて新たな外力応答体と交換し、再度挿入する作業が予想されるため、接着剤等による挿入管３１への固定は行わない。これにより、外力応答体１Ａが挿入管３１の内部の所定箇所に位置決めされて設置される。
【００６７】
第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２によれば、上記した第１実施形態の場合と同様の利点に加え、以下のような利点がある。
【００６８】
ｄ）すでに構築された構造物の内部に、外部（例えば地上）から外力応答体１Ａを設置し、その後に構造物に大きな外力（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。
【００６９】
ｅ）外力応答体１Ａが使用されて第１液と第２液の混合が済んでしまった場合や、外力応答体１Ａの設置後に外力が作用せずに長期間が経過し外力応答体１Ａ内の物質の性能劣化が予想される場合などに、外力応答体１Ａの新品との交換を容易に行うことが可能である。
【００７０】
なお、挿入管３１内の既存の外力応答体１Ａを新品と交換する時には、既存の外力応答体１Ａに取り付けられている接続部材２を引っ張って地上まで引き上げることになる。このため、接続部材２のうち、各導体部材の外側に配置される保護部材としては、アラミド樹脂（例えばケブラー繊維）等の引張り強度の高い材料を用いることが望ましい。
【００７１】
また、挿入管３１の内部の空洞は、外力、変形、挿入管自体の経年変化等により、当初の大きさよりも縮小する可能性がある。このように、挿入管３１の内部の空洞が縮小すると、接続部材２の保護部材２１を引っ張っても、外力応答体１Ａを外部に引き出すことができなくなるおそれがある。このため、図５に示すように、挿入管３１の内部空洞に、内部空洞保持部材３３を挿入し、内部空洞のつぶれを防止する。
【００７２】
内部空洞保持部材３３の材料としては、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可撓性材料が望ましい。また、挿入管３１内の既存の外力応答体１Ａを新品と交換する時には、まず内部空洞保持部材３３を引き出す必要があるから、内部空洞保持部材３３と挿入管３１との間の摩擦は小さいことが望ましい。このため、挿入管３１と内部空洞保持部材３３との間には、油脂やグリース等の潤滑材を配置するとよい。
【００７３】
上記した第２実施形態において、構造物外力検知システム１０２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。
【００７４】
（３）第３実施形態
本発明は、上記した第１、２実施形態以外の構成によっても実現可能である。図７は、本発明の第３実施形態である構造物損傷検出システムにおける外力応答体の構成と作用を説明する図である。
【００７５】
この第３実施形態の構造物損傷検出システムが、第１、２実施形態の構造物損傷検出システム１０１、１０２と異なる点は、第２容器１２Ｂの内部に、第１の作用部材１５Ｂ１と第２の作用部材１５Ｂ２が配置され、第１の作用部材１５Ｂ１と第２の作用部材１５Ｂ２は、それぞれ第１導体部材２２ａに電気的に接続しており、第１の作用部材１５Ｂ１のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６Ｂ１が電気的に接続し、第２の作用部材１５Ｂ２のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６Ｂ２が電気的に接続し、かつ、第２容器１２Ｂの内部の、第１電極１６Ｂ１と対向する位置には、第２電極１７Ｂ１が配置されて第２導体部材２２ｂ１に電気的に接続し、第２容器１２Ｂの内部の、第１電極１６Ｂ２と対向する位置には、第２電極１７Ｂ２が配置されて第２導体部材２２ｂ２に電気的に接続している点である。
【００７６】
上記した第１の作用部材１５Ｂ１及び第２の作用部材１５Ｂ２は、第１、２実施形態の場合と同様な形状記憶物質により形成されている。
【００７７】
また、第１の作用部材１５Ｂ１は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００７８】
一方、第２の作用部材１５Ｂ２は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００７９】
また、第１電極１６Ｂ１、１６Ｂ２と、第２電極１７Ｂ１、１７Ｂ２は、電気の良導体、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。
【００８０】
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３実施形態の構造物損傷検出システムの詳細な構成とその作用を説明する。
【００８１】
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のいずれかの箇所に埋設されている外力応答体１Ｂの第１容器１１Ｂは、可撓性材料により形成されているため、例えば、弓状に曲がるように変形する。一方、第１容器１１Ｂの内部に収容されている第２容器１２Ｂ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、破損する（図７（Ｂ）参照）。
【００８２】
この結果、第２容器１２Ｂの内部に収容されていた水１４が第２容器１２Ｂから漏出して第１容器１１Ｂの中に入り込み、水１４と、第１容器１１Ｂ内の固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３の両者が互いに混合する。酸化カルシウム１３は、水１４と反応して、多量の熱を発生し、水酸化カルシウムとなる。このため、第２容器１２Ｂ内の水１４は、高温となり、第１の作用部材１５Ｂ１及び第２の作用部材１５Ｂ２の温度は、上記した変態温度以上の温度となる。
【００８３】
このため、第１の作用部材１５Ｂ１は、当初の第１形状の場合には、長さが長いため、第１電極１６Ｂ１は第２電極１７Ｂ１に接触していたが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６Ｂ１は、第２電極１７Ｂ１から離れる（図７（Ｂ）参照）。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂ１は電気的に絶縁された（不導通の）状態となる。
【００８４】
一方、第２の作用部材１５Ｂ２は、当初の第１形状の場合には、長さが短いため、第１電極１６Ｂ２は第２電極１７Ｂ２に接触してはいなかったが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６Ｂ２は、第２電極１７Ｂ２に接触する（図７（Ｂ）参照）。第２電極１７Ｂ２は、第１電極１６Ｂ２と軽く嵌合するような形状に形成されている。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂ２は電気的に導通した状態となる。
【００８５】
したがって、第３実施形態の構造物損傷検出システムは、電気的なスイッチングを行わせる場合に好適である。なお、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の構成と作用については、第１、２実施形態の場合と同様であるので、その説明は省略する。
【００８６】
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、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。
【００８７】
例えば、電気的状態の変化としては、第１実施形態の場合のような第１電極と第２電極が接触して「電気的に導通」の場合だけでなく、第３実施形態における第１電極１６Ｂ１と第２電極１７Ｂ２の場合のような第１電極と第２電極が離れることにより「電気的に不導通」となる場合も含まれる。また、第３実施形態の場合のように、第１電極と第２電極からなる組が２組設けられるとともに、第１導体部材と第２導体部材からなる組が２組設けられ、一方の組の第１電極（例えば１６Ｂ１）と第２電極（例えば１７Ｂ１）は、第１の作用部材（例えば１５Ｂ１）が第１形状のときには離れており、第１の作用部材が第２形状に変形した後は接触するように配置され、他方の組の第１電極（例えば１６Ｂ２）と第２電極（例えば１７Ｂ２）は、第２の作用部材（例えば１５Ｂ２）が第１形状のときには接触しており、第２の作用部材が第２形状に変形した後は離れるように配置され、電気状態検出手段は、一方の組の第１電極と第２電極が接触するとともに他方の組の第１電極と第２電極が離れた場合には電気の切り換えが行われたことを検出する場合も含まれる。要は、第１電極と第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態が変化すればよいのである。
【００８８】
また、第１容器（例えば１１）の外周に環状凹部を設けてもよい。例えば、第１容器の略円筒状の外側部に、外側部を環状に取り巻く溝状の凹部を複数形成しておけば、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体１等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体１等の付着性を向上させ、杭内の応力が外力応答体１等に伝達される性能を向上させる作用を発揮する。
【００８９】
第２物質は、水だけではなく、何らかの水溶液であればよい。要は、第２物質は、水を含んでいればよいのである。
【００９０】
また、形状記憶物質としては、形状記憶プラスチックスも使用可能である。形状記憶プラスチックスとしては、塩化ビニル樹脂やポリプロピレン樹脂を融点以下の温度で引張って延伸させたもの、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレンなどが使用可能である。この場合には、形状記憶プラスチックスには、導電性は無いため、第１導体部材２２ａと第１電極１６等は、リード線等の導電体（図示せず。以下、「導電部材」という。）によって電気的に接続しておく必要がある。また、この導電部材は、作用部材１５等が伸びて第１電極１６等と第２電極１７等が接触した状態（例えば、図３（Ｂ）に示す状態）となったときにおいても、やや緩んだ状態となるように、導電部材の長さに余裕代を持たせ、図３（Ｂ）における第１導体部材２２ａと第１電極１６等の間の距離よりも大きい値に設定しておく。このように構成しておかないと、作用部材１５等が伸びて第１電極１６等が第２電極１７等に接触しようとする際に、長さの短い導電部材が、作用部材１５等の動きを阻害したり、拘束したりするおそれがあるからである。
【００９１】
また、第１容器に封入される第１封入体は液体状の第３物質であるとともに、第２容器に封入される第２封入体は固体状の第４物質であり、かつ第３物質が水を含むように構成してもよい。この第３物質としては、水、何らかの水溶液等が使用可能である。また、第４物質としては、第３物質と混合することにより熱を発生する物質、例えば酸化カルシウムが使用可能である。第１物質、第４物質としては、酸化カルシウムだけには限定されず、アルミニウムの水酸化反応を利用する発熱剤、鉄粉に触媒（塩化ナトリウムや活性炭）を混合したものなどであってもよい。
【００９２】
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容器が破損して第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形状記憶物質の変態温度以上の温度まで加熱するための熱が発生すればよいのである。
【００９３】
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。
【００９４】
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容器を破損させることができる。
【００９５】
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。
【００９６】
また、外力応答手段である外力応答体の配置位置、配置状態は、上記した第１実施形態の例、すなわち外力応答体の長手方向が鉛直上下方向に平行となる状態、あるいは、第２実施形態の例、すなわち外力応答体の長手方向が鉛直上下方向に対して傾斜した状態には限定されない。その他の状態、例えば、外力応答体の長手方向が水平方向に平行となる状態、あるいは外力応答体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などであってもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも第１容器の内部に配置される作用部材と、作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、導電体からなり一端が第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、導電体からなり一端が第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を設け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容器が破損して第２封入体が第１封入体内に漏出し、第２封入体と第１封入体が混合して熱が発生し、作用部材が変態温度以上に加熱されて作用部材が第２形状に変形し、第１電極と第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が第１導体部材及び第２導体部材を経て電気状態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検知することことができる、という利点を有している。
【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体のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図３】図１に示す構造物損傷検出システムの作用を説明する図である。
【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。
【図５】本発明の第２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６】図５に示す構造物損傷検出システムにおける構造物内挿入部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態である構造物損傷検出システムにおける外力応答体の構成と作用を説明する図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ 外力応答体
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、１１Ｂ 第１容器
１１ａ 第１挿通孔
１１ｂ 第２挿通孔
１２、１２Ｂ 第２容器
１２ａ 第１挿通孔
１２ｂ 第２挿通孔
１３ 酸化カルシウム
１４ 水
１５、１５Ｂ１、１５Ｂ２ 作用部材
１６、１６Ｂ１、１６Ｂ２ 第１電極
１７、１７Ｂ１、１７Ｂ２ 第２電極
２２ａ 第１導体部材
２２ｂ、２２ｂ１、２２ｂ２ 第２導体部材
３１ 挿入管
３２ａ、３２ｂ 位置決め部材
３３ 内部空洞保持部材
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、１０２ 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
Ｄ１、Ｄ２ 破損部
Ｇ 地盤
ｉ 電流
【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熱が発生するようにし、形状記憶物質からなる外力応答手段が熱により変形することにより、電気の導通等の電気的状態を変化させ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、
可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を備え、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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、前記可撓性材料は、合成樹脂材料を含む。
【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。
【００１３】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第１封入体は固体状の第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、かつ前記第２物質は水を含む。
【００１４】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記第１封入体は液体状の第３物質であるとともに、前記第２封入体は固体状の第４物質であり、かつ前記第３物質は水を含む。
【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電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が接触した場合には電気の導通を検出する。
【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電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の不導通を検出する。
【００１７】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、
前記第１電極と前記第２電極からなる組が２組設けられるとともに、前記第１導体部材と前記第２導体部材からなる組が２組設けられ、
一方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
他方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記一方の組の前記第１電極と前記第２電極が接触するとともに前記他方の組の前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の切り換えが行われたことを検出する。
【００１８】
また、上記の構造物外力検知装置において、好ましくは、前記電気状態検出手段は、電流計又は電圧計若しくは電気抵抗計を有する。
【００１９】
また、本発明に係る構造物外力検知方法は、
可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を用い、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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。
【００２０】
【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。
【００２１】
（１）第１実施形態
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体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体１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、図２（Ｂ）に示すように、接続部材２は、その内部に第１導体部材２２ａ及び第２導体部材２２ｂ（後述）を有しており、これらの導体部材の外側が合成樹脂系材料やゴム系材料からなる保護部材によって包囲された構造となっている。第１導体部材２２ａの一端は、外力応答体１に接続し、また、第２導体部材２２ｂの一端は、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、外力応答体１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。
【００２４】
次に、上記した外力応答体１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）に示すように、外力応答体１は、第１容器１１と、第２容器１２と、固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３と、水１４と、作用部材１５と、第１電極１６と、第２電極１７を有して構成されている。ここに、酸化カルシウム（ＣａＯ）１３は、特許請求の範囲における第１物質に相当している。また、水１４は、特許請求の範囲における第２物質に相当している。
【００２５】
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の一端と他端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。なお、第１容器１１の一端となる円板には、後述する第１導体部材２２ａを挿通するための第１挿通孔１１ａが開設され、第１容器１１の他端となる円板には、後述する第２導体部材２２ｂを挿通するための第２挿通孔１１ｂが開設されている。この第１容器１１の内部には、第１物質である固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３が封入されるとともに、第２容器１２が収容されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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の一端と他端は、それぞれ円板状の部材により閉塞されている。なお、第２容器１２の一端となる円板には、後述する第１導体部材２２ａを挿通するための第１挿通孔１２ａが開設され、第２容器１２の他端となる円板には、後述する第２導体部材２２ｂを挿通するための第２挿通孔１２ｂが開設されている。
【００２８】
この第２容器１２の内部には、水１４が封入されている。また、第２容器１２の内部には、作用部材１５が配置され、第１導体部材２２ａに電気的に接続している。また、作用部材１５のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６が電気的に接続している。また、第２容器１２の内部の、前記第１電極１６と対向する位置には、第２電極１７が配置され、第２導体部材２２ｂに電気的に接続している。
【００２９】
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。
【００３０】
また、作用部材１５は、形状記憶物質により形成されている。形状記憶物質とは、当初は第１形状に形成されており、所定の変態温度以上になると、あらかじめ記憶された第２形状に変形する物質である。第１実施形態においては、形状記憶物質として、形状記憶合金を使用している。
【００３１】
形状記憶合金としては、ニッケル−チタン合金、銅−亜鉛合金、銅−亜鉛−アルミニウム合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、銅−アルミニウム−ベリリウム合金、金−カドミウム合金、インジウム−タリウム合金、鉄−マンガン−ケイ素合金などが使用可能である。形状記憶合金は、電気の導体である。
【００３２】
上記した作用部材１５は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００３３】
また、第１電極１６と第２電極１７は、電気の良導体、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。
【００３４】
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。
【００３５】
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のいずれかの箇所に埋設されている外力応答体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、弓状に曲がるように変形する。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、破損する（図３（Ａ）参照）。
【００３６】
この結果、第２容器１２の内部に収容されていた水１４が第２容器１２から漏出して第１容器１１の中に入り込み、水１４と、第１容器１１内の固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３の両者が互いに混合する。酸化カルシウム（ＣａＯ）１３は、生石灰、石灰等とも呼ばれるが、水１４と反応して、多量の熱を発生し、水酸化カルシウムとなる。このため、第２容器１２内の水１４は、高温となり、作用部材１５の温度は、上記した変態温度以上の温度となる。
【００３７】
このため、作用部材１５は、当初の第１形状の場合には、長さが短いため、第１電極１６は第２電極１７に接触してはいなかったが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６は、第２電極１７に接触する（図３（Ｂ）参照）。第２電極１７は、第１電極１６と軽く嵌合するような形状に形成されている。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂは電気的に導通した状態となる。
【００３８】
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。
【００３９】
図４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に示すように、高架橋２００の柱２０１に取り付けられている。
【００４０】
電気導通検出器４１は、図示はしていないが、直流電源と電流計を有しており、直流電源の陽極に第１導体部材２２ａが電気的に接続されている。また、直流電源の陰極に電流計の一方の端子が電気的に接続され、電流計の他方の端子に第２導体部材２２ｂが電気的に接続されている。
【００４１】
このような構成により、外力応答体１に外力が作用して第２容器１２が破損し、酸化カルシウム１３と水１４の両者が互いに混合することによって反応が起こり、多量の熱を発生すると、作用部材１５が長く伸びた第２形状に変形して第１電極１６が第２電極１７と接触し、電気的に導通した状態となる。したがって、図４において矢印で示すように、第１導体部材２２ａと外力応答体１と第２導体部材２２ｂを通る電流ｉが流れる。
【００４２】
この電流ｉは、第２導体部材２２ｂを通って電気導通検出器４１（例えば、電流計）に到達して検出される。電流ｉが検出されると、電気導通検出器４１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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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体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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、外力応答体１は、特許請求の範囲における外力応答手段に相当している。また、酸化カルシウム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、水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電極と第２電極の間で電気が導通する状態に変化することは、特許請求の範囲における電気的状態の変化に相当している。
【００５７】
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、外力応答体１の発光が生じた場合には、ＣＰＵ４５が、「場所打ちコンクリート杭２０３の当該外力応答体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。
【００５８】
また、外力応答体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体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体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。
【００５９】
（２）第２実施形態
本発明は、上記した第１実施形態以外の構成によっても実現可能である。図５は、本発明の第２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６は、図５に示す構造物損傷検出システムにおける構造物内挿入部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【００６０】
図５（Ａ）に示すように、第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２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た構造物内挿入部材３と、この構造物内挿入部材３の内部に設置されている外力応答体１Ａ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。
【００６１】
この第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２が、第１実施形態の構造物損傷検出システム１０１と異なる点は、場所打ちコンクリート杭２０３のコンクリート内部に外部から構造物内挿入部材３が挿入され、この構造物内挿入部材３の内部に外力応答体１Ａが配置されている点である。したがって、第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２は、すでに構築されている場所打ちコンクリート杭２０３の内部に、後から外力応答体１Ａを設置する場合に好適である。なお、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の構成と作用については、第１実施形態の場合と同様であるので、その説明は省略する。
【００６２】
次に、第２実施形態の場合の、構造物内挿入部材３と、外力応答体１Ａの設置方法について、図５及び図６を参照しつつ詳細に説明する。
【００６３】
まず、削孔機等（図示せず）により、地上から場所打ちコンクリート杭２０３に向けて、削孔を行い、円柱状の挿入孔２０４を形成する。次に、挿入孔２０４の中に挿入管３１を挿入する。挿入管３１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可撓性材料からなり、内部が中空状となった円筒形状に形成されている。これは、場所打ちコンクリート杭２０３に大きな外力が付加されても、挿入管３１を形成する材料の強度や剛性が大きいと、挿入管３１の内部の外力応答体１Ａに作用する力が減殺され、外力応答体１Ａ内部の第２容器１２が破損せず、水１４が酸化カルシウム１３中へ漏出しない場合があるからである。
【００６４】
また、挿入管３１の外径は挿入孔２０４の内径よりもわずかに小さい値に設定されている。この場合、挿入孔２０４と挿入管３１とを接着剤等により接着すれば、挿入孔２０４と挿入管３１との間で「滑り」が生じることが防止され、場所打ちコンクリート杭２０３に加わった外力に応じた変形が支障なく挿入管３１に作用する。
【００６５】
次に、挿入管３１の内部における外力応答体１Ａの位置を所定箇所に設定するため、挿入管３１の内部の空洞部に、位置決め部材３２ａを挿入し、先端までの長さがあらかじめ計測された所定長さの棒状の定規部材等（図示せず）によって背後から押し込む等の方法で所定箇所まで挿入し、その後、接着剤等により挿入管３１の内部に固定する。位置決め部材３２ａは、挿入管３１の強度や剛性をあまり増加させない材料、例えば、発泡性合成樹脂材料などが用いられる。
【００６６】
次に、外力応答体１Ａを地上の外部から挿入管３１内に挿入し、棒状部材等（図示せず）により背後から押し込むことにより、あらかじめ位置決め部材３２ａが設置された箇所まで移動させる。その後、接着剤等により、外力応答体１Ａを挿入管３１の内部に固定する。次に、挿入管３１内の外力応答体１Ａの背後に、上記と同様にして、他の位置決め部材３２ｂを挿入する。この場合、外力応答体１Ａの外表面には、外力応答体１に設けられていたような環状凹部（１１ｅ）は設けられていない。これは、第２実施形態においては、外力応答体１Ａの外表面には、杭のコンクリートとの付着性は必要ないからである。なお、外力応答体１Ａの背後（地上に近い方）の位置決め部材３２ｂについては、後述するように、現存の外力応答体を引き抜いて新たな外力応答体と交換し、再度挿入する作業が予想されるため、接着剤等による挿入管３１への固定は行わない。これにより、外力応答体１Ａが挿入管３１の内部の所定箇所に位置決めされて設置される。
【００６７】
第２実施形態の構造物損傷検出システム１０２によれば、上記した第１実施形態の場合と同様の利点に加え、以下のような利点がある。
【００６８】
ｄ）すでに構築された構造物の内部に、外部（例えば地上）から外力応答体１Ａを設置し、その後に構造物に大きな外力（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。
【００６９】
ｅ）外力応答体１Ａが使用されて第１液と第２液の混合が済んでしまった場合や、外力応答体１Ａの設置後に外力が作用せずに長期間が経過し外力応答体１Ａ内の物質の性能劣化が予想される場合などに、外力応答体１Ａの新品との交換を容易に行うことが可能である。
【００７０】
なお、挿入管３１内の既存の外力応答体１Ａを新品と交換する時には、既存の外力応答体１Ａに取り付けられている接続部材２を引っ張って地上まで引き上げることになる。このため、接続部材２のうち、各導体部材の外側に配置される保護部材としては、アラミド樹脂（例えばケブラー繊維）等の引張り強度の高い材料を用いることが望ましい。
【００７１】
また、挿入管３１の内部の空洞は、外力、変形、挿入管自体の経年変化等により、当初の大きさよりも縮小する可能性がある。このように、挿入管３１の内部の空洞が縮小すると、接続部材２の保護部材２１を引っ張っても、外力応答体１Ａを外部に引き出すことができなくなるおそれがある。このため、図５に示すように、挿入管３１の内部空洞に、内部空洞保持部材３３を挿入し、内部空洞のつぶれを防止する。
【００７２】
内部空洞保持部材３３の材料としては、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可撓性材料が望ましい。また、挿入管３１内の既存の外力応答体１Ａを新品と交換する時には、まず内部空洞保持部材３３を引き出す必要があるから、内部空洞保持部材３３と挿入管３１との間の摩擦は小さいことが望ましい。このため、挿入管３１と内部空洞保持部材３３との間には、油脂やグリース等の潤滑材を配置するとよい。
【００７３】
上記した第２実施形態において、構造物外力検知システム１０２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。
【００７４】
（３）第３実施形態
本発明は、上記した第１、２実施形態以外の構成によっても実現可能である。図７は、本発明の第３実施形態である構造物損傷検出システムにおける外力応答体の構成と作用を説明する図である。
【００７５】
この第３実施形態の構造物損傷検出システムが、第１、２実施形態の構造物損傷検出システム１０１、１０２と異なる点は、第２容器１２Ｂの内部に、第１の作用部材１５Ｂ１と第２の作用部材１５Ｂ２が配置され、第１の作用部材１５Ｂ１と第２の作用部材１５Ｂ２は、それぞれ第１導体部材２２ａに電気的に接続しており、第１の作用部材１５Ｂ１のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６Ｂ１が電気的に接続し、第２の作用部材１５Ｂ２のうち、第１導体部材２２ａの接続端とは反対側の端部には、第１電極１６Ｂ２が電気的に接続し、かつ、第２容器１２Ｂの内部の、第１電極１６Ｂ１と対向する位置には、第２電極１７Ｂ１が配置されて第２導体部材２２ｂ１に電気的に接続し、第２容器１２Ｂの内部の、第１電極１６Ｂ２と対向する位置には、第２電極１７Ｂ２が配置されて第２導体部材２２ｂ２に電気的に接続している点である。
【００７６】
上記した第１の作用部材１５Ｂ１及び第２の作用部材１５Ｂ２は、第１、２実施形態の場合と同様な形状記憶物質により形成されている。
【００７７】
また、第１の作用部材１５Ｂ１は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００７８】
一方、第２の作用部材１５Ｂ２は、コイル・スプリングのような形状に形成されており、当初の第１形状は、長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状となっている。また、所定の変態温度以上になった場合の予め記憶された第２形状は、長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状となるように設定されている。
【００７９】
また、第１電極１６Ｂ１、１６Ｂ２と、第２電極１７Ｂ１、１７Ｂ２は、電気の良導体、例えば銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成されている。
【００８０】
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３実施形態の構造物損傷検出システムの詳細な構成とその作用を説明する。
【００８１】
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のいずれかの箇所に埋設されている外力応答体１Ｂの第１容器１１Ｂは、可撓性材料により形成されているため、例えば、弓状に曲がるように変形する。一方、第１容器１１Ｂの内部に収容されている第２容器１２Ｂ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、破損する（図７（Ｂ）参照）。
【００８２】
この結果、第２容器１２Ｂの内部に収容されていた水１４が第２容器１２Ｂから漏出して第１容器１１Ｂの中に入り込み、水１４と、第１容器１１Ｂ内の固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）１３の両者が互いに混合する。酸化カルシウム１３は、水１４と反応して、多量の熱を発生し、水酸化カルシウムとなる。このため、第２容器１２Ｂ内の水１４は、高温となり、第１の作用部材１５Ｂ１及び第２の作用部材１５Ｂ２の温度は、上記した変態温度以上の温度となる。
【００８３】
このため、第１の作用部材１５Ｂ１は、当初の第１形状の場合には、長さが長いため、第１電極１６Ｂ１は第２電極１７Ｂ１に接触していたが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの短い縮んだコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６Ｂ１は、第２電極１７Ｂ１から離れる（図７（Ｂ）参照）。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂ１は電気的に絶縁された（不導通の）状態となる。
【００８４】
一方、第２の作用部材１５Ｂ２は、当初の第１形状の場合には、長さが短いため、第１電極１６Ｂ２は第２電極１７Ｂ２に接触してはいなかったが、変態温度以上への加熱により、第２形状（長さの長い伸びたコイル・スプリング状の形状）に変形する。これにより、第１電極１６Ｂ２は、第２電極１７Ｂ２に接触する（図７（Ｂ）参照）。第２電極１７Ｂ２は、第１電極１６Ｂ２と軽く嵌合するような形状に形成されている。このため、第１導体部材２２ａと第２導体部材２２ｂ２は電気的に導通した状態となる。
【００８５】
したがって、第３実施形態の構造物損傷検出システムは、電気的なスイッチングを行わせる場合に好適である。なお、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の構成と作用については、第１、２実施形態の場合と同様であるので、その説明は省略する。
【００８６】
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではない。上記各実施形態は、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。
【００８７】
例えば、電気的状態の変化としては、第１実施形態の場合のような第１電極と第２電極が接触して「電気的に導通」の場合だけでなく、第３実施形態における第１電極１６Ｂ１と第２電極１７Ｂ２の場合のような第１電極と第２電極が離れることにより「電気的に不導通」となる場合も含まれる。また、第３実施形態の場合のように、第１電極と第２電極からなる組が２組設けられるとともに、第１導体部材と第２導体部材からなる組が２組設けられ、一方の組の第１電極（例えば１６Ｂ１）と第２電極（例えば１７Ｂ１）は、第１の作用部材（例えば１５Ｂ１）が第１形状のときには離れており、第１の作用部材が第２形状に変形した後は接触するように配置され、他方の組の第１電極（例えば１６Ｂ２）と第２電極（例えば１７Ｂ２）は、第２の作用部材（例えば１５Ｂ２）が第１形状のときには接触しており、第２の作用部材が第２形状に変形した後は離れるように配置され、電気状態検出手段は、一方の組の第１電極と第２電極が接触するとともに他方の組の第１電極と第２電極が離れた場合には電気の切り換えが行われたことを検出する場合も含まれる。要は、第１電極と第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態が変化すればよいのである。
【００８８】
また、第１容器（例えば１１）の外周に環状凹部を設けてもよい。例えば、第１容器の略円筒状の外側部に、外側部を環状に取り巻く溝状の凹部を複数形成しておけば、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体１等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体１等の付着性を向上させ、杭内の応力が外力応答体１等に伝達される性能を向上させる作用を発揮する。
【００８９】
第２物質は、水だけではなく、何らかの水溶液であればよい。要は、第２物質は、水を含んでいればよいのである。
【００９０】
また、形状記憶物質としては、形状記憶プラスチックスも使用可能である。形状記憶プラスチックスとしては、塩化ビニル樹脂やポリプロピレン樹脂を融点以下の温度で引張って延伸させたもの、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレンなどが使用可能である。この場合には、形状記憶プラスチックスには、導電性は無いため、第１導体部材２２ａと第１電極１６等は、リード線等の導電体（図示せず。以下、「導電部材」という。）によって電気的に接続しておく必要がある。また、この導電部材は、作用部材１５等が伸びて第１電極１６等と第２電極１７等が接触した状態（例えば、図３（Ｂ）に示す状態）となったときにおいても、やや緩んだ状態となるように、導電部材の長さに余裕代を持たせ、図３（Ｂ）における第１導体部材２２ａと第１電極１６等の間の距離よりも大きい値に設定しておく。このように構成しておかないと、作用部材１５等が伸びて第１電極１６等が第２電極１７等に接触しようとする際に、長さの短い導電部材が、作用部材１５等の動きを阻害したり、拘束したりするおそれがあるからである。
【００９１】
また、第１容器に封入される第１封入体は液体状の第３物質であるとともに、第２容器に封入される第２封入体は固体状の第４物質であり、かつ第３物質が水を含むように構成してもよい。この第３物質としては、水、何らかの水溶液等が使用可能である。また、第４物質としては、第３物質と混合することにより熱を発生する物質、例えば酸化カルシウムが使用可能である。第１物質、第４物質としては、酸化カルシウムだけには限定されず、アルミニウムの水酸化反応を利用する発熱剤、鉄粉に触媒（塩化ナトリウムや活性炭）を混合したものなどであってもよい。
【００９２】
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容器が破損して第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形状記憶物質の変態温度以上の温度まで加熱するための熱が発生すればよいのである。
【００９３】
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。
【００９４】
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容器を破損させることができる。
【００９５】
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。
【００９６】
また、外力応答手段である外力応答体の配置位置、配置状態は、上記した第１実施形態の例、すなわち外力応答体の長手方向が鉛直上下方向に平行となる状態、あるいは、第２実施形態の例、すなわち外力応答体の長手方向が鉛直上下方向に対して傾斜した状態には限定されない。その他の状態、例えば、外力応答体の長手方向が水平方向に平行となる状態、あるいは外力応答体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などであってもよい。
【００９７】
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。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、可撓性材料からなる第１容器と、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熱を発生する第２封入体が封入され第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも第１容器の内部に配置される作用部材と、作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、導電体からなり一端が第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、導電体からなり一端が第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を設け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容器が破損して第２封入体が第１封入体内に漏出し、第２封入体と第１封入体が混合して熱が発生し、作用部材が変態温度以上に加熱されて作用部材が第２形状に変形し、第１電極と第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が第１導体部材及び第２導体部材を経て電気状態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検知することことができる、という利点を有している。
【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体のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図３】図１に示す構造物損傷検出システムの作用を説明する図である。
【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。
【図５】本発明の第２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６】図５に示す構造物損傷検出システムにおける構造物内挿入部材のさらに詳細な構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態である構造物損傷検出システムにおける外力応答体の構成と作用を説明する図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ 外力応答体
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、１１Ｂ 第１容器
１１ａ 第１挿通孔
１１ｂ 第２挿通孔
１２、１２Ｂ 第２容器
１２ａ 第１挿通孔
１２ｂ 第２挿通孔
１３ 酸化カルシウム
１４ 水
１５、１５Ｂ１、１５Ｂ２ 作用部材
１６、１６Ｂ１、１６Ｂ２ 第１電極
１７、１７Ｂ１、１７Ｂ２ 第２電極
２２ａ 第１導体部材
２２ｂ、２２ｂ１、２２ｂ２ 第２導体部材
３１ 挿入管
３２ａ、３２ｂ 位置決め部材
３３ 内部空洞保持部材
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、１０２ 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
Ｄ１、Ｄ２ 破損部
Ｇ 地盤
ｉ 電流
Claims (10)
- 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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を備え、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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。 - 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。 - 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。 - 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、かつ前記第２物質は水を含むこと
を特徴とする構造物外力検知装置。 - 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３物質であるとともに、前記第２封入体は固体状の第４物質であり、かつ前記第３物質は水を含むこと
を特徴とする構造物外力検知装置。 - 請求項１記載の構造物外力検知装置において、
前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が接触した場合には電気の導通を検出すること
を特徴とする構造物外力検知装置。 - 請求項１記載の構造物外力検知装置において、
前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の不導通を検出すること
を特徴とする構造物外力検知装置。 - 請求項１記載の構造物外力検知装置において、
前記第１電極と前記第２電極からなる組が２組設けられるとともに、前記第１導体部材と前記第２導体部材からなる組が２組設けられ、
一方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには離れており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は接触するように配置され、
他方の組の前記第１電極と前記第２電極は、前記作用部材が前記第１形状のときには接触しており、前記作用部材が前記第２形状に変形した後は離れるように配置され、
前記電気状態検出手段は、前記一方の組の前記第１電極と前記第２電極が接触するとともに前記他方の組の前記第１電極と前記第２電極が離れた場合には電気の切り換えが行われたことを検出すること
を特徴とする構造物外力検知装置。 - 請求項１記載の構造物外力検知装置において、
前記電気状態検出手段は、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。 - 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熱を発生する第２封入体が封入され前記第１容器に収容される第２容器と、形状記憶物質からなり第１形状に形成されるとともに所定の変態温度以上になるとあらかじめ記憶された第２形状に変形し少なくとも前記第１容器の内部に配置される作用部材と、前記作用部材に取り付けられる第１電極と、少なくとも第１容器の内部に配置される第２電極を有し、構造物の外力検知箇所に配置される外力応答手段と、
導電体からなり一端が前記第１電極に電気的に接続される第１導体部材と、
導電体からなり一端が前記第２電極に電気的に接続される第２導体部材と、
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的状態の変化を検出する電気状態検出手段を用い、
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、前記第２容器が破損して前記第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封入体が混合して熱が発生し、前記作用部材が前記変態温度以上に加熱されて前記作用部材が前記第２形状に変形し、前記第１電極と前記第２電極の相対的位置が変化し、電気的状態の変化が前記第１導体部材及び前記第２導体部材を経て前記電気状態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。
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