JP4264891B2

JP4264891B2 - 構造物の状態検査システム

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Publication number: JP4264891B2
Application number: JP2004014281A
Authority: JP
Inventors: 敬一岡田; 理人白石; 啓五竹内; 裕治山本
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP2005207867A

Description

本発明は、構造物の状態検査システムに関する。

構造物の経年変化や地震・強風等の外力作用時における構造物の応答性状から構造物の健全性を判断するために、各種センサを構造物に設置した観測が行われている。従来より、このような観測では、各種センサ群とアンプおよびデータ収録装置との間はケーブルによって接続されている。そのため、ケーブルの配線に多くの手間を要するうえに、ケーブルが切断されたり接触不良といった問題が頻繁に発生する。
これに対して、構造物に設置したセンサ情報を無線通信を介して取得する方法あるいはシステムが提案されている。例えば、特許文献１では、地中の埋設管に取付けた無線タグに備えたセンサで埋設管の状態を検知して、その情報を無線タグに記憶しておき、読取装置からの無線要求に対して当該情報を読取装置に送信する発明が開示されている。また、特許文献２では、土木・建設構造物に埋め込まれた複数のセンサが検出した状態量に各センサを区別する識別ＩＤを付加した検査情報を移動体が受信し、当該検査情報を解析することにより土木・建設構造物の状態を検査する発明が開示されている。
特開平１１−２８７８６６号公報（第３−４頁、第１図）特開２００２−３９８１０号公報（第３−４頁、第１図）

しかしながら、特許文献１の発明では、読取装置からの無線要求時点における埋設管の状態量が無線タグに記憶されるため、前回の無線要求時と今回の無線要求時との間に埋設管の状態量に大きな変動が生じても検知できない可能性が高い。また、特許文献２の発明では、現在の状態量とともに状態量の変化値も移動体により収集するものであるが、そのためには、移動体による構造物の常時監視が必要なうえ、収集した検査情報を別途解析する必要があり、容易に構造物の健全性を判断するには難点がある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、構造物の健全性を容易に判断することができる構造物の状態検査システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る構造物の状態検査システムでは、構造物に設置され、当該構造物の状態量の最大値を検知して記憶する最大値記憶型センサと、前記構造物に設置され、前記構造物の状態量の許容値を予め記憶する記憶機能及び前記最大値記憶型センサによって検知された前記構造物の状態量の最大値と前記記憶機能で予め記憶されている前記構造物の状態量の許容値とを比較して前記構造物の健全度を評価する健全度評価機能を有する無線タグと、当該無線タグと非接触で情報の送受信を行う読取装置とを備えることを特徴とする。
ここで、無線タグは、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグに代表される、超小型のＩＣチップを搭載した電子荷札や赤外線通信を利用した赤外線タグなどのことである。
本発明では、最大値記憶型センサが、構造物の状態量の最大値を検知して記憶しているため、構造物を常時監視しておく必要がない。さらに、本発明では、無線タグが、最大値記憶型センサによって検知された構造物の状態量の最大値と当該構造物の状態量の許容値とを比較して当該構造物の健全度を評価するため、別途、データ解析を行う必要がなく、容易に構造物の健全性を判断することができる。加えて、本発明では、前記無線タグと非接触で情報の送受信を行うことにより、ケーブルが切断されたり接触不良といった問題が生じることもなく、システムの信頼性を高めることができる

また、本発明に係る構造物の状態検査システムでは、前記無線タグは、前記構造物の健全度を表示する表示手段を備えていてもよい。
ここで、表示手段としては、構造物の健全度を電気的に表示できるものであればよく、例えば、ＬＥＤや液晶ディスプレイなどが挙げられる。
本発明では、無線タグが表示手段を備えることにより、読取装置が無い場合でも構造物の健全度を容易に判断することができる。

また、本発明に係る構造物の状態検査システムでは、前記最大値記憶型センサは、保護ケース内に設置された摩擦部材と、測定対象物の変形に応じて前記摩擦部材上を直線的に摺動する可動部材と、前記可動部材の一方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記一方向に摺動する第一受動部材と、前記可動部材の他方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記他方向に摺動する第二受動部材とを備える変位記録センサであってもよい。
本発明では、測定対象物の変形に応じて摩擦部材上を可動部材が直線的に摺動すると、第一受動部材が前記可動部材の一方向（以下、正方向と呼ぶ。）の動きにのみ連動して摺動し、第二受動部材が前記可動部材の他方向（以下、負方向と呼ぶ。）の動きにのみ連動して摺動するため、前記第一受動部材は正方向の最大変位位置を、前記第二受動部材は負方向の最大変位位置をそれぞれ保持することができる。また、前記可動部材は現在の変位位置を示している。なお、前記可動部材と前記摩擦部材との間、前記第一受動部材および前記第二受動部材と前記摩擦部材との間には適度な摩擦力が働いているため、前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材の移動に伴うオーバーシュートは発生しない。

また、本発明に係る構造物の状態検査システムでは、前記最大値記憶型センサは、前記摩擦部材に電圧入力端子を有するとともに、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材に電圧出力端子をそれぞれ有し、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値によって、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれの位置が検出される変位記録センサであることが好ましい。
前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材の移動量（測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位）と、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値とは比例関係にある。従って、予め、当該移動量と当該電圧値との関係式を求めておけば、前記可動部材、前記第一受動部材、前記第二受動部材それぞれについて、現在の電圧値を計測し、初期位置における電圧値との差分をとれば、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。
なお、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値を常時計測しておけば、測定対象物の正負方向の最大変位と現在の変位の時刻歴データを得ることができる。

本発明によれば、最大値記憶型センサによって検知された構造物の状態量の最大値と当該構造物の状態量の許容値とを比較して当該構造物の健全度を評価して記憶する無線タグと非接触で情報の送受信を行うので、構造物の健全性を容易に判断することができる。

以下、本発明に係る構造物の状態検査システムの実施形態について、図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係る構造物の状態検査システムの実施形態の一例を示す概念図である。
図１に示すように、本実施形態による構造物の状態検査システムでは、構造物１０の柱４、梁５、杭６上あるいは制震装置７や免震装置（図示省略）などに最大値記憶型センサ１がそれぞれ設置されるとともに、最大値記憶型センサ１は、センサケーブル１ａを介して無線タグに接続されている。最大値記憶型センサ１と無線タグは、１対１対応でもよいし、複数の最大値記憶型センサ１を１個の無線タグで制御してもよい。
本実施形態では無線タグとして、ＲＦ通信を利用したＲＦセンサタグ２を利用する。ＲＦセンサタグ２は、人が携帯する読取装置であるＲＦセンサタグリーダー３によって読取りが可能なように、構造物１０の壁面や天井面などに設置される。
最大値記憶型センサ１は、計測すべき構造物１０の状態量に応じて適切なものが選択されなければならないが、代表的なものとしては、後述する最大値記憶型変位計や累積記憶変位計あるいは最大ひずみ記憶型センサや破損検知センサなどがある。

図２は、ＲＦセンサタグ２のブロック図である。
ＲＦセンサタグ２は、ＲＦセンサタグリーダー３のアンテナ１７との間でＲＦ通信を行うための内蔵アンテナ１６と、最大値記憶型センサ１と出力線１８で接続され、最大値記憶型センサ１が検知した状態量をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換部１１と、センサ情報を記憶しておくためのメモリ（記憶機能）１３と、ＲＦ通信を介して供給された電力をＲＦタグセンサ２および最大値記憶型センサ１に供給するためのＲＦ電源回路１５と、ＲＦタグセンサ２を制御するとともに、構造物１０の健全度を評価するＣＰＵ（健全度評価機能）１２と、ＲＦ回路１４とを備えている。
なお、本実施形態では、共通の内蔵アンテナ１６にＲＦ回路１４とＲＦ電源回路１５が接続されているが、ＲＦ回路１４とＲＦ電源回路１５がそれぞれ個別のアンテナを有していてもよい。

図３は、ＲＦセンサタグ２が記憶しているセンサ情報の一例を示したものである。図３中、センサタイプは使用している最大値記憶型センサ１の種類、状態量は変位、ひずみ、応力などの物理量のことである。また、較正係数は、最大値記憶型センサ１の計測電圧を物理量に変換するための係数である。
構造物１０の健全度の評価尺度としては、例えば、構造物１０の状態量の許容値と構造物１０の状態量の最大値を用いて次式により定義することができる。この場合、健全度の数値が高いほど、構造物１０は健全な状態にあるといえる。

図４は、ＲＦセンサタグ２とＲＦセンサタグリーダー３間の処理フローを示したものである。
人が携帯するＲＦセンサタグリーダー３からＲＦセンサタグ２に対してＲＦ通信によりセンサ情報を要求すると（Ｓ１）、ＲＦセンサタグ２は、最大値記憶型センサ１を用いて状態量の最大値を取得するとともに（Ｓ２）、ＲＦセンサタグ２に既に記録されているセンサ情報の読取りを行う（Ｓ３）。そして、ＲＦセンサタグ２は、現時点における構造物１０の状態量の最大値と構造物１０の状態量の許容値とを比較して、構造物１０の健全度を評価する（Ｓ４）。そして、状態量の最大値、健全度、最終計測日時の更新を行う（Ｓ５）。その後、ＲＦセンサタグ２からＲＦセンサタグリーダー３に対してＲＦ通信によりセンサ情報が送信され（Ｓ６）、ＲＦセンサタグリーダー３はセンサ情報を受信する（Ｓ７）。

なお、ＲＦセンサタグ２がＬＥＤや液晶ディスプレイを備えることにより、ＲＦセンサタグリーダー３がない場合でも構造物１０の健全度を判断できるようにすることもできる。例えば、ＲＦセンサタグ２に赤、黄、青色のＬＥＤを装着しておき、健全度が３０％以下ならば赤色のＬＥＤ、健全度が３０％から７０％の間ならば黄色のＬＥＤ、健全度が７０％以上ならば青色のＬＥＤを点灯させることにより、構造物１０の健全度を表示するなどが考えられる。

本実施形態による構造物の状態検査システムでは、最大値記憶型センサ１が、構造物１０の状態量の最大値を検知して記憶しているため、構造物１０を常時監視しておく必要がない。さらに、本実施形態による構造物の状態検査システムでは、ＲＦセンサタグ２が、最大値記憶型センサ１によって検知された構造物１０の状態量の最大値と構造物１０の状態量の許容値とを比較して構造物１０の健全度を評価するため、別途、データ解析を行う必要がなく、容易に構造物１０の健全性を判断することができる。加えて、本実施形態による構造物の状態検査システムでは、ＲＦセンサタグ２とＲＦ通信により情報の送受信を行うことにより、ケーブルが切断されたり接触不良といった問題が生じることもなく、システムの信頼性を高めることができる。

図５は、最大値記憶型変位計の一例として変位記録センサを示したものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は側面図である。
図５に示すように、変位記録センサ２０は、図示していない測定対象物に先端を連結されたロッド２６が、箱状の保護ケース２７内に設置されたロッド支持部２９、２９に軸支され、軸方向（正負方向）に滑動できるようになっている。ロッド２６の中間部には、直方体状の可動部材２２が装着されており、ロッド２６の動きに合わせて、保護ケース２７内に設置された板状の摩擦部材２５上を、可動部材２２が正負方向に摺動する。
また、摩擦部材２５上には、可動部材２２を挟んで、板状の第一受動部材２３と板状の第二受動部材２４が設置されており、第一受動部材２３と第二受動部材２４は、保護ケース２７内に固定されたガイドレール２８、２８に沿って、摩擦部材２５上を可動部材２２に押されて正負それぞれの方向に摺動する。
なお、可動部材２２と第一受動部材２３と第二受動部材２４の摺動面には、摺動時の摩擦抵抗を大きくするため、突設部２２ｂ、２３ｂ、２４ｂが設けられており、可動部材２２、第一受動部材２３、第二受動部材２４は、突設部２２ｂ、２３ｂ、２４ｂを介して、摩擦部材２５とそれぞれ接触している。また、第一受動部材２３と第二受動部材２４が可動部材２２と当接する面には、可動部材２２と嵌合するための凹部がそれぞれ形成されている。
加えて、変位記録センサ２０では、摩擦部材２５の両端に電圧入力端子＋Ｔ_ｉｎと−Ｔ_ｉｎがリード線２５ｃを介して設けられるとともに、可動部材２２と第一受動部材２３と第二受動部材２４には電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔがリード線２２ｃ、２３ｃ、２４ｃを介して設けられている。

次に、変位記録センサ２０の動作について説明する。
可動部材２２と第一受動部材２３と第二受動部材２４が、互いに嵌合した状態で摩擦部材２５の中央に静止している状態を、変位記録センサ２０の初期静止状態とする。測定対象物が初期静止状態から正方向に変形する場合、当該測定対象物が正方向に変形すると、当該測定対象物に連結されたロッド２６が正方向に滑動する。これに伴い、ロッド２６の中間部に装着された可動部材２２は、摩擦部材２５上を正方向に摺動する。同時に、第一受動部材２３は、可動部材２２に押されて摩擦部材２５上を正方向に摺動する。
次に、当該測定対象物が正方向から負方向へ変形する場合、当該測定対象物が負方向に変形すると、当該測定対象物に連結されたロッド２６が負方向に滑動する。これに伴い、ロッド２６の中間部に装着された可動部材２２は、摩擦部材２５上を負方向に摺動する。この際、可動部材２２が初期位置よりもさらに負側に摺動する場合、可動部材２２は第二受動部材２４に当接し、第二受動部材２４の凹部と嵌合する。そして、第二受動部材２４は、可動部材２２に押されて摩擦部材２５上を負方向に摺動する。この間、第一受動部材２３は、正方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材２５上に静止している。
その後再び、当該測定対象物が正方向へ変形する場合、可動部材２２は、摩擦部材２５上を正方向に摺動する。この間、第二受動部材２４は、負方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材２５上に静止している。そして、可動部材２２が過去の正方向の最大変位よりもさらに正方向へ摺動する場合、可動部材２２は、第一受動部材２３に当接して、第一受動部材２３を押しながら摩擦部材２５上を正方向に摺動する。
さらに再び、当該測定対象物が負方向へ変形する場合、可動部材２２は、摩擦部材２５上を負方向に摺動する。この間、第一受動部材２３は、正方向の最大変位を保持した状態で、摩擦部材２５上に静止している。そして、可動部材２２が過去の負方向の最大変位よりもさらに負方向へ摺動する場合、可動部材２２は、第二受動部材２４に当接して、第二受動部材２４を押しながら摩擦部材２５上を負方向に摺動する。
以後、当該測定対象物が静止するまで、変位記録センサ２０は上記の動きを繰り返す。そして、第一受動部材２３と第二受動部材２４の最終位置が、当該測定対象物の正方向の最大変位と負方向の最大変位を示していることになる。なお、変位記録センサ２０は、可動部材２２と摩擦部材２５との間、第一受動部材２３および第二受動部材２４と摩擦部材２５との間には、突設部２２ｂ、２３ｂ、２４ｂによる適度な摩擦力が働いているため、可動部材２２、第一受動部材２３、第二受動部材２４の移動に伴うオーバーシュートは発生しない。

変位記録センサ２０は、測定対象物の変形に応じて摩擦部材２５上を可動部材２２が直線的に摺動すると、第一受動部材２３が可動部材２２に押されて正方向に摺動し、第二受動部材２４が可動部材２３に押されて負方向に摺動するため、第一受動部材２３は正方向の最大変位位置を、第二受動部材２４は負方向の最大変位位置をそれぞれ保持することができる。
また、変位記録センサ２０は、電圧入力端子−Ｔ_ｉｎと電圧出力端子Ｔ_ｏｕｔ、＋Ｔ_ｏｕｔ、−Ｔ_ｏｕｔとの間の電圧値を計測することにより、測定対象物の現在の変位、正方向の最大変位、負方向の最大変位を精確に検出することができる。

以上、本発明に係る構造物の状態検査システムの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、無線通信としてＲＦ通信を利用しているが、赤外線通信を利用してもよいことは言うまでもない。

本発明に係る構造物の状態検査システムの実施形態の一例を示す概念図である。ＲＦセンサタグのブロック図である。ＲＦセンサタグが記憶するセンサ情報の一例である。ＲＦセンサタグとＲＦセンサタグリーダーとの間の処理フロー図である。変位記録センサを示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１最大値記憶型センサ
２ＲＦセンサタグ
３ＲＦセンサタグリーダー
４柱
５梁
６杭
７制震装置
１０構造物
２０変位記録センサ

Claims

構造物に設置され、当該構造物の状態量の最大値を検知して記憶する最大値記憶型センサと、前記構造物に設置され、前記構造物の状態量の許容値を予め記憶する記憶機能及び前記最大値記憶型センサによって検知された前記構造物の状態量の最大値と前記記憶機能で予め記憶されている前記構造物の状態量の許容値とを比較して前記構造物の健全度を評価する健全度評価機能を有する無線タグと、当該無線タグと非接触で情報の送受信を行う読取装置とを備えることを特徴とする構造物の状態検査システム。
前記無線タグは、前記構造物の健全度を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造物の状態検査システム。
前記最大値記憶型センサは、保護ケース内に設置された摩擦部材と、測定対象物の変形に応じて前記摩擦部材上を直線的に摺動する可動部材と、前記可動部材の一方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記一方向に摺動する第一受動部材と、前記可動部材の他方向の動きにのみ連動して前記摩擦部材上を前記他方向に摺動する第二受動部材とを備える変位記録センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の構造物の状態検査システム。
前記最大値記憶型センサは、前記摩擦部材に電圧入力端子を有するとともに、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材に電圧出力端子をそれぞれ有し、前記電圧入力端子と前記各電圧出力端子との間の電圧値によって、前記可動部材と前記第一受動部材と前記第二受動部材それぞれの位置が検出される変位記録センサであることを特徴とする請求項３に記載の構造物の状態検査システム。