JP5436990B2

JP5436990B2 - 地震衝撃力の測定システムおよび測定方法

Info

Publication number: JP5436990B2
Application number: JP2009207945A
Authority: JP
Inventors: 宏行坂井
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: JP2011058912A

Description

本発明は、地震の発生等によって基礎杭等の地下埋設物が受ける衝撃力を測定する地震衝撃力の測定システムおよび測定方法の技術分野に関するものである。

構造物が地震の発生等によって強い衝撃を受けた場合、該構造物の地下部分に埋設された基礎杭等の地下埋設物がどれ程の衝撃力を受けたかを知ることは、構造物や地下埋設物における亀裂や破壊等の地震被害の可能性を判断したり、或いは被害発生の場合における補修方法を決定したりする上でとても重要である。
ところで地下埋設物の地震被害の程度については、目視等によっては知ることが難しく、そこで基礎杭として埋設された鉄筋に導線を接続し該導線を電気抵抗測定器に接続して、通常時における電気抵抗値を予め測定しておき、地震が発生した場合は地震後の電気抵抗値を測定して前記通常時の測定値と比較し、異なる測定値を得た場合には基礎杭が破壊若しくは損傷を受けたと評価するように構成したもの（特許文献１）や、地下埋設物に振動装置で振動を与え、該振動によって発生する反射波の状態を地震前と地震後とで比較することによって基礎杭の破壊の有無や程度を評価するようにしたものが提唱されている（特許文献２）。しかしながらこれらのものは、地下埋設物の破壊の有無や程度を評価するものであって、構造物がどれ程の衝撃力を受けたかを知るものではない。
また、受けた外力によって生じる応力に比例して発光する応力発光材料を用い、該応力発光材料の発光状態を観測することで応力測定をするようにしたもの（特許文献３）や、二液反応により発光する発光前駆体を、所定の応力で破壊される脆性材料に封入して基礎杭内部に挿入し、地震により基礎杭に生じた応力によって脆性材料が破壊されると二液が反応して発光するよう構成し、該発光の有無を観測することで所定以上の応力を受けたか否かを検知するようにしたものが知られている（特許文献４）。

特開平１０−１８３６５８号公報特開平１０−１８３６５９号公報特開２００１−２１５１５７号公報特開２００３−２６２５５４号公報

しかしながら、前記特許文献３のものを地震による衝撃力の測定に用いようとした場合、該応力発光材料の発光は絶えず変動する地震の応力に対する追従性が悪く、正確な応力測定ができないという問題がある。また特許文献４のものは、所定応力を超えたか否かという一点検知であって、どれくらいの大きさの応力が発生したか、という従量的な測定ができないという問題がある。しかも前者のものは応力に比例する発光であり、また後者のものは化学発光であるため発光時間に制限があり、このため、殆どリアルタイムでの観測が必要であるが、地震発生時に伴い停電になったりパソコン等の観測機械が故障したりすると、電力の供給や観測機械が復旧するまで事実上の観測ができないという問題があり、これらに本発明が解決しようとする課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、被検体が地震によって受ける衝撃力を可視化して測定する地震衝撃力測定システムであって、該地震衝撃力測定システムは、染料或いは顔料が破壊強度の異なる複数種類の白色不透明のマイクロカプセルに封入されて形成される感圧発色体が前記被検体の衝撃力測定部位に設けられ、被検体が受けた地震衝撃力に応じて前記マイクロカプセルが破壊されることにより染料或いは顔料が放出されて発色する感圧発色体の発色濃度によって被検体が受けた地震衝撃力を測定するにあたり、前記感圧発色体は長尺の硬性部材である発色体取付けプレートに貼着されるとともに、該発色体取付けプレートは前記衝撃力測定部位に設けられる担体に形成された溝部に抜き差し自在に取付けられることで新たな感圧発色体を担持させることができるようにしたことを特徴とする地震衝撃力の測定システムである。
請求項２の発明は、感圧発色体は、シート状であることを特徴とする請求項１記載の地震衝撃力の測定システムである。
請求項３の発明は、被検体が地震によって受ける衝撃力を可視化して測定する地震衝撃力測定方法であって、該地震衝撃力測定方法は、染料或いは顔料を破壊強度の異なる複数種類の白色不透明のマイクロカプセルに封入して形成される感圧発色体を前記被検体の衝撃力測定部位に設けて、被検体が受けた地震衝撃力に応じて前記マイクロカプセルが破壊されることにより染料或いは顔料が放出されて発色する感圧発色体の発色濃度によって被検体が受けた地震衝撃力を測定するにあたり、前記感圧発色体を長尺の硬性部材である発色体取付けプレートに貼着するとともに、該発色体取付けプレートを前記衝撃力測定部位に設けられる担体に形成された溝部に抜き差し自在に取付けることで新たな感圧発色体を担持させることができるようにしたことを特徴とする地震衝撃力の測定方法である。

請求項１または３の発明とすることにより、地震が発生して被検体が衝撃を受けると、該衝撃力に応じた数量のマイクロカプセルが破壊され、これによって衝撃力に応じた発色濃度を得ることができる。つまり、衝撃力が強い場合には強い発色を、衝撃力が弱い場合には弱い発色を得ることができて、衝撃力の程度を可視化して測定できることになり、これによって簡単に衝撃力の測定をすることができる。
しかも、該感圧発色体は、衝撃力が最大となった時に最大量のマイクロカプセルが破壊されることから、感圧発色体の測定値は最大衝撃力の値となり、従って、構造物が受けた最大衝撃力を測定することができる。
また、大地震が発生した場合、リアルタイムでの測定は困難である場合が多いが、該感圧発色体は時間が経過しても変色や退色が少ないため、地震発生の後に測定を行っても正確な測定データを得ることができる。従って、仮令停電等の事故が発生した場合であっても、データが消失してしまうといったようなトラブルがなく、確実に衝撃力を測定することができる。
さらにこの発明によれば、衝撃力測定部位に感圧発色体を設けるだけで衝撃力測定を行うことが出来て、衝撃力測定部位に分光器や光検出器といったような特別な装置を設ける必要がなく、地震による衝撃力の測定を簡単なシステムで行うことができる。しかも、どのような場所でも設置することができるため、測定地点を広範囲に設定することができて、より正確な地震衝撃力の測定を行うことができる。
また、感圧発色体を形成するマイクロカプセルは、既に発色している染料或いは顔料が封入されているため、例えばロイコ染料等の染料前駆体をマイクロカプセルに封入した場合のように顕色剤を必要とせず、感圧発色体の材料数の削減、製造工程数の削減に貢献できる。
また、感圧発色体を取り出すにあたって、担体を地中から抜き出すだけで良く、感圧発色体を地中から取り出すために掘削したりする必要がない。従って、感圧発色体を簡単に地中から取出せるものにすることが出来る。
請求項２の発明とすることにより、被検体の周囲に設けた支持部材に貼付するだけの簡単な作業で取付けることができるため、任意の場所での衝撃力測定が可能であり、従って計測箇所を多数設けることも容易にできる。

構造物および担体の概略図である。（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ担体に感圧発色体が取付けられた様子を示す斜視図および発色体取付けプレートの縦断面図である。感圧発色体の実施の形態を示す要部拡大図である。感圧発色体の相対濃度と地震の衝撃力によって発生する応力の相関関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、１は被検体である構造物であって、該構造物の土台を構成する地下杭（基礎杭）２の側面には、長尺の板材である担体３が、長尺方向が上下となるように地下杭２に沿って垂直状に埋設されている。該担体３は、例えば熱硬化性プラスチック或いはステンレス板等の硬性部材によって形成されており、図２（Ａ）に示すように、担体３の表面中央部位には、担体３の上端部３ａから下端部３ｂに至る溝部３ｃが形成されている。そして、該溝部３ｃの左右両側面には、それぞれ上端部３ａから下端部３ｂに至る凹溝３ｄ、３ｅが対向して形成されている。

一方、４は、担体３に形成された溝部３ｃにスライド嵌合する長尺の板材である発色体取付けプレートであって、担体３と同様に熱硬化性プラスチック或いはステンレス板等の硬性部材で形成されている。該発色体取付けプレート４の表面には、後述する正方形状のシート体である感圧発色体５が直列状に貼着される貼着部４ａが形成されており、左右両端部には、前記担体３の凹溝３ｄ、３ｅにスライド嵌合する凸条４ｂ、４ｃが形成されている。そして、担体３の凹溝３ｄ、３ｅに発色体取付けプレート４の凸条４ｂ、４ｃをスライド嵌合させることで発色体取付けプレート４が担体３に対して抜き差し自在に取付けられるようになっている。尚、図２（Ｂ）に示すように、感圧発色体５が貼着された発色体取付けプレート４の表面には軟性樹脂材等からなる被膜４ｄが一様に被覆されており、これによって感圧発色体５が発色体取付けプレート４から脱落したり、地中の水分等によって変質したりすることのないようになっている。

前述した感圧発色体５は、図３に示すように、基材６と、該基材６上に塗布される発色層７とで構成され、正方形状のシート体となって形成されている。上記基材６は板状であって、例えば、紙、合成紙、プラスティックフィルム等のある程度の硬性を有したもので形成されており、裏側面（反発色層側面）には貼着剤６ａが塗布されており、該貼着剤６ａによって発色体取付けプレート４に貼着されるようになっている。

また、発色層７は、染料或いは顔料が封入された多数のマイクロカプセル８を含有する層であって、染料としては、例えば、キサンテン系、チアジン系、フェニルメタン系、インジゴイド系、アゾ系、クマリン系、アジン系、ポリメチン系、シアニン系、フタロシアニン系、アントラキノン系、ピラゾリン系、スチルベン系、キノリン系等の化合物やこれらの混合物を使用することができ、また、顔料としては、例えば、カーボンブラック、鉛丹、酸化鉄赤、黄鉛、亜鉛黄、ウルトラマリン青、フェロシアン化鉄カリ等の無機顔料、或いはアゾ系、フタロシニアン系、インジゴイド系、アントラキノン系等の有機顔料を使用することができるが、何れも、白色以外の染料或いは顔料が使用される。

マイクロカプセル８は、圧力を受けることにより破壊されてマイクロカプセル８内に封入された染料或いは顔料を放出するように構成されているが、該マイクロカプセル８の破壊強度は均一ではなく、地震によって発生する様々な外力に応じて破壊されるよう種々の異なる破壊強度を有する複数種類のマイクロカプセル８が混在したものとなっており、圧力の大きさに応じてマイクロカプセル８の破壊量が増減するように構成されている。例えば、地震によって発生する外力（ｋＮ／ｃｍ^２）が、５ｋＮ／ｃｍ^２から２５０ｋＮ／ｃｍ^２であったとすると、該マイクロカプセル８は、圧縮応力（ｋＮ／ｃｍ^２）が５ｋＮ／ｃｍ^２で破壊されるものから２５０ｋＮ／ｃｍ^２で破壊されるものまで例えば５ｋＮ／ｃｍ^２或いは１０ｋＮ／ｃｍ^２刻みに異なる破壊強度を有するものに形成されている。この様な破壊強度の異なるマイクロカプセル８の製造については、既に周知となっているため説明は省略するが、マイクロカプセル８の粒径や膜厚を異ならしめることによって破壊強度を調節することができる。

さらに、前記マイクロカプセル８の壁膜は白色不透明であって、マイクロカプセル８の破壊前に、封入された染料或いは顔料の色が透けないようになっていると共に、破壊前のマイクロカプセル８と破壊後のマイクロカプセル８とが混在している状態では、破壊されたマイクロカプセル８から放出された染料或いは顔料の色が明瞭に顕れるようになっている。この様な白色不透明のマイクロカプセル８は、例えば、ポリ尿素樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラニン−ホルムアルデヒド樹脂、飽和ポリエステル、ポリウレタン系、エポキシ系、シリコーン系等を用いて形成することができる。また、発色層７には、マイクロカプセル８の保護材料として、アラビアゴムやゼラチン、でんぷん粒子等が配合されている。

このように、感圧発色体５は、圧力を受けることによりマイクロカプセル８が破壊され、該マイクロカプセル８から放出された染料或いは顔料によって発色することになるが、この場合、前述したように、マイクロカプセル８は異なる破壊強度を有したものが混在しているため、圧力の大きさに応じてマイクロカプセル８の破壊量が増減する、つまり、圧力の大きさに応じてマイクロカプセル８から放出される染料または顔料の放出量が増減することになる。そして、該染料或いは顔料の放出量の増減に基づいて感圧発色体５の発色濃度が濃淡変化し、これにより、感圧発色体５が受けた圧力の大きさを可視化できるようになっている。

ここで、感圧発色体５の発色の相対濃度と被検体に作用する地震の衝撃力との関係について、図４に示すように、予め実験によって検量線を作成しておく。これにより、感圧発色体５の発色濃度によって地震による衝撃力の大きさが測定できるようになっている。

叙述の如く構成された本実施の形態において、構造物１の地下杭２が受けた地震の衝撃力を測定するにあたり、まず感圧発色体５が貼着された発色体取付けプレート４を担体３にスライド嵌合させた後、該担体３を地下杭２の側壁に沿って埋設しておく。そして、地震発生後には発色体取付けプレート４を担体３から抜き出し、該発色体取付けプレート４に貼着された感圧発色体５の発色濃度を目視で観察或いは色濃度計で定量することによって衝撃力の測定をする。ここで、感圧発色体５は、破壊強度の異なる複数種類のマイクロカプセル８に染料或いは顔料が封入され、該マイクロカプセル８が地震の衝撃力に応じて破壊されることで該染料或いは顔料を放出して発色するが、発色濃度は衝撃力に応じて異なるため、感圧発色体５の発色濃度によって地震の衝撃力を測定することができる。これによって、地震によって地下杭２が受けた衝撃力を可視化して測定することができる。
そして、衝撃力の測定が終了した後には、発色体取付けプレート４の貼着部４ａに新たな感圧発色体５を貼着した後、該発色体取付けプレート４を担体３にスライド嵌合することで担持させて地下に埋設し、引き続き地震の衝撃力を継続して測定することができる。

本実施の形態によれば、感圧発色体５の発色濃度は、該感圧発色体５が受けた最大応力を示すことになるため、地震の最大衝撃力を確実に測定することができる。
しかも、衝撃力が可視化された感圧発色体５の発色濃度を目視或いは色濃度計によって測定することで簡単に地震の衝撃力を測定することができる。

そのうえ、感圧発色体５は、シート体であるため、容易に着脱することが出来て交換も簡単である。また、貼着する場所を選ばないため、広範囲での測定が可能となり、測定地点を増やすことで正確な測定結果を得ることができる。

また、感圧発色体の発色濃度は時間の経過によって変化してしまうようなことがないため、データが消失したり変質したりすることがなく、地震や余震が確実に治まってから感圧発色体５を地中から取出して測定すれば良いことになって、安全を確保した上での作業による測定ができる。

さらに、前記感圧発色体５のマイクロカプセル８には、既に発色している染料或いは顔料が封入されているから、例えばロイコ染料等の染料前駆体をマイクロカプセル８に封入した場合のように顕色剤を必要とせず、感圧発色体５の材料数の削減、製造工程数の削減に貢献できる。

尚、本実施の形態においては、感圧発色体５を正方形状のシート体としたが、これに限定されるものではなく、長方形状や円形状であっても良く、また、発色体取付けプレート４の表面全てを覆うような一枚の長尺状シート体としても良い。

さらに、発色体取付けプレート４のみを地中に埋設して、測定時には該発色体取付けプレート４を地中から引き抜くように構成しても良いし、発色体取付けプレート４がスライド嵌合した担体３を直接地下杭２に取付けても良い。

さらにまた、感圧発色体５は垂直方向に設置されるものに限られず、水平方向に設置しても良いのであって、このように設置することで水平方向の衝撃力も測定することが出来て、より立体的に地震の衝撃力を測定することが出来る。

本発明は、地震等の発生等によって建造物の基礎杭等の地下埋設物が受ける衝撃力を測定する衝撃力測定の分野に利用可能である。

１構造物
２地下杭
５感圧発色体
７発色層
８マイクロカプセル

Claims

被検体が地震によって受ける衝撃力を可視化して測定する地震衝撃力測定システムであって、該地震衝撃力測定システムは、染料或いは顔料が破壊強度の異なる複数種類の白色不透明のマイクロカプセルに封入されて形成される感圧発色体が前記被検体の衝撃力測定部位に設けられ、被検体が受けた地震衝撃力に応じて前記マイクロカプセルが破壊されることにより染料或いは顔料が放出されて発色する感圧発色体の発色濃度によって被検体が受けた地震衝撃力を測定するにあたり、前記感圧発色体は長尺の硬性部材である発色体取付けプレートに貼着されるとともに、該発色体取付けプレートは前記衝撃力測定部位に設けられる担体に形成された溝部に抜き差し自在に取付けられることで新たな感圧発色体を担持させることができるようにしたことを特徴とする地震衝撃力の測定システム。
感圧発色体は、シート状であることを特徴とする請求項１記載の地震衝撃力の測定システム。
被検体が地震によって受ける衝撃力を可視化して測定する地震衝撃力測定方法であって、該地震衝撃力測定方法は、染料或いは顔料を破壊強度の異なる複数種類の白色不透明のマイクロカプセルに封入して形成される感圧発色体を前記被検体の衝撃力測定部位に設けて、被検体が受けた地震衝撃力に応じて前記マイクロカプセルが破壊されることにより染料或いは顔料が放出されて発色する感圧発色体の発色濃度によって被検体が受けた地震衝撃力を測定するにあたり、前記感圧発色体を長尺の硬性部材である発色体取付けプレートに貼着するとともに、該発色体取付けプレートを前記衝撃力測定部位に設けられる担体に形成された溝部に抜き差し自在に取付けることで新たな感圧発色体を担持させることができるようにしたことを特徴とする地震衝撃力の測定方法。