JPH11281311A - 構造体の動歪測定方法及びこの方法を用いた動歪測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は構造体内部の歪みを構造体の表面の
変位に基づいて測定できることを課題とする。 【解決手段】 角速度センサ１，２は、構造体５の表面
に貼着されている。構造体５は、コンクリート３の内部
に鉄骨４が埋め込まれている。角速度センサ１，２は、
その感応軸が構造体５の曲げ方向の力を受けるように構
造体５の表面に取り付けられている。変換回路６では、
角速度センサ１，２により検出された構造体５の２点で
の角速度信号が供給されると、角速度信号を動歪に変換
する。すなわち、変換回路６では、角速度センサ１，２
から得られた角速度ω₁ ，ω₂ を積分して変形角度をφ
₁ ，φ₂ を求め、さらに変形角度をφ₁ ，φ₂ に基づい
て鉄骨４の曲率半径ｒを演算する。そして、鉄骨４の曲
率半径ｒから鉄骨４の歪みが求められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は構造体の歪を検出し
て構造上の劣化を求める構造体の動歪測定方法及びこの
方法を用いた構造体の動歪測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば建物や橋脚等の構造物において
は、鉄骨の歪を定期的に検出して構造上の劣化具合を測
定している。このような構造体の異常診断や寿命予測を
非破壊検査で行う場合、梁や柱等の構造体に加わるスト
レス（歪）を測定し、その積分値がある値を越えた時点
で寿命と判断している。上記のような非破壊検査方法で
使用されるストレス（歪）を測定するためのセンサとし
ては、例えば歪ゲージなどが使用されている。

【０００３】また、破壊検査を行う場合には、梁や柱等
に使用されている鉄骨を取り出して所定のストレス
（力）を鉄骨に加えることにより鉄骨に発生するＡＥ
（アコースティック・エミッション）や鉄骨に発生する
応力を歪ゲージにより測定して建設当初に比べてどれだ
け劣化したかを調べている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば、鉄筋コンクリ
ートで建設された建築物の劣化具合を測定する場合、歪
を受けるのはコンクリートの内部にある鉄骨である。そ
のため、上記のように歪ゲージを用いる歪測定方法にお
いては、鉄骨の歪を直接測定しようとすると、鉄骨の周
囲を覆っているコンクリートを除去して歪ゲージを鉄骨
に貼り付ける必要がある。よって、従来の歪測定方法で
は、センサ取付作業が大掛かりとなって、多くの労力が
掛かり、且つコンクリートの除去に多額の費用を要する
ため困難であった。

【０００５】また、建物を建設する時点で歪ゲージをコ
ンクリート内部に埋め込んで鉄骨の歪を直接測定するこ
とは可能であるが、一般に、歪ゲージは水分の進入によ
り劣化してしまう。このため、コンクリートを流し込ん
でも乾燥するまで長時間かかるので、長時間水分にさら
されて歪ゲージの劣化が避けられなかった。さらに、コ
ンクリートが乾燥する過程で収縮して寸法が変化するた
め、コンクリート内部に埋め込まれた歪ゲージにコンク
リート収縮時の応力がかかり、歪ゲージが破損するおそ
れがある。

【０００６】また、破壊検査による歪測定方法では、建
物の梁や柱の一部を取り出す必要があるので、その取り
出し作業がかなり大掛かりであるばかりか、取り出され
た部分に梁や柱の一部を取り付ける復元作業も行わなけ
ればならないので、一般の建物への適用が難しかった。
そこで、本発明は上記問題を解決するため、コンクリー
トの外側から構造体に加わる歪を測定する構造体の動歪
測定方法、及びその測定結果から構造体の寿命や劣化を
検出する構造体の動歪測定装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。上記請求項１
記載の発明は、その感応軸が構造体の曲げ方向の力を受
けるように前記構造体の表面に角速度センサを取り付
け、該角速度センサの出力を積分することにより前記構
造体の変位を求めることを特徴とするものである。

【０００８】従って、上記請求項１記載の発明によれ
ば、角速度センサをその感応軸が構造体の曲げ方向の力
を受けるように構造体の表面に取り付けると共に、角速
度センサの出力を積分することにより構造体の変位を求
めるため、コンクリートの表面に角速度センサを装着し
た状態でコンクリート内部にある鉄骨の歪を推定するこ
とができる。そのため、コンクリート内部にセンサを埋
め込んだり、あるいはコンクリート内部の鉄骨を取り出
すことなく、コンクリート内部の鉄骨の劣化具合を測定
することができる。

【０００９】また、請求項２記載の発明は、その感応軸
が構造体の曲げ方向の力を受けるように前記構造体の表
面に取り付けられた角速度センサと、該角速度センサの
出力を積分することにより前記構造体の変位を演算する
演算手段と、からなることを特徴とするものである。

【００１０】従って、上記請求項２記載の発明によれ
ば、その感応軸が構造体の力を受けるように構造体の表
面に取り付けられた角速度センサと、角速度センサの出
力を積分することにより構造体の変位を演算する演算手
段とからなるため、コンクリートの表面に角速度センサ
を装着した状態でコンクリート内部にある鉄骨の歪を推
定することができる。そのため、コンクリート内部にセ
ンサを埋め込んだり、あるいはコンクリート内部の鉄骨
を取り出すことなく、コンクリート内部の鉄骨の劣化具
合を測定することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の実施の
形態について説明する。図１は本発明になる構造体の動
歪測定方法及びこの方法を用いた構造体の動歪測定装置
の一実施例を説明するためのブロック図である。また、
図２は構造体の振動状態を模式的に示す図である。

【００１２】本発明の実施の形態は、主に地震があった
場合の構造物の変化を測定する方法及び装置である。図
１に示されるように、１，２は角速度センサで、コンク
リート３の内部に鉄骨４が埋め込まれてなる構造体５の
表面に貼着されている。角速度センサ１，２は、その感
応軸が構造体５の曲げ方向の力を受けるように構造体５
の表面に取り付けられている。ここで、構造体５は、例
えば建物の梁や柱等であり、コンクリート３の内部で荷
重を支える鉄骨４が角速度センサ１，２の被測定対象と
なる。尚、角速度センサ１，２は、夫々同一構成もので
ある。

【００１３】図２は角速度センサの一例を示す斜視図で
ある。図２に示されるように、角速度センサ１は、例え
ば特開平９−７２７４３号公報に開示された構成の音叉
型水晶振動ジャイロ素子３２を有する。また、図２にお
いて、Ｘ，Ｙ’，Ｚ’は、水晶原石の結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚ
をＸ軸を回転中心として一定角度（一般には５°程度）
回転して得られた音叉型水晶振動ジャイロ素子３２の新
しい結晶軸である。そして、この結晶軸Ｘ，Ｙ’，Ｚ’
は、音叉型水晶振動ジャイロ素子３２の幅、長さ、厚さ
方向を示す。

【００１４】また、音叉型水晶振動ジャイロ素子３２
は、左腕３３と、右腕３４と、基部３５とを有する。そ
して、左腕３３のＹ’−Ｘ面の一方の面のみに検出電極
３６ａ，３６ｂが設けられ、左腕３３の他の３面には駆
動電極４０が設けられている。さらに、右腕３４のＹ’
−Ｘ面の一方の面のみに検出電極３７ａ，３７ｂが設け
られ、左腕３３の他の３面には駆動電極４３が設けられ
ている。

【００１５】また、角速度センサ１は、検出電極３６
ａ，３６ｂ及び検出電極３７ａ，３７ｂが構造体５の曲
げ方向の力を受けるように基部３５の底面３８が構造体
５の表面に当接された状態で取り付けられる。すなわ
ち、角速度センサ１は、地震により構造体５が振動する
とき構造体５の曲げ動作によりＺ’方向の変位が生じる
ように取り付けられる。そして、各検出電極３６ａ，３
６ｂ及び検出電極３７ａ，３７ｂは、構造体５の曲げ方
向の変位に応じた検出信号を出力する。

【００１６】ここで、前述したように本実施の形態は、
地震のときのモデルであるので、鉄骨４のモデルとして
図３に示すものを考える。図３に示されるように、構造
体５は、上端部が自由端で、鉄骨４の下端部が基礎７に
固定されているものと考える。このように、垂直状態に
支持された構造体５に水平方向の外力が加えられると、
構造体５は下端部分が固定された状態で上端部分が水平
方向に揺動するように変形する。そのため、コンクリー
ト３の内部に設けられた鉄骨４は、基礎７に固定された
下端部分を支点として所定の曲率半径で湾曲した状態に
変形する。よって、鉄骨４には、加えられた水平方向の
力の大きさに応じた変位及び歪が発生する。

【００１７】図４は構造体が変形したときの曲率半径を
示す図である。図４に示されるように、上記のように構
造体５の上端部が揺動する場合、鉄骨４の歪は、構造体
５の曲率半径ｒから求められる。上記のように水平方向
の外力により構造体５が揺動した場合の鉄骨４の曲率半
径ｒは、比較的近い２点での変形角度φ₁ ，φ₂ の値か
ら求めることができる。

【００１８】図５は構造体が変形したときの角速度
ω₁ ，ω₂ と変形角度φ₁ ，φ₂ の変化を示す波形図で
ある。図５に示されるように、上記のように構造体５の
上端部が揺動する場合、鉄骨４の２点での角速度ω₁ ，
ω₂ 及び変形角度φ₁ ，φ₂ は、互いに位相差をもった
正弦波として表せる。

【００１９】変換回路６では、角速度センサ１，２によ
り検出された構造体５の２点での角速度信号が供給され
ると、角速度信号を動歪に変換する。すなわち、変換回
路６では、後述するように角速度センサ１，２から得ら
れた角速度ω₁ ，ω₂ を積分して変形角度をφ₁ ，φ₂
を求め、さらに変形角度をφ₁ ，φ₂ に基づいて鉄骨４
の曲率半径ｒを演算する。そして、鉄骨４の曲率半径ｒ
から鉄骨４の変位及び鉄骨４の歪みが求められる。

【００２０】そして、この演算では、地震の際の最小の
曲率と最大の曲率との差を求め、この差が建物の許容変
位中に入っているかを判定する。このように、角速度セ
ンサ１，２が構造体５の表面に取り付けられた状態で構
造体５の内部の鉄骨４の変位及び歪み求めることができ
る。そのため、従来のようにコンクリート３の内部にセ
ンサを埋め込んだり、あるいはコンクリート３の内部に
設けられた鉄骨４を取り出すことなく、鉄骨４の劣化具
合を測定することができる。

【００２１】また、構造体５の強度を変えることなくコ
ンクリート３内部の歪を測定することができるので、角
速度センサ１，２が構造体５の表面に取り付けられても
構造体５への影響が少なく、角速度センサ１，２がない
場合と同一の歪みを測定することができ、測定精度を確
保できる。また、コンクリート３内部に設けられた鉄骨
４の歪を測定するのに、コンクリート３を撤去する作業
が不要であるので、その分安価に測定することができ
る。さらに、角速度センサ１，２が構造体５の表面に取
り付けられているので、コンクリート３の内部にセンサ
を埋め込む方法よりもセンサの交換が容易に行えると共
に、角速度センサ１，２のメンテナンスも容易となり、
角速度センサ１，２の劣化を減少させることができる。

【００２２】ここで、２点の変形角度をφ₁ ，φ₂ と
し、その２点間の距離をｘとすると、歪みεは、次式か
ら求めることができる。 ε＝（φ₁ ｍａｘ−φ₂ ｍａｘ）／ｘ … （１） 次に、歪みεの測定方法について説明する。２点間の距
離ｘは、角速度センサ１，２の取付位置間距離であるの
で、既知である。角速度センサ１の変形角度φ₁ は、角
速度センサ１により検出される角速度ω₁ を積分すれば
求めることができる。また、これと同様に、角速度セン
サ２により検出される角速度ω₂ を積分すれば求めるこ
とができる。

【００２３】 φ₁ ＝∫（ω₁ ）ｄｔ … （２） φ₂ ＝∫（ω₂ ）ｄｔ … （３） 従って、変形角度の差φ（＝φ₁ −φ₂ ）は、角速度の
値ω₁ を積分した値と別のセンサの角速度の値ω₂ を積
分した値の差から求めることができる。あるいは、２つ
の角速度ω₁ とω₂ の差（＝ω₁ −ω₂ ）を積分して求
めることができる。

【００２４】ここで、歪みの値は、最大点での値同士を
引き算した結果であるので、積分して求めた値のピーク
値を求めればその値が歪みεとなる。実際の式は、次の
ように表せる。 ε＝［１／ｘ∫（ω₁ −ω₂ ）ｄｔ］max … （４） このように、構造体５の表面に設置された角速度センサ
１，２の出力の差を積分することにより角速度センサ
１，２の配置点間の歪を求める。

【００２５】尚、構造体５に加えられて外力の大きさに
よって構造体５の揺動の振幅や曲率半径が変化するた
め、角速度センサ１，２の取付位置によっては角速度が
生じない場合がある。ここで、角速度センサ１，２の一
方が変形しない位置に取り付けられている場合を考える
と、上記（４）式より角速度センサが１個でも２個の場
合と同様な結果が得られる。これは、例えば、タワー構
造等のように一方向へ変位することがわかっている構造
体に対して有効である。

【００２６】図６は角速度センサ１，２からの検出信号
に基づいて曲げ応力又は曲げ歪みの信号を得る変換回路
６の回路構成を示すブロック図である。図６に示される
ように、変換回路６は、角速度センサ１，２からの出力
を積分する積分回路８，９と、積分回路８，９の出力信
号の差を求める増幅回路１０と、増幅回路１０からの出
力から構造体５の角速度感応軸まわりの曲げ応力又は曲
げ歪みの構造体５の下端部と上端部との間の平均値を求
める平均値演算回路１１とからなる。そして、平均値演
算回路１１からの出力として構造体５の動歪が得られ
る。演算回路としては、角速度センサ１と２の間隔ｘに
よる項を入れて歪み量に直す機能を持つ。

【００２７】図７は変換回路６の変形例１の回路構成を
示すブロック図である。図７に示されるように、図６の
変形例として積分回路８，９の出力信号の差を求める増
幅回路１０の位置を変えたものが考えられる。すなわ
ち、変換回路６の変形例２では、角速度センサ１，２を
所定の間隔で構造体５の表面に取り付ける点は同じであ
るが、角速度センサ１，２からの出力信号の差を増幅回
路１０で求め、増幅回路１０からの出力を積分回路１２
に入力する構成とされる。

【００２８】さらに、角速度センサ設置数を３個以上と
することにより各角速度センサ同士の組み合わせにより
各角速度センサ間の歪みをきめ細かく求めることができ
る。その結果から構造体５の角速度感応軸まわりの曲げ
応力又は曲げ歪みの各検出ポイント間の平均値を求める
こともできる。次に上記のように構造体５の表面に角速
度センサ１，２を所定の間隔で取り付けられて鉄骨４に
異常があることが検出する方法について説明する。

【００２９】図８は変換回路６の変形例２の回路構成を
示すブロック図である。図８に示されるように、変形例
２では、上記角速度センサ１，２の積分値から構造体５
の各検出位置での曲げ応力又は曲げ歪みを動歪出力とし
て得ると共に、演算回路１１からの動歪出力をＦＦＴ
（高速フーリエ変換）回路１３でフーリエ変換する。

【００３０】ここで、動歪出力をフーリエ変換すること
により周波数スペクトラムを求め、この周波数スペクト
ラムに基づいて動歪の特性が判別できる。従って、ＦＦ
Ｔ回路１３からの周波数信号と通常の周波数信号との差
を増幅回路１４で求める。また、ＦＦＴ回路１３の代わ
りに平均値演算回路１１からの動歪出力をウエーブレッ
ト変換回路１５でウエーブレット変換する。

【００３１】ウエーブレット変換は、非周期的な孤立波
形による信号周波数成分分析を行う手法であり、周波数
成分と時間軸の組み合わせで強度が求められる。鉄骨４
に亀裂等の異常が発生すると、振動周波数に変化が現れ
る。そのため、動歪出力をフーリエ変換あるいはウエー
ブレット変換することにより常時振動している周波数と
その近傍の周波数とを比較して大きさが変化したかどう
かを検出したり、周波数自体の変化があるかどうかを検
出する。これにより、鉄骨４が異常であるか正常である
かを検出することができる。

【００３２】次に上記のように構造体５の表面に角速度
センサ１，２を所定の間隔で取り付けられて鉄骨４が異
常であるか正常であるかを外部に出力する方法について
説明する。尚、上記のような動歪測定方法により鉄骨４
が異常であるか正常であるのかを判別してその結果を出
力する方法としては、オンかオフかを出力すれば良いの
でいくつかの方法が考えられる。例えば鉄骨４に異常が
あるとき、ＬＥＤ（発光ダイオード）を点灯又は点滅さ
せる方法、ブザーを鳴らす方法、オープンコレクタ信号
やリレー信号をオンにする方法等が考えられる。

【００３３】図９は変換回路６の変形例３の回路構成を
示すブロック図である。図９に示されるように、変形例
３においては、演算回路１６で解析プログラムを実行し
て平均値演算回路１１からの動歪出力のフーリエ変換あ
るいはウエーブレット変換を行う。そして、演算回路１
６からの出力は、増幅回路１７で増幅され後、ドライバ
１８へ供給される。ドライバ１８では、周波数変化に応
じて色の異なるＬＥＤ１９〜２１の何れかを点灯又は点
滅させる。

【００３４】例えばドライバ１８は、鉄骨４が正常であ
るときは緑色ＬＥＤ１９を点灯又は点滅させ、鉄骨４の
動歪みが大きくなって異常に近づくと黄色ＬＥＤ２０を
点灯又は点滅させ、鉄骨４が異常であるときは赤色ＬＥ
Ｄ２１を点灯又は点滅させる。そのため、点灯又は点滅
するＬＥＤ１９〜２１の色から鉄骨４の疲労具合を容易
に判別することができる。

【００３５】また、上記ＬＥＤ１９〜２１の代わりに複
数のＬＥＤを直線状に配したレベルメータあるいは蛍光
表示管からなるレベルメータ等を用いて鉄骨４の異常レ
ベルを表示する方法も適用できる。また、上記ＬＥＤ１
９〜２１の代わりに液晶表示器を用いて、鉄骨４の動歪
みの大きさを数値で表示することもできる。但し、鉄骨
４の動歪みを数値で表示する場合、異常かどうかの閾値
を予め表示させておき、この閾値と対比させて現在の鉄
骨４が異常かどうかを判別する。

【００３６】さらに、変形例３においては、鉄骨４が異
常であるときはブザー２２から警報音を発生させて報知
することもできる。また、変形例３においては、遠距離
に設置された監視室などでリモートセンシングする場合
には、演算回路１６から出力された周波数信号をＦ／Ｖ
変換器２３で電圧値に変換する。このＦ／Ｖ変換器２３
で変換されたアナログ量は、４〜２０ｍＡの信号を有線
で伝送する第１の方法と、アナログ量に応じた周波数を
有線又は無線で送信する第２の方法がある。

【００３７】上記第１の方法では、異常値をどれだけオ
ーバしているかが問題となるので、異常値側を大きくと
る必要があるので、１２ｍＡ程度を異常値の最下限とす
る。また、第２の方法では、動歪自体をＶ／Ｆ変換器や
ＦＭ変換器に入力すれば良い。尚、ＦＭの場合、無線で
伝送する方法でも簡単に行える。そして、送信された信
号を受信する側では、その周波数から動歪の値を求めて
ディスプレイ２４に各角速度センサ１，２からの信号か
ら鉄骨４の全体の状況がどのようになっているのか判断
することができる。従って、監視室のオペレータは、デ
ィスプレイ２４の表示をみて構造体５の疲労が限界に達
しているか否かを判断する。

【００３８】尚、上記実施例では、コンクリート３の内
部に鉄骨４が設けられた構造体の歪みを測定する場合を
一例として挙げたが、これに限らず、他の材質の構造材
が組み合わされた構造のものにも適用できるのは勿論で
ある。

【００３９】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、角速度センサをその感応軸が構造体の曲げ方向の力
を受けるように構造体の表面に取り付けると共に、角速
度センサの出力を積分することにより構造体の変位を求
めるため、例えばコンクリートの表面に角速度センサを
装着した状態でコンクリート内部にある鉄骨の歪を推定
することができる。そのため、コンクリート内部にセン
サを埋め込んだり、あるいはコンクリート内部の鉄骨を
取り出すことなく、コンクリート内部の鉄骨の劣化具合
を測定することができる。

【００４０】また、構造体の強度を変えることなくコン
クリート内部の歪を測定することができるので、角速度
センサを構造体の表面に取り付けられても構造体への影
響が少なく、角速度センサがない場合と同一の歪みを測
定することができ、測定精度を確保できる。また、コン
クリート内部に設けられた鉄骨の歪を測定するのに、コ
ンクリートを撤去する作業が不要であるので、その分安
価に測定することができる。さらに、角速度センサが構
造体の表面に取り付けられているので、コンクリートの
内部にセンサを埋め込む方法よりもセンサの交換が容易
に行えると共に、角速度センサのメンテナンスも容易と
なり、角速度センサの劣化を減少させることができる。

【００４１】また、請求項２記載の発明によれば、その
感応軸が構造体の曲げ方向の力を受けるように構造体の
表面に取り付けられた角速度センサと、角速度センサの
出力を積分することにより構造体の変位を演算する演算
手段とからなるため、コンクリートの表面に角速度セン
サを装着した状態でコンクリート内部にある鉄骨の歪を
推定することができる。そのため、コンクリート内部に
センサを埋め込んだり、あるいはコンクリート内部の鉄
骨を取り出すことなく、コンクリート内部の鉄骨の劣化
具合を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる構造体の動歪測定方法及びこの動
歪測定方法を用いた測定装置の一実施例を説明するため
のブロック図である。

【図２】角速度センサの一例を示す斜視図である。

【図３】構造体の振動状態を模式的に示す図である。

【図４】構造体が変形したときの曲率半径を示す図であ
る。

【図５】構造体が変形したときの角速度ω₁ ，ω₂ と変
形角度φ₁ ，φ₂ の変化を示す波形図である。

【図６】角速度センサからの検出信号に基づいて曲げ応
力又は曲げ歪みの信号を得る変換回路の回路構成を示す
ブロック図である。

【図７】変換回路の変形例１の回路構成を示すブロック
図である。

【図８】変換回路の変形例２の回路構成を示すブロック
図である。

【図９】変換回路の変形例３の回路構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１，２ 角速度センサ ３ コンクリート ４ 鉄骨 ５ 構造体 ６ 変換回路 ８，９ 積分回路 １０ 増幅回路 １１ 平均値演算回路 １２ 積分回路 １３ ＦＦＴ（高速フーリエ変換）回路 １５ ウエーブレット変換回路 １６ 演算回路 １８ ドライバ １９〜２１ ＬＥＤ ２２ ブザー ２３ Ｆ／Ｖ変換器 ２４ ディスプレイ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その感応軸が構造体の曲げ方向の力を受
   けるように前記構造体の表面に角速度センサを取り付
   け、該角速度センサの出力を積分することにより前記構
   造体の変位を求めることを特徴とする構造体の動歪測定
   方法。
2. 【請求項２】 その感応軸が構造体の曲げ方向の力を受
   けるように前記構造体の表面に取り付けられた角速度セ
   ンサと、 該角速度センサの出力を積分することにより前記構造体
   の変位を演算する演算手段と、 からなることを特徴とする構造体の動歪測定装置。