(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土木または建築の構造体の変形領域に配置された形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの端部から超音波を入射し、ワイヤ損傷位置からの反射波の到達時間に基づいて構造体内の損傷位置を検知することを特徴とする構造体の損傷位置検知方法。
【請求項２】
前記形状記憶合金がＮｉＴｉ合金からなる請求項１に記載の構造体の損傷位置検知方法。
【請求項３】
前記形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの径が０．１ｍｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の損傷位置検知方法。
【請求項４】
超弾性合金製ワイヤとＮｉＴｉ合金製ワイヤとを備え、これらの何れかのワイヤを介して構造体内の損傷位置を検知すると共に前記超弾性合金製ワイヤの電気抵抗を測定して構造体の現時点での歪みを検知し、前記ＮｉＴｉ合金製ワイヤの電気抵抗を測定して構造体の過去に作用した最大歪みを検知する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の構造体の損傷位置検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、梁、スラブ等の構造体に地震等により発生した損傷の位置を検知するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
建築、土木の分野では、構造体の崩壊を引き起こす変形を早期に自己診断して、タイムリーに自己修復するインテリジェント・マテリアルと呼ばれる新しい材料の概念が提案されている。
【０００３】
このインテリジェント・マテリアルは、複雑な電気・機械システムによらず、材料自体が診断と修復を行う点に大きな特徴がある。
【０００４】
土木または建築の構造物の機能を３０〜５０年の長期に渡って維持し続けていくためには、適切な手法によるモニタリングと修復が必要である。また、地震等の被害を受けた部材の補修・補強・解体等のためには、部材に作用した応力−歪みの状態だけでなく、過去に作用した応力−歪み履歴を正しく把握することが必要である。部材に作用した歪みを計測する技術としては、従来は歪みゲージを用いる方法がある。しかし、この方法は計測場所に応じた必要な点数だけゲージを貼らねばならず、システムとしては、非常に煩雑である上、現時点での歪みしか測定できない。過去に発生した最大歪みを測定するためには、常時計測する必要がある。
【０００５】
近年、光ファイバーを用いたモニタリングが一部で行われている。この技術は部材の歪みによって光ファイバーに歪みが発生し、発信する光の光路差の変化を測定することで歪みを推定する方法である。この方法では光路差の変化を測定するシステムが非常に複雑となるので、計測機器は極めて高価ものとなる。更に光路差の変化を測定する手法では部材の過去の最大歪み履歴を検知することができない。従って、この手法が一般的な技術として展開していくには問題がある。
【０００６】
また、最近では、破断伸びが小さな導電繊維（炭素繊維）と、破断伸びが大きな絶縁繊維（ガラス繊維）を含むハイブリット複合材料において、破断伸びが小さな導電繊維が部材の歪みに応じて順次破断することによる複合材料全体の電気抵抗を測定することで、部材の最大歪みの推定を行う試みがなされている。しかし、この複合材料は製造時の繊維張力などの条件により特性が変化するので、一定の品質の複合材料を製造することは困難である。また、用いている導電性繊維の最大歪みは小さく、計測できる最大歪みには限界があるといった問題がある。
【０００７】
本発明者らは、上記のような問題点を解決するため、未公知であるが、先に形状記憶合金と超弾性合金の特性を応用して土木又は建築の構造体の歪み等による変形量の検出して適性な変形量に修復する自己診断部材並びに自己修復部材及びこれらの機能を備えた構造鋼材並びに構造体の損傷検知システムを開発し、特願平６−１３０５５１号、特願昭７−１４６６１３号において提案した。
【０００８】
しかしながら、地震等の被害を受けた構造体の補修、補強、解体等のためには、構造体の作用した歪みの履歴状態のみでなく、損傷の発生した位置を正しく検知することが要望される。
【０００９】
部材の損傷を損傷を検知する方法としては、例えば、超音波探傷法やＸ線による方法、過電流による方法、ＡＥ法が考えられる。しかしながら、超音波探傷法やＸ線による方法、過電流による方法は、装置が複雑であるばかりでなく、損傷位置の検知のためには、部材のほぼ全域を検査する必要があり、建築・土木部材への適用は実用的ではない。また、ＡＥ法は、数個のセンサーで表面位置検知が可能であるが、部材に荷重が作用し、損傷が進展する状態でなければ、計測不可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、梁、スラブ等の建築・土木構造体が地震等により損傷を受けた場合、その損傷した位置を簡便な方法で検知することができる構造体の損傷位置検知方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の構造体の損傷位置検知方法は、土木または建築の構造体の変形領域に配置された形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの端部から超音波を入射し、ワイヤ損傷位置からの反射波の到達時間に基づいて構造体内の損傷位置を検知することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の構造体の損傷位置検知方法は、形状記憶合金がＮｉＴｉ合金からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の構造体の損傷位置検知方法は、形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの径が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の構造体の損傷位置検知方法は、超弾性合金製ワイヤとＮｉＴｉ合金製ワイヤとを備え、これらの何れかのワイヤを介して構造体内の損傷位置を検知すると共に前記超弾性合金製ワイヤの電気抵抗を測定して構造体の現時点での歪みを検知し、前記ＮｉＴｉ合金製ワイヤの電気抵抗を測定して構造体の過去に作用した最大歪みを検知することを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の構造体の損傷位置検知方法は、土木または建築の構造体の変形領域に配置された形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの損傷した部位では、マルテンサイト相変態によって合金の密度が変化する。従って、合金のワイヤの端部から超音波を入射すると、超音波はその部位で反射するので、反射波の到達時間に基づいて損傷位置を検知する。
【００１６】
請求項２に記載の構造体の損傷位置検知方法は、形状記憶合金がＮｉＴｉ合金からなり、損傷による部位におけるマルテンサイト相変態が確実に起き、合金の密度が変化し易く、損傷位置の検知が容易となる。
【００１７】
請求項３に記載の構造体の損傷位置検知方法は、形状記憶合金ワイヤ又は超弾性合金製ワイヤの径が０．１ｍｍ以上であり、超音波の入射と反射波の伝播速度が精度よい。
【００１８】
請求項４に記載の構造体の損傷位置検知方法は、超音波による損傷位置を検知し、かつ、電気抵抗の測定によりその位置における構造体の現時点での歪みを検知し、構造体の過去に作用した最大歪みを検知できる。超弾性合金製ワイヤは、歪みに対する電気抵抗変化の割合が、構造体の通常の使用状態（超弾性合金製ワイヤがマルテンサイト変態領域に至るまで）では、ＮｉＴｉ合金製ワイヤより大きく、換言すればセンサとしての感度がよい。また、構造体の使用状態において、繰り返して応力を作用させても、応力と歪みがほぼ比例し、応力を解除すると、残留歪みが発生せずに、電気抵抗が残留しない。
【００１９】
この超弾性合金製ワイヤの電気抵抗値を検出することによって、構造体の使用状態におけるひび割れ等を繰り返して正確に検知できる。また、小さな歪みであっても、電気抵抗の変化として明瞭に現れるので、初期のひび割れの発見に極めて有利である。
【００２０】
一方、ＮｉＴｉ合金製ワイヤは、歪みに対する電気抵抗変化の割合が、構造体の終局状態（ＮｉＴｉ合金製ワイヤがマルテンサイト変態領域にある状態）で、最も顕著であり、構造体の大変形や損傷の程度が、ＮｉＴｉ合金製ワイヤの電気抵抗値を検出することによって知ることができる。
【００２１】
また、ＮｉＴｉ合金製ワイヤは、構造体の終局状態において、繰り返して作用させた応力を取り除いても、残留歪みが発生するため、電気抵抗が残留する。この性質を利用して、過去の最大応力や構造体の歪みの履歴を推定することが可能となる。
【００２２】
超弾性合金製ワイヤとＮｉＴｉ合金製のワイヤにおける電気抵抗は構造体の歪みに応じた変化を示し、電気抵抗を計測することによって現時点での歪みと過去における最大の歪み履歴を検知することができる。
【００２３】
すなわち、ＮｉＴｉ合金製のワイヤの電気抵抗は、歪みに応じて変化するが、荷重を除荷しても電気抵抗は初期値に戻らず、作用した歪みに対応して電気抵抗が残留する。すなわち、最大歪み時の電気抵抗と同レベルの電気抵抗が記憶されると考えられる。これは、生成したマルテンサイト相（Ｍ相）のほとんどが除荷後もオーステナイト相（Ａ相）に逆変態せずに材料中に残存するためである。加工硬化域からの除荷に対しては、塑性歪みによる高い電気抵抗が保持されている。従って、歪み−電気抵抗の関係を予め把握しておけば、ＮｉＴｉ合金製のワイヤにおいては、その電気抵抗を測定することで構造体に作用した最大歪みを検知することができる。
【００２４】
一方、超弾性合金製ワイヤにおいては、その電気抵抗も歪みに対応した変化を示すが、荷重を除荷すると電気抵抗は初期値に戻る。すなわち、繰り返し載荷時においても除荷によってはオーステナイト相（Ａ相）に逆変態するため、電気抵抗は残留しない。従って、超弾性合金製ワイヤはＮｉＴｉ合金製ワイヤのように最大歪みを電気抵抗によって記憶する現象はないが、電気抵抗の測定により現時点の歪みは検知できる。
【００２５】
従って、ＮｉＴｉ合金製のワイヤと超弾性合金製ワイヤによって、構造体の現時点での歪みと過去に作用した最大歪みを同時に検知可能となる。特にＮｉＴｉ合金と超弾性合金の電気抵抗は８０×１０-8オームｍ程度であり、鉄の電気抵抗の１〜２×１０-8オームｍ程度に比較すると、４０〜８０倍の大きさであり、しかも歪みに対する電気抵抗の変化率が大きく検知の性能は高い。そして、この歪みが発生した位置を上記した超音波による検知手段で簡便に知ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明に係る構造体の損傷位置検知方法の一例を図面を基に説明する。図１において、１，２は形状記憶合金からなるワイヤ又は超弾性合金からなるワイヤである。このワイヤ１，２は、コンクリート３内に埋設されている。ここで、形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２は各々０．１ｍｍ以上、特に０．１〜１．０ｍｍの直径を有しており、形状記憶合金ワイヤ１はＮｉＴｉ合金製ワイヤからなる。
【００２７】
本発明における損傷位置検出システムでは、ＮｉＴｉ合金ワイヤと超弾性合金ワイヤの径は０．１ｍｍ以上である。現状では、形状記憶合金を０．１ｍｍ未満に加工製造することは技術的に困難である。また、用いるワイヤの径を余り細くすると分担する力に対して必要なワイヤの本数が多くなり、非経済的になることが予想される。また、形状記憶合金ワイヤ１におけるＮｉＴｉ合金の組成としては、Ｎｉ５０％のものが望ましい。
【００２８】
ここで、形状記憶合金とは、ある形状に拘束して臨界温度以上で加熱して形状記憶処理を行った後、急冷して低温安定相（マルテンサイト相）を形成し、変形を加えた後、再加熱すると、その変態温度を越えて結晶逆変態が起こり、高温安定相（オーステナイト相）となって、元の形状に回復する現象を有する合金をいう。
【００２９】
また、超弾性合金は、形状記憶合金に中で、超弾性を有する合金をいい、この合金は、逆変態点温度以上では、塑性変形歪みを与えても除荷により歪みが消滅し、元の形状に戻る性質を有する合金をいう。
【００３０】
このような合金からなる形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２は、コンクリート３内に埋設されており、地震等によりコンクリート３に歪みが生じ、亀裂４が発生するときは、形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２にも歪みが生じる。形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２では、歪みが集中した部位ａでマルテンサイト相変態によりその部位ａでの密度が変化する。
【００３１】
この場合、形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２の端部から超音波を入射すると、この入射された超音波５はその部位ａ（マルテンサイト相変態により密度が変化した部位）で反射し、反射された超音波６は元の端部に戻る。ここで、形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２の端部から入射された超音波が再び端部に戻るまでの時間をＴとし、通常の損傷を受けていない形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２での超音波の伝播速度をＶとすると、形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２における損傷位置（部位ａ）のワイヤ端部からの距離（Ｌ）は、次の式で求めることができる。
【００３２】
Ｌ＝（Ｖ・Ｔ）／２
【００３３】
したがって、コンクリート３内に埋設された形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２の損傷位置を検知することによってその損傷位置付近のコンクリートが損傷していることになるから、その部位のコンクリートの補修、補強、解体等を行うことができる。
【００３４】
本発明は、更に上記した形状記憶合金ワイヤ１及び超弾性合金ワイヤ２の両方を利用して上記の手段により損傷位置の検知に先立って、又は損傷位置の検知後に、電気抵抗の測定により構造体の現時点での歪みを検知し、構造体の過去に作用した最大歪みをも検知できる。
【００３５】
すなわち、形状記憶合金ワイヤ１及び超弾性合金ワイヤ２をそれぞれコンクリート３内に埋設し、超弾性合金ワイヤ２の電気抵抗を測定することによって現時点でのワイヤの歪みを検知し、形状記憶合金ワイヤ１の電気抵抗を測定することるよってコンクリート３に対し過去に作用した最大歪みを検知することができる。
【００３６】
ここで、超弾性合金製ワイヤ２は、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ）がＮｉＴｉ合金製ワイヤ１より高く、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ）以下の弾性領域での繰り返し載荷では、応力と歪みがほぼ比例し、電気抵抗は載荷前のレベルまで回復する。
【００３７】
また、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ）から変態終了点（Ｍｆ）に相当する領域（マルテンサイト変態領域：Ｍｓ〜Ｍｆ）においても、除荷によってマルテンサイトからオーステナイトへ逆変態するため、歪みが回復して電気抵抗も載荷前の値に回復する。さらに、歪みによる電気抵抗変化の割合が、マルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）以下のレベルでは、超弾性合金製ワイヤ２の方がＮｉＴｉ合金製ワイヤ１より大きい。
【００３８】
従って、コンクリート３の使用状態（設計応力レベルでのひび割れ等）のセンシングでは、歪みによる超弾性合金製ワイヤ２の顕著な電気抵抗変化を検出することによって、コンクリート３の初期の微細なひび割れも検知することもできる。なお、電気抵抗変化の割合に関しては、これらのワイヤは、鉄筋等の鋼材と比較すると数十倍と大きい。
【００３９】
一方、ＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の応力と歪みの関係は、当初は応力に比例して歪みも増加していくが、マルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）になると、歪みのみが増加し、電気抵抗の変化の割合が大きくなる。すなわち、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ）以下の応力では、電気抵抗の変化の割合はＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の断面変化に起因し、マルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）では、断面変化による電気抵抗の増加分より電気抵抗の変化が明瞭となる。
【００４０】
これは、マルテンサイト変態開始点（Ｍｓ）以下の応力では（設計応力レベルの使用状態）、ＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の中に、マルテンサイトとオーステナイトがある割合で存在するのみで、電気抵抗の変化はＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の断面変化に起因するためであるが、マルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）での歪みの増加は、主にオーステナイトからマルテンサイトへの変態による体積膨張によるためである。
【００４１】
従って、コンクリート３に作用する終局状態の応力による、ＮｉＴｉ合金製ワイヤ１におけるマルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）での顕著な電気抵抗の変化を検出することにより、コンクリート３の大変形や損傷の程度を正確にセンシングすることができる。
【００４２】
また、マルテンサイト変態領域（Ｍｓ〜Ｍｆ）では、ＮｉＴｉ合金製ワイヤ１に繰り返し載荷した荷重を取り除いても、一般の鋼材と同様に残留歪みが発生するため、電気抵抗が荷重載荷前の状態に戻らない。この電気抵抗が残留する性質を利用して、コンクリート３の最大応力と歪みの履歴を推定することができる。
【００４３】
以上のように、超弾性合金製ワイヤ２とＮｉＴｉ合金製ワイヤ１を併用することによって、高感度でコンクリート３の挙動を検知できる。
【００４４】
ここで、細径のＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の電気抵抗を計測すると、コンクリート３のひび割れが発生した以降、コンクリート３の変形が進むに従って、ＮｉＴｉ合金製ワイヤ１の電気抵抗は増加し、コンクリート３が終局状態に達するにつれてＮｉＴｉ合金製ワイヤ１がマルテンサイト変態すると電気抵抗が急激に変化し、コンクリート３の終局状態がモニタリングできる。
【００４５】
したがって、超音波による検知手段によって形状記憶合金ワイヤ１又は超弾性合金ワイヤ２における損傷位置を検知し、その損傷位置付近のコンクリート３の損傷部位を把握することができ、さらに、電気抵抗による検知手段によりコンクリート３に対する現時点の歪みと過去に作用した最大歪みを検知することができる。
【００４６】
コンクリート３の損傷部位を把握でき、その損傷の度合いを把握することができるから、その損傷位置におけるコンクリートの補修、補強、解体等の程度を正確に決定することが可能となる。
【００４７】
なお、形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２による損傷位置の検知手段の他に、コンクリート３内に自己修復部材を埋設し、コンクリート３の変形量を修復することも可能である。自己修復部材としてはＮｉＴｉ合金製ワイヤをより線状に集束するか、又は直線状に集束したものでもよく、また超弾性合金製ワイヤを集束したものでもよく、さらにＮｉＴｉ製合金製ワイヤと超弾性合金製ワイヤをまぜて集束したものでもよい。
【００４８】
自己修復部材を構成するＮｉＴｉ製合金製ワイヤは、予め存在するマルテンサイトの量にもよるが、使用状態から終局状態まで誘起された応力の２〜３倍の回復力を得ることができる。しかし、形状回復できる限界の歪みがあり、仮にそれを上回る歪みが発生することがある。このため、マルテンサイト変態領域で回復力を発揮できるように、コンクリート３の断面積に対して例えば、０．８〜３．０％の割合で自己修復部材を構成するＮｉＴｉ製合金製ワイヤを埋設することが望ましい。
【００４９】
したがって、形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２における超音波による損傷位置の検知手段によりコンクリート３の損傷位置を検知し、望ましくは、さらに、電気抵抗の測定により損傷の度合いが把握されると、その部位付近のみの自己修復部材を通電等により加熱してコンクリート３の変形量を制御することができる。
【００５０】
図２〜図８は各々本発明の損傷位置検知システムが適用される態様を示す説明図である。図２は損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が、一般建築物７の柱内に埋め込まれ、または一般建築物７の柱に貼り合わせられており、あるいは損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が一般建築物７の壁内に埋め込まれ、または一般建築物７の壁に貼り合わせられている。
【００５１】
図３はトラス構造物８に対して損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が設置されており、図４においては、Ｓ、ＲＣ橋９に損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が設置されている。図５においては、斜張橋、吊橋、その他の吊り構造物１０に損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が設置されている。
【００５２】
図６は、は鉄骨溶接部１１に損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が接合されており、図７においては、膜構造物１２に対して損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が膜面に貼り合わせ、または膜内に埋め込まれている。また、図８においては、橋脚１３のコンクリート内に損傷位置検知手段における形状記憶合金ワイヤ１及び／又は超弾性合金ワイヤ２が埋め込まれている。
【００５３】
これらの実施の態様では、損傷位置を検知することにより容易の構造体の補修・補強、解体等をすべき個所を把握でき、従って、構造体の補修・補強、解体等の対応が容易となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、構造体の損傷位置を的確に把握できるから、構造体の補修・補強、解体等の対応が容易となり。また、簡単な装置で任意のときに簡便に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造体の損傷位置検知方法の原理を示す説明図である。
【図２】本発明の構造体の損傷位置検知方法を一般建築物に適用した例を示すための説明図である。
【図３】本発明の構造体の損傷位置検知方法をトラス構造物に適用した例を示すための説明図である。
【図４】本発明の構造体の損傷位置検知方法をＲ、ＲＣ橋に適用した例を示すための説明図である。
【図５】本発明の構造体の損傷位置検知方法を吊構造物に適用した例を示すための説明図である。
【図６】本発明の構造体の損傷位置検知方法を鉄骨溶接部に適用した例を示すための説明図である。
【図７】本発明の構造体の損傷位置検知方法を膜構造物に適用した例を示すための説明図である。
【図８】本発明の構造体の損傷位置検知方法を橋脚に適用した例を示すための説明図である。
【符号の説明】
１          形状記憶合金製ワイヤ（ＮｉＴｉ製合金ワイヤ）
２          超弾性合金製ワイヤ
３          コンクリート
４          損傷部位
５          超音波（入射波）
６          超音波（反射波）
７          一般建築物
８          トラス構造物
９          Ｒ、ＲＣ橋
１０        吊り構造物
１１        鉄骨溶接部
１２        膜構造物
１３        橋脚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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