(57)【要約】【課題】変位計測装置を小さいスペースに設置することができる。【解決手段】相対移動する第１構造体と第２構造体との間に配置された変位計測装置において、前記第２構造体と対向する前記第１構造体の対向面に第１棒状部材の一端部を回転可能に連結する第１連結部と、前記第１棒状部材の他端部に第２棒状部材の端部を回転可能に連結する第２連結部と、前記第１構造体と対向する前記第２構造体の対向面に取り付けられ、前記第２構造体の対向面の面外方向に対して移動可能に前記第２棒状部材を保持する保持部材と、前記第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度を計測する第１計測手段と、を有する変位計測装置。【選択図】図１
2018136311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動する第１構造体と第２構造体との間に配置された変位計測装置において、
前記第２構造体と対向する前記第１構造体の対向面に第１棒状部材の一端部を回転可能に連結する第１連結部と、
前記第１棒状部材の他端部に第２棒状部材の端部を回転可能に連結する第２連結部と、
前記第１構造体と対向する前記第２構造体の対向面に取り付けられ、前記第２構造体の対向面の面外方向に対して移動可能に前記第２棒状部材を保持する保持部材と、
前記第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度を計測する第１計測手段と、
を有する変位計測装置。
【請求項２】
前記第１構造体は、上部構造物及び下部構造物の一方であり、前記第２構造体は、前記上部構造物及び前記下部構造物の他方であり、前記第１計測手段は、前記第１棒状部材の一端部又は他端部の水平２軸回りの回転角度を計測する請求項１に記載の変位計測装置。
【請求項３】
前記保持部材に対する前記面外方向への前記第２棒状部材の移動距離を計測する第２計測手段を有する請求項１又は２に記載の変位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの構造体の相対変位を計測する変位計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震時に免震建物の免震層に発生する相対変位を計測する変位計測装置がある。例えば、特許文献１には、下部構造上に設けられた免震層に上部構造が支持された免震建物において、下部構造の上面に水平に設置した平板状の感圧センサーの表面上に、上部構造に設けたタッチペンの先端を移動可能に接触させ、この感圧センサーによりタッチペンの先端の位置を検出して、免震建物の免震層に発生する相対変位を計測する免震建物の変位記録装置が開示されている。
【０００３】
しかし、この免震建物の変位記録装置では、タッチペンの先端の移動範囲を網羅するだけの大きな面積の感圧センサーを下部構造の上面に設置しなければならない。すなわち、変位記録装置の設置のために大きなスペースを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３３８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は係る事実を考慮し、変位計測装置を小さいスペースに設置できることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１態様の発明は、相対移動する第１構造体と第２構造体との間に配置された変位計測装置において、前記第２構造体と対向する前記第１構造体の対向面に第１棒状部材の一端部を回転可能に連結する第１連結部と、前記第１棒状部材の他端部に第２棒状部材の端部を回転可能に連結する第２連結部と、前記第１構造体と対向する前記第２構造体の対向面に取り付けられ、前記第２構造体の対向面の面外方向に対して移動可能に前記第２棒状部材を保持する保持部材と、前記第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度を計測する第１計測手段と、を有する変位計測装置である。
【０００７】
第１態様の発明では、第２構造体と対向する第１構造体の対向面に第１棒状部材の一端部を回転可能に連結し、第１構造体と対向する第２構造体の対向面に取り付けられた保持部材により面外方向へ移動可能に保持された第２棒状部材の端部に第１棒状部材の他端部を回転可能に連結する。これにより、第１構造体と第２構造体との相対変位を第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度の大きさに置き換えることができる。
【０００８】
従って、第１計測手段により計測された第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度と、第１棒状部材の長さとに基づいて、第１構造体と第２構造体との相対変位を求めることによりこの相対変位を計測できる。このため、変位計測装置を小さいスペースに設置できる。
【０００９】
第２態様の発明は、第１態様の変位計測装置において、前記第１構造体は、上部構造物及び下部構造物の一方であり、前記第２構造体は、前記上部構造物及び前記下部構造物の他方であり、前記第１計測手段は、前記第１棒状部材の一端部又は他端部の水平２軸回りの回転角度を計測する。
【００１０】
第２態様の発明では、第１計測手段により計測された第１棒状部材の一端部又は他端部の水平２軸回りの回転角度と、第１棒状部材の長さとに基づいて、水平２軸方向に対する第１構造体と第２構造体との相対変位を求めることによりこの相対変位を計測できる。
【００１１】
第３態様の発明は、第１又は第２態様の変位計測装置において、前記保持部材に対する前記面外方向への前記第２棒状部材の移動距離を計測する第２計測手段を有する。
【００１２】
第３態様の発明では、第１計測手段により計測された第１棒状部材の一端部又は他端部の回転角度と、第１棒状部材の長さと、第２計測手段により計測された保持部材に対する面外方向への第２棒状部材の移動距離とに基づいて、面外方向に対する第１構造体と第２構造体との相対変位を求めることによりこの相対変位を計測できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上記構成としたので、変位計測装置を小さいスペースに設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る変位計測装置を示す正面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る第１連結部を示す正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る第２連結部を示す正面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る変位計測装置を示す正面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る第１連結部のバリエーションを示す正面図である。
【図８】図７のＣ−Ｃ断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る第２連結部のバリエーションを示す正面図である。
【図１０】図９のＤ−Ｄ断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る変位計測装置のバリエーションを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。まず、本発明の実施形態に係る変位計測装置について説明する。
【００１６】
図１の正面図に示すように、本実施形態の変位計測装置１０は、免震建物１２に備えられた基礎免震層１４において、第１構造体としての上部構造物１６と、第２構造体としての下部構造物１８との間に配置されている。
【００１７】
上部構造物１６は、免震装置（不図示）により下部構造物１８上に免震支持されており、これによって、上部構造物１６と下部構造物１８とは地震時に横方向に対して相対移動する。図１には、層間変形が生じていない基礎免震層１４に配置されている初期状態の変位計測装置１０が示されている。
【００１８】
変位計測装置１０は、第１棒状部材２０、第１連結部２２、第２棒状部材２４、第２連結部２６、保持部材２８、及び第１計測手段３０を有して構成されている。第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４は、丸鋼管によって形成されている。なお、第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４は、棒状の部材であればよい。例えば、第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４を、角形鋼管やアングル材によって形成してもよい。
【００１９】
図１、図２の正面図、及び図２のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、第１連結部２２は、ユニバーサルジョイント機構３２によって、下部構造物１８の上面３４と対向する上部構造物１６の対向面としての下面３６に、第１棒状部材２０の一端部としての上端部３８を、水平２軸回りに回転可能に、且つ鉛直軸回りに回転不能に連結している。本例では、水平２軸を、水平軸となるＸ1軸と、Ｘ1軸と直交する水平軸となるＹ1軸とし、鉛直軸を、Ｘ1軸及びＹ1軸と直交する鉛直軸となるＺ1軸としている。
【００２０】
すなわち、第１連結部２２は、下部構造物１８の上面３４と対向する上部構造物１６の下面３６に、第１棒状部材２０の一端部としての上端部３８を回転可能に連結している。
【００２１】
図４の正面図、及び図４のＢ−Ｂ断面図である図５に示すように、第２連結部２６は、ユニバーサルジョイント機構４０によって、第１棒状部材２０の他端部としての下端部４２に、第２棒状部材２４の端部としての上端部４４を、水平２軸回りに回転可能に、且つ鉛直軸回りに回転不能に連結している。これにより、第２棒状部材２４は、第２連結部２６から略鉛直方向へ吊り下げられた状態になっている。本例では、水平２軸を、水平軸となるＸ2軸と、Ｘ2軸と直交する水平軸となるＹ2軸とし、鉛直軸を、Ｘ2軸及びＹ2軸と直交する鉛直軸となるＺ2軸としている。
【００２２】
すなわち、第２連結部２６は、第１棒状部材２０の他端部としての下端部４２に、第２棒状部材２４の端部としての上端部４４を回転可能に連結している。
【００２３】
保持部材２８は、上部構造物１６の下面３６と対向する下部構造物１８の対向面としての上面３４に取り付けられており、水平方向へ移動不能、水平軸回りに回転不能、上下方向（Ｚ2軸方向）へ移動可能、且つＺ2軸回りに回転可能に、第２棒状部材２４を保持している。
【００２４】
すなわち、保持部材２８は、下部構造物１８の上面３４の面外方向４６（Ｚ2軸方向）に対して移動可能に第２棒状部材２４を保持している。
【００２５】
図１に示すように、第１計測手段３０は、第１連結部２２に設けられている。第１計測手段３０は、ユニバーサルジョイント機構３２の２つの回転軸に軸がそれぞれ繋げられた２つのエンコーダ（不図示）を有して構成されており、第１棒状部材２０の上端部３８の水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りの回転角度α1、β1を計測する（図２及び図３を参照のこと）。すなわち、第１計測手段３０を構成する２つのエンコーダのうち、一方のエンコーダ（以下、「第１エンコーダ」とする）によりＸ1軸回りの回転角度α1を計測し、他方のエンコーダ（以下、「第２エンコーダ」とする）によりＹ1軸回りの回転角度β1を計測する。
【００２６】
変位計測装置１０では、このような、上部構造物１６の下面３６に第１棒状部材２０の上端部３８を回転可能に連結し、下部構造物１８の上面３４に取り付けられた保持部材２８により面外方向４６へ移動可能に保持された第２棒状部材２４の上端部４４に第１棒状部材２０の下端部４２を回転可能に連結した構成により、図６の正面図に示すように、地震時に、上部構造物１６と下部構造物１８とが横方向に対して相対移動（矢印４８）した際に、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを、第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1の大きさに置き換えることができる。
【００２７】
よって、第１計測手段３０により計測された第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて演算処理を行うことにより、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めてこの相対変位Ｓを計測することができる。
【００２８】
具体的には、地震時に、上部構造物１６と下部構造物１８とが横方向に対して相対移動した際に、相対変位ＳのＸ1軸方向の成分である相対変位ＳXは、式（１）により求めることができ、相対変位ＳのＹ1軸方向の成分である相対変位ＳYは、式（２）により求めることができる。なお、通常の免震層（本例では、基礎免震層１４）の変位挙動においては、第１連結部２２のＺ1軸を回転中心とした回転成分を無視できるので、Ｚ1軸回りの回転が無いものとして式（１）及び式（２）を導出している。
【００２９】
【数１】
2018136311.tif 000003
【００３０】
【数２】
2018136311.tif 000004
【００３１】
次に、本発明の実施形態に係る変位計測装置の作用と効果について説明する。
【００３２】
本実施形態の変位計測装置１０では、図１及び図６に示すように、上部構造物１６の下面３６に第１棒状部材２０の上端部３８を回転可能に連結し、下部構造物１８の上面３４に取り付けられた保持部材２８により面外方向４６へ移動可能に保持された第２棒状部材２４の上端部４４に第１棒状部材２０の下端部４２を回転可能に連結している。これにより、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1の大きさに置き換えることができる。
【００３３】
従って、第１計測手段３０（第１エンコーダ、第２エンコーダ）により計測された第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めてこの相対変位Ｓを計測できる。このため、変位計測装置１０を小さいスペースに設置できる。
【００３４】
また、第１計測手段３０により計測された水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りの回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて、水平２軸方向（Ｘ1軸方向とＹ1軸方向）に対する上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位ＳX、ＳYを求めてこの相対変位ＳX、ＳYを計測できる。
【００３５】
このように、地震時に免震層（本例では、基礎免震層１４）の層間変位を計測することは、免震建物を構成する柱や梁等の構造部材の健全性をモニタリングするために、非常に有効となる。例えば、変位計測装置１０により計測された相対変位Ｓから、免震層の層間変位の最大値を把握して構造部材の損傷具合を判断したり、累積塑性変形を計算して構造部材の疲労度を検証したり等、構造部材の健全性判断のための様々な評価を行うことが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態の変位計測装置１０では、図１及び図６に示すように、第１計測手段３０（第１エンコーダ、第２エンコーダ）により計測された第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めることにより、高い精度で相対変位Ｓを計測することができる。
【００３７】
例えば、水平変位を計測してこの水平変位を電圧の出力に変換して示す従来の変位計の場合、水平変位の最大値を６００ｍｍ、電圧の最大値を１０Ｖとすると、分解能は０．０１Ｖで０．６ｍｍと低くなる。これに対して、本実施形態の変位計測装置１０では、第１棒状部材２０の長さＬを１５００ｍｍとし、３６５°を２１bitで計測できるエンコーダ（第１エンコーダ、第２エンコーダ）を用いると、分解能は１５００×sin（３６５／２21）＝０．００５ｍｍと高くなる。
【００３８】
さらに、本実施形態の変位計測装置１０では、図１に示すように、下部構造物１８の上面３４の面外方向４６（Ｚ2軸方向）に対して移動可能に保持部材２８が第２棒状部材２４を保持しているので、基礎免震層１４に上下方向の相対変位が生じた場合においても、この上下方向の相対変位に影響されずに上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明した。
【００４０】
なお、本実施形態では、図１に示すように、第１棒状部材２０が略鉛直になっている変位計測装置１０の状態を初期状態とし、図６に示すように、第１棒状部材２０が傾斜した変位計測装置１０の状態で、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを、第１棒状部材２０の上端部３８の回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて求めた例を示したが、図６に示すような第１棒状部材２０が傾斜している変位計測装置１０の状態を初期状態としてもよい。
【００４１】
また、本実施形態では、図１に示すように、第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４を、丸鋼管によって形成した例を示したが、第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４は、剛性の高い部材であればよい。
【００４２】
第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４を剛性の高い部材により形成することによって、第１棒状部材２０及び第２棒状部材２４が曲がることによって生じる、第１棒状部材２０の長さＬの誤差や第２連結部２６の位置の誤差を低減することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、図１に示すように、第１計測手段３０により、第１棒状部材２０の上端部３８の水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りの回転角度α1、β1を計測し、この回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて演算処理を行うことにより、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めてこの相対変位Ｓを計測した例を示したが、第１計測手段３０を第２連結部２６に設けて、この第１計測手段３０により、第１棒状部材２０の下端部４２の水平２軸（Ｘ2軸とＹ2軸）回りの回転角度α2、β2を計測し、この回転角度α2、β2と、第１棒状部材２０の長さＬとに基づいて、第１計測手段３０の計測位置に対応させた数式によって演算処理を行うことにより、上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位Ｓを求めてこの相対変位Ｓを計測してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、第１計測手段３０により、第１棒状部材２０の上端部３８の水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りの回転角度α1、β1を計測した例を示したが、保持部材２８に、保持部材２８に対する面外方向４６への第２棒状部材２４の移動距離を計測する第２計測手段を設けてもよい。
【００４５】
このようにすれば、第１計測手段３０により計測された第１棒状部材２０の上端部３８の水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りの回転角度α1、β1と、第１棒状部材２０の長さＬと、第２計測手段により計測された保持部材２８に対する面外方向４６への第２棒状部材２４の移動距離とに基づいて、面外方向４６（上下方向）に対する上部構造物１６と下部構造物１８との相対変位を求めることによりこの相対変位を計測できる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、図１〜５に示すように、第１連結部２２では、ユニバーサルジョイント機構３２によって、上部構造物１６の下面３６に、第１棒状部材２０の上端部３８を、水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りに回転可能に、且つ鉛直軸（Ｚ1軸）回りに回転不能に連結し、第２連結部２６では、ユニバーサルジョイント機構４０によって、第１棒状部材２０の下端部４２に、第２棒状部材２４の上端部４４を、水平２軸（Ｘ2軸とＹ2軸）回りに回転可能に、且つ鉛直軸（Ｚ2軸）回りに回転不能に連結し、保持部材２８では、水平方向へ移動不能、水平軸回りに回転不能、上下方向へ移動可能、且つ鉛直軸（Ｚ2軸）回りに回転可能に、第２棒状部材２４を保持した例を示したが、保持部材２８により、水平方向へ移動不能、水平軸回りと鉛直軸（Ｚ2軸）回りとに回転不能、且つ上下方向（Ｚ2軸方向）へ移動可能に、第２棒状部材２４を保持するようにしてもよい。
【００４７】
この場合、図７、及び図７のＣ−Ｃ断面図である図８に示すように、第１連結部２２では、ジョイント機構５０によって、上部構造物１６の下面３６に、第１棒状部材２０の上端部３８を、水平２軸（Ｘ1軸とＹ1軸）回りと鉛直軸（Ｚ1軸）回りとに回転可能に連結し、図９、及び図９のＤ−Ｄ断面図である図１０に示すように、第２連結部２６では、ジョイント機構５２によって、第１棒状部材２０の下端部４２に第２棒状部材２４の上端部４４を、水平２軸（Ｘ2軸とＹ2軸）回りと鉛直軸（Ｚ2軸）回りとに回転可能に連結する。
【００４８】
また、本実施形態では、第１棒状部材２０の一端部が連結される第１構造体を上部構造物１６とし、保持部材２８が取り付けられる第２構造体を下部構造物１８とした例を示したが、第１構造体を下部構造物１８とし、第２構造体を上部構造物１６としてもよい。すなわち、図１１の正面図に示すように、図１に示した変位計測装置１０の上下を逆にして基礎免震層１４に配置してもよい。このように、第１構造体は、上部構造物及び下部構造物の一方であり、第２構造体は、上部構造物及び下部構造物の他方であればよい。
【００４９】
さらに、本実施形態では、図１に示すように、免震建物１２に備えられた基礎免震層１４に変位計測装置１０を配置した例を示したが、本実施形態の変位計測装置１０は、相対移動するさまざまな第１構造体と第２構造体との間に配置することができる。例えば、免震建物に備えられた中間免震層に変位計測装置１０を配置してもよい。また、例えば、上下方向や斜め方向に対して相対移動する第１構造体と第２構造体との間に変位計測装置１０を配置してもよい。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  変位計測装置
１６  上部構造物（第１構造体）
１８  下部構造物（第２構造体）
２０  第１棒状部材
２２  第１連結部
２４  第２棒状部材
２６  第２連結部
２８  保持部材
３０  第１計測手段
４６  面外方向
α1、β1  回転角度
【図１】
2018136311.tif 000005
【図２】
2018136311.tif 000006
【図３】
2018136311.tif 000007
【図４】
2018136311.tif 000008
【図５】
2018136311.tif 000009
【図６】
2018136311.tif 000010
【図７】
2018136311.tif 000011
【図８】
2018136311.tif 000012
【図９】
2018136311.tif 000013
【図１０】
2018136311.tif 000014
【図１１】
2018136311.tif 000015