(57)【要約】【課題】検出信号から構造物等の健全性を容易に判定でき、構造物等が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できるリミット型変位検出装置および構造物等の健全性モニタリングシステムを提供すること。【解決手段】リミット型変位検出装置１０は、建築物１の接合部１Ａに跨がって建築物１に固定された専用取付金具２１、２２、２３と、建築物１の健全性を損なう加力によって塑性変形する金属からなる金属管３３と、金属管３３に固定され、建築物１の健全性を損なう加力によって破損する脆性部材からなる硬質ガラス管３２と、硬質ガラス管３２の表面に密着して接合されることで硬質ガラス管３２および金属管３３により形状が拘束され、金属管３３が塑性変形する際の硬質ガラス管３２の破損の進行に応じた検出信号を発生する圧電素子３１と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの構造部材が接合部で接合された構造物等に用いられて、前記構造物等の健全性を検知するリミット型変位検出装置であって、
前記接合部に跨がって前記構造物等に固定され、前記構造物等の健全性を損なう加力によって塑性変形する金属からなる第１の拘束部材と、
前記第１の拘束部材に固定され、前記構造物等の健全性を損なう加力によって破損する脆性部材からなる第２の拘束部材と、
前記第２の拘束部材の表面に密着して接合されることで前記第２の拘束部材および前記第１の拘束部材により形状が拘束され、前記第１の拘束部材が塑性変形する際の前記第２の拘束部材の破損の進行に応じた検出信号を発生する検出素子と、を備えたことを特徴とするリミット型変位検出装置。
【請求項２】
前記検出素子が圧電素子からなり、
前記第１の拘束部材が、
前記接合部に跨がって前記構造物等に固定された第１の取付部材および第２の取付部材と、
前記第１の取付部材により軸方向の一端部と他端部が支持され、かつ、前記第２の取付部材により軸方向の中央部が支持された円筒状の金属管と、からなり、
前記第２の拘束部材が、
内面に前記圧電素子が固定されて前記圧電素子を密閉し、かつ、外面に前記金属管が密接して前記金属管により覆われる円筒状の硬質ガラス管からなることを特徴とする請求項１に記載のリミット型変位検出装置。
【請求項３】
前記金属管は、
前記一端部に配置され、前記一端部から軸方向の外方に向かって拡径する円錐状のテーパ金具と、
前記テーパ金具に螺合した状態で前記テーパ金具の前記他端部寄りに配置され、前記他端部側から操作されることで前記テーパ金具を前記他端部側に移動させるねじ機構と、を備え、
前記ねじ機構が操作されることで、前記一端部の外径が前記テーパ金具により拡径されて前記第１の取付部材に嵌め合わされることを特徴とする請求項２に記載のリミット型変位検出装置。
【請求項４】
前記圧電素子は、前記硬質ガラス管の内面に沿って円弧状に湾曲した状態で密着状態で固定されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のリミット型変位検出装置。
【請求項５】
前記検出素子が圧電素子からなり、
前記第１の拘束部材が、
帯状の金属板と、
前記金属板の両端部に一体で設けられ、かつ、前記接合部に跨がって前記構造物等に固定された第１の取付部材および第２の取付部材と、からなり、
前記第２の拘束部材が、
前記金属板との間に前記圧電素子を挟み込んだ状態で樹脂により前記圧電素子を密閉し前記金属板に固定された帯状の硬質ガラス板からなることを特徴とする請求項１に記載のリミット型変位検出装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のリミット型変位検出装置と、
前記リミット型変位検出装置の検出信号が入力され、前記検出信号に基づいてマイコンのプログラムにより危険度を自律的に判定して表示する報知装置と、を備えることを特徴とする構造物等の健全性モニタリングシステム。
【請求項７】
前記リミット型変位検出装置の前記検出信号を、有線又は無線の電気通信網を介して、前記報知装置に伝送することを特徴とする請求項６に記載の構造物等の健全性モニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物等の健全性をモニタリングするリミット型変位検出装置およびこのリミット型変位検出装置を用いた構造物等の健全性モニタリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄骨造建築物等においては、露出型柱脚構造が多く採用されており、この露出型柱脚構造は、鉄筋コンクリートの基礎に埋め込まれたアンカーボルトと、鉄骨の柱脚に溶接されたベースプレートとをナットで締結することで、建築物を基礎に接合するようになっている。
【０００３】
地震により設計者の意図しない態様で柱脚部が変形又は破壊された場合、建築物の倒壊を引き起こすことがある。このため、建築物の健全性を保つためには、柱脚部が変形又は破壊されていないことが要求される。また、建築物の健全性を保つためには、柱脚部だけでなく他の重要な接合部が破壊されていないことも要求される。したがって、接合部の健全性を判定するためには、接合部の状態をモニタリングすることが必要となる。
【０００４】
そこで、従来、加速度計、光ファイバーやレーザー変位計等を用いて構造物の状態をモニタリングするモニタリングシステムが導入されている。しかし、このモニタリングシステムは、システム全体が複雑かつ高価であり、光ファイバー中に光を伝搬させるための電源設備も必要であるため、運用のためのシステム費用も高くなってしまう。
【０００５】
また、特に比較的小規模な構造物等に対しては、システム自体が大きく経費が嵩むため、経済的にも合致し得ないという問題点があった。このような理由から、現状では、例えば２０年以上の長期に渡って構造物等の接合部をモニタリングすることは行われていなかった。
【０００６】
このような問題点を解決すべく、本発明者は、特許文献１に記載のボルト型歪み検出器を提案した。特許文献１のボルト型歪み検出器は、頭部と軸部を備え軸方向に貫通する軸孔が形成されている頭部側部材と、軸部のみからなり基端から先端に向かう軸孔が形成されている先端側部材とが、軸方向で間隔をあけた状態で配置されている。このボルト型歪み検出器は、頭部側部材と先端側部材の軸孔にピエゾケーブルを内蔵するセンサロッドが挿通され、頭部側部材と先端側部材とがセンサロッドの両端部で結合されて、全体がボルト形状に一体化されており、ピエゾケーブルのリード部を頭部側から外部へ引き出すように構成されている。
【０００７】
特許文献１に記載のボルト型歪み検出器は、既存の構造物のボルト挿入孔を利用して、容易に且つ長期間にわたって安定的に取り付けることができ、かつ頭部側部材と先端側部材とが離間し、中間部にはセンサロッドが存在するだけの構造なので、変形しやすく、構造物の撓みや捩れなどの変形を高感度で検出することができる。
【０００８】
また、このボルト型歪み検出器は、ピエゾケーブルを用いたことによる簡単、安価で、センサ電源を必要としない構造であることから、容易に多点に設置でき、長期間にわたって安定的に測定し続けることができる。このため、このボルト型歪み検出器は、各種土木・建築構造物等の健全性モニタリングシステムに好適に用いることができる。
【０００９】
また、本発明者は、特許文献２に記載のリミット型変位検出器を提案した。特許文献２の図５から図７に記載のリミット型変位検出器は、木造の建築物における柱、梁、桁等の仕口に形成された孔部のうち、使用しないドリフトピン用の孔部に挿入して、建築物の健全性をモニタリングするようになっている。
【００１０】
このリミット型変位検出器は、ガラス管を試験管状に形成した支持部材を備えており、この支持部材の内部にピエゾフィルム（圧電素子）が全長にわたって配置されている。また、このリミット型変位検出器は、ドリフトピンを模した形状の金属管を備えており、この金属管の内部に支持部材がほぼ密着状態で挿入されている。
【００１１】
そして、このリミット型変位検出器は、建物の柱および梁の仕口に形成した孔部に挿入された状態で、地震等の災害によって建物の架構が大きく変形して柱および梁間に損傷となる大きな変形が生じた際に、金属管が変形してガラス管からなる支持部材が破損するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１３−１８１８１９号公報
【特許文献２】特開２０１５−１６９４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載の変位検出器は、構造物等の動的な振動や変位を検出するものであるため、構造物に小さな撓みや捩れ等の変形が生じた場合にも、変形に応じた電圧を出力する特性を有していた。
【００１４】
このため、構造物等に健全性を失う程度の変位が発生していない場合であっても、変位に応じた多数の出力信号がボルト型歪み検出器から出力される。したがって、健全性が失われたことを表す信号を出力信号の中から識別して構造物等の健全性を判定するためには、出力に応じた変位の基準が必要であった。また、構造物が破壊限界に至る前だけ検出信号を発生するだけでは、破壊限界後の構造物の状態を推測できないため、構造物が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できることが求められていた。
【００１５】
また、特許文献２に記載の変位検出器は、変形の仕方や変形する部位が仕口の形状に左右されるため常に一定でないという特性がある。このため、特許文献２に記載の変位検出器は、圧電素子の端部より外側で変形した場合、建築物の健全性を判定可能な有意な検出信号を発生できない場合がある。また、特許文献２に記載の変位検出器は、仕口の種類や形状によっては、仕口に発生した変形により金属管の複数の部位に局所的な剪断力が急激に作用し、破損していない状態から完全に破損されてノイズを多く発生して検出信号を発生できない状態に急激に変化する場合がある。
【００１６】
したがって、特許文献２に記載の変位検出器は、仕口の種類や形状によっては、建築物の健全性を判定可能な検出信号を発生できない場合や、破壊限界後に検出信号の解析を困難にする場合が想定されるため、多くの改善の余地を残していた。
【００１７】
そこで、本発明は、検出信号から構造物等の健全性を容易に判定でき、構造物等が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できるリミット型変位検出装置および構造物等の健全性モニタリングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、少なくとも２つの構造部材が接合部で接合された構造物等に用いられて、前記構造物等の健全性を検知するリミット型変位検出装置であって、前記接合部に跨がって前記構造物等に固定され、前記構造物等の健全性を損なう加力によって塑性変形する金属からなる第１の拘束部材と、前記第１の拘束部材に固定され、前記構造物等の健全性を損なう加力によって破損する脆性部材からなる第２の拘束部材と、前記第２の拘束部材の表面に密着して接合されることで前記第２の拘束部材および前記第１の拘束部材により形状が拘束され、前記第１の拘束部材が塑性変形する際の前記第２の拘束部材の破損の進行に応じた検出信号を発生する検出素子と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、リミット型変位検出装置は、大地震等の構造物等の健全性を損なう加力によって、第１の拘束部材が塑性変形し、第２の拘束部材が破損し、この破損状態に応じた検出信号を検出素子が出力する。
【００２０】
このため、リミット型変位検出装置は、建造物等の変形又は破損の指針となる検出信号を発生できる。したがって、検出信号から構造物等の健全性を容易に判定できる。
【００２１】
さらに、リミット型変位検出装置は、第２の拘束部材が第１の拘束部材に固定されているため、構造物等が破壊限界に至って第２の拘束部材が破損した後も検出素子が検出信号を発生できる。
【００２２】
この結果、検出信号から構造物等の健全性を容易に判定でき、構造物等が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の変位検出ユニットの側面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の変位検出ユニットの組付後の状態を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の変位検出ユニットの組付前の状態を示す正面図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の変位検出ユニットの組付前の状態を示す断面図である。
【図６】図６は、加力試験１におけるボルト型歪検出センサとリミット型変位検出装置（静荷重リミットセンサ）の出力電圧の比較図である。
【図７】図７は、加力試験２におけるボルト型歪検出センサとリミット型変位検出装置（静荷重リミットセンサ）の出力電圧の比較図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置を用いた構造物等の健全性モニタリングシステムを示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置を用いた構造物等の健全性モニタリングシステムの他の例を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の外観を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２の実施の形態に係るリミット型変位検出装置の断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るリミット型変位検出装置が、構造物の健全性が失われた後であっても検出信号を発生可能な状態であることを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（第１の実施の形態）
以下、本発明に係るリミット型変位検出装置および構造物等の健全性モニタリングシステムの実施の形態について、図面を用いて説明する。図１〜図５は、本発明の第１の実施の形態に係るリミット型変位検出装置を示す図である。
【００２５】
［リミット型変位検出装置］
図１、図２において、露出型柱脚構造を有する建築物１は、鉄鋼製の柱脚２と、鉄筋コンクリート製の基礎４とを備えている。柱脚２の下部には、鉄鋼製のベースプレート３が溶接により固定されている。基礎４には、アンカーボルト５が埋設されている。この建築物１は、アンカーボルト５にナット６を締結することで、柱脚２がベースプレート３を介して基礎４に接合されている。この建築物１は、本発明における構造物を構成している。
【００２６】
建築物１には、柱脚２と基礎４との接合部１Ａを跨がってリミット型変位検出装置１０が設けられている。リミット型変位検出装置１０は、柱脚２と基礎４との変位をモニタリングするものである。
【００２７】
リミット型変位検出装置１０は、変位に応じた出力信号を発生するリミット型変位検出ユニット３０と、このリミット型変位検出ユニット３０を建築物１に取付ける圧延鋼板からなる専用取付金具２１、２２、２３とを有する。
【００２８】
専用取付金具２１は、倒立したＬ字状の全体形状を有している。専用取付金具２１は、柱脚２のベースプレート３の上面に２つのボルト２４で締結される水平部２１Ａと、この水平部２１Ａの端部から鉛直下方に延伸する鉛直部２１Ｂとを有する。専用取付金具２１は、水平部２１Ａに形成された孔２１Ａ１にボルト２４を締結することでベースプレート３に固定される。
【００２９】
専用取付金具２２は、コの字状の全体形状を有している。専用取付金具２２は、専用取付金具２１の鉛直部２１Ｂに２つのボルト２５で締結される鉛直部２２Ａと、この鉛直部２２Ａの端部から水平に延伸する２つの支持部２２Ｂ、２２Ｃとを有している。支持部２２Ｂ、２２Ｃには、それぞれ支持孔２２Ｂ１、２２Ｃ１が形成されており、支持孔２２Ｂ１、２２Ｃ１には、リミット型変位検出ユニット３０が挿通されている。
【００３０】
このように、柱脚２のベースプレート３に取付けられた専用取付金具２１、２２は、支持部２２Ｂ、２２Ｃによりリミット型変位検出ユニット３０の一端部および他端部を支持している。本実施の形態の専用取付金具２１、２２は、本発明における第１の取付部材を構成している。
【００３１】
一方、専用取付金具２３は、Ｌ字状の全体形状を有している。専用取付金具２３は、基礎４の上面に２つのボルト２６で締結される水平部２３Ａと、この水平部２３Ａの端部から鉛直上方に延伸する鉛直部２３Ｂと、この鉛直部２３Ｂの中央部から水平方向に延伸する支持部２３Ｃとを有する。支持部２３Ｃには支持孔２３Ｃ１が形成されており、この支持孔２３Ｃ１には、リミット型変位検出ユニット３０が挿通されている。
【００３２】
なお、水平部２３Ａには２つの長孔２３Ａ１が形成されており、この長孔２３Ａ１に２つのボルト２６を締結することで基礎４に対する専用取付金具２３の位置を調整することができる。また、専用取付金具２３の位置を調整することで、３つの支持孔２２Ｂ１、２２Ｃ２、２３Ｃ１を同軸上に整列させることができる。
【００３３】
このように、専用取付金具２３の支持部２３Ｃは、リミット型変位検出ユニット３０の軸方向の中央部を支持している。本実施の形態の専用取付金具２３は、本発明における第２の取付部材を構成している。このリミット型変位検出装置１０において、前述したように専用取付金具２１は建築物１のベースプレート３の上面に取付けられており、専用取付金具２３は建築物１の基礎４の上面に取付けられている。このため、建築物１の完成後であっても、リミット型変位検出装置１０を建築物１に設置することができる。
【００３４】
図３において、リミット型変位検出ユニット３０は、圧電素子３１と、圧電素子３１を密閉する硬質ガラス管３２と、硬質ガラス管３２の外面に密接した状態で硬質ガラス管３２を覆う円筒状の金属管３３とを有している。
【００３５】
圧電素子３１は、帯状のピエゾフィルムからなり、形状変化等の変位が生じた場合に、検出信号である変形や破損に応じた電圧を発生するようになっている。圧電素子３１は本発明における検出素子を構成している。なお、検出素子としては、圧電素子３１に代えて導電性樹脂または歪みゲージを用いることができるが、圧電素子３１は電源が不要であるので好適である。
【００３６】
硬質ガラス管３２は、脆性部材である硬質ガラスを試験管と同様の形状に形成したものからなる。硬質ガラス管３２は、一端部が閉じられて他端部が開口している。硬質ガラス管３２の他端部は、封止部材３４により封止されている。硬質ガラス管３２の内面には、圧電素子３１が固定されている。圧電素子３１は、円弧状に湾曲した状態で、紫外線硬化樹脂等からなる接着剤により、硬質ガラス管３２の内面に沿って密着して固定されている。
【００３７】
圧電素子３１の他端部には出力用ケーブル３５が接続されており、この出力用ケーブル３５は、封止部材３４を貫通して、硬質ガラス管３２の他端部側に引き出されている。
【００３８】
金属管３３は、建築物１の健全性を損なう加力によって塑性変形する圧延鋼板からなる。金属管３３の他端部側には円形のナット３７が螺合されている。ナット３７は、封止部材３４に圧接しており、金属管３３における硬質ガラス管３２の軸方向の位置を、封止部材３４を介して位置決めしている。また、ナット３７は、支持部２２Ｃに突き当たることで、金属管３３を軸方向に位置決めしている。なお、硬質ガラス管３２と金属管３３とは、ゆるみばめ程度の公差で嵌め合わされている。
【００３９】
圧電素子３１は、硬質ガラス管３２に密閉された状態で、硬質ガラス管３２および金属管３３により形状が拘束されている。この金属管３３は、前述した第１の取付部材および第２の取付部材としての専用取付金具２１、２２、２３とともに、本発明における第１の拘束部材を構成している。硬質ガラス管３２は、本発明における第２の拘束部材を構成している。
【００４０】
具体的には、硬質ガラス管３２および金属管３３は、建築物１に変位が発生していない通常の状態において、硬質ガラス管３２および金属管３３の双方が円筒状の形状を維持し、圧電素子３１の形状を拘束するようになっている。
【００４１】
本実施の形態では、硬質ガラスからなる硬質ガラス管３２と金属からなる金属管３３は、大地震等により建築物１の健全性を損なう加力が支持部２２Ｂ、２２Ｃと支持部２３Ｃとの間に作用した際に、双方の延性、降伏強度、靭性、脆性等により、ほぼ同じタイミングで変形又は破損し、圧電素子３１の拘束を解除するように構成されている。
【００４２】
すなわち、本発明における「健全性を損なう加力」とは、圧電素子３１を拘束している金属管３３と硬質ガラス管３２が変形又は破損する程度の変位を引き起こす加力のことである。なお、「破損」とは、硬質ガラス管３２に亀裂が入った状態も含む。圧電素子３１は、硬質ガラス管３２に亀裂が入った状態でも、この亀裂を検出して、変形や破損に応じた電圧を出力する。
【００４３】
ここで、健全性とは、地震等による力（加速度）が建築物１等の構造物等に作用した際、構造物として存在し得る状態をいい、例えば、本震時に加わった力より弱い力が余震等より作用したとしても、構造物等の破損（倒壊）のおそれがない状態をいう。
【００４４】
建築物１の健全性を損なう加力が建築物１およびリミット型変位検出装置１０に作用した際は、金属管３３と硬質ガラス管３２が、ほぼ同じタイミングで変形や破損し、圧電素子３１は、金属管３３と硬質ガラス管３２とによる拘束から、限定された部分のみが解放される。
【００４５】
より詳しくは、建築物１の健全性を損なう加力が建築物１に作用した際は、建築物１の健全性を損なう加力によって、図３において、軸方向の中央部の支持部２３Ｃに対して両端部の支持部２２Ｂ、２２Ｃが矢印で示す剪断方向に変位する。この剪断方向の変位により、金属管３３は、図３に破線で示すように、支持部２２Ｂ、２２Ｃ、２３Ｃ、の間隔等によって予め設定された変形態様で、Ｖ字状に屈曲またはＵ字状に湾曲するように変形する。そして、塑性変形した金属管３３に押圧された硬質ガラス管３２は、変形して破損する。このときの硬質ガラス管３２の破損は、小さな亀裂から大きな破断へと断続的に成長する態様で進行する。
【００４６】
そして、圧電素子３１は、拘束から解放されたタイミングで変形又は破損に応じたパルス状の出力電圧を発生する。すなわち、圧電素子３１は、硬質ガラス管３２の破損が進行して亀裂が成長する度にパルス状の大きな出力電圧を発生する。このため、圧電素子３１が出力する電圧は、新たな増幅装置等により増幅することなく報知器等の機器で検出可能な大きな値となる。
【００４７】
このように、リミット型変位検出装置１０は、静的な変動を検出する静的荷重センサであり、中小地震時に小さな撓みや捩れ等の変形が生じた場合には電圧を出力せず、大地震時に大きな変位が発生したときのみに初めて、変形又は破損に応じた電圧を出力するようになっている。また、硬質ガラス管３２が破損した後であっても、圧電素子３１は破断しておらず、塑性変形した金属管３３と破損した硬質ガラス管３２とに支持されている。このため、硬質ガラス管３２が破損した後であっても、圧電素子３１が出力電圧を発生可能な状態であり、圧電素子３１からの出力電圧を監視することで建築物１の状態を推定できる。なお、金属管３３の材料として真鍮を用いてもよい。すなわち、金属管３３は、建築物の変位を金属管３３に伝達する専用取付金具２１、２２、２３よりも軟質な材料から構成されていてもよい。これにより、専用取付金具２１、２２、２３より先に金属管３３が降伏して塑性変形するように設定できる。したがって、拘束部材としての金属管３３および専用取付金具２１、２２、２３は、建築物１の柱脚２の破壊限界に相当した変位の出力を得るのが目的であるため、強度を求める必要はない。建築物１の変位量と金属管３３の変形量との間に一定の相関を持たせることができるセンサの計測強度であればよい。
【００４８】
図４において、金属管３３の一端部には、軸方向に延伸する４条の切り溝３３Ｂが形成されている。また、金属管３３の一端部には、一端部から軸方向の外方に向かって拡径する円錐状のテーパ金具３９と、このテーパ金具３９に螺合した状態でテーパ金具３９の他端部寄りに配置されたねじ機構４０と、が設けられている。ねじ機構４０は、他端部側から操作されることでテーパ金具３９を他端部側に移動させるようになっている。
【００４９】
具体的には、図４、図５において、ねじ機構４０は、テーパ金具３９に螺合したフランジボルト４１と、このフランジボルトの頭部４１Ａに形成された鍔状のフランジ部４１Ｂと、このフランジ部４１Ｂと軸方向で対向する金属管３３の小径部３３Ａとを有している。なお、図５では、硬質ガラス管３２および圧電素子３１を図示省略している。
【００５０】
小径部３３Ａは、金属管３３の一端部において内径が狭められた部分であり、フランジ部４１Ｂに軸方向に当接することで、フランジボルト４１が金属管３３の一端部側に移動することを規制している。フランジボルト４１は、金属管３３の他端部側から挿入されたドライバ等の工具により、テーパ金具３９を頭部４１Ａ側に引き寄せるように回転される。
【００５１】
ねじ機構４０が工具により操作されると、図３に示すように、テーパ金具３９が金属管３３の他端部に向かって移動して切り溝３３Ｂを広げるため、金属管３３の一端部がテーパ金具３９により挿入した穴径より拡径される。
【００５２】
これにより、金属管３３の一端部は、支持部２２Ｂの支持孔２２Ｂ１に密接した状態となり、支持部２２Ｂに強固に支持される。なお、このねじ機構４０では、金属管３３の４条の切り溝３３Ｂにテーパ金具３９が食い込むため、テーパ金具３９がフランジボルト４１と供回りしてしまうことが防止される。
【００５３】
［リミット型変位検出装置の出力電圧］
次に、建築物１に加力試験１、２を実施した際の本発明によるリミット型変位検出装置１０の出力電圧について説明する。ここで、加力試験１は、建築基準法における中小地震を模したものであり、建築物１の健全性を損なわない大きさの加力を実施する試験である。加力試験２は、建築基準法における大地震を模したものであり、建築物１の健全性を損なう大きさの加力を実施する試験である。
【００５４】
この加力試験１、２では、柱脚２におけるベースプレート３の下面から上方の所定距離に加力心を設定し、この加力心において柱脚２に油圧ジャッキで水平加力を作用させた。また、加力方向は、アンカーボルト５に引っ張り荷重が作用する方向とした。
【００５５】
加力試験１では、加力心における柱脚２の水平方向変位量が６ｍｍとなるように加力を実施した。水平方向変位量が６ｍｍのときに変形角は１／２００［ｒａｄ］となった。変形角とは、柱脚２の水平方向変位量を、ベースプレート３の下面から加力心までの距離で除算した値である。この加力試験１では、油圧ジャッキの圧力を漸次増大させてゆき、約１７０秒経過時に９０［ｋＮ］で柱脚２の破壊限界となり加力を停止した。
【００５６】
加力試験２では、加力心における柱脚２の水平方向変位量が１８ｍｍとなるように加力を実施した。水平方向変位量が１８ｍｍのときに変形角は１／６７［ｒａｄ］となった。この加力試験２では、油圧ジャッキの圧力を漸次増大させてゆき、２４０秒経過時に１４０［ｋＮ］で柱脚２が破壊に至った。
【００５７】
この加力試験１、２では、リミット型変位検出装置１０の出力電圧を計測するとともに、リミット型変位検出装置１０の近傍のベースプレート３上に配置した図示しない比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧を計測した。比較用のボルト型歪検出センサは、動的な変動を検出する動的荷重センサであり、小さな撓みや捩れ等の変形に対しても、変形に応じた電圧を出力する特性を有している。比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧は、リミット型変位検出装置１０の出力電圧よりも小さい信号であるため、増幅器により８００倍に増幅した値を計測した。
【００５８】
また、この加力試験１、２では、リミット型変位検出装置１０の専用取付金具２１の水平部２１Ａの鉛直方向変位量を図示しない変位計により計測するとともに、比較用のボルト型歪検出センサの近傍のベースプレート３の上面の鉛直方向変位量を同様に図示しない変位計により計測した。
【００５９】
図６、図７は、加力試験１、２を実施した際の試験結果を示す図である。図６、図７において、縦軸は柱脚２のベースプレート３の上面の鉛直方向変位量［ｍｍ］および各センサの出力電圧［Ｖ］を表し、横軸は加力時間［秒］を示している。
【００６０】
また、図６、図７において、上段は、比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧［Ｖ］（実線で示す）と、このボルト型歪検出センサが配置されたベースプレート３の上面の鉛直方向変位量［ｍｍ］（破線で示す）を表している。
【００６１】
また、図６、図７において、下段は、リミット型変位検出装置１０の出力電圧［Ｖ］（実線で示す）と、このリミット型変位検出装置１０の専用取付金具２１の水平部２１Ａの鉛直方向変位量［ｍｍ］（変位計で測定した値（破線））を表している。
【００６２】
中小地震時に相当する加力試験１を実施した場合は、図６の上段に示すように、比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧は、柱脚２が破壊限界に到達した約１７０秒経過時で５Ｖであった。約１７０秒経過時に、近傍の変位計による鉛直方向変位量は−０．４ｍｍであった。
【００６３】
一方、図６の下段に示すように、リミット型変位検出装置１０の出力電圧は、この加力試験１の実施中に検出されず、約１７０秒経過時にも検出されていない。約１７０秒経過時に、近傍の変位計による鉛直方向変位量は−０．７ｍｍ程度であった。
【００６４】
このように、中小地震時に相当する加力試験１では、建築物１の健全性を損なわない程度の大きさの加力を実施しているため、柱脚２が予測する変位に到達するが、破壊に至っていない。リミット型変位検出装置１０においては、硬質ガラス管３２および金属管３３は、変形や損傷をしていない。このため、硬質ガラス管３２および金属管３３が圧電素子３１を拘束し続けるので、圧電素子３１が電圧を出力しない。したがって、リミット型変位検出装置１０が出力電圧を発生していないことに基づいて、柱脚２が破壊に至っておらず健全性を損なっていないことを明確かつ容易に判定できる。
【００６５】
また、大地震時に相当する加力試験２を実施した場合は、図７の上段に示すように、比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧は約１０５秒経過後から発生し始め、このときの出力電圧は２．１Ｖであった。約１０５秒経過時の近傍の変位計による鉛直方向変位量は−４．５ｍｍ程度の沈みによる変位が測定された。
【００６６】
更に、同実験で、約２４０秒経過時は、ボルト型歪検出センサの出力電圧が１．６Ｖで、近傍の変位計による鉛直方向変位量が−５．５ｍｍであった。したがって、比較用のボルト型歪検出センサの出力電圧の波形からは、柱脚２が破壊直前の状態にあることを判定できず、また、柱脚２が破壊に至ったことを推測できない。
【００６７】
一方、図７の下段に示すように、リミット型変位検出装置１０の出力電圧は、約１２５秒経過時に２．２５Ｖを記録し、このときの近傍の変位計による鉛直方向変位量は−１．５ｍｍであった。
【００６８】
更に、約１７５秒経過時および２１０秒経過時は、リミット型変位検出装置１０の出力電圧がそれぞれ−１．５Ｖおよび−０．８Ｖであることが明確に確認できる。約１７５秒から２１０秒経過時の近傍の変位計による鉛直方向変位量は−４．５ｍｍから−５．８ｍｍであった。その後、約２４０経過時は、リミット型変位検出装置１０の出力電圧は発生していない。
【００６９】
このように、大地震に相当する加力試験２では、柱脚２が破壊に至る約２４０秒後の直前である、約１７５秒から２１０秒経過時に、リミット型変位検出装置１０が大きな出力電圧を発生している。すなわち、リミット型変位検出装置１０は、建築物１の健全性の変化に応じた出力電圧を発生している。このため、リミット型変位検出装置１０の約１７５秒から２１０秒経過時の出力電圧に基づいて、柱脚２が破壊直前の状態にあることを明確に判定でき、さらに、この出力電圧の直後に柱脚２が破壊に至ったことを容易に推測できる。
【００７０】
［構造物等の健全性モニタリングシステム］
次に、リミット型変位検出装置１０を用いたモニタリングシステムの一例について説明する。
【００７１】
図８において、モニタリングシステム５０は、複数のリミット型変位検出装置１０と、これらの複数のリミット型変位検出装置１０に接続された報知装置５１とを有している。本実施の形態のモニタリングシステム５０は、本発明における構造物等の健全性モニタリングシステムを構成している。
【００７２】
報知装置５１は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode:：発光ダイオード）５２が設けられた表示盤５３及びマイコン５７や、汎用のパーソナルコンピュータ５４からなる。このモニタリングシステム５０では、リミット型変位検出装置１０の出力信号が十分に大きく、リミット型変位検出装置１０と報知装置５１の間に増幅装置を設ける必要がないため、リミット型変位検出装置１０の出力信号を出力用ケーブル３５を介して報知装置５１に直接入力することができる。
【００７３】
また、モニタリングシステム５０では、リミット型変位検出装置１０の出力信号を、有線又は簡易（ジグビー等）無線の電気通信網５５を介して報知装置５１に入力することができる。電気通信網５５としては、例えば、有線ＬＡＮや一般の無線ＬＡＮを用いることができる。
【００７４】
報知装置５１は、例えば、リミット型変位検出装置１０の出力信号の大きさおよび出力回数が所定条件を満たしたことに基づいて報知を行うようになっている。具体的には、リミット型変位検出装置１０の出力信号に基づいて、マイコン５７のプログラムにより危険度を自律的に判定して表示盤５３に表示する。また、モニタリングシステム５０は、データ集約型の判定が可能なように、機械学習法を含む大容量の情報処理能力を備えていてもよい。
【００７５】
モニタリングシステム５０は、図９に示すように、解析装置５８を備えることが好適である。解析装置５８は、情報通信網を介して複数の報知装置５１に接続されている。この解析装置５８は、報知装置５１から遠隔の監視施設に設けられている。解析装置５８は、複数の報知装置５１からの検出信号を学習データとして大量に蓄積する。解析装置５８は、蓄積した大量の学習データを用いて、深層学習等の機械学習に基づくアルゴリズムによって、報知装置５１が建築物１の健全性を判定するための最適な閾値等を演算する。そして、解析装置５８は、演算で求めた最適な閾値等を報知装置５１に設定する。
【００７６】
この図９において、建築物１は高層ビルからなる。建築物１は、各階にリミット型変位検出装置１０が設けられており、多数のリミット型変位検出装置１０が報知装置５１に接続されている。報知装置５１は、解析装置５８により最適な変数や閾値等が設定されることで、多数のリミット型変位検出装置１０からの各検出信号に応じて、建築物１の健全性を的確に判定することができる。言い換えると、解析装置５８により最適な閾値等を求めて報知装置５１に設定することにより、報知装置５１は、多数のリミット型変位検出装置１０を好適に管理することができる。なお、解析装置５８により演算された最適な変数や閾値等に基づいて、解析装置５８が設けられた監視施設の監視員が、複数の建築物１の健全性について遠隔で判定することも可能である。
【００７７】
次に、作用効果について説明する。以上説明したように、本実施の形態に係るリミット型変位検出装置１０は、検出素子として圧電素子３１を採用しており、大地震時に相当する変位により変形又は破損した際に大きな出力電圧を発生できる。このため、センサ用電源や付属の増幅装置を不要とすることができ、構造物等の健全性を安価で簡便にモニタリングできる。
【００７８】
また、圧電素子３１を硬質ガラス管３２および金属管３３で密閉しているため、圧電素子３１を経年変化や腐食等から長期に渡って保護することができ、構造物の健全性を長期に渡ってモニタリングできる。
【００７９】
さらに、リミット型変位検出装置１０は、大地震時に相当する加力により、極限以上の大きな変位が柱脚２に発生する以前のタイミングで、金属管３３が塑性変形し、硬質ガラス管３２が破損し、この破損状態に応じた検出信号を圧電素子３１が出力する。このため、リミット型変位検出装置１０は、建造物等の変形又は破損の指針となる検出信号を発生できる。このため、圧電素子３１からの破壊に比例した出力電圧に基づいて、構造物の健全性を容易に判定できる。
【００８０】
さらに、リミット型変位検出装置１０は、硬質ガラス管３２が金属管３３に固定されているため、構造物等が破壊限界に至って硬質ガラス管３２破損した後も圧電素子３１が検出信号を発生できる。
【００８１】
この結果、検出信号から構造物等の健全性を容易に判定でき、構造物等が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できる。
【００８２】
また、本実施の形態に係るリミット型変位検出装置１０は、圧電素子３１が固定された硬質ガラス管３２を金属管３３で覆い、金属管３３の軸方向の両端部および中央部を、支持部２２Ｂ、２２Ｃおよび支持部２３Ｃで支持している。
【００８３】
このため、大地震等により建築物１の健全性を損なう限界の変位が柱脚２に発生する以前のタイミングで、リミット型変位検出ユニット３０を変形又は破損させてそれに相当する出力電圧を得ることができる。これにより、建築物１が破損するタイミングを明確に判定できる。
【００８４】
また、本実施の形態に係るリミット型変位検出装置１０によれば、ねじ機構４０が操作されることで、金属管３３の一端部がテーパ金具３９により拡径されて専用取付金具２２の支持部２２Ｂに支持されるため、振動等による脱落を防ぎ、リミット型変位検出装置１０を強固に構造物に装着できる。
【００８５】
また、本実施の形態に係るリミット型変位検出装置１０において、圧電素子３１は、円弧状に湾曲した状態で硬質ガラス管３２の内面に沿って密着状態で固定されている。
【００８６】
これにより、硬質ガラス管３２の内部で圧電素子３１が意図せず変形して不要な出力電圧を発生することを防止できる。また、硬質ガラス管３２が変形又は破損したときに圧電素子３１が座屈して塑性変形が可能な様に、明確なタイミングで大きな出力電圧を得ることができる。
【００８７】
また、本実施の形態に係るモニタリングシステム５０は、リミット型変位検出装置１０の出力信号に応じて報知装置５１が報知を行うようになっている。
【００８８】
これにより、建築物１の健全性を損なう限界の変位（破壊限界）が柱脚２に発生する以前のタイミングで、報知装置５１がリミット型変位検出装置１０から出力信号を受け取ることができ、この出力に応じて報知装置５１が報知を行うことができるため、構造物等の健全性を容易に判定できる。
【００８９】
また、本実施の形態に係るモニタリングシステム５０において、報知装置５１は、リミット型変位検出装置１０の出力信号の大きさおよび出力回数がマイコン５７のプログラムにより、所定条件を満たしたことに基づいて報知を行うようになっている。具体的には、リミット型変位検出装置１０の出力信号に基づいて、マイコン５７のプログラムにより危険度を自律的に判定して表示盤５３に表示する。
【００９０】
これにより、建築物１が健全性を喪失したタイミングで報知装置５１が報知を行うことができる。
【００９１】
また、本実施の形態に係るモニタリングシステム５０において、報知装置５１は、機械学習法を含む大容量の情報処理能力を備えている。
【００９２】
これにより、報知装置５１は、複数のリミット型変位検出装置１０からの検出信号に基づいて、複数の建築物１に対してそれぞれの健全性を判定できる。
【００９３】
また、本実施の形態に係るモニタリングシステム５０は、リミット型変位検出装置１０の出力信号を、有線又は簡易無線の電気通信網５５を介して報知装置５１に伝送している。これにより、報知装置５１は、建築物１に設けた複数のリミット型変位検出装置１０を情報通信網を介して遠隔的にモニタリングでき、複数のリミット型変位検出装置１０に基づいて建築物１の健全性を判定できる。
【００９４】
（第２の実施の形態）
図１０、図１１において、構造物等７は、鋼鉄製の構造部材８、９を有しており、構造部材８と構造部材９とは９０°の角度で付き合わされて溶接により接合されている。具体的には、構造部材８と構造部材９とは、接合部７Ａにおいて、突き合わせ溶接又は隅肉溶接等により接合されている。
【００９５】
構造物等７には、接合部７Ａに跨がってリミット型変位検出装置７０が設けられている。リミット型変位検出装置７０は、構造部材８と構造部材９との変位をモニタリングするものである。
【００９６】
リミット型変位検出装置７０は、圧電素子７１と、帯状の硬質ガラス板７３と、帯状の金属取付板７４とを有している。圧電素子７１は、帯状のピエゾフィルムからなり、形状変化等の変位が生じた場合に、出力信号である電圧を発生するようになっている。圧電素子７１の端部には出力用ケーブル７５が接続されており、圧電素子７１で発生した電圧は出力用ケーブル７５から出力される。
【００９７】
硬質ガラス板７３は、脆性部材である硬質ガラスからなり、構造物等７の健全性を損なう加力によって破損するようになっている。硬質ガラス板７３は、圧電素子７１を挟み又は圧電素子７１を覆う形式で圧電素子７１を密閉している。硬質ガラス板７３は、圧電素子７１よりも大きく形成されている。硬質ガラス板７３には、紫外線硬化樹脂等の樹脂を接着剤に用いることにより、圧電素子７１が固定されている。硬質ガラス板７３は、本発明における第２の拘束部材を構成する。
【００９８】
金属取付板７４は、圧延鋼からなり、構造物等７の健全性を損なう加力によって塑性変形するようになっている。金属取付板７４の上面には、紫外線硬化樹脂等からなる接着剤により硬質ガラス板７３が固定されている。金属取付板７４には、孔７４Ａが形成されており、圧電素子７１の端部に接続された出力用ケーブル７５は、この孔７４Ａを通して金属取付板７４の背面側に引き出されている。金属取付板７４は、本発明における第１の拘束部材を構成する。
【００９９】
金属取付板７４の構造部材８側の一端部には、約４５°の曲げ加工により取付部７４Ｂが形成されており、この取付部７４Ｂは、構造部材８の表面に沿って延伸している。取付部７４Ｂには孔７４Ｂ１が形成されており、取付部７４Ｂはこの孔７４Ｂ１にボルト７６を挿し通して締結することで構造部材８に固定される。本実施の形態の取付部７４Ｂは、本発明における第１の取付部を構成する。
【０１００】
金属取付板７４の構造部材９側の他端部には、約４５°の曲げ加工により取付部７４Ｃが形成されており、この取付部７４Ｃは、構造部材９の表面に沿って延伸している。取付部７４Ｃには孔７４Ｃ１が形成されており、取付部７４Ｃはこの孔７４Ｃ１にボルト７６を挿し通して締結することで構造部材９に固定される。本実施の形態の取付部７４Ｃは、本発明における第２の取付部を構成する。第１の取付部としての取付部７４Ｂ、および、第２の取付部としての取付部７４Ｃは、金属取付板７４とともに、本発明における第１の拘束部材を構成する。このように、リミット型変位検出装置７０において、金属取付板７４の一端部の取付部７４Ｂは構造物等７の構造部材８の表面に取付けられており、金属取付板７４の他端部の取付部７４Ｃは構造物等７の構造部材９の表面に取付けられている。このため、構造物等７の完成後であっても、リミット型変位検出装置７０を構造物等７に設置することができる。
【０１０１】
なお、取付部７４Ｂ、７４Ｃは、必ずしもボルト７６の締結により構造部材８、９に取付ける必要はなく、接合強度が十分に大きいものであれば、スポット溶接等の他の手法により構造部材８、９に取付けてもよい。
【０１０２】
本実施の形態では、硬質ガラスからなる硬質ガラス板７３と金属からなる金属取付板７４は、地震等により構造物等７の健全性に大きな影響を与える変位が取付部７４Ｂと取付部７４Ｃとの間に発生した際に、硬質ガラス板７３と金属取付板７４の延性、降伏強度、靭性、脆性等により、金属取付板７４は破断しないで表面の硬質ガラス板７３のみが破損するように構成されている。
【０１０３】
例えば、地震等により大きな変位が発生した際は、図１２に示すように、構造部材８が矢印で示す方向にねじれつつ大きく傾き、構造部材８と構造部材９との接合部７Ａに隙間が発生する。これにより、金属取付板７４にもねじれと延びが発生する。そして、金属取付板７４が塑性変形し、塑性変形した金属管３３とともに変形することで、硬質ガラス板７３が破損する。このときの硬質ガラス板７３の破損は、部分的な小さな亀裂から全体的な大きな亀裂に至るように段階的に進行する。これにより、硬質ガラス板７３と金属取付板７４がほぼ同じタイミングで変形して、硬質ガラス板７３のみが破損し、金属取付板７４の拘束から圧電素子７１が徐々に解放され、圧電素子７１が硬質ガラス板７３の損傷に比例した出力電圧を発生する。このため、圧電素子７１が出力する電圧は、増幅装置により増幅することなく報知装置５１で検出可能な指針値となる。また、図１２のように硬質ガラス板７３が破損した後であっても、圧電素子７１が破断しておらず、金属取付板７４と硬質ガラス板７３に挟まれた状態で支持されている。このため、硬質ガラス板７３が破損した後であっても、圧電素子７１が出力電圧を発生可能な状態であり、圧電素子７１からの出力電圧を監視することで構造物等７の状態を推定できる。
【０１０４】
このように、リミット型変位検出装置７０は、第１の実施の形態のリミット型変位検出装置１０と同様に、簡易的な静的な変動を検出する静的荷重センサであり、中小地震時に小さな撓みや捩れ等の変形が生じた場合には電圧を出力せず、大地震等による大きな変位が発生したときに初めて、指針値となる電圧を出力するようになっている。
【０１０５】
このリミット型変位検出装置７０は、第１の実施の形態のリミット型変位検出装置１０に代えて報知装置５１に接続したり、リミット型変位検出装置１０とともに報知装置５１に接続することで、図８、図９のモニタリングシステム５０と同様のモニタリングシステムを構成することができる。
【０１０６】
このように構成されたリミット型変位検出装置７０およびこのリミット型変位検出装置７０を用いたモニタリングシステムは、第１の実施の形態のリミット型変位検出装置１０およびモニタリングシステム５０と同様に、検出信号から構造物等の健全性を容易に判定でき、構造物等が破壊限界に至る前後に渡って検出信号を発生できる。
【０１０７】
上述のとおり、本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次ぎの請求項に含まれることが意図されている。
【０１０８】
上記実施の形態では、リミット型変位検出装置１０、７０およびモニタリングシステム５０により鉄鋼製の建築物１又は構造物等７の接合部の変位をモニタリングする場合について説明したが、本発明は、木造、鉄筋コンクリート構造（ＲＣ）等の接合部に対して変位をモニタリングする場合にも適用することができる。また、本発明は、船舶や車両等の接合部に対して変位をモニタリングする場合にも適用することができる。更に、本発明は、応用計測として斜面の土砂崩れ等の検出にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、構造物等の健全性を長期に渡って安価で簡便にモニタリングでき、構造物等の健全性を容易に判定できるという効果を有し、構造物等の健全性をモニタリングするリミット型変位検出装置およびこのリミット型変位検出装置を用いた構造物等の健全性モニタリングシステムとして有用である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  建築物（構造物等）
１Ａ  接合部
７  構造物等
７Ａ  接合部
１０  リミット型変位検出装置
２１  専用取付金具（第１の取付部材、第１の拘束部材）
２２  専用取付金具（第１の取付部材、第１の拘束部材）
２３  専用取付金具（第２の取付部材、第１の拘束部材）
３１  圧電素子
３２  硬質ガラス管（第２の拘束部材）
３３  金属管（第１の拘束部材）
３９  テーパ金具
４０  ねじ機構
５０  モニタリングシステム（構造物等の健全性モニタリングシステム）
５１  報知装置
５５  電気通信網
７０  リミット型変位検出装置
７１  圧電素子
７３  硬質ガラス板（第２の拘束部材）
７４  金属取付板（第１の拘束部材）
７４Ｂ  取付部（第１の取付部材、第１の拘束部材）
７４Ｃ  取付部（第２の取付部材、第１の拘束部材）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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