(57)【要約】【課題】光ファイバセンサを用いて、コンクリート構造物内部の応力および損傷状況をモニタリングする。【解決手段】コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、１つ以上の光ファイバセンサ１１と、前記各光ファイバセンサを保持する棒鋼１５と、前記各光ファイバセンサ１１および前記棒鋼１５を被覆する被覆部１７と、を備え、前記被覆部１７を構成する材料は、前記コンクリート構造物に用いられるコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、
１つ以上の光ファイバセンサと、
前記各光ファイバセンサを保持する棒鋼と、
前記各光ファイバセンサおよび前記棒鋼を被覆する被覆部と、を備え、
前記被覆部を構成する材料は、前記コンクリート構造物に用いられるコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂であることを特徴とする応力モニタリングセンサ。
【請求項２】
前記セメント系材料は、セメント系低収縮材またはセメント系無収縮材であることを特徴とする請求項１記載の応力モニタリングセンサ。
【請求項３】
前記セメント系材料は、ポリマーセメントであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の応力モニタリングセンサ。
【請求項４】
コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリング方法であって、
棒鋼に光ファイバセンサを固定させる工程と、
前記光ファイバセンサが固定された棒鋼を、前記コンクリート構造物に用いられるコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂で被覆する工程と、
前記光ファイバセンサが固定された棒鋼を、前記コンクリート構造物内に埋設する工程と、
前記光ファイバセンサのひずみを計測する工程と、
前記計測したひずみの経時的変化の特性に基づいて、前記コンクリート構造物内に生じた応力を推定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする応力モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物内部の応力モニタリングセンサおよび応力モニタリング方法、および損傷状況をモニタリングする方法に関する。
【０００２】
ＲＣ（Reinforced-Concrete）造やＳＲＣ（Steel Reinforce Concrete）造などのコンクリート構造物において、ひび割れが発生した場合、コンクリート構造物の構造性能を大きく低下させると共に、かぶりコンクリートの剥落につながる。その結果、第三者被害を発生させる場合がある。従って、ひび割れの発生を含むコンクリートの損傷を検知することは、コンクリート構造物の維持管理に極めて重要である。コンクリートのひび割れの原因には、鉄筋腐食、乾燥収縮、温度応力や外力によるものが存在する。さらに外力にもさまざまなものがあるが、コンクリート構造物に対し、地震や地盤沈下などの外力が加わった場合、コンクリート構造物の各部位にひずみが生じる。このような状況下において、コンクリート構造物の各部位に生じたひずみをモニタリングすることは非常に重要である。
【０００３】
コンクリートは、一般的に弾性域を有しており、収縮または膨張する。しかし、コンクリート構造物に対し、地震や地盤沈下などの弾性限界を超える大きな外力が加わった場合、コンクリート構造物の各部位に生じたひずみは、元に戻らず、大きな残存ひずみが生じる。このように、コンクリート構造物に大きな残存ひずみが生じた場合、コンクリート構造物には損傷が生じていることになる。
【０００４】
コンクリート構造物において、損傷が生じた場合には、表面にひび割れが生じる場合が多いが、例えば、建築物などのように仕上げ材がある場合などは、コンクリート構造物内部にひずみが生じた場合に損傷を見つけることは困難である。また、コンクリート構造物には目視で確認できない部位も多い。
【０００５】
従来から、コンクリート構造物内部のひずみを計測する方法として、埋め込み型ひずみ計や内部鉄筋にひずみゲージを貼付する方法がある。特許文献１では、鉄筋に光ファイバセンサを設置し、鉄筋の軸方向のひずみの分布を計測する技術が開示されている。また、特許文献２では、計測対象となる構造物に、らせん状に整形した光ファイバセンサを取り付け、この光ファイバセンサの光伝搬特性の変化を電気光学的測定装置により測定する技術を開示しており、このような構成を採ることによって、構造物に大きな変位を生じても破断せずに変位を測定することを可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２２２８１０号公報
【特許文献２】特開２０００−０９７６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、埋め込み型ひずみ計や内部鉄筋にひずみゲージを貼付する方法は、ケーブルを介して各ゲージを計測器に接続する必要がある。コンクリート構造物において、このような方法を用いた場合、複数の箇所でのモニタリングが必須であるため、配線の数が多くなる。また、電気センサの場合、ケーブル長が長くなると抵抗器が大きくなるため、離れた場所での計測が困難となり、さらにセンサ数が多い場合には、計測間隔を短くすることができず、地震時の振動モニタリングができない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバセンサを用いて、コンクリート構造物内部の応力モニタリングセンサおよび応力モニタリング方法、および損傷状況をモニタリングする方法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】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、以下の手段を講じた。すなわち、本発明の応力モニタリングセンサは、コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリングセンサであって、１つ以上の光ファイバセンサと、前記各光ファイバセンサを保持する棒鋼と、前記各光ファイバセンサおよび前記棒鋼を被覆する被覆部と、を備え、前記被覆部を構成する材料は、前記コンクリート構造物に用いられるコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂であることを特徴とする。
【００１０】
このように、１つ以上の光ファイバセンサと、各光ファイバセンサを保持する棒鋼と、各光ファイバセンサと棒鋼を被覆する被覆部と、を備えるので、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことが可能となる。また、被覆部を構成する材料は、計測対象とするコンクリート構造物と同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂であるため、コンクリート構造物に大きな外力が加わった場合であっても、コンクリート構造物が受けた外力によって応力モニタリングセンサが破損することを防ぐことができ、その結果、コンクリート構造物内の応力やひずみを計測し続けることが可能となる。加えて、応力モニタリングセンサ内への水分や塩分などの劣化因子の侵入を防ぐことができる。さらに、コンクリートの強度や耐久性における弱点となることもない。
【００１１】
（２）また、本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記セメント系材料は、セメント系低収縮材またはセメント系無収縮材であることを特徴とする。
【００１２】
このように、セメント系材料は、セメント系低収縮材またはセメント系無収縮材であるので、ひび割れが生じることなく応力モニタリングセンサ内への水分や塩分などの劣化因子の侵入を防ぐことができる。また、棒鋼の周囲がアルカリ性であるため、その結果、棒鋼の腐食によるひずみの発生を防ぐことができる。
【００１３】
（３）また、本発明の応力モニタリングセンサにおいて、前記セメント系材料は、ポリマーセメントであることを特徴とする。
【００１４】
このように、セメント系材料は、ポリマーセメントとするので、低収縮でひび割れが生じることがない上に、さらに透水性や透気性が小さいので、劣化因子の侵入を防ぐことができる。
【００１５】
（４）本発明の応力モニタリング方法は、コンクリート構造物内部の応力をモニタリングする応力モニタリング方法であって、棒鋼に光ファイバセンサを固定させる工程と、前記光ファイバセンサが固定された棒鋼を、前記コンクリート構造物に用いられるコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂で被覆する工程と、前記光ファイバセンサが固定された棒鋼を、前記コンクリート構造物内に埋設する工程と、前記光ファイバセンサのひずみを計測する工程と、前記計測したひずみの経時的変化の特性に基づいて、前記コンクリート構造物内に生じた応力を推定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【００１６】
このように、棒鋼に光ファイバセンサを固定させ、光ファイバセンサが固定された棒鋼を、コンクリート構造物に用いたコンクリートと同程度以上の強度を有するセメント系材料で被覆し、光ファイバセンサが固定された棒鋼を、コンクリート構造物内に埋設し、光ファイバセンサのひずみを計測し、計測したひずみの経時的変化の特性に基づいて、コンクリート構造物内に生じた応力を推定するので、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことが可能となる。また、コンクリート構造物に用いられているコンクリートと同程度以上のセメント系材料または樹脂で被覆するため、コンクリート構造物が受けた外力によって応力モニタリングセンサが破損することを防ぐことができ、その結果、コンクリート構造物内のひずみを計測し続けることが可能となる。さらに、応力モニタリングセンサ内への水分や塩分などの劣化因子の侵入を防ぐことができ、腐食によるひずみの発生を防ぐことが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
このように、本発明によれば、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことができる。また、コンクリート構造物に大きな外力が加わった場合に、コンクリート構造物が受けた外力によって応力モニタリングセンサが破損することを防ぐことができる。その結果、コンクリート構造物内のひずみを計測し続けることができ、コンクリート構造物内部のひび割れなどの損傷状況を把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る応力モニタリングセンサの概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る応力モニタリングセンサをコンクリート構造物内に設置した様子を模式的に示す図である。
【図３】本実施形態に係る応力モニタリングセンサの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】本実施例で用いた応力モニタリングセンサの概要を示す図である。
【図５】本実施例で用いた応力モニタリングセンサの概要を示す図である。
【図６】耐圧試験機でセンサの載荷試験を実施した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本実施形態に係る応力モニタリングセンサの概略構成を示す図である。応力モニタリングセンサ１は、鉄製の棒材としての棒鋼１５と、棒鋼１５の表面に巻回され、ひずみを検出する検知部を有する光ファイバセンサ１１と、を備えている。このように、応力モニタリングセンサ１は、光ファイバセンサを用いるので、長距離伝送が可能な光信号を用いることが可能となる。また、１本の細いケーブルに複数のセンサを設置することができるため、多点計測を行なうことが可能となる。大規模なコンクリート構造物においても配線がシンプルで、かつ光信号を用いていることから、長距離の場合も損失がほとんどなく、短い間隔でモニタリングが可能となる。さらに、応力モニタリングセンサ１は、棒鋼１５と光ファイバセンサ１１を被覆する被覆部１７を備えている。被覆部１７は、セメント系材料で構成されている。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る応力モニタリングセンサをコンクリート構造物内に設置した様子を模式的に示す図である。図２に示すように、コンクリート構造物２１は、横方向や縦方向に鉄筋２３を備えている。コンクリート構造物２１中に、各応力モニタリングセンサ１が設けられている。各応力モニタリングセンサ１を設置する位置は、柱、梁など構造物の主要構造部が好ましい。
【００２１】
コンクリート構造物２１に地震や地盤沈下などの大きな外力が加わると、コンクリート構造物２１の各部位にひずみが生じる。大きな残存ひずみが生じた場合、コンクリート構造物２１に損傷が生じる。コンクリート構造物２１の内部や目視で確認できない箇所に損傷が生じた場合、弾性域とは異なるひずみ挙動が生じることから、図２に示すように、応力モニタリングセンサをコンクリート構造物２１の内部や目視で確認できない箇所に埋設し、ひずみを計測することにより、コンクリート構造物２１の内部や目視で確認できない箇所の損傷の進展状況を把握することが可能となる。
【００２２】
光ファイバセンサ１１を棒鋼１５に巻き付ける際には、光ファイバセンサ１１が棒鋼１５に密着するように、好ましくは光ファイバセンサ１１に引張力が加わるように巻き付ける。また、棒鋼１５に光ファイバセンサ１１を巻き付ける際には、光ファイバセンサ１１を直線上に貼付したり、波状に曲折して貼付したりしても良いが、好ましくは周回するように、またはらせん状に巻き付ける。光ファイバセンサ１１の棒鋼１５への周回数は、１巻きとし、両端部を固定する。本実施形態に係る応力モニタリングセンサは、棒鋼１５に光ファイバセンサ１１を多く接触させる必要がないため、少なくとも１巻きしていれば良い。
【００２３】
棒鋼１５は、コンクリート構造物２１が腐食環境にある場合はステンレス棒鋼とし、コンクリート構造物２１が腐食環境にない場合はみがき棒鋼としても良い。棒鋼１５の材料を鉄とすることで、棒鋼１５がコンクリートとほぼ同等の線膨張係数を有しているため、温度変化によるひずみ差が生じにくい。棒鋼１５の形状は、円柱状であり、直径は１０〜４０ｍｍ程度、高さは２０〜６０ｍｍ程度が好ましく、コンクリート構造物２１の一部の応力のモニタリングができるサイズであれば良い。また、光ファイバセンサ１１の検知部は、ＦＢＧセンサ等を用いることができる。
【００２４】
被覆部１７を構成するセメント系材料または樹脂は、実際に設置するコンクリート構造物２１に用いるコンクリート以上の強度を有する材料であれば良く、同程度の強度を有する材料であるとより好ましい。少なくとも「建築工事標準仕様書・同解説  ＪＡＳＳ５  鉄筋コンクリート工事  ２０１５」において、計画供用期間が標準である場合の耐久性設計基準強度とされる２４Ｎ／ｍｍ２以上の強度を有する材料であることが好ましい。また、被覆部１７は、アルカリ性により棒鋼１５の腐食が防止されるため、セメント系材料を用いることが好ましい。さらに、被覆部１７にセメント系材料を用いる場合、被覆部１７がひび割れて水分や塩分などの劣化因子が侵入し、棒鋼１５が腐食膨張することがないよう、被覆部１７は、収縮の小さい無収縮モルタルとすることがより好ましい。さらに、被覆部１７に、透気性や透水性が低いポリマーセメントモルタルを用いると劣化因子が侵入しにくくなる。被覆部１７の厚さは、５〜２０ｍｍ程度の厚さが好ましい。このように構成することで、コンクリート構造物２１が大きな外力を受けた際に、コンクリート構造物２１が受けた外力によって、応力モニタリングセンサ１が破損することを防ぐことが可能となる。さらに、コンクリートの強度や耐久性における弱点となることもない。
【００２５】
コンクリート構造物２１の内部は、比較的温度変化が少ないが、温度変化によるひずみの影響が測定結果に含まれているため、これを除去する必要がある。そのため、応力モニタリングセンサ１をコンクリート構造物内２１に埋設して、光ファイバセンサのセンサ部分を拘束しないように中空の管または容器に入れておき、センサ付近の内部温度の計測を行なう。センサ付近の内部温度を計測することによって、温度変化により生じたひずみを除去することが可能となる。
【００２６】
計測器２５は、光ファイバセンサ１１に接続されており、光ファイバセンサ１１によるひずみを計測する。計測器２５は、光ファイバセンサ１１によるひずみを計測できれば良く、地震時の振動モニタリングを行なう場合には、測定周波数が１ｋＨｚ以上のものが好ましい。
【００２７】
光ファイバセンサ１１によるひずみと棒鋼のヤング係数から応力を算出することができる。また、事前にセンサの載荷試験を実施し、応力と光ファイバセンサのひずみの関係を求めておくことにより、その部位の応力を把握することもできる。また、損傷の有無を確認する場合には、ひずみをモニタリングし、残存ひずみで損傷が生じているかを把握できる。
【００２８】
図３は、本実施形態に係る応力モニタリングセンサの製造方法を示すフローチャートである。まず、鉄製の棒材としての棒鋼１５の表面に、ひずみを検出する検知部を有する光ファイバセンサを巻回する（ステップＳ１）。本実施形態では、巻回数は、１巻きであるが、それ以上でも良い。
【００２９】
次に、光ファイバセンサを巻回した棒鋼に、構造物と同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂を被覆し、被覆部を形成する（ステップＳ２）。このような構成を採ることにより、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことが可能となる。また、被覆部を構成する材料は、計測対象とするコンクリート構造物と同程度以上の強度を有するセメント系材料または樹脂であるため、コンクリート構造物に大きな外力が加わった場合であっても、コンクリート構造物が受けた外力によって応力モニタリングセンサが破損することを防ぐことができ、その結果、コンクリート構造物内の応力やひずみを計測し続けることが可能となる。加えて、応力モニタリングセンサ内への水分や塩分などの劣化因子の侵入を防ぐことができる。さらに、コンクリートの強度や耐久性における弱点となることもない。
【００３０】
［実施例］
次に、本実施形態に係る応力モニタリングセンサの実施例について説明する。図４は、本実施例で用いた応力モニタリングセンサ（被覆モルタル打設前）の概要を示す図である。図５は、本実施例で用いた応力モニタリングセンサ（被覆モルタル打設後）の概要を示す図である。図５では、棒鋼を点線で示している。
【００３１】
図４に示すように、応力モニタリングセンサは、みがき棒鋼１１５に光ファイバセンサ１１１を、引張力を与えながら、らせん状に１巻きし、２ヶ所の固定部１３１で接着固定した。みがき棒鋼１１５は、ＪＩＳ  Ｇ  ３１０８、φ２０×ｈ５０ｍｍのものを使用した。
【００３２】
次に、被覆部１１７について説明する。被覆部１１７に用いたモルタル（以下、被覆モルタルとも称する）の使用材料は、表１に示す通りである。
【００３３】
【表１】
2019109164.tif 000003
【００３４】
また、被覆モルタルの配合は、表２に示す通りである。
【００３５】
【表２】
2019109164.tif 000004
【００３６】
表１に示す材料を表２に示す配合で練り混ぜ、光ファイバセンサ１１１を設置した棒鋼１１５周囲に被覆部１１７を形成する被覆モルタルを打設した。その後、１４日間封緘養生し、耐圧試験機でセンサの載荷を実施した。別途、供試体により測定した被覆モルタルの１４日圧縮強度は、５４．３Ｎ／ｍｍ２であった。
【００３７】
図６は、耐圧試験機でセンサの載荷試験を実施した結果を示すグラフである。上記作製した応力モニタリングセンサに対し、載荷試験を実施した。図６に示すように、光ファイバセンサで計測したひずみと載荷応力は線形であり、ひずみから応力を推定することが可能である。コンクリートが大きな外力を受けた際に、コンクリートの弾性範囲であれば、コンクリートは元に戻り、センサも元に戻るのでひずみは０に戻る。一方、コンクリートの弾性限界を超えた場合は、ひずみが０に戻らないため、コンクリートに損傷が発生していると推定することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、長距離伝送が可能な光信号を用いることができ、多点計測を行なうことができる。また、コンクリート構造物に大きな外力が加わった場合に、コンクリート構造物が受けた外力によって応力モニタリングセンサが破損することを防ぐことができる。その結果、コンクリート構造物内のひずみを計測し続けることができ、コンクリート構造物の内部のひび割れなどの損傷状況を把握することが可能となる。このような応力モニタリングセンサおよび応力モニタリング方法は、構造物の維持管理に有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１  応力モニタリングセンサ
１１  光ファイバセンサ
１５  棒鋼
１７  被覆部
２１  コンクリート構造物
２３  鉄筋
２５  計測器
１１１  光ファイバセンサ
１１５  棒鋼
１１７  被覆部
１３１  固定部
【図１】
2019109164.tif 000005
【図２】
2019109164.tif 000006
【図３】
2019109164.tif 000007
【図４】
2019109164.tif 000008
【図５】
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【図６】
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