(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に複数本の主筋が配置されるコンクリート系構造物において、
上記主筋の周囲を覆い、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材と、
上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、
上記テープ部材に沿って、この表面に巻回される光ファイバと、
を具備することを特徴とするコンクリート系構造物。
【請求項２】
内部に複数本の主筋が配置されるコンクリート系構造物の製造方法において、
上記主筋に対し、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材を取り付けるスペーサ部材取付工程と、
上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に螺旋状にテープ部材を掛け渡すテープ巻回工程と、
上記テープ巻回工程により巻回されたテープ部材に沿って、この表面に光ファイバを巻回する光ファイバ巻回工程と、
上記光ファイバ巻回工程により光ファイバを巻回した後に、これらの周囲にコンクリートを流し込んでこれを凝固させる凝固工程と、
を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の製造方法。
【請求項３】
光ファイバセンサを用いて内部に複数本の主筋が配置されるコンクリート系構造物の損傷を検出するコンクリート系構造物の損傷検出装置において、
上記主筋の周囲を覆い、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材と、
上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、
上記テープ部材に沿って、この表面に巻回される光ファイバと、
上記光ファイバ内部に光を発する発振手段と、
上記光ファイバ内部から戻ってくる後方散乱光を受信する受信手段と、
上記受信手段での受信結果に基づいて、コンクリート系構造物に生じている損傷を解析する解析手段と、
を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の損傷検出装置。
【請求項４】
コンクリート系構造物の損傷を検出するコンクリート系構造物の損傷検出方法において、
上記コンクリート系構造物内部に光ファイバを螺旋状に設け、上記光ファイバ内部に光を発する光発振工程と、
上記光発振工程により光ファイバ内部に発せられた光のうち、後方散乱光を検出する後方散乱光検出工程と、
上記後方散乱光検出工程により検出された光を解析して、コンクリート系構造物に生じた損傷を検出する損傷検出工程と、
を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の損傷検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート系構造物に生じた損傷を検出可能なコンクリート系構造物及びその製造方法、コンクリート系構造物の損傷検出装置及びその損傷検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信用に用いられる光ファイバをセンサとして用い、歪みを計測する技術がある。この光ファイバをコンクリート系構造物の表面または内部に、その材長方向に配置して材長方向の歪みを計測することは容易に考えられる。その状態を図１２及び図１３に示す。
【０００３】
この構成では、コンクリート系構造物１の材長方向に光ファイバ２が直線状に設置されている。なお、図１２は、コンクリート系構造物１の外周面に光ファイバ２を設置したものであり、図１３は、コンクリート系構造物１の内部に光ファイバ２を設置したものである。
【０００４】
そして、光ファイバ２に不図示の測定装置を接続している。測定装置は、例えばＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer ）であり、光ファイバ２に光パルスを発振可能としている。
【０００５】
光ファイバ２内部に導入された光パルスは、その一部が後方散乱光（ブリルアン散乱光）となって、測定装置側に戻ってくる。この光ファイバ２中の後方散乱光は、光周波数がその長さ方向の歪みの大きさに比例して変化する。この性質に着目し、歪みを計測すると共に光パルスが光ファイバ２内に入射されてからその散乱光が観測されるまでの時間を測ることによって、歪みの発生位置が求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように光ファイバ２をコンクリート系構造物１の材長方向に直線状に設置した場合には、以下の問題がある。
【０００７】
すなわち、現在の測定装置の距離分解能は１ｍであり、コンクリート系構造物１の材長１ｍ間の平均的な歪みを表現するのは可能であるが、コンクリート系構造物１に生じているひび割れ等の局所的な損傷の程度や発生位置を精度良く検出するには、分解能が不十分である。
【０００８】
また、コンクリート系構造物１の材長方向に光ファイバ２を直線状に設置した場合、検出されたひび割れが、曲げひび割れか、せん断ひび割れかの区別がつかない。
【０００９】
さらに、コンクリート系構造物１の内部に光ファイバ２を直に埋設しようとすると、光ファイバ２は引張り力や衝撃力に弱いため、コンクリート打設時に切断してしまうといった不具合も生じる。
【００１０】
本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、その目的とするところは、特にせん断ひび割れの検出精度を向上できると共に、施工時の光ファイバセンサの切断を防止できる光ファイバセンサによるコンクリート系構造物の損傷検出方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、内部に複数本の主筋が配置されるコンクリート系構造物において、上記主筋の周囲を覆い、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材と、上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、上記テープ部材に沿って、この表面に巻回される光ファイバと、を具備することを特徴とするコンクリート系構造物である。
【００１２】
請求項２記載の発明は、内部に複数本の主筋が配置されるコンクリート系構造物の製造方法において、上記主筋に対し、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材を取り付けるスペーサ部材取付工程と、上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に螺旋状にテープ部材を掛け渡すテープ巻回工程と、上記テープ巻回工程により巻回されたテープ部材に沿って、この表面に光ファイバを巻回する光ファイバ巻回工程と、上記光ファイバ巻回工程により光ファイバを巻回した後に、これらの周囲にコンクリートを流し込んでこれを凝固させる凝固工程と、を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の製造方法である。
【００１３】
請求項３記載の発明は、光ファイバセンサを用いて内部に複数本の主筋が配置されたコンクリート系構造物の損傷を検出するコンクリート系構造物の損傷検出装置において、上記主筋の周囲を覆い、外周面が所定の曲率を有するように形成されたスペーサ部材と、上記スペーサ部材が取り付けられた全ての主筋の周囲に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、上記テープ部材に沿って、この表面に巻回される光ファイバと、上記光ファイバ内部に光を発する発振手段と、上記光ファイバ内部から戻ってくる後方散乱光を受信する受信手段と、上記受信手段での受信結果に基づいて、コンクリート系構造物に生じている損傷を解析する解析手段と、を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の損傷検出装置である。
【００１４】
請求項４記載の発明は、コンクリート系構造物の損傷を検出するコンクリート系構造物の損傷検出方法において、上記コンクリート系構造物内部に光ファイバを螺旋状に設け、上記光ファイバ内部に光を発する光発振工程と、上記光発振工程により光ファイバ内部に発せられた光のうち、後方散乱光を検出する後方散乱光検出工程と、上記後方散乱光検出工程により検出された光を解析して、コンクリート系構造物に生じた損傷を検出する損傷検出工程と、を具備することを特徴とするコンクリート系構造物の損傷検出方法である。
【００１５】
上記手段を講じた結果、次のような作用が生じる。請求項１の発明によると、コンクリート系構造物の内部には、スペーサ部材に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、このテープ部材に沿って巻回される光ファイバが設けられているので、コンクリート部材のせん断ひび割れを検出することが可能となる。また、光ファイバをコンクリート内に螺旋状に巻きつけて設置する際に、螺旋状に巻きつける間隔を密にすることにより、部材単位長さ当たりの光ファイバ長を長くし、検出精度を向上させることが可能となっている。
【００１６】
さらに、主筋にスペーサ部材を取り付けて、このスペーサ部材にテープ部材及び光ファイバを巻回させるので、光ファイバで光透過損失を生じさせることなく光を伝達することが可能となる。
【００１７】
請求項２の発明によると、全てのスペーサ部材の周囲に螺旋状にテープ部材を巻回し、このテープ部材の表面に沿って光ファイバを巻回することにより、コンクリート打設時に光ファイバが切断されるのを防止することが可能となり、内部に光ファイバが存するコンクリート系構造物を良好に製造することが可能となる。
【００１８】
請求項４の発明によると、発振手段により螺旋状に巻回された光ファイバ内部に光を発すると共に、この光ファイバ内部から戻ってくる後方散乱光を受信手段で受信し、その後に解析手段により光ファイバに沿った歪み分布を解析するので、コンクリート系構造物に生じているせん断ひび割れの程度と発生位置を精度良く検出することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図１ないし図１０に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、コンクリート系構造物２０内部に光ファイバ２１を配置してコンクリート系構造物２０に生じるせん断ひび割れ（等の損傷）を検出可能な構成としたものである。以下の説明では、構成と共に製造方法も併せて説明する。
【００２１】
この構成において、コンクリート系構造物２０の内部には、引張強度を確保するための、丸棒鋼や異形棒鋼などからなる主筋２２が配置されている。主筋２２は、コンクリート系構造物２０の材軸方向に配置されている。なお、この主筋２２は、矩形断面の場合には、コンクリート系構造物２０の内部に少なくとも４本配置されている。その配置は、図１に示すように、コンクリート系構造物２０の内部の長方形の頂点に主筋２２が位置するように設けられている。
【００２２】
上記主筋２２には、スペーサとしてのスペーサ部材２３が取り付けられる（スペーサ部材取付工程）。このスペーサ部材２３は、主筋２２に取り付けられており、この外周面が所定の曲率を有するように作られている。なお、このスペーサ部材２３の外周面の曲率は、後述する光ファイバ２１を巻き付けたときに、光の透過損失が生じない最小曲率以上としている。
【００２３】
主筋２２に取り付けられたスペーサ部材２３に掛け渡されるようにテープ部材２４が巻回される（テープ巻回工程）。テープ部材２４は、その材質を例えばステンレス鋼としており、巻回方向へは所定の引張り強度を有するものであるが、厚さが極めて薄く容易に巻回を行えるものである。
【００２４】
テープ部材２４を主筋２２に巻回する場合、図２に示すように、螺旋状に掛け渡す。それによって、主筋２２に沿ってテープ部材２４を巻回する構成となる。
【００２５】
そして、テープ部材２４が巻回された後に、図３に示すように、その上に光ファイバ２１を巻き付ける（光ファイバ巻回工程）。なお、テープ部材２４の上に光ファイバ２１を巻き付ける場合、テープ部材２４に光ファイバ２１を接着固定するようにしても構わない。
【００２６】
このように光ファイバ２１を螺旋状に巻回することにより、特にコンクリート系構造物２０のせん断ひび割れを精度良く検出することができる。
【００２７】
以上のようにしてテープ部材２４に光ファイバ２１を設置した後に、生コンクリートを流し込んでこれを固め、コンクリート系構造物２０を形成する（凝固工程）。それによって、内部に光ファイバ２１が設置されたコンクリート系構造物２０を形成することが可能となる。
【００２８】
そして、このコンクリート系構造物２０の光ファイバ２１の内部に光を入射し、損傷を検出する。以下の説明では、コンクリート系構造物２０と計測装置３１とを組み合わせたコンクリート系構造物の損傷検出装置３０と、損傷検出方法について述べる。
【００２９】
図４に示すように、コンクリート系構造物２０の光ファイバ２１には、測定装置３１が接続されている。測定装置３１は、例えばＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer ）であり、この内部に光を発振する発振手段としての光源３２が設けられている。この光源３２からは、信号光が発せられ（光発振工程）、それが光周波数変換器３３に入射される。光周波数変換器３３では、光の周波数が適宜の周波数となるように変換され、ここから更に出射されて光パルス変調器３４に入射される。光パルス変調器３４は、周波数が変換された光を入射して、これを光パルスへと変調するものである。
【００３０】
この変調を終えた後に、光ファイバ２１の内部へと光パルスが入射される。光ファイバ２１の内部に光パルスが入射されると、その一部が後方散乱光（ブリルアン散乱光）となって、測定装置３１側に戻ってくる（後方散乱光検出工程）。光ファイバ２１中のブリルアン散乱光は、光周波数がその長さ方向の歪みの大きさに比例して変化する。この性質を利用して歪みを計測すると共に、光パルスが光ファイバ２１内に入射されてから、その散乱光が観測される迄の時間を測定することによって、歪みの計測位置が求められる。
【００３１】
ここで、ブリルアン散乱光は微弱であるので、高感度測定可能な受信手段としてのコヒーレント光受信器３５が測定装置３１内部に設けられている。このコヒーレント光受信器３５により得られたブリルアン散乱光の波形データを、図５に示す。この図に示すように、光ファイバ２１に歪みεが生じている部分（距離Ｚ1 〜Ｚ2 ）では、ブリルアン散乱光の光周波数が、それ以外の部分の光周波数からシフトしている。
【００３２】
そして、この各位置における光周波数のシフト量を、測定装置３１に接続された解析手段としてのコンピュータ３６で解析し、光ファイバ２１の長さ方向の歪みの大きさを求める。これによって、光ファイバ２１を巻回し、コンクリート系構造物２０に生じたせん断ひび割れを検出する（損傷検出工程）。
【００３３】
ここで、計測装置３１は、歪み測定の距離分解能が光ファイバ２１に沿う方向では１ｍ程度しかない。しかしながら、上述のように光ファイバ２１を螺旋状に巻回した場合には、巻回する間隔を密にすることにより、コンクリート系構造物２０の材長１ｍ当たりの光ファイバ２１長が大幅に大きくなるので、せん断ひび割れの発生位置の検出精度が向上する。
【００３４】
以上のような構成のコンクリート系構造物２０及びその製造方法、コンクリート系構造物の損傷検出装置３０及び損傷検出方法によると、光ファイバ２１を螺旋状に巻回することにより、材長方向に直線状に光ファイバ２１を設置した構成と比較して、剪断ひび割れ等も検出可能となる。また、光ファイバ２１をコンクリート系構造物２０内部において螺旋状に巻回するので、このコンクリート系構造物２０の材長方向に沿って、部材１ｍ当たりの光ファイバ２１の長さを大きくすることが可能となり、コンクリート系構造物２０の材長方向に沿って直線状に光ファイバ２１を設置した場合と比較して、剪断ひび割れの検出精度が向上する。
【００３５】
ここで、コンクリートの夫々の部分に光ファイバ２１を設置して行った損傷検出実験結果について、主な荷重段階における鉄筋コンクリート造梁のひび割れ状況と光ファイバ２１により計測された歪み分布を合わせて、図６乃至図９に示す。
【００３６】
図６の結果によると、光ファイバ２１をコンクリート表面の上下面に設置した場合には、曲げひび割れの発生、及び曲げひび割れの進行が検出できるが、剪断ひび割れの発生、剪断ひび割れの進行及びひび割れの発生位置については検出が困難であることが分かる。
【００３７】
また、図７の結果によると、光ファイバ２１をコンクリート表面の側面に設置した場合には、曲げひび割れやせん断ひび割れの発生及び進行は検出できるが、そのひび割れが曲げひび割れかせん断ひび割れかは区別が困難である。また、ひび割れ発生位置の検出も困難である。
【００３８】
また、図８の結果によると、光ファイバ２１をコンクリート内部の材長方向に設けた場合は、曲げひび割れやせん断ひび割れの発生及び進行は検出できるが、そのひび割れが曲げひび割れかせん断ひび割れかは区別が困難である。また、ひび割れ発生位置も検出が困難である。
【００３９】
これと比較して、図９に示すように、光ファイバ２１をコンクリート内部に螺旋状に設置した場合には、コンクリートに生じる曲げひび割れの発生や、曲げひび割れの進行は検出が困難であるものの、剪断ひび割れの発生及び進行、ひび割れ発生位置が、いずれも良好に検出されている。
【００４０】
なお、これらの結果をまとめると、表１に示すようになる。
【００４１】
【表１】
0004008623.tif 000002
【００４２】
以上の実験結果より、本発明のように光ファイバ２１をコンクリート内部に螺旋状に巻回することによってのみ、剪断ひび割れの発生及び進行を良好に検出でき、さらにひび割れ発生位置で良好に検出できることが分かる。
【００４３】
また、主筋２２に螺旋状に光ファイバ２１を巻回するために、主筋２２にスペーサ部材２３を取り付け、このスペーサ部材２３の外周面の曲率を光ファイバ２１の光の透過損失を生じないような曲率以上としたことにより、螺旋状に設置した光ファイバ２１に沿った歪みを問題なく計測することができた。
【００４４】
さらに、テープ部材２４を主筋２２の周囲に巻回し、この上に光ファイバ２１を巻回する構成のため、光ファイバ２１がコンクリートの打設時に切断するのを防止することができた。
【００４５】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能である。以下それについて述べる。
【００４６】
上記実施の形態では、コンクリート系構造物２０として、螺旋状に巻回された光ファイバ２１が設けられた構成について述べたが、螺旋状に巻回された光ファイバ２１と、図１１に示すような材長方向に直線状に配置された光ファイバ２１とを組み合わせても構わない。両者の歪測定結果を総合的に分析することにより、曲げひび割れと剪断ひび割れの検出精度をさらに向上させることができる。
【００４７】
また、コンクリート系構造物２０は、矩形断面の形状に限られず、円形断面を有する円柱構造としても構わない。図１０にこの構造を示す。このコンクリート系構造物４０では、円形断面の中心から所定半径だけ離間した円周上に主筋２２が所定間隔で配置されている。そして、この主筋２２に取り付けたスペーサ部材２３にテープ部材２４を螺旋状に掛け渡し、それに沿って光ファイバ２１を掛け渡せば、円形断面を有するコンクリート系構造物４０においても、光ファイバ２１を螺旋状に巻回することが可能となる。
【００４８】
さらに、スペーサ部材２３は、図３のように主筋２２の全周を覆う形状としても図１１に示すように、テープ部材２４を巻回する部分のみを覆う形状としても構わない。
【００４９】
また、光ファイバ２１も、通信用の光ファイバケーブル等、種々のものを適用可能である。
【００５０】
その他、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々変形可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によると、コンクリート系構造物の内部には、スペーサ部材に掛け渡されて螺旋状に巻回されるテープ部材と、このテープ部材に沿って巻回される光ファイバが設けられているので、コンクリート部材のせん断ひび割れを検出することが可能となる。また、光ファイバをコンクリート内に螺旋状に巻きつけて設置する際に、螺旋状に巻きつける間隔を密にすることにより、部材単位長さ当たりの光ファイバ長を長くし、検出精度を向上させることが可能となっている。
【００５２】
また、主筋にスペーサ部材を取り付けて、このスペーサ部材にテープ部材及び光ファイバを巻回させるので、光ファイバで光透過損失を生じさせることなく光を伝達することが可能となる。
【００５３】
請求項２記載の発明によると、全てのスペーサ部材の周囲に螺旋状にテープ部材を巻回し、このテープ部材の表面に沿って光ファイバを巻回することにより、コンクリート打設時に光ファイバが切断されるのを防止することができ、内部に光ファイバが存するコンクリート系構造物を良好に製造することが可能となる。
【００５４】
請求項４記載の発明によると、発振手段により螺旋状に巻回された光ファイバ内部に光を発すると共に、この光ファイバ内部から戻ってくる後方散乱光を受信手段で受信し、その後に解析手段により光ファイバに沿った歪み分布を解析するので、コンクリート系構造物に生じているせん断ひび割れの程度と発生位置を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係わるコンクリート系構造物の構成を示す斜視図。
【図２】同実施の形態に係わるコンクリート系構造物内部の主筋に螺旋状に光ファイバを掛け渡した状態を示す上面図。
【図３】同実施の形態に係わる主筋の周囲にスペーサを取り付け、このスペーサにテープ部材及び光ファイバを掛け渡した状態を示す部分拡大図。
【図４】同実施の形態に係わるコンクリート系構造物の損傷検出装置の構成を示す概念図。
【図５】同実施の形態に係わるコヒーレント光受信器によりブリルアン散乱光を受信した結果を示す図。
【図６】同実施の形態に係わるコンクリートの表面（下面）に光ファイバを設置して損傷検出実験を行った結果を示す図。
【図７】同実施の形態に係わるコンクリートの表面（側面）に光ファイバを設置して損傷検出実験を行った結果を示す図。
【図８】同実施の形態に係わるコンクリートの内部に材長方向に光ファイバを埋め込んで設置したときの損傷検出実験を行った結果を示す図。
【図９】同実施の形態に係わるコンクリートの内部に螺旋状に巻回した光ファイバを埋め込んで設置したときの損傷検出実験を行った結果を示す図。
【図１０】同実施の形態に係わる円柱形状のコンクリート系構造物内部の主筋に螺旋状に光ファイバを掛け渡した状態を示す図。
【図１１】本発明の変形例に係わる主筋の周囲にスペーサを取り付け、このスペーサにテープ部材及び光ファイバを掛け渡した状態を示す部分拡大図。
【図１２】従来のコンクリート系構造物の損傷検出を示す図であり、コンクリート系構造物の外周面に光ファイバを設置した状態を示す図。
【図１３】従来のコンクリート系構造物の損傷検出を示す図であり、コンクリート系構造物の内部に光ファイバを設置した状態を示す図。
【符号の説明】
２０…コンクリート系構造物
２１…光ファイバ
２２…主筋
２３…スペーサ
２４…テープ部材
３０…損傷検出装置
３１…測定装置
３２…光源
３３…光周波数変換器
３４…光パルス変換器
３５…コヒーレント光受信器
【図１】
0004008623.tif 000003
【図２】
0004008623.tif 000004
【図３】
0004008623.tif 000005
【図４】
0004008623.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004008623.tif 000009
【図８】
0004008623.tif 000010
【図９】
0004008623.tif 000011
【図１０】
0004008623.tif 000012
【図１１】
0004008623.tif 000013
【図１２】
0004008623.tif 000014
【図１３】
0004008623.tif 000015