(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材に配設され導入されるプレストレスによって前記構造部材の変形を制御する変形制御部材と、加熱されることにより前記変形制御部材にプレストレスを導入するコイル状に成形された形状記憶合金ばねと、前記形状記憶合金ばねに通電して加熱する加熱手段と、プレストレスが導入された状態で前記変形制御部材を固定する固定手段と、を有することを特徴とする構造部材の自己修復機構。
【請求項２】
前記構造部材に曲げ変形側に沿って埋め込まれたワイヤと、前記ワイヤの電気抵抗値を検出する電気抵抗測定装置と、前記電気抵抗測定装置で検出された電気抵抗値から前記構造部材の変形量を算出し、該変形量が規定値を越えたとき、前記加熱手段で前記形状記憶合金ばねを加熱させる制御手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の構造部材の自己修復機構。
【請求項３】
前記形状記憶合金ばねが断熱材で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の構造部材の自己修復機構。
【請求項４】
前記固定手段が、前記構造部材の外面に固定された筒体と、前記筒体内へ配設され前記変形制御部材が挿通される第１貫通孔を備えた第１ブロックと、前記第１貫通孔の孔縁に形成されたすり鉢部へ嵌まり込み前記第１貫通孔を貫通した前記変形制御部材を挟持して前記構造部材側への移動を阻止する第１ストッパーと、前記筒体内へスライド可能に挿入され一端が前記第１ストッパーに当接する前記形状記憶合金ばねの他端に付勢されると共に、前記変形制御部材が挿通される第２貫通孔を備えた第２ブロックと、前記第２貫通孔の孔縁に形成されたすり鉢部へ嵌まり込み前記第２貫通孔を貫通した前記変形制御部材を挟持して前記構造部材側への移動を阻止する第２ストッパーと、で構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の構造部材の自己修復機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外力によって主構造材や非構造材等の構造部材が変形したとき、強制的に最適な状態に戻す構造部材の自己修復機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
形状記憶合金の形状回復現象を、コンクリート部材のプレストレッシングや変形制御、塔状構造物の制振装置に応用したものがある（特開昭６２−２４４９５１号、特開平３−１２６６４９号公報参照）。
【０００３】
プレストレッシングや変形制御では、加熱により収縮変形するように予め歪みが与えられた（マルテンサイト変態）形状記憶合金材が、コンクリート部材に埋め込まれており、この形状記憶合金材を加熱して初期の形状に回復させる（マルテンサイト逆変態）ことによって、プレストレスを導入したり、変形を制御するようになっている。
【０００４】
一方、制振装置への応用としては、形状記憶合金製の棒状鋼材を塔状構造物の躯体内へ埋め込み、センサーによって塔状構造物の振動によって生じた変形や歪みを検出して、棒状鋼材を加熱し、塔状構造物に発生する引張力をキャンセルする方向へ能動的に回復変形させるものがある（特公平５−２２０２４号公報参照）。
【０００５】
しかしながら、熱を加えられて回復変形した形状記憶合金材は、熱の供給を中止すると、冷却し変形回復力が消失する。このため、導入したプレストレスを維持するためには、形状記憶合金材を継続して加熱する必要があり、効率的な変形制御方法とは言えなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は係る事実を考慮して、最適な態様で形状記憶合金材を活用して、形状記憶合金材が冷却しても、導入したプレストレスを維持できる構造部材の自己修復機構を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、外力を受けて変形する構造部材の変形域に変形制御部材が配置されている。この変形制御部材には、加熱手段で形状記憶合金ばねに通電して加熱することによりプレストレスが導入され、外力によって変形した構造部材を強制的に最適な状態に戻す。
【０００８】
このように、プレストレスが変形制御部材へ導入されると、固定手段によって、変形制御部材が固定される。このように、一旦プレストレスが導入されると、形状記憶合金ばねの回復力に依存しない構造となっているので、形状記憶合金ばねへの熱供給を停止しても、変形制御部材に導入したプレストレスが維持される。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、構造部材に曲げ変形側に沿ってワイヤが埋め込まれている。このワイヤの電気抵抗値を電気抵抗測定装置で検出し、検出された電気抵抗値から制御手段が、構造部材の変形量を算出する。算出された構造部材の変形量が規定値を越えると、制御手段が加熱手段を作動させて、形状記憶合金ばねを加熱させ、自動的に変形制御部材にプレストレスを導入し、外力によって変形した構造部材を最適な状態に戻すようになっている。
【００１０】
このため、構造部材の変形量を測定する変位計などのセンサーを設ける必要がなくなり、復元機構を簡素化できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、形状記憶合金ばねが断熱材で覆われている。このため、加熱効率が向上し、迅速的にプレストレスを導入することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、構造部材の外面に固定された筒体の中へ第１ブロックが配設されている。この第１ブロックには、第１貫通孔が形成されており、変形制御部材が貫通している。
【００１３】
また、第１貫通孔の孔縁にはすり鉢部が形成されており、第１ストッパーが嵌まり込むようになっている。すなわち、変形制御部材が構造部材から離れる方向へ移動するときは、変形制御部材の移動を許容し、また、変形制御部材が構造部材側へ移動するときは、変形制御部材を挟持して移動を阻止する。
【００１４】
さらに、筒体内には、第２ブロックがスライド可能に挿入されている。この第２ブロックは、一端が第１ストッパーに当接する形状記憶合金ばねの他端に押圧され、第１ブロックから離れる方向へ付勢されている。
【００１５】
また、第２ブロックには、第２貫通孔が形成されており、第１貫通孔を貫通した変形制御部材が貫通している。この第２貫通孔の孔縁にはすり鉢部が形成されており、第２ストッパーが嵌まり込むようになっている。すなわち、変形制御部材が構造部材から離れる方向へ移動するときは、第２ストッパーが変形制御部材を挟持して、第２ブロックが変形制御部材と一緒に移動し、また、変形制御部材が構造部材側へ移動するときは、第２ストッパーによる挟持が解除され変形制御部材の移動を許容する。
【００１６】
このような構成において、構造部材の変形量が規定値を越えると、形状記憶合金ばねを加熱する。これによって、形状記憶合金ばねが伸張し、第２ブロックを構造部材から離れる方向へ押し出す。このため、第２ストッパーがすり鉢部へ嵌まり込んで変形制御部材を挟持し、第２ブロックの移動に伴って変形制御部材にプレストレスを導入する。
【００１７】
ここで、必要なプレストレスが変形制御部材に導入され変形が制御された後、形状記憶合金ばねへの加熱を停止すると、形状記憶合金ばねが冷却して収縮する。これによって、変形制御部材が構造部材側へ移動しようとするが、第１ストッパーが第１ブロックのすり鉢部へ嵌まり込んで、変形制御部材を挟持する。このため、変形制御部材はプレストレスを導入された状態で、構造部材へ固定される。
【００１８】
このように、ストッパー機構を設けることによって、形状記憶合金ばねを加熱し続ける必要がなくなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１には、本形態に係る構造部材の自己修復機構が鉄筋コンクリート製の梁部材１０に適用された例が示されている。
【００２０】
この梁部材１０には、変形を検出するためのセンサーとして形状記憶合金ワイヤー１２が、梁部材１０の曲げ変形側に鉄筋１４に沿って絶縁物によって被覆された状態で埋め込まれている。なお、この形状記憶合金ワイヤー１２は、鉄筋１４又は梁部材１０に接着剤で貼付けてもよく、また、梁部材１０の両端に突起を設け、この突起の間に張り渡してもよい。さらに、梁部材１０の曲げ変形側には、シース管１６が下方へ湾曲された状態で埋め込まれている。
【００２１】
このシース管１６の中には、変形制御用の鋼材１８が配置されており、左端部が梁部材１０に定着されている。
【００２２】
一方、梁部材１０の右端面には、断熱材２０で被覆された筒体２２が固定されている。この筒体２２には、軸芯に鋼材１８が貫通する貫通孔２４が形成された円柱状の第１ブロック２６が配置されている。この貫通孔２４の右側の孔縁には、外方へ拡径するすり鉢部２８が形成されている。
【００２３】
また、すり鉢部２８には、第１楔体３０が嵌め込まれている。この第１楔体３０は、円錐体を高さ方向に２つに切断し、その切断面に鋼材１８を両側から挟持する円弧状の長溝を備えたものである。なお、すり鉢部２８の開口縁には、中央に向かって環状のフランジ３２が張り出しており、第１楔体３０がすり鉢部２８から抜け落ちないようにしている。
【００２４】
一方、第１楔体３０には、コイル状に成形された形状記憶合金ばね３４の左端が支持されている。この形状記憶合金ばね３４の右端は、筒体２２へスライド可能に挿入された円柱状の第２ブロック３６に支持されている。この第２ブロック３６には、軸芯に鋼材１８が貫通する貫通孔３８が形成されている。
【００２５】
ここで、形状記憶合金ばね３４は、形状記憶効果を有するばねで、形状記憶効果とは、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いう。
【００２６】
従って、この形状記憶合金ばね３４を通電によって変態温度まで加熱し、形状を変形前に復元する復元力を利用することで、第１楔体３０及び第２ブロック３６を押圧するようになっている。
【００２７】
一方、貫通孔３８の右側の孔縁には、外方へ拡径するすり鉢部４０が形成されている。すり鉢部４０には、第２楔体４２が嵌め込まれている。この第２楔体４２は、円錐体を高さ方向に２つに切断し、その切断面に鋼材１８を両側から挟持する円弧状の長溝を備えたものである。なお、すり鉢部４０の開口縁には、中央に向かって環状のフランジ４４が張り出しており、第２楔体４２がすり鉢部４０から抜け落ちないようにしている。
【００２８】
また、形状記憶合金ワイヤー１２には、電流計４６が接続されており、形状記憶合金ワイヤー１２の電気抵抗変化を検出するようになっている。この電流計４６は制御装置４８に接続されている。制御装置４８は、形状記憶合金ばね３４に通電加熱する回路のリレースイッチ５０に接続されており、電気抵抗変化量が規定値を越えると、リレースイッチ５０をオンするようになっている。
【００２９】
次に、自己修復機構の作用を説明する。
無載荷の状態では、梁部材１０の自重によるモーメントが、予め鋼材１８に導入されたプレストレスによって発生する、応力や、鉄筋、コンクリートの応力の中立軸に関するモーメントと釣り合っている。
【００３０】
ここで、外力として上載荷重（Ｎ）が作用すると、梁部材１０は曲げ変形して下方へ撓み、形状記憶合金ワイヤー１２に引張歪みが生じる。その結果、形状記憶合金ワイヤー１２の断面積が減少するので、電気抵抗が大きくなり、一定の電圧下での電流が小さくなる。この電流値の変化を電流計４６で計測することによって、梁部材１０の変形量を推測することができる。
【００３１】
この電流計４６によって得られた電気的情報は、制御装置に出力されて推論回路に入り、推定される梁部材１０の変形量が規定値に達すると（図６に示すように、本形態では中央の変形量が２０ｍｍ、電気抵抗比が１．４の場合）、リレースイッチ５０がオンされ、形状記憶合金ばね３４が通電加熱される。
【００３２】
形状記憶合金ばね３４は加熱されると、元の形状に復元して伸張し、図３に示すように、第２ブロック３６を右方向へ押しやる。これによって、第２楔体４２がすり鉢部４０に嵌まり込んで鋼材１８を噛み、一方このとき、第１楔体３０は鋼材１８によって右方向へ移動させられるので、すり鉢部２８との間に隙間を生じ、鋼材１８の移動を拘束しない。なお、筒体２２は断熱材２０で被覆されているので、効率良く加熱でき、また、加熱による回復力を維持できる。
【００３３】
このように、形状記憶合金ばね３４によって第２ブロック３６が押されると、この第２ブロック３６の移動に伴って、鋼材１８にプレストレスが導入される。
【００３４】
このため、梁部材１０の曲げ変形を元に戻すモーメントが発生して、梁部材１０は強制的に最適な状態に戻され、自己修復される。
【００３５】
次に、形状記憶合金ワイヤー１２の電気抵抗値が元に戻ると、制御装置４８がリレースイッチ５０をオフ状態として、通電を停止する。
【００３６】
ここで、形状記憶合金ばね３４が除々に冷え始めてマルテンサイト逆変態温度（５０℃〜６０℃）以下になると、結晶相逆変態によって剛性が低下するので、形状記憶合金ばね３４は収縮する。形状記憶合金ばね３４が収縮し始めると、図４に示すように、鋼材１８が梁部材１０側へ移動しようとする。これによって、第１楔体３０が第２ブロック３６のすり鉢部２８へ嵌まり込んで、鋼材１８を噛み込む。従って、形状記憶合金ばね３４が収縮しても、鋼材１８へ導入されたプレストレスは消失しない。
【００３７】
なお、本形態では、楔体をブロックのすり鉢部へ嵌め込むようにしたが、鋼材１８の移動を拘束できる機械的なストッパー機構を備えておればよく、例えば、図５に示すように、楔体に換えてボール５４をすり鉢部５６へ装着してもよく、ワンウエイクラッチの機構を利用してもよい。
【００３８】
また、形状記憶合金ばね３４と第２ブロック３６とを常時当接させておくため、第２ブロック３６側にもストッパー機構を設けたが、鋼材１８を第２ブロック３６に固定しても、プレストレスを導入でき、また、形状記憶合金ばね３４が収縮しても、鋼材１８へ導入されたプレストレスが消失することはない。
【００３９】
また、本形態では、梁部材の変形量を測定する手段として、形状記憶合金ワイヤー１２を使用したが、光ファイバーセンサーを部材中に埋め込むか又は部材表面に貼付け、光の伝達長の変化から梁部材の変形量を検出してもよい。さらに、抵抗線歪みゲージや変位計など、従来から用いられているセンサーを応用してもよい。また、形状記憶合金ばね３４の電気抵抗を測定し、梁部材１０の変形量を検出すれば、別途センサーが不要となり、復元機構を簡素化できる。
【００４０】
また、本形態では、電流計４６を用いたが、一定電流下で変化する電圧を電圧計で測定して、部材の変形量を測定してもよい。
【００４１】
さらに、形状記憶合金ばねの形状は、コイル状に限定されるものではなく、板ばね、皿ばね等であってもよく、また、種々のバネの組み合わせも考えられる。なお、ばねの形状や寸法は、制御する力やストロークの大きさによって決定される。
【００４２】
また、本形態では、形状記憶合金ばね３４を電気的に加熱したが、ヒーターを別途設けて加熱してもよい。或いは、形状記憶合金ばね３４の周囲に５０℃以上の湯を供給することによって、急速に加熱する方法も考えられる。さらに、変形制御部材として鋼材１８をシース管１６内に配置したが、梁部材１０の外側に鋼材１８を固定して、プレストレスを導入するようにしてもよい。
【００４３】
また、本発明によって、張力を制御できる構造物として、膜構造物、トラス構造物が考えられ、さらに、本発明を適用することによって、超大スパンの構造物を構築することもできる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、最適な態様で形状記憶合金材が活用でき、形状記憶合金材が冷却しても、導入したプレストレスを維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本形態に係る構造部材の自己修復機構を備えた梁部材を示した縦断面である。
【図２】本形態に係る構造部材の自己修復機構のストッパー機構の動きを示した断面図である。
【図３】本形態に係る構造部材の自己修復機構のストッパー機構の動きを示した断面図である。
【図４】本形態に係る構造部材の自己修復機構のストッパー機構の動きを示した断面図である。
【図５】変形例に係るストッパー機構を示した断面図である。
【図６】電気抵抗比と梁部材の変形量を示したグラフである。
【符号の説明】
１２      形状記憶合金ワイヤー（センサー）
１８      鋼材（変形制御部材）
２０      断熱材
２２      筒体
２６      第１ブロック（固定手段）
３０      第１楔体（第１ストッパー、固定手段）
３４      形状記憶合金ばね
３６      第２ブロック（固定手段）
４２      第２楔体（第２ストッパー、固定手段）
４６      電流計（電気抵抗測定装置）
４８      制御装置（制御手段）
５０      リレースイッチ
５４      ボール（固定手段）
【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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