開発

自立型無線センサーLIRISを用いたローゼ桁の吊材取替工事の張力モニタリング
Tension Monitoring of the Replacement Work of Lohse Girder’s Suspension
Members Using LIRIS, an Autonomous Wireless Sensor System

永谷秀

樹＊1

Hideki NAGATANI

要旨

OSMOS（Optical Strand Monitoring System）において、自立型無線センサーシステムであるLIRISは、別途の電源確保が不要で設置が非常に容易であり、光ファイバーを用いたモニタリングシステムとして多くの優位性を有している。ここでは、ローゼ桁の腐食損傷した吊材取替工事の張力管理のための施工時モニタリングへのLIRISの適用事例に対して、モニタリング内容および確認された有効性について報告を行う。
キーワード：OSMOS，LIRIS，モニタリング，ローゼ桁，腐食損傷，吊材取替，張力管理

1．はじめに構造物のモニタリングシステムOSMOSにおいて、自2．吊材取替工事の概要（1）橋梁と損傷の概要

立型無線センサーシステムのLIRISは、内蔵のバッテリ

対象橋梁は、石垣島にある人工島（南ぬ浜町）と石垣ーで稼働するため、別途での電源の確保が不要で設置が市街地を結ぶ道路橋で、平成3年に供用を開始した下路非常に容易で、従来の有線式センサーシステムに比較し式のローゼ桁橋である（図－1参照）。て計測周波数は若干劣るがコスト的にも優れている。

厳しい腐食環境のため、吊材上下端の添接部近傍におまた、モニタリングデータの共有システムSafeWorks

いて、全18本の吊材の中で3本の腐食損傷が著しく、断を用いて、インターネット経由で、何時でも、何処で面欠損等による疲労亀裂がウェブに発生・進展していも、PC及びスマートフォンから容易にモニタリングデる。そのため、緊急対策として補強材を設置していたータの確認、情報共有が可能であり、モニタリングシスが、今回、部材の取替を実施することとなった。

テム全体として優れた利便性を有している。
既に、LIRISの傾斜計を用いた安全管理のための施工
時モニタリングとして、ベントの傾斜に対するモニタリ
ングについては施工実績も増え、前号にてその内容について概要を報告している1）。
ここでは、LIRISの光ファイバーを用いた変位計のローゼ桁の腐食損傷した吊材の取替工事における張力管理への適用について報告を行い、施工時間等に制限がある腐食部材の部材取替工事の施工時における品質管理等に対する自立型無線センサーLIRISの有効性について報告を行う。
図−1
＊1

橋梁全景

技術本部技術開発部技術開発グループリーダー

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宮地技報

No.33

（2）工事概要

STEP3：仮 設吊材のPC鋼棒の緊張力を解放し、新設

本工事は、吊材取替工事を㈱新友建設が施工し、吊材取替時の張力管理を㈱ホープ設計が実施しており、張力吊材に軸力を移行する。
STEP4：仮設吊材を撤去する。

計測に関する協力を弊社が行っている。
本橋は、大型クルーズ船のフェリーバースのある南ぬ浜（3）張力管理（LIRISによるひずみ計測）

町と市街地を結ぶ唯一の橋梁であるため、取替工事はクル

下記の目的から吊材に導入される張力の管理を行う。

ーズ船の就航に配慮した上で、夜間作業にて実施している。

そのため、張力（ひずみ）の計測にLIRISの変位計を用取替工事は、①既設吊材撤去、②新設吊材設置について各々1夜間で実施している。以下に部材撤去・設置の手順を示す。

いる。
・既設吊材の撤去時に、その軸力を極力ゼロに近づけることで切断時の軸力解放による衝撃を低減し、施工時の安全性を確保する。

①既設吊材撤去
STEP1：既 設部材1本につき4本の仮設吊材（PC鋼棒）を設置する。

・既設吊材において現在の状態で負担している軸力と同等の軸力を新設吊材に導入するため、その軸力を定量的に確認する。

STEP2：センターホールジャッキを用いて仮設吊材のPC鋼棒に所定の緊張力を導入し、既設吊材の分担軸力を仮設吊材に移行させる（図－2参照）。
STEP3：既設吊材を切断・撤去する（図－3参照）。

2．モニタリングシステムOSMOSとLIRISの概要
OSMOSは、図－6のシステム概要に示すように、計測を実施する有線・無線センサーシステムと情報共有・分②新設吊材設置
STEP1：仮 設吊材のPC鋼棒に新設吊材に導入する軸力と同等の緊張力を導入する。
STEP2：新設吊材を設置する（図－4参照）。

析を行うSafeWorksの2つの技術から構成されている。こ
こで、情報共有システムであるSafeWorksは、計測デー
タをインターネット経由でパソコンおよびスマートフォンにて、何時でも何処でも確認でき、工事関係者で計測データの共有が可能なシステムである。
（1）光ファイバーを用いた変位計の計測原理
変位計は、ストランド状にした光ファイバーにおいて赤外線が光ファイバーの曲がり部において漏洩し、通過する赤外線の強度が変化する「マイクロベンディングの原理」を利用して、2点間の相対変位を高精度に静的・動的に安定した状態で測定する（図－5参照）。

図－2

既設吊材撤去（STEP2：仮設吊材への軸力移行）

図－3

既設吊材撤去（STEP3：既設吊材撤去）

自立型無線センサーLIRISを用いたローゼ桁の吊材取替工事の張力モニタリング

図－4

新設吊材設置（STEP2：新設吊材設置）

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（2）自 立型無線センサーシステム：LIRIS【変位計＋     SMSモジュール】
このセンサーシステムは図－7に示すように以下の特徴を有している。
①電源が不要でセンサーの設置が簡単で早い②SMSモジュールを使用することにより、・携帯回線によりデータを遠隔で自動取得可能
・閾値を超えた場合に警報メールを発信可能
図－5

光ファイバーを用いた変位計の計測原理③モデムを用い短距離無線通信により、リアルタイムでのデータを収集可能
図 －8に 変 位 計 の 外 形 と 性 能 を 示す。周波数50Hzで計測するため、0.02秒間隔で常時モニタリングを実施する。データの記録は、1時間間隔でセンサー本体に実施されるが、SMSモジ
ュールを設置することにより計測データを自動的にOSMOSクラウドに毎時送信するため、SafeWorksを用い1時間間隔での計測値を遠隔で確認できる。

図－6

モニタリングシステム【OSMOS】の概要

図－714

無線式センサーシステム：LIRISの概要と特徴

宮地技報

No.33

3．張力モニタリング（1）自立型無線センサーLIRIS適用のメリット
今回の張力管理にける張力（ひずみ）計測に関して、以下に示す長所からLIRISを適用している。
①腐食により不陸がある既設部材の平均的なひずみを計測可能
長 尺センサー（1m）であるため、腐食の不陸による局部ひずみの影響を受けず軸力部材の平均的なひずみを計測可能である。
②センサーの設置と計測が簡単で早い電源・配線が不要のため、12センサーを2人で2日で現場設置、設置後直ぐにモニタリング開始可能である。
③無 線センサーのため、架設前の新設吊材に事前設置し、架設時に保管場所からそのまま移動可能新設吊材への事前のセンサー設置による工程短縮が可
図−8変位計の外形と性能能である。
表−1

表−2

計測に関する全体工程

既設吊材撤去の施工と計測のタイムスケジュール

自立型無線センサーLIRISを用いたローゼ桁の吊材取替工事の張力モニタリング15

表−3

新設吊材設置の施工と計測のタイムスケジュール

表−4

図−9

取替吊材の想定ひずみ一覧

吊材取替と計測の手順

図−10

センサー配置図（2）計測手順（3）計測工程

前述の既設吊材撤去・新設吊材設置手順および張力管VL5,6及びVR6の3本の吊材取替におけるセンサー設置

理の目的から、吊材取替手順に対応するLIRISによる計から張力管理計測までの全体工程を表－1に示す。また、測手順を図－9に示す。

既設吊材撤去および新設吊材設置に関するタイムスケジ

既設吊材撤去では、仮設吊材への既設吊材の表－4にュールを表－2，3に示す。このタイムスケジュールに示す想定した軸力の移行の確認をひずみ計測により行う。

示すように、部材の現場施工と計測が連携しており、円新設吊材設置では、仮設吊材撤去による新設吊材への滑な計測と計測結果の評価が工程遵守の前提となってい表－4に想定した軸力の導入をひずみ計測により確認する。

16る。

宮地技報

No.33図−11

高所作業車によるセンサー設置

図−14

架設前の新設吊材へのセンサー設置状況

LIRIS変位計

図−12

既設吊材へのセンサー設置状

図−15

センサー設置状態での新設吊材の架設（4）センサー配置および設置状況
変位計は、取替えを行う3本の吊材に対して、既設・新設の吊材毎に2箇所設置することにより、合計12箇所に設置している。吊材の断面における配置は、想定外の曲げ応力等の計測への影響を相殺するため、断面の各中心軸に対して対称に配置している（図－10参照）。
センサーの設置は図－11に示すように高所作業車を用いて実施しており、既設吊材へのセンサー設置状況を図－12に示す。また、センサーが設置された既設吊材は図－13に示すように腐食による断面の凹凸等があり、均等な断面形状と考えることが困難で発生ひずみも部分的に不均等なものになると想定される。新設吊材の架設前のセンサーの設置状況を図－14に示す。この状態か
図−13センサーが設置された既設吊材の腐状況

らトラックにより架設現場まで輸送を行い、センサーを設置した状態で架設を行っている（図－15参照）。

自立型無線センサーLIRISを用いたローゼ桁の吊材取替工事の張力モニタリング

17図−16

温度とひずみの関係（既設部材VL6）

図−17

既設吊材VR6撤去時の撤去吊材のひずみ

図−18

新設吊材VR6設置時の新設吊材のひずみ（3）計測結果
1）事前計測による温度との相関性の確認
軸力管理のための計測は、温度の安定した夜間に実施しているが、計測開始から終わりまでの間に温度変化が想定される。LIRISは変位と同時に温度の計測も行うた
め、事前の計測結果より温度と変位の相関を確認し、計測値に対して温度の補正を行う。
図－16に吊材撤去開始前に計測した既設吊材VL6の温度とひずみの計測結果を示しており、同時に両者の線形相関式を示している。この結果から、相関係数が0.85以上となることより、両者は鋼材の線膨張係数である12×-610 とほぼ同様の勾配の線形関係が成り立つものと判断

ジャッキ油圧（Mpa）される。よって、計測値の温度変化に対して、鋼材の線膨張係数を用いて温度補正が可能と考えられる。
2）ひずみ計測結果
代表として、VR6の吊材の吊材取替における計測結果を示す。図－17，18に既設吊材撤去時の仮設吊材のPC鋼棒への軸力導入から既設吊材切断までの計測結果を示す。ここで、グラフ中に示される圧力（Mps）は、仮設吊材のPC鋼棒を緊張管理する際に用いた油圧ジャッキの圧力を示している。

図−19

ジャッキ油圧と既設吊材のひずみ

この結果より、仮設吊材のPC鋼棒への軸力導入により、既設吊材の軸力が確実に減少していることが確認でより部材切断時の応力解放による衝撃をほぼゼロに低減きる。また、吊材をアーチ部材に接合している高力ボルできていると考えられる。

トの軸力解放時に若干のひずみの変化が生じており、こ仮設吊材のPC鋼棒の緊張に用いたセンターホールジの変化量が想定導入軸力と既設部材に発生している実際

ャッキの油圧と既設吊材の計測ひずみの関係を図－19の軸力の差に相当すると考えられる。また、その変化量に示す。この結果より、両者の間にはほぼ0点を通る線は比較的小さいため既設部材にはほぼ設計値と同等の軸形関係が成り立っており、ジャッキの軸力に比例して既力が導入させていたと考えられる。さらに、部材切断時設吊材の圧縮ひずみが発生していることが確認される。のひずみの変動は非常に小さいため、今回の張力管理に

18

宮地技報

No.33

また、新設吊材への取替完了後、1カ月間程度遠隔モ4．おわりにニタリングを実施し、変状がないことを確認している。

自立型無線センサーであるLIRISのローゼ桁の吊材取その際に、万が一にも吊材に許容応力度の70%を超える替工事への適用は初めてであり、工程的にも予備日は殆ような急激な応力（ひずみ）変動が生じた場合には警報どない状態で実施された。しかし、工程の遅延もなくセメールが発信されるように、変位の変動に関する動的なンサー設置から計測完了まで円滑なモニタリングが実施

閾値を設定している。

できたことは、LIRISの設置の容易性、無線センサーであることの有効性が高かったものと考える。

3）張力管理へのLIRIS適用の有効性に関する評価
a）張力管理について
この既設吊材から新設吊材へ取替における吊材の軸力

今後も、LIRISの自立型無線センサーとしての長所を活用した施工時および維持管理に関するモニタリングについて検討を進めたいと考えている。

について、ホープ設計の張力管理報告2）における移行結

最後になりましたが、計測においてご指導・ご協力を果を表－5に示す。既設吊材の車道側VL5,6は計測結果頂いた㈱ホープ設計の親泊様，宇地原様，高本様、さらから分担軸力にバラつきが生じていたが、新設吊材におに、石垣市役所建設部港湾課施設整備係の池城様をはじいて両者はほぼ同様の軸力となっており、両者の合計はめとする関係者の皆様には心より感謝の意を表します。

取替前後で4%程度の誤差内に留まっている、また、歩また、現場での計測作業にご協力頂いた㈱新友建設の兼道側VR6については取替前後の軸力は単独で3%程度の松様、センサーの設置と技術指導でご協力を頂いた日揮誤差に留まる。

㈱の門様、阿南様にも御礼申し上げます。

よって、良好な精度で既設吊材から新設吊材への軸力移行が実施されており、張力管理の精度確保にLIRISによるモニタリングが有効に機能したものと考える。
b）施工性について＜参考文献＞
1）永谷秀樹：OSMOSを用いた施工時モニタリング，宮地技報No.32,pp.7-11,2019.

既設・新設吊材の取替は1夜間の非常に限られた時間内で実施されたが、現地でモデムを用いた無線でのデータ

2）高本寛之：ローゼ橋の吊材取替工事における張力管理手法，けんこん第14号，pp.90-93,

収集は全計測期間において問題なく実施できた。さらに、新設吊材には事前に変位計を設置し、保管場所から架設

2）一社）沖縄県測量建設コンサルタンツ協会，
令和2年3月.

現場までの輸送および架設の間において施工性を妨げることなく計測ができており、自立型無線センサーとして

3）永谷秀樹：光学ストランドセンサーを用いた構造モニタリング，宮地技報No.25,pp.82-88,2010.の施工時モニタリングへの高い適用性が確認できた。
c）耐候性について

4）岩下宏，山下久生，能登宥愿：OSMOSシステムによる実橋モニタリング報告，宮地技報No.20, pp.90-99,

張力管理の計測期間中には雨・風の強い荒天の日もあ2005.

ったが、安定したモニタリングが実施できており、吊材交換後3カ月程度の期間の経時モニタリングに関しても

2020.6.3

受付

安定してデータ収集できており、耐候性についても問題が無いことが確認できた。
表−5

張力管理による吊材分担軸力移行結果

自立型無線センサーLIRISを用いたローゼ桁の吊材取替工事の張力モニタリング

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