技術紹介

光ファイバ変位センサ（SOFO）によるインフラ構造物のヘルスモニタリング技術
三上隆男 *1

Mikami Takao

西沢隆夫 *2

Nishizawa Takao

河野豊 *3

Kawano Yutaka

我が国では、1960 年代の高度経済成長期に、道路や橋梁、上下水道、学校など多数の社会インフラが建設されたが、その多くが耐用年数とされる 50 年を超えて老朽化が進み、その寿命診断や維持管理を含む老朽化対策が大きな問題となっており、修理・改築・更新などの検討が進められている。老朽化だけでなくさまざまな要因により世界中で崩落などによる大事故が起きており、インフラ構造物のヘルスモニタリングの重要性が再認識されている。このような時代の到来は早くから予測されており、IIC では 2000 年代前
半に光ファイバ変位センサ（SOFO）システムを Smartec 社（スイス）から導入し、これを適用したインフラ構造物のヘルスモニタリングサービスを展開している。本稿では SOFO システムの概要とこれまでの適用事例の中から代表的な事例（超高層ビル、鋼橋、コンクリート橋）をまとめて紹介すると共に今後の課題について述べる。
キーワード：光ファイバ変位センサ、SOFO、ヘルスモニタリング、インフラ構造物、ひずみ崩落事故（2007 年）などの大事故が起きている。

1. はじめに

日本では中央自動車道の笹子トンネルの天井板崩

日本では 1960 年代に道路、橋梁、トンネルな

落 事 故（2012 年 12 月 ）、 風 車 の 落 下 事 故（2013

どのインフラが一斉に整備された。これらのイン

年 3 月）などが起きており、インフラの健全性評

フラは耐用年数とされる 50 年を超え、補修・更価（ヘルスモニタリング）の重要性が再認識され新の時期を迎えている。また、これらは耐震性基ている。インフラをヘルスモニタリングするため準が現在ほど整備されていなかった時期に建設さには、その構造および機能に対応した適切なセンれているので、今後、大規模震災が起きた時の健サを用いる必要があるが、さまざまなセンサの中全性に不安がある。インフラ構造物は耐用年数前で、光ファイバセンサが長期安定性、ゲージ長、であっても大事故を起こすことがあり、事故は大精度などの面で優れた特徴を有するため最も注目きな被害をもたらす。韓国では聖水大橋の崩落事を集めている。本稿では、光ファイバ変位センサ

故（1994 年）と三豊百貨店の崩落事故（1995 年）、（SOFO）を用いたモニタリング事例と今後の課題

米国ではミネソタ州ミシシッピ川に架かる橋梁のについて紹介する。

*1：技師長 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI ひずみ測定レベル 3*2：計測事業部 計測技術部 磯子グループ 課長*3：研究開発センター 研究開発グループ 次長 コンクリート診断士—

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定対象物に固定された 2 点間の変位に応じて伸縮（2）（5）

2. 光ファイバ変位センサ（SOFO）

する。もう一方の参考ファイバは螺旋状になって構造物のヘルスモニタリング用センサとしているため、その長さは固定点間の変位に左右されは、種々のものが候補として考えられる。光ファない。SOFO 本体はこの 2 本の光ファイバの長さ

イバセンサと従来センサの代表格であるひずみの差（= 測定対象物の 2 点間の変位）を測定するゲージについて、ヘルスモニタリングへの適用性ものである。測定方法は二重マイケルソン干渉計を評価した結果を表 1 に示す。これによると、光方式と呼ばれ、他の方式に比べて原理的にシンプファイバ変位センサ（SOFO）は現状では最も適ルであり、精度、安定性とも高い。SOFO V の分用性があると言える。

解能はセンサ長さに関係なく 2mm である。センサ

図 1 に静的計測用の SOFO V システムの概念図

はコンクリートに埋め込むことも、既設構造物のを示す。SOFO 本体にはセンサを最大 12 点まで接表面に取り付けることも可能である。センサと続することができる。点数が 12 点を超える場合

SOFO V との間は、最大 5km の延長光ファイバケーはオプティカルスイッチにより拡張することが可ブルで接続することができる。図 3 に動的計測専能である。SOFO センサは図 2 に示すように 2 本用の SOFO Dynamic システムの構成を示す。センの光ファイバで構成されている。測定ファイバにサは SOFO V と共通である。

は、あらかじめ引張り荷重が付与されており、測表1

各種センサのヘルスモニタリングへの適用性評価—

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図1

SOFO V システム

図2

図3

SOFO センサ

SOFO Dynamic システム

SOFO Dynamic は、2 本の光ファイバの長さの変位に変換する。0.01mm という高い分解能を有し、差を動的に測定するものである。SOFO V と同様ひずみゲージでは検出できない微小なひずみを検にレーザー光源から発射された光が本体に戻って出することができる。測定チャンネル数は 8 チャ

きた後、光信号検波干渉計で位相変調される。光ンネルである。

信号を検出した後、SOFO Dynamic 本体はセンサにより導入された位相変調を検知し、これを動的—

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3. SOFO による測定事例
（1）
（2）
（5）
（7）
（8）

3.1 超高層ビル

対象とした東京都豊洲地区のビル（33 階建て、高さ約 147m）は 2004 年に建設開始、2006 年 8 月に竣工した。図 4 に建設中のビルの外観を示す。
SOFO センサを建設工事中の 2005 年 5 月に 2 階の鋼製柱に設置した。33 本の柱の中から代表的な柱 5 本（X4Y2、X4Y5、X6Y5、X7Y9、X8Y6）をモニタリングの対象とした。柱に作用する主な荷重は圧縮軸力であり、曲げ荷重は無視できる。このため、柱 1 本について 1 本の SOFO センサを表面中央部に設置した。センサ全体配置図を図 5 に示す。一例として柱 X7Y9 への設置状況を図 6 に示す。図 7 に柱の軸力変化のモニタリング結果を示す。ただし、X7Y9 のセンサ類は竣工直前に不慮の事故で切断されてしまったので、このデータは除外し、4 箇所のデータを表示している。

図4

図5

SOFO センサ配置図—

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超高層ビル（東京都江東区）

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図 8 に SOFO Dynamic による 2006 年 3 月の強風時の動的計測結果を示す。計測した柱は X6Y5 で、建物の中央に近い柱である。同図にひずみ式加速度センサによる計測結果も表示している。SOFOセンサは振幅 1mm 以下の微小な振動を捉えていることがわかる。一方、加速度センサでは加速度の値が小さく計測ができなかったため、ノイズのみの波形となった。なお、ひずみゲージでも同様にノイズのみの波形となり、振動を検知ができなかっ
図6センサ設置状況（X7Y9）た。SOFO センサで捉えた微小な振動波形を周波数分析した結果を図 9 に示す。0.38Hz が卓越しており、これはビルの 1 次曲げ固有振動数である。

図7柱のひずみ（軸力）変化

ビル建設の初期段階には 2 基の巨大なクライミングクレーンが頂上に設置されていた（図 4 参照）。
そ の 内 の 1 基 が 2005 年 10 月 ～ 2005 年 11 月 22

図8日の間に撤去された。撤去により柱に作用する荷強風時の柱 X6Y5 の振動重が減少するが、図 7 の当該期間に圧縮ひずみの減少傾向が明確に示されている。2006 年 8 月末の竣工後は、柱のひずみ変動は小さくなり、ほぼ一定値を保つものと予想していたが、結果は図 7 に示すように大きく変動している。モニタリング対
象の柱は CFT（Concrete filed steel tube）構造であり、柱の内部はコンクリートで充填されているため、この部分も荷重を負担する。コンクリートは打設後に熱膨張、乾燥収縮、自己収縮、クリープなど
図9

複雑な挙動を示す。竣工後に柱に作用する全荷重

周波数分析結果は一定と考えられるので、充填コンクリート部には図 7 とは逆方向の軸力変動が生じているものと一方、高層ビルは微風により励振されて常時微推定される。

動していると考えられるため、2006 年 5 月に風速—

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3m/s 以下の微風状態における計測を試みた。その化も検出できることが実証された。一般に、常時結果、1 次曲げ固有振動数である 0.38Hz を明確に微動の計測には高感度な常時微動計が必要である捉えることができた。常時微動の微小な励振力でが、SOFO のみにより計測が可能であり、長期ヘも SOFO センサの高い分解能により振動を検知でルスモニタリングに極めて有効であるといえる。

きることを示した。なお、竣工してから約 4 年後の 2010 年 10 月の微風時に計測したところ、卓越周波数は 0.38Hz であり、1 次曲げ固有振動数に変化はなくビルは健全であることを確認した。
（9）3.2 不整形超高層ビル

名古屋駅前のモード学園スパイラルタワーズ（高さ 170m、地上 36 階：図 10 参照）はビル全体がらせんねじれているような螺 旋状の奇抜なデザインで、このビルの柱に SOFO センサを設置し、2007 年 2月からモニタリングを続けている。図 11 にセンサ配置図を、図 12 にセンサ設置状況を示す。合計 6本の柱の内外（合計 12 箇所）にセンサを設置して図 10いる。CFT 構造の柱で、鋼製柱と充填コンクリー

モード学園スパイラルタワーズ

トの両方を同時にモニタリングするのは世界で初めての試みである。モニタリング開始後 6 年を経過しているが安定したデータが得られている。データは顧客であり、このビルを設計した日建設計（協力：名古屋大学福和研究室）で詳細な解析が行われている。動的計測では、常時微動レベルの小振幅でも超高層ビルの固有振動による柱の応力変動を捉えることができている。SOFO を設置して随時静的および動的計測を実施すれば、柱の軸荷重変化だけでなく、常時微動による振動特性の変図 1256センサ配置図（13F）

CFT 柱へのセンサ設置状況—

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図 1156—

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（3）（5）-3.3 鋼橋

図 14 に静的載荷試験状況を示す。図 15 に試験結

独立行政法人土木研究所の試験橋梁（スパン：果を示すが、誤差は 1/4L 部で 1 ～ 9％、1/2L 部で30m、幅：7.8m）に SOFO センサを橋軸方向の 35 ～ 13％であった。6 本のセンサで曲率解析法を箇所でガーダーに各 2 本平行に設置（合計 6 本）用いれば十分な精度で測定できることがわかっした。20ton ダンプカーによる静的載荷試験を行た。

い、SOFO センサの出力から曲率解析法により求次に、ガーダー下部に SOFO センサ、ひずみゲーめた変位とインダクタンス式変位計による測定結ジ、変位計、加速度センサを設置し、動的載荷試果の比較を行った。図 13 にセンサ設置の様子、験を行った。質量 1.71ton の車両が一定速度（20km/h、40km/h、60km/h、80km/h）で通過するときの動ひずみ、変位、加速度を計測した。動的載荷試
験の様子を図 16 に示し、試験結果の一例として、走行速度 40km/h および 80km/h 時の結果をそれぞれ、図 17 および図 18 に示す。
図 17 と図 18 から明らかなように、走行車両の移動重量によって橋桁は静的にたわむと同時に励振 さ れ る た め、 加 速 度、 ひ ず み、 変 位 お よ び
SOFO センサの計測値が変動している。図 17 の図 13図 14

各種センサの波形を FFT 解析した結果、橋桁の 1センサ設置状況

図 16

静的載荷試験の様子

図 15

静的載荷試験の結果—

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動的載荷試験の様子

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6me から 7me に増加した。これは、ゲージ長が長い SOFO センサの積分効果によるものであり、1本の SOFO センサで通過車両の速度を検知できる可能性を示している。
また、質量を 10％増加して同様な試験を実施した結果、SOFO を含むすべてのセンサにより動ひずみ振幅が 10％増加することを確認することができた。この結果は、橋梁上を走行中の車両重量の検知（WIM：Weighing in motion）にも応用できる可能性を示している。
（6）
（10）

3.4 コンクリート橋
図 17

図 19 に示す関東の某私鉄 RC 高架橋（全長：

動的載荷試験の結果（40km/h）

24m、幅：9.4m、支間：8m）の中央支間中央部にSOFO センサ 6 本とレーザー変位計を設置し、電車が通過する際の動ひずみと変位を計測した。
（芝浦工業大学との共同研究）

図 18

動的載荷試験の結果（80km/h）

図 19

RC 鉄道高架橋

次曲げ固有振動数は 4.8Hz であることがわかった。

図 20 にセンサ配置図を、図 21 に計測結果の一SOFO センサにより、橋桁の動ひずみ振幅と固有例を示す。これらの図から、電車通過中は強制振振動数の変化をモニタリングすれば、橋桁の異常動状態（0.83Hz）にあり、通過後は自由減衰振動や劣化を検知することができる。

状態（19.5Hz）にあることが明確に捉えられた。

図 17 と図 18 のひずみゲージと SOFO センサのこの 19.5Hz は橋桁の 1 次曲げ固有振動数である。

計測値を比較すると、ひずみゲージのひずみの最また、図 22 に示すように、SOFO の変形デー大値は走行速度に関係なく約 9me であるのに対しタから曲率解析法により得られた橋桁の変位はて、SOFO セ ン サ は 走 行 速 度 の 増 加 と と も に 約

レーザー変位計の計測結果とよく一致した。

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同一重量の車両通過時の橋桁の動ひずみ振幅および変位、固有振動数をモニタリングすれば、橋桁の異常や劣化を検知することができる。
4. 今後の課題
今後の課題として以下の事項が挙げられる。
図 20

センサ配置図4.1 適切なモニタリング期間の選択要求されるモニタリング期間は構造物の劣化状
況やモニタリング予算により相違し、下記の中から適切なものを選択する必要がある。
（1）テンポラリ（損傷発見時や大地震、大型台風、大雪、大雨などの後）（2）定期検査時（3）常時 → 計器常設、有線または無線で現地事務所にデータを送信（4）遠隔常時 → 計器常設、Web や無線（GSM、

図 21

3G、衛星）などを介してモニタリングセン

主桁下面の SOFO センサによる計測結果の一例

ターにデータを送信
4.2 センサ数の最小化とセンサ配置の最適化
老朽インフラ構造物の数が膨大であり、すべてをモニタリングすることはできない。例えば老朽橋梁の数は、現在でも 10 万橋を超えているが、10 年後には 30 万橋になると予測される。予算は限られており、少ないセンサ数で効果的なモニタリングすることが望ましい。これまでの経験から、必要最小限のモニタリング項目とセンサ数として下記を提案する。
（1）橋梁
橋桁の動ひずみ、曲率（変位）、固有振動数変化を SOFO センサ 2 ～ 4 本によりモニタリングする。
（2）斜張橋や吊橋

図 22—

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構造的に巨大であり、構成部材が多いので、主桁の変位（SOFO センサとレーザー変位計の比較）

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多数のセンサが必要である。斜張橋のケーブ
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15:09:49図 23

斜張橋のモニタリング例

ル、桁、主塔などのモニタリングためのセン5. まとめ

サ配置例を図 23 に示す。この例では SOFO
センサ 40 本の他に、GPS や傾斜計も使用し本稿の内容をまとめると、ている。

（1）代表的なインフラ構造物のヘルスモニタリン（3）コンクリート橋

グについて IIC の取り組みを紹介した。

橋桁の動ひずみ、曲率（変位）、振動数変化（2）セ ン サ は 主 と し て 光 フ ァ イ バ 変 位 セ ン サを SOFO センサ 2 ～ 4 本によりモニタリング（SOFO）を適用した。

する。

（3）SOFO によりインフラ構造物の静的および動（4）超高層ビル的な長期モニタリングが可能である。

軸力、動ひずみ、振動数変化を SOFO センサ

最後に、ヘルスモニタリングの利点を列挙する

4 ～ 12 本によりモニタリングする。と、以下のとおりである。

東日本大震災以後、長周期地震動に対する高（1）劣化・損傷をタイムリーに検知⇒維持管理費層ビルの健全性評価が問題となっているが、用の節約

大地震がいつ発生するか不明なため、計器を（2）安全性の向上現地に常設する必要がある。

（3）設計検証（建設初期からモニタリングした場合、設計の妥当性を確認できる）（4）新たな知見の取得（設計では想定できなかった事象の検知）
我が国では老朽インフラの延命化はこれから益々重要になってきている。今後、IIC のヘルスモニタリング技術の適用範囲をさらに広げてゆく所存である。

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（6） 河野豊：SOFO による橋梁ヘルスモニタリン

参考文献

グ、IIC Review No.41、2008/10、pp.24-30（1） Takao Mikami, Takao Nishizawa and Mitsutaka（7） 三上隆男：光ファイバ変位センサによる超高Nagasaka : Structural Health Monitoring with

層 ビ ル の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ（ 続 報 ）、IIC

Fiber Optic Sensors, IABSE Symposium, A-0150,

Review No.43、2010/4、pp.22-29（8） 三上隆男、西沢隆夫：光ファイバ変位センサ

Budapest, 2006
（2） 三上隆男：光ファイバセンサによる高層ビルによる高層ビルのヘルスモニタリング、日本の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ、IIC Review No.36、機械学会論文集、C 編、75 巻 750 号、2009/2、2006/10、pp.2-8

pp.249-255（3） 三上隆男：光ファイバ変位センサによる橋梁（9） 西澤崇雄、大野富男、飛田潤、福和伸夫：光ファ

ヘルスモニタリング技術（その 1 ）、IIC Review

イバセンサによる高層建築物建設時の柱軸力

No.37、2007/4、pp.35-43

変化の計測、日本建築学会技術報告集、第 15（4） 三上隆男：光ファイバ変位センサによる橋梁

巻、第 31 号、2009、pp.751-756（10）寺田恭平、勝木太、河野豊：光ファイバセン

ヘルスモニタリング技術（その 2 ）、IIC Review

サによる RC ラーメン鉄道高架橋の構造ヘル

No.38、2007/10、pp.15-25（5） 三上 隆男：光 ファイ バ変位 センサ（SOFO）

スモニタリングに関する研究、第 35 回土木による構造物のヘルスモニタリング、IHI 技学会関東支部技術研究発表会、V-044、2010

報、Vol.47、No.4、2007/12、pp.179-191

技師長 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士、JSNDI
ひずみ測定レベル 3

計測事業部 計測技術部
磯子グループ
課長

三上 隆男

西沢 隆夫

TEL. 03-6404-6583
FAX. 03-6404-6044

TEL. 045-759-2085
FAX. 045-759-2119

研究開発センター
研究開発グループ
次長 コンクリート診断士

河野豊

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—

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