技術紹介

光ファイバ変位センサによる超高層ビルのヘルスモニタリング（続報）三上 隆男＊
M i k a m i Ta k a o
地震が多い日本では、建築物の安全性を維持するために建物竣工後の健全性評価は非常に重要である。このため、施工段階に主要構造部材にひずみセンサを設置し、ヘルスモニタリングを実施することが望ましい。
このような背景の下、東京都内の 33 階建て超高層ビルの施工段階に光ファイバ変位センサ（SOFO）を設置し、2005 年 5 月から柱の軸力変化や固有振動数変化のモニタリングを継続している。IIC Review No.36 ではビル竣工前の段階での途中経過を報告した。本号ではその続報として、竣工後のモニタリングの状況、ひずみゲージによる計測結果やセンサ固定部について実施した要素試験結果なども含めて報告する。
キーワード：ヘルスモニタリング、光ファイバ変位センサ、軸力、マイケルソン干渉計とが困難である。光ファイバ変位センサは構造物1．はじめにの大局的な変形を捉えることができ、かつ、長期安定性を有するため、高層ビルのヘルスモニタリ

近年、多くの超高層ビルが建設されている。背景として、構造解析技術の進歩があるが、施工はングに適していると考えられる。

下層部から上層部へと段階的に進むので、完成時これを検証するため、東京都内の 33 階建て超の応力を厳密に解析するには、この施工過程の応高層ビル（高さ：約 147 m）の施工段階にゲージ力状態を把握しておかなければならない。しかし、長が長い光ファイバ変位センサ（SOFO センン

実際の解析ではこのことを考慮していない。そのサ（3）～（5））を設置し、2005 年 5 月から柱の軸力変ため、解析結果と実際の応力状態には差異がある化や固有振動数変化のモニタリングを開始した。と考えられるが、実測事例は少ない（1）（2）。地震が2006 年 8 月に竣工したが、その後もモニタリン多い日本では、建築物の安全性を維持するためにグを継続している（7）～（9）。

ビル竣工後の健全性評価は非常に重要である。こIIC Review No.36（8）ではビル竣工前の段階でののため、施工段階に主要構造部材にひずみセンサ途中経過を報告した。本号ではその続報として、を設置し、ヘルスモニタリングを実施することが竣工後のモニタリングの状況、ひずみゲージによ望ましい。しかしながら、従来のひずみゲージでる計測結果やセンサ固定部について実施した要素は長期安定性に問題があり、また、得られる情報試験結果なども含めて報告する。

が局所的であるため構造物全体の挙動を捉えるこ＊

技師長

なお、読者が本号だけで全容を把握できるよう

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—22—

にするため、IIC Review No.36 号で報告した内容

体はこの 2 本の光ファイバの長さの差（= 測定対を部分的に再掲している。

象物の 2 点間の変位）を 2 重マイケルソン干渉計方式で測定するものである。図 2 において、発2．SOFO V システム

光ダイオードから発射された光がセンサに送らSOFO とはフランス語 の‘Surveillance d’Ouvrages

れ、カプラによって分割された後、2 本の光ファ

par Fibres Optiques’の略称で、日本語では「光ファイバに送られる。その光はセンサ端部に付いていイバによる構造物のモニタリング」を意味する。

る鏡で反射され、カプラによって再び集光され、SOFO センサの計測装置は静的計測専用（SOFO

SOFO 本体に戻ってくる。そこで再び 2 本の光ファ（6）V）と動的計測専用（SOFO Dynamic ）の 2 種類イバに分光される。一方の光ファイバの端部は固がある。センサは共通であり、計測の目的に応じ定されているが、もう一方の端部は可動式の鏡にて装置を使い分けている。柱の軸力の静的モニタなっている。測定時には、鏡の動きによる光の干リングには SOFO V を適用した。

渉強度の変化からセンサ部のファイバ長さ、すな

図 1 に SOFO V システムの概念図を示す。

わち、測定対象物の 2 点間の変位を測定する。セ

SOFO 標準センサは図 2 に示すように 2 本の光ンサ自身が一番目の干渉計であり、本体内部の可動式鏡の部分が 2 番目の干渉計である。

ファイバ（石英ガラス製の単一モードファイバ）

SOFO V の分解能はセンサ長さに関係なく 2 µmで構成されている。
測定ファイバ：①には、あらかじめ 0.5% の引である。センサはコンクリートに埋め込むことも、張荷重が付与されており、測定対象物に固定され既設構造物の表面に取り付けることも可能であた 2 点間の変位に応じて伸縮する。もう一方の基り、計測の際に、電磁波、振動、湿度などの影響準ファイバ：②は螺旋状になっているため、このを受けないという優れた特長をもつ。SOFO V に長さは固定点間の変位に左右されない。SOFO 本はセンサを最大 12 点接続できる。計測は手動、自動の両方で可能である。センサの長さは 0.25 m～ 20 m で、計測精度は計測変位に対して± 0.2%以内である。計測範囲はセンサ長さに対して圧縮側が 0.5%、引張側が 1.0% である。光ファイバ変位センサには表 1 に示すように多くの種類があるが、センサ長さ、分解能、精度などを総合的に評価すると、柱の軸力モニタリングには SOFO センサが適していると考えられる。

図1

SOFO V システム構成

図2

標準 SOFO センサの構造—

23—

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表1
測定原理
BOTDR：
Brillouin後方散乱光の周波数シフト
SOFO：
Michelson干渉計
FBG：
Bragg波長シフト
OSMOS：
Micro-bendingによる透過光量変化

各種光ファイバ変位センサの比較

分解能

精度

センサ長さ

測定範囲

100με

100με

1m～10km広域

２με

測定変位に対して±１％以内

0.2m～20m

単点

１με

4με

１cm

多点

２～4με

4～20με

0.1～10m

単点

すべてのセンサの端末コネクタを小さな接続箱に3．超高層ビルのヘルスモニタリング
3.1

導いた。また、バッテリ作動の小型温度ロガーを超高層ビルの概要

この箱の中に格納し、計測時にロガーに収録された温度データをパソコンに取り込んだ。（写真 3

対象としたビル（東京都豊洲地区）は、33 階建て、高さ約 147 m であり、2004 年に建設開始、参照）

2006 年 8 月に竣工した。（ビルの外観については
写真 4 参照）

3.3

SOFO V による静的モニタリング

SOFO センサは 2005 年 5 月 18 日に設置を完了
3.2

センサの設置し、同日からモニタリングを開始した。以後、こSOFO センサを 2005 年 5 月に 2 階の鋼製柱にの日の計測データを基準とし、2006 年 8 月の竣設置した。2 階は機械室であり、柱は化粧タイル

工までは原則として 1 ヶ月毎に、竣工後は 2007などで覆われず、センサの設置とモニタリングが年末までは約 2 ヶ月毎に、その後は 2 ～ 6 ヶ月毎

容 易 で あ る。33 本 の 柱 の 中 で 代 表 的 な 柱 5 本に計測を続けている。写真 4 に建設中のビルの（X4Y2、X4Y5、X6Y5、X7Y9、X8Y6） を モ ニ タ

外観を示す。

リングの対象とした。なお、X4Y2 などは建築区

図 3 に柱の温度変化を示す。ただし、X7Y9 の画を座標的に表示（X、Y はそれぞれ横および縦方

熱電対は竣工時に SOFO センサとともに不測の事向）したもので、当該区画内の柱であることを意故で切断されてしまったので、このデータは除外味する。柱に作用する主な荷重は圧縮軸力であり、した。2006 年 8 月の竣工までは、4 本の柱の温度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。
一例として柱 X7Y9 への設置状況を写真 1 に示す。
柱の高さ（3 m）とコンクリート床高さなど現場の状況を考慮して SOFO センサの長さとして 1m を選定した。写真 2 に示すように、柱の熱膨張による変形を評価するため、SOFO センサの中央部付近に熱電対を設置し、参考として防水型ひずみゲージも 1 点貼り付けた。

写真 1

柱は最終的には断熱材が吹き付けられるため、—

24—

SOFO センサ（柱： X7Y9）

写真 2 SOFO センサ、熱電対、ひずみゲージの設置

写真 3

接続箱とデータロガー

写真 4

建設中のビルの写真はそれらの位置による日照の違いでわずかではあSOFO センサの出力には鋼製柱の軸力による平るが相違している。竣工後は X8Y6 の温度が他と均ひずみと熱膨張によるひずみが含まれる。熱膨大きく相違しているが、空調装置などの影響と考張によるひずみは（1）式により除外した。

えられる。

図3—

柱の温度変化25—

IIC REVIEW/2010/4. No.43

(d − d s 0 )−d t
ε＝ sm
λs

αt：柱の熱膨張係数［ / ℃］
Δt：柱の初期温度（2005 年 5 月 18 日）からの・・・・・・・・（1）

温度変化［℃］

ただし、柱の軸力は（3）式により計算できる。

ε：SOFO センサの平均ひずみ（熱膨張成分をF = Eε S除外）

・・・・・・・・・・・・・（3）

dsm：SOFO センサの計測値 ［mm］

ただし、ds0：SOFO セ ン サ の 初 期 計 測 値（2005 年 5 月

F：柱の軸力［N］18 日）［mm］

E：柱のヤング率［Pa］

λs：SOFO センサの初期長さ（＝ 1,000 mm）

S：柱の断面積［m2］dt   ：柱の熱膨張による変形で、（2）式で表され柱の温度変化が大きいので、熱膨張によるひずみの評価は重要である。熱膨張係数を求めるため、る

d t =αt Δt λs鋼材に SOFO センサを設置して熱膨張試験を実施［mm］・・・・・・・・・（2）した。SOFO センサは、L 型ブラケットを介して接着剤またはボルトで固定する構造であり、ブラただし、ケットの材質（AL と SUS）と向き、および固定方法（接着剤とボルト）をパラメータとして試験を実施した。
リップ溝形鋼（120 W × 60 H × 5 t）を供試体とし、4 本の 0. 3m-SOFO センサ（センサのシリアル NO：6742 ～ 6745）を図 4 のように設置した。
また、鋼材温度（Temp-1 ～ Temp-3）と外気温度（Temp-4）を計測するため、熱電対を設置した。
本供試体を 4 日間屋外に曝露し、10 分毎に自動計測を行った。この試験では、鋼材に荷重が負荷されていないので、外気温度の変化により鋼材は

図4

図5

鋼材の熱膨張試験—26—

鋼材の熱膨張係数（センサ No. 6742）

自由熱膨張する。

示す。ビル建設の初期段階には 2 基の巨大なクラ鋼材の温度に対する SOFO センサのひずみをプイミングクレーンが頂上に設置されていた。（写ロットすれば、その傾きが熱膨張係数となる。今真 4 参照）その内の 1 基が 2005 年 10 月 21 日～

回の超高層ビルのモニタリングでは、センサ：2005 年 11 月 22 日の間に撤去された。撤去によ6742 の固定方法を採用しているので、センサ：り柱に作用する荷重は減少するが、図 6 の当該6742 とその近傍の鋼材温度：Temp-1 のデータに期間に圧縮ひずみの減少傾向が明確に示されてい着目して回帰分析した結果を図 5 に示す。熱膨る。2006 年 8 月末のビル竣工後は、荷重変動が張係数は最小 2 乗法で近似した結果、9 × 10 が小さいので柱のひずみ変動は小さくなり、ほぼ一得 ら れ た。 セ ン サ：6743 ～ 6745 で は す べ て 10定値を保つものと予想していたが、結果は図 6 に× 10 という結果が得られた。これにより、ブラ示すように大きく変動している。この変動は、柱ケットの熱膨張が計測に影響を及ぼすことが明らの温度変化に対応していることが図 3 との比較かとなった。

から明らかであり、年単位でみると規則正しく変-6-6動している。

熱膨張係数を 9 × 10 として（1）、（2）式から-6SOFO センサのひずみを解析した。結果を図 6 に

この結果の妥当性を評価するため、ひずみゲー

図6柱のひずみ変化（SOFO センサによる）

図7柱のひずみ変化（ひずみゲージによる）—

27—

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ジの計測データと比較する。図 7 にひずみゲー
ジによる計測結果を示す。
ひずみゲージは参考用として各柱に 1 箇所設置したものである。自己温度補償型なので、温度変化による見掛けひずみは小さく、計測されたひずみ変化はほぼ軸力変化に相当する。ゲージ長が 3mm と短く、また、点数が 1 点だけなので、ゲー

図8

ジ長：1 m の SOFO センサに比べて絶対値の計測

強風下の柱：X6Y5 の振動精度は低いものの、軸力変化の傾向は実際の状況を概ね捉えていると考えられる。
図 7 によると、X4Y2 や X6Y5 で一時的に不連続なひずみ変化が見られるが、全体的なひずみ変化は SOFO センサと同様な傾向である。
図 6 と図 7 から、竣工後も鋼製柱に軸力変動が生じていることは明らかである。モニタリング
対象の柱は CFT（Concrete ﬁlled 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

写真 5ため、この部分も荷重を負担する。コンクリート

FFT 解析結果

は打設後に熱膨張、乾燥収縮、クリープ、鋼製柱との界面の摩擦など複雑な挙動を示す。竣工後のSOFO センサは振幅 1 µm 以下の微小な振動を捉

荷重変化は小さいため、柱全体に作用している全えていることがわかる。この振動を周波数分析し荷重（鋼製柱と充填コンクリート部の合計）はほた結果を写真 5 に示す。ビルの 1 次曲げ固有振動

ぼ一定と考えられる。上述のように鋼製柱に軸力数：0.38 Hz が明確に現れている。一方、加速度変動が存在することから、充填コンクリート部にセンサでは加速度の値が小さく計測できなかったは温度依存性の強い要因により鋼製柱と逆方向のため、ノイズのみの波形となった。なお、ひずみ軸力変動が生じていると推定される。

ゲージにおいても同様に検知できなかった。さらに、2006 年 5 月 19 日に微風状態における計測を3.4

SOFO Dynamic による動的計測試み、固有振動数を明確に捉えることができた。

柱が振動するためには大きな励振力が必要と考微風による微小な励振力でも SOFO Dynamic シス

えられ、強風下で計測を行うこととした。2006

テムの卓越した分解能：0.01 µm により柱の振動

年 3 月 17 日に最大瞬間風速：15 m/s を記録したを検知することができた。

ので、同日、動的計測を実施した。

ビルの固有振動数は大地震などにより構造部材計測した柱は X6Y5 で、建物の中央に近い柱でに大きな損傷が生じないと変化しないと考えられある。風速が最大となった 10 時 50 分から約 1 分

る た め、2006 年 5 月 19 日 以 降 は SOFO Dynamic間の計測結果を図 8 に示す。同図にひずみ式加による計測は実施していない。次回の計測はセン速 度 セ ン サ に よ る 計 測 結 果 も 表 示 し て い る。

サ設置後 5 年（竣工後 4 年）を経過する適切な時—28—

期（2010 年の台風シーズン）に実施し、固有振of High-rise Building with irregular shape”, The

動数に変化がないことを確認する予定である。

Aim and Abstract of the Monitoring, Proceedings

4.

of Kyuusyuu Confernce of Architectural Institute of

おわりにJapan, (2007-9), pp. 83-84

光ファイバ変位センサ（SOFO センサ）による

3）Inaudi, D.et al, “Bridge Monitoring by

超高層ビルの柱の軸力モニタリングを 2005 年 5Interferometric Deformation Sensors”, SPIE月から実施中である。その結果、以下のことが明International Photonics China Symposium on Laser

らかとなった。

Optoelectronics and Microphotonics: Fiber Optic（1）SOFO センサにより、柱の軸力変化をモニタSensors, 1996, China
4）Inaudi, D,et al,“Geo-structural Monitoring with

リングすることができる。
（2）SOFO センサを設置してから 4 年以上経過しLong-gage Interferometric Sensors”, SPIEて い る が、 セ ン サ の 出 力 は 安 定 し て お り、Conference on Nondestructive Evaluation andSOFO V シ ス テ ム の 長 期 安 定 性 を 確 認 で き

Health Monitoring of Aging Infrastructure, 2000,

た。

USA

（3）CFT 構造の柱では、建物の竣工後も鋼製柱

5）Mikami, T. et al., “Structural Health Monitoring

部の軸力は変動する。コンクリートの熱膨with Fiber Optic Sensors”, SEWC2002, Yokohama,張、乾燥収縮、クリープなどの影響で CFT

Japan, T9-1-d-1, pp. 1-6.

内部の軸力が変動しているためと考えられ

6）三上隆男、“光ファイバによる動的変位計測システム（SOFO Dynamic）”、IIC Review/ 2006/4.

る。
（4） CFT 構造の柱の軸力変動を評価するために

No.35, pp. 54-58.

は、鋼製柱部と CFT 内部の両方の軸力変化

7）Mikami, T. et al., “High-rise Building Monitoringをモニタリングする必要がある。この知見をby Fiber Optic Sensors”, IABSE Symposium, 2006,

もとに、名古屋モード学園ビル（スパイラルBudapest, pp. 1-6タワー）では世界で初 めて鋼製柱部と CFT

8）三上隆男、“光ファイバセンサによる高層ビ内部の両方の軸力変化を 2007 年から SOFO

ルのヘルスモニタリング”、IIC Review/ 2006/

センサでモニタリング中である。

10. No.36, pp. 2-8.

（5）SOFO Dynamic の高い分解能により、ビルの9）三上隆男、西沢隆夫、“光ファイバ変位セ

常時微動に起因する柱の振動を明確に検知ンサによる高層ビルのヘルスモニタリング”、できる。

日本機械学会論文集（C 編）、75 巻 750 号（20092）

参考文献

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1）Glisic, B. et al, “Monitoring of Building Columns
during Construction”, 5th Asia Pacific StructuralEngineering & Construction Conference (APSEC),

三上 隆男

2003, Malaysia, pp. 593-606.

TEL. 03-3778-7965
FAX. 03-3778-7968

2）Nishizawa, T. et al.,“The Report of the Monitoring—29—

IIC REVIEW/2010/4. No.43