技術解説

光ファイバセンサによる高層ビルのヘルスモニタリング
三上 隆男 *
Takao Mikami

SOFO を、各種構造物に適用している。なお、
1．はじめに光ファイバをひずみセンサとして用いる契機

SOFO とは、フランス語の Surveillance,
d Ouvrages par Fibres Optiques の略称で、日本語は、1970 年代における光通信用の光ファイバ技術では「光ファイバによる構造物のモニタリング」の著しい進展にある。光エレクトロニクスの発展と言う意味で、分散型に属する光ファイバセンサと通信分野での光ファイバに対する爆発的なニーである。

ズから光ファイバケーブルのコストが下がり、まSOFO の計測装置は静的計測用（SOFO V）と動た、様々な周辺機器が開発されて光ファイバをセ的計測用（SOFO Dynamic）の 2 種類がある。センンサに用いることが現実的になってきた。光ファサは共通であり、計測の目的に応じて計測装置をイバセンサは従来のひずみゲージに比べて種々の使い分けている。

長所を有し、とくに構造物の長期健全性モニタリ

今回は、SOFO V の概要について紹介した後、ング（ヘルスモニタリング）に適している。被測代表的な適用事例として、高層ビルのヘルスモニ

定領域により、分散型（単点計測）と広域型（多タリングについて紹介する。

点計測）に大別されている。
2．SOFO システムの概要

ヘルスモニタリングは社会資本の老朽化にともない、土木や建築の分野で益々、重要になってい図 1 に SOFO V システムの概念図を示す。SOFOる。長期モニタリングには精度が高く、かつ、安本体には標準センサを最大 12 点まで接続すること定なシステムが必要である。多くの土木構造物にができる。点数が 12 点を超える場合はオプティカおいて、変形のモニタリングが最も重要である。

ルスイッチにより拡張することができる。

一般によく使用されているひずみゲージは局所的標準 SOFO センサは図 2 に示すように基準ファなひずみを捉えるだけで、構造物全体の変形を捉イバと測定用ファイバの 2 本の光ファイバで構成えることはできない。構造物全体の変形を捉えるされている。測定用ファイバには、あらかじめプためには、ゲージ長の長いセンサが必要である。

リテンションが与えられており、測定対象物に固このような背景の下、当部ではゲージ長の長い定された 2 点間の変位に応じて伸縮する。もう一光ファイバセンサによる変位計測システム：方の基準ファイバは螺旋状になっているため、そ＊計測事業部

計測エンジニアリング部部長―2―測定対象物SOFOセンサ

0. 25

10m (20m)

5km
2

SOFOリーディングユニットm0.55 bar
パソコン

1.050m

カプラー
移動鏡

A/D

Filter

0.2Ampli

内蔵 PC

1発光ダイオード LED
1300 nm12

図1 SOFO V システム構成

Specchi
Mirror7100

表１ SOFO Vの仕様

他の方式に比べて原理的にシンプルであり、精度、Fibra di riferimentoFibra
Reference
Fiberdi misuraFiber
TuboProtection
di protezioneCoupler
tube
Coupler Connector
CouplerConnettore
Measurement

安定性とも高い。
Ancoraggi
Anchors

Parte ATTIVA
ActivePartPassivePart
Parte PASSIVASOFO V の分解能はセンサ長さに関係なく 2 µmである。センサはコンクリートに埋め込むことも、

図2 標準SOFO センサの構造既設構造物の表面に取り付けることも可能であの長さは固定点間の変位に左右されない。SOFOる。センサと SOFO V との間は、最大 5 km の延長

本体はこの 2 本の光ファイバの長さの差（= 測定光ファイバケーブルで接続することができる。計

対象物の 2 点間の変位）を測定するものである。

測の際に、電磁波、振動、湿度等の影響を受けな発光ダイオードから発射された光がセンサに送いという優れた特徴を有する。SOFO 本体はポーられ、カプラーによって分割された後、2 本の光タブル、防水、バッテリ駆動であり、建設現場のファイバに送られる。その光はセンサ端部についようにホコリや湿気の多い環境での使用に適してている鏡で反射され、カプラーによって再び集光いる。約 7 秒で 1 点の計測が可能である。計測はされ、SOFO 本体に戻ってくる。そこで再び 2 本マニュアルでも自動でも可能である。センサの標の光ファイバに分光される。一方の光ファイバの準長さは 0.25 m 〜 10 m で、計測精度は測定値に対端部は固定されているが、もう一方の端部は可動して 0.2 %である。計測範囲は圧縮は 0.5 %、引張式の鏡になっている。測定時には、鏡が動いてセは 1.0 %である。表 1 に SOFO V の仕様を示す。

ンサ部のファイバ長さの差を補償する位置をまずSOFO Dynamic の詳細については、本号では省見つけ出す。この位置が最初のピーク干渉位置と略する。（前号参照）

なる。さらに鏡が動き、本体内の両光ファイバが3．高層ビルのヘルスモニタリングへの適用事

同じ長さになる位置（センター）を見つけ、最後

3. 1にセンサ部のファイバ長さの差と同じ長さの差と高層ビルの概要なる第三の位置を見つけ出す。センターと第三の東京の豊洲地区で 33 階建ての高層ビル（仮称：位置間の距離が測定ファイバと基準ファイバ間のTA ビル）が現在、建設中である。このビルは長さの差、すなわち、測定対象物の 2 点間の変位

2004 年に建設が始まり、2006 年 8 月に竣工し、高となる。この測定方法は 2 重干渉計方式と呼ばれ、さは約 147 m である。

―

3―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

3. 2

モニタリングの目的

このビルの柱に SOFO センサを設置し、以下のSOFO センサ目的でモニタリングを行う。
（1）建設中は柱に作用する荷重変化を SOFO接続箱

V で長期的に測定し、構造設計検証の一助とする。
（2）建設後は、地震、台風、地盤沈下等による柱の荷重分布変化を長期的に SOFO V で測定し、ビルの健全性を監視する。
（3）建設中及び建設後に SOFO

図4 SOFO センサ（柱： X7Y9）

Dynamic により動的計測（固有振動数，振動モード，減SOFO センサ衰等）を行い、ビルの動的挙動を把握する

ひずみゲージとともに健全性を監視する。
3. 3

熱電対センサの設置

SOFO センサを 2005 年 5 月に 2 階の柱に設置した。2 階は機械室であり、柱は化粧タイル等でカバーされないため、センサの設置とモニタリングが容易なためである。33 本の柱があるが、その中
図5 熱電対とひずみゲージで代表的な柱 5 本（X4Y2，X4Y5，X6Y5，X7Y9，
X8Y6）をモニタリングの対象として選んだ。柱に作用する主な荷重は圧縮軸力であり、曲げ荷重接続箱は無視できる。そのため、柱 1 本について 1 本のＳＯＦＯコネクタ

SOFO センサを表面に設置した。一例として柱：X7Y9 への設置状況を図 4 に示す。柱の高さ（3 m）とコンクリート床高さ等の現場の状況を考慮してSOFO センサは 1 m を選定した。柱の熱膨張による変形を評価するため、SOFO センサの中央部付温度ロガー

近に熱電対を設置し、参考までにひずみゲージも図6 接続箱

1 点貼り付けた。
（図 5 参照）
柱は最終的には断熱材が吹き付けられるため、すべてのコネクタは小さな接続箱に導いた。この度データをパソコンに取り込むことができる。

接続箱にはフタが付いており、計測時にフタを開（図 6 参照）

け、SOFO センサ及びひずみゲージのコネクタに3. 4

SOFO V によるモニタリング結果容易にアクセスできるようになっている。また、SOFO センサは 2005 年 5 月 18 日に設置を完了

バッテリ作動の小型温度ロガー（55 × 70 × 20mm）し、同日からモニタリングを開始した。この日のがこの接続箱の中に納められており、計測時に温計測データを基準とし、以後、原則として 1 ヶ月―4―毎に計測している。図 7 に 2006 年 7 月 14 日までの分を除外）

柱の温度変化を示す。5 本の柱の温度は同じでは

dsm ：SOFO センサの計測値ない。それらの位置による日照の違いでわずかでds0 ：SOFO センサの初期計測値（2005 年 5月 18 日）はあるが、相違している。
柱の断面積と SOFO で計測されたひずみ変化か

dt：熱膨張による変形ら計算した柱の荷重変化を図 8 に示す。ただし、ls：SOFO センサの長さ（1,000 mm）dt は（2）式で表される。

（1）式に示すように熱膨張によるひずみは除外している。

ε=(dsm − ds0) − dtlsdt = α t Δtl s（2）

ここで、

（1）

α t ：柱の熱膨張係数
Δ t ：柱の初期温度（2005 年 5 月 18 日）からのここで、
ε温度変化： SOFO センサの平均ひずみ（熱膨張成TA ビル柱の温度変化
X4Y2
X4Y5
X6Y5
X7Y9
X8Y6

図7 柱の温度変化

TA ビル柱の荷重変化

X4Y2
X4Y5
X6Y5
X7Y9
X8Y62

図8 柱の荷重変化―5―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

May 18, 2005

July 19, 2005

Oct. 21, 2005

Nov. 22, 2005

Dec. 22, 2005

Jan. 30, 2006

May 18, 2006

July 14, 2006

図9 建設中のビルの写真

図 9 に建設中のビルの写真を示す。建設の初期計測した柱は X6Y5 で、建物の中央に近い柱で段階には 2 基の巨大なクライミングクレーンがビある。計測の様子を図 10 に示す。柱は既に断熱ルの頂上に設置されていた。その内の 1 基が期間材でカバーされているので、SOFO センサは見え

1（2005 年 10 月 21 日〜 2005 年 11 月 22 日）の間にない。最も風速が大きかった 10 時 50 分から約 1 分撤去された。

間の計測結果を図 11 に示す。参考までにひずみ

さらに、残りの 1 基が期間 2（2005 年 12 月 22 日

式加速度センサによる計測結果も表示している。

〜 2006 年 1 月 30 日）の間に撤去された。これらの

SOFO は振幅 1 µm 以下の微小な振動を捉えてい撤去は柱に作用する荷重分布を減少させるため、る。この振動を周波数分析した結果を図 12 に示

図 8 に示すようにその影響が如実に現れている。

す。ビルの 1 次曲げ固有振動数： 0.38 Hz が明確に

期間 1 に、すべての柱の圧縮荷重が減少している。

現れている。一方、加速度センサでは加速度が微この期間には、クライミングクレーンだけでなく小すぎて計測ができず、ノイズのみの波形となっ他の物（重機，ストックされていた鋼材，足場等）が撤去されている。一方、期間 2 では、圧縮荷重FFTの減少が少ない。内装工事（コンクリート床，配柱 X6Y5管，コンクリート壁等）による荷重の増加が期間1 の時に比べて大きかったためである。
今後も柱の圧縮荷重は増加し、竣工後に一定値SOFO Dynamicに落ち着いて行くものと考えている。
3. 5

SOFO

Dynamic による計測結果

動的な計測を実施するため、風が強い日を待った。2006 年 3 月 17 日は最大瞬間風速 15 m/s で絶好
図10 SOFO Dynamicによる柱X６Y５の振動計測の条件となり、この日に計測を実施した。

―6―

変位（歪換算 ）加速度（gal）
ＳＯＦＯ変位（）加速度（gal）

経過時間（sec）
図11 柱：X６Y５の振動計測結果（2006年3月17日）た。なお、ひずみゲージでも全く検知ができなか解能により振動を検知することができた。

った。ビルには常時、微風が作用しているため常柱の荷重分布変化と固有振動数変化を長期的に時微動していると考えられ、2006 年 5 月 19 日に微モニタリングすることにより、ビルの健全性を評風状態における計測を試みた。その結果を図 13

価することができる。とくに、大きな地震後のビに示す。固有振動数が明確に捉えられている。常ルの健全性評価に役立つものと考えている。

時微動の微小な励振力でも SOFO センサの高い分

0.38Hz

0.06m

0.06m

0.007m波形

図12 周波数分析結果

図13 微風時の計測析結果

―7―

IIC REVIEW/2006/10. No.36

4．おわりに

参考文献

長いゲージ長を特徴とする光ファイバセンサ（1）三上， 光ファイバによる動的変位計測シス（SOFO）の計測原理とこれを高層ビルのヘルスモ

テ ム（ SOFO Dynamic） ，IIC REVIEW/ニタリングに適用した事例について述べた。今回

2005/10.No.34，p54 〜 p58

は報告を割愛したが、SOFO V は橋梁床版のプリ（2）Takao MIKAMI，et al， High-rise Building

ストレスモニタリング、原子炉格納容器の変形モMonitoring by Fiber Optic Sensors ，IABSE

ニタリング等にも適用実績がある。SOFO センサ

2006 Annual Meeting and Symposium，は長期安定性を有するので、構造物の内部またはBudapest， Hungary

表面に設置すれば半永久的にモニタリングでき（3）Takao MIKAMI， Takao NISHIZAWA，る。計測は、手動計測、自動計測、インターネッ

Structural Health Monitoring with Fiber Optic

トを利用した遠隔モニタリング等から選択するこSensors ，SEWC2002，Yokohama，Japanとができる。
公共事業費の抑制等もあって、社会資本の維持・管理が重要な課題となっている。SOFO はヘルスモニタリング用センサとして優れた特徴を有するので、この方面への適用を拡大したい。特に、今回報告した高層ビルへの適用は地震が多発する
日本では有用であり、大学や建築設計会社等と連携して全国的に展開していく所存である。

計測事業部
計測エンジニアリング部
部 長

三上 隆男
TEL. 045-759-2160
FAX. 045-759-2161―

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