技術紹介

SOFOによる橋梁のヘルスモニタリング
河野豊 *Yu t a k a K a w a n o
わが国で高度経済成長期を中心として整備された道路・橋梁、ダム、水道、鉄道、建築物等の社会資本は年々高齢化が進んでおり、経年設備の劣化への対応が必要な時代を迎えている。設備の特性に応じて適切な維持管理を実施することにより延命化を図ることも求められている。維持管理には設備を診断し、実態を的確に把握することか必要であり、その手法としてヘルスモニタリングが注目されている。
当社と芝浦工業大学は共同で橋梁診断手法としての光ファイバセンサ（SOFO）の有用性を確認するため、基礎的試験を実施したので紹介する。
キーワード：橋梁、ヘルスモニタリング、光ファイバ、コンクリート、PC、RCれた膨大な量の構造物は、今後、10 年の内に更１．はじめに新時期を迎えることが予想され、更新対象物の数高度経済成長時（1955 年～ 1973 年）に整備さは想像を絶する。

れた社会基盤、住宅などは膨大であり、これらのさらに、劣化が進行する維持管理対象物の増加設備は経年劣化が進んでいる。特に、橋梁の劣化に対し、わが国の年齢別人口分布は図 1.2 に示すについては最近になりその劣化および損傷がメ様に、高齢化が進み若者が年々減少傾向にあり、ディアでも取り上げられている。

将来若い働き手、技術者が少なくなることが予想

図 1.1 に示すように、高度経済成長期に建設さ

図 1.1＊計測事業部

我が国の経年別橋梁分布

計測技術部

図 1.2

我が国の年齢別人員分布

構造物グループ 次長 コンクリート診断士—

05_橋梁ヘルス.indd 24される。こういった状況下で現存する構造物の延24—

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命化を図り、有効に活用するためには、劣化部分をモニタリングする技術が不可欠である。
橋梁の劣化検知に光ファイバー変位センサ（SOFO）を適用したヘルスモニタリングに関し、芝浦工業大学と共同研究を実施した。本稿では共同研究初年度として基礎試験を実施した結果を紹

図 3.1.1

介する。

試験体概要mm2．橋梁ヘルスモニタリングセンサーについて
平成 19 年度共同研究においては、橋梁のヘルスモニタリングを行うためのセンサとして SOFOセンサが有効であることを以下の要素実験により検証した。
30（1）ひび割れ幅計測用センサとしての性能評価
橋梁劣化要因の大きな事象のなかの一つである

303030 20 30

図 3.1.2303030

PC 鋼棒の概要

ひび割れについて、ひび割れ幅計測センサとしての評価を行った。

Concrete）鋼棒（直径 19mm）を配置した。試験体のサイズと形状は図 3.1.1 に示す。

ひび割れ幅センサとしては、π型ゲージがあるが測定範囲が数 cm であり、設置箇所にひび割れ

図 3.1.2 は PC 鋼棒の概要を示す。試験体は 2が発生せず計測できない場合や、長期耐久性およ種類作製した。試験体 A には全ネジでナットなび安定性が適用の課題となっている。

しの PC 鋼棒を、試験体 B には中央に全ネジのその点光ファイバー変位センサ（SOFO）は計PC 鋼棒にナットを取り付けたものを配置した。

測箇所が 25cm ～ 20 ｍと広範囲で、約 20 年の長なお、PC 鋼棒にはひずみゲージを取り付ける。

期安定性が確認されている。

また切り欠き部に引張応力を集中させるために、（2）RC（Reinforced － Concrete）梁試験体の構造

さらに切り欠き部の PC 鋼棒の直径を 9.445mm に性能モニタリングセンサとしての性能評価加工した。なお加工した PC 鋼棒の直径は、芝浦構造物の性能変化を SOFO で適切に評価できる工大実施による解析により 70kN まで引張荷重をことを確認した。

載荷させることができることが分かっているた
め、約 70kN で降伏するように決定した。

3．センサ評価内容

型枠は 100mm × 100mm の面の中央に PC 鋼棒

3.1

ひび割れ幅測定精度確認試験が通るように、直径 20mm の穴をあけたものを使

3.1.1

ひび割れ幅測定精度確認試験体の概要

用した。型枠の詳細は写真 3.1.1 に示す。

試験体は、断面 100mm × 100mm、長さ 400mm

図 3.1.3、 写 真 3.1.2 に 光 フ ァ イ バ セ ン サと、 中 央 に は ひ び 割 れ を 誘 発 さ せ る た め に 幅（SOFO）、パイ型ゲージ（ひずみゲージを使用し20mm ×深さ 30mm の切り欠きを設け、内部にはた変位計） およびひずみゲージの配置を示す。

引 張 力 を 生 じ さ せ る た め の PC（PrestressedSOFO は試験体中央の両側面に 2 本、固定金具を—05_橋梁ヘルス.indd 2525—

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用いて設置した。パイ型ゲージは SOFO に隣接して両側面に取り付けるが、試験体中央に取り付けられないため千鳥に設置することにした。また、ひずみゲージを PC 鋼棒位置のコンクリート表面に貼り付けて、コンクリート表面の引張応力を計測した。

SOFO

写真 3.1.1

PC 鋼棒と型枠
60300100mm

図 3.1.3 センサ取り付け位置
写真 3.1.2 センサ取り付け位置

図 3.1.4 引張試験機と試験体

写真 3.1.3 引張試験機と試験体—

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う。準備が整った地点で荷重を 2.5kN ずつ加え、（mm）
0.4

その都度計測器でひび割れ幅、ひずみ量を計測す+10%る。計測は PC 鋼棒が降伏するまで行った。

0.3

PC 鋼棒が降伏した時点で 1 回目の試験を終了-10%SOFOし、徐荷し、計測器を最初の状態に戻す。その後

0.2

次は 5kN ずつ荷重を加えながらもう 1 度試験を実験結果行った。

0.1

0.00.0

実験結果より、パイ型ゲージと SOFO の計測精0.1

0.20.3

度がほぼ一致することがわかった。なお、図 3.1.50.4（mm）にパイ型ゲージと SOFO で評価したひび割れ幅履

図 3.1.5 パイ型ゲージと SOFO で評価した
ひび割れ幅履歴
3.1.2

ひび割れ幅測定精度確認試験結果

3.1.3

歴を示すが、パイ型ゲージで計測されたひび割れ幅が正しいとすると、SOFO センサで計測されたひび割れ幅測定精度確認試験内容

ひび割れ幅の精度は± 10％以内に十分入るもの

図 3.1.4 に今回使用した荷重制御引張試験機をであり、SOFO センサはコンクリート構造物のひ示すが、引張軸の偏心を排除するため PC 鋼棒のび割れ幅計測センサとして十分な性能を有してい上部は球座の治具を用いて固定した。実際に使用るものと考えられる。

した球座は写真 3.1.3 に示す。
試験手順は、試験体を引張試験機に取り付け荷3.2

ＲＣ試験体による劣化評価

重を加え、切り欠き部のひび割れ発生を確認した

3.2.1

ＲＣ試験体の概要RC 梁試験体の概略を図 3.2.1 に示す。試験体後一旦徐荷し、その後に計測器の計測準備を行な
2×φ16：SR235A
100@82×φ13：SR235
A 100@8ー

D6：SD295A

150mm
200mm

200mm

200mm
2100mm
2500mm

図 3.2.1

試験体概要

写真 3.2.1

試験体写真—05_橋梁ヘルス.indd 27

27—

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加速度計

150mm
200mm

SOFO

200mm

2100mm

下面200mm2500mm

図 3.2.2

RC 試験体概要

加速度計

圧縮鉄筋位置SOFOセンサ

引張鉄筋位置SOFOセンサ

写真 3.2.2 センサ設置状況
は全長 2.5m ×幅 15cm ×高さ 20cm で、試験体のより梁の固有振動数を計測および評価するためにかぶり（鉄筋からコンクリート表面までの最短距試験を実施した。
試験体概要を図 3.2.2 に示すが、圧縮・引張鉄離）はすべて 4cm の RC 単純梁である。
断面には張側鉄筋 2 本、圧縮側鉄筋 2 本、およ筋位置のコンクリート表面、および梁試験体下面

びせん断スパンとなる区間内にはせん断補強筋のコンクリート表面にそれぞれ固定金具を用いて（あばら筋）を 10cm 間隔に計 16 本を配筋した。

計 3 本の SOFO センサを設置し、中央には加速度

なお、引張鉄筋（D16）の降伏点は約 327N/mm 、計を設置し、固有振動数の比較を行った。加速度

引張強さは約 466 N/mm 、伸びは 29% 程度である。

計および SOFO センサの設置状況を写真 3.2.2 にま た、 圧 縮 側 鉄 筋（D13） の 降 伏 点 は 約 345 N/示す。

22mm 、引張強さは約 472 N/mm 、伸びが 26% であ2

試験体への打撃振動はハンマーを用いて行い、2る。写真 3.2.1 に試験体完成写真を示す。
3.2.2

この打撃振動によって生じるコンクリート表面の試験内容

ひずみの挙動を SOFO で、加速度を加速度計に

1）健全時における RC 梁試験体の固有振動数計よって計測した。計測は健全時と曲げ試験によっ測てひび割れを発生させた後にそれぞれ 3 回行っ
橋梁においては劣化が進行し曲げひび割れが発た。なおサンプリング速度は、1000 回 /sec とした。

生すると固有振動数が変化することが知られてい固有振動数は、それぞれのセンサで得られる自由る。そこで光ファイバー変位センサ（SOFO）に振動部分だけの時刻歴応答データを FFT（高速—05_橋梁ヘルス.indd 28

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フーリエ）変換して求めた。また実験で得られた健全時固有振動数0.030

フーリエ・スペクトル

固有振動数の精度検証のために FEM 解析（有限要素法解析）を行い、健全時の固有振動数を求めた（健全時の理論値＝ 69.9Hz）。
2）曲げ試験後（ひび割れ損傷後）の RC 梁試験69.3Hz

圧縮鉄筋位置 SOFO
加速度計
引張鉄筋位置 SOFO
下面位置 SOFO

0.025
0.020
0.015
0.010
0.005

体の固有振動数計測

0,000

同じ試験体を用いて、図 3.2.3 の様に静的載荷

020406080100

周波数（Hz）をおこない中央部分にひび割れを発生させた。ひ

図 3.2.4

び割れ後の固有振動数の精度検証のために本試験

健全時における FFT 変換結果の比較体についても同様に固有振動数を計測した。本試
験体のひび割れ性状は、初期ひび割れが 9kN で、健全時

加速度計

A 面 B 面ともに左載荷点付近に 1 本ずつ、 計 2

下面
位置 SOFO

圧縮鉄筋位置 SOFO

引張鉄筋位置 SOFO

計測Ⅰ

69.3Hz69.3Hz69.3Hz69.3Hz

本発生した。初期ひび割れ発生以降、荷重を増し

計測Ⅱ

68.4Hz69.3Hz80.1Hz70.3Hz計測Ⅲ

69.3Hz69.3Hz69.3Hz69.3Hzていくと A 面 B 面ともに新たな曲げひび割れが3 本ずつ発生し、徐々にひび割れが上方に進展し、最終的に最大載荷荷重 46kN に達したとき計 8 本

表 3.2.1 健全時におけるFFT 変換結果の比較（卓越振動数）

ひび割れが発生し、図に示すひび割れ分布となった。また、最大載荷荷重 46kN 時の最大ひび割れ
幅は A 面の左載荷点付近 ( 点線で囲まれた部分 )3.2.4 の 計 測 Ⅱ の 圧 縮 鉄 筋 位 置 SOFO の 結 果 はに発生し、1.2mm であった。

80.1Hz と、他とは異なっている。69.3Hz は 1 次

3.2.3

試験結果の上下方向曲げの固有振動数であり、80Hz は自1）健全時における RC 梁試験体の固有振動数

由端の前後方向振動数を SOFO は捕らえていると健全時の各センサでの FFT 変換の結果比較を考えられる。試験体側面に取り付けた SOFO は前

図 3.2.4 に示し、各センサにおける計測①～③で後方向の固有振動数も計測できている。の固有振動数結果を表 3.2.1 に示す。

2）曲げ試験後（ひび割れ損傷後）の RC 梁試験

図 3.2.4 で ２ つ の 卓 越 振 動 数 が 観 察 さ れ、 表体の固有振動数評価
ひび割れ損傷後における、各センサでの FFT変換の結果比較を図 3.2.5 に示し、各センサにおA面ける計測①～③での固有振動数結果を表 3.2.2 に示す。
この結果をより、どの計測結果も固有振動数が56.6Hz となり、曲げ試験前の 69.3Hz からの低下した振動数を計測できた。

B面以上の結果より健全時および曲げ試験後のどちらも、SOFO センサから得られる RC 梁試験体に

図 3.2.3

生じる動的なひずみから求めた固有振動数と、加載荷方法とひび割れ発生状況—05_橋梁ヘルス.indd 29

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以上より RC 橋梁中央部に SOFO センサを配置

曲げ試験後固有振動数

フーリエ・スペクトル0.12

圧縮鉄筋位置 SOFO
加速度計
引張鉄筋位置 SOFO
下面位置 SOFO

0.10

すれば、精度よく固有振動数を計測することがで56.6Hzき、ひび割れ発生後の劣化進展状態もモニタリン

0.08

グできることが明らかになった。

0.06
0.04

4．おわりに

0.02
0.00
02040

周波数（Hz）

6080

2 種類の要素試験により、SOFO センサを用い100てコンクリート構造物のひび割れ幅、固有振動数、

図 3.2.5 ひび割れ損傷後における FFT 変換結果の比較

劣化における固有振動数の変化を的確に捉えることが確認できた。今後は実橋梁でのデータを蓄積

曲げ後

加速度計

下面位置 SOFO

計測①56.6Hz

56.6Hz56.6Hz

56.6Hz計測②

56.6Hz56.6Hz56.6Hz56.6Hz計測③

56.6Hz56.6Hz56.6Hz56.6Hz表 3.2.2

圧縮鉄筋
位置 SOFO

引張鉄筋
位置 SOFOし、実橋梁劣化診断の有効なツールとしていきたい。
また本試験は芝浦工業大学との共同研究であり、FEM 解析、試験実施、評価に関してご指導いただいた勝木太教授、魚本健人教授、勝木研究室、魚本研究室の皆様に深く感謝します。

損傷後における FFT 変換結果の比較

参考文献

速度計から得られた固有振動数がほぼ一致したこ（1）コンクリート診断技術（日本コンクリート工とより、SOFO センサが固有振動数を加速度計と学協会）同等の精度で評価できることが分かった。このこ（2）コンクリート構造物のヘルスモニタリング技とより、曲げひび割れの影響を受けることなく動術（土木学会）的計測を継続的に行うことができることが確認できた。

計測事業部

計測技術部

構造物グループ 次長
コンクリート診断士

河野豊

TEL. 045-759-2160
FAX. 045-759-2161—05_橋梁ヘルス.indd 30

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