モアレ縞の原理を用いたひずみ可視化デバイスの実用化に向けた検証(株)IHIインフラ建設

正会員

○小林 崇

(株)IHIインフラ建設

正会員 工修赤松 輝雄(株)計測リサーチコンサルタント

梅本 秀二(株)計測リサーチコンサルタント

大町 正和

キーワード：モアレ縞，ひずみ可視化デバイス，耐候性・耐腐食性，動的モニタリング
１．はじめにわが国では，橋梁のストック数が膨大となり，供用期間を50年超える橋梁数も増加している。これらの橋梁では老朽化が進んでおり，国土交通省は平成26年より効率的な維持管理を行うために5年に1回の頻度で近接目視を基本とする定期点検を実施，橋梁の損傷状況の把握，健全性の診断を行っている。橋梁の近接目視では，鋼部材の腐食や亀裂，破断，コンクリート部材や床版のひび割れや浮き，そのほか支承の機能障害など外観変状の把握が行われる。これに対して梅本らは，構造物に作用する応力を目視により確認できる新たなデバイスとしてモアレ縞の原理を用いた「ひずみ可視化デバイス」を開発した
1)。ひずみ可視化デバイスは，文字形状の格子としたモアレ縞によりおおよそのひずみを目視により確認できる（図－１）。また，一般的なデジタルカメラの画像を解析することで高精度なひずみが確認でき，足場のない箇所での望遠やドローンによる撮影にも対応できる。これに加え，ひずみの確認に特別な測定器や電源を使用しないことから，主として電気式のセンサーが使用される構造物の応力状態を計測する新たな手法としてモニタリングなどへの活用も期待できる。
本稿では，ひずみ可視化デバイスの点検やモニタリングなどへ

図－１ ひずみ可視化デバイス
pの実用化に向けて行った耐候性や耐腐食性などの耐久性，輪荷重

直線格子 1により発生する動ひずみへの適用性の検証について報告する。
p+ΔpW

直線格子 1２．ひずみ可視化デバイスの概要

直線格子 2p２．１ モアレ縞の原理
モアレ縞は，図－２(a)に示すようにピッチp の直線格子１とそのピッチよりΔp（≪p）ほど大きいピッチ p＋Δp の直線格子２を重ねると現れる格子１，２より大きいピッチWの縞であり，そWの関係は式(1)で表される。

W =p +Δp∙ pΔp(1)図－２ モアレ縞の原理
表－１ ひずみ可視化デバイスの仕様

図－２（b）のように，格子１を右方向にピッチp ほど動かす

標点間距離105mmと，モアレ縞は右方向にピッチWほど動く。つまり，微小変位p

判読容量±500με（F.S.=1000με）

を視覚的に拡大表示することができる。ひずみ可視化デバイス

可視化分解能50με

非直線性

1% of F.S.

は，この原理を用いて拡大表示することで数値の可視化や画像繰返し精度（2σ）±10με

処理による微小変位の算出を可能とし,その微小変位 Δp を標外形寸法17mm×120mm×6.8mm

点間距離Lで除することでひずみε（＝Δp /L）を算出する。

極 性＋：引張，－：圧縮

２．２ ひずみ可視化デバイスの構造と仕様
ひずみ可視化デバイスは，格子を生成した2枚のガラスプレートと温度補償用の鋼製の板で構成され，固定リングでユニット化されている。ひずみ可視化デバイスの仕様を表－１に，形状を図－３に，構造を図－４にそれぞれ示す。

図－３ ひずみ可視化デバイスの形状

３．耐久性の検証
フロントプレート

３．１ 耐候性の検証
リアプレートひずみ可視化デバイスの耐候性を検証する。検証は耐候性促接着進試験機で太陽光の紫外線波長に近いキセノン光を照射する

接着

接着ことにより行い，試験の条件はJIS K7350-2「プラスチック－温度補償板

実験室光源による暴露試験方法－第2部：キセノンアークラン

固定リングプ」を参考にした。表－２に試験条件を示す。ここで，促進耐図－４ ひずみ可視化デバイスの構造
表－２ 耐候性試験の条件候性試験では何時間が屋外暴露試験の何年に相当するかという時間的関係が課題となる。本検証では，ひずみ可視化デバイスに求める耐候性を定期点検2回分となる10年とし，放射照度180W/m2でメラミンアルキド系の焼付塗料で促進試験を実施した
場合，光沢を指標として促進倍率を計算すると赤試験機

スーパーキセノンウェザーメータ

サイクル照射：102min，照射＋水噴霧：18min / 1 サイクル
約 2000 時間

試験時間2

放射照度180W/m （波長範囲 300-400nm）

温湿度

ブラックパネル温度 63℃
湿度 50%RH，槽内温度：38℃

色で150時間，白色で250時間が暴露1年分に相当す
るとのデータ2)より，紫外線積算量で比を取った2000時間を暴露10年相当とした。試験では，一定時間経過ごとに試験機より試験体を取り出し，目視により構成材料の表面の割れの有無や変色を確認するとともにデジタルカメラ画像の解析，貼付した平(a)2068 時間後（劣化無し）板を曲げたときのモアレ縞の動作を確認した。
図－５に促進試験2068時間を経過したひずみ可視化デバイス
およびキセノン光の照射により劣化した例として旧型のひずみ可視化デバイスの外観を示す。旧型のひずみ可視化デバイスは，(b)キセノン光の照射で劣化した例

格子の生成に使用した樹脂の劣化により表面でベタつきや剥離

図－５ 耐候性試験後の外観を生じ，739時間で画像の解析が不能となった。これを受けて格子の生成材料を金属メッキに改良したひずみ可視化デバイスは，2000時間経過後も画像の解析，動作とも問題ないことが確認された。
３．２ 耐腐食性の検証

表－３ 耐腐食性試験の条件
試験機

複合サイクル試験機

サイクル(8hr)

塩水噴霧（5%NaCl 水溶液、槽内温度：35℃）：2hr
乾燥（槽内温度：60℃，湿度 30%RH） ：4hr
湿潤（槽内温度：50℃，湿度 95%RH） ：2hr

試験時間

約 800 時間

ひずみ可視化デバイスの耐腐食性を検証する。
検証は複合サイクル試験機により塩水噴霧と乾燥，湿潤を組み合わせて行い，試験の条件はJASO M609
「自動車用材料腐食試験方法」を参考にした。表－３に試験条件を示す。JASO M609と同等のJIS H8502「めっきの耐食性試験方法」では，銚子や直江津のような海岸部での暴露1年の腐食量と連続中性塩水噴霧試験240時間の腐食量が同等であり，JIS H8502による複合サイクル試験は連続中性塩水噴霧試験の3倍程度の腐食促進効果があるとされている3)。これより，80時間の試験を海岸部での暴露1年相当とし，ひずみ可視化デバイスに求める耐腐食性を耐候性と同様10年以上として試験時間を800時間とした。試験では，耐候性試験と同様に一定時間経過ごとに試験機より試験体を取り出し，発錆の有無やデジタルカメラ画像の解析，モアレ縞の動作を確認した。
図－６に800時間の複合サイクル試験後のひずみ可視化デバイスの外観を示す。ここでは，腐食劣化した例として表面処理の異(a)800 時間後（劣化無し）なる旧型のひずみ可視化デバイスも併せて示した。劣化した旧型のひずみ可視化デバイスの鋼製部品は，無電解ニッケルメッキ（5μm×1層）の表面処理が施されていたが，最初に確認した121時間ですでに発錆，動作しない状態であった。これに対して鋼製部品に亜鉛合金メッキ（5μm×2層）の表面処理を施したひずみ可(b)腐食劣化した例

視化デバイスは800時間経過時点で発錆は見られていない。最終

図－６ 耐腐食性試験後の外観的に試験を終了した暴露約19年に相当の1520時間後でも発錆はなく，動作や計測精度も問題なく高い耐腐食性を有することが確認された。
４．動ひずみ計測への適用性の検証
梅本らは，ひずみ可視化デバイスの開発に際して鋼桁の静的曲げ載荷試験やモルタル円柱供試体の圧縮試験などひずみの発生速度が緩やかな状態でその性能を確認している4),5)。しかし，構造物のひずみは収縮や温度変化などによっても生じるため，定期点検など異なる条件

図－７ 走行疲労試験状況のなかで確認したひずみを単純に比較することは難しい。このため，点検やモニタリングに適用した場合には，同じ重量の車両を通行させて生じるひずみや一定時間車両を通行させてその間に生じるひずみの量と頻度で評価することも考えられる。そこで，床版の走行疲労試験に際して床版下面にひずみ可視化デバイスを設置，ビデオカメラで撮影したモアレ縞の挙動を解析して，輪荷重の走行により生じる動ひずみの計測への適用性を検証した。
走行疲労試験を行う試験体は，長さ2.06m，幅2.8m，厚図－８ 床版形状およびひずみ計測位置

さ220mmで直角方向にプレストレスを導入した床版2体をRC構造で接合した幅380mmの間詰部を有する長さ4.5m（床版支間2.5m）の床版である。試験は，床版上に並べた500mm

ひずみ可視化デバイス

×200mmのブロック上の中央より±1.5mの範囲で鉄輪を時速7.2km（2400回/h）で走行させて行う。ひずみ可視化(b)ひずみ可視化デバイス

デバイスは，床版下面で直角方向に1ヶ所（測点A），走行方向に2ヶ所（測点B,C）設置，併せて配置した電気式のひモニタリングカメラ

ずみゲージと比較した。図－７に走行疲労試験の状況を，
図－８に床版の形状と走行範囲，ひずみの計測位置を，図－９に計測状況を示す。ここで，動画の撮影には解像度200万画素の高解像度CMOSカメラ(USBカメラ)を使用，サンプリング速度を測点A,Bは5Hz，測点Cは15Hzとした。

(a)計測状況(c)モニタリングカメラ

図－９ 床版下面ひずみ計測状況

図－１０に動ひずみの計測と併せて確認した床版中央に350kN・450kNの面荷重を静的に載荷したときのひずみを示す。測点Aでは引張ひずみが確認され，350kN載荷時の値は電気式ひずみゲージに比べてひずみ可視化デバイスは20μ程度大きい。測点Cでは圧縮ひずみが確認され，その値は12μ程度小さい。また，
測点Bは電気式ひずみゲージ，ひずみ可視化デバイスとも値が小さく，比較の難しい誤差程度である。

150
引張 →

図－１１に測点A,Cにおける輪荷重によるひずみの発ひずみ（μ）

生挙動を示す。ここで，測定されたひずみは，静的載荷と同様に測点Aではひずみ可視化デバイスが電気式ひずみゲージに比べて大きく，測点Cでは小さい値であったが，が概ね一致するようひずみ可視化デバイスの挙動をスラ
鉄輪が中央を過ぎて左側で折り返す前後で，測点Cでは左側の折り返し時点で差異が見られる。ひずみ可視化デバ-50-100ﾃﾞﾊﾞｲｽ
ひずみゲージ（μ）
差

350kN

450kN350kN

450kN

350kN

450kN

114

136

5-2-24-3493111

56-36-51

21250-81217

測点B
測点B
350kN 450kN

測点C
測点C
350kN 450kN

図－１０ 静的載荷によるひずみの発生
測点A

160

瞬間的なひずみの解放に対して若干遅れた可能性があ

電気式ひずみゲージ（100Hz）

床版中央通過（左→右）

床版中央通過（右→左）140
ひずみ（με）

荷重の走行により生じる動ひずみの計測へのひずみ可視

0

測点A
測点A
350kN 450kN

イスの構造上，強制的に発生するひずみには追従したが，る。ただし，挙動とそのピーク値はほぼ一致しており，輪電気式ひずみゲージ

50

← 圧縮

両者のひずみの挙動を比較するため，圧縮側のピーク値イドさせて示している。測点Aでは図－８の右側から来たひずみ可視化デバイス
100

ひずみ可視化デバイス（5Hz）120

1008060化デバイスの適用性が示された。また，この時のサンプリ

図－8左側折り返し

40ング速度は，5Hzの測点Aに比べて15Hzの測点Cの精度が良

図－8右側折り返し

20051015時間（s）

く，データの容量からも15Hz程度が適当である。

202530(a)測点 A（サンプリング速度 5Hz）
測点C

60５．まとめ
視によりおおよそのひずみを，画像の解析により高精度なひずみを確認でき，また，ひずみの確認に電源などを必要としないことから，構造物の応力状態のモニタリング

ひずみ（με）

モアレ縞の原理を用いたひずみ可視化デバイスは，目腐食性，動ひずみ計測への適用性の検証により得られた知見を以下に示す。

図－8右側折り返し

電気式ひずみゲージ（100Hz）
ひずみ可視化デバイス（15Hz）

200-20-40-60

床版中央通過（左→右）-800などへの活用が期待できる。ひずみ可視化デバイスの点検やモニタリングへの実用化に向けて行った耐候性や耐図－8左側折り返し

405床版中央通過（右→左）1015時間（s）

202530(b)測点 C（サンプリング速度 15Hz）
図－１１ 輪荷重の走行によるひずみの挙動

・ひずみ可視化デバイスは，紫外線に対して10年，大気腐食に対しては20年近い耐久性を有する。
・ひずみ可視化デバイスは，ビデオカメラで撮影した動画の解析により動ひずみの計測が可能である。
ひずみ可視化デバイスは，直線格子を数字の形状とすることによりひずみの可視化を可能としており，画像解析によりその精度は向上する。また，今回の検証で動ひずみの計測は，カメラをノートパソコンに繋いだ状態で動画を撮影した。近年，点検などにタブレットが活用されている。これを用いて現地で撮影，その場で画像解析を行うことより迅速に高精度なひずみを確認でき，また，ケーブルや電源を使用せず動画の撮影が可能であり，より実用性が向上するものと思われる。
【参考文献】
1) 梅本秀二・松尾恵輔・大町正和・宮本則幸・高木健・青山忠義：インフラ構造物に作用する応力の見える化－ひずみ可視化シート－，ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集，1P1-B04，2017．
2) スガ試験機（株）：耐候性を極める，https://www.sugatest.co.jp/function/（閲覧日2020,5,14）.
3) （財）日本ウエザリングテストセンター：促進暴露試験ハンドブック〔Ⅱ〕促進腐食試験，2009.4.
4) 梅本秀二・高木健・大畑秀之・宮本則幸・岡本卓慈・石井抱：モアレ縞を用いたひずみ計測および可視化技術，実験力学，Vol.12，No.3，pp.201-206，2012.9.
5) 梅本秀二・大町正和・宮本則幸・岡本卓慈・高木健・石井抱・青山忠義：ひずみ可視化シートの改良とコンクリートへの適用，土木学会第68回年次学術講演会，Ⅵ-108，pp.215-216，2013.9.