構造ヘルスモニタリングを支えるFBGセンサーの成功事例

近年、インフラの老朽化が深刻な問題となっており、特に橋梁はその影響を大きく受けています。多くの橋梁が耐用年数を迎え、定期的な点検や補修が必要です。

構造ヘルスモニタリングとは

構造ヘルスモニタリングは主に、センサー、データ収集システム、データ解析ソフトウェア、通信インフラ、通知・警報システムで構成され、これらを適切に活用することで、効果的な構造ヘルスモニタリングシステムが可能になります。

構造ヘルスモニタリングのメリット

構造ヘルスモニタリングにおけるセンサーの課題

構造ヘルスモニタリングには上記のようなメリットがある一方で課題もあります。特にセンサーに関しては、以下のような課題があります。

構造ヘルスモニタリングに使われるセンサー技術

橋梁の構造ヘルスモニタリングにおいては、様々な不具合を見つけるためにセンサーを使った計測が行われます。以下は橋梁の構造ヘルスモニタリングに使用される代表的な計測項目・不具合・センサーの例です。

計測項目	不具合例	センサー例
歪み	亀裂、疲労損傷	光ファイバーセンサー、歪みゲージ
温度	温度膨張・収縮による損傷	光ファイバーセンサー、温度センサー
振動	構造振動、地震応答	加速度センサー
圧力	亀裂、構造的変形	ワイヤーセンサー
変位	構造変位、たわみ	レーザー距離計、LVDT
傾き	基礎の沈下、傾斜	加速度センサー
劣化	亀裂の発生・進展	超音波センサー、ハイパースペクトルカメラ

特に以下のセンサーは橋梁をはじめとした構造ヘルスモニタリングでよく用いられます。

構造ヘルスモニタリングにおけるFBGセンサーのメリット

FBGセンサーは光ファイバーセンサーの一種で構造ヘルスモニタリングに最適な技術です。FBGセンサーは、以下のような特長により、橋梁の安全性の確保に役立ちます。

FBGセンサーはこれらの特長で橋梁の状態を的確に把握し、予防保全や迅速な対応を可能にします。

構造ヘルスモニタリングを支えるFBGセンサー事例

鋼橋におけるFBGセンサーによる溶接継手の応力測定の改善

中国の杭州にある京杭大運河に架かる鋼橋において、溶接によって接合された部分は複雑な形状や材料の特性を持つことが多いため、どのような力がどの程度かかっているかを正確に測定することは非常に難しい課題でした。特に、溶接された部分の力を正確に測定できないことで、構造物の安全性の評価が困難となり、全体の信頼性や耐久性に対する不安がありました。

浙江大学土木工学部の研究チームは、数ある応力測定技術の中からFBGセンサーを選びました。その理由は、高い測定精度と温度の変化によって生じる測定誤差を自動的に補正する機能にありました。他の機械的センサーや電気的センサーと比較して、FBGセンサーは小型で軽量、また電磁波干渉や腐食に対する耐性も持っているため、過酷な環境下でも安定した性能を発揮します。特に、温度変化による応力の変動を正確に測定できる点が決め手となりました。

2015年10月からの橋梁建設期間中に構造ヘルスモニタリングとしてFBGセンサーを導入した結果、溶接部分にかかる力を正確に測定できるようになりました。これにより、温度変化による材料の膨張や収縮の影響で変化する力を正確に測定でき、構造物の安全性評価に大きく貢献しました。結果として、構造物の信頼性が向上し、維持管理や保守の計画もより的確に行えるようになりました。

参考：Xu, J.; Jiang, S.; Wei, T.; Rao, Y.-J. Advances in Distributed Fiber Optic Temperature and Strain Sensor Technologies. Sensors 2018, 18, 491.

地下構造物の構造ヘルスモニタリングシステム

南中国の埋立地にある地下トンネルは、車両の振動や潮位、降雨、気温などの環境要因に敏感で、亀裂が生じたり、構造物の一部が歪むなどの問題がありました。そのため、安全性を確保するために継続的な保守と検査が必要でした。

中山大学土木工学部は、FBGセンサーを使用した統合リモートリアルタイム構造ヘルスモニタリングシステムの導入を決定しました。このシステムは、車両による振動や環境要因の影響を継続的かつリアルタイムで監視し評価できます。

このシステムの導入により、地下トンネルの状態を継続的かつリアルタイムで監視、評価することが可能となりました。これにより、適切な維持管理や修理を行うことができ安全性を確保できるようになりました。さらに、リアルタイムに問題を把握できるため、大規模な修理が必要になる前に対処でき、長期的なメンテナンスコストの削減にもつながりました。

参考： Yin, S.; Yu, X.; Dai, Y. Fiber Bragg Grating Sensors for Distributed Strain Measurement: A Review. Sensors 2019, 19, 2849.

構造ヘルスモニタリング向けFisens FBGセンサー

橋梁の安全性と長寿命化を目指すみなさまにとって、FisensのFBGセンサーは非常に役立つ製品です。他のFBGセンサーと比較して低価格でありながら、高精度な測定能力と優れた耐環境性能により、橋梁をはじめとした構造物の安全性を確保し、長寿命化を支援します。

まとめ

構造ヘルスモニタリングは、老朽化が進むインフラの安全性を維持するために重要な技術です。特にFBGセンサーを用いることで過酷な環境においてもリアルタイムの状態監視が可能となり、異常の早期発見や保守コストの削減に貢献します。