RAIMS Research Association for Infrastructure Monitoring System RC桁のモニタリング技術の評価 その2 実証モニタリング技術の概要と測定例 (4) 固有振動数分析技術 電池駆動無線加速度センサ 電池駆動 9MHz帯域の無線マルチホップ通

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1 RC 桁のモニタリング技術の評価 ( その ) 現場実証実験対象橋梁の概要 試験車両 (t) 橋梁名称 : 五福 4 号橋 ( 富山市 ) 竣工年 : 昭和 年 ( 供用 89 年 ) 構造形式 : RCT 桁橋 ( 橋台 基 橋脚 基 径間 ) 橋長 : 橋長.7m( 支間長 6.m) 総幅員 : 総幅員 6.m 実証モニタリング技術の概要と測定例 桁下 センサ設置状況 電池駆動無線 加速度センサ () 変位計 変位センサによりたわみをモニタリングします 約.mm の主桁のたわみを検出しました 軸加速度 センサ 固有振動数計 サーボ型 加速度計. 変位計変位計主不動梁主桁桁 支間中央位置 変位計設置状況 不動梁変位計護岸 支点位置 鉛直変位 (mm) 主桁 A( 下流側 ) 主桁 C( 幅員方向中央 ) 時間 (s) 7 8 車両実験変位測定結果 () サーボ型加速度計 () 固有振動数計 サーボ機構を有し 微小振動を高感度で測定可能です 主桁の固有振動周期はいずれのセンサの分析結果も Hz 周辺にピークが存在しました モジュール内で加速度センサの測定結果から固有振動数を演算 記録します 主桁の固有振動周期はいずれのセンサの分析結果もHz 周辺にピークが存在し サーボ型加速度計の結果とほぼ一致しました サーボ型加速度計 固有振動数計サーボ型加速度計測定データFFT 解析結果の一例 周波数 (Hz) 固有振動数計 固有振動数計測定データ FFT 解析結果の一例 周波数 (Hz 周波数 (Hz)

2 RAIMS Research Association for Infrastructure Monitoring System RC桁のモニタリング技術の評価 その2 実証モニタリング技術の概要と測定例 (4) 固有振動数分析技術 電池駆動無線加速度センサ 電池駆動 9MHz帯域の無線マルチホップ通信機能を備えた加速度センサで小型 安価 かつ 配線フリーによる 設置容易性が特長です 主桁の固有振動周期はいずれのセンサの分析結果もHz周辺にピークが存在しました 5km/h 中央 Webブラウザー OKI関西拠点 遠隔拠点 ルーター 振幅スペクトル(gal s) クライアント DBサーバー ゲートウェイ MQTT Broker Vsphere ESXi 6. OS Ubuntu 4.4 FQDN raims.okilab.net MQTT Publisher FOMA G 9MHz無線 伝送レート kbps クライアント Vsphere Client スリープルータ MEMS加速度センサー MQTT MQ Telemetry Transport (IoT向け軽量通信プロトコル).5 衝撃加振(上り) 衝撃加振(下り). 5km/h 下流側 5km/h 上流側 衝撃加振 上り.5 衝撃加振 下り..5 周波数(Hz) 電池駆動無線加速度センサ及びデータ収集システム 4 固有振動数分析結果の一例 (5) 低周波加速度特徴解析 3軸加速度センサ 低周波応答を高精度化した軸加速度センサにて継続的に測定したデータから 傾き たわみ 振動について解析 します 主桁の固有振動周期はいずれのセンサの分析結果もHz周辺にピークが存在しました. 試験4- 車両重量t 5km/h 下流側上り. 強度 試験4- 車両重量t 5km/h 下流側下り 試験4- 車両重量t 5km/h 中央上り 車両重量t 5km/h 中央下り 試験4-4.. 主桁下面に設置した例 橋面上に設置した例 軸加速度センサ設置状況 5 5 周波数 Hz 5 低周波加速度特徴解析の一例: (6) 振動可視化分析 橋梁の振動姿態分析結果から 主桁や 床版損傷の可能性が示唆されています 橋脚 解析S W 護 橋 岸 台 9 Hz スロープ側 主桁C 主桁A スロープ側 ①9 Hz 加速度センサ 加速度センサ配置平面図 ② Hz スロープ側 スロープ側 ③6 Hz ① ③ たわみ1次モードに類似 ① 端部が上下に振動 他モードにも重畳 たわみ二次モードに類似 ② ③ 66 Hz Hz 振動センサを分散配置させた多点 同時計測法により構造体の振動 モードを推定 上流 主桁C(中央)特異な挙動あり 主桁B 剛体モード データ処理機器 主桁B-C間に位相ずれ 主桁C 主桁B 加速度センサ 下流 主桁C(中央)特異な挙動あり フーリエスペクトル 測定位置 7 振動可視化分析結果の一例 RAIMS 検索

3 系の崩壊RAIMS Research Association for Infrastructure Monitoring System RC 桁のモニタリング技術の評価 ( その ) RC 桁のモニタリング技術の概要 橋梁の中でも割合が多い支間長 ~m 程度の RC 桁橋の維持管理の効率化 高度化を目的としたモニ タリングシステムの研究及び実証を行っています 具体的には RC 桁のたわみと振動特性を把握すること により 劣化の有無や劣化の進行状況を把握することを目的として 室内実験や現場実証実験を行ってい ます 検証技術の一覧 主桁 橋脚 振動 たわみ 周期性のある往復運動 ( 振動数 振幅 減衰他 ) 荷重等により主桁が下方に湾曲する変形 橋脚 分類 センサ設置型 遠測望定型 たわみ 振動 画像 その他 導入技術 備考 変位計たわみ値を計測 サーボ型加速度計サーボ系により加速度測定 固有振動数分析技術電池駆動無線加速度センサ 低周波加速度特徴解析 軸加速度センサ 固有振動数計機器内で分析 振動センシング高感度振動センサ 画像センシング 動画像から表面変位を計測 サンプリングモアレ法格子シールを撮影して計測 たわみ 振動特性のモニタリング モニタリングの役割と適用性 RC 桁のたわみ 振動特性のモニタリングの概要を以 RC 桁のたわみ 振動特性のモニタリングにより 橋梁のラ 下に示します イフサイクルの各段階における維持管理を効率化 高度 RC 桁のたわみモニタリング 化します 劣化とともに活荷重たわみ 残留たわみともに 位置付け点検の補助診断の補助緊急時の対応の補助 徐々に増大し その増分も徐々に大きくなり 系の 崩壊に至る直前にたわみが急増して崩壊に至りま 対象時期主に進展期主に加速期 劣化期初期 劣化期末期 たわみ す たわみの絶対値や増加の傾向をモニタリング し 劣化の有無や劣化の進行状況を把握します RC 桁の振動モニタリング 主桁の振動特性として共振周波数に着目し 劣化 に伴う共振周波数の変化を把握することで 劣化 の有無や劣化の進行状況を把握します 周波数 加速度測定データ解析より 共振周波数が徐々に低下 曲げひび割れ 活荷重たわみ 鉄筋腐食 時間 以下を仮定 積載荷重が規則的に一定 気温変化の影響なし 活荷重たわみの増大剛性の低下 腐食ひび割れ発生 自重たわみ 剥離 剥落 残留たわみ増大 潜伏期進展期加速期劣化期 たわみの急増本概念図では 簡単のため 要求性能他 技術と適用性 目的 評価精度 センサ精度 迅速な処置 変状有無の把握 ( 優先順位の設定 ) 変状発生を検知したり 剛性などの性状変化を把握することで 定期点検における対象範囲にメリハリをつけて点検を効率化する また 近接が難しい点検困難箇所における劣化状態を確認することで点検精度の向上を図る 比較的低くて良い ~ 高い 変状部位 程度の把握 劣化状態や進行速度を定量的に確認することにより 構造物毎の健全度の優劣や措置の実施時期を判断する指標とする 高い 危険性有無の把握 ( 通行止め 制限の判断 ) 劣化損傷が進行している構造物において耐荷力に影響する変状を監視することにより 供用中の安全を確保するとともに 必要に応じて通行止めや通行制限などを行うための判断指標とする 高い 高い高い比較的低くて良い 不要 不要 比較的必要 導入コスト数万円 / 橋 数十万円 / 橋 数百万円 / 橋 非常設加速度センサ たわみ計 画像センシンク サンフ リンク モアレ 常設 定期回収 常時伝送 加速度センサ ひずみ計 クラックケ ーシ 振動センシンク 加速度センサ たわみ計 ひずみ計 クラックケ ーシ 振動センシンク 必要

4 概要 塩害に関するモニタリング技術の評価 ( その ) 塩害を模擬した腐食促進試験を実施し 塩分浸透や鉄筋腐食の検知モニタリング技術の適用性ついて検討を行いました 室内試験の概要 + mv - 供試体 センサ設置 モニタリングデータ取得腐食の評価腐食促進試験 モニタリング技術の適用性評価 非破壊検査による耐荷力低下検知の検証 内部鉄筋へ 内部鉄筋へ 銅板へ 銅板 供試体作製 塩水浸漬電食試験 耐荷力試験 塩水 塩水 (% 及び 高濃度 ) 銅板 銅板 鉛照合電極 エキスパンションリング ミニセンサ 腐食センサ 直流電圧計 鉛照合電極 底面状況 計測装置 センサ エキスパンションリング センサ設置位置 腐食試験及び計測状況 測定結果例と評価 塩分浸透を検知するモニタリング技術 躯体表面からの段階的な塩分浸透状況を自然電位の 低下 抵抗値の変動等での検知が可能です 鉄筋腐食を検知するモニタリング技術 外観変状が表れる前からの鉄筋腐食を自然電位の低 下等での検知が可能です エキスパンション リング システム 自然電位 (mv) 浸漬開始 6 9 測定日 ( 日 ) -5mV 以下で腐食可能性 9% 躯体表面から 5 の順 電食開始 GBRC 腐食試験法 埋設型ミニセンサー 自然電位 (mv) mV 以下で腐食可能性 9% 浸漬開始 電食開始 6 9 測定日 ( 日 ).E+8 浸漬開始 電食開始 浸漬開始 電食開始 4 腐食センサ 抵抗値 (Ω).E+6.E+4.E+.E+ 4 躯体表面から 4 の順 抵抗増加で腐食可能性あり 6 9 測定日 ( 日 ) 鉛照合電極 自然電位 (mv) 自然電位は閾値 (-5mV) で 抵抗値は 6 9 測定日 ( 日 ) -5mV 以下で腐食可能性 9% 健全時からの変動で腐食環境を把握可能

5 塩害に関するモニタリング技術の評価 ( その ) モニタリング技術の現場実証試験 飛来塩分 凍結防止剤の利用等によって厳しい塩害環境下にある既設橋梁を対象として現場実証試験を 行い 劣化過程に応じたモニタリング技術の適用性を検証しています 塩害による劣化 鉄筋の腐食開始 コンクリートにひび割れ発生 潜伏期進展期加速期劣化期 塩分浸透を検知するモニタリング技術 使用期間 性能低下 鉄筋腐食を検知するモニタリング技術 予防保全への活用 事後保全への活用 親不知海岸高架橋 劣化過程に応じたモニタリング技術 ワッペン 薄板モルタル 腐食センサ 配線 海側 山側 劣化環境を検知 塩分浸透を検知 配線 ミニセンサ 鉛照合電極 桁端部 桁端から 5m 離れた位置 センサ設置位置 鉄筋腐食を検知 抵抗値 (Ω) 測定値変化の予想 ( 表面側から抵抗値が増加 ) 実測期間 (5 ヶ月 ) 表面側 表層側 奥側 電位 (mv) 実測期間 (5 ヶ月 ) -5mV 継続測定 海側 桁下 山側 継続測定 測定値変化の予想 ( 海側から鉄筋の電位が低下 ) 測定期間 ( 月 ) 測定期間 ( 月 ) 測定状況 腐食センサの測定結果と変化の予想 鉛照合電極の測定結果と変化の予想

6 橋梁モニタリングに利用する無線方式の通信性能評価 () 定点収集型モニタリング概要 橋梁の床版 桁など広範囲に設置されたセンサのデータをマルチホップ無線 ( ) で集め ゲートウェイを介して遠隔の収集サーバへ送信することで 現地に行かずにデータを収集する技術です 電池駆動の無線センサなので センサ設置の際に配線工事が不要となります 測定結果 測定したデータをセンサ間でバケツリレー式に伝送する無線通信技術 センサ設置場所の間でマルチホップ無線通信が可能であることを確認するために 高速道 路の橋梁の各所で通信可能範囲を測定しました その結果 外側の桁でマルチホップ中継 することにより 定点収集型モニタリングが可能なことを確認しました 大森川橋 収集サーバ G/LTE 回線 外側の桁と床版 中央桁間での無線通信を確認 大森川橋 無線センサ 無線センサ ゲートウェイ 近隣の非常電話 電柱等にゲートウェイを設置 無線センサゲートウェイ ( 電柱 ) ゲートウェイ ( 非常電話 ) 外側の桁から非常電話 電柱への無線通信を確認 ( 国土地理院の空中写真 CTO7-C-6 に加筆 ) () 巡回収集型モニタリング 概要 8km/hの車で走りながらセンサデータを無線で収集する技術です 特定小電力無線のため 道路側の送信機は免許不要で設置できます 測定結果 設置場所や走行位置を変えても 約 ~mの範囲で安定してデータを受信しました 日常点検のパトロール車や他業務で広域を定期巡回する車両でデータを収集できます ( 設置場所 ) 防護柵 遮音壁 支承部 7 <RSSI ( ) 測定結果 > 6 正常に通信可能な範囲 5 (-8dBm 以上 ) 4 ( 走行位置 ) 下り線 受信機 ( 車載 ) 送信機 ( 遮音壁 ) 下り 走行車線 (8km/h) -4 上り線 -5 十分な RSSI RSSI -6 受信限界 RSSI:Received Signal Strength Indicator( 無線受信強度 ) 国土地理院の地図に加筆

7 阿蘇長陽大橋の復旧におけるモニタリング技術の活用 事業主体 : 国土交通省九州地方整備局熊本復興事務所 橋の振動試験を実施 段差から車両を落下させることにより 橋に小さな振動を与えました 高性能加速度計を用いて 補修の前後 での橋の揺れ方の違いを計測しました 補修効果を確認する原理及び計測結果 充填したコンクリートが適切に効果を発揮すれば 橋の揺れ方が変化します その橋の揺れ方の変化をICT 技術を活用して見える化することにより 補修効果の確認が可能となります 断面を貫通するひび割 れによる抵抗力の低下 充填したコンクリート による抵抗力の回復 出典 : 国土交通省国土技術政策総合研究所 熊本地震復旧対策研究室

8 memo.

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