Identification of cause of fatigue damages in steel bridges using MEMS sensor

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14717
• Research Institution: Tokyo City University
• Principal Investigator: 関屋 英彦 東京都市大学, 工学部, 准教授 (60743309)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 鋼橋 / 疲労損傷 / MEMS慣性センサ / 変位応答計測 / 回転応答計測 / 補修 / 補強 / 維持管理

Outline of Annual Research Achievements

鋼橋に生じる疲労損傷に対する適切な補修・補強を行うためには，高い応力を引き起こしている車両重量による変形挙動を計測することが重要である．特に，鋼床版は，車両重量により複雑に変形することが知られており，現場における簡易な変形挙動計測の技術開発が求められている．なお，鋼床版とは，RC床板と比べ，軽量であり，さらに高い施工性を有していることから都市部における高速道路にて多く採用されている床板である．
そこで本研究では，MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術に基づくMEMSセンサを活用することによって，車両重量による鋼橋の変形挙動を計測し，疲労損傷の発生メカニズムの同定を行うことを目的とした研究に取り組んでいる．
2017年度までに，MEMSセンサを用いた加速度計測によって，橋梁の鉛直方向（z方向）の変位応答だけでなく，橋梁の長手方向（x方向）における変位応答の計測も精度良く実施できることが確認できた．また，現在使用しているMEMSセンサの計測システムはCANケーブルを用いたシステムとなっており，橋梁の変形挙動計測を行う上で十分な同期精度を有していることが確認できた．
2018年度は，供用中の鋼床版橋梁にて，MEMSセンサ・接触式変位計・ひずみゲージを用いて，現場計測を行った．現場計測の結果，MEMSセンサを用いて，車両重量による鋼床版橋梁の全体挙動の計測が可能であることが分かった．さらに，MEMSセンサによる回転応答の計測と変位計測結果から，車両重量による鋼床版縦リブの変形挙動を同定することができる可能性を示した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2017年度までに，MEMSセンサを用いた加速度計測によって，橋梁の鉛直方向（z方向）および橋軸方向（x方向）における変位応答の計測が可能であることを示した．また，加速度計測と角速度計測を多点にて実施できる計測システムの同期性能に関しても確認することができた．
2018年度は，供用中の3径間連続鋼床版橋梁にて，MEMSセンサ・接触式変位計・ひずみゲージを用いた現場計測を行った．まず，MEMS加速度センサによる加速度計測結果から，走行車両重量による橋梁の全体挙動（重力方向）を算出し，ひずみゲージを用いて計測したひずみ応答と比較することによって，高い精度にて変位応答が算出できていることを確認した．次に，MEMSジャイロセンサによる角速度計測結果から，走行車両重量による鋼床版縦リブの回転応答を算出し，その結果と接触式変位計による変位計測結果から，鋼床版縦リブの変形挙動の可視化を行った．可視化した結果は，既往の研究にて実施されているFE解析による結果と良く一致しており，MEMSセンサ・接触式変位計を用いて，変形挙動の計測が可能であることを示した．現場計測にて，車両重量による橋梁の変形挙動を把握できることを示しており，研究目的に対し，本研究は順調に進展していると考えられる．

Strategy for Future Research Activity

2018年度までに実施した現場計測データに基づく，鋼床版の変形挙動の可視化結果と，同時刻に計測したひずみ応答を比較することによって，疲労損傷の要因となる高いひずみ応答が生じた際の変形モードを明らかにする．さらに，MEMSセンサまたはひずみゲージを用いた車両重量の推定システムを活用し，鋼床版の変形を引き起こす要因となった車両重量の推定を行う．また，同システムによって得られる走行車両位置，変形挙動，高いひずみ応答の関係を検証することによって，疲労損傷の発生メカニズムの同定を実施する．
現場計測データの分析結果を検証することを目的とし，FE解析の実施も行う予定である．FE解析では，上記車両重量の推定システムによって得られた車両重量と，その走行位置を活用することによって，現場計測データによる変形挙動の可視化結果および，疲労損傷の発生メカニズムの同定結果に関する検証・まとめを行う．