2020 Fiscal Year Research-status Report
橋梁を用いた振動発電タイプの走行荷重・劣化度評価モニタリングシステムの開発
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19K04574
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
深田 宰史 金沢大学, 地球社会基盤学系, 教授 (10313686)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 敏幸 金沢大学, 電子情報通信学系, 准教授 (30338256)
北川 章夫 金沢大学, 電子情報通信学系, 教授 (10214785)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 劣化構造物 / 軸重 / 床版変位 / モニタリング / 耐荷性能 / 振動発電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
北陸地方の国県市道や高速道路における道路橋では，過積載車両の影響が懸念されることに加え，ASR，凍結防止剤（NaCl）散布による塩害および凍害などの要因による劣化が顕著に見られ，これらの劣化構造物の劣化度を適切に評価できる手法を開発することが求められている．このような問題に対して，現地で長期モニタリングを行う場合，電源を確保することが大きな課題となっている．とくに，塩害や凍害などが発生する山間部などの架橋現場は電気が通っていない環境が多い．一方で，エネルギー・ハーベスティング技術や蓄電技術が向上している現在，電源が容易に確保できない橋梁現場でも長期間の走行荷重モニタリングが可能な振動発電を利用したモニタリングデバイスの必要性が高まっている．そこで本研究課題では，劣化構造物上を走行する活荷重と床版変位との関係から劣化度を評価できる振動発電を利用したモニタリングシステムを開発することを目的とした．
この目的に対して，今年度は，振動発電デバイスの電源回路および蓄電技術の開発に遅れがでており，計画を前倒して，最終年度に行う予定であった研究計画を実施した．具体的には，塩害による劣化を生じている石川県内の高速道路橋の床版を対象として，走行荷重モニタリングにより求めた軸重（輪荷重）と床版変位との関係を一般車走行によるモニタリングにより明らかにした．また，数値解析においては，解析ソフトDIANAを用いて有限要素解析で床版と主桁の部分モデルを作成し，健全の場合と塩害により床版が劣化したいくつかの劣化ケースを想定したパラメータ解析を行い，実交通のモニタリングで得られた床版変位の結果と比較することにより，現状での耐荷性能を評価することができた．さらに，その解析モデルを用いて弾塑性解析を行うことにより，対象としている床版の残存耐力を推定することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究における研究計画は，以下のようになっている．
①橋梁振動により発電，蓄電できる振動発電デバイスの開発を行う（2019－2020年度），②振動発電デバイスの橋梁への設置位置の検討を行う（2019年度），③床版の加速度を計測し，積分により最大変位を記録できる電池稼働のデバイスを開発する．また，磁歪材料をセンサーとして，橋梁床版下に設置し，橋梁上を走行する大型車両の荷重を推定する（2019－2020年度）．④開発したデバイスを用いて，実際に劣化した床版を対象とした床版変位と走行荷重モニタリングを長期間行い，数値解析と合わせて，その床版の劣化度を評価する（2021年度）
これに対して，各進捗状況は以下のようになっている．
①については概ね達成できているが，電源回路および蓄電技術の開発に遅れが出ている．また，計測したデータを外部環境へ送る方法として，現場におけるデータ送信試験により，低消費電力のLPWA（Sigfox，LoRa）を用いることでデータ送信できることを確認した．②については，横構部材に振動発電デバイスを設置することにより，低消費電力の小型無線機でデータを送信するだけの発電量が得られることがわかった．③について，橋梁上を走行する車両走行荷重の推定方法として，対傾構の上支材位置から床版変位を計測することで荷重を推定できることを確認した．しかしながら，加速度センサーを用いた積分回路の開発が遅れている．④について，計画を前倒しして，塩害を生じている県内の高速道路を対象として載荷試験を行い，劣化床版の荷重－変位関係を明らかにした．また，解析ソフトDIANAを用いた有限要素解析により，塩害劣化を生じている床版の状況をパラメータ解析し，解析的に劣化床版の荷重－変位関係を明らかにした．解析と試験結果を比較することで劣化床版の耐荷性能を明らかにすることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の推進方策およびその課題を以下に列挙した．
①橋梁振動により蓄電できる振動発電デバイスの開発：振動発電デバイスからの電源出力および蓄電技術の開発に遅れが出ているため，この技術開発を進める．
②床版の加速度を積分した床版変位を記録できるデバイスを開発：車両が走行した際，床版における変位が小さいため，精度よく床版変位を算出できるのか不明な点があるが，引き続き，床版で計測した加速度を積分して床版変位を算出する方法を開発する．
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| Causes of Carryover |
蓄電回路を開発する次年度の研究用に繰り越し致します．
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