サウジアラビアの鉄道橋の構造健全性を評価するため、約80時間にわたって観測が行われました。この監視システムは、Dewesoftの統合型センシングデバイスをベースとしていました。主な目的は、列車が橋を通過する前、通過中、通過後に計測値を取得することでした。得られた定量化された出力により、橋が使用中に堅固な構造健全性を維持していることを診断で確認することができました。
構造ヘルスモニタリングは、損傷の進行を検知し性能低下を予測することで、工学構造物の健全性と安全性を確保するためのツールです。サンプリングされた応答測定は、材料や幾何学的特性の変化に関する知見を提供し、構造物の経時的な解析を可能にします。構造物の機械的状態を継続的に監視することで、有用なメンテナンス情報が得られ、最終的には災害の防止につながります。
このケースでは、顧客に代わってACTS（Advanced Construction Technology Services）がモニタリングを実施しました。ACTSは、資材および地質工学分野に特化した建設コンサルティングサービスを提供しています。ACTSは現在、中東，アフリカ，東南アジア全域で事業を展開しており、レバノンのベイルートに本社を置きサウジアラビアに3つの現地オフィスを構えています。
アラビア砂漠には、実際には存在しない川が縦横に走っています。ワディと呼ばれる乾いた水でできた峡谷で、雨季にのみ水が溜まります。ウライジャ高架橋（OW8：Over Wadi No. 8 Bridge）は、サウジアラビア王国全土に見られるワディを横断する橋の一つです。サウジアラビア砂漠中央部ハーイル地方の小さな町ウライジャの近くに位置し、首都リヤドから北西約565km（351マイル）に位置しています。
OW8は、4本のポストテンション式鉄筋コンクリート桁と、その上部に鉄筋コンクリート床版およびパラペット壁を備えた7径間で構成されています。各径間は20mで、橋脚は6本、橋台は2本あります。支承はアンカーバー付きの台石/基底石です。桁と台石の円形プレートはエラストマー材料でできていると思われますが、現況図面では詳細が不明です。
橋梁の設計 – 低距離標高
橋梁の設計 – 高距離標高
この橋は2013年に建設され、竣工図の日付は2014年1月です。この調査で精査されたセクションは、橋脚 4 (PRT 4) と橋脚 5 (PRT 5) の間のスパンであり、センサは桁の軒裏とウェブに配置されました。
デッキは歩道を備えた鉄筋コンクリートスラブで構成され、バラスト擁壁とともにデッキに鋳造された2つのパラペット壁があります。
桁と床版の断面 – 橋には歩道付きの鉄筋コンクリートスラブが含まれています (左)
計測装置のセットアップ
規定された応答指標に基づいて構造物を監視するため、最先端の監視システムが導入されました。
- IP67キャビネット
- 産業用PCコンピュータ
- 24V電源 - 産業用PCに電力を供給
- 3つのIOLITEパワーインジェクター - IOLITE-Power-Injector
データ収録システムは、次のセンサで構成されていた
- 6つの3軸加速度計 - IOLITEi-3xMEMS-ACC
- 2軸傾斜計6台 - IOLITEi-3xMEMS-ACC-INC
- ボルトオン式ひずみゲージ 8個 - IOLITEi-1xSTG
EtherCATプロトコルにより、IOLITEデバイスを大規模構造物に容易に分散設置できます。デバイス間の距離は50mで、信号，電源，同期用のケーブルは1本のみで接続できます。
Dewesoft IOLITEdi-3xMEMS 低ノイズ3軸MEMS加速度計
デバイスは標準のEthernetネットワークケーブルでデイジーチェン接続されます。ケーブルはシールド付き（SFTP，CAT5e）で、24AWG以上の太さのものを推奨します。ケーブルは4ペアのワイヤでなければなりません。ノード間の最⼤距離は50mです。
EtherCAT信号と電⼒を 1本のケーブルに統合するには、パッシブ PoE (Power over Ethernet) パワーインジェクタが必要です。
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加速度計
IOLITE-3xMEMS-ACCは、統合型センシングデバイスです。加速度は デバイス内部の3軸MEMS加速度計によって計測され、機械シャーシにしっかりと固定されています。アナログからデジタルへの変換はデバイス内部で⾏われるため、アナログケーブルで拾われるノイズは除去されます。デバイス内部のマイクロプロセッサが、加速度サンプルをEtherCATプロトコル経由で送信します。
橋桁に取り付けられた加速度計 IOLITEdi-3xMEMS-ACC
低レベルの振動を計測するには、極めて低ノイズの加速度計が必要です。低周波数が対象であっても、振動周波数の⼩さな変化さえも検出できなければなりません。
傾斜計
IOLITE-3xMEMS-ACC-INCは、Z軸を垂直に置き、X軸とY軸を中⼼としたロール⾓とピッチ⾓を計測する2軸傾斜計として機能します。2軸の傾斜は、機械シャーシにしっかりと固定されたデバイス内部の2軸MEMS傾斜センサによって計測されます。
アナログからデジタルへの変換はデバイス内部で⾏われるため、アナログケーブルで拾われるノイズは除去されます。デバイス内部のマイクロプロセッサが⾓度データサンプルをEtherCATプロトコル経由で送信します。
橋桁の軒裏に設置された傾斜計/傾斜計 IOLITEdi-3xMEMS-ACC-INC
ひずみゲージセンサ
SNS-STGはボルト締めタイプのひずみゲージセンサです。ハウジングにひずみゲージセンサが⼀体化されており、構造物にボルト締めするだけで使⽤できます。センサの定格出⼒は1000マイクロひずみで1.5mV/Vです。
センサは、IOLITE-1xSTGというIOLITEデータ収録デバイスに接続され 、アナログデータをデジタルに変換し、EtherCATプロトコルを介してデータを通信します。
橋の軒裏に設置されたひずみゲージセンサ SNS-STG と IOLITEdi-1xSTG
データ収録
すべての監視デバイスは、1本のCAT6ケーブルでデイジーチェン接続されています。この1本のケーブルはデータロガーに電源，データ，同期信号を提供します。
データは収録・解析ソフトDewesoftXが稼働する組み込みデータロギングPCに送られます。このソフトウェアはリアルタイム記録の表⽰，トリガに基づくデータ保存，データファイルの解析が可能です。
DewesoftXはセットアップの⼿間が少なく、特別なプログラミングスキルも必要とせずに、⾼度なエンジニアリング⼿法を実装できます。具体的には、以下の通りです。
- 信号フィルタリング
- 速度の積分
- 速度から変位へ
- 周波数領域解析
- 複雑な統計演算
データをデータベースに保存したり、サードパーティのソフトウェア形式にエクスポートしたり、OPC UAなどの標準プロトコルを使⽤してデータを送信する場合も同様です。
IP67キャビネットに密閉されたデータ収録ユニットでDewesoft SHMソフトウェアが稼働している
データ収録ソフトウェア
データ収録ソフトウェアの範囲は次のとおりです。
- すべてのセンサから信号を収録
- リアルタイムの視覚化
- 異常な段階で警報
- データの保存
- データをデータベースサーバに変換/保存
以下のグラフは、列⾞番号400120の通過時における1分29秒間の応答を⽰しています。橋を通過する列⾞は、4両の機関⾞と合計124両の貨⾞からなるリン酸輸送貨物列⾞で、下り⽅向に時速100kmで⾛⾏しています。
2020年9⽉17⽇にリン酸列⾞が橋を通過した際の、
1/4スパン（セクション2）の桁MGI2軒裏に設置されたひずみセンサ「E」のソフトウェア記録。
y軸は歪みを「με」で表し、x軸は時間の変化を「sec」で表⽰
2020年9⽉17⽇にリン酸列⾞が橋を通過した際の、
桁MGI2の1/4径間（セクション2）の軒裏に設置された3軸加速度計「F」からの記録
2020年9⽉17⽇にリン酸列⾞が橋を通過した際の、
桁MGI2の軒裏にあるセンサ「B」の傾斜/傾き応答を監視する傾斜計のソフトウェア記録
【動画】Dewesoftを使用した鉄道高架橋の構造健全性モニタリング
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考察
センサ，データロガーの選択，そしてシステム統合はすべてDEWESoft社が担当しました。また、出荷前にシステムのテストを⾏い、ユーザインタフェースの構築や、お客様の要件に応じたレポートの作成を実施。これにより、エンジニアリングにかかる時間を⼤幅に削減。
IOLITEは、橋梁などの構造物の永続的な状態監視に最適な価格性能⽐を備えた、構造健全性監視ソリューション向けのカスタムメイドのデータ収録デバイスです。
システムにはケーブル配線が必要ですが、RJ45コネクタを使⽤することで現場での圧着が可能になり、⾮常に迅速に作業を⾏うことができました。CAT6ケーブルも⾮常に安価で、どこでもで簡単に購⼊できるのも⼤きなメリットのひとつです。
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