橋の監視が安全を生み出す

ウィンタートゥール，2019年2月 —— インフラが老朽化していく中で、交通量は増加し続けます。これは危険な状況ですが、適切なテクノロジにより、少なくとも危険を低減することは可能です。振動測定を行うことで橋の状態を正確に示す貴重なデータが得られますし、WIMシステムで収集した総合的な道路使用状況データから必要に応じて通行を制限することも可能です。

2018年夏にヨーロッパの中心部にあるジェノバ近郊のモランディ橋が崩落しました。この橋は交通量の多いイタリアの高速道路A10にある4車線の高架橋でしたが、この事故で43名が亡くなり、事故の原因は今日に至るまで明らかになっていません。設計上の欠陥？不適切な保守が原因？そして何よりも、この事故を防ぐことはできたのか？できたとすれば、どのような方法で？これらの疑問に対して信頼できる答えは、イタリア当局による公式調査報告書を待たなければなりません。

しかし道路橋がインフラにおいて大きな問題を抱えている分野であることは事実です。ジェノバでの事故は氷山の一角にすぎず、犠牲者が出なかった、あるいは気づかないうちに起きている崩落事故も少なくありません。たとえば米国だけでも高速道路橋が578,000ヶ所あり、その多くは第二次世界大戦直後に建造されたもので、平均寿命は70年程度です。ドイツでも事情は同じで、老朽化が進み、補修が必要な状態にある橋が増え続けていることが専門家によって数十年前から警告されています。そのような構造物を効率よく監視し、計画的に保守を行い、安全性を保障するにはどうすれば良いのでしょうか？

橋の現状を把握するには

方法は3つあります。1つ目は、橋を保護するために大重量の車両の通行を禁止することです。車両の重量はその4乗に比例する影響を道路インフラに及ぼすため、橋の寿命にも大きく影響します。2つ目は、単位時間内の車軸荷重を測定することです。この値から路面および構造物への全体的な負荷に関する情報を知ることができます。

3つ目は、橋自体の変化を監視することです。この場合は、加速度センサによる計測システムを用いて構造物の重要な変化や橋の「健康状態」に関するデータを収集することになります。このような計測方法は「構造ヘルスモニタリング（SHM）」あるいは「橋梁ヘルスモニタリング」と呼ばれています。構造物の動きと振動が明らかになると、負荷状態や腐食の可能性がわかってきます。キスラーグループは、橋梁を監視するのに適したたくさんの実績ある製品を提供しており、貴重なインフラの維持と安全性に寄与しています。以下では、技術的基礎と応用事例をご紹介していきます。

特に橋梁ヘルスモニタリング用として設計されたキスラーの加速度センサは交通・風・温度変化による影響を測定するために世界中の橋梁で採用されています。この計測システムは、デンマークでバルト海をまたぐグレートベルト橋に設置されているほか、中国の揚子江、米国のミシシッピ川に架かる橋でも使われています。ミネソタ州ミネアポリスでの崩落事故後、2009年に新たに建設されたの州間高速道路35Wの橋には、キスラーの加速度センサが26個設置されています。そのうち12個はコンクリート橋脚中央部の振動を測定、14個は橋全体に分散して設置され、より長期的なモード解析、特に橋の損傷発見につながる固有振動の監視に用いられています。

このような測定が成功するかどうかは、感度、周波数範囲、温度の安定性、直線性などの特性に左右されます。キスラーの静電容量型MEMSセンサと圧電式IEPEセンサは、さまざまな使用条件に適合する実績のある技術です。IEPEセンサは比較的小規模の構造物や高い振動数の計測に適しており、MEMSセンサは大型の構造物や直流ないし低周波信号の測定に使用できます。さらに、ケーブルの長さ、電磁波干渉保護、温度範囲、温度安定性といったパラメータを考慮する必要があります。たとえばキスラーのMEMS加速度センサ（型式8316A）の場合、周波数範囲は0～1,500 Hz、使用温度範囲は–55～+125℃、最大ケーブル長は400 mとなっており、全体のノイズレベルも極めて低く抑えられています。

過負荷による損傷を予防

風速計、歪センサ、リニアポテンショメータ、GPSなどで構成された計測システムに適切な加速度センサを組み込むことで、ジェノバやミネアポリスのような事故は防止できる可能性があります。こうした橋梁計測システムの重要な要素は、商用車やその積荷による負荷の詳細データを提供するWIMシステムです。

キスラーのWIMシステムは、路上を走行中の車両の重量を測定します。その基礎となるセンサは車線数に関わらず路面下に直接埋め込むことができ、測定結果は直ちに評価できます。世界中で5万個以上使われているLineasクォーツセンサは圧電式で、極めて正確に計測できるだけでなく、メンテナンスフリーで長期にわたり安定しています。センサ長は各種用意されており（1.50 m、1.75 m、2.00 m）、さまざまな路面に埋め込むことができます。こうして設置されたセンサは車両の速度によらず車軸荷重と全重量を高い信頼性で測定します。温度に左右されない高い精度（最大2.5%）のおかげで道路とその使用状況に関する総合的なデータを収集でき、過積載車両の橋への乗り入れを阻止できるようになります。さらに、橋の修繕に入る前に、安全な片側通行が可能かどうかといった判断の参考になるような重要な情報を提供することができます。

WIMセンサとそれに付随する評価・解析システムに加え、キスラーはシステムの性能と寿命を最適化するために各種サービスを提供しています。これにはリモートまたは現地で実施する校正サポートや、センサの最適な設置位置を決定するための支援サービスも含まれます。センサの設置位置や路面状態によって、以後の測定データが大きな影響を受ける可能性があるためです。