スペクトル解析技術の実装 バイブレーティングワイヤセンサーの読み取りにスペクトル解析を適用する
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スペクトル解析技術の実装
バイブレーティングワイヤ センサーを読み取るためのスペクトル分析の有用性は、現場での使用に適しているかどうかによって決まります。デバイスはコスト効率が高く、堅牢で、低消費電力であり、既存のデータ取得装置と簡単に統合できる必要があります。
ユタ州ローガンに拠点を置くデータ収集会社 Campbell Scientific は以前、バイブレーティングワイヤ センサーを読み取るための時間領域方式を開発しました。この経験を生かして、Campbell Scientific の計測エンジニアは、スペクトル分析を組み込んだ新しいバイブレーティングワイヤ読み取りモジュールを開発しました。この新しいモジュール AVW200 は、センサーのワイヤを励起し、応答をサンプリングし、フーリエ変換を適用し、測定結果と診断をデータ ロガーに返します。これらはすべて 2 秒以内に実行されます。
AVW200 とそのワイヤレス版である AVW206 は、2008 年初頭から販売されています。それ以来、さまざまな用途で効果的に使用されています。次のセクションでは、この新しいテクノロジが 2 つの大規模な橋梁プロジェクト (ルイジアナ州のヒューイ P. ロング橋の拡幅とミネソタ州の I-35 セント アンソニー フォールズ橋の再建) にどのように役立ったかについて説明します。 *これらのプロジェクトは、当初当社の Web サイトでケース スタディとして公開されたもので、それ以降、さまざまな完了段階にある可能性があります。
ケーススタディ: ヒューイ・P・ロング橋拡幅プロジェクト
ヒューイ・P・ロング橋の 4 つの主要スパンは、ルイジアナ州ニューオーリンズのミシシッピ川に架かっており、その長さはおよそ 2,400 フィートです。
この片持ち鋼製トラス橋は 1935 年に開通し、ニューオーリンズ公共ベルト鉄道が所有および運営しています。現在、この橋にはトラス間に複線鉄道が通っており、各トラスの外側に片持ちで 2 車線の車両交通が通っています。車両交通の流れと鉄道交通の中断による制約を改善する必要性に基づき、ルイジアナ州運輸開発局 (LA DOTD) は橋を交換するのではなく、橋を拡張することを決定しました。
橋の拡幅により、橋の両側の道路幅が現在の 18 フィートから 40 フィートに広がります。拡幅には、既存のトラスと平行に上流および下流のトラスの追加が必要になります。橋脚は、2 つの新しい拡幅トラスを支えるために、追加のコンクリート エンケースメントと鉄骨フレームで改修されています。
構造健全性監視プログラムは、拡張トラス部材から既存のトラス部材に予想される負荷量が伝達されているかどうかを評価するための予防措置として建設契約に含まれています。
CTLGroup は、Huey P. Long 橋の拡幅プロジェクトの仕様に従ってトラス監視システムを設計および設置する契約を獲得しました。トラス監視の仕様には、次の内容が求められていました。
- 既存のアイバー部材の初期固定荷重応力の決定
- 433 部材の建設関連応力測定用ひずみゲージの設置
- 31 部材の活荷重応力を測定するためのひずみゲージの設置
- 既存の5つの橋脚それぞれに2軸傾斜計を設置
- ゲージを読み取り、予測値と比較し、3年間の建設プロセスを通じて毎日レポートを提供する監視システム
- 監視システムを調整するための負荷テストの実行
合計 433 個の既存のトラス部材は、軸方向および曲げ荷重の影響を測定するために設計された 827 個の静的および動的ひずみゲージの配列で監視されています。さらに、傾斜計が橋脚の傾斜を監視します。静的システムでは、CTLGroup はコスト、組み込みの温度補正、およびリード線で長距離を配線できる機能に基づいて、バイブレーティングワイヤひずみゲージを選択しました。
トラス監視データ収集システムは、図12に示すように、静的荷重監視システムと活荷重監視システムの2つの独立した監視システムで構成されています。
静的システムでは、433 個の部材の 777 個のバイブレーティングワイヤ センサーを読み取る AM16/32 マルチプレクサを含む、線路脇に取り付けられた 23 個の NEMA エンクロージャを使用します。さらに、5 つの橋脚が、10 個のバイブレーティングワイヤ傾斜計、周囲温度、風速、風向を使用して監視されました。マルチプレクサ、データ ロガー、および中央コンピュータ間のワイヤレス通信が必要なため、システムは 24 個の AVW206 モジュールと RF401 拡散スペクトル無線を組み合わせて構成されました。マルチプレクサはセンサーを読み取り、信号処理を実行し、線路脇の手すりに取り付けられた 4 個の CR1000 データ ロガーの 1 つにデータをワイヤレスで送信します。これらのデータ ロガーは、橋梁現場から約 1/4 マイル離れた MTI オフィス トレーラーにデータをワイヤレスで送信します。
このシステムの目的は、特定された部材の応力（ひずみ）を測定し、橋梁拡幅工事の過程で予測される応答と比較することです。これは次のようにして実現されます。
- 段階的な建設における予測応答の限界を確立する
- ベースライン変動（交通量/機関車の負荷と気温の影響）を考慮する
- 測定された応答と予測された応答の比較
- 予測された応答範囲外の制限を自動的にフラグ付け
システムは継続的に実行され、約 10 分ごとにデータを収集します。データはパスワードで保護された Web サイトに投稿されます。Web サイトでは、事前に設定された制限を超えたデータが視覚的に (色で) フラグ付けされます。
数百のバイブレーティングワイヤ センサーが関係するこの監視プロジェクトでは、新しいスペクトル分析方法を適用するのに適した環境が提供されました。結果は非常に良好でした。これまで、バイブレーティングワイヤ測定がこれほど多いアプリケーションでは、測定を検証し、ノイズの影響を受けたデータを特定するために余分な労力が必要でした。通常、ノイズ干渉により一部のデータが失われます。ただし、この場合はスペクトル分析によってノイズの問題が解消されました。データが失われることはなく、ノイズの影響を受けたデータを特定するために余分な労力は必要ありませんでした。
新しい方法によって提供される診断も有益であることが証明され、プロジェクト全体にわたって広範囲に使用されました。CTLGroup は、AVW206 がなければトラブルシューティングの問題は簡単に解決できなかっただろうと報告しています。同社はこれまで時間領域ソリューションを使用していましたが、この経験によりスペクトル分析法を全面的に支持するようになりました。
詳細については、「ルイジアナ州：橋梁拡張の監視」のケーススタディを参照してください。
ケーススタディ: セントアンソニーフォールズ橋の基礎監視
2007 年 8 月 1 日、ミネソタ州ミネアポリスのミシシッピ川にかかる I-35W セント アンソニー フォールズ橋がラッシュアワーの真っ最中に崩落しました。
（写真提供：マイク・ウィルズ）
この崩落により 13 人が死亡し、政策立案者とエンジニアはアメリカのインフラの老朽化の深刻さに目を向けるようになりました。その結果、迅速かつ安全に橋を架けるための多大な協力が行われました。この作業では、最新の技術が活用され、橋の性能と長期的な健全性に関する洞察が引き続き提供されています。この目的のために、内部の計測機器を使用して品質保証を強化し、建設負荷を監視し、その後、交通量と風荷重が橋脚の長期的な性能に与える影響を示す方法を示すプログラムが策定されました。
これは橋全体を対象とする大規模なプログラムの最初の部分であり、3 つの高架橋脚のうちの 1 つ、具体的には南行きの橋脚 2 の柱と基礎にのみ関係していました。そこでは、橋と基礎システムの 3 つの段階 ((1) 基礎要素の内部コンクリート硬化温度、(2) 建設荷重、(3) 長期的な健全性) を監視するために、2 種類のひずみゲージと温度計が設置されました。
深さ 100 フィートの掘削シャフト基礎要素 8 箇所のうち 2 箇所に、4 レベルにそれぞれ 6 個のひずみゲージが設置されました (計 48 個のゲージ)。ゲージ レベルは、さまざまな土壌層からの荷重伝達寄与を識別するために指定されました。これらのレベルは、シャフトの上部 (地表)、軟岩の上部、適した岩の上部、およびシャフトの下部にありました。
各ゲージ レベルは、シャフト断面の円周上の 1/4 の点に配置された 4 つのバイブレーティングワイヤ ゲージで構成されていました。各レベルの 4 つのバイブレーティングワイヤ ゲージのうち 2 つは、シャフトの反対側に配置された抵抗性ひずみゲージと結合されていました。この方式により、低速のバイブレーティングワイヤ ゲージによる長期安定性と、動的イベント中の抵抗性ゲージによる高速測定が実現しました。
基礎測定に加えて、南向きのコンクリート箱桁 2 本を支える 2 本の柱に、2 段に 4 本のバイブレーティングワイヤひずみゲージが設置されました (バイブレーティングワイヤゲージは合計 16 個)。最初の段は柱の中間の高さにあり、2 番目は柱の基部にあります。中間レベルのゲージは、短時間の過渡現象を測定するための抵抗ひずみゲージと重複しています。
バイブレーティングワイヤと抵抗ひずみゲージの測定には、2 つの独立したデータ収集システムが使用されました。バイブレーティングワイヤゲージは AVW200 で読み取られ、バイブレーティングワイヤ内部サーミスタ記録を含む CR1000 データロガーで記録されました。抵抗ゲージは、Campbell Scientific の CR9000 高速データ収集システムで測定されました。バイブレーティングワイヤゲージは 2 分ごとにサンプリングされ、その後、サンプリング間隔は 15 分間隔に短縮されました。抵抗ゲージは 100 Hz でサンプリングされ、平均値、最大値、最小値が 15 分ごとに記録されました。両方のシステムは、ソーラーパネルとディープサイクル バッテリーで自己給電され、各システムはセルラー モデムを使用してリモート ホスト サーバーにデータをアップロードしました。この配置により、データ収集システムは現場の建設電力や通信とは独立して動作することができ、日常の建設活動に支障をきたすことはありませんでした。両方のデータ取得システムにとって重要な側面は、データ取得要件の増減に応じてリモート データ監視、リモート プログラム ダウンロード、およびリモート再構成を行うことでした。
フェーズ 1 では、コンクリート内部の温度を監視しました。バイブレーティングワイヤひずみゲージに埋め込まれたサーミスタは、コンクリートの温度が許容範囲内に保たれていることを保証する 1 つの手段でした。図 14 は、シャフトとフーチングの建設過程における各ゲージ レベルでのシャフト内部温度を示しています。
図 14. ゲージレベルでのシャフト内部温度
グラフをクリックすると、画像が大きく表示されます。
フェーズ 2 では、建設が進むにつれて増加する荷重と、その荷重がシャフトの長さに沿ってどのように分散されるかを監視しました。図 15 は、ピア 2 の基盤の下にあるシャフトの 1 つにかかる荷重と、建設のマイルストーンを示しています。この図は、シャフトの総荷重 3,500 キップのうち、ほぼ 800 キップが端部支承で支えられ、残りの荷重の約半分が岩層側方せん断によって支えられていることを示しています。5 月 29 日から 7 月 9 日までの荷重の段階は明らかで、15 個の箱形桁セグメントの配置を示しています。
フェーズ 3 は進行中です。フェーズ 2 で得られた較正と相関関係を使用して、橋の長期的な健全性を監視します。シャフトと柱の負荷の変化により異常な状態が特定され、適切な措置を講じるよう担当者に警告できます。
このプロジェクトは、ヒューイ・P・ロング橋プロジェクトと同様に、バイブレーティングワイヤセンサーの読み取りにスペクトル分析法を使用する利点を実証するのに適していました。このプロジェクトでは多数のバイブレーティングワイヤセンサーが使用されただけでなく、1000KW 発電機から 5 フィートの場所にセットアップされました。前回と同様に、結果は非常に良好でした。大型発電機が近くにあったにもかかわらず、ノイズによるデータの損失はなく、測定値がノイズによって損なわれたかどうかを判断するための追加の分析も必要ありませんでした。実際、生データはレビューや資格審査なしで 15 分ごとに公開 Web サイトに自動的に投稿されました。このプロジェクトで新しい方法が成功したため、プログラム マネージャーは、これを将来の 2 つの橋梁監視プロジェクトの一部にすることをすでに計画しています。
詳細については、「ミネソタ州：橋梁災害復旧」のケース スタディを参照してください。