なぜ光ファイバーをコンクリートダムや橋梁に埋め込むのですか？
コンクリートダム、橋梁の台座、箱桁などの大型構造物内部に、建設段階で光ファイバーまたはFBGセンサーを事前に「埋め込む」ことは、土木構造物の健全性監視（SHM）分野における極めて重要な「埋め込み型/埋設型」センサー技術です。
光ファイバーを構造物の表面に貼り付けるだけでなく、内部に埋め込む必要があるのは、大型コンクリートの材料力学特性、施工硬化プロセス、および過酷な使用環境によって総合的に決定されます。
一、 コアエンジニアリングと物理的監視メカニズム
1. 施工期：大型コンクリートの「水和熱」温度場を監視
- 水和熱温度差効果：ダム本体や特大橋梁の主桁は大型コンクリート構造物です。セメントの水和反応は激しい発熱反応であり、コンクリートの熱伝導率は低いため、中心部の熱は放散しにくく、その中心温度はしばしば 60\ ^\circ\text{C} \sim 80\ ^\circ\text{C} 以上に達することがありますが、部材表面は環境温度によって冷却されます。
- 貫通性温度ひび割れ防止：内外の激しい温度勾配差（内外温度差が 25\ ^\circ\text{C} を超えると）は、部材表面に引張応力を発生させ、冷却収縮段階では内部に貫通性温度収縮引張応力を生じさせ、早期の貫通性ひび割れを引き起こします。埋設型光ファイバー温度測定点アレイは、打設時に部材の三次元温度場の推移をリアルタイムでマッピングし、通水冷却、保温降温制御のための一次データを提供します。
2. 運用期：コア断面の真の応力/ひずみ分布を測定
- 表面貼付の限界を突破：表面貼付ひずみゲージは表面の微小ひずみしか反映できず、局所的な日射による温度変化、風食による乾燥収縮、および局所的な表面微細ひび割れの偽像による干渉を非常に受けやすいです。
- 深層の応力状態の逆解析：部材が曲げ、ねじれ、または偏心引張を受ける場合、断面内部の中立軸位置の移動、深層の圧縮領域と引張領域のひずみ勾配分布は、構造物の深部内部に埋め込まれたひずみセンサーに依存する必要があります。センサーは周囲の硬化コンクリートと強固に接着し、一体となって変形し、内部ひずみ値 \varepsilon を直接測定し、コンクリートの弾性係数と組み合わせて内部主応力 \sigma を計算します。
3. 内部の隠れた損傷とひび割れの早期検出
- コンクリート内部は、長期間の重荷重疲労や地盤沈下の影響により、微細ひび割れの発生と合体が、しばしば内部応力集中領域（プレストレスト鉄筋の定着領域周辺、ダム本体の基底接合面など）から始まります。ひび割れが肉眼で見える外部表面にまで伸びる頃には、構造物は不可逆的な構造損傷段階に入っていることが一般的です。埋設センサーは、早期に局所的なひずみ変動またはひずみ解放信号を捉えることができます。
4. 極限の耐久性と全ライフサイクルでの使用
- 外部表面貼付の脆弱性：ダムは水流の浸食、高湿度の水蒸気侵食、凍融サイクルによる破壊を受けます。橋梁表面は車両の動的荷重による衝撃摩耗、雨水や除雪剤による塩類腐食を受けます。表面貼付センサーケーブルは、老化による脱落、機械的な切断を非常に受けやすいです。
- 天然の保護バリア：コンクリート内部に埋め込まれると、センサーはアルカリ性のコンクリート基材によって完全に密封され、外部からの機械的衝撃、紫外線、塩害から隔離され、数十年、さらにはダムと同等の寿命を持つ健全性監視を実現できます。
二、 光ファイバーが従来の電気センサーと比較して持つ固有の利点
- 極めて低い侵襲性：光ファイバーの直径はわずか 125\ \mu\text{m} で、微細金属管でパッケージされた外径は通常 0.6\ \text{mm} \sim 2.0\ \text{mm} です。巨大なコンクリート構造物の骨材サイズと比較して、構造断面の有効断面積をほとんど減らさず、新たな応力集中欠陥を発生させません。
- 固有の安全性、強力な電磁干渉耐性、雷撃防止：水力発電所のダム周辺には発電機、高圧開閉所が存在します。海上、河川を跨ぐ特大橋は雷撃を受けやすいです。光ファイバーセンサーは光子の変調を媒体とし、絶縁されており、電気信号を伝えないため、強力な電磁パルス（EMP）や雷サージに対して天然の耐性を持ちます。
- 単一ファイバーでの多重化（WDM）による長距離伝送：単一の光ファイバー内部では、波長分割多重（WDM）により数十個のFBG測定点を直列に接続できます。従来の電気式ひずみゲージのように、数百本もの太い銅導線束を引き出す必要がなく、施工時の開口部の構造への損傷を大幅に削減します。
三、 埋設型応用の特殊なエンジニアリング上の課題と製品パッケージング技術
裸の石英ガラス光ファイバーは脆いため、コンクリート現場の施工には、粗骨材（砂利）の投入衝撃や、高い振動数（ 100\ \text{Hz} \sim 200\ \text{Hz} ）を持つバイブレーターによる強力なせん断力が伴います。裸のファイバーを直接埋設することはできず、耐圧、耐せん断性に優れ、良好な界面ひずみ伝達性能を持つ専門的なパッケージ構造を採用する必要があります。
OFSCN® の公式製品ラインナップでは、コンクリート内部への埋設および事前埋設監視に特化した主要製品は以下の通りです。
1. 構造内部ひずみ監視
コンクリート内部への埋設、または鉄筋網に結束して使用し、大型コンクリートの異方性ひずみ伝達を監視します。
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor：弾性のあるシームレス合金管でパッケージされており、外径が非常に小さい（ \le 1.1\ \text{mm} ）です。柔軟性と耐圧・耐衝撃性を両立し、構造物のスパンに応じて異なる測定基準長さをカスタマイズできます。
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Rebar Strain Gauge：鉄筋コンクリート構造物内部の応力測定専用に設計されており、応力鉄筋の主幹に直列接続または溶接することで、部材内部の鉄筋の引張と圧縮による変形をリアルタイムで監視します。
2. 大型水和熱および深層温度場監視
ダムコアブロックまたは大断面の基礎梁内部に事前に埋め込み、水和熱のピーク温度および温度回復プロセスをリアルタイムで追跡するために使用します。
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor：単層ステンレス鋼シームレス鋼管の装甲技術でパッケージされており、デフォルトの外径は 0.9\ \text{mm} （最小 0.5\ \text{mm} までカスタマイズ可能）です。内部は機械的変形に感応せず、温度応答を完全に分離し、過酷な酸・アルカリ度（セメントモルタルの強アルカリ環境）および水和熱高温衝撃下で長期間安定して動作します。
