1.はじめに

近年、土木建築分野では、社会インフラ等の重要構造物の高齢化が社会問題となっており、日本国内の働き手不足の問題と相まって、インフラ構造物の老朽化に対する維持管理の最適化・効率化が求められています。このような背景のもと、内閣官房主導で「国土強靭化基本計画」に沿った既設インフラに対する防災・減災対策が推し進められており、より経済性に優れた、災害に強く、長寿命なインフラの建設・維持管理を目指し、新たな工法・材料の開発や施工管理、AI、IoTを積極的に取り入れた維持管理・劣化診断の技術開発が盛んになってきています。

一方、光学デバイスのめざましい発達により、本コラムで紹介するデジタル画像相関法（Digital Image Correlation、以降「DIC」）のように、大量の計測データを高精度に効率よく取得できる技術が普及しつつあり、産業界の幅広い分野において注目を集めています。DICを活用することで製品開発における実験の高度化・効率化を図ることができ、主に製造業を中心に広まりつつありますが、冒頭で述べた社会的背景をもとに、土木建築分野においても同技術を利活用する機運が高まってきています。

本コラムでは、工法・材料開発等、実験に関わられている方、施工管理・維持管理に関わられている方、モニタリング計測、劣化診断に関わられている方など土木建築業に携われている方を対象に、DICを使った最新の計測技術や実測データの活用事例をご紹介いたします。

2.DICでできること

2台のカメラと画像処理により、対象物の変位・ひずみを非接触かつ3次元に計測できます。以下に特徴を挙げます。

• １度の計測で広範囲の変位・ひずみデータを取得することができ、データの取得漏れを防げる
• 大量の画像データを処理することでひび割れの発生・進展を確認・分析することが可能
• 変位・ひずみのコンター表示や、任意の位置・時刻における計測値の取得・加工が可能であり、実験と対で行うシミュレーションとの比較検証が容易
• 非接触計測のため、ひずみゲージ等の接触式センサでの計測が困難な現象の計測が可能

参考のため、表１にDICと歪ゲージ法（従来手法）の比較を示します。従来の歪ゲージ法での課題（局所しか計測できない、配線が必要、材質により貼れない、大変形まで追えない等々）に対してDICを活用することで解決できることがわかります。

また、高速度カメラを使用することで、振動現象や、物体の衝突・爆風等による構造物の瞬時の挙動を高精度で計測することも可能です。これにより以下の計測・解析が可能となります。

• 振動、衝突、爆風等により構造物に生じる変位・ひずみを10μｍ秒単位で計測（カメラの性能に依存）
• 振動現象を計測し、周波数解析を行う
• ひずみゲージが外れてしまうような、破壊等による大変形時の変位の計測

3.活用事例のご紹介

3.1 工法開発などに伴う実験への活用

土木建築業界では日々新たな工法・材料の開発が進められておりますが、鉄筋コンクリートや鋼材の挙動（塑性、破壊、劣化）など、複雑な挙動を捉えることが難しく、それを検証するために多大なコスト(費用・時間・人手)が発生していると思われます。DICを構造解析シミュレーションと組み合わせることで、実験業務の高度化・効率化を実現できます。

２章でご紹介したDICの特徴に照らして、以下のメリットが挙げられます。

	DICの特徴	活用のメリット
1	1度の計測で広範囲の変位・ひずみを取得できる	計測のやり直しを防ぎ実験回数を削減することで、トータルコスト（期間、費用）の削減が可能
2	複雑なひび割れの発生・進展を確認・分析できる	変形・破壊挙動が複雑なコンクリートの材料開発や工法開発における補強効果の確認などに活用
3	変位・ひずみのコンター図表示、領域内の任意の位置・時刻における計測値の取得・加工ができる	構造解析シミュレーションの検証・精度向上や妥当性の確認（V＆V）に活用

図１に、RC柱の加振試験における事例を示します。図はひび割れが生じた箇所を最大主ひずみ分布より、可視化したものです。ＲＣ柱の加振に伴い、ひび割れがRC柱の端部上下に集中して表れていることがわかります。DICは時系列で任意の位置の変位・ひずみを取得できるので、加振時の各時刻において刻々と変化するひび割れの発生・閉合や進展状況を確認することができます。また、ひずみ分布から、ひび割れ発生直前の目視で確認できないが構造物の弱点となりうる位置を確認することも可能です。さらにソフトウェア上で任意の箇所のひび割れ幅を取得することもできますので、より詳細な結果分析も可能です。

関連情報：エンジニアブログにて関連動画がご覧いただけます。

3.2 実構造物モニタリングへの活用

橋梁など既存構造物の運用では、経年劣化や損傷を考慮した保有性能に基づいて老朽化対策や地震等の災害対策を実施していくことが求められています。そのためには既存構造物の劣化程度を把握することが必要となり、接触・非接触を含め多くのモニタリング技術が開発されています。モニタリング技術を現場に適用するにあたり、大量の計測データを効率的に収集・処理・分析し、日々の維持管理に活用できることが求められますが、これには計測データの収集・処理・分析に係る負担が比較的少なく、非接触で遠隔から計測が可能なDICが適していると言えます。

また、DICは施工時の安全管理にも活用できます。施工中の構造物や施工の影響を受ける周辺構造物などの状況をDICにてリアルタイムでモニタリングするものです。目視では観測困難なひび割れ、想定外のひずみを破壊に至る前の段階で確認することで、工事の中断などの意思決定に活用できます。また、事前に施工時あるいは完成時の構造物の状況を解析シミュレーションにより把握しておくことで、施工中にDICによりモニタリングされた挙動がシミュレーション結果と異なる場合に、工事を中断し安全を確保したうえでシミュレーション結果と現状を比較することで有効な対策を短期間で講じることも可能です。その他の利点としては、工事が問題なく終えたときでも、躯体に負担をかけることなく施工が安全に行われたことを施主に示すエビデンスとしても活用できます。

構造計画研究所では、地下ピットなどの免震ゴムの交換作業時にDICを活用した事例がございます。これは施工時にDICにより逐次変位・ひずみの分布を取得することで、施工時の安全性をリアルタイムに確認したものです。

図2に４０ｍ級の大型風車のモニタリング事例を示します。これは風力発電設備の振動計測事例となりますが、これをみると風車の羽の振動状況が確認できます。DICではこの事例のように、遠隔で画像を撮ることで変位・ひずみの計測が非接触でできるため、例えば足場を組むなど人手・手間・コストを要する道路橋や鉄道橋などの橋の計測の効率化につなげることが期待されます。さらには、AI,IoT技術と組み合わせることで人手不足、効率的な計測、劣化診断、補強効果の確認、工事管理など応用範囲は広いと思われます。

3.3 高速度現象の可視化（振動、衝突、爆発）

高速衝突を受けるコンクリート構造体の局所的破壊は、複雑な破壊性状を示すためその破壊メカニズムは未解明な点も多く、DICを用いたコンクリート構造体の損傷状態の可視化が強く望まれています。当社では、従来計測が困難だった振動、衝突、爆風などによる構造物の挙動に対して、国内のハイスピードカメラメーカー、試験機関と連携し計測、解析を行っております。

DICには以下の特徴があります（２章の再掲）。

• 振動、衝突、爆風等により構造物に生じる変位・ひずみを10μｍ秒単位で計測（カメラの性能に依存）
• 振動現象を計測し、周波数解析を行う
• ひずみゲージが外れてしまうような、破壊等による大変形時の変位の計測

物体が衝突した際の部品強度や安全性能を評価するためには、錘を対象に衝突させる衝撃実験が実施されることがあります。衝突実験へDICを適用した事例を図3に示します。
ここでは、厚さ60mmのコンクリート板に錘を衝突させた際のコンクリート板裏面の様子を、高速度カメラ（ハイスピードカメラ）を用いて計測しました。これにより、1/100,000 秒の時間スケールで、中央の衝突箇所よりひび割れが進展している様子を可視化でき、高速衝突を受けるコンクリート構造体のクラックがDICによって計測可能であることを確認しました。また、この時の計測では、事前に有限要素法（LS-DYNA R10.1.0を使用）により数値解析を実施することで試験条件を削減することができ、実験コストの削減につなげることが可能であることも確認しております。

※詳細は、https://dic.kke.co.jp/case/concrete-plate-impact/に掲載しております。

この事例のように、従来は超スロー動画の映像から目視によりひび割れや破壊過程を把握するにとどまっていたところ、DICを活用することで、詳細な計測データを10μm秒単位で取得することが可能となるため、解析シミュレーションと組み合わせることで、衝突物に対する構造物の合理的な設計、実験数の削減によるコストカットにつながることが期待されます。
関連情報：エンジニアブログにて図4に示す爆風を受けた時のコンクリートのひび割れを計測した事例動画がご覧いただけます。

3.4 データ同化（計測×解析）

本コラムの前段部でふれましたが、今後20年で既存インフラの老朽化が急速に進むため、既存構造物の余寿命を高精度に予測する技術開発が喫緊の課題となります。このような状況下で、DICで計測したひずみ分布・変位分布を、構造解析シミュレーションと融合させることで、シミュレーション精度を向上させる「データ同化技術」の重要性が高まると考えています。また、新たな工法の開発においても、実験コストの削減、開発期間の短縮が求められる中、シミュレーション精度の向上につながる本技術の活用の場面は広がってくることが予想されます。

こうした背景のもと、土木建築分野においても、近年、数値解析と観測データを融合的に活用するデータ同化と呼ばれる方法論に注目が集まっています。データ同化技術は主に気象予測分野で発展してきた技術であり，様々な数値解析上のパラメータの推定に利用されていますが、多量の観測情報を必要とします。そのため従来のひずみゲージなどのような計測方法では、観測情報としては不足しておりますが、画像解析を用いるDICでは計測範囲全体の変位やひずみを非接触で計測でき、幅広い材料に適用できることから、DICを利用したデータ同化手法を確立することで将来的に多くの構造物の状態推定が可能になると期待されています。

構造計画研究所では，DICとデータ同化技術を組み合わせた有限要素解析 (FEM) のモデルパラメータ推定手法を構築し、材料定数が既知の試験体に適用することで有効性を検証しております。図5に一例を示します。DICでは計測範囲全体の3次元の変位やひずみを計測できるため、対象物全体におけるＦＥＭ等のシミュレーションとの比較が可能です。差分の分布を可視化することで、不一致の原因分析が容易にでき、差分が小さくなる条件をデータ同化技術で探索することも可能となります。

今後は、データ同化技術を使ったコンクリート構造物の余寿命予測技術を確立することができれば、維持管理・補修効果の定量的な説明や計画策定に使用することが可能となります。この余寿命予測技術でインフラ施設の更新時期を適切に評価することで、コストの削減・事故リスクの減少につながるなど、データ同化技術の土木建築分野での利活用が期待されます。

構造計画研究所では、上記の事例以外にも、コンクリート材料を対象にしたデータ同化にも取り組んでおります。ご興味のある方、詳しい説明を聞いてみたい方は、お気軽にお問い合わせください。

4. 最後に

構造計画研究所では、数十年に渡り、土木・建築・製造業界に関わる中で培った業界の知見および高度なシミュレーション技術を有しており、単にお客様の仕様通りに計測するだけではなく、数値解析・材料力学に精通したエンジニアが結果の分析・評価まで行わせていただきます。また、システム開発に精通した技術者により、特定の機能を追加したビューワー、DICを活用したコンクリートクラック幅の推定、商用CAEソフトの結果インポートなど、お客様のニーズに合わせたDIC機能のカスタマイズにも対応させていただきます。

このように構造計画研究所で実施するDIC計測サービスは、計測前の事前検討解析・計測対象のマーキング作業・使用機材の選定・計測時の機材の操作・計測後の解析・結果分析作業、必要であれば諸機能のカスタマイズまで一貫して対応することが可能です。お試しで計測だけでも実施したい・こんなことがDICでできるのか相談したい・データ同化など研究的なことに取り組みたいけどどこから手を付けたらよいか検討がつかないなど、まずはお気軽にお問合せください。お客様の目的に沿って、実施内容をご提案させていただきます。皆様からのご連絡、お待ちしております。

土木・建築分野以外の応用事例を含めた情報は、https://dic.kke.co.jp/ に掲載しております。動画でのDICのご紹介もありますので、是非お気軽にアクセスしてみてください。