JP2003106931A

JP2003106931A - 健全度診断装置

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Publication number: JP2003106931A
Application number: JP2001305864A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Oshima; 俊之大島
Original assignee: Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Current assignee: Hokkaido Technology Licensing Office Co Ltd
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP3705357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一定の周波数域で加振して構造物のモード解
析をして構造物の変化した場所を特定する。【解決手段】構造物に局部に振動を加えて、構造物の
振動に対する応答を計測して求めた振動モードが健全時
の振動モードからどのように変化したかを評価して、構
造物が変状した場所を推定する変状推定部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物の状態の変
化を観測する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、構造物の健全度診断は、主として
目視による診断を基本としている。また、目視で異常が
発見された場合には、詳細点検として詳しく検査するこ
とにしているが、一般的には装置を用いて診断・検診を
することはこれまで行われていなかった。昨今コンクリ
ート片などが落下する事故が多発しており、構造物の変
状を調べるために、ハンマーによる打音検査が最近にな
って導入されるようになってきた。しかしこの方法は、
ハンマーの重量や、たたき方、人間の耳で聞いた音で判
断するなど、定量的に把握することができず、しかも、
再現性がなかった。

【０００３】その一方、特開２００１−９９７６０号公
報に示されているように、近年構造物に圧電素子を貼り
付け一定の周波数域で加振して構造物のモード解析をし
て健全度の診断する方法が開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の特開２
００１−９９７６０号公報の技術では、モード解析で損
傷が生じていることは観測できるが、損傷した場所を特
定することができず損傷に対して具体的な対策を講じる
ためには、さらに、その損傷での反射によるパルスも観
察し、反射波の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度とか
ら損傷の位置を同定するなどの方法が必要である。そこ
で、本願発明では、構造物の損傷箇所を容易に特定可能
な健全度診断装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明に係る健全度診断装置の請求項１では、構造
物に局所的に振動を加えて構造物の健全度を診断する健
全度診断装置であって、前記構造物の振動に対する応答
を計測した振動モードが健全時の振動モードからどのよ
うに変化したかを評価して、前記構造物が変状した場所
を推定する変状推定部を備えることを特徴とする。

【０００６】上記構成では、構造物が錆や腐食やボルト
やネジなどの連結部の弛緩・亀裂により構造物が健全な
状態からどの程度変化しているかを表す健全度を検査す
るために、構造物に振動を加えて、その応答からわかる
構造物の振動モードの変化より構造物の変状（変化した
状態）した場所を把握することが可能である。健全時の
振動モードとは、構造物が健全な状態の時に実測したも
のである。ここで、構造物とは橋梁・コンクリート壁・
トンネル構造・コンクリート法面、橋脚・橋台・建築構
造物・タンク・港湾構造物・ダム・発電装置等を含む概
念である。さらに、変状には経年変化によって起きるも
のや強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わること
によって引き起こされるものを含む。

【０００７】また、請求項２では、請求項１記載の健全
度診断装置において、前記変状推定部は、前記構造物の
健全時の振動モードから構造物の変状を想定して解析し
た振動モードを求める理論値算出部と、前記変状を想定
して解析した振動モードで、前記構造物の振動に対する
応答を計測した振動モードを評価する評価部とを備える
ことを特徴とする。

【０００８】上記構成では、構造物に振動を加えてその
応答を実際に計測して求められる振動モードと、健全時
に計測した構造物の振動モードとから変状が評価され
る。変状を評価するためには、健全時に計測した構造物
の振動モードから変状を想定して解析した振動モードの
どれに近いかを評価して構造物の変状した場所を把握す
ることが可能である。

【０００９】また、請求項３では、請求項２記載の健全
度診断装置において、材質や形状などから算出した前記
構造物に関する定数を変化させて解析した振動モード
で、健全時に前記構造物の振動に対する応答を計測した
振動モードを評価して前記構造物に関する定数を同定す
る初期同定部を備えることを特徴とする。

【００１０】上記構成では、弾性係数や剛性定数や減衰
定数（対数減衰比）などの定数の理論値を材質や形状な
どから算出して、その定数をもとに健全時の理論上の振
動モードを解析し、定数を様々に変化させた場合の理論
上の振動モードも解析する。そして、健全時に計測した
振動モードが定数を変化させて解析したどの振動モード
に近いかを評価して実状に即すように構造物の定数を同
定をすることが可能である。

【００１１】また、請求項４では、請求項３記載の健全
度診断装置において、前記理論値算出部は、前記初期同
定部で健全時の前記構造物から同定した定数を前記構造
物の変状を想定して変化させ、変状時の前記構造物を解
析した振動モードを求めることを特徴とする。

【００１２】上記構成では、健全時に計測した振動モー
ドをもとに構造物の定数を同定しておき、その同定した
定数を変化させて構造物が変状した状態を想定した振動
モードを求めることができる。

【００１３】また、請求項５では、請求項４記載の健全
度診断装置において、前記評価部は、前記初期同定部で
同定した前記構造物の健全時の定数に基づき変状を様々
に想定して解析した振動モードで、前記構造物の振動に
対する応答を計測した振動モードを評価することを特徴
とする。

【００１４】上記構成では、健全時に計測した振動モー
ドをもとに構造物の定数を同定しておき、健全時におい
て構造物を同定した定数を変化させて構造物の変状を想
定した振動モードを評価して構造物を同定するので、局
所的な変状も特定することが可能である。

【００１５】また、請求項６において、請求項２〜４い
ずれか記載の健全度診断装置において、前記評価部は、
前記構造物の健全時の振動モードから構造物を同定し、
その同定に基づき変状を様々に想定して解析した振動モ
ードで前記構造物の振動に対する応答を計測した振動モ
ードを、遺伝的アルゴリズムを用いて評価することを特
徴とする。

【００１６】上記構成では、健全時において構造物から
の変状を同定するのに、遺伝的アルゴリズムを用いるこ
とで数多くの変状を想定して変状した場所を特定するこ
とが可能である。

【００１７】また、請求項７において、請求項２〜６い
ずれか記載の健全度診断装置において、前記理論値算出
部は、有限要素法で理論上の振動モードを解析すること
を特徴とする。

【００１８】上記構成では、有限要素法を用いることで
正確な解析を行うことができる。

【００１９】また、請求項８において、請求項７記載の
健全度診断装置において、前記理論値算出部で、前記構
造物のボルトやネジなどの連結部の弛緩による変状の想
定は、有限要素法でバネ要素剛性値を変化させて行うこ
とを特徴とする。

【００２０】上記構成では、構造物のボルトやネジなど
の連結部の弛緩による変状を、振動モードを解析して同
定することが可能である。バネ要素剛性値は、ヤング率
・断面積・ボルトの締め付け長さなどで表される。

【００２１】また、請求項９において、請求項７または
８記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部
で、前記構造物の亀裂によって変状の想定は、有限要素
法の該当する要素が不連続である条件のもとで行うこと
を特徴とする。

【００２２】上記構成では、構造物のボルトの亀裂など
による変状を、振動モードを解析して同定することが可
能である。

【００２３】また、請求項１０では、請求項７〜９いず
れか記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部
で、前記構造物が腐食による変状の想定は、有限要素法
で弾性係数を変化させて行うことを特徴とする。

【００２４】上記構成では、構造物の錆などの腐食によ
る変状を、振動モードを解析して同定することが可能で
ある。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる実施の形態
を、図を用いて説明する。本実施形態における健全度診
断装置１は、図１に示すように、構造物２に振動を与え
る加振部３と、与えた振動による応答を計測する計測部
４と、計測部４で計測した結果から振動モードを求める
実験モード解析部５と、振動モード解析の結果から損傷
部などの変化の状態（変状）を推定する変状推定部６を
備える。また、構造物の変状を正確に把握するために健
全な状態の構造物を同定する初期同定部７を備える。

【００２６】また、与えた振動による応答を計測した振
動モードは、計測した応答をフーリエ変換して解析する
実験モード解析で求めるものである。構造物の定数を変
化させて解析する振動モードや、構造物の変状を想定し
て解析する振動モードは有限要素法などの理論モード解
析で行うものである。

【００２７】加振部３は、構造物２の局部に取り付けて
所定の周波数域で振動を加えることができるものであ
る。特に構造物の局所における変状を観測するために
は、高周波（５００Ｈｚ以上）の振動を与えることがで
きるものが好ましい。また、加振部３は小型の方が微小
な力で振動与えることができるので望ましい。現状で
は、加振部３は、圧電素子を利用するものが考えられ
る。圧電素子は、印加電圧を機械的な歪みに変換するピ
エゾ圧電効果を利用したもので高周波域まで振動するこ
とができる。この圧電素子を構造物２に取りつけて加振
する。

【００２８】計測部４では、加振部３で与えた応答を計
測するために、構造物２の変位を計測するものである。
計測部４は、加速度計や、レーザ式変位測定器や、圧電
素子（機械的な歪みを電圧に変化するピエゾ圧電効果を
利用して位相の変化を観測するもの）などが考えられ
る。また、計測部４に圧電素子を利用する場合には、加
振部３と共用することも可能である。

【００２９】実験モード解析部５では、計測部４で計測
した構造物２の変位から構造物２の実験モード解析をす
る。つまり、構造物の加振部２で加えた振動に対する応
答を計測し、計測部４で計測した構造物２の変位からの
各振動モードの固有振動数を求めて振動モードを解析す
る。これは、健全時・変状した時点ともにおこなうもの
で実測値である。固有振動数は計測部４で計測した構造
物２の変位を周波数毎の波に分解し、各周波数における
振幅を取り出して振幅が卓越するところが固有振動数の
近傍であると判断するものである。ここで、解析する振
動モードは、加振部で与えた振動の周波域に応じて現れ
るもので、与えた振動の周波域に応じて低次から高次の
振動モードが出現する。例えば、計測部４で計測したも
のをフーリエ変換して、さらに、パワースペクトルにし
たものを観測してパワースペクトルの卓越するところが
固有振動数と判断する。フーリエ変換で得られた振幅を
観測して固有振動数と判断することもできるが、パワー
スペクトルの方がより明確に振幅の変化が現れる。

【００３０】変状推定部６は、健全時からの構造物が変
状した状態を推定するものである。図２に示すように、
構造物２をモデル化したもの（正常な状態の構造物２を
モデル化したものや損傷部などの変状を含む構造物２を
様々に想定してモデル化したものである。）の初期集団
作成し、構造物２をモデル化したものを解析して各モデ
ルに対応した振動モードの固有振動数の理論値を算出す
る理論値算出部６１を備える。さらに、理論値と実験モ
ード解析部５で求めた固有振動の実測値とを適応条件に
基づき評価する評価部６２とを備え最も適応するモデル
から損傷場所を推定する機能を備える。

【００３１】理論値算出部６１では、有限要素法などを
利用して低次から高次の振動モードにおける固有振動数
の理論値を求めるものである。以下、有限要素法につい
て説明する。

【００３２】評価部６２は、理論値算出部６１で求めた
理論値と実験モード解析部５で求めた実測値から、遺伝
的アルゴリズム（以下、ＧＡとする）・ニューロネット
ワーク回帰分析・多変量解析・パターン認識解析などの
手法を使って予測されるモデルの理論値を評価して損傷
場所を推定する。ここでは、ＧＡで評価する場合につい
て以下説明する。ＧＡは最適化問題に非常に有効である
といわれている手法である。そこで、構造物２をモデル
化したものをいくつか個体として初め与え、探索空間の
中で遺伝的操作を行い、遺伝子を交叉した固体や遺伝子
が突然変異を起こした個体を発生させることにより、構
造物２のさまざまな変状を想定して評価することができ
る。

【００３３】また、初期同定部７は、構造物２を固有振
動数の理論値の算出に必要な定数（バネ要素剛性値や、
弾性係数や、減衰定数など）を同定する機能を備える。
まず、任意の定数を与えて健全時の理論値の算出する理
論値算出部６１、健全時の構造物２において実験モード
解析部５で解析した固有振動数で評価する評価部６２か
らなる。理論値算出部６１と評価部６２は、前述の変状
推定部６で説明したものと同様の構成であるので詳細な
説明は省略する。

【００３４】次に、健全度診断装置１の動作について図
３に基づいて説明する。まず、加振部３で、低周波から
高周波まで連続的に加振し、その応答を計測部４で変位
の変化を計測する。

【００３５】例えば、加振部３の圧電素子に印加する電
圧を、図４に示すように、スタート周波数からストップ
周波数までの周波数を連続的に変化させると、それに応
じた周波数で圧電素子は振動し構造物２を加振する。そ
こで、計測部４では、図５に示すような応答が観測さ
れ、この応答を実験モード解析部５で、図６に示すよう
な、パワースペクトルに変換する。このパワースペクト
ルから振幅の卓越するところから実測値の固有振動数を
求める（Ｓ１００）。図６では、縦線を引いたところが
実測値の固有振動数に該当する。

【００３６】そこで、初期同定部７で構造物２の定数
（例えば、バネ要素剛性値や、弾性係数や、減衰定数な
ど）を同定する（Ｓ１０１）。以下、初期同定部７の詳
細について図２を用いて説明する。

【００３７】理論値算出部６１で、有限要素法で構造物
２を要素分割して構造物の固有振動数を求める。例え
ば、図７に示すようなＨ型鋼材２１を支柱２２で支えた
で支えた構造物２の場合には、図８に示すような要素を
設定する。ここで、図７のは構造物２の側面図をあら
わし、図７のはＨ型鋼材２１をＡ−Ａ’での断面図で
ある。さらに、図７のはＨ型鋼材２１を支柱２２で支
えたものを底面から見た図である。また、構造体２の固
有振動数は、構造体２の材料や形状などに基づいた定数
を用いて有限要素法から固有振動数の理論値を求める。
この定数は、理論的な値として算出することが可能であ
るが実測値に即したものにするためにＧＡを使って、定
数の同定を行う。

【００３８】まず、ＧＡの個体の遺伝子情報にばね定数
や変状位置を対応させる。そこで、個体の遺伝子情報
を、構造体の材料や形状などに基づき算出した定数から
多少変化させた個体群を創成する（Ｓ１１１）。

【００３９】この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動
数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期
集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。

【００４０】ここで、評価部６２に実験モード解析部５
で求めた実測値を入力する（Ｓ１１３）。そこで、各個
体に対して有限要素法を用いて各振動モード（1次〜ｎ
次まで）の固有振動数の理論値を計算する（Ｓ１１
４）。有限要素法で求めた理論値は図９に示すように振
幅が卓越するところが各振動モードの固有振動数であ
る。さらに、評価部６２に適応条件に基づき（Ｓ１１
５）評価する。ここでは、有限要素法で求めた理論値の
固有振動数と実験モード解析部５で解析した実測値の固
有振動数との差分が小さいほど適応度が高いと判断す
る。

【００４１】適応度条件の一例としては、

【数１】が小さなほど適応度が高いと判断する。ここでは、周波
数の差分の２乗をとったが単純に差分の絶対値で判断し
てもよい。

【００４２】ＧＡでは、全ての個体に対して適応度をみ
て、適応度の高い個体を増やしていくようにする。以上
のように何世代も演算を行い適応度が収束した時点で最
適解の個体（モデル）を得る。

【００４３】次に、構造物の変状を調べるために、再
度、構造物に加振部３で構造物２に加振し、その応答を
計測部４で計測して、実験モード解析部５で実測値の固
有振動数を求めて（Ｓ１０３）、変状推定部６で変状を
推定する（Ｓ１０４）。評価部６２では、ＧＡを用いて
評価する方法について具体的に説明する。また、変状推
定部６の詳細について、図２を再度用いて説明する。

【００４４】ここでも、理論値算出部６１では有限要素
法を利用して理論値を求める。また、前述の初期同定部
７と同様に、図８に示すような要素を設定し、初期同定
部７で求めた定数に各要素の変状に対応するような変化
を加えて固有振動数の理論値を求める。

【００４５】また、評価部６２は、有限要素法の各要素
における変状を表現できるように遺伝子情報を設定し
て、それに対応した理論値を算出し、実測値がどの理論
値に最も近いか評価する。以下、各場合について説明す
る。構造物２の変状には、（１）ボルトやネジなどの連
結部の弛緩、（２）亀裂、（３）錆・腐食などによる劣
化、などが考えられるが、ここでは、夫々の場合に分け
て考える。

【００４６】（１）ボルトやネジなどの連結部の弛緩まず、理論値算出部６１の有限要素法で、図７に示すよ
うに構造物２がねじなどで固定されている場合は、ボル
トやネジなどの連結部の弛緩した状態を該当する要素を
ヤング率・断面積・ボルトの締め付け長さなどで表され
るバネ要素剛性値を変化させて計算する。図７に示すよ
うなＨ型鋼材２１でのボルトが弛緩した状態を図１０に
示す。図１０ではＣＡＳＥ１が健全な状態で、ＣＡＳＥ
２、ＣＡＳＥ３、ＣＡＳＥ４、ＣＡＳＥ５、ＣＡＳＥ
６、ＣＡＳＥ７、・・・・の斜線で塗りつぶしたボルト
が弛緩ボルトを表す。この時、ＧＡの各個体の持つ遺伝
子情報は図１０に対応して図１１に示すように定義す
る。このようにして、様々なボルトの緩みに対応する構
造体２の個体群を創成する（Ｓ１１１）。図１１は、Ｇ
Ａの各個体の持つ遺伝子情報の一例であり、有限要素法
で変化させる要素とそのバネ要素剛性値と各個体の持つ
遺伝子情報とが対応するように表現できればよい。

【００４７】この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動
数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期
集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。

【００４８】ここで、実験モード解析部５で求めた実測
値を入力する（Ｓ１１３）。そこで、各ＣＡＳＥ１、Ｃ
ＡＳＥ２、ＣＡＳＥ３、ＣＡＳＥ４、ＣＡＳＥ５、ＣＡ
ＳＥ６、ＣＡＳＥ７、・・・・に対応するように、有限
要素法の該当要素のバネ要素剛性値を変化させて各モー
ド（1次〜ｎ次まで）の理論値を計算する（Ｓ１１
４）。さらに、評価部６２に適応条件に基づき（Ｓ１１
５）、評価する。ここでは、有限要素法で求めた理論値
と実験モード解析部５で解析した実測値との差分が小さ
いほど適応度が高いと判断する。適応度条件の一例とし
ては、前述の数１で与えられる。

【００４９】ＧＡでは、全ての個体に対して適応度の判
断する条件をみて、適応度の高い個体を増やしていくよ
うにする。以上のように何世代も演算を行い適応度が収
束した時点で最適解の個体を得る。

【００５０】（２）亀裂構造物に亀裂か生じた場合には、亀裂を挟む有限要素法
の要素と要素の間を不連続であるような条件にいれて固
有振動数の理論値を計算する。この場合には、ＧＡの各
固体の遺伝子情報は亀裂部分に対応し、亀裂部分では、
有限要素法の各要素が不連続な条件を設定するところと
対応するように表現する。また、通常疲労亀裂の存在の
可能性が大きいので、可能な亀裂発生予測位置を遺伝子
情報で表現できるように構造体２の個体群を創成する
（Ｓ１１１）。

【００５１】この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動
数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期
集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。以下、前
述の（１）と同様に、実験モード解析部５で求めた実測
値を入力し（Ｓ１１３）、理論値算出部６１では、遺伝
情報に基づいて各振動モードの固有振動数の理論値を算
出する（Ｓ１１４）。評価部６２では適応条件に基づき
評価して（Ｓ１１５）、最適解の個体を得る。

【００５２】（３）錆・腐食などによる劣化部分構造物内に錆・腐食などによる劣化が生じている場合に
は、該当する要素の弾性係数を変化させて計算する。こ
の場合には、ＧＡの各固体の遺伝子情報は劣化部分に対
応し、劣化部分では、有限要素法の各要素の弾性係数を
変化させて劣化部分と対応するように表現する。また、
劣化部分の腐食の範囲、深さなども遺伝子情報と対応す
るように表現して個体群を創成する（Ｓ１１１）。

【００５３】この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動
数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期
集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。以下、前
述の（１）と同様に、実験モード解析部５で求めた実測
値を入力し（Ｓ１１３）、理論値算出部６１では、遺伝
情報に基づいて各振動モードの固有振動数の理論値を算
出する（Ｓ１１４）。評価部６２に適応条件を入力して
（Ｓ１１５）、最適解の個体を得る。

【００５４】以上の実施の形態では、（１）ボルトやネ
ジなどの連結部の弛緩、（２）亀裂、（３）錆・腐食な
どによる劣化について、夫々の場合について説明したが
組み合せた場合についても適用できる。

【００５５】圧電素子（加振部３）は、固定する必要は
なくスキャンニング（移動）させて、押し付けて加振に
応じた応答のデータを取得できる。例えば、３次元で移
動できるアーム（ビーム）に圧電素子（加振部３）と受
信センサー（計測部４）を固定して、計測範囲内で最適
な計測位置を指定してデータを取得する。位置決定は１
０ミクロン単位で設定することも可能なものもある。

【００５６】

【実施例】ここで、加振部２として積層圧電アクチュエ
ータ３’を構造体２に設置し、計測部４として小型半導
体型加速度計４’を設置した場合について説明する。構
造物２は、図７に示すようなＨ形鋼材２１が支柱２２と
溶接により固定されたＬ字型の支柱版２３と、Ｈ形鋼材
２１の両端はボルト８本により接合されている。さら
に、両端に配置されている支柱２２とＨ形鋼材２１は接
触していないものとする。

【００５７】実際には加振部３は、図１２に示すよう
に、構造物２には積層圧電アクチュエータ３’を貼り付
け、積層圧電アクチュエータ３’に負荷がかかるように
反力板を設置し、反力は１００Ｎ程度として計測した。
さらに、ファンクションジェネレータにより作成された
任意波形信号をピエゾドライバ（増幅器）で増幅して積
層圧電アクチュエータ３’を動作させて局部を加振す
る。

【００５８】また、構造物２の加振はファンクションジ
ェネレータを用いて、図４に示すように、スタート周波
数を０．１Ｈｚとしストップ周波数を４００Ｈｚの周波
数を直線的に連続で変化するｓｉｎ波を入力する方法
（以下、スイープ加振と呼ぶ。）で加振した場合につい
て説明する。図４の縦軸この場合アクチュエータの入力
電圧である。また、スイ-プ時間は１５秒で加振したも
のである。

【００５９】小型半導体型加速度計４’はスパンの中央
部に２点設置して計測データをシグナルコンディショナ
で増幅してＡ／Ｄ変換カードを介してノード型パソコン
でデータを収集する。

【００６０】さらに、加振振動数に対応する応答加速度
の実験結果に基づいて考察をする。図５に示すように応
答加速度を見ると、スイ−プ加振では０．１Ｈｚから４
００Ｈｚの周波数を直線的に加振振動数が変化するた
め、構造体２の固有振動数の近辺に加振振動数が近づく
と応答加速度が大きくなる。

【００６１】また、図１３に実測して得られたパワース
ペクトル示す。図１３の（ａ）は正常時（ＣＡＳＥ１）
に対応するもので、図１３の（ｂ）はＣＡＳＥ３に対応
するものである。図１３を見ると低次の卓越よりも高次
の卓越が大きくなっている。これは、アクチュエータ
３’で局部に微小な加振力で加振しているためモード形
状の腹と節が多い高次のモード次数の方が微小な高次振
動に応答しやすいためと考えられる。また、ＣＡＳＥ１
とＣＡＳＥ３では明らかにパワースペクトルに変化が見
られる。

【００６２】さらに、各ボルトの弛緩ケースでの固有振
動数の実測定値の結果を図１４に示す、さらに、健全時
（ＣＡＳＥ１）から見た損傷時（ＣＡＳＥ２〜ＣＡＳＥ
７）の固有振動数の変化の程度を減少率で図１５に示
す。減少率の変化に注目すれば、弛緩するボルトにより
固有振動数の減少の程度が異なっていることがわかる。
この図からもわかるように、局所的な変化は高次の振動
モードに対して影響が出やすいことがわかる。

【００６３】以上のことより、ボルトの弛緩による変状
が固有振動数の変化として現れることが予測される。

【００６４】そこで、まず健全時の実測値の固有振動数
を目標値として、健全時のバネ要素剛性値の同定を行
う。

【００６５】図７に示す構造物２では、健全時における
計測値からＧＡを使ってバネ要素剛性値の同定を行っ
た。ここでは、ＧＡの適用方法として、交叉率６０％、
突然変異率５％、人口数５０とした単純ＧＡを用いた結
果を図１６に示す。図１５から、1次では若干誤差が見
られるが、３次および４次では実験結果に近い結果とな
りバネ剛性値を同定することが可能であることがわか
る。

【００６６】さらに、有限要素法（この実施例は、汎用
構造解析のプログラムＭＡＲＣを採用した。）で図１０
に示すＣＡＳＥ３を想定したボルトの弛緩状態を作成す
るために、該当する要素についてＹ方向のバネ要素剛性
値のみを減少させることとし、健全時の６０％のバネ要
素剛性値として設定した。以上のような条件で作成した
同定モデルに対して、Ｙ方向のバネ要素剛性値を同定
し、同定結果が健全時の６０％になっているか検証し
た。ここでは、ＧＡの適用方法として、交叉率６０％、
突然変異率５％、人口数５０とした単純ＧＡを用いた結
果を図１７に示す。図１７に示す解析結果から、健全時
の６０％よりも小さく評価されたバネ要素もありばらつ
きがあるが全体的には有効であることがわかる。

【００６７】また、有限要素法の要素のとり方や変状の
想定の仕方によってもっと実測値に状態で構造物を同定
することが可能である。

【００６８】以上、詳細に説明したように本発明の有効
性が確かめられた。また、本実施例では、ボルトやネジ
などの弛緩に対して有効であることが確かめられたが、
亀裂や腐食に対しても同様のことが言える。亀裂や腐食
の影響はボルトやネジの弛緩と比較して変状の影響は異
なる。そこで、時系列の変状データを取得していくこと
で微小な変状の変化を検出することができる。

【００６９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本願発明で
は、健全時に構造物の同定を行っておくことにより、経
年変化や強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わる
ことによって引き起こされた局所的に変化が起こってい
る場所を特定することが出来る。

【００７０】また、局所的な変化を把握することができ
るので、その変化に応じて適切に対処することができア
セットマネージメントの観点から見ても非常に有効であ
る。さらに、構造物の維持管理技術の重要性を鑑みる
と、微小な変状（予兆、徴候）を早期に発見して、予防
的な補修補強を実施することが、構造物のライフサイク
ルコストを減少でき、維持管理経費の有効活用に資する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】健全度診断装置の概略区構成図である。

【図２】初期同定部（変状推定部）の機能ブロック図
である。

【図３】健全度診断装置の動作を説明するためのフロ
ーチャートである。

【図４】加振の様子を説明するための図である。

【図５】加振に応答した変位の一例である。

【図６】パワースペクトルの一例である。

【図７】構造物の側面図と底面図と断面図の一例であ
る。

【図８】構造物に有限要素法の要素を設定した一例で
ある。

【図９】理論上の振動モードを表す図である。

【図１０】ボルトが弛緩した状態を表す一例である。

【図１１】ＧＡの各個体の持つ遺伝子情報の一例であ
る。

【図１２】構造物２には積層圧電アクチュエータを貼
り付けて加振するための構造を表す一例である。

【図１３】ボルトの弛緩でパワースペクトルに変化が
現れることを示す図である。

【図１４】ボルトの弛緩のケースでの実験結果の各モ
ードの固有振動数を表すものである。

【図１５】ボルトの弛緩の各ケースの固有振動数の変
化の程度を減少率で表したものである。

【図１６】健全時における実験結果と同定結果を表す
ものである。

【図１７】ＣＡＳＥ３を想定したボルトの弛緩状態を
同定した結果と理論値を表すものである。

【符号の説明】

１健全度診断装置２構造物２１Ｈ型鋼材２２支柱２３Ｌ字型の支柱版３加振部３’ 積層圧電アクチュエータ３１反力固定版３２反力板４計測部４’ 小型半導体型加速度計５実験モード解析部６変状推定部７初期同定部６２評価部６１理論値算出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物に局部に振動を加えて構造物の健
全度を診断する健全度診断装置であって、前記構造物の振動に対する応答を計測した振動モードが
健全時の振動モードからどのように変化したかを評価し
て、前記構造物が変状した場所を推定する変状推定部を
備えることを特徴とする健全度診断装置。
【請求項２】請求項１記載の健全度診断装置におい
て、前記変状推定部は、前記構造物の健全時の振動モードか
ら構造物の変状を想定して解析した振動モードを求める
理論値算出部と、前記変状を想定して解析した振動モードで、前記構造物
の振動に対する応答を計測した振動モードを評価する評
価部とを備えることを特徴とする健全度診断装置。
【請求項３】請求項２記載の健全度診断装置におい
て、材質や形状などから算出した前記構造物に関する定数を
変化させて解析した振動モードで、健全時に前記構造物
の振動に対する応答を計測した振動モードを評価して前
記構造物に関する定数を同定する初期同定部を備えるこ
とを特徴とする健全度診断装置。
【請求項４】請求項３記載の健全度診断装置におい
て、前記理論値算出部は、前記初期同定部で健全時の前記構
造物から同定した定数を前記構造物の変状を想定して変
化させ、変状時の前記構造物を解析した振動モードを求
めることを特徴とする健全度診断装置。
【請求項５】請求項４記載の健全度診断装置におい
て、前記評価部は、前記初期同定部で同定した前記構造物の
健全時の定数に基づき変状を様々に想定して解析した振
動モードで、前記構造物の振動に対する応答を計測した
振動モードを評価することを特徴とする健全度診断装
置。
【請求項６】請求項２〜４いずれか記載の健全度診断
装置において、前記評価部は、前記構造物の健全時の振動モードから構
造物を同定し、その同定に基づき変状を様々に想定して
解析した振動モードで前記構造物の振動に対する応答を
計測した振動モードを、遺伝的アルゴリズムを用いて評
価することを特徴とする健全度診断装置。
【請求項７】請求項２〜６いずれか記載の健全度診断
装置において、前記理論値算出部は、有限要素法で理論上の振動モード
を解析することを特徴とする健全度診断装置。
【請求項８】請求項７記載の健全度診断装置におい
て、前記理論値算出部で、前記構造物のボルトやネジなどの
連結部の弛緩による変状の想定は、有限要素法でバネ要
素剛性値を変化させて行うことを特徴とする健全度診断
装置。
【請求項９】請求項７または８記載の健全度診断装置
において、前記理論値算出部で、前記構造物の亀裂によって変状の
想定は、有限要素法の該当する要素が不連続である条件
のもとで行うことを特徴とする健全度診断装置。
【請求項１０】請求項７〜９いずれか記載の健全度診
断装置において、前記理論値算出部で、前記構造物が腐食による変状の想
定は、有限要素法で弾性係数を変化させて行うことを特
徴とする健全度診断装置。