JP2003156415A - Method of inspecting soundness of large-sized structure by adaptive parameter estimation method using physical model, and device therefor - Google Patents

Method of inspecting soundness of large-sized structure by adaptive parameter estimation method using physical model, and device therefor

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JP2003156415A
JP2003156415A JP2001355531A JP2001355531A JP2003156415A JP 2003156415 A JP2003156415 A JP 2003156415A JP 2001355531 A JP2001355531 A JP 2001355531A JP 2001355531 A JP2001355531 A JP 2001355531A JP 2003156415 A JP2003156415 A JP 2003156415A
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vibration
frequency
soundness
pier
equation
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Shogo Tanaka
正吾 田中
Yoichi Ueishi
陽一 上石
Tetsuyuki Wada
哲行 和田
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SYNCHRO CO Ltd
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SYNCHRO CO Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method by which the natural frequency of a large-sized structure can be estimated by an impact vibration, and the soundness thereof is easily and precisely diagnosed. SOLUTION: In this soundness inspection method for the large-sized structure by an adaptive parameter estimation method using a physical model, a vibration model constituted to be set preliminarily is combined to a vibration data from a vibration sensor to estimate the natural frequency of the structure by a maximum likelihood method, and a result therein is displayed and stored.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、打撃振動により大
型構造物の固有振動周波数を推定し、その健全度を診断
する非破壊検査による大型構造物の健全度点検方法およ
びその装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a soundness inspection method for a large structure by a nondestructive inspection for estimating the natural vibration frequency of the large structure by impact vibration and diagnosing the soundness thereof, and an apparatus therefor. .

【0002】[0002]

【従来の技術】列車や車の安全走行を確保するために、
鉄道や道路の河川に架けられた橋梁等の大型構造物の安
全性点検は欠かせないものである。こうした大型構造物
の健全度を非破壊検査によって点検する手法として、従
来は橋梁の橋脚頭部に重錘で衝撃を与え、その時の振動
波形を計測し高速フーリエ変換などによる周波数解析な
どを行って固有振動周波数を求め、その値から、橋脚の
健全度を判定する方法が採られていた。
2. Description of the Related Art In order to ensure the safe running of trains and cars,
It is essential to check the safety of large structures such as bridges spanning rivers on railways and roads. As a method of inspecting the soundness of such large structures by nondestructive inspection, conventionally, a shock was applied to the bridge pier head with a weight, the vibration waveform at that time was measured, and frequency analysis such as fast Fourier transform was performed. A method has been adopted in which the natural vibration frequency is obtained and the soundness of the pier is determined from the value.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た方法では、半数程度の橋梁橋脚では、周波数スペクト
ルの分解能が悪いだけでなく多数のピークがあり、位相
特性を用いても180deg位相が急変する箇所でピー
クをとる周波数が見つからないなど、固有振動周波数を
求めることができず、このため、構造物の健全度を判定
することが事実上で困難であった。また、重錘を用いる
としても、橋脚毎に重錘を吊り下げるための櫓を仮設し
なければならず、極めて手間がかかるという欠点があっ
た。
However, according to the above-mentioned method, about half of bridge bridge piers have not only poor frequency spectrum resolution but also a large number of peaks, and even if phase characteristics are used, the 180 deg phase suddenly changes. Since the natural vibration frequency cannot be obtained, for example, the frequency at which the peak takes place cannot be found. Therefore, it is practically difficult to determine the soundness of the structure. Moreover, even if a weight is used, a turret for suspending the weight must be temporarily installed for each pier, which is extremely troublesome.

【0004】そこで、本発明は簡便で手間の掛からない
打撃方法と物理モデルを用いた適応的パラメータ推定法
を組み合わせることによって、構造物の安全性に係る診
断の信頼性を大幅に向上できる大型構造物の健全度点検
方法および装置を提供することにより、上記問題点を解
決することを目的とする。
Therefore, according to the present invention, by combining a simple and effortless striking method and an adaptive parameter estimation method using a physical model, the reliability of the diagnosis regarding the safety of the structure can be greatly improved. An object of the present invention is to solve the above problems by providing a method and an apparatus for checking the soundness of an object.

【0005】本発明は、大型構造物の振動を観測する振
動センサとこの信号を取り入れデジタル化する手段と、
デジタル化した前記振動データに予め設定できるように
した振動モデルを組み合わせて最尤法により大型構造物
の固有振動周波数を推定する演算手段と、その結果を表
示あるいは保存できるようにした手段とから構成するこ
とにより、大型構造物の固有振動周波数を簡単にかつ高
精度に推定し、大型構造物の健全度点検を行うことを特
徴としている。
The present invention comprises a vibration sensor for observing the vibration of a large structure and a means for digitalizing the signal.
Comprised of arithmetic means for estimating the natural vibration frequency of a large structure by the maximum likelihood method by combining the digitalized vibration data with a vibration model that can be set in advance, and means for displaying or saving the result. By doing so, the natural vibration frequency of the large structure is easily and accurately estimated, and the soundness of the large structure is inspected.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用
した技術解決手段は、振動センサからの振動データに、
予め設定できるようにした振動モデルを組み合わせて最
尤法により大型構造物の固有振動周波数を推定し、その
結果を表示、保存できるようにした物理モデルを用いた
適応的パラメータ推定法による大型構造物の健全度点検
方法である。また、振動センサと、振動センサからの信
号を入力する信号入力部と、データ処理部と、データ処
理部からの出力信号を出力する出力部とからなり、前記
データ処理部はカルマンフィルタおよび最尤法を用い被
検査対象物である構造物の基本モード周波数を算出する
ことを特徴とする物理モデルを用いた適応的パラメータ
推定法による大型構造物の健全度点検装置である。
For this reason, the technical solution adopted by the present invention is based on the vibration data from the vibration sensor.
Large structure by the adaptive parameter estimation method using a physical model that estimates the natural vibration frequency of a large structure by the maximum likelihood method by combining vibration models that can be set in advance and displays the result. It is a soundness inspection method of. Further, it comprises a vibration sensor, a signal input unit for inputting a signal from the vibration sensor, a data processing unit, and an output unit for outputting an output signal from the data processing unit, wherein the data processing unit is a Kalman filter and a maximum likelihood method. Is a soundness inspection apparatus for a large structure by an adaptive parameter estimation method using a physical model, which is characterized by calculating a fundamental mode frequency of a structure which is an object to be inspected.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態に係る大型構造物の健全度点検方法およびその装
置について説明すると、図1は本発明の点検方法によっ
て橋梁橋脚の健全度を点検する場合を例にとって説明す
る構成図、図2は大型構造物の健全度点検方法を実現す
る装置のブロック図、図3は橋脚振動モデルの固有関数
の図、図4は本発明の健全度点検方法を説明するための
片持梁の概念図、図5はデータ処理部および出力部にお
けるデータ処理フローチャートである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A soundness inspection method for a large structure and an apparatus therefor according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 2 is a block diagram of an apparatus for realizing a soundness inspection method for a large structure, FIG. 3 is a diagram of an eigenfunction of a pier vibration model, and FIG. 4 is a soundness of the present invention. FIG. 5 is a conceptual diagram of a cantilever for explaining the degree inspection method, and FIG. 5 is a data processing flowchart in the data processing unit and the output unit.

【0008】図1において、1はコンクリート製の橋
脚、2は橋脚頭部、3は橋脚を打撃するハンマー(重
錘)、4は振動センサ(たとえば加速度センサユニッ
ト)、5は本発明に係る健全度点検装置とトリガスイッ
チ、6は橋桁である。
In FIG. 1, 1 is a concrete pier, 2 is a pier head, 3 is a hammer (weight) for hitting the pier, 4 is a vibration sensor (for example, an acceleration sensor unit), and 5 is sound according to the present invention. Degree checker and trigger switch, 6 is a bridge girder.

【0009】図示のようなコンクリート製の橋脚1は、
衝撃によって固有の振動周波数で振動する。この固有振
動周波数は橋脚1が橋脚頭部が自由端である片持ち梁構
造であるとみなせる。
The concrete pier 1 as shown
It vibrates at its own vibration frequency due to impact. This natural vibration frequency can be regarded as the cantilever structure in which the pier 1 has the free end of the pier head.

【0010】このため、図1に示す橋脚1を梁に見立て
たとき、橋脚1の多くの部分が土砂に埋まっている健全
な場合の等価的橋脚長をh1 とすると、h1 は土砂上面
から橋脚頭部までの長さより長い値となる。次に、水流
の激しい状態が続いて橋脚周りの渦流によって土砂が運
び出されて洗掘が発生した不健全な場合には、等価的橋
脚長h2 は土石圧力が低減するため、例えば図1に示す
2 のようにh1 より長くなる。この結果、橋脚1の振
動の基本モードの固有角周波数ω1 は小さくなる。本発
明は、上述した基本モードの固有角周波数ω1 の値の低
下により橋脚の健全度の低下を推定することを特徴とし
ている。
For this reason, when the bridge pier 1 shown in FIG. 1 is regarded as a beam, assuming that the equivalent bridge pier length is h 1 when many parts of the pier 1 are buried in soil, h 1 is the top surface of the sediment. The value is longer than the length from to the pier head. Next, in the unhealthy state where the sand flow is carried out by the vortex flow around the bridge pier and the scour occurs due to the heavy water flow, the equivalent pier length h 2 reduces the debris pressure, and for example, as shown in FIG. It becomes longer than h 1 as shown by h 2 . As a result, the natural angular frequency ω 1 of the fundamental mode of vibration of the pier 1 becomes smaller. The present invention is characterized in that the decrease in the soundness of the pier is estimated by the decrease in the value of the natural angular frequency ω 1 of the fundamental mode described above.

【0011】以下橋脚の場合の推定方法について説明す
ると、図1に示すように、橋脚1の橋脚頭部2に対して
水平に方向yの向きにハンマー3で衝撃を与える。方向
yは鉄道の線路方向と直角で、橋脚の周囲を流れる河川
の水流の方向と同じである。基本は橋脚の水平最長手方
向をy軸としてy軸に向かって打撃を与えることであ
る。
The estimation method in the case of a bridge pier will be described below. As shown in FIG. 1, the hammer 3 impacts the bridge pier head 2 of the pier 1 horizontally in the direction y. The direction y is perpendicular to the railroad track direction and is the same as the direction of the water flow of the river flowing around the pier. The basis is to strike the y-axis with the longest horizontal direction of the pier as the y-axis.

【0012】加速度センサーユニット4は橋脚頭部2の
上にy方向の振動成分を計測できる向きに設置する。点
検装置5内に設けられたトリガスイッチを押下し、信号
入力を許可し、その後の時刻に発生する上記衝撃による
振動の加速度信号を点検装置5に取り込む。打撃開始時
刻とトリガスイッチ押下時刻は前後しても構わない。手
に持ったハンマー3で打撃する場合、打ち損じのケース
も想定し、複数の打撃を行うようにする。加速度センサ
ユニット4より伝達される加速度信号はアナログ信号で
あり、この信号をデジタル化したのち本点検装置(詳細
は後述する)内で橋脚の推定固有振動数を算出し、出力
する。
The acceleration sensor unit 4 is installed on the pier head 2 in such a direction that the vibration component in the y direction can be measured. The trigger switch provided in the inspection device 5 is pressed to allow the signal input, and the acceleration signal of the vibration due to the impact generated at the subsequent time is taken into the inspection device 5. The striking start time and the trigger switch pressing time may be mixed. When hitting with the hammer 3 held in the hand, a plurality of hits should be performed on the assumption of a missed hit. The acceleration signal transmitted from the acceleration sensor unit 4 is an analog signal, and after this signal is digitized, the estimated natural frequency of the pier is calculated and output in this inspection device (details will be described later).

【0013】以下、上記点検装置の構成を図2を参照し
て説明すると、点検装置5はコンピュータあるいは専用
回路からなる演算手段を有し、図に示すように、加速度
センサユニットからの信号を入力する信号入力部7と、
データ処理部8と、テータ処理部からの出力信号を出力
する出力部9と、出力部からの信号を記憶する適宜記憶
装置10とから構成されている。また、前記データ処理
部8は、ノイズ低減処理部81と、演算処理部82と、
パラメータ設定手段83と、固有振動周波数理論値計算
手段84と、基本モード周波数確定手段85と、判定パ
ラメータ設定手段86と健全度判定手段87とから構成
されている。なおノイズ低減処理部は必要に応じて省略
することも可能である。前記演算処理部82では、パラ
メータ設定手段83及び固有振動周波数理論値計算手段
84からの情報により橋脚の固有振動モデルが決定され
ており、カルマンフィルタおよび最尤法により基本モー
ド周波数を導く(この詳細は後述する)。
The structure of the above-mentioned inspection device will be described below with reference to FIG. 2. The inspection device 5 has a computing means composed of a computer or a dedicated circuit, and as shown in the figure, receives a signal from the acceleration sensor unit. A signal input section 7 for
The data processing unit 8 includes an output unit 9 that outputs an output signal from the data processing unit, and an appropriate storage device 10 that stores a signal from the output unit. Further, the data processing unit 8 includes a noise reduction processing unit 81, an arithmetic processing unit 82,
It comprises a parameter setting means 83, a natural vibration frequency theoretical value calculating means 84, a basic mode frequency determining means 85, a judgment parameter setting means 86 and a soundness judging means 87. Note that the noise reduction processing unit can be omitted if necessary. In the arithmetic processing section 82, the natural vibration model of the pier is determined by the information from the parameter setting means 83 and the natural vibration frequency theoretical value calculation means 84, and the fundamental mode frequency is derived by the Kalman filter and the maximum likelihood method. See below).

【0014】ここで橋脚の振動モデルとしては、図4に
示す片持梁の振動モデルを用いる。梁長h,断面積S,密
度ρ,梁の断面2次モーメントI,梁の縦弾性係数Eが与
えられれば、橋桁などの付属物による影響が無視できる
範囲では、次の第(1)式が成立する。
Here, as the vibration model of the pier, the vibration model of the cantilever beam shown in FIG. 4 is used. Given the beam length h, cross-sectional area S, density ρ, beam moment of inertia I, and longitudinal elastic modulus E of the beam, the following formula (1) can be used within a range in which the effects of accessories such as bridge girders can be ignored. Is established.

【0015】[0015]

【数1】 [Equation 1]

【0016】第(4)式の解y(x,t)を変数分離形The solution y (x, t) of the equation (4) is separated into variables.

【数2】 で表し、[Equation 2] Is expressed as

【0017】[0017]

【数3】 とすると、第(1)式、第(2)式より[Equation 3] Then, from equations (1) and (2),

【0018】[0018]

【数4】 [Equation 4]

【0019】[0019]

【数5】 が成り立つ。ここに第(5)式は振動モードの固有関数
が満たす方程式を、また第(4)式は各モードの時間変
動分が満たす方程式を表す。詳細は文献[上石・田中:
加速度ピックアップを用いた橋脚の異常診断, 第44回自
動制御連合講演会]を参照されたいが、この振動モデル
が満たす固有方程式を解き、これと第(3)式とから、
第(4)式のω は次式を満たすことが判る。
[Equation 5] Holds. Here, the equation (5) represents an equation satisfied by the eigenfunction of the vibration mode, and the equation (4) represents an equation satisfied by the time variation of each mode. For details, see the literature [Kamiishi / Tanaka:
Abnormality diagnosis of bridge piers using accelerometer, The 44th Joint Lecture on Automatic Control], but by solving the eigen equations satisfied by this vibration model, and from this and Equation (3),
It can be seen that ω in the equation (4) satisfies the following equation.

【0020】[0020]

【数6】 ここにωj (j=1,2,3,・・・)は第(2)式、第(4)
式より明らかなように橋脚の縦方向の任意の位置xでの
横振動(y方向)の固有角周波数を表し、jを変化させ
ると高次モードの固有振動に対する固有角周波数が得ら
れる。橋脚を弾性体とみなしたときの固有振動の角周波
数は第(6)式で与えられるので、この物理モデルを利
用することにより、1次のモードの固有振動が直接観測
しにくい場合や、雑音の多い場合にも、1次,2次,3次
・・・の複数のモードの振動を総合的に評価することに
より、信頼性を大幅に向上できる。また、センサ出力の
SN比を高めるためには、図3に示す固有関数の形から
センサを橋脚頭部に設置すればよいこともわかる。実際
には観測される振動データを次のように3つのモードの
固有振動の和でモデル化する。
[Equation 6] Here, ω j (j = 1,2,3, ...) is expressed by equation (2) and equation (4).
As is clear from the equation, the natural angular frequency of the lateral vibration (y direction) at an arbitrary position x in the vertical direction of the pier is represented, and if j is changed, the natural angular frequency for the natural vibration of the higher order mode can be obtained. Since the angular frequency of the natural vibration when the bridge pier is regarded as an elastic body is given by equation (6), it is difficult to directly observe the natural vibration of the first mode by using this physical model, In the case where there are many cases, the reliability can be greatly improved by comprehensively evaluating the vibrations of a plurality of modes including the first order, the second order, the third order, .... Further, in order to increase the SN ratio of the sensor output, it can be understood from the shape of the eigenfunction shown in FIG. 3 that the sensor should be installed on the pier head. Actually, the observed vibration data is modeled by the sum of the natural vibrations of the three modes as follows.

【0021】[0021]

【数7】 ただしωj は第jモードの固有角周波数であり、第
(6)式で与えられ、これらの値はω1 :ω2 :ω3
1:6.21:17.40を満たす。また第4モード以上の固有
振動と自然に混入する加速度雑音をまとめて観測雑音と
している。このとき、第1モード、第2モード、第3モ
ードの振動成分をそれぞれx1(t), x2(t), x 3(t) と
し、状態ベクトル
[Equation 7] Where ωjIs the natural angular frequency of the j-th mode,
Given by equation (6), these values are1 : Ω2 : Ω3 =
Satisfies 1: 6.21: 17.40. Also unique to the 4th mode and above
Vibrations and acceleration noises that are naturally mixed are collectively referred to as observation noises.
is doing. At this time, the first mode, the second mode, the third mode
X is the vibration component of the1(t), x2(t), x 3(t) and
And state vector

【0022】[0022]

【数8】 を定義すれば、サンプル値型動的モデルとして[Equation 8] As a sample value type dynamic model

【0023】[0023]

【数9】 観測方程式として[Equation 9] As an observation equation

【0024】[0024]

【数10】 なるものが得られる。ここに[Equation 10] You get what you get. here

【0025】[0025]

【数11】 なお、[Equation 11] In addition,

【0026】[0026]

【数12】 であり、I6 は6次の単位行列、 L-1[・]はラプラス逆
変換を表す。このとき、状態ベクトルの推定は次のカル
マンフィルタによりなされる。
[Equation 12] Where I 6 is the 6th order identity matrix, and L −1 [·] is the inverse Laplace transform. At this time, the estimation of the state vector is performed by the following Kalman filter.

【0027】[0027]

【数13】 であり、Rは観測雑音vkの分散を表す。前提として第
(6)式においてρ、S、E、Iなどの橋脚の物理パラメ
ータが正確に与えられていても、梁長hと上記分散Rが未
知である。このままでは第(15)式〜第(21)式の
カルマンフィルターを適用できない。そこで本発明で
は、2つの未知パラメータh、Rを θ=(h,R) T と表し
θに候補を与えカルマンフィルターを適用することにし
た。
[Equation 13] And R is the observation noise vkRepresents the variance of. As a premise
In equation (6), the physical parameters of the pier such as ρ, S, E, and I
The beam length h and the above dispersion R are not
Knowledge. If this is the case, equations (15) to (21)
Kalman filter cannot be applied. So in the present invention
Represents two unknown parameters h and R θ = (h, R) TRepresents
We give candidates to θ and apply the Kalman filter.
It was

【0028】基本モード周波数確定手段において、最大
尤度を与える周波数あるいは大きな尤度を与える複数の
ピークから周波数が最小のピーク値を選択し基本モード
の固有周波数として確定するが、このとき用いる尤度関
数について以下に説明する。尤度関数とは、与えられた
パラメータの信憑性を評価する関数であり、今の場合、
任意に与えたパラメータθに対する観測値の実現確率尤
度を与えるものである。従って、この確率尤度を最大に
するθを求めれば、この時のθの成分であるhが求ま
り、診断の目的が遂行される。この最大化すべき尤度関
数は今の場合次式で与えられ、この計算に上記カルマン
フィルタが使用できる。
In the fundamental mode frequency deciding means, the peak value having the smallest frequency is selected from the frequency giving the maximum likelihood or a plurality of peaks giving a large likelihood and decided as the eigenfrequency of the fundamental mode. The function will be described below. Likelihood function is a function that evaluates the credibility of a given parameter.
It is the one that gives the likelihood of realization of the observed value for an arbitrary parameter θ. Therefore, if θ that maximizes this probability is obtained, h that is the component of θ at this time is obtained, and the purpose of diagnosis is achieved. This likelihood function to be maximized is then given by the following equation, which can be used by the Kalman filter described above.

【0029】[0029]

【数14】 なお、現実には、ρ,S,E,Iなる物理パラメータは未知あ
るいは不正確であるため、実際にはω1, ω2, ω3 など
の固有角周波数を求めるようにしたほうが良い。なお、
ω1, ω2, ω3 の間には1:6.21:17.40の拘束条件がある
ので、この現実的な方法を適用するに当っては、尤度関
数を最大化するパラメータとしては、θ={ω1, R }を
考えればよい。
[Equation 14] In reality, the physical parameters ρ, S, E, I are unknown or inaccurate, so it is better to actually obtain the natural angular frequencies such as ω 1 , ω 2 , ω 3 . In addition,
Since there is a constraint condition of 1: 6.21: 17.40 between ω 1 , ω 2 , and ω 3 , in applying this realistic method, the parameter that maximizes the likelihood function is θ = Consider {ω 1 , R}.

【0030】ここで、図2中のパラメータ設定手段83
および固有振動周波数理論値計算手段84では、対象と
する大型構造物の物理パラメータを入力し、パラメータ
化された固有振動モデルを作成する。そして演算処理部
82ではこのモデルに基づき、状態ベクトルxK を(1
5)式〜(21)式に示すように推定し、このパラメー
タの実現確率尤度(尤度関数)を(22)式、(23)
式に示すように計算する。
Here, the parameter setting means 83 in FIG.
In the natural vibration frequency theoretical value calculation means 84, the physical parameters of the target large structure are input and a parameterized natural vibration model is created. Then, the arithmetic processing unit 82 calculates the state vector x K by (1
Estimated as shown in equations (5) to (21), the realization probability likelihood (likelihood function) of this parameter is represented by equations (22) and (23).
Calculate as shown in the formula.

【0031】図5にデータ処理部でのデータ処理フロー
チャートを示す。図において、プログラムがスタートす
ると、ステップS1で診断対象物の物理パラメータを設
定する。ステップS2では入力信号をファイルとして、
またはメモリー上で読み込む。ステップS3でカルマン
フィルタを用いて状態ベックトルの推定計算を行う。ス
テップS4でステップS3の計算結果と観測値から図7
に示すような尤度関数を計算する。ステップS5で最大
尤度を与える基本モードの振動周波数を決定する。ステ
ップS6でステップS5で求めた基本モードの振動周波
数が正常な管理幅にあるかどうかを健全度判定手段87
により判定する。判定は、診断対象物の計算上の正常時
の基本モードの振動周波数と当該診断により求められた
それとを比較することにより、または経験上健全と判断
できるような過去測定した基本モード振動の周波数と当
該診断により求られたそれとを比較することにより行
う。管理幅の閾値は診断対象物の種類や設置状況により
異なる。ステップS7で健全度判定結果を出力するかし
ないかを選択する。ステップS8で健全度判定結果を記
憶手段に出力する。
FIG. 5 shows a data processing flowchart in the data processing section. In the figure, when the program starts, the physical parameters of the diagnostic object are set in step S1. In step S2, the input signal is a file,
Or read in memory. In step S3, the state Becktle is estimated and calculated using the Kalman filter. In step S4, the calculation result of step S3 and the observed value are shown in FIG.
The likelihood function as shown in is calculated. In step S5, the vibration frequency of the fundamental mode that gives the maximum likelihood is determined. In step S6, the soundness determining means 87 determines whether the vibration frequency of the basic mode obtained in step S5 is within the normal control range.
Determined by The judgment is made by comparing the vibration frequency of the normal mode in the calculation of the diagnostic object in a normal time with that obtained by the diagnosis, or with the frequency of the fundamental mode vibration measured in the past that can be judged to be sound from experience. It is performed by comparing with that obtained by the diagnosis. The threshold value of the management width varies depending on the type of the diagnosis target and the installation status. In step S7, it is selected whether to output the soundness determination result. In step S8, the soundness determination result is output to the storage means.

【0032】以下に、図1に示す形態で橋梁橋脚を対象
とした実験結果を示す。なお、比較のため、重錘(30kg)
およびマジックハンマー(4.5kg)を用いたときのデータ
に対して提案方法による解析法及び従来法をそれぞれ用
いたときの計測結果も併せて示す。まず、重錘およびマ
ジックハンマーでそれぞれ衝撃を与えたときの加速度ピ
ックアップの出力信号を、それぞれ図6、図7に示す。
なお、加速度ピックアップは橋脚の真上にホットメルト
で接着する方式を採用し、衝撃方向の橋脚振動が採取で
きるようにした。
Below, the experimental results for the bridge pier in the form shown in FIG. 1 are shown. For comparison, weight (30 kg)
Also, the measurement results when the analysis method by the proposed method and the conventional method are used for the data when using a magic hammer (4.5 kg) are also shown. First, FIG. 6 and FIG. 7 show the output signals of the acceleration pickup when the weight and the magic hammer are applied with an impact, respectively.
The accelerometer adopts a hot melt adhesive system directly above the pier so that the pier vibration in the impact direction can be sampled.

【0033】これらのデータに未知パラメータをθ=
(h,R)T とした提案方式を適用したときの尤度関数
を描いたものがそれぞれ図8、図9である。横軸には振
動の基本モードの各周波数ω1 を周波数にて示し、また
縦軸には各周波数に対する尤度を示している。なお尤度
の計算に関しては、カルマンフィルタに使用する観測雑
音分散Rも変数とすべきであるが、Rは尤度にほとんど影
響を与えないことが確認できているので、定数とするこ
とができ、ここでは観測雑音の標準偏差(つまり√R)
は、観測値の実効値の10%とした。これらの図から判る
ように、最大尤度を与える基本モードの周波数は、重錘
を用いた場合は17.0Hz、マジックハンマーを用いた場合
は17.7Hzとなり、ほとんど一致する。このことから30kg
の重錘を使用しなくても、携帯に便利なわずか4.5kgの
マジックハンマーで、橋脚の振動の基本モードが十分正
確に求められることが判った。なお、図6、図7に、実
際のセンサー出力に合わせて上記基本モード周波数を用
いたときのカルマンフィルタによるセンサー出力の推定
波形を破線で示すが、共に良好な推定が行われており、
ここで与えた物理モデルが妥当であることがわかる。
An unknown parameter θ =
FIG. 8 and FIG. 9 respectively depict likelihood functions when the proposed method with (h, R) T is applied. The horizontal axis shows each frequency ω 1 of the fundamental mode of vibration in terms of frequency, and the vertical axis shows the likelihood for each frequency. Regarding the calculation of the likelihood, the observation noise variance R used for the Kalman filter should also be a variable, but since it has been confirmed that R has almost no effect on the likelihood, it can be a constant, Where the standard deviation of the observed noise (ie √R)
Was set to 10% of the effective value of the observed value. As can be seen from these figures, the frequency of the fundamental mode that gives the maximum likelihood is 17.0 Hz when the weight is used and 17.7 Hz when the magic hammer is used, which is almost the same. 30kg from this
It was found that the basic mode of vibration of the pier can be accurately measured with a magic hammer of only 4.5 kg that is convenient to carry without using the weight of. 6 and 7, the estimated waveform of the sensor output by the Kalman filter when the fundamental mode frequency is used according to the actual sensor output is shown by a broken line, but both are well estimated.
It can be seen that the physical model given here is valid.

【0034】以上より、橋脚の物理パラメータを仮定し
ない方式によっても、マジックハンマーを使用する提案
方式が有効であるといえる。従って、ρ,S,E,Iなどの橋
脚の物理パラメータが正確に与えられている場合には、
未知パラメータをR, h(あるいはRを定数としてh 一
つを未知パラメータ)とした提案方式により、固定端ま
での橋脚の等価的な長さが正確に測定できるが、これら
のパラメータρ,S,E,Iが正確にわかっていない場合で
も、未知パラメータをR, ω1 (あるいはRを定数として
ω1 一つを未知パラメータ)とした提案方法により、橋
脚の安定状態すなわち洗掘の進行度が相対的にではある
が、モニターできることがわかる。また、重錘およびマ
ジックハンマーを用いたときのデータに対して従来法を
用いたときの計測結果を以下に示す。
From the above, it can be said that the proposed method using the magic hammer is effective even in the method in which the physical parameters of the bridge pier are not assumed. Therefore, if the physical parameters of the pier such as ρ, S, E, I are given correctly,
The equivalent length of the pier up to the fixed end can be accurately measured by the proposed method with unknown parameters R, h (or h one unknown parameter with R as a constant), but these parameters ρ, S, Even if E and I are not known accurately, the proposed method with unknown parameters R and ω 1 (or one ω 1 with R as a constant is an unknown parameter) makes the stable state of the pier, that is, the progress of scour, It can be seen that it can be monitored though it is relatively. In addition, the measurement results when the conventional method is used for the data when the weight and the magic hammer are used are shown below.

【0035】図10にそれぞれ、重錘及びマジックハン
マーを用いたときの加速度ピックアップによる加速度信
号のFFT(高速フーリエ変換)による周波数スペクトル
を示すが、分解能が悪いだけでなく多数のピークがあ
り、FFT解析だけでは基本モードの振動周波数がが求め
られないことがわかる。また、位相特性との関係で基本
モードの固有周波数を求める従来法との比較検討を行う
ため、図11、図12に特に100Hzまでの低周波数帯域
に於いてスペクトルおよび位相特性を一緒に示すが、重
錘、マジックハンマーともに位相が180 deg急変する
箇所でピークをとる周波数は見つからず、従来法では基
本モードの周波数が求まらないことがわかる。
FIG. 10 shows the frequency spectrum of the acceleration signal by the FFT (Fast Fourier Transform) of the acceleration pickup when using the weight and the magic hammer, respectively. It can be seen that the vibration frequency of the fundamental mode cannot be obtained only by analysis. Moreover, in order to perform a comparative study with the conventional method for obtaining the natural frequency of the fundamental mode in relation to the phase characteristic, FIGS. 11 and 12 show the spectrum and the phase characteristic together, particularly in the low frequency band up to 100 Hz. , The weight and the magic hammer did not find the frequency that peaks at the point where the phase suddenly changes by 180 deg, and it can be seen that the frequency of the fundamental mode cannot be obtained by the conventional method.

【0036】上記実施形態では、測定対象として橋脚に
ついて説明したが、本点検法は橋脚にかぎらず、同様な
構成からなる大型構造物の固有振動周波数の推定にも適
用できることは当然である。また梁の上部に集中荷重を
おいた物理モデルを考えた場合にも、同様な手段で固有
振動周波数を求めることができる。なお、FFTでは固
有振動数を求めることは困難であるが、MEM(最大エ
ントロピー法)を用いればパラメータM(繰り返し計算
回数)さえ適切に選べば、第1、第2、第3モードのピ
ーク周波数を総合的に評価することにより、基本モード
の固有角周波数も計測できる。さらに、本発明はその精
神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形
で実施することができる。そのため前述の実施例は単な
る例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特
許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発
明の範囲内のものである。
In the above embodiment, the bridge pier has been described as the object to be measured, but it goes without saying that the present inspection method can be applied not only to the pier but also to the estimation of the natural vibration frequency of a large structure having the same structure. Also, when considering a physical model in which a concentrated load is placed on the upper part of the beam, the natural vibration frequency can be obtained by the same means. Note that it is difficult to obtain the natural frequency by FFT, but if the parameter M (the number of repeated calculations) is appropriately selected by using MEM (maximum entropy method), the peak frequencies of the first, second, and third modes are The natural angular frequency of the fundamental mode can also be measured by comprehensively evaluating. Furthermore, the present invention can be embodied in various forms without departing from the spirit and the main features thereof. Therefore, the above-mentioned embodiment is merely an example and should not be limitedly interpreted. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上詳細に述べた如く本発明によれば、
予め設定できるようにした振動モデルを用いて最尤法に
より大型構造物の固有振動周波数を推定することによ
り、診断の信頼性を大幅に向上し、簡便で手間の掛から
ない打撃方法で検査が可能となる。
As described in detail above, according to the present invention,
By estimating the natural vibration frequency of a large structure by the maximum likelihood method using a vibration model that can be set in advance, the reliability of diagnosis is greatly improved, and inspection can be performed with a simple and effortless striking method. Becomes

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の点検方法を橋梁橋脚の場合を例にとっ
て説明する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an inspection method of the present invention by taking a case of a bridge pier as an example.

【図2】大型構造物の健全度点検方法を実現する点検装
置のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of an inspection device that realizes a soundness inspection method for a large structure.

【図3】橋脚振動モデルの固有関数の図である。FIG. 3 is a diagram of eigenfunctions of a pier vibration model.

【図4】本発明の健全度点検方法を説明するための片持
梁の概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a cantilever for explaining the soundness check method of the present invention.

【図5】データ処理部、出力部におけるデータ処理フロ
ーチャートである。
FIG. 5 is a data processing flowchart in a data processing unit and an output unit.

【図6】30kg重錘で衝撃振動を与えた場合のセンサー出
力信号である。
FIG. 6 is a sensor output signal when a shock vibration is given by a 30 kg weight.

【図7】4.5kgマジックハンマーで衝撃振動を与えた場
合のセンサー出力信号である。
FIG. 7 is a sensor output signal when a shock vibration is given by a 4.5 kg magic hammer.

【図8】30kg重錘で衝撃振動を与えた場合の尤度関数と
基本モードの固有振動周波数との関係図である。
FIG. 8 is a relationship diagram between a likelihood function and a natural vibration frequency of a fundamental mode when an impact vibration is applied with a 30 kg weight.

【図9】4.5kgマジックハンマーで衝撃振動を与えた場
合の尤度関数と基本モードの固有振動周波数との関係図
である。
FIG. 9 is a relationship diagram between a likelihood function and a fundamental mode natural vibration frequency when an impact vibration is applied by a 4.5 kg magic hammer.

【図10】FFT(高速フーリエ変換)による周波数スペ
クトル図である。
FIG. 10 is a frequency spectrum diagram by FFT (Fast Fourier Transform).

【図11】重錘を用いた場合の周波数スペクトル及び位
相特性図である。
FIG. 11 is a frequency spectrum and phase characteristic diagram when a weight is used.

【図12】マジックハンマーを用いた場合の周波数スペ
クトルおよび位相特性である。
FIG. 12 shows frequency spectrum and phase characteristics when a magic hammer is used.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 橋脚 2 橋脚頭部 3 橋脚を打撃するハンマー 4 振動センサ 5 健全度点検装置とトリガスイッチ 6 橋桁 7 信号入力部 8 データ処理部 9 テータ処理部からの出力信号を出力する出
力部 10 出力部からの信号を記憶する適宜記憶装
1 Bridge pier 2 Bridge pier head 3 Hammer hitting the pier 4 Vibration sensor 5 Soundness checker and trigger switch 6 Bridge girder 7 Signal input section 8 Data processing section 9 Output section for outputting output signal from data processing section 10 From output section An appropriate storage device for storing the signal of

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上石 陽一 東京都港区新橋5丁目15番5号 交通ビル 6F シンクロ株式会社内 (72)発明者 和田 哲行 東京都港区新橋5丁目15番5号 交通ビル 6F シンクロ株式会社内 Fターム(参考) 2G024 AD34 BA12 CA13 DA12 2G064 AA05 AB01 CC41    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Yoichi Kamiishi             5-15-5 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Kotsu Building             6F Synchro Co., Ltd. (72) Inventor Tetsuyuki Wada             5-15-5 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo Kotsu Building             6F Synchro Co., Ltd. F-term (reference) 2G024 AD34 BA12 CA13 DA12                 2G064 AA05 AB01 CC41

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】振動センサからの振動データに、予め設定
できるようにした振動モデルを組み合わせて最尤法によ
り大型構造物の固有振動周波数を推定し、その結果を表
示、保存できるようにした物理モデルを用いた適応的パ
ラメータ推定法による大型構造物の健全度点検方法。
1. A physics capable of estimating a natural vibration frequency of a large structure by a maximum likelihood method by combining vibration data from a vibration sensor with a vibration model which can be set in advance, and displaying and storing the result. A method for checking the soundness of large structures by an adaptive parameter estimation method using a model.
【請求項2】振動センサと、振動センサからの信号を入
力する信号入力部と、データ処理部と、データ処理部か
らの出力信号を出力する出力部とからなり、前記データ
処理部はカルマンフィルタおよび最尤法を用い被検査対
象物である構造物の基本モード周波数を算出することを
特徴とする物理モデルを用いた適応的パラメータ推定法
による大型構造物の健全度点検装置。
2. A vibration sensor, a signal input section for inputting a signal from the vibration sensor, a data processing section, and an output section for outputting an output signal from the data processing section, the data processing section comprising a Kalman filter and An apparatus for inspecting soundness of a large structure by an adaptive parameter estimation method using a physical model characterized by calculating a fundamental mode frequency of a structure to be inspected using a maximum likelihood method.
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