JP2005083975A - 構造性能指標推定装置、及び構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、構造物の各層における減衰係数及び剛性を、オンライン処理によりリアルタイムで推定することの可能な、構造性能指標推定装置、及び構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法を提供する。
【解決手段】 第１の工程で、構造物７の各層における所定位置に計測装置３のセンサ３ａを設置する。第２の工程で、計測装置３を用いて構造物７に基礎加速度が入力されたことにより観測される各層からの絶対加速度を測定し、構造性能指標推定装置本体２に直接送信する。第３の工程で、構造性能指標推定装置本体２において、演算処理を行い、構造物７の各層における減衰係数及び剛度を推定する。第４の工程で、第２の工程及び第３の工程を絶対加速度が観測される毎に繰り返して構造物７の各層毎で減衰係数及び剛性の推定値を時系列で取得し、これらを指標として構造性能をモニタリングする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、構造性能指標推定装置、及び構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法に関する。

従来より、建物の構造ヘルスモニタリング、特に、振動情報による損傷評価において、損傷の指標として一般に用いられているのは、各層や部材の剛性であり、例えば、非特許文献１には、基礎加速度を入力、建物の各層の絶対加速度を出力とした入出力データから時間領域のシステム同定方法によりモーダルパラメタを推定、そのうち特に固有振動数及び刺激関数を用いて層剛性の推定を行い、その低減率で損傷の状態を判断する方法が示されている。
斎藤、真瀬、森田、「鉄骨造フレーム模型の振動実験結果による確率論的損傷推定」、第１１回日本地震工学シンポジウム、2002年11月、pp1941〜1947

しかし、損傷によって部材特性の摩擦機構が変化し、減衰係数にも変化が現れることは十分考えられ、その検知・定量化は損傷同定における重要な情報となりうるが、上述する構成は、損傷の指標としてローカルな減衰係数が利用されることはなかった。近年では多くの建物に制震壁・制震ダンパ等の減衰デバイスが設置されるようになってきており、性能保証の観点からも、これら建物における竣工後の減衰特性評価技術が強く求められている。

また、従来の損傷推定技術は記録されたデータをオフライン処理して推定する方法がほとんどであるが、より迅速な構造性能評価のためにはリアルタイムに特性の推定を実施できるオンライン推定を行うことが望ましい。しかしながら、従来より提案されている構造物の損傷評価方法は、多くの演算を行う必要があるためオンライン処理が困難である。また、オンライン処理を念頭に置き比較的単純な演算で推定を行う場合には、振動情報として絶対加速度だけではなく、速度や変位の観測値までもが必要となる。

上記事情に鑑み、本発明は、構造物の各層における減衰係数及び剛性を、オンライン処理によりリアルタイムで推定することの可能な、構造性能指標推定装置、及び構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法を提供することを目的としている。

請求項１記載の構造性能指標推定装置は、構造物の構造性能指標となる減衰係数及び剛性を推定するための構造性能指標推定装置であって、基礎加速度の入力により出力される構造物の振動情報のなかで少なくとも絶対加速度を検知する計測装置と、該計測装置により検知された絶対加速度を格納するデータ領域、また、該データ領域に格納された絶対加速度を用いて構造物の減衰係数及び剛性を推定する演算式が少なくとも格納されるプログラム領域を備える記憶装置、該記憶装置のデータ領域に格納されたデータと、プログラム領域に格納された演算式とを用いて演算処理を行う演算装置、及び該演算装置より得られる演算処理結果を出力する出力装置を備える構造性能指標推定装置本体により構成され、前記プログラム領域に格納された演算式には、構造物への基礎加速度の入力に伴い絶対加速度、速度及び変位に係る観測値が得られる場合に適用され、力の釣り合い条件を用いて構造物の減衰係数及び剛性に係る推定値を直接算定する直接推定演算式から、時間に関する差分を取り変位を、また絶対加速度の不完全積分を取り速度を不要にした演算式が格納されていることを特徴としている。

請求項２記載の構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法は、構造物の各層における減衰係数及び剛性を構造性能指標に適用し、請求項１に記載の構造性能指標推定装置を用いて、構造物の構造性能を把握するための構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法であって、構造物の各層に、基礎加速度が入力されることにより出力される絶対加速度の測定を行うための計測点を設定した上で、該計測点に計測装置を設置する第１の工程と、該計測装置を介して観測された構造物の各層における絶対加速度を構造性能指標推定装置本体に送信する第２の工程と、該構造性能指標推定装置本体において、各層毎の絶対加速度を用いて構造性能指標推定装置本体に格納された演算式により構造物の各層における減衰係数及び剛性を推定する第３の工程と、第２の工程及び第３の工程を繰り返して構造物の各層における減衰係数及び剛性に係る推定値を時系列に取得し、構造性能をモニタリングする第４の工程により構成されることを特徴としている。

請求項１記載の構造性能指標推定装置によれば、構造性能指標推定装置本体に格納されている構造物の各層における減衰係数及び剛性を推定する演算式が、比較的単純な演算で推定できる力の釣り合い条件を用いた直接推定演算式を利用し、これを構造物の絶対加速度のみで推定できる簡略な構成に変換した演算式であることから、減衰係数及び剛性に係る推定を迅速に実施できるため、構造物の特性が急激に変化した際にもほぼリアルタイムに近い時間差で、特性の変化に追随して減衰係数及び剛性に係る推定を行うことが可能となる。

請求項２記載の構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法によれば、構造物の各層に設置した計測装置で絶対加速度を計測し、これを構造性能指標推定装置本体に送信するのみで構造物の各層における減衰係数及び剛性を推定できることから、従来のようなオフラインによる処理を必要とする煩雑な工程が存在しないため、オンライン処理が可能になる。

また、ほぼリアルタイムで減衰係数及び剛性に係る推定を行う構造性能指標推定装置を用いてオンライン処理による絶対加速度の計測、及びこれを用いた構造物の各層における減衰係数及び剛性の推定を繰り返すことにより、リアルタイムで減衰係数及び剛性を指標とする構造物の構造特性をモニタリングできるため、迅速に構造物の構造性能に係る時系変化を把握することが可能となる。

さらに、構造性能を把握する指標に減衰係数を用いることから、制震壁等の減衰デバイスが設置されている構造物についても高い精度で構造物の構造性能を把握することが可能となる。

本発明の構造性能指標推定装置、及び構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法を、図１から図９に示す。本発明は、構造物の構造性能をモニタリングする際の構造性能指標に減衰係数及び剛性を適用し、構造物の各層から観測される絶対加速度のみを用いて、簡略な演算により構造物の各層における減衰係数及び剛性能をリアルタイムで推定するものである。

図１に示すように、構造物７の各層における構造性能を把握する際に、指標として用いる減衰係数及び剛性を推定する構造性能指標推定装置１は、構造性能指標推定装置本体２と、計測装置３とにより構成されている。
前記計測装置３は、複数のセンサ３ａを備えており、該センサ３ａが構造物７の各層毎に装着されて、地震や交通振動等の常時微動である基礎加速度を与えられることにより各層毎に生じる絶対加速度を検知するものである。これら出力値である絶対加速度は、観測された時間と併せて各層の振動情報８として計測装置３から前記構造性能指標推定装置本体２に送信される。
なお、該計測装置３と構造性能指標推定装置本体２とは、無線もしくは有線等の送受信手段を介して連動され、オンライン処理の可能な構成となっている。また、該計測装置３は、少なくとも絶対加速度を出力できる装置であれば何れを用いてもよい。

一方、前記構造性能指標推定装置本体２は、記憶装置４と演算装置５と出力装置６を備えている。記憶装置４は、一般にデータを格納するデータ領域４ａと演算式を格納するプログラム領域４ｂとを有しており、演算装置５は、記憶装置４のデータ領域４ａに格納されたデータとプログラム領域４ｂに格納された演算式を用いて、演算処理を行うものである。また、前記出力装置６は、記憶装置４のデータ領域４ａに格納されたデータや、演算装置５による演算処理を行った際の算定結果等を出力するもので、モニタやプリンタ等、何れを用いても良い。
本実施の形態では、前記記憶装置４のデータ領域４ａに、少なくとも前記計測装置３より送信された振動情報８が格納される。また、前記プログラム領域４ｂには、絶対加速度を用いて構造物７の各層における減衰係数及び剛性を推定する演算式が格納されている。

ここで、前記記憶装置４のプログラム領域４ｂに格納されている演算式は、比較的単純な演算であり、構造物７に基礎加速度を入力することにより得られる振動情報の中でも絶対加速度、速度及び変位に係る観測値を有する場合に適用され、力の釣り合い条件を用いて構造物７の各層における減衰係数と剛性に係る推定値を直接算定する直接推定演算式を利用しており、この演算式から時間に関する差分を取ることで変位、絶対加速度の不完全積分を取り速度の両者に係る観測値を不要にした演算式を導き出している。

以下に、上述する構造物７の各層における減衰係数と剛性に係る推定値を算定する演算式について詳述する。
なお、構造物７の各層における減衰係数と剛性の推定にあたり、推定値構造性能の評価対象となる構造物７の階層数をｎとし、該構造物７をｎ層のフレームとしてモデル化しておく。本実施の形態では、図２に示すように、構造物７を３層のフレームとしてモデル化している。 また、これらモデル化された構造物７の各層における質量ｍ_ｊ（ｊ＝１，・・・，ｎ）は既知としている。

図２に示すようなモデル化した構造物７について第ｊ層の剪断力を考えると、慣性力、復元力及び減衰力の和とが釣り合うことから、（１）式が成り立つ。

よって、理想的には（１）式の要素を（２）（３）（４）式とおくことにより、（５）式のような線形回帰式が成り立つ。

この線形回帰式（５）式に最小自乗法を適用することにより、構造物７の各層の減衰係数及び剛性の推定値を算定することができる。これらは、力の釣り合い条件を用いて各層の減衰係数及び剛性を直接推定する直接推定演算式であり、振動情報の中でも絶対加速度、速度及び変位を観測値として有する場合に適用するものである。
このような直接推定演算式を、構造物７の各層より取得する観測値が絶対加速度のみである場合に適用するには、速度及び変位についてそれらを数値積分して求める必要が生じる。この際には、適当なハイパスフィルタ処理をして長周期の誤差が現れないようにする必要があるが、特に変位波形については長周期の誤差を完全になくすことは難しい。そこで、（１）式に代わり、（１）式について時間に関する差分を取った（６）式を用いる。

また、（６）式は、層間速度及び層間加速度を用いることにより（７）式に変換でき、これにより変位を不要にしている。ここで、層間速度及び層間加速度は、各々（８）（９）式で表せる。

なお、上述するように、（１）式について時間に関する差分を取る際、及び数値積分を行う際には、厳密には対応するサンプリングポイントが時間刻みの1/2だけずれる現象が生じる。このような現象を無視すると減衰定数の評価に無視できない誤差が生じることから、（８）（９）式各々では評価ポイントをサンプリングポイントからΔt/2だけずらして、差分区間の中央にする補正を行い、時間ずれが起きない工夫をしている。
また、これにより数値積分に用いる層間加速度は、１つ前のサンプリングポイントの値をそのまま使うことで時間ずれがなくなる

一方、（９）式に示す層間速度は、層間加速度の数値積分により求めるが、完全積分では長い時間が経過するとドリフトを生じることとなるため、（10）式のような不完全積分を利用し、単純な演算で積分と長周期のドリフトを抑制するハイパスフィルタを作用させることとした。

ここで、νは、１より僅かに小さい値に設定する。この時、（９）（10）式から（11）式が得られる。例えば、Δｔ＝0.001s、ν＝0.99937の場合のＨの周波数応答は、図３に示すようにハイパスフィルタを構成している様子が分かる。

また、振幅が1/√２となる遮断振動数ｆ_ｃは、νが１に近いとき近似的に（12）式で表される。この場合、ｆ_ｃ ＝ 0.1Hzである。この関係を用いることにより、構造性能の評価対象である構造物７の周期、振動情報の性状等に応じて、自由にハイパスフィルタの遮断振動数を設定することができる。

ところで、（７）式に対して（９）式で示した完全積分を利用する層間速度に代わって、(11)式で示した不完全積分を利用する層間速度を適用すると、層間速度にはハイパスフィルタを作用させたことによる位相のずれが生じている。これは、層間加速度との間に時間ずれを生じることとなるから、無視して処理すると、減衰係数の推定結果に多大な誤差を生じることになりかねない。そこで、これらを回避すべく、層間速度に作用させたものと同様のハイパスフィルタを作用させて影響をキャンセルする。すなわち、（７）式に代わって（13）式を用いればよい。

次に、（13）式の関係から減衰係数及び剛性をリアルタイムに推定するため、忘却係数を用いた重み付き最小自乗法を適用する。これらは、（16）（17）（18）式に定式化される。

なお、ここで用いる忘却係数λは、過去のデータに対して指数的にかける重みを決定するものであり、λが１に近いほどより過去のデータまで評価に用いることとなるため、減衰係数及び剛性の推定値は安定するが、特性の変化には鈍感になる。一方で、λを小さくすると、特性の変化に対して迅速に追随するが、推定値の安定性が損なわれる。
また、時間Ｔだけ過去のデータの重みが1/ｅになるように設計したい場合には、（22）式によってλを決定できる。

上述する演算式により、構造性能指標推定装置１は、基礎加速度を構造物７に入力することにより観測される振動情報の中でも絶対加速度のみで、評価ポイントｋにおける減衰係数及び剛性の推定値を算定するものである。また、比較的単純な算定式である力の釣り合い条件を用いた直接推定演算式を利用したことに加えて、忘却係数を用いた重み付き最小自乗法を適用することにより、減衰係数及び剛性に係る推定をほぼリアルタイムで迅速に実施できる構成としている。

このような構成による構造性能指標推定装置１を前記構造物７の構造性能を評価する指標の推定手段として適用し、該構造物７の構造性能をモニタリングするための構造性能リアルタイムモニタリング方法を、図４に示すフロー図に従い詳述する。

第１の工程では、構造物７の各層における所定位置に絶対加速度を測定するための計測点を設定した上で、該計測点に計測装置３に備えられたセンサ３ａを設置する。
このとき、前記計測装置３のセンサ３ａは、前記構造物７の各層における絶対加速度を確実に検知できる場所であれば、何れに配置しても良い。

第２の工程では、該計測装置３を用いて、前記構造物７に基礎加速度が入力されたことにより観測される構造物７の各層からの出力値である絶対加速度を観測された時間とともに構造物７の各層の振動情報８として測定し、これを前記構造性能指標推定装置本体２に直接送信するオンライン処理により、前記記憶装置４のデータ領域４ａに格納する。

第３の工程では、構造性能指標推定装置本体２において、記憶装置４のデータ領域４ａに格納された振動情報８、及びプログラム領域４ｂに格納されており、詳細を前述した直接推定演算式を利用し絶対加速度のみで減衰係数及び剛性を推定できる算定式を用いて、前記演算装置５で演算処理を行い、前記構造物７の各層における減衰係数及び剛度を推定する。
この後、減衰係数及び剛度に係る推定値を記憶装置４のデータ領域４ａに格納する、もしくは出力装置６に出力する。

第４の工程では、このような第２の工程及び第３の工程を絶対加速度が観測される毎に繰り返して構造物７の各層毎で減衰係数及び剛性の推定値を時系列で取得し、これらを指標として構造性能をモニタリングする。

モニタリングの対象となる構造物７が図２に示すような３層である場合を想定し、これに上述する構造性能リアルタイムモニタリング方法を適用して、構造性能をモニタリングした事例を以下に示す。
なお、モニタリングの対象となる構造物７に係る条件は、各層の質量は既知であり、互いに等しいｍとする。また、各層の減衰係数及び剛性は始め各層で等しく、それぞれの各層の質量で基準化した値でｃ_ｊ／ｍ＝４ｓ^−１、ｋ_ｊ／ｍ＝1000ｓ^−２とする。このうち、図５に示すように、第２層のみにｔ＝10ｓで損傷が生じ、0.5ｓかけて減衰係数がｃ_２／ｍ＝８ｓ^−１に増大、剛性がｋ_２／ｍ＝500ｓ^−２に減少したと想定する。

また、観測された地盤及び各層の絶対加速度は、図６に示す通りであり、この入出力波形は、上述のようにｔ＝10ｓで第２層の特性が変化する構造物７のフレームモデルに白色雑音を入力して応答解析を行い、各層の絶対加速度を計算した上で観測雑音として入力の１％のレベルの独立な白色雑音をそれぞれの入出力波形に付加したものである。なお、時間刻みはΔｔ＝0.001ｓとしている。

これら絶対加速度に係る波形に対して構造性能指標推定装置１を適用し、リアルタイムに構造物７の各層における減衰係数と剛性とを推定し、時系列に推定値を取得した。なお、忘却係数λは、0.999（Ｔ＝１ｓ）とした。
第１層から第３層各々の減衰係数及び剛性の推定値を時系列に配置した図７〜図９をみると、減衰係数及び剛性の変化しない第１層及び第３層では、それぞれの推定値は真値にほぼ重なって一定に推定されている。また、途中で減衰係数及び剛性が急激に変化する第２層においても推定値は真値に迅速に追随し、特性の変化が完了した１〜２秒後には推定値も変化後の特性を適切に推定していることが分かる。

上述する構成によれば、構造性能指標推定装置１は、構造性能指標推定装置本体２に格納されている構造物７の各層における減衰係数及び剛性を推定する演算式が、比較的単純な演算で推定できる力の釣り合い条件を用いた直接推定演算式を利用し、これを構造物７の絶対加速度のみで推定できる簡略な構成に変換した演算式であることから、減衰係数及び剛性に係る推定を迅速に実施できるため、構造物７の特性が急激に変化した際にもほぼリアルタイムに近い時間差で、特性の変化に追随して減衰係数及び剛性に係る推定を行うことが可能となる。

また、構造物７の構造性能リアルタイムモニタリング方法によれば、構造物７の各層に設置した計測装置３で絶対加速度を計測し、これを構造性能指標推定装置本体２に送信するのみで構造物７の各層における減衰係数及び剛性を推定できることから、従来のようなオフラインによる処理を必要とする煩雑な工程が存在しないため、オンライン処理が可能になる。

さらに、ほぼリアルタイムで減衰係数及び剛性に係る推定を行う構造性能指標推定装置１を用いてオンライン処理による絶対加速度の計測、及びこれを用いた構造物７の各層における減衰係数及び剛性の推定を繰り返すことにより、リアルタイムで減衰係数及び剛性を指標とする構造物７の構造特性をモニタリングできるため、迅速に構造物７の構造性能に係る時系変化を把握することが可能となる。

また、構造性能を把握する指標に減衰係数を用いることから、制震壁等の減衰デバイスが設置されている構造物７についても高い精度で構造物７の構造性能を把握することが可能となる。

本発明に係る構造性能指標推定装置の詳細を示す図である。 本発明に係る構造性能をモニタリングしたい構造物をフレーム化したフレームモデルを示す図である。 本発明に係る不完全積分により実現される層間速度のハイパスフィルタを示すグラフである。 本発明に係る構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法を示すフロー図である。 構造物の第２層に損傷が生じた場合の、第２層の減衰係数と剛性の時間的変化を示すグラフである。。 地盤及び構造物の各層毎の絶対加速度を捉えたグラフである。 本発明に係る構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法により得られた構造物の第１層の減衰係数と剛性のリアルタイム推定結果を示すグラフである。 本発明に係る構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法により得られた構造物の第２層の減衰係数と剛性のリアルタイム推定結果を示すグラフである。 本発明に係る構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法により得られた構造物の第３層の減衰係数と剛性のリアルタイム推定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 構造性能指標推定装置
２ 構造性能指標推定装置本体
３ 計測装置
４ 記憶装置
５ 演算装置
６ 出力装置
７ 構造物
８ 振動情報

Claims (2)

1. 構造物の構造性能指標となる減衰係数及び剛性を推定するための構造性能指標推定装置であって、
   基礎加速度の入力により出力される構造物の振動情報のなかで少なくとも絶対加速度を検知する計測装置と、
   該計測装置により検知された絶対加速度を格納するデータ領域、また、該データ領域に格納された絶対加速度を用いて構造物の減衰係数及び剛性を推定する演算式が少なくとも格納されるプログラム領域を備える記憶装置、
   該記憶装置のデータ領域に格納されたデータと、プログラム領域に格納された演算式とを用いて演算処理を行う演算装置、
   及び該演算装置より得られる演算処理結果を出力する出力装置を備える構造性能指標推定装置本体により構成され、
   前記プログラム領域に格納された演算式には、構造物への基礎加速度の入力に伴い絶対加速度、速度及び変位に係る観測値が得られる場合に適用され、力の釣り合い条件を用いて構造物の減衰係数及び剛性に係る推定値を直接算定する直接推定演算式から、
   時間に関する差分を取り変位を、また絶対加速度の不完全積分を取り速度を不要にした演算式が格納されていることを特徴とする構造性能指標推定装置。
2. 構造物の各層における減衰係数及び剛性を構造性能指標に適用し、請求項１に記載の構造性能指標推定装置を用いて、構造物の構造性能を把握するための構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法であって、
   構造物の各層に、基礎加速度が入力されることにより出力される絶対加速度の測定を行うための計測点を設定した上で、該計測点に計測装置を設置する第１の工程と、
   該計測装置を介して観測された構造物の各層における絶対加速度を構造性能指標推定装置本体に送信する第２の工程と、
   該構造性能指標推定装置本体において、各層毎の絶対加速度を用いて構造性能指標推定装置本体に格納された演算式により構造物の各層における減衰係数及び剛性を推定する第３の工程と、
   第２の工程及び第３の工程を繰り返して構造物の各層における減衰係数及び剛性に係る推定値を時系列に取得し、構造性能をモニタリングする第４の工程により構成されることを特徴とする構造物の構造性能リアルタイムモニタリング方法。
   
   

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