JP2007270552A - Signal processing method, signal processing program and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対象物の振動により発生した信号を信号処理装置により処理する信号処理方法等に関する。 The present invention relates to a signal processing method for processing a signal generated by vibration of an object by a signal processing device.
社会資本、特に、橋梁、道路、港湾および教育施設等の大型建造物は、建造および整備されてから年数を経ると老巧化、陳腐化していくことは免れない。近い将来、これらの大型建造物に対する維持補修および更新等の費用は、建造等に対する全投資額の半分を超えるものと言われている。このため、上記大型建造物については、壊して新規に造る方法から既存の大型建造物に予防的な補修を行って、耐用年数の延長、すなわち長寿命化を図る方法に変更することにより、財政負担の軽減を図る必要性が高まってきている。 Social capital, especially large buildings such as bridges, roads, ports, and educational facilities, are inevitably subject to aging and becoming obsolete over the years since they were built and maintained. In the near future, it is said that the cost of maintenance and repairs for these large buildings will exceed half of the total investment in construction. For this reason, the above large-scale building is changed from a method of breaking and newly building to a method of proactively repairing an existing large-scale building and extending the useful life, that is, extending the life of the building. There is an increasing need to reduce the burden.
社会資本の中でも橋梁は大規模建造物であるだけでなく、一旦、橋梁に不具合が起こったときのインパクトは交通網の遮断に繋がるため、経済的、社会的にも非常に大きい。橋梁は、ほとんどが鉄筋コンクリート製または鉄骨製であり、その設計耐用年数は50年〜60年である。2010年頃には半数以上の橋梁が架設後40年以上経過することになり、2020〜2030年頃には耐用年数50年を越える橋梁が急増することとなるため、これらの橋梁を更新しなければならないと言われている。本来、コンクリートは耐久性に富んだ材料であるため、良質な材料および高度な技術を適用すれば、1000年コンクリートの製造も不可能ではないと考えられている。その一方で、橋梁建設後20年も経たないうちに橋梁に劣化が顕在化する等といった事例があることも事実である。これらの事例の原因は、建設当時には知られていなかった劣化現象、過去の設計技術レベルが現在の状況に対応していなかったこと等が考えられている。車の大型化、交通量の増大に伴って、過去の設計時に想定した橋梁の積載重量に対して過積載となってしまっていること、大半の橋梁で採用されている鉄筋コンクリート構造には一時期塩分を規定値以上に含む砂利が使用されていたこと、橋梁の設置場所が海岸に近い場合は潮風にさらされること等を考慮すると、橋梁の耐用年数は過去の設計値よりも短縮される可能性がある。河川に架かる橋梁の場合、橋脚部分の基礎を川底に埋設して固定することにより全体の強度を出している。しかし、河川流域の開発等により森林の保水力が減少することに伴って、河川流域に降雨後の河川流速が上がるため、橋脚基礎部分の洗掘が進みやすくなっている。このため、橋梁の強度劣化を早めているケースも生じている。以上より明らかなように、今後、維持管理し補修を要する橋梁の数は急激に増大していくものと考えられる。 Among social capital, bridges are not only large-scale buildings, but once a failure occurs in a bridge, the impact on the traffic network is interrupted, so it is very economical and social. Most of the bridges are made of reinforced concrete or steel frame and have a design life of 50 to 60 years. Around 2010, more than half of the bridges will be over 40 years old, and around 2020-2030, there will be a sudden increase in the number of bridges with a lifetime exceeding 50 years, so these bridges must be renewed. It is said. Originally, since concrete is a material with high durability, it is considered that the production of 1000-year concrete is not impossible if high-quality materials and advanced technology are applied. On the other hand, it is also true that there is a case where the deterioration of the bridge becomes apparent within 20 years after the construction of the bridge. The causes of these cases are considered to be deterioration phenomena that were not known at the time of construction, and that past design technology levels did not correspond to the current situation. As vehicles have become larger and traffic volume has increased, they have become overloaded with respect to the weight of bridges assumed at the time of past design, and the reinforced concrete structures used in most bridges are temporarily salinized. In consideration of the fact that gravel containing more than the specified value was used, and exposure to sea breezes when the bridge was installed near the coast, the useful life of the bridge could be shortened from the previous design value. There is. In the case of bridges over rivers, the overall strength is achieved by burying and fixing the foundations of the piers at the bottom of the river. However, as the water retention capacity of forests decreases due to the development of river basins, etc., the river velocities after rainfall increase in the river basins, so scouring of the pier foundations is easy to proceed. For this reason, there are cases where the strength deterioration of the bridge is accelerated. As is clear from the above, the number of bridges that require maintenance and repairs will increase rapidly in the future.
従来から実施されている、橋梁、トンネル、ダム、擁壁等道路構造物、樋門・樋管等河川構造物、港湾構造物、上下水道施設等のコンクリート構造物の維持管理および診断方法は、管理者によって異なるものの、一般には以下のような方法が採用されている(非特許文献1〜5参照)。
1.定期点検・調査(一次検査):劣化程度の把握、劣化原因の推定
調査・検査方法を列挙すると、損傷・変状調査、構造物調査・点検、外観変状調査、健全度調査、外観目視検査、打音検査、赤外線法、X線法、非破壊検査、腐食調査、耐荷力調査、ひび割れ調査、コア採取、シュミットハンマー等がある。
2.劣化試験・評価・予測(二次検査):劣化の経時変化の予測、要求性能と比較して評価
(1)試験・測定方法を列挙すると、静的載荷試験、耐久性試験、応力頻度測定、材料試験、圧縮強度試験、劣化試験、非破壊試験、変位測定、疲労試験等がある。
(2)評価・判定方法を列挙すると、健全度診断(ひび割れの発生原因究明と対策の検討)、耐久性評価(中性化、塩害、アルカリ骨材反応、錆・腐食)、耐荷力評価(活荷重、疲労、温度、地震)、変位・変形検討(基礎沈下・傾斜、クリープ、側方流動、振動)等がある。
(3)予測方法を列挙すると、劣化予測(コンクリート片落下の可能性)、ライフサイクルコスト予測、耐用年数予測等がある。
3.対策の判定・選定: 補修工法、補強工法
(1)補修工法を列挙すると、表面塗布、ひび割れ注入・充填、断面修復、表面被覆、電気防食等がある。
(2)補強工法を列挙すると、打ち換え、コンクリート巻立て、鋼板接着、支持点増設等がある。
The maintenance and diagnosis methods for road structures such as bridges, tunnels, dams, retaining walls, river structures such as locks and pipes, harbor structures, water supply and sewerage facilities, etc. Although it differs depending on the manager, the following methods are generally adopted (see Non-Patent Documents 1 to 5).
1. Periodic inspection / inspection (primary inspection): Understanding the degree of deterioration, estimating the cause of deterioration Enumerating inspection / inspection methods, damage / deformation inspection, structure inspection / inspection, external deformation inspection, soundness inspection, visual visual inspection , Hammering inspection, infrared method, X-ray method, nondestructive inspection, corrosion investigation, load bearing investigation, crack investigation, core sampling, Schmitt hammer, etc.
2. Deterioration test / evaluation / prediction (secondary inspection): Prediction of deterioration over time, evaluation compared with required performance (1) List test / measurement methods, static loading test, durability test, stress frequency measurement, There are material tests, compressive strength tests, deterioration tests, nondestructive tests, displacement measurements, fatigue tests, and the like.
(2) Enumeration of evaluation / judgment methods includes soundness diagnosis (cracking cause investigation and investigation of countermeasures), durability evaluation (neutralization, salt damage, alkali aggregate reaction, rust / corrosion), load capacity evaluation ( (Live load, fatigue, temperature, earthquake), displacement / deformation studies (foundation settlement / tilt, creep, lateral flow, vibration), etc.
(3) Enumerating prediction methods includes deterioration prediction (possibility of falling concrete pieces), life cycle cost prediction, service life prediction, and the like.
3. Judgment and selection of countermeasures: Repair methods, reinforcement methods (1) List of repair methods include surface coating, crack injection / filling, cross-section repair, surface coating, and anti-corrosion.
(2) Reinforcement methods are listed, such as replacement, concrete winding, steel plate adhesion, and support point expansion.
まず、定期点検・調査の一次検査が行われ、その結果に基づき、更に詳細な二次検査を行うか否かを決める。二次検査を行う場合、劣化試験・評価・予測等を含めた破壊試験(コンクリートコアの切り出しによる断面検査等)、非破壊試験(橋脚基礎部分の洗掘の進み方の推定に用いられる衝撃振動法等)も併用される。その結果、補修、補強を施すほうが良いかどうかという判定が行われる。補修・補強を施すと判定された場合、どのような補修工法、補強工法を選定するべきかを決める。 First, the primary inspection of periodic inspections / surveys is performed, and based on the results, it is determined whether or not a more detailed secondary inspection is to be performed. When conducting secondary inspections, destructive tests (including cross-section inspection by cutting out concrete cores) including deterioration tests, evaluations, and predictions, non-destructive tests (impact vibration used to estimate the progress of scouring of pier foundations) Law). As a result, a determination is made as to whether repair or reinforcement is better. If it is determined that repair / reinforcement will be performed, determine what repair method and reinforcement method should be selected.
鉄筋コンクリート製橋梁に対する従来の維持管理、診断方法では、上述した打音検査または外観目視検査という非破壊検査、コンクリートコアの切り出しによる断面検査等という破壊検査が1〜2年に1回程度実施されていた。しかし、打音検査または外観目視検査等は官能検査であるため定性的であり且つ精度が低いという問題があった。検査は5年に1回程度の実施であったため、暴風雨等の緊急時に必要と考えられるリアルタイムな検査には対応できるものではないという問題があった。橋脚基礎部分の洗掘の進み方の推定は上述の衝撃振動法を用いるが、この方法は大掛かりな方法であるため日常的に橋梁の健全度データを収集できるものではないだけでなく、通常の振動以外の振動を必要とするものであるという問題があった。 In the conventional maintenance management and diagnosis methods for reinforced concrete bridges, destructive inspections such as non-destructive inspection such as hammering inspection or visual inspection described above, and cross-sectional inspection by cutting out concrete cores, etc. are carried out about once every two years. It was. However, the hitting sound inspection or the visual appearance inspection has a problem that it is qualitative and low in accuracy because it is a sensory inspection. Since the inspection was conducted about once every five years, there was a problem that it could not cope with a real-time inspection considered necessary in an emergency such as a storm. Although the above-mentioned shock vibration method is used to estimate the scouring progress of the pier foundation, this method is a large-scale method, so it cannot be used to collect bridge health data on a daily basis. There has been a problem that it requires vibration other than vibration.
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、大型建造物の維持管理、診断方法に用いることができる客観的且つ定量的な信号処理方法等を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an objective and quantitative signal processing method that can be used for maintenance and diagnosis of large buildings and diagnostic methods. is there.
本発明の第二の目的は、大型建造物の維持管理、診断方法に用いることができる日常的且つリアルタイムで常時監視可能な信号処理方法等を提供することにある。 The second object of the present invention is to provide a signal processing method and the like that can be used for maintenance and diagnosis of large buildings and that can be constantly monitored in real time.
本発明の第三の目的は、大型建造物の維持管理、診断方法に用いることができる通常の振動を用いた信号処理方法等を提供することにある。 A third object of the present invention is to provide a signal processing method using normal vibrations that can be used for maintenance and diagnosis of large buildings and diagnostic methods.
この発明の信号処理方法は、対象物の振動により発生した信号を信号処理装置により処理する信号処理方法であって、前記対象物の振動により発生した信号を、該対象物の複数の所定の位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された所定のセンサ群により受信する受信ステップと、前記受信ステップにより受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して前記対象物の固有振動数を取得する固有振動数取得ステップとを備えたことを特徴とする。 The signal processing method according to the present invention is a signal processing method in which a signal generated by vibration of an object is processed by a signal processing device, and the signal generated by vibration of the object is converted into a plurality of predetermined positions of the object. A receiving step that is received by a predetermined sensor group that is installed in a predetermined manner and connected to the signal processing device, and a plurality of signals received by the receiving step are processed by independent component analysis to obtain one or more independent components An extraction step for extracting, and a natural frequency acquisition step for acquiring a natural frequency of the object by performing spectral analysis on one or more independent components extracted by the extraction step.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記固有振動数取得ステップで取得した前記対象物の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、該対象物の強度劣化を診断する診断ステップをさらに備えることができる。 Here, in the signal processing method according to the present invention, a diagnostic step of diagnosing strength deterioration of the object based on a comparison between the natural frequency of the object acquired in the natural frequency acquisition step and a predetermined reference value. Furthermore, it can be provided.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記診断ステップは、前記固有振動数取得ステップで取得した前記対象物の固有振動数を複数の時刻に亘り取得しておき、複数の固有振動数中の最大又は最小の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、該対象物の強度劣化を診断することができる。 Here, in the signal processing method according to the present invention, the diagnosis step acquires the natural frequency of the object acquired in the natural frequency acquisition step over a plurality of times, and includes a plurality of natural frequencies. Based on a comparison between the maximum or minimum natural frequency and a predetermined reference value, the strength deterioration of the object can be diagnosed.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記対象物は橋脚であり、前記複数の所定の位置は該橋脚の上部と下部との間の2点以上の位置であるものとすることができる。 Here, in the signal processing method of the present invention, the object may be a pier, and the plurality of predetermined positions may be two or more positions between an upper part and a lower part of the pier.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記所定のセンサ群は加速度センサ及び/又は速度センサであるものとすることができる。 Here, in the signal processing method of the present invention, the predetermined sensor group may be an acceleration sensor and / or a speed sensor.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記対象物の振動は、重錘衝撃、風力、車両のいずれか1以上によるものとすることができる。 Here, in the signal processing method of the present invention, the vibration of the object may be caused by any one or more of weight impact, wind force, and vehicle.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記対象物の振動が車両によるものを含む場合、前記受信ステップは、前記対象物又は該対象物の周囲の1点以上の所定の位置であって前記複数の所定の位置と異なる位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された歪ゲージにより測定された値が所定の値を超えた時点から、該対象物の振動により発生した信号を該対象物の前記複数の所定の位置に設置された所定のセンサ群により受信することができる。 Here, in the signal processing method according to the present invention, when the vibration of the object includes a thing caused by a vehicle, the reception step is the predetermined position at one or more points around the object or the object, A signal generated by vibration of the object from a point when a value measured by a strain gauge installed at a position different from a plurality of predetermined positions and connected to the signal processing apparatus in a predetermined manner exceeds a predetermined value. It can be received by a predetermined sensor group installed at the plurality of predetermined positions of the object.
ここで、この発明の信号処理方法において、前記所定の方式は無線及び/又は有線であるものとすることができる。 Here, in the signal processing method of the present invention, the predetermined method may be wireless and / or wired.
この発明の信号処理プログラムは、対象物の振動により発生した信号を信号処理装置により処理するための信号処理プログラムであって、該信号処理装置のコンピュータに、前記対象物の振動により発生した信号を、該対象物の複数の第1の所定の位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された所定のセンサ群により受信する受信ステップ、前記受信ステップにより受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する抽出ステップ、前記抽出ステップにより抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して前記対象物の固有振動数を取得する固有振動数取得ステップを実行させるための信号処理プログラムである。 The signal processing program of the present invention is a signal processing program for processing a signal generated by vibration of an object by a signal processing device, and the signal generated by the vibration of the object is transmitted to a computer of the signal processing device. A reception step of receiving a predetermined sensor group installed at a plurality of first predetermined positions of the object and connected to the signal processing device in a predetermined manner; and a plurality of signals received by the reception step as independent components An extraction step for extracting one or more independent components by processing by analysis, and a natural frequency acquisition step for obtaining a natural frequency of the object by performing spectral analysis on the one or more independent components extracted by the extraction step. This is a signal processing program for execution.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記固有振動数取得ステップで取得した前記対象物の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、該対象物の強度劣化を診断する診断ステップをさらに備えることができる。 Here, in the signal processing program according to the present invention, a diagnostic step for diagnosing strength deterioration of the object based on a comparison between the natural frequency of the object acquired in the natural frequency acquisition step and a predetermined reference value. Furthermore, it can be provided.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記診断ステップは、前記固有振動数取得ステップで取得した前記対象物の固有振動数を複数の時刻に亘り取得しておき、複数の固有振動数中の最大又は最小の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、該対象物の強度劣化を診断することができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, the diagnosis step acquires the natural frequency of the object acquired in the natural frequency acquisition step over a plurality of times, and includes the plurality of natural frequencies. Based on a comparison between the maximum or minimum natural frequency and a predetermined reference value, the strength deterioration of the object can be diagnosed.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記対象物は橋脚であり、前記複数の所定の位置は該橋脚の上部と下部との間の2点以上の位置であるものとすることができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, the object may be a pier, and the plurality of predetermined positions may be two or more positions between an upper part and a lower part of the pier.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記所定のセンサ群は加速度センサ及び/又は速度センサであるものとすることができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, the predetermined sensor group may be an acceleration sensor and / or a speed sensor.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記対象物の振動は、重錘衝撃、風力、車両のいずれか1以上によるものとすることができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, the vibration of the object may be caused by any one or more of weight impact, wind force, and vehicle.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記対象物の振動が車両によるものを含む場合、前記受信ステップは、前記対象物又は該対象物の周囲の1点以上の所定の位置であって前記複数の所定の位置と異なる位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された歪ゲージにより測定された値が所定の値を超えた時点から、該対象物の振動により発生した信号を該対象物の前記複数の所定の位置に設置された所定のセンサ群により受信することができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, when the vibration of the object includes a thing caused by a vehicle, the receiving step is the predetermined position at one or more points around the object or the object, A signal generated by vibration of the object from a point when a value measured by a strain gauge installed at a position different from a plurality of predetermined positions and connected to the signal processing apparatus in a predetermined manner exceeds a predetermined value. It can be received by a predetermined sensor group installed at the plurality of predetermined positions of the object.
ここで、この発明の信号処理プログラムにおいて、前記所定の方式は無線及び/又は有線であるものとすることができる。 Here, in the signal processing program of the present invention, the predetermined method may be wireless and / or wired.
この発明の記録媒体は、本発明のいずれかまたは2以上の信号処理プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体である。 The recording medium of the present invention is a computer-readable recording medium on which any one or two or more signal processing programs of the present invention are recorded.
本発明の信号処理方法等によれば、橋脚の振動により発生した信号を、橋脚の複数の所定の位置に設置され信号処理装置と所定の方式で接続された加速度センサおよび/または速度センサ等により受信する。振動は、重錘衝撃、風力、車両のいずれか1以上によるものである。所定の位置としては橋脚の上部と下部との間の2点以上の位置であることが好適である。次に、受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する。抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して橋脚の固有振動数を取得する。取得した橋脚の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、橋脚の強度劣化を診断する。この結果、大型建造物またはその構成要素の維持管理、診断方法に用いることができる客観的且つ定量的で、日常的且つリアルタイムで常時監視可能であり、通常の振動を用いた信号処理方法等を提供することができるという効果がある。 According to the signal processing method and the like of the present invention, the signal generated by the vibration of the pier is detected by an acceleration sensor and / or a speed sensor installed at a plurality of predetermined positions on the pier and connected to the signal processing device in a predetermined manner. Receive. The vibration is caused by one or more of weight impact, wind force, and vehicle. The predetermined position is preferably two or more positions between the upper part and the lower part of the pier. Next, the plurality of received signals are processed by independent component analysis to extract one or more independent components. One or more extracted independent components are spectrally analyzed to obtain the natural frequency of the pier. Based on the comparison between the acquired natural frequency of the pier and a predetermined reference value, the strength deterioration of the pier is diagnosed. As a result, it can be used for maintenance and diagnosis of large buildings or their components, and it can be monitored objectively and quantitatively, and can be monitored daily and in real time. There is an effect that it can be provided.
以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
実施例1では、まず本発明の信号処理方法等について説明し、次に当該信号処理方法等の妥当性を確認するために行われたシミュレーションについて説明し、最後に当該信号処理方法等の妥当性を確認するために行われた現場実験について説明する。 In the first embodiment, the signal processing method and the like of the present invention will be described first, then a simulation performed to confirm the validity of the signal processing method and the like will be described, and finally the validity of the signal processing method and the like will be described. The field experiment conducted to confirm the above will be described.
図1は、本発明の実施例1による信号処理方法等が用いられる環境を示す。図1において、符号10は、大型構造物の一例である橋梁、24、26は橋梁10を走行する車両、12は橋梁10の構成要素の一例であり橋梁10を支える橋脚(対象物)、16は橋梁10の下部に取付けられた歪センサ、14a、14bおよび14cは橋脚12に取付けられた速度センサまたは加速度センサ等のセンサ群(所定のセンサ群。以下、「センサ14a等」と言う。)、20は信号処理装置、18はセンサ14a等と信号処理装置20とを接続するケーブル、22は衝撃振動実験で橋脚12を矢印A方向へ打撃するために用いられる重錘である。信号処理装置20はパーソナルコンピュータPCに本発明の信号処理プログラムをインストールすることにより実現することができる。図1に示されるように、座標軸は水平方向がX軸(図1中、左方向を正とする。)、垂直方向がY軸(図1中、上方向を正とする。)、図1で紙面に垂直方向がZ軸(図1中、奥行き方向を正とする。)とする。 FIG. 1 shows an environment in which a signal processing method according to Embodiment 1 of the present invention is used. In FIG. 1, reference numeral 10 is a bridge as an example of a large structure, 24 and 26 are vehicles that travel on the bridge 10, 12 is an example of a component of the bridge 10, and a pier (object) that supports the bridge 10, 16. Is a strain sensor attached to the lower part of the bridge 10, and 14a, 14b and 14c are sensor groups such as a speed sensor or an acceleration sensor attached to the pier 12 (predetermined sensor group; hereinafter referred to as "sensor 14a etc."). , 20 is a signal processing device, 18 is a cable for connecting the sensor 14a and the like to the signal processing device 20, and 22 is a weight used for hitting the pier 12 in the direction of arrow A in an impact vibration experiment. The signal processing device 20 can be realized by installing the signal processing program of the present invention in the personal computer PC. As shown in FIG. 1, the coordinate axis is the X axis in the horizontal direction (left direction is positive in FIG. 1), the Y axis is in the vertical direction (upward direction is positive in FIG. 1), and FIG. Thus, the direction perpendicular to the paper surface is the Z-axis (the depth direction in FIG. 1 is positive).
図2は、本発明の実施例1における信号処理方法または信号処理プログラムの処理の流れをフローチャートで示す。図2に示されるように、まず、橋脚12の振動により発生した信号を、橋脚12の複数の所定の位置に設置され信号処理装置20とケーブル18(所定の方式)で接続されたセンサ14a等により受信し、信号処理装置20へ送る(受信ステップ。ステップS10)。橋脚12の振動の原因としては、図1に示されるように、重錘22による矢印A方向への衝撃による場合、X軸またはZ軸方向等への風力による場合、車両24また26等の走行による場合、あるいはこれらのいずれか1以上による場合が考えられる。橋脚12の複数の所定の位置としては、図1に示されるセンサ14a、14bおよび14cが設置された位置のように、橋脚12の上部と下部との間の2点以上の位置であることが好適である。図1では複数の所定の位置として3箇所示されているが、3箇所に限定されるものではない。センサ14a等は加速度センサまたは速度センサであることが好適である。両センサを組合せ用いてもよい。加速度センサとしては、例えば圧電型加速度計(リオン株式会社(登録商標)製、PV−85、PV−93等)、サーボ型加速度計(株式会社東京測振製、VSE−15D)等を用いることができる。速度計は一般のものであればよい。速度計は加速度計より高価であるが、精度は高い。所定の方式としては、図1に示されるケーブル18のような有線を用いてもよく、あるいは無線を用いてもよい。有線または無線を組合せ用いてもよい。無線を用いた無線センサネットワークを構成することが好適である。 FIG. 2 is a flowchart showing the processing flow of the signal processing method or signal processing program according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, first, signals generated by vibration of the pier 12 are installed at a plurality of predetermined positions on the pier 12 and are connected to the signal processing device 20 and the cable 18 (predetermined system) by a sensor 14a or the like. Is sent to the signal processing device 20 (reception step, step S10). As shown in FIG. 1, the cause of the vibration of the bridge pier 12 is due to the impact in the direction of arrow A by the weight 22, in the case of wind force in the X-axis or Z-axis direction, etc. Or the case of any one or more of these. The plurality of predetermined positions of the pier 12 may be two or more positions between the upper part and the lower part of the pier 12 like the positions where the sensors 14a, 14b and 14c shown in FIG. 1 are installed. Is preferred. Although three places are shown as a plurality of predetermined positions in FIG. 1, it is not limited to three places. The sensor 14a or the like is preferably an acceleration sensor or a speed sensor. Both sensors may be used in combination. As the acceleration sensor, for example, a piezoelectric accelerometer (manufactured by Lion Co., Ltd. (registered trademark), PV-85, PV-93, etc.), a servo accelerometer (manufactured by Tokyo Metropolitan Co., Ltd., VSE-15D) or the like is used. Can do. The speedometer may be a general one. Speedometers are more expensive than accelerometers, but they are more accurate. As the predetermined method, wired such as the cable 18 shown in FIG. 1 may be used, or wireless may be used. A combination of wired or wireless may be used. It is preferable to configure a wireless sensor network using radio.
次に、信号処理装置20は受信ステップ(ステップS10)により受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する(抽出ステップ。ステップS12)。独立成分分析(Independent Component Analysis : ICA)とは、多変量(多次元)のデータの中から隠された因子または成分を見つけ出すための一手法である。より詳しくは、独立成分分析とは、2以上の独立な信号源からの信号が線形に混合されて観測される時、それらの観測された信号から元の互いに独立な信号を復元する手法である。適用するための条件として、信号源の信号は正規分布に従っているものではないこと(非ガウス的)、信号源の信号は互いに統計的に独立であることが必要である。信号を復元する際には、復元した信号の順番、大きさは問わないものとする。応用例としては、大勢の人が同時に話しているときにその中から特定の人の声を抽出する方法、携帯電話等で多数の電波が歪んで混線している場合、それらの電波を復元する方法、脳波または脳磁波などを脳の外部で観測して、脳の内部に発生している信号を分離して捉まえる方法等、種々の応用例がある。 Next, the signal processing device 20 processes the plurality of signals received in the reception step (step S10) by independent component analysis to extract one or more independent components (extraction step; step S12). Independent component analysis (ICA) is a technique for finding hidden factors or components from multivariate (multidimensional) data. More specifically, independent component analysis is a technique for restoring original independent signals from observed signals when signals from two or more independent signal sources are linearly mixed and observed. . As a condition for the application, the signal of the signal source does not follow a normal distribution (non-Gaussian), and the signals of the signal source need to be statistically independent from each other. When restoring signals, the order and magnitude of the restored signals are not limited. As an application example, when a large number of people are talking at the same time, a voice of a specific person is extracted from them, and when many radio waves are distorted and mixed in a mobile phone etc., those radio waves are restored There are various application examples such as a method, a method of observing an electroencephalogram or a magnetoencephalogram outside the brain, and separating and capturing signals generated inside the brain.
独立成分分析の目的は、複数の観測される変数を統計的に独立な変数の線形結合として表現することである。観測変数から計算される独立な変数が独立成分である。ここでは、独立成分分析の基本概念を説明する。まず、原信号s(t)が式1で表されるベクトルで与えられるものとする。 The purpose of independent component analysis is to represent multiple observed variables as a linear combination of statistically independent variables. Independent variables calculated from observed variables are independent components. Here, the basic concept of independent component analysis will be described. First, it is assumed that the original signal s (t) is given by a vector represented by Equation 1.
原信号s(t)の各成分si(t)(i=1〜n)の平均は0であり、各成分分si(t)は互いに独立であるものとする。このn個の原信号に対し、これらが線形和で混合された信号を式2で示される観測信号x(t)とする。 The average of each component s i (t) (i = 1 to n) of the original signal s (t) is 0, and each component s i (t) is independent of each other. A signal obtained by mixing these n original signals with a linear sum is taken as an observation signal x (t) expressed by Equation 2.
ここで、原信号s(t)と観測信号x(t)との関係は、混合行列Aを用いて、式3のように表すことができる。 Here, the relationship between the original signal s (t) and the observed signal x (t) can be expressed as in Expression 3 using the mixing matrix A.
この混合行列Aはm×n(観測信号の次元数×独立信号の成分数)の行列である。独立成分分析において、原信号s(t)は観測信号x(t)からの線形変換により求めることができるものと考える。この復元行列をW、推定される原信号y(t)を、式4のように、 This mixing matrix A is a matrix of m × n (number of dimensions of observation signal × number of components of independent signal). In the independent component analysis, it is considered that the original signal s (t) can be obtained by linear conversion from the observed signal x (t). This restoration matrix is W, and the estimated original signal y (t) is
とすると、観測信号x(t)と推定される原信号y(t)との関係は、式5のように表される。 Then, the relationship between the observed signal x (t) and the estimated original signal y (t) is expressed as Equation 5.
式5より、復元行列Wをみつけることで、推定される原信号y(t)を求めることができる。従って、独立成分分析は、独立成分および混合行列に関する知識を一切利用せずに、観測信号x(t)から独立成分を表す原信号s(t)を推定する手法、あるいは、観測信号x(t)から復元行列Wを推定する手法である。 From Equation 5, the estimated original signal y (t) can be obtained by finding the restoration matrix W. Accordingly, the independent component analysis is a method for estimating the original signal s (t) representing the independent component from the observed signal x (t) without using any knowledge about the independent component and the mixing matrix, or the observed signal x (t ) To estimate the restoration matrix W.
信号処理装置20が受信ステップ(ステップS10)により受信した複数の観測信号の信号源(原信号)としては、上述のように重錘22による矢印A方向への衝撃等を原因とするX軸方向の橋脚12の振動と、その他測定ノイズ成分および橋梁10の他の構成要素の振動による成分(これもノイズ成分)等があるものと考えられる。これらの信号源からの信号を複数のセンサ14a等により複数の観測信号として受信し、受信した複数の観測信号を独立成分分析により処理して、橋脚12の固有振動成分を含む振動を1つ抽出する。 As a signal source (original signal) of the plurality of observation signals received by the signal processing device 20 in the reception step (step S10), the X axis direction caused by the impact in the arrow A direction by the weight 22 as described above is used. It is considered that there are vibrations of the bridge pier 12, other measurement noise components, components due to vibrations of other components of the bridge 10 (also noise components), and the like. Signals from these signal sources are received as a plurality of observation signals by a plurality of sensors 14a, etc., and the received plurality of observation signals are processed by independent component analysis to extract one vibration including the natural vibration component of the pier 12 To do.
続いて、抽出ステップ(ステップS12)により抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して、橋脚12の固有振動数を取得する(固有振動数取得ステップ。ステップS14)。実施例1では、橋脚12の固有振動成分を含む振動を1つ抽出し、当該振動をスペクトル分析して最も高い振動数を橋脚12の固有振動数として得ることができる。 Subsequently, one or more independent components extracted in the extraction step (step S12) are subjected to spectrum analysis to acquire the natural frequency of the pier 12 (natural frequency acquisition step, step S14). In the first embodiment, one vibration including the natural vibration component of the pier 12 is extracted, and the vibration is spectrally analyzed to obtain the highest frequency as the natural frequency of the pier 12.
固有振動数取得ステップ(ステップS14)で取得した橋脚12の固有振動数と所定の基準値との比較に基づき、橋脚12の強度劣化を診断する(診断ステップ。ステップS16)。所定の基準値とは、橋脚12が健全である場合に取得された固有振動数の標準値であり、以下の式6により求められる健全度指数(α)により、表1に基づいて強度劣化を診断することが好適である。健全度指数(α)および表1に関しては“鉄道総合技術研究所編、「建造物保守管理の標準・同解説(鋼構造物)」、1987年9月発行”を参照されたい。 Based on the comparison between the natural frequency of the pier 12 acquired in the natural frequency acquisition step (step S14) and a predetermined reference value, the strength deterioration of the pier 12 is diagnosed (diagnosis step, step S16). The predetermined reference value is a standard value of the natural frequency acquired when the pier 12 is healthy, and the strength deterioration based on Table 1 is obtained by the soundness index (α) obtained by the following formula 6. It is preferable to make a diagnosis. For soundness index (α) and Table 1, refer to “Railway Technical Research Institute,“ Standards and Explanation of Building Maintenance Management (Steel Structures) ”, published in September 1987”.
表1に示されるように、健全度指数が0.7より低い場合は判定ランクがA1となり、「詳細な検査を行い、対策を考慮する。」ことになる。健全度指数が0.7より高く0.85より低い場合は判定ランクがA2となり、「傾斜や洗掘など変状の進行性を監視する。」ことになる。一方、健全度指数が0.85以上の場合は判定ランクがB以上となり、「現状では問題が少なく、健全と考えられる。」ことになる。固有振動数取得ステップ(ステップS14)で取得した橋脚12の固有振動数と予め信号処理装置20のメモリに記録しておいた固有振動数の標準値とから健全度指数を求め、この健全度指数と予め信号処理装置20のメモリに記録しておいた表1の内容との比較により、自動的に橋脚12の強度劣化を診断することができる。すなわち、橋梁10等のような大型建造物の維持管理、診断方法を客観的且つ定量的に行うことができる。 As shown in Table 1, when the soundness index is lower than 0.7, the determination rank is A1, and “a detailed inspection is performed and measures are taken into consideration”. When the soundness index is higher than 0.7 and lower than 0.85, the determination rank is A2, and “the progress of deformation such as inclination and scouring is monitored”. On the other hand, when the soundness index is 0.85 or higher, the determination rank is B or higher, and “currently there are few problems and it is considered sound”. A soundness index is obtained from the natural frequency of the pier 12 acquired in the natural frequency acquisition step (step S14) and the standard value of the natural frequency recorded in the memory of the signal processing device 20 in advance. And the content of Table 1 recorded in the memory of the signal processing device 20 in advance can automatically diagnose the strength deterioration of the pier 12. That is, it is possible to objectively and quantitatively perform maintenance management and diagnosis methods for large buildings such as the bridge 10.
上述の診断ステップ(ステップS16)は、固有振動数取得ステップ(ステップS14)で取得した橋脚12の固有振動数を複数の時刻に亘り取得しておき、複数の固有振動数中の最大または最小の固有振動数を用いて上述したような所定の基準値との比較を行うことにより、橋脚12の強度劣化を診断することもできる。 In the above-mentioned diagnosis step (step S16), the natural frequency of the pier 12 acquired in the natural frequency acquisition step (step S14) is acquired over a plurality of times, and the maximum or minimum of the plurality of natural frequencies is obtained. By performing comparison with the predetermined reference value as described above using the natural frequency, it is possible to diagnose the strength deterioration of the pier 12.
上述したように、橋脚12の振動の原因としては、重錘22による矢印A方向への衝撃による場合の他に、車両24また26等の走行による場合を含むケースが考えられる。このようなケースの場合、受信ステップ(ステップS10)は、歪ゲージ16により測定された値が所定の値を超えた時点から、橋脚12の振動により発生した信号をセンサ14a等により受信することもできる。歪ゲージ16が設置される位置は、橋脚12または橋脚12の周囲の1点以上の所定の位置であって、センサ14a等が設置された複数の所定の位置とは異なる位置である。歪ゲージ16と信号処理装置20とは上述した所定の方式で接続されているものとする。以上により、重錘22による衝撃ではなく車両24また26等の走行による日常的且つ通常の振動を用い、センサ14a等および歪センサ16と接続された信号処理装置20によるリアルタイムで常時監視可能な信号処理方法等を提供することができる。 As described above, the cause of the vibration of the pier 12 may include a case including a case where the vehicle 24 or 26 or the like travels in addition to a case where the weight 22 causes an impact in the arrow A direction. In such a case, the receiving step (step S10) may receive a signal generated by the vibration of the pier 12 by the sensor 14a or the like from the time when the value measured by the strain gauge 16 exceeds a predetermined value. it can. The position where the strain gauge 16 is installed is a predetermined position at one or more points around the pier 12 or the pier 12, and is different from a plurality of predetermined positions where the sensors 14a and the like are installed. It is assumed that the strain gauge 16 and the signal processing device 20 are connected by the predetermined method described above. As described above, signals that can be constantly monitored in real time by the signal processing device 20 connected to the sensor 14a and the strain sensor 16 using daily and normal vibrations due to traveling of the vehicle 24 or 26, etc., instead of the impact due to the weight 22. A processing method or the like can be provided.
次に、本発明の信号処理方法等の妥当性を確認するために行われたシミュレーションについて説明する。 Next, a simulation performed for confirming the validity of the signal processing method of the present invention will be described.
1.有限要素法(Finite
Element Method : FEM)による橋脚診断シミュレーション
1.1 FEMおよび解析プログラム
FEMとは、微分方程式を近似的に解くための数値解析の方法であり、複雑な形状・性質を持つ物体を単純な小部分に分割することにより近似し、全体の挙動を予測しようとするものである。FEMによる解析で得られる結果としては、応力、変位(歪)、振動特性、音特性、熱特性等が挙げられる。FEMの計算プロセスは、構造体を「要素」と「節点」とで構成されるメッシュに分割してモデル化し、節点の変位を未知数とした釣合い方程式を解き、節点変位から各要素の応力を算出するというものである。本シミュレーションでは、FEMの解析プログラムとしてMSC社のMSC(登録商標).Marcを用いた。MSC.Marcは1970年半ばから非線形有限要素解析用の汎用プログラムとして最も高く評価されてきたプログラムであり、複雑な構造を設計し、幾何学的挙動と材料の非線形の挙動とを組み込むことができ、ワークステーションからスーパーコンピュータまでほとんどのコンピュータで利用できるという利点を有している。
1. Finite Element Method (Finite
Diagnosis simulation of bridge piers by Element Method: FEM 1.1 FEM and analysis program FEM is a numerical analysis method for solving differential equations approximately, and turns objects with complex shapes and properties into simple small parts. It approximates by dividing and tries to predict the whole behavior. Examples of results obtained by FEM analysis include stress, displacement (strain), vibration characteristics, sound characteristics, thermal characteristics, and the like. The FEM calculation process divides the structure into meshes composed of “elements” and “nodes”, models them, solves the balance equation with the node displacement as an unknown, and calculates the stress of each element from the node displacement. It is to do. In this simulation, MSC MSC (registered trademark). Marc was used. MSC. Marc is the most highly regarded general-purpose program for nonlinear finite element analysis since the mid-1970s. It can design complex structures, incorporate geometric behavior and nonlinear behavior of materials, It has the advantage that it can be used on most computers from stations to supercomputers.
1.2 橋梁モデル
大型構造物の一例として橋梁モデルの作成を行った。図3は、解析に用いた対象橋梁である北九州市小倉北区の青嵐橋の位置を示す地図である(出典:http://map.yahoo.co.jp/pl?nl=33.49.50.908&el=130.52.41.438&la=1&sc=4&CE.x=244&CE.y=103)。図4(B)は青嵐橋の全景(橋面)図、図4(C)は青嵐橋の橋脚を示す図である。図4(A)、図4(B)に示されるように、座標軸は水平方向をX軸、垂直方向をY軸、橋の側面方向(川に沿う方向)をZ軸とする。以下、各図において座標軸は同様に用いる。表2は青嵐橋の構造の概要を示す。
1.2 Bridge model A bridge model was created as an example of a large structure. Fig. 3 is a map showing the location of the Aarashi Bridge in Kitakyushu City's Kokura Kita Ward, the target bridge used in the analysis (Source: http://map.yahoo.co.jp/pl?nl=33.49.50.908&el) = 130.52.41.438 & la = 1 & sc = 4 & CE.x = 244 & CE.y = 103). FIG. 4B is a full view (bridge surface) of the Seiryo Bridge, and FIG. 4C is a diagram showing the pier of the Seiryo Bridge. As shown in FIGS. 4A and 4B, the coordinate axes are defined as the X axis in the horizontal direction, the Y axis in the vertical direction, and the Z axis in the side surface direction (the direction along the river) of the bridge. Hereinafter, coordinate axes are used in the same way in each figure. Table 2 gives an overview of the structure of Seiryo Bridge.
図5(A)ないし(D)はFEM(MSC.Marc)により作成した橋梁モデルを示す。橋梁上部の構造材料と下部の構造材料とはコンクリートと設定した。主桁の構造材料は鉄鋼と設定した。表3は詳細設定の材料パラメータを示す。 5A to 5D show bridge models created by FEM (MSC. Marc). The structural material for the upper part of the bridge and the structural material for the lower part were set to concrete. The main girder structural material was set to steel. Table 3 shows the detailed material parameters.
以上示した橋梁モデルに対して、重錘22の衝撃による橋梁の振動、風力による橋梁の振動、車両による橋梁の振動の3種類の方法によって生じる橋梁の振動が、各々橋梁が健全の場合、構造劣化の場合、洗掘がある場合について、橋梁の振動状態がどのように変わるかということを上記FEM解析プログラムを用いてコンピュータによりシミュレーション解析した。 For the bridge model shown above, the bridge vibration generated by the three methods of bridge vibration due to the impact of the weight 22, bridge vibration due to wind power, and bridge vibration due to the vehicle, In the case of deterioration, in the case of scouring, how the vibration state of the bridge changes was analyzed by a computer using the FEM analysis program.
1.3 重錘22の衝撃による振動解析方法と解析結果
図6は、重錘22の衝撃による振動試験の方法の概要を示す。図6で図1と同じ符号は同じ要素を示すため説明は省略する。図6に示されるように、重錘22の衝撃による振動試験の方法は、約200〜300Nの重錘22で橋梁10の梁部分または柱(橋脚12)を10〜20回程度打撃し、橋脚12の振動により発生する応答波形をセンサ14a等で測定し、PC20に収録する。収録した応答波形のフーリエ解析を行い、フーリエスペクトルを求める。こうして得られた実測固有振動数と、固有振動数の標準値(既存の測定データから設定した固有振動数)あるいは設計上の固有振動数とから健全度指数(α)を求め、橋脚の健全度を判定する。コンピュータによるシミュレーションでは、ノイズがないため、橋脚12を300Nの荷重で1回のみ打撃した。打撃部位は、橋脚12の高さ5.5mと橋脚12の高さ4.5mの2箇所とした。図7(A)は橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5への打撃を示し、図7(B)は橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5への打撃を示す。
1.3 Vibration analysis method and analysis result by impact of weight 22 FIG. 6 shows an outline of a vibration test method by impact of the weight 22. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. As shown in FIG. 6, the vibration test method by the impact of the weight 22 is performed by hitting the beam portion or the column (the pier 12) of the bridge 10 about 10 to 20 times with the weight 22 of about 200 to 300N. The response waveform generated by the vibration of 12 is measured by the sensor 14a or the like and recorded in the PC 20. Perform Fourier analysis of the recorded response waveform to obtain the Fourier spectrum. The soundness index (α) is obtained from the measured natural frequency obtained in this way and the standard value of the natural frequency (the natural frequency set from existing measurement data) or the design natural frequency, and the soundness of the pier is obtained. Determine. In the computer simulation, there was no noise, so the pier 12 was hit only once with a load of 300N. The hit | damage site | part was made into two places with the height of 5.5 m of the pier 12 and the height of 4.5 m of the pier 12. FIG. 7 (A) shows a blow to the site P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12, and FIG. 7 (B) shows a blow to the site P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12.
1.3.1 橋梁10が健全の場合
橋梁10が健全の場合に、橋脚12を重錘22で打撃した解析の結果について説明する。図8(A)ないし(E)は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22による打撃を受け、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図8(A)ないし(E)において、振動による変位の大きさは各図中左の色グラフに示されるように、上へ行くほど(明るくなるほど)大きくなり、下へ行くほど(暗くなるほど)小さくなる。変位の単位はmmである。以下、各変位コンター図においても同様である。図8(A)ないし(E)に示されるように、時間の経過につれて変位が広がっていくことがわかる。
1.3.1 When the Bridge 10 is Healthy The analysis result of hitting the pier 12 with the weight 22 when the bridge 10 is healthy will be described. 8 (A) to 8 (E), a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12 is hit by the weight 22 and is respectively 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, 0 The displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 4 seconds and 0.5 seconds is shown. 8A to 8E, the magnitude of the displacement due to vibration increases as it goes up (becomes brighter) and goes down (becomes darker), as shown in the left color graph in each figure. Get smaller. The unit of displacement is mm. The same applies to each displacement contour diagram. As shown in FIGS. 8A to 8E, it can be seen that the displacement increases as time elapses.
図9は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を打撃してからの橋脚12の変位履歴プロットを示す。図9において、横軸は時間であり、縦軸は変位量である。以下、各変位履歴プロットを示す図において同様である。図9中のプロットの色分けは橋脚12中の(センサ14a等の設置)場所を示す。図9の各センサ14a等による観測信号に示されるように、各場所が周期的に振動していることがわかる。結果は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.00001553mmである。 FIG. 9 shows a displacement history plot of the pier 12 after hitting the weight 22 on a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12. In FIG. 9, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amount of displacement. The same applies to the drawings showing the displacement history plots. The color coding of the plots in FIG. 9 indicates the location in the pier 12 (installation of the sensor 14a etc.). As shown in the observation signals by the sensors 14a and the like in FIG. As a result, when the weight 22 is received at the site P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.00001553 mm.
図10は、観測信号から抽出された独立な振動応答、すなわち独立成分分析結果を示す。図10において、横軸および縦軸は図9と同様である。以下、各独立成分分析結果を示す図において同様である。図11は、図10に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図11において、横軸は周波数(Hz)、縦軸は変位量である。以下、各独立成分のスペクトル解析結果を示す図において同様である。図11に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2184Hzである。 FIG. 10 shows an independent vibration response extracted from the observation signal, that is, an independent component analysis result. 10, the horizontal axis and the vertical axis are the same as those in FIG. Hereinafter, the same applies to the drawings showing the results of independent component analysis. FIG. 11 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents frequency (Hz), and the vertical axis represents displacement. The same applies to the drawings showing the results of spectrum analysis of each independent component. As shown in FIG. 11, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2184 Hz.
橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22による打撃を受けた場合についても同様にシミュレーション解析を行った。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.0000145mmであり、高さ5.5mの場合と比べると、橋脚12の最大変位量が小さくなった。橋脚12の固有振動数は大体0.2184Hzであり、高さ5.5mの場合と同じ結果となった。従って、橋脚12が健全の場合には、重錘22による衝撃の位置の高さの変化に伴い、橋脚12の最大変位量は大きくなるが、橋脚の固有振動数はほぼ一致した。 The simulation analysis was similarly performed for the case where the portion P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12 was hit by the weight 22. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, the maximum displacement of the bridge pier 12 is 0.0000145 mm when the weight P is received at a portion P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12, compared with the case of a height of 5.5 m. The maximum displacement amount of 12 became smaller. The natural frequency of the pier 12 was about 0.2184 Hz, which was the same as the case of a height of 5.5 m. Therefore, when the pier 12 is healthy, the maximum displacement amount of the pier 12 increases with a change in the height of the position of impact by the weight 22, but the natural frequency of the pier almost coincides.
1.3.2 橋梁10が構造劣化の場合
重錘22の打撃の部位は健全の場合と同じように高さ5.5mと4.5mの位置であるが、材料パラメータのコンクリート材料のヤング率を2.7E04N/mm2から2.5E04N/mm2へ変更した。図12(A)ないし(E)は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22による打撃を受け、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図13は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を打撃してからの橋脚12の変位履歴プロットを示す。結果は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.00001793mmである。健全の場合の結果と比べると、橋脚12の最大変量は大きくなる。図14は、独立成分分析結果を示す。図15は、図14に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図15に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.1953Hzである。健全の場合の結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。
1.3.2 When the bridge 10 is structurally deteriorated The portion of the weight 22 that is struck is 5.5 m and 4.5 m in height as in the case of soundness, but the Young's modulus of the concrete material of the material parameter It was changed from 2.7E04N / mm 2 to 2.5E04N / mm 2. 12 (A) to 12 (E), a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12 is hit by the weight 22 and is respectively 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, 0 The displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 4 seconds and 0.5 seconds is shown. FIG. 13 shows a displacement history plot of the pier 12 after hitting the weight 22 on a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12. As a result, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.00001793 mm when the weight 22 is received at the site P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12. Compared with the result in the case of soundness, the maximum variable of the pier 12 becomes large. FIG. 14 shows the result of independent component analysis. FIG. 15 shows the spectral analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 15, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.1953 Hz. The natural frequency of the pier 12 is smaller than the result in the case of soundness.
橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22による打撃を受けた場合についても同様にシミュレーション解析を行った。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.00001615mmであり、健全の場合の結果と比べると、橋脚の最大変量は大きくなる。橋脚12の固有振動数は大体0.1953Hzであり、健全の場合の結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。従って、橋梁10が経年劣化の場合には、橋脚12の最大変位量は大きくなるが、橋脚12の固有振動数は小さくなる。 The simulation analysis was similarly performed for the case where the portion P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12 was hit by the weight 22. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, the maximum displacement of the bridge pier 12 is 0.00001615 mm when the weight 22 is received at a part P4.5 having a height of 4.5 m of the bridge pier 12. The variable becomes larger. The natural frequency of the pier 12 is approximately 0.1953 Hz, and the natural frequency of the pier 12 is smaller than the result in the case of soundness. Therefore, when the bridge 10 is aged, the maximum displacement amount of the pier 12 is increased, but the natural frequency of the pier 12 is decreased.
1.3.3 洗掘が発生する場合
次に、橋脚12に洗掘が発生する場合に、橋脚12を重錘22で打撃した解析の結果を説明する。図16は洗掘について説明するための図である。図16に示されるように、洗掘とは橋脚12の上流側(図16の左側)の川底が掘られる現象のことである。洗掘は構造物の安全性に影響を与える重大な問題である。洗掘がある場合の重錘22による打撃の部位は健全の場合と同じ位置である。
1.3.3 When Scouring Occurs Next, when scouring occurs on the pier 12, the results of an analysis in which the pier 12 is struck with the weight 22 will be described. FIG. 16 is a diagram for explaining scouring. As shown in FIG. 16, scouring is a phenomenon in which the riverbed upstream of the pier 12 (left side in FIG. 16) is dug. Scouring is a serious problem that affects the safety of structures. When there is scouring, the portion hit by the weight 22 is the same position as in the case of soundness.
図17(A)ないし(E)は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22による打撃を受け、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図18は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を打撃してからの橋脚12の変位履歴プロットを示す。結果は、橋脚12の高さ5.5mの部位P5.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.00001799mmである。健全の場合の結果と比べると、橋脚12の最大変量は大きくなる。図19は、独立成分分析結果を示す。図20は、図19に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図20に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2050Hzである。健全の場合の結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。 17 (A) to 17 (E), a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12 is hit by the weight 22 and is respectively 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, 0 The displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 4 seconds and 0.5 seconds is shown. FIG. 18 shows a displacement history plot of the pier 12 after hitting the weight 22 on a portion P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12. As a result, when the weight 22 is received at the site P5.5 having a height of 5.5 m of the pier 12, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.00001799 mm. Compared with the result in the case of soundness, the maximum variable of the pier 12 becomes large. FIG. 19 shows the result of independent component analysis. FIG. 20 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 20, the natural frequency of the pier 12 is about 0.2050 Hz. The natural frequency of the pier 12 is smaller than the result in the case of soundness.
橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22による打撃を受けた場合についても同様にシミュレーション解析を行った。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋脚12の高さ4.5mの部位P4.5に重錘22を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.00001587mmであり、健全の場合の結果と比べると、橋脚の最大変量は大きくなる。橋脚12の固有振動数は大体0.2050Hzであり、健全の場合の結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。従って、橋梁10に洗掘が発生する場合には、橋脚12の最大変位量は大きくなるが、橋脚12の固有振動数は小さくなる。表4は、重錘22の衝撃による振動解析の結果をまとめて示す。 The simulation analysis was similarly performed for the case where the portion P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12 was hit by the weight 22. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, the maximum displacement of the pier 12 is 0.00001587 mm when the weight 22 is received at the part P4.5 having a height of 4.5 m of the pier 12, and the maximum of the pier is larger than the result in a healthy case. The variable becomes larger. The natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2050 Hz, and the natural frequency of the pier 12 is smaller than the result in the case of soundness. Therefore, when scouring occurs in the bridge 10, the maximum displacement of the pier 12 is increased, but the natural frequency of the pier 12 is decreased. Table 4 summarizes the results of vibration analysis due to the impact of the weight 22.
1.4 風力の衝撃による振動解析方法と解析結果
常時微振動法は橋梁10の風等の自然の力または地盤振動による微小振動をランダム振動として計測する。このため、加振手段を必要とせず、供用中の橋梁の診断に適している。振動振幅は小さいため、測定の振幅依存性、温度依存性等を考慮する必要がある。常時微振動から固有振動特性を分析する方法は、外力を定常ランダムと仮定し、基本的には衝撃振動法と同様の考え方で行う。
1.4 Vibration analysis method and analysis result due to impact of wind force The micro vibration method always measures natural forces such as wind of the bridge 10 or minute vibrations caused by ground vibration as random vibrations. For this reason, it is suitable for the diagnosis of the bridge in service without requiring a vibration means. Since the vibration amplitude is small, it is necessary to consider the amplitude dependency, temperature dependency, etc. of the measurement. The method for analyzing natural vibration characteristics from micro vibrations is based on the same concept as the shock vibration method, assuming that the external force is steady random.
図21(A)はコンピュータ・シミュレーション解析において、橋梁がZ方向の風を受けた場合を示し、図21(B)は橋梁がX方向の風を受けた場合を示し、図21(C)は境界条件を示す。 FIG. 21A shows a case where the bridge receives wind in the Z direction in the computer simulation analysis, FIG. 21B shows a case where the bridge receives wind in the X direction, and FIG. Indicates the boundary condition.
1.4.1 橋梁10が健全の場合
図22(A)ないし(E)は、橋梁10全体が10m/sでZ方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図23は、橋梁10全体が10m/sでZ方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が10m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.002366mmである。図24は、独立成分分析結果を示す。図25は、図24に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図25に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2343Hzである。
1.4.1 When the Bridge 10 is Healthy FIGS. 22 (A) to (E) show that when the entire bridge 10 receives a wind velocity in the Z direction at 10 m / s, 0.1 seconds and 0.2 seconds, respectively. The displacement contour diagram of the pier 12 after elapse of seconds, 0.3 seconds, 0.4 seconds, and 0.5 seconds is shown. FIG. 23 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole receives wind speed in the Z direction at 10 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind speed in the Z direction at 10 m / s, the maximum displacement of the pier 12 is 0.002366 mm. FIG. 24 shows the result of independent component analysis. FIG. 25 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 25, the natural frequency of the pier 12 is about 0.2343 Hz.
橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでZ方向の風速度を受けた場合についても同様にシミュレーション解析を行った。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は各々0.009462mm、0.02129mm、0.03785mmであった。従って、風速度が大きくなるとともに、橋脚12の最大変位量も大きくなる。スペクトル解析の結果、橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の固有振動数は、共に0.2343Hzである。 The simulation analysis was similarly performed when the bridge 10 as a whole received wind speed in the Z direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, when the bridge 10 as a whole was subjected to the wind speed in the Z direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s, the maximum displacement of the pier 12 was 0.009462 mm, 0.02129 mm, and 0.03785 mm, respectively. It was. Accordingly, the wind speed increases and the maximum displacement of the pier 12 also increases. As a result of spectrum analysis, when the bridge 10 as a whole is subjected to a wind speed in the Z direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s, the natural frequency of the pier 12 is 0.2343 Hz.
風速度を0m/sから40m/sへ段々大きくし、次に小さくした場合に、橋梁10の振動がどう変わるかをシミュレーションした。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋脚12の最大変位量は0.02977mmである。橋梁10が10秒間で同じ40m/sの風速度を受けた結果と比べると、橋脚の最大変位量は小さくなる。スペクトル解析の結果、橋脚12の固有振動数は0.2441Hzである。橋梁10が10秒間で同じ風速度を受けた結果と比べると、橋脚の固有振動数はあまり差がない。 A simulation was made of how the vibration of the bridge 10 changes when the wind speed is gradually increased from 0 m / s to 40 m / s and then decreased. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, the maximum displacement of the pier 12 is 0.02777 mm. Compared to the result of the bridge 10 receiving the same wind speed of 40 m / s in 10 seconds, the maximum displacement of the pier is small. As a result of spectral analysis, the natural frequency of the pier 12 is 0.2441 Hz. Compared with the result of the bridge 10 receiving the same wind speed in 10 seconds, the natural frequency of the pier is not much different.
図26(A)ないし(E)は、橋梁10全体が10m/sでX方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図27は、橋梁10全体が10m/sでX方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が10m/sでX方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.006591mmである。図28は、独立成分分析結果を示す。図29は、図28に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図29に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.371Hzである。 FIGS. 26 (A) to (E) show 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, and 0.4 seconds, respectively, when the bridge 10 as a whole is subjected to the wind velocity in the X direction at 10 m / s. The displacement contour figure of the bridge pier 12 after 0.5 second elapses is shown. FIG. 27 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole receives wind speed in the X direction at 10 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind speed in the X direction at 10 m / s, the maximum displacement of the bridge pier 12 is 0.006591 mm. FIG. 28 shows the results of independent component analysis. FIG. 29 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 29, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.371 Hz.
橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでX方向の風速度を受けた場合についても同様にシミュレーション解析を行った。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでX方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は各々0.002636mm、0.0005932mm、0.01955mmであった。従って、風速度が大きくなるとともに、橋脚12の最大変位量も大きくなる。スペクトル解析の結果、橋梁10全体が20m/s、30m/s、40m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の固有振動数は、共に0.371Hzである。 The simulation analysis was similarly performed when the bridge 10 as a whole received wind velocity in the X direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, when the bridge 10 as a whole was subjected to wind velocity in the X direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s, the maximum displacement of the pier 12 was 0.002636 mm, 0.0005932 mm, and 0.01955 mm, respectively. It was. Accordingly, the wind speed increases and the maximum displacement of the pier 12 also increases. As a result of spectrum analysis, when the bridge 10 as a whole is subjected to the wind speed in the Z direction at 20 m / s, 30 m / s, and 40 m / s, the natural frequency of the pier 12 is 0.371 Hz.
風速度を0m/sから40m/sへ段々大きくし、次に小さくした場合に、橋梁10の振動がどう変わるかをシミュレーションした。変位コンター図、変位履歴プロット、独立成分分析結果および独立成分のスペクトル解析結果の各図は省略する。結果は、橋脚12の最大変位量は0.005762mmである。橋梁10が10秒間で同じ40m/sの風速度を受けた結果と比べると、橋脚の最大変位量は小さくなる。スペクトル解析の結果、橋脚12の固有振動数は0.1333Hzである。橋梁10が10秒間で同じ風速度を受けた結果と比べると、橋脚の固有振動数は小さくなる。 A simulation was made of how the vibration of the bridge 10 changes when the wind speed is gradually increased from 0 m / s to 40 m / s and then decreased. Each figure of a displacement contour diagram, a displacement history plot, an independent component analysis result, and an independent component spectrum analysis result is omitted. As a result, the maximum displacement of the pier 12 is 0.005762 mm. Compared to the result of the bridge 10 receiving the same wind speed of 40 m / s in 10 seconds, the maximum displacement of the pier is small. As a result of the spectrum analysis, the natural frequency of the pier 12 is 0.1333 Hz. Compared with the result of the bridge 10 receiving the same wind speed in 10 seconds, the natural frequency of the pier is small.
1.4.2 橋梁10が劣化の場合
材料パラメータのコンクリート材料のヤング率を2.7E04N/mm2から2.5E04N/mm2へ変更した。図30(A)ないし(E)は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図31は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.04413mmである。橋梁10が健全の場合に、橋梁10が40m/sのZ方向の風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚の最大変位量は大きくなる。図32は、独立成分分析結果を示す。図33は、図32に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図32に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2246Hzである。橋梁10が健全の場合に、橋梁10がZ方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。
1.4.2 When Bridge 10 is Degraded The Young's modulus of the concrete material of the material parameter was changed from 2.7E04 N / mm 2 to 2.5E04 N / mm 2 . FIGS. 30A to 30E show 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, and 0.4 seconds, respectively, when the entire bridge 10 is subjected to a wind speed in the Z direction at 40 m / s. The displacement contour figure of the bridge pier 12 after 0.5 second elapses is shown. FIG. 31 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole has received a wind speed in the Z direction at 40 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind speed in the Z direction at 40 m / s, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.04413 mm. When the bridge 10 is healthy, the maximum displacement of the bridge pier is larger than the result of the bridge 10 receiving and analyzing the wind speed in the Z direction of 40 m / s. FIG. 32 shows the result of independent component analysis. FIG. 33 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 32, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2246 Hz. When the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is smaller than the analysis result of the bridge 10 receiving wind speed of 40 m / s in the Z direction.
図34(A)ないし(E)は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図35は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.01226mmである。図36は、独立成分分析結果を示す。図37は、図36に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図37に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.3516Hzである。橋梁10が健全の場合に、橋脚12がX方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。従って、橋梁10が劣化の場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚の固有振動数が小さくなる。 FIGS. 34 (A) to (E) show 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, and 0.4 seconds, respectively, when the bridge 10 as a whole is subjected to the wind velocity in the X direction at 40 m / s. The displacement contour figure of the bridge pier 12 after 0.5 second elapses is shown. FIG. 35 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole receives wind speed in the X direction at 40 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind velocity in the X direction at 40 m / s, the maximum displacement of the pier 12 is 0.01226 mm. FIG. 36 shows the result of independent component analysis. FIG. 37 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 37, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.3516 Hz. When the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is smaller than the analysis result of the pier 12 receiving the wind speed of 40 m / s in the X direction. Therefore, when the bridge 10 is deteriorated, the maximum displacement amount of the pier 12 is increased, and the natural frequency of the pier is decreased.
1.4.3 洗掘が発生する場合
次に、橋脚12に洗掘が発生する場合に、橋梁10がZ方向、X方向、40m/sの風速度を10秒間続けて解析した結果を説明する。図38(A)ないし(E)は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図39は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が40m/sでZ方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.04381mmである。橋梁10が健全の場合に、橋脚がZ方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚12の最大変位量は大きくなる。図40は、独立成分分析結果を示す。図41は、図40に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図41に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2246Hzである。橋梁10が健全の場合に、橋梁10がZ方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。
1.4.3 When scouring occurs Next, when scouring occurs on the pier 12, the bridge 10 analyzed the wind speed in the Z direction, X direction, 40 m / s for 10 seconds and explained the results. To do. FIGS. 38 (A) to (E) are respectively 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, and 0.4 seconds when the entire bridge 10 is subjected to a wind speed in the Z direction at 40 m / s. The displacement contour figure of the bridge pier 12 after 0.5 second elapses is shown. FIG. 39 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole has received a wind speed in the Z direction at 40 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind speed in the Z direction at 40 m / s, the maximum displacement of the pier 12 is 0.04381 mm. When the bridge 10 is healthy, the maximum displacement amount of the pier 12 is larger than the analysis result of the pier receiving the wind speed of 40 m / s in the Z direction. FIG. 40 shows the results of independent component analysis. FIG. 41 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 41, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2246 Hz. When the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is smaller than the analysis result of the bridge 10 receiving wind speed of 40 m / s in the Z direction.
図42(A)ないし(E)は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けた場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図43は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けてからの変位履歴プロットを示す。結果は、橋梁10全体が40m/sでX方向の風速度を受けた場合、橋脚12の最大変位量は0.01267mmである。橋梁10が健全の場合に、橋脚12がX方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚の最大変位量は大きくなる。図44は、独立成分分析結果を示す。図45は、図44に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図45に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2246Hzである。橋梁10が健全の場合に、橋脚12がX方向、40m/sの風速度を受けて解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。従って、橋脚12は洗掘が発生した場合には、最大変位量が大きくなり、固有振動数は小さくなる。表5は、風速度による振動解析の結果をまとめて示す。 42 (A) to 42 (E) show the case where the entire bridge 10 is subjected to the wind speed in the X direction at 40 m / s, 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds and 0.4 seconds, respectively. The displacement contour figure of the bridge pier 12 after 0.5 second elapses is shown. FIG. 43 shows a displacement history plot after the bridge 10 as a whole has received a wind velocity in the X direction at 40 m / s. As a result, when the entire bridge 10 receives a wind velocity in the X direction at 40 m / s, the maximum displacement of the pier 12 is 0.01267 mm. When the bridge 10 is healthy, the maximum displacement of the bridge pier is larger than the analysis result of the bridge pier 12 receiving wind speed of 40 m / s in the X direction. FIG. 44 shows the result of independent component analysis. FIG. 45 shows the spectral analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 45, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2246 Hz. When the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is smaller than the analysis result of the pier 12 receiving the wind speed of 40 m / s in the X direction. Therefore, when the pier 12 is scoured, the maximum displacement is increased and the natural frequency is decreased. Table 5 summarizes the results of vibration analysis based on wind speed.
1.5 車両による振動解析方法と解析結果
車両走行実験は橋梁10の強度・機能面での評価を行うために、試験車両走行時に生じる構造物の応力・変位・加速度等を計測する実験である。車両走行法は試験車両を通常路面に一定速度で走行させる場合、路面上に段差をつけて走行させる場合、さらに数台の車両を連行して走行させる場合、および一般車両走行時のランダム振動を計測する場合等がある。減衰自由振動を測定する場合は車両走行直後の残留振動を測定する。コンピュータ・シミュレーションでは、荷重3tの車が40km/hの速度で橋梁10を通過すると仮定し、重錘22による衝撃試験と同様に、橋梁が健全の場合、構造劣化の場合、洗掘が発生する場合について、車両が通過する時に橋梁10の振動状態がどのように変わるかを解析した。
1.5 Vehicle vibration analysis method and analysis results The vehicle running experiment is an experiment to measure the stress, displacement, acceleration, etc. of the structure generated during running of the test vehicle in order to evaluate the strength and function of the bridge 10. . The vehicle running method uses random vibrations when a test vehicle is run on a normal road surface at a constant speed, when it is run with a step on the road surface, when several vehicles are run along with it, and when running a general vehicle. There is a case to measure. When measuring the damped free vibration, the residual vibration immediately after traveling the vehicle is measured. In the computer simulation, it is assumed that a vehicle having a load of 3 t passes through the bridge 10 at a speed of 40 km / h, and scouring occurs when the bridge is healthy or structural deterioration occurs, as in the impact test using the weight 22. For the case, we analyzed how the vibration state of the bridge 10 changed when the vehicle passed.
1.5.1 橋梁10が健全の場合
図46(A)ないし(E)は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図47は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の変位履歴プロットを示す。結果は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合、橋脚12の最大変位量は0.00006289mmである。図48は、独立成分分析結果を示す。図49は、図48に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図48に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.2083Hzである。
1.5.1 When the Bridge 10 is Healthy FIGS. 46A to 46E show 0.1 seconds, 0.2 seconds, and 0 when a 3 ton vehicle passes the bridge 10 at 40 km / h, respectively. The displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 3 seconds, 0.4 seconds, and 0.5 seconds is shown. FIG. 47 shows a displacement history plot when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h. As a result, when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h, the maximum displacement of the pier 12 is 0.00006289 mm. FIG. 48 shows the result of independent component analysis. FIG. 49 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 48, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.2083 Hz.
1.5.2 橋梁10が劣化の場合
材料パラメータのコンクリート材料のヤング率を2.7E04N/mm2から2.5E04N/mm2へ変更した。図50(A)ないし(E)は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図51は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の変位履歴プロットを示す。結果は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合、橋脚12の最大変位量は0.00007244mmである。橋梁10が健全の場合に解析した結果と比べると、橋脚12の最大変位量は大きくなる。図52は、独立成分分析結果を示す。図53は、図52に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図53に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.1833Hzである。橋梁10が健全の場合に解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。
1.5.2 When the bridge 10 is deteriorated The Young's modulus of the concrete material of the material parameter was changed from 2.7E04 N / mm 2 to 2.5E04 N / mm 2 . 50A to 50E show 0.1 seconds, 0.2 seconds, 0.3 seconds, 0.4 seconds, 0. 3 seconds when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h, respectively. A displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 5 seconds is shown. FIG. 51 shows a displacement history plot when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h. As a result, when a 3 ton vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.00007244 mm. Compared with the result of analysis when the bridge 10 is healthy, the maximum displacement amount of the pier 12 is increased. FIG. 52 shows the results of independent component analysis. FIG. 53 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 53, the natural frequency of the pier 12 is about 0.1833 Hz. Compared with the result of analysis when the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is small.
1.5.3 洗掘が発生する場合
図54(A)ないし(E)は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の、各々0.1秒、0.2秒、0.3秒、0.4秒、0.5秒時経過後の橋脚12の変位コンター図を示す。図55は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合の変位履歴プロットを示す。結果は、3tの車両が40km/hで橋梁10を通過した場合、橋脚12の最大変位量は0.00006946mmである。橋梁10が健全の場合に解析した結果と比べると、橋脚12の最大変位量は大きくなる。図56は、独立成分分析結果を示す。図57は、図56に示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。図57に示されるように、橋脚12の固有振動数は大体0.1917Hzである。橋梁10が健全の場合に解析した結果と比べると、橋脚12の固有振動数は小さくなる。従って、橋脚12は洗掘が発生した場合には、最大変位量が大きくなり、固有振動数が小さくなる。表6は、車両による振動解析の結果をまとめて示す。
1.5.3 When Scouring Occurs FIGS. 54A to 54E show 0.1 seconds, 0.2 seconds, and 0 seconds when a 3 ton vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h, respectively. The displacement contour diagram of the pier 12 after the elapse of 3 seconds, 0.4 seconds, and 0.5 seconds is shown. FIG. 55 shows a displacement history plot when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h. As a result, when a 3t vehicle passes through the bridge 10 at 40 km / h, the maximum displacement amount of the pier 12 is 0.00006946 mm. Compared with the result of analysis when the bridge 10 is healthy, the maximum displacement amount of the pier 12 is increased. FIG. 56 shows the results of independent component analysis. FIG. 57 shows the spectrum analysis results of the independent components shown in FIG. As shown in FIG. 57, the natural frequency of the pier 12 is approximately 0.1917 Hz. Compared with the result of analysis when the bridge 10 is healthy, the natural frequency of the pier 12 is small. Therefore, when the pier 12 is scoured, the maximum displacement amount is increased and the natural frequency is decreased. Table 6 summarizes the results of vibration analysis by the vehicle.
1.6 結果
コンピュータ・シミュレーション解析した結果から、重錘22による衝撃、風圧、車両の振動等の外力によって生じる振動により、橋梁10の全体構造の振動挙動が明らかになった。以下にまとめて示す。
1.6 Results From the results of computer simulation analysis, the vibration behavior of the entire structure of the bridge 10 was clarified by vibrations caused by external forces such as impact, wind pressure, and vehicle vibration caused by the weight 22. These are summarized below.
(1)重錘22の衝撃による振動解析の結果により、重錘22の衝撃の位置の高さの変化に伴い、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚12の固有振動数はほぼ一致した。従って、センサ14a等の配置は橋脚12の上部と下部との間の2点以上の位置とすることが好適である。年と共に材料が劣化した場合には、橋脚12の最大変位量は大きくなるが、橋脚12の固有振動数は小さくなる。洗掘が発生した場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚12の固有振動数は小さくなる。 (1) As a result of the vibration analysis by the impact of the weight 22, the maximum displacement amount of the pier 12 increases with a change in the height of the position of the impact of the weight 22, and the natural frequency of the pier 12 almost matches. . Therefore, it is preferable that the sensors 14a and the like are arranged at two or more positions between the upper part and the lower part of the pier 12. When the material deteriorates with age, the maximum displacement of the pier 12 increases, but the natural frequency of the pier 12 decreases. When scouring occurs, the maximum displacement of the pier 12 increases and the natural frequency of the pier 12 decreases.
(2)風力による振動解析の結果により、風速度が大きくなるほど、橋脚12の最大変位量が大きくなが、橋脚の固有振動数は大体同じである。年と共に材料が劣化した場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚12の固有振動数が小さくなる。洗掘が発生した場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚の固有振動数が小さくなる。 (2) As a result of the vibration analysis by wind power, the maximum displacement amount of the pier 12 increases as the wind speed increases, but the natural frequency of the pier is approximately the same. When the material deteriorates with age, the maximum displacement of the pier 12 increases and the natural frequency of the pier 12 decreases. When scouring occurs, the maximum displacement of the pier 12 increases and the natural frequency of the pier decreases.
(3)車両による振動解析の結果により、年と共に材料が劣化した場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚12の固有振動数が小さくなる。洗掘が発生した場合には、橋脚12の最大変位量が大きくなり、橋脚12の固有振動数が小さくなる。 (3) When the material deteriorates with the years as a result of the vibration analysis by the vehicle, the maximum displacement amount of the pier 12 increases and the natural frequency of the pier 12 decreases. When scouring occurs, the maximum displacement of the pier 12 increases and the natural frequency of the pier 12 decreases.
以上より、コンピュータ・シミュレーション解析した結果、橋脚12の複数の箇所(センサ14a等の箇所)で計測した信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出し、抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析することにより、橋脚12の固有振動数を得ることができることが確認された。橋脚12の劣化(強度の変化)、洗掘の発生により、固有振動数が変化することも確認された。取得した橋脚12の固有振動数と固有振動数の標準値との比較に基づき健全度指数(α)を求めることにより、当該健全度指数(α)により橋脚12の強度劣化を診断することができる。すなわち、本発明の信号処理方法等により橋脚12の強度劣化を診断することができる。 From the above, as a result of computer simulation analysis, one or more extracted independent components are extracted by processing signals measured at a plurality of locations (locations such as the sensor 14a) of the pier 12 by independent component analysis. It was confirmed that the natural frequency of the pier 12 can be obtained by spectral analysis of the independent components. It was also confirmed that the natural frequency changed due to deterioration of the pier 12 (change in strength) and occurrence of scouring. By obtaining the soundness index (α) based on the comparison between the acquired natural frequency of the pier 12 and the standard value of the natural frequency, it is possible to diagnose the strength deterioration of the pier 12 based on the soundness index (α). . That is, the strength deterioration of the pier 12 can be diagnosed by the signal processing method of the present invention.
2.現場実験による確認
2.1 現場実験方法
測定機器は上述した速度計、加速度計を用いる。測点の位置は、橋脚12の固有振動数および振動モードが把握できる橋脚12天端の橋軸直角方向・鉛直方向の2成分、中間および下端の橋軸直角方向を加速度計にて測定する。同時に従来の衝撃振動試験で使用する速度計により橋脚12天端の橋軸直角方向・鉛直方向の2成分を検証のために測定する。橋脚12の固有振動検出においてノイズとなる上部工の固有振動、車両走行振動を特定するために、測定対象橋脚12の前後の支間中央および支点上(橋脚12上)の鉛直方向成分を、橋脚12および橋梁10の挙動と振動への影響とを確認するために、橋梁10両端の橋軸方向・鉛直方向の2成分を測定する。
2. Confirmation by field experiment 2.1 Field experiment method The measuring instrument uses the speedometer and accelerometer described above. The position of the measuring point is measured with an accelerometer at the bridge shaft perpendicular direction and the vertical direction at the top end of the pier 12 where the natural frequency and vibration mode of the pier 12 can be grasped, and at the middle and lower ends of the bridge shaft at right angles. At the same time, two components in the direction perpendicular to the bridge axis and the vertical direction at the top of the pier 12 are measured for verification by the speedometer used in the conventional shock vibration test. In order to specify the natural vibration of the superstructure and the vehicle running vibration, which are noises in detecting the natural vibration of the pier 12, the vertical component at the center of the front and rear of the pier 12 to be measured and on the fulcrum (on the pier 12) is used as the pier 12 In addition, in order to confirm the behavior of the bridge 10 and the influence on the vibration, two components of the bridge axis direction and the vertical direction at both ends of the bridge 10 are measured.
図58はP1橋脚12の外乱振動測定の測定概要を示す図であり、図59はP1橋脚12の1−1断面図である。図58および59で図1と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図58および59において、「1ch:A−1z」等の1chはチャンネル、A―1zはセンサNo.を示し、色付き四角印は加速度センサ(鉛直)、三角印は加速度センサ(橋軸)、白丸印は速度センサ(橋軸鉛直)、色付き白丸印は加速度センサ(橋軸鉛直)、白四角印は速度センサ(鉛直)を示す。図60は歪ゲージ16の設置概要を示す図であり、図61は加速度センサ14a等の設置概要を示す図である。表7は図58および59に示される橋脚12の測定箇所一覧を示す。 58 is a diagram showing a measurement outline of disturbance vibration measurement of the P1 pier 12, and FIG. 59 is a cross-sectional view of the P1 pier 12 taken along 1-1. 58 and 59 denoted by the same reference numerals as those in FIG. 58 and 59, 1ch such as “1ch: A-1z” is a channel, and A-1z is a sensor No. The colored square mark is the acceleration sensor (vertical), the triangular mark is the acceleration sensor (bridge axis), the white circle mark is the speed sensor (bridge axis vertical), the colored white circle mark is the acceleration sensor (bridge axis vertical), and the white square mark is A speed sensor (vertical) is shown. FIG. 60 is a diagram showing an outline of installation of the strain gauge 16, and FIG. 61 is a diagram showing an outline of installation of the acceleration sensor 14a and the like. Table 7 shows a list of measurement points of the pier 12 shown in FIGS.
2.2 現場実験結果の解析
現場で車両走行によって生じる振動から、独立成分分析により抽出した固有振動数の結果を説明する。12チャンネルの加速度センサと2チャンネルの速度センサとを貼り付けて計測したが、本明細書では、その内の一部のセンサにより実際に計測した振動数について説明する。
2.2 Analysis of on-site experiment results The results of natural frequencies extracted by independent component analysis from vibrations caused by vehicle running on-site will be explained. Measurements were made by pasting a 12-channel acceleration sensor and a 2-channel speed sensor. In this specification, the vibration frequency actually measured by some of the sensors will be described.
2.2.1 大型車による振動
まず、大型車の通過によって生じる振動を独立成分分析した結果について説明する。具体的には、加速度計の1チャンネルの1径間中央と、2チャンネルの1径間端部(P1橋脚12上)(鉛直)と、4チャンネルの2径間中央(鉛直)と、速度計の13チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(橋軸直角)と、14チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(鉛直)からとった振動とを受信し、これらを独立成分分析して抽出した固有振動数を比較し、解析手法(本発明の信号処理方法等)の妥当性を検証する。
2.2.1 Vibrations caused by large vehicles First, the results of independent component analysis of vibrations caused by the passage of large vehicles will be described. Specifically, the center of one span of one channel of the accelerometer, the end of one span of two channels (on the P1 pier 12) (vertical), the center of two channels of four channels (vertical), the speedometer The 13 channel P1 pier 12 top edge central velocity (perpendicular to the bridge axis) and 14 channels of P1 pier 12 top edge center velocity (vertical) were received and extracted by independent component analysis. The frequency is compared and the validity of the analysis method (the signal processing method of the present invention) is verified.
図62は、大型車による振動が加速度計の1チャンネルの1径間中央と、2チャンネルの1径間端部(P1橋脚12上)(鉛直)と、4チャンネルの2径間中央(鉛直)とからとった振動を示す。図62で、横軸は時間、縦軸は変位量を示す。以下同様である。図63は、図62で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図64は、図63により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は4.0527Hzである。 FIG. 62 shows that the vibration caused by a large vehicle is the center of one span of one channel of the accelerometer, the end of one span of two channels (on the P1 pier 12) (vertical), and the center of two spans of four channels (vertical). Shows vibrations taken from In FIG. 62, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amount of displacement. The same applies hereinafter. FIG. 63 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 64 shows the spectrum analysis result of the independent component shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 4.0527 Hz.
図65は、同様に大型車が通過した時、速度計の13チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(橋軸直角)と、14チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(鉛直)とからとった振動を示す。図66は、図65で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図67は、図66により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は3.4667Hzである。加速度計から抽出した固有振動数と比べて大きい差が見られない。 FIG. 65 is also taken from the 13-channel P1 pier 12 top center speed (perpendicular to the bridge axis) of the speedometer and the 14-channel P1 pier 12 top center speed (vertical) when a large vehicle passes. Shows vibration. FIG. 66 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 67 shows the spectrum analysis result of the independent component shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 3.4667 Hz. There is no significant difference compared to the natural frequency extracted from the accelerometer.
2.2.2 2tダンプ車による振動
次に、2tダンプ車の通過によって生じる振動を独立成分分析した結果について説明する。測定点は大型車の場合と同様である。図68は、2t車による振動が加速度計の1チャンネルの1径間中央と、2チャンネルの1径間端部(P1橋脚12上)(鉛直)と、4チャンネルの2径間中央(鉛直)とからとった振動を示す。図69は、図68で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図70は、図69により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は4.0527Hzである。
2.2.2 Vibration by 2t dump truck Next, the result of independent component analysis of the vibration generated by the passage of the 2t dump truck will be described. The measurement points are the same as for large vehicles. FIG. 68 shows that the vibration caused by the 2t car is the center of one axis of one channel of the accelerometer, the end of one channel of two channels (on the P1 pier 12) (vertical), and the center of two channels of four channels (vertical). Shows vibrations taken from FIG. 69 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 70 shows the spectral analysis results of the independent components shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 4.0527 Hz.
図71は、同様に2t車が通過した時、速度計の13チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(橋軸直角)と、14チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(鉛直)とからとった振動を示す。図72は、図71で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図73は、図72により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は4.004Hzである。加速度計から抽出した固有振動数と比べるとほぼ同じである。 FIG. 71 is also taken from the 13-channel P1 pier 12 top center speed (perpendicular to the bridge axis) of the speedometer and the 14-channel P1 pier 12 top center speed (vertical) when the 2t car passes. Shows vibration. FIG. 72 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 73 shows the spectrum analysis results of the independent components shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 4.004 Hz. It is almost the same as the natural frequency extracted from the accelerometer.
2.2.3 4tダンプ車による振動
次に、4tダンプ車の通過によって生じる振動を独立成分分析した結果について説明する。測定点は大型車、2tダンプ車の場合と同様である。図74は、4t車による振動が加速度計の1チャンネルの1径間中央と、2チャンネルの1径間端部(P1橋脚12上)(鉛直)と、4チャンネルの2径間中央(鉛直)とからとった振動を示す。図75は、図74で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図76は、図75により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は4.0527Hzである。
2.2.3 Vibration by 4t dump truck Next, the result of independent component analysis of vibration generated by the passage of the 4t dump truck will be described. The measurement points are the same as in the case of large vehicles and 2t dump vehicles. In FIG. 74, the vibration caused by the 4t car is the center of one span of one channel of the accelerometer, the end of one span of two channels (on the P1 pier 12) (vertical), and the center of two channels of four channels (vertical). Shows vibrations taken from FIG. 75 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 76 shows the spectrum analysis results of the independent components shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 4.0527 Hz.
図77は、同様に4t車が通過した時、速度計の13チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(橋軸直角)と、14チャンネルのP1橋脚12天端中央速度(鉛直)とからとった振動を示す。図78は、図77で示される振動を独立成分分析した結果を示す。図79は、図78により示される独立成分のスペクトル解析結果を示す。結果とて、抽出した橋梁12の固有振動数は4.0527Hzである。加速度計から抽出した固有振動数と比べるとほぼ一致した。 FIG. 77 is similarly taken from the 13-channel P1 pier 12 top center speed (perpendicular to the bridge axis) and the 14-channel P1 pier 12 top speed (vertical) of the speedometer when a 4t car passes. Shows vibration. FIG. 78 shows the result of independent component analysis of the vibration shown in FIG. FIG. 79 shows the spectrum analysis results of the independent components shown by FIG. As a result, the natural frequency of the extracted bridge 12 is 4.0527 Hz. Compared with the natural frequency extracted from the accelerometer, it was almost the same.
2.3 結果と考察
表8は、現場実験の結果をまとめて示す。
2.3 Results and discussion Table 8 summarizes the results of field experiments.
表1に示されるように、大型車、2tダンプ車、4tダンプ車で固有振動数はあまり差がないということが判明した。現場実験により実際に得た振動データに基づく固有振動数とコンピュータ・シミュレーション解析により得た固有振動数の結果とを比較すると、橋脚の固有振動数にはやや差がある。コンクリート構造物はコンクリートと鉄筋および鉄骨等の補強材との複合体であるが、コンピュータ・シミュレーションする際に、橋梁10の上部、下部の構造材料ともコンクリートと設定したため、橋梁10の強度、剛性が実際のP1橋梁10より低いものとなっていることが原因であると思われる。従って、コンピュータ・シミュレーションにおける境界条件、材料パラメータ等の設定を実際のP1橋梁10の状況に近づけることにより両者の差異は解消するものと考えられる。 As shown in Table 1, it has been found that the natural frequency is not so different between large vehicles, 2t dump vehicles, and 4t dump vehicles. When comparing the natural frequency based on the vibration data actually obtained by field experiments and the natural frequency obtained by computer simulation analysis, there is a slight difference in the natural frequency of the pier. The concrete structure is a composite of concrete and reinforcing materials such as reinforcing bars and steel frames. However, since the structural material of the upper part and the lower part of the bridge 10 is set to concrete when performing computer simulation, the strength and rigidity of the bridge 10 are It seems that the cause is that it is lower than the actual P1 bridge 10. Therefore, it is considered that the difference between the two is eliminated by bringing the boundary conditions, material parameters, and the like in the computer simulation closer to the actual situation of the P1 bridge 10.
以上より、本発明の信号処理方法等によれば、橋脚12の複数の箇所(センサ14a等の箇所)で計測した信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出し、抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析することにより、橋脚12の固有振動数を得ることができることが、コンピュータ・シミュレーションおよび現場実験を通して確認された。取得した橋脚12の固有振動数と固有振動数の標準値との比較に基づき健全度指数(α)を求めることにより、当該健全度指数(α)により橋脚12の強度劣化を診断することができる。すなわち、本発明の信号処理方法等により橋脚12の強度劣化を診断することができる。 As described above, according to the signal processing method and the like of the present invention, a signal measured at a plurality of locations (locations such as the sensor 14a) of the pier 12 is processed by independent component analysis to extract one or more independent components and extracted. It has been confirmed through computer simulation and field experiments that the natural frequency of the pier 12 can be obtained by spectral analysis of one or more independent components. By obtaining the soundness index (α) based on the comparison between the acquired natural frequency of the pier 12 and the standard value of the natural frequency, it is possible to diagnose the strength deterioration of the pier 12 based on the soundness index (α). . That is, the strength deterioration of the pier 12 can be diagnosed by the signal processing method of the present invention.
3.ノイズに関する補足
上述のコンピュータ・シミュレーション解析する場合には、ノイズが考慮されていない状態で橋梁10の固有振動数がとられた。しかし、実際に現場で計測するときにはノイズが存在する。そこで、コンピュータ・シミュレーション解析してから得られた振動応答にノイズを加え、独立成分分析により、固有振動数がとれるかどうかを解析した。
3. Supplement on Noise In the above-described computer simulation analysis, the natural frequency of the bridge 10 was taken in a state where noise was not taken into consideration. However, there is noise when actually measuring on site. Therefore, we added noise to the vibration response obtained after computer simulation analysis and analyzed whether the natural frequency can be obtained by independent component analysis.
図80(A)はコンピュータ・シミュレーション解析してから得られたノイズがない場合の振動応答を示す。一方、図80(B)は上記計測した振動応答に乱数0〜0.01を加えた場合の振動応答を示す。図80(A)と80(B)とを比較すると、振動波形は大体同じである。乱数0.03〜−0.03を加えた場合、乱数0〜0.1を加えた場合についても検討したが、いずれも振動波形は少し乱れが出るものの、振動波形の計測には問題がない。 FIG. 80A shows the vibration response in the absence of noise obtained after the computer simulation analysis. On the other hand, FIG. 80B shows a vibration response when random numbers 0 to 0.01 are added to the measured vibration response. When FIG. 80A and FIG. 80B are compared, the vibration waveforms are almost the same. When random numbers 0.03 to -0.03 were added and random numbers 0 to 0.1 were also examined, although the vibration waveform is slightly disturbed, there is no problem in measurement of the vibration waveform. .
図81(A)は図80(A)の振動応答をスペクトル解析した結果を示し、図81(B)は図80(B)の振動応答をスペクトル解析した結果を示す。解析した結果から観察すると、固有振動数は同じである。従って、ノイズが小さい場合、橋梁10の固有振動数は有効に計測できる。 FIG. 81 (A) shows the result of spectral analysis of the vibration response of FIG. 80 (A), and FIG. 81 (B) shows the result of spectral analysis of the vibration response of FIG. 80 (B). Observing from the analysis results, the natural frequency is the same. Therefore, when the noise is small, the natural frequency of the bridge 10 can be measured effectively.
4.無線センサに関する補足
上述したように、センサ14a等と信号処理装置20との接続は無線センサネットワークによることが好適である。しかし、無線センサネットワークよってとらえた振動応答を同時に伝送することは難しい点があるため、計測した振動応答を伝送する時には、一つ一つ伝送する必要がある。そこで、橋梁10の固有振動数が同時に伝送される場合と同じであるかどうかを検証した。すなわち、振動応答が同時に伝送される場合と遅れて伝送される場合とを比較し、固有振動数がかわるかどうかを検証した。検証では、3チャンネルのセンサ、5チャンネルのセンサ、12チャンネルのセンサにより計測された振動応答が遅れて伝送される場合と同時に伝送される場合とを比較した。図82(A)および(B)は、各々、3チャンネルのセンサが計測した振動応答の伝送が遅れて伝送される場合と同時に伝送される場合とを独立成分分析した解析の結果を示す。5チャンネルのセンサ、12チャンネルの場合についての結果は省略する。図83(A)および83(B)は、各々、図82(A)および82(B)の結果をスペクトル解析した結果を示す。図83(A)および83(B)に示されるように、計測した振動応答が遅れて伝送される場合であっても、同時に伝送される場合と比較して固有振動数は変わらないことがわかった。従って、振動応答が遅れて伝送された場合でも、橋梁10の固有振動数の算定には影響が小さいことが検証された。この結果、センサ14a等と信号処理装置20との接続は無線センサネットワークによることが好適であることが明らかになった。
4). Supplement on Wireless Sensor As described above, it is preferable that the connection between the sensor 14a and the signal processing apparatus 20 is performed by a wireless sensor network. However, since it is difficult to simultaneously transmit the vibration responses captured by the wireless sensor network, it is necessary to transmit the measured vibration responses one by one. Therefore, it was verified whether or not the natural frequency of the bridge 10 was the same as the case where it was transmitted at the same time. That is, the case where the vibration response is transmitted simultaneously and the case where the vibration response is transmitted with a delay is compared to verify whether the natural frequency is changed. In the verification, the vibration response measured by the 3-channel sensor, 5-channel sensor, and 12-channel sensor was compared with the case where the vibration response was transmitted with a delay. FIGS. 82A and 82B each show the results of an analysis in which independent component analysis is performed on the case where the vibration response measured by the three-channel sensor is transmitted with a delay. Results for the case of 5-channel sensor and 12-channel are omitted. 83 (A) and 83 (B) show the results of spectral analysis of the results of FIGS. 82 (A) and 82 (B), respectively. As shown in FIGS. 83 (A) and 83 (B), it can be seen that even if the measured vibration response is transmitted with a delay, the natural frequency does not change as compared with the case where it is transmitted at the same time. It was. Therefore, even when the vibration response is transmitted with a delay, it has been verified that the influence on the calculation of the natural frequency of the bridge 10 is small. As a result, it has become clear that the connection between the sensor 14a and the signal processing device 20 is preferably based on a wireless sensor network.
図84は、上述した実施例を実現するための本発明のコンピュータ・プログラム(信号処理プログラム)を実行する信号処理装置20のコンピュータの内部回路30を示すブロック図である。図84に示されるように、CPU31、ROM32、RAM33、画像制御部36、コントローラ37、入力制御部39および外部インタフェース(I/F)部41はバス42に接続されている。図84において、上述の本発明のコンピュータ・プログラムは、ROM32、ディスク38a、CD−ROMあるいはDVD38n等の記録媒体(脱着可能な記録媒体を含む)に記録されている。ディスク38aには上述した固有振動数の標準値、健全度指数と判定とを示す表1の内容等が記録されている。本発明のコンピュータ・プログラムは、ROM32からバス42を介し、またはディスク38a、CD−ROMまたはDVD38n等の記録媒体からコントローラ37を経由してバス42を介しRAM33へロードされる。入力制御部39はマウス、キーボード等の入力操作部40と接続され入力制御等を行う。画像メモリであるVRAM35は表示装置34の少なくとも一画面分のデータ容量に相当する容量を有しており、画像制御部36はVRAM35のデータを画像データへ変換して表示装置34へ送出する機能を有している。外部I/F部41は、センサ14a等と通信する際の入出力インタフェース機能を有する。 FIG. 84 is a block diagram showing an internal circuit 30 of the computer of the signal processing apparatus 20 that executes the computer program (signal processing program) of the present invention for realizing the above-described embodiment. As shown in FIG. 84, the CPU 31, ROM 32, RAM 33, image control unit 36, controller 37, input control unit 39 and external interface (I / F) unit 41 are connected to the bus 42. In FIG. 84, the above-described computer program of the present invention is recorded on a recording medium (including a removable recording medium) such as a ROM 32, a disk 38a, a CD-ROM, or a DVD 38n. The contents of Table 1 showing the standard value of natural frequency, the soundness index, and the determination described above are recorded on the disk 38a. The computer program of the present invention is loaded into the RAM 33 from the ROM 32 via the bus 42 or from a recording medium such as a disk 38a, CD-ROM or DVD 38n via the controller 37 via the bus 42. The input control unit 39 is connected to an input operation unit 40 such as a mouse and a keyboard to perform input control and the like. The VRAM 35 that is an image memory has a capacity corresponding to the data capacity of at least one screen of the display device 34, and the image control unit 36 has a function of converting the data in the VRAM 35 into image data and sending it to the display device 34. Have. The external I / F unit 41 has an input / output interface function when communicating with the sensor 14a and the like.
上述のようにCPU31が本発明のコンピュータ・プログラムを実行することにより、本発明の目的を達成することができる。当該コンピュータ・プログラムは上述のようにCD−ROMまたはDVD38n等の記録媒体の形態でコンピュータCPU31に供給することができ、当該コンピュータ・プログラムを記録したCD−ROMまたはDVD38n等の記録媒体も同様に本発明を構成することになる。当該コンピュータ・プログラムを記録した記録媒体としては上述された記録媒体の他に、例えばメモリ・カード、メモリ・スティック、光ディスク、FD等を用いることができる。 As described above, the CPU 31 executes the computer program of the present invention to achieve the object of the present invention. The computer program can be supplied to the computer CPU 31 in the form of a recording medium such as a CD-ROM or DVD 38n as described above, and a recording medium such as a CD-ROM or DVD 38n on which the computer program is recorded is also recorded in this manner. It constitutes the invention. As a recording medium on which the computer program is recorded, for example, a memory card, a memory stick, an optical disk, an FD, or the like can be used in addition to the recording medium described above.
実施例1では、対象物として橋梁10の構成要素である橋脚12を取り上げて説明した。しかし、対象物として橋梁10全体を取り上げた場合であっても、本発明の信号処理方法等を同様に適用することができ、橋梁10の劣化診断を行なうことができる。すなわち、大型構造物の構成要素だけではなく、大型構造物自体に対しても本発明の信号処理方法等を同様に適用することができ、大型構造物の劣化診断を行なうことができる。この場合、センサ14a等は橋梁10(大型構造物)全体に設置されることになる。大型構造物としてビルを想定すると、ビルの振動が車両によるものを含む場合、歪ゲージ16はビル自体に設置するだけではなく、ビルの周囲の地面等に設置してもよい。 In Example 1, the pier 12 which is a component of the bridge 10 was taken up and demonstrated as a target object. However, even when the entire bridge 10 is taken up as an object, the signal processing method of the present invention can be applied in the same manner, and the deterioration of the bridge 10 can be diagnosed. That is, the signal processing method of the present invention can be similarly applied not only to the components of the large structure but also to the large structure itself, and deterioration diagnosis of the large structure can be performed. In this case, the sensor 14a and the like are installed on the entire bridge 10 (large structure). Assuming a building as a large structure, when the vibration of the building includes a vehicle vibration, the strain gauge 16 may be installed not only on the building itself but also on the ground around the building.
本発明の活用例として、大型構造物、例えば橋梁、ビル、トンネル、ダム、擁壁等道路構造物、桶門・桶管等河川構造物、港湾構造物、上下水道施設等自体およびこれらの構成要素への適用が挙げられる。 Examples of the use of the present invention include large structures such as bridges, buildings, tunnels, dams, road structures such as retaining walls, river structures such as locks and pipes, harbor structures, water and sewage facilities themselves, and configurations thereof. Application to elements.
10 橋梁、 12 橋脚、 14a、14b、14c センサ、 16 歪センサ、18 ケーブル、 20 信号処理装置、 22 重錘、 24、26 車両、 30 内部回路、 31 CPU、 32 ROM、 33 RAM、 34 表示装置、 35 VRAM、 36 画像制御部、 37 コントローラ、 38a ディスク、 38n CD−ROM、DVD、 39 入力制御部、 40 入力操作部、 41 外部I/F部、 42 バス。 10 bridge, 12 pier, 14a, 14b, 14c sensor, 16 strain sensor, 18 cable, 20 signal processing device, 22 weight, 24, 26 vehicle, 30 internal circuit, 31 CPU, 32 ROM, 33 RAM, 34 display device 35 VRAM, 36 image control unit, 37 controller, 38a disk, 38n CD-ROM, DVD, 39 input control unit, 40 input operation unit, 41 external I / F unit, 42 bus.
Claims (17)
前記対象物の振動により発生した信号を、該対象物の複数の所定の位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された所定のセンサ群により受信する受信ステップと、
前記受信ステップにより受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して前記対象物の固有振動数を取得する固有振動数取得ステップとを備えたことを特徴とする信号処理方法。 A signal processing method for processing a signal generated by vibration of an object by a signal processing device,
A reception step of receiving a signal generated by vibration of the object by a predetermined sensor group installed at a plurality of predetermined positions of the object and connected to the signal processing device in a predetermined manner;
An extraction step of extracting one or more independent components by processing the plurality of signals received by the receiving step by independent component analysis;
A signal processing method comprising: a natural frequency acquisition step of acquiring a natural frequency of the object by spectrally analyzing one or more independent components extracted in the extraction step.
前記対象物の振動により発生した信号を、該対象物の複数の第1の所定の位置に設置され前記信号処理装置と所定の方式で接続された所定のセンサ群により受信する受信ステップ、
前記受信ステップにより受信した複数の信号を独立成分分析により処理して1つ以上の独立成分を抽出する抽出ステップ、
前記抽出ステップにより抽出した1つ以上の独立成分をスペクトル分析して前記対象物の固有振動数を取得する固有振動数取得ステップを実行させるための信号処理プログラム。 A signal processing program for processing a signal generated by vibration of an object by a signal processing device, the computer of the signal processing device,
A receiving step of receiving a signal generated by vibration of the object by a predetermined sensor group installed at a plurality of first predetermined positions of the object and connected to the signal processing device in a predetermined manner;
An extraction step of extracting one or more independent components by processing the plurality of signals received in the receiving step by independent component analysis;
A signal processing program for executing a natural frequency acquisition step of acquiring a natural frequency of the object by performing spectrum analysis on one or more independent components extracted in the extraction step.
A computer-readable recording medium on which the signal processing program according to any one of claims 9 to 16 is recorded.
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