JP2009020056A - 建物損傷度判定装置および建物損傷度判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易かつ低コストで建物の損傷度を迅速に判定することができる建物損傷度判定装置および建物損傷度判定方法を提供すること。
【解決手段】 地震波による建物の加速度応答を加速度センサ２１で計測し、スペクトル解析処理手段４３により加速度応答を用いてランニングスペクトルを算出し、卓越周期抽出処理手段４４によりランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて振幅がピーク値をとる卓越周期を求め、最長周期決定処理手段４５により各時間区切りの卓越周期のうち最長周期を求め、変形角算出処理手段４６により最長周期を用いて建物の変形角を推定算出し、建物損傷度判定処理手段４７により変形角の大小に応じて建物の損傷度を判定し、この判定結果を外部出力装置３０に出力する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、地震時に被害を受けた建物の損傷度を判定する建物損傷度判定装置および建物損傷度判定方法に係り、例えば、大地震で被害を受ける可能性の高い老朽化した木造家屋等の被害レベルを判定する場合などに利用できる。

一般に、大地震で建物が被害を受けたとき、その建物の損傷度を正確かつ迅速に把握することは、余震による建物倒壊から生じる２次被害を軽減させるのに不可欠である。すなわち、被害を受けた建物をそのまま使用してよいのか、あるいは避難した方がよいのかを迅速に判定する必要性がある。

このような要請に対し、現在行われている応急危険度判定は、人の目視によるものであり、例えば地元の応急危険度判定士によって人海戦術で行われるため、数日余という時間がかかり、本震直後に発生する大きな余震に対応することができない。

一方、建物の上部と下部に加速度センサを設置し、これらの２個の加速度センサにより計測された加速度データを２階積分して計測点での変位を算出することにより、建物の損傷度を判定する装置が開発されている（特許文献１参照）。

また、建物の上部と下部に加速度センサを設置し、これらの２個の加速度センサにより計測された加速度データの差から建物にかかる応力を算出することにより、建物の損傷度を判定する装置も開発されている（特許文献２参照）。
特開２００３−３４４２１３号公報（要約、請求項１） 特開２００３−２９４５７４号公報（要約、請求項１）

しかしながら、前述した特許文献１，２に記載された２個の加速度センサを用いる装置では、装置の規模が大きく、コストもかかるため、被害が最も生じる老朽化した木造家屋等の既存不適格建物に用いることは、現実的に困難である。従って、１個の加速度センサを用いてその建物の損傷度を推定することができれば、判定装置を簡易化、低コスト化することが可能となり、普及に繋がると考えられる。

本発明の目的は、簡易かつ低コストで建物の損傷度を迅速に判定することができる建物損傷度判定装置および建物損傷度判定方法を提供するところにある。

本発明の建物損傷度判定装置は、建物に設置した加速度センサと、この加速度センサにより計測した加速度データを用いて計算機による演算処理を実行する演算処理手段と、この演算処理手段による処理結果を出力する外部出力装置とを備え、演算処理手段は、加速度センサにより計測した地震時の建物の加速度データを用いてランニングスペクトルを算出する処理を実行するスペクトル解析処理手段と、このスペクトル解析処理手段により算出したランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて振幅がピーク値をとる卓越周期を求める処理を実行する卓越周期抽出処理手段と、この卓越周期抽出処理手段により抽出した各時間区切りの卓越周期のうち周期が最長となる最長周期を求める処理を実行する最長周期決定処理手段と、この最長周期決定処理手段により求めた最長周期を用いて建物の変形角を推定算出する処理を実行する変形角算出処理手段と、この変形角算出処理手段により推定算出した変形角の大小に応じて建物の損傷度を判定する処理を実行する建物損傷度判定処理手段とを含んで構成され、外部出力装置は、建物損傷度判定処理手段による判定結果を出力する構成とされていることを特徴とするものである。

このような本発明の建物損傷度判定装置においては、地震波による建物の加速度応答のランニングスペクトルを利用して建物の地震応答の周期の伸びを捉え、最長周期を用いて建物の変形角を推定することにより、建物の損傷度（被害レベル、余震による倒壊危険性）を判定する。

このため、建物に設置した単一の加速度センサを用いて建物の被害レベルを自動判定することができるので、前述した特許文献１，２のような２個の加速度センサを用いた大がかりな装置の場合に比べ、装置の大幅な簡易化や大幅な低コスト化を図ることが可能となる。従って、被害が最も生じる老朽化した木造家屋等の既存不適格建物に用いることも可能となり、装置を普及させることができるようになる。

また、建物の損傷度の判定処理は、演算処理手段により自動的に行われ、その判定結果は、外部出力装置により出力されるので、各建物に本発明の建物損傷度判定装置を設置しておくことで、従来のように人の目視により人海戦術で判定を行い、その判定結果を示す「危険」、「要注意」「調査済」等の紙を各建物に順次貼っていく場合に比べ、各建物において迅速に判定処理を行い、その判定結果を各建物の住人に伝達することが可能となる。このため、本震直後に発生する大きな余震にも対応することができるようになり、これらにより前記目的が達成される。

さらに、前述した建物損傷度判定装置において、演算処理手段は、加速度センサにより計測した地震時の建物の加速度データの中から最大加速度データを求め、時系列に並べられた建物の加速度データのうち、最初に最大加速度データの一定比率以上の値となった時点から、最後に最大加速度データの一定比率以上の値となった時点までの時間帯の加速度データを、スペクトル解析処理手段による処理対象として決定する処理を実行する解析範囲決定処理手段を含んで構成されていることが望ましい。

このように最大加速度応答を求め、最大加速度応答に対して加速度応答が一定比率以上の値をとっている時間帯を解析範囲とした場合には、地震応答のほぼ終了した時点での非常に小さな振幅による周期を捉え、そのときの卓越周期を、建物損傷度判定のための変形角の推定算出用の最長周期として採用してしまうという不都合を回避することが可能となり、判定精度を、より一層向上させることが可能となる。

そして、本発明の建物損傷度判定方法は、建物に加速度センサを設置し、この加速度センサにより地震時の建物の加速度データを計測し、計測した加速度データを用いてランニングスペクトルを算出し、このランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて振幅がピーク値をとる卓越周期を求め、求めた各時間区切りの卓越周期のうち周期が最長となる最長周期を求め、この最長周期を用いて建物の変形角を推定算出し、推定算出した変形角の大小に応じて建物の損傷度を判定することを特徴とするものである。

このような本発明の建物損傷度判定方法においては、建物に設置した単一の加速度センサを用いて建物の被害レベルを判定することができるので、前述した特許文献１，２のように２個の加速度センサを用いる場合に比べ、簡易な設備による低コストでの判定を実現することが可能となり、被害が最も生じる老朽化した木造家屋等の既存不適格建物の損傷度の判定にも使用することが可能となる。

また、建物の加速度応答のランニングスペクトルを利用して建物の地震応答の周期の伸びを捉え、最長周期を用いて建物の変形角を推定するので、加速度センサにより計測した加速度を２階積分して変位を求めるといった処理を行う必要はない。このため、２階積分のときのような測定ノイズの影響を受けることはなく、単一の加速度センサでも、精度の良い判定を行うことが可能となり、これらにより前記目的が達成される。また、加速度を２階積分して求めた変位の情報と合わせればより高い精度で建物の変形角を推定することもできる。

さらに、前述した建物損傷度判定方法において、ランニングスペクトルを算出する際には、加速度センサにより計測した地震時の建物の加速度データの中から最大加速度データを求め、時系列に並べられた建物の加速度データのうち、最初に最大加速度データの一定比率以上の値となった時点から、最後に最大加速度データの一定比率以上の値となった時点までの時間帯の加速度データを対象とすることが望ましい。

このように最大加速度応答を求め、最大加速度応答に対して加速度応答が一定比率以上の値をとっている時間帯を解析範囲とした場合には、地震応答のほぼ終了した時点での非常に小さな振幅による周期を除外して最長周期を求め、建物の損傷度の判定を行うことが可能となるので、判定精度を、より一層向上させることが可能となる。

以上に述べたように本発明によれば、地震波による建物の加速度応答のランニングスペクトルを利用して建物の地震応答の周期の伸びを捉え、最長周期を用いて建物の変形角を推定することにより、建物の損傷度を判定するので、単一の加速度センサでの判定が可能となり、設備の大幅な簡易化、大幅な低コスト化、装置の普及を図ることができるうえ、従来のような人海戦術での目視による判定の場合に比べ、自動判定により迅速に判定結果を得ることが可能となり、さらに、加速度を２階積分して変位を求める処理も必要ないので、精度の良い判定を実現することができるという効果がある。また、加速度を２階積分して求めた変位の情報と合わせればより高い精度で建物の変形角を推定することもできる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１には、本実施形態の建物損傷度判定装置１０を設置した建物１が示されている。図２には、建物損傷度判定装置１０の全体構成が示されている。また、図３には、建物損傷度判定装置１０による建物損傷度判定処理の全体の流れがフローチャートで示され、図４には、建物損傷度判定処理中の地震応答取得処理の流れがフローチャートで示されている。図５は、地震応答の取得および解析のタイミングの説明図であり、図６は、応答加速度の時刻歴と、各時間区切りの加速度応答スペクトルとの関係の説明図である。さらに、図７には、各時間区切りの卓越周期Ｔの時刻歴が示され、図８には、実験による応答履歴および応答履歴モデルが示されている。

図１において、建物損傷度判定装置１０は、建物１の上部（例えば天井の梁等）に設置された本体２０と、建物１内の台所や居間等の居室空間に設置された外部出力装置３０とを備え、これらの本体２０と外部出力装置３０とが、ケーブル２または無線により接続されて構成されている。

図２において、本体２０は、例えばワンチップの回路で構成され、ハードウェア構成としては、建物の加速度応答を計測する加速度センサ２１と、この加速度センサ２１の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２２と、建物損傷度判定に関する各種の演算処理をプログラムに従って実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）２３と、外部出力装置３０との信号の入出力用のＩ／Ｏインターフェース２４と、主メモリ等の作業領域を構成するランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）２５と、建物損傷度判定用プログラム等を記憶する読出し専用メモリ（ＲＯＭ）２６と、各部に電力を供給する電源２７とを備えている。電源２７は、バッテリでも、コンセントへの差込み方式のものでもよい。

外部出力装置３０は、建物の損傷度が大きいという判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「危険」に相当する判定結果）のときに点灯する赤ランプ３１と、建物の損傷度が中程度という判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「要注意」に相当する判定結果）のときに点灯する黄ランプ３２と、建物の損傷度が小さいという判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「調査済」に相当する判定結果）のときに点灯する緑ランプ３３とを備え、これらのランプを点灯させることにより、建物１の住人に対し、建物１の損傷度を伝達するようになっている。なお、本実施形態では、損傷度の判定結果、つまり被害レベルを、３段階で出力するようになっているが、３段階に限定されるものではなく、２段階でも、４段階以上でもよい。

また、ＣＰＵ２３およびこのＣＰＵ２３の動作手順を規定する１つまたは複数の建物損傷度判定用プログラム（ＲＯＭ２６に記憶されているプログラム）により、建物損傷度判定に関する各種の演算処理を実行する演算処理手段４０が構成され、ＲＡＭ２５およびＲＯＭ２６により、演算処理手段４０による演算処理に必要な各種のデータを記憶する加速度応答蓄積記憶手段５０、最大加速度応答記憶手段５１、最長周期記憶手段５２、係数記憶手段５３、および判定結果記憶手段５４が構成されている。

演算処理手段４０は、地震応答取得処理手段４１と、解析範囲決定処理手段４２と、スペクトル解析処理手段４３と、卓越周期抽出処理手段４４と、最長周期決定処理手段４５と、変形角算出処理手段４６と、建物損傷度判定処理手段４７とを含んで構成されている。

地震応答取得処理手段４１は、地震の開始判定、加速度応答の入力および保存、地震の終了判定の各処理を実行するものである。具体的には、地震応答取得処理手段４１は、加速度センサ２１により計測した加速度データＡが、予め定められた閾値α（ｃｍ／ｓ²）以上であるか否かを判断し、閾値α以上になったときに地震開始と判断し、加速度データＡの保存を開始して加速度応答蓄積記憶手段５０に順次記憶させていき、加速度センサ２１により計測した加速度データＡが閾値α未満である状態が、Δt秒間（例えば１秒間等）続いたときに（図５参照）、地震終了と判断し、次の処理へ移行する処理を実行する。

解析範囲決定処理手段４２は、地震応答取得処理手段４１により加速度応答蓄積記憶手段５０に蓄積記憶された加速度データＡの中から、加速度応答が最大である最大加速度データＡ_maxを求め、加速度応答蓄積記憶手段５０に時系列に並べられて記憶された加速度データＡのうち、最初に最大加速度データＡ_maxの一定比率β％（例えば５％等）以上の値となった時点から、最後に最大加速度データＡ_maxの一定比率β％以上の値となった時点（つまり、それ以降に、加速度データＡが最大加速度データＡ_maxの一定比率β％以上の値となることがなくなった時点）までの時間帯（図５参照）の加速度データＡを、スペクトル解析処理手段４３による処理対象として決定する処理を実行するものである。

スペクトル解析処理手段４３は、加速度センサ２１により計測した地震時の建物１の加速度データを用いてランニングスペクトルを算出する処理を実行するものである（図６参照）。この際、スペクトル解析処理手段４３は、例えば０．５秒置きに解析用のウィンドウ（窓）を設定し、例えば０．５秒置きの各時間区切りの加速度応答スペクトルを算出する。なお、本実施形態では、ウィンドウ間の時間的な隙間はなく、かつ、ウィンドウ同士の時間的な重なりもない状態で解析を行っているが、これに限定されるものではなく、時間的な隙間を設けてもよく、また、ウィンドウ同士を時間的に重ねてもよい。

卓越周期抽出処理手段４４は、スペクトル解析処理手段４３により算出したランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて、各周期の振幅（振幅の最大値）を比較し、振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔを求める処理を実行するものである（図６参照）。

最長周期決定処理手段４５は、卓越周期抽出処理手段４４により抽出した各時間区切りの卓越周期Ｔのうち、周期が最長となる最長周期Ｔ_tを求める処理を実行するものである（図７参照）。

変形角算出処理手段４６は、最長周期決定処理手段４５により求めた最長周期Ｔ_tを用いて、次の式（１）により、建物の変形角Ｒ_tを推定算出する処理を実行するものである。

Ｒ_t＝（Ｒ_y／Ｔ_y ²）×Ｔ_t ² ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）

ここで、Ｒ_yは、降伏変形角であり、Ｔ_yは、降伏時の周期であり、構造種別や階数などの建物の種類が決まれば、一定の数値に定まるものである。従って、上記の式（１）により最長周期Ｔ_t（ｓｅｃ）から変形角Ｒ_t（％）を算出する際に用いられる係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）は、例えば、木造家屋では、（Ｒ_y／Ｔ_y ²）＝６５．４０等のように、建物の種類毎に定まるものである。この係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値は、本実施形態では、予め本装置１０の製造工場等でプリセットされてＲＯＭ２６に記憶されている。従って、様々な種類の建物に対応するために、値が異なる係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）を記憶したＲＯＭ２６、あるいはそれらのＲＯＭ２６を備えた建物損傷度判定装置１０を用意しておく。なお、係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値は、建物損傷度判定用プログラム内に記述しておいてもよく、この場合には、値が異なる係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）を記述した建物損傷度判定用プログラムを記憶したＲＯＭ２６、あるいはそれらのＲＯＭ２６を備えた建物損傷度判定装置１０を用意しておく。また、建物損傷度判定装置１０に、電気的消去および書換可能な読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）や、フラッシュ・メモリ等を設けておき、装置１０の設置者が、設置現場でマニュアル等に従って建物の種類に応じた係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を入力設定し、これらのメモリに係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を記憶させるようにしてもよい。さらに、複数種類の係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を記憶したＲＯＭ２６か、複数種類の係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を記述した建物損傷度判定用プログラムを記憶したＲＯＭ２６を備えた建物損傷度判定装置１０を用意しておき、装置１０の設置者が設置現場で建物の種類を選択し、その選択結果に基づいて建物の種類に応じた係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値が用いられるようにしてもよく、この場合、装置１０の設置者による選択情報は、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュ・メモリ等に記憶させてもよく、設置者にピン等を位置を選択して装着させたり、設置者にスイッチ操作をさせることにより把握できるようにしてもよい。また、この係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を地震初期の小振幅時の卓越周期から求めることも可能である。

また、上記の式（１）は、次のようにして導かれる。図８には、振動実験により得られた応答履歴と、応答履歴モデルとが示されている。振動実験による応答履歴については、縦軸の復元力Ｑは、ロードセルを用いて測定し、横軸の変形角Ｒは、変位計を用いて変位Ｘを測定し、測定した変位Ｘを、地上からその変位Ｘの測定位置までの高さ寸法Ｌで除して得られたものである。なお、変形角Ｒとは、図１に示すように、建物の任意の部位の水平方向の変位Ｘを、地上から当該部位までの高さ寸法Ｌで除して得られる値（Ｒ＝Ｘ／Ｌ）をいう。

図８の応答履歴モデルのように、降伏後耐力がＱ_yで一定であると仮定する。部材実験から降伏変形角Ｒ_yおよび降伏剛性ｋ_yは分かっているので、降伏後の変形角Ｒに対する剛性ｋを、降伏変形角Ｒ_yおよび降伏剛性ｋ_yを用いて表してみると、次の式（２）のようになる。

ｋ＝Ｑ_y／Ｒ＝（Ｒ_y／Ｒ）×（Ｑ_y／Ｒ_y）＝（Ｒ_y／Ｒ）×ｋ_y ・・・（２）

ここで、ｋは、降伏後の剛性であり、Ｑ_yは、降伏時の復元力であり、Ｒは、降伏後の変形角であり、Ｒ_yは、降伏変形角であり、ｋ_yは、降伏時の剛性であり、ｋ_y＝Ｑ_y／Ｒ_yである。

また、部材実験から降伏変形角Ｒ_yおよび降伏時の周期Ｔ_yは分かっているので、降伏後の変形角Ｒに対する周期Ｔを、降伏変形角Ｒ_yおよび降伏時の周期Ｔ_yを用いて表してみると、上記の式（２）を代入して、次の式（３）のようになる。

Ｔ＝２π×（ｍ／ｋ）^1/2＝２π×［ｍ／｛（Ｒ_y／Ｒ）×ｋ_y｝］^1/2
＝（Ｒ／Ｒ_y）^1/2×２π×（ｍ／ｋ_y）^1/2
＝（Ｒ／Ｒ_y）^1/2×Ｔ_y ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）

ここで、Ｔは、周期であり、ｍは、試験体の質量であり、ｋは、剛性であり、Ｒ_yは、降伏変形角であり、ｋ_yは、降伏時の剛性であり、Ｔ_yは、降伏時の周期であり、Ｔ_y＝２π×（ｍ／ｋ_y）^1/2である。

よって、上記の式（３）を変形すると、前述した式（１）のような周期Ｔから変形角Ｒを求める関係式が導かれる。

なお、前述した式（１）により、最長周期Ｔ_tを用いて変形角Ｒ_tを推定算出する過程は、図８で見ると、最長周期Ｔ_tを用いて、Ｔ_t＝２π×（ｍ／ｋ_t）^1/2により最長周期時の剛性ｋ_tを算出し、さらに、算出したｋ_tを示す斜線を引いて、降伏点Ｙから右に向かって延びるＱ_yの線に当て、そこから下向きに線を降ろして変形角Ｒ_tを求めること、すなわち最長周期時の剛性ｋ_tを用いて、ｋ_t＝Ｑ_y／Ｒ_tにより変形角Ｒ_tを求めることに相当する。従って、ｍおよびＱ_yが既知であれば、最長周期Ｔ_tを用いて変形角Ｒ_tを推定算出することができ、あるいはこれらをまとめて、Ｒ_t＝｛（Ｑ_y／ｍ）／（２π）²｝×Ｔ_t ²であるから、｛（Ｑ_y／ｍ）／（２π）²｝の値が既知であれば、最長周期Ｔ_tを用いて変形角Ｒ_tを推定算出することができるので、ｍおよびＱ_y、あるいは｛（Ｑ_y／ｍ）／（２π）²｝の値を係数記憶手段５３に記憶するか、建物損傷度判定用プログラム内に記述しておいてもよい。

建物損傷度判定処理手段４７は、変形角算出処理手段４６により推定算出した変形角Ｒ_tの大小に応じて、建物の損傷度を判定し、その判定結果を示す信号をＩ／Ｏインターフェース２４を介して外部出力装置３０へ送信する処理を実行するものである。具体的には、建物損傷度判定処理手段４７は、推定算出した変形角Ｒ_tが、例えば、３．０％以上の場合には、建物の損傷度が大きいという判定結果（従来の応急危険度判定の「危険」に相当する判定結果）を示す信号として、赤ランプ３１を点灯させるための信号を外部出力装置３０へ送信し、例えば、１．５％以上、３．０％未満の場合には、建物の損傷度が中程度という判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「要注意」に相当する判定結果）を示す信号として、黄ランプ３２を点灯させるための信号を外部出力装置３０へ送信し、例えば、１．５％未満の場合には、建物の損傷度が小さいという判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「調査済」に相当する判定結果）を示す信号として、緑ランプ３３を点灯させるための信号を外部出力装置３０へ送信する。なお、前述したように、判定結果は、３段階に限定されるものではない。

加速度応答蓄積記憶手段５０は、ＲＡＭ２５により構成され、地震応答取得処理手段４１により取得した加速度データＡ、すなわち加速度センサ２１の出力信号をＡ／Ｄ変換器２２よりＡ／Ｄ変換して得られた加速度データＡを、時系列に並べて蓄積記憶するものである。

最大加速度応答記憶手段５１は、ＲＡＭ２５により構成され、解析範囲決定処理手段４２により求めた最大加速度データＡ_maxを記憶するものである。

最長周期記憶手段５２は、ＲＡＭ２５により構成され、最長周期決定処理手段４５により求めた最長周期Ｔ_tを記憶するものである。

係数記憶手段５３は、本実施形態ではＲＯＭ２６により構成され、変形角算出処理手段４６による処理で用いられる前述した式（１）中の係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を記憶するものである。なお、前述したように、係数記憶手段５３は、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュ・メモリ等により構成してもよく、また、係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を建物損傷度判定用プログラム内に記述しておいてもよい。さらに、前述したように、係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を地震初期の小振幅時の卓越周期から求めることも可能であるから、そのようにして求めた値を、ＲＡＭ２５あるいはＥＥＰＲＯＭやフラッシュ・メモリ等により構成される係数記憶手段５３に記憶させて用いてもよい。

判定結果記憶手段５４は、ＲＡＭ２５により構成され、建物損傷度判定処理手段４７による判定結果を記憶するものである。

このような本実施形態においては、以下のようにして建物損傷度判定装置１０による建物の損傷度の自動判定処理が行われる。

図３において、先ず、ＲＯＭ２６に記憶された建物損傷度判定用プログラムを立ち上げ、建物の損傷度の自動判定処理を開始する（ステップＳ１）。

次に、地震応答取得処理手段４１により、地震の開始判定、加速度応答の入力および保存、地震の終了判定の各処理を実行する（ステップＳ２：ステップＳ２０１〜Ｓ２０６）。すなわち、図４において、加速度センサ２１の出力信号をＡ／Ｄ変換器２２よりＡ／Ｄ変換して得られた加速度データＡを入力する（ステップＳ２０１）。そして、入力した加速度データＡが、予め定められた閾値α（ｃｍ／ｓ²）以上であるか否かを判断し（ステップＳ２０２）、加速度データＡが閾値α以上であった場合には、地震開始と判断し、加速度データＡを加速度応答蓄積記憶手段５０に保存し（ステップＳ２０３）、一方、加速度データＡが閾値α以上でなかった場合には、再び、ステップＳ２０１に戻り、以降、地震開始と判断されるまで、ステップＳ２０１，Ｓ２０２の処理を繰り返す。

ステップＳ２０２で地震開始（Ａ≧α）と判断し、ステップＳ２０３で加速度データＡを保存した後、再び、加速度センサ２１の出力信号をＡ／Ｄ変換器２２よりＡ／Ｄ変換して得られた加速度データＡを入力する（ステップＳ２０４）。そして、入力した加速度データＡが、予め定められた閾値α（ｃｍ／ｓ²）以上であるか否かを判断し（ステップＳ２０５）、加速度データＡが閾値α以上であった場合には、地震継続中と判断し、ステップＳ２０３に戻り、以降、ステップＳ２０５で地震継続中（Ａ≧α）と判断されている限り、ステップＳ２０３〜Ｓ２０５の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２０５で加速度データＡが閾値α以上でなかった場合（Ａ＜α）には、加速度データＡが閾値α未満である状態がΔt秒間（例えば１秒間等）続いているか否か、すなわち加速度データＡが閾値α以上でないと判断されてからΔt秒間が経過しているか否かを判断し（ステップＳ２０６）、未だΔt秒間が経過していない場合には、ステップＳ２０３に戻り、既にΔt秒間が経過していた場合には、地震終了と判断し、次のステップＳ３の処理に移る。なお、Δt秒間が経過しているか否かの判断は、タイマーを用いてもよく、ステップＳ２０６を通過するループ中にカウンタを設けておき、カウンタ数が一定数以上になったときに、Δt秒間が経過したと判断してもよい。

続いて、図３において、解析範囲決定処理手段４２により、加速度応答蓄積記憶手段５０に蓄積記憶された加速度データＡの中から、加速度応答が最大である最大加速度データＡ_maxを求める（ステップＳ３）。

それから、解析範囲決定処理手段４２により、最大加速度応答記憶手段５１を参照し、最大加速度データＡ_maxが既に記憶されているか否かを判断し、記憶されていなければ、ステップＳ３で求めた最大加速度データＡ_maxは、本震の応答における最大加速度データＡ_maxであるから、このＡ_maxの値を最大加速度応答記憶手段５１に記憶させて新規設定する（ステップＳ４）。また、最大加速度応答記憶手段５１に最大加速度データＡ_maxが既に記憶されている場合には、ステップＳ３で求めた最大加速度データＡ_maxは、余震の応答における最大加速度データＡ_maxであるから、最大加速度応答記憶手段５１に記憶されている本震または前回までの余震における最大加速度データＡ_maxと、ステップＳ３で求めた今回の余震の応答における最大加速度データＡ_maxとを比較し、今回の余震の応答における最大加速度データＡ_maxの方が、本震または前回までの余震における最大加速度データＡ_maxよりも値が大きかった場合には、今回の余震の応答における最大加速度データＡ_maxにより、最大加速度応答記憶手段５１の記憶データを更新設定し、一方、今回の余震の応答における最大加速度データＡ_maxの方が、本震または前回までの余震における最大加速度データＡ_maxよりも値が小さいか、同じであった場合には、最大加速度応答記憶手段５１の記憶データをそのまま維持する（ステップＳ４）。

その後、解析範囲決定処理手段４２により、加速度応答蓄積記憶手段５０に時系列に並べられて記憶された加速度データＡのうち、最初に最大加速度データＡ_max（最大加速度応答記憶手段５１に記憶されているデータ）の一定比率β％（例えば５％等）以上の値となった時点から、最後に最大加速度データＡ_max（最大加速度応答記憶手段５１に記憶されているデータ）の一定比率β％以上の値となった時点（つまり、それ以降に、加速度データＡが最大加速度データＡ_maxの一定比率β％以上の値となることがなくなった時点）までの時間帯（図５参照）の加速度データＡを、スペクトル解析処理手段４３による処理対象として決定する処理を実行する（ステップＳ５）。

続いて、スペクトル解析処理手段４３により、加速度応答蓄積記憶手段５０に時系列に並べられて記憶された加速度データＡのうち、解析範囲決定処理手段４２により決定された解析範囲の加速度データＡを用いて、図６に示すように、ランニングスペクトルを算出する処理、すなわち例えば０．５秒毎の各時間区切りの加速度応答スペクトルを求める処理を実行する（ステップＳ６）。

それから、卓越周期抽出処理手段４４により、スペクトル解析処理手段４３により算出したランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて、各周期の振幅（振幅の最大値）を比較し、振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔを求める処理を実行する（ステップＳ７）。例えば、図６に示すように、時間区切り（１）の加速度応答スペクトルにおける各周期の振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔ、時間区切り（２）の加速度応答スペクトルにおける各周期の振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔ、時間区切り（３）の加速度応答スペクトルにおける各周期の振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔ、時間区切り（４）の加速度応答スペクトルにおける各周期の振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔ等を求める。

さらに、最長周期決定処理手段４５により、図７に示すように、卓越周期抽出処理手段４４により抽出した各時間区切りの卓越周期Ｔのうち、周期が最長となる最長周期Ｔ_tを求める処理を実行する（ステップＳ８）。

それから、最長周期決定処理手段４５により、最長周期記憶手段５２を参照し、最長周期Ｔ_tが既に記憶されているか否かを判断し、記憶されていなければ、ステップＳ８で求めた最長周期Ｔ_tは、本震の応答における最長周期Ｔ_tであるから、このＴ_tの値を最長周期記憶手段５２に記憶させて新規設定する（ステップＳ９）。また、最長周期記憶手段５２に最長周期Ｔ_tが既に記憶されている場合には、ステップＳ８で求めた最長周期Ｔ_tは、余震の応答における最長周期Ｔ_tであるから、最長周期決定処理手段４５に記憶されている本震または前回までの余震における最長周期Ｔ_tと、ステップＳ８で求めた今回の余震の応答における最長周期Ｔ_tとを比較し、今回の余震の応答における最長周期Ｔ_tの方が、本震または前回までの余震における最長周期Ｔ_tよりも周期が長い場合には、今回の余震の応答における最長周期Ｔ_tにより、最長周期記憶手段５２の記憶データを更新設定し、一方、今回の余震の応答における最長周期Ｔ_tの方が、本震または前回までの余震における最長周期Ｔ_tよりも周期が短いか、同じであった場合には、最長周期記憶手段５２の記憶データをそのまま維持する（ステップＳ９）。

そして、ステップＳ９で最長周期Ｔ_tの新規設定または更新設定が行われた場合（ステップＳ１０）には、変形角算出処理手段４６により、最長周期記憶手段５２に記憶された新規設定または更新設定された最長周期Ｔ_tおよび係数記憶手段５３に記憶された係数（Ｒ_y／Ｔ_y ²）の値を用いて、前述した式（１）により、建物の変形角Ｒ_tを推定算出する処理を実行する（ステップＳ１１）。

それから、建物損傷度判定処理手段４７により、変形角算出処理手段４６により推定算出した変形角Ｒ_tの大小に応じて、建物の損傷度を判定し、その判定結果を示す信号をＩ／Ｏインターフェース２４およびケーブル２を介して外部出力装置３０へ送信する（ステップＳ１２）。なお、無線送信でもよい。すると、外部出力装置３０の赤ランプ３１、黄ランプ３２、緑ランプ３３のいずれかが点灯する。この際、建物損傷度判定処理手段４７は、判定結果記憶手段５４を参照し、判定結果記憶手段５４に記憶された前回までの判定結果と、今回の判定結果とが同じときには（最長周期Ｔ_tが伸びて変形角Ｒ_tが大きくなっても、判定結果が同じレベルであることはあり得る。）、外部出力装置３０への判断結果を示す信号の送信処理を行わない。但し、再度、同じ判定結果を示す信号の送信処理を行ってもよい。一方、判定結果記憶手段５４に記憶された前回までの判定結果よりも、今回の判定結果が悪い結果であるときには、外部出力装置３０へ今回の判定結果を示す信号の送信処理を行うとともに、判定結果記憶手段５４の記憶データを、今回の判定結果を示すデータで更新する。従って、判定結果記憶手段５４には、その時点までの最も悪い判定結果を示すデータが記憶されることになる。

その後、判定結果記憶手段５４に記憶された判定結果が、最も悪い判定結果（例えば、従来の応急危険度判定の「危険」に相当する判定結果）であるか否かを判断し（ステップＳ１３）、最も悪い判定結果である場合には、今後、それ以上に悪い判定結果が出ることはあり得ないので、建物損傷度判定処理を終了する（ステップＳ１４）。一方、最も悪い判定結果でない場合には、今後、さらに悪い判定結果が出る可能性があるため、次の地震（余震）に備え、ステップＳ２に戻る。また、ステップＳ９で最長周期Ｔ_tの新規設定または更新設定が行われなかった場合、つまり最長周期Ｔ_tが維持された場合（ステップＳ１０）にも、次の地震（余震）に備え、ステップＳ２に戻る。

このような本実施形態によれば、次のような効果がある。すなわち、建物損傷度判定装置１０は、地震波による建物の加速度応答のランニングスペクトルを利用して建物の地震応答の周期の伸びを捉え、最長周期Ｔ_tを用いて建物の変形角Ｒ_tを推定することにより、建物の損傷度を判定するので、建物に設置した単一の加速度センサを用いて建物の被害レベルを自動判定することができる。このため、前述した特許文献１，２のような２個の加速度センサを用いた大がかりな装置の場合に比べ、装置の簡易化や低コスト化を図ることができる。そして、単独の加速度センサを用いるので、少なくとも本体２０の部分についてはオンボードでプログラムを搭載した構成とすることができるため、安価で小さな装置を実現することができ、設置の容易化を図ることもできる。従って、被害が最も生じる老朽化した木造家屋等の既存不適格建物に用いることもでき、装置を普及させることができる。

また、建物の加速度応答のランニングスペクトルを利用して建物の地震応答の周期の伸びを捉え、最長周期Ｔ_tを用いて建物の変形角Ｒ_tを推定するので、加速度センサ２１により計測した加速度を２階積分して変位を求めるといった処理を行う必要はないため、２階積分のときのような測定ノイズの影響を受けることはなく、単一の加速度センサ２１でも、比較的精度の良い判定を行うことができる。また、地震波形ではなく、スペクトルで解析を行うので、計測精度がやや落ちる安価な加速度センサを用いても、実用上支障のない判定精度を得ることができる。これらに、加速度を２階積分して求めた変位の情報を合わせればより高い精度で建物の変形角を推定することもできる。

さらに、建物の損傷度の判定処理は、演算処理手段４０により自動的に行われ、その判定結果は、外部出力装置３０により出力されるので、各建物に建物損傷度判定装置１０を設置しておくことで、従来のように人の目視により人海戦術で判定を行い、その判定結果を示す「危険」、「要注意」「調査済」等の紙を各建物に順次貼っていく場合に比べ、各建物において迅速に判定処理を行い、その判定結果を各建物の住人に伝達することができる。このため、本震直後に発生する大きな余震にも対応することができる。

そして、建物損傷度判定装置１０は、解析範囲決定処理手段４２を備えているので、加速度センサ２１による計測で得られた加速度応答の中から最大加速度応答を求め、最大加速度応答に対して加速度応答が一定比率以上の値をとっている時間帯をランニングスペクトルの解析範囲とすることができる。このため、地震応答のほぼ終了した時点での非常に小さな振幅による周期を捉え、そのときの卓越周期を、建物損傷度判定のための変形角の推定算出用の最長周期として採用してしまうという不都合を回避することができ、判定精度を、より一層向上させることできる。

また、本発明の効果を確認するため、複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料（ＨＰＦＲＣＣ）を用いたＲＣ柱の縮小模型を試験体として振動実験を行い、この柱を建物に見立て、柱の上部に設けた加速度センサによる加速度記録を用いて変形角を推定した。

先ず、試験体の最大変形時に最大の加速度応答を記録すると考え、ランニングスペクトルから、最大加速度応答時の周期Ｔ_a（最大加速度応答時の時間区切りの加速度応答スペクトルにおいて振幅がピーク値をとる卓越周期Ｔ_a）を求め、前述した式（１）で示される関係式、Ｒ_a＝（Ｒ_y／Ｔ_y ²）×Ｔ_a ²より、変形角Ｒ_aを推定した。一方、変位計を用いて測定した試験体の頂部（柱の上部）の変位Ｘの中の最大変位Ｘ_mを、試験体の高さ寸法Ｌで除することにより、実測の最大変形角Ｒ_m＝Ｘ_m／Ｌを求めた。そして、最大加速度応答時の周期Ｔ_aより推定した変形角Ｒ_aと、実測の最大変形角Ｒ_mとを比較した。この比較の結果、最大加速度応答時の周期Ｔ_aより推定した変形角Ｒ_aは、実測の最大変形角Ｒ_mよりも小さく求まる傾向があることがわかった。

そこで、図９に示すように、最大加速度応答時の周期Ｔ_aを捉えた時間区切りの応答履歴を、ロードセルを用いて測定した復元力Ｑ（ｋＮ）を縦軸とし、変位計を用いて測定した変位Ｘ（ｍｍ）を横軸として描くとともに、最大加速度応答時の周期Ｔ_aより推定した変形角Ｒ_aから、ｋ_a＝Ｑ_y／Ｒ_aという関係式（前述した式（２）参照）を用いて最大加速度応答時の剛性ｋ_aを求め、求めた剛性ｋ_aを試験体の高さ寸法Ｌで除した剛性ｋ_a／Ｌ（Ｑ／Ｘを単位とした剛性）を示す斜線（図９中の実線）を描いた。図９において、推定した変形角Ｒ_aから求めた剛性ｋ_a／Ｌの傾き（剛性の大きさ）は、最大変形点と原点とを結んだ斜線で示される最大変形時の割線剛性の傾き（剛性の大きさ）よりも大きくなっていることがわかる。従って、最大加速度応答時の周期Ｔ_aを用いた推定を行うと、変形角Ｒ_aは、実際よりも小さく推定され、剛性ｋ_aは、実際よりも大きく推定されることがわかった。この結果より、最大加速度応答時の周期Ｔ_aよりも長い周期を用いた推定を行えばよいことがわかる。

次に、前述した図７に示された卓越周期Ｔの時刻歴を見ると、最大加速度応答を記録した後に、卓越周期Ｔが長くなっている部分があることがわかる。そこで、これらの伸びた卓越周期Ｔの中から、最長周期Ｔ_tを取り出し、この最長周期Ｔ_tから、Ｔ_t＝２π×（ｍ／ｋ_t）^1/2という関係式（前述した式（３）参照）を用いて剛性ｋ_tを求め、求めた剛性ｋ_tを試験体の高さ寸法Ｌで除した剛性ｋ_t／Ｌ（Ｑ／Ｘを単位とした剛性）を示す斜線を、図９中に点線で描いた。この点線で示された最長周期Ｔ_tから導かれた剛性ｋ_t／Ｌの傾きは、最大変形時の割線剛性の傾きと略同じであり、最長周期Ｔ_tから導かれた剛性ｋ_t／Ｌは、最大変形時の剛性を指しているように見える。これは、最大変形後に、履歴の最大変形点を目指すような応答（振動中心が偏った場合を除外して考えると、応答履歴の最大変形点と原点とを結んだ直線上を往復するような動き）をするためだと考えられる。そこで、最長周期Ｔ_tに着目し、ランニングスペクトルから、最長周期Ｔ_tを求め、この最長周期Ｔ_tを用いて、前述した式（１）により変形角Ｒ_tを推定した。そして、最長周期Ｔ_tより推定した変形角Ｒ_tと、実測の最大変形角Ｒ_mとを比較した。この比較結果を、図１０に示す。図１０を見ると、最長周期Ｔ_tより推定した変形角Ｒ_tは、実測の最大変形角Ｒ_mよりも、やや過大に推定されている傾向はあるものの、最長周期Ｔ_tより推定した変形角Ｒ_tと、実測の最大変形角Ｒ_mとは、略一致しているといえ、これにより、本発明の効果が顕著に示された。

また、図１１には、建物損傷度が小さいと判定される場合（Ｒ_t＜１．５％の場合）の実験データの一例が示され、図１２には、建物損傷度が大きいと判定される場合（Ｒ_t≧３．０％の場合）の実験データの一例が示されている。これらの実験データは、上述した複数微細ひび割れ型繊維補強セメント複合材料（ＨＰＦＲＣＣ）を用いたＲＣ柱の縮小模型を試験体とした振動実験のデータである。図１１（Ａ）、図１２（Ａ）は、卓越周期Ｔの時刻歴（図７参照）であり、図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）は、変位計により測定した試験体の頂部の変位Ｘの時刻歴であり、図１１（Ｃ）、図１２（Ｃ）は、ロードセルにより測定した復元力Ｑを縦軸とし、変位計により測定した試験体の頂部の変位Ｘを横軸とした応答履歴である。

図１１（Ｃ）を見ると、Ｒ_t＜１．５％の場合には、応答履歴のヒステリシスが小さく、応答履歴全体の傾きが大きく図中で立っている状態、すなわち剛性が大きいことを示す状態（塑性化前の状態）のみである。これに対し、図１２（Ｃ）を見ると、Ｒ_t≧３．０％の場合には、応答履歴のヒステリシスが大きく、最初は、応答履歴全体の傾きが大きく図中で立っている状態、すなわち剛性が大きい状態（塑性化前の状態）であるが、最後の方では、応答履歴全体の傾きが小さく図中で寝ている状態、すなわち剛性が小さい状態（塑性化後の状態）である。従って、最長周期Ｔ_tより推定した変形角Ｒ_tの大小により、建物の損傷度を判定することの妥当性が顕著に示されている。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲内での変形等は本発明に含まれるものである。

例えば、前記実施形態では、１つの本体２０に対し、１つの外部出力装置３０が設けられていたが、１つの本体２０に対し、複数の外部出力装置３０を設けてもよく、外部出力装置３０の設置個数は任意である。

また、前記実施形態では、外部出力装置３０は、建物１内の台所や居間等の居室空間に設置されていたが、例えば、建物１の外壁、庭、玄関の外側等、建物１の外部に設けてもよい。

さらに、前記実施形態では、外部出力装置３０は、ランプ点灯により、建物損傷度を住人に伝達する構成となっていたが、ランプ点灯と併せて音声報知を行う構成としてもよく、ランプ点灯に代えて、またはランプ点灯とともにディスプレイへの文字表示を行う構成としてもよい。

そして、前記実施形態では、建物損傷度判定装置１０は、本体２０と外部出力装置３０とにより構成されていたが、これらを一体化させた構成としてもよい。

以上のように、本発明の建物損傷度判定装置および建物損傷度判定方法は、例えば、大地震で被害を受ける可能性の高い老朽化した木造家屋等の被害レベルを判定する場合などに用いるのに適している。

本発明の一実施形態の建物損傷度判定装置を設置した建物を示す図。 前記実施形態の建物損傷度判定装置の全体構成図。 前記実施形態の建物損傷度判定装置による建物損傷度判定処理の全体の流れを示すフローチャートの図。 前記実施形態の建物損傷度判定処理中の地震応答取得処理の流れを示すフローチャートの図。 前記実施形態の地震応答の取得および解析のタイミングの説明図。 前記実施形態の応答加速度の時刻歴と、各時間区切りの加速度応答スペクトルとの関係の説明図。 前記実施形態の各時間区切りの卓越周期の時刻歴を示す図。 前記実施形態の実験による応答履歴および応答履歴モデルを示す図。 効果確認実験により得られた最大応答時の応答履歴と、最大応答時の剛性および最長周期時の剛性との関係を示す図。 効果確認実験により得られた最長周期Ｔ_tより推定した変形角Ｒ_tと、測定された最大変形時の変形角Ｒ_mとの関係を示ず図。 建物損傷度が小さいと判定される場合（最大変形角１．５％未満の場合）の実験データの一例を示す図。 建物損傷度が大きいと判定される場合（最大変形角３．０％以上の場合）の実験データの一例を示す図。

符号の説明

１ 建物
１０ 建物損傷度判定装置
２１ 加速度センサ
４０ 演算処理手段
４２ 解析範囲決定処理手段
４３ スペクトル解析処理手段
４４ 卓越周期抽出処理手段
４５ 最長周期決定処理手段
４６ 変形角算出処理手段
４７ 建物損傷度判定処理手段

Claims (4)

1. 建物に設置した加速度センサと、この加速度センサにより計測した加速度データを用いて計算機による演算処理を実行する演算処理手段と、この演算処理手段による処理結果を出力する外部出力装置とを備え、
   前記演算処理手段は、
   前記加速度センサにより計測した地震時の前記建物の加速度データを用いてランニングスペクトルを算出する処理を実行するスペクトル解析処理手段と、
   このスペクトル解析処理手段により算出した前記ランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて振幅がピーク値をとる卓越周期を求める処理を実行する卓越周期抽出処理手段と、
   この卓越周期抽出処理手段により抽出した各時間区切りの前記卓越周期のうち周期が最長となる最長周期を求める処理を実行する最長周期決定処理手段と、
   この最長周期決定処理手段により求めた前記最長周期を用いて前記建物の変形角を推定算出する処理を実行する変形角算出処理手段と、
   この変形角算出処理手段により推定算出した前記変形角の大小に応じて前記建物の損傷度を判定する処理を実行する建物損傷度判定処理手段とを含んで構成され、
   前記外部出力装置は、前記建物損傷度判定処理手段による判定結果を出力する構成とされている
   ことを特徴とする建物損傷度判定装置。
2. 前記演算処理手段は、
   前記加速度センサにより計測した地震時の前記建物の加速度データの中から最大加速度データを求め、時系列に並べられた前記建物の加速度データのうち、最初に前記最大加速度データの一定比率以上の値となった時点から、最後に前記最大加速度データの一定比率以上の値となった時点までの時間帯の加速度データを、前記スペクトル解析処理手段による処理対象として決定する処理を実行する解析範囲決定処理手段を含んで構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の建物損傷度判定装置。
3. 建物に加速度センサを設置し、この加速度センサにより地震時の前記建物の加速度データを計測し、計測した加速度データを用いてランニングスペクトルを算出し、このランニングスペクトル中の各時間区切りの加速度応答スペクトルのそれぞれについて振幅がピーク値をとる卓越周期を求め、求めた各時間区切りの卓越周期のうち周期が最長となる最長周期を求め、この最長周期を用いて前記建物の変形角を推定算出し、推定算出した変形角の大小に応じて前記建物の損傷度を判定することを特徴とする建物損傷度判定方法。
4. 前記ランニングスペクトルを算出する際には、
   前記加速度センサにより計測した地震時の前記建物の加速度データの中から最大加速度データを求め、時系列に並べられた前記建物の加速度データのうち、最初に前記最大加速度データの一定比率以上の値となった時点から、最後に前記最大加速度データの一定比率以上の値となった時点までの時間帯の加速度データを対象とすることを特徴とする請求項３に記載の建物損傷度判定方法。

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