JP2012168152A - 構造物安全性の分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物安全性の分析方法を提供する。
【解決手段】主に有効な振動測量信号を獲得し、構造物モデル分析と組み合わせて相互にフィードバックさせ、かつキャリブレーション済みの構造物モデルを利用し受災のシミュレーションにより、構造物の臨界状態の受力および変形規模を算出した上、構造物安定性特徴指標の取り込みに応用し、構造物安定性の分析に備える。本発明の分析方法によれば、構造物安定性の評価と健常性の監視が可能なほか、構造物の多重災害（Ｍｕｌｔｉ−Ｈａｚａｒｄｓ）に関わる安全の判定に応用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は構造物安定性の分析方法に関し、橋梁、快速交通輸送システム（ｒａｐｉｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ）、鉄道、水利、国土保全施設、法面等のインフラストラクチャー構造における多重災害の安全性監視および長期動静の評価と判断の応用に関する。特に、振動量の測定信号は、構造物モデルの相互フィードバックのキャリブレーションを利用し、災害状況のシミュレーションを行い、構造物の臨界状態の受力および変形の規模を算出し構造物の安全性評価に備える。

台湾の河川の多くは険しい坂で流れは速い。それに加えて、毎年に豪雨または台風がもたらす洪水は常に橋梁、快速交通輸送システム、鉄道、水利、国土保全施設、法面等のインフラストラクチャーの損害を与えられている。

従来の構造物安全性評価に関する研究および技術のすべては単一装置もしくは単一フローの方法に基づいて開発されたものである。そのうち、中華民国特許公報第３８１１７７号（特許文献１）非破壊性構造安全の測定方法は、橋床に複数点の荷重装置を取付け、衝撃して振動を発生し反応位置によってそれぞれ異なる周波数を反応させ、橋梁の損傷位置を突き止める。もう一つの中華民国特許公報第Ｍ３０２５９４号（特許文献２）建造物耐震安全診断の評価装置は、意思決定プロセスおよび装置を利用し、一つの建築物のひび割れ、腐食、腐朽、浸水の程度を分析する。もう一つの中華民国特許公報第２００７４１２０１号（特許文献３）工事構造物安全の測定方法は、まず被測定構造物に無線方式のスマートセンサーを複数に設置し、それらのスマートセンサーより構造物の振動周波数を検出し、演算した後もう一つの無線方式のスマートセンサーに伝送し、ふたたび遠隔地のコンピュータホストに中継伝送及び処理を行い、構造物の劣化の判断データを形成する。もう一つの中華民国特許公報第２００８４８２９９号（特許文献４）軌道運輸のリアルタイム安全監視システムは、選択された監視点に複数のセンサー組を取付け、車両が係るセンサーを取り付けた軌道の監視点を通過したときの振動信号を測定し、取得した監視パラメータと選択された監視点の自然周波数のずれ値に基づき、軌道の異常状況を判断する。もう一つの米国特許公報第６１９２７５８号（特許文献５）Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ（構造安全性の検査システム）は、橋梁の構造物の破損検査方法であって、まず橋梁に被測定体を取付け、車両を橋梁に走行させ、車両走行の振動が被測定体への影響度を検出する。設定値より低い場合、橋梁の安全は問題ないことを示し、もし、設定値より高い場合、橋梁が危険のメッセージが形成される。もう一つの米国特許公報第５２５５５６５号（特許文献６）振動構造の多点監視方法とその装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ａ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、橋梁の振動信号を高速フーリエ変換方式により周波数帯信号に変換した上、この周波数帯信号を計算し橋梁構造は破損しているか否かを判断する。もう一つの特開平０６−０９４５８３号公報（特許文献７）橋脚の固定状態の検査方法及びその装置（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｆｉｘｅｄ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ｐｉｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｄｅｖｉｃｅ）は、橋脚の安全監視方法であって、橋脚の水平と垂直方向においてそれぞれセンサーを複数に設置し、高速フーリエ変換方式により、橋脚振動するときの揺れ中心を検出して、橋脚の破損を検査する。

前述公知技術のほとんどは、複数のセンサーにより構造物の振動量を検出した後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）またはその他の手段により、振動信号を周波数帯信号に変換した上、この周波数帯信号に基づき、構造物の安全性を評価する。

台湾特許公報第３８１１７７号 台湾特許公報第Ｍ３０２５９４号 台湾特許公報第２００７４１２０１号 台湾特許公報第２００８４８２９９号 米国特許公報第６１９２７５８号 米国特許公報第５２５５５６５号 特開平０６−０９４５８３号公報

しかし、前述発明は以下の技術盲点を有する。

イ．対象は一つの構造物、しかも一つの構造部材の測定しかできなく、かつ表面の劣化に対するものであって、構造物全体の安全性判断はできない。

ロ．前述公知技術を実務に応用されたとき、最大の問題点は、現場の測定精度は構造物と確実に結合することができないため、構造物の動静を把握できない。

ハ．前述公知技術の測定結果は、直接に高速フーリエ変換方式（ＦＦＴ）またはその他の手段により、振動測量の信号を周波数帯に変換して構造分析しており、信号の歪みの解決には言及されていない。

ニ．前述公知技術の測定対象は、単一の評価方法であり、構造物の長期の変化推移を把握することはできない。さらに、構造物が数回の災害に遭ったときは、構造物実際の臨界状態を反映し全周波数帯信号の取り込みおよび分析することはできない。

前述欠点について、発明者は当業界における長年に従事し蓄積された経験に基づき、克服方法を鋭意に研究した結果、構造物安全性の分析方法を発明し、前述欠点の解決を図る。

本発明の主な目的は、振動測定と時間帯の信号スペクトル分析を結合し、スペクトル特徴の物理量を取り込み、構造物模型の相互フィードバックのキャリブレーションにより、災害状況のシミュレーションおよび構造物臨界状態の受力および変形の規模を算出し、構造物安全性を分析する、構造物安全性の分析方法を提供する。

前記した目的を実現するため、本発明は以下の技術を用いる。

本発明の構造物安全性の分析方法は以下のステップを含める。ステップ（ａ）、被測定構造物に複数の振動感知装置を取付け、ステップ（ｂ）、複数の振動感知装置を利用し、被測定構造物に対して初期振動を測定し基本情報を構築する、ステップ（ｃ）、被測定構造物の連続時間帯の振動信号を取り込み、ステップ（ｄ）、高速フーリエ変換方式を利用し連続時間帯の振動信号周波数帯の振動信号に変換する、ステップ（ｅ）、係る時間帯の振動信号のフィルタリングを行い、必要な分析周波数帯を決定する、ステップ（ｆ）、移動平均法を利用し、間隔時間を固定する方法により、その周波数帯の振動信号を分析し被測定構造物安全性の分析を完了する。

本技術を熟知するものは、以下の図面と説明を参照すれば、本発明に係るその他システム、方法、特徴と長所を理解できる。本発明人はこの種のその他システム、方法、特徴および長所とも本明細書に含めるものと理解し、本発明の技術範疇に含めるものとし、特許登録請求の範囲の保護を受けることを希望する。

本発明の構造物安全性の分析方法実施のフロー図である。 本発明の構造物安全性の分析方法実施のブロック図である。 本発明の被測定構造物が本発明の分析手順を利用して得られた災害前後の周波数対時間の関係図である。 本発明の被測定構造物が本発明の分析手順を利用して得られた災害前後の振れ幅対時間の関係図である。

図１、本発明の構造物安全性の分析方法実施のフロー図を参照する。図示のように、構造物は竣工した時点に、振動周波数とパターンの基本情報を構築されていれば、この上方は構造物状態周波数の初期データにすることができる。ただし、初期データを有しない既存の構造物には、測定した上、初期振動情報を構築し、その後の長期監視の基準点とする。新築または既設の構造物にかかわらず、被測定構造物に複数の振動感知装置振動を取付けて置き（ステップＳ１）、複数の振動感知装置を利用し初期データを有しない被測定構造物に初期振動測定を行い、初期振動情報を構築する（ステップＳ２）。構造物は長い期間を経過した後、基本情報（たとえば、構造の剛性とずれ値）は僅に変更するため、もう１回のキャリブレーションを実施し、被測定構造物の基本情報を更新しなければならない。

地震またはその他の振動が発生したとき、取り付けていた複数の振動感知装置は被測定構造物の連続時間帯の振動信号を取り込みすることができる（ステップＳ３）。複数の振動感知装置より無線または有線方式により、連続時間帯の振動信号を監視センターのホストに転送し、監視センターのホストより高速フーリエ変換方式（ＦＦＴ）を利用し、連続時間帯の振動信号を周波数帯の振動信号に変換し（ステップＳ４）、周波数帯振動信号のフィルタリングを行い、分析する周波数範囲を決める（ステップＳ５）。最後に、監視センターのホストより移動平均法を利用し、時間間隔を固定する方法により、周波数帯振動信号を分析して、被測定構造物の基本情報との比較を行い、被測定構造体安全性の分析を完了する（ステップＳ６）。

このほか、ステップＳ１において、複数の振動感知装置は、被測定構造物の振動モードが顕著な位置に取付けることが好ましい。橋梁の例として、橋床の中間点は最大の振動位置ではあるが、この場所の振動反応特性はよく橋床の局所振動モードに影響され、橋脚基礎の状況を表すことができない。各橋脚のまくら梁上方の橋床の伸縮位置における振動は、橋脚の地盤建物相互作用の特性をそのまま反映できるため、橋脚基礎の状況を比較的に反映できる。よって、複数の振動感知装置は通常、構造物上、構成品と構成品との間および振動が大きい場所に取り付ける。その後の検査から基本情報との変化が出た場合は、その時点の健常性を判断できる。よって、分析を開始するとき、まず初期振動測定を行い、構造モデルの参考として、基本情報を構築する。その後、年ごと（または特定の期間）に定期測定を行い、構造モデルと橋脚の健常性の確認に備える。

ステップＳ５はさらに、窓関数（Ｗｉｎｄｏｗ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を利用し、連続時間帯の振動信号がブロックされることによって、周波数帯の振動信号に引き起こすギブス現象を軽減するステップを含める。このほか、被測定構造物の振動反応は低周波反応が多いため、本発明において、必要な分析周波数帯を指定するために、ハイパスフィルター（Ｈｉｇｈｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）、帯域フィルター（Ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）、帯域消去フィルター（Ｂａｎｄｓｔｏｐ ｆｉｌｔｅｒ）などを使用している。

ステップＳ６において、人為的による分析時間間隔の選択が構造物の周波数帯を著しく見落としまたはひずみ現象を避けるため、移動平均（Ｍｏｖｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ）技術を利用し、分析事件の時間帯をさらに、時間間隔を細分化し、その周波数帯の振動信号を分析した後、平均値を算出する。本発明の技術によれば、人為的の不適な選択を改善できる。その長所は平均した後、もと主周波数帯に取られていた部分をなくすことができ、構造物本来の顕著な周波数を表すことができる。最後に、時間帯ごとに移動平均スペクトルを算出した後、所定周波数対最大の３つの振れ幅対（周波数と相対振幅）を取り込み、それらの平均値、最大値および臨界値周波数と時間との関係図を算出し、被測定構造体安全性の分析に備える。

図２、本発明の構造物安全性の分析方法実施のブロック図を参照する。図示のように、本発明の分析フローは、まず振動の測定により構造パターンにフィードバックし、構造物振動行為の特徴を取り込み、動的取り込み時間帯の信号により信号を分析処理し、構造パターン状況のシミュレーション分析と組み合わせて、最後に構造物安定度の安全性指標を取り込んで、構造物の安全性を評価する。すなわち、前述の振動測定方法により、構造物に備えたそれぞれの構成品の素性様式（Ｆｅａｔｕｒｅ Ｍｏｄｅ）を構築し、構造物の数値分析パターンと組み合わせてキャリブレーションを行い、構造物動静の特徴をシミュレーションする。引き続き、構造物それぞれの部位、それぞれの受力および変形状況を利用し、振動スペクトルの反応を把握した上時間に関連するスペクトル特徴の反応を取り込み、構造物行為特徴の指標を構築し、構造物全体安全性を評価する。引き続き、動的取り込み方式を利用し、スペクトル周波数体時間の曲線を分析することにより、構造物の臨界状態を分析（たとえば、橋梁の臨界洗い流し深さ、構造物の健常性など）する。さらに、各種の構造物の長期的な動静監視と安全性評価および軌道構造異常状況の判断と評価に応用することができる。振動発生したときは、測定信号の振れ幅に基づき、構造物の受ける外力の大きさと環境変化の状況を判断する。

前述とおり、本発明は以下の特色を有する。

イ．各種土木施設の構造物を測定の対象とした場合、車両走行（たとえば、橋梁または快速交通システム）または環境の微小振動（たとえば、法面、推力施設）を振動源とし、従来の振動測定による振動源の規模、エネルギー量の不足や操作安定性の維持が難しいなどの問題を解決できる。

ロ．構造モデルの相互フィードバックのキャリブレーションを利用し、災害状況のシミュレーションを行い、構造物の臨界状態の受力および変形の規模を算出し構造物の安全性評価を行う。実際の構造物の振動行為と真に結合し、かつ算出された構造物の安全性指標は現地状況に見合った真の構造物の臨界状態の指標である。

ハ．測定の結果は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）またはその他方法により振動信号を周波数帯に変換し分析するほか、動的取り込み方式により、周波数帯時間関係の時間帯を直接に分析することにより、信号の歪みを避けることができる。さらに、構造モデルと組み合わせてモード信号を形成し相互フィードバックさせ、信号結果に物理的意味を与え、従来の信号処理に物理的意味を持たない問題を避けられる。

ニ．全時間帯の連続的な信号取り込み技術は、単一測定が全体の構造行為を代表できない欠点を避けられる。

ホ．測定の結果はそのまま構造物の多重災害の評価に応用することができる。たとえば、構造物の平時環境の変化と構造安定性の監視、長期的な構造物の健常性監視、台風または豪雨状況のリアルタイム監視予測警報システム、事故後の構造安定性の回復および判定、多重災害による構造物の安定性評価および構造物動静の長期的監視、評価、ならび保守管理など、応用は広範囲にわたる。

前述のステップは、振動の測定を利用し、現場における長時間な測定データに基づき、周波数対時間、振れ幅対時間の関係図を描くことができる。通常、構造物は外力により破損したとき、構造の剛性（Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）に変化を引き起し、構造の剛性を変化すると、外部的に表すもののうち、振動周波数がもっとも明らかである。よって、構造物の周波数に異常に改変した場合、すなわち、周波数に高低の変化を示したとき、発生の連続時間帯と合わせてこの周波数を表示させることにより、安全上の影響を判断できる。図３と図４、現場の試験結果を参照する。図３、本発明の被測定構造物が本発明の分析手順を利用して得られた災害前後の周波数対時間の関係図。図４、本発明の被測定構造物が本発明の分析手順を利用して得られた災害前後の振れ幅対時間の関係図を参照する。本発明の分析結果に基づき、周波数対時間の関係図によれば、災害が来る前に構造物の周波数は高く、災害がきたときの外力が増加し、振れ幅も時間につれて増加され、周波数は時間につれて低化される。災害が過ぎた後、構造物の振れ幅、周波数とも正常値に戻る。よって、本発明によれば、構造物が災害による損傷発生の可能性、損傷の厳重度、損傷の予測位置および予備警報の時間差を知り得ることができる。

このほか、構造物が損傷したとき、剛性の低下により、自然な周波数も低下する。さらに、ひび割れが大きくなり、または応力変化の増加により、ダンパーも増加する。よって、損傷によるシステム剛性の再分配によって、振動モードの変化を引き起こす。構造物の有効なスペクトル特徴値を取り込んだ後に、数値モデルを加えて臨界状態の分析を行い、当該構造物の危険性を分析する。

現場実際の環境状況は完全に把握しにくく、かつ各種の震源特性の把握も難しいことから、ことなる背景環境の振動測定データをそのままに比較することは困難である。前述した信号の取得方式によれば、各種震源の特性のまとめおよび特性することができる。振動データの分析と判断の参考にすることができるほか、リアルタイム監視ときのデータ取り込みと選別の判断根拠にすることができる。前述方法により構築された数値モデルは、各種の災害における構造物が反応した破損状況を測定し、安全部門の評価基準参考値に提供することができる。

構造物が外力を受け変化を引き起こしたとき、周波数も異常に改変し、発生の連続時間帯に合わせてこの周波数変化が示される。周波数に高低変化すると、時間帯と周波数帯の振れ幅の大きさ、構造物のずれ状況、数値モデルのしきい値判定など多重の指標と組み合わせることによって、構造物に安全性を総合評価できる。前述特性指標は、知能形のスマートセンサー（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｅｎｓｏｒ）を設計し、構造物の災害に対する反応を評価する。設計にあたり、構造物が反応する物理量の大きさ、範囲および測定精度の要求を総合的に配慮して、有効な構造物のスペクトル特徴の取り込みに備える。

本発明は前述の好ましい実施例でもって説明したが、これらの説明は本発明になんらの制限を加わるものではない。この種の技術を熟知する者は、本発明の精神と範囲を逸脱しない程度による変更と修飾によって実施可能である。よって、本発明の特許請求範囲は本発明の請求書に記載する特許請求範囲によるものとする。

Ｓ１〜Ｓ６ 構造安全性の分析方法実施フロー図の番号

Claims (6)

1. ステップ（ａ）：被測定構造物において、複数の振動感知装置を取付け、
   ステップ（ｂ）：複数の前記振動感知装置を利用し、前記被測定構造物に対して初期振動を測定し基本情報を構築する、
   ステップ（ｃ）：前記被測定構造物の連続時間帯の振動信号を取り込み、高速フリーエ変換方式を利用し、前記連続時間帯の振動信号を周波数帯信号に変換、
   ステップ（ｄ）：前記周波数帯振動信号のフィルタリングを行い、分析対象の周波数帯を決定する、
   ステップ（ｅ）：移動平均法を利用し、間隔時間を固定する方法により、前記周波数帯の振動信号を分析し、被測定構造物安全性の分析を終了するプロセス、
   を備えた、構造物安全性の分析方法。
2. 前記ステップ（ｂ）において、複数の前記振動感知装置は有線または無線方式により前記連続時間帯の振動信号を監視センターのホストに伝送することを特徴とする請求項１記載の構造物安全性の分析方法。
3. 前記ステップ（ｃ）において、前記監視センターのホストを利用し、高速フリーエ変換により、前記連続時間帯の振動信号を前記周波数帯の振動信号に変換することを特徴とする請求項１記載の構造物安全性の分析方法。
4. 前記ステップ（ｃ）は、前記連続時間帯の振動信号をブロックされたため、前記周波数帯振動信号に引き起こすギブス現象を軽減する窓関数をさらに含めることを特徴とする請求項１記載の構造物安全性の分析方法。
5. 前記ステップ（ｄ）は、分析する周波数の範囲を指定するためのハイパスフィルターまたは広帯域フィルターをさらに含めることを特徴とする請求項１記載の構造物安全性の分析方法。
6. 前記ステップ（ｅ）は、時間帯ごとに移動平均スペクトル図を形成した後、所定周波数帯より、最大の３つの周波数対を取り込み、被測定構造物の安全性分析するための周波数の平均値、最大値、しきい値および臨界値周波数と時間の関係図の描きを含めることを特徴とする請求項１記載の構造物安全性の分析方法。