JP2013145122A

JP2013145122A - 柱状構造物の異常検知システムおよび異常検知方法

Info

Publication number: JP2013145122A
Application number: JP2012004775A
Authority: JP
Inventors: Yuki Narimatsu; 勇樹成松; Shigetoshi Hata; 成年畑; Masato Kikuchi; 真人菊地; Satoshi Shinozaki; 聡篠崎; Naoki Shimokawa; 直樹下川; Kazumi Yamamoto; 一美山本; Akihito Yabe; 明人矢部
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Kozo Keikaku Engineering Inc; Airec Engineering Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Kozo Keikaku Engineering Inc; Airec Engineering Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP5726771B2

Abstract

【課題】突き出し金物等が設置された柱状構造物であっても弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を検知できる柱状構造物の異常検知システムを提供する。
【解決手段】コンクリート柱４２を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも１つの打撃方向において、打撃方向と打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定し、ねじれ振動が発生していると判定したコンクリート柱４２の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内であるコンクリート柱４２を断面欠損に起因する異常があると判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動を用いた構造物診断法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、剛心と重心がずれてねじれ振動が発生している柱状構造物の損傷をリサージュと累積エネルギーによって検知する方法に関するものである。

柱状構造物、例えばコンクリート柱は、送電、通信等の社会基盤を支える構造物として、膨大な数が布設されている。これらコンクリート柱の異常検知を目的とした簡易点検については、主に目視による確認が行われている。また、従来のコンクリート柱の損傷検知方法として、渦流探傷法を用いた方法等、コンクリート柱における、補強鋼材の破断等の劣化機構に依存する精度の高い損傷検知方法の応用も進んでいる。

しかし、前者の目視点検においては、損傷の有無について定量的判断が困難であり、長期供用中に損傷の見落としにより、劣化が進行する場合も存在する。また、渦流探傷法を用いた方法では、センサの取り付け位置をコンクリート柱全体に渡って一定間隔毎にずらして計測する必要があり、例えば、コンクリート柱の先端部では高所の作業が必要となり、作業性の面で問題がある。更に、渦流探傷法を用いた方法は、コンクリート柱全体に及ぶ確認についての高度な専門知識、装置が必要であり、時間的、経済的制約が強く、膨大なコンクリート柱を短時間で簡易に点検する方法として応用することが困難である。ゆえに、近年では、地際を打撃して発生する弾性波振動モードを利用してコンクリート柱の損傷を検知するというアプローチが有力視されている（非特許文献１参照）。

特開２０１１−０２１９７４号公報

成松勇樹・菊地真人・矢部明人・牛島雅史、固有振動を用いたコンクリート柱劣化に関する基礎的検討、土木学会第６５回年次学術講演会、２０１０．９

さて、弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を診断するアルゴリズムは、既にいくつか提案されているが、これら既存のアルゴリズムは、次の理由から実用化課題を抱えている。

まず、一方向打撃による固有振動数の変化を利用した損傷を診断する方法の場合には、柱状構造物の製造過程における厚みや弾性係数の差異、また、建柱時に生じる根入れ長の差異により、弾性波振動モードにばらつきが生じ、劣化状態の弾性波振動モードと比較するための健全状態の弾性波振動モードを定量的に求めることは困難である。ゆえに、円周方向打撃による打撃方向別の固有振動数の変化を利用することで、製造過程における厚みや弾性係数のばらつきや、建柱時に生じる根入れ長のばらつきに依存することなく、損傷の有無、損傷程度および損傷方向を検知する（特許文献１参照）といった応用が進められている。

しかしながら、円周方向打撃による打撃方向別の固有振動数の変化を利用した柱状構造物の断面欠損に起因する異常検知の場合、図３（ａ）に示すような突き出し金物等が設置
された場合、断面欠損による円周方向別の固有振動数の変化と類似の振動数変化を生じてしまう。突き出し金物のような付属物は、多くの柱状構造物に付随しており、本課題を解決しない限り、弾性波振動モードを利用した柱状構造物の損傷を診断する手法は、現場運用に供することができない。

以上のような理由から、弾性波振動モードを利用した柱状構造物の損傷を診断するアルゴリズムが望まれている反面、これまでの技術では実現困難である。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、突き出し金物等が設置された柱状構造物であっても弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を検知することができる柱状構造物の異常検知システムおよび異常検知方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知システムであって、前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも１つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するシステム適用判定部と、前記システム適用判定部でねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定する異常検知部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知方法であって、前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも１つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するステップと、ねじれ振動が発生していると判定したときに、ねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度とに基づいてねじれ振動が発生していると判定し、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで一定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するので、突き出し金物等が設置された柱状構造物であっても弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る柱状構造物の異常検知システムを構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。システム適用判定部と異常検知部を構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。突き出し金物と、損傷検知の対象となる突き出し金物等が設置された柱状構造物について説明する図である。損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体の概要図および主鉄配筋図である。図４のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図４のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。従来の振動数解析を行った結果を示す図である。突き出し金物等が設置された柱状構造物と、柱状構造物に対する打撃方向との関係を説明する図である。円周方向に均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。突き出し金物等が設置され、さらに円周方向に不均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。打撃方向計算部における処理例を示す図である。リサージュ判定部における処理の詳細を示す図である。突き出し金物無しの場合のリサージュ判定部における処理例を示す図である。突き出し金物有りの場合のリサージュ判定部における処理例を示す図である。劣化無しの場合の突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。劣化有りの場合の突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。劣化無しの場合の運動エネルギー計算部における処理例を示す図である。劣化有りの場合の運動エネルギー計算部における処理例を示す図である。累積運動エネルギー判定部の処理例を示す図である。累積運動エネルギー判定部の処理例を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、柱状構造物の損傷を検知する、本発明の実施の形態に係る異常検知システムを構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。図１に示す柱状構造物の異常検知システム１は、システム適用判定部１０と、異常検知部２０と、表示部３０とから成る。

図２は、システム適用判定部と異常検知部を構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。システム適用判定部１０は、異常検知の対象となる突き出し金物等が付属しているような、剛心と重心がずれて、ねじれ振動が発生している柱状構造物の判定を行うものである。システム適用判定部１０は、打撃方向計算部１１と、リサージュ判定部１２から成る。異常検知部２０は、システム適用判定部１０でねじれ振動と判定されたデータの異常を検知するものである。異常検知部２０は、運動エネルギー計算部２１とエネルギー判定部２２から成る。表示部３０は、異常検知結果を表示する。

以下、図３（ａ）に示す突き出し金物４１を図３（ｂ）に示すコンクリート柱（柱状構造物）に設置した場合を例に挙げて、システム適用判定部１０と異常検知部２０の各機能の詳細を説明する。

図４は、損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体の概要図および主鉄配筋図である。図５は、図４のＡ−Ａ’線に沿う断面図であり、図６は、図４のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。コンクリート柱４２は、緊張鉄筋４４および非緊張鉄筋４５を有する。コンクリート柱４２を元口から１３３０ｍｍ付近まで埋設し、打撃位置は、元口から３３００とした。受信センサ４３は、打撃位置と略１８０度反対方向の位置に配置され、打撃による振動ごとに振動信号（振動波形）を受信する。受信センサ４３としては、例えば、加速度計（加速度センサ）が用いられる。異常検知システム１は、受信センサ４３に有線または無線で接続される。

図７は、図４の場合において、特許文献１および非特許文献１に記載されている従来の振動数解析を行った結果を示しており、図８に示すように、コンクリート柱４２に突き出し金物４１を設置した場合において、コンクリート柱４２に鉄球や加振ハンマーで、突き出し金物４１の突き出し方向に対して、０°と３０°と６０°と９０°の角度から打撃を加えたときに計測された振動による応答加速度を用いて計算したコンクリート柱４２の加速度フーリエスペクトルの一例を示している。

表１は、コンクリート柱４２に突き出し金物４１を設置していないときと、コンクリート柱４２に突き出し金物４１を設置して、突き出し金物４１の突き出し方向に対して、０°と３０°と６０°と９０°の角度からコンクリート柱４２を打撃したときの、それぞれの２次ピーク、３次ピーク、４次ピークの周波数を表したものである。

図７および表１から、突き出し金物４１を設置した場合において、突き出し金物４１の突き出し方向に対して、０°と３０°の角度から打撃した場合と、６０°と９０°の角度から打撃した場合では、振動数が約４Ｈｚ異なっていることが分かる。振動数解析により断面欠損に起因する異常を検知する場合、振動数の差異を用いて判別することが一般的であるが、特許文献１によれば、断面欠損による振動数変化は、２Ｈｚ程度の場合も存在し、断面欠損の振動数差異が突き出し金物の振動数差異に埋もれてしまうことがしばしばある。ゆえに、突き出し金物を設置した場合においては、振動数以外の特徴を用いて断面欠損に起因する異常を検知する必要があり、その方法を以下に述べる。

図９は、円周方向に均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図であり、図１０は、突き出し金物等が設置され、さらに円周方向に不均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。図９に示すように、柱状構造物が円周方向に均一な場合においては、剛心と重心がほぼ一致している。このような剛心と重心がほぼ一致している場合においては、打撃した方向のみに揺れる特性がある。これに対し、図１０に示すように、柱状構造物に突き出し金物４１等が設置され、円周方向に不均一な場合においては、剛心と重心が一致しない。このように剛心と重心が一致していない柱状構造物においては、打撃した方向とは異なる方向に揺れる特性がある。この打撃方向に対する揺れの方向の差異を捉えることで、損傷の影響ではなく、突き出し金物等が設置されていることにより健全時に振動数差異が発生している柱状構造物を選別することができる。

図１１は、打撃方向計算部１１における処理例を示す図である。まず、コンクリート柱４２の円周面に対して多方向から打撃して、コンクリート柱４２を揺らす振動を多方向から発生させたときに、加速度計等により柱状構造物の断面における加速度データを取得する。この加速度計等で取得した振動データは、離散データであり、この離散データより、
図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）のように打撃方向ベクトル（ｄ_i、θ_i）を、打撃直後のある一定時間算出する。次に、例えば、数１のように、図１１（ｄ）で示すような距離閾値ｄ_threshより大きい距離ｄ_iを持つ打撃方向ベクトルの角度θ_iを角度合計θ_sumに加算する。

図１１の例では、図１１（ａ）、図１１（ｂ）は閾値ｄ_threshより大きいため加算するが、図１１（ｃ）は小さいため加算しない。なぜならば、距離が短いベクトルは、角度誤差が大きくなるためである。ある一定時間で加算した後、数２のように角度合計θ_sumを
加算データ数Ｄで除算し、打撃方向θ_impを算出する。

図１２は、リサージュ判定部１２における処理の詳細を示す図である。図１２（ａ）では、柱状構造物の断面における加速度データを、打撃方向計算部１１で得られた打撃方向角度分回転補正する。図１２（ｂ）は、回転させた後の加速度データであり、これをリサージュと定義する。図１２（ｂ）において、打撃方向最大値imp_max rと打撃直角方向（
打撃方向に対して直角方向）最大値imp_max iを求め、数３によって、リサージュ比lissajous_ratioを算出する。

もし、リサージュ比lissajous_ratioがリサージュ閾値lissajous_threshよりも大きい
場合には、ねじれ振動有りと判定し、異常検知部２０へ進む。それに対し、リサージュ比lissajous_ratioがリサージュ閾値lissajous_thresh（所定値）よりも小さい場合には、
ねじれ振動無しと判定し、本システム適用外とする。システム適用外のデータは、例えば、特許文献１のように振動数により異常を判定する。

図１３は、突き出し金物無し（ねじれ振動無し）の場合のリサージュ判定部１２における処理例を示す図であり、図１４は、突き出し金物有り（ねじれ振動有り）の場合のリサージュ判定部１２における処理例を示す図である。図１４の突き出し金物有りの場合は、図１３の突き出し金物無しの場合と比較して、打撃直角方向の振動が大きく、ねじれ振動が発生している。

図１５、図１６は、突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。金物等が付属しており、ねじれ振動が発生している柱状構造物において、図１５に示す劣化が無い場合では、打撃直角方向の揺れは打撃直後のみ発現する。それに対して、図１６に示す劣化有りの場合では、打撃直角方向の揺れは、打撃後しばらく続く。異常検知部２０では、この挙動の特性を用いて異常を検知する。

図１７、図１８は、運動エネルギー計算部２１における処理例を示す図である。図１７、図１８のグラフは、数４を用いて打撃直角方向の加速度ａ_othを速度ｖ_othに変換し、数５により得られた運動エネルギーＥ_othをプロットしたものである。

図１７に示す柱状構造物に劣化が無い場合では、０．０５秒後には、ほぼ打撃直角方向の運動エネルギーが減衰している。それに対し、図１８に示す劣化有りの場合では、０．３秒後まで運動エネルギーが継続して発現している。

図１９、図２０は、累積運動エネルギー判定部２２の処理例を示す図である。まず、図１９に示すように、運動エネルギー計算部２１において計算した運動エネルギーＥ_othを
一定時間内で合計して運動エネルギーＥ_sumを算出し、合計値を１として各時間ｔにおけ
る運動エネルギーＥ_othを正規化する。図１９の例では、０．３秒間のデータを合計し、
正規化している。続いて、図２０に示すように、正規化した運動エネルギーを数６のように累積しながら時系列でプロットする。

（１）の曲線は、突き出し金物４１の突き出し方向に対して９０°の角度から打撃を加えた場合、（２）の曲線は、突き出し金物４１の突き出し方向に対して０°の角度から打撃を加えた場合、（３）の曲線は、上部損傷有り（劣化が有り）で、かつ突き出し金物４１の突き出し方向に対して９０°の角度から打撃を加えた場合、（４）の曲線は、上部損傷有り（劣化が有り）で、かつ突き出し金物４１の突き出し方向に対して０°の角度から打撃を加えた場合、（５）の曲線は、上部損傷の方向に対して９０°の角度から打撃を加えた場合、（６）の曲線は、上部損傷の方向に対して０°の角度から打撃を加えた場合を示している。

図２０において、劣化無しの場合では、打撃直後にほぼ全てのエネルギーが発現するため急峻な変化をする。それに対し、劣化有りの場合では、打撃後も運動エネルギーが発現しているため、劣化無しに比べ緩やかな変化を示す。異常判定は、点線で示す予め検証で得られた閾曲線（所定値）より小さい場合に劣化とする。

図２０において、上部損傷有り（劣化が有り）で、かつ突き出し金物４１を有する柱状構造物の場合、９０°の角度から打撃を加えたときの（３）の曲線は、点線で示す閾曲線（所定値）より大きいが、０°の角度から打撃を加えたときの（４）の曲線は、閾曲線（所定値）より小さいので、この柱状構造物を劣化有りと判定できる。

上述したように、本発明によれば、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度とに基づいてねじれ振動が発生していると判定し、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで一定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定
するので、突き出し金物等が設置されていても柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。

１異常検知システム
１０システム適用判定部
１１打撃方向計算部
１２リサージュ判定部
２０異常検知部
２１運動エネルギー計算部
２２エネルギー判定部
３０表示部
４１突き出し金物
４２コンクリート柱
４３受信センサ
４４緊張鉄筋
４５非緊張鉄筋

Claims

柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知システムであって、
前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも１つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するシステム適用判定部と、
前記システム適用判定部でねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定する異常検知部と、
を備えることを特徴とする柱状構造物の異常検知システム。
柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知方法であって、
前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも１つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するステップと、
ねじれ振動が発生していると判定したときに、ねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するステップと、
を含むことを特徴とする柱状構造物の異常検知方法。