JP2015098686A - 構造物の予防保全モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも構造物の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能な構造物の予防保全モニタリングシステムを提供する。
【解決手段】構造物１４において所定方向に間隔を隔てた少なくとも３か所に設置され、各位置の変位を検出する変位検出手段１６と演算手段１８とを備え、構造物１４の所定方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ軸およびＺ軸として、変位検出手段１６で検出した変位を各軸成分に分解し、演算手段１８は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関して空間フィルタ演算をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、構造物１４に作用する力により発生する繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す疲労損傷保全指数を求めるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁などの構造物を予防保全するためにモニタリングする構造物の予防保全モニタリングシステムに関するものである。

従来、橋梁に加速度センサ、歪センサ、変位センサ、温度センサなどの多くのセンサを設置して橋の共振周波数や減衰率を測定し、測定値の変化に基づいて橋梁の劣化診断を行う橋梁のモニタリングシステムが知られている（例えば、非特許文献１あるいは特許文献１〜３を参照）。

また、橋梁等の老朽化の指標として「１０ｔ車換算累積軸数」が知られており、この累積軸数が３０００万軸数を超える場合に疲労亀裂が発生し始めるとの報告がある（例えば、非特許文献２、３を参照）。

一方、橋梁やコンクリート壁の亀裂を検出する方法として、空間フィルタ法を用いて検出精度を高める方法が知られている（例えば、特許文献４、５を参照）。ここで、空間フィルタ法とは、複数の地点（空間的位置）での測定結果に荷重を掛け総和をとることで有効な情報を得る処理である。一般的には、複数の地点（空間的位置）での測定結果Ｄ（ｐｉ）にそれぞれ荷重ｗｉを掛け総和をとり、Ｍ＝Σｗｉ・Ｄ（ｐｉ）の式を用いて演算を行う。荷重ｗｉを適宜調整することで、目的とする量Ｍを得ることができる。

「中国における橋梁維持管理の現状と課題」、孫利民、首都高速道路技術センター技術講演会第８回資料、２０１１年６月２１日 「首都高速道路の高齢化とその対策」、藤野陽三、首都高速道路技術センター技術講演会第１０回資料、２０１３年６月４日 ＮＥＸＣＯ東日本コーポレートサイト、「高速道路資産の長期保全及び更新のあり方 中間とりまとめ」、［online］、［平成２５年１０月１８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.e-nexco.co.jp/pressroom/committee/pdfs/130425/02.pdf＞

特開２００６−３３７１４４号公報 特開２００４−１０１３９８号公報 特開２００２−９０２３３号公報 特開２００２−３１０９２０号公報 特開平４−３１０８５７号公報

ところで、上記の従来の橋梁のモニタリングシステムで測定される橋梁の共振周波数や減衰率の橋梁劣化に伴う変動量は小さく、測定のばらつきの範囲内である。このため、潜在的な劣化を診断できるまでには至っていない。

また、「１０ｔ車換算累積軸数」を劣化の指標として使用する場合には、橋梁を通行する個々の車両の重量を計測する「車両重量計測装置」を用いる必要がある。この装置は通常、通行料金を徴収する料金所に設置されることから、個々の橋梁に関する１０ｔ車換算累積軸数（使用状況）を正確に把握することは難しい。また、料金所の無い多くの橋梁、すなわち車両重量計測装置が設置されていない多くの橋梁では１０ｔ車換算累積軸数（使用状況）を把握することは難しい。さらに、地方自治体が管理する橋梁においては、予算と人材の不足のため、本来行われるべき定期検査すら実施されていない橋梁が多く存在する。検査がされていない多くの橋梁では問題発生時にその都度事後対応をとる状況であり、場合によっては通行規制や通行止めになるケースも多く見られ、多くの場合、予防保全による安全の確保ができていないのが現状である。

一方、橋梁の劣化は車両通行のみならず、地震や台風等の強風による変形や揺れ、さらには積雪や日照によっても進行する。このため、橋梁の劣化をより高精度で評価するためには、車両通行による影響だけでなく、これらの影響も加味して評価することが望ましい。

しかしながら、従来から使用されている「車両重量計測装置」にはロードセルが使用されており、ロードセル上を通過する車両の重量のみを計測する。このため、この車両重量計測装置を個々の橋梁に設置しても、地震や台風等の強風あるいはその他の要因に起因する橋梁変形の影響は計測できず、それらの影響評価ができないという問題がある。

さらに、地震や台風等の災害発生時は損傷状況の把握と早急な対応を要する。しかし、個々の橋梁については現地調査による状況把握が必要であることから、損傷状況の把握に時間を要し、その後の対応が迅速に行えない場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造物の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも構造物の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能な構造物の予防保全モニタリングシステムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムは、構造物において所定方向に間隔を隔てた少なくとも３か所に設置され、前記各位置の変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段で検出した変位に基づいて演算処理を行う演算手段と、前記演算手段による演算結果を表示する表示手段とを備えた構造物の予防保全モニタリングシステムにおいて、構造物の前記所定方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ軸およびＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関してそれぞれ下記の式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、構造物に作用する力により発生する繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す疲労損傷保全指数を求めることを特徴とする。
α＝Σｗｚｉ・Ｄｚｉ ・・・・・式（１）
β＝Σｗｙｉ・Ｄｙｉ ・・・・・式（２）
ただし、
Σ：ｉ＝１、２、・・・、ｎに対する総和演算子
ｉ：構造物に設置した前記変位検出手段の番号
ｎ：構造物に設置した前記変位検出手段の総数
Ｄｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分
ｗｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分に係る空間フィルタ荷重
Ｄｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分
ｗｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分に係る空間フィルタ荷重

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムは、上述した発明において、前記変位検出手段を、構造物の前記所定方向の中央とそれを挟んだ対称の位置の３ヶ所に設置したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムは、上述した発明において、前記変位検出手段は、２軸または３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出することを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムは、上述した発明において、前記変位検出手段は、３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出し、前記演算手段は、前記疲労損傷保全指数を求めるとともに、前記加速度センサの出力から加速度最大値、計測震度および変形量の少なくとも一つを演算し、前記表示手段は、前記演算手段による演算結果を必要に応じて表示することを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムは、上述した発明において、構造物が橋梁であり、前記変位検出手段を前記橋梁の橋軸方向に間隔を隔てて少なくとも３か所に設置し、橋梁の橋軸方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で水平方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、車両通行、強風および地震等により発生する橋梁の繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す前記疲労損傷保全指数を求めることを特徴とする。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムは、上述した発明において、前記疲労損傷保全指数を、αおよびβの少なくとも一方に基づいて算出した１０ｔ車換算の軸数を累計することによって得られる累計値に基づく値としたことを特徴とする。

本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、構造物において所定方向に間隔を隔てた少なくとも３か所に設置され、前記各位置の変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段で検出した変位に基づいて演算処理を行う演算手段と、前記演算手段による演算結果を表示する表示手段とを備えた構造物の予防保全モニタリングシステムにおいて、構造物の前記所定方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ軸およびＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関してそれぞれ下記の式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、構造物に作用する力により発生する繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す疲労損傷保全指数を求めるので、構造物の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも構造物の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能なモニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。
α＝Σｗｚｉ・Ｄｚｉ ・・・・・式（１）
β＝Σｗｙｉ・Ｄｙｉ ・・・・・式（２）
ただし、
Σ：ｉ＝１、２、・・・、ｎに対する総和演算子
ｉ：構造物に設置した前記変位検出手段の番号
ｎ：構造物に設置した前記変位検出手段の総数
Ｄｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分
ｗｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分に係る空間フィルタ荷重
Ｄｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分
ｗｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分に係る空間フィルタ荷重

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段を、構造物の前記所定方向の中央とそれを挟んだ対称の位置の３ヶ所に設置したので、上記の式（１）および式（２）を簡単な数式で表すことができ、演算手段による式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算を簡便に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段は、２軸または３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出するので、加速度センサを変位検出手段として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して様々なデータ処理を行うことで、変位以外の構造物の状態に関する多様な情報を得ることができる。このため、簡素で多機能なモニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段は、３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出し、前記演算手段は、前記疲労損傷保全指数を求めるとともに、前記加速度センサの出力から加速度最大値、計測震度および変形量の少なくとも一つを演算し、前記表示手段は、前記演算手段による演算結果を必要に応じて表示するので、加速度センサを変位検出手段として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して様々なデータ処理を行うことで、変位以外の構造物の状態に関する多様な情報を得ることができる。このため、簡素で多機能なモニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、構造物が橋梁であり、前記変位検出手段を前記橋梁の橋軸方向に間隔を隔てて少なくとも３か所に設置し、橋梁の橋軸方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で水平方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、車両通行、強風および地震等により発生する橋梁の繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す前記疲労損傷保全指数を求めるので、橋梁の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも橋梁の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能なモニタリングシステムを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記疲労損傷保全指数を、αおよびβの少なくとも一方に基づいて算出した１０ｔ車換算の軸数を累計することによって得られる累計値に基づく値としたので、疲労進行状況が把握でき、過去からの継続データより未来の疲労進行を推定することができ、構造物の補修等のメンテナンス計画を策定できるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムの実施の形態を示す概略構成図である。 図２は、鉛直方向変位（Ｚ軸成分）の車両位置による変化を示す図であり、車両が橋桁端に位置する場合の図である。 図３は、鉛直方向変位（Ｚ軸成分）の車両位置による変化を示す図であり、車両が橋桁中央に位置する場合の図である。 図４は、出力αの時間的変化の概念図である。

以下に、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムの実施の形態について、構造物が橋梁である場合を例にとり、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明のモニタリング対象の橋梁１０は、橋脚１２に支持された床版１４の上を車両が通行する桁橋で構成されている。本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステム１００は、床版１４の上面側に設けた変位検出手段１６と、橋梁１０の近傍に設けた演算装置１８（演算手段）とを備える。なお、変位検出手段１６の設置位置は床版１４の上面に限定されるものではなく、例えば床版１４の内部や下面側に設けるようにしてもよい。また、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステム１００は、橋梁１０から遠く離れた場所にある管理室２０内に設けられた管理サーバー２２をさらに備える。この管理サーバー２２はインターネット等の通信手段２４を通じて演算装置１８と接続されており、表示手段としてのモニタ２６を備えている。モニタ２６は演算装置１８による演算結果を表示できるようになっている。管理室２０に居る管理者は、モニタ２６の表示を見ることで橋梁１０の状態をリアルタイムでモニタリングすることが可能である。

変位検出手段１６は、３軸の加速度センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃを用いて構成され、加速度センサの出力を２回積分することによって、通行車両および地震や強風などにより橋梁１０に発生する変位を検出するものである。加速度センサ２８ａ〜２８ｃは、床版１４の橋軸方向（所定方向）に間隔を隔てた３か所に設置されている。より具体的には、加速度センサ２８ａ〜２８ｃは、床版１４の橋軸方向の中央部ＣＬに位置する点ｂとそれを挟んだ対称の位置に設けた点ａおよび点ｃに等間隔Ｌで設置される。なお、３軸の加速度センサの代わりに２軸の加速度センサを用いてもよい。

各加速度センサ２８ａ〜２８ｃはハブ３０を通して記録装置３２および演算装置１８にイーサネット（登録商標）により接続されている。各加速度センサ２８ａ〜２８ｃは記録装置３２から時刻配信を受け、その時刻により±１ｍｓｅｃ以内の精度で同期した測定を行う。各加速度センサ２８ａ〜２８ｃの測定結果はハブ３０を介して記録装置３２に配信される。

記録装置３２は、各加速度センサ２８ａ〜２８ｃより配信された測定データを一次保管するとともに、配信された加速度データを２回積分して各測定点ａ，ｂ，ｃの変位を計算することで変位を検出する変位検出手段１６としての機能を有している。記録装置３２での計算結果や測定データは、必要に応じて管理室２０の管理サーバー２２にルーター３４を介してインターネット等の通信手段２４により配信される。

ここで、記録装置３２は、図示しないＧＰＳ装置または電波時計と接続して絶対時刻の補正を行っている。なお、このようにする代わりに、図示しないインターネット上のＮＴＰサーバーあるいは管理サーバー２２から時刻配信を適時受け絶対時刻の補正を行う構成とすることもできる。また、記録装置３２は各加速度センサ２８ａ〜２８ｃへの時刻配信のみを行い、各加速度センサ２８ａ〜２８ｃの測定データは図示しないローカルサーバー等の別のデータ処理装置に配信し、計算とデータの保管を行うとともに、管理サーバー２２に計算結果と、必要に応じて測定データとを配信する構成とすることも可能である。

演算装置１８は、検出した変位に基づいて演算処理を行う演算手段であり、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成される。この演算装置１８は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関してそれぞれ下記の式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算処理をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、疲労損傷保全指数を求める。ここで、疲労損傷保全指数とは、車両通行、強風および地震など（構造物に作用する力）により発生する橋梁の繰り返し変形による疲労を評価する指標のことである。

α＝Σｗｚｉ・Ｄｚｉ ・・・・・式（１）
β＝Σｗｙｉ・Ｄｙｉ ・・・・・式（２）

ただし、
Σ：ｉ＝１、２、・・・、ｎに対する総和演算子
ｉ：橋梁（構造物）に設置した加速度センサ（変位検出手段１６）の番号
ｎ：橋梁（構造物）に設置した加速度センサ（変位検出手段１６）の総数
Ｄｚｉ：ｉ番目の加速度センサ（変位検出手段１６）で検出した変位のＺ軸成分
ｗｚｉ：ｉ番目の加速度センサ（変位検出手段１６）で検出した変位のＺ軸成分に係る空間フィルタ荷重
Ｄｙｉ：ｉ番目の加速度センサ（変位検出手段１６）で検出した変位のＹ軸成分
ｗｙｉ：ｉ番目の加速度センサ（変位検出手段１６）で検出した変位のＹ軸成分に係る空間フィルタ荷重

次に、本実施の形態における演算装置１８による空間フィルタ演算処理の具体例について説明する。

まず、橋梁１０の床版１４に等間隔に配置された各測定点（点ａ、点ｂ、点ｃ）の変位の各軸成分（加速度センサからの計算値）を下記のように表示するものとする。

Ｘ軸成分：Ｄｘａ， Ｄｘｂ， Ｄｘｃ
Ｙ軸成分：Ｄｙａ， Ｄｙｂ， Ｄｙｃ
Ｚ軸成分：Ｄｚａ， Ｄｚｂ， Ｄｚｃ

ここで、Ｄｘａ、Ｄｙａ、Ｄｚａは点ａに関する成分、Ｄｘｂ、Ｄｙｂ、Ｄｚｂは点ｂに関する成分、Ｄｘｃ、Ｄｙｃ、Ｄｚｃは点ｃに関する成分である。

（Ｚ軸方向の曲げに関する空間フィルタ演算処理の例）
上記の式（１）により、点ｂにおけるＺ軸方向の曲げに関する曲げ応力に比例する量αは以下のように表せる。なお、参考として、鉛直方向変位（Ｚ軸成分）の車両位置による変化を図２および図３に示す。また、αの時間的変化のイメージを図４に示す。

α＝（Ｄｚａ−Ｄｚｂ）−（Ｄｚｂ−Ｄｚｃ）
この右辺を整理すると次式（３）が得られる。

α＝Ｄｚａ−２Ｄｚｂ＋Ｄｚｃ ・・・・式（３）

なお、上記の式（３）は、一般化された表示形式の上記の式（１）を、橋軸方向の中央部ＣＬに位置する点ｂと、それを挟んだ対称の位置に設けた点ａおよび点ｃによる空間フィルタ演算に特化した式ということができる。測定点ａ，ｂ，ｃを等間隔で配置することで、上記の式（１）および式（２）を簡単な数式で表すことができ、演算装置１８による空間フィルタ演算を簡便に行うことができる。

上記の式（３）により得られるαには、下記の特徴がある。
（１）点ｂを中心とする橋梁１０の床版１４の曲がり具合（曲げ応力）に比例している。
（２）上下平行移動的な揺れの影響は除去・低減される。
（３）点ｂを中心とする直線的な変位・変化の影響は除去・低減される。

したがって、演算装置１８は、上記の式（３）により算出したαに基づく演算処理を行うことで、橋梁１０のモニタリングにおいて本来不必要である直線的な変位・変化の影響を除去・低減した指標を得ることができる。

例えば、演算装置１８は、以下に示すような演算処理を行ってもよい。まず、算出したαを次式（４）に代入することで、軸重量Ｗｚを求める。

Ｗｚ＝ｆｚ（α） ・・・・式（４）

ここで、ｆｚは予め設定した既知の関数である。

上記の式（４）で求めた軸重量Ｗｚを下記の式（５）に代入して、１０ｔ車換算軸数Ｗ１０ｔｃを算出し、さらに下記の式（６）によってその累計値を算出することで、１０ｔ車換算累積軸数Ｎを算出する。

Ｗ１０ｔｃ＝ｆ２ｚ（Ｗｚ） ・・・・・式（５）
Ｎ＝Σ（Ｗ１０ｔｃ） ・・・・・・・・式（６）

ここで、ｆ２ｚは予め設定した既知の関数である。

（Ｙ軸方向の曲げに関する空間フィルタ演算処理の例）
また、演算装置１８は、Ｙ軸方向の曲げに関しても上記のＺ軸の場合と同様にして、以下のような演算処理を行う。点ｂにおけるＹ軸方向の曲げに関する曲げ応力に比例する量βは次式（７）のように表せる。なお、上述したように、測定点ａ，ｂ，ｃを等間隔で配置したことで、上記の式（２）を次式（７）という簡単な数式で表すことができ、演算装置１８による空間フィルタ演算を簡便に行うことができる。

β＝Ｄｙａ−２Ｄｙｂ＋Ｄｙｃ ・・・・・式（７）

演算装置１８は、上記の式（７）により算出したβに基づく演算処理を行うことで、地震や強風等によって橋梁１０に作用する水平方向（橋軸直角方向）の曲げ応力の影響を考慮した指標を得ることができる。

上述したように、本発明では、上記のＺ軸成分、Ｙ軸成分に関する空間フィルタ演算処理によってαおよびβを算出し、算出したαおよびβに基づいて車両の通行の影響による１０ｔ車換算累積軸数Ｎのみならず、地震や強風その他の影響をも含めた指標である疲労損傷保全指数を算出することで、これらを劣化指標として用いることができる。

ここで、疲労損傷保全指数としては、αおよびβの少なくとも一方に基づいて算出した１０ｔ車換算の軸数を累計することによって得られる累計値（以下、Ｎ＋と表記する。）を採用することができる。この疲労損傷保全指数Ｎ＋は、例えば下記の式（８）、式（９）、式（１０）を用いて算出することが可能である。

Ｗｚ１＝ｆ３ｚ（α，β） ・・・・式（８）
Ｗ１０ｔｃ１＝ｆ４ｚ（Ｗｚ１） ・・・・・式（９）
Ｎ＋＝Σ（Ｗ１０ｔｃ１） ・・・・・・・・式（１０）

ここで、ｆ３ｚ、ｆ４ｚは予め設定した既知の関数である。

式（１０）を用いて算出した疲労損傷保全指数Ｎ＋を劣化指標として用いることで、変位のＺ軸成分による疲労損傷のみならず、変位のＹ軸成分による影響も考慮することができ、橋梁１０の疲労劣化をより高精度で評価することができる。

そして、得られた疲労損傷保全指数Ｎ＋に基づき橋梁１０の詳細点検時期や優先順位を決定し、橋梁１０の予防保全の効率化と省力化に資することが可能である。また、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステム１００が、地震や台風等の災害発生時に個々の橋梁１０に関する被害状況の一次情報をリアルタイムに提供することで、管理者は初動判断を短時間で行えるため、緊急点検の出動判断に活用することもできる。

このように、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステム１００によれば、加速度センサを空間的に分散配置し、空間フィルタの考えに基づく演算処理を用いることで、車両通行、強風および地震などにより発生する橋梁１０の繰り返し変形による疲労を評価する指標である疲労損傷保全指数Ｎ＋を求めることができる。この疲労損傷保全指数Ｎ＋を評価指標として用いることで、橋梁１０の疲労劣化をより高精度で評価することが可能となる。

また、本発明では、加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出するので、加速度センサを変位検出手段１６として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して様々なデータ処理を行うことで、変位以外の橋梁１０の状態に関する多様な情報を得ることができる。このため、本発明によれば、簡素で多機能なモニタリングシステムを提供することができる。

また、上記の実施の形態において、演算装置１８は、疲労損傷保全指数Ｎ＋を求めるとともに、３軸の加速度センサの出力から例えば加速度最大値、計測震度および変形量の少なくとも一つを演算するようにしてもよい。そして、管理サーバー２２のモニタ２６は、演算装置１８による演算結果を必要に応じて表示するようにしてもよい。このようにすることで、３軸の加速度センサを変位検出手段１６として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して演算装置１８が様々なデータ処理を行うことで、変位以外の橋梁１０の状態に関する多様な情報を得ることができる。なお、得られる情報としては、例えば以下の（１）〜（８）のような情報が挙げられる。このため、本発明によれば、加速度センサを少なくとも３つ用いた簡素で、かつ、橋梁の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能なモニタリングシステムを提供することができる。

（１）橋梁の揺れ加速度
（２）橋梁の変形・変位
（３）通過車両の軸重量Ｗｚ
（４）１０ｔ車換算累積軸数Ｎ
（５）βによる水平横方向の変形影響（強風や地震等の影響）
（６）地震の影響
（７）１０ｔ車換算累積軸数Ｎに地震、強風、日照、積雪等による変形の影響を考慮した疲労損傷保全指数Ｎ＋
（８）車速および大まかな車種判別

上述したように、上記の情報についてのモニタリング結果を用いて総合的な解析を行うことで、橋梁の状態変化を察知することができ、橋梁検査の優先順位付けが行え、効率的な検査計画の立案に役立つ。特に疲労損傷保全指数Ｎ＋は車両の通過による疲労損傷のみならず、地震や強風などの影響も考慮された指数となっており、従来の車両重量計測装置を用いた評価よりも正確な評価が得られるという効果を奏する。また、地震や台風などの災害発生時には、本発明に係る予防保全モニタリングシステムを介してオンラインで橋梁のモニタリングができるため、緊急情報がリアルタイムで得られ、災害発生時に迅速な対応が可能となるという効果を奏する。

なお、上記の実施の形態において、モニタリング対象の構造物が橋梁の床版である場合について説明したが、本発明は橋梁の床版に限るものではなく、例えば、ドーム状の構造物やアーチ状の構造物などに対しても同様に適用することが可能であり、いずれにしても本発明と同一の作用効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、構造物において所定方向に間隔を隔てた少なくとも３か所に設置され、前記各位置の変位を検出する変位検出手段と、前記変位検出手段で検出した変位に基づいて演算処理を行う演算手段と、前記演算手段による演算結果を表示する表示手段とを備えた構造物の予防保全モニタリングシステムにおいて、構造物の前記所定方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ軸およびＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関してそれぞれ下記の式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、構造物に作用する力により発生する繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す疲労損傷保全指数を求めるので、構造物の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも構造物の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能なモニタリングシステムを提供することができる。
α＝Σｗｚｉ・Ｄｚｉ ・・・・・式（１）
β＝Σｗｙｉ・Ｄｙｉ ・・・・・式（２）
ただし、
Σ：ｉ＝１、２、・・・、ｎに対する総和演算子
ｉ：構造物に設置した前記変位検出手段の番号
ｎ：構造物に設置した前記変位検出手段の総数
Ｄｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分
ｗｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分に係る空間フィルタ荷重
Ｄｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分
ｗｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分に係る空間フィルタ荷重

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段を、構造物の前記所定方向の中央とそれを挟んだ対称の位置の３ヶ所に設置したので、上記の式（１）および式（２）を簡単な数式で表すことができ、演算手段による式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算を簡便に行うことができる。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段は、２軸または３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出するので、加速度センサを変位検出手段として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して様々なデータ処理を行うことで、変位以外の構造物の状態に関する多様な情報を得ることができる。このため、簡素で多機能なモニタリングシステムを提供することができる。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記変位検出手段は、３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出し、前記演算手段は、前記疲労損傷保全指数を求めるとともに、前記加速度センサの出力から加速度最大値、計測震度および変形量の少なくとも一つを演算し、前記表示手段は、前記演算手段による演算結果を必要に応じて表示するので、加速度センサを変位検出手段として用いることができるとともに、この加速度センサの出力に対して様々なデータ処理を行うことで、変位以外の構造物の状態に関する多様な情報を得ることができる。このため、簡素で多機能なモニタリングシステムを提供することができる。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、構造物が橋梁であり、前記変位検出手段を前記橋梁の橋軸方向に間隔を隔てて少なくとも３か所に設置し、橋梁の橋軸方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で水平方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、前記演算手段は、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、車両通行、強風および地震等により発生する橋梁の繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す前記疲労損傷保全指数を求めるので、橋梁の疲労劣化をより高精度で評価することができ、しかも橋梁の状態に関する多様な情報をモニタリングできる多機能なモニタリングシステムを提供することができる。

また、本発明に係る他の構造物の予防保全モニタリングシステムによれば、前記疲労損傷保全指数を、αおよびβの少なくとも一方に基づいて算出した１０ｔ車換算の軸数を累計することによって得られる累計値に基づく値としたので、疲労進行状況が把握でき、過去からの継続データより未来の疲労進行を推定することができ、構造物の補修等のメンテナンス計画を策定することができる。

以上のように、本発明に係る構造物の予防保全モニタリングシステムは、橋梁などの構造物を予防保全するためにモニタリングする場合に有用であり、特に、構造物の疲労劣化をより高精度で評価し、構造物の状態に関する多様な情報をモニタリングするのに適している。

１０ 橋梁（構造物）
１２ 橋脚
１４ 床版（構造物）
１６ 変位検出手段
１８ 演算装置（演算手段）
２０ 管理室
２２ 管理サーバー
２４ 通信手段
２６ モニタ（表示手段）
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ 加速度センサ（変位検出手段）
３０ ハブ
３２ 記録装置
３４ ルーター
１００ 構造物の予防保全モニタリングシステム

Claims (6)

1. 構造物において所定方向に間隔を隔てた少なくとも３か所に設置され、前記各位置の変位を検出する変位検出手段と、
   前記変位検出手段で検出した変位に基づいて演算処理を行う演算手段と、
   前記演算手段による演算結果を表示する表示手段とを備えた構造物の予防保全モニタリングシステムにおいて、
   構造物の前記所定方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ軸およびＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、
   前記演算手段は、Ｚ軸成分およびＹ軸成分に関してそれぞれ下記の式（１）および式（２）を用いた空間フィルタ演算をすることで、Ｚ軸方向およびＹ軸方向の曲げ応力に比例する量αおよびβを算出し、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、構造物に作用する力により発生する繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す疲労損傷保全指数を求めることを特徴とする構造物の予防保全モニタリングシステム。
   α＝Σｗｚｉ・Ｄｚｉ ・・・・・式（１）
   β＝Σｗｙｉ・Ｄｙｉ ・・・・・式（２）
   ただし、
   Σ：ｉ＝１、２、・・・、ｎに対する総和演算子
   ｉ：構造物に設置した前記変位検出手段の番号
   ｎ：構造物に設置した前記変位検出手段の総数
   Ｄｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分
   ｗｚｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＺ軸成分に係る空間フィルタ荷重
   Ｄｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分
   ｗｙｉ：ｉ番目の前記変位検出手段で検出した変位のＹ軸成分に係る空間フィルタ荷重
2. 前記変位検出手段を、構造物の前記所定方向の中央とそれを挟んだ対称の位置の３ヶ所に設置したことを特徴とする請求項１に記載の構造物の予防保全モニタリングシステム。
3. 前記変位検出手段は、２軸または３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の構造物の予防保全モニタリングシステム。
4. 前記変位検出手段は、３軸の加速度センサを用いて構成され、前記加速度センサの出力を２回積分することによって変位を検出し、前記演算手段は、前記疲労損傷保全指数を求めるとともに、前記加速度センサの出力から加速度最大値、計測震度および変形量の少なくとも一つを演算し、前記表示手段は、前記演算手段による演算結果を必要に応じて表示することを特徴とする請求項１または２に記載の構造物の予防保全モニタリングシステム。
5. 構造物が橋梁であり、前記変位検出手段を前記橋梁の橋軸方向に間隔を隔てて少なくとも３か所に設置し、橋梁の橋軸方向をＸ軸、Ｘ軸に垂直な面内で水平方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸として、前記変位検出手段で検出した変位を前記各軸成分に分解し、
   前記演算手段は、算出したαおよびβの少なくとも一方に基づいて、車両通行、強風および地震等により発生する橋梁の繰り返し変形による疲労を評価する指標を表す前記疲労損傷保全指数を求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の構造物の予防保全モニタリングシステム。
6. 前記疲労損傷保全指数を、αおよびβの少なくとも一方に基づいて算出した１０ｔ車換算の軸数を累計することによって得られる累計値に基づく値としたことを特徴とする請求項５に記載の構造物の予防保全モニタリングシステム。

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