JP2016061573A - 構造物健全度推定装置、構造物健全度推定システム、構造物健全度推定方法、および、コンピュータ・プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】外部環境の変化に影響されにくい構造物健全度推定技術を提供すること。【解決手段】第１構造物９１の第１固有振動数と、第１構造物９１の一部または全部に共通する共通構造９０を含む第２構造物９２の第２固有振動数とを算出する固有振動数算出部１１と、第１固有振動数と、第２固有振動数と、第１構造物９１および第２構造物９２の質量差とに基づいて、共通構造９０の等価質量実測値を算出する等価質量実測値算出部１２と、共通構造９０の等価質量基準値を算出する等価質量基準値算出部１３と、等価質量基準値および等価質量実測値に基づく指標を算出する指標算出部１４と、指標に基づいて共通構造９０の健全度を推定する健全度推定部１５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の健全度を推定する技術に関する。

橋やビルなどの構造物は、建設後年月が経つにつれて気象・地震・その他外部刺激によって劣化し、健全でない状態に至る。なお、構造物の材質および構造が本来の機能を果たせる状態にあることを、「健全である」とみなすものとする。構造物が健全か否かを推定する方法として、構造物の固有振動数を用いる技術が知られている。

例えば、特許文献１には、橋台等の構造物の健全度を診断する関連技術が記載されている。この関連技術は、重鎮による鉛直方向の打撃により構造物に発生した振動を計測し、計測した振動データから構造物の固有振動数実測値を算出する。そして、この関連技術は、算出した固有振動数実測値に基づいて、構造物の健全度を診断する。

また、特許文献２には、背後に地盤を有する構造物の健全度を診断する関連技術が記載されている。この関連技術は、起振機により水平方向に振動させた構造物の振動を計測し、計測した振動データから構造物の固有振動数実測値を算出する。そして、この関連技術は、算出した固有振動数実測値に基づいて、構造物の健全度を診断する。

特許文献１および特許文献２に記載された各関連技術は、算出した固有振動数実測値と、過去に算出した固有振動数実測値との比較や、構造物のモデルから算出した固有振動数解析値との比較により、健全度を診断する。

また、特許文献３には、アンカーボルトの腐食減肉を診断する関連技術が記載されている。この関連技術は、コンクリート基礎から露頭したアンカーボルトの露頭部を打撃振動させることによりその固有振動数を測定する。そして、この関連技術は、その測定結果を、正常なアンカーボルトの固有振動数と比較することにより、アンカーボルトの腐食減肉量および不健全度の度合いを診断する。

このように、これらの関連技術は、構造物の材質あるいは構造変化が生じると、それが構造物の固有振動数の変化となって現れることを利用し、固有振動数の変化に基づいて、構造物が健全か否かを判断している。

特開２００７−５１８７３公報 特許第５０８７４２５号 特許第４１９０３４０号

しかしながら、上述した関連技術には、固有振動数が外部環境の影響を受けることにより診断精度が十分でないという課題がある。

具体的には、固有振動数は、構造物の材質および構造変化によってだけでなく、温度や湿度などの外部環境によっても変化する。このため、外部環境が異なる環境で計測された固有振動数を同列に比較することは困難である。たとえば、構造物を支える基礎や地盤の水分量の変化によっても、構造物の固有振動数は変化する。しかしながら、上述した関連技術は、固有振動数が外部環境により変化することを考慮していないため、診断精度が十分でない。

そこで、固有振動数を指標として健全か否かを推定するために、温度・湿度等の外部環境データと共に、固有振動数・劣化状態に関するデータを蓄積して回帰式を作成する方法が考えられる。これにより、温度・湿度などの外部環境が固有振動数にどのように影響するかを考慮した上で、固有振動数を指標とした診断が可能となる。しかしながら、この場合、データの組合せが多くなり、データ採取作業が煩雑になるという課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、外部環境の変化に影響されにくい構造物健全度推定技術を提供することを目的とする。

本発明の構造物健全度推定装置は、第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出する固有振動数算出部と、前記第１固有振動数と、前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出する等価質量実測値算出部と、前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出する等価質量基準値算出部と、前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出する指標算出部と、前記指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する健全度推定部と、を備える。

また、本発明の構造物健全度推定システムは、第１構造物、および、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の振動を検出する振動検出装置と、前記振動検出装置により検出される信号に基づいて前記第１構造物および前記第２構造物の固有振動数を算出することにより、前記共通構造の健全度を推定する上述の構造物健全度推定装置と、を備える。

また、本発明の構造物健全度推定方法は、第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出し、算出した前記第１固有振動数および前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出し、前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出し、前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出し、算出した指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する。

また、本発明の他の構造物健全度推定方法は、第１構造物、および、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の振動を検出し、検出した信号に基づいて、前記第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出し、算出した前記第１固有振動数および前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出し、前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出し、前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出し、算出した指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する。

また、本発明のコンピュータ・プログラムは、第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出する固有振動数算出ステップと、前記第１固有振動数と、前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出する等価質量実測値算出ステップと、前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出する等価質量基準値算出ステップと、前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出する指標算出ステップと、前記指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する健全度推定ステップと、をコンピュータ装置に実行させる。

本発明は、外部環境の変化に影響されにくい構造物健全度推定技術を提供することができる。

本発明の実施の形態としての構造物健全度推定システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態としての構造物健全度推定システムのハードウェア構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態において用いる付加質量法を説明する模式図である。 本発明の実施の形態としての構造物健全度推定システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における共通構造の具体例について説明する図である。 本発明の実施の形態における固有振動数の計測の一例について説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態としての構造物健全度推定システム１の構成を図１に示す。図１において、構造物健全度推定システム１は、構造物健全度推定装置１０と、２つの振動検出装置２０（振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２）とを含む。振動検出装置２０＿１は、第１構造物９１の振動を検出可能に設置される。また、振動検出装置２０＿２は、第２構造物９２の振動を検出可能に設置される。また、構造物健全度推定装置１０は、振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２と、有線通信、無線通信、または、これらの組合せによって構成されるネットワークを介して接続される。

また、第１構造物９１および第２構造物９２は、共通構造９０を含む。第１構造物９１は、共通構造９０そのものであってもよい。あるいは、第１構造物９１は、共通構造９０および第１計測治具からなっていてもよい。つまり、共通構造９０は、第１構造物９１の一部または全部であってもよい。また、第２構造物９２は、共通構造９０および第２計測治具からなる。ここで、共通構造９０は、本実施の形態における健全度の推定対象となる構造物（健全度推定対象構造物）である。つまり、第１構造物９１および第２構造物９２の組合せは、次の（ａ）および（ｂ）のいずれであってもよい。
（ａ）第１構造物９１が健全度推定対象構造物であり、第２構造物９２が計測治具を付加した健全度推定対象構造物である。
（ｂ）第１構造物９１が第１計測治具を付加した健全度推定対象構造物であり、第２構造物９２が第２計測治具を付加した健全度推定対象構造物である。
なお、いずれの場合も、健全度推定対象構造物に付加される計測治具（第１計測治具および第２計測治具）は、それぞれ質量が既知であるものとする。

また、振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２は、それぞれ、対象となる構造物（第１構造物９１または第２構造物９２）の振動を検出し、検出信号を構造物健全度推定装置１０に送信する。ここで、振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２は、それぞれ、図２に示すように、センサ２００１と、ネットワークインタフェース２００２とを含む。センサ２００１は、第１構造物９１および第２構造物９２の固有振動数を算出するために必要な信号を検出可能な機器（例えば、振動センサ等）であればよい。また、振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２は、図示のハードウェア要素の他、アンプ、Ａ／Ｄ（analog to digital）変換器等を含んでいてもよい。ただし、Ａ／Ｄ変換については、構造物健全度推定装置１０側で実行されるように構成してもよい。なお、振動検出装置２０＿１および振動検出装置２０＿２の構成は、上述の構成に限定されない。

また、図１において、構造物健全度推定装置１０は、固有振動数算出部１１と、等価質量実測値算出部１２と、等価質量基準値算出部１３と、指標算出部１４と、健全度推定部１５とを含む。ここで、構造物健全度推定装置１０は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１００１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１００２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１００３と、ハードディスク等の記憶装置１００４と、ネットワークインタフェース１００５と、入力装置１００６と、出力装置１００７とを備えたコンピュータ装置によって構成可能である。この場合、固有振動数算出部１１は、ネットワークインタフェース１００５と、ＲＯＭ１００３または記憶装置１００４に記憶されたコンピュータ・プログラムおよび各種データをＲＡＭ１００２に読み込んで実行するＣＰＵ１００１とによって構成される。また、等価質量実測値算出部１２と、等価質量基準値算出部１３と、指標算出部１４とは、ＲＯＭ１００３または記憶装置１００４に記憶されたコンピュータ・プログラムおよび各種データをＲＡＭ１００２に読み込んで実行するＣＰＵ１００１によって構成される。また、健全度推定部１５は、出力装置１００７と、ＲＯＭ１００３または記憶装置１００４に記憶されたコンピュータ・プログラムおよび各種データをＲＡＭ１００２に読み込んで実行するＣＰＵ１００１とによって構成される。なお、構造物健全度推定装置１０およびその各機能ブロックの構成は、上述の構成に限定されない。

次に、構造物健全度推定装置１０の各機能ブロックについて説明する前に、本実施の形態で用いる付加質量法および本実施の形態における構造物健全度推定方法の原理について説明する。

＜付加質量法＞
付加質量法とは、振動系の等価質量を求める公知の方法である。付加質量法は、振動する構造物を単純な振動系にモデル化し、構造物に既知質量を付加する場合と、付加しない場合とについて、２通りの固有振動数を計測する。そして、付加質量法は、その２つの固有振動数に基づいて、構造物の等価質量を算出する。

図３は、付加質量法について説明するための模式図である。図３において、振動系１は、振動する構造物がモデル化された振動系を示す。また、振動系２は、振動系１に既知質量ｍａを付加した振動系を示す。ここで、振動系１で計測された固有振動数をω０、振動系２で計測された固有振動数をωａとする。これらの固有振動数ω０およびωａは、それぞれ、図３に示す固有振動数式によって表される。この場合、振動系１の等価質量ｍは、固有振動数ω０、ωａ、および付加質量ｍａの３つの情報から、次式（１）によって算出することができる。

等価質量とは、振動系の中での構造物の質量を表す物性値である。構造物に材質的あるいは構造的な変化が生じれば、その変化は等価質量に現れると考えられる。したがって、等価質量は、構造物が健全か否かを推定する因子になりうる。ただし、個々の構造物の質量は異なるため、等価質量そのものを健全か否かの指標とすることはできない。

＜本実施の形態における構造物健全度推定方法の原理＞
本実施の形態において利用する原理について説明する。まず、固有振動数の変化に対する等価質量の感度について考える。付加質量法によって計算される等価質量の逆数は、

と、表される。ここで、温度や湿度などの外部環境変化によって、固有振動数ω０とωａが、Δωだけ変化したと仮定する。その環境における等価質量の逆数は、

と、表される。なお、付加質量ｍａの外部環境変化による質量変化は無視できるものとする。式（３）の分子に注目して、Δω≪ω０、Δω≪ωａ、と妥当な過程をおくと、式（４）のように近似できる。

この近似によって、固有振動数の変化Δωによる式（１）と式（２）の差は、

と表されることがわかる。ただし微小項を無視した。ここで、ωａ＝ω０−２Δωと仮定すれば、

となる。

式（６）は、ω０とωａの差をある程度小さく保つように付加質量ｍａの値を設定することで、固有振動数変化Δωの影響である式（５）の値を低減できることを示している。つまり、付加質量法で算出される等価質量の逆数は、固有振動数の変化の影響を受けにくくすることが可能である。

等価質量は個々の構造物によって異なるため、振動系の等価質量の基準値と、付加質量法で算出された等価質量との比をとることで、構造物の個体差を低減した指標が得られる。例えば、付加質量法で算出した構造物の等価質量の逆数である式（２）と、構造物の等価質量の基準値ｍｅとの積は、次式（７）で表される。

式（７）によって算出されるｆは、付加質量法で算出した構造物の等価質量と、等価質量の基準値ｍｅとの比であるといえる。このような比の値ｆに基づく指標により、構造物の健全度を推定することが可能である。なお、式（７）において、等価質量の基準値ｍｅは、構造物の質量そのものであってもよい。また、等価質量の基準値ｍｅは、レイリー法（エネルギー法）を用いて解析的に算出される等価質量の値であってもよい。レイリー法とは、静的ひずみによるエネルギーと時間変動するたわみによる運動エネルギーとが等しいという仮定をおいて、振動系を解析する方法である。例えば、単純な片持ち梁（丸棒、密度ρ、断面積Ｓ、長さＬ、質量Ｍ）の等価質量ｍｅは、レイリー法によって次式（８）を用いて算出される。

以上、本実施の形態で用いる原理について説明した。このように、本実施の形態は、式（７）に基づく指標を用いて、構造物が健全か否かを判断する。

次に、構造物健全度推定装置１０の各機能ブロックについて詳細に説明する。

固有振動数算出部１１は、第１構造物９１の固有振動数（第１固有振動数）と、第２構造物９２の固有振動数（第２固有振動数）とを算出する。具体的には、固有振動数算出部１１は、振動検出装置２０＿１および２０＿２からそれぞれ取得する検出信号に基づいて、各固有振動数を算出する。例えば、固有振動数算出部１１は、第１構造物９１および第２構造物９２に対する加振による振動応答信号を、振動検出装置２０から取得する。そして、固有振動数算出部１１は、加振信号および振動応答信号に基づいて、固有振動数を算出してもよい。なお、この場合、固有振動数算出部１１は、第１構造物９１および第２構造物９２に対する加振を行う加振装置から加振信号を得てもよい。

等価質量実測値算出部１２は、第１固有振動数と、第２固有振動数と、第１構造物９１および第２構造物９２の質量差とに基づいて、共通構造９０の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出する。具体的には、等価質量実測値算出部１２は、固有振動数算出部１１によって算出された第１固有振動数をω０とし、第２固有振動数をωａとして、式（１）を用いて等価質量実測値ｍを算出すればよい。なお、等価質量実測値算出部１２は、第１構造物９１および第２構造物９２の質量差ｍａを、第１計測治具および第２計測治具の質量に基づいて算出可能である。例えば、等価質量実測値算出部１２は、第１計測治具および第２計測治具の質量を、記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得してもよい。もし、第１構造物９１および第２構造物９２が前述した組合せ（ａ）である場合、等価質量実測値算出部１２は、質量差ｍａとして、第２計測治具の質量を適用すればよい。また、組合せ（ｂ）である場合、等価質量実測値算出部１２は、質量差ｍａとして、第１計測治具および第２計測治具の質量差を適用すればよい。その他、質量差ｍａがあらかじめ算出されている場合も考えられる。この場合、等価質量実測値算出部１２は、質量差ｍａを、記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得して式（１）に適用すればよい。

等価質量基準値算出部１３は、共通構造９０の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出する。例えば、等価質量基準値算出部１３は、共通構造９０が片持ち梁である場合、式（８）を用いて、その等価質量基準値ｍｅを算出すればよい。なお、この場合、等価質量基準値算出部１３は、共通構造９０の密度ρ、断面積Ｓ、長さＬを、記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得すればよい。または、等価質量基準値算出部１３は、共通構造９０の質量Ｍを、記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得し、式（８）に適用してもよい。

指標算出部１４は、等価質量基準値ｍおよび等価質量実測値ｍｅに基づく指標を算出する。例えば、指標算出部１４は、式（７）を用いて算出される値ｆを指標としてもよい。また、例えば、指標算出部１４は、式（７）によって算出される値ｆを他の特徴量と組み合わせることにより、指標を算出してもよい。例えば、指標算出部１４は、式（７）による値ｆの経年変化率を、健全度の指標として算出してもよい。この場合、指標算出部１４は、過去に式（７）により算出された値ｆを、記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得してもよい。また、例えば、指標算出部１４は、同一形状の健全度推定対象構造物（共通構造９０）が複数ある場合には、複数の個体について式（７）による値ｆをそれぞれ算出してもよい。そして、この場合、指標算出部１４は、複数の値ｆの平均的な数値から各個体の値ｆがどれだけ外れているかを、健全度の指標として算出してもよい
健全度推定部１５は、算出された指標に基づいて、共通構造９０の健全度を推定する。ここで、健全度とは、構造物が健全である度合いを段階的に表す情報であってもよい。

以上のように構成された構造物健全度推定システム１の動作について、図４を参照して説明する。

ここでは、例えば、図５の左図に示すような構造物（ビル、鉄塔、電柱、街灯、アンカーボルト等）を健全度推定対象構造物（共通構造９０）とする例を中心に説明する。図５では、そのような共通構造９０を、片側支持倒立鋼棒に単純化し、さらに、集中定数振動系の倒立振子モデルにモデル化したものとする。また、ここでは、共通構造９０を第１構造物９１とし、共通構造９０に第２計測治具を付加した構造物を第２構造物９２とする。

図４では、まず、等価質量基準値算出部１３は、健全度推定対象構造物である共通構造９０の等価質量基準値ｍｅを算出する（ステップＳ１）。

ここでは、等価質量基準値算出部１３は、共通構造９０の材質および構造情報（密度ρ、断面積Ｓ、長さＬ、質量Ｍなど）を記憶装置１００４または入力装置１００６等から取得し、前述の式（８）を用いて等価質量基準値ｍｅを算出したものとする。

次に、固有振動数算出部１１は、第１構造物９１の第１固有振動数ω０を算出する（ステップＳ２）。

ここでは、第１固有振動数として、第１構造物９１の材質的および構造的特徴を端的に表現する振動の１次固有振動数を適用する。振動は、曲げ、縦、ねじり、回転、などいくつかの種類がある。そこで、第１構造物９１の材質的および構造的な特徴を考慮して振動の種類が選択されることが望ましい。

例えば、第１構造物９１を加振装置によって加振する場合、振動検出装置２０＿１は、加振による振動応答信号をセンサ２００１で検出し、構造物健全度推定装置１０に送信する。そして、固有振動数算出部１１は、加振信号と、振動応答信号とを取得し、両信号の周波数応答を計算する。そして、固有振動数算出部１１は、振動応答信号周波数応答を加振信号周波数応答で除した伝達関数を計算し、所望の振動種類の１次固有振動数を表す共振ピークを伝達関数から抽出すればよい。

例えば、第１構造物９１が、片側支持倒立鋼棒に単純化される共通構造９０からなる場合、鋼棒の構造的特徴を端的に合わせるのは曲げ振動である。この場合、図６の左図のように、鋼棒の先端部分を水平に加振して曲げ振動を発生させる。そして、銅棒の先端部分に取り付けた振動検出装置２０＿１によって、曲げ振動の振動応答信号を計測する。これにより、固有振動数算出部１１は、第１構造物９１の１次固有振動数（第１固有振動数ω０）を算出する。なお、振動検出装置２０＿１の質量は、共通構造９０（鋼棒）の質量に比べて無視できるくらい小さいと仮定している。

次に、固有振動数算出部１１は、第２構造物９２の第２固有振動数ωａを算出する（ステップＳ３）。

ここでは、ステップＳ２と略同様に、第２固有振動数が算出されるものとする。例えば、第２構造物９２が、片側支持倒立鋼棒に単純化される共通構造９０と、第２計測治具とからなる場合を想定する。この場合、図６の右図のように、質量既知の第２計測治具を鋼棒の先端部分に固定し、鋼棒の先端部分を水平に加振して曲げ振動を発生させる。そして、第２計測治具に取り付けた振動検出装置２０＿２により、曲げ振動の信号応答信号を計測する。これにより、固有振動数算出部１１は、第２構造物９２の１次固有振動数（第２固有振動数ωａ）を算出する。なお、振動検出装置２０＿２の質量は、共通構造９０（鋼棒）の質量に比べて無視できるくらい小さいと仮定している。

なお、ステップＳ１〜Ｓ３の動作は順不同である。これらは、この順に実行されなくてもよい。また、これらのステップの動作は、略同時に実行されてもよい。

次に、等価質量実測値算出部１２は、第１固有振動数ω０と、第２固有振動数ωａと、第１構造物９１および第２構造物９２の質量差ｍａとに基づいて、共通構造９０の等価質量実測値ｍを算出する（ステップＳ４）。

前述のように、等価質量実測値算出部１２は、記憶装置１００４または入力装置１００６等から得られる第１計測治具および第２計測治具の質量に基づいて、質量差ｍａを算出可能である。そして、等価質量実測値算出部１２は、ステップＳ２〜Ｓ３で求められたω０およびωａと、算出した質量差ｍａとを、式（１）に適用して等価質量実測値ｍを算出すればよい。

次に、指標算出部１４は、等価質量基準値ｍｅと等価質量実測値ｍとに基づく指標を算出する（ステップＳ５）。

前述のように、指標算出部１４は、式（７）に基づいて、等価質量基準値ｍｅと等価質量実測値ｍとの比ｆを求めてもよい。そして、指標算出部１４は、比の値ｆそのものを指標としてもよいし、ｆを他の特徴量と組み合わせた指標を算出してもよい。例えば、指標算出部１４は、値ｆの経年変化率を健全度の指標としてもよい。あるいは、指標算出部１４は、複数の同一形状の健全度推定対象構造物についてそれぞれ値ｆを算出し、それらの平均的な数値に対して各個体の値ｆがどれだけ外れているかを、健全度の指標としてもよい。

次に、健全度推定部１５は、ステップＳ５で求めた指標に基づいて、共通構造９０の健全度を推定し、出力装置１００７に出力する（ステップＳ６）。

前述のように、健全度は、健全度の度合いを段階的に表した情報であってもよい。

以上で、構造物健全度推定システム１は、動作を終了する。

なお、本実施の形態の動作の説明において、固有振動数算出部１１が、第１固有振動数および第２固有振動数として、それぞれ１次固有振動数を求める例を説明した。この他、固有振動数算出部１１は、第１固有振動数および第２固有振動数として、それぞれ２次あるいは高次の固有振動数を求めてもよい。

また、本実施の形態において、指標算出部１４は、式（７）を用いて算出される比に基づいて指標を算出する例を中心に説明した。この他、指標算出部１４は、式（７）の分母および分子を逆にした式を用いて算出される比に基づいて、指標を算出してもよい。ただし、分母および分子を逆にした比は、式（６）における微小項を分母に含む。そのため、式（７）による比に比べて、固有振動数の変化による影響が大きくなる。

また、本実施の形態において、等価質量実測値算出部１２は、第１構造物９１および第２構造物９２の各振動系の質量だけが異なるものと仮定して、等価質量実測値を算出する例について説明した。この他、第１構造物９１および第２構造物９２の各振動系について、質量に加えてばね定数（剛性定数）が異なる場合についても、本実施の形態は適用可能である。この場合、ばね定数の差分ｋａが解析可能であればよい。具体的には、等価質量実測値算出部１２は、式（１）の代わりに、次式（９）を用いて、等価質量実測値を算出すればよい。

ここで、外部環境変化によって固有振動数ω０およびωａが変化する場合の式（９）への影響は、式（０）よりも大きい。そうであっても、固有振動数ω０およびωａの変化に比べて、式（９）の変化は十分小さい。したがって、式（９）を式（８）に適用することにより、本実施の形態は、第１構造物９１および第２構造物９２の質量およびばね定数が異なる場合にも、外部環境変化に影響されにくい健全度の指標を得ることができる。

次に、本実施の形態の効果について述べる。

本発明の実施の形態としての構造物健全度推定システムは、外部環境の変化に影響されにくい指標を用いて構造物の健全度を推定することができる。

その理由は、共通構造を含む第１構造物および第２構造物について、固有振動数算出部が第１固有振動数および第２固有振動数を算出し、等価質量実測値算出部が、第１固有振動数と、第２固有振動数と、第１構造物および第２構造物の質量差とに基づいて、共通構造の等価質量実測値を算出するからである。そして、等価質量基準値算出部が、共通構造の等価質量基準値を算出し、指標算出部が、等価質量基準値および等価質量実測値に基づく指標を算出するからである。そして、健全度推定部が、算出された指標に基づいて共通構造の健全度を推定するからである。

このように、本実施の形態は、外部環境の変化による固有振動数の変化の影響を受けにくい等価質量実測値と、その基準値である等価質量基準値とに基づいて指標を算出する。その結果、本実施の形態は、外部環境の変化に大きく影響されることなく、構造物の健全度を推定することができる。

なお、本発明の実施の形態において、共通構造が片持ち梁である例を中心に説明したが、共通構造は、片持ち梁に限らない。

また、本発明の実施の形態において、等価質量基準値を、レイリー法を用いて求める例を中心に説明したが、その他の方法を用いて等価質量基準値を求めてもよい。

また、本発明の実施の形態において、構造物健全度推定装置の各機能ブロックが、記憶装置またはＲＯＭに記憶されたコンピュータ・プログラムを実行するＣＰＵによって実現される例を中心に説明した。この他、各機能ブロックの一部、全部、または、それらの組み合わせが専用のハードウェアにより実現されていてもよい。

また、本発明の実施の形態としての構造物健全度推定装置は、例えば、検査機器やモニタリングシステムの構成要素として実現されてもよい。

また、本発明の実施の形態において、構造物健全度推定装置の機能ブロックは、複数の装置に分散されて実現されてもよい。

また、本発明の実施の形態において、フローチャートを参照して説明した構造物健全度推定装置の動作を、本発明のコンピュータ・プログラムとしてコンピュータの記憶装置（記憶媒体）に格納しておいてもよい。そして、係るコンピュータ・プログラムを当該ＣＰＵが読み出して実行するようにしてもよい。そして、このような場合において、本発明は、係るコンピュータ・プログラムのコードあるいは記憶媒体によって構成される。

また、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、様々な態様で実施されることが可能である。

１ 構造物健全度推定システム
１０ 構造物健全度推定装置
１１ 固有振動数算出部
１２ 等価質量実測値算出部
１３ 等価質量基準値算出部
１４ 指標算出部
１５ 健全度推定部
２０ 振動検出装置
９０ 共通構造
９１ 第１構造物
９２ 第２構造物
１００１ ＣＰＵ
１００２ ＲＡＭ
１００３ ＲＯＭ
１００４ 記憶装置
１００５ ネットワークインタフェース
１００６ 入力装置
１００７ 出力装置
２００１ センサ
２００２ ネットワークインタフェース

Claims (9)

1. 第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出する固有振動数算出部と、
   前記第１固有振動数と、前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出する等価質量実測値算出部と、
   前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出する等価質量基準値算出部と、
   前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出する指標算出部と、
   前記指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する健全度推定部と、
   を備えた構造物健全度推定装置。
2. 前記等価質量実測値算出部は、さらに、前記第１構造物および前記第２構造物のばね定数の差を考慮して、前記等価質量実測値を算出することを特徴とする請求項１に記載の構造物健全度推定装置。
3. 前記共通構造が等価的な片持ち梁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造物健全度推定装置。
4. 前記第２構造物は、前記共通構造および計測治具からなり、
   前記等価質量実測値算出部は、前記第２構造に含まれる計測治具の質量に基づいて求められる前記質量差を用いて、前記等価質量実測値を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の構造物健全度推定装置。
5. 前記第１構造物は、前記共通構造および計測治具からなり、
   前記等価質量実測値算出部は、前記第１構造物および前記第２構造物にそれぞれ含まれる計測治具の質量に基づいて求められる前記質量差を用いて、前記等価質量実測値を算出することを特徴とする請求項４に記載の構造物健全度推定装置。
6. 第１構造物、および、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の振動を検出する振動検出装置と、
   前記振動検出装置により検出される信号に基づいて前記第１構造物および前記第２構造物の固有振動数を算出することにより、前記共通構造の健全度を推定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の構造物健全度推定装置と、
   を備えた構造物健全度推定システム。
7. 第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出し、
   算出した前記第１固有振動数および前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出し、
   前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出し、
   前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出し、
   算出した指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する構造物健全度推定方法。
8. 第１構造物、および、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の振動を検出し、
   検出した信号に基づいて、前記第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出し、
   算出した前記第１固有振動数および前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出し、
   前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出し、
   前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出し、
   算出した指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する構造物健全度推定方法。
9. 第１構造物の固有振動数（第１固有振動数）と、前記第１構造物の一部または全部に共通する構造（共通構造）を含む第２構造物の固有振動数（第２固有振動数）とを算出する固有振動数算出ステップと、
   前記第１固有振動数と、前記第２固有振動数と、前記第１構造物および前記第２構造物の質量差とに基づいて、前記共通構造の等価質量の実測値（等価質量実測値）を算出する等価質量実測値算出ステップと、
   前記共通構造の等価質量の基準値（等価質量基準値）を算出する等価質量基準値算出ステップと、
   前記等価質量基準値および前記等価質量実測値に基づく指標を算出する指標算出ステップと、
   前記指標に基づいて前記共通構造の健全度を推定する健全度推定ステップと、
   をコンピュータ装置に実行させるコンピュータ・プログラム。

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