JP2020008293A - 構造物劣化診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の劣化診断が正確に行えることができる構造物劣化診断システムを提供すること。【解決手段】構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第１センサモジュールと、構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第２センサモジュールと、上記第１センサモジュールと上記第２センサモジュールとから送信されたデータを受信する受信装置と、上記受信装置で得られたデータにより構造物の劣化状態を診断する診断装置と、を備え、上記診断装置は、上記第１センサモジュールと上記第２センサモジュールから得られた上記構造物を通過する物体の通行状態に基づき、上記第１センサモジュールから得られた振動データと上記第２センサモジュールから得られた振動データを比較することで構造物の劣化状態を診断する構造物劣化診断システムを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、構造物劣化診断システムに関する。特に、老朽化した橋脚の修繕タイミングを推し測ったり、橋脚の崩落予防を行ったりする社会インフラの安全保全に関するものである。

日本の産業が飛躍的に発展した１９６０年代から１９７０年代にかけた高度成長期では多くの高速道路や橋脚が建設されてきたが、５０年以上経った近年はその老朽が問題視されている。昨今の建造物崩落事故では多数の犠牲が出ており社会課題として早急な改善が求められている。

一方で老朽化した建造物の検査には各部のたわみや劣化部に発生しているクラック進展の状況を知る必要がある。しかし、打音検査や赤外線カメラなどによる官能検査が主流で人手と経験が必要なり、昨今の高齢化に伴う人手不足や対象建造物増加に伴う人件費高騰などにより安全担保が厳しい状況になってきている。

また、一旦事故が発生すると多くの人命が失われると共に交通網遮断による経済への影響が大きい。また、再建築よりも計画的な補修の方が低コストで管理維持できる。これらのことから劣化の進行状況を知り、予防保全を行うことが重要になる。

そこで、建造物の劣化度合いを検出するセンサを各所に備え付け、常時モニタリングと取得データの蓄積および分析する。このことにより建造物全体と局所的な変化を捉え、建造物の健全度を指標化する。このことで安全性を担保するためのメンテナンス時期や規模を予め知ることができるようになる。すでに、劣化の進行状況を知り、予防保全を行うための様々な手法が考案されている。

特許文献１では、構造物にひずみや加速度を検出することの出来るセンサを複数個取り付けてデータを収集し、クラックや空隙が生じることによって生じる振動状態の変化を捉えることで診断を実施しようとするものである。

特許文献２では、更に収集したデータをスペクトル解析することにより構造物全体の状況や欠陥箇所の特定および局所的な状態判定を行うものである。

特許文献３は、得られた振動データの共振状態を解析して劣化状態を判断することを行っている。

従来の構造物劣化診断システムを、図７を用いて説明する。従来の構造物劣化診断システム３０は橋脚１に複数箇所に取り付けられた第１センサモジュール２とセンサモジュールから無線などで送信されたデータを受信する受信装置５で構成されている。

第１センサモジュール２は、橋脚１の上を通行する車両３から伝播する振動を取得する。つまり、複数の第１センサモジュール２から送られる振動データを、受信装置５で受信した後、データを分析して橋脚に発生しているクラックや空隙の大きさや発生場所を特定する。その結果から、橋脚の劣化状態を総合的に判断する。

特開２００８−２５５５７０号公報 特開２００８−２５５５７１号公報 特開２０１５−８７１７２号公報

しかしながら、例えば橋脚１の上を通過する車両３が車であれば振動を伝播させるのはタイヤであり、一台の車が走行すると前後タイヤによる２回の振動が第１センサモジュール２に伝播することになる。

また、タイヤ間隔が異なる車の種類や車の速度、橋脚を通過する車の数でも振動センサモジュールに伝播する振動が変化する為、劣化部分の状態を判別することが難しくなる。

よって、本願課題は、構造物の劣化診断が正確に行えることができる構造物劣化診断システムを提供することである。

上記の課題を解決するために、構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第１センサモジュールと、構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第２センサモジュールと、上記第１センサモジュールと上記第２センサモジュールとから送信されたデータを受信する受信装置と、上記受信装置で得られたデータにより構造物の劣化状態を診断する診断装置と、を備え、上記診断装置は、上記第１センサモジュールと上記第２センサモジュールから得られた上記構造物を通過する物体の通行状態に基づき、上記第１センサモジュールから得られた振動データと上記第２センサモジュールから得られた振動データを比較することで構造物の劣化状態を診断する構造物劣化診断システムを用いる。
を用いる。

本開示における構造物劣化診断システムによれば、構造物の上を通過する物体の状態が様々であっても劣化状態を正確に把握することが出来て、より正確な構造物の劣化診断を実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る構造物劣化診断システムを示す概略図 （ａ）〜（ｃ）従来の車両通行時を表す図 （ａ）〜（ｃ）従来の大型車両通行時を表す図 （ａ）〜（ｄ）本発明の第１の実施形態における車両侵入判断を表す図 本発明の第１の実施形態における収集されたデータを表す図 本発明の第２の実施形態に係る構造物劣化診断システムを示す概略図 従来技術に係る構造物劣化診断システムを示す概略図

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、実質的に同一の構成に対して同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

また、以下で説明する実施形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。

更に、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は当業者が本開示を十分に理解するためのものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（第１の実施形態）
以下、図１を用いて、本発明の第１の実施形態を、構造物として橋脚の例で説明する。

＜全体＞
図１は、本実施の形態１に係る橋脚劣化診断システム１０の構成を模式的に示す。図１において、橋脚劣化診断システム１０は、車両３が橋脚１を通過する時に、車両３から伝播する振動データを取得する第１センサモジュール２が、橋脚１の複数箇所に設置されている。第１センサモジュール２から、無線により、振動データを受信装置５に送信することができる。

更に橋脚１の入口と出口に設置されている第２センサモジュール４は、同様に橋脚１の上を走行する車両３が通過する時に、車両３から伝播する振動データを所得して、無線により受信装置５に送信することができる。振動データは、診断装置６で解析される。診断装置６は、受信装置５に付属させてもよい。または、受信装置５から、振動データを、別途位置する診断装置６へ送信してもよい。

＜第１センサモジュール２、第２センサモジュール４＞
一般的に振動を取得するセンサモジュールは振動による変位を抵抗値の変化で捉えるひずみゲージに代表されるものや、電気容量の変化を捉える電磁誘導方式や静電誘導方式、デバイスそのものの変位を電圧変化に変換する圧電方式、デバイスの変位を磁気的変化に変換する磁歪方式など様々な方式があるが本実施の例ではこれらの方式については問わない。

また、これらセンサモジュールは無線によるデータ送信機能を有しており、携帯電話回線網やＩＥＥＥ８０２．１１．ａ．ｂ．ｇ．ｎ．ａｃに代表されるＷｉＦｉ規格、ＳＩＧＦＯＸやＬｏＲａＷＡＮ、ＮＢ−ＩｏＴなどのＬＰＷＡ（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ）などの規格を送信距離や送信データ量、消費電力の観点で選択する。

更に、これらセンサモジュールは、既に建設された橋脚１に、後付で複数個設置されることを想定している。この場合、電源供給は有線式ではなく、自立駆動させることができるセンサモジュールが望ましい。

従って、センサモジュールに電源を内蔵している。この電源は、電池、または、発電機構を有するもの、更には充電池と発電機構の併用でもよい。

しかし、本実施の形態では安定出力と電池交換工数削減の観点から、充電池と発電機構の併用タイプを採用している。また、発電機構は太陽光による発電や、熱による発電、更には振動による発電のどれでもよい。しかし、本実施の形態では、振動データを取得する為に振動による発電機構を備えたセンサモジュールが、装置の小型化などに有利な為、好ましい。

また、振動による発電方式には電気容量の変化を捉える電磁誘導方式や静電誘導方式、デバイスそのものの変位を電圧変化に変換する圧電方式、デバイスの変位を磁気的変化に変換する磁歪方式など様々な方式がある。本実施の例では振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が大きく、信頼性に優れる磁歪式振動発電を採用している。

＜橋脚１＞
本実施例で示す橋脚１とは、水面や地面より高い場所に設置された車両通行用の道路を指しており、一般的に上部構造および橋脚の材質は鉄筋コンクリートや鋼またはその複合である。実施の形態１では、橋脚で説明するが、構造物一般に適用できる。

＜車両３＞
本実施例で示す車両３とは、乗用車やバスや大型トラックなどタイヤによる自走をおこなうものを示す。

＜受信装置５＞
本実施の形態で示す受信装置は、第１センサモジュール２と第２センサモジュール４から発信された無線データを受信する装置であり、無線規格に応じた受信手段を備えている。また、通信距離が変わる無線方式や橋脚１の大きさで本受信装置の設置数は変わるが、センサモジュールに対して受信装置の数は大幅に少なく、多くの電力を必要とする為に有線による電源供給を行っている。

＜システム＞
次に、橋脚劣化診断システム１０における劣化判断の流れを以下に示す。

本実施の形態における橋脚劣化診断システム１０では、橋脚１に複数設置された第１センサモジュール２によって、橋脚１の上を走行する車両３により伝播する振動データの取得を行い、劣化によるクラックや欠損による振動データの変化を捉えることで劣化診断を行う。

＜従来の場合＞
（１）通常の車両の場合
図２（ａ）〜図２（ｃ）に、橋脚１を通過する車両３が通過するときの第１センサモジュール２が取得する振動波形を示す。

図２（ａ）では、振動が伝わっていない振動波形２２を示す第１センサモジュール２に、車両３の前輪が通過した瞬間、前輪から第１センサモジュール２に振動波形２１の振動が伝播する。

図２（ｂ）では、車両３の後輪が通過した瞬間、前輪による振動波形２１が減衰した振動波形２４を示す第１センサモジュール２に、後輪から第１センサモジュール２に振動波形２３の振動が伝播する。

図２（ｃ）では、車両３の後輪が第１センサモジュール２を通過した後、第１センサモジュール２には減衰した振動波形２１と後輪による振動波形２３が合わさった振動波形２５が示される。

（２）大きい車両の場合
図３では大きい車両３、つまりタイヤ間隔の長い車両の場合を示す。

図３（ａ）では、振動が伝わっていない振動波形３２を示す第１センサモジュール２に、車両３の前輪が通過した瞬間、前輪から第１センサモジュール２に振動波形３１の振動が伝播する。

図３（ｂ）では、車両３の後輪が通過した瞬間、前輪による振動波形３１が減衰した振動波形３４を示す第１センサモジュール２に後輪から第１センサモジュール２に振動波形３３の振動が伝播する。

図３（ｃ）そして、車両３の後輪が第１センサモジュール２を通過した後、センサモジュールには減衰した振動波形３１と後輪による振動波形３３が合わさった振動波形３５が示される。

（３）差異
図２（ａ）〜図２（ｃ）との違いは、車両３の前輪から伝播する振動波形３１と車両３の後輪から伝播する振動波形３３の振幅が、図２（ａ）〜図２（ｃ）の振動波形２１と振動波形２３よりも大きくなる。

また、タイヤ間隔が長くなることから振動波形３５に示される２の振動波形の間隔は振動波形２５よりも長くなり、このことは同じ車両でも速度が変わることも同様のことが起こる。従って、車両の種類や速度で振動波形が異なることになる。

振動データによる橋脚１の劣化状態を判別するには、車種や速度など膨大なデータと劣化状態の紐づけが必要となり、汎用的で正確な劣化診断システムを提供することが出来ない。更に橋脚１に車両３が複数台存在している場合も同様の理由で診断することが出来ない。

＜実施の形態＞
図４（ａ）に示すように橋脚１に侵入する車両３から伝播する振動を橋脚１の入口に設置された第２センサモジュール４で取得する。

図４（ａ）では、車両３が第２センサモジュール４上を通過する前は、第２センサモジュール４に振動が伝播せず、第２センサモジュール４は何も発信しない。

図４（ｂ）では、車両３の前輪が第２センサモジュール４の上を通過し、振動が前輪から第２センサモジュール４に伝播すると第２センサモジュール４は前輪通過信号４１を発信する。

図４（ｃ）では、更に車両３が進行し後輪が第２センサモジュール４の上を通過するまでは大きな振動波形の変化が無いため、信号を発することはしない。

図４（ｄ）更に車両３が進行して後輪が第２センサモジュール４の上部を通過して振動が伝播すると第２センサモジュール４は後輪通過信号４２を発信する。

＜車両の特定＞
更に、図５に示すように第２センサモジュール４を通過した車両３は第１センサモジュール２の上を通過し、車両３の前輪から第１センサモジュール２に振動を伝播させる。この時、第２センサモジュール４に振動を伝播させてから第１センサモジュール２に振動を伝播させるまでの時間を計測することにより車両３の速度を算出することができる。この速度データと、第２センサモジュール４の前輪通過信号４１と後輪通過信号４２との時間間隔で車両３のタイヤ間隔を算出することが出来る。

このようにして、橋脚１に侵入する車両３の速度、タイヤ間隔を算出することができる。

なお、車両でない場合は、移動する物体と橋脚１（構造物）との複数の接触部の間隔となる。

＜振動による劣化測定＞
次に、第１センサモジュール２での振動測定について説明する。振動測定精度を上げる為に、振動測定前に通過した車両によって伝播した振動が十分減衰してから本測定を行う必要がある。そこで、前出の速度データおよび橋脚１固有の減衰時間および第１センサモジュール２と第２センサモジュール４の設置間隔から車両３の１台が第１センサモジュール２の上を通過していることを確認して測定する。

更に、振動波形による橋脚１の劣化診断を行うためには、劣化によって生じるクラックや空隙による振動伝播の減衰を計測する必要がある。

そのためにタイヤ一つから伝播する鮮明な振動波形を取得することが必要になるが、予め算出したタイヤ間隔と速度から前後タイヤによる振動波形の重なりを分離することで可能になる。そして、振動伝播の減衰による劣化診断は第１センサモジュール２と第２センサモジュール４から得られた振動波形を比較することで可能になる。振動波形の振幅は車両３の速度や重量で変化するが、２つのセンサモジュールには同じ作用が働くため、両センサモジュールから得られる振動波形の差分はセンサモジュール付近の橋脚１に発生しているクラックや空隙が原因ということになる。また、本実施例では２つのセンサモジュールを対にして説明しているが、実際の橋脚には２つ以上のセンサモジュールが設置されており、診断は常に２つのセンサモジュールで実施することを意味する。

（第２の実施形態）
以下、図６の断面図を用いて、本発明の第２の実施形態を、橋脚１と橋脚の上を通過する車両３を例にとり説明する。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

図６において橋脚劣化診断システム２００は、橋脚１の上を走行する車両３が通過する時に、車両３から伝播する振動データを取得する第１センサモジュール２が複数箇所に設置されており、無線により受信装置５にデータを送信することができる。

更に、橋脚１の入口と出口に画像撮像装置２０４が設置されており、取得した画像データを元に車両３の通行状態を判別して無線にて受信装置５に送信することができる。

ここで橋脚１、第１センサモジュール２、車両３、受信装置５は実施例と同等であるため説明を省き、画像撮像装置２０４について説明する。

画像撮像装置２０４は橋脚１の出入口において車両３の側面の撮像を行うものである。撮像により車両３のタイヤ間隔と、連続撮影による車両３の速度、および、台数を判別ことができる。以降の橋脚劣化診断システム２００における劣化判断の流れは、第１の実施形態と同様であるため説明は省く。しかし、第２の実施形態であっても同様の正確な構造物劣化診断が可能となる。

本発明は、コンクリートや鉄骨を用いて建造された大型の建造物、例えば橋脚、高速道路、高架軌道、立体駐車場、トンネルなどで振動を発生させる車両や列車などが通行する場合において構造物の劣化を診断することができ、公共物の安全担保や修復費用低減に有用である。

１ 橋脚
２ 第１センサモジュール
３ 車両
４ 第２センサモジュール
５ 受信装置
６ 診断装置
１０ 橋脚劣化診断システム
２１ 振動波形
２２ 振動波形
２３ 振動波形
２４ 振動波形
２５ 振動波形
３０ 構造物劣化診断システム
３１ 振動波形
３２ 振動波形
３３ 振動波形
３４ 振動波形
３５ 振動波形
４１ 前輪通過信号
４２ 後輪通過信号
２００ 橋脚劣化診断システム
２０４ 画像撮像装置

Claims (6)

1. 構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第１センサモジュールと、
   構造物に設置され、振動データを取得し、無線にてデータを送信する第２センサモジュールと、
   前記第１センサモジュールと前記第２センサモジュールとから送信されたデータを受信する受信装置と、
   前記受信装置で得られたデータにより構造物の劣化状態を診断する診断装置と、を備え、
   前記診断装置は、前記第１センサモジュールと前記第２センサモジュールから得られた前記構造物を通過する物体の通行状態に基づき、前記第１センサモジュールから得られた振動データと前記第２センサモジュールから得られた振動データを比較することで構造物の劣化状態を診断する構造物劣化診断システム。
2. 前記第２センサモジュールは、前記構造物の上を通過する前記物体の振動を取得する請求項１記載の構造物劣化診断システム。
3. 前記第２センサモジュールは、前記構造物の上を通過する物体の画像を取得する請求項１記載の構造物劣化診断システム。
4. 前記物体は、車両または列車である請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造物劣化診断システム。
5. 前記通行状態は、前記物体の速度と、前記物体と前記構造物との複数の接触部の間隔である請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造物劣化診断システム。
6. 前記構造物は橋脚である請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造物劣化診断システム。
   

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