JP2021021269A - 基礎部損傷推定装置及び基礎部損傷推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】地震による基礎部の損傷の有無を基礎部の上部に設置された基礎部センサを用いて推定することができる基礎部損傷推定装置及び基礎部損傷推定プログラムを提供する。【解決手段】基礎部損傷推定装置１００は、建物の各階に設けられた建物センサ１８を用いて平常時建物振動モード及び地震直後建物振動モードを推定する建物振動推定部１０２Ｂと、建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサ２０を用いて平常時基礎部振動モード及び地震直後基礎部振動モードを推定する基礎部振動推定部１０２Ｃと、平常時建物振動モードを用いて地震直後基礎部振動モードを基準化し、基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に建物の基礎部が地震による損傷を受けたと推定する損傷推定部１０２Ｄと、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、基礎部損傷推定装置及び基礎部損傷推定プログラムに関する。

建物の基礎部の損傷を検知する方法が種々提案されている。例えば特許文献１及び特許文献２には、建物の基礎部を構成する既製杭に光ファイバーを予め埋設しておき、既製杭に破損が生じた際に光ファイバーが破断することを利用して、既製杭の破損の有無を推定する建物（杭）の健全性評価方法が開示されている。

特開２００２−４２７２号公報 特開２００３−２１３６７６号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に開示されている建物（杭）の健全性評価方法では、建物構築時に既製杭に光ファイバーを予め埋設しておく必要があるため、竣工後の建物の杭に新たに光ファイバーを取付けることは難しかった。また、既製杭に埋設された光ファイバーに不具合等が生じた際に、光ファイバーを交換することは難しかった。

本発明は上記事実に鑑み、地震による基礎部の損傷の有無を基礎部の上部に設置された基礎部センサを用いて推定することができる基礎部損傷推定装置及び基礎部損傷推定プログラムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の基礎部損傷推定装置は、推定対象とする建物の各階に設けられた建物センサにより平常時に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定し、かつ、前記建物センサにより地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定する建物振動推定部と、前記建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサにより平常時に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定し、かつ、前記基礎部センサにより地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定する基礎部振動推定部と、前記平常時建物振動モードを用いて前記地震直後基礎部振動モードを基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に前記建物の基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する損傷推定部と、を備える。

上記構成によれば、建物の各階に設けられた建物センサによって得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モード及び地震直後建物振動モードを推定する。また、建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサによって得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モード及び地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定する。

そして、平常時建物振動モードを用いて地震直後基礎部振動モードを基準化することで、地震による建物全体の振動モード（建物振動モード及び基礎部振動モード）の変化に影響され難い地震直後基礎部振動モードを求めることができる。この基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に基礎部が損傷を受けたと推定することで、地震による基礎部の損傷の有無を推定することができる。

請求項２に記載の基礎部損傷推定装置は、請求項１に記載の基礎部損傷推定装置であって、前記基礎部振動推定部は、前記基礎部の上部における複数箇所にそれぞれ配置された複数の前記基礎部センサにより得られた前記基礎部振動データを用いて、複数箇所の前記平常時基礎部振動モード及び前記地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定し、前記損傷推定部は、前記平常時建物振動モードを用いて複数箇所の前記地震直後基礎部振動モードをそれぞれ基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が前記所定差分以上である箇所の前記基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する。

上記構成によれば、基礎部の上部に設置された複数の基礎部センサを用いて複数箇所の平常時基礎部振動モード及び地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定する。そして、基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である箇所の基礎部が損傷を受けたと推定することで、地震による基礎部の損傷箇所を推定することができる。

請求項３に記載の基礎部損傷推定装置は、請求項１又は２に記載の基礎部損傷推定装置であって、前記建物振動推定部は、前記建物の各階における前記建物の剛心位置及び重心位置の少なくとも一方に配置された前記建物センサにより得られた建物振動データを用いて、前記平常時建物振動モード及び前記地震直後建物振動モードを推定する。

上記構成によれば、建物センサを建物の剛心位置及び重心位置の少なくとも一方に配置することで、少ない数の建物センサによって建物の振動モードを効率的に推定することができる。

請求項４に記載の基礎部損傷推定プログラムは、推定対象とする建物の各階に設けられた建物センサにより平常時に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定し、かつ、前記建物センサにより地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定し、前記建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサにより平常時に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定し、かつ、前記基礎部センサにより地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定し、前記平常時建物振動モードを用いて前記地震直後基礎部振動モードを基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に前記建物の基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する処理をコンピュータに実行させる。

上記構成によれば、建物の各階に設けられた建物センサによって得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モード及び地震直後建物振動モードを推定する。また、建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサによって得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モード及び地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定する。

そして、平常時建物振動モードを用いて地震直後基礎部振動モードを基準化することで、地震による建物全体の振動モード（建物振動モード及び基礎部振動モード）の変化に影響され難い地震直後基礎部振動モードを求めることができる。この基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に基礎部が損傷を受けたと推定することで、地震による基礎部の損傷の有無を推定することができる。

本発明に係る基礎部損傷推定装置及び基礎部損傷推定プログラムによれば、地震による基礎部の損傷の有無を基礎部の上部に設置された基礎部センサを用いて推定することができる。

実施形態に係る基礎部損傷推定装置の基礎部損傷の推定対象とする建物の一例を示す模式図（斜視図）である。 実施形態に係る基礎部損傷推定装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る基礎部損傷推定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係る基礎部損傷推定処理の手順の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は建物の平常時の振動モードの一例を示す模式図（斜視図）であり、（Ｂ）は建物の地震直後の振動モードの一例を示す模式図（斜視図）であり、（Ｃ）は建物の基準化された地震直後の振動モードの一例を示す模式図（斜視図）である。

以下、本発明の実施形態の一例に係る基礎部損傷推定装置について、図１〜図５を用いて順に説明する。

（建物の構成）
まず、本実施形態の基礎部損傷推定装置１００（図２、図３参照）の基礎部損傷の推定対象とする建物１０の構成を、図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る建物１０は、基礎部１２と、基礎部１２上に設けられた上部構造物１４と、を有している。基礎部１２は、地盤ＧＬ中に埋設されており、上部構造物１４を支持する複数の基礎杭１６、図示しない基礎底版、及び図示しない基礎梁等を備えている。

上部構造物１４は、複数階（本実施形態では例えば地下１階、地上３階）からなり、地盤ＧＬ中に位置する最下階が基礎部１２の基礎杭１６によって支持されている。なお、図１では、地盤ＧＬ中に位置する上部構造物１４の最下階をドット模様で示している。

また、上部構造物１４の各階には、建物センサ１８がそれぞれ設置されている。建物センサ１８は、例えば水平方向及び上下方向の３自由度の応答、及び各応答から算定される回転方向の６自由度が検出可能な加速度センサからなり、設けられた位置の振動応答の時系列データである建物振動データを検出する。

建物センサ１８は、建物１０の上部構造物１４の各階において、剛心位置及び重心位置の少なくとも一方に設置されている。なお、本実施形態では、上部構造物１４が整形建物とされており、剛心位置と重心位置とが一致するため、建物センサ１８は上部構造物１４の各階において平面視で略中央部に１つずつ設置されている。

また、建物１０の上部構造物１４の最下階における基礎部１２上には、複数の基礎部センサ２０が設置されている。基礎部センサ２０は、建物センサ１８と同じ加速度センサからなり、設けられた位置の振動応答の時系列データである基礎部振動データを検出する。

本実施形態では、複数の基礎部センサ２０は、上部構造物１４の最下階において、複数の基礎杭１６の上部にそれぞれ配置されており、互いに同一平面上に配置されている。基礎部センサ２０は、地震発生時に基礎杭１６（基礎部１２）と一体的に振動する位置に設置されていることが好ましく、例えば各基礎杭１６の上面や側面上部に、図示しないアンカー等によってそれぞれ固定されている。なお、各基礎部センサ２０は、必ずしも同一平面上に配置されている必要はなく、上下方向における設置高さが異なっていても構わない。

（基礎部損傷推定装置の構成）
次に、本実施形態の基礎部損傷推定装置１００の構成を、図２及び図３を用いて説明する。なお、基礎部損傷推定装置１００の例としては、パーソナルコンピュータ及びサーバコンピュータ等の情報処理装置が挙げられる。

図２に示すように、本実施形態に係る基礎部損傷推定装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０２、一時記憶領域としてのメモリ１０４、不揮発性の記憶部１０６、キーボードとマウス等の入力部１０８、液晶ディスプレイ等の表示部１１０、媒体読み書き装置（Ｒ／Ｗ）１１２、及び通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１４を備えている。

ＣＰＵ１０２、メモリ１０４、記憶部１０６、入力部１０８、表示部１１０、媒体読み書き装置１１２、及び通信Ｉ／Ｆ部１１４は、バスＢ１を介して互いに接続されている。媒体読み書き装置１１２は、記録媒体１１６に書き込まれている情報の読み出し、及び記録媒体１１６への情報の書き込みを行う。

記憶部１０６は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等によって実現される。記憶媒体としての記憶部１０６には、基礎部損傷推定プログラム１０６Ａが記憶されている。

基礎部損傷推定プログラム１０６Ａは、基礎部損傷推定プログラム１０６Ａが書き込まれた記録媒体１１６が媒体読み書き装置１１２にセットされ、媒体読み書き装置１１２が記録媒体１１６からの基礎部損傷推定プログラム１０６Ａの読み出しを行うことで、記憶部１０６へ記憶される。

ＣＰＵ１０２は、基礎部損傷推定プログラム１０６Ａを記憶部１０６から読み出してメモリ１０４に展開し、基礎部損傷推定プログラム１０６Ａが有するプロセスを順次実行する。

次に、本実施形態に係る基礎部損傷推定装置１００の機能的な構成について、図３を用いて説明する。

図３に示すように、基礎部損傷推定装置１００は、振動推定部１０２Ａと損傷推定部１０２Ｄとを含む。また、振動推定部１０２Ａは、建物振動推定部１０２Ｂと基礎部振動推定部１０２Ｃとを含む。基礎部損傷推定装置１００のＣＰＵ１０２が基礎部損傷推定プログラム１０６Ａを実行することで、振動推定部１０２Ａ及び損傷推定部１０２Ｄとして機能する。

建物振動推定部１０２Ｂは、図１に示す建物１０の上部構造物１４の各階に設けられた建物センサ１８により平常時、すなわち所定レベル以上の地震が発生する前に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定する。また、建物振動推定部１０２Ｂは、建物センサ１８により地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定する。

なお、本実施形態では、建物振動推定部１０２Ｂによって推定された平常時建物振動モードを、基準の振動モード（基準状態）として図２に示す記憶部１０６に記憶（登録）する。そして、後述する損傷推定部１０２Ｄが記憶部１０６から読み出すことによって、基準状態の平常時建物振動モードを取得する。

基礎部振動推定部１０２Ｃは、図１に示す建物１０の基礎部１２の上部に設けられた基礎部センサ２０により平常時、すなわち所定レベル以上の地震が発生する前に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定する。また、基礎部振動推定部１０２Ｃは、基礎部センサ２０により地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定する。

なお、本実施形態では、基礎部振動推定部１０２Ｃによって推定された平常時基礎部振動モードを、基準の振動モード（基準状態）として図２に示す記憶部１０６に記憶（登録）する。そして、後述する損傷推定部１０２Ｄが記憶部１０６から読み出すことによって、基準状態の平常時基礎部振動モードを取得する。

ここで、平常時建物振動モード、地震直後建物振動モード、平常時基礎部振動モード、及び地震直後基礎部振動モードは、システム同定手法を用いて推定される。システム同定手法としては、例えば部分空間法やＡＲＸ（自己回帰外因性）モデルを用いた手法、有限要素モデルによるパラメータ推定手法等が挙げられる。なお、上述したシステム同定手法の具体例は、広く知られている公知技術であることから、これ以上のここでの説明は省略する。

一般的に、上述した各振動モードの推定に用いられる建物振動データ及び基礎部振動データ（すなわち加速度記録）は、地震による建物１０の上部構造物１４及び基礎部１２の損傷程度に応じて変化する。また、加速度記録は、建物１０が損傷に至らない場合あっても、地震の振幅の大きさや位相特性（例えば、パルス波振動、長周期波振動）、ノイズ（例えば、衝突物による振動）等に応じて変化する。本実施形態では、システム同定手法を用いて各振動モードを推定することにより、地震による建物１０の上部構造物１４及び基礎部１２の損傷によって生じる加速度記録の変化のみを抽出することが可能となる。

また、振動推定部１０２Ａは、建物振動推定部１０２Ｂによる各建物振動モードの推定と、基礎部振動推定部１０２Ｃによる各基礎部振動モードの推定とを、同時に（一体として）行うことにより、建物１０全体（上部構造物１４及び基礎部１２）の振動モードを推定する。なお、建物１０全体の振動モードは、基礎部１２の上部の水平方向だけでなく、回転成分（基礎部センサ２０の上下応答）を考慮して求める。

このように、建物振動モードと基礎部振動モードとを、建物１０全体の振動モードとして同時に（一体として）推定することで、建物振動モードと基礎部振動モードをそれぞれ別々に推定する場合と比較して、振動モードの推定精度を高めることができる。

また、損傷推定部１０２Ｄは、振動推定部１０２Ａで推定された建物１０の各振動モードを用いて、建物１０の基礎部１２が地震による損傷を受けたか否かを推定する。具体的には、損傷推定部１０２Ｄは、まず、図２に示す記憶部１０６に記憶された基準状態の平常時建物振動モードを用いて、地震直後建物振動モード及び地震直後基礎部振動モードを基準化する。

ここで、「基準化」とは、所定の振動モード（例えば１次モード）における平常時建物振動モードの所定の点（例えば最上点）のモード値を基準値とし、この基準値に地震直後建物振動モードの対応する点（例えば最上点）のモード値を合わせ、建物１０全体の地震直後の振動モードの各点のモード値を補正することをいう。

そして、損傷推定部１０２Ｄは、基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとの各点のモードベクトルを比較し、このモードベクトルの差分が予め定められたクライテリア（所定差分）以上である場合に、建物１０の基礎部１２が地震による損傷を受けたと推定する。なお、損傷推定部１０２Ｄによる推定結果は、表示部１１０によって表示される。

（基礎部損傷推定処理）
次に、本実施形態に係る基礎部損傷推定装置１００による基礎部損傷推定処理の手順について、図４を用いて説明する。

例えばユーザによって基礎部損傷推定プログラム１０６Ａの実行を開始する指示入力が入力部１０８を介して行われた場合に、基礎部損傷推定装置１００のＣＰＵ１０２が基礎部損傷推定プログラム１０６Ａを実行することにより、図４に示す基礎部損傷推定処理が実行される。

まず、ステップ２００で、振動推定部１０２Ａは、建物１０の上部構造物１４の各階に設置された建物センサ１８、及び建物１０の基礎部１２の上部に設置された複数の基礎部センサ２０から、平常時の建物振動データ及び基礎部振動データをそれぞれ取得する。なお、平常時の振動データ（建物振動データ及び基礎部振動データ）としては、例えば建物１０の竣工直後等の地震前の所定期間の振動データ（建物振動データ及び基礎部振動データ）の平均値が利用される。

次に、ステップ２０２で、振動推定部１０２Ａの建物振動推定部１０２Ｂは、平常時に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定する。また、振動推定部１０２Ａの基礎部振動推定部１０２Ｃは、平常時に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定する。

振動推定部１０２Ａは、これらの建物振動推定部１０２Ｂによる平常時建物振動モードの推定と、基礎部振動推定部１０２Ｃによる平常時基礎部振動モードの推定とを、同時に（一体として）行うことにより、建物１０全体（上部構造物１４及び基礎部１２）の平常時の振動モードを推定する。

次に、ステップ２０４で、振動推定部１０２Ａは、ステップ２０２で推定した平常時建物振動モード及び平常時基礎部振動モードを、基準の振動モード（基準状態）として記憶部１０６にそれぞれ記憶する。そして、ステップ２０６で、損傷推定部１０２Ｄは、所定レベル（例えば震度３）以上の地震が発生するまで待機する。所定レベルの地震が発生した場合、ステップ２０６が肯定判定となって、ステップ２０８に移行する。

ステップ２０８で、振動推定部１０２Ａは、建物１０の上部構造物１４の各階に設置された建物センサ１８、及び建物１０の基礎部１２の上部に設置された複数の基礎部センサ２０から、地震発生直後の建物振動データ及び基礎部振動データをそれぞれ取得する。

なお、地震発生直後の振動データ（建物振動データ及び基礎部振動データ）としては、例えば地震の主要動発生直後の建物１０が自由振動している期間（例えば５分）のうち、所定の時間（例えば３０秒）毎に取得した振動データ（建物振動データ及び基礎部振動データ）の平均値が利用される。

次に、ステップ２１０で、振動推定部１０２Ａの建物振動推定部１０２Ｂは、地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定する。また、振動推定部１０２Ａの基礎部振動推定部１０２Ｃは、地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定する。

振動推定部１０２Ａは、これらの建物振動推定部１０２Ｂによる地震直後建物振動モードの推定と、基礎部振動推定部１０２Ｃによる地震直後基礎部振動モードの推定とを、同時に（一体として）行うことにより、建物１０全体（上部構造物１４及び基礎部１２）の地震発生直後の振動モードを推定する。

ステップ２１２で、損傷推定部１０２Ｄは、地震前後の建物振動モードの変化量、すなわち地震直後建物振動モードの平常時建物振動モードに対する変化量を求める。そして、地震直後建物振動モードの平常時建物振動モードに対する変化量が所定変化量未満か否かを判定し、肯定判定となった場合はステップ２１４に移行する。

ステップ２１４で、損傷推定部１０２Ｄは、後のステップ（ステップ２２２）で用いるクライテリア（ＣＬ）の数値を、記憶部１０６に予め記憶した数値ＣＬ１に設定する。

一方、ステップ２１２において否定判定となった場合はステップ２１６に移行し、損傷推定部１０２Ｄは、推定した地震直後建物振動モード及び地震直後基礎部振動モードを、基準の振動モード（基準状態）として更新する。そして、ステップ２１８で、損傷推定部１０２Ｄは、後のステップ（ステップ２２２）で用いるクライテリア（ＣＬ）の数値を、記憶部１０６に予め記憶した数値ＣＬ２に設定する。

ここで、クライテリア（ＣＬ）は、地震前後の建物振動モードの変化量、すなわち建物１０の上部構造物１４の損傷程度や損傷位置等から推定される上部構造物１４の損傷率に応じた基礎部１２（各基礎杭１６）のＣＬ関数によって定まる値である。このため、上述したＣＬ１、ＣＬ２は、上部構造物１４の損傷率に応じて数値が変化し、例えば上部構造物１４の損傷率（０．０〜１．０）の範囲において、基礎部１２の許容される損傷程度に対応する数値が、地震応答シミュレーション等によって予め定められている。

次に、ステップ２２０で、損傷推定部１０２Ｄは、ステップ２０４で記憶部１０６に記憶した基準状態の平常時建物振動モード、又はステップ２１６で更新された基準状態の平常時建物振動モードを用いて地震直後建物振動モード及び地震直後基礎部振動モードを基準化する。

ここで、地震直後の各振動モードを基準化する具体的手法を、図５を用いて説明する。図５（Ａ）には、図１に示す建物１０全体の平常時の振動モード（１次モード）の一例が示されている。また、図５（Ｂ）には、建物１０の基礎部１２の一部の基礎杭１６が損傷し、上部構造物１４が損傷していない場合における、建物１０全体の地震直後の振動モード（１次モード）の一例が示されている。

また、図５（Ｃ）には、図５（Ａ）の平常時の振動モードが破線で示され、図５（Ｂ）の地震直後の振動モードが一点鎖線で示され、基準化された地震直後の振動モードが実線で示されている。なお、説明を容易とするため、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）には、建物１０の上部構造物１４の最下階（地下階）と基礎杭１６、建物センサ１８、基礎部センサ２０、及び建物１０の剛心位置及び重心位置を示す軸線Ｐのみが示されている。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、建物１０の上部構造物１４が損傷していない場合であっても、上部構造物１４を支持する基礎部１２が損傷している場合には、地震前後において建物１０全体の振動モードが変化する。一方、上部構造物１４のみの変形成分に着目した場合、地震前後において振動モードの形状（すなわち建物センサ１８の各点の相対位置）は変化し難い。

これらの地震前後の各振動モードにおいて、図５（Ｃ）に示すように、平常時（基準状態）の振動モードの最上点（建物１０の頂点）のモード値を基準値（座標Ｘｔｏｐ＝１）とし、この基準値に地震直後の振動モードの最上点（建物１０の頂点）のモード値を合わせる。そして、建物１０全体の地震直後の振動モード（地震直後建物振動モード及び地震直後基礎部振動モード）の各点のモード値を補正する。すなわち、矢印Ｍで示すように、最上点を基準として平常時の振動モードに地震直後の振動モードを重ね合わせることにより、地震直後の振動モードを基準化する。

次に、ステップ２２２で、損傷推定部１０２Ｄは、建物１０の基礎部１２の地震による損傷の有無を推定する。具体的には、複数の基礎部センサ２０のうち、１つの基礎部センサ２０について、基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルを比較し、モードベクトルの差分ΔＶａ（図５（Ｃ）参照）がクライテリア（所定差分）以上か否かを判定する。

なお、モードベクトルの差分ΔＶａは、例えば基準化された基礎部振動モードのモードベクトルから平常時基礎部振動モードのモードベクトルを減じる（地震直後のモードベクトル−平常時のモードベクトル）、もしくは、基準化された地震直後基礎部振動モードのモードベクトルを平常時基礎部振動モードのモードベクトルで除する（地震直後のモードベクトル÷平常時のモードベクトル）ことにより求める。

また、上述したように、判定基準であるクライテリア（ＣＬ）の数値は、建物１０の上部構造物１４の損傷率によって異なる。すなわち、地震直後建物振動モードの平常時建物振動モードに対する変化量が所定変化量未満である場合は、クライテリア（ＣＬ）としてＣＬ１を用い、地震直後建物振動モードの平常時建物振動モードに対する変化量が所定変化量以上である場合は、クライテリア（ＣＬ）としてＣＬ２を用いる。

例えば、クライテリア（ＣＬ１又はＣＬ２）の数値を０．３とした場合、基礎部センサ２０毎にモードベクトルの差分ΔＶａを求め、モードベクトルの差分ΔＶａが０．３以上となった基礎部センサ２０に対応する箇所の基礎部１２が地震による損傷を受けたと推定する。

ステップ２２２において否定判定となった場合は、ステップ２２６に移行する。一方、ステップ２２２において肯定判定となった場合、すなわち対応する箇所の基礎部１２が地震による損傷を受けたと推定した場合は、ステップ２２４に移行する。ステップ２２４で、損傷推定部１０２Ｄは、モードベクトルの差分ΔＶａがクライテリア（所定差分）以上となった基礎部センサ２０の位置を記憶部１０６に記憶する。

ステップ２２６で、損傷推定部１０２Ｄは、複数の基礎部センサ２０のそれぞれについて、ステップ２２２での損傷判定が終了したか否か判定し、否定判定となった場合は、ステップ２２２に戻って基礎部１２の損傷判定を続行する。なお、ステップ２２２からステップ２２６までの処理を繰り返し実行する際に、損傷推定部１０２Ｄは、それまでに処理対象としなかった基礎部センサ２０を処理対象とする。

一方、ステップ２２６において肯定判定となった場合はステップ２２８に移行し、損傷推定部１０２Ｄは、ステップ２２４で記憶部１０６に記憶された基礎部センサ２０の位置を、基礎部１２が地震による損傷を受けたと推定される位置として表示部１１０に表示する。

その後、ステップ２３０で、損傷推定部１０２Ｄは、終了タイミングが到来したか否かを判定し、否定判定となった場合はステップ２０６に戻る一方、肯定判定となった場合には本基礎部損傷推定処理を終了する。なお、上記終了タイミングとしては、例えば地震後に一定の時間が経過したタイミングや、ユーザによって基礎部損傷推定処理の終了が指示されたタイミング等が挙げられる。

（作用効果）
本実施形態に係る基礎部損傷推定装置１００によれば、建物１０の上部構造物１４の各階に設けられた建物センサ１８によって、上部構造物１４の建物振動データを得ることができる。また、この建物振動データを用いて、平常時建物振動モード及び地震直後建物振動モードを推定することができる。

また、建物１０の基礎部１２の上部に設けられた基礎部センサ２０によって、基礎部１２の上部における基礎部振動データを得ることができる。また、この基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モード及び地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定することができる。

ここで、本実施形態によれば、平常時建物振動モードを用いて地震直後基礎部振動モードを基準化している。このように、地震直後の振動モードを基準化することで、建物全体の振動モード（建物振動モード及び基礎部振動モード）の変化に影響され難い地震直後基礎部振動モードを求めることができる。また、一般的に、モードベクトルは推定方法によって値の倍率や正負が異なることがあるが、基準化することによってモードベクトルを比較することが可能となる。

この基準化された地震直後基礎部振動モードと平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分ΔＶａがクライテリア（所定差分）以上である場合に基礎部１２が損傷を受けたと推定することで、地震による基礎部１２の損傷の有無を推定することができる。

すなわち、基礎部１２の上部に設置した基礎部センサ２０を用いて、基礎部１２の損傷の有無を推定することができるため、基礎部１２への基礎部センサ２０の埋設作業が不要となる。また、上部構造物１４の最下階から基礎部１２の上部に基礎部センサ２０を設置することができるため、竣工後の建物１０に後から基礎部センサ２０を設置することが可能となり、基礎部センサ２０に不具合等が生じた場合であっても交換が容易となる。

また、本実施形態によれば、基礎部１２の上部に複数の基礎部センサ２０が設置されているため、複数の基礎部センサ２０のそれぞれについて損傷判定を実行することで、地震による基礎部１２の損傷箇所を推定することができる。特に、本実施形態では、各基礎杭１６の上部に基礎部センサ２０がそれぞれ設置されているため、どの基礎杭１６が損傷を受けたかを推定することができる。

また、本実施形態によれば、建物１０の上部構造物１４の各階において、上部構造物１４の剛心位置及び重心位置に建物センサ１８が配置されている。これにより、建物センサ１８を剛心位置及び重心位置以外の位置に配置する構成と比較して、少ない数の建物センサ１８によって建物１０の剛心位置及び重心位置の振動モードを効率的に推定することができる。

また、本実施形態によれば、建物センサ１８と基礎部センサ２０とが同じ加速度センサからなる。このため、建物センサ１８と基礎部センサ２０とが異なる種類のセンサからなる構成と比較して、振動モードの推定精度を高めることができ、損傷推定精度を高めることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明について実施形態の一例を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能である。

例えば、上記実施形態では、上部構造物１４の剛心位置と重心位置とが一致しており、上部構造物１４の各階において建物センサ１８が１つずつ設置されていた。しかし、上部構造物１４の剛心位置と重心位置とが異なる場合（すなわち不整形な建物の場合）には、剛心位置と重心位置の双方に建物センサ１８を設置することが好ましい。

また、上記実施形態では、上部構造物１４の剛心位置及び重心位置に建物センサ１８が設置されていたが、上部構造物１４の各階の四隅等、上部構造物１４の外周部に沿って複数の建物センサ１８を設置する構成としてもよい。この場合、上部構造物１４の外周部に設置された複数の建物センサ１８を用いて、重心位置及び剛心位置における建物振動モードを推定することができる。

さらに、上記実施形態では、基礎部１２の複数の基礎杭１６の上部に複数の基礎部センサ２０がそれぞれ設置されていたが、基礎部センサ２０は必ずしも複数設置する必要はなく、基礎部１２の上部に１つの基礎部センサ２０が設置されていてもよい。この場合であっても、この基礎部センサ２０が設置されている箇所の損傷推定を実行することで、基礎部１２の損傷の有無を推定することが可能である。また、各基礎杭１６の上部だけでなく、基礎部１２の図示しない基礎底版や基礎梁の上部に複数の基礎部センサ２０をそれぞれ設置する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、建物センサ１８と基礎部センサ２０とが同じ加速度センサで構成されていたが、異なるセンサで構成されていてもよい。さらに、建物センサ１８及び基礎部センサ２０は、運動方程式に乗る限り、加速度センサではなく速度センサや変位センサで構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、所定レベル以上の地震が発生した場合に基礎部１２の損傷判定を実行する構成としていたが、本基礎部損傷推定処理を地震発生時だけではなく、所定の間隔で常時実行する構成としてもよい。

また、上記実施形態において、例えば、振動推定部１０２Ａ及び損傷推定部１０２Ｄの各処理を実行する処理部（processing unit）のハードウェア的な構造としては、次に示す各種のプロセッサ（processor）を用いることができる。

上記各種のプロセッサには、前述したように、ソフトウェア（プログラム）を実行して処理部として機能する汎用的なプロセッサであるＣＰＵに加えて、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の製造後に回路構成を変更可能なプロセッサであるプログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device：PLD）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである専用電気回路等が含まれる。

処理部は、これらの各種のプロセッサのうちの１つで構成されてもよいし、同種又は異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせ（例えば、複数のＦＰＧＡの組み合わせや、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。また、処理部を１つのプロセッサで構成してもよい。

処理部を１つのプロセッサで構成する例としては、第１に、クライアント及びサーバ等のコンピュータに代表されるように、１つ以上のＣＰＵとソフトウェアの組み合わせで１つのプロセッサを構成し、このプロセッサが処理部として機能する形態がある。第２に、システムオンチップ（System On Chip：SoC）等に代表されるように、処理部を含むシステム全体の機能を１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップで実現するプロセッサを使用する形態がある。このように、処理部は、ハードウェア的な構造として、上記各種のプロセッサの１つ以上を用いて構成される。

更に、これらの各種のプロセッサのハードウェア的な構造としては、より具体的には、半導体素子などの回路素子を組み合わせた電気回路（circuitry）を用いることができる。

１０ 建物
１２ 基礎部
１８ 建物センサ
２０ 基礎部センサ
１００ 基礎部損傷推定装置
１０２Ｂ 建物振動推定部
１０２Ｃ 基礎部振動推定部
１０２Ｄ 損傷推定部
１０６Ａ 基礎部損傷推定プログラム
ΔＶａ モードベクトルの差分

Claims (4)

1. 推定対象とする建物の各階に設けられた建物センサにより平常時に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定し、かつ、前記建物センサにより地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定する建物振動推定部と、
   前記建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサにより平常時に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定し、かつ、前記基礎部センサにより地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定する基礎部振動推定部と、
   前記平常時建物振動モードを用いて前記地震直後基礎部振動モードを基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に前記建物の基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する損傷推定部と、
   を備える基礎部損傷推定装置。
2. 前記基礎部振動推定部は、前記基礎部の上部における複数箇所にそれぞれ配置された複数の前記基礎部センサにより得られた前記基礎部振動データを用いて、複数箇所の前記平常時基礎部振動モード及び前記地震直後基礎部振動モードをそれぞれ推定し、
   前記損傷推定部は、前記平常時建物振動モードを用いて複数箇所の前記地震直後基礎部振動モードをそれぞれ基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が前記所定差分以上である箇所の前記基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する、
   請求項１に記載の基礎部損傷推定装置。
3. 前記建物振動推定部は、前記建物の各階における前記建物の剛心位置及び重心位置の少なくとも一方に配置された前記建物センサにより得られた建物振動データを用いて、前記平常時建物振動モード及び前記地震直後建物振動モードを推定する、
   請求項１又は２に記載の基礎部損傷推定装置。
4. 推定対象とする建物の各階に設けられた建物センサにより平常時に得られた建物振動データを用いて、平常時建物振動モードを推定し、かつ、前記建物センサにより地震発生直後に得られた建物振動データを用いて、地震直後建物振動モードを推定し、
   前記建物の基礎部の上部に設けられた基礎部センサにより平常時に得られた基礎部振動データを用いて、平常時基礎部振動モードを推定し、かつ、前記基礎部センサにより地震発生直後に得られた基礎部振動データを用いて、地震直後基礎部振動モードを推定し、
   前記平常時建物振動モードを用いて前記地震直後基礎部振動モードを基準化し、基準化された前記地震直後基礎部振動モードと前記平常時基礎部振動モードとのモードベクトルの差分が所定差分以上である場合に前記建物の基礎部が前記地震による損傷を受けたと推定する、
   処理をコンピュータに実行させるための基礎部損傷推定プログラム。