JP3834660B2 - 構造物のひび割れ検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばビルなどの建築構造物や橋梁、橋脚などの土木構造物などの構造物に生じたひび割れを検知する構造物のひび割れ検知装置に関する。

構造物のひび割れの検出には、振動現象を利用した方法が種々知られている。代表的な方法として、打音検査法や超音波探傷法がある。

打音検査法は、構造物を金属製のハンマー等で叩き、音の違いとして構造物の健全性を判定する。

超音波探傷法は、構造物に接触させた触子から構造物内に超音波を照射し、その反射波を検出して構造物内のひび割れを検査する。

これらの方法の他に、特許文献１〜特許文献３に示される方法が提案されている。
特開２００３−１８５６４３ 特開２００１−１２９３３ 特開２０００−２５８４０４

上記の打音検査法は、判定の精度は試験者の経験によるところが大きい。また、構造物における検査部位に試験者が接近しなければならないために、大掛かりな仮設用足場の設置が必要になる等、検査作業が大掛かりになってしまう不具合があった。

一方、超音波探傷法は、超音波の送受信を行うことが必要であるために、検査装置が高価である。また、構造物に接触させた触子近傍の限られた狭い範囲しか検査を行うことができないため、建築構造物や土木構造物などの比較的大きな構造物の全体を検査するには、長い時間が必要となる。さらに、上記打音検査法と同様、構造物の検査部位に検査者が接近しなければならないので、大掛かりな仮設用足場の設置が必要になる等、検査作業が大掛かりになってしまう不具合があった。

また、特許文献１〜特許文献３の方法によっても、上記と同様な不具合がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、構造物のひび割れを簡易に検知することができる構造物のひび割れ検知装置を提供することにある。

以上の目的を達成するために第１の本発明は、構造物の固有振動数およびこの固有振動数の応答倍率の少なくともいずれか一方を測定する手段と、前記測定された固有振動数と予め定められた標準固有振動数との差、あるいは前記測定された応答倍率と予め定められた標準応答倍率との差の少なくともいずれか一方に基づいて前記構造物のひび割れの有無を判定する有無判定手段と、固有振動数の応答関数を前記構造物の異なる複数箇所でそれぞれ測定する応答関数測定手段と、前記有無判定手段により前記ひび割れが有ると判定された場合に、前記応答関数測定手段により測定された複数の応答関数の比率に基づいて当該ひび割れの位置を判定する手段とを備えた。

また前記の目的を達成するために第２の本発明は、構造物の固有振動数およびこの固有振動数の応答倍率の少なくともいずれか一方を測定する手段と、前記測定された固有振動数と予め定められた標準固有振動数との差の大きさ、あるいは前記測定された応答倍率と予め定められた標準応答倍率との差の大きさの少なくともいずれか一方に基づいて前記構造物のひび割れの長さを判定する手段と、固有振動数の応答関数を前記構造物の異なる複数箇所でそれぞれ測定する応答関数測定手段と、前記判定された長さがゼロではない場合に、前記応答関数測定手段により測定された複数の応答関数の比率に基づいて当該ひび割れの位置を判定する手段とを具備した。

これらの手段を講じたことにより、構造物の固有振動の様子に基づいて、ひび割れの有無、ひび割れの長さ、あるいはひび割れの位置が判定される。

本発明によれば、構造物の固有振動の様子に基づいて、ひび割れの有無、ひび割れの長さ、あるいはひび割れの位置が判定できるので、構造物のひび割れを簡易に検知することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係るひび割れ検知装置の構成を示すブロック図である。
この図に示すように本実施形態のひび割れ検知装置は、加速度計１，２、周波数応答関数算出部３，４、固有振動数判定部５，６、応答倍率判定部７，８、標準固有振動数記憶部９、振動数差算出部１０、標準応答倍率記憶部１１、応答倍率差算出部１２、長さ判定部１３、応答倍率比算出部１４、位置判定部１５および力センサ１６を具備する。

なお、周波数応答関数算出部３，４、固有振動数判定部５，６、応答倍率判定部７，８、振動数差算出部１０、応答倍率差算出部１２、長さ判定部１３、応答倍率比算出部１４および位置判定部１５は、電気回路により実現することも可能であるし、コンピュータにプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

加速度計１，２は、構造物に取り付けられる。加速度計１，２は、構造物の加速度を測定する。力センサ１６は、構造物の加振状況を測定する。この力センサ１６は、加速度計に置き換えても良い。周波数応答関数算出部３，４は、加速度計１，２および力センサ１６の出力信号をそれぞれ解析し、周波数応答関数を個別に算出する。固有振動数判定部５，６は、周波数応答関数算出部３，４により算出された周波数応答関数にそれぞれ基づいて、構造物の固有振動数を個別に判定する。応答倍率判定部７，８は、周波数応答関数算出部３，４により算出された周波数応答関数のそれぞれについて、固有振動数判定部５，６のそれぞれで判定された固有振動数に関する応答倍率を個別に判定する。

標準固有振動数記憶部９は、構造物のひび割れが生じていない状態における固有振動数を標準固有振動数として記憶する。標準固有振動数は、計測あるいは解析で求めた周波数応答関数に基づいて定めることができる。振動数差算出部１０は、固有振動数判定部５により判定された固有振動数と標準固有振動数との差を算出する。標準応答倍率記憶部１１は、標準固有振動数の応答倍率を標準応答倍率として記憶する。標準応答倍率は、計測あるいは解析で求めた周波数応答関数に基づいて定めることができる。応答倍率差算出部１２は、応答倍率判定部７により判定された応答倍率と標準応答倍率との差を算出する。長さ判定部１３は、振動数差算出部１０により算出された振動数差および応答倍率差算出部１２により算出された応答倍率差の少なくともいずれか一方に基づいてひび割れの有無および長さを判定する。

応答倍率比算出部１４は、応答倍率判定部７，８によりそれぞれ判定された応答倍率の比率を算出する。位置判定部１５は、長さ判定部１３によりひび割れが検出された場合に、応答倍率比算出部１４により算出された応答倍率比に基づいて上記のひび割れの位置を判定する。

次に以上のように構成されたひび割れ検知装置の動作について説明する。
本実施形態のひび割れ検知装置では、構造物を加振機等を用いて加振するか、もしくは構造物の常時微動あるいは交通振動などに伴う構造物の振動を利用する。この構造物の加振状況は、力センサ１６により検出される。構造物の振動特性は図２に示すような周波数応答関数で表すことができる。この周波数応答関数では、構造物の固有振動数に相当する周波数では、その周囲に比べて高い応答倍率が表れる。そこで、周波数応答関数算出部３により、加速度計１と力センサ１６との出力信号をそれぞれ解析することにより周波数応答関数を求める。そして固有振動数判定部５により、周波数応答関数における応答倍率のピークを検出することにより固有振動数を判定する。

さて、構造物にひび割れが生じた場合、周波数応答関数にはひび割れの長さに応じて次のような変化が生じる。
1) 構造物の固有振動数は、ひび割れの長さに応じて低下する。
2) 固有振動数における応答倍率は、ひび割れの長さに応じて低下する。

そこで振動数差算出部１０により、固有振動数判定部５により判定された固有振動数と標準固有振動数記憶部９に記憶された固有振動数との差を算出する。

一方、応答倍率判定部７により固有振動数における応答倍率を測定する。そして応答倍率差算出部１２により、応答倍率判定部７により判定された応答倍率と標準応答倍率記憶部１１に記憶された応答倍率との差を算出する。

長さ判定部１３は上述のような特徴を利用して、ひび割れの長さを特定する。すなわち、振動数差算出部１０により算出された固有振動数の差の大きさおよび応答倍率差算出部１２により算出された応答倍率の差の少なくともいずれか一方に基づいてひび割れの長さを判定する。長さ判定部１３は、固有振動数の差および応答倍率の差のいずれか一方を参照するか、あるいは双方を参照するかは、装置で固定的に定められても良いし、ユーザ設定に応じても良い。また、固有振動数の差および応答倍率の差のいずれか一方を参照する場合に、それらのいずれを参照するかも、装置で固定的に定められても良いし、ユーザ設定に応じても良い。なお、固有振動数の差および応答倍率の差のいずれか一方を参照するように装置で固定的に定める場合には、標準固有振動数記憶部９および振動数差算出部１０と、標準応答倍率記憶部１１および応答倍率差算出部１２とのいずれかを設けなくても良い。

なお、上述のような固有振動数や応答倍率の変化は、高次モードほど顕著に表れる。このため、図２に示すように周波数応答関数に高次モードが表れるならば、固有振動数判定部５は高次モード側の周波数を固有振動数として判定するようにすることが望ましい。

一方、本実施形態のひび割れ検知装置では、ひび割れの位置に応じて周波数応答関数の応答倍率が変化することを利用して、ひび割れの位置を特定する。ここでは、説明を簡単にするために、単純梁に生じたひび割れの位置を特定する例を説明する。

図３乃至図５に示す３つの単純梁は、ひび割れの位置以外は全て同じ条件であり、それぞれが自由振動している様子を模式的に示している。図３は、ひび割れが無い状態を示す。図４は、梁中央部にひび割れが存在する場合を示す。図５は、梁の長さの１／３のところにひび割れがある場合を示している。

ひび割れが無い場合の単純梁の振動形状は、正弦波状であることが知られている。しかし、梁にひび割れがあると、その部分の断面剛性はその周りの剛性に比べて低下することから、その部分を節とするような振動形状に変化する。なお、図３乃至図５においては、そのような振動形状の変化を誇張して示している。

このような梁の別々の個所に加速度計１,２をそれぞれ取り付けておけば、これらの加速度計１,２の出力から得られる周波数応答関数の応答倍率はひび割れの位置によって変化が生じる。

図５では、梁に貼り付けた加速度計１，２で観測される周波数応答関数の応答倍率には、応答倍率Ａ＞応答倍率Ｂの関係があり、その比を用いれば幾何学的にひび割れの位置を特定することができる。そこで加速度計１の出力に基づいて応答倍率判定部７により判定された応答倍率Ａと、加速度計２の出力に基づいて応答倍率判定部８により判定された応答倍率Ｂとの比率を応答倍率比算出部１４により算出し、さらにこの比に基づいて位置判定部１５がひび割れの位置を判定する。

ところが、図３および図４では、応答倍率Ａと応答倍率Ｂとの比はともに「１」である。つまり応答倍率Ａと応答倍率Ｂとの比が「１」である場合には、ひび割れが生じていないのか、それともひび割れの位置が中央であるのかを判定できない。そこで位置判定部１５は、長さ判定部１３の判定結果も参照する。すなわち、長さ判定部１３によりひび割れの長さが「０」であるか否かに応じてひび割れが生じているか否かを区別できる。位置判定部１５は、応答倍率Ａと応答倍率Ｂとの比が「１」である場合、長さ判定部１３により判定された長さが「０」であるならばひび割れが生じていないので位置を判定せず、「０」以外であるならばひび割れの位置を中央と判定する。

このように本実施形態によれば、構造物の固有振動の様子に基づいてひび割れの有無、ひび割れの長さおよび位置を判定することができるので、簡易な構成でありながら、ひび割れの検知を行うことが可能となる。また、加速度センサ１，２はひび割れに近接させる必要が無いので、検査作業を非常に簡略化することが可能となる。

なお、この発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。例えば、ひび割れの有無、ひび割れの長さ、あるいはひび割れの位置のうちの１つのみを判定するようにしても良い。
加速度計を３つ以上用いることにより、２次元あるいは３次元でひび割れの位置の判定を行うようにすることも可能である。
このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。

本発明の一実施形態に係るひび割れ検知装置の構成を示すブロック図。 ひび割れの長さによる周波数応答関数の変化を示す図。 ひび割れが生じていない単純梁が自由振動している様子を模式的に示す図。 中央部にひび割れが存在する単純梁が自由振動している様子を模式的に示す図。 長さの１／３のところにひび割れがある単純梁が自由振動している様子を模式的に示す図。

符号の説明

１，２…加速度計、３，４…周波数応答関数算出部、５，６…固有振動数判定部、７，８…応答倍率判定部、９…標準固有振動数記憶部、１０…振動数差算出部、１１…標準応答倍率記憶部、１２…応答倍率差算出部、１３…長さ判定部、１４…応答倍率比算出部、１５…位置判定部、１６…力センサ。

Claims (4)

1. 構造物の固有振動数およびこの固有振動数の応答倍率の少なくともいずれか一方を測定する手段と、
   前記測定された固有振動数と予め定められた標準固有振動数との差、あるいは前記測定された応答倍率と予め定められた標準応答倍率との差の少なくともいずれか一方に基づいて前記構造物のひび割れの有無を判定する有無判定手段と、
   固有振動数の応答関数を前記構造物の異なる複数箇所でそれぞれ測定する応答関数測定手段と、
   前記有無判定手段により前記ひび割れが有ると判定された場合に、前記応答関数測定手段により測定された複数の応答関数の比率に基づいて当該ひび割れの位置を判定する判定手段とを具備したことを特徴とする構造物のひび割れ検知装置。
2. 構造物の固有振動数およびこの固有振動数の応答倍率の少なくともいずれか一方を測定する手段と、
   前記測定された固有振動数と予め定められた標準固有振動数との差の大きさ、あるいは前記測定された応答倍率と予め定められた標準応答倍率との差の大きさの少なくともいずれか一方に基づいて前記構造物のひび割れの長さを判定する手段と、
   固有振動数の応答関数を前記構造物の異なる複数箇所でそれぞれ測定する応答関数測定手段と、
   前記判定された長さがゼロではない場合に、前記応答関数測定手段により測定された複数の応答関数の比率に基づいて当該ひび割れの位置を判定する判定手段とを具備したことを特徴とする構造物のひび割れ検知装置。
3. 前記応答関数測定手段は、前記構造物の第１の端部から第１の距離の位置で前記構造物の加速度を計測する第１の加速度計と、前記構造物の第２の端部から第２の距離の位置で前記構造物の加速度を計測する第２の加速度計を含み、これら第１および第２の加速度計のそれぞれで計測された加速度に基づいて複数箇所でのそれぞれの応答関数を測定し、
   前記判定手段は、複数の応答関数の比率と前記第１および第２の距離とに基づいて、前記びび割れの位置を前記第１の端部および前記第２の端部に対する相対的な位置として判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のひび割れ検知装置。
4. 前記応答関数測定手段は、前記構造物の第１の端部および第２の端部から同じ距離の位置で前記構造物の加速度をそれぞれ計測する第１および第２の加速度計を含み、これら第１および第２の加速度計のそれぞれで計測された加速度に基づいて複数箇所でのそれぞれの応答関数を測定し、
   前記判定手段は、複数の応答関数の比率に基づいて、前記びび割れの位置を前記第１の端部および前記第２の端部に対する相対的な位置として判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のひび割れ検知装置。

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