JP4992084B2 - Structure damage diagnostic system and method - Google Patents
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Description
本発明は、構造物の健全性を監視し診断する技術に関する。 The present invention relates to a technique for monitoring and diagnosing the soundness of a structure.
構造物の健全性を監視し診断する技術は構造ヘルスモニタリング技術と呼ばれており、近年各分野で重要性が急激に高まっている。特に、耐用年数が近づきつつある社会基盤構造物の劣化による事故リスクや、地震による家屋の倒壊リスクを事前に評価可能な健全性監視システムの開発が急務になっている。損傷は局所的に発生するものであり、しかもできるだけ早期の発見が望ましいため、場所を特定でき、できるだけ小さなレベルの損傷に感度の高い方法が求められる。 A technique for monitoring and diagnosing the soundness of a structure is called a structural health monitoring technique, and in recent years, the importance has rapidly increased in each field. In particular, there is an urgent need to develop a health monitoring system that can evaluate in advance the risk of accidents due to deterioration of social infrastructure structures that are approaching their useful lives and the risk of collapse of houses due to earthquakes. Damage occurs locally, and detection as early as possible is desirable, so a location that can be identified and sensitive to the smallest possible level of damage is required.
従来の1つの監視方式では、構造物の剛性低下による固有振動数の変化が監視される。固有振動数を評価するには任意の動的物理量を1点から数点で計測するだけよく、この方式はきわめてシンプルであるという長所がある。しかし、構造全体の特性が変化するような大きな損傷でないと検出できないうえに損傷箇所の特定が難しい。 In one conventional monitoring method, a change in natural frequency due to a decrease in structure rigidity is monitored. In order to evaluate the natural frequency, it is only necessary to measure an arbitrary dynamic physical quantity from one point to several points, and this method has an advantage that it is extremely simple. However, it cannot be detected unless it is a large damage that changes the characteristics of the entire structure, and it is difficult to identify the damaged part.
一方、構造物の部材中の亀裂などを個別に発見するための技術として、超音波などを用いる非破壊検査技術がある。定期的なオーバーホール検査など、供用を一時停止しての徹底的な検査が実施できる場合にはきわめて有効であり、航空機やプラントなどの検査に利用されている。しかし、専用の検査機器を必要とするうえに、一度に検査できる範囲がcmオーダーと非常に狭い。構造物の常時監視に用いるためには、これらをきわめて密に常時設置しておく必要があり、コストがかかりすぎて現実的でない。 On the other hand, there is a nondestructive inspection technique using ultrasonic waves or the like as a technique for individually detecting a crack or the like in a structural member. It is extremely effective when a thorough inspection can be performed after a temporary stop of service, such as a periodic overhaul inspection, and is used for inspection of aircraft and plants. However, in addition to requiring dedicated inspection equipment, the range that can be inspected at one time is very narrow, on the order of cm. In order to be used for constant monitoring of structures, it is necessary to install them very densely at all times, which is too expensive and impractical.
構造物の健全性を監視する現実的なシステムを構築するためには、損傷感度および空間解像度と計測コストをバランスさせる必要がある。このために、比較的安価なセンサを少数利用して対象構造物のクリティカルな部位(たとえばボルト継手や溶接継手など)ごとに健全性の評価を行う手法が提案されている。たとえば、特許文献1(特開2001−099760号公報)では、圧電インピーダンス法が利用されている。圧電インピーダンス法では、構造物表面に貼付した圧電素子のインピーダンスの変化によって圧電素子近傍の構造特性の変化を検出する。また、特許文献2(特開2000−131197号公報)では、2点に貼付した圧電素子間の伝達アドミッタンスを計測する手法が提案されている。 In order to construct a realistic system for monitoring the soundness of structures, it is necessary to balance damage sensitivity and spatial resolution with measurement costs. For this reason, a method for evaluating the soundness of each critical part (for example, a bolted joint or a welded joint) of the target structure using a small number of relatively inexpensive sensors has been proposed. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-099760), a piezoelectric impedance method is used. In the piezoelectric impedance method, a change in structural characteristics in the vicinity of the piezoelectric element is detected by a change in impedance of the piezoelectric element attached to the surface of the structure. Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-131197) proposes a method for measuring the transmission admittance between two piezoelectric elements attached to two points.
また、圧電インピーダンス法に比べて損傷感度は劣るが少数の振動センサで局所的な損傷を検出可能な手法として、動的応答から構造物のフレキシビリティを算出する手法が提案され、現実的な損傷感度と計測コストを有する損傷評価法として有効性が指摘されている。発明者らはこれまでに、構造物の局所フレキシビリティに基づく損傷検出手法を提案してきた(非特許文献1)。局所フレキシビリティは、構造物上の2点に符号が逆の一対の単位荷重を作用させたときの2点間の相対変形量として定義され、局所化された健全性の指標として有効である。さらに非特許文献2では、はりなどの構造物の曲げ変形に対する局所フレキシビリティが角速度計測によって評価できることに注目し、角速度計測に基づく局所回転フレキシビリティの評価手法を提案している。
上述の圧電インピーダンス法に基づく方法(特許文献1、特許文献2)は、非破壊検査法に匹敵する損傷感度を有するものの、インピーダンス変化の物理的意味が捉えにくい。さらに、高感度の損傷評価を行うにはインピーダンス測定機器の精度が重要であり、また、温度変化などによる圧電素子の特性変化の補償が必要などの問題点がある。
Although the methods based on the above-described piezoelectric impedance method (
発明者らの提案した局所フレキシビリティの評価に基づく方法(非特許文献1、非特許文献2)は、評価指標の物理的意味が明確であり、センサの配置やセンサの種類によって様々な変形様式に対するフレキシビリティを評価できる。しかし計算のためには正規モードの正規化定数が必要であるため、構造物全体のモードシェイプと質量マトリクスを知る必要がある。このため、たとえ構造物の一ヵ所における局所フレキシビリティにのみ興味がある場合であっても、構造物全体の情報が必要である点が実用化に向けての障害であった。
The methods based on the evaluation of local flexibility proposed by the inventors (
なお、本発明の実施形態では角速度計測を用いるが、その観点で先行技術調査をすると、以下の文献が見出された。特許文献3(特開11−281311号公報)では、角速度センサを用いて動歪を測定している。具体的には、2個の角速度センサを、コンクリートの内部に鉄骨が埋め込まれている構造体の表面に、曲げ方向の力を受けるように貼着する。そして、検出された角速度信号の計測値を積分して、2点間の相対角度を算出し、これを曲率の近似値として用いることで、はりの曲げ歪みを得る。本発明の実施形態でも2点に配置した角速度センサを用いるが、計測値から2点間の回転変形に関する剛性劣化を近似的に算出する点が異なる。また、特許文献4(特開2000−283800号公報)では、角速度センサを用いて地盤の1点の地学的変位を検出している。この方法では、地中に埋設される筒体内に角速度センサを固定し、各速度センサからの信号より地盤の変位を検出する。ここで、角速度から角度変位を求めるために積分操作を必要としており、センサのドリフトの影響を補正するために別途傾斜計を必要とするなど、複雑なシステムになっている。これに対し、本発明の実施形態は積分操作を必要としないため、角速度センサのドリフトの影響を受けることがなく、構造物上の2点間の回転変形に関する剛性劣化を評価できる。 In addition, although angular velocity measurement is used in the embodiment of the present invention, the following documents have been found by conducting a prior art search from this viewpoint. In patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 11-281131), the dynamic strain is measured using an angular velocity sensor. Specifically, two angular velocity sensors are attached to the surface of the structure in which the steel frame is embedded in the concrete so as to receive a force in the bending direction. Then, the measured value of the detected angular velocity signal is integrated to calculate the relative angle between the two points, and this is used as an approximate value of the curvature to obtain the bending distortion of the beam. Also in the embodiment of the present invention, angular velocity sensors arranged at two points are used, but the difference is that the rigidity deterioration regarding rotational deformation between the two points is approximately calculated from the measured values. Moreover, in patent document 4 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-283800), the geological displacement of one point of the ground is detected using the angular velocity sensor. In this method, an angular velocity sensor is fixed in a cylinder embedded in the ground, and the displacement of the ground is detected from a signal from each velocity sensor. Here, an integration operation is required to obtain the angular displacement from the angular velocity, and a separate inclinometer is required to correct the influence of the sensor drift, resulting in a complicated system. On the other hand, since the embodiment of the present invention does not require an integration operation, it is not affected by the drift of the angular velocity sensor, and the rigidity deterioration related to the rotational deformation between two points on the structure can be evaluated.
本発明の目的は、構造体内部の変位、歪みなどをより容易に監視可能にすることである。 An object of the present invention is to make it easier to monitor displacement, distortion, and the like inside a structure.
本発明に係る構造物の損傷の診断システムは、構造体の監視対象箇所を挟む2点xi,xjに設置した複数の振動応答検出センサおよび位置xi,xjとは異なる参照点xkに設置した参照応答検出センサと、データ処理装置とからなる。データ処理装置は、前記振動応答検出センサおよび参照応答検出センサからから振動計測データを取得し、入力振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点xi,xjの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨn(xi,xj)、参照点xkにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφn r(x k )およびn次モードの固有振動数ωnを求め、
下記の式
で定義されるdnを算出し、
下記の式
The following formula
In calculating the d n to be defined,
The following formula
前記診断システムにおいて、たとえば、前記参照点xkが位置xi,xjの一方と同じ位置であり、前記複数の振動応答検出センサの1つが前記参照応答検出センサとして兼用される。また、前記診断システムにおいて、たとえば、前記振動応答検出センサは、角度、角速度または角加速度を検出するセンサである。または、前記診断システムにおいて、たとえば、前記振動応答検出センサは、変位、速度または加速度を検出するセンサである。また、前記診断システムにおいて、たとえば、前記参照応答検出センサは、変位、速度または加速度を検出するセンサである。または、前記参照応答検出センサは、角度、角速度、角加速度または歪みを検出するセンサである。 In the diagnostic system, for example, the reference point x k is the same position as one of the positions x i and x j , and one of the plurality of vibration response detection sensors is also used as the reference response detection sensor. In the diagnostic system, for example, the vibration response detection sensor is a sensor that detects an angle, an angular velocity, or an angular acceleration. Alternatively, in the diagnostic system, for example, the vibration response detection sensor is a sensor that detects displacement, speed, or acceleration. In the diagnostic system, for example, the reference response detection sensor is a sensor that detects displacement, speed, or acceleration. Alternatively, the reference response detection sensor is a sensor that detects an angle, an angular velocity, an angular acceleration, or a distortion.
前記診断システムは、好ましくは、さらに、複数の監視対象箇所ごとに設けられる前記データ処理装置からデータ処理結果を受け取るホストコンピュータを備える。たとえば、前記データ処理装置が、前記データ処理の一部を実行し、前記ホスト装置は前記データ処理装置から受け取ったデータ処理結果を基に、前記データ処理の残りの部分を実行する。また、好ましくは、前記データ処理装置と前記ホストコンピュータの間で振動計測に関するデータ(前記振動計測データ、データ処理の途中結果またはデータ処理結果)が無線で送信される。 The diagnostic system preferably further includes a host computer that receives a data processing result from the data processing device provided for each of a plurality of monitoring target locations. For example, the data processing device executes a part of the data processing, and the host device executes the remaining part of the data processing based on the data processing result received from the data processing device. Preferably, data relating to vibration measurement (the vibration measurement data, a data processing intermediate result or a data processing result) is transmitted between the data processing device and the host computer wirelessly.
前記診断システムにおいて、前記データ処理装置は、たとえば、2点xi,xjにおける振動応答データの相対量(差)と参照応答データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比により前記dnを求め、前記dnの変化を非損傷時の基準ベクトルdn(xi、xj)|baselineからの変動分のノルムで評価する。 Wherein the diagnostic system, the data processing device, for example, two points x i, obtains the d n the cross spectrum and the ratio of the power spectrum of the reference response data and the relative amount of vibrational response data (difference) in the x j, wherein d n reference vector d n (x i, x j ) changed in the non-damaged | evaluated at norm of variation from baseline.
本発明に係る構造物の損傷の診断システムでは、(a)構造体の監視対象箇所を挟む2点xi,xjに設置した複数の振動応答検出センサおよび位置xi,xjとは異なる参照点xkに設置した参照応答検出センサとから振動計測データを入力し、次に、(b)入力した振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点xi,xjの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨn(xi,xj)、参照点xkにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφn r(x k )およびn次モードの固有振動数ωnを求め、(c)下記の式
で定義されるdnを算出し、(d)下記の式
In the structural damage diagnosis system according to the present invention, (a) a plurality of vibration response detection sensors and positions x i , x j installed at two points x i , x j sandwiching a site to be monitored of the structure are different. enter the vibration measurement data from the reference response detection sensor disposed at the reference point x k, then, (b) to input vibration measurement data, in each of the vibrational modes of the number n of the natural oscillation, n order mode (1 n order in ≦ n ≦
In calculating the d n to be defined, (d) the following formula
前記診断方法では、好ましくは、前記dnを2点xi,xjにおける振動応答データの相対量(差)と参照応答データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比により求め、前記dnの変化を非損傷時の基準ベクトルdn(xi,xj)|baselineからの変動分のノルムで評価する。
In the diagnostic method, preferably, the
本発明では、振動モードの正規化を行わずに近似的に局所フレキシビリティを評価するので、対象部位の近傍に配置した少数のセンサによって、構造物の局所的なフレキシビリティ(たとえば回転剛性)の劣化を検出できる。興味のある対象部位ごとに独立に計測装置およびデータ処理装置を構成することができるため、構造物の規模やクリティカルな部位の個数に合わせて柔軟にシステムを構築できる。 In the present invention, the local flexibility is evaluated approximately without normalizing the vibration mode. Therefore, the local flexibility (for example, rotational rigidity) of the structure is reduced by a small number of sensors arranged in the vicinity of the target portion. Deterioration can be detected. Since the measurement device and the data processing device can be configured independently for each target region of interest, a system can be flexibly constructed according to the scale of the structure and the number of critical regions.
以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
配管や橋梁など細長い形状の構造物や、骨組構造のジョイント部など、主に曲げ荷重に対する強度が問題となる構造部位は多い。このような部位に亀裂やボルト緩みなどの損傷が生じると、損傷箇所における曲げ剛性が低下し、単位荷重に対する変形量すなわちフレキシビリティが増加する。フレキシビリティは剛性行列の逆行列であり構造物の静的な特性であるが、正規モードシェイプと固有振動数を用いて展開表現できるため、動的応答からモード同定を経て求めることが可能である。このためフレキシビリティは大域的構造健全性の監視における健全性の指標としての有効性が指摘されている。 There are many structural parts where strength against bending load is a problem, such as long and narrow structures such as pipes and bridges, and joint parts of frame structures. When damage such as cracks or bolt loosening occurs in such a part, the bending rigidity at the damaged part is lowered, and the deformation amount, that is, the flexibility with respect to the unit load is increased. Flexibility is the inverse of the stiffness matrix and is a static characteristic of the structure, but can be expressed using normal mode shapes and natural frequencies, so it can be obtained from the dynamic response through mode identification. . Therefore, the effectiveness of flexibility has been pointed out as an index of soundness in global structural soundness monitoring.
発明者らはこれまでの研究で、構造物の局所フレキシビリティに基づく損傷検出手法を提案してきた(非特許文献1)。局所フレキシビリティは、構造物上の2点に符号が逆の一対の単位荷重を作用させたときの2点間の相対変形量として定義され局所化された健全性の指標として有効である。非特許文献2では、はりなどの構造物の曲げ変形に対する局所フレキシビリティが角速度計測によって評価できることに注目し、ジャイロセンサの利用を提案した。しかし、この損傷検出手法では、正規モードの正規化定数が必要であった。
Inventors have proposed the damage detection method based on the local flexibility of a structure in the past research (nonpatent literature 1). The local flexibility is defined as a relative deformation amount between two points when a pair of unit loads having opposite signs is applied to two points on the structure, and is effective as a localized soundness index. In
本発明では、局所フレキシビリティ指標LFIを直接評価するのではなく、モードの正規化を行わずに近似的に局所フレキシビリティを評価する実用的な方法を提供する。本発明によれば、対象部位の近傍に配置した少数のセンサによって、構造物の局所的な剛性の劣化を感度よく検出可能な損傷診断システムが提供される。興味のある対象部位ごとに独立に計測装置およびデータ処理装置を構成することができるため、構造物の規模やクリティカルな部位の個数に合わせて柔軟にシステムを構築できる。さらに、データ伝送を無線化することによって、より柔軟な損傷診断システムを提供できる。 The present invention provides a practical method for evaluating local flexibility approximately without performing mode normalization, instead of directly evaluating the local flexibility index LFI. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the damage diagnostic system which can detect deterioration of the local rigidity of a structure with sufficient sensitivity by the small number of sensor arrange | positioned in the vicinity of an object site | part is provided. Since the measurement device and the data processing device can be configured independently for each target region of interest, a system can be flexibly constructed according to the scale of the structure and the number of critical regions. Further, by making data transmission wireless, a more flexible damage diagnosis system can be provided.
ここで、局所フレキシビリティの評価について説明する。本発明では、構造物の損傷によって生じる局所的な剛性の低下を、局所フレキシビリティ指標LFIの変化によって評価する。局所フレキシビリティ指標とは、式(1)で表されたものであり、構造物上の注目箇所(たとえば構造上重要なボルト継手、溶接継手など)に特定の様式の局所的変形を生じさせることを意図して負荷された特定の静的荷重パターンに対する変形量として定義される。すなわち、局所フレキシビリティ指標とは、特定の変形様式に対する構造の局所的な柔らかさを表す量であり、この量の増加は当該箇所における局所的な剛性の低下、すなわち損傷の発生を意味する。 Here, the evaluation of local flexibility will be described. In the present invention, a decrease in local stiffness caused by structural damage is evaluated by a change in the local flexibility index LFI. The local flexibility index is expressed by equation (1), and causes local deformation in a specific manner at a point of interest on a structure (for example, a bolt joint or a welded joint that is structurally important). Is defined as the amount of deformation with respect to a specific static load pattern loaded with intention. That is, the local flexibility index is a quantity representing the local softness of the structure with respect to a specific deformation mode, and an increase in this quantity means a decrease in local rigidity, that is, the occurrence of damage at the location.
ここで、特定の静的荷重パターンとは、注目箇所を挟む2点xi、xjに印加される一対の静的な単位集中荷重であり、変形量とは、荷重の軸に平行な軸方向で評価した2点間の相対変形量である。単位集中荷重対の与え方を適切に選択することによって、様々な変形様式に対する局所フレキシビリティを評価できる。たとえば、2点間の引張変形に対する局所フレキシビリティを評価するためには、2点を結ぶ線分に平行で互いに向きが逆の単位集中力の対を採用すればよい。同様に、2点間のせん断変形に対する局所フレキシビリティを評価するためには、2点を結ぶ線分に垂直で互いに向きが逆の単位集中力の対を採用すればよい。 Here, the specific static load pattern is a pair of static unit concentrated loads applied to the two points x i and x j sandwiching the point of interest, and the deformation amount is an axis parallel to the load axis. The relative deformation amount between two points evaluated in the direction. By appropriately selecting how to give unit concentrated load pairs, local flexibility for various deformation modes can be evaluated. For example, in order to evaluate local flexibility with respect to tensile deformation between two points, a pair of unit concentration forces parallel to a line segment connecting two points and having opposite directions may be adopted. Similarly, in order to evaluate the local flexibility with respect to the shear deformation between two points, a pair of unit concentration forces perpendicular to the line segment connecting the two points and opposite to each other may be adopted.
また、荷重としてモーメントを考えることで、2点間の回転変形に関する局所フレキシビリティを評価することもできる。すなわち、2点を結ぶ線分に平行な軸まわりで互いに向きが逆の単位集中モーメントの対を採用することによって2点間のねじり変形に対する局所フレキシビリティを評価でき、2点を結ぶ線分に垂直な軸まわりで互いに向きが逆の単位集中モーメントの対を採用することによって2点間の曲げ変形に対する局所フレキシビリティを評価できる。特に、曲げ変形に関する局所フレキシビリティは、剛結合されたジョイントや梁状または板状構造物の損傷評価を行う際に有益である。 Moreover, local flexibility regarding rotational deformation between two points can be evaluated by considering a moment as a load. That is, by adopting a pair of unit concentration moments whose directions are opposite to each other around an axis parallel to the line connecting the two points, the local flexibility against torsional deformation between the two points can be evaluated, and the line connecting the two points By adopting a pair of unit concentration moments whose directions are opposite to each other around a vertical axis, it is possible to evaluate local flexibility with respect to bending deformation between two points. In particular, the local flexibility regarding bending deformation is useful when performing damage assessment of rigidly connected joints or beam-like or plate-like structures.
上述の局所フレキシビリティ指標LFIは、構造物のモーダルパラメータを用いて次式(1)で定義される(非特許文献1,2参照)。
ここで、局所フレキシビリティ指標LFIを定義している式(1)を次式(3)のように書き換える。
式(2)の右辺のうち、dnは参照モードシェイプで規格化した相対モードシェイプと固有振動数とからなる量であり、点xi、xjにおける注目軸方向の振動計測データおよび参照点xkにおける参照軸方向の振動計測データから、様々なモード同定の方法を用いて求めることができる。 Of the right side of the equation (2), d n is the amount consisting of the relative mode shapes and natural frequencies normalized by the reference mode shapes, point x i, vibration measurement data and the reference point of the target axis at x j from the reference axis of the vibration measurement data in the x k, can be determined using methods of various modes identified.
一方、anは参照モードシェイプを質量正規化したものからなる量であり、値を求めるためには正規化定数cnを知らなければならない。しかし、cnを求めるには、次のいずれかが必要である。
(a)構造物全体の高精度な数学モデル(有限要素モデルなど)、
(b)構造物全体の質量マトリクスおよび構造物全体を十分な空間密度で網羅した動的応答計測、
(c)構造物に対するアクティブな加振手段と加振力の計測手段並びに加振点における動的応答計測。
いずれをとるにしても、低コスト、柔軟で使いやすい損傷診断装置の実現を妨げてしまう。
On the other hand, a n is the amount consisting of those mass normalized reference mode shapes, in order to determine the value must know the normalization constant c n. However, in order to determine the c n, it is necessary either:.
(A) A high-precision mathematical model (such as a finite element model) of the entire structure,
(B) Dynamic response measurement covering the mass matrix of the entire structure and the entire structure with sufficient spatial density,
(C) Active vibration means for the structure, vibration force measurement means, and dynamic response measurement at the vibration point.
In any case, the realization of a low-cost, flexible and easy-to-use damage diagnostic apparatus is hindered.
次に、評価方法の簡略化について説明する。式(3)の右辺は、N次元ベクトル空間の二つのベクトル{a1,…,aN}と{d1,…,dN}の内積になっている。このうち、{a1,…,aN}は各モードの参照モードシェイプを質量正規化したものからなるベクトルであり、正規化定数を含むため上述の通り求めることが難しいが、参照点および参照軸方向を適切に選ぶことにより、局所的な損傷によってほとんど変化しないベクトルと見なすことができる。これに対し、{d1,…,dN}は振動計測データからの算出が可能な量(固有振動数および質量正規化されていないモードシェイプ)からなるベクトルであり、また、局所的な損傷によって大きく変化するベクトルである。そこで、式(3)の局所フレキシビリティ指標LFI を直接評価するのではなく、ベクトル{d1,…,dN}の変化によってLFI の変化を近似的に評価する。ベクトル{d1,…,dN}の変化を評価するためには、ベクトルから一つまたは複数の特徴量を抽出すればよく、たとえば、ベクトルのノルムによる方法や内積による方法が考えられる。 Next, simplification of the evaluation method will be described. The right side of Equation (3) is the inner product of two vectors {a 1 ,..., A N } and {d 1 ,..., D N } in the N-dimensional vector space. Of these, {a 1 ,..., A N } is a vector formed by mass normalizing the reference mode shape of each mode, and includes a normalization constant, which is difficult to obtain as described above. By selecting the axial direction appropriately, it can be regarded as a vector that hardly changes due to local damage. On the other hand, {d 1 ,..., D N } is a vector composed of a quantity (mode shape that is not natural frequency and mass-normalized) that can be calculated from vibration measurement data, and local damage. It is a vector that varies greatly depending on. Therefore, instead of directly evaluating the local flexibility index LFI of the expression (3), the change of LFI is approximately evaluated by the change of the vector {d 1 ,..., D N }. In order to evaluate the change of the vector {d 1 ,..., D N }, one or a plurality of feature amounts may be extracted from the vector. For example, a method based on a vector norm or a method based on an inner product may be considered.
ここで、モードシェイプを同定するために、点xkにおける加速度応答y(xk,t)を参照応答として用いる。一般には、いかなる点のいかなる物理量を参照応答として選んでもよいが、後述の理由で、損傷の影響を受けにくい量を選ぶことが望ましい。場合によっては点xiと点xjのいずれかにおける角速度応答を参照応答として採用することも可能であり、その場合はセンサ個数を一つ減らすことができる。しかし、後で説明する実験装置では、健全時において点xiと点xjは水平運動のみを示すためいずれの角速度応答もほぼゼロとなってしまう。そのため、別途、水平方向の加速度応答を計測してこれを参照応答としている。なお、以下では点xkにおける加速度応答を参照応答として用いる場合について説明するが、他の物理量を参照応答とする場合についても同様の議論が可能である。 Here, in order to identify the mode shape, the acceleration response y (x k , t) at the point x k is used as a reference response. In general, any physical quantity at any point may be selected as a reference response, but it is desirable to select an amount that is less susceptible to damage for reasons described below. In some cases, the angular velocity response at either point x i or point x j can be adopted as the reference response, and in that case, the number of sensors can be reduced by one. However, in the experimental apparatus described later, since the point x i and the point x j show only the horizontal movement in the healthy state, both angular velocity responses are almost zero. For this reason, the acceleration response in the horizontal direction is separately measured and used as a reference response. In the following, the case where the acceleration response at the point xk is used as the reference response will be described, but the same discussion can be made when another physical quantity is used as the reference response.
次に、ベクトル{d1,…,dN}の振動計測データからの算出方法およびベクトル{d1,…,dN}の変化の評価方法を以下に示す。ここで、
(1)ベクトル{d1,…,dN}を振動計測データから算出するための手段として、2点xi,xjにおける振動応答データの相対量(差)と参照応答データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比による方法を採用し、
(2)ベクトル{d1,…,dN}の変化を非損傷時の基準ベクトルからの変動分のノルムで評価する。
Next, the vector {d 1, ..., d N } calculation method and the vector from the vibration measurement data {d 1, ..., d N } shown below how to evaluate the changes in the. here,
(1) As means for calculating the vector {d 1 ,..., D N } from the vibration measurement data, the relative amount (difference) of the vibration response data at the two points x i and x j and the cross spectrum of the reference response data Adopting the method based on power spectrum ratio,
(2) The change of the vector {d 1 ,..., D N } is evaluated by the norm of the variation from the reference vector at the time of non-damage.
モーダルパラメータの同定法としては様々な選択肢があり得るが、ここでは最も簡単な方法、すなわち定常ランダム応答のスペクトルのピーク値を読み取る方法を用いた。この手法では、一ヵ所の局所フレキシビリティを評価するのに対象部位の近傍に2個ないしは3個のセンサを設置するだけでよく、計測チャンネルは2チャンネルで事足りる。このため興味のある対象部位ごとに独立に計測系および演算系を構成することができるという利点がある。 There are various options for identifying the modal parameter. Here, the simplest method, that is, the method of reading the peak value of the spectrum of the steady random response is used. In this method, it is only necessary to install two or three sensors in the vicinity of the target site in order to evaluate one local flexibility, and two measurement channels are sufficient. For this reason, there exists an advantage that a measurement system and a calculation system can be comprised independently for every object site | part which is interested.
しかし、固有振動数及びモードシェイプの算出手段およびベクトル変化の評価方法はこれらに限るものではなく、任意のものが適宜選択できる。 However, the natural frequency and mode shape calculation means and the vector change evaluation method are not limited to these, and any one can be selected as appropriate.
局所フレキシビリティ指標についてさらに説明する。n次モード座標系での運動方程式を次のように書く。
ここで分布外力fは次式(7)のパワースペクトルSf(x,y,ω)を持つ弱定常過程であるとする。
すると、2点xi、xjの間の相対角速度応答z(xi,xj,t)と参照応答y(xk,t)のクロススペクトルSxyは次式(8)のようになる。
いま各モードの固有振動数が互いに離れており、モード減衰比が十分小さいとすると、n次固有振動数ωnでは、n=mとn≠mの場合、それぞれ次式(11)の右辺の上下に示すようになる。
これと式(8)、式(10)より、次式(13)および式(14)を得る
式(13)と式(14)の比をとると、
式(16)と式(3)、式(4)より、局所フレキシビリティ指標LFIの近似評価式(17)が導出される。
式(17)の右辺はN次元ベクトル空間の二つのベクトル{a1,…,aN}と{d1,…,dN}の内積になっている。このうちベクトル{a1,…,aN}は各モードの参照モードシェイプを質量正規化したものからなり、正規化定数を含むため上述の通り求めることが難しいが、参照点および参照軸方向を適切に選ぶことにより(すなわち、損傷の影響を受けにくい量を参照応答として選ぶことにより)、局所的な損傷によってほとんど変化しないベクトルと見なすことができる。一方、ベクトル{d1,…,dN}は、振動計測データからの算出が可能な量(固有振動数および質量正規化されていないモードシェイプ)からなり、局所的な損傷によって大きく変化する。そこでここでは、式(17)の局所フレキシビリティ指標LFIを直接に評価するのではなく、ベクトル{d1,…,dN}の変化によってLFIの変化を近似的に評価する。具体的には、ベクトル{d1,…,dN}の変化を非損傷時の基準ベクトルからの変動分のノルムで評価する。すなわち、損傷指標DI(i,j)を次式(18)のように定義し、この指標の値の変化によって損傷を検出する。
次に、局所フレキシビリティ指標LFIの1例として、回転変形に対する局所フレキシビリティ指標LFIについて説明する。(以下の説明は、上述の一般的な説明と重複する箇所についても、繰り返して説明する。)局所フレキシビリティ指標LFIは、構造物上の2点xiとxjに印加された一対の静的な単位集中モーメント荷重に対する変形の相対回転角変位であり、構造物のモーダルパラメータを用いて式(31)で計算される。式(31)は以下のように導出される。 Next, as an example of the local flexibility index LFI, the local flexibility index LFI for rotational deformation will be described. (The following description will also be repeated with respect to portions that overlap with the above-described general description.) The local flexibility index LFI is a pair of static values applied to two points x i and x j on the structure. This is a relative rotational angular displacement of deformation with respect to a typical unit moment load, and is calculated by Equation (31) using a modal parameter of the structure. Equation (31) is derived as follows.
n次モード座標系での運動方程式を次のように書く。
ここで分布外力fは次のパワースペクトルSf(x,y,ω)を持つ弱定常過程であるとする。
角速度センサの設置点をxi、xjとし、参照加速度センサの接地点をxkとする。すると、2点xi、xjの間の相対角速度応答z(xi,xj,t)と参照応答y(xk,t)のクロススペクトルSzyは次式(22)のようになる。
いま各モードの固有振動数が互いに離れており、モード減衰比が十分小さいとすると、n次固有振動数ωnでは、n=mとn≠mの場合、式(25)の右辺の上下に示すようになる。
よって、n次固有振動数ωnでは、G,Hは次式(26)になる。
これと式(22)、式(24)より、次式(27)および(28)を得る。
式(27)と式(28)の比をとると、式(29)
式(30)と式(3)、式(4)より、局所フレキシビリティ指標LFIの近似評価式(31)が導出される。
上式(31)の右辺はN次元ベクトル空間の二つのベクトル{a1,…,aN}と{d1,…,dN}の内積になっている。このうちベクトル{a1,…,aN}は各モードの参照モードシェイプを質量正規化したものからなり、正規化定数を含むため上述の通り求めることが難しいが、参照点および参照軸方向を適切に選ぶことにより、局所的な損傷によってほとんど変化しないベクトルと見なすことができる。一方、ベクトル{d1,…,dN}は振動計測データからの算出が可能な量(固有振動数および質量正規化されていないモードシェイプ)からなり、局所的な損傷によって大きく変化する。そこで、式(31)のLFIを直接評価するのではなく、ベクトル{d1,…,dN}の変化によってLFIの変化を近似的に評価する。具体的には、ベクトル{d1,…,dN}の変化を非損傷時の基準ベクトルからの変動分のノルムで評価する。すなわち、損傷指標DIを次式(32)のように定義し、この指標の値の変化によって損傷を検出する。
さらには、上述の損傷指数評価を並進変形に関するフレキシビリティの評価に用いることも可能である。その場合は、センサの計測量として変位、速度、加速度などを選択すればよい。 Furthermore, it is also possible to use the above-described damage index evaluation for evaluating flexibility regarding translational deformation. In that case, displacement, speed, acceleration, etc. may be selected as the measurement amount of the sensor.
図1に、本発明の1実施形態による損傷診断システムを示す。この診断システムは、監視対象部位(たとえば溶接またはボルトで結合されているジョイント)10を挟んで設置した2個の角速度センサユニット20、これらと有線で接続され監視対象部位の近傍に設置された1個の無線センサノード30および無線アクセスポイント42を持つ1台のホストコンピュータ40からなる。無線センサノード30は、データ処理結果を無線で送信し、無線アクセスポイント42は、無線センサノード30からデータ処理結果を受信する。無線インターフェース38(図2)を用いずに有線接続を用いてもよい。また、アクセスポイント42はホストコンピュータ40に直結されている必要はなく、LANなどを介して接続されていてもよい。
FIG. 1 shows a damage diagnosis system according to an embodiment of the present invention. This diagnostic system includes two angular
図2は、この診断システムにおける信号処理系を概念的に示す。角速度センサユニット20に内蔵された角速度センサ(たとえばジャイロセンサ)22は設置点の角速度応答を計測し、その信号は増幅器24により増幅されて無線センサノード20に送られる。また、無線センサノード30に内蔵された加速度センサ32は参照データとして設置点の加速度応答を計測する。無線センサノード30では、これらの応答データはAD変換器34でデジタルデータに変換され、プロセッサ36はこれらのデジタルデータを信号処理して損傷指標DI(式(18))を算出する。プロセッサ36は、通常のコンピュータと同様の構成を備え、評価の基準となる健全状態における上述の評価値を記憶していて、図示しない記憶装置に格納されている損傷指標DI算出のための計算処理プログラムにより、入力データを処理して、損傷指標DIを算出する。得られた損傷指標DIは無線インターフェース38を介してホストコンピュータ40に送信され、適切な後処理を経てユーザに提示される。無線インターフェース38は任意のものが利用できる。
FIG. 2 conceptually shows a signal processing system in this diagnostic system. An angular velocity sensor (for example, a gyro sensor) 22 incorporated in the angular
図3は、無線センサノード30のプロセッサ36で行う信号処理のフローチャートである。健全状態のベクトル{d1,…,dN}は、以下の手順を用いて得られ、評価の基準となる健全状態における評価値として前もって記憶されている。まず、AD変換器34より各センサからの測定データを入力する(S10)。次に、固有振動数およびモードシェイプを求める。このため、相対角速度データと参照加速度データのFFT演算をし、相対角速度データと参照加速度データのクロススペクトルデータおよびパワースペクトルの比を求め、固有振動数とモードシェイプを求める(S12)。そして、固有振動数とモードシェイプを用いてベクトル{d1,…,dN}を計算する(S14)。さらに、ベクトル{d1,…,dN}の変化を非損傷時の基準ベクトルからの変動分のノルムで評価する(S16)。そして、損傷指標DIを求め(S18)、ホストコンピュータ40に送信する(S20)。
FIG. 3 is a flowchart of signal processing performed by the processor 36 of the
この実施形態では、剛に結合されたジョイントにおける損傷を検出するために、曲げ変形に関する局所フレキシビリティ指標を評価している。このため、
(1)相対モードシェイプの取得用に角速度センサを2個、参照モードシェイプの取得用に加速度センサを1個使用し、
(2)ベクトル{d1,…,dN}を振動計測データから算出するための手段として、相対角速度データと参照加速度データのクロススペクトルおよびパワースペクトルの比を用いる。
しかし、対象箇所および評価する変形様式、センサ構成(計測量、配置および組み合わせ)、固有振動数及びモードシェイプの算出手段およびベクトル変化の評価方法はこれらに限るものではなく、任意のものが適宜選択できる。
In this embodiment, a local flexibility index for bending deformation is evaluated to detect damage in a rigidly connected joint. For this reason,
(1) Two angular velocity sensors are used for acquiring the relative mode shape, and one acceleration sensor is used for acquiring the reference mode shape.
(2) As a means for calculating the vector {d 1 ,..., D N } from the vibration measurement data, the ratio between the cross spectrum and the power spectrum of the relative angular velocity data and the reference acceleration data is used.
However, the target location and the deformation mode to be evaluated, the sensor configuration (measurement amount, arrangement and combination), the natural frequency and mode shape calculation means, and the vector change evaluation method are not limited to these. it can.
たとえば、センサの計測量として角速度ではなく角度や角加速度を利用してもよい。参照データとして加速度ではなく2点の角速度データのいずれか一方を用いることが可能な場合もあり、その場合はセンサ総数を2個にすることができる。固有振動数及びモードシェイプの算出手段としては、NEXT+ERA法や部分空間法などを用いてもよい。ベクトル変化の評価方法としては、非損傷時のベクトルとの内積を用いてもよいほか、さらに高度なパターン分類手法を用いてもよい。また、これらの信号処理は無線センサノード30内で行っているが、信号処理の一部または全てをホストコンピュータ40で行ってもよい。
For example, not the angular velocity but the angle or angular acceleration may be used as the sensor measurement amount. In some cases, one of two angular velocity data instead of acceleration can be used as reference data. In this case, the total number of sensors can be two. As a means for calculating the natural frequency and the mode shape, a NEXT + ERA method, a subspace method, or the like may be used. As an evaluation method of the vector change, an inner product with a vector at the time of non-damage may be used, or a more advanced pattern classification method may be used. These signal processes are performed in the
振動応答検出センサ(たとえば角速度センサ22)および参照応答検出センサ(たとえば加速度センサ32)からの計測データは、無線センサノード30およびホストコンピュータ40で処理されるが、図3に示したデータ処理手順では、損傷監視場所ごとに設置した無線センサノード30内のプロセッサにおいて損傷指標を算出し、その結果すなわち「損傷指標の値」をホストコンピュータ40に送信している。ホストコンピュータ40は、複数点での損傷指数をまとめて記録し、ユーザに提示する。しかし、無線センサノード30およびホストコンピュータ40におけるデータ処理については種々の形態が可能である。1例では、無線センサノード30では、計測データ取得までを行い、振動計測データを無線リンクで送信し、ホストコンピュータ40において、図3と同様なデータ処理手順を実行し損傷指標を評価する。他の例では、無線センサノード30では、図3のデータ処理手順の一部(たとえば、ベクトル{dn}の算出まで)を行い、データ処理の途中結果を無線リンクでホストコンピュータ40に送信する。ホストコンピュータ40では、残りのデータ処理を実行して損傷指標を求める。そして、複数点での損傷指数をまとめて記録し、表示する。
Measurement data from the vibration response detection sensor (for example, the angular velocity sensor 22) and the reference response detection sensor (for example, the acceleration sensor 32) is processed by the
次に、損傷診断の1例について説明する。図4に示す4層せん断構造物模型を用いて実験を行った。図4において左側が立面図であり、右側が第1層から第3層での上面図である。模型は、直立した4枚のアルミ製薄板柱40(2mm厚、40mm幅)に最上層スラブ42を固定し、柱に等間隔に固定した支持ブロック44上に、第1層から第3層の中間層スラブ46a,46b,46cの四隅をそれぞれ4本のM6ボルト48で皿バネ座金を介して固定したものである。すべてのボルトを十分に締め付けた状態を健全状態と定義する。表1に示すように、損傷レベルは4つのボルトの緩め角で定義される。ボルトの番号1〜4は図4中に示されている。中間層スラブの四隅の内の3ヵ所について、ボルトを順次緩め(損傷レベル0〜3)、次に、中間層スラブの四隅の内の残りの1ヵ所について、固定ボルト48を10段階で緩めることで、スラブと柱の締結剛性を変えて損傷状態を作り出した。表1に損傷状態の定義を示す。表1において、緩め角は、完全締め付け状態からボルトを緩み方向に回した角度である。>1800は、5回転以上を意味し、完全に緩んだ状態に相当する。
Next, an example of damage diagnosis will be described. Experiments were performed using a four-layer shear structure model shown in FIG. In FIG. 4, the left side is an elevational view, and the right side is a top view of the first to third layers. In the model, the
表1 損傷レベルの定義
実際に相対速度応答を広帯域で計測することは困難であるので、この測定では対象部位の両側の点xiと点xjに角速度センサの1種であるジャイロセンサ(図示しない)を一つずつ設置し、これらで計測した角速度応答の差z(xi,xj,t)から必要なモーダルパラメータを推定する。ジャイロセンサとしては小型で安価な振動ジャイロを使用する。振動ジャイロは上限50Hz程度の帯域を持つものが各種入手可能であるが、この測定ではAnalog Devices Inc.のADXRS401を使用した。このセンサの諸元を表2に示す。 Since measuring actual relative speed response in a wide band is difficult, one by one gyro sensor (not shown) in this measurement is a type of angular velocity sensor on either side of the point x i and the point x j of sites Installed, and the necessary modal parameters are estimated from the difference z (x i , x j , t) of the angular velocity responses measured by these. As the gyro sensor, a small and inexpensive vibration gyro is used. Various types of vibratory gyros with an upper limit of about 50 Hz are available. For this measurement, ADXRS401 from Analog Devices Inc. was used. Table 2 shows the specifications of this sensor.
表2 ジャイロセンサの諸元
ジャイロセンサは、スラブ上に1個、支持ブロック上に1個、それぞれ検出軸が柱の曲げモーメントの作用軸方向と平行になる向きに取り付けた。さらに参照応答計測のための加速度センサ(ADXL311)(図示しない)を1個、検出軸がスラブの水平振動方向と平行になるよう取り付けた。 One gyro sensor was mounted on the slab and one on the support block, and the detection axes were mounted in directions that were parallel to the direction of the acting axis of the column bending moment. Furthermore, one acceleration sensor (ADXL311) (not shown) for reference response measurement was attached so that the detection axis was parallel to the horizontal vibration direction of the slab.
構造物模型全体を水平振動台に設置し、定常ピンクノイズでアクチュエータを駆動して加振を行った。各センサでの応答計測値は、サンプリング周波数500Hz、データ長214個で、各実験条件につき2回ずつ収録した。データを1024個ずつのセグメントに分割し、それぞれのセグメントにハニング窓をかけたのち、ゼロを付加して長さを8倍に伸張したものを高速フーリエ変換した。これらを適切な組み合わせで掛け合わせてから全セグメントについて算術平均をとることによって、必要なパワースペクトルおよびクロスパワースペクトルを計算した。 The entire structure model was installed on a horizontal shaking table, and the actuator was driven by steady pink noise to perform vibration. The measured response values for each sensor were recorded twice for each experimental condition with a sampling frequency of 500 Hz and a data length of 214 pieces. The data was divided into 1024 segments, a Hanning window was applied to each segment, a zero was added and the length was expanded 8 times, and fast Fourier transform was performed. The necessary power spectrum and cross power spectrum were calculated by multiplying these in an appropriate combination and then calculating the arithmetic average for all segments.
次に、実験結果について説明する。第1層から第3層のスラブ44a〜44cと支持ブロック42の締結節について、おのおの表1に示した損傷状態を設定して実験を行った。
Next, experimental results will be described. Experiments were conducted by setting the damage states shown in Table 1 for the fastening nodes between the first to third slabs 44a to 44c and the
まず、図5a〜図5cに、加速度応答のパワースペクトルから読み取った固有振動数の各損傷状態における値を示す。図5a、図5bおよび図5cは、それぞれ、第1層から第3層の中間層スラブ44a,44b,44cでの固有振動数の変化を示す。健全状態(スラブと支持ブロックが4ヵ所で完全締結されている状態)と最もレベルの大きな損傷状態(スラブと支持プロックの締結節4ヵ所のうちの一つが完全に切れた状態)を比較しても、固有振動数の有意な変化は見られないことがわかる。 First, FIGS. 5a to 5c show values of the natural frequencies read from the power spectrum of the acceleration response in each damage state. FIGS. 5a, 5b and 5c show the change in natural frequency in the first to third intermediate slabs 44a, 44b and 44c, respectively. Compare the healthy state (the state where the slab and support block are completely fastened at 4 locations) and the state of the most serious damage (the state where one of the 4 fastening joints between the slab and the support block is completely broken) However, it can be seen that there is no significant change in the natural frequency.
次に、図6a〜図6cに、損傷指標を求めた結果を示す。損傷指標を計算する際には、健全時における1回目の試行から得られたベクトル{d1,…,dN}を{d1,…,dN}baselineとして採用した。図6a〜図6cで損傷レベル0(健全状態)にプロットされている損傷指標の値は、健全時における2回目の試行から得られた{d1,…,dN}を{d1,…,dN}baselineとして計算したものである。図6a〜図6cより、いずれの層を損傷させた場合も、損傷の進行にしたがって損傷指標が増加していることがわかる。 Next, FIGS. 6a to 6c show the results of obtaining the damage index. In calculating the damage index was obtained from the first try in healthy during vector {d 1, ..., d N } to {d 1, ..., d N } was taken as baseline. The damage index values plotted at the damage level 0 (healthy state) in FIGS. 6a to 6c are {d 1 ,..., D N } obtained from the second trial in the healthy state, and {d 1 ,. , d N } baseline . It can be seen from FIGS. 6a to 6c that the damage index increases as the damage progresses when any layer is damaged.
さらに、損傷指標の推移は、(I)健全状態から損傷レベル3まで、(II)損傷レベル4、 (III)損傷レベル5以降、の3領域に分かれていることがわかる。(I)の領域での損傷指標の値は健全状態における値と同程度であり、これは、損傷の影響が、損傷指標のばらつきの範囲内にとどまっていることを意味している。すなわちこの領域の損傷レベルは検出することができない。損傷レベル3までの範囲ではボルト4が完全締結の状態のまま残っており、締結節の剛性は実質的にほとんど低下していないと考えられることから、この結果は妥当であると考えられる。(II)の領域に入ると損傷指標は急激に増加する。これは残り1本のボルト4が緩み始めるため、締結節の剛性が実質的に、低下し始めるためである。損傷指標の値はボルト4が半回転する間に急激に増大し、半回転以降(領域(III))はほぼ飽和して漸増する傾向が見られる。半回転以降はボルトの締め付け力がほとんど失われていると考えられる。
Furthermore, it can be seen that the transition of the damage index is divided into three regions: (I) from a healthy state to a
今回の実験では、締結ボルトに皿バネ座金を併用するなどある程度の工夫を講じたにもかかわらず、損傷指標の増加が不連続的に急激に進展する結果となったので、損傷の検出限界を詳細に調べることができなかった。検出限界を調べるためには、実験装置をさらに工夫して損傷状態を連続に制御することが必要であると考えられる。 In this experiment, even though some measures were taken, such as using a conical spring washer on the fastening bolt, the increase in damage index was discontinuous and abrupt. I could not investigate in detail. In order to investigate the detection limit, it is considered necessary to further devise the experimental apparatus to continuously control the damage state.
以上に説明したように、せん断構造物模型を用いた実験では、スラブと柱の締結剛性の低下を検出することに成功した。この診断では、1ヵ所の局所フレキシビリティを評価するのに対象部位の近傍に2個ないしは3個のセンサを設置するだけでよく、興味のある対象部位ごとに独立に計測系および演算系を構成することができるという利点がある。このため無線センサネットワーク環境との相性がよく、将来的には無線センサネットワークシステムを利用した分散処理による構造ヘルスモニタリング手法としての発展が期待できる。 As explained above, in the experiment using the shear structure model, we succeeded in detecting a decrease in the fastening rigidity between the slab and the column. In this diagnosis, it is only necessary to install two or three sensors in the vicinity of the target site in order to evaluate the local flexibility at one location, and the measurement system and the calculation system are configured independently for each target site of interest. There is an advantage that you can. For this reason, it is compatible with the wireless sensor network environment, and in the future, it can be expected to develop as a structural health monitoring technique by distributed processing using the wireless sensor network system.
また、図1に示す例では1箇所の損傷診断を行っているが、複数箇所の診断を行う場合には、図7に示すように、それぞれの箇所に角速度センサユニット及び無線センサノードを配置すればよい。診断のための装置および計算処理が対象部位ごとに互いに独立であるので、監視箇所の追加/削除が容易である。 Further, in the example shown in FIG. 1, damage diagnosis is performed at one location. However, when performing diagnosis at a plurality of locations, as shown in FIG. 7, an angular velocity sensor unit and a wireless sensor node are arranged at each location. That's fine. Since the apparatus for diagnosis and the calculation process are independent from each other for each target part, addition / deletion of a monitoring part is easy.
また、上述の損傷診断システムは、高層建築物や社会基盤構造物などの構造ヘルスモニタリング、個人住宅(木造住宅など)や各種施設の動的精密耐震診断、プラントの各種静止機器などのモニタリング、風力発電タービンブレード、ヘリコプターのロータなどの損傷モニタリング、航空宇宙構造物のヘルスモニタリングなど、さまざまな分野に適用できる。
In addition, the above-mentioned damage diagnosis system includes structural health monitoring for high-rise buildings and social infrastructure structures, dynamic precise seismic diagnosis for individual houses (such as wooden houses) and various facilities, monitoring for various stationary equipment in plants, wind power It can be applied to various fields such as power turbine blades, helicopter rotor damage monitoring, and aerospace structure health monitoring.
20 角速度センサユニット、 22 角速度センサ、 30 無線センサノード、 32 加速度センサ、 36 プロセッサ、 40 ホストコンピュータ。 20 angular velocity sensor unit, 22 angular velocity sensor, 30 wireless sensor node, 32 acceleration sensor, 36 processor, 40 host computer.
Claims (12)
前記振動応答検出センサおよび参照応答検出センサから振動計測データを取得し、入力振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点xi,xjの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨn(xi,xj)、参照点xkにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφn r(x k )およびn次モードの固有振動数ωnを求め、下記の式
からなる構造物の損傷の診断システム。 A plurality of vibration response detection sensors installed at two points x i and x j sandwiching a monitoring target portion of the structure, and a reference response detection sensor installed at a reference point x k different from the positions x i and x j ;
Vibration measurement data is acquired from the vibration response detection sensor and the reference response detection sensor. From the input vibration measurement data, the mode shape of the nth-order mode (1 ≦ n ≦ N) in each of the vibration modes of the number N of natural vibrations. Relative mode shape Ψ n (x i , x j ), which is the relative displacement amount in the direction of the axis of interest between the extracted two points x i , x j , and the reference axis direction component of the mode shape of the nth-order mode at the reference point x k The reference mode shape φ n r (x k ) and the natural frequency ω n of the n-th mode are obtained by the following equation:
入力振動計測データから、固有振動の数Nの振動モードの各々において、n次モード(1≦n≦N)のモードシェイプから抽出した2点xi,xjの間の注目軸方向の相対変位量である相対モードシェイプΨn(xi,xj)、参照点xkにおけるn次モードのモードシェイプの参照軸方向成分である参照モードシェイプφn r(x k )およびn次モードの固有振動数ωnを求め、
下記の式
で定義されるdnを算出し、
下記の式
構造物の損傷の診断方法。 Vibration measurement data from a plurality of vibration response detection sensors installed at two points x i and x j sandwiching a monitoring target location of the structure and a reference response detection sensor installed at a reference point x k different from the positions x i and x j Get
Relative displacement in the direction of the axis of interest between the two points x i and x j extracted from the mode shape of the nth order mode (1 ≦ n ≦ N) in each of the vibration modes of the number N of natural vibrations from the input vibration measurement data The relative mode shape Ψ n (x i , x j ) that is a quantity, the reference mode shape φ n r (x k ) that is the reference axial component of the mode shape of the n-th mode at the reference point x k, and the characteristic of the n-th mode Find the frequency ω n ,
The following formula
In calculating the d n to be defined,
The following formula
前記dnの変化を非損傷時の基準ベクトルdn(xi,xj)|baselineからの変動分のノルムで評価することを特徴とする請求項11に記載された診断方法。 The dn is obtained from the ratio of the relative amount (difference) of the vibration response data at the two points x i and x j and the cross spectrum and power spectrum of the reference response data,
Wherein d reference vector d n (x i, x j ) changed in the non-damaged n | diagnostic method according to claim 11, characterized in that the evaluation by the norm of variation from baseline.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101770966B1 (en) | 2016-10-21 | 2017-08-24 | 대한민국 | Genetic marker and method for identifying the sex in the olive flounder |
KR20180055002A (en) * | 2016-11-15 | 2018-05-25 | 연세대학교 산학협력단 | Estimating System and method of modal parameter for real-time monitoring of structures |
US11262180B2 (en) | 2017-06-27 | 2022-03-01 | Denso Corporation | Position detection device |
Families Citing this family (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5098919B2 (en) * | 2008-09-18 | 2012-12-12 | 富士通株式会社 | Moving direction calculating device, moving direction calculating program, and moving direction calculating method |
US8186223B2 (en) * | 2009-04-24 | 2012-05-29 | General Electric Company | Structural integrity monitoring system |
JP2011122824A (en) * | 2009-12-08 | 2011-06-23 | Koden Electronics Co Ltd | Bridge deterioration monitoring and recording device and bridge deterioration monitoring and recording system |
US10352794B2 (en) | 2012-10-05 | 2019-07-16 | Siemens Energy, Inc. | Turbine blade fatigue life analysis using non-contact measurement and dynamical response reconstruction techniques |
JP6032494B2 (en) * | 2013-06-19 | 2016-11-30 | 清水建設株式会社 | Structural damage detection method and structural health monitoring system |
CN104280457A (en) * | 2014-10-27 | 2015-01-14 | 中国石油天然气集团公司 | Damage identification method and device for self-elevating platform |
KR101699856B1 (en) * | 2014-12-15 | 2017-01-25 | 에스티건설 주식회사 | Damage Detection method of Pile and Tower Structures Using Acceleration and Angular Velocity of Top |
JP6601267B2 (en) * | 2016-03-01 | 2019-11-06 | 日本製鉄株式会社 | Evaluation method for structures |
JP6809691B2 (en) * | 2016-07-26 | 2021-01-06 | 学校法人五島育英会 | Measuring equipment, measuring methods, and measuring systems |
JP2018016983A (en) * | 2016-07-26 | 2018-02-01 | 公益財団法人鉄道総合技術研究所 | Damage estimation method for concrete-filled steel pipe column and damage estimation device for concrete-filled steel pipe column |
JP7068768B2 (en) * | 2016-11-18 | 2022-05-17 | 特許機器株式会社 | Deterioration diagnosis device, deterioration diagnosis method and deterioration diagnosis system |
JP6642394B2 (en) | 2016-11-30 | 2020-02-05 | 株式会社デンソー | Strain detector |
JP6989912B2 (en) * | 2017-09-22 | 2022-01-12 | 公立大学法人大阪 | Structure anomaly detection device, structure anomaly detection system, structure anomaly detection method, and structure anomaly detection program |
JP6950427B2 (en) | 2017-10-03 | 2021-10-13 | 株式会社デンソー | Position detector |
JP6983648B2 (en) * | 2017-12-26 | 2021-12-17 | 戸田建設株式会社 | Structure natural period estimation method, structure seismic resistance judgment method, structure natural period estimation system and structure seismic resistance judgment system |
JP6981547B2 (en) * | 2018-05-31 | 2021-12-15 | 日本電気株式会社 | Monitoring system and monitoring method |
WO2020054026A1 (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | 株式会社東芝 | Structure evaluation system, structure evaluation device, and structure evaluation method |
CN111044139A (en) * | 2018-10-12 | 2020-04-21 | 中国电力科学研究院有限公司 | Method and system for testing inherent frequency of shielding ring |
CN110006676B (en) * | 2019-03-25 | 2021-07-09 | 广州市建筑科学研究院有限公司 | Building performance evaluation method and system based on structural health monitoring data |
JP7224234B2 (en) * | 2019-04-25 | 2023-02-17 | Thk株式会社 | Abnormality diagnosis system and abnormality diagnosis method |
JP7233326B2 (en) * | 2019-07-08 | 2023-03-06 | 株式会社日立製作所 | INSPECTION DEVICE AND INSPECTION METHOD FOR WIND TURBINE EQUIPMENT |
CN114004436B (en) * | 2021-06-10 | 2024-05-28 | 重庆大学 | Performance response spectrum-based earthquake resistance evaluation method for self-resetting offshore wind power booster station |
CN116242426B (en) * | 2022-12-27 | 2023-11-14 | 中冶建筑研究总院有限公司 | Large-span space structure health supervision system and method thereof |
-
2006
- 2006-11-29 JP JP2006321706A patent/JP4992084B2/en active Active
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101770966B1 (en) | 2016-10-21 | 2017-08-24 | 대한민국 | Genetic marker and method for identifying the sex in the olive flounder |
KR20180055002A (en) * | 2016-11-15 | 2018-05-25 | 연세대학교 산학협력단 | Estimating System and method of modal parameter for real-time monitoring of structures |
KR101875018B1 (en) * | 2016-11-15 | 2018-07-09 | 연세대학교 산학협력단 | Estimating System and method of modal parameter for real-time monitoring of structures |
US11262180B2 (en) | 2017-06-27 | 2022-03-01 | Denso Corporation | Position detection device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2008134182A (en) | 2008-06-12 |
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