JP6295118B2 - 構造材の損傷探知システム、構造材の損傷探知方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、建造物の梁等の構造材の損傷を探知する構造材の損傷探知システム、構造材の損傷探知方法、及びプログラムに関する。

柱や梁等といった構造材が、大地震等によって損傷した場合には、損傷箇所を速やかに発見するとともに、必要であれば速やかに修復や補強等の工事を行うことが要求される。損傷箇所の発見は、目視確認によって行われることが多いが、例えば高層建物の高層部に設けられた梁等といった、アクセス困難な場所に設けられた構造材に損傷が発生した場合には、目視確認で的確に対応することが困難であった。そのため、構造材に取り付けられ、損傷が発生した場合に自動的に検知することができる損傷検出センサが用いられてきている（特許文献１）。

上記特許文献１に記載の構造物の損傷検知センサは、一端部側が第１固定片部として柱に固定されるとともに、他端部側が第２固定片部として梁に固定され、これら第１固定片部と第２固定片部とに挟まれた中間部は変位可能とされた可撓性の板状部材と、板状部材に一体に設けられ、中間部の変位を歪みとして検出する光ファイバを備える、そして、構造部材同士の相対位置がずれると、それに伴って第１の固定片部と第２の固定片部との相対位置も変化し、板状部材の中間部は変位する。損傷検知センサは、この変位を、光ファイバにより歪みとして検出する。

特許第３８３７６６５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載された方法では、柱同士や梁同士のような、互いにほぼ直線形状となるように接合された構造部材同士の接合部分に損傷探知センサを配置する必要があり、センサの数が多くなるといった問題点があった。また、竣工後の建造物に後から損傷探知センサを取り付ける等の作業を行うには、多大なコストがかかるといった問題点もあった。

本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、建造物の梁等の損傷を探知する場合に、測定系を簡素化できる、構造材の損傷探知システム、構造材の損傷探知方法、及びプログラムを提供することある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の構造材の損傷探知システムは、建造物の各フロアの各床スラブ毎に設置され前記各床スラブの上下方向の振動を測定するセンサ部と、前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出部と、前記各床スラブ毎に固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定部と、を備えることを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記損傷判定部は、各床スラブ毎に、以前に算出した固有振動数と、今回算出した固有振動数とを比較し、前記今回算出した固有振動数が、前記以前に算出した固有振動数に対して、前記床スラブを囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される所定の割合以下に低下している場合に、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生していると判定することを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記損傷判定部は、各床スラブ毎に、以前に算出した第１固有振動数と、今回算出した第２固有振動数との固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出し、該固有振動数比が、前記床スラブを囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される所定の閾値以下に低下している場合に、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生していると判定することを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記閾値が略√１／５であることを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記損傷判定部により、１の床スラブ支える梁に損傷が発生したと判定された場合に、前記損傷判定部は、さらに、前記１の床スラブの固有振動数比と、前記１の床スラブと同一フロアに設備された他の床スラブの固有振動数比とを比較し、前記１の床スラブの固有振動数比のみが所定の閾値以下まで変化している場合に、前記１の床スラブを支える周囲の梁に損傷が発生していると判定することを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記損傷判定部は、地震発生の前後における前記床スラブの固有振動数の変化を比較して、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定することを特徴とする。

また、上記構造材の損傷探知システムにおいて、前記センサ部により所定の値以上の振動が検出された場合に、地震が発生したことを検出する地震発生検出部を備えることを特徴とする。

また、本発明の構造材の損傷探知方法は、建造物の各フロアの各床スラブ毎に上下方向の振動を測定するセンサ部を配置し、前記センサ部により測定された振動の測定値に基づいて、前記各床スラブ毎に、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する構造材の損傷探知システムにおける損傷探知方法であって、前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出ステップと、前記各床スラブ毎に、固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明のプログラムは、建造物の各フロアの各床スラブ毎に上下方向の振動を測定するセンサ部を配置し、前記センサ部により測定された振動の測定値に基づいて、前記各床スラブ毎に、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する構造材の損傷探知システムのコンピュータに、前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出ステップと、前記各床スラブ毎に、固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定ステップと、を実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、建造物等の梁等の構造材の損傷を探知する場合に、測定系を簡素化できる。

本発明の実施形態に係わる構造材の損傷探知システムの概要を説明する説明図である。 床スラブ１０における固有振動数の測定例を示す説明図である。 地震発生前の床スラブ１０の固有振動数の算出例を示す説明図である。 地震発生後の床スラブ１０の固有振動数の算出例を示す説明図である。 同一フロアの複数の床スラブ１１から１９のそれぞれの固有振動数を算出する例を示す説明図である。 計測点Ｓ１からＳ９における固有振動数比を比較する例を示す説明図である。 損傷探知システム１００の構成を示すブロック図である。 損傷探知システム１００における処理の流れを示す第１のフローチャートである。 損傷探知システム１００における処理の流れを示す第２のフローチャートである。 床スラブの損傷情報の表示例を示す説明図である。 固有振動数比のデータの表示例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

図１Ａは、本発明の実施形態に係わる構造材の損傷探知システムの概要を説明する説明図である。この図１Ａでは、建造物のフロアの柱４１、４２、４３、４４と梁（大梁）３１、３２、３３、３４とに囲まれた床スラブ１０をモデル化して示している。この図では、ＲＣ（Reinforced-Concrete）構造の場合を例示する。柱４１、４２、４３、４４と梁３１、３２、３３、３４とでラーメン構造が形成されており、梁３１、３２、３３、３４で指示される床スラブ１０の例が示されている。

なお、梁には、大梁と小梁とがあり、梁３１、３２、３３、３４は、床スラブ１０の荷重を支える大梁である。梁３１は、柱４１と柱４４との間に掛け渡され、梁３２は、柱４１と柱４２との間に掛け渡され、梁３３は、柱４２と柱４３との間に掛け渡され、梁３４は、柱４３と柱４４との間に掛け渡される。床スラブ１０の荷重は、梁３１、３２、３３、３４により支えられ、この梁３１、３２、３３、３４に加わる荷重は、柱４１、４２、４３、４４により支えられる。なお、以下の説明において、梁３１、３２、３３、３４を総称する場合は、「梁３０」と呼び、柱４１、４２、４３、４４を総称する場合は、「柱４０」と呼ぶ。

構造材の損傷探知システム１００（以下、単に「損傷探知システム１００」とも呼ぶ）は、図１Ａに示すように、床スラブ１０の中央部分の計測点に配置されたセンサ部２０と、センサ部２０により測定された上下方向の振動の測定値（例えば、加速度測定値又は速度測定値等の測定値）のデータを収集して梁３０の損傷を判定する損傷判定装置１０１と、で構成されている。例えば、センサ部２０は、振動の加速度を検出する加速度センサ、又は、速度を検出する速度センサである。以下の説明では、センサ部２０に加速度センサを用いて、検出した加速度の測定値に基づいて処理する場合を例に挙げて説明する。
損傷判定装置１０１は、主要な処理部として、固有振動数算出部１０６と、損傷判定部１０７とを備えている。
なお、建造物の１つのフロアに複数の床スラブ１０が設備される場合、センサ部２０は、各床スラブ１０毎に配置される。また、損傷判定装置１０１が各床スラブ１０毎に、梁３０における損傷の発生を判定する処理を「一次診断」と呼ぶことがある。

損傷探知システム１００において、このセンサ部２０は、床スラブ１０の計測点における上下方向の振動（加速度）を常時測定し、この加速度測定値を損傷判定装置１０１に出力する。なお、センサ部２０が測定する振動は、建造物に常時、自然に発生する微振動を対象としている。そして、震度で示されるような大きな地震が発生して加速度測定値が所定の値を上回るような場合、この地震の発生により測定された加速度測定値は、地震が発生したことを検出するために使用され、床スラブ１０の固有振動数の算出には使用しないようにする。また、車の走行や、人の移動に伴う環境振動（ノイズ）の影響を避けるために、損傷探知システム１００は、環境振動が小さい深夜の時間帯等に、振動の測定を行うようにしてもよい。

そして、損傷判定装置１０１内の固有振動数算出部１０６は、センサ部２０が時系列に測定した加速度測定値の時刻歴データを、所定の時間範囲毎に周波数領域のデータに変換して、床スラブ１０の固有振動数を算出する。そして、損傷判定部１０７は、例えば、地震が発生した際に、地震の発生時以前に固有振動数算出部１０６が算出した固有振動数（第１固有振動数）と、地震の発生後に固有振動数算出部１０６が算出した固有振動数（第２固有振動数）との固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出する。損傷判定部１０７は、この固有振動数比の値に基づいて、床スラブ１０を囲む梁３０の損傷を検出する。例えば、後述するように、損傷判定部１０７は、固有振動数比が√１／５程度（略√１／５）以下に低下した場合に、床スラブ１０を支える梁３０に損傷が発生したと判定する。

なお、地震の発生時以前に算出した固有振動数のデータは、地震の発生の直前に算出した固有振動数のデータであってもよく、或いは、現在から過去に向かう所定の期間の間の固有振動数の平均値のデータであってもよい。又は、地震の発生時以前に算出した固有振動数のデータは、最新のデータに近い順に重み付けを行った平均値のデータであってもよい。損傷判定装置１０１では、地震の発生時以前に算出した固有振動数のデータとして、床スラブ１０の具体的な構造、材質などに応じて、最適なデータを選択して用いることができる。

また、図１Ｂは、床スラブ１０における固有振動数の測定例を示す説明図である。この図１Ｂは、縦軸にフーリエスペクトルの振幅（フーリエ変換された各成分波の振幅）、横軸に振動数を示し、地震発生前に算出されたフーリエスペクトルＡ１と、地震発生後に算出されたフーリエスペクトルＡ２とを並べて示した図である。この図１Ｂにおいて、地震発生前のフーリエスペクトルＡ１は、床スラブ１０の梁３０に損傷が発生していない場合のフーリエスペクトルを示し、このフーリエスペクトルＡ１における最大振幅点の振動数ｆが床スラブ１０の固有振動数になる。一方、地震発生後のフーリエスペクトルＡ２は、床スラブ１０の梁３０に損傷が発生している場合のフーリエスペクトルを示し、このフーリエスペクトルＡ２における最大振幅点の振動数ｆ’が床スラブ１０の固有振動数になる。

つまり、床スラブ１０の梁３０が損傷することにより、床スラブ１０の計測点における上下方向の固有振動数は、梁３０に損傷が発生していない場合の固有振動数に比較して、その振動数が低下する。
そして、損傷探知システム１００の損傷判定装置１０１において、損傷判定部１０７は、地震が発生した後に、図１Ｂに示すように、上下方向の国有振動数ｆ’が、地震発生前の固有振動数ｆと比較して、所定の割合以下に低下した床スラブ１０があったことを検出した場合には、この床スラブ１０を囲む梁３０に損傷があると判定する。

このように、本実施形態の損傷探知システム１００では、床スラブ１０の中央部分にセンサ部２０を配置するだけで済み、柱４０と梁３０との全ての接合部に損傷探知センサを配置する場合に比べて、センサ部２０の数を大きく低減できる。また、竣工後の建造物に後からセンサ部２０を取り付ける等の作業を、容易かつ低コストで行うことができる。

図２Ａは、地震発生前の床スラブ１０の固有振動数の算出例を示す説明図である。図２Ｂは、地震発生後の床スラブ１０の固有振動数の算出例を示す説明図である。なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、床スラブ１０は梁３０により支えられているものとして、省略して示している。

図２Ａに示す地震発生前、つまり、梁３０に損傷が発生していない場合において、床スラブ１０の固有振動数は、床スラブ１０の質量Ｍとし、梁３０の上下方向の剛性をＫとすると、床スラブ１０の上下方向の固有振動数は、

により算出される。

一方、図２Ｂに示す地震発生後、つまり、床スラブ１０の梁３０に損傷が発生した場合、梁３０の梁端部３０Ａが塑性化し、両端にヒンジ（hinge）３０Ｂが形成されると、梁３０の梁端部３０Ａは回転可能になり、その上下方向の剛性は、構造力学的に、概ね１／５程度となることが知られている。
従って、床スラブ１０の梁３０に損傷が発生した場合の上下方向の固有振動数は、

により算出される。

このように、地震の発生の前後で床スラブ１０の質量Ｍが不変であると仮定すると、固有振動数の変化の割合は、上下方向の剛性の変化の割合の平方根と一致する。従って、損傷探知システム１００では、床スラブ１０の上下方向の地震発生前に対する地震発生後の振動数の割合が√１／５程度となった場合、その床スラブ１０の周囲の梁３０に損傷が発生した可能性があると判定する。

なお、上述した判定値（√１／５程度）は、梁３０と、柱４０と、床スラブ１０とのそれぞれの材質と、具体的な構造の態様とに応じて、予め予測して適宜に設定される値（閾値）である。例えば、判定値を、１以下の任意の数値に設定できるとともに、固有振動数比の低下の割合に応じて、損傷の程度を段階的に判定することも可能である。
例えば、損傷探知システム１００では、判定値として、第１判定値と、第２判定値（１＞第１判定値＞第２判定値）とを設定する。そして、損傷探知システム１００は、固有振動数比が、第１判定値と第２判定値との間の数値まで低下した場合に、損傷の可能性を示す注意情報を発生し、固有振動数比が、第２判定値以下に低下した場合に、損傷が発生したことを示す損傷情報を発生するようにしてもよい。

また、損傷探知システム１００では、センサ部２０を、床スラブ１０の中央部の近辺に密接して配置し、床スラブ１０を支える４本の梁３０の損傷を検出することを基本にしているが、床スラブ１０上のレイアウトにより設置スペースに制約がある場合は、センサ部２０を床スラブ１０の周辺部に配置するようにしてもよい。なお、センサ部２０は床スラブ１０の上面側のみならず下面側に配置するようにしてもよい。また、センサ部２０を、例えば、梁３１から３４の何れかの梁の中間位置の直上に配置するようにしてもよく、所望の場合には、梁３１から３４の全ての梁上に、センサ部２０を配置するようにしてもよい。

さらに、図１で説明した例では、ＲＣ構造の場合について説明したが、梁３０と、柱４０とが、Ｓ（Steel）造又はＳＲＣ（Steel Reinforced Concrete）造又は木造の場合においても、固有振動数の変化を検出することにより、梁３０における損傷の発生を検出することも可能である。

また、図３Ａは、同一フロアの複数の床スラブ１１から１９のそれぞれの固有振動数を算出する例を示す説明図である。

図３Ａに示す構造材の損傷探知システム１００おいて、損傷判定装置１０１は、各床スラブ１０のそれぞれの計測点Ｓ１からＳ９に配置された各センサ部２０（センサ部２１から２９）から上下方向の加速度測定値のデータを収集する。そして、損傷判定装置１０１は、センサ部２０から収集した加速度測定値のデータに基づいて、例えば、それぞれの計測点Ｓ１からＳ９における地震発生の前後の固有振動数比を算出して固有振動数の変化を検出する。そして損傷判定装置１０１は、固有振動数比が所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下に低下した計測点がある場合に、当該計測点に対応する床スラブ１０において、梁に損傷が発生していると判定する（一次診断）。なお、固有振動数比が所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下に低下して計測点を、「損傷計測点」と呼ぶことがある。

そして、今、一次診断の結果により、床スラブ１５（計測点Ｓ５が配置される床スラブ）を囲む梁に損傷が発生していると判定された場合に、損傷判定装置１０１は、計測点Ｓ５において算出された固有振動数比を、同一フロアの計測点Ｓ１からＳ４及び計測点Ｓ６からＳ９において算出された固有振動数比と比較する（二次診断）。

例えば、図３Ｂは、計測点Ｓ１からＳ９における固有振動数比を比較する例を示す説明図である。この図３Ｂに示すように、計測点Ｓ１からＳ９において、計測点Ｓ５により計測された固有振動数比のみが所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下に低下している場合、二次診断においても計測点Ｓ５が損傷計測点であると判定する。そして、損傷判定装置１０１は、一次診断により損傷計測点と判定された計測点Ｓ５が、二次診断においても損傷計測点と判定される場合に、計測点Ｓ５が配置される床スラブ１５の周囲の梁に損傷の可能性があると判定する。

このように、損傷判定装置１０１では、一次診断により、計測点Ｓ５が損傷計測点であると判定し、その後に、二次診断により、計測点Ｓ５が、損傷計測点であることを再度確認する。
これにより、本実施形態の損傷探知システム１００では、測定系を簡素化できるとともに、損傷判定の精度を向上させることができる。

なお、図３Ｂに示すように、計測点Ｓ５における固有振動数比の低下の割合が最も大きく、次に、計測点Ｓ６における固有振動数比の低下の割合が大きいような場合は、例えば、床スラブ１５と床スラブ１６との間の梁５６に損傷が発生していると推定することもできる。

次に、構造材の損傷判定装置１０１の構成例について説明する。
図４は、損傷探知システム１００の構成を示すブロック図である。実施形態の損傷探知システム１００は、各床スラブ１０の計測点に配置されるセンサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃと、損傷判定装置１０１とで構成される。なお、センサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃを総称する場合は、「センサ部２０」と呼ぶことがある。

この図４に示すように、損傷探知システム１００内の損傷判定装置１０１は、制御部１０２と、通信制御部１０３と、入出力インタフェース１０４と、データ収集部１０５と、固有振動数算出部１０６と、損傷判定部１０７と、固有振動数比比較部１０８と、表示情報生成部１０９と、地震発生検出部１１０と、データベース１１１と、を備える。また、この損傷判定装置１０１には、表示部１２１と、端末装置１２２と、中継回線２００とが接続される。

制御部１０２は、損傷判定装置１０１内の各部を制御し、損傷判定装置１０１の全体を統括して制御することにより、損傷判定装置１０１に必要とされる処理機能を実現する。
通信制御部１０３は、損傷判定装置１０１と、中継回線２００を介して接続されるビル管理装置３００との間の通信を制御する。入出力インタフェース１０４は、損傷判定装置１０１に接続される表示部１２１や、端末装置１２２とのインタフェースとなる処理部であり、表示部１２１や、端末装置１２２との間でデータの送受信を行う。

データ収集部１０５は、各床スラブ１０の計測点に配置された各センサ部２０から、加速度測定値のデータを定期的に受信して収集する。また、データ収集部１０５は、センサ部２０から収集した上下方向の加速度測定値をデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する。

固有振動数算出部１０６は、データベース１１１に記憶した上下方向の加速度測定値の時系列データである時刻歴データを、所定の時間範囲毎に周波数領域のデータに変換して、床スラブ１０の固有振動数を算出する。また、固有振動数算出部１０６は、算出した固有振動数のデータをデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する。

損傷判定部１０７は、固有振動数比比較部１０８を有している。この固有振動数比比較部１０８は、例えば、地震発生の前後において固有振動数算出部１０６により算出された固有振動数のデータに基づいて、個々の床スラブ１０の計測点における固有振動数比を算出する。そして、固有振動数比比較部１０８は、固有振動数比が所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下になった床スラブ１０が存在するか否かを判定する（一次診断）。また、固有振動数比比較部１０８は、固有振動数比が所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下になった床スラブが存在する場合、全ての床スラブ１０についての固有振動数比を比較し、所定の閾値（例えば、√１／５程度）よりも固有振動数比が低くなっている床スラブ１０があるか否かを判定する（二次診断）。

損傷判定部１０７は、固有振動数比比較部１０８における固有振動数比の比較結果に基づいて、床スラブ１０の梁に損傷が発生しているか否かを判定する。損傷判定部１０７は、床スラブ１０に損傷が発生していると判定した場合に、損傷した床スラブ１０の情報と、損傷の程度（例えば、固有振動数比の低下の程度）を示す損傷情報をデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する。また、損傷判定部１０７は、この損傷情報を表示情報生成部１０９に出力する。表示情報生成部１０９は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報に基づいて、表示部１２１に床スラブ１０の損傷情報を視覚的に表示させるための画像情報を生成する。

地震発生検出部１１０は、センサ部２０により所定の値以上の加速度測定値が検出された場合に、地震が発生したことを検出する。この地震発生検出部１１０により地震発生が検出された際に、損傷判定装置１０１は、地震発生前後における固有振動数の変化を検出して、床スラブ１０に損傷が発生しているか否かを判定する。なお、地震発生の検出は、損傷判定装置１０１で行うのではなく、上位のビル管理装置３００側で行うようにしてもよく、或いは、損傷判定装置１０１の管理者が、端末装置１２２により、地震発生の情報を入力するようにしてもよい。

データベース１１１は、この損傷判定装置１０１において参照する各種データを記憶する。例えば、データベース１１１は、損傷探知の対象となる建造物（建築物等）に関する設計情報（例えば、建築物の構造、それぞれの部位・部材・材料等の個別仕様の情報）をＣＡＤデータ１１２として記憶する。また、データベース１１１のデータ記憶部１１３には、センサ部２０で測定された加速度測定値のデータや、固有振動数算出部１０６により算出された固有振動数のデータ等が記憶される。

表示部１２１は、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)や液晶表示装置等であり、表示情報生成部１０９によって生成された損傷情報の画像データを表示情報生成部１０９から受信する。表示部１２１は、受信した画像データに基づいて、例えば、建造物の構造モデルに、梁が損傷した床スラブの情報を重ねて合わせて表示する。端末装置１２２は、ユーザによって入力された情報を検出する入力デバイスであり、例えば、キーボード、又は、マウス等である。

また、図５は、損傷探知システム１００における損傷探知処理の流れを示す第１のフローチャートである。以下、この図５に示すフローチャートを参照して、その処理の流れについて説明する。

損傷探知システム１００において、損傷探知処理が開始されると（ステップＳ１００）、データ収集部１０５は、同一フロアの各床スラブ１０の計測点に設置したセンサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃから、それぞれの上下方向の加速度測定値のデータを定期的に収集し、この収集した時刻歴データをデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する（ステップＳ１１０）。
続いて、固有振動数算出部１０６は、データベース１１１に記憶した時刻歴データを周波数領域のデータに変換し、フーリエスペクトルから各床スラブ１０における固有振動数を算出し、算出した固有振動数のデータをデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する（ステップＳ１２０）。

続いて、損傷判定部１０７内の固有振動数比比較部１０８は、床スラブ１０毎に、以前に算出した固有振動数（第１固有振動数）のデータ、例えば、地震発生前の固有振動数のデータと、今回算出した固有振動数（第２固有振動数）のデータ、例えば、地震発生後の固有振動数のデータとにより、固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出する（ステップＳ１３０）。
続いて、固有振動数比比較部１０８は、ステップＳ１３０で算出した固有振動数比について、所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下になった床スラブ１０が存在するか否かを判定する（ステップＳ１４０）。なお、ステップＳ１４０の処理は、前述の一次診断の処理に相当する。

そして、ステップＳ１４０の処理において、固有振動数比が所定の閾値以下になった床スラブ１０が存在しないと判定された場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、損傷判定装置１０１は、ステップＳ１１０の処理に戻り、データ収集部１０５が、センサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃからの加速度測定値のデータ収集処理を、再び開始する。

一方、ステップＳ１４０の処理において、固有振動数比が所定の閾値以下になった床スラブが存在すると判定された場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、損傷判定部１０７の固有振動数比比較部１０８は、該当床スラブが存在するフロアの全計測点における固有振動数比を比較する（ステップＳ１５０）。なお、ステップＳ１５０から以降の処理は、二次診断の処理に相当する。
続いて、固有振動数比比較部１０８は、同一フロアの全計測点における固有振動数比の比較結果に基づいて、他の計測点に比べて、固有振動数比が低くなっている計測点があるか否かを判定する。例えば、図３Ｂに示すように、固有振動数比比較部１０８は、固有振動数比が、所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下になっている計測点があるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。

そして、ステップＳ１６０において、他の計測点に比べて固有振動数比が低くなっている計測点があると判定された場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、損傷判定部１０７は、該当する計測点を含む床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生していると判定する（ステップＳ１７０）。そして、損傷判定部１０７は、損傷の発生情報を、表示情報生成部１０９と通信制御部１０３とに出力する（ステップＳ１９０）。表示情報生成部１０９は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報に基づいて、損傷状態を視覚的に表示するための表示情報を生成して表示部１２１に表示する。また、通信制御部１０３は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報を、中継回線２００を介して、外部のビル管理装置３００に送信する。
そして、ステップＳ１９０の処理を実行した後に、損傷判定装置１０１は、この損傷探知処理を終了する（ステップＳ２００）。

一方、ステップＳ１６０において、他の計測点について、損傷計測点に比べて固有振動数比が低くなっている計測点がないと判定された場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、つまり、計測点の固有振動数比が全体的に低くなっている場合、例えば、全ての床スラブ１０の固有振動数比が閾値（√１／５程度）を下回っているような場合、損傷判定部１０７は、フロア全体、或いは、他のフロアの損傷、又は、建物全体の傾斜や損傷等、大規模な損傷が生じた可能があると判定する（ステップＳ１８０）。固有振動数比比較部１０８は、大規模な損傷の発生情報を、表示情報生成部１０９と通信制御部１０３とに出力する（ステップＳ１９０）。表示情報生成部１０９は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報に基づいて、損傷状態を視覚的に表示するための表示情報を生成して表示部１２１に表示する。また、通信制御部１０３は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報を、中継回線２００を介して、外部のビル管理装置３００に送信する。
そして、ステップＳ１９０の処理を実行した後に、損傷判定装置１０１は、この損傷探知処理を終了する（ステップＳ２００）。

このように、損傷探知システム１００では、一次診断により、梁に損傷の可能性がある床スラブを判定し、その後に、二次診断により、損傷の可能性があると判定された床スラブ１０の損傷計測点について、同一フロアに設置された別の計測点との比較を行う。つまり、二次診断では、損傷計測点を含むフロアの全計測点の１次診断結果を比較し、特定の計測点のみ振動数が変化しており、その計測点が一次診断での損傷計測点と一致する場合に、損傷計測点の周囲の梁に損傷の可能性があると判定する。
これにより、本実施形態の損傷探知システム１００では、測定系を簡素化できるとともに、損傷判定の精度を向上させることができる。

なお、図５のフローチャートに示す例では、ステップＳ１４０において、個々の床スラブ１０の固有振動数比が所定の閾値以下になったか否かを判定して、損傷計測点の有無を検出しているが、このステップＳ１４０の処理を省略することもできる。
図６は、損傷探知システム１００における損傷探知処理の流れを示す第２のフローチャートである。以下、図６を参照して、その処理の流れについて説明する。

損傷探知システム１００において、損傷探知処理が開始されると（ステップＳ２００）、データ収集部１０５は、同一フロアの各床スラブ１０の計測点に設置したセンサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃから、それぞれの上下方向の加速度測定値のデータを定期的に収集し、この収集した時刻歴データをデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する（ステップＳ２１０）。
続いて、固有振動数算出部１０６は、データベース１１１に記憶した時刻歴データを周波数領域のデータに変換し、フーリエスペクトルから各床スラブ１０における固有振動数を算出し、算出した固有振動数のデータをデータベース１１１のデータ記憶部１１３に記憶する（ステップＳ２２０）。

続いて、損傷判定部１０７内の固有振動数比比較部１０８は、床スラブ１０毎に、以前に算出した固有振動数（第１固有振動数）のデータ、例えば、地震発生前の固有振動数のデータと、今回算出した固有振動数（第２固有振動数）のデータ、例えば、地震発生後の固有振動数のデータとにより、固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出する（ステップＳ２３０）。

続いて、固有振動数比比較部１０８は、同一フロアの全計測点における固有振動数比を比較する（ステップＳ２４０）。続いて、固有振動数比比較部１０８は、フロアの全計測点における固有振動数比の比較結果に基づいて、他の計測点に比べて、固有振動数比が低くなっている計測点があるか否かを判定する。例えば、図３Ｂに示すように、固有振動数比比較部１０８は、固有振動数比が、所定の閾値（例えば、√１／５程度）以下になっている計測点があるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。

そして、ステップＳ２５０において、他の計測点に比べて固有振動数比が低くなっている計測点があると判定された場合（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、損傷判定部１０７は、該当する計測点を含む床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生していると判定する（ステップＳ２６０）。そして、損傷判定部１０７は、損傷の発生情報を、表示情報生成部１０９と通信制御部１０３とに出力する（ステップＳ２９０）。表示情報生成部１０９は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報に基づいて、損傷状態を視覚的に表示するための表示情報を生成して表示部１２１に表示する。また、通信制御部１０３は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報を、中継回線２００を介して、外部のビル管理装置３００に送信する。
そして、ステップＳ２９０の処理を実行した後に、損傷判定装置１０１は、この損傷探知処理を終了する（ステップＳ３００）。

一方、ステップＳ２５０において、他の計測点に比べて固有振動数比が低くなっている計測点がないと判定された場合（ステップＳ２５０：ＮＯ）、固有振動数比比較部１０８は、計測点の固有振動数比が全体的に所定の閾値（例えば、√１／５程度）よりも低くなっているか否かを判定する（ステップＳ２７０）。そして、ステップＳ２７０において、計測点の固有振動数比が全体的に低くなっていないと判定された場合（ステップＳ２７０：ＮＯ）、損傷判定装置１０１は、ステップＳ１１０の処理に戻り、データ収集部１０５が、センサ部２０Ａ、２０Ｂ、・・・、２０Ｃからの加速度測定値のデータ収集処理を、再び開始する。

一方、ステップＳ２７０の処理において、計測点の固有振動数比が全体的に低くなっていると判定された場合（ステップＳ２７０：ＹＥＳ）、損傷判定部１０７は、フロア全体、或いは、他のフロアの損傷、又は、建物全体の傾斜や損傷等、大規模な損傷が生じた可能があると判定する（ステップＳ２８０）。続いて、損傷判定部１０７は、大規模な損傷の発生情報を、表示情報生成部１０９と通信制御部１０３とに出力する（ステップＳ２９０）。表示情報生成部１０９は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報に基づいて、損傷状態を視覚的に表示するための表示情報を生成して表示部１２１に表示する。また、通信制御部１０３は、損傷判定部１０７から受け取った損傷情報を、中継回線２００を介して、外部のビル管理装置３００に送信する。
そして、ステップＳ２９０の処理を実行した後に、損傷判定装置１０１は、この損傷探知処理を終了する（ステップＳ３００）。

このように、図６に示す例では、損傷判定装置１０１が、個々の床スラブ１０毎に損傷の判定を行うことなく、全計測点における固有振動数比の変化を比較することにより、損傷が発生した床スラブ１０を検出することができる。

次に、損傷判定装置１０１における、損傷情報の表示例について説明する。図７Ａは、床スラブの損傷情報の表示例を示す説明図である。この図７Ａに示す例は、立体的な構造モデルで表示された３階建てのビル５０において、床スラブ１１から１９の中で、梁が損傷した床スラブ１５の部分を、網掛けして視覚的に表示した例である。この場合に、表示部１２１は、ビル３Ｆにおいて損傷した床スラブ１５の部分を、周辺の健全な床スラブと色を違えて表示することができる。また、図７Ｂは、固有振動数比のデータの表示例を示す説明図である。表示部１２１は、図７Ａに示す表示を行うとともに、図７Ｂに示すように、３Ｆの各床スラブ１１から１９の計測点Ｓ１からＳ９における固有振動数比のデータをグラフにより表示することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、図４に示す損傷探知システム１００の損傷判定装置１０１は、内部にコンピュータシステムを有している。そして、上述した処理に関する一連の処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。また、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ等も含むものとする。

そして、損傷判定装置１０１内の制御部１０２、通信制御部１０３、入出力インタフェース１０４、データ収集部１０５、固有振動数算出部１０６、損傷判定部１０７、固有振動数比比較部１０８、表示情報生成部１０９、及び地震発生検出部１１０における各処理の全部又は一部の処理は、ＣＰＵ等の中央演算処理装置がＲＯＭやＲＡＭ等の主記憶装置に上記プログラムを読み出して、情報の加工、演算処理を実行することにより、実現されるものである。勿論、図４に示す損傷判定装置１０１を構成する各処理部は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよい。

なお、ここで、本発明と上記実施形態との対応関係について補足して説明する。上記実施形態において、本発明における構造材の損傷探知システムは、損傷探知システム１００が対応し、この損傷探知システム１００は、センサ部２０と、損傷判定装置１０１とで構成される。また、本発明における固有振動数算出部は、損傷判定装置１０１内の固有振動数算出部１０６が対応し、本発明における損傷判定部は、損傷判定装置１０１内の損傷判定部１０７が対応する。

（１）そして、上記実施形態において、損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）は、建造物の各床スラブ１０に設置され各床スラブ１０の上下方向の振動を測定するセンサ部２０と、センサ部２０により測定された加速度測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、各床スラブ１０毎の固有振動数を算出する固有振動数算出部１０６と、各床スラブ１０毎に、固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、各床スラブ１０において、該床スラブ１０を囲む梁３０に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定部１０７と、を備える。

このような構成の損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、建造物の各フロアの梁３０に囲まれた床スラブ１０毎にセンサ部２０を設置し、床スラブ１０の上下方向の加速度測定値を収集する。そして、固有振動数算出部１０６は、加速度測定値の時刻歴データを周波数領域に変換し、各床スラブ１０毎に固有振動数を算出する。そして、損傷判定部１０７は、例えば、地震発生の前後で固有振動数が変化したことを検出した場合に、この床スラブ１０を囲む梁３０に損傷があると判定する。
これにより、損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、建造物の梁等の損傷を探知する場合に、測定系を簡素化できる。

（２）また、上記実施形態において、損傷判定部１０７は、各床スラブ１０毎に、以前に算出した固有振動数と、今回算出した固有振動数とを比較し、今回算出した固有振動数が、以前に算出した固有振動数に対して、床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される固有振動数の低下の割合よりも低下している場合に、当該床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生していると判定する。

このような構成の損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、今回算出した床スラブ１０の固有振動数が、以前に算出した固有振動数に対して、床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予測される所定の割合以下（例えば、略√１／５以下）に低下している場合に、当該床スラブ１０を囲む梁３０に損傷が発生していると判定する。
これにより、損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、床スラブ１０の固有振動数が低下したことを検出して、当該床スラブ１０を囲む梁３０に損傷が発生していることを検出することができる。

（３）また、上記実施形態において、損傷判定部１０７は、各床スラブ１０毎に、以前に算出した第１固有振動数と、今回算出した第２固有振動数との固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出し、該固有振動数比が、床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される所定の閾値以下に低下している場合に、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生していると判定する。

このような構成の損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、今回算出した床スラブ１０の固有振動数と、以前に算出した固有振動数との固有振動数比が、床スラブ１０を囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予測される所定の閾値以下（例えば、略√１／５以下）に低下している場合に、当該床スラブ１０を囲む梁３０に損傷が発生していると判定する。
これにより、損傷探知システム１００（構造材の損傷探知システム）では、床スラブ１０の固有振動数が低下したことを検出して、当該床スラブ１０を囲む梁３０に損傷が発生していることを検出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、構造材の損傷探知システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。
例えば、上記実施形態では、地震発生の前後における床スラブの固有振動数の変化を検出して、床スラブを囲む梁の損傷を判定する例について説明したが、地震発生時のみならず、床スラブの梁が経年変化により劣化した場合においても、本実施形態の損傷探知システム１００を好適に用いることができる。

また、例えば、本実施形態の損傷探知システム１００は、建築構造物のみではなく、土木構造物（橋梁等）に適用することもできる。

また、例えば、センサ設置場所が居住空間である場合は、得られた上下方向の加速度又は速度の記録を、所定の方法で居住性能評価に用いることができる（例えば、「建築物の振動に関する居住性能評価指針・同解説 （日本建築学会）」参照。）。

なお、上記の説明においてセンサ部２０として加速度センサを用いて振動の加速度を測定するものとして説明したが、センサ部２０を速度センサに代え、速度センサを用いて振動の速度を検出するようにしてもよい。加速度センサによって検出される加速度における周波数成分と、速度センサによって検出される速度における周波数成分とに含まれる振動の周波数成分は共通する周波数成分が含まる。これにより、センサ部２０によって検出された振動から固有振動数を抽出することができる。

また、センサ部２０は、各床スラブ１０毎に配置されるものとして説明したが、各床スラブに設置することが難しい場合は、間引いて配置（例えば市松配置等）してもよい。この場合、センサ部２０を配置する数を減らすことにより検出精度が低下するものの、損傷エリアを絞り込むことは可能である。

１０，１１〜１９・・・床スラブ、
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２１〜２９・・・センサ部、
３０，３１，３２，３３，３４・・・梁、
４０，４１，４２，４３，４４・・・柱、
１００・・・構造材の損傷探知システム、
１０１・・・損傷判定装置、１０２・・・制御部、１０３・・・通信制御部、
１０５・・・データ収集部、１０６・・・固有振動数算出部、
１０７・・・損傷判定部、１０８・・・固有振動数比比較部、
１０９・・・表示情報生成部、１１０・・・地震発生検出部、
１１１・・・データベース、１２１・・・表示部、１２２・・・端末装置、
３００・・・ビル管理装置

Claims (9)

1. 建造物の各フロアの各床スラブ毎に設置され前記各床スラブの上下方向の振動を測定するセンサ部と、
   前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出部と、
   前記各床スラブ毎に固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定部と、
   を備えることを特徴とする構造材の損傷探知システム。
2. 前記損傷判定部は、
   各床スラブ毎に、以前に算出した固有振動数と、今回算出した固有振動数とを比較し、
   前記今回算出した固有振動数が、前記以前に算出した固有振動数に対して、前記床スラブを囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される所定の割合以下に低下している場合に、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生していると判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造材の損傷探知システム。
3. 前記損傷判定部は、
   各床スラブ毎に、以前に算出した第１固有振動数と、今回算出した第２固有振動数との固有振動数比（第２固有振動数／第１固有振動数）を算出し、該固有振動数比が、前記床スラブを囲む梁に損傷が発生した場合に低下すると予め予測される所定の閾値以下に低下している場合に、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生していると判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の構造材の損傷探知システム。
4. 前記閾値が略√１／５である
   ことを特徴とする請求項３に記載の構造材の損傷探知システム。
5. 前記損傷判定部により、１の床スラブ支える梁に損傷が発生したと判定された場合に、
   前記損傷判定部は、
   さらに、前記１の床スラブの固有振動数比と、前記１の床スラブと同一フロアに設備された他の床スラブの固有振動数比とを比較し、
   前記１の床スラブの固有振動数比のみが所定の閾値以下まで変化している場合に、前記１の床スラブを支える周囲の梁に損傷が発生していると判定する
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の構造材の損傷探知システム。
6. 前記損傷判定部は、
   地震発生の前後における前記床スラブの固有振動数の変化を比較して、当該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の構造材の損傷探知システム。
7. 前記センサ部により所定の値以上の振動が検出された場合に、地震が発生したことを検出する地震発生検出部を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の構造材の損傷探知システム。
8. 建造物の各フロアの各床スラブ毎に上下方向の振動を測定するセンサ部を配置し、前記センサ部により測定された振動の測定値に基づいて、前記各床スラブ毎に、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する構造材の損傷探知システムにおける損傷探知方法であって、
   前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出ステップと、
   前記各床スラブ毎に、固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定ステップと、
   を含むことを特徴とする構造材の損傷探知方法。
9. 建造物の各フロアの各床スラブ毎に上下方向の振動を測定するセンサ部を配置し、前記センサ部により測定された振動の測定値に基づいて、前記各床スラブ毎に、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する構造材の損傷探知システムのコンピュータに、
   前記センサ部により測定された振動の測定値の時刻歴データを周波数領域のデータに変換して、前記各床スラブ毎の固有振動数を算出する固有振動数算出ステップと、
   前記各床スラブ毎に、固有振動数の変化を検出し、この検出結果に基づいて、前記各床スラブにおいて、該床スラブを囲む梁に損傷が発生しているか否かを判定する損傷判定ステップと、
   を実行させるためのプログラム。

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