JP6423219B2 - 構造物の安全性診断システム - Google Patents

Description

本発明は、構造物の変位を直接計測し、構造物の安全性を診断する構造物の安全性診断システムに関するものである。

従来、構造物の安全性を診断する際には、例えば構造物の少なくとも基礎部と上層階を含む２箇所以上に加速度センサを設置し、該加速度センサが計測した加速度データを基に、構造物の安全性を診断している。地震が発生した際には、加速度センサから得られた加速度記録及び加速度記録を２階積分して求めた絶対変位に対し、仮定した建物の振動モード形を適用して建物各階の絶対加速度と相対変位を算出し、絶対加速度を縦軸、相対変位を横軸に取って建物の性能曲線を求め、又観測された入力地震動を基に理論的に求めた前記建物の要求曲線を求め、性能曲線と要求曲線の比較から建物の残余耐震性能が判定されている。或は、連続する上下階での絶対変位の差を階高で除した値の最大値、即ち各階の最大層間変形角を算出する。算出した構造物の最大層間変形角から、構造物の安全性或は構造物の修復の必要性について診断していた。

然し乍ら、加速度センサを用いる場合、構造物の変位量を計測データとして直接収集することはできない為、得られた加速度データを２階積分することにより変位量を求める必要がある。従って、構造物の変位量が計算により求められることとなり、誤差が累積して精度が劣化するという問題があった。又、ドリフトを回避する目的でハイパスフィルター通過処理を併用するケースが一般的であり、長時間を要する測定、例えば構造物の地震前の位置と地震後の位置の違いを計測すること、及び地震発生後に徐々に進行する余効変動や構造物の残留変形を計測に基づき評価することは、原理上不可能であった。

尚、特許文献１は、地震観測システムに関し、地上階および地下階の任意のフロアに設置された複数の地震計がＬＡＮを介してパーソナルコンピュータに接続され、地震等で建物に振動が生じると、振動が各地震計で検出され、各地震計内のサーバに保持されると共に、振動検出の旨がサーバからパーソナルコンピュータに伝送される様になっており、該パーソナルコンピュータを操作して各地震計にアクセスすることで、各地震計のサーバに保持された地震観測記録を閲覧可能とする構成が開示されている。

又、特許文献２は、建物の性能曲線と要求曲線の比較から、建物の残余耐震性能を評価する手法が開示されている。

又、非特許文献１は、１台の加速度センサのみを用いた建築構造物の振動応答推定手法に関し、建物の最上階に１台の加速度センサを設置し、該加速度センサからの加速度を基に建物の全層の絶対加速度を求め、絶対加速度を積分して絶対変位を算出し、算出した絶対変位から各層毎の最大層間変形角を推定する構成が開示されている。

特開２０００−２１４２６７号公報 特許第３９５２８５１号公報

１台の加速度センサのみを用いた建築構造物の振動応答推定手法 日本建築学会技術報告集 第１９巻 第４２号，Ｐ．４６１−４６４ ２０１３年６月

本発明は斯かる実情に鑑み、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機により計測した構造物の変位に基づき、該構造物の安全性を診断する構造物の安全性診断システムを提供するものである。

本発明は、構造物の上層階に設置された１台のＧＮＳＳ受信機と、該ＧＮＳＳ受信機により計測された絶対座標、該絶対座標の変位に基づき前記構造物の絶対変位曲線を作成し、該絶対変位曲線に基づき各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角を演算し、層間変形角曲線を作成するプログラムが格納された記憶部、及び最大層間変位及び最大層間変形角を基に前記構造物の安全性の診断を行なう判断部を有する制御装置と、表示部とを具備し、前記制御装置は、前記絶対座標の変位、前記プログラムを基に各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角、前記層間変形角曲線を演算し、前記判断部が最大層間変位及び最大層間変形角、又は前記層間変形角曲線の少なくとも一方に基づき評価した前記構造物の診断結果を前記表示部に表示させる構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記表示部には診断結果画面が表示され、該診断結果画面は評価結果グラフ表示部を有し、該評価結果グラフ表示部には安全領域、危険領域が区分けして表示され、前記層間変形角曲線が安全領域から危険領域のどの範囲に存在するかを示す構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記診断結果画面は、前記構造物の各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角を表示する数値表示部を更に有する構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記診断結果画面は、前記判断部による診断結果を文字により表示する評価結果表示部と、前記診断結果を色にて表示する総合評価表示部とを更に有する構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記判断部による前記構造物の診断が行なわれた後、更に所定時間経過後に前記ＧＮＳＳ受信機が該ＧＮＳＳ受信機の設置位置の絶対座標を計測し、前記制御装置は基準絶対座標と、所定時間経過後の前記設置位置の絶対座標から該設置位置の経時的な変位を演算し、該経時的な変位に基づき、前記判断部は前記構造物の安全性を診断する構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記構造物の所定位置に更に少なくとも１台ＧＮＳＳ受信機を設置し、前記制御装置は各ＧＮＳＳ受信機の計測結果に基づき前記構造物の変形状態を演算する構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記ＧＮＳＳ受信機が、測定位置に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号からドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき測定位置の偏差を求め、該偏差を積分して前記測定位置の振動を求める様構成した演算処理装置とを具備する構造物の安全性診断システムに係るものである。

又本発明は、前記時間間隔は、衛星から発信される信号が１０ｍｓから更新される時間間隔の１／２の範囲で選択され、更に被測定体の予想振動周期の１／１０以下に設定される構造物の安全性診断システムに係るものである。

更に又本発明は、前記絶対座標の変位は、前記ＧＮＳＳ受信機により計測された絶対座標の初期値に、前記偏差の総和を加算したものである構造物の安全性診断システムに係るものである。

本発明によれば、構造物の上層階に設置された１台のＧＮＳＳ受信機と、該ＧＮＳＳ受信機により計測された絶対座標、該絶対座標の変位に基づき前記構造物の絶対変位曲線を作成し、該絶対変位曲線に基づき各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角を演算し、層間変形角曲線を作成するプログラムが格納された記憶部、及び最大層間変位及び最大層間変形角を基に前記構造物の安全性の診断を行なう判断部を有する制御装置と、表示部とを具備し、前記制御装置は、前記絶対座標の変位、前記プログラムを基に各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角、前記層間変形角曲線を演算し、前記判断部が最大層間変位及び最大層間変形角、又は前記層間変形角曲線の少なくとも一方に基づき評価した前記構造物の診断結果を前記表示部に表示させるので、前記構造物屋上の変位を積分することなく実測値で求めることができ、該構造物の診断を高精度で行なうことができると共に、１台の前記ＧＮＳＳ受信機を用いた場合には、該ＧＮＳＳ受信機同士を同期させる為の機構を必要とせず、システムの簡易化、コストの低減を図ることができる。

又本発明によれば、前記表示部には診断結果画面が表示され、該診断結果画面は評価結果グラフ表示部を有し、該評価結果グラフ表示部には安全領域、危険領域が区分けして表示され、前記層間変形角曲線が安全領域から危険領域のどの範囲に存在するかを示すので、前記構造物の状態が直ちに把握できる。

又本発明によれば、前記診断結果画面は、前記構造物の各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角を表示する数値表示部を更に有するので、各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角の詳細な数値を確認することができる。

又本発明によれば、前記診断結果画面は、前記判断部による診断結果を文字により表示する評価結果表示部と、前記診断結果を色にて表示する総合評価表示部とを更に有するので、前記構造物の状態が直ちに把握できると共に、その後の対処法等を容易に把握することができる。

又本発明によれば、前記判断部による前記構造物の診断が行なわれた後、更に所定時間経過後に前記ＧＮＳＳ受信機が該ＧＮＳＳ受信機の設置位置の絶対座標を計測し、前記制御装置は基準絶対座標と、所定時間経過後の前記設置位置の絶対座標から該設置位置の経時的な変位を演算し、該経時的な変位に基づき、前記判断部は前記構造物の安全性を診断するので、該構造物の余効変動や残留変位を含めた該構造物の診断を行なうことができ、該構造物の安全性の診断精度をより向上させることができる。

又本発明によれば、前記構造物の所定位置に更に少なくとも１台ＧＮＳＳ受信機を設置し、前記制御装置は各ＧＮＳＳ受信機の計測結果に基づき前記構造物の変形状態を演算するので、前記構造物の捩れ、振動の態様、該構造物自体の変位量等の変形状態を求めることができる。

更に又本発明によれば、前記ＧＮＳＳ受信機が、測定位置に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号からドップラー変動の時間差分を演算し、演算結果に基づき測定位置の偏差を求め、該偏差を積分して前記測定位置の振動を求める様構成した演算処理装置とを具備するので、高精度で、而も誤差要因を排除した構造物の安全性の診断を行うことができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る構造物の安全性診断システムの概略構成図である。 本発明の実施例に係る構造物の安全性診断システムの制御装置及びその周辺部を示すブロック図である。 （Ａ）は構造物の変位を説明する説明図であり、（Ｂ）は層間変形角曲線に基づく安全性の診断を説明する説明図である。 前記構造物の安全性診断システムで用いられる拡張伝達関数を説明する説明図である。 本発明の実施例に係る構造物の安全性診断システムの診断結果画面の一例を示す説明図である。 該診断結果画面中の評価結果グラフ表示部の他の例を示す説明図である。 図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は本実施例の応用例を示す構造物の安全性診断システムの概略構成図である。 本発明の実施例に係る振動検出装置の概略構成を示すブロック図である。 該振動検出装置の作用を示すフローチャートである。 該振動検出装置で得られた振動波形を示す図である。 測定された振動の周波数特性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、本発明の実施例に係る構造物の安全性診断システムの概略について説明する。

図１中、１はビル等の構造物であり、２は該構造物１の上層階の所定位置（好ましくは屋上階の既知の位置）に設けられたＧＮＳＳ受信機を示している。該ＧＮＳＳ受信機２のＧＮＳＳ受信部が複数の衛星からの信号を受信した際に、得られる各衛星のドップラー変動を利用し、その変動値から物体の変位を検出し、更に検出した変位に基づき振動を検出している。

前記ＧＮＳＳ受信機２は、ＧＮＳＳケーブル３を介してＰＣ等の制御装置４に接続されている。又、該制御装置４は、前記構造物１の１階等所定の位置に配置されたモニタ等の表示部５及びキーボードやマウス等の操作部６に電気的に接続されると共に、通信手段、例えばＬＡＮ７を介して通信部８に接続されており、前記制御装置４は前記通信部８を介して外部ネットワークと通信可能となっている。尚、前記ＧＮＳＳ受信機２については、受信機能を有するＧＮＳＳ受信部（後述）を分離して設置してもよい。

又、図２に示す様に、前記制御装置４は、ＣＰＵ等の制御演算部９と、ＨＤＤ等の記憶部１１と、判断部１２とを有している。

前記記憶部１１には、前記ＧＮＳＳ受信機２により計測された、地震等が発生する前の変位していない状態の前記ＧＮＳＳ受信機２の設置位置の絶対座標（基準絶対座標）、及び前記構造物１の安全性を診断する為の変位に対する閾値が格納されている。又、前記記憶部１１には、前記基準絶対座標と変位後の前記設置位置の絶対座標を基に前記構造物１の前記設置位置に於ける変位を演算する変位演算プログラム、前記構造物１の構造、前記設置位置の変位に基づき、構造計算により前記構造物１の前記設置位置の変位から前記構造物１の絶対変位曲線１３（図３（Ａ）参照）を作成する絶対変位曲線作成プログラム、該絶対変位曲線１３から各階層毎の最大変位を演算する変位演算プログラム、各階層毎の最大変位から各階層間の最大層間変位を演算する層間変位演算プログラム、最大層間変位から各階層間の最大層間変形角を演算し、層間変形角曲線１４（図３（Ｂ）参照）を作成する層間変形角演算プログラム、得られた最大層間変形角に基づき、前記構造物１の健全性を判断する健全性判断プログラム、既に得られている各階層の最大変位を２階微分して求めた絶対加速度を基に震度を演算する震度演算プログラム、後述する前記判断部１２の判断結果等を前記表示部５に表示する為の表示プログラム等のプログラムが格納されている。

前記判断部１２は、前記制御演算部９により演算された最大層間変位、最大層間変形角、及び健全性判断プログラムを基に、前記構造物１の状態、例えば該構造物１が安全であるか、精密検査が必要であるか、危険であるかを判断し、前記構造物１の安全性を評価する様になっている。尚、簡便な安全性の判断としては、各層間の最大層間変形角の内、最も大きい最大層間変形角、即ち最大層間変形角の最大値が、所定の閾値を超えた場合を危険と判断してもよい。

次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に於いて、前記構造物の安全性診断システムの作用について説明する。

地震発生後、前記操作部６により診断開始の指示が入力されると、前記制御演算部９は、所定の時間間隔、例えば２０Ｈｚ以上で高精度にて前記ＧＮＳＳ受信機２からの受信信号に基づき前記構造物１屋上の前記ＧＮＳＳ受信機２の設置位置の絶対座標を計測する。
又、前記制御演算部９は、計測された絶対座標を前記記憶部１１に格納すると共に、計測された絶対座標と予め該記憶部１１に格納された地震発生前の前記設置位置の絶対座標とを比較し、該設置位置の変位を演算する。

ここで、上層階の観測データのみから前記構造物１の性能を評価する場合、基礎入力動を適切に予測し、上層階での観測データから除去する必要がある。この場合、基礎部に対する上層階の振幅比及び位相差情報を含む伝達関数、或は構造物の設計モデルを用いて逆算的に基礎部の入力動を求める手法を用いることが想定される。伝達関数は簡便に求まる利点がある反面、構造物の固有振動数を一意的に決定する必要がある。然し乍ら、構造物の固有振動数は地震中に随時変動する特性を有しており、構造物の固有振動数を一意的に決定した場合、誤差要因が非常に大きくなり、最終的な評価結果の精度に悪影響を及ぼす。又、構造物の設計モデルを用いる場合、最終的な評価結果の精度はモデル化精度に左右され、精度改善の為モデル自体を改善する必要がある為、本実施例の構造物の安全性診断システムの様に、自動的に最終評価迄を導くシステムには馴染まない。

そこで、本実施例では、比較的簡便であり、自動化に適した伝達関数を拡張した拡張伝達関数を採用した。拡張伝達関数は、図４に示される様に、構造物の固有振動数を一意的に決定する必要がない様、上層階での常時微動記録並びに地震時記録の周波数分析結果を基に伝達関数の共振点幅を拡大し、構造物の固有振動数の地震中での変動に依存しない、即ち地震中の各時刻での固有振動数に対して自動的に適切な伝達関数値が適用される様工夫されたものである。

前記制御演算部９は、前記ＧＮＳＳ受信機２の設置位置（変位計測点）での前記絶対変位曲線１３を作成する。又、前記制御演算部９は、前記絶対変位曲線１３と前記構造物１の任意次数個の固有振動数の地震時変動を考慮して拡張された拡張伝達関数に基づき、前記構造物１の基礎部の絶対変位を演算し、該絶対変位と前記絶対変位曲線１３から前記構造物１の相対変位を演算する。

更に、前記制御演算部９は、前記相対変位の各次モードの振幅量と多次元関数で仮定された前記構造物１の各次モードでの振動形状とを掛合わせ、各階層毎の最大層間変位を演算する。或は、前記制御演算部９は、前記構造物１の設計図面を基に計算された質量と層剛性に対して固有値解析を適用して求めた弾性のモード形状に、各階層の層剛性を設計図面に準拠した場合（係数α＝１）、及び設計図面のα（α＞１或はα＜１）倍に増減した場合の複数ケースのモード形状を掛合わせ、各階層毎の最大変位を演算し、各階層毎の最大層間変位を演算する。

尚、所定の階層の最大変位をＤi 、該所定の階層の上方に隣接する階層の最大変位をＤi+1とした場合、Ｄi ，Ｄi+1 間の最大層間変位δi は、以下の式で表すことができる。

δi ＝Ｄi+1 −Ｄi

各階層の隣接する階層に対する最大層間変位が求められると、前記制御演算部９は、求めた最大層間変位を前記構造物１の階高で除し、各階層間の最大層間変形角を演算する。
ここで、各階層間の高さをｈi とした場合、Ｄi ，Ｄi+1 間の最大層間変形角は、以下の式で表すことができる。

最大層間変形角＝δi ／ｈi

又、前記制御演算部９は、求められた最大層間変形角から、図３（Ｂ）に示される様な、前記層間変形角曲線１４を作成すると共に、この時の各階層毎の震度階級を求める。

該層間変形角曲線１４を作成した後、前記判断部１２は健全性判断プログラムに基づき、前記記憶部１１に予め格納された閾値と、最大層間変位の最大値、最大層間変形角の最大値とを比較し、前記構造物１の安全性についての評価を行なう。

最後に、前記制御演算部９が、前記判断部１２による評価結果等を有する診断結果画面１５（図５参照）を前記表示部５に表示させることで、本実施例に係る構造物の安全性診断システムによる前記構造物１の安全性診断が終了する。

図５は、前記表示部５に表示された前記診断結果画面１５の一例を示している。

該診断結果画面１５は、前記層間変形角曲線１４を基に診断された前記構造物１の状態を示す評価結果グラフ表示部１６、各階層毎の震度階級、最大層間変形角を表示する数値表示部１８、前記判断部１２による評価結果を文字にて表示する評価結果表示部１９、前記判断部１２による評価結果を色にて表示する総合評価表示部２０とを有している。

前記評価結果グラフ表示部１６は、横軸に層間変形角を取り、左端部を安全領域１７ａ、右端部を危険領域１７ｃ、中間部を注意領域１７ｂとしたグラフ１７に前記層間変形角曲線１４を表示させたものである。前記評価結果グラフ表示部１６は、前記層間変形角曲線１４と前記安全領域１７ａ、前記注意領域１７ｂ、前記危険領域１７ｃとの関係から、前記構造物１のどの階層が現在どの様な状態にあるのかが容易に確認できる様になっている。更に、前記層間変形角曲線１４の一部でも前記危険領域１７ｃに掛っている場合は、前記構造物１は危険な状態にあると判断される。尚、前記評価結果グラフ表示部１６は、３つの領域１７ａ〜１７ｃが所定の幅を持つ様設定されているが、前記安全領域１７ａと前記危険領域１７ｃの２領域としてもよいし、前記注意領域１７ｂを分割して４以上の領域としてもよい。

又、前記数値表示部１８は、前記制御演算部９により演算された、各階層毎の震度階級、最大層間変形角が表示される様になっており、詳細な数値を確認することができる。又、前記判断部１２による閾値との比較により、精密検査が必要と判断された階層、危険であると判断された階層が色等により識別可能（図示ではハッチング）となっている。

前記評価結果表示部１９は、診断を行なった前記構造物１の状態が安全から危険のどの範囲にあるか、今後該構造物１をどの様にすればよいのか等のメッセージが表示される様になっている。例えば、該構造物１の状態が安全範囲にあり、修復等が不要である場合には、図５に示される様に、「評価結果：安全範囲」、「このまま継続利用可能です」とメッセージが表示され、前記構造物１に対する対処が容易に判断できる様になっている。

前記総合評価表示部２０は、安全であれば青、精密検査が必要であれば黄色、危険であれば赤等、前記判断部１２による評価結果を適宜選択した色にて表示する様になっており、評価結果が一目で分る様になっている。尚、前記総合評価表示部２０をブザー等の発音手段とし、判断結果に応じた警告音を発する様にしてもよい。更に、前記総合評価表示部２０は色表示すると共に警告音を発する様にしてもよい。

図５中の前記診断結果画面１５では、前記評価結果グラフ表示部１６、前記数値表示部１８、前記評価結果表示部１９、前記総合評価表示部２０の４つの項目が表示されているが、前記層間変形角曲線１４に基づき評価した前記評価結果グラフ表示部１６と、震度階級及び最大層間変形角に基づき評価した前記数値表示部１８のいずれか一方のみを表示してもよい。又、前記診断結果画面１５に前記絶対変位曲線１３等他の項目を表示してもよい。

又、図６に示される様に、最大層間変形角を上限値で表した層間変形角曲線１４ａ、最大変形角を下限値で表した層間変形角曲線１４ｂを作成し、層間変形角の上限値或は下限値により、前記構造物１の安全性を診断してもよい。

上述の様に、本実施例では、前記ＧＮＳＳ受信機２により、地震発生前と地震発生後の前記構造物１の屋上の設置位置の絶対座標を直接計測することができ、経時的に測定結果が変化することもなく、精度の劣化が防止され、高精度な変位を求めることができる。更に、例えば１０Ｈｚ以上の間隔で絶対座標を計測した場合、１０Ｈｚは構造物の低次の固有振動数成分を表現するのに充分高周波であり、時間の経過に伴う変位を求めれば前記構造物１が振動しているかどうかを検知することができ、地震発生直後の変位、地震後の経時的な変化も測定できる。尚、計測間隔は、対象物の低次の固有振動数と充分離れていればよく、１０Ｈｚは１次固有振動数１Ｈｚの建築構造物の場合の１例である。

従って、精度の高い最大層間変位、最大層間変形角を求めることができ、前記構造物１の安全性診断の精度を向上させることができる。

又、本実施例の構造物の安全性診断システムに使用される前記ＧＮＳＳ受信機２は１台のみであり、ＧＮＳＳ受信機同士を同期させる為の機構等を必要としないので、システムの簡易化、コストの低減を図ることができる。

又、本実施例では、前記ＧＮＳＳ受信機２により、地震発生前の前記構造物１屋上の設置位置に於ける絶対座標と地震発生後の該設置位置の絶対座標とを直接計測できるので、２つの絶対座標の比較により、従来の加速度センサでは不可能であった前記構造物１の残留変位を計測することができる。更に、地震発生後の経時的な変化を計測することができる。

又、前記構造物１の安全性診断後、前記表示部５に前記評価結果グラフ表示部１６、前記数値表示部１８、前記評価結果表示部１９、前記総合評価表示部２０を有する前記診断結果画面１５を表示させるので、前記構造物１の状態が直ちに把握できると共に、危険な階層やその後の対処法等を容易に把握することができる。

又、前記制御装置４は、前記通信部８を介して外部ネットワークと通信可能となっているので、前記操作部６を直接操作できない場合であっても、外部より前記制御装置４を遠隔操作し、前記構造物１に対する安全性の診断を行なうことができる。又、各階の診断結果を基に、天井、設備機器、ロッカー、間仕切り及び各種配管等の転倒、破損等の状態に関する警告を発することも可能である。

尚、本実施例では、地震発生前の前記構造物１屋上に設置した前記ＧＮＳＳ受信機２の設置位置の絶対座標と、地震発生後の該設置位置の絶対座標とを比較し、該構造物１の地震発生後の最大層間変位、最大層間変形角を各階層毎に求め、該構造物１の安全性を診断しているが、変位後の前記設置位置の絶対座標を保存し、更に所定時間、例えば１時間或は２時間単位で経過した後の該設置位置の絶対座標を計測し変位後の絶対座標と、所定時間経過後の絶対座標とを比較することで、経時的な変化があるかどうかを判断する様にしてもよい。ここで、地震中の最大層間変形角の評価の目安としては、例えばＲＣ造で安全領域と注意領域との境界部を１／２００に、注意領域と危険領域との境界部を１／７５とし、Ｓ造では同様に１／１５０、１／５０程度の値とする。又、残留変形評価の目安としては、１０ｍｍ程度の値を採用するが、構造物の高さ等により適宜設定変更されるものである。

地震発生後の前記構造物１屋上に於ける前記ＧＮＳＳ受信機２の設置位置の絶対座標と、所定時間経過後の該設置位置の絶対座標とを比較し、最大層間変位、最大層間変形角を求めることで、地震が治まった後に進行する前記構造物１の余効変動を検出することができる。

更に、変位前の前記設置位置の絶対座標（基準絶対座標）と、所定時間経過後の該設置位置の絶対座標とを比較し、最大層間変位、最大層間変形角を求め、前記判断部１２に評価を行なわせることで、前記構造物１の余効変動や残留変位を含めた該構造物１の診断を行なうことができ、該構造物１の安全性の診断精度をより向上させることができる。

尚、本実施例では、前記記憶部１１には、地震発生前の前記設置位置の絶対座標が格納され、該設置位置の絶対座標と地震発生後に前記操作部６の指示により計測された前記設置位置の絶対座標とを比較し、該構造物１の安全性診断を行なっているが、前記ＧＮＳＳ受信機２により常時絶対座標を計測し、前記操作部６の指示により地震発生前の絶対座標と地震発生後の絶対座標とを選択する様にしてもよい。

又、本実施例では、地震による該構造物１の変位に対する安全性の診断について説明したが、強風等による前記構造物１の変位に対する安全性や居住快適性の診断についても、本実施例の構造物の安全性診断システムが適用可能であるのは言う迄もない。

次に、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に於いて、本発明の応用例について説明する。尚、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

応用例では、前記構造物１の上層階の所定位置（好ましくは屋上階の既知の位置）に第１ＧＮＳＳ受信機３１を設けると共に、第２ＧＮＳＳ受信機３２を更に設けている。

図７（Ａ）に示す第１の応用例では、該第２ＧＮＳＳ受信機３２を上層階、即ち前記第１ＧＮＳＳ受信機３１と同一階層に設け、それぞれの受信結果に基づきそれぞれの設置点の位置変位及び振動を演算する。前記第１ＧＮＳＳ受信機３１と前記第２ＧＮＳＳ受信機３２とを同一階層に設けることで、前記構造物１の各階層毎の層間変形角が演算できると共に、前記第１ＧＮＳＳ受信機３１、前記第２ＧＮＳＳ受信機３２から求められる変位差、変位の方向差から前記構造物１に生じた捩れを演算することができる。

図７（Ｂ）に示す第２の応用例では、前記第２ＧＮＳＳ受信機３２を中層階、即ち前記第１ＧＮＳＳ受信機３１とは別階層に設けている。前記第１ＧＮＳＳ受信機３１と前記第２ＧＮＳＳ受信機３２とを別階層に設けることで、層間変形角の演算制度を高められ、更に前記構造物１に生じる変位、振動の態様を演算することができる。

図７（Ｃ）に示す第３の応用例では、前記第２ＧＮＳＳ受信機３２を第１階層に設けている。該ＧＮＳＳ受信機３２を第１階層に設けることで、地表の変位を除く前記構造物１自体の変位量を得ることができる。

更に他の応用例として、第１ＧＮＳＳ受信機３１の他に２以上の第２ＧＮＳＳ受信機３２を設定位置に設け、複数の設置位置の変位、振動を求めて安全性診断に適用してもよい。

ＧＮＳＳ受信機を用いて、ＧＮＳＳ受信機の設置位置の振動、変位を求める方法について説明する。

上記した様に、本発明ではＧＮＳＳ受信機からの信号を所定時間間隔で取得しているが、所定時間間隔で取得した信号に基づき、測定対象に合致した振動情報（振動周期、振動波形）を測定することができる。従って、ＧＮＳＳ受信機に基づき更に高精度に前記構造物１の変位を求めることができ、又地震時、強風等の前記構造物１の振動を測定することができる。

図８は前記ＧＮＳＳ受信機２が用いられた振動検出装置を示しており、図８中では該ＧＮＳＳ受信機２は、ＧＮＳＳ受信部２１と演算処理装置２２によって示されている。以下、図８により、本実施例に係る振動検出装置を詳細に説明する。

前記ＧＮＳＳ受信部２１は複数のＧＮＳＳ衛星からの電波を受信し、各ＧＮＳＳ衛星毎の受信信号を出力する様に構成され、測定点に１つ設けられる。前記演算処理装置２２は、例えばＰＣが用いられる。又、前記演算処理装置２２で演算した結果、例えば振動波形、振動周波数等は表示部２３に表示される。

更に、前記演算処理装置２２の概略構成を説明する。

該演算処理装置２２は、主にタイミング制御部２５、信号取込み部２６、演算部（ＣＰＵ）２７、記憶部２８を具備している。

前記タイミング制御部２５は、前記ＧＮＳＳ受信部２１が受信するＧＮＳＳ衛星からの信号の取込み時期を制御し、或は同期制御用のタイミング信号を発する。例えば、前記タイミング制御部２５は、前記信号取込み部２６に対し、設定された時間間隔Δｔで前記受信信号を取込む為のタイミング信号を発する。

前記信号取込み部２６は、前記ＧＮＳＳ受信部２１から入力される受信信号を、前記タイミング制御部２５からのタイミング信号に従って取込み、更に受信信号を増幅、Ａ／Ｄ変換する等の信号処理を行うと共に、受信信号から位置情報の信号、時刻情報の信号等に分離する。

前記演算部２７は、前記信号取込み部２６からの信号に基づき、ＧＮＳＳ衛星の高度を演算し、或は基準ＧＮＳＳ衛星を設定し、更に、前記ＧＮＳＳ受信部２１の座標位置を演算し、更に、前記ＧＮＳＳ受信部２１の座標位置の時間変位を演算し、更に演算結果を基に振動波形、振動周波数等を演算する。

前記記憶部２８は、プログラム格納部２８ａ、データ格納部２８ｂを有し、前記プログラム格納部２８ａには受信信号からＧＮＳＳ衛星の位置、高度を演算するプログラム、或は更に前記ＧＮＳＳ受信部２１の位置を演算する測位プログラム、所定時間毎に測位プログラムで演算し得られた位置の時間的偏差を求め、更に時間的偏差を積分して、振動波形、振動周波数を演算する振動検出プログラム、前記演算部２７で演算された結果、例えば振動波形等を前記表示部２３に表示する為のプログラム等のプログラムが格納されている。

更に、前記データ格納部２８ｂには、前記信号取込み部２６から出力される受信信号、前記演算部２７で時間間隔Δｔで演算された結果等のデータが、前記タイミング制御部２５からの同期信号に対応して格納されている。又、前記データ格納部２８ｂには、前記演算部２７で演算された振動波形等の振動検出結果も同様に格納される。

以下、前記振動検出装置の作用について説明する。

１つの点でＧＮＳＳ衛星を観測すると、その間測量は以下の様な未知数の和として表される。

ここで、
Φ（ｔ） ：時刻ｔの搬送波位相［ｃｙｃｌｅ］
ρ（ｔ） ：時刻ｔのＧＮＳＳ衛星までの距離［ｍ］
Ｔｒｏｐ（ｔ） ：時刻ｔの対流圏遅延量［ｍ］
Ｉｏｎｏ（ｔ） ：時刻ｔの電離層遅延量［ｍ］
ｃｌｏｃｋ（ｔ）sat ：時刻ｔのＧＮＳＳ衛星クロックオフセット［ｓ］
ｃｌｏｃｋ（ｔ）rcv ：時刻ｔの受信機クロックオフセット［ｓ］
Ｗ（ｔ） ：ｗｉｎｄ−ｕｐ［ｃｙｃｌｅ］
ｎ（ｔ） ：観測ノイズ［ｃｙｃｌｅ］
ｆ ：搬送波周波数［Ｈｚ］
ｃ ：光速［ｍ／ｓ］
Ｎ ：アンビギュイティ［ｃｙｃｌｅ］
又、式中、ｓａｔはＧＮＳＳ衛星を示す添字、ｒｃｖは受信機を示す添字である。

然し乍ら、隣合う観測時間（時間間隔Δｔ）が短い場合、上記式の多くの未知数は殆ど変化しない。

又、ＧＮＳＳ衛星クロックの変動量及び受信機クロックの変動量は、数〜数十ナノ秒（ｎｓ）程度となる。この変動量を長さに換算すると、数百ｍに相当する。

更に、ＧＮＳＳ衛星クロックオフセットは、航法暦により与えられており、これが正しいと仮定すると、ノイズ以外の殆どのオフセット量を消去することができる。一方、受信機クロックオフセットは、その様な情報がないので、正確に予測することが難しい。その為、特定のＧＮＳＳ衛星を基準ＧＮＳＳ衛星として、その他のＧＮＳＳ衛星との観測値の差分を取ることで、受信機クロック誤差を消去する。下記式２では、１番ＧＮＳＳ衛星にして、２番ＧＮＳＳ衛星との差分を取ったものとしている。これを３番ＧＮＳＳ衛星以降にも、順次適用し、受信ＧＮＳＳ衛星一個の式を作成できる。

ただし
ΔΦsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の搬送波位相の差分［ｃｙｃｌｅ］
Δρsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の距離差分［ｍ］
Δｃｌｏｃｋsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の衛星クロックオフセット差分［ｍ］
ΔＴｒｏｐsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の対流圏遅延量の差分［ｍ］
ΔＩｏｎｏsat(1-2)：衛星（１）−衛星（２）の電離層遅延量の差分［ｍ］

上記処理を他の時間（例えばｔ２）の観測値でも行い、各測定時間間の差分を取得する。ここで、対流圏遅延、電離層遅延及びアンビギュイティ、ＧＮＳＳ衛星の見かけ上の位相変化から成るＷｉｎｄｕｐ効果は、短い時間で略同量と仮定できる為、下記式３では消去される。又、クロックオフセットは、同じ航法暦を使用している場合、同一の多項式により推定可能である。

ここで、ＧＮＳＳ衛星ｉとＧＮＳＳ受信部２１との距離をρｉとすると、下記の様に表せる。

ここで、
Ｘsat(i)：ＧＮＳＳ衛星ｉのＸ座標、Ｘrcv ：ＧＮＳＳ受信部２１のＸ座標、
Ｙsat(i)：ＧＮＳＳ衛星ｉのＹ座標、Ｙrcv ：ＧＮＳＳ受信部２１のＹ座標、
Ｚsat(i)：ＧＮＳＳ衛星ｉのＺ座標、Ｚrcv ：ＧＮＳＳ受信部２１のＺ座標

式４を式３に適用すると、ＧＮＳＳ衛星の組合わせが３つ以上あれば、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間に変化した受信機移動座標の解法可能となる。

この解法を行う条件として、基準ＧＮＳＳ衛星は、異なる時間間（ｔ１，ｔ２）でも同一のＧＮＳＳ衛星であること、基準ＧＮＳＳ衛星の他に観測されている共通のＧＮＳＳ衛星が３つ以上必要であることが要求される。

更に、２つの異なる時間に受信された各ＧＮＳＳ衛星のデータの間にサイクルスリップがないこと、ＧＮＳＳ受信部の電源断により、位相カウンタがリセットされたことがないことが条件とされる。

尚、サイクルスリップがあった場合、位相カウンタがリセットされた場合等では、位相変動量の連続性を確保する処理（整数値バイアスの推定）を行い、或は位相の断絶部分のデータを排除すればよい。

上記解法により得られるデータは、基準となる観測時間での位置とその後の観測時間での位置の差分量である。従って、実際の移動量は、それぞれの差分量を積分することで得られる。

ここで、前記ＧＮＳＳ受信部２１から取込む受信信号の取得時間間隔Δｔについて、最少時間間隔としては、実用上１０ｍｓ（１００Ｈｚ）程度である。

又、最大時間間隔としては、以下の制限を受ける。ＧＮＳＳ衛星から発せられる電波は、２時間おきに最新のものに更新される。本実施例に於ける解法では、計算上のパラメータが同一であることが必要であり、更に少なくとも２点必要である。この為、２時間内に少なくとも２点のデータの取得が必要となり、最大時間間隔は１時間となる。

従って、設定される時間間隔は、１０ｍｓから衛星からの信号が更新される時間間隔の１／２の範囲であり、更に被測定体の予想される振動周期の１／１０程度に設定される。

図９を参照して、更に説明する。

ＳＴＥＰ：０１ 測定を開始し、前記ＧＮＳＳ受信部２１が時刻ｔ１で、複数のＧＮＳＳ衛星から電波を受信し、受信信号として前記ＧＮＳＳ受信部２１から取得する。更に、Δｔ後の時刻ｔ２での複数のＧＮＳＳ衛星から受信した受信信号を前記ＧＮＳＳ受信部２１から取得する。

ＳＴＥＰ：０２ 時刻ｔ１、時刻ｔ２での受信信号よりそれぞれのＧＮＳＳ衛星の位置を計算する。

ＳＴＥＰ：０３ 時刻ｔ１でのそれぞれのＧＮＳＳ衛星の高度角を計算し、高度角の最も大きいＧＮＳＳ衛星を基準ＧＮＳＳ衛星とする。

ＳＴＥＰ：０４ 時刻ｔ１で受信された受信信号について基準ＧＮＳＳ衛星とその他のＧＮＳＳ衛星の受信信号の差分を作成する。

ＳＴＥＰ：０５ 時刻ｔ２で受信された受信信号について基準ＧＮＳＳ衛星とその他のＧＮＳＳ衛星の受信信号の差分を作成する。

ＳＴＥＰ：０６ 時刻ｔ１、時刻ｔ２での各ＧＮＳＳ衛星と受信位置（測定点）との距離を、受信信号と同様のＧＮＳＳ衛星の組合わせで計算する。

ＳＴＥＰ：０７ ＳＴＥＰ：０６で得られたデータ（ＧＮＳＳ衛星と測定点迄の距離）に基づき、時刻ｔ１を基準とした時刻ｔ２での測定点を測位（座標（ｘ，ｙ，ｚ）測定）する。

ＳＴＥＰ：０８ 時刻ｔ１を基準とした時刻ｔ２での座標から、偏差Δｘ、Δｙ、Δｚを求め、移動量（Δｘ、Δｙ、Δｚ）を全体移動量に加算する（積分する）。

ＳＴＥＰ：０９ 時刻ｔ２の受信信号を保存し、時刻ｔ３でのＧＮＳＳ衛星からの電波を受信し、受信信号として取得する。時刻ｔ２の受信信号、時刻ｔ３の受信信号について、ＳＴＥＰ：０２〜ＳＴＥＰ：０８の処理を実行する。

所定時間間隔で、継続的にＧＮＳＳ衛星からデータを取得し、隣接する時間毎に、偏差Δｘ、Δｙ、Δｚを求め積分を実行することで、継続した振動測定が可能となる。

又、上記した様に、１０ｍｓから衛星からの信号が更新される時間間隔の１／２の範囲で、データの取得時間間隔を被測定体の振動状況に対応して設定できる。従って、被測定体の振動状況に対応した最適な振動測定が実施可能である。

実験で得られた観測データを図１０に示す。

実験の条件としては、前記ＧＮＳＳ受信部２１が設置されている振動検知対象物を、±５ｍｍの振幅で、且つ１Ｈｚで振動させ、前記ＧＮＳＳ受信部２１の受信信号を０．０５秒間間隔で取込む様に設定している。

図１０では、略±５ｍｍの振幅で、規則正しく振動している状態が観察できる。尚、図１０に於いて横軸はＧＮＳＳタイム、縦軸の単位はｍである。

更に、周期性を確認する為、観測データをＦＦＴによる周波数分解を行った。その結果は、図１１に示されている。

図１１より、実験で設定した１Ｈｚの位置にパワースペクトルが現れており、本実施例で測定した振動が、実験で設定した条件を反映していることが確認された。

本実施例では、ＧＮＳＳ受信部２１によりＧＮＳＳ衛星からの信号を所定時間間隔で受信し、前記ＧＮＳＳ受信部２１が設置されている点（測定点）の時間的変位を求め、時間的変位を積分することで振動を測定している。

又、時間的な変位（偏差）は、ＧＮＳＳ受信部２１により測定される絶対座標の差であり、而も近接した時間での測定値の差であるので、時間の経過に基づく誤差は極めて小さい。更にＧＮＳＳ受信部２１で測定された測定値に誤差要因が含まれていた場合でも、差分を取ることで、誤差要因が相殺され、極めて精度の高い偏差（Δｘ、Δｙ、Δｚ）が得られる。

更に、偏差分を加算することで、ＧＮＳＳ受信部２１の設置位置の時間的な変位が得られる。又、変位に基づき、振幅、振動波形、振動周波数等の振動に関する情報が得られる。

更に、ＧＮＳＳ受信部２１の設置位置の変位は、振動を除去した位置であり、振動波形の中心を示す座標として判断される。

又、振動が停止した時の設置位置は、前記ＧＮＳＳ受信部２１の設置位置の初期座標に前記偏差の総和を加えたものとなる。上記した様に、偏差を求める過程で誤差要因が相殺されるので、前記ＧＮＳＳ受信部２１の設置位置は高い精度で測定される。

更に、本実施例に係る振動検出装置が構造物の安全性診断システムに適用されることで、高精度で、信頼性の高い構造物の安全性の診断ができる。

１ 構造物
２ ＧＮＳＳ受信機
４ 制御装置
５ 表示部
９ 制御演算部
１１ 記憶部
１２ 判断部
１３ 絶対変位曲線
１４ 層間変形角曲線
１５ 診断結果画面
１６ 評価結果グラフ表示部
１８ 数値表示部
１９ 評価結果表示部
２０ 総合評価表示部
２１ ＧＮＳＳ受信部
２２ 演算処理装置
２３ 表示部
２５ タイミング制御部
２６ 信号取込み部
２７ 演算部
２８ 記憶部

Claims (8)

1. 構造物の上層階に設置された１台のＧＮＳＳ受信機と、該ＧＮＳＳ受信機により計測された絶対座標、該絶対座標の変位に基づき前記構造物の絶対変位曲線を作成し、該絶対変位曲線と前記構造物の任意次数個の固有振動数の地震時変動を考慮して拡張された拡張伝達関数に基づき前記構造物の基礎部の絶対変位を演算し、該絶対変位と前記絶対変位曲線に基づき前記構造物の相対変位を演算し、該相対変位の振幅量と前記構造物の振動形状に基づき各階層毎の最大層間変位を演算し、最大層間変位を前記構造物の階高で除して各階層毎の最大層間変形角を演算し、層間変形角曲線を作成するプログラムが格納された記憶部と、最大層間変位及び最大層間変形角、又は前記層間変形角曲線の少なくとも一方を基に前記構造物の安全性の診断を行なう判断部を有する制御装置と、表示部とを具備し、前記制御装置は、前記絶対座標の変位、前記プログラムを基に各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角、前記層間変形角曲線を演算し、前記判断部が最大層間変位及び最大層間変形角、又は前記層間変形角曲線の少なくとも一方に基づき評価した前記構造物の診断結果を前記表示部に表示させることを特徴とする構造物の安全性診断システム。
2. 前記表示部には診断結果画面が表示され、該診断結果画面は評価結果グラフ表示部を有し、該評価結果グラフ表示部には安全領域、危険領域が区分けして表示され、前記層間変形角曲線が安全領域から危険領域のどの範囲に存在するかを示す請求項１の構造物の安全性診断システム。
3. 前記診断結果画面は、前記構造物の各階層毎の最大層間変位及び最大層間変形角を表示する数値表示部を更に有する請求項２の構造物の安全性診断システム。
4. 前記診断結果画面は、前記判断部による診断結果を文字により表示する評価結果表示部と、前記診断結果を色にて表示する総合評価表示部とを更に有する請求項３の構造物の安全性診断システム。
5. 前記判断部による前記構造物の診断が行なわれた後、更に所定時間経過後に前記ＧＮＳＳ受信機が該ＧＮＳＳ受信機の設置位置の絶対座標を計測し、前記制御装置は基準絶対座標と、所定時間経過後の前記設置位置の絶対座標から該設置位置の経時的な変位を演算し、該経時的な変位に基づき、前記判断部は前記構造物の安全性を診断する請求項１〜請求項４のうちいずれかの構造物の安全性診断システム。
6. 前記ＧＮＳＳ受信機は、測定位置に設置され、衛星からの信号を受信する１つのＧＮＳＳ受信部と、該ＧＮＳＳ受信部より出力される受信信号を所定時間間隔で取得し、隣接する２つの時刻で前記ＧＮＳＳ受信部からの受信信号を取得し、２つの受信信号の搬送位相波の時間差分を演算し、演算結果に基づき測定位置の偏差を求め、該偏差を積分して前記測定位置の振動を求める様構成した演算処理装置とを具備する請求項１〜請求項５のうちいずれかの構造物の安全性診断システム。
7. 前記時間間隔は、衛星から発信される信号が１０ｍｓから更新される時間間隔の１／２の範囲で選択され、更に被測定体の予想振動周期の１／１０以下に設定される請求項６の構造物の安全性診断システム。
8. 前記絶対座標の変位は、前記ＧＮＳＳ受信機により計測された絶対座標の初期値に、前記偏差の総和を加算したものである請求項６の構造物の安全性診断システム。

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