JP6682732B2 - 建造物の地震応答を迅速に評価する光学式層間変位計システム - Google Patents
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Description
本出願は、「建造物の地震応答を迅速に評価する光学式層間変位計システム」と題された2015年7月10日に出願された米国仮特許出願第62/190,902号について35U.S.C.119条(3)に基づく利益を主張し、あらゆる目的のため、その全体を参照することによって本明細書に組み込まれている。
米国政府は、米国エネルギー省とLawrence Livermore National Security, LLCとの間での契約第DE−AC52−07NA27344号に基づき、本発明の権利を有する。
[技術分野]
本願は、建造物の地震応答の評価に関し、特に建造物の地震応答を迅速に評価する光学式層間変位計システムに関する。
この項目では、本開示に関連する背景技術情報を提供する。当該背景技術情報は、必ずしも先行技術を構成するものではない。
降伏点=構造部材が非弾性的作用を始める、層間変位率の振幅。
塑性ヒンジ形成=構造部材が完全な塑性ヒンジ(部材横断面全体にわたって撓みやすい材料)を形成する層間変位率の振幅。
最終モーメント容量=部材の最終耐荷重容量が達成される層間変位率の振幅。
地震後の層間変位値の測定および読み取りは、認識力のある構造技術者によって確立された、設計コードまたは層間変位指標の比較を可能にする。これらは、問題になっている建造物の異なる損傷レベルを示す。
従来の建造物地震測定は、加速度計の物理的位置における絶対的加速度の時間歴を測定する強振計に基づく。既存の地震計測システムは、建造物の高さ全体にわたって分配された加速度計のスパース行列を利用する。そのようなシステムは、建造物が振動した程度のある情報を提供する。しかし、それは、建造物における変形(例えば、層間変位)および関連するストレスに関する詳細な情報を直接提供しない。建造物の変位および関連する変形は第一の関心事であるため、後処理で、二重数値積分を通じて加速度計データから最終推定層間変位を求める必要性がある。そのような処理は非常に困難であり、エラーの原因となる。加えて、加速度計は周波数帯幅限界を用いた動的システムであり、建造物システムの非弾性的な挙動に関連した構造における恒久的な変位を正確に再現することができない。強震計に関連した全体的な困難性および問題は、D.A.SkolnikおよびJ.W.Wallace、土木学会、構造工学、2010.136:1574−1584のジャーナルによって記録紙「層間変位測定の重大な評価」の中で文書化されている。
多くの研究者が、建造物間の層間変位の直接測定のための測定スキームおよび関連するデバイスを提案している。これらは、フレームベイ(梁間)の横変形を測定する線形可変変圧器(LVDT)を備えた、教示されたワイヤーなどの物理的に接触するデバイスから、建造物の横変位を測定する光学式技術にまで及ぶ。
開示する装置、システムおよび方法の特徴および利点は、後の説明から明白になるであろう。出願人は、装置、システムおよび方法の広い表現を与えるために、図面および具体的な実施形態の例示を含む説明を提供する。出願の思想および範囲内の様々な変更および改良は、この説明、および装置、システムおよび方法の実施により当業者に明白になるであろう。装置、システムおよび方法の範囲は、開示した特定の形態に制限されない。また、出願は、請求項によって定義される装置、システムおよび方法の思想および範囲内の変更、均等物、および代案をすべて含む。
組み入れられて明細書の一部を構成する添付の図面は、装置、システムおよび方法の具体的な実施形態を示しており、上述した一般的な説明および具体的な実施形態の説明と共に、装置、システムおよび方法の原理について説明する。
図面の参照、以下の詳詳細な説明の参照、並びに、装置、システムおよび方法に関して組み入れた資料、詳細な情報の参照を、具体的な実施形態の説明に含めて提供する。詳述な説明は、装置、システムおよび方法の原理の説明に役立つであろう。装置、システムおよび方法は、形態の変更および選択が可能である。この出願は、開示した具体的な形態に制限するものではない。この出願は、請求項によって定義される装置、システムおよび方法の思想および範囲内の変更、均等物、および代案をすべて含む。
図面に再び戻って、図2、3および4は、本発明の層間変位の測定のために光学式システムの基本構成例を示す。図2、3および4は、発明者の層間変位計システム(ISDMS)の最も基本的な形態を示す。ISDMSは、参照符号200全体的に示されている。ISDMS200は、下記構成要素を含んでいる。
構造(フロア)ビーム(梁)−202、
構造(フロア)ビーム(梁)−204、
レーザ光線源−206、
回折レーザ光線−208、
位置感知検出器アレイ(PSDA)−210、
電気的コネクタ−212、
PSDA上の中立位置−214、
相対的振動移動矢印(図3)−216、
相対的振動移動矢印(図4)−218、
シフト位置(変位)(図3)−220、および、
シフト位置(変位)(図4)−222。
プリント回路基板−502、
センサアレイ−504、
個別のダイオードセンサ−506、
電気的コネクタ−212。
ここには、入念に設計された千鳥状配置の個別のセンサ506が示されている。千鳥状配置は、たとえライン208が1つの列の中の2つのセンサ間の空間と交わったとしても、回折レーザ光線208のラインがセンサ506と常に交差することを保証する。
次に図8Aおよび8Bを参照すると、発明者の層間変位計システム(ISDMS)の別の実施形態が示されている。このISDMSの実施形態は、参照符号800で全体的に示されている。以下は、図8Aおよび8Bに示すISDMS800の構成要素のリストである。
列−802、
構造(フロア)ビーム−804、
構造(フロア)ビーム−806、
方向矢印−808、
新しいシフト位置−810、
シフト距離測定−812、
レーザ光線源−206、
回折レーザ光線−、および、
PSDA210。
次に図9を参照すると、本発明者の層間変位計システム(ISDMS)が示されている。図9に示す本発明者のISDMSは、第1ユニット900Aおよび第2ユニット900Bを利用している。ユニット900Aおよび900Bは、互いに直角に位置決めされている。以下は、図9に示すユニット900Aおよび900Bの構成要素のリストである。
上方構造(フロア)ビーム − 902a及び902b、
下方構造(フロア)ビーム− 904a及び904b、
レーザ光線源−906a及び906b、
回折レーザ光線−908a及び908b、
位置感知検出器アレイ(PSDA) − 910a及び910b、および、
PSDAの中立位置 − 912aおよび912b。
単一ベイ−1000、
構造の初期位置−1002、
地震時の構造の変形位置−1004、
レーザ光線源の初期位置−1006、
レーザ光線の初期位置−1008、
地震時のレーザ源位置−1010、
地震時のレーザ光線位置−1012、
レーザ光線の回転角−1014、
△変位−1016、
△観測−1018、
△回転−1020、
H層間高さ−1022、
PSDAユニット−1024。
地震振動中に建造物が横方向の振動を受けると、全体的な変位は、建造物システムの構造フレームを構成する個々の要素(水平ビームおよび垂直柱)の局所的な回転を伴う。層間変位を正確に計算するために補正しなければならない、フロアの局所的な回転(レーザ光線の位置△回転のシフトに繋がる可能性のある△フロア)を示すために、建造物の単一ベイ1000の横変形(層間変位)図示されている。これは、任意の光センサ測定システムにおいて対処しなければならない問題として、歴史的に注目されている。
本発明者は、レーザの局所的な回転を補正するための信頼性の高い正確な方法を開発した。この方法は、下方フロアに取り付けられたPSDセンサ直交に(直角に)取り付けられた第2離散的なダイオードPSDセンサを使用する。図11Aおよび11Bに示すように、この第2センサは、局所フロア回転を判断し、実際の層間変位を判断するために適切な補正を行うために使用される。一般に、必要がある補正の程度は、建造物の垂直柱と水平フロアビームとの間の相対的曲げ剛性の関数(function)である。典型的な建造物では、典型的な建造物フレームの変形パターンのため、この局所的な回転を補正しないと、図10に示すように、層間変位が過小評価される可能性がある。図10から、実際の変位△変位に到達するためには、PSDセンサ△観測上で観測された変位に加算することによって誘起された振動△回転を補正することが必要である。
単一ビームベイ−1100、
初期位置−1102、
事象位置−1104、
レーザ光線源−1106、
第1レーザ光線−1108、
第2レーザ光線−1110、
第1PSDAユニット−1112、
第2PSDAユニット−1114、
変位−1116、
回転角度−1118、
第1データ点−1120、
第2データ点1122。
方法図−1200、
数値シミュレーションモジュール−1202、
建造物システムの計算モデル−1204、
地震記録−1206、
シミユレーションした層間変位−1208、
数値シミュレーションモジュールによって生成されたデータ−1210、
センサテストベッド数値シミュレーションモジュール−1212、
固定「天盤」(レーザ光線)−1214、
「フロア」振動PSDA−1216、
数値シミュレーションモジュールからのデータ − 1218、
比較および検証モジュール−1220。
次に、図13A、13Bおよび13Cを参照すると、本発明者の単一レーザ光線の学式層間変位計システムの実施形態が示されている。図13Aは、光学式層間変位計システムの各々のレーザ光線源として単一の高出力レーザ1304を有する複数階の構造を示す。個々の光学式層間変位計システム1306は、小さな円として表される。
コンピュータシステムは、各フロアの変位計システムからデータを収集し、データを分析し、結果を記憶する。図14は、複数回の構造1400を示し、各該構造は、ここでは小さな正方形で表される変位計システム1402を備える。変位計システムは、ケーブルシステム1404によってコンピュータ1406に接続される。ケーブルシステム1404は、各変位計システム1402からの個々のケーブル、または単一のケーブルを使用する多重化システムとすることができる。あるいは、Bluetooth(登録商標)技術を使用したWI−FI(登録商標)システムを使用して、変位計をコンピュータシステム1406に接続することができる。コンピュータシステム1406は、変位計からデータを収集し、データを分析し、その結果を記憶する。結果は、所定の場所で目視することができ、遠隔地に出力することもできる。
いずれの方法でも、本発明者のシステムの大きな利点の1つは、最小限の処理および分析で、地震直後の応答情報を表示する能力である。
本発明者は、各層間レベルで変位振幅を直ちに示し、これを建造物の所定の許容値と比較することができる視覚的な表示概念を開発した。センサは、所与のフロアレベルでの面内振動の両方向の位置におけるピーク層間変位を示すデジタル光学式バーを利用する。デジタルバーは、ピーク変位を示し、色は変位をコードし、変位が応答スペクトルのどこに対応するかを示す。デジタルバーの概念と、それがピーク変位を捕捉する様子が、図15A、 15B、 15Cおよび15Dに示されている。
センサ設計の概念は、現実的な地震誘発された建築物層間変位と、センサ概念をテストするために特別に設計され構築された独自の実験的テストベッドとを組み合わせて、数値シミュレーションに基づいて徹底的に評価した。代表的な複数階の建造物の地震応答のコンピュータシミュレーションは、3階建てから40階建ての鉄骨フレーム建造物の繊維式弾塑性ビーム要素モデルを利用した。建造物の地震の振動は、過去の地震地動記録の集合から生成され、変位時間履歴のデータベースが作成された。多くの地震記録は、建造物の非弾性的な挙動を生成し、非弾性モデルは、地震の振動の終わりに恒久的な建造物の変位を示す建造物フレームの対応する恒久的な変形を形成する。
ダイオードベースのPSDセンサの性能を評価するために利用される全体的な手順は、3つのステップからなる;(1)デジタルファイル内で合成(計算された)過去に測定された地震地動記録を受けた代表的な建造物構造のコンピュータシミュレーションを実行し、合成(計算された)デジタルファイル内の層間変位時間履歴をセーブする; (2)シミュレーションされた層間変位に基づいて、「フロア」(テーブルプラットフォームの位置)と「天盤」(レーザの取り付け位置)との間のこれらの層間変位を複製するために電気機械的動作テーブルを駆動する;および (3)PSDセンサを利用して変位時間履歴を測定し、テーブル生成振動と比較してセンサ性能を評価する。
Claims (18)
- 基準フロア、および当該基準フロアに直接隣接する隣接フロアを備える建造物の層間変位を測定するための装置であって、
前記基準フロアに動作可能に接続されたレーザ光線源と、
前記レーザ光線源によって生成され、前記隣接フロアへ向かって扇状に広がる形状を有する回折レーザ光線であるレーザ光線と、
前記隣接フロアに動作可能に接続され、前記建造物の層間変位を測定するために前記レーザ光線を受けるように位置決めされたセンサアレイであって、前記センサアレイは複数の平行なセンサ列を備え、前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線の測定方向に対してセンサが横方向に部分的に重なり合うように配置されているセンサアレイと、を含み、
前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線は、前記センサアレイのすべての列を同時に横断する十分な幅を有する装置。 - 前記レーザ光線源によって生成された前記レーザ光線は、回折レーザ光線である請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記センサアレイは、ダイオードセンサアレイである請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記センサアレイは、少なくとも3つの密接に隣接する間隔のダイオードセンサ列を含むダイオードセンサアレイである請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記レーザ光線源は、各フロアレベルに位置決めされた、離散的なレーザユニットである請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記レーザ光線源は、集中型レーザユニットに接続された光ファイバである請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記レーザ光線源の回転を検出するために、前記レーザ光線に対してある角度に方向付けられた第2レーザ光線をさらに含む請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記第2レーザ光線源は、前記レーザ光線に対して直角に配置されている請求項7に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記基準フロアに動作可能に接続された第2レーザ光線源と、
前記第2レーザ光線源によって生成され、前記隣接フロアへ向けられた第2レーザ光線と、
前記隣接フロアに動作可能に接続され、前記建造物の層間変位を測定するために前記第2レーザ光線を受けるように第2センサアレイと、をさらに含み、
前記第2レーザ光線源、前記第2レーザ光線および前記第2センサアレイは、前記レーザ光線源、前記レーザ光線および前記センサアレイに対してある角度に位置決めされている請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。 - 前記角度は、直角である請求項9に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記センサアレイは、層間変位信号を生成し、
データ収集のためのフィールドプログラマブルゲートアレイと、
前記層間変位信号を分析かつ記憶するためのコンピュータシステムとを、さらに含む請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。 - 前記センサアレイは、前記層間変位を視覚的に示すデジタル光学式バーを含む請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記デジタル光学式バーは、種々の損傷レベルに対する所定の建造物変位指標によって定義された色分けを用いて層間変位を示す、異なるカラーコードを表す異なる色を表示する請求項12に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。
- 前記建造物は、複数階の建造物であり、前記基準フロアは上方フロアであり、かつ前記隣接フロアは前記基準フロア直下の下方フロアであり、
前記レーザ光線源は、前記上方フロアに接続され、
前記センサアレイは、前記下方フロアに接続されている請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。 - 前記建造物は、複数階の建造物であり、前記基準フロアは下方フロアであり、かつ前記隣接フロアは前記基準フロア直上の上方フロアであり、
前記レーザ光線源は、前記下方フロアに接続され、
前記センサアレイは、前記上方フロアに接続されている請求項1に記載の建造物の層間変位を測定するための装置。 - 基準フロア、および当該基準フロアに直接隣接する隣接フロアを備える各建造物の層間変位を監視するためのシステムであって、
各建造物の前記基準フロアに動作可能に接続されたレーザ光線源と、
それぞれの前記レーザ光線源によって生成され、それぞれが扇状に広がる形状を有すると共に各建造物の前記隣接フロアの各々へ向けられた回折レーザ光線と、
各建造物の前記隣接フロアの各々に動作可能に接続され、前記建造物の層間変位を測定するために前記レーザ光線を受けるように位置決めされ、測定信号を生成するセンサアレイであって、それぞれの前記センサアレイは、複数の平行なセンサ列を備え、前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線の測定方向に対してセンサが横方向に部分的に重なり合うように千鳥状に並んでいるセンサアレイと、
前記センサアレイに動作可能に接続され、前記測定信号を受信して、前記建造物の層間変位を監視するシステムと、を含み、
前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線は、前記センサアレイのすべての列を同時に横断する十分な幅を有するシステム。 - 前記センサアレイは、層間変位信号を生成し、当該層間変位信号を分析および記憶するコンピュータシステムをさらに含む請求項16に記載の建造物の層間変位を監視するためのシステム。
- 基準フロア、および当該基準フロアに直接隣接する隣接フロアを備える建造物の層間変位を監視するための方法であって、
前記建造物の前記基準フロアに、レーザ光線源を動作可能に接続する工程と、
前記建造物の前記隣接フロアへ向けられた扇状に広がる形状を有するレーザ光線を生成するために、前記レーザ光線源を使用する工程と、
前記建造物の前記隣接フロアに、センサアレイを動作可能に接続する工程であって、前記センサアレイは複数の平行なセンサ列を備え、前記センサアレイは前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線の測定方向に対してセンサが横方向に部分的に重なり合うように千鳥状に並んでおり、かつ、前記扇状に広がる形状を有する前記レーザ光線が前記センサアレイのすべての列を同時に横断する十分な幅を有するように、センサアレイを動作可能に接続する工程と、
前記建造物の層間変位を測定するために、前記レーザ光線を受けるように、測定信号を生成する前記センサアレイを位置決めする工程と、
前記測定信号を受信して前記建造物の層間変位を監視するために、前記センサアレイに監視システムを動作可能に接続する工程と、を含む方法。
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