JP7068768B2 - 劣化診断装置、劣化診断方法および劣化診断システム - Google Patents

Description

本発明は、劣化診断装置、劣化診断方法および劣化診断システムに関する。

特許文献１には、構造物の劣化を診断するための装置の一例が記載されている。特許文献１に記載されている劣化診断装置は、新築時に測定した建物の固有振動数を記憶し、所定期間後あるいは地震等の災害発生後に建物の固有振動数を測定して、記憶した固有振動数と、測定した固有振動数との差に基づいて壁の劣化や損傷の診断を行う。

特開２０１１－０８４８７７号公報

特許文献１に記載されている劣化診断装置では、建物の固有振動数の変化に基づいて構造物の劣化が診断される。しかしながら、本願発明者による検討において、固有振動数の変化のみに基づく劣化診断には次のような場合があることが判明した。すなわち、構造物において比較的大きな劣化が発生したときには固有振動数が比較的大きく変化する場合がある一方、劣化が比較的大きくないときには固有振動数が大きく変化しない場合がある。このような場合、固有振動数の変化のみに基づく劣化診断では、比較的大きくない劣化を診断することができないことがあるという課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、構造物の劣化を劣化の程度の広い範囲で診断することができる劣化診断装置、劣化診断方法および劣化診断システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、複数の子器によって構造物の振動波形を計測し、かつ、前記複数の子器によってその計測した振動波形に対して所定の波形解析処理を行った波形解析結果を入力する入力部と、前記構造物の固有振動数の基準値と前記構造物の振動増幅率の基準値とを記憶する記憶部と、前記波形解析結果に基づく前記構造物の固有振動数の前記固有振動数の基準値に対する変化率を算出するとともに、前記波形解析結果に基づく前記構造物の振動増幅率の前記振動増幅率の基準値に対する変化率とを算出する変化率算出部と、前記変化率算出部が算出した前記固有振動数の変化率と前記振動増幅率の変化率とに基づき前記構造物の劣化の度合いを判定する判定部とを備える劣化診断装置である。

また、本発明の一態様は、上記劣化診断装置であって、前記入力部が、前記複数の子器が前記振動波形に基づいて算出した前記構造物の減衰性に応じた値を前記波形解析結果としてさらに入力し、前記記憶部が、前記構造物の減衰性に応じた値の基準値をさらに記憶し、前記変化率算出部が、前記波形解析結果に基づく前記構造物の減衰性に応じた値と前記減衰性に応じた値の基準値に対する変化率をさらに算出し、前記判定部が、前記変化率算出部が算出した前記固有振動数の変化率と前記振動増幅率の変化率と前記減衰性に応じた値の変化率とに基づき前記構造物の劣化の度合いを判定する。

また、本発明の一態様は、上記劣化診断装置であって、前記複数の子器が、所定のレベル以上の振動波形を検出した場合に、前記構造物の振動波形を所定時間計測し、かつ、その計測した振動波形に対して前記所定の波形解析処理を行った前記波形解析結果を前記所定の記憶装置に記憶する。

また、本発明の一態様は、上記劣化診断装置であって、前記複数の子器が、前記構造物の固定部に設置された１台と、前記構造物の揺れ部に設置された１台との合計２台である。

また、本発明の一態様は、複数の子器によって構造物の振動波形を計測し、かつ、前記複数の子器によってその計測した振動波形に対して所定の波形解析処理を行った波形解析結果を入力する入力部と、前記構造物の固有振動数の基準値と前記構造物の振動増幅率の基準値とを記憶する記憶部と、前記波形解析結果に基づく前記構造物の固有振動数の前記固有振動数の基準値に対する変化率を算出するとともに、前記波形解析結果に基づく前記構造物の振動増幅率の前記振動増幅率の基準値に対する変化率とを算出する変化率算出部とを用い、判定部によって、前記変化率算出部が算出した前記固有振動数の変化率と前記振動増幅率の変化率とに基づき前記構造物の劣化の度合いを判定する劣化診断方法である。

また、本発明の一態様は、構造物の振動波形を計測し、かつ、計測した振動波形に対して所定の波形解析処理を行った結果を波形解析結果として所定の記憶装置に記憶する複数の子器と、前記複数の子器が記憶した前記波形解析結果を入力する入力部と、前記構造物の固有振動数の基準値と前記構造物の振動増幅率の基準値とを記憶する記憶部と、前記波形解析結果に基づく前記構造物の固有振動数の前記固有振動数の基準値に対する変化率を算出するとともに、前記波形解析結果に基づく前記構造物の振動増幅率の前記振動増幅率の基準値に対する変化率とを算出する変化率算出部と、前記変化率算出部が算出した前記固有振動数の変化率と前記振動増幅率の変化率とに基づき前記構造物の劣化の度合いを判定する判定部とを備える劣化診断システムである。

本発明によれば、構造物の劣化を劣化の程度の広い範囲で診断することができる。

本発明の一実施形態に係る劣化診断システムの構成例を示すブロック図である。 図１に示す子器１の建築物への配置例を示す模式図である。 図１に示す子器１の建築物への他の配置例を示す模式図である。 図１に示す子器１の構成例を示すブロック図である。 図１に示すＰＣ２の構成例を示すブロック図である。 建築物の劣化過程における固有振動数の変化の一例を示す図である。 建築物の劣化過程における固有振動数の変化の一例を示す図である。 建築物の劣化過程における振動モードの変化の一例を示す図である。 建築物の劣化過程における振動モードの変化の一例を示す図である。 図１に示す子器１の動作例を示すフローチャートである。 図１に示す子器１の動作例を示すフローチャートである。 図１に示すＰＣ２の動作例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る劣化診断システムの構成例を示すブロック図である。 図１３に示す子器１の構造物への配置例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る劣化診断システム１００の構成例を示すブロック図である。図１に示す劣化診断システム１００は、複数の子器１と、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２（劣化診断装置）とを備える。本実施形態の劣化診断システム１００は、図示していない１または複数の構造物を劣化診断の対象とし、子器１は構造物毎に少なくとも２台設置される。

図１に示す劣化診断システム１００では、複数の子器１がＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）３１を介してデータサーバ３２、ルータ３３およびＰＣ３４に接続される。ただし、図１に示す構成は一例であって、例えば子器１が図示していない移動体通信網等の通信回線に無線で接続されていてもよい。この場合には、ＬＡＮ３１、データサーバ３２、ルータ３３、ＰＣ３４等は省略することができる。データサーバ３２は、例えば、子器１による計測結果等を記憶したり、記憶した情報をインターネット３５を介してクラウド３６に構築されたサーバ群に対して送信したりする。ただし、子器１が直接、クラウド３６に構築されたサーバ群あるいはＰＣ２に対して計測結果等をデータサーバ３２を介さず送信するようにしてもよい。ルータ３３は、ＬＡＮ３１をインターネット３５に接続する。ＰＣ３４は、後述するＰＣ２と同等の機能を有するコンピュータであり、ＰＣ３４でもＰＣ２と同様に劣化診断を行うことができる。ただし、このＰＣ３４は省略することができる。

ルータ３８は、クラウド３６に構築されたサーバ群とサーバ３９とをインターネット３７を介して接続する。サーバ３９は、例えばクラウド３６に構築された所定のサーバにアクセスすることで複数の子器１による計測結果等の情報を受信して記憶する。また、サーバ３９は、記憶した情報をＰＣ２に対して提供したり、ＰＣ２による劣化診断処理の結果を所定の通知先へ通知したりする。

ここで、図２および図３を参照して、構造物の一例である建築物に対する子器１の設置例について説明する。図２は建築物の一例である住宅への子器１の設置例を示す模式図であり、図３は建築物の他の例である複合建築物への子器１の設置例を示す模式図である。図２に示す住宅４００は３階建て住宅である。図２に示す住宅４００では、図１に示す子器１に対応する２台の子器１ａおよび子器１ｂが、住宅４００の１階部分４０１および３階部分４０２に設置されている。この場合、子器１ａが設置されている１階部分４０１は１階の床（あるいは住宅４００の基礎）に近い領域であり、３階部分４０２は３階の天井に近い領域である。一方、図３に示す複合建築物５００は地下１階地上７階建て建築物である。図３に示す複合建築物５００では、図１に示す子器１に対応する２台の子器１ｇおよび子器１ｈが、複合建築物５００の地下１階部分５０１および屋上部分５０２に設置されている。この場合、子器１ｇが設置されている地下１階部分５０１は地下１階の床（あるいは基礎）に近い領域である。図２および図３に示す設置例では、１階、地下１階等の建築物の固定部と、３階、屋上等の最上階近傍の揺れ部の２箇所に設置箇所を限定することで、子器１の設置を簡素化している。ここで揺れ部とは固定部と比較して地震や風による振動が概ね大きくなる部分である。なお、構造物が複雑系の場合あるいは動的設計資料がない場合、初期に少なくとも１次～３次の固有周振動数（あるいは固有周期）とモード値が把握できるような多点計測を行い、劣化診断の支援資料とすることが望ましい。特に固有モード形は１度計測しておくと以後の変化に対処できる。なお、図２および図３は、建築物等の構造物への子器１の設置の一例を示すものであり、例えば同一の階に複数の子器１を設置したり、３以上の階に子器１を設置したりしてもよい。

図１に示す子器１は、図４に示すように、振動センサ１１と、処理部１２と、記憶部１３（記憶装置）と、通信部１４を有する。振動センサ１１は、例えば加速度センサであり、一方向または複数方向の加速度を検知した結果を出力する。ただし、振動センサ１１は、振動レベルを検知するセンサであればよく、加速度センサに限らず、変位センサ、速度センサ等であってもよい。振動センサ１１は、子器１が設置された位置の振動レベルを示すアナログあるいはデジタルの信号を出力する。なお、本実施形態において振動レベルとは、振動の加速度、速度または変位の大きさを意味する。

図４に示す処理部１２は、判定部１２１と、波形解析部１２２を有する。判定部１２１は、振動センサ１１の出力信号に基づき、振動センサ１１によって所定のレベル以上の振動波形が検出されたか否かを判定する。判定部１２１は、例えば、振動センサ１１の出力信号のピーク値、実効値等と所定の閾値（計測開始閾値）とを比較することで、所定のレベル以上の振動波形が検出されたか否かを判定することができる。処理部１２は、判定部１２１が振動センサ１１によって所定のレベル以上の振動波形が検知されたと判定した場合、所定時間、振動センサ１１の出力信号を所定のサンプリング周期で繰り返し取り込み、計測値１３１として記憶部１３に記憶する。本実施形態ではこの判定部１２１を設けることで、計測トリガー設定し、振動波形の収録回数を必要最小限に減じることができる。計測は強風や地震外力により構造物の振動量がある程度以上大きくなった時に自動計測を開始し、一定時間後に終了する。例えば建物の場合は部材損傷などの不具合が発生する恐れのある１００Ｇａｌ応答前後にトリガーをかけ数分間記録することができる。

波形解析部１２２は、記憶部１３に計測値１３１として記憶されている所定時間分すなわち複数サンプリング分の振動センサ１１の出力信号に対して所定の波形解析処理を行い、処理した結果を波形解析結果１３２として記憶部１３に記憶する。なお、本実施形態では複数サンプリング分の振動センサ１１の出力信号を振動波形ともいう。所定の波形解析処理とは、例えば固有値解析であり、構造物の固有振動数と振動モードを求める処理である。固有値解析は既知の手法で行うことができる。あるいは、所定の波形解析処理とは、例えば、時刻歴振動波形を周波軸上の波形に変換する処理である周波数分析処理（スペクトル分析処理）である。この場合、構造物の固有振動数は、例えばＰＣ２において算出することになる。波形解析部１２２は、例えば、記憶部１３に記憶されている振動波形を複数の周波数成分に分解し、周波数成分毎のレベルを算出する。あるいは所定の波形解析処理とは、例えば固有振動数毎に構造物の減衰性に応じた値を求める処理である。減衰性に応じた値は、例えば、対数減衰率や減衰比である。波形解析部１２２は、例えば、記憶部１３に記憶されている振動波形に対して自己相関解析を行って、対数減衰率や減衰比を算出する。そして、波形解析部１２２は、算出した固有値解析の結果や周波数分析結果、または固有値解析の結果や周波数分析結果と減衰性に応じた値の算出結果を、波形解析結果１３２として記憶部１３に記憶する。

本実施形態では、波形解析部１２２を設けることで、子器１（あるいはデータサーバ３２）は、振動波形そのものを記憶するのではなく、振動波形に対して固有値解析、周波数分析等の所定の一次処理を施した解析結果を記憶する。これによれば、子器１側において記憶する保存データ数の容量を少なくし子器１等を容易に簡素化することができる。従来、地震の場合、時刻歴データの観測は膨大である。概算であるが時刻歴データ数＝（１００～１０００個）／秒×（数十分）×（地震回数）を保存しているが、現在、真に知りたいのは最大値である。一方、固有値特性が地震強風等の外乱に対する構造物の挙動を決定付けるという観点から、周波数分析という１次処理を行うとデータ数＝（約百個／回）×（回数）程度に縮減され、この縮減データのみを保存するとメモリ容量を大幅に減じることが出来る。すなわち、本実施形態では、１次処理して縮減した固有値データを蓄積し、劣化状況を固有値の変化として捕らえる手法が採用されている。

記憶部１３は、例えば、書き換え可能な不揮発性メモリや揮発性メモリから構成されていて、計測値１３１と波形解析結果１３２とを記憶する。

通信部１４は、有線または無線の通信装置であり、例えば外部のコンピュータや通信装置に対してＬＡＮ３１等を介して記憶部１３に記憶されている波形解析結果１３２を送信する。

一方、ＰＣ２は、図５に示すように、入力部２１と、処理部２２と、出力部２３と、記憶部２４を有する。入力部２１は、子器１の通信部１４から送信された波形解析結果を、通信回線、通信装置やサーバ３９等の他のコンピュータを介して受信し、受信した波形解析結果を、処理部２２を介して波形解析結果２４２として記憶部２４に記憶する。ただし、入力部２１は、着脱自在な記憶媒体を接続してその記憶媒体から波形解析結果を読み込んだり、子器１と無線あるいは有線で直接接続して波形解析結果を読み込んだりする構成であってもよい。

処理部２２は、変化率算出部２２１と、判定部２２２と、判定結果出力部２２３を有する。変化率算出部２２１は、まず、記憶部２４に記憶されている波形解析結果２４２と基準値２４１を参照する。ここで、基準値２４１は、診断対象とする構造物の新築時（あるいは一定の基準時）における所定次数分の固有振動数と、所定次数分の振動増幅率（モード値）と、所定次数分の減衰性に応じた値とを、１または複数の構造物分各子器１に対応させて含むデータである。以下、固有振動数の基準値と振動増幅率の基準値と減衰性に応じた値の基準値をまとめて表すときには単に基準値２４１といい、個別に表すときには、固有振動数の基準値２４１、振動増幅率の基準値２４１、あるいは減衰性に応じた値の基準値２４１という。基準値２４１は、設計時における計算上の値、竣工時に計測した値、竣工後一定期間経過後に計測した値に経年変化を顧慮した値等に基づいて設定することができる。

次に、変化率算出部２２１は、記憶部２４に記憶されている波形解析結果２４２に含まれている周波数分析結果等のデータに基づいて、当該構造物に設置されている複数の子器１を対象として当該構造物の固有振動数を所定の次数分求めるとともに、当該構造物の振動増幅率を所定の次数分求める。ただし、子器１によって固有振動数や振動増幅率が算出されている場合には変化率算出部２２１は、それらの値を波形解析結果２４２から取得することができる。なお、同一計測機会において１つの構造物に設置されている複数の子器１が計測した振動波形に基づく各次数の各固有振動数が異なる場合には、例えば周波数分析において最も周波数成分のレベルが大きいデータに基づく固有振動数を採用することができる。さらに、変化率算出部２２１は、波形解析結果２４２から、各子器１において算出された当該構造物の減衰性に応じた値を取得する。なお、振動増幅率は、構造物における２以上の異なる地点間（階層間）の振動ピーク値間の比の値であり、例えば固定部を基準にした同構造物における揺れ部の振動ピーク値間の比の値である。この振動増幅率は、振動固有モード（あるいは振動モード）の各点における振動振幅の割合に対応する値である。なお、振動固有モードは、固有振動数で単振動している系の各点（各質点あるいは振動センサの設置点）における例えば振動振幅の分布を示す振動様式であり、構造物における振動の現れ方を表す。

次に、変化率算出部２２１は、波形解析結果２４２に基づく各次数の固有振動数を、次数毎に固有振動数の基準値２４１と比較して、固有振動数の基準値２４１からの変化率を算出する。また、変化率算出部２２１は、波形解析結果２４２に基づく各次数の振動増幅率を、次数毎に振動増幅率の基準値２４１と比較して、振動増幅率の基準値２４１からの変化率を算出する。さらに、変化率算出部２２１は、波形解析結果２４２に基づく構造物の減衰性に応じた値を次数毎に減衰性に応じた値の基準値２４１と比較して、減衰性に応じた値の基準値２４１からの変化率を算出する。

そして、判定部２２２は、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率および振動増幅率の変化率と、記憶部２４に記憶されている所定の判定値２４４とを比較することで、当該構造物の劣化の度合いを判定する。あるいは、判定部２２２が、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率、振動増幅率の変化率および減衰性に応じた値の変化率と、記憶部２４に記憶されている所定の判定値２４４とを比較することで、当該構造物の劣化の度合いを判定する。ここで、判定値２４４は、変化率算出部２２１が算出した各変化率と比較される基準となる値であって、変化率毎に１または複数段階分用意される。判定値２４４は各変化率と比較される複数の判定値と各判定値に対応する判断の内容を示す情報とを含む。判定値２４４は、例えば、変化率算出部２２１が算出した変化率が、ある判定値２４４より大きい場合には異常であるとか、ある判定値２４４より小さい場合には正常であるとかという情報を対応づけて構成されている。

判定結果出力部２２３は、判定部２２２による判定結果を、例えば構造物単位で所定形式で記憶部２４に判定結果２４３として記憶するとともに、例えば構造物単位で所定形式で出力部２３から出力する。出力部２３は、画像表示装置、印刷装置、通信装置等を有していて、判定結果出力部２２３の指示に応じて例えば構造物単位で所定形式で判定部２２２による判定結果を出力する。

ここで、変化率算出部２２１による変化率の算出手法の一例について詳細に説明する。この例では、基準値（初期値等）とその後の計測値との関係を評価するための評価式を、（１）固有周期、（２）振動増幅率（モード値）、および（３）減衰性に応じた値についてそれぞれ下式のように設定する。変化率算出部２２１は、各評価式を用いて、周期変化率（α）、振動増幅率変化率（モード振幅変化率）（β）、および減衰比変化率（ｈ）を算出する。この各変化率が、判定部２２２における判断の評価指標（判定値２４４と比較される値）となる。

（１）固有周期の変化については、基準値の固有周期（Ｔｏｉ）に対するｎ回目の計測固有周期（Ｔｎｉ）の変化率（αｎｉ）を評価指標にする。この場合、評価式は次式のようにすることができる。

ここで、ｎは子器１の判定部１２１における判定条件を満たした計測の回数（ｎ回目）を表し、ｉは固有振動の次数を表す。Ｔｎｉはｎ回目ｉ次固有周期であり、αｎｉはｎ回目ｉ次固有周期の基準値のｉ次固有周期に対する変化率（評価指標）であり、Ｔｏｉは基準値（初期値ｏ（１回目））のｉ次固有周期である。

（２）振動増幅率の変化については、基準値の振動増幅率（Ｘｏｉｒ）に対するｎ回目計測の振動増幅率（Ｘｎｉｒ）の変化率（βｎｉｒ）を評価指標にする。この振動増幅率は各階の質量と剛性の分布連成系で決まるので、いずれかの階が損傷するとその階のモード振幅が変化する。

ここで、変化率（βｎｉｒ）が評価指標となる。Ｘｎｉｒはｎ回目ｉ次ｒ階の振動増幅率、βｎｉｒはｎ回目ｉ次ｒ階の振動増幅率の変化率（評価指標）、Ｘｏｉｒは基準値（初期値ｏ（１回目））のｉ次ｒ階の振動増幅率である。

（３）減衰性に応じた値の変化については例えば減衰比の変化率（ｈｎｉ）を評価指標とする。設計時にはＲＣ造（鉄筋コンクリート造）、鉄骨造、木造など構造種別より減衰比（ｈ＝Ｃ／Ｃｃ）を想定して地震応答解析が行われるので、概算的な減衰比は予め取得することができる。ここで、Ｃは粘性減衰係数、Ｃｃは臨界減衰係数である。なお、詳細には、観測波形の自己相関解析法を用いて評価する理論がある。そこで基準値（初期値）を定めこれを基準にして判定することが可能である。なお、減衰性に応じた値の変化については、一例として、基準値の減衰比（Ｈｏｉ）に対するｎ回目計測の減衰比（Ｈｎｉ）の変化率（ｈｎｉ）を評価指標にする。

ここで、変化率（ｈｎｉ）が評価指標となる。Ｈｎｉはｎ回目ｉ次の減衰比、ｈｎｉはｎ回目ｉ次の減衰比の変化率（評価指標）、Ｈｏｉは基準値（初期値ｏ（１回目））のｉ次の減衰比である。

上述したように、判定部２２２は、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率と振動増幅率の変化率とに基づき当該構造物の劣化の度合いを判定する。あるいは、判定部２２２は、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率と振動増幅率の変化率と減衰性に応じた値の変化率とに基づき当該構造物の劣化の度合いを判定する。判定の際、判定部２２２は、記憶部２４に記憶されている判定値２４４を呼び出し、判定値２４４と各変化率を比較することで劣化の度合いを判定する。判定部２２２は、例えば、各変化率に基づき最も劣化の度合いが大きいと判定された診断結果を該構造物の診断結果とすることができる。

上述した変化率（αｎｉ、βｎｉｒ、ｈｎｉ）の算出方法を用いる場合、判定部２２２は、変化率（αｎｉ、βｎｉｒ、ｈｎｉ）が許容される範囲内か否かを判定することで、劣化診断結果を決定する。この変化率が許容範囲内か否かの判定は、構造物の種類（建物、防音壁、設備機械など）、構造種別（ＲＣ造、Ｓ造（鉄骨造）、軽量鉄骨造、木造等）と、高さ（高層、中低層、平屋）等によりそれぞれ異なるので、それぞれに定義する必要がある。例えばＲＣ造１０階建物の場合、実験結果から、固有振動数の変化率は概略、αｎｉ＞０．９（正常）、０．９＞αｎｉ＞０．８（要注意、耐力詳細検討）、０．８＞αｎｉ（設計管理機関に連絡）とすることができる。

ここで、図６～図９を参照して、本実施形態において、判定部２２２によって変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率と振動増幅率の変化率とに基づき構造物の劣化の度合いを判定する構成が奏する効果について説明する。図６～図９は、大型振動台による実大建物の破壊加振実験において計測された固有振動数の変化または振動モード形の変化を表す図である。この加振実験では、ＲＣ造１０階建物において、レベルを１０％、２５％、５０％、１００％に変化させた所定の地震波に基づき建物を加振した直後に、５０Ｇａｌの地震波を入力して１階～Ｒ階まで１階おきに配置した加速度センサにてＸおよびＹ方向の加速度を計測した。そして、計測された時刻暦データから周波数分析を行い、分析結果から固有振動数と振動モード形を既知の理論から算出した。

図６および図７は、横軸に初期値、１０％、２５％、５０％、および１００％加振の区分と、縦軸に固有振動数の変化の関係を示す。図６はＸ方向の１次～３次の固有振動数の変化を示し、図７はＹ方向の１次～４次の固有振動数の変化を示す。図６および図７に示すように、１）地震力が増加すると、ＸＹ方向共に、１次、２次および３次の固有振動数が低下する。また、２）１０％、２５％地震後の変化率と比べて、５０％程度を超えると変化率が大きい傾向が分かる。

図８および図９は、初期値と、２５％、５０％、および１００％加振後の１次と２次の固有モード形を示す。図８はＸ方向の１次と２次の固有モード形を示し、図９はＹ方向の１次と２次の固有モード形を示す。図８および図９では、周波数分析結果から劣化過程のモード振幅をＲ階振幅を基準（＝１．０）とし、１次と２次の固有振動の振動増幅率を示す。図８および図９に示すように、初期値（健全状態）モードと比較して、１）地震力が大きくなるにつれてモードが変化していく様子が分かる。また、２）概略的に見ると、初期値に対して地震力１０％から２５％までで若干変化した。目視では微細なひび割れが進行している状況であった。３）５０％でかなり変化している。目視では上部階の柱梁接合部や耐震壁のひび割れが本格化した。４）１００％でモードが更に大きく変化している。目視では同部近傍のコンクリート一部が剥がれて落下するなどの崩壊が近いと観察された。

図６～図９に示す特性によれば、固有振動数については５０％加振後に大きな変化が見られるが、２５％以下の加振後にには大きな変化は見られない。一方、固有モード形（振動増幅率）については、２５％の加振後であっても、５０％加振後と同等の変化がみられる場合がある。したがって、本実施形態によれば、振動変化率（モード値）に応じた評価を行うことができるので、適切に基準値を設定することで、固有振動数の変化のみに基づく劣化診断では診断することができない比較的大きくはない劣化を診断することができることが分かる。すなわち、本実施形態によれば、固有振動数（あるいは固有周期）の変化のみに基づいて診断する場合と比較して、構造物の劣化を劣化の程度の広い範囲で診断することが可能である。

次に、図１０～図１２を参照して図１に示す子器１の動作例およびＰＣ２の動作例について概略を説明する。図１０は、子器１が振動波形を計測する際の処理の流れを示すフローチャートである。図１０に示す処理は、例えば所定の時間間隔で繰り返し実行される。図１０に示す処理が開始すると、まず、判定部１２１は振動センサ１１の出力信号を入力し、振動センサ１１が検知した振動レベルを取得する（ステップＳ１０１）。次に判定部１２１は、ステップＳ１０１で取得した振動レベルと所定の計測開始閾値を比較し、振動レベルが計測開始閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。判定部１２１は、ステップＳ１０２で振動レベルが計測開始閾値より大きくないと判定した場合（ステップＳ１０２で「ＮＯ」の場合）、処理を終了する。一方、判定部１２１は、ステップＳ１０２で振動レベルが計測開始閾値より大きいと判定した場合（ステップＳ１０２で「ＹＥＳ」の場合）、所定のサンプリング周期で振動レベルを取得する（ステップＳ１０３）。次に、判定部１２１は、ステップＳ１０３で取得した振動レベルを記憶部１３に計測値１３１としてサンプリング時刻に対応するように記憶する（ステップＳ１０４）。

次に判定部１２１は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。判定部１２１は、所定時間が経過していないと判定した場合（ステップＳ１０５で「ＮＯ」の場合）、ステップＳ１０３～ステップＳ１０５の処理を繰り返し実行する。一方、判定部１２１は、ステップＳ１０２で所定時間が経過したと判定した場合（ステップＳ１０５で「ＹＥＳ」の場合）、所定の時間間隔で振動レベルを取得する（ステップＳ１０６）。次に判定部１２１は、ステップＳ１０６で取得した振動レベルと所定の計測終了閾値を比較し、振動レベルが計測終了閾値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。判定部１２１は、ステップＳ１０７で振動レベルが計測終了閾値より小さくないと判定した場合（ステップＳ１０７で「ＮＯ」の場合）、ステップＳ１０６～ステップＳ１０７の処理を繰り返し実行する。

判定部１２１がステップＳ１０７で振動レベルが計測終了閾値より小さいと判定した場合（ステップＳ１０７で「ＹＥＳ」の場合）、波形解析部１２２が記憶部１３に記憶されている所定時間分の計測値１３１に対して周波数分析処理を実行する（ステップＳ１０８）。次に波形解析部１２２は、ステップＳ１０８での周波数分析結果を記憶部１３に対して波形解析結果１３２として記憶する（ステップＳ１０９）。次に波形解析部１２２は、記憶部１３に記憶されている所定時間分の計測値１３１に基づいて減衰性に応じた値を算出する（ステップＳ１１０）。次に波形解析部１２２は、ステップＳ１１０での減衰性に応じた値の算出結果を記憶部１３に対して波形解析結果１３２として記憶する（ステップＳ１１１）。

以上の処理を実行することで子器１は計測開始閾値を越える振動レベルを検出した場合に、所定時間、所定のサンプリング周期で振動波形を取り込み、取り込んだ結果を計測値１３１として記憶部１３に記憶するとともに、記憶した振動波形に基づく周波数分析処理と減衰性に応じた値を算出する処理とを実行する。そして、子器１は、周波数分析処理結果と減衰性に応じた値の算出結果を波形解析結果１３２として記憶部１３に記憶する。その際、計測値１３１は、ステップＳ１０８の周波数分析とステップＳ１１０の減衰性に応じた値の算出が終了した後は、消去（あるいは上書き）が可能となる。

次に、図１１を参照して子器１が記憶部１３に記憶した波形解析結果１３２を通信部１４から送信する際の処理の流れについて説明する。図１１に示す処理は、例えば所定の時間間隔で繰り返し実行される。まず、子器１では処理部１２が所定の送信条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ２０１）。所定の送信条件とは、例えば記憶部１３に未送信の波形解析結果１３２が記憶されているという場合、記憶部１３に未送信の波形解析結果１３２が記憶されているととともに、データサーバ３２やクラウド３６内のサーバに対して波形解析結果１３２を送信可能な状態となった場合や、データサーバ３２やクラウド３６内のサーバから送信要求を受信した場合等である。処理部１２は、ステップＳ２０１で所定の送信条件が成立したと判定した場合（ステップＳ２０１で「ＹＥＳ」の場合）、通信部１４を制御して所定の送信先へ記憶部１３に記憶されている波形解析結果１３２を送信する（ステップＳ２０２）。ここで所定の送信先とは、データサーバ３２、クラウド３６内のサーバ、サーバ３９等である。また、その際、送信される波形解析結果１３２には、子器１の識別符号、振動波形の計測時刻等の情報が添付される。

次に、図１２を参照してＰＣ２が、子器１から送信された波形解析結果１３２に基づいて構造物の劣化を診断する際の処理の流れについて説明する。図１２に示す処理は、例えばサーバ３９が子器１から送信された新たな波形解析結果１３２を受信した場合に実行される。まず、入力部２１が、子器１から受信した新たな波形解析結果１３２をサーバ３９から入力して、記憶部２４に波形解析結果２４２として記憶し、さらに、変化率算出部２２１が、診断対象の構造物単位で記憶部２４が記憶する波形解析結果２４２を処理部２２内の図示していないワーキングメモリ等の記憶領域に読み込む（ステップＳ３０１）。次に、変化率算出部２２１が、記憶部２４が記憶する当該子器１に対応する各次数の基準値２４１を処理部２２内の図示していないワーキングメモリ等の記憶領域に読み込む（ステップＳ３０２）。次に、変化率算出部２２１が、記憶部２４が記憶する当該子器１に対応する各次数の判定値２４４を処理部２２内の図示していないワーキングメモリ等の記憶領域に読み込む（ステップＳ３０３）。

次に、変化率算出部２２１が、ステップＳ３０１で読み込んだ波形解析結果２４２に基づき所定次数の固有周期を算出する（あるいは波形解析結果２４２から所定次数の固有周期を取得する）（ステップＳ３０４）。次に、変化率算出部２２１が、ステップＳ３０４で算出した各次数の固有周期とステップＳ３０２で読み込んだ各次数の固有周期の基準値２４１とに基づいて各次数の固有周期の変化率を算出する（ステップＳ３０５）。次に、判定部２２２が、ステップＳ３０５で算出した固有周期の変化率とステップＳ３０３で読み込んだ判定値２４４を次数毎に比較する（ステップＳ３０６）。

次に、変化率算出部２２１が、ステップＳ３０１で読み込んだ波形解析結果２４２に基づき所定次数の振動増幅率を算出する（あるいは波形解析結果２４２から所定次数の振動増幅率を取得する）（ステップＳ３０７）。次に、変化率算出部２２１が、ステップＳ３０７で算出した各次数の振動増幅率とステップＳ３０２で読み込んだ各次数の振動増幅率の基準値２４１とに基づいて各次数の振動増幅率の変化率を算出する（ステップＳ３０８）。次に、判定部２２２が、ステップＳ３０８で算出した振動増幅率の変化率とステップＳ３０３で読み込んだ判定値２４４を次数毎に比較する（ステップＳ３０９）。

次に、変化率算出部２２１が、ステップＳ３０１で読み込んだ波形解析結果２４２に含まれている各次数の減衰性に応じた値とステップＳ３０２で読み込んだ各次数の減衰性に応じた値の基準値２４１とに基づいて減衰性に応じた値の変化率を算出する（ステップＳ３１０）。次に、判定部２２２が、ステップＳ３１０で算出した減衰性に応じた値の変化率とステップＳ３０３で読み込んだ判定値２４４を次数毎に比較する（ステップＳ３１１）。

次に、判定部２２２が、ステップＳ３０６、Ｓ３０９およびＳ３１１で求めた各比較結果を判定結果２４３として記憶部２４に記憶する（ステップＳ３１２）。次に、判定結果出力部２２３が、記憶した判定結果２４３を構造物単位で所定形式で出力部２３から出力する（ステップＳ３１３）。

以上のように、本実施形態では、入力部２１が、複数の子器１によって構造物の振動波形を計測し、かつ、複数の子器１によってその計測した振動波形に対して所定の波形解析処理を行った波形解析結果１３２を入力する。また、入力部２１は、入力した波形解析結果１３２を波形解析結果２４２として記憶部２４に記憶する。また、記憶部２４が、構造物の固有振動数の基準値２４１と構造物の振動増幅率の基準値２４１とを記憶する。また、変化率算出部２２１が、波形解析結果２４２に基づく構造物の固有振動数の固有振動数の基準値２４１に対する変化率を算出するとともに、波形解析結果２４２に基づく構造物の振動増幅率の振動増幅率の基準値２４１に対する変化率とを算出する。そして、判定部２２２が、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率と動増幅率の変化率とに基づき構造物の劣化の度合いを判定する。この構成によれば、構造物の劣化を劣化の程度の広い範囲で診断することができる。

また、本実施形態では、入力部２１が、複数の子器１が振動波形に基づいて算出した構造物の減衰性に応じた値を波形解析結果１３２としてさらに入力して波形解析結果２４２として記憶する。また、記憶部２４が、構造物の減衰性に応じた値の基準値２４１をさらに記憶する。また、変化率算出部２２１が、波形解析結果２４２に基づく前記構造物の減衰性に応じた値と前記減衰性に応じた値の基準値に対する変化率をさらに算出する。また、判定部２２２が、変化率算出部２２１が算出した固有振動数の変化率と振動増幅率の変化率と減衰性に応じた値の変化率とに基づき前記構造物の劣化の度合いを判定する。この構成によれば、より詳細に劣化の度合いを診断することが期待できる。

また、本実施形態では、複数の子器１が、所定のレベル以上の振動波形を検出した場合に、構造物の振動波形を所定時間計測し、かつ、その計測した振動波形に対して所定の波形解析処理を行った波形解析結果１３２を記憶部１３等（所定の記憶装置）に記憶する。この構成によれば、記憶容量や通信容量の縮小等、子器１の構成を簡素化することができる。

また、本実施形態では、複数の子器１を、構造物の固定部に設置された１台と、構造物の揺れ部に設置された１台との合計２台に限定することができる。この場合、劣化診断システム１００の簡素化を図ることができる。

長年供用されている構築物の使用者は地震あるいは強風のたびに安全性に不安を感じるのが常である。構築物の経年変化状況が簡便な方法で長期に渡り把握し続け、その劣化状況が分かることは居住者や使用者の共通の願いであろう。従来の耐震診断や被災度判定システムなどは、供用後何年か経た時に大地震に遭遇したとき、その時点での揺れ最大値と耐震設計値との比較評価であるが、本実施形態によれば、構築後から揺れを頻繁に経験し構築部に蓄えられる振動エネルギー累積損傷するという観点から、経年劣化の進行状況が評価できる動的固有値観測を容易に実現することができる。

本実施形態の適用例としては、例えば、マンション居住者に大地震後にその都度、適切な様式で診断結果を出力し、報告することができる。都内湾岸高層マンションでも地震経験の少ない外国人居住者は地震のたびに不安に駆られるというが、建物の安全性を伝えるのに役立つであろう。その他、構築物全般にわたり大地震に対する安全性の不安感が付きまとっている場合が多数ある。簡便で安価な方法により実施可能であれば、その劣化状況を見て必要な耐震改修も事前に計画的に行われるであろう。この理論構築において、本実施形態によれば、構築物本来の性能を表す固有値特性に着目することで、劣化の進捗度合いを固有値の変動具合として把握し、安全安心性の評価を行うことができる。

次に、図１３および図１４を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図１３は、本発明の他の実施形態に係る劣化診断システム１００ａの構成例を示すブロック図である。なお、図１３において図１に示した構成と同一または対応する構成には同一の符号を付けて説明を適宜省略する。また、図１４は、図１３に示す子器１の構造物への配置例を示す模式図である。

図１３に示す劣化診断システム１００ａは、複数の子器１およびＰＣ２と、車載ＰＣ４と記憶媒体５とを備える。この場合、子器１は車載ＰＣ４との間で無線通信を行い、図４に示す波形解析結果１３２を車載ＰＣ４に対して送信する。車載ＰＣ４は、自動車に搭載されているＰＣであり、子器１から波形解析結果１３２を受信し、受信した波形解析結果１３２を記憶媒体５に記憶する。記憶媒体５は、メモリカード、汎用バス仕様のメモリ等の着脱自在で書き換え可能な不揮発性記憶装置である。ＰＣ２は、図５に示す入力部２１に記憶媒体５を接続し、記憶媒体５に記憶されている波形解析結果１３２を入力し、波形解析結果２４２として記憶部２４に記憶する。子器１およびＰＣ２の他の構成および動作は図１～図１２を参照して説明した上記実施形態と同一である。

図１３に示す劣化診断システム１００ａは、例えば子器１を図１４に示すような高架道路６の防音壁等の構造物に設置して劣化診断を行うのに適した構成を有している。この場合、高架道路６の橋脚６１上の道路壁６２に１台の子器１ｓが設置され、防音壁６３の上部にもう１台の子器１ｔが設置されている。子器１ｓおよび子器１ｔは図１および図４に示す子器１に対応する。また、子器１ｓおよび子器１ｔからの波形解析結果１３２の収集は、自動車８に搭載されている車載ＰＣ４を用いて無線接続にて行うことができる。

本実施形態においても図１等を参照して説明した上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明の実施の形態は上記のものに限定されない。例えば、地震、台風等の後、対象建物等に出かけて人手でデータを回収する方法を採用あるいは併用することもできる。この場合、例えば、大きな振動を記録した後、技術員が現場に出かけてデータ回収する。原始的方法ではあるが、対象構造物によってはシステム経費削減に寄与し取り扱いやすい場合がある。また、上記各実施形態において、同一の構造物あるいは同一の構造物の一定の領域内に設置された複数の子器１について、複数の判定部１２１のいずれかが振動波形の記録開始を判定した場合に、すべての子器１で振動波形の記録を開始するようにしてもよい。また、各子器１に各子器１間で時刻合わせ可能な時計機能を設けることで、各子器１における振動波形の計測を同期させるようにしてもよい。

１００、１００a 劣化診断システム
１、１ａ、１ｂ、１ｇ、１ｈ、１ｓ、１ｔ 子器
１１ 振動センサ
１２ 処理部
１２１ 判定部
１２２ 波形解析部
１３ 記憶部
１３２ 波形解析結果
２ ＰＣ
２２ 処理部
２２１ 変化率算出部
２２２ 判定部
２２３ 判定結果出力部
２４ 記憶部
２４１ 基準値
２４２ 波形解析結果
２４３ 判定結果
２４４ 判定値
４ 車載ＰＣ
５ 記憶媒体

Claims (5)

1. 構造物へ設置される複数の子器と劣化診断装置とを備えた劣化診断システムであって、
   前記子器は、振動センサと、第１処理部と、第１記憶部と、通信部とを有し、
   前記振動センサは、前記構造物の振動の振動レベルを検知し、検知結果の振動レベルを示す出力信号として出力し、
   前記第１処理部は、
   前記振動センサからの前記出力信号に基づき、所定のレベル以上の振動波形が検出されたか否かを判定し、所定のレベル以上の振動波形が検知されたと判断した場合に、前記出力信号を所定のサンプリング周期で繰り返し取り込み、取り込んだ前記出力信号を計測値として前記第１記憶部に記憶する第１判定部と、
   前記第１記憶部に記憶された前記計測値を所定の波形解析処理を行い、前記波形解析処理により得られた波形解析結果を前記第１記憶部に記憶する波形処理部と
   を有し、
   前記劣化診断装置は、入力部と、第２処理部と、出力部と、第２記憶部とを有し、
   前記入力部は、前記子器の前記通信部から送信された前記波形解析結果を受信し、受信した前記波形解析結果を前記第２記憶部に記憶し、
   前記第２処理部は、
   前記第２記憶部に記憶されている前記波形解析結果と基準値とを参照して、前記基準値からの前記波形解析結果の変化率を算出する変化率算出部と、
   前記変化率と前記第２記憶部に記憶されている判定値とを比較して、前記構造物の劣化度を判定する第２判定部と、
   前記第２判定部による判定結果を出力する判定結果出力部と
   を有し、
   前記変化率算出部は、前記波形解析結果に基づく前記構造物の固有振動数と、前記固有振動数の前記基準値における第１基準値とにより前記変化率として第１変化率を算出するとともに、前記波形解析結果に基づく前記構造物の振動増幅率と、前記振動増幅率の前記基準値における第２基準値とにより前記変化率として第２変化率を算出し、
   前記第２判定部は、前記第１変化率及び前記第２変化率に基づいて前記構造物の劣化の度合を判定し、
   前記基準値を健全状態に応じた値である初期値として、１次の固有モードと当該初期値とを比較するとともに、２次の固有モードと前記基準値とを比較することで、目視での微細なひび割れが進行している状況の構造物の劣化の度合いを判定する、
   構造物劣化診断システム。
2. 前記子器は、
   前記第１判定部に前記出力信号を前記サンプリング周期で取り込んだ前記出力信号を前記第１記憶部に記憶する自動計測を開始する計測トリガーを備えており、前記構造物の前記振動レベルが前記所定のレベル以上となった場合に前記自動計測を開始し、一定時間経過後に前記自動計測を終了するようにされた、
   請求項１に記載の構造物劣化診断システム。
3. 前記子器は、インターネットを介してクラウドに構築されたデータサーバに接続され、
   前記劣化診断装置は、前記インターネットを介して前記データサーバから前記波形解析結果を受信する、
   請求項１または請求項２に記載の構造物劣化診断システム。
4. 前記子器は、前記構造物である高架道路の構造物に設置された、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載の構造物劣化診断システム。
5. 前記子器は、前記高架道路の橋脚上の道路壁と防音壁の上部とに設置された、請求項４に記載の構造物劣化診断システム。

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