JP7124701B2 - 判定装置、判定システム、判定方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、判定装置、判定方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体に関する。

建物や橋梁等の構造物の状態を分析するための様々な技術が開発されている。一例として、構造物に関する振動特性を解析することで、構造物の損傷が検出されている。

特許文献１には、コンクリート建物等の健全性判定方法が記載されている。特許文献１に記載の健全性判定方法は、まず、コンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求める。そして、特許文献１に記載の手法は、コンクリート建物の内外温度差が増大するときに固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定する。

特開２００８－８８１０号公報

構造物の状態の分析においては、構造物の局所的な損傷の検出が必要となる場合がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、構造物の局所的な損傷の検出が困難となる場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、構造物の局所的な損傷の有無を判定可能な判定装置等を提供することを主たる目的とする。

本発明の一態様における判定装置は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定手段と、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する位相差特定手段と、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する判定手段とを備える。

また、本発明の一態様における判定方法は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定し、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定し、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。

また、本発明の一態様におけるコンピュータ読み取り可能記録媒体は、コンピュータに、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する処理と、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する処理と、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する処理とを実行させるプログラムを非一時的に格納する。

本発明によると、構造物の局所的な損傷の有無を判定可能な判定装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における判定装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置を含む判定システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置が対象とする減衰自由振動の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１における供試体の例を示す図である。 本発明の実施例１における位相差及び卓越周波数の変化率の例を示す図である。 本発明の実施例２における供試体の例を示す図である。 本発明の実施例１における位相差及び卓越周波数の変化率の例を示す図である。 本発明の実施形態における判定装置等を実現する情報処理装置の例を示す図である。

本発明の各実施形態について、添付の図面を参照して説明する。本発明の各実施形態において、各装置（システム）の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。各装置（システム）の各構成要素の一部又は全部は、例えば図９に示すような情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現される。情報処理装置５００は、一例として、以下のような構成を含む。

・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０１
・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５０２
・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５０３
・ＲＡＭ５０３にロードされるプログラム５０４
・プログラム５０４を格納する記憶装置５０５
・記録媒体５０６の読み書きを行うドライブ装置５０７
・通信ネットワーク５０９と接続する通信インターフェース５０８
・データの入出力を行う入出力インターフェース５１０
・各構成要素を接続するバス５１１
各実施形態における各装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム５０４をＣＰＵ５０１が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム５０４は、例えば、予め記憶装置５０５やＲＡＭ５０３に格納されており、必要に応じてＣＰＵ５０１が読み出す。なお、プログラム５０４は、通信ネットワーク５０９を介してＣＰＵ５０１に供給されてもよいし、予め記録媒体５０６に格納されており、ドライブ装置５０７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ５０１に供給してもよい。

各装置の実現方法には、様々な変形例がある。例えば、各装置は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。

また、各装置の各構成要素の一部又は全部は、プロセッサ等を含む汎用または専用の回路や、これらの組み合わせによって実現される。これらは、単一のチップ によって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。

各装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、クライアントアンドサーバシステム、クラウドコンピューティングシステム等、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における判定装置を示す図である。

図１に示すとおり、本発明の第１の実施形態における判定装置１００は、卓越周波数特定部１１０と、位相差特定部１２０と、判定部１３０とを備える。卓越周波数特定部１１０は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する。位相差特定部１２０は、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する。判定部１３０は、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。

なお、本実施形態においては、構造物の損傷には、例えば、構造物に生じたき裂や腐食、構造物を構成する複数の部位が結合する部分に生じた隙間等の結合が不十分となる事象が含まれる。ただし、構造物の損傷は、上述の例に限られず、その他の構造物の性能に影響を及ぼしうる事象が構造物の損傷として扱われてもよい。

また、図２に示すように、本発明の第１の実施形態における判定装置１００を有する判定システム１０が構成される。判定システム１０は、判定装置１００と、複数の検知部１０１を有する。検知部１０１は、対象物の振動を検知する。

図２に示す例では、検知部１０１として、検知部１０１－１から１０１－ＮまでのＮ個（Ｎは２以上の自然数）の検知部１０１が記載されているが、検知部１０１の数は特に制限されない。判定の対象となる構造物等に応じて、必要となる検知部１０１の数や配置箇所等が適宜定められる。検知部１０１は、例えば一般的な振動センサによって実現される。検知部１０１は、接着剤、永久磁石、機械的な接合等によって、判定装置１００による判定の対象となる構造物へ取り付けられる。

また、判定装置１００と検知部１０１とは、例えば無線又は有線の通信ネットワーク等を介して接続される。なお、判定装置１００と検知部１０１とを接続する手段は特に限定されない。判定装置１００は、他の手段によって検知部１０１にて検知された振動を示す情報を取得して用いてもよい。そして、図２に示す例では、判定装置１００は、複数の検知部１０１の各々によって検知された振動を示す情報に基づいて判定を行う。

続いて、本実施形態における判定装置１００の構成要素について説明する。

卓越周波数特定部１１０は、上述のように、複数の地点の各々における振動について、それぞれの卓越周波数を特定する。複数の地点の各々における振動を示す情報は、例えば構造物に取り付けられた複数の検知部１０１の各々が振動を検知することで得られる。

卓越周波数特定部１１０は、主に、検知された振動を示す情報に含まれる構造物の振動応答の一つである減衰自由振動に着目して、卓越周波数を特定する。図３は、減衰自由振動の例を示す。図３においては、振動の加速度に関する時間的な変化のうち、矢印にて示されている部位が減衰自由振動を表す。すなわち、減衰自由振動は、外部からの加振がなされず、かつ、加速度の振幅が時間に応じて小さくなる振動である。減衰自由振動となる振動は、例えば、振動の加速度を示す時刻歴波形の包絡線の形状に基づいて求められる。

また、卓越周波数は、振動に含まれる主要な周波数成分を示す。本実施形態においては、後述のように、卓越周波数は、主に振動の振幅が最大となる周波数成分を示す。

一般に、構造物に生じる減衰自由振動では、構造物の動特性に応じた固有振動が卓越する。そのため、卓越周波数特定部１１０で特定される卓越周波数は、一般に、判定の対象となる構造物の固有振動と概ね一致する。このことから、卓越周波数での振動の挙動は、当該構造物の動特性と概ね一致する。したがって、上述した卓越周波数に着目することで、構造物の動特性が把握可能となる。

また、構造物に損傷等が生じた場合には、構造物の動特性は変化する。すなわち、この場合には、卓越周波数が変化しうる。そのため、例えば構造物の卓越周波数を継続して特定することで、構造物の損傷等が検出可能となる。

卓越周波数特定部１１０は、減衰自由振動に含まれる周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定する。検知部１０１等によって得られた振動を示す情報は、一般に振動の時間的な変化を示す。この場合に、卓越周波数特定部１１０は、例えば、振動の時間的な変化を周波数成分へ変換し、周波数毎の振幅に基づいて卓越周波数を特定する。

卓越周波数特定部１１０は、例えば離散フーリエ変換や高速フーリエ変換等によって振動の時間的な変化を周波数成分変換する。また、卓越周波数特定部１１０は、自己回帰モデルなどを用いることで検知された振動を示す情報にて表される減衰自由振動をモデル化し、当該モデルの周波数特性に基づいて卓越周波数を取得してもよい。そして、卓越周波数特定部１１０は、上述のように、例えば振幅が最も大きな周波数を卓越周波数として特定する。

位相差特定部１２０は、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する。位相差特定部１２０は、より詳しくは、構造物における複数の地点のうち、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。

なお、本実施形態においては、判定システム１０の検知部１０１が構造物の３つ以上の地点に設置されている等、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合が想定される。この場合には、位相差特定部１２０は、当該３つ以上の地点のうち、選択された２つの地点の組の少なくとも一つに関して位相差を特定する。この場合に、各々の組に含まれる２つの地点は、隣接する地点であることが好ましい。

上述のように、構造物の固有振動数は、構造物に生じた損傷等に応じて変化する場合がある。したがって、例えば卓越周波数の変化を検出する等、構造物の固有振動数の変化に基づいて、構造物の損傷の有無等の構造物の状態が判定可能となる場合がある。

しかしながら、構造物の固有振動数の変化に基づいて構造物の損傷に関する判定を行う手法では、構造物の損傷の有無等の判定が困難な場合がある。構造物の固有振動数の変化に基づく損傷の有無等の判定が困難な場合には、構造物に局所的な損傷が生じた場合が含まれる。構造物に局所的な損傷が生じる場合としては、例えば、２つ以上の部材が結合する部分である結合部分に損傷が生じる場合がある。

構造物には、２つ以上の部材が結合されて構成される場合がある。例えば、構造物が橋梁である場合には、床板と主桁とが結合されて構成される。このような構成を含む構造物においては、部材が結合する結合部分に力が集中する。したがって、結合部分には、局所的な損傷が生じる場合がある。そして、結合部分に損傷が生じると、結合部分の剛性が低下し、当該結合部分を含む構造物の固有振動数が変化する。

しかしながら、結合部分における損傷のような局所的な損傷が生じた場合には、構造物に大きな損傷が生じる場合と比較して、固有振動数の変化は相対的に小さい場合がある。したがって、構造物の固有振動数の変化に基づいて構造物の損傷に関する判定を行う手法では、構造物の損傷の有無等の判定が困難な場合がある。

これに対して、結合部分に損傷が生じた場合には、結合される部材の間の拘束が低下する。すなわち、結合される部材の間の機械的な結合条件が変化する。この変化の結果として、結合部分を含む振動応答に変化が生じる。例えば、結合部分を間に挟む構成部材の各々において、卓越周波数での振動の位相がそれぞれ変化する。すなわち、結合部分を間に挟む構成部材の各々における卓越周波数での振動の位相差が変化する。

そこで、本実施形態においては、位相差特定部１２０は、構造物における複数の地点のうち、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。位相差が特定されることで、後述する判定部１３０において、当該２つの地点の間の地点における損傷の損傷についての判定が可能となる。

そして、２つの地点の間に上述した結合部分が存在するように（すなわち、２つの地点の位置が結合部分を間に挟むように）２つの地点の位置が定められることで、結合部分における損傷の有無等の損傷についての判定が可能となる。一例として、構造物が橋梁である場合には、複数の検知部１０１のうちの１つが床板に設けられ、複数の検知部１０１のうちの他の１つが主桁に設けられることで、床板と主桁との間の結合部分に生じた局所的な損傷が検知可能となる。

また、構造物の複数の地点のうち、位相差特定部１２０によって位相差が求められる２つの地点が隣接する地点であることで、局所的な損傷が生じた位置のより正確な特定が可能となる。

位相差特定部１２０は、様々な手順にて位相差を特定する。例えば、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動を示す情報によって表される自由減衰振動をフーリエ変換することで得た位相値の差分を求めることで、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。

また、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動の卓越周波数の帯域における時刻歴波形を用いて位相差を特定してもよい。この場合には、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動を示す情報に関してバンドパスフィルタ等により帯域制限を施すことによって、卓越周波数の帯域における時間的な変化を示す時刻歴波形を導出する。そして、位相差特定部１２０は、各々の時刻歴波形について、時刻歴波形の振幅が極大となる時刻を求め、更に当該時刻の差を求めることによって、位相差を特定する。

また、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合には、位相差特定部１２０は、当該３つ以上の地点のうち、適宜選択された２つの地点の組の各々に関して同様に位相差を特定する。

判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。判定部１３０は、構造物の２つの地点における振動の卓越周波数での位相差が構造物に損傷が生じていることを示す場合には、当該２つの地点の間の部位に損傷が生じていると判定する。

判定部１３０は、一例として、位相差特定部１２０によって求められた各々の位相差と、基準となる時期における位相差と比較することで、構造物の損傷について判定する。

例えば、判定部１３０は、位相差特定部１２０にて求められた２つの地点の位相差と、同じ地点に関して基準となる時期における位相差との変化率が予め定めた条件を満たす場合に、構造物の当該２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定する。一例として、判定部１３０は、２つの地点の位相差と、同じ地点に関して基準となる時期における位相差との変化率が閾値を超えた場合に、当該２つの地点の間の部位に損傷が生じていると判定する。この場合には、閾値は、構造物や２つの地点の構造物の位置、２つの地点の間の部位に結合部分が含まれるか否か等に応じて適宜定められる。また、位相差の絶対値ではなく、例えば基準となる時期における位相差等によって規格化された値である位相差の変化率が用いられることで、構造物の部位に応じた閾値の設定が不要になる等、閾値の設定が容易になる。

また、判定部１３０は、他の方法に基づいて構造物の損傷について判定してもよい。例えば、判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた各々の位相差のばらつきに基づいて、構造物の損傷について判定してもよい。

この場合には、例えば、対象となる２つの地点において、判定システム１０の検知部１０１等によって振動が複数回検知される。そして、検知部１０１等によって予め定められた一定の範囲の時期に得られた複数回の各々の振動を示す情報に関して、卓越周波数特定部１１０によって各々の振動に関する卓越周波数が特定される。また、特定された卓越周波数等に基づいて、位相差特定部１２０にて各々の位相差が求められる。

そして、判定部１３０は、上述のように得られた振動に関する複数の位相差のばらつきに基づいて、構造物の損傷について判定する。一例として、判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた複数の位相差のばらつきと、基準となる時期における複数の位相差のばらつきとの変化率に基づいて、構造物の２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定する。また、判定部１３０は、複数の位相差のばらつきが閾値を超える等の予め定めた条件を満たす場合に、構造物の当該２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定してもよい。

なお、判定部１３０は、上述した複数の手法を必要に応じて適宜組み合わせて構造物の損傷について判定してもよい。

続いて、図４に示すフローチャートを用いて、本発明の第１の実施形態における判定装置１００の動作を説明する。

最初に、卓越周波数特定部１１０は、卓越周波数を特定する（ステップＳ１０１）。卓越周波数特定部１１０は、構造物の複数の地点の各々における振動のそれぞれに対して卓越周波数を特定する。構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報として、卓越周波数特定部１１０は、例えば判定システム１０の検知部１０１が検知した振動を示す情報を取得して用いる。

次に、位相差特定部１２０は、振動を示す情報及びステップＳ１０１にて求められた卓越周波数に基づいて、構造物の２つの地点における振動の位相差を特定する（ステップＳ１０２）。なお、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合には、位相差特定部１２０は、一例として、当該３つ以上の地点のうち、複数の２つの地点の組の各々に関して位相差を順次特定する。

次に、判定部１３０は、ステップＳ１０２にて特定された位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する（ステップＳ１０３）。判定部１３０は、例えば構造物における２つの地点の位相差の変化率又はばらつき等が予め定めた閾値を超えた場合等に、構造物における当該２つの地点の間の地点に損傷が生じていると判定する。また、ステップＳ１０２において、構造物の複数の２つの地点に関して位相差が求められている場合には、判定部１３０は、複数の２つの地点の各々に関して損傷についての判定を行ってもよい。

以上のとおり、本発明の第１の実施形態における判定装置１００は、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差に基づいて、構造物の損傷についての判定を行う。より詳しくは、本実施形態における判定装置では、構造物の２つの地点において検知された振動について、卓越周波数特定部１１０にて特定された卓越周波数における位相差が位相差特定部１２０にて特定される。そして、特定された位相差に基づいて、判定部１３０が構造物の損傷について判定する。

構造物の固有振動数は、構造物に損傷が生じた場合に変化しうる。しかしながら、構造物に生じた損傷が局所的な損傷である場合には、構造物の固有振動数の変化が小さい場合がある。したがって、構造物の固有振動数に基づいて構造物の損傷の判定が行われる場合には、構造物の局所的な損傷が検出されない可能性がある。

これに対して、構造物に局所的な損傷が生じた場合には、損傷が生じた部位の周囲の地点における振動の位相差に変化が生じる場合がある。すなわち、振動の位相差に着目することで、構造物の局所的な損傷が検出できる場合がある。

本実施形態における判定装置１００では、構造物の損傷についての判定に際して、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差が用いられる。したがって、本実施形態における判定装置１００は、構造物の局所的な損傷の有無等、構造物の局所的な損傷についての判定を可能にする。

（実施例１）
次に、本発明の第１の実施形態における判定装置１００及び判定システム１０を、対象物における局所的な損傷の有無の判定に適用した場合の例について説明する。

最初の実施例においては、判定システム１０は、コンクリートブロックを対象として、コンクリートブロックに生じた損傷の有無の判定を行った。具体的には、供試体であるコンクリートブロックの表面に擬似的な損傷としてき裂が形成された。そして、き裂の形成の前後における振動に基づいて、判定システム１０によって損傷についての判定が行われた。

図５は、損傷についての判定の対象となるコンクリートブロックの例を示す。本実施例においては、供試体として、矩形状のコンクリートブロック１８０が用いられた。コンクリートブロック１８０の一つの面には、検知部１０１－１から１０１－５までの５つの検知部１０１が取り付けられた。各々の検知部１０１としては、振動センサが用いられた。検知部１０１として用いられた振動センサは、圧電型であり、信号増幅回路が内蔵された電圧出力タイプである。検知部１０１－１と１０１－２との間には、き裂１８１が形成された。

そして、き裂１８１が形成される前と後とのそれぞれの場合において、ハンマ１９０を用いたハンマリングによってコンクリートブロック１８０が加振された。各々の場合において、加振によって生じた振動を検知部１０１－１から１０１－５の各々が検知した。

判定装置１００は、検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報に基づいて、コンクリートブロック１８０の損傷について判定した。

まず、卓越周波数特定部１１０は、き裂１８１が形成される前と後との各々における振動を示す情報をフーリエ変換することでフーリエスペクトルを求めた。そして、卓越周波数特定部１１０は、き裂１８１が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルにおいて振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定した。

き裂１８１が形成される前の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。

また、き裂１８１が形成される後の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。

続いて、位相差特定部１２０は、上述したき裂１８１が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルの卓越周波数における位相の値を位相量として、位相量の差を位相差としてそれぞれ求めた。本実施例においては、位相差特定部１２０は、検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相量の差を位相差として特定した。検知部１０１－１及び１０１－２は、き裂１８１が形成された箇所に近接する２つの検知部である。

続いて、判定部１３０は、き裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を求めて損傷についての判定を行った。検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率は、以下の（１）式を用いて求められた。なお、（１）式において、ΔΦ_１はき裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を表す。また、Φ_{１ｂｅｆｏｒｅ}は、き裂１８１が形成される前における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。Φ_{１ａｆｔｅｒ}は、き裂１８１が形成された後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。

なお、比較のため、（２）式を用いて検知部１０１－１において検知された振動卓越周波数の変化率が求められた。なお、（２）式において、ΔＦ_１はき裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数の変化率を表す。また、Ｆ_{１ｂｅｆｏｒｅ}は、き裂１８１が形成される前に検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数を表す。Ｆ_{１ａｆｔｅｒ}は、き裂１８１が形成された後に検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数を表す。なお、本実施例においては、上述のように、き裂１８１が形成される前後のそれぞれの時点において、検知部１０１－１から１０１－５の各々にて検知された振動の卓越周波数は共通であった。

図６は、上述した位相差の変化率ΔΦ_１及び卓越周波数の変化率ΔＦ_１を示す。位相差の変化率ΔΦ_１は－２０％（パーセント）であった。一方、卓越周波数の変化率ΔＦ_１は、－５％であった。つまり、変化率ΔＦ_１に対するΔΦ_１の変化率は４倍であった。卓越周波数での位相差の変化率は、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きな変化率であった。

本実施例においては、供試体であるコンクリートブロック１８０にき裂１８１が形成されることによって、コンクリートブロック１８０の剛性が低下し、結果としてコンクリートブロック１８０の固有振動数が低下したと考えられる。そして、固有振動数に対応する卓越周波数が、コンクリートブロック１８０の固有振動数の低下に併せて低下したと考えられる。また、検知部１０１－１と１０１－２との間にき裂１８１が形成されたことで、コンクリートブロック１８０における検知部１０１－１との１０１－２との間の部位の剛性が低下したと考えられる。この結果として、検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差が増加したと考えられる。そして、き裂１８１が局所的であったため、上述した卓越周波数での位相差の変化率が、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きくなったと考えられる。

本実施例にて示されるように、構造物の局所的な損傷に対しては、２つの検知部１０１にて検知された振動の卓越周波数での位相差は、卓越周波数と比較して顕著に変化している。したがって、例えば判定部１３０にて用いられる閾値が適宜設定されることで、卓越周波数（すなわち、構造物の固有振動数）の変化率に基づく手法では判定が困難な場合においても、判定装置１００等は、損傷の発生の判定が可能であることが確認された。

（実施例２）
次に、本発明の第１の実施形態における判定装置１００及び判定システム１０を、対象物における損傷の有無の判定に適用した場合の別の例について説明する。

本実施例においては、判定システム１０は、金属板が接着されたコンクリートブロックを対象として、金属板とコンクリートブロックとの接合部分への損傷の有無についての判定を行った。具体的には、金属板が接着されたコンクリートブロックにおける金属板とコンクリートブロックとの接合部分に、擬似的な損傷として隙間が形成された。そして、隙間の形成の前後における振動に基づいて、判定システム１０によって損傷についての判定が行われた。

図７は、損傷についての判定の対象となるコンクリートブロックの例を示す。本実施例においては、供試体として、矩形状のコンクリートブロック１８０及び矩形状の金属板１８２が用いられた。コンクリートブロック１８０の一つの面に、金属板１８２が接着剤によって接着された。金属板１８２とコンクリートブロック１８０とは、各々の接着される面において中心となる点が共通となるように接着された。

また、コンクリートブロック１８０の金属板１８２が接着された面には、検知部１０１－１から１０１－５までの５つの検知部１０１が取り付けられた。検知部１０１と、実施例１と同様の振動センサが用いられた。なお、検知部１０１－３は、金属板１８２に取り付けられた。そして、コンクリートブロック１８０と金属板１８２との接合部分には、各々が接着する方向とは反対の方向へ引っ張り荷重を加えることで隙間１８３が形成された。なお、隙間１８３は、金属板１８２とコンクリートブロック１８０との接合部分のうち、検知部１０１－２と１０１－３との間の部位に形成された。

そして、隙間１８３が形成される前と後とのそれぞれの場合において、ハンマ１９０を用いたハンマリングによってコンクリートブロック１８０が加振された。各々の場合において、加振によって生じた振動を検知部１０１－１から１０１－５の各々が検知した。

判定装置１００は、検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報に基づいて、金属板１８２とコンクリートブロック１８０との接合部分の損傷について判定した。まず、卓越周波数特定部１１０は、隙間１８３が形成される前と後との各々の振動を示す情報をフーリエ変換することでフーリエスペクトルを求めた。そして、卓越周波数特定部１１０は、隙間１８３が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルにおいて振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定した。

実施例１と同様に、隙間１８３が形成される前の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。

また、隙間１８３が形成される後の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。

続いて、位相差特定部１２０は、上述した隙間１８３が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルの卓越周波数における位相の値を位相量として、位相量の差を位相差としてそれぞれ求めた。本実施例においては、位相差特定部１２０は、検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相量の差を位相差として特定した。検知部１０１－２及び１０１－３は、隙間１８３が形成された箇所に近接する２つの検知部である。

続いて、判定部１３０は、実施例１と同様に、隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を求めることで、結合部分の損傷についての判定を行った。検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率は、以下の（３）式を用いて求められた。なお、（３）式において、ΔΦ_２は隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を表す。また、Φ_{２ｂｅｆｏｒｅ}は、隙間１８３が形成される前における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。Φ_{２ａｆｔｅｒ}は、隙間１８３が形成された後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。

なお、本実施例においても、比較のため、（４）式を用いて検知部１０１－２において検知された振動卓越周波数の変化率が求められた。なお、（４）式において、ΔＦ_２は隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数の変化率を表す。また、Ｆ_{２ｂｅｆｏｒｅ}は、隙間１８３が形成される前に検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数を表す。Ｆ_{２ａｆｔｅｒ}は、隙間１８３が形成された後に検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数を表す。なお、本実施例においては、上述のように、隙間１８３が形成される前後のそれぞれの時点において、検知部１０１－１から１０１－５の各々にて検知された振動の卓越周波数は共通であった。

図８は、上述した位相差の変化率ΔΦ_２及び卓越周波数の変化率ΔＦ_２を示す。位相差の変化率ΔΦ_２は－３０％であった。一方、卓越周波数の変化率ΔＦ_２は、－５％であった。すなわち、変化率ΔＦ_２に対するΔΦ_２の変化率は６倍であった。本実施例においても、実施例１と同様に、卓越周波数での位相差の変化率は、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きな変化率であった。

本実施例においては、コンクリートブロック１８０と金属板１８２との接合部分に隙間１８３が形成されることによって、コンクリートブロック１８０と金属板１８２とから構成される供試体の剛性が低下したと考えられる。この結果として、供試体の固有振動数が低下したと考えられる。そして、固有振動数に対応する卓越周波数が、供試体の固有振動数の低下に併せて低下したと考えられる。また、隙間１８３が検知部１０１－２と１０１－３との間の部位に形成されたことで、供試体における検知部１０１－２との１０１－３との間の部位の機械特性が低下したと考えられる。この結果として、検知部１０２－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差が増加したと考えられる。そして、隙間１８３が局所的であったため、上述した卓越周波数での位相差の変化率が、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きくなったと考えられる。

本実施例においても、実施例１と同様に、構造物の結合部分における局所的な損傷に対しては、２つの検知部１０１にて検知された振動の卓越周波数での位相差は、卓越周波数と比較して顕著に変化している。したがって、判定部１３０にて用いられる閾値が適宜設定されること等で、卓越周波数の変化率に基づく手法では判定が困難な場合においても、判定装置１００等は、構造物の結合部分における損傷の発生の判定が可能であることが確認された。

以上のように、本発明の実施形態における判定装置１００により、構造物の局所的な損傷の有無が判定可能であることが確認された。

また、本実施例における位相差の変化率は、実施例１における位相差の変化率と比較して大きくなっている。すなわち、構造物の構成部材間の結合部分に局所的な損傷が生じた場合における位相差の変化率が、構造物の一つの構成部材に局所的な損傷が生じた場合における位相差の変化率と比較して大きくなっている。
すなわち、本発明の実施形態における判定装置１００は、構造物の構成部材間の結合部分に生じた局所的な損傷についての判定に利用可能であることが確認された。

以上、実施形態及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施形態における構成は、本発明のスコープを逸脱しない限りにおいて、互いに組み合わせることが可能である。

この出願は、２０１６年１０月２５日に出願された日本出願特願２０１６－２０８６６３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０ 判定システム
１００ 判定装置
１０１ 検知部
１１０ 卓越周波数特定部
１２０ 位相差特定部
１３０ 判定部
１８０ コンクリートブロック
１８１ き裂
１８２ 金属板
１８３ 隙間
１９０ ハンマ

Claims (9)

1. 構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定手段と、
   前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する位相差特定手段と、
   前記複数の地点の各々に関して、特定された前記位相差と基準となる時期における位相差との変化率に基づいて、前記構造物を構成する複数の部材の結合部分における損傷について判定する判定手段とを備え、
   前記振動を示す情報は、前記構造物を構成する複数の部材にそれぞれ設置された各検知手段によって取得される
   判定装置。
2. 前記卓越周波数特定手段は、前記振動を示す情報の各々に含まれる減衰自由振動に基づいて前記卓越周波数を特定する、請求項１に記載の判定装置。
3. 前記卓越周波数特定手段は、前記減衰自由振動に含まれる周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数を前記卓越周波数として特定する、請求項２に記載の判定装置。
4. 前記位相差特定手段は、
   前記複数の地点のうちの２つの地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の判定装置。
5. 前記判定手段は、前記２つの地点の各々の間となる地点における前記損傷について判定する、請求項４に記載の判定装置。
6. 前記判定手段は、同一の箇所に関して特定された前記位相差のばらつきに基づいて前記損傷について判定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の判定装置。
7. 振動を検知する複数の検知手段と、
   前記検知手段によって検知された振動を示す情報に基づいて、構造物を構成する複数の部材の結合部分における損傷について判定する請求項１から６のいずれか一項に記載の判定装置とを有する判定システム。
8. 構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定し、
   前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定し、
   前記複数の地点の各々に関して、特定した前記位相差と基準となる時期における位相差との変化率に基づいて、前記構造物を構成する複数の部材の結合部分における損傷について判定し、
   前記振動を示す情報は、前記構造物を構成する複数の部材にそれぞれ設置された各検知手段によって取得される
   判定方法。
9. コンピュータに、
   構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定する処理と、
   前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する処理と、
   前記複数の地点の各々に関して、特定した前記位相差と基準となる時期における位相差との変化率に基づいて、前記構造物を構成する複数の部材の結合部分における損傷について判定する処理とを実行させ、
   前記振動を示す情報は、前記構造物を構成する複数の部材にそれぞれ設置された各検知手段によって取得される
   プログラム。

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