JP7253205B2 - 構造物の診断システムおよび診断方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 １．集会名：レジリエンス、リライアビリティおよびアセットマネジメント世界会議２０１９（２０１９ ＷＯＲＬＤ ＣＯＮＧＲＥＳＳ ＯＮ ＲＥＳＩＬＩＥＮＣＥ，ＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹ ＡＮＤ ＡＳＳＥＴ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ） 開催日：令和元年７月３０日 ２．集会名：修士論文発表会 開催日：令和２年２月１７日

本発明は、構造物の診断システムおよび診断方法に関する。

橋梁等の構造物の状態を監視する技術として、構造物より発生した弾性波を検出するＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサを用いる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第６３６６８２６号

特許文献１に記載された構造物評価システムのようにＡＥセンサを用いると、ＡＥセンサは高額であるので構造物毎に設置するには非常に高額になってしまう。一方、計測のためにＡＥセンサを一時的に設置する場合、計測するたびに設置が必要となって手間がかかり、コストの増大につながってしまう。

本発明の第１の態様によると、構造物の診断システムは、構造物に設置され、前記構造物の振動量に応じて電力を発生する振動発電素子、または前記構造物の振動量を表す物理量を検出する振動検出センサを有する振動検出装置と、前記振動検出装置によって検出された前記構造物の振動量の変化に基づいて、前記構造物の健全性を診断する診断装置と、を備え、前記診断装置は、健全な状態における前記構造物の振動量に基づく第１発電量のデータを予め記憶する記憶部を有し、前記健全な状態における前記第１発電量に対する、前記振動発電素子によって検出された前記構造物の振動量に基づく、または前記振動検出センサによって検出された物理量を用いて算出される第２発電量の変化を検出することにより、前記構造物の健全性を診断し、前記振動検出装置は、複数の部分からなる前記構造物に設置されて前記複数の部分のそれぞれの振動量を検出し、前記記憶部は、健全な状態における前記構造物の前記複数の部分の振動量に基づく複数の前記第１発電量の基準値と、前記複数の第１発電量を前記基準値に変換するための補正係数とを記憶し、前記診断装置は、前記振動検出装置によって検出された前記構造物の前記複数の部分の振動量に基づく複数の前記第２発電量に、前記記憶部に記憶された前記補正係数をそれぞれ乗算して複数の第３発電量を算出し、前記記憶部に記憶された前記基準値と前記複数の第３発電量とを比較することにより、前記複数の部分のうち、どの部分が劣化しているかを診断する。
本発明の第２の態様によると、構造物の診断方法は、第１の態様による構造物の診断システムを用いて前記構造物の健全性を診断する。

本発明によれば、高額のセンサを用いずに、安いコストで構造物の健全性を診断することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態における構造物の診断システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、振動検出装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、振動発電素子の一例を示す概念図である。 図４は、診断装置の概略構成を示すブロック図である。 図５は、１径間の床版のモデルを示す図である。 図６（ａ）～（ｃ）は、床版の各パネルの振動モード１～３の例を示す図である。 図７は、構造物の診断方法の流れを説明するフローチャートである。 図８（ａ）～（ｃ）は、健全な状態の床版のパネルＰ１～Ｐ６に対し、パネルＰ１、Ｐ２，Ｐ３がそれぞれ劣化した場合の発電電力のグラフを示す図である。 図９は、健全な状態の床版のパネルＰ１～Ｐ６の振動モード３による発電量比のグラフを示す図である。 図１０は、健全な状態の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量比、基準値、補正係数を示す表である。 図１１（ａ）、（ｂ）は、パネルＰ１が劣化した場合の発電量比のグラフと、補正係数を用いて補正した補正後の発電量比のグラフを示す図である。 図１２は、第２の実施の形態における振動検出装置の概略構成を示すブロック図である。

本発明の一実施の形態による構造物の診断システムおよび診断方法は、橋梁等の構造物の振動量（例えば、振幅や振動のエネルギー）が構造物自体の劣化によって変化することを利用し、振動量の変化に基づいて構造物が健全であるか劣化しているかといった構造物の健全性を診断するものである。換言すると、時間経過とともに現れる構造物の材料特性の変化や構造条件としての境界条件の変化を振動量の変化として検出し、その検出結果に基づいて診断を行う。

構造物が健全であるとは、構造物の機能に支障が生じていない状態をいう。したがって、建設したばかりの新しい構造物だけでなく、建設してからある程度の時間が経過した既存の構造物であっても機能に支障が生じていないものは健全な構造物といえる。構造物が劣化しているとは、構造物の構成部材であるコンクリートのひび割れ、鉄筋やＰＣ鋼材等の亀裂、ボルトの変形やさび、等の損傷が発生し、構造物の機能に支障が生じている、または生じる可能性がある状態をいう。

なお、構造物は橋梁に限定されず、道路標識、照明施設等の道路の附属物など、健全性の変化により振動量が変化し得るあらゆる構造物が含まれる。以下に、本発明の各実施の形態における構造物の診断システムおよび診断方法について図面を参照して詳細に説明する。

－第１の実施の形態－
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態における構造物の診断システムの概略構成を示すブロック図である。構造物の診断システム１は、橋梁等の構造物に設置され、構造物の振動量を検出する振動検出装置１０と、振動検出装置１０の検出結果に基づいて構造物の健全性を診断する診断装置２０とを備えている。

図２は、振動検出装置１０の概略構成を示すブロック図である。振動検出装置１０は、振動を利用して発電を行う振動発電素子１１と、電源回路１２と、無線回路１３とを備えている。振動発電素子１１は、振動発電素子１１が設置された橋梁等の構造物の振動のエネルギーを採取して電力を得ることができる。電源回路１２は振動発電素子１１により発電された交流を直流に変換する変換部、コンデンサやバッテリ等の蓄電部等を備え、振動発電素子１１で発電された電力を無線回路１３に供給する。

振動発電素子１１は、構造物の振動量に応じた電力を発電することから、構造物の振動量を検出する振動検出センサとしても機能する。振動検出装置１０は、構造物の振動量に応じて発電した振動発電素子１１の発電量（電圧、電力）のデータを、振動発電素子１１により発電された電力を利用して無線回路１３を介して診断装置２０に送信するように構成されている。

図３は、振動発電素子１１の一例を示す概念図である。振動発電素子１１は、面外振動するカンチレバー型の振動発電素子であり、振動を電気に変換する部分にエレクトレット膜を用いた静電方式である。ベース部２００には、可動櫛歯電極２０１と固定櫛歯電極２０２とが形成されている。可動櫛歯電極２０１および固定櫛歯電極２０２の少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されている。可動櫛歯電極２０１は弾性変形するカンチレバー２０３を介してベース部２００に固定されている。

振動発電素子１１に外部から振動が加わるとカンチレバー２０３がｚ方向に撓み、可動櫛歯電極２０１が固定櫛歯電極２０２に対して振動し、電力が発生する。振動発電素子１１の共振周波数は、例えばカンチレバー２０３のバネ定数を調整することで所望の値に設定することができる。可動櫛歯電極２０１および固定櫛歯電極２０２は、配線２０４ａ，２０４ｂにより電源回路１２に接続される。

図４は、診断装置２０の概略構成を示すブロック図である。診断装置２０は、振動検出装置１０の無線回路１３からインターネットや専用回線等を介して発電量（第２発電量）のデータが入力される入力部２１と、予め健全な状態における構造物の振動量に基づく発電量（第１発電量）のデータが記憶された記憶部２２と、構造物の健全性を診断する診断部２３とを備えている。記憶部２２は、半導体メモリやハードディスク等の記憶装置により構成されている。診断部２３は、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有し、予め格納された診断プログラムを実行することにより健全性の診断を行うように構成されている。診断部２３は、入力部２１に入力された発電量と、記憶部２２に記憶された健全な状態の構造物の発電量とに基づいて、後述するように構造物の健全性を診断する。

診断システム１は、振動検出装置１０によって振動量検出し、診断装置２０によって振動量の変化に基づいて構造物が健全な状態であるか劣化しているかを診断する。本発明の第１の実施の形態においては、構造物の一例として橋梁の振動量の変化を検出し、その健全性を診断する。具体的には、交通などによる荷重が直接かかる橋梁の床版に振動検出装置１０を設置し、床版の振動量を検出することで健全性を判定する。なお、橋梁は、河川、渓谷、運河などの上に架け渡されたものだけでなく、鉄道線路、道路などの上に架け渡された構造物も含む。

ここでは、床版が複数の部分（パネル）から構成されていると想定し、図５に示す１径間の床版のモデルを用いて構造物の診断方法を説明する。６枚のコンクリート製のパネルＰ１～Ｐ６が並列に配置された構造を、床版の１径間（１つのユニット）とする。図６（ａ）～（ｃ）は、床版の各パネルの振動モード１～３の例を示す図であり、図６（ａ）に示す振動モード１は１次の曲げ、図６（ｂ）に示す振動モード２は１次のねじり、図６（ｃ）に示す振動モード３は２次の曲げに相当する。図６（ａ）～（ｃ）に示すように、実際の橋梁では床版の各パネルはさまざまなモードが組み合わさって振動するが、ここでは、振動数が高いため環境振動として最もエネルギー効率が高いと考えられる図６（ｃ）の振動モード３に着目する。

健全な状態、すなわち劣化していない状態のパネルＰ１～Ｐ６の固有振動数（共振周波数）は、各パネルＰ１～Ｐ６を振動モード３で振動させ、類型化等によりモデル化を行うことで予め規定しておく。

床版のパネルＰ１～Ｐ６にはそれぞれ振動検出装置１０が設置される。各振動検出装置１０は、その共振周波数が、予め規定された健全な状態の床版のパネルＰ１～Ｐ６の固有振動数（共振周波数）に概ね合致するように、調整される。なお、構造物の固有振動数は、通常、構造物の劣化により変動するので、各振動検出装置１０共振周波数は、あまり狭帯域化されたものではなく、健全な状態および劣化した状態のパネルＰ１～Ｐ６の共振周波数に対応する広帯域の特性を有するものでよい。調整後の振動検出装置１０を用いて健全な状態の各パネルＰ１～Ｐ６の振動モード３における振動量を検出した場合の、振動検出装置１０の発電量のデータは、健全な状態の発電量として、診断装置２０の記憶部２２に記憶される。

建設してからある程度の時間が経過した既存の橋梁であって、機能に支障がないと考えられるものに対しては、床版の各パネルに振動検出装置１０を実際に設置して、上記モデルと同様に振動モード３における振動量を検出する。そして、振動検出装置１０から得られた発電量のデータを健全な状態の発電量として、診断装置２０の記憶部２２に記憶する。

以下に、第１の実施の形態における構造物の診断方法について、図７のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１０では、床版の各パネルＰ１～Ｐ６に設置された振動検出装置１０によって振動モード３における各パネルＰ１～Ｐ６の振動量を検出する。振動検出装置１０は、振動発電素子１１によって振動量に応じた電力を発電し、発電量のデータを無線回路１３を介して診断装置２０に送信する。無線回路１３は、例えば定期的にスリープ状態から自動起動して、発電量のデータを送信してもよいし、診断装置２０からの指令に応じて発電量のデータを送信するように構成してもよい。

ステップＳ２０では、診断装置２０の診断部２３により、振動検出装置１０から送信された発電量と、記憶部２２に記憶された健全な状態の発電量とに基づいて、床版の各パネルＰ１～Ｐ６の健全性を診断する。床版のパネルＰ１～Ｐ６の振動量による発電量は、パネルの材料や構造上の境界の状態にも依存するため、パネルＰ１～Ｐ６同士の発電量のデータを直接、比較しても、どのパネルが劣化しているかを判断することは不可能である。そこで、健全な状態における床版の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量と、振動検出装置１０で検出した床版の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量とをそれぞれ比較し、健全な状態における振動量に基づく発電量に対する変化を検出することにより、どのパネルがどの程度、劣化しているかを判断する。

図８（ａ）～（ｃ）に、健全な状態の床版のパネルＰ１～Ｐ６に対し、パネルＰ１が劣化した場合の振動検出装置１０による発電電力のグラフ、パネルＰ２が劣化した場合の発電電力のグラフ、パネル３が劣化した場合の発電電力のグラフを示す。

図８（ａ）に示すように、パネルＰ１が劣化している場合は、健全な状態のパネルＰ１の発電量に対し、劣化したパネルＰ１の発電量が増加している。これは、劣化によりパネルＰ１の振動量が変化したことにより、振動発電素子１１による発電量が増加したためである。同様に、図８（ｂ）に示すように、パネルＰ２が劣化している場合は、健全な状態のパネルＰ２の発電量に対し、劣化したパネルＰ２の発電量が増加している。図８（ｃ）に示すように、パネルＰ３が劣化している場合は、健全な状態のパネルＰ３の発電量に対し、劣化したパネルＰ３の発電量が増加している。

このように、劣化前後の発電量を比較することで、パネルＰ１～パネルＰ３のいずれが劣化したかを判断することができる。また、健全な状態のパネルの発電量に対する変化量から、構造物がどの程度、劣化しているか、も推定できる。例えば、健全な状態のパネルＰ１の発電量を初期値とし、この初期値に対する、劣化したパネルＰ１の発電量の変化量が大きいほど、損傷が進行し、劣化が進んでいると推定できる。

なお、上述した第１の実施の形態においては、１つの振動発電素子１１を備える振動検出装置１０を、各パネルＰ１～Ｐ６に設置する例を説明した。ただし、これには限定されず、振動検出装置１０が複数の振動発電素子１１を有し、各パネルＰ１～Ｐ６に１つずつ振動発電素子１１を設置するように構成してもよい。この場合、電源回路１２には複数の振動発電素子１１が接続される。

以上説明した第１の実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
（１）構造物の診断システムは、橋梁等の構造物に設置され、構造物の振動量、具体的には振幅と振動数、を検出する振動検出装置１０と、振動検出装置１０によって検出された構造物の振動量の変化に基づいて、構造物の健全性を診断する診断装置２０と、を備える。構造物の振動量の変化に基づいて健全性を診断するように構成することにより、ＡＥセンサ等の高額なセンサを用いずに安いコストで診断を行うことができる。ＡＥセンサを用いて構造物の損傷位置を検出するためには、高額な装置一式とＡＥ波形の分析による高度な分析ノウハウが必要となるが、上記第１の実施の形態によれば、振動量の変化に着目することで、構造物の健全性としての損傷程度と損傷位置の検出を容易に行うことが可能となる。

（２）診断装置２０は、健全な状態における構造物の振動量に基づく第1発電量のデータを記憶する記憶部２２を有し、健全な状態における第１発電量に対する、振動検出装置１０によって検出された構造物の振動量に基づく第２発電量の変化を検出することにより、構造物の健全性を診断する。構造物の振動量は劣化によって変化するため、健全な状態の振動量に基づく発電量からの変化を検出することにより、構造物が劣化しているか否かを診断することができる。

（３）振動検出装置１０は、構造物の振動量を検出し、振動量に応じて電力を発生する振動発電素子１１を有する。振動発電素子１１で振動により発電を行うことができるので、振動検出装置１０を無給電で作動させることができる。したがって、振動検出装置１０を一旦、構造物に設置すれば、半永久的に健全性を監視することができる。

－第２の実施の形態－
上述した第１の実施の形態においては、健全な状態における床版の各パネルＰ１～Ｐ６のそれぞれの発電量と、振動検出装置１０で検出した床版の各パネルＰ１～Ｐ６の対応するいずれかの発電量のデータとを比較することにより、どのパネルが劣化しているかを判断した。これに対し、第２の実施の形態では、各パネルＰ１～Ｐ６の発電量を平均化する補正係数を利用し、どのパネルがどの程度、劣化しているかを容易に診断できるようにする。

図９に、健全な状態の床版のパネルＰ１～Ｐ６の振動モード３による発電量比のグラフを示す。ここで、発電量比は、振動検出装置１０で検出された床版の各パネルＰ１～Ｐ６の発電電力の比であり、検出された発電電力の最大値を１として正規化することにより算出される。図９に示すように、各パネルＰ１～Ｐ６の発電量はパネルの材料や構造上の理由により、健全な状態であってもそれぞれが異なる値を示す。そこで、健全な状態の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量比（第１発電量）に基づいて基準値を設定することにより、基準値を参照してパネルの健全性を判断する。

発電量を基準値に変換するための補正係数Ｉｊは、健全な状態の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量比Ｐを用いて、以下の式（１）により算出できる。

・・・（１）
図１０の表に、健全な状態の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量比、基準値、補正係数Ｉｊを示す。算出された基準値および補正係数Ｉｊは、診断装置２０の記憶部２２に記憶される。

診断部２３は、振動検出装置１０で検出した床版の各パネルＰ１～Ｐ６の発電量比（第２発電量）に、それぞれ補正係数Ｉｊを乗算し、各パネルＰ１～Ｐ６について補正後の発電量比（第３発電量）を算出する。図１１（ａ）、（ｂ）に、振動検出装置１０で検出したパネルＰ１が劣化した場合の発電量比のグラフと、補正係数Ｉｊを用いて補正した補正後の発電量比のグラフを示す。

図１１（ｂ）に示すように、劣化したパネルＰ１の補正後の発電量比が健全な状態の基準値を超えている。このように、パネルＰ１～Ｐ６の発電量の相対的な関係を発電量比として定義し、補正後の発電量比を健全な状態の基準値と比較することにより、パネルＰ１～Ｐ６のうち、パネルＰ１が劣化していることを容易に検出することができる。また、健全な状態の基準値に対する補正後の発電量比の乖離から、損傷の程度を推定することができる。すなわち、健全な状態の基準値に対して補正後の発電量比が大きいほど、パネルＰ１の損傷が進行し、劣化が進んでいると判断できる。

以上説明した第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態による作用効果に加えて以下の作用効果が得られる。
（１）振動検出装置１０は、複数の部分（パネル）からなる床版に設置されて複数のパネルのそれぞれの振動量を検出する。診断装置２０の記憶部２２は、健全な状態における床版の複数のパネルの振動量に基づく複数の第１発電量の基準値と、複数の第１発電量を基準値に変換するための補正係数Ｉｊとを記憶している。診断装置２０は、振動検出装置１０によって検出された床版の複数のパネルの振動量に基づく複数の第２発電量に、記憶部２２に記憶された補正係数Ｉｊをそれぞれ乗算して複数の第３発電量を算出し、記憶部２２に記憶された基準値と複数の第３発電量とを比較することにより、複数のパネルのうち、どのパネルが劣化しているかを診断する。補正係数Ｉｊを用いることにより、健全な状態における複数の第１発電量の基準値と、振動検出装置１０によって検出された、あるパネルの振動量に基づく第２発電量の補正後の第３発電量との比較結果から、そのパネルが劣化しているか否か、さらにはどの程度、劣化しているかを判断することができ、容易に診断を行うことができる。

－第３の実施の形態－
上述した実施の形態においては、振動検出装置１０の振動発電素子１１が、振動発電による電力供給の機能に加えて、構造物の振動量を検出する振動検出センサとしても機能するように構成した。第３の実施の形態においては、振動量を検出するセンサを振動発電素子１１とは別に設け、振動発電素子１１は電力供給のために用いる。

図１２に、第３の実施の形態における振動検出装置１０Ａの概略構成を示すブロック図を示す。振動検出装置１０Ａは、振動発電素子１１と、電源回路１２と、無線回路１３とに加えて、構造物の振動量を表す物理量を検出する振動検出センサとして機能する加速度センサ１４を備えている。加速度センサ１４は、振動発電素子１１で発電された電力が電源回路１２を介して供給されることにより、作動する。加速度センサ１４で得られた加速度のデータは、無線回路１３を介して診断装置２０に送信される。

診断装置２０は、振動検出装置１０Ａから送信された加速度のデータを用いて発電量を算出し、上述した第１、第２の実施の形態と同様に構造物の健全性を診断する。

なお、第３の実施の形態では、振動検出センサ１１から電力を供給されて作動する振動検出センサとして加速度センサ１４を用いた。ただし、これには限定されず、構造物の健全性を判断するための物理量を検出することができれば、どのようなセンサを用いてもよい。

以上説明した第３の実施の形態においても、上述した第１、第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上述した実施の形態においては、振動発電素子１１の一例として、図３に示す構造を有するものを説明したが、振動発電素子１１の構造は、これには限定されず、構造物の振動に応じて発電を行うものであれば、異なる構造であってもよい。

上述した実施の形態においては、橋梁の床版の各パネルＰ１～Ｐ６に１つずつ振動検出装置１０または振動発電素子１１を設置する例を説明した。ただし、これには限定されず、診断システム１による健全性の評価分解能（例えば、検出したい損傷範囲の大きさや位置）に応じて、動検出装置１０または振動発電素子１１の個数や設置位置を任意に設定するようにしてもよい。

上述した実施の形態においては、振動検出装置１０が無線回路１３を有し、振動発電素子１１の発電量のデータを無線回路１３を介して診断装置２０に送信するように構成した。無線回路１３に代えて、あるいは無線回路１３に加えて、振動検出装置１０が発電量の変化を報知する報知部を備えるように構成してもよい。例えば、報知部として、構造物の健全性の変化により振動量に基づく発電量が変化した場合に点灯する照明部材を設けることができる。この場合、診断装置２０は省略してもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。また、上述した実施の形態および変形例を組み合わせて用いても良い。

１：診断システム、１０，１０Ａ：振動検出装置、１１：振動発電素子、１４：加速度センサ、２０：診断装置、２２：記憶部

Claims (2)

1. 構造物に設置され、前記構造物の振動量に応じて電力を発生する振動発電素子、または前記構造物の振動量を表す物理量を検出する振動検出センサを有する振動検出装置と、
   前記振動検出装置によって検出された前記構造物の振動量の変化に基づいて、前記構造物の健全性を診断する診断装置と、を備え、
   前記診断装置は、健全な状態における前記構造物の振動量に基づく第１発電量のデータを予め記憶する記憶部を有し、前記健全な状態における前記第１発電量に対する、前記振動発電素子によって検出された前記構造物の振動量に基づく、または前記振動検出センサによって検出された物理量を用いて算出される第２発電量の変化を検出することにより、前記構造物の健全性を診断し、
   前記振動検出装置は、複数の部分からなる前記構造物に設置されて前記複数の部分のそれぞれの振動量を検出し、
   前記記憶部は、健全な状態における前記構造物の前記複数の部分の振動量に基づく複数の前記第１発電量の基準値と、前記複数の第１発電量を前記基準値に変換するための補正係数とを記憶し、
   前記診断装置は、前記振動検出装置によって検出された前記構造物の前記複数の部分の振動量に基づく複数の前記第２発電量に、前記記憶部に記憶された前記補正係数をそれぞれ乗算して複数の第３発電量を算出し、前記記憶部に記憶された前記基準値と前記複数の第３発電量とを比較することにより、前記複数の部分のうち、どの部分が劣化しているかを診断する、構造物の診断システム。
2. 請求項１に記載の構造物の診断システムを用いて前記構造物の健全性を診断する、構造物の診断方法。

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