JP7379269B2 - 建物の健全性診断システム - Google Patents

Description

本発明は、建物が地震にあった際の健全性を診断するシステムに関する。

地震があった際における階層構造をとる建物の各層の振動の具合から建物の健全性を診断するシステムがある。特許文献１は、建物の各層に設けられた加速度センサからの信号に基づいて建物の健全性を診断するものである。このシステムの場合、加速度センサの信号を取得して診断するためには、建物内に加速度センサを設置して診断装置との間を電線で接続する必要がある。そのため、このシステムは、新築の建物には適用可能であるが、既存の建物に適用することは困難であった。これに対し、特許文献２は、エレベータの昇降路のような建物の貫通路で各層の層間変位量を計測して建物全体の健全性を診断している。このシステムでは、貫通路を利用して配線を行うため、新築の建物のみならず、既存の建物にも容易に適用できる。

特開２０１５－１２７７０７号公報 特許第５１９７９９２号公報

しかし、特許文献２のシステムでは、層間変位量を計測する計測手段を各層を貫通する貫通路に設置する必要がある。そのため、計測手段の設置場所が制約を受け、建物の健全性を診断するために最適な場所に計測手段を設置することができない問題がある。

本発明の課題は、地震の揺れに対する建物の健全性を診断するものにおいて、建物の変形を床と天井の変位に基づいて検出することにある。それにより、変位センサの設置場所に制約を受けることなく建物の健全性診断を可能とすることにある。

本発明の第１発明は、建物の変形を算出して建物の健全性を診断する建物の健全性診断システムであって、建物の床及び天井にそれぞれ設置され、床及び天井のそれぞれの変位に伴う検出信号を無線通信により出力する変位センサと、建物内で前記各変位センサと同じ層内に設置され、前記各変位センサの検出信号を無線通信により受ける受信機と、該受信機の信号を受けて建物の床及び天井の変位に伴う層間変形角を算出し、建物の健全性を診断する診断装置とを備える。

第１発明において、変位センサは、レーザ変位センサ等の公知の各種変位センサを用いることができる。また、変位センサとして加速度センサを用い、その検出信号を２回積分して変位を検出するものとしてもよい。

第１発明によれば、床及び天井に設置される変位センサ、並びにそれらの変位センサからの検出信号を受信する受信機が、建物の同じ層内に設置されている。そのため、変位センサの設置位置に関わらず受信機との無線通信は可能であり、変位センサの設置位置の自由度を高めることができる。しかも、変位センサの信号の伝送を無線通信により行うため、新築の建物のみならず、既存の建物にも適用することができる。

本発明の第２発明は、上記第１発明において、建物は、多階層構造の建物であり、前記変位センサは、多階層構造建物の奇数層若しくは偶数層の床及び天井にそれぞれ設置されており、前記受信機は、多階層構造建物の前記変位センサが設置された層内にそれぞれ設置されており、前記診断装置は、前記変位センサ及び前記受信機が設置された層における層間変形角を、前記各変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データにより算出し、また、前記変位センサ及び前記受信機が設置された層に隣接し、前記変位センサ及び前記受信機が設置されない層における層間変形角を、下層側に隣接する天井の前記変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを床の変位時刻歴データとし、且つ上層に隣接する床の前記変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを天井の変位時刻歴データとして、これらの変位時刻歴データにより算出して、多階層構造建物全体の健全性を診断する。

第２発明によれば、床及び天井に変位センサが設置された層の層間変形角は、それらの変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データにより算出される。また、床及び天井に変位センサが設置された層に隣接し、変位センサ及び受信機が設置されない層における層間変形角は、下層側に隣接する天井の変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを床の変位時刻歴データとし、且つ上層に隣接する床の変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを天井の変位時刻歴データとして、これらの変位時刻歴データにより算出される。そのため、１層置きに設置した変位センサにより階層構造の建物の建物全体の健全性診断を行うことができる。また、受信機が１層置きの設置で済むため、システム構成を簡素化することができる。

本発明の第３発明は、上記第２発明において、前記各受信機と前記診断装置との接続は、コンピュータネットワークを介して行われている。

第３発明によれば、受信機と診断装置との接続を、既存のコンピュータネットワークを使用して行うことができる。そのため、新たな通信設備の設置を不要とすることができる。

本発明の第４発明は、上記第１～第３発明のいずれかにおいて、前記変位センサは、床及び天井の地震に伴う振動加速度を検出する加速度センサであり、前記診断装置は、層間変形角を算出するに際し、前記加速度センサからの加速度時刻歴データを２回積分して変位時刻歴データを算出する。

第４発明によれば、一般的でシンプルな構成の加速度センサ用いて建物の層間変形角を算出することができる。

本発明の第１実施形態が適用された建物を示す模式図である。 第１実施形態のコンピュータの処理内容を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態が適用された建物を示す模式図である。 第２実施形態のコンピュータの処理内容を説明するフローチャートである。 第１実施形態の建物の床と天井の絶対変位を示すタイムチャートである。 第１実施形態の建物の床と天井の相対変位を示すタイムチャートである。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態を示す。第１実施形態は、１階層構造建物である平屋の建物１に本発明を適用した例である。

建物１の床１１と天井１２には、無線式の加速度センサ３１がそれぞれ固定されている。加速度センサ３１は、地震に伴う床１１及び天井１２の振動を加速度時刻歴データとして受信機３２に無線通信により送信する。受信機３２は、建物１の同じ階（層）内で床１１と天井１２の間に配置されている。そのため、建物１の床１１、天井１２に影響されることなく加速度センサ３１から受信機３２へのデータの送信を行うことができる。受信機３２は、ＵＳＢ型に構成されており、コンピュータ３３のＵＳＢポートに接続されている。そのため、受信機３２により受信された各加速度センサ３１の加速度時刻歴データは、コンピュータ３３内に取り込まれる。

図２は、コンピュータ３３による処理内容を示す。ステップＳ１１では、各加速度センサ３１からの加速度時刻歴データを２回積分して、床１１及び天井１２の変位時刻歴データを求める。次のステップＳ１２では、床１１及び天井１２の変位時刻歴データから建物１の層間変形角を求める。

図５は、床１１と天井１２それぞれの変位（絶対変位）の時刻歴データの一例を示す。また、図６は、床１１と天井１２との相対変位の時刻歴データの一例を示す。層間変形角は、相対変位時刻歴データの最大値（図６に〇印で示す）を求め、この最大値を床１１から天井１２までの高さで除して求められる。床１１から天井１２までの高さのデータは、予めコンピュータ３３に記録されている。ステップＳ１２では、このように求められた層間変形角に基づき、又は層間変形角と建物１の耐震性に関するファクタとの組合せに基づき建物の健全性が診断される。

加速度センサ３１は、本発明の変位センサを構成しており、図２のステップＳ１１、Ｓ１２の処理を行うコンピュータ３３は、本発明の診断装置を構成している。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態は、多階層構造建物である高層ビル２に本発明を適用した例である。

高層ビル２の奇数階（層）の床２１（２２）と天井２２には、第１実施形態の場合と同様の加速度センサ３１がそれぞれ固定されている。ここでは、当該階（層）の天井は、上の階（層）の床と実質同一である。即ち、当該階（層）の天井の加速度センサ３１の出力は、上の階（層）の床に設置された場合の加速度センサの出力と同一と見做すことができる。

奇数階（層）の各加速度センサ３１は、地震に伴う床２１（２２）及び天井２２の振動を加速度時刻歴データとして、同じ奇数階（層）に配置された受信機３２に無線通信により送信する。奇数階（層）の各受信機３２は、当該高層ビル２内に設置されたコンピュータネットワークであるＬＡＮケーブル３５を介して、特定の階（層）（ここでは２階）に配置されたコンピュータ３３に接続されている。そのため、各奇数階（層）の受信機３２により受信された各加速度センサ３１の加速度時刻歴データは、一つのコンピュータ３３内に取り込まれる。図３から明らかなように、高層ビル２の偶数階（層）には、加速度センサ３１も受信機３２も設置されない。従って、システムの構成を簡素化することができる。

各受信機３２とコンピュータ３３との接続を、ＬＡＮケーブル３５を介して行うのに代えて、図３に仮想線で示すように、インターネットのコンピュータネットワーク３６を介して、各受信機３２をコンピュータ３４に接続してもよい。この場合、コンピュータ３４は、高層ビル２の内外いずれの場所に設置することもできる。コンピュータ３４は、スマートフォンのようなモバイル端末とすることもできる。ＬＡＮケーブル３５に接続されたコンピュータ３３とコンピュータネットワーク３６に接続されたコンピュータ３４は、併用されてもよい。

図４は、コンピュータ３３（３４）による処理内容を示す。ステップＳ２１では、各受信機３２が受信した各加速度センサ３１の床２１（２２）及び天井２２の加速度時刻歴データをコンピュータ３３（３４）に取り込む。このとき、各受信機３２はコンピュータ３３（３４）により時刻同期が行われている。ステップＳ２２では、各加速度センサ３１からの加速度時刻歴データを２回積分して、床２１（２２）及び天井２２の変位時刻歴データを求める。次のステップＳ２３では、奇数階（層）の床２１（２２）及び天井２２の変位時刻歴データから奇数階（層）の層間変形角を、第１実施形態の場合と同様に求める。層間変形角を求めるために必要となる各階（層）の床２１（２２）から天井２２までの高さのデータは、予めコンピュータ３３（３４）に記録されている。

ステップＳ２４では、加速度センサ３１が設置されていない偶数階（層）の層間変形角が求められる。このとき、当該階（層）の下の階（層）の天井２２に設置された加速度センサ３１の加速度時刻歴データに基づく変位時刻歴データが当該階（層）の床の変位時刻歴データとされる。また、当該階（層）の上の階（層）の床２２に設置された加速度センサ３１の加速度時刻歴データに基づく変位時刻歴データが当該階（層）の天井の変位時刻歴データとされる。これらの変位時刻歴データを用いて、偶数階（層）の層間変形角が奇数階（層）の場合と同様に求められる。

このように求められた各階（層）の層間変形角に基づき、又はこれらの層間変形角と高層ビル２の耐震性に関するファクタとの組合せに基づき高層ビル２の健全性が診断される。

加速度センサ３１は、本発明の変位センサを構成しており、図４のステップＳ２１～Ｓ２４の処理を行うコンピュータ３３（３４）は、本発明の診断装置を構成している。

＜第１、第２実施形態の作用、効果＞
以上の第１、第２実施形態によれば、床及び天井に設置される加速度センサ３１からの検出信号を受信する受信機３２が、全て同じ階（層）内に設置されている。そのため、同じ階（層）内での加速度センサ３１の設置位置に関わらず受信機３２との無線通信は可能であり、加速度センサ３１の設置位置の自由度を高めることができる。しかも、加速度センサ３１の信号の伝送を無線通信により行うため、新築の建物のみならず、既存の建物にも適用することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、特定の実施形態について説明したが、本発明は、それらの構成に限定されず、種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を階層構造の建物に適用したが、各種プラント、格納庫、体育館等に適用してもよい。また、多階層構造の建物において、他に比べて耐震性が劣ると見込まれる階（層）の床と天井のみに変位センサを設置して建物の健全性診断を簡易に行うようにしてもよい。更に、上記実施形態では、加速度センサを奇数階（層）の床と天井に設置したが、偶数階（層）の床と天井に設置してもよい。

１ １階層構造建物（平屋の建物）
２ 多階層構造建物（高層ビル）
１１、２１ 床
１２ 天井
２２ 天井（床）
３１ 加速度センサ（変位センサ）
３２ 受信機
３３、３４ コンピュータ（診断装置）
３５ ＬＡＮケーブル（コンピュータネットワーク）
３６ コンピュータネットワーク

Claims (4)

1. 建物の変形を算出して建物の健全性を診断する建物の健全性診断システムであって、
   建物の床及び天井にそれぞれ設置され、床及び天井のそれぞれの変位に伴う検出信号を無線通信により出力する変位センサと、
   建物内で前記各変位センサと同じ層内に設置され、前記各変位センサの検出信号を無線通信により受ける受信機と、
   該受信機の信号を受けて建物の床及び天井の変位に伴う層間変形角を算出し、建物の健全性を診断する診断装置とを備える
   建物の健全性診断システム。
2. 請求項１において、
   建物は、多階層構造の建物であり、
   前記変位センサは、多階層構造建物の奇数層若しくは偶数層の床及び天井にそれぞれ設置されており、
   前記受信機は、多階層構造建物の前記変位センサが設置された層内にそれぞれ設置されており、
   前記診断装置は、前記変位センサ及び前記受信機が設置された層における層間変形角を、前記各変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データにより算出し、また、前記変位センサ及び前記受信機が設置された層に隣接し、前記変位センサ及び前記受信機が設置されない層における層間変形角を、下層側に隣接する天井の前記変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを床の変位時刻歴データとし、且つ上層に隣接する床の前記変位センサの検出信号に基づく変位時刻歴データを天井の変位時刻歴データとして、これらの変位時刻歴データにより算出して、多階層構造建物全体の健全性を診断する
   建物の健全性診断システム。
3. 請求項２において、
   前記各受信機と前記診断装置との接続は、コンピュータネットワークを介して行われている
   建物の健全性診断システム。
4. 請求項１～３のいずれかにおいて、
   前記変位センサは、床及び天井の地震に伴う振動加速度を検出する加速度センサであり、
   前記診断装置は、層間変形角を算出する際の変位時刻歴データを、前記加速度センサからの加速度時刻歴データを２回積分して求める
   建物の健全性診断システム。

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