JP7422692B2

JP7422692B2 - 基礎杭の損傷判定システム

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Publication number: JP7422692B2
Application number: JP2021009247A
Authority: JP
Inventors: 景太柴田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2041-01-25
Also published as: JP2022113191A

Description

本発明は、コンクリート製の基礎杭の損傷の有無を判定する基礎杭の損傷判定システムに関する。

地震発生後に、構造物を直接目視しなくとも、構造物の被災度合い等を把握することができる技術が種々提案されている。特にコンクリート製の基礎杭においては、地震発生時にコンクリート部に損傷が生じると、構造物に残留沈下や残留傾斜が生じる可能性がある。このため、構造物の被災度合い等を把握するだけでなく、基礎杭の損傷の有無を、容易に確認できることが望まれる。
例えば特許文献１には、構造物（建物）を模擬した１質点系振動モデルにおける等価高さの位置に相当する第１の階層に設置した無線式加速度計または無線式ひずみ計により取得した地震情報を用いることで、第１の階層における地動に対する相対変位量である第１の層間変形角を算出し、地震情報を基に建物所在地の震度を算出し、地動に対する第１の層間変形角と所定の閾値とを比較して、地震後の構造物の被災度を推定する構成が開示されている。
特許文献１に開示されたような構成は、構造物において、地盤中の基礎部に支持された上部構造（上部構造）の被災度を推定するものであり、基礎部を構成する基礎杭の損傷の有無を判定するためのものではない。
このような特許文献１の構成を基礎杭に適用しようとしても、無線式加速度計または無線式ひずみ計を既存の基礎杭に取り付けること自体が困難である。仮に取り付けられたとしても、地盤は地震時の挙動が複雑であり、地盤に接する基礎杭の挙動も上部構造の挙動に比べるとより複雑なものとなるため、これに対応したより複雑な実装が必要となる。また、無線式加速度計または無線式ひずみ計の交換等の、保守作業も容易ではない。これらのような要因により、本構成を用いて基礎杭の損傷の有無を判定することは困難である。

また、特許文献２には、地盤中に構築された基礎杭の内部に光ファイバーを埋設し、光ファイバーに光を入射させたときの透過光を観測することで、基礎杭の健全性を判定する構成が開示されている。
特許文献２に開示されたような構成では、光ファイバーを基礎杭の内部に埋設するのに手間が掛かる。また、光ファイバーの埋設は、基礎杭の新設時にしか行うことができず、既設の基礎杭の健全性の判定を行うのは困難である。

また、特許文献３には、有底筒状の孔が形成されている基礎杭（地下コンクリート構造物）の孔内に、液面を計測する液面計を設置し、孔内に侵入した地下水の有無または地下水の液面の変化を液面計によって計測することで、基礎杭の健全性を調査する構成が開示されている。
特許文献３に開示されたような構成では、基礎杭に孔を形成する必要があり、手間が掛かる。また、孔の形成は、基礎杭の新設時にしか行うことができず、既設の基礎杭の健全性の判定を行うのは困難である。

上記のような特許文献１～３に開示された構成以外にも、基礎杭の周りの地盤を掘削し除去して、基礎杭を目視することも考えられる。しかし、地盤を除去すると構造物が不安定となる可能性がある。また、掘削に手間が掛かり、現実的ではない。
あるいは、杭頭をハンマー等で軽打して弾性波を発生させ、杭頭に設置した加速度計から得られた反射波形を測定することで、ひび割れ等の損傷の有無を確認することも行われている。しかし、このためには杭頭近傍を露出させる必要があるため、基礎杭の上に構造物が構築されている状態においては実施が困難である。

特開２０２０－１０６５２４号公報特開平９－２９１５３３号公報特開平１０－６０９３５号公報

本発明が解決しようとする課題は、コンクリート製の基礎杭の損傷の有無を、容易かつ簡便に判定可能な、基礎杭の損傷判定システムを提供することである。

本発明者は、コンクリート製の基礎杭の損傷判定システムとして、基礎杭に直接、加速度計等を取り付けるのではなく、構造物に加速度センサを設置して、その加速度センサで得られる水平加速度、及び鉛直加速度の各計測結果から杭の損傷有無を判定する方法を考案し、本発明に至った。具体的には、大地震時に、基礎杭にひび割れや断面欠損が生じた杭損傷時には基礎杭が剛性低下するために、地震時に構造物がロッキング応答する際に、回転中心の位置が杭健全時から移動することを、鉛直加速度の振動数に対する水平加速度の振動数の比で表される振動数比に着眼して、本発明の基礎杭の損傷判定システムを開発した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の基礎杭の損傷判定システムは、構造物の上部構造を支持するコンクリート製の基礎杭の損傷の有無を判定する、損傷判定システムであって、前記上部構造に設置されて、前記上部構造の水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とを取得する、複数のセンサと、前記水平方向の地震情報と前記鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、前記水平加速度の振動数に対する前記鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出する振動数比算出部と、前記振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、前記基礎杭に損傷があると判定する、損傷判定部と、を備えていることを特徴とする。
地震が生じると、特に上部構造のアスペクト比（構造物幅に対する構造物高さの比、塔状比）が高い構造物では、地盤近くの部分を中心として、より上側が左右に揺動して傾斜、回転する、ロッキング振動が生じる。このロッキング振動に抵抗するため、上部構造が傾斜する側、すなわち揺れの進行方向に位置する、上部構造を支持する基礎杭には、圧縮軸力が作用する。また、その反対側に位置する基礎杭には、引張軸力が作用する。
ここで、基礎杭がコンクリート製であり、このコンクリート部がひび割れや断面欠損等により損傷すると、引張軸力に対し、コンクリート部で抵抗することができなくなる。すると、地震により上部構造が水平方向に揺れてロッキング振動が生じた場合、基礎杭に引張軸力が作用するときに、基礎杭に対して上部構造が一時的に浮き上がる。これにより、ロッキング振動に連動して、上部構造に上下方向の変位による加速度が発生することになる。上部構造が１周期（１往復）のロッキング振動を生じ、すなわち左右に一度ずつ傾斜し揺動して現位置に戻る間に、上部構造には、２回の浮き上がりが生じる。これにより、上部構造の鉛直加速度の変化の振動数は、上部構造の水平加速度の振動数よりも大きくなる。
上記のような考察を基に、上記構成の損傷判定システムでは、複数のセンサで、上部構造の水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とを取得し、振動数比算出部で、水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、水平加速度の振動数に対する鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出し、損傷判定部で、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭に損傷があると判定する。上記構成の損傷判定システムを構築するに際し、基礎杭自体には、光ファイバーをはじめとする基礎杭の損傷を検出するための検出手段を備える必要が無い。したがって、コンクリート製の基礎杭の損傷の有無を、容易かつ簡便に判定することが可能となる。

本発明の一態様においては、前記水平加速度の振動数は、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数であり、前記鉛直加速度の振動数は、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数である。
このような構成によれば、基礎杭の損傷判定システムを、適切に実現可能である。

本発明によれば、コンクリート製の基礎杭の損傷の有無を、容易かつ簡便に判定可能な、基礎杭の損傷判定システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る基礎杭の損傷判定システムの概略構成を示す図である。図１の基礎杭の損傷判定システムが備えられた建物の概略構成を示す図である。図２に示した上部構造において鉛直加速度を検出するセンサの配置の一例を示す平面図である。図２に示した上部構造において鉛直加速度を検出するセンサの配置の他の一例を示す平面図である。上部構造にロッキング振動が生じている状態を示す模式図である。基礎杭に損傷が生じた状態で上部構造にロッキング振動が生じている状態を示す模式図である。損傷が生じた基礎杭に圧縮軸力が作用している状態を示す模式図である。損傷が生じた基礎杭に引張軸力が作用している状態を示す模式図である。曲げ変形によって断面の一部のみが損傷した基礎杭を示す図である。水平加速度の振動数成分と鉛直加速度の振動成分とを示す図である。図１０の水平加速度、鉛直加速度のフーリエスペクトルを示す図である。本実施形態に係る基礎杭の損傷判定システムで基礎杭の損傷の有無を判定するための処理の流れを示すフローチャートである。本実施形態の実験例１において、振動台に入力した地震波形を示す図である。鉄筋コンクリート杭模型における水平加速度のフーリエスペクトルを示す図である。鉄筋コンクリート杭模型における鉛直加速度のフーリエスペクトルを示す図である。鋼管杭模型における水平加速度のフーリエスペクトルを示す図である。鋼管杭模型における鉛直加速度のフーリエスペクトルを示す図である。

本発明は、構造物内に設置する加速度センサで得られる水平加速度、及び鉛直加速度の各計測結果から杭の損傷有無を判定する、基礎杭の損傷判定システムである。具体的には、上部構造の基礎部で得られた鉛直加速度の振動数が、上部構造の上部で得られた水平加速度の振動数の２倍程度となることを検出することで杭の損傷有無を判定する方法である。
以下、添付図面を参照して、本発明による基礎杭の損傷判定システムを実施するための形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態における基礎杭の損傷判定システムの概略構成を図１に示す。図２は、図１の基礎杭の損傷判定システムが備えられた建物の概略構成を示す図である。
図１に示されるように、基礎杭の損傷判定システム１は、構造物１０に設けられたセンサ１６、１７と、システム本体２０と、を主に備えている。基礎杭の損傷判定システム１は、地震発生後の構造物１０の基礎杭１３の損傷の有無を判定する。本実施形態では、基礎杭の損傷判定システム１は、構造物の構造形式や階数、または形状について限定されるものではないが、特に本実施形態においては、地震情報から得られる鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数、及び水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数に着目して基礎杭の損傷の有無を判定するために、低い構造物に比べて、アスペクト比が比較的大きい（例えば４以上の）上部構造１２では、ロッキング応答が比較的顕著に発生するために有効である。このような、アスペクト比が比較的大きい上部構造１２としては、例えば、高層建物、道路橋、鉄塔、煙突、風車などが挙げられる。
図２に示されるように、構造物１０は、地盤Ｇ中に構築された基礎部１１と、基礎部１１上に支持された上部構造１２と、を備えている。基礎部１１は、複数本の基礎杭１３を備えている。各基礎杭１３は、地盤Ｇ中で上下方向に延びている。基礎杭１３は、コンクリート製、具体的には、例えば鉄筋コンクリート製で、コンクリート部１３ｃと、コンクリート部１３ｃに埋設された鉄筋１３ｓと、を有している。
上部構造１２は、例えば、上下方向に複数の階層を有している。上部構造１２は、階層数や構造（鉄筋コンクリート造、鉄骨造、鉄筋コンクリート造等）を問うものではない。

センサ１６，１７は、構造物１０の上部構造１２に設けられている。センサ１６、１７は、例えば、加速度計である。センサ１６は、水平方向の地震情報として、地震発生時に上部構造１２に生じる水平加速度を検出する。このセンサ１６は、例えば、上部構造１２の最上部に配置されている。センサ１７は、鉛直方向の地震情報として、上部構造１２に生じる鉛直加速度を検出する。このセンサ１７は、上部構造１２の最下部（例えば、最下階の床や耐圧版の天端など）に配置されることで、基礎部１１に生じる鉛直加速度を検出する。
図３は、図２に示した上部構造において鉛直加速度を検出するセンサの配置の一例を示す平面図である。図４は、図２に示した上部構造において鉛直加速度を検出するセンサの配置の他の一例を示す平面図である。
事前に、例えば小規模の地震の際に、基礎杭１３が健全で損傷がない状態において、後に説明するようなロッキング振動の回転中心の位置を調査しておく。そのうえで、鉛直方向の地震情報を取得するセンサ１７を、図３に示すように基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心の位置と同一の水平位置に１個のみ配置するのが経済的に望ましい。
あるいは、例えば基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心の位置と同一の水平位置にセンサ１７を設けるのが困難である場合には、上部構造１２の最下部にセンサ１７を複数個配置してもよい。この場合には、例えば、図４に示すように、上部構造１２の最下部の互いに離間した位置、例えば四隅に配置するようにしてもよい。後に説明する振動数比算出部２２は、これら複数個のセンサ１７で検出された鉛直方向の地震情報（鉛直加速度）の平均値、又は重み付き平均値を算出し、基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心近傍の位置の鉛直加速度フーリエスペクトルを算出する。重み付き平均値を算出する場合には、例えば基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心からの各センサ１７の距離を基に、センサ１７ごとに重みを設定してもよい。
いずれの場合においても、センサ１７は、基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心の位置における鉛直加速度を検出する。
基礎杭の損傷判定システム１は、センサ１６、１７で検出した、水平加速度、鉛直加速度の検出データを、地震情報として出力する出力部１８を、構造物１０内に備えている。

図１に示すシステム本体２０は、構造物１０内に配置されていてもよいし、構造物１０外の遠隔地に配置されていてもよい。システム本体２０は、出力部１８に対して、各種の通信ケーブルや、各種の無線又は有線のネットワークを介して接続されている。システム本体２０は、構造物１０から送信される地震情報に基づいて、構造物１０の基礎杭１３の損傷の発生の有無を検出する。システム本体２０は、入力部２１と、振動数比算出部２２と、損傷判定部２３と、判定結果出力部２４と、を備えている。入力部２１は、構造物１０の出力部１８から出力される地震情報の受信入力を受け付ける。
振動数比算出部２２は、入力部２１で受信した地震情報（水平加速度、鉛直加速度）に基づいて、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、水平加速度の振動数に対する鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出する。特に本実施形態においては、水平加速度の振動数は、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数であり、鉛直加速度の振動数は、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数である。すなわち、本実施形態においては、振動数比算出部２２は、構造物１０の、水平加速度フーリエスペクトルと、鉛直加速度フーリエスペクトルとを、それぞれ計算し、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数に対する、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数の比として、振動数比を算出する。ここで、図４を用いて説明したようにセンサ１７を複数個備える場合には、振動数比算出部２２は、複数個のセンサ１７で検出された鉛直方向の地震情報（鉛直加速度）の平均値、又は重み付き平均値を算出し、算出された平均値に基づいて、鉛直加速度フーリエスペクトルを算出する。

損傷判定部２３は、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する。損傷判定部２３は、振動数比が、１．８より小さいか、２．２より大きい場合に、基礎杭１３に損傷がないと判定する。これらの判定基準となる数値範囲の根拠に関しては、後に詳説する。
判定結果出力部２４は、損傷判定部２３における判定結果、すなわち基礎杭１３に損傷があるか否かを示す情報を、外部に出力する。判定結果出力部２４は、判定結果を示す情報を、例えば、システム本体２０に備えられたモニター（図示無し）等に表示させるようにしてもよい。判定結果出力部２４は、判定結果を示す情報を、外部の有線又は無線のネットワークを介して、利用者の端末に送信するようにしてもよい。

図５は、上部構造にロッキング振動が生じている状態を示す模式図である。
本実施形態においては、上部構造１２のアスペクト比が大きい。このため、図５に示すように、上部構造１２には、地震発生時に、地盤Ｇ近くの部分を回転中心Ｃｒとして、より上側が左右に揺動して傾斜、回転する、ロッキング振動が生じる。図５においては、上部構造１２が回転中心Ｃｒを基点として時計回りに回転し、右側に向けて傾斜した状態が示されている。この状態においては、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒ周りの回転方向前方Ｒｆに位置する紙面右側の基礎杭１３には圧縮軸力Ｆｐが作用し、回転中心Ｃｒ周りの回転方向後方Ｒｂに位置する紙面左側の基礎杭には引張軸力Ｆｑが作用する。
上部構造１２は、例えば図５に示したように、回転中心Ｃｒを中心として時計回りに回転し、右側に向けて傾斜した後に、回転中心Ｃｒを中心として反時計回りに回転し、左側に向けて傾斜し、現位置に復帰する。上部構造１２は、これを１周期（１往復）としたロッキング振動を繰り返す。以下においては、図５に示したような右側に向けて傾斜した状態に関して説明するが、左側に向けて傾斜した状態においては、右側に向けて傾斜した状態とは左右が逆となるのみであり、同様な説明が可能である。すなわち、この場合においては、紙面右側の基礎杭１３には引張軸力Ｆｑが作用し、紙面左側の基礎杭には圧縮軸力Ｆｐが作用する。
図５に示したような、右側に向けて傾斜した状態において、基礎杭１３に損傷が生じておらず、引張軸力Ｆｑが、基礎杭１３の外周面と地盤Ｇとの間に生じる摩擦力を上回らなければ、圧縮軸力Ｆｐが作用する基礎杭１３と引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３とで発生する抵抗力の差は小さいと考えられる。これにより、基礎杭１３に損傷が生じていない場合、上部構造１２では、地震発生時に、例えば図５に示すように、上部構造１２の底面の中央付近を回転中心Ｃｒとしてロッキング振動を生じる。

図６は、基礎杭に損傷が生じた状態で上部構造にロッキング振動が生じている状態を示す模式図である。図７は、損傷が生じた基礎杭に圧縮軸力が作用している状態を示す模式図である。図８は、損傷が生じた基礎杭に引張軸力が作用している状態を示す模式図である。
図６に示すように、地震発生時に基礎杭１３に損傷が生じた場合、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒ周りの回転方向前方Ｒｆにおいて、基礎杭１３には圧縮軸力Ｆｐが作用する。すると、基礎杭１３に損傷が生じていても、図７に示すように、損傷部１３ｋでは、圧縮軸力Ｆｐに対し、コンクリート部１３ｃと鉄筋１３ｓとの双方で抵抗する。他方、図６に示すように、ロッキング振動の回転中心Ｃｒ周りの回転方向後方Ｒｂにおいて、損傷が生じた基礎杭１３には、引張軸力Ｆｑが作用する。すると、図８に示すように、損傷部１３ｋでは、引張軸力Ｆｑに対し抵抗し得るのは、鉄筋１３ｓのみとなる。このため、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒ周りの回転方向前方Ｒｆにおいて圧縮軸力Ｆｐが作用する基礎杭１３と、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒ周りの回転方向後方Ｒｂにおいて引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３とでは、引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３における軸剛性が小さくなる。これにより、引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３では、伸長するように変形しやすくなる。
図９は、曲げ変形によって断面の一部のみが損傷した基礎杭を示す図である。上記のような現象は、図９に示すように、基礎杭１３の曲げ変形によって基礎杭１３の断面の一部のみが損傷し、引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３の引張縁のひずみが大きくなった場合にも発生し得る。

このように、基礎杭１３に損傷が生じた状態でロッキング振動Ｒが生じると、図８に示すように、引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３が伸長することで、上部構造１２が一時的に浮き上がる。この上部構造１２の浮き上がりがロッキング振動Ｒに連動して生じることによって、上部構造１２には上下方向の加速度が発生することになる。
ここで、引張軸力Ｆｑが作用する基礎杭１３は引張軸力Ｆｑに十分に抵抗し得ず伸長するため、図６に示すように、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒは、上部構造１２の底面の中央よりも、ロッキング振動Ｒの回転方向前方Ｒｆで圧縮軸力Ｆｐが作用する基礎杭１３に近づいた位置となる。
このように、基礎杭１３に損傷が生じている場合においては、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒの位置は、基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心Ｃｒの位置から、圧縮軸力Ｆｐが作用する基礎杭１３側にずれた位置となる。ロッキング振動Ｒにおいては、上部構造１２が図６における紙面上の左右に揺動するため、ロッキング振動Ｒの回転中心Ｃｒの位置は、損傷がない場合の位置から、上部構造１２が右側に傾く場合には右側にずれ、左側に傾く場合には左側にずれる。このため、上部構造１２が左右に傾くたびに、基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心Ｃｒの位置は、上下方向に移動する。したがって、基礎杭１３に損傷がない場合の回転中心Ｃｒの位置の鉛直加速度を検出するように設けられたセンサ１７は、この上下方向の変位を、鉛直加速度として検出する。

図１０に、センサ１６により取得された水平加速度の振動数成分と、センサ１７により取得された鉛直加速度の振動成分の、各々の一例を示す。既に説明したように、上部構造１２にロッキング振動Ｒが生じると、上部構造１２は、例えば図６に示すように時計回りに回転して右側に向けて傾斜し、その後に、反時計回りに回転して左側に向けて傾斜し、現位置に復帰する。上部構造１２は、これを１周期（１往復）としたロッキング振動を繰り返す。この１周期において、上部構造１２は、右側に向けて傾斜する際に１度浮き上がり、左側に向けて傾斜する際にもう１度浮き上がる。つまり、１周期のロッキング振動Ｒで上部構造１２が左右に１往復する間に、上部構造１２の浮き上がりが２回生じる。これにより、図１０に示すように、上部構造１２の最下部における鉛直加速度の振動数は、上部構造１２の上部における水平加速度の振動数に対して２倍となる。すなわち、図１０に示す水平加速度、鉛直加速度をフーリエ変換すると、図１１に示すように、水平加速度のフーリエスペクトルのピークが生じる振動数すなわち卓越振動数に対し、鉛直加速度のフーリエスペクトルのピークすなわち卓越振動数は、約２倍の値となる。

このため、基本的には、損傷判定部２３は、振動数比算出部２２で計算される、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数に対する、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数の比で表される振動数比が、約２倍であるときに、基礎杭１３に損傷があると判定するのが適切である。すなわち、損傷判定部２３で、基礎杭１３に損傷が有るか否かを判定するための基準となる判定数値範囲は、２を中心とした数値範囲として設定されるのが好ましい。損傷判定部２３は、例えばフーリエスペクトル比が、判定数値範囲の下限値である下限閾値以上で、かつ判定数値範囲の上限値である上限閾値以下の場合は基礎杭が損傷有りと推定する。また、損傷判定部２３は、フーリエスペクトル比が下限閾値より小さい、または上限閾値より大きい場合には基礎杭は損傷無し、と推定する。
特に本実施形態においては、損傷判定部２３は、２を中心として、この値の１割、すなわち０．２程度の誤差を考慮し、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する。より好ましくは、損傷判定部２３は、２を中心として、０．１程度の誤差を考慮し、振動数比が、１．９以上２．１以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する。
この判定数値範囲は、様々な構造物に対して、シミュレーションや数値解析等でロッキング振動の数値データを収集し、その結果を集計して正規分布を取得して標準偏差σを導出した後に、２－σを判定数値範囲の下限値として設定し、かつ２＋σを判定数値範囲の上限値として設定してもよい。

図１２は、本実施形態に係る基礎杭の損傷判定システムで基礎杭の損傷の有無を判定するための処理の流れを示すフローチャートである。
上記したような基礎杭の損傷判定システム１で、基礎杭１３に損傷が生じているか否かを判定するには、まず、図１２に示すように、地震発生時にセンサ１６、１７で、地震情報として、上部構造１２に生じる水平加速度、及び鉛直加速度を検出する（ステップＳ１）。センサ１６、１７検出された水平加速度、鉛直加速度は、出力部１８によりシステム本体２０に出力される。
出力部１８から出力された、センサ１６，１７で検出した地震情報（水平加速度、鉛直加速度）を、システム本体２０の入力部２１で受信する（ステップＳ２）。
振動数比算出部２２は、入力部２１で受信された水平加速度、鉛直加速度をフーリエ変換することで、構造物１０の、水平加速度フーリエスペクトルと、鉛直加速度フーリエスペクトルとを、それぞれ算出する（ステップＳ３）。振動数比算出部２２は、算出された水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数に対する、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数の比で表される振動数比を算出する（ステップＳ４）。
このようにして、振動数比算出部２２は、ステップＳ３、ステップＳ４において、水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、水平加速度の振動数に対する鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出する。

続いて、損傷判定部２３で、基礎杭１３の損傷の有無の判定を行う（ステップＳ５）。損傷判定部２３では、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する。損傷判定部２３は、振動数比が、１．８より小さいか、２．２より大きい場合に、基礎杭１３に損傷がないと判定する。
損傷判定部２３における判定結果、すなわち基礎杭に損傷があるか否かを示す情報は、判定結果出力部２４により外部に出力され、システム本体２０に備えられたモニター（図示無し）や、利用者の端末に表示される。

上述したような基礎杭の損傷判定システム１は、構造物１０の上部構造１２を支持するコンクリート製の基礎杭１３の損傷の有無を判定する、損傷判定システム１であって、上部構造１２に設置されて、上部構造１２の水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とを取得する、複数のセンサ１６、１７と、水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、水平加速度の振動数に対する鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出する振動数比算出部２２と、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する、損傷判定部２３と、を備えている。
地震が生じると、特に上部構造１２のアスペクト比（構造物幅に対する構造物高さの比、塔状比）が高い構造物では、地盤Ｇ近くの部分を中心として、より上側が左右に揺動して傾斜、回転する、ロッキング振動が生じる。このロッキング振動に抵抗するため、上部構造１２が傾斜する側、すなわち揺れの進行方向に位置する、上部構造１２を支持する基礎杭１３には、圧縮軸力Ｆｐが作用する。また、その反対側に位置する基礎杭１３には、引張軸力Ｆｑが作用する。
ここで、基礎杭１３がコンクリート製であり、このコンクリート部１３ｃがひび割れや断面欠損等により損傷すると、引張軸力Ｆｑに対し、コンクリート部１３ｃで抵抗することができなくなる。すると、地震により上部構造１２が水平方向に揺れてロッキング振動が生じた場合、基礎杭１３に引張軸力Ｆｑが作用するときに、基礎杭１３に対して上部構造１２が一時的に浮き上がる。これにより、ロッキング振動に連動して、上部構造１２に上下方向の変位による加速度が発生することになる。上部構造１２が１周期（１往復）のロッキング振動を生じ、すなわち左右に一度ずつ傾斜し揺動して現位置に戻る間に、上部構造１２には、２回の浮き上がりが生じる。これにより、上部構造１２の鉛直加速度の変化の振動数は、上部構造の水平加速度の振動数よりも大きくなる。
上記のような考察を基に、上記構成の損傷判定システム１では、複数のセンサ１６、１７で、上部構造１２の水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とを取得し、振動数比算出部２２で、水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、水平加速度の振動数に対する鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出し、損傷判定部２３で、振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、基礎杭１３に損傷があると判定する。上記構成の損傷判定システム１を構築するに際し、基礎杭１３自体には、光ファイバーをはじめとする基礎杭１３の損傷を検出するための検出手段を備える必要が無い。したがって、コンクリート製の基礎杭１３の損傷の有無を、容易かつ簡便に判定することが可能となる。

また、水平加速度の振動数は、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数であり、鉛直加速度の振動数は、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数である。
このような構成によれば、基礎杭の損傷判定システム１を、適切に実現可能である。

本発明の基礎杭の損傷判定システム１は、地震後において、加速度の観測情報から基礎杭１３の損傷有無判定における一次判断に関するものである。よって、基礎杭の損傷判定システム１で損傷ありと判定された場合には、基礎杭１３の損傷位置、及びその損傷度合いについては掘削調査などの方法で基礎杭１３の損傷を詳細に調査する必要がある。

（実験例１）
図１３は、本実施形態の実験例１において、振動台に入力した地震波形を示す図である。
上記したような構成について、実験による検討を行ったのでその結果を以下に示す。
振動台上のせん断土槽内に砂を入れ、基礎杭１３としての鉄筋コンクリート杭模型と、比較のための鋼管杭の模型とを設置した。振動台に、図１３に示すような地震波形を入力し、鉄筋コンクリート杭模型、及び鋼管杭模型において、それぞれセンサ１６，１７で検出される水平加速度、鉛直加速度のフーリエスペクトルを算出した。
図１４Ａは、鉄筋コンクリート杭模型における水平加速度のフーリエスペクトルを示す図である。図１４Ｂは、鉄筋コンクリート杭模型における鉛直加速度のフーリエスペクトルを示す図である。図１５Ａは、鋼管杭模型における水平加速度のフーリエスペクトルを示す図である。図１５Ｂは、鋼管杭模型における鉛直加速度のフーリエスペクトルを示す図である。
図１４Ａ、図１４Ｂに示すように、鉄筋コンクリート杭模型では、損傷が生じ、水平加速度では周波数３．４４Ｈｚでフーリエスペクトルのピークが生じているのに対し、鉛直加速度ではその２倍の周波数６．８８Ｈｚでフーリエスペクトルのピークが生じている。
これに対し、図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、比較例としての鋼管杭模型では、弾性域を保ち、健全なままである。水平加速度では周波数３．４９Ｈｚでフーリエスペクトルのピークが生じているのに対し、鋼管杭においては鉄筋コンクリート杭のようなひびが入らず上部構造の浮き上がりが抑制されるので、鉛直加速度では明瞭なピークは認められない。

（実施形態の変形例）
なお、本発明の基礎杭の損傷判定システムは、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、振動数比算出部２２は、入力部２１で受信した地震情報（水平加速度、鉛直加速度）に基づいて、構造物１０の、水平加速度フーリエスペクトルと、鉛直加速度フーリエスペクトルとを、それぞれ計算するようにしたが、これに限らない。例えば、フーリエスペクトルのかわりに、応答スペクトル、ランニングスペクトル、ウェーブレット変換を用いてもよい。
また、上記したような損傷判定システム１における基礎杭１３の損傷の有無の判定は、所定以上の震度の地震が生じた後、基礎杭１３の健全性を確認するために、地震の余震時に行うようにしてもよい。
また、損傷判定システム１における基礎杭１３の損傷の有無の判定は、地震が継続している間に、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数と、水平方向の地震情報から得られる水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数との比の変化を監視することで、行うようにしてもよい。この場合、損傷判定部２３は、例えば、基礎杭１３の損傷が生じないようなレベルの地震発生時における、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数と、水平方向の地震情報から得られる水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数との比を基準値として把握しておき、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数と、水平方向の地震情報から得られる水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数との比が、基準値の比よりも大きくなった場合に、基礎杭１３に損傷が生じたと判定するようにしてもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

（関連技術）
次に、本発明の関連技術について説明する。
上記実施形態において、図５、図６を用いて説明したように、基礎杭が損傷している場合には、損傷していない場合に対し、ロッキング振動の回転中心の位置が異なる。したがって、この回転中心の位置の変位を観測することで、基礎杭の損傷を判定することが考えられる。
あるいは、上記実施形態においては鉛直加速度と水平加速度の各々に対してフーリエスペクトルを計算したが、これらの各々を積分して変位に換算し、これを基に基礎杭の損傷を判定することが考えられる。

１損傷判定システム１６、１７センサ
１０構造物２２振動数比算出部
１２上部構造２３損傷判定部
１３基礎杭

Claims

構造物の上部構造を支持するコンクリート製の基礎杭の損傷の有無を判定する、損傷判定システムであって、
前記上部構造に設置されて、前記上部構造の水平方向の地震情報と鉛直方向の地震情報とを取得する、複数のセンサと、
前記水平方向の地震情報と前記鉛直方向の地震情報とから、水平加速度の振動数と鉛直加速度の振動数を計算し、前記水平加速度の振動数に対する前記鉛直加速度の振動数の比で表される振動数比を算出する振動数比算出部と、
前記振動数比が、１．８以上２．２以下である場合に、前記基礎杭に損傷があると判定する、損傷判定部と、を備えており、
前記水平加速度の振動数は、水平加速度フーリエスペクトルの卓越振動数であり、
前記鉛直加速度の振動数は、鉛直加速度フーリエスペクトルの卓越振動数である
ことを特徴とする基礎杭の損傷判定システム。