WO2015059956A1

WO2015059956A1 - 構造物診断装置、構造物診断方法、及びプログラム

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Publication number: WO2015059956A1
Application number: PCT/JP2014/065984
Authority: WO
Inventors: 宗一朗高田; 三上　伸弘; 茂樹篠田; 翔平木下; 佐々木　康弘; 純一郎又賀; 茂葛西
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-04-30
Also published as: JPWO2015059956A1

Abstract

　振動発生部（１１０）は構造物に設置され、この構造物に振動を発生させる。振動検出部（１２０）は、構造物のうち振動発生部（１１０）が設置された場所の振動を検出する。応答関数算出部（１４０）は、振動検出部（１２０）の検出結果に基づいて、振動発生部（１１０）によって構造物で発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する。反共振状態情報算出部（１５０）は、反共振状態情報を算出する。反共振状態情報は、応答関数算出部（１４０）が算出した周波数応答関数の反共振の状態を示す情報である。判断部（１６０）は、反共振状態情報算出部（１５０）が算出した反共振状態情報に基づいて、構造物の劣化状態を判断する。

Description

構造物診断装置、構造物診断方法、及びプログラム

　本発明は、構造物の劣化度を診断する構造物診断装置、構造物診断方法、及びプログラムに関する。

　建築物などの構造物の劣化度を非破壊で検査することが望まれている。例えば非特許文献１には、非破壊検査法の一例として、浸透探傷法及び超音波探傷法が記載されている。浸透探傷法は、設備を構成する部材に蛍光材料を塗布し、構造上の欠陥である傷に浸透した蛍光材料を発光させた上で、目視でその傷を確認する方法である。超音波探傷法は、超音波を部材に照射して、部材の傷を同定する方法である。この方法は、正常箇所と傷の箇所とが、異なる音響インピーダンスを有することを利用したものである。傷の同定は、部材を伝播する超音波信号について、傷の箇所での反射波信号を機械電気変換子で受信することで行う。

　また特許文献１には、コンクリート構造物をハンマーで打撃し、コンクリート構造物を伝播する振動を振動センサで検知し、振動センサの検知結果に基づいてコンクリート構造物の劣化を検査する装置が記載されている。

特開２００６－３００８０９号公報

やさしい非破壊検査技術、５ページ、１９９６年、工業調査会

　構造物を伝播する振動を検出して処理することにより構造物の劣化を判断する場合、処理対象となる振動の帯域を広くしたほうが、判断精度が向上する。しかし、処理対象となる振動の帯域を広くした場合、信号処理のためのハードに必要なコストが上昇してしまう。

　本発明の目的は、構造物を伝播する振動を検出して処理することにより構造物の劣化を判断する場合において、信号処理のためのハードに必要なコストが上昇することを抑制しつつ、広い帯域の振動に関する情報を処理対象に含めることにある。

　本発明によれば、構造物に設置され、前記構造物の表面に、前記表面に交わる方向の振動を発生させる振動発生手段と、
　前記構造物のうち前記振動発生手段が設置された場所における、前記表面に交わる方向の振動を検出する振動検出手段と、
　前記振動検出手段の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物に発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する応答関数算出手段と、
　前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出する反共振状態情報算出手段と、
　前記反共振状態情報に基づいて、前記構造物の状態を判断する判断手段と、
を備える構造物診断装置が提供される。

　本発明によれば、構造物の表面に、振動発生手段を用いて、前記表面に交わる方向の振動を発生させ、
　前記振動発生手段が前記構造物に振動を発生させた場所において、前記表面に交わる方向の振動を検出し、
　前記振動の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物で発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出し、さらに、前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出し、
　前記反共振状態情報を、基準情報と比較することにより、前記構造物の状態を判断する構造物診断方法が提供される。

　本発明によれば、コンピュータを、構造物の状態を判断する構造物診断装置として機能させるためのプログラムであって、
　構造物の表面には、振動発生手段によって、前記表面に交わる方向の振動が発生し、
　前記振動発生手段が前記構造物に振動を発生させた場所において、前記表面に交わる方向の振動が振動検出手段によって検出され、
　前記コンピュータに、
　前記振動検出手段の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物に発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する機能と、
　前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出する機能と、
　前記反共振状態情報を、基準時期における前記反共振状態情報である基準情報と比較することにより、前記構造物の状態を判断する機能と、
を持たせるプログラムが提供される。

　本発明によれば、構造物を伝播する振動を検出して処理することにより構造物の劣化を判断する場合において、信号処理のためのハードに必要なコストが上昇することを抑制しつつ、広い帯域の振動に関する情報を処理対象に含めることができる。

　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

実施形態に係る構造物診断装置の機能構成を示すブロック図である。周波数応答関数について説明する図である。反共振状態情報と、構造物の経過時間（例えば築年数）の関係を示す図である。構造物診断装置の動作を示すフローチャートである。実施例を説明するための図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

　なお、以下に示す説明において、構造物診断装置１０の各構成要素は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。構造物診断装置１０の各構成要素は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、メモリにロードされたプログラム、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶メディア、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置には様々な変形例がある。

　図１は、実施形態に係る構造物診断装置１０の機能構成を示すブロック図である。本実施形態に係る構造物診断装置１０は、振動発生部１１０、振動検出部１２０、応答関数算出部１４０、反共振状態情報算出部１５０、及び判断部１６０を備えている。振動発生部１１０は構造物に設置され、この構造物の表面に、この表面に交わる方向（以下、第１方向と記載：好ましくは表面に垂直な方向）の振動を発生させる。振動検出部１２０は、構造物のうち振動発生部１１０が設置された場所における、第１方向の振動を検出する。応答関数算出部１４０は、振動検出部１２０の検出結果に基づいて、振動発生部１１０によって構造物で発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する。反共振状態情報算出部１５０は、反共振状態情報を算出する。反共振状態情報は、応答関数算出部１４０が算出した周波数応答関数の反共振の状態を示す情報である。判断部１６０は、反共振状態情報算出部１５０が算出した反共振状態情報に基づいて、構造物の状態を判断する。ここで判断される状態には、例えば劣化状態や品質の変化（例えば強度の変化）がある。また、構造物の少なくとも一部がコンクリートで形成されている場合、本実施形態では、この構造物を建造する際におけるコンクリートの養生状態（例えば硬化状態）も、構造物の状態の一例として取り扱うことができる。

　周波数応答関数の反共振には、詳細を後述するように、反共振周波数よりも高い周波数の情報が含まれている。このため、反共振状態情報を用いて構造物の状態、例えば劣化状態を判断すると、反共振周波数よりも高い周波数に起因した情報も含めて構造物の状態を判断することになる。従って、信号処理のためのハードに必要なコストが上昇することを抑制しつつ、広い帯域の振動に関する情報を処理対象に含めることができる。以下、詳細に説明する。

　構造物は、例えばコンクリートを用いて建造されたもの、例えばビル、住宅、橋梁などの建築物である。ただし、構造物は、パイプラインや上下水道などの配管であってもよい。さらに構造物は、金属を用いて構築された構造物（例えば重機や建機などの機械）であってもよい。

　振動発生部１１０は、例えばハンマーなどの打撃手段を有しており、この打撃手段を用いて構造物を打撃することにより、構造物に振動を加える。振動発生部１１０によって構造物に加えられる振動は、ある程度広い帯域の振動を含んでいる。構造物の少なくとも一部がコンクリート及び金属の少なくとも一方を用いて形成されている場合、この帯域は、少なくとも、１００Ｈｚ以上５０ｋＨｚ以下の帯域を含んでいるのが好ましい。打撃手段がハンマーを有している場合、このハンマーの先端は、例えば直径が５～８０ｍｍの球であったり、断面積が１ｍｍ^２以下の凸部となっているのが好ましい。

　振動検出部１２０は、構造物のうち振動発生部１１０が取り付けられている部分に取り付けられており、振動発生部１１０によって構造物に生じた振動を、構造物のうち振動発生部１１０が取り付けられている部分で検出する。すなわち、振動発生部１１０の取付位置と、振動検出部１２０による振動の検出位置は揃えられている。ここで、構造物の厚さをｔとすると、振動検出部１２０による振動の検出位置が、振動発生部１１０の取付位置からｔ／５０以内の範囲にある場合、振動発生部１１０の取付位置と振動検出部１２０による振動の検出位置が揃っていると見なすことができる。例えば振動発生部１１０が構造物を加振する場合、振動検出部１２０は、振動発生部１１０による加振方向と同一方向の振動を検出できる向きに、構造物に取り付けられる。振動検出部１２０は、例えば加速度センサ、速度センサ、変位センサ等である。振動検出部１２０は、例えば圧電素子と、この圧電素子に生じる起電力を増幅する増幅回路を有している。

　振動検出部１２０は、非接触型の振動検出器、例えば、レーザドップラー振動計等であってもよい。振動検出部１２０が非接触型の振動検出器である場合、構造物の表面の凹凸が大きい場合、構造物が高温または低温である場合、構造物が小さい場合など、振動検出部１２０を構造物に設置できないような場合であっても、第１の実施形態に示した効果を得ることができる。また、分析対象の構造物が軽い場合、柔らかい場合など、振動検出部１２０を取り付けると構造物の共振状態が変化する場合においても、振動検出部１２０が非接触型の振動検出器にすると、振動検出部１２０の存在が振動の検出結果に影響を与えることを抑制できる。

　なお、構造物が建造物である場合、振動発生部１１０及び振動検出部１２０は、壁、柱、梁、床、又は基礎などに取り付けられる。また、構造物が上下水道である場合、振動検出部１２０は、取水管、導水管、配水管、給水間、マンホール、消火栓、又は止水弁などに取り付けられる。

　構造物診断装置１０は、情報記憶部１３０を備えている。情報記憶部１３０は、振動検出部１２０が検出したデータを記憶する。

　応答関数算出部１４０は、情報記憶部１３０に記憶されているデータを用いて、構造物に生じた信号の周波数応答関数を算出する。なお、本実施形態では、構造物の振動発生位置と振動の検出位置が同一であるため、この周波数応答関数は、自己周波数応答関数になる。周波数応答関数Ｇｑ（ω）は、以下の（１）式に従って算出される。

　ここで、ｉは共振モードの次数であり、Ω_ｉは次数がｉの共振モードにおける共振周波数であり、φ_ｉは次数がｉの共振モードにおけるモードスペクトルであり、ｋ_ｉは次数がｉの共振モードにおけるモード剛性である。

　そして、応答関数算出部１４０は、算出した周波数応答関数を、情報記憶部１３０に記憶させる。

　反共振状態情報算出部１５０は、情報記憶部１３０が記憶している周波数応答関数を処理することにより、その周波数応答関数における反共振周波数を検出する。そして反共振状態情報算出部１５０は、この反共振周波数を用いて、反共振状態情報を算出する。反共振情報の詳細については、後述する。反共振状態情報算出部１５０は、算出した反共振状態情報を情報記憶部１３０に記憶させる。

　判断部１６０は、情報記憶部１３０が記憶している反共振状態情報を処理することにより、構造物の劣化状態を判断する。例えば判断部１６０は、反共振状態情報算出部１５０が算出した反共振状態情報を、基準情報と比較することにより、構造物の劣化状態を判断する。この判断の詳細についても、上述する。

　図２は、周波数応答関数について説明する図である。周波数応答関数には、図２（ａ）～（ｃ）に例示するように、複数の共振モードに起因した成分が含まれている。各共振モードには、＋となる領域と、－となる領域がある。＋となる領域と、－となる領域の境界は発散している。そして、共振モードの次数が上がるにつれて、この発散している部分の周波数は上がっていく。

　周波数応答関数は、図２（ｄ）に例示するように、上記した複数の共振モードに起因した成分を合成したものである。そして、反共振周波数は、ある共振モードの－の領域の関数と、それより高次の共振モードの＋の領域の関数とを足し合わせることにより、定義される。このため、反共振周波数に基づいた情報（反共振状態情報）は、その反共振周波数より高い周波数の情報を含んでいることになる。

　なお、反共振状態情報は、例えば反共振周波数又は反共振周波溝における振幅であってもよいし、下記（２）式で算出される、反共振周波数の共振尖鋭度Ｑであってもよい。

　　Ｑ＝ｆ^＊／Δｆ^＊・・・（２）
　ただし、ｆ^＊は反共振周波数であり、Δｆ^＊は、周波数応答関数による値が反共振周波数における値の基準値倍（ただし０倍超１倍未満）となる周波数と、反共振周波数との差分である。基準値は、例えば０．５である。

　また、反共振状態情報は、互いに異なるモードの２つの反共振周波数の周波数差であってもよい。この場合において、２つの反共振周波数は互いに隣り合っていなくてもよい。また、一方の反共振周波数は、例えば一次モードの反共振周波数であるが、これに限定されない。また、反共振状態情報は、反共振周波数と共振周波数の周波数差であってもよい。この場合、周波数差の算出対象となる反共振周波数と共振周波数の間には、他の反共振周波数及び共振周波数の少なくとも一方が存在していてもよい。

　図３は、反共振状態情報と、構造物の経過時間（例えば築年数）の関係を示す図である。亀裂などの劣化が発生していなくても、微細な欠陥が生じている。そして、構造物の経過時間が増大していき、上記した微細な欠陥が蓄積されていくと、その構造物の剛性が低下していくため、経過時間に応じて反共振状態情報も変化していく。このため、判断部１６０は、反共振状態が基準値を超えたときに、構造物の劣化が基準以上進んだと判断し、警告処理を行う。なお、この基準値は、予め定義されており、また、予め情報記憶部１３０に記憶されている。

　図４は、本実施形態における構造物診断装置１０の動作を示すフローチャートである。まず、振動発生部１１０は構造物に振動を発生させる。そして振動検出部１２０は、構造物に生じた振動を検出する（ステップＳ１０）。この検出結果は、情報記憶部１３０に記憶される。そして応答関数算出部１４０は、情報記憶部１３０に記憶された振動検出結果を処理することにより、周波数応答関数を算出する（ステップＳ２０）。生成された周波数応答関数は、情報記憶部１３０に記憶される。そして反共振状態情報算出部１５０は、情報記憶部１３０に記憶された周波数応答関数を用いて、反共振状態情報を生成する（ステップＳ３０）。そして判断部１６０は、反共振状態情報算出部１５０が算出した反共振状態情報を、基準情報と比較することにより、構造物の劣化状態を判断する（ステップＳ４０）。この判断結果及び反共振状態情報は、情報記憶部１３０に記憶される。

　以上、本実施形態によれば、判断部１６０は、反共振状態情報を基準値と比較することにより、構造物の劣化状態を判断する。周波数応答関数の反共振には、反共振周波数よりも高い周波数の情報が含まれている。このため、反共振状態情報を用いて劣化状態を判断すると、反共振周波数よりも高い周波数に起因した情報も含めて劣化状態を判断することになる。従って、信号処理のためのハードに必要なコストが上昇することを抑制しつつ、広い帯域の振動に関する情報を処理対象に含めることができる。特に本実施形態では、振動発生部１１０による加振位置と振動検出部１２０による振動検出位置を揃えているため、反共振周波数と共振周波数が必ず交互に現れる。従って、反共振状態情報として多くの情報が容易に得られる。このため、応答関数算出部１４０及び反共振状態情報算出部１５０の演算負荷を小さくすることができる。

　構造物の一例として、コンクリートの塊を建造した。セメントに対する水の重量割合は、５０％とした。また、呼び強度は、１０Ｎ／ｍｍ^２とした。そして、コンクリートの塊を建造してからの養生期間によって、反共振周波数がどのように変化するか、実施形態に示した構造物診断装置１０を用いてを調べた。その結果を図５に示す。

　図５から、養生期間が長くなるにつれて、すなわちコンクリートの強度が増加するにつれて、反共振周波数が変化している（具体的には低くなっている）ことが分かる。一方、共振周波数はほとんど変化していない。これにより、反共振状態情報、例えば反共振周波数や、反共振数端数と共振周波数の差の変化を調べることにより、構造物の状態（例えば硬度）を判断できることが示された。

　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

　この出願は、２０１３年１０月２３日に出願された日本出願特願２０１３－２２０４９３号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。

Claims

　構造物に設置され、前記構造物の表面に、前記表面に交わる方向の振動を発生させる振動発生手段と、
　前記構造物のうち前記振動発生手段が設置された場所における、前記表面に交わる方向の振動を検出する振動検出手段と、
　前記振動検出手段の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物に発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する応答関数算出手段と、
　前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出する反共振状態情報算出手段と、
　前記反共振状態情報に基づいて、前記構造物の状態を判断する判断手段と、
を備える構造物診断装置。
　請求項１に記載の構造物診断装置において、
　前記判断手段は、前記反共振状態情報を基準情報と比較することにより、前記構造物の状態を判断する構造物診断装置。
　請求項１又は２に記載の構造物診断装置において、
　前記反共振状態情報は、反共振周波数である構造物診断装置。
　請求項１又は２に記載の構造物診断装置において、
　前記反共振状態情報は、反共振周波溝における振幅である構造物診断装置。
　請求項１又は２に記載の構造物診断装置において、
　前記反共振状態情報は、下記（１）式で算出される、反共振周波数の共振尖鋭度Ｑである構造物診断装置。
　　Ｑ＝ｆ^＊／Δｆ^＊・・・（１）
　ただし、ｆ^＊は前記反共振周波数であり、Δｆ^＊は、前記周波数応答関数による値が前記反共振周波数における値の基準値倍（ただし０倍超１倍未満）となる周波数と、前記反共振周波数との差分である。
　請求項１又は２に記載の構造物診断装置において、
　前記反共振状態情報は、互いに異なるモードである２つの反共振周波数の周波数差である構造物診断装置。
　請求項１又は２に記載の構造物診断装置において、
　前記反共振状態情報は、反共振周波数と共振周波数の周波数差である構造物診断装置。
　請求項１～７のいずれか一項に記載の構造物診断装置において、
　前記構造物の少なくとも一部は、コンクリートで形成されており、
　前記振動発生手段によって前記構造物で発生する振動の周波数帯域には、１００Ｈｚ以上５０ｋＨｚ以下の周波数帯域が含まれている構造物診断装置。
　構造物の表面に、振動発生手段を用いて、前記表面に交わる方向の振動を発生させ、
　前記振動発生手段が前記構造物に振動を発生させた場所において、前記表面に交わる方向の振動を検出し、
　前記振動の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物で発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出し、さらに、前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出し、
　前記反共振状態情報を、基準情報と比較することにより、前記構造物の状態を判断する構造物診断方法。
　コンピュータを、構造物の状態を判断する構造物診断装置として機能させるためのプログラムであって、
　構造物の表面には、振動発生手段によって、前記表面に交わる方向の振動が発生し、
　前記振動発生手段が前記構造物に振動を発生させた場所において、前記表面に交わる方向の振動が振動検出手段によって検出され、
　前記コンピュータに、
　前記振動検出手段の検出結果に基づいて、前記振動発生手段によって前記構造物に発生した振動に基づく、周波数応答関数を算出する機能と、
　前記周波数応答関数の反共振の状態を示す反共振状態情報を算出する機能と、
　前記反共振状態情報を、基準時期における前記反共振状態情報である基準情報と比較することにより、前記構造物の状態を判断する機能と、
を持たせるプログラム。