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振 動を利 用した 構造 ヘ ルス モ ニタリ ングの ための リ アルタ イムデ ータ処 理法に 関する 研究
2 0 1 4 年 9 月
坂 田 光 児
i
目 次
第
1
章 序 論……….. 1
1.1
緒 言……… 2
1.2
構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 研 究 の 現 状……… 4
1.3
本 論 文 の 目 的 と 各 章 の 構 成……….. 16
第
2
章 基 本 ア ル ゴ リ ズ ム の 提 案……… 20
2.1
は じ め に……….... 21
2.2
時 間 周 波 数 解 析 に 関 す る ア ル ゴ リ ズ ム………. 22
2.2.1 1
自 由 度 振 動 系 の 応 答 に 着 目 し た 狭 帯 域 バ ン ド パ ス フ ィ ル タ に よ る 特 定 周 波 数 成 分 の 抽 出………... 23
2.2.2
移 動 平 均 フ ィ ル タ に よ る 各 周 波 数 成 分 振 幅 の 算 出……… 26
2.2.3
構 造 物 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ ア ル ゴ リ ズ ム と し て の 特 徴…... 29
2.3
時 変 デ ー タ の 時 間 平 均 化 に 関 す る ア ル ゴ リ ズ ム……… 31
2.4
バ ン ド ス ト ッ プ フ ィ ル タ に 関 す る ア ル ゴ リ ズ ム……… 35
2.5
ド リ フ ト 成 分 除 去 に 関 す る ア ル ゴ リ ズ ム………. 37
2.6
お わ り に……… 42
第
3
章 常 時 微 動 応 答 を 用 い た 構 造 物 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ へ の 適 用 法.43 3.1
は じ め に……… 44
3.2
提 案 手 法 の 概 要………... 45
3.3
振 動 環 境 の 違 い が 評 価 結 果 に 与 え る 影 響 の 検 討……… 47
3.3.1
提 案 手 法 に お け る 検 討 項 目………. 50
3.3.2
比 較 手 法 の 概 要 と 検 討 項 目………... 50
3.3.3
ホ ワ イ ト ノ イ ズ を 用 い た 模 擬 デ ー タ に よ る 検 討………. 53
3.3.4
模 型 橋 脚 に よ る 実 測 定 デ ー タ を 用 い た 検 討………. 57
ii
3.4
構 造 物 の 固 有 振 動 数 変 化 検 知 へ の 適 用 例………. 62
3.5
検 討 の ま と め……… 65
3.6
お わ り に………. 67
第
4
章 構 造 物 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ へ の 適 用 法 の 検 討( 伝 達 関 数 を 用 い る 方 法 )………... 69
4.1
は じ め に……….…… 70
4.2
提 案 手 法 の 概 要………. 70
4.2.1
周 波 数 成 分 の リ ア ル タ イ ム 抽 出 法………... 70
4.2.2
応 答 倍 率 算 出 法……….…... 73
4.2.3
位 相 特 性 算 出 法………..….. 74
4.3
広 帯 域 振 動 デ ー タ に 対 す る 精 度 の 検 討……….… 75
4.3.1
模 擬 デ ー タ に つ い て……… 75
4.3.2
検 討 内 容 に つ い て……… 76
4.3.3
検 討 結 果………. 77
4.4
リ ア ル タ イ ム 伝 達 関 数 算 出 法 の 適 用 例……….… 81
4.5
お わ り に……… 84
第
5
章 路 面 性 状 モ ニ タ リ ン グ へ の 適 用 法 の 検 討……….. 85
5.1
は じ め に………. 86
5.2
提 案 す る 計 測 シ ス テ ム の 概 要……….. 87
5.2.1 IRI
と は 何 か………..… 87
5.2.2 IRI
計 測 シ ス テ ム の 概 要………..…… 90
5.3
速 度 変 化 に 対 応 し た 時 間―
空 間 周 波 数 の 変 換 を 含 む 処 理 ア ル ゴ リ ズ ム の 提 案……….. 96
5.3.1
ア ル ゴ リ ズ ム の 概 要……… 97
5.3.2
具 体 的 な ア ル ゴ リ ズ ム……… 98
5.4
提 案 手 法 の 妥 当 性 検 討………..… 101
iii
5.4.1
車 速 変 化 に 対 す る 車 速 依 存 振 動 成 分 除 去 処 理 法 の 妥 当 性 検 討. 101 5.4.2
車 速 が 変 化 す る 測 定 車 両 応 答 か ら 車 速 一 定 の 基 準QC
モ デ ル の 応 答を 求 め る ア ル ゴ リ ズ ム の 妥 当 性 検 討
……….. 104
5.5
実 走 行 時 デ ー タ に よ る 検 証………. 106
5.6
お わ り に………..…. 109
第
6
章 結 論……… 111
6.1
本 論 文 の 結 論………... 112
6.2
今 後 の 課 題 と 展 望……….. 116
6.2.1
今 後 の 課 題……… 116
6.2.2
展 望………. 116
参 考 文 献
……….… 119
謝 辞
………. 128
1
第 1 章
序 論
2
1.1
緒 言近 年 我 が 国 で は 高 い 経 済 成 長 が 見 込 め な い こ と や 、資 源・環 境 へ の 配 慮 か ら イ ン フ ラ ス ト ラ ク チ ャ( 以 下 、イ ン フ ラ )の 長 寿 命 化 の 必 要 性 が 認 識 さ れ つ つ あ る 。イ ン フ ラ の 多 く は 土 木・建 築 構 造 物 で あ り 、そ の 長 寿 命 化 の た め に は 構 造 物 の 劣 化・損 傷 状 況 を 把 握 し 、保 全 に 着 手 す る 優 先 順 位 を 付 け 、ど の よ う な 対 策 を 行 う か を 決 定 す る 必 要 が あ る 。こ の 内 保 全 に 着 手 す る か 否 か を 判 断 す る た め の 構 造 物 の 劣 化・損 傷 状 況 の 把 握 に 関 し て は 、橋 梁 、ト ン ネ ル あ る い は 道 路 と 言 っ た 土 木 構 造 物 に お い て は 基 本 的 に 目 視 検 査 が な さ れ 、 建 築 構 造 物 に お い て も 地 震 等 に よ り あ る 程 度 の 損 傷 が 予 想 さ れ て 初 め て 目 視 主 体 の 検 査 が な さ れ て い る の が 現 状 で あ る 。そ の た め 目 視 検 査 を 行 う 個 々 の 従 事 者 の 技 量 に 依 存 し た 結 果 し か 得 ら れ ず 、ま た 得 ら れ た デ ー タ は ば ら つ き が 大 き な も の と な っ て し ま う 。
こ の よ う な 状 況 を 踏 ま え 、近 年 構 造 物 の 劣 化・損 傷 状 況 を 把 握 す る た め の モ ニ タ リ ン グ 技 術 に 関 す る 多 く の 研 究 が な さ れ て い る 。例 え ば 橋 梁・ト ン ネ ル と 言 っ た 土 木 構 造 物 や 建 築 構 造 物 の 劣 化・損 傷 状 況 を モ ニ タ リ ン グ す る た め の 技 術 は 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ (
Structural Health Monitoring: SHM
) と し て 構 造 物 全 体 の 振 動 を 基 に 構 造 物 の 振 動 特 性 の 変 化 か ら 構 造 物 の 大 ま か な 損 傷 を 検 知 す る 方 法 や 、各 種 セ ン サ を 用 い て 部 材 毎 に ひ ず み や ひ び 割 れ 等 を 測 定 す る 詳 細 な 損 傷 評 価 法 等 が 検 討 さ れ て い る 。ま た 道 路 の 維 持 管 理 に お い て は 舗 装 の 維 持 管 理 指 数MCI
(Maintenance Control Index
)の 基 に な る 路 面 特 性 を 表 す ひ び 割 れ 率 、わ だ ち 掘 れ 量 、平 坦 性( 縦 断 凹 凸 )の 3 つ の 要 因 を 測 定 す る た め の 各 種 測 定 装 置 を 搭 載 し た 路 面 性 状 測 定 車 が 開 発 さ れ 、こ れ で 対 象 路 面 を 走 行 す る こ と で 必 要 な デ ー タ を 取 得 す る こ と が 行 わ れ て い る 。し か し 路 面 性 状 測 定 車 が 高 価 な こ と か ら 数 年 に 一 度 程 度 の 点 検 し か で き ず 、近 年 の よ り 高 頻 度 の 測 定 に よ る 維 持 管 理 の ニ ー ズ に 対 応 で き な い こ と か ら 簡 易 的 な 路 面 性 状 の 評 価 装 置 の 検 討 が な さ れ て い る 。以 上 に 示 す 構 造 物 の 劣 化・損 傷 状 況 を 把 握 す る た め の モ ニ タ リ ン グ 技 術 は 年 々 検 討 が 進 み 技 術 的 に は 進 歩 し て い る が 最 初 か ら 精 度 の 良 い 評 価 法 だ け
3
で モ ニ タ リ ン グ を 行 う に は 一 つ の 対 象 構 造 物 に 多 数 の セ ン サ 等 を 設 置 す る 必 要 が あ り コ ス ト が か か る こ と に な る た め 現 実 的 で は な く 、実 際 の 運 用 で は 常 時 は 大 ま か な 損 傷 評 価 を 行 っ て お き 、何 ら か の 異 常 を 検 知 し た 段 階 で 評 価 位 置 を あ る 程 度 絞 り 込 み 部 材 ご と の 詳 細 な 損 傷 評 価 を 行 う と い っ た 組 み 合 わ せ の 方 法 が 効 率 的 な モ ニ タ リ ン グ 方 法 と し て 用 い ら れ る 。
土 木・建 築 構 造 物 の 大 ま か な 損 傷 評 価 法 で は 、構 造 物 の 損 傷 と 剛 性 と の 間 の 物 理 的 関 連 の 観 点 か ら 構 造 物 の 振 動 特 性 の 変 化 を 見 る こ と で 損 傷 等 の 異 常 検 知 が 可 能 で あ ろ う と の 考 え に よ り 構 造 物 の 振 動 を 利 用 し た 方 法 が 多 く の 研 究 者 に よ っ て 検 討 さ れ て い る
(
例 え ば(1)(2)(3))
。ま た 道 路 や 鉄 道 軌 道 の よ う に 延 長 距 離 が 長 い 構 造 物 に つ い て は そ の 上 を 走 行 す る 車 両 の 振 動 か ら 路 面 の 凹 凸 の 評 価 、 通 過 橋 梁 や 軌 道 の 異 常 検 知 に 関 す る 検 討 が な さ れ て い る(
例 え ば(4)(5)(6))
。こ れ ら の 方 法 の ほ と ん ど は 周 波 数 領 域 の 処 理 法 、時 間 領 域 の 処 理 法 の 違 い は あ る が 振 動 デ ー タ を 収 録 し た 後 に 計 算 処 理 を 行 う か 、あ る い は 振 動 デ ー タ を 集 録 し つ つ あ る イ ン タ ー バ ル で 処 理 を 行 う と い っ た 形 態 を と る こ と に な り 、パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ レ ベ ル の 処 理 能 力 と 記 憶 容 量 を 持 つ 装 置 が 必 要 で コ ス ト が か か る こ と に な り 、デ ー タ を 収 録 後 に 処 理 す る 場 合 に は 処 理 を 行 え る 程 度 の 能 力 の あ る 人 員 が 必 要 に な る 。こ の た め 、従 来 検 討 さ れ て い る 方 法 の 多 く で は コ ス ト の 面 か ら 適 用 対 象 は あ る 程 度 重 要 な 施 設 に 限 ら ざ る を 得 な い 。こ れ に 対 し 多 数 の 部 材 か ら な る 複 雑 な 構 造 物 に も 安 価 で は あ る が 無 線 に よ る デ ー タ 伝 送・演 算 処 理 機 能 を 有 す る ス マ ー ト セ ン サ を 多 数 取 付 け る こ と で そ の 健 全 性 評 価 に 関 す る デ ー タ 処 理 、推 定 、判 断 を 自 動 的 、自 律 的 に 行 え る シ ス テ ム が 提 唱 さ れ て い る
(7)
。す な わ ち 構 造 物 の 振 動 を 利 用 し た ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ で は 構 造 物 に 取 付 け る 振 動 セ ン サ 内 の 演 算 処 理 に よ り 、あ る 程 度 構 造 物 の 振 動 特 性 が 評 価 で き る よ う な 安 価 な ス マ ー ト セ ン サ の 実 現 等 が 一 般 構 造 物 へ の 普 及 に は 必 要 と 考 え る が 、現 状 で は 有 効 な デ ー タ 処 理 法 ま で は 確 立 し て い な い よ う で あ る 。構 造 物 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に 用 い る 安 価 な ス マ ー ト セ ン サ 内 の 演 算 処
4
理 で は 、高 度 な 処 理 能 力 や 大 き な 記 憶 容 量 は 望 め な い で あ ろ う こ と か ら 、計 算 負 荷 、記 憶 容 量 と も 少 な く て 済 む 処 理 法 が 必 要 で あ る 。ま た こ の よ う な ス マ ー ト セ ン サ を 普 及 さ せ る た め に は 、実 際 の 使 用 に お い て 振 動 の 専 門 家 が い な く て も 何 ら か の 異 常 等 が あ っ た か 否 か が 判 る よ う な 1 次 評 価 値 が 得 ら れ る よ う な シ ス テ ム に す る 必 要 が あ り 、振 動 デ ー タ を 取 得 し つ つ 逐 次 処 理 を 行 い 構 造 物 の 状 態 を 見 よ う と し た と き に は そ の 場 で 評 価 結 果 が 得 ら れ る よ う な デ ー タ 処 理 法 が 必 要 で あ る 。
こ れ ら 構 造 物 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ で 使 わ れ る デ ー タ 処 理 と し て は 、構 造 物 の 振 動 特 性 の 変 化 を 見 る た め の 処 理 や 測 定 さ れ た 振 動 デ ー タ に 含 ま れ る 不 要 な 周 波 数 成 分 の 除 去 処 理 等 が あ る 。こ れ ら に 関 し て は 高 速 フ ー リ エ 変 換
(
Fast Fourier Transform: FFT
) を 使 い 周 波 数 領 域 で 処 理 す る 手 法 や 自 己 回 帰 モ デ ル 、デ ィ ジ タ ル フ ィ ル タ の よ う に 時 間 領 域 で 処 理 す る 手 法 が あ る が 、本 論 文 で は 振 動 デ ー タ を 取 得 し て い る 各 サ ン プ ル 時 間 間 隔 内 で 計 算 処 理 が 可 能 な 手 法 と し て 、計 算 負 荷 と 使 用 す る 記 憶 容 量 が 少 な く て 済 む 時 間 領 域 で の リ ア ル タ イ ム デ ー タ 処 理 法 を 提 案 し そ の 特 徴 と 実 施 に お け る 効 果 を 明 ら か に す る 。具 体 的 に は 時 間 周 波 数 解 析 法 、非 定 常 成 分 の 除 去 法 、時 々 刻 々 変 化 す る 狭 帯 域 周 波 数 成 分 の 除 去 法 そ し て 加 速 度 波 形 の 積 分 に お け る ト レ ン ド 成 分 の 除 去 法 に 関 す る 逐 次 処 理 型 の デ ィ ジ タ ル フ ィ ル タ を 提 案 し 、こ れ ら の 特 徴 を 示 す と と も に 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ へ の 適 用 例 と そ の 効 果 に つ い て 明 ら か に す る 。1.2
構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 研 究 の 現 状構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に は 構 造 物 全 体 に つ い て 損 傷 が 生 じ た か 否 か の 大 ま か な 評 価 を 行 う グ ロ ー バ ル な モ ニ タ リ ン グ と 評 価 位 置 を あ る 程 度 絞 り 込 み 部 材 ご と の 詳 細 な 損 傷 評 価 を 行 う ロ ー カ ル な モ ニ タ リ ン グ が 有 り 、こ れ ら に 関 す る 研 究 と し て は 大 き く 分 け る と
(1)
構 造 物 の 損 傷 を 検 知 す る た め の セ ン シ ン グ に 関 す る も の 、(2)
そ れ ら セ ン シ ン グ に お い て 構 造 物 や 構 造 物 群 の 損 傷 を 効 率 よ く 検 知 す る た め の モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム や そ の 要 素 技 術 に 関5
す る も の 、
(3)
振 動 を 利 用 し て 測 定 デ ー タ か ら 構 造 物 の 損 傷 を 検 知 す る 評 価 手 法 に 関 す る も の が あ る 。こ の 分 野 に 関 し て は 多 く の 研 究 者 が そ れ ぞ れ の 考 え 方 で 多 く の 研 究 が な さ れ て い る が 、こ こ で は そ れ ら の 内 特 徴 的 な 研 究 の 例 を 取 り 上 げ 研 究 の 現 状 に つ い て 述 べ る 。(1)
構 造 物 の セ ン シ ン グ に 関 す る 研 究構 造 物 の 損 傷 を 検 知 す る た め の セ ン サ に 関 す る 研 究 に 関 し て は い か に し て 低 コ ス ト で 多 く の 点 を 測 定 で き る か を 目 的 と し た も の が 殆 ど で あ る 。そ の 中 で 多 く 研 究 な さ れ て い る の が 光 フ ァ イ バ を セ ン サ と し て 用 い た も の で あ る 。光 フ ァ イ バ は 電 磁 気 の 影 響 を 受 け ず 、光 フ ァ イ バ そ の も の が 計 測 機 能 と デ ー タ の 伝 送 機 能 を 有 す る と い う 特 徴 が あ り 、特 に セ ン サ 部・伝 送 系 へ の 雷 対 策 が 不 要 な こ と か ら イ ン フ ラ 構 造 物 で の 適 用 に 向 い た も の と な っ て い る 。 光 フ ァ イ バ セ ン サ の 計 測 方 式 は 主 に
(a)
干 渉 型 セ ン サ 、(b)
分 布 型 セ ン サ(c)
多 点 型 セ ン サ に 分 け ら れ る 。(a)
の 干 渉 型 光 フ ァ イ バ セ ン サ に は 幾 つ か の 干 渉 方 式 の も の が あ る が 基 本 原 理 は 構 造 物 に 貼 付 し そ の 変 形 に よ り 伸 縮 す る セ ン サ 部 の 光 フ ァ イ バ と 構 造 物 の 変 形 の 影 響 を 受 け な い 参 照 部 の 光 フ ァ イ バ を 用 い 、伸 縮 す る セ ン サ 部 と 変 化 の 無 い 参 照 部 と の 光 路 長 の 差 に よ る 光 の 干 渉 か ら 構 造 物 の ひ ず み を 測 定 す る も の と な っ て い る 。こ の 方 式 が 光 フ ァ イ バ セ ン サ の 中 で は 一 番 感 度 の 良 い セ ン サ で あ る が 一 つ の ラ イ ン で 一 つ の 区 間 の 平 均 ひ ず み し か 測 定 で き ず 、ま た 測 定 器 が 高 価 と い う 欠 点 が あ る 。こ の 形 の 光 フ ァ イ バ セ ン サ で 土 木 構 造 物 の 変 位 セ ン サ と し て 製 品 化 さ れ て い る の がSOFO
セ ン サ(8)
(SOFO
: フ ラ ン ス 語 のSurveillance d’ Ouvrages par Fibres Optiques
の 略 、ス イ ス 連 邦 工 科 大 学 で 開 発 さ れSmartec
社 で 製 品 化 ) で あ り 、 特 徴 はμm
レ ベ ル の 分 解 能 と 長 期 安 定 性 が 良 い こ と で あ る 。 主 な 特 性 は 表1.1
の よ う に な っ て い る 。 こ の シ ス テ ム の 適 用 の 例 と し て は ス イ ス のEXPO.02
に お け る 鋼 製 の 柱 で 支 え ら れ た 巨 大 木 製 ホ ー ル に お け る 来 訪 者 数 に 対 す る 鋼 製 柱 の 荷 重 の モ ニ タ リ ン グ(9)
、イ タ リ ア の 高 速 道 路 高 架 橋 の 維 持 管 理 法 を 検 討 す る た め の モ ニ タ リ6
ン グ
(9)
、ス イ ス ア ル プ ス に お け る 鉄 道 ト ン ネ ル 建 設 時 の ト ン ネ ル 内 コ ン ク リ ー ト ラ イ ニ ン グ の モ ニ タ リ ン グ(9)
、 お よ び 国 内 で は33
階 建 て 高 層 ビ ル 建 設 中 の2
階 代 表 的 柱5
本 に セ ン サ を 設 置 し 、建 設 中 の 荷 重 変 化 お よ び 常 時 微 動 に よ る 固 有 振 動 数 変 化 の モ ニ タ リ ン グ(10)
、( 独 ) 土 木 研 究 所 の 鋼 製 試 験 橋 梁 の 車 両 通 過 に 対 す る 静 的(11)
、 動 的(12)
荷 重 の モ ニ タ リ ン グ 等 が あ る が 、 ス イ ス で の ト ン ネ ル 工 事 を 除 き い ず れ も ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ と し て は 試 験 適 用 の 範 疇 と な っ て い る 。表
1.1 SOFO
セ ン サ の 主 な 特 性(9) Strain sensor technology Fibre optic interferometric sensor
Strain sensor gauge length 0.2 m to 20m
Maximum cable length 10 km
Strain range -5’000 to + 10’000 μ ε
Strain resolution for dynamic measures 0.2 μ m @ 10 mHz, 0.01 μ m @ 1 Hz and higher Dynamic range for dynamic measurements 1 mHz to 10’000 Hz
Strain resolution for static measurements 2 μ m
Temperature sensitivity <1 μ m / °C / m
(b)
の 分 布 型 セ ン サ は 構 造 物 に 貼 付 し た 一 本 の 光 フ ァ イ バ の 線 上 の 温 度 や ひ ず み の 分 布 が 測 定 可 能 な も の で 、 測 定 方 式 に よ りOTDR
(Optical Time Domain Reflectometry;
レ ー リ ー 散 乱 を 用 い る 方 式 )、ROTDR
(Raman Optical Time Domain Reflectometry;
ラ マ ン 散 乱 を 用 い る 方 式 )、BOTDR
(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry;
ブ リ リ ア ン 散 乱 を 用 い る 方 式 )が あ る 。こ れ ら の 方 式 は 光 フ ァ イ バ へ の パ ル ス 光 の 入 力 時 間 と 各 後 方 散 乱 光 を 測 定 し た 時 間 と の 差 に よ り そ の 散 乱 光 が 発 生 し た 位 置 を 特 定 し て い る 。OTDR
方 式 は 光 フ ァ イ バ の 屈 曲 位 置 に お け る 光 の 強 度 の 損 失 を 測 定 す る も の で 、構 造 物 の 変 形 等 が そ の 位 置 の 光 フ ァ イ バ を 屈 曲 さ せ る よ う な 機 構 を 取 る こ と で そ の 変 化 を 測 定 で き る よ う に し 廃 棄 物 最 終 処 分 場 の 防 水 シ ー ト の 漏 水 検 知 シ ス テ ム(13)
等 で 使 わ れ て い る 。 ま たOTDR
で は 光 フ ァ イ バ 端 面 か ら の フ レ ネ ル 反 射 を 利 用 す る こ と で 光 フ ァ イ バ の 断 線 位 置 が 検 出 で き る こ と を 利 用 し 、構 造 物 の ひ ず み 量 が 設 定 し た 範 囲 に 達 し 場 合 に そ れ に 対 応 し た 光 フ ァ イ バ が 断 線 す る 装 置 が 作 ら れ 、複 数 の 設 定 範 囲 に 対 し て そ れ と 同 じ 数7
の 光 フ ァ イ バ を 配 線 す る こ と で 、ど の 光 フ ァ イ バ が ど の 位 置 で 断 線 し た か を 検 知 し て 構 造 物 の ど の 位 置 に ど の 程 度 の 最 大 ひ ず み が 発 生 し た か が 判 る よ う な セ ン サ も 開 発 さ れ て い る
(14)(15)(16)
。ROTDR
方 式 は 後 方 ラ マ ン 散 乱 光 の 強 度 が そ の 発 生 位 置 で の 光 フ ァ イ バ の 温 度 に 依 存 す る 特 性 を 利 用 し 、入 射 パ ル ス 光 に 対 す る 光 フ ァ イ バ の 各 部 後 方 ラ マ ン 散 乱 光 の 強 度 を 測 定 す る こ と で 光 フ ァ イ バ が 貼 付 さ れ た 構 造 物 各 部 の 温 度 を 測 定 す る も の で あ り 、電 力 ケ ー ブ ル の 温 度 管 理 に よ る 送 電 系 統 の 効 率 運 用 や 信 頼 度 向 上 、ト ン ネ ル や パ イ プ ラ イ ン 、ベ ル ト コ ン ベ ア の 温 度 管 理 や 火 災 検 知 に 使 わ れ て い る(17)
。BOTDR
方 式 は 後 方 ブ リ リ ア ン 散 乱 光 の 周 波 数 シ フ ト 量 が そ れ の 発 生 し た 位 置 の 光 フ ァ イ バ の ひ ず み 量 に 依 存 す る 特 性 を 利 用 し 、入 射 パ ル ス 光 に 対 す る 光 フ ァ イ バ の 各 部 後 方 ブ リ リ ア ン 散 乱 光 の 周 波 数 シ フ ト 量 を 測 定 す る こ と で 光 フ ァ イ バ が 貼 付 さ れ た 構 造 物 各 部 の ひ ず み を 測 定 す る も の で あ る 。こ の 方 式 は 構 造 物 内 に 光 フ ァ イ バ を 埋 め 込 む こ と で 構 造 物 各 部 の ひ ず み を 測 定 で き る と 考 え ら れ る こ と か ら あ た か も 神 経 系 統 の よ う な 働 き を す る セ ン サ と し て 当 初 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に と っ て 一 番 有 望 視 さ れ た も の で あ っ た 。 そ の た め 多 く の 研 究 が な さ れ て お り 、光 フ ァ イ バ に よ る ひ ず み 測 定 の 基 本 特 性 の 研 究(18)
や 鉄 骨 単 純 梁 を 用 い た ひ ず み の 測 定 精 度 の 検 討(19)
が な さ れ て い る 。ま た 、下 水 溝 の 崩 落 検 知 へ の 適 用 性 の 検 討(20)
や 道 路 斜 面 の 表 層 す べ り モ ニ タ リ ン グ へ の 適 用 性 の 検 討(21)(22)
、 実 際 の 構 造 物 へ の 設 置 を 容 易 に す る た め の セ ン サ 構 造 の 開 発 と 小 規 模 橋 梁 で の 実 証 試 験(23)
、実 際 の 通 信 用 ト ン ネ ル の モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム と し て の 適 用(24)
等 が 行 わ れ て い る 。し か し 分 布 型 セ ン サ と し て の 光 フ ァ イ バ セ ン サ は 光 フ ァ イ バ へ の パ ル ス 光 の 入 力 時 間 と 各 後 方 散 乱 光 を 測 定 し た 時 間 と の 差 に よ り そ の 散 乱 光 が 発 生 し た 位 置 を 特 定 し て い る た め 、測 定 に 時 間 が か か る こ と 、測 定 器 が 高 価 な こ と 、そ し て 従 来 型 セ ン サ の ひ ず み ゲ ー ジ 等 に 比 べ 測 定 精 度 が 悪 い こ と 等 か ら 当 初 の 期 待 ほ ど 適 用 へ の 広 が り は み ら れ な い 。
(c)
の 多 点 型 セ ン サ と し て 代 表 的 な も の はFBG
(Fiber Bragg Grating
) を 利8
用 し た 方 法 で あ る
(25)(26)
。FBG
セ ン サ は 光 フ ァ イ バ の 一 部 (5
~20mm
程 度 の 長 さ)
を セ ン サ と し て 用 い る も の で 、図1.1
に 示 す よ う に 光 フ ァ イ バ の コ ア の 部 分 に 屈 折 率 の 異 な る 断 面 を 一 定 間 隔D
で 複 数 作 り 出 す こ と に よ り 、そ の 部 分 に お い て 間 隔D
を 半 波 長 と す る 周 波 数 の 光 だ けBragg
反 射 さ せ る も の で あ る 。図
1.1 FBG
光 フ ァ イ バ セ ン サ の 構 造 と 機 能(26)
こ の 反 射 光 の 周 波 数 は 格 子 間 隔
D
に 依 存 す る た め 光 フ ァ イ バ を 構 造 物 に 貼 付 し 、構 造 物 の ひ ず み に よ り 光 フ ァ イ バ の 格 子 間 隔 がD
か ら ⊿D
だ け 変 化 す れ ばBragg
反 射 し た 光 の 周 波 数 成 分 も ひ ず み が 生 じ て い な い と き の 反 射 光 の 周 波 数f
か ら ⊿f
だ け シ フ ト す る こ と に な り 、 両 者 の 変 化 の 関 係 が 比 例 関 係 に あ る こ と か らFBG
セ ン サ を ひ ず み ゲ ー ジ の よ う に 使 う こ と が 可 能 に な る 。FBG
セ ン サ の 場 合 一 本 の 光 フ ァ イ バ に 十 数 箇 所 程 度 の セ ン サ が 取 付 け ら れ る こ と か ら 分 布 型 光 フ ァ イ バ セ ン サ ほ ど で は な い が 、従 来 セ ン サ に 比 べ ケ ー ブ ル の 引 き 回 し 本 数 を 少 な く で き る メ リ ッ ト が あ る 。た だ し こ の 場 合 、一 本 の 光 フ ァ イ バ に 組 み 込 むFBG
セ ン サ の 格 子 間 隔 は 全 て 異 な っ た も の で な く て は な ら な い 。FBG
セ ン サ は 従 来 型 の ひ ず み ゲ ー ジ と ほ ぼ 同 等 の 測 定 精 度 が あ る た め 多 く の 適 用 例 が あ る 。Serker
等 はMMS(modal macro strain)
と い う 損 傷 指 標 を 用9
い た ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ 法 を 提 案 し 国 内 の 高 速 道 路 の 実 橋 梁 に お い て
FBG
セ ン サ を 用 い た 静 的 お よ び 動 的 測 定 を 行 い 基 礎 的 な 実 証 試 験 を 行 っ て い る(27)
。 岩 城 等 はFBG
を セ ン シ ン グ 素 子 と し て 開 発 し た ひ ず み 計 、 変 位 計 、 温 度 計 の 特 性 試 験 を 行 い 、 こ れ ら セ ン サ 総 計64
個 を7
本 の 光 フ ァ イ バ ラ イ ン 分 け 、1
ラ イ ン 平 均 6 個 の セ ン サ と し12
階 建 て の 鉄 骨 造 建 築 構 造 物 の 建 設 時 に 、4
、5
、6
階 の 制 振 用 パ ネ ル ダ ン パ お よ び 柱 と1
、7
階 床 に セ ン サ を 取 り 付 け た モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム を 運 用 し て お り 茨 城 県 沖 地 震(2002/2/12-22:44:00)
時 の 動 的 デ ー タ 等 を 取 得 し て い る(28)(29)(30)
。 ま た 土 木 建 築 構 造 物 以 外 で も 風 力 発 電 用 の 羽 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ(31)
、船 体 の モ ニ タ リ ン グ や 海 上 作 業 櫓 の モ ニ タ リ ン グ(32)
等 へ の 適 用 も な さ れ て い る 。ま た 、三 田 等 に よ り ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に 用 い る た め の セ ン サ と し て
FBG
を セ ン シ ン グ 素 子 と し て 加 速 度 計 の 開 発(33)
や 加 速 度 と そ の 場 所 の ひ ず み を 同 時 に 測 定 で き るFBG
ハ イ ブ リ ッ ド セ ン サ の 開 発(34)
が 行 わ れ 、 そ の 他 に も 藤 橋 等 に よ る 加 速 度 計 、 津 波 計 、 水 位 計 の 開 発(21)
等 、FBG
を 用 い た セ ン サ の 開 発 も 行 わ れ 製 品 化 も な さ れ て い る 。以 上 の 光 フ ァ イ バ を 用 い た モ ニ タ リ ン グ の 他 に も 低 コ ス ト で 多 く の 点 の 損 傷 検 知 を 行 う た め の セ ン シ ン グ に 関 す る 研 究 が 行 わ れ て い る 。三 田 等 は 損 傷 イ ン デ ッ ク ス セ ン サ と し て 常 時 モ ニ タ リ ン グ を し て い な く て も セ ン サ が 設 置 し て い る 場 所 の 過 去 の 変 位 履 歴 の 最 大 値 ま た は 最 小 値 の み を 機 械 的 に 保 存 す る セ ン サ を 開 発
(35)(36)(37)
し 、 例 え ば 地 震 後 に セ ン サ の 抵 抗 な ど を 測 定 す る こ と で 地 震 時 の 最 大 ま た は 最 小 変 位 を 確 認 で き る よ う な も の と し て い る 。稲 田 等 も 炭 素 繊 維 を 使 う こ と で セ ン サ の 抵 抗 変 化 を 測 定 す る こ と で 過 去 の 最 大 引 張 ひ ず み を 評 価 で き る 最 大 値 記 憶 セ ン サ を 開 発 し(38)
、RC
構 造 物 の 最 大 亀 裂 の 評 価 に 用 い て い る 。森 田 等 は 導 電 性 塗 料 を コ ン ク リ ー ト 構 造 物 の 表 面 に 線 状 塗 布 し そ の 両 端 を パ ッ シ ブ 型RFID
(Radio Frequency
Identification
) タ グ に 配 線 す る こ と で 、 地 震 後 等 に リ ー ダ ラ イ タ ( 無 線 送 受 信 機 + コ ン ト ロ ー ラ ) とRFID
タ グ 間 で 無 線 通 信 を 行 う こ と で 応 答 の 無 か っ たRFID
タ グ と 接 続 し て い る 導 電 性 塗 膜 線 が 断 線 、 す な わ ち 塗 膜 が 塗 ら れ て10
い る コ ン ク リ ー ト 部 材 に 亀 裂 が 生 じ た こ と が 確 認 で き る シ ス テ ム を 提 案 し て い る
(39)
。ま た 圓 等 はAE
セ ン サ とCPU
を 組 み 合 わ せ た ス マ ー トAE
セ ン サ を 開 発(40)
、AE
の 単 位 時 間 当 た り のAE
計 数 が コ ン ク リ ー ト 柱 の 層 間 変 位 に 依 存 す る こ と を 確 認 し 、 こ れ をRC
造 の 建 築 構 造 物 の 柱 に 取 付 け る こ と で 地 震 時 の 建 物 の 各 階 の 層 間 変 位 を 推 定 で き る シ ス テ ム を 開 発 し て い る 。こ の 他 に も 一 般 の デ ィ ジ タ ル ビ デ オ カ メ ラ を 利 用 し 、映 像 に よ る 建 物 層 間 変 位 の 測 定(41)(42)
や 橋 梁 の 変 位 測 定(43)
へ の 適 用 の 提 案 が な さ れ て い る 。以 上 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の セ ン シ ン グ に 関 す る 研 究 の 現 状 に つ い て ま と め る と 、一 部 の 高 安 定 度 、高 精 度 の セ ン シ ン グ に 関 す る も の を 除 き 多 く の 研 究 の 目 的 は い か に 低 コ ス ト で 多 く の 部 材 の 損 傷 を 検 知 す る か に 帰 す る 。従 っ て こ れ ら セ ン シ ン グ に 関 し て は 重 要 構 造 物 や 安 全 安 心 の た め に あ る 程 度 コ ス ト が 掛 る こ と が 容 認 さ れ る 構 造 物 に 対 し て の ロ ー カ ル な モ ニ タ リ ン グ が 対 象 に な る 。
(2)
モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に 関 す る 研 究モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に つ い て は 多 く が ワ イ ヤ レ ス セ ン サ の ネ ッ ト ワ ー ク 化 に 関 す る 研 究 と な っ て い る 。そ の 中 で ネ ッ ト ワ ー ク そ の も の に 関 す る も の と し て は 、三 田 等 が ワ イ ヤ レ ス セ ン サ を 用 い た ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に お い て 伝 送 性 能 や 各 セ ン サ ノ ー ド 間 の 同 期 に 関 す る 検 討
(44)(45)
、 通 信 仕 様 の 設 定 等 実 用 化 の た め の 検 討(46)
を 、松 柴 等 が 地 震 時 等 に お い て モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム の 損 傷 に よ る デ ー タ の 欠 測 を な く す た めCPU
を 搭 載 し た 自 立 型 セ ン サ ノ ー ド を 用 い 、異 な る セ ン サ ノ ー ド 間 で デ ー タ の バ ッ ク ア ッ プ 機 能 を 有 す る 機 構 を 提 案 し 性 能 評 価 を 行 っ て い る(47)
。実 際 に シ ス テ ム を 構 築 し 、実 証 的 な 計 測 を 行 っ て い る も の と し て は 、
Fraser
等 が 高 速 道 路 の 橋 梁 に お い て 多 数 の セ ン サ デ ー タ と3
台 の ビ デ オ 画 像 デ ー タ を 単 一 の パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ で 収 録 す る こ と で 交 通 量 と 加 速 度 等 の 測 定 デ ー タ の 同 期 が と れ る よ う に し 、 こ れ に 無 線LAN
を 用 い て イ ン タ ー ネ ッ ト で 遠 隔 監 視 し 、自 動 的 に シ ス テ ム 同 定 処 理 を 行 い 橋 梁 の 複 数 次 数 の 振 動 パ11
ラ メ ー タ が 求 ま る シ ス テ ム を 構 築 、
3
年 以 上 の 実 証 運 用 を し て い る(48)
。Kom
等 は 無 線 伝 送 機 能 を 有 す る 加 速 度 セ ン サ に よ り 送 水 管 の 損 傷 検 知 に つ い て 検 討 し て お り 、小 規 模 送 水 管 ネ ッ ト ワ ー ク 試 験 装 置 を 用 い た 異 常 の 検 出 実 験 に よ り バ ル ブ の 開 閉 に よ る 送 水 状 況 と 測 定 加 速 度 の 周 波 数 成 分 の 変 化 の 関 係 を 明 ら か に し 、ま た こ こ で 開 発 し た 無 線 伝 送 方 式 を 橋 梁 等 に 設 置 し 、 広 域 設 置 に お け る 同 期 性 能 に つ い て も 示 し て い る(49)
。Pakzad
等 は 無 線 式 セ ン サ シ ス テ ム の 検 討 を し て お り 、 長 尺 橋 梁 に 対 し64
ノ ー ド を 用 い て 各 セ ン サ 間 の 同 期 を と る 無 線 式 加 速 度 計 測 シ ス テ ム を 開 発 し 、ゴ ー ル デ ン ゲ ー ト ブ リ ッ ジ に お い て56
ノ ー ド を 用 い た 測 定 を 行 い 振 動 モ ー ド 等 が 求 め ら れ る こ と を 実 証 し て い る(50)
。Yang
等 は 無 線 式 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク と 無 線 式 ル ー タ を 用 い た イ ン タ ー ネ ッ ト 接 続 を 利 用 し た ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム を 構 築 し 、大 学 キ ャ ン パ ス 内 の 橋 梁 で 無 線 式 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク に よ り 測 定 し た デ ー タ を 約800m
離 れ た と こ ろ に あ る サ ー バ ー に よ っ て モ ニ タ リ ン グ す る 試 験 を 行 っ て い る(51)
。ま た こ れ ら と 少 し 異 な り 、
Spencer Jr.
等 は ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 を 目 的 と し 振 動 デ ー タ を 用 い た 方 法 に お い て 加 速 度 デ ー タ の よ う な 生 デ ー タ を 一 か 所 に 集 め て 収 録 す る 方 法 で は 無 線 式 セ ン サ を 用 い た と し て も コ ス ト が か か り 、使 い 勝 手 に 難 が あ る と い う こ と で 、個 々 の セ ン サ に デ ー タ 処 理 機 能 を 持 た せ た ス マ ー ト セ ン サ の 開 発 が ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 に 役 立 つ こ と を 提 案 し 、無 線 式 ス マ ー ト セ ン サ の 開 発 を 行 っ て い る(52)
。た だ し こ の 研 究 で は ス マ ー ト セ ン サ で 分 散 的 に 時 刻 歴 デ ー タ を 取 得 す る と こ ろ ま で で 、従 来 研 究 さ れ て い る シ ス テ ム 同 定 法 の よ う な 複 雑 な ア ル ゴ リ ズ ム で は ス マ ー ト セ ン サ のCPU
で は 処 理 が 難 し い の で 、 よ り 簡 易 な ア ル ゴ リ ズ ム の 開 発 が 必 要 と 述 べ る に 留 ま っ て い る 。 ま た 長 山 等 はSpencer Jr.
も 含 め ス マ ー ト セ ン サ に 関 し 、各 セ ン サ ノ ー ド 間 の 情 報 の や り 取 り が で き る ネ ッ ト ワ ー ク ア ー キ テ ク チ ャ の 検 討 も し て お り 、 実 験 に よ る 検 証 を 行 っ て い る(53)(54)
。以 上 モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に 関 す る 研 究 の 現 状 に つ い て ま と め る と 、ケ ー ブ ル 敷 設 の 手 間 と コ ス ト を 削 減 す る た め の 無 線 式 セ ン サ ネ ッ ト ワ ー ク に 関
12
す る も の が 多 く 、ネ ッ ト ワ ー ク そ の も の の 性 能 や ア ー キ テ ク チ ャ に 関 す る 研 究 と 、実 際 に シ ス テ ム を 構 築 し 実 際 の 構 造 物 に 適 用 し 適 用 性 を 見 て い る 研 究 が 多 く み ら れ る 。た だ し 一 部 に は さ ら に 踏 み 込 み 、ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ を 普 及 す る た め の ス マ ー ト セ ン サ に 言 及 し た 研 究 も み ら れ る が そ の 具 体 的 な 方 法 ま で は 踏 み 込 ま れ て い な い 。
(3)
振 動 を 利 用 し て 測 定 デ ー タ か ら 構 造 物 の 損 傷 を 検 知 す る 評 価 手 法 に 関 す る 研 究構 造 物 の 振 動 測 定 デ ー タ か ら 構 造 物 の 振 動 特 性 を 同 定 す る 研 究 は 多 く の 研 究 者 が 行 っ て い る が 、実 際 の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に 組 み 込 む に は 足 り な い 点 も 見 受 け ら れ る 。そ の よ う な 中 で 、金 澤 等 は 常 時 微 動 の 構 造 物 の 応 答 の み か ら 構 造 物 の 振 動 特 性 を 同 定 す る 方 法 に お い て 、同 定 手 法 を 実 構 造 に 適 用 し た 時 に は 測 定 デ ー タ に 構 造 物 の 全 体 振 動 特 性 と 関 係 の な い 機 械 振 動 や 部 材 の 局 所 的 な 振 動 の 影 響 が 含 ま れ 、こ れ に よ り 推 定 精 度 が 低 下 す る こ と に な る た め 、 こ れ を 改 善 す る 方 法 の 提 案 を 行 っ て い る
(1)(55)
。 岡 林 等 はAR
モ デ ル を 用 い た 構 造 物 の 振 動 特 性 同 定 法 に お い て 、多 く の 次 数 の 同 定 結 果 か ら 構 造 物 の 振 動 特 性 に 関 す る も の の み を 自 動 的 に 選 択 す る 手 法 を 提 案 、振 動 計 測 か ら 構 造 物 の 振 動 特 性 の 推 定 ま で を 自 動 的 に 処 理 で き る シ ス テ ム を 構 築 し 、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン や 模 型 試 験 、実 橋 梁 で の 実 証 試 験 を 通 じ 推 定 精 度 の 検 証 を 行 い 実 用 可 能 な こ と を 示 し て い る(2)(56)
。小 坪 等 は 静 穏 時 の 常 時 微 動 だ け で な く 車 両 が 通 過 し て い る よ う な 非 定 常 な 振 動 入 力 が 含 ま れ る 場 合 に お け る 構 造 物 の 固 有 振 動 数 、減 衰 定 数 の 推 定 精 度 に つ い て 示 し て い る(57)
。和 泉 等 は 建 築 構 造 物 の 基 礎 部 と 上 部 構 造 の 常 時 微 動 応 答 デ ー タ を 用 い 、こ れ ら か ら 伝 達 関 数 を 求 め 特 に そ れ ら の コ ヒ ー レ ン ス に 着 目 し 、地 盤 か ら 伝 わ る 振 動 に よ る 励 振 に 対 し 風 荷 重 に よ る 励 振 が あ る 場 合 の 推 定 精 度 へ の 影 響 度 合 い の 検 討 法 を 示 し て い る(58)
。 ま た 斉 藤 はARX
モ デ ル を 利 用 し た 「 モ ー ド 解 析 型 多 入 力 多 出 力ARX
モ デ ル(MIMO-ARX-MA)
」を 提 案 し 、制 振 装 置 を 有 す る 高 層 建 物 シ ス テ ム の 地 震 時 応 答 に よ る 振 幅 依 存 性 を 持 つ 構 造 物 の 振 動 特 性13
同 定 法 を 示 し て い る
(59)
。振 動 特 性 の 同 定 結 果 の 使 い 方 に 関 す る 研 究 と し て 、横 山 等 は 橋 脚 へ の 地 震 入 力 と 橋 脚 の 地 震 応 答 の 関 係 に つ い て 橋 脚 の 健 全 時 に 学 習 し た ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク
(NN)
を 用 い 、地 震 時 の 入 力 に よ る 橋 脚 応 答 のNN
推 定 値 と 実 際 の 橋 脚 応 答 測 定 値 間 の 振 幅 比 、位 相 誤 差 か ら リ ア ル タ イ ム に 橋 脚 の 損 傷 を 判 定 す る 手 法 を 提 案 し て い る(60)
。萩 原 等 は 同 定 し た 振 動 特 性 の 共 振 周 波 数 お よ び 反 共 振 周 波 数 か ら サ ポ ー ト ベ ク ト ル マ シ ン(SVM)
を 用 い る こ と で 損 傷 位 置 や 損 傷 程 度 の 判 定 が 可 能 な 手 法 の 提 案 を 行 っ て い る(61)
。ま た 、振 動 特 性 の 同 定 を 行 わ な い 方 法 と し て 楠 等 は 本 震 後 の 余 震 に よ る 二 次 被 害 を 低 減 す る こ と を 目 的 に 、低 層 建 物 に 関 し 基 礎 と 上 部 構 造 に 設 置 し た 二 台 の 加 速 度 計 の デ ー タ か ら リ ア ル タ イ ム に 残 余 耐 震 性 能 を 判 定 す る 手 法 を 提 案 し て い る(62)
。 な お 損 傷 検 知 法 そ の も の で は な い が 飛 田 等 は 建 設 時 の 高 層 建 物 を 用 い 、継 続 的 な 振 動 測 定 に よ り 建 設 時 の 建 物 の 固 有 振 動 数 が ど の よ う に 変 化 を す る か の デ ー タ を 取 っ て お り 、結 果 は 既 往 の 建 物 の 結 果 と ほ ぼ 同 じ で 階 高H
に 対 し 1 次 固 有 周 期T
がT=0.02H(
秒)
で 表 せ る こ と が 確 認 さ れ て い る(63)
。ま た 荒 川 等 は 鉄 骨 造 高 層 建 物 に お い て100
ヵ 月 以 上 の 常 時 微 動 計 測 を 定 期 的 に 行 っ た デ ー タ を 取 得 し 、固 有 振 動 数 や 減 衰 定 数 の 経 年 変 化 や 日 変 化 デ ー タ を 取 っ て お り 、建 設 完 了 時 に 比 べ100
ヵ 月 経 っ た 時 点 で の 経 年 変 化 と し て 1 次 固 有 振 動 数 が5%
程 度 低 下 し て い る デ ー タ が 得 ら れ 、 同 一 日 の 測 定 結 果 に お け る 1 次 固 有 振 動 数 の ば ら つ き は 変 動 係 数 で0.25%
程 度 以 下 で あ る こ と が 確 認 さ れ て い る(64)
。振 動 を 利 用 し て 測 定 デ ー タ か ら 構 造 物 の 損 傷 を 検 知 す る 評 価 手 法 に 関 す る 研 究 の 現 状 に つ い て ま と め る と 構 造 物 の 振 動 特 性 の 同 定 に 関 す る 研 究 の 多 く は デ ー タ を 収 録 し た 後 で 後 処 理 に よ り 実 行 さ れ る も の で あ り 、処 理 に あ た っ て も 振 動 の 専 門 家 が 測 定 対 象 ご と の 性 質 を 考 慮 し て パ ラ メ ー タ な ど を 設 定 す る 必 要 の あ る も の で あ る が 、こ こ に 示 し た 研 究 に つ い て は 実 際 の 構 造 物 へ の 同 定 手 法 の 適 用 に 際 し て 、専 門 家 の 判 断 を 不 要 に す る た め の 一 助 に 関 す る も の や 評 価 の 自 動 化 に 関 す る も の お よ び 同 定 結 果 と 損 傷 度 合 を 関 連 付
14
け 損 傷 判 定 に 結 び 付 け る た め の も の 等 、ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ を よ り 実 用 化 に 近 づ け る も の で あ ろ う 。た だ し こ こ で 示 し た 研 究 に つ い て も 手 法 を 適 用 す る た め の 処 理 装 置 と し て パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ レ ベ ル の 能 力 が 必 要 と な る こ と か ら 適 用 対 象 の 構 造 物 と し て は 重 要 構 造 物 や 安 全 安 心 の た め に あ る 程 度 コ ス ト が 掛 る こ と が 容 認 さ れ る 構 造 物 に 限 ら れ る 。そ の た め ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 に は
(2)
の モ ニ タ リ ン グ シ ス テ ム に 関 す る 研 究 の 一 部 で 言 及 さ れ て い る よ う な ス マ ー ト セ ン サ に 適 用 可 能 な 簡 易 な ア ル ゴ リ ズ ム の 開 発(52)
が 必 要 で あ る 。(4)
そ の 他 道 路 や 鉄 道 軌 道 の よ う に 延 長 距 離 が 長 い 構 造 物 の モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 研 究道 路 や 鉄 道 軌 道 の よ う に 延 長 距 離 が 長 い 構 造 物 に つ い て は 各 位 置 の 構 造 物 の 検 査 を 個 々 に 行 に は 手 間 も コ ス ト も か か る こ と に な る た め 、例 え ば 鉄 道 構 造 に 関 し 、新 幹 線 等 で は ド ク タ ー イ エ ロ ー 等 特 殊 な 計 測 車 両 を 営 業 線 上 で 走 行 す る こ と に よ り 軌 道 の 健 全 性 等 を 評 価 し て い る 。し か し 中 小 鉄 道 で は こ の よ う な も の は コ ス ト 的 に 無 理 で あ ろ う こ と か ら 石 井 等 は 中 小 鉄 道 で も 運 用 可 能 な 営 業 車 両 の 床 上 に 加 速 度 計 を 設 置 し 、上 下 あ る い は 左 右 の 加 速 度 デ ー タ の
RMS
値 と 軌 道 の 上 下 あ る い は 左 右 軌 道 狂 い の 相 関 関 係 を 利 用 し 、 軌 道 の 管 理 を 行 う シ ス テ ム を 提 案 し て い る(6)
。松 岡 等 は 軌 道 上 を 走 行 す る 車 両 が 橋 梁 を 通 過 し た 場 合 、そ の 時 点 の 車 軸 加 速 度 に 橋 梁 固 有 の 振 動 数 成 分 が 重 畳 す る こ と を 利 用 し 、 走 行 時 の 車 軸 加 速 度 とGPS
に よ る 走 行 位 置 デ ー タ か ら 走 行 し た 橋 梁 の 振 動 特 性 を 評 価 す る 手 法 を 提 案 し て い る(65)
。道 路 構 造 物 に 関 し て は 舗 装 路 面 の 状 態 評 価 に 関 し て 朝 川 等
(5)
や 中 島 等(66)(4)
が 一 般 の 乗 用 車 に 取 り 付 け た 加 速 度 計 の デ ー タ か ら 路 面 の 平 坦 性 を 評 価 す る 手 法 の 提 案 を し て い る 。朝 川 等(5)
の 手 法 は 乗 用 車 の 床 の 上 下 加 速 度 のRMS
値 と 路 面 の 平 坦 性 の 相 関 関 係 を 利 用 し て お り 、 中 島 等 の 手 法 は 乗 用 車 の 一 つ の サ ス ペ ン シ ョ ン の 相 対 変 位 を サ ス ペ ン シ ョ ン 上 下 に 付 け た 加 速 度 計 ま た は 相 対 変 位 計 に よ り 測 定 し 、そ の 周 波 数 デ ー タ を 測 定 車 両 の 振 動 特 性15
で 補 正 し 路 面 平 坦 性 を 求 め て い た が
(66)
、後 に 時 間 領 域 で 測 定 車 両 の 振 動 特 性 を 補 正 す る 等 の 改 良 を 行 い 測 定 車 の 車 速 が 変 動 し て も 評 価 可 能 な 測 定 シ ス テ ム を 開 発 し て い る(4)
。こ れ ら の 研 究 に お い て 特 に 重 要 な こ と は 建 物 や 個 々 の 橋 梁 へ の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 と 同 様 、営 業 車 両 に よ る 軌 道 デ ー タ 測 定 や 乗 用 車 を 用 い た 路 面 平 坦 性 デ ー タ 測 定 に お い て 振 動 の 専 門 家 に よ る 処 理 等 を 必 要 と せ ず 、測 定 の た め の 走 行 が 終 了 し た 時 点 で 評 価 デ ー タ が 得 ら れ て い る こ と が 必 要 で あ る 。
本 節 に お い て 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に 関 す る 研 究 の 現 状 に 関 し て 述 べ て き た が 、 こ れ ら 研 究 が 過 去
20
年 以 上 な さ れ て い る の に 実 際 の 構 造 物 へ の ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 導 入 は 特 定 の 構 造 物 に 試 験 的 に 導 入 さ れ て い る 程 度 で あ る の が 現 状 で あ り 、ま た 標 準 的 な モ ニ タ リ ン グ 方 法 と し て 確 立 さ れ た も の も な い 。そ こ で 本 論 文 で は 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 を 目 的 と し た 研 究 に つ い て 述 べ る こ と と す る 。構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 に お い て は 最 初 の 導 入 が 低 コ ス ト で す む 必 要 が あ る 。損 傷 の 位 置 や 程 度 が 判 っ て も コ ス ト が 高 く な れ ば 導 入 の ハ ー ド ル も 高 く な っ て し ま う た め 、損 傷 の 有 無 あ る い は そ れ ま で と 異 な っ た 状 態 が 生 じ た こ と が 判 定 で き る 程 度 の も の を 低 コ ス ト で 実 現 す る 必 要 が あ る 。ま た 、運 用 に あ た っ て は 専 門 家 の 処 理 や 判 断 を 必 要 と し な い シ ス テ ム で な く て は な ら な い 。そ の た め 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 に 必 要 な 技 術 と し て こ こ で は 低 コ ス ト のCPU
で も 処 理 で き る よ う に 簡 易 で 記 憶 容 量 も 少 な く て 済 み 、か つ デ ー タ を 収 録 し つ つ 逐 次 処 理 が 可 能 な ア ル ゴ リ ズ ム を 扱 う 。す な わ ち 、本 論 文 で は 安 価 な 計 測 処 理 装 置 に 組 み 込 み サ ン プ リ ン グ 時 間 間 隔 内 で の 処 理( リ ア ル タ イ ム 処 理 )を 行 い 振 動 測 定 が 終 わ っ た 時 点 で 必 要 な 評 価 結 果 の み が 得 ら れ る よ う な ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 す る 。 な お 、本 論 文 で 用 い る リ ア ル タ イ ム デ ー タ 処 理 と は 測 定 装 置 で 測 定 さ れ た デ ー タ を 測 定 の サ ン プ リ ン グ 時 間 間 隔 内 で 逐 次 処 理 が 完 結 で き る 処 理 を 指 し て お り 、測 定 対 象 の 現 象 の 変 化 を 瞬 時 的 に 表 示・出 力 す る リ ア ル タ イ ム 表 示16
あ る い は リ ア ル タ イ ム 出 力 と は 異 な る 。
構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に お け る 本 研 究 の 位 置 付 け を 図
1.2
に 示 す 。加速度 変位 ひずみ 亀裂 温度 画像
等 集中管理
集中計測 個別計測
個別管理
単一モード固有振動数 単一モード減衰定数 複数モード固有振動数 複数モード減衰定数 振動モード形状 変位・たわみ 部材ひずみ 応力頻度 部材亀裂 状態画像 等 リアルタイム
評価 有線
一体
有線
メモリカード等間欠回 収(評価結果データ)
無線
or
有線(評価結果データ)
無線
or
有線(時刻歴等生データ)
後処理評価
(収録中の間 欠評価含む)
光ファイバセンサ 最大値記憶センサ 亀裂検知センサ
等 多くの研究が低コ スト多点計測につ いてであり集中計 測・集中管理に係 るもの
組み込み評価手法 無線式センサネットワーク 画像同期
自動計測 等 提案手法以外、多くの研究 がケーブル敷設費削減、セ ンサ設置の自由度向上につ いてであり、個別計測・集 中管理に係るもの
各種構造特性同定法 評価の自動化 評価指標の確立
基本は後処理で集中管理に 係るもの
センシング技術 モニタリングシステム 評価手法・評価指標
モ ニ タ リン グ の構 成 内 容
現状 ま で の主 な 研 究
青字:提案手法に直接関するもの 紫字:提案手法の関連技術 緑字:将来関連可能な拡張技術 赤字:主な研究内容のまとめ
図
1.2
構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ に お け る 本 研 究 の 位 置 付 け1.3
本 論 文 の 目 的 と 各 章 の 構 成本 論 文 で は 振 動 を 利 用 し た 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 を 目 的 と し た 研 究 に つ い て 述 べ る 。構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の 普 及 に お い て は 最 初 の 導 入 が 低 コ ス ト で す む 必 要 が あ る た め 、そ れ に 必 要 な 技 術 と し て こ こ で は 低 コ ス ト の
CPU
で も 処 理 で き る よ う に 簡 易 で 記 憶 容 量 も 少 な く て 済 み 、 か つ デ ー タ を 収 録 し つ つ 逐 次 処 理 が 可 能 な ア ル ゴ リ ズ ム を 扱 う こ と に す る 。す な わ ち 、 本 論 文 で は 安 価 な 計 測 処 理 装 置 に 組 み 込 み 振 動 測 定 が 終 わ っ た 時 点 で 必 要 な 評 価 結 果 の み が 得 ら れ る よ う な ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 す る 。本 論 文 は
6
つ の 章 よ り 構 成 さ れ て い る が 第2
章 で は 構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ の リ ア ル タ イ ム 処 理 に 必 要 な 基 本 ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 す る 。 第3
章 と 第4
17
章 で は 構 造 物 の 損 傷 等 の 異 常 検 知 に 関 し 常 時 微 動 を 用 い た 構 造 物 の 固 有 振 動 数 の 変 化 で 評 価 す る 手 法 へ の 適 用 法 を 示 す 。第
5
章 で は 延 長 距 離 が 長 い 構 造 物 の 代 表 で あ る 道 路 路 面 性 状 の 評 価 へ の 適 用 法 を 示 す 。以 下 、第2
章 以 降 の 概 要 は 次 に 示 す と お り で あ る 。第
2
章 で は 常 時 微 動 の 測 定 デ ー タ か ら 構 造 物 の 固 有 振 動 数 の 変 化 を み て 異 常 の 有 無 を 検 知 し よ う と す る 方 法 お よ び 道 路 や 鉄 道 の 軌 道 の よ う に 延 長 距 離 が 長 い 構 造 物 に 対 し て そ の 上 を 走 行 す る 車 両 の 振 動 デ ー タ か ら 構 造 物 の 特 性 を 評 価 す る 方 法 に お い て 必 要 と な る 基 本 的 な 処 理 方 法 を 検 討 す る 。す な わ ち 、(a)
時 間 周 波 数 解 析 に 関 す る 処 理 、(b)
時 刻 歴 デ ー タ の 時 間 平 均 化 に 関 す る 処 理 、(c)
特 定 周 波 数 成 分 の み を 取 り 除 く こ と に 関 す る 処 理 、(d)
振 動 計 測 デ ー タ に 含 ま れ る ド リ フ ト 成 分 除 去 に 関 す る 処 理 の4
つ の 基 本 的 な 処 理 に つ い て そ れ ぞ れ 最 大 で2
次 の 無 限 イ ン パ ル ス 応 答 フ ィ ル タ(2
サ ン プ ル 前 ま で の 入 出 力 デ ー タ の み を 使 用 す るIIR
フ ィ ル タ: Infinite impulse response filter) と す る こ と に よ り デ ー タ 取 得 の サ ン プ リ ン グ 時 間 間 隔 内 で
処 理 が 可 能 な 簡 便 な ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 し 、 そ の 基 本 的 な 特 性 を 示 す 。 第3
章 で は 構 造 物 の 常 時 微 動 応 答 の み か ら 構 造 物 の 固 有 振 動 数 を 推 定 し そ の 変 化 か ら 構 造 物 の 損 傷 等 の 異 常 を 検 知 す る 方 法 に 関 し 、第2
章 の 基 本 ア ル ゴ リ ズ ム の 内(a)
の 時 間 周 波 数 解 析 に 関 す る 処 理 と(b)
の 時 刻 歴 デ ー タ の 時 間 平 均 化 に 関 す る 処 理 を 組 み 合 わ せ 、一 定 時 間 内 の 周 波 数 成 分 毎 の 平 均 ス ペ ク ト ル を 逐 次 算 出 で き る ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 す る 。ま た 定 常 ノ イ ズ や 非 定 常 ノ イ ズ が 含 ま れ る 常 時 微 動 応 答 デ ー タ に 用 い た 場 合 の 検 討 を 行 い 、そ の 結 果 ノ イ ズ の 混 入 状 況 に 応 じ た 提 案 手 法 の パ ラ メ ー タ 設 定 と 評 価 結 果 の 固 有 振 動 数 の 推 定 精 度 と の 関 係 に つ い て 明 ら か に す る 。な お 、提 案 手 法 を 組 み 込 ん だ 測 定 器 で は 構 造 物 の 固 有 振 動 数 の よ う な 一 次 評 価 値 の み が 出 力 と し て 得 ら れ る た め 、多 量 の 記 憶 容 量 を 必 要 せ ず に 評 価 値 が 得 ら れ る こ と か ら 構 造 物 の 固 有 振 動 数 の 日 変 化 や 季 節 変 化 に 埋 も れ る よ う な 損 傷 に よ る 変 化 も 専 門 家 に よ る 処 理 や 判 断 を 必 要 と せ ず に 見 つ け ら れ る で あ ろ う こ と を 示 す 。第