JP7558801B2 - 構造物劣化診断システム - Google Patents

Description

本開示は、橋梁等の構造物の劣化診断を行う構造物劣化診断システムに関する。

構造物の異常を検知する従来技術として、異常を検知するための特徴量として固有振動数を用いる構造物異常検知システムがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に係るシステムは、固有振動数の振動強度などについて、複数位置間の関係性を評価して、異常を検知している。

国際公開第２０１７／０６４８５５号

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１では、固有振動の変化に基づいて構造物の劣化を検知することができる。しかしながら、固有振動は、劣化の兆候が現れるタイミングが比較的遅い。従って、劣化を検知するまでの時間が比較的長くかかることとなる。

また、振動形状の節付近で劣化が発生した場合には、固有振動数への影響は小さく、固有振動数の変化が現れにくくなってしまい、高精度に劣化を検知できない問題がある。このような問題を回避するためには、大量のセンサが必要となり、製造コストの上昇を招いてしまう。

本開示は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、製造コストの上昇を抑制するとともに、固有振動による劣化検知と比較して、より早いタイミングで構造物の劣化を検知することのできる構造物劣化診断システムを得ることを目的とする。

本開示に係る構造物劣化診断システムは、構造物に設置され、活荷重による構造物の活荷重変位を測定する複数のセンサと、複数のセンサのそれぞれにより監視期間中に測定された活荷重変位に関して、あらかじめ決められたサンプリング周期で順次取得することで変位量の時系列データを生成し、生成した時系列データから、あらかじめ設定された同一の時間範囲ごとに時系列データに含まれている変位量の最大値と最小値との差分として、複数のセンサのそれぞれの最大変位量を算出し、複数のセンサのそれぞれについて同一の時間範囲ごとに算出した最大変位量の相互の関係性の時間的変化から構造物の劣化進行状態を定量的に判断することで、構造物の劣化診断を行う診断部とを備えるものである。

本開示によれば、製造コストの上昇を抑制するとともに、固有振動による劣化検知と比較して、より早いタイミングで構造物の劣化を検知することのできる構造物劣化診断システムを得ることができる。

本開示の実施の形態１に係る構造物劣化診断システムの構成図である。 本開示の実施の形態１に係る構造物劣化診断システムの診断対象である構造物に対して２つのセンサが設置され、定常状態と劣化進行状態における診断状態を示した説明図である。 本開示の実施の形態１において、センサとして加速度センサを用いた場合の説明図である。 本開示の実施の形態１における２つのセンサを用いた劣化診断において、定常状態と劣化進行状態とを対比して示した説明図である。 本開示の実施の形態１における５つのセンサを用いて構造物の劣化診断を行うための説明図である。 本開示の実施の形態１における劣化診断手法を説明するための図である。 本開示の実施の形態１における２つのセンサを用いた劣化診断の有効性を説明するための図である。

以下、本開示の構造物劣化診断システムの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本開示は、複数のセンサのそれぞれについて算出した最大変位量の相互の関係性の時間的変化から構造物の劣化診断を迅速に行うことを技術的特徴とするものである。

実施の形態１．
本実施の形態１では、構造物の構造体に２以上のセンサを設ける場合の一例として、橋梁の主桁に設置された２つのセンサによる測定結果の比較に基づいて構造物の劣化診断を行う場合について説明する。

図１は、本開示の実施の形態１に係る構造物劣化診断システムの構成図である。本実施の形態１における構造物劣化診断システムは、２つのセンサ１０（１）、１０（２）と、診断部２０とを備えて構成されている。

また、図２は、本開示の実施の形態１に係る構造物劣化診断システムの診断対象である構造物に対して２つのセンサ１０（１）、１０（２）が設置され、定常状態と劣化進行状態における診断状態を示した説明図である。図２では、構造物の具体例として橋梁３０が示されている。

図２（ａ）は、劣化が発生する前の定常状態を示している。一方、図２（ｂ）は、劣化により橋梁３０に亀裂が発生している劣化進行状態を示している。

本実施の形態１において、センサ１０（１）、１０（２）は、橋梁３０の構成部品である主桁に設置される。ここで、主桁は、診断対象である構造物の構造体に相当する。

なお、以下の説明では、２つのセンサ１０（１）、１０（２）による検出結果に基づいて劣化診断を行う場合について説明する。ただし、センサ１０自体は、橋梁３０の３箇所以上に設置されていてもよい。３つ以上のセンサ１０が設置されている場合には、個々のセンサ１０の設置位置における検出結果を、他のセンサとの検出結果と比較することで、複数の劣化診断結果を得ることができる。

センサ１０（１）、１０（２）のそれぞれは、橋梁３０に発生する活荷重による、橋梁３０の活荷重変位を測定する。ここで、活荷重とは、荷重の大きさが一定ではなく、その作用位置が変化するものを意味している。そして、このような活荷重が変位する要因としては、橋梁３０を通過する車両１の重量のほか、橋梁３０そのものの自重、地震によって橋梁３０に働く慣性力などが挙げられる。

なお、センサ１０（１）、１０（２）には、活荷重変位を直接計測するもの（例えば、変位センサ等）、および物理量の検出結果を活荷重変位に変換して測定結果として出力するもの（例えば、加速度センサ等）が含まれる。

図３は、本開示の実施の形態１において、センサ１０として加速度センサを用いた場合の説明図である。図３では、ある時間範囲における加速度αおよび変位量ΔＬの時系列データを示すとともに、変位量ΔＬの時系列データに基づいて算出される最大変位量ΔＬ_ＭＡＸを示している。

センサ１０として加速度センサを用いた場合には、診断部２０は、センサ１０から測定結果として出力される活荷重変位を、あらかじめ決められたサンプリング周期で順次取得することで、変位量ΔＬの時系列データを生成する。そして、診断部２０は、ある時間範囲における変位量ΔＬの時系列データに基づいて、最大変位量ΔＬ_ＭＡＸを算出することができる。

本実施の形態１に係る構造物劣化診断システムは、事前に基準値を生成しておく必要なしに、監視期間中において、２つのセンサ１０（１）、１０（２）による測定結果から生成された最大変位量の、相互の関係性の時間的変化から、構造物である橋梁３０の劣化診断を行う点に技術的特徴を有している。そこで、診断部２０により実行される具体的な劣化診断方法について、次に詳細に説明する。

図４は、本開示の実施の形態１における２つのセンサ１０（１）、１０（２）を用いた劣化診断において、定常状態と劣化進行状態とを対比して示した説明図である。図４（Ａ）は定常状態を示しており、図４（Ｂ）は劣化進行状態を示している。

図４（Ａ）の定常状態としては、以下のような図４（ａ１）および図４（ａ２）が示されている。
図４（ａ１）：２つのセンサ１０（１）、１０（２）により、図２（Ａ）の定常状態において測定された変位量を時系列データとして示した図。
図４（ａ２）：図４（ａ１）の測定結果に基づいて、同一の時間範囲におけるセンサ１０（１）の最大変位量とセンサ１０（２）の最大変位量との相関関係を示した図。

一方、図４（Ｂ）の劣化進行状態としては、以下のような図４（ｂ１）および図４（ｂ２）が示されている。
図４（ｂ１）：２つのセンサ１０（１）、１０（２）により、図２（Ｂ）の劣化進行状態において測定された変位量を時系列データとして示した図。
図４（ｂ２）：図４（ｂ１）の測定結果に基づいて、同一の時間範囲におけるセンサ１０（１）の最大変位量とセンサ１０（２）の最大変位量との相関関係を示した図。

次に、図４を用いて、診断部２０により実行される具体的な劣化診断方法について説明する。診断部２０は、センサ１０（１）、センサ１０（２）のそれぞれで測定された活荷重変位をあらかじめ決められたサンプリング周期で順次取得することで、図４（ａ１）あるいは図４（ｂ１）に示したように、活荷重変位の時間推移に相当するデータとして、活荷重変位の時系列データを生成する。

さらに、診断部２０は、生成した活荷重変位の時系列データから、同一の時間範囲ごとに最大変位量を算出する。ここで、同一の時間範囲とは、センサ１０（１）が設置された橋梁３０の位置を車両が通過した時刻と、その後、センサ１０（２）が設置された橋梁３０の位置を同一の車両が通過した時刻とを含む時間範囲を意味している。すなわち、同一の時間範囲とは、あらかじめ設定された所定の時間範囲であり、センサ１０（１）とセンサ１０（２）とで、上述したように、同一の車両が通過した時刻が含まれればよく、センサ１０（１）に割り当てられた所定の時間範囲と、センサ１０（２）に割り当てられた所定の時間範囲とが完全に同一である必要はない。

診断部２０は、同一の時間範囲においてセンサ１０（１）の測定結果に基づいて算出した第１の最大変位量と、同一の時間範囲においてセンサ１０（２）の測定結果に基づいて算出した第１の最大変位量との相互の関係性の時間的変化を求める。

具体的には、診断部２０は、センサ１０（１）による第１の最大変位量をＸ軸、センサ１０（２）による第２の最大変位量をＹ軸として、時間経過に伴って順次算出した第１の最大変位量と第２の最大変位量との相互の関係性をＸＹ平面上に構築することで、図４（ａ２）あるいは図４（ｂ２）に示したような最大変位量に関する相互の関係性の時間的変化を求めることができる。

図４（ａ２）に示したように、定常状態においては、同一の車両が通過した際の第１の最大変位量と第２の最大変位量との関係性が安定しており、高い相関値が得られる。一方、図４（ｂ２）に示したように、橋梁３０の一部に亀裂が生じ始めた劣化進行状態においては、同一車両が通過した際の第１の最大変位量と第２の最大変位量との関係性がばらつき、定常状態のときと比較して相関値が低下することとなる。

従って、診断部２０は、センサ１０（１）ついて算出した第１の最大変位量と、センサ１０（２）ついて算出した第２の最大変位量との相互の関係性の時間的変化から、相関値を指標値として、構造物の劣化診断を定量的に行うことができる。

次に、複数のセンサとして３つ以上のセンサ１０を用いて構造物の劣化診断を定量的に行う具体例について説明する。図５は、本開示の実施の形態１における５つのセンサ１０を用いて構造物の劣化診断を行うための説明図である。

図５（ａ）は、劣化診断対象の構造物に相当する橋梁３０に対して、センサ１０として５つのセンサ１～センサ５を設置した際の配置例を示した図である。図５（ａ）においては、センサ２の近傍で亀裂が発生した場合を例示している。一方、図５（ｂ）は、センサ３の最大変位量と、その他の４つのセンサ１、２、４、５のそれぞれの最大変位量との相関値の時間的変化を示した図である。

時間経過とともに劣化が進行することで、図５（ｂ）に示したように、最大変位量の相互の関係性を示す相関値にばらつきが発生していることが判る。診断部２０は、センサ３を基準として、センサ３－センサ１間の最大変位量に関する相関値、センサ３－センサ２間の最大変位量に関する相関値、センサ３－センサ４間の最大変位量に関する相関値、センサ３－センサ５間の最大変位量に関する相関値の時間的変化を監視する。

そして、診断部２０は、４つの相関値のいずれかが許容値よりも低くなった場合には、橋梁３０が劣化進行状態であると判断することができる。図６は、本開示の実施の形態１における劣化診断手法を説明するための図である。

図６（ａ）は、図５に示した橋梁３０の劣化診断において、定常状態におけるセンサ２－センサ３間の最大変位量に関する相関値の時間経過に伴う分布を示した図である。一方、図６（ｂ）は、図５に示した橋梁３０の劣化診断において、劣化進行状態におけるセンサ２－センサ３間の最大変位量に関する相関値の時間経過に伴う分布を示した図である。

例えば、劣化診断を行うための相関値の許容値として０．５を設定しておき、相関値の変化を監視することで、診断部２０は、図６（ｂ）に示したように、相関値が０．５よりも低下したことから、劣化進行状態であることを迅速に判断できる。

さらに、図５（ａ）に示したように、センサ２付近で劣化が発生した場合には、図５（ｂ）に示したように、センサ３－センサ２間の最大変位量に関する相関値のばらつきが最も顕著であるが、センサ３－センサ１間の最大変位量に関する相関値、およびセンサ３－センサ４間の最大変位量に関する相関値にも、ばらつきが発生し、相関値が低下している。

換言すると、一般的に、劣化は、構造物である橋梁３０等の構造をアンバランスにする。そのため、劣化が進行すると、センサ間の活荷重変位の関係性は変化する。従って、本実施の形態１における劣化診断手法によれば、センサの設置場所に対する劣化発生場所の距離に依存せずに、劣化進行状態を定量的に迅速に判断することができる。

また、複数のセンサ１０として、第１のセンサ、第２のセンサ、第３のセンサの３つを用い、劣化診断対象の構造物を橋梁３０とした場合を具体例として考える。この場合には、第１のセンサを橋梁の構成部品である主桁の中央に設置し、第２のセンサを主桁の四分位点に設置し、第３のセンサを第２のセンサとは異なる四分位点に設置することが考えられる。このような配置とすることで、劣化進行状態を定量的に迅速に判断することができる。

最後に、劣化診断を行うための指標値として、最大変位量を用いる場合のメリットについて補足説明する。図７は、本開示の実施の形態１における２つのセンサを用いた劣化診断の有効性を説明するための図である。

より具体的には、図７の上段は、劣化診断を行うための指標値として、「固有振動数」を用いた場合の定常状態（ａ１）と劣化進行状態（ｂ１）との比較を示している。一方、図７の下段は、劣化診断を行うための指標値として、「最大変位量」を用いた場合の定常状態（ａ２）と劣化進行状態（ｂ２）との比較を示している。

図７の上段に示したように、指標値として「固有振動数」を用いた場合には、センサ１による第１の固有振動数と、センサ２による第２の固有振動数との関係性には、劣化進行状態を識別するための有意差が認められない。

一方、図７の下段に示したように、指標値として「最大変位量」を用いた場合には、センサ１による第１の最大変位量と、センサ２による第２の最大変位量との関係性には、劣化進行状態を識別するための有意差が認められる。

換言すると、「固有振動数」のセンサ間相互の関係性の時間的変化には、劣化による変化が現れていない状況であっても、「最大変位量」のセンサ間相互の関係性の時間的変化には、劣化による変化が現れており、指標値として「最大変位量」を用いることで、より早期の劣化進行段階で、劣化が発生していることを検知することが可能となる。

極論的には、指標値として「最大変位量」を用いた場合には、診断部２０は、例えば、現在１時間分による相関値と、１時間前の１時間分の相関値とを比較することで、劣化進行状態であるか否かを定量的に判断することができる。

さらに、「最大変位量」の元となる活荷重変位の精度について補足説明する。本実施の形態１に係る劣化診断手法においては、例えば、加速度計から算出される活荷重変位の値について、変位計による計測値との間に差があってもよい。

また、上述した実施の形態１では、劣化診断を行うに当たり、異なる２つのセンサ間での最大変化量の相関値を用いる場合について説明したが、異なる２つのセンサ間での最大変位量の比率を用いることによっても、同様の効果を得ることができる。

本実施の形態１では、上述したように、複数のセンサにより算出された指標値の相互の関係性の時間的変化を監視している。従って、同重量の車両通過時における活荷重変位量が安定して算出できるのであれば、変位計による計測値との間に誤差があってもよく、迅速に、かつ高精度で劣化進行状態を検知することが可能となる。

以上のように、実施の形態１によれば、複数のセンサを設置した後の実運用状態における測定結果に基づいて、センサ間の指標値の関係性の時間的変化を監視することで、劣化進行状態を迅速に、かつ高精度に検知することができる。この結果、構成がシンプルであるとともに、事前に試験車両等を用いて定常状態におけるデータ収集を行う必要がなく、製造コストの上昇を抑制することができる。

さらに、劣化診断の指標値として「最大変位量」を用いることで、劣化診断の指標値として「固有振動」を用いて劣化検知を行った場合と比較して、より早いタイミングで構造物の劣化検知を行うことのできる構造物劣化診断システムを得ることができる。また、一般的な交通流であっても、劣化進行状態を高精度に、かつ迅速に検知することができる構造物劣化診断システムを得ることができる。

なお、本実施の形態では、橋梁を例に説明したが、ビル、トンネルの付帯物（ジェットファンの取付や照明装置等）、のり面および水道管等の劣化診断にも適応できる。

１０，１０（１），１０（２） センサ、２０ 診断部、３０ 橋梁。

Claims (3)

1. 構造物に設置され、活荷重による前記構造物の活荷重変位を測定する複数のセンサと、
   前記複数のセンサのそれぞれにより監視期間中に測定された前記活荷重変位に関して、あらかじめ決められたサンプリング周期で順次取得することで変位量の時系列データを生成し、生成した前記時系列データから、あらかじめ設定された同一の時間範囲ごとに前記時系列データに含まれている変位量の最大値と最小値との差分として、前記複数のセンサのそれぞれの最大変位量を算出し、前記複数のセンサのそれぞれについて前記同一の時間範囲ごとに算出した前記最大変位量の相互の関係性の時間的変化から前記構造物の劣化進行状態を定量的に判断することで、前記構造物の劣化診断を行う診断部と
   を備える構造物劣化診断システム。
2. 前記同一の時間範囲は、あらかじめ設定された所定の時間範囲であり、同一の車両が前記構造物を通過した時刻が含まれるように、前記複数のセンサのそれぞれに対して割り当てられた時間範囲である
   請求項１に記載の構造物劣化診断システム。
3. 前記複数のセンサは、第１のセンサ、第２のセンサ、第３のセンサの３つで構成され、
   前記構造物は、橋梁であり、
   前記第１のセンサは、前記橋梁の構成部品である主桁の中央に設置され、
   前記第２のセンサは、前記主桁の四分位点に設置され、
   前記第３のセンサは、前記第２のセンサとは異なる前記主桁の四分位点に設置される
   請求項１または２に記載の構造物劣化診断システム。