JP2003222566A - 構造物の損傷推定システムおよびプログラム - Google Patents
構造物の損傷推定システムおよびプログラムInfo
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Abstract
生じた損傷の位置およびその程度を高い精度で推定でき
る構造物の損傷推定システムおよびプログラムを提供す
ること。 【解決手段】 構造物の損傷推定システムを、橋梁(構
造物)Kの近傍に設置された地震計Jと、構造物Kに対
応した構造解析モデルMを予め記憶しておくデータベー
スDと、コンピュータCで構築し、コンピュータCを、
構造解析モデルMを構成する構造要素の入力地震波に対
する応答値を算定する解析手段と、応答値と橋梁Kを構
成する部材の損傷度合との関係が規定された損傷度合デ
ータテーブルを予め記憶しておくデータテーブル記憶手
段と、解析手段によって算定された構造要素の応答値に
対応する損傷度合を損傷度合データテーブルから検索す
る検索手段と、検索手段によって検索された損傷度合を
表示する表示手段として機能させる。
Description
その地震によって構造物に生じた損傷の位置および程度
を推定するための構造物の損傷推定システムに関し、さ
らに、構造物の損傷推定システムを構成するコンピュー
タを制御するための構造物の損傷推定プログラムに関す
る。
合には、構造物の健全度を検査している。例えば、道路
橋や鉄道橋であれば、通行止めを実施したうえで、車両
の通行に支障をきたすような損傷の有無を検査してい
る。
桁・橋脚について詳細に検査するのが望ましいが、検査
対象となる橋桁・橋脚が非常に多く、それらすべてにつ
いて詳細に検査すると多大な時間を要し、通行止めも長
期間に及んでしまう。このため、監視員が自動車で巡回
しつつ、適宜、目視によって簡易に検査しているのが実
情であるが、橋桁の裏側や支承にまで検査が及ばないこ
とも多く、また、地中に埋設されている基礎について
は、目視で検査することが不可能であることから、有害
な損傷を見落とす恐れがある。
結果から、構造物の損傷位置や損傷程度を予測しておく
ことも考えられるが、構造解析モデルに使用される剛
性、質量、減衰定数などの物性値は、あくまでも設計上
のものであり、入力波として用いられる模擬地震波や設
計用地震波についても、その最大値や周波数特性が調節
されているため、実際の地震によって構造物が損傷する
位置およびその程度を推定する手段としては、必ずしも
精度が高いものとはいえない。
よって構造物に生じた損傷の位置およびその程度を迅速
にかつ的確に把握しうる検査体制の構築が望まれてい
る。
構築すべく、地震によって構造物に生じた損傷の位置お
よびその程度を高い精度で推定できる構造物の損傷推定
システムを提供することを課題とし、さらに、このよう
な構造物の損傷推定システムを構成するコンピュータを
制御するための構造物の損傷推定プログラムを提供する
ことを課題とする。
るために、請求項1に記載の発明は、地震発生直後に、
その地震によって構造物に生じた損傷の位置と程度とを
推定するための構造物の損傷推定システムであって、前
記構造物の近傍に設置され、前記構造物に入力される入
力地震波を計測する地震計と、前記構造物に対応した構
造解析モデルを予め記憶しておく構造解析モデル記憶手
段と、前記地震計によって計測された入力地震波を前記
構造解析モデルに入力するとともに、前記構造解析モデ
ルを構成する構造要素の前記入力地震波に対する応答値
を算定する解析手段と、応答値の大きさと前記構造物を
構成する部材の損傷度合との関係が規定されたデータテ
ーブルを予め記憶しておくデータテーブル記憶手段と、
前記解析手段によって算定された応答値に対応する損傷
度合を、前記データテーブルから検索する検索手段と、
前記検索手段によって検索された損傷度合を表示する表
示手段と、を備えることを特徴とする。
と、損傷を推定すべき構造物に対応する構造解析モデル
と、応答値の大きさと構造物を構成する部材の損傷度合
との関係を規定するデータテーブルとを予め作成してお
くとともに、構造物の近傍に設置された地震計により計
測された入力地震波を用いて動的応答解析を行うので、
地震発生直後に、その地震による構造物の損傷の位置と
程度とを迅速に、かつ、精度よく推定することができ
る。そして、構造物が損傷していると推定された位置を
重点的に検査することで、信頼性の高い検査を効率よく
行うことができる。なお、応答値と損傷度合との関係
は、例えば、各部材の許容応力値や終局状態における応
力値などを基に規定される。また、構造解析モデルの構
造要素とは、構造物をモデル化するための要素であっ
て、例えば、シェル要素、ソリッド要素、梁要素、バネ
要素などである。
の構造物の損傷推定システムであって、前記構造解析モ
デルを構成する構造要素の剛性、質量および減衰定数の
少なくとも一つは、前記構造物の実測された動的応答特
性に基づいて設定されることを特徴とする。
と、構造解析モデルの剛性、質量および減衰定数の少な
くとも一つは、構造物で実測された動的応答特性をもと
に設定されるので、損傷の位置およびその程度の推定精
度が向上する。
請求項2に記載の構造物の損傷推定システムであって、
前記構造物上に設置され、入力地震波に対する応答地震
波を計測する応答地震計と、前記解析手段によって算定
された応答地震波が、前記応答地震計によって計測され
た応答地震波と等しくなるように前記構造解析モデルを
構成する構造要素の剛性、質量および減衰定数の少なく
とも一つを補正する補正手段と、をさらに備えることを
特徴とする。
と、地震後に、構造物の動的応答特性と構造解析モデル
の動的応答特性との間に差異が生じた場合であっても、
これらが等しくなるように、構造解析モデルの剛性、質
量および減衰定数の少なくともひとつが補正されるの
で、精度の高い解析を行うことができる。
に、その地震によって構造物に生じた損傷の位置と程度
とを推定するために、コンピュータに、構造解析モデル
が予め記憶された構造解析モデル記憶手段から、前記構
造物に対応した構造解析モデルを読み出す手順と、前記
構造解析モデルと前記構造物の近傍に設置された地震計
で計測した入力地震波とから、前記構造解析モデルを構
成する構造要素の前記入力地震波に対する応答値を算定
する手順と、応答値の大きさと前記構造物を構成する部
材の損傷度合との関係が規定されたデータテーブルか
ら、前記解析手段によって算定された応答値に対応する
損傷度合を検索する手順と、前記検索手段によって検索
された損傷度合を表示手段に表示する手順と、を実行さ
せるための構造物の損傷推定プログラムである。
本発明の実施の形態を添付した図面を参照して詳細に説
明する。
ステムを示す概略構成図である。損傷推定システムは、
地震発生直後に、複数の橋梁K1,K2,K3,・・・
Kn(橋梁K)の地震による損傷の位置および程度を同
時に推定するもので、データベースDと、コンピュータ
C1,C2,C3,・・・,Cn(コンピュータC)
と、橋梁K1,K2,K3,・・・,Knのそれぞれの
近傍に設置された地震計J1,J2,J3,・・・,J
n(地震計J)と、橋梁K1,K2,K3,・・・,K
n上のそれぞれに設置された応答地震計R1,R2,R
3,・・・,Rn(応答地震計R)と、から構築されて
いる。
M2,M3,・・・,Mn(構造解析モデルM)を格納
し、コンピュータCとアクセス可能に接続されている。
また、構造解析モデルM1は、橋梁K1をモデル化した
ものであり、同様に、構造解析モデルM2,M3,・・
・,Knは、それぞれ橋梁K2,K3,・・・,Knを
モデル化したものである。なお、本実施形態では、デー
タベースDが構造解析モデル記憶手段に相当する。
いられる三次元骨組モデルや三次元有限要素モデルであ
る。例えば、図5(b)に示す構造解析モデルMは、三
次元骨組モデルであり、図5(a)に示す橋梁Kを梁要
素と質点でモデル化したものである。また、構造解析モ
デルMの梁要素の剛性(弾性係数)、質量、減衰定数な
ど(以下、物性値と総称する)は、橋梁Kを設計した際
に用いたものでもよいが、解析精度をより向上させるた
めに、橋梁Kの実測された動的応答特性に適合するよう
に予め補正したものであってもよい。具体的には、例え
ば、図6(a)(b)に示すように、常時微動に対する
動的応答や加振点102に加えた衝撃に対する動的応答
を、橋梁Kの各所に取り付けた加速度計やひずみゲージ
などの計測器101により計測し、構造解析モデルMの
動的応答特性(固有周期、応答倍率など)が実測により
得られた橋梁Kの動的応答特性と等しくなるように、構
造解析モデルMの梁要素の物性値を補正する、といった
方法がある。また、橋梁Kの損傷を推定するといった観
点から、構造解析モデルMの梁要素は、材料の非線形性
を考慮したものがよい。
る。コンピュータCは、本実施形態では、ハードディス
ク装置1、CPU(中央演算処理装置)2、表示手段
(ディスプレイ)3、メモリ4、キーボード5などで構
成され、バス6により接続されている。
1a、動的応答解析プログラム1b、検索プログラム1
c、地震波補間プログラム1d、補正プログラム1e、
データテーブル1fを格納する。また、ハードディスク
装置1は、データベースDから読み出された構造解析モ
デルMを一時的に記憶する記憶手段や地震計Jおよび応
答地震計Rによって計測された地震波を一時的に格納し
ておく地震波記憶手段15(図3参照)としても使用さ
れる。
動作を制御するプログラムである。制御プログラム1a
をCPU2で実行させると、動的応答解析プログラム1
b、検索プログラム1c、地震波補間プログラム1dお
よび補正プログラム1eが起動されるほか、構造解析モ
デルMのデータベースDからの読み出し、各プログラム
間のデータのやり取り、表示手段3の制御などが行われ
る。また、制御プログラム1aは、地震計Jで計測され
た地震波や気象情報などから地震の規模が所定の大きさ
以上になったと判断されたときに自動的に起動するよう
にプログラムされたものでもよいし、人間の判断により
起動するように設定されたものでもよい。
で実行されて解析手段11(図3参照)として機能す
る。解析手段11は、地震波記憶手段15に格納されて
いる入力地震波を読み出して構造解析モデルMに入力
し、動的応答解析により構造解析モデルMを構成する梁
要素などの入力地震波に対する応答値Xを算定するもの
である。なお、動的応答解析は、公知の解析手法を利用
することができるが、構造物の損傷を精度よく推定する
という観点から、好適には、材料の非線形性を考慮した
時刻歴応答解析によるのがよく、さらには、地震時の実
際の挙動が再現できるように、3方向の入力地震波を同
時に入力しうるものがよい。また、応答値Xは、例え
ば、応力値やひずみ量などである。
れて検索手段13(図3参照)として機能する。検索手
段13は、解析手段11によって算定された応答値Xに
対応する損傷度合Yをデータテーブル1fから検索する
ものである。
実行されて地震波補間手段16(図3参照)として機能
する。地震波補間手段16は、地震計Jがない位置にお
ける入力地震波を地震計Jで計測された入力地震波から
計算によって補間するものである。例えば、図5(a)
に示すように、地震計Jが橋脚Pk1,Pk4の近傍に
のみ設置されている場合には、地震波補間手段16によ
って、橋脚Pk2,Pk3における入力地震波が補間さ
れる。これにより、構造解析モデルMにおいても、橋梁
Kと同様に、その橋脚Pm1,Pm2,Pm3,Pm4
から入力地震波を入力することが可能になる。
れて補正手段14(図3参照)として機能する。補正手
段14は、解析手段11によって算定された応答地震波
が、応答地震計Rによって計測された応答地震波と等し
くなるように構造解析モデルMを構成する梁要素の剛
性、質量および減衰定数の少なくとも一つを補正するも
のである。
と橋梁Kを構成する部材の損傷度合Yとの関係を規定す
るもので、例えば、図7に示すように、応答値Xの大き
さと損傷度合Yとの関係が予め規定されている。なお、
応答値Xと損傷度合Yとの関係は、例えば、各部材の許
容応力値や終局状態における応力値などを基に規定され
る。また、データテーブル1fは、必ずしもハードディ
スク装置1に記憶される必要はなく、例えばデータベー
スDに記憶されていてもよい。
され、入力地震波を計測する。また、応答地震計Rは、
橋梁Kの上に設置され、前記の入力地震波に対する応答
地震波を計測する。なお、地震計Jおよび応答地震計R
の個数および設置箇所は、図示の実施形態に限定される
ことはなく、橋梁Kの構造形式や周囲の状況などに応じ
て適宜変更しても差し支えない。また、図示は省略する
が、地震計Jおよび応答地震計Rには、送信装置が備え
られ、無線もしくは有線の通信回線を介してコンピュー
タCと接続されおり、地震が発生すると、地震計Jで計
測された入力地震波および応答地震計Rで計測された応
答地震波がハードディスク装置1に記憶される。なお、
地震計Jおよび応答地震計Rは、3方向(N−S方向、
E−W方向、U−D方向)の成分を計測できるものがよ
い。また、通信回線としては、一般の電話回線のほか、
衛星携帯電話回線や専用回線などがある。
テムの動作を、図4に示すフローチャートにしたがって
説明する。なお、コンピュータC1,C2,C3,・・
・,Cnには、予め、解析すべき構造解析モデルM1,
M2,M3,・・・,Mnが割り当てられており、以下
で説明する動作は、コンピュータC1,C2,C3,・
・・,Cnのそれぞれで並列(同時)に実行される。ま
た、地震計Jおよび応答地震計Rによって計測された各
地震波は、すでにハードディスク装置1に記憶されてい
るものとする。
制御プログラム1aが実行されると、データベースDか
ら構造解析モデルMが読み出され、コンピュータC内の
ハードディスク装置1に記憶される(ステップS1)。
また、必要に応じて地震波補間プログラム1dが起動さ
れ、地震計Jが設置されていない橋脚Pk2,Pk3に
おける入力地震波が計算される。計算された入力地震波
は、構造解析モデルMの橋脚Pm2,Pm3に入力され
る。
され、構造解析モデルMと地震波記憶手段15に記憶さ
れた入力地震波とから、所定の解析方法によって入力地
震波に対する構造解析モデルMの応答値Xが算出される
(ステップS2)。
テップS2によって算定された応答地震波(解析値)と
応答地震計Rによって実測された応答地震波(実測値)
とが比較され、構造解析モデルMの物性値を補正するか
否かが判断される(ステップS3)。
の物性値の補正を行う必要があると判断された場合(解
析値と実測値との差が許容範囲を超える場合)には、補
正手段14によって、構造解析モデルMの物性値が補正
され(ステップS7)、構造解析モデルMが更新される
(ステップS8)。そして、動的応答解析プログラム1
bが再び起動され、すなわち、補正された構造解析モデ
ルMの応答地震波が解析手段11により算出される(ス
テップS2)。なお、構造解析モデルMの物性値の補正
は、必要に応じて人間が行ってもよい。
デルMの物性値の補正を行う必要がないと判断された場
合(解析値と実測値とが等しい、もしくは、その差が許
容範囲以内の場合)には、検索プログラム1cが起動さ
れ、データテーブル1fに基づいてステップS2で算出
された応答値Xに対応する損傷度合Yが検索される(ス
テップS4)。例えば、図7に示すように、構造解析モ
デルMの橋脚Pm2の応答値Xが0.73であれば、橋
梁Kの橋脚Pk2の損傷度合Yとして「検査要」が、橋
脚Pm4の応答値Xが1.2であれば、橋脚Pk4の損
傷度合Yとして「崩壊(大)」がそれぞれ検索される。
合Yが、表示手段3に表示される(ステップS5)。例
えば、図8に示すように、橋脚の位置と検査の要、不要
あるいは崩壊の規模が一目でわかるように表示される。
解析モデルMの物性値を更新するか否かが判断される
(ステップS6)。そして、データベースDに記憶され
た構造解析モデルMの物性値を更新する必要がない場合
には、損傷推定システムが終了される。
析モデルMの物性値を更新する必要があると判断された
場合には、データベースDに記憶された構造解析モデル
Mの物性値をその動的応答解析解析の終了時点の物性値
に更新し(ステップS9)、その後に損傷推定システム
が終了される。この場合には、次の地震で動的応答解析
を行う場合の構造解析モデルMの物性値の初期値は、動
的応答解析解析の終了時点における構造解析モデルMの
物性値となる。
応する構造解析モデルMと、構造解析モデルMの応答値
Xと橋梁Kを構成する部材の損傷度合Yとの関係を規定
するデータテーブル1fとを予め作成しておくととも
に、橋梁Kの近傍に設置された地震計Jにより実際に計
測された入力地震波を用いて動的応答解析を行うので、
地震発生直後に、その地震による橋梁Kの損傷の位置と
程度とを精度よく、かつ、迅速に推定することができ
る。さらに、コンピュータC1,C2,C3,・・・,
Cnに、解析すべき構造解析モデルM1,M2,M3,
・・・,Mnを予め割り当て、複数台のコンピュータで
並列に処理を行わせることで、各コンピュータの負担が
軽減され、解析時間の短縮を図ることもできる。そし
て、橋梁が損傷していると推定された位置を重点的に検
査することで、信頼性の高い検査を効率よく行うことが
できる。
答地震波(解析値)が応答地震計Rによって実測された
応答地震波(実測値)と等しくなるように、構造解析モ
デルMの物性値を補正することで、橋梁Kの損傷の位置
と程度とを精度よく推定することができる。
ンピュータCにひとつの構造解析モデルM(橋梁K)が
割り当てられているが、これに限定されることはなく、
1台のコンピュータCに複数の構造解析モデルMが割り
当てられていてもよい。これは、コンピュータCの台数
および性能と、構造解析モデルM(橋梁K)の個数に応
じて、適宜設定すればよい。
記憶しておく地震波記憶手段15および入力地震波の補
間を行う地震波補間手段16などが、コンピュータCに
よって実現され、すなわち、地震波の記憶と補間、損傷
推定結果の表示などがコンピュータごとに行われる場合
を例示したが、これに限定されることはなく、例えば、
データベースD、検索手段13、地震波記憶手段15、
表示手段3などを備えた図示しない制御コンピュータを
配置し、コンピュータCに動的応答解析だけを実行させ
るような構成であってもよい。すなわち、地震計Jおよ
び応答地震計Rによって計測された地震波の記憶と補
間、損傷度合の検索などを制御コンピュータに実行させ
てもよい。
(図4参照)で構造解析モデルMの物性値を補正するか
否かが判断されたが、短時間で損傷箇所および程度を推
定する場合には、このような補正を行わず、すなわち、
スッテプS3を省略して、ステップS4に進んでもよ
い。この場合には、例えば、損傷度合を表示(ステップ
S5)した後に、構造解析モデルMの物性値の補正およ
びデータベースDの更新を行ってもよい。
地震による構造物の損傷の位置と程度とを精度よく、か
つ、迅速に推定することができる。そして、構造物が損
傷していると推定された位置を重点的に検査すること
で、信頼性の高い検査を効率よく行うことができる。
す概略構成図である。
す機能ブロック図である。
ーチャートである。
斜視図である。
きの計測器の配置を示す概略側面図、(b)は同じく正
面図である。
図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 地震発生直後に、その地震によって構造
物に生じた損傷の位置と程度とを推定するための構造物
の損傷推定システムであって、 前記構造物の近傍に設置され、前記構造物に入力される
入力地震波を計測する地震計と、 前記構造物に対応した構造解析モデルを予め記憶してお
く構造解析モデル記憶手段と、 前記地震計によって計測された入力地震波を前記構造解
析モデルに入力するとともに、前記構造解析モデルを構
成する構造要素の前記入力地震波に対する応答値を算定
する解析手段と、 応答値の大きさと前記構造物を構成する部材の損傷度合
との関係が規定されたデータテーブルを予め記憶してお
くデータテーブル記憶手段と、 前記解析手段によって算定された応答値に対応する損傷
度合を、前記データテーブルから検索する検索手段と、 前記検索手段によって検索された損傷度合を表示する表
示手段と、を備えることを特徴とする構造物の損傷推定
システム。 - 【請求項2】 前記構造解析モデルを構成する構造要素
の剛性、質量および減衰定数の少なくとも一つは、前記
構造物の実測された動的応答特性に基づいて設定される
ことを特徴とする請求項1に記載の構造物の損傷推定シ
ステム。 - 【請求項3】 前記構造物上に設置され、入力地震波に
対する応答地震波を計測する応答地震計と、 前記解析手段によって算定された応答地震波が、前記応
答地震計によって計測された応答地震波と等しくなるよ
うに前記構造解析モデルを構成する構造要素の剛性、質
量および減衰定数の少なくとも一つを補正する補正手段
と、をさらに備えることを特徴とする請求項1または請
求項2に記載の構造物の損傷推定システム。 - 【請求項4】 地震発生直後に、その地震によって構造
物に生じた損傷の位置と程度とを推定するために、 コンピュータに、 構造解析モデルが予め記憶された構造解析モデル記憶手
段から、前記構造物に対応した構造解析モデルを読み出
す手順と、 前記構造解析モデルと前記構造物の近傍に設置された地
震計で計測した入力地震波とから、前記構造解析モデル
を構成する構造要素の前記入力地震波に対する応答値を
算定する手順と、 応答値の大きさと前記構造物を構成する部材の損傷度合
との関係が規定されたデータテーブルから、前記解析手
段によって算定された応答値に対応する損傷度合を検索
する手順と、 前記検索手段によって検索された損傷度合を表示手段に
表示する手順と、を実行させるための構造物の損傷推定
プログラム。
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JP2002023421A JP3569899B2 (ja) | 2002-01-31 | 2002-01-31 | 橋梁の損傷推定システムおよびプログラム |
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