JP3705357B2

JP3705357B2 - Soundness diagnostic device

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Publication number: JP3705357B2
Application number: JP2001305864A
Authority: JP
Inventors: 俊之大島
Original assignee: 北海道ティー・エル・オー株式会社
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2021-10-01
Also published as: JP2003106931A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の状態の変化を観測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物の健全度診断は、主として目視による診断を基本としている。また、目視で異常が発見された場合には、詳細点検として詳しく検査することにしているが、一般的には装置を用いて診断・検診をすることはこれまで行われていなかった。
昨今コンクリート片などが落下する事故が多発しており、構造物の変状を調べるために、ハンマーによる打音検査が最近になって導入されるようになってきた。しかしこの方法は、ハンマーの重量や、たたき方、人間の耳で聞いた音で判断するなど、定量的に把握することができず、しかも、再現性がなかった。
【０００３】
その一方、特開２００１−９９７６０号公報に示されているように、近年構造物に圧電素子を貼り付け一定の周波数域で加振して構造物のモード解析をして健全度の診断する方法が開発されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の特開２００１−９９７６０号公報の技術では、モード解析で損傷が生じていることは観測できるが、損傷した場所を特定することができず損傷に対して具体的な対策を講じるためには、さらに、その損傷での反射によるパルスも観察し、反射波の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度とから損傷の位置を同定するなどの方法が必要である。
そこで、本願発明では、構造物の損傷箇所を容易に特定可能な健全度診断装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明に係る健全度診断装置の請求項１では、橋梁・コンクリート壁・トンネル構造・コンクリート法面、橋脚・橋台・建築構造物・タンク・港湾構造物・ダム・発電装置等の健全度診断対象となる構造物にアクチュエータにより局部的な振動を加えて当該構造物からの応答を計測することにより該構造物の健全度を診断する健全度診断装置であって、前記構造物を構成する部材の材質や形状などから該構造物に関する定数を算出し、算出した該定数を変化させて該構造物の振動モードを解析的に求め、解析的に求めた当該振動モードと該構造物の健全時における前記応答から取得した振動モードとに基づき前記定数を評価して同定する初期同定部と、前記構造物の変状を想定して前記初期同定部で同定した定数を変化させて、当該変状時における前記構造物の振動モードを解析的に求める理論値算出部と、健全度診断時に前記構造物に付加した振動の応答から求めた振動モードと、前記理論値算出部で求めた想定した変状での振動モードとに基づき評価して、前記構造物の変状場所を推定する評価部とを備える変状推定部を有することを特徴とする。
【０００６】
上記構成では、構造物が錆や腐食やボルトやネジなどの連結部の弛緩・亀裂により構造物が健全な状態からどの程度変化しているかを表す健全度を検査するために、構造物に振動を加えて、その応答からわかる構造物の振動モードの変化より構造物の変状（変化した状態）した場所を把握することが可能である。
健全時の振動モードとは、構造物が健全な状態の時に実測したものである。
ここで、構造物とは橋梁・コンクリート壁・トンネル構造・コンクリート法面、橋脚・橋台・建築構造物・タンク・港湾構造物・ダム・発電装置等を含む概念である。
さらに、変状には経年変化によって起きるものや強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わることによって引き起こされるものを含む。
【０００８】
また、構造物に振動を加えてその応答を実際に計測して求められる振動モードと、健全時に計測した構造物の振動モードとから変状が評価される。変状を評価するためには、健全時に計測した構造物の振動モードから変状を想定して解析した振動モードのどれに近いかを評価して構造物の変状した場所を把握することが可能である。
【００１０】
また、弾性係数や剛性定数や減衰定数（対数減衰比）などの定数の理論値を材質や形状などから算出して、その定数をもとに健全時の理論上の振動モードを解析し、定数を様々に変化させた場合の理論上の振動モードも解析する。そして、健全時に計測した振動モードが定数を変化させて解析したどの振動モードに近いかを評価して実状に即すように構造物の定数を同定をすることが可能である。
【００１２】
また、健全時に計測した振動モードをもとに構造物の定数を同定しておき、その同定した定数を変化させて構造物が変状した状態を想定した振動モードを求めることができる。
【００１４】
さらに、健全時に計測した振動モードをもとに構造物の定数を同定しておき、健全時において構造物を同定した定数を変化させて構造物の変状を想定した振動モードを評価して構造物を同定するので、局所的な変状も特定することが可能である。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の健全度診断装置において、評価部は、遺伝的アルゴリズムを用いて、予め設定した複数の変状を遺伝子として、該遺伝子の遺伝操作により得られる変状を想定した変状とすることを特徴とする。
【００１６】
上記構成では、健全時において構造物からの変状を同定するのに、遺伝的アルゴリズムを用いることで数多くの変状を想定して変状した場所を特定することが可能である。
【００１７】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の健全度診断装置において、理論値算出部は、有限要素法で理論上の振動モードを解析することを特徴とする。
【００１８】
上記構成では、有限要素法を用いることで正確な解析を行うことができる。
【００１９】
また、請求項４に係る発明は、請求項３記載の健全度診断装置において、理論値算出部で、構造物のボルトやネジなどの連結部の弛緩による変状の想定は、有限要素法でバネ要素剛性値を変化させて行うことを特徴とする。
【００２０】
上記構成では、構造物のボルトやネジなどの連結部の弛緩による変状を、振動モードを解析して同定することが可能である。
バネ要素剛性値は、ヤング率・断面積・ボルトの締め付け長さなどで表される。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、請求項３又は４記載の健全度診断装置において、理論値算出部で、構造物の亀裂によって変状の想定は、有限要素法の該当する要素が不連続である条件のもとで行うことを特徴とする。
【００２２】
上記構成では、構造物のボルトの亀裂などによる変状を、振動モードを解析して同定することが可能である。
【００２３】
また、請求項６に係る発明は、請求項３〜５いずれか記載の健全度診断装置において、理論値算出部で、構造物が腐食による変状の想定は、有限要素法で弾性係数を変化させて行うことを特徴とする。
【００２４】
上記構成では、構造物の錆などの腐食による変状を、振動モードを解析して同定することが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる実施の形態を、図を用いて説明する。
本実施形態における健全度診断装置１は、図１に示すように、構造物２に振動を与える加振部３と、与えた振動による応答を計測する計測部４と、計測部４で計測した結果から振動モードを求める実験モード解析部５と、振動モード解析の結果から損傷部などの変化の状態（変状）を推定する変状推定部６を備える。
また、構造物の変状を正確に把握するために健全な状態の構造物を同定する初期同定部７を備える。
【００２６】
また、与えた振動による応答を計測した振動モードは、計測した応答をフーリエ変換して解析する実験モード解析で求めるものである。構造物の定数を変化させて解析する振動モードや、構造物の変状を想定して解析する振動モードは有限要素法などの理論モード解析で行うものである。
【００２７】
加振部３は、構造物２の局部に取り付けて所定の周波数域で振動を加えることができるものである。特に構造物の局所における変状を観測するためには、高周波（５００Ｈｚ以上）の振動を与えることができるものが好ましい。
また、加振部３は小型の方が微小な力で振動与えることができるので望ましい。
現状では、加振部３は、圧電素子を利用するものが考えられる。圧電素子は、印加電圧を機械的な歪みに変換するピエゾ圧電効果を利用したもので高周波域まで振動することができる。この圧電素子を構造物２に取りつけて加振する。
【００２８】
計測部４では、加振部３で与えた応答を計測するために、構造物２の変位を計測するものである。計測部４は、加速度計や、レーザ式変位測定器や、圧電素子（機械的な歪みを電圧に変化するピエゾ圧電効果を利用して位相の変化を観測するもの）などが考えられる。
また、計測部４に圧電素子を利用する場合には、加振部３と共用することも可能である。
【００２９】
実験モード解析部５では、計測部４で計測した構造物２の変位から構造物２の実験モード解析をする。つまり、構造物の加振部２で加えた振動に対する応答を計測し、計測部４で計測した構造物２の変位からの各振動モードの固有振動数を求めて振動モードを解析する。これは、健全時・変状した時点ともにおこなうもので実測値である。
固有振動数は計測部４で計測した構造物２の変位を周波数毎の波に分解し、各周波数における振幅を取り出して振幅が卓越するところが固有振動数の近傍であると判断するものである。
ここで、解析する振動モードは、加振部で与えた振動の周波域に応じて現れるもので、与えた振動の周波域に応じて低次から高次の振動モードが出現する。
例えば、計測部４で計測したものをフーリエ変換して、さらに、パワースペクトルにしたものを観測してパワースペクトルの卓越するところが固有振動数と判断する。フーリエ変換で得られた振幅を観測して固有振動数と判断することもできるが、パワースペクトルの方がより明確に振幅の変化が現れる。
【００３０】
変状推定部６は、健全時からの構造物が変状した状態を推定するものである。図２に示すように、構造物２をモデル化したもの（正常な状態の構造物２をモデル化したものや損傷部などの変状を含む構造物２を様々に想定してモデル化したものである。）の初期集団作成し、構造物２をモデル化したものを解析して各モデルに対応した振動モードの固有振動数の理論値を算出する理論値算出部６１を備える。さらに、理論値と実験モード解析部５で求めた固有振動の実測値とを適応条件に基づき評価する評価部６２とを備え最も適応するモデルから損傷場所を推定する機能を備える。
【００３１】
理論値算出部６１では、有限要素法などを利用して低次から高次の振動モードにおける固有振動数の理論値を求めるものである。以下、有限要素法について説明する。
【００３２】
評価部６２は、理論値算出部６１で求めた理論値と実験モード解析部５で求めた実測値から、遺伝的アルゴリズム（以下、ＧＡとする）・ニューロネットワーク回帰分析・多変量解析・パターン認識解析などの手法を使って予測されるモデルの理論値を評価して損傷場所を推定する。
ここでは、ＧＡで評価する場合について以下説明する。
ＧＡは最適化問題に非常に有効であるといわれている手法である。そこで、構造物２をモデル化したものをいくつか個体として初め与え、探索空間の中で遺伝的操作を行い、遺伝子を交叉した固体や遺伝子が突然変異を起こした個体を発生させることにより、構造物２のさまざまな変状を想定して評価することができる。
【００３３】
また、初期同定部７は、構造物２を固有振動数の理論値の算出に必要な定数（バネ要素剛性値や、弾性係数や、減衰定数など）を同定する機能を備える。
まず、任意の定数を与えて健全時の理論値の算出する理論値算出部６１、健全時の構造物２において実験モード解析部５で解析した固有振動数で評価する評価部６２からなる。理論値算出部６１と評価部６２は、前述の変状推定部６で説明したものと同様の構成であるので詳細な説明は省略する。
【００３４】
次に、健全度診断装置１の動作について図３に基づいて説明する。
まず、加振部３で、低周波から高周波まで連続的に加振し、その応答を計測部４で変位の変化を計測する。
【００３５】
例えば、加振部３の圧電素子に印加する電圧を、図４に示すように、スタート周波数からストップ周波数までの周波数を連続的に変化させると、それに応じた周波数で圧電素子は振動し構造物２を加振する。そこで、計測部４では、図５に示すような応答が観測され、この応答を実験モード解析部５で、図６に示すような、パワースペクトルに変換する。このパワースペクトルから振幅の卓越するところから実測値の固有振動数を求める（Ｓ１００）。
図６では、縦線を引いたところが実測値の固有振動数に該当する。
【００３６】
そこで、初期同定部７で構造物２の定数（例えば、バネ要素剛性値や、弾性係数や、減衰定数など）を同定する（Ｓ１０１）。以下、初期同定部７の詳細について図２を用いて説明する。
【００３７】
理論値算出部６１で、有限要素法で構造物２を要素分割して構造物の固有振動数を求める。例えば、図７に示すようなＨ型鋼材２１を支柱２２で支えたで支えた構造物２の場合には、図８に示すような要素を設定する。ここで、図７の▲１▼は構造物２の側面図をあらわし、図７の▲２▼はＨ型鋼材２１をＡ−Ａ’での断面図である。さらに、図７の▲３▼はＨ型鋼材２１を支柱２２で支えたものを底面から見た図である。
また、構造体２の固有振動数は、構造体２の材料や形状などに基づいた定数を用いて有限要素法から固有振動数の理論値を求める。この定数は、理論的な値として算出することが可能であるが実測値に即したものにするためにＧＡを使って、定数の同定を行う。
【００３８】
まず、ＧＡの個体の遺伝子情報にばね定数や変状位置を対応させる。そこで、個体の遺伝子情報を、構造体の材料や形状などに基づき算出した定数から多少変化させた個体群を創成する（Ｓ１１１）。
【００３９】
この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。
【００４０】
ここで、評価部６２に実験モード解析部５で求めた実測値を入力する（Ｓ１１３）。
そこで、各個体に対して有限要素法を用いて各振動モード（1次〜ｎ次まで）の固有振動数の理論値を計算する（Ｓ１１４）。有限要素法で求めた理論値は図９に示すように振幅が卓越するところが各振動モードの固有振動数である。
さらに、評価部６２に適応条件に基づき（Ｓ１１５）評価する。ここでは、有限要素法で求めた理論値の固有振動数と実験モード解析部５で解析した実測値の固有振動数との差分が小さいほど適応度が高いと判断する。
【００４１】
適応度条件の一例としては、
【数１】

が小さなほど適応度が高いと判断する。ここでは、周波数の差分の２乗をとったが単純に差分の絶対値で判断してもよい。
【００４２】
ＧＡでは、全ての個体に対して適応度をみて、適応度の高い個体を増やしていくようにする。以上のように何世代も演算を行い適応度が収束した時点で最適解の個体（モデル）を得る。
【００４３】
次に、構造物の変状を調べるために、再度、構造物に加振部３で構造物２に加振し、その応答を計測部４で計測して、実験モード解析部５で実測値の固有振動数を求めて（Ｓ１０３）、変状推定部６で変状を推定する（Ｓ１０４）。評価部６２では、ＧＡを用いて評価する方法について具体的に説明する。また、変状推定部６の詳細について、図２を再度用いて説明する。
【００４４】
ここでも、理論値算出部６１では有限要素法を利用して理論値を求める。
また、前述の初期同定部７と同様に、図８に示すような要素を設定し、初期同定部７で求めた定数に各要素の変状に対応するような変化を加えて固有振動数の理論値を求める。
【００４５】
また、評価部６２は、有限要素法の各要素における変状を表現できるように遺伝子情報を設定して、それに対応した理論値を算出し、実測値がどの理論値に最も近いか評価する。以下、各場合について説明する。
構造物２の変状には、（１）ボルトやネジなどの連結部の弛緩、（２）亀裂、（３）錆・腐食などによる劣化、などが考えられるが、ここでは、夫々の場合に分けて考える。
【００４６】
（１）ボルトやネジなどの連結部の弛緩
まず、理論値算出部６１の有限要素法で、図７に示すように構造物２がねじなどで固定されている場合は、ボルトやネジなどの連結部の弛緩した状態を該当する要素をヤング率・断面積・ボルトの締め付け長さなどで表されるバネ要素剛性値を変化させて計算する。図７に示すようなＨ型鋼材２１でのボルトが弛緩した状態を図１０に示す。図１０ではＣＡＳＥ１が健全な状態で、ＣＡＳＥ２、ＣＡＳＥ３、ＣＡＳＥ４、ＣＡＳＥ５、ＣＡＳＥ６、ＣＡＳＥ７、・・・・の斜線で塗りつぶしたボルトが弛緩ボルトを表す。この時、ＧＡの各個体の持つ遺伝子情報は図１０に対応して図１１に示すように定義する。このようにして、様々なボルトの緩みに対応する構造体２の個体群を創成する（Ｓ１１１）。
図１１は、ＧＡの各個体の持つ遺伝子情報の一例であり、有限要素法で変化させる要素とそのバネ要素剛性値と各個体の持つ遺伝子情報とが対応するように表現できればよい。
【００４７】
この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。
【００４８】
ここで、実験モード解析部５で求めた実測値を入力する（Ｓ１１３）。
そこで、各ＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２、ＣＡＳＥ３、ＣＡＳＥ４、ＣＡＳＥ５、ＣＡＳＥ６、ＣＡＳＥ７、・・・・に対応するように、有限要素法の該当要素のバネ要素剛性値を変化させて各モード（1次〜ｎ次まで）の理論値を計算する（Ｓ１１４）。さらに、評価部６２に適応条件に基づき（Ｓ１１５）、評価する。ここでは、有限要素法で求めた理論値と実験モード解析部５で解析した実測値との差分が小さいほど適応度が高いと判断する。
適応度条件の一例としては、前述の数１で与えられる。
【００４９】
ＧＡでは、全ての個体に対して適応度の判断する条件をみて、適応度の高い個体を増やしていくようにする。以上のように何世代も演算を行い適応度が収束した時点で最適解の個体を得る。
【００５０】
（２）亀裂
構造物に亀裂か生じた場合には、亀裂を挟む有限要素法の要素と要素の間を不連続であるような条件にいれて固有振動数の理論値を計算する。
この場合には、ＧＡの各固体の遺伝子情報は亀裂部分に対応し、亀裂部分では、有限要素法の各要素が不連続な条件を設定するところと対応するように表現する。
また、通常疲労亀裂の存在の可能性が大きいので、可能な亀裂発生予測位置を遺伝子情報で表現できるように構造体２の個体群を創成する（Ｓ１１１）。
【００５１】
この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。
以下、前述の（１）と同様に、実験モード解析部５で求めた実測値を入力し（Ｓ１１３）、理論値算出部６１では、遺伝情報に基づいて各振動モードの固有振動数の理論値を算出する（Ｓ１１４）。評価部６２では適応条件に基づき評価して（Ｓ１１５）、最適解の個体を得る。
【００５２】
（３）錆・腐食などによる劣化部分
構造物内に錆・腐食などによる劣化が生じている場合には、該当する要素の弾性係数を変化させて計算する。
この場合には、ＧＡの各固体の遺伝子情報は劣化部分に対応し、劣化部分では、有限要素法の各要素の弾性係数を変化させて劣化部分と対応するように表現する。また、劣化部分の腐食の範囲、深さなども遺伝子情報と対応するように表現して個体群を創成する（Ｓ１１１）。
【００５３】
この個体の持つ遺伝子情報とその固有振動数の理論値と対応付けたものから構成される集団を初期集団とし評価部６２に入力する（Ｓ１１２）。
以下、前述の（１）と同様に、実験モード解析部５で求めた実測値を入力し（Ｓ１１３）、理論値算出部６１では、遺伝情報に基づいて各振動モードの固有振動数の理論値を算出する（Ｓ１１４）。評価部６２に適応条件を入力して（Ｓ１１５）、最適解の個体を得る。
【００５４】
以上の実施の形態では、（１）ボルトやネジなどの連結部の弛緩、（２）亀裂、（３）錆・腐食などによる劣化について、夫々の場合について説明したが組み合せた場合についても適用できる。
【００５５】
圧電素子（加振部３）は、固定する必要はなくスキャンニング（移動）させて、押し付けて加振に応じた応答のデータを取得できる。
例えば、３次元で移動できるアーム（ビーム）に圧電素子（加振部３）と受信センサー（計測部４）を固定して、計測範囲内で最適な計測位置を指定してデータを取得する。位置決定は１０ミクロン単位で設定することも可能なものもある。
【００５６】
【実施例】
ここで、加振部２として積層圧電アクチュエータ３’を構造体２に設置し、計測部４として小型半導体型加速度計４’を設置した場合について説明する。構造物２は、図７に示すようなＨ形鋼材２１が支柱２２と溶接により固定されたＬ字型の支柱版２３と、Ｈ形鋼材２１の両端はボルト８本により接合されている。さらに、両端に配置されている支柱２２とＨ形鋼材２１は接触していないものとする。
【００５７】
実際には加振部３は、図１２に示すように、構造物２には積層圧電アクチュエータ３’を貼り付け、積層圧電アクチュエータ３’に負荷がかかるように反力板を設置し、反力は１００Ｎ程度として計測した。さらに、ファンクションジェネレータにより作成された任意波形信号をピエゾドライバ（増幅器）で増幅して積層圧電アクチュエータ３’を動作させて局部を加振する。
【００５８】
また、構造物２の加振はファンクションジェネレータを用いて、図４に示すように、スタート周波数を０．１Ｈｚとしストップ周波数を４００Ｈｚの周波数を直線的に連続で変化するｓｉｎ波を入力する方法（以下、スイープ加振と呼ぶ。）で加振した場合について説明する。図４の縦軸この場合アクチュエータの入力電圧である。また、スイ-プ時間は１５秒で加振したものである。
【００５９】
小型半導体型加速度計４’はスパンの中央部に２点設置して計測データをシグナルコンディショナで増幅してＡ／Ｄ変換カードを介してノード型パソコンでデータを収集する。
【００６０】
さらに、加振振動数に対応する応答加速度の実験結果に基づいて考察をする。
図５に示すように応答加速度を見ると、スイ−プ加振では０．１Ｈｚから４００Ｈｚの周波数を直線的に加振振動数が変化するため、構造体２の固有振動数の近辺に加振振動数が近づくと応答加速度が大きくなる。
【００６１】
また、図１３に実測して得られたパワースペクトル示す。図１３の（ａ）は正常時（ＣＡＳＥ１）に対応するもので、図１３の（ｂ）はＣＡＳＥ３に対応するものである。図１３を見ると低次の卓越よりも高次の卓越が大きくなっている。これは、アクチュエータ３’で局部に微小な加振力で加振しているためモード形状の腹と節が多い高次のモード次数の方が微小な高次振動に応答しやすいためと考えられる。また、ＣＡＳＥ１とＣＡＳＥ３では明らかにパワースペクトルに変化が見られる。
【００６２】
さらに、各ボルトの弛緩ケースでの固有振動数の実測定値の結果を図１４に示す、さらに、健全時（ＣＡＳＥ１）から見た損傷時（ＣＡＳＥ２〜ＣＡＳＥ７）の固有振動数の変化の程度を減少率で図１５に示す。減少率の変化に注目すれば、弛緩するボルトにより固有振動数の減少の程度が異なっていることがわかる。この図からもわかるように、局所的な変化は高次の振動モードに対して影響が出やすいことがわかる。
【００６３】
以上のことより、ボルトの弛緩による変状が固有振動数の変化として現れることが予測される。
【００６４】
そこで、まず健全時の実測値の固有振動数を目標値として、健全時のバネ要素剛性値の同定を行う。
【００６５】
図７に示す構造物２では、健全時における計測値からＧＡを使ってバネ要素剛性値の同定を行った。ここでは、ＧＡの適用方法として、交叉率６０％、突然変異率５％、人口数５０とした単純ＧＡを用いた結果を図１６に示す。
図１５から、1次では若干誤差が見られるが、３次および４次では実験結果に近い結果となりバネ剛性値を同定することが可能であることがわかる。
【００６６】
さらに、有限要素法（この実施例は、汎用構造解析のプログラムＭＡＲＣを採用した。）で図１０に示すＣＡＳＥ３を想定したボルトの弛緩状態を作成するために、該当する要素についてＹ方向のバネ要素剛性値のみを減少させることとし、健全時の６０％のバネ要素剛性値として設定した。
以上のような条件で作成した同定モデルに対して、Ｙ方向のバネ要素剛性値を同定し、同定結果が健全時の６０％になっているか検証した。ここでは、ＧＡの適用方法として、交叉率６０％、突然変異率５％、人口数５０とした単純ＧＡを用いた結果を図１７に示す。
図１７に示す解析結果から、健全時の６０％よりも小さく評価されたバネ要素もありばらつきがあるが全体的には有効であることがわかる。
【００６７】
また、有限要素法の要素のとり方や変状の想定の仕方によってもっと実測値に状態で構造物を同定することが可能である。
【００６８】
以上、詳細に説明したように本発明の有効性が確かめられた。
また、本実施例では、ボルトやネジなどの弛緩に対して有効であることが確かめられたが、亀裂や腐食に対しても同様のことが言える。
亀裂や腐食の影響はボルトやネジの弛緩と比較して変状の影響は異なる。そこで、時系列の変状データを取得していくことで微小な変状の変化を検出することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本願発明では、健全時に構造物の同定を行っておくことにより、経年変化や強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わることによって引き起こされた局所的に変化が起こっている場所を特定することが出来る。
【００７０】
また、局所的な変化を把握することができるので、その変化に応じて適切に対処することができアセットマネージメントの観点から見ても非常に有効である。さらに、構造物の維持管理技術の重要性を鑑みると、微小な変状（予兆、徴候）を早期に発見して、予防的な補修補強を実施することが、構造物のライフサイクルコストを減少でき、維持管理経費の有効活用に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】健全度診断装置の概略区構成図である。
【図２】初期同定部（変状推定部）の機能ブロック図である。
【図３】健全度診断装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】加振の様子を説明するための図である。
【図５】加振に応答した変位の一例である。
【図６】パワースペクトルの一例である。
【図７】構造物の側面図と底面図と断面図の一例である。
【図８】構造物に有限要素法の要素を設定した一例である。
【図９】理論上の振動モードを表す図である。
【図１０】ボルトが弛緩した状態を表す一例である。
【図１１】ＧＡの各個体の持つ遺伝子情報の一例である。
【図１２】構造物２には積層圧電アクチュエータを貼り付けて加振するための構造を表す一例である。
【図１３】ボルトの弛緩でパワースペクトルに変化が現れることを示す図である。
【図１４】ボルトの弛緩のケースでの実験結果の各モードの固有振動数を表すものである。
【図１５】ボルトの弛緩の各ケースの固有振動数の変化の程度を減少率で表したものである。
【図１６】健全時における実験結果と同定結果を表すものである。
【図１７】ＣＡＳＥ３を想定したボルトの弛緩状態を同定した結果と理論値を表すものである。
【符号の説明】
１健全度診断装置
２構造物
２１Ｈ型鋼材
２２支柱
２３Ｌ字型の支柱版
３加振部
３’ 積層圧電アクチュエータ
３１反力固定版
３２反力板
４計測部
４’ 小型半導体型加速度計
５実験モード解析部
６変状推定部
７初期同定部
６２評価部
６１理論値算出部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for observing changes in the state of a structure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, soundness diagnosis of structures is mainly based on visual diagnosis. In addition, when an abnormality is found by visual inspection, detailed inspection will be performed, but in general, diagnosis / examination using an apparatus has not been performed.
In recent years, there have been many accidents in which concrete pieces fall, and hammering sound inspection with a hammer has recently been introduced to investigate the deformation of structures. However, this method could not be quantitatively grasped, such as judging by the weight of the hammer, how to beat, and the sound heard by the human ear, and it was not reproducible.
[0003]
On the other hand, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-99760, a method of diagnosing the soundness level by analyzing a mode of a structure by attaching a piezoelectric element to the structure in recent years and vibrating in a certain frequency range. Has been developed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-99760, it can be observed that damage has occurred in the mode analysis, but the damaged location cannot be specified and specific measures are taken against the damage. Furthermore, it is necessary to observe a pulse due to reflection at the damage and identify the position of the damage from the position on the time axis of the reflected wave and the propagation velocity of the elastic wave.
Then, in this invention, it is providing the soundness diagnostic apparatus which can pinpoint the damaged part of a structure easily.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above issues, According to claim 1 of the soundness diagnostic apparatus according to the present invention, the soundness diagnostic target for bridges, concrete walls, tunnel structures, concrete slopes, piers, abutments, building structures, tanks, harbor structures, dams, power generators, etc. A soundness diagnostic device for diagnosing the soundness of a structure by applying a local vibration to the structure to be measured by an actuator and measuring a response from the structure, wherein a member constituting the structure A constant related to the structure is calculated from the material, shape, etc., and the calculated vibration mode of the structure is analytically obtained by changing the calculated constant, and the vibration mode calculated analytically and the structure are healthy. An initial identification unit that evaluates and identifies the constant based on the vibration mode acquired from the response, and changes the constant identified by the initial identification unit assuming the deformation of the structure, and at the time of the deformation A theoretical value calculation unit that analytically obtains the vibration mode of the structure, a vibration mode obtained from a vibration response added to the structure at the time of soundness diagnosis, and an assumed deformation obtained by the theoretical value calculation unit. And a deformation estimation unit comprising an evaluation unit that estimates the deformation location of the structure based on the vibration mode at Features.
[0006]
In the above configuration, the structure vibrates to inspect the degree of soundness that indicates how much the structure has changed from a healthy state due to rust, corrosion, or loosening / cracking of connecting parts such as bolts and screws. In addition, it is possible to grasp the place where the structure has changed (changed state) from the change in the vibration mode of the structure that can be seen from the response.
The healthy vibration mode is measured when the structure is in a healthy state.
Here, the structure is a concept including a bridge, a concrete wall, a tunnel structure, a concrete slope, a pier, an abutment, a building structure, a tank, a port structure, a dam, a power generation device, and the like.
Further, the deformation includes those caused by aging and those caused by applying some stress such as strong pressure or impact.
[0008]
Also, Deformation is evaluated from the vibration mode obtained by applying vibration to the structure and actually measuring its response, and the vibration mode of the structure measured during soundness. In order to evaluate the deformation, it is necessary to evaluate which of the vibration modes analyzed under the assumption of the deformation from the vibration mode of the structure measured at the time of soundness and grasp the place where the structure has deformed. Is possible.
[0010]
Also, Calculate the theoretical values of constants such as elastic modulus, stiffness constant and damping constant (logarithmic damping ratio) from the material and shape, etc., analyze the theoretical vibration mode in sound condition based on that constant, and change the constant The theoretical vibration mode when changing to is also analyzed. Then, it is possible to identify the vibration mode measured at the time of soundness to which vibration mode that is analyzed by changing the constant, and to identify the constant of the structure so as to match the actual state.
[0012]
Moreover, the constant of the structure is identified based on the vibration mode measured at the time of soundness, and the vibration mode which assumed the state where the structure deformed can be calculated | required by changing the identified constant.
[0014]
Furthermore, the structure constants are identified based on the vibration modes measured during soundness, and the vibration modes that are assumed to be deformed are evaluated by changing the constants that identified the structures during soundness. Since an object is identified, it is also possible to identify a local deformation.
[0015]
Also, The invention according to claim 2 is the soundness diagnostic apparatus according to claim 1. The evaluation department Using a genetic algorithm, a plurality of preset alterations are assumed to be genes and assumed to be alterations obtained by genetic manipulation of the genes. It is characterized by that.
[0016]
In the above configuration, it is possible to identify a deformed place by assuming a large number of deformations by using a genetic algorithm to identify the deformation from the structure in a healthy state.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the soundness diagnostic apparatus according to the first or second aspect, the theoretical value calculation unit analyzes a theoretical vibration mode by a finite element method.
[0018]
In the above configuration, accurate analysis can be performed by using the finite element method.
[0019]
The invention according to claim 4 is the soundness diagnostic apparatus according to claim 3. In the theoretical value calculation unit, the assumption of deformation due to the loosening of the connecting parts such as bolts and screws of the structure is performed by changing the spring element rigidity value by a finite element method.
[0020]
In the above configuration, it is possible to identify the deformation caused by the loosening of the connecting parts such as bolts and screws of the structure by analyzing the vibration mode.
The spring element stiffness value is expressed by Young's modulus, cross-sectional area, bolt tightening length, and the like.
[0021]
Also, The invention according to claim 5 is the soundness diagnostic apparatus according to

claim

3 or 4, In the theoretical value calculation unit, the assumption of deformation due to a crack in the structure is performed under the condition that the corresponding element of the finite element method is discontinuous.
[0022]
In the above configuration, it is possible to identify the deformation caused by the crack of the bolt of the structure by analyzing the vibration mode.
[0023]
Also, The invention according to claim 6 is the soundness diagnostic apparatus according to any one of claims 3 to 5. In the theoretical value calculation unit, the assumption that the structure is deformed due to corrosion is performed by changing the elastic coefficient by a finite element method.
[0024]
In the above configuration, it is possible to identify the deformation due to corrosion such as rust of the structure by analyzing the vibration mode.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the soundness diagnostic apparatus 1 according to the present embodiment is measured by a vibration unit 3 that gives vibration to the structure 2, a measurement unit 4 that measures a response due to the given vibration, and the measurement unit 4. An experimental mode analysis unit 5 for obtaining a vibration mode from the result, and a deformation estimation unit 6 for estimating a change state (deformation) of a damaged part or the like from the result of the vibration mode analysis.
Moreover, in order to grasp | ascertain the deformation | transformation of a structure correctly, the initial stage identification part 7 which identifies the structure of a healthy state is provided.
[0026]
Moreover, the vibration mode which measured the response by the given vibration is calculated | required by the experiment mode analysis which analyzes the measured response by Fourier-transforming. The vibration mode to be analyzed by changing the constant of the structure and the vibration mode to be analyzed assuming the deformation of the structure are performed by theoretical mode analysis such as a finite element method.
[0027]
The vibration unit 3 is attached to a local part of the structure 2 and can apply vibration in a predetermined frequency range. In particular, in order to observe local deformation of the structure, it is preferable to be able to give high-frequency (500 Hz or more) vibration.
In addition, it is desirable that the excitation unit 3 is small since it can vibrate with a small force.
At present, the excitation unit 3 may be one using a piezoelectric element. The piezoelectric element uses a piezoelectric effect that converts an applied voltage into mechanical strain, and can vibrate to a high frequency range. This piezoelectric element is attached to the structure 2 and vibrated.
[0028]
The measurement unit 4 measures the displacement of the structure 2 in order to measure the response given by the vibration unit 3. The measuring unit 4 may be an accelerometer, a laser displacement measuring instrument, a piezoelectric element (a device that observes a phase change using a piezoelectric effect that changes mechanical strain into a voltage), and the like.
Further, when a piezoelectric element is used for the measurement unit 4, it can be shared with the excitation unit 3.
[0029]
The experiment mode analysis unit 5 analyzes the experiment mode of the structure 2 from the displacement of the structure 2 measured by the measurement unit 4. That is, the response of the structure to the vibration applied by the vibration unit 2 is measured, and the vibration mode is analyzed by obtaining the natural frequency of each vibration mode from the displacement of the structure 2 measured by the measurement unit 4. This is an actual measurement value that is performed both at the time of health and at the time of deformation.
The natural frequency is obtained by decomposing the displacement of the structure 2 measured by the measuring unit 4 into waves for each frequency, extracting the amplitude at each frequency, and determining that the amplitude is in the vicinity of the natural frequency.
Here, the vibration mode to be analyzed appears according to the frequency range of the vibration given by the excitation unit, and low-order to higher-order vibration modes appear according to the given frequency range of the vibration.
For example, what is measured by the measuring unit 4 is subjected to Fourier transform, and further, the power spectrum is observed, and the place where the power spectrum is superior is determined as the natural frequency. Although it is possible to determine the natural frequency by observing the amplitude obtained by the Fourier transform, the amplitude change appears more clearly in the power spectrum.
[0030]
The deformation estimation unit 6 estimates a state in which the structure has changed from a healthy state. As shown in FIG. 2, a model of the structure 2 (a model of the structure 2 in a normal state and a model of the structure 2 including deformations such as damaged parts) And a theoretical value calculation unit 61 for calculating a theoretical value of the natural frequency of the vibration mode corresponding to each model by analyzing the model of the structure 2 and creating an initial group. Further, an evaluation unit 62 that evaluates the theoretical value and the measured value of the natural vibration obtained by the experimental mode analysis unit 5 based on the adaptation condition is provided, and a function for estimating the damage location from the most adaptive model is provided.
[0031]
The theoretical value calculation unit 61 obtains a theoretical value of the natural frequency in the low-order to high-order vibration modes using a finite element method or the like. Hereinafter, the finite element method will be described.
[0032]
The evaluation unit 62 calculates a genetic algorithm (hereinafter referred to as GA), neuronetwork regression analysis, multivariate analysis, and pattern recognition from the theoretical value obtained by the theoretical value calculation unit 61 and the actual measurement value obtained by the experimental mode analysis unit 5. The damage location is estimated by evaluating the theoretical value of the model predicted using a method such as analysis.
Here, the case of evaluating by GA will be described below.
GA is a technique that is said to be very effective for optimization problems. Therefore, by giving some models of the structure 2 as individuals, and performing genetic operations in the search space, generating individuals with crossed genes and individuals with mutations, It can be evaluated assuming various deformations of the object 2.
[0033]
Further, the initial identification unit 7 has a function of identifying the constants (spring element stiffness value, elastic coefficient, damping constant, etc.) necessary for calculating the theoretical value of the natural frequency of the structure 2.
First, it includes a theoretical value calculation unit 61 that gives an arbitrary constant to calculate a theoretical value at the time of sound, and an evaluation unit 62 that evaluates the natural frequency analyzed by the experimental mode analysis unit 5 in the structure 2 at the time of sound. Since the theoretical value calculation unit 61 and the evaluation unit 62 have the same configuration as that described in the above-described deformation estimation unit 6, detailed description thereof will be omitted.
[0034]
Next, operation | movement of the soundness diagnostic apparatus 1 is demonstrated based on FIG.
First, the vibration unit 3 continuously vibrates from a low frequency to a high frequency, and the response is measured by the measurement unit 4 to measure a change in displacement.
[0035]
For example, when the voltage applied to the piezoelectric element of the excitation unit 3 is continuously changed from the start frequency to the stop frequency as shown in FIG. 4, the piezoelectric element vibrates at a frequency corresponding to the frequency. 2 is vibrated. Therefore, the response as shown in FIG. 5 is observed in the measurement unit 4, and this response is converted into a power spectrum as shown in FIG. 6 by the experimental mode analysis unit 5. From this power spectrum, the natural frequency of the actual measurement value is obtained from the position where the amplitude is superior (S100).
In FIG. 6, the vertical line corresponds to the natural frequency of the actually measured value.
[0036]
Therefore, the initial identification unit 7 identifies the constants of the structure 2 (for example, the spring element stiffness value, the elastic coefficient, the damping constant, etc.) (S101). Details of the initial identification unit 7 will be described below with reference to FIG.
[0037]
The theoretical value calculation unit 61 divides the structure 2 into elements by the finite element method to obtain the natural frequency of the structure. For example, in the case of the structure 2 supported by supporting the H-shaped steel material 21 as shown in FIG. 7 with the support 22, the elements shown in FIG. 8 are set. Here, (1) in FIG. 7 is a side view of the structure 2, and (2) in FIG. 7 is a cross-sectional view of the H-shaped steel material 21 along AA ′. Further, (3) in FIG. 7 is a view of the H-type steel material 21 supported by the support 22 as viewed from the bottom.
As for the natural frequency of the structure 2, a theoretical value of the natural frequency is obtained from the finite element method using constants based on the material, shape, and the like of the structure 2. This constant can be calculated as a theoretical value, but the constant is identified using GA in order to make it correspond to the actual measurement value.
[0038]
First, the spring constant and the deformed position are associated with the genetic information of the individual GA. Therefore, an individual group in which the genetic information of the individual is slightly changed from a constant calculated based on the material and shape of the structure is created (S111).
[0039]
A group composed of the genetic information of the individual and the correlation with the theoretical value of the natural frequency is input to the evaluation unit 62 as an initial group (S112).
[0040]
Here, the actual measurement value obtained by the experiment mode analysis unit 5 is input to the evaluation unit 62 (S113).
Therefore, the theoretical value of the natural frequency of each vibration mode (from the first order to the nth order) is calculated for each individual using the finite element method (S114). The theoretical value obtained by the finite element method is the natural frequency of each vibration mode where the amplitude is dominant as shown in FIG.
Further, the evaluation unit 62 performs evaluation based on the adaptation condition (S115). Here, it is determined that the fitness is higher as the difference between the natural frequency of the theoretical value obtained by the finite element method and the natural frequency of the actually measured value analyzed by the experimental mode analysis unit 5 is smaller.
[0041]
As an example of fitness condition,
[Expression 1]

The smaller the is, the higher the fitness is. Although the square of the frequency difference is taken here, it may be determined simply by the absolute value of the difference.
[0042]
In GA, the fitness is observed for all individuals, and individuals with high fitness are increased. As described above, calculation is performed for many generations, and the individual (model) of the optimal solution is obtained when the fitness is converged.
[0043]
Next, in order to investigate the deformation of the structure, the structure is again vibrated to the structure 2 by the vibration unit 3, the response is measured by the measurement unit 4, and the measured value is obtained by the experiment mode analysis unit 5. Is determined (S103), and the deformation estimation unit 6 estimates the deformation (S104). In the evaluation part 62, the method of evaluating using GA is demonstrated concretely. Details of the deformation estimation unit 6 will be described with reference to FIG. 2 again.
[0044]
Again, the theoretical value calculation unit 61 obtains the theoretical value using the finite element method.
Similarly to the initial identification unit 7 described above, elements as shown in FIG. 8 are set, and the constants obtained by the initial identification unit 7 are added with changes corresponding to the deformations of the respective elements to thereby change the natural frequency. Find the theoretical value.
[0045]
In addition, the evaluation unit 62 sets genetic information so as to express deformation in each element of the finite element method, calculates a theoretical value corresponding to the genetic information, and evaluates which theoretical value the measured value is closest to. Hereinafter, each case will be described.
The deformation of the structure 2 may be (1) loosening of connecting parts such as bolts and screws, (2) cracks, (3) deterioration due to rust / corrosion, etc. Think separately.
[0046]
(1) Loosening of connecting parts such as bolts and screws
First, according to the finite element method of the theoretical value calculation unit 61, when the structure 2 is fixed with screws or the like as shown in FIG. Calculate by changing the stiffness value of the spring element expressed by the ratio, cross-sectional area, bolt tightening length, etc. FIG. 10 shows a state where the bolt in the H-shaped steel material 21 as shown in FIG. 7 is relaxed. In FIG. 10, bolts filled with diagonal lines of CASE 2, CASE 3, CASE 4, CASE 5, CASE 6, CASE 7,. At this time, the gene information possessed by each individual GA is defined as shown in FIG. 11 corresponding to FIG. In this way, a population of the structures 2 corresponding to various bolt loosenings is created (S111).
FIG. 11 shows an example of gene information possessed by each individual of GA, and it is only necessary that the elements to be changed by the finite element method, their spring element stiffness values, and the gene information possessed by each individual can be represented.
[0047]
A group composed of the genetic information of the individual and the correlation with the theoretical value of the natural frequency is input to the evaluation unit 62 as an initial group (S112).
[0048]
Here, the actual measurement value obtained by the experiment mode analysis unit 5 is input (S113).
Therefore, the spring element stiffness value of the corresponding element of the finite element method is changed to correspond to each CASE1, CASE2, CASE3, CASE4, CASE5, CASE6, CASE7,. The theoretical value is calculated (S114). Further, the evaluation unit 62 evaluates based on the adaptation condition (S115). Here, it is determined that the fitness is higher as the difference between the theoretical value obtained by the finite element method and the measured value analyzed by the experimental mode analysis unit 5 is smaller.
As an example of the fitness condition, it is given by the above formula 1.
[0049]
In GA, the number of individuals with high fitness is increased by looking at the conditions for determining fitness for all individuals. As described above, calculation is performed for many generations, and an individual with the optimum solution is obtained when the fitness converges.
[0050]
(2) Crack
When a crack occurs in the structure, the theoretical value of the natural frequency is calculated under the condition that the elements are discontinuous between the elements of the finite element method sandwiching the crack.
In this case, the genetic information of each GA is corresponding to a crack portion, and in the crack portion, each element of the finite element method is expressed so as to correspond to a place where discontinuous conditions are set.
In addition, since there is usually a high possibility of the existence of fatigue cracks, a population of the structures 2 is created so that possible crack occurrence prediction positions can be expressed by genetic information (S111).
[0051]
A group composed of the genetic information of the individual and the correlation with the theoretical value of the natural frequency is input to the evaluation unit 62 as an initial group (S112).
Thereafter, similarly to the above (1), the measured value obtained by the experimental mode analysis unit 5 is input (S113), and the theoretical value calculation unit 61 calculates the theoretical value of the natural frequency of each vibration mode based on the genetic information. Is calculated (S114). The evaluation unit 62 performs evaluation based on the adaptation conditions (S115), and obtains an individual with the optimum solution.
[0052]
(3) Deteriorated parts due to rust, corrosion, etc.
If the structure has deteriorated due to rust, corrosion, etc., calculate by changing the elastic coefficient of the corresponding element.
In this case, the genetic information of each individual GA corresponds to the deteriorated portion, and the deteriorated portion is expressed so as to correspond to the deteriorated portion by changing the elastic coefficient of each element of the finite element method. In addition, the range and depth of corrosion of the deteriorated part are expressed so as to correspond to the genetic information to create a population (S111).
[0053]
A group composed of the genetic information of the individual and the correlation with the theoretical value of the natural frequency is input to the evaluation unit 62 as an initial group (S112).
Thereafter, similarly to the above (1), the measured value obtained by the experimental mode analysis unit 5 is input (S113), and the theoretical value calculation unit 61 calculates the theoretical value of the natural frequency of each vibration mode based on the genetic information. Is calculated (S114). An adaptation condition is input to the evaluation unit 62 (S115), and an individual with an optimal solution is obtained.
[0054]
In the above embodiments, (1) relaxation of connecting parts such as bolts and screws, (2) cracks, and (3) deterioration due to rust / corrosion have been described in each case, but can also be applied to a combination thereof. .
[0055]
The piezoelectric element (excitation unit 3) does not need to be fixed and can be scanned (moved) and pressed to acquire response data corresponding to the excitation.
For example, a piezoelectric element (vibration unit 3) and a reception sensor (measurement unit 4) are fixed to an arm (beam) that can move in three dimensions, and data is acquired by specifying an optimum measurement position within the measurement range. Some positions can be set in units of 10 microns.
[0056]
【Example】
Here, a case where a laminated piezoelectric actuator 3 ′ is installed in the structure 2 as the excitation unit 2 and a small semiconductor accelerometer 4 ′ is installed as the measurement unit 4 will be described. In the structure 2, as shown in FIG. 7, an L-shaped column plate 23 in which an H-shaped steel material 21 is fixed to the column 22 by welding, and both ends of the H-shaped steel material 21 are joined by eight bolts. Furthermore, the support | pillar 22 arrange | positioned at both ends and the H-shaped steel material 21 shall not contact.
[0057]
Actually, as shown in FIG. 12, the vibration unit 3 has a laminated piezoelectric actuator 3 ′ attached to the structure 2, and a reaction force plate is installed so that a load is applied to the laminated piezoelectric actuator 3 ′. Was measured as about 100N. Further, the arbitrary waveform signal generated by the function generator is amplified by a piezo driver (amplifier), and the laminated piezoelectric actuator 3 ′ is operated to vibrate the local portion.
[0058]
Further, as shown in FIG. 4, the structure 2 is vibrated by inputting a sin wave in which the start frequency is 0.1 Hz and the stop frequency is 400 Hz linearly and continuously as shown in FIG. Hereinafter, the case where the vibration is performed in the sweep excitation) will be described. The vertical axis in FIG. 4 represents the input voltage of the actuator in this case. The sweep time was 15 seconds.
[0059]
The small semiconductor accelerometer 4 'is installed at two points in the center of the span, amplifies the measurement data with a signal conditioner, and collects the data with a node type personal computer via an A / D conversion card.
[0060]
Furthermore, the examination is based on the experimental result of the response acceleration corresponding to the vibration frequency.
When looking at the response acceleration as shown in FIG. 5, in the case of sweep excitation, the excitation frequency linearly changes from 0.1 Hz to 400 Hz, so that excitation is performed in the vicinity of the natural frequency of the structure 2. The response acceleration increases as the frequency approaches.
[0061]
FIG. 13 shows a power spectrum obtained by actual measurement. 13A corresponds to the normal time (CASE 1), and FIG. 13B corresponds to CASE 3. Looking at FIG. 13, the higher order of excellence is greater than the lower order of excellence. This is thought to be because the higher-order mode order with many antinodes and nodes in the mode shape is more responsive to minute higher-order vibrations because the actuator 3 'vibrates locally with a minute excitation force. . In CASE1 and CASE3, the power spectrum clearly changes.
[0062]
Furthermore, the result of the actual measurement value of the natural frequency in the relaxation case of each bolt is shown in FIG. 14, and the degree of change in the natural frequency at the time of damage (CASE2 to CASE7) as viewed from the healthy state (CASE1) is further reduced. The rate is shown in FIG. If attention is paid to the change in the reduction rate, it can be seen that the degree of reduction in the natural frequency differs depending on the loosening bolt. As can be seen from this figure, it can be seen that local changes are likely to have an effect on higher-order vibration modes.
[0063]
From the above, it is predicted that deformation due to bolt relaxation appears as a change in natural frequency.
[0064]
Therefore, the spring element stiffness value at the time of health is first identified using the natural frequency of the actually measured value at the time of health as the target value.
[0065]
In the structure 2 shown in FIG. 7, the spring element stiffness value is identified using the GA from the measured value in the healthy state. Here, FIG. 16 shows the result of using a simple GA with a crossover rate of 60%, a mutation rate of 5%, and a population of 50 as an application method of GA.
From FIG. 15, it can be seen that there is a slight error in the first order, but the results of the third and fourth orders are close to the experimental results, and the spring stiffness value can be identified.
[0066]
Further, in order to create a bolt relaxation state assuming CASE 3 shown in FIG. 10 by the finite element method (this embodiment adopts the general-purpose structural analysis program MARC), the Y-direction spring element is applied to the corresponding element. Only the stiffness value was reduced and set as a spring element stiffness value of 60% when healthy.
For the identification model created under the above conditions, the spring element stiffness value in the Y direction was identified, and it was verified whether the identification result was 60% of the healthy condition. Here, as a method of applying GA, FIG. 17 shows the results of using simple GA with a crossover rate of 60%, a mutation rate of 5%, and a population of 50.
From the analysis result shown in FIG. 17, it can be seen that there are some spring elements evaluated to be smaller than 60% at the time of soundness, and there are variations, but the whole is effective.
[0067]
In addition, it is possible to identify the structure in the state of the actual measurement value depending on how to take the element of the finite element method and how to assume the deformation.
[0068]
As described above, the effectiveness of the present invention has been confirmed as described in detail.
Further, in this example, it was confirmed that it was effective for relaxation of bolts and screws, but the same can be said for cracks and corrosion.
The effect of deformation is different from the effect of cracks and corrosion compared to the relaxation of bolts and screws. Therefore, it is possible to detect minute changes in deformation by acquiring time-series deformation data.
[0069]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the present invention, by identifying the structure in a healthy state, a local change caused by the application of some stress such as secular change, strong pressure or impact occurs. You can specify the location.
[0070]
In addition, since it is possible to grasp local changes, it is possible to appropriately deal with the changes, which is very effective from the viewpoint of asset management. Furthermore, in view of the importance of structural maintenance technology, it is possible to detect minute deformations (signs and signs) at an early stage and implement preventive repairs and reinforcements to reduce the life cycle cost of the structure. Can contribute to effective utilization of maintenance costs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a soundness diagnostic apparatus.
FIG. 2 is a functional block diagram of an initial identification unit (deformation estimation unit).
FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the soundness diagnostic apparatus.
FIG. 4 is a diagram for explaining a state of vibration.
FIG. 5 is an example of a displacement in response to vibration.
FIG. 6 is an example of a power spectrum.
FIG. 7 is an example of a side view, a bottom view, and a cross-sectional view of a structure.
FIG. 8 is an example in which elements of a finite element method are set in a structure.
FIG. 9 is a diagram illustrating a theoretical vibration mode.
FIG. 10 is an example showing a state where a bolt is relaxed.
FIG. 11 is an example of gene information possessed by each individual of GA.
FIG. 12 is an example showing a structure for applying vibration by attaching a laminated piezoelectric actuator to the structure 2;
FIG. 13 is a diagram showing that a change appears in a power spectrum due to relaxation of a bolt.
FIG. 14 represents the natural frequency of each mode as an experimental result in the case of bolt loosening.
FIG. 15 shows the degree of change in natural frequency of each case of bolt relaxation as a reduction rate.
FIG. 16 shows experimental results and identification results in a healthy state.
FIG. 17 shows a result of identifying a bolt relaxation state assuming CASE 3 and a theoretical value.
[Explanation of symbols]
1 soundness diagnostic device
2 structures
21 H-type steel
22 Prop
23 L-shaped post version
3 Excitation unit
3 'Multilayer piezoelectric actuator
31 reaction force fixed version
32 reaction force plate
4 Measurement unit
4 'small semiconductor accelerometer
5 Experimental mode analysis section
6 Deformation estimation unit
7 Initial identification part
62 Evaluation Department
61 Theoretical value calculator

Claims

橋梁・コンクリート壁・トンネル構造・コンクリート法面、橋脚・橋台・建築構造物・タンク・港湾構造物・ダム・発電装置等の健全度診断対象となる構造物にアクチュエータにより局部的な振動を加えて当該構造物からの応答を計測することにより該構造物の健全度を診断する健全度診断装置であって、
前記構造物を構成する部材の材質や形状などから該構造物に関する定数を算出し、算出した該定数を変化させて該構造物の振動モードを解析的に求め、解析的に求めた当該振動モードと該構造物の健全時における前記応答から取得した振動モードとに基づき前記定数を評価して同定する初期同定部と、
前記構造物の変状を想定して前記初期同定部で同定した定数を変化させて、当該変状時における前記構造物の振動モードを解析的に求める理論値算出部と、
健全度診断時に前記構造物に付加した振動の応答から求めた振動モードと、前記理論値算出部で求めた想定した変状での振動モードとに基づき評価して、前記構造物の変状場所を推定する評価部とを備える変状推定部を有することを特徴とする健全度診断装置。 Local vibrations are applied by actuators to structures subject to soundness diagnosis, such as bridges, concrete walls, tunnel structures, concrete slopes, piers, abutments, building structures, tanks, harbor structures, dams, and power generators. A soundness diagnostic device for diagnosing the soundness of the structure by measuring a response from the structure,
A constant related to the structure is calculated from the material and shape of the members constituting the structure, the vibration mode of the structure is analytically obtained by changing the calculated constant, and the vibration mode obtained analytically And an initial identification unit that evaluates and identifies the constant based on the vibration mode acquired from the response when the structure is healthy,
A theoretical value calculation unit that analytically obtains the vibration mode of the structure at the time of deformation by changing the constant identified by the initial identification unit assuming the deformation of the structure;
The deformation location of the structure is evaluated based on the vibration mode obtained from the vibration response added to the structure at the time of soundness diagnosis and the assumed vibration mode obtained by the theoretical value calculation unit. A soundness diagnosis apparatus comprising: a deformation estimation unit including an evaluation unit for estimating

請求項１記載の健全度診断装置において、前記評価部は、遺伝的アルゴリズムを用いて、予め設定した複数の変状を遺伝子として、該遺伝子の遺伝操作により得られる変状を前記想定した変状とすることを特徴とする健全度診断装置。2. The health diagnostic apparatus according to claim 1 , wherein the evaluation unit uses a genetic algorithm to set a plurality of preset alterations as genes, and assumes alterations obtained by genetic manipulation of the genes. soundness diagnosis apparatus characterized by a.

請求項１又は２記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部は、有限要素法で理論上の振動モードを解析することを特徴とする健全度診断装置。The soundness diagnostic apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the theoretical value calculation unit analyzes a theoretical vibration mode by a finite element method.

請求項３記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部で、前記構造物のボルトやネジなどの連結部の弛緩による変状の想定は、有限要素法でバネ要素剛性値を変化させて行うことを特徴とする健全度診断装置。4. The soundness diagnostic apparatus according to claim 3 , wherein in the theoretical value calculation unit, an assumption of deformation due to loosening of a connecting portion such as a bolt or a screw of the structure is performed by changing a spring element stiffness value by a finite element method. A health diagnostic apparatus characterized by performing.

請求項３又は４記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部で、前記構造物の亀裂によって変状の想定は、有限要素法の該当する要素が不連続である条件のもとで行うことを特徴とする健全度診断装置。5. The soundness diagnostic apparatus according to claim 3 or 4 , wherein the theoretical value calculation unit assumes the assumption of deformation due to a crack in the structure under a condition that the corresponding element of the finite element method is discontinuous. A health diagnostic apparatus characterized by that.

請求項３〜５いずれか記載の健全度診断装置において、前記理論値算出部で、前記構造物が腐食による変状の想定は、有限要素法で弾性係数を変化させて行うことを特徴とする健全度診断装置。The soundness diagnostic apparatus according to any one of claims 3 to 5 , wherein, in the theoretical value calculation unit, the assumption that the structure is deformed due to corrosion is performed by changing an elastic coefficient by a finite element method. Soundness diagnostic device.