JP4859557B2 - Method for judging the soundness of concrete buildings - Google Patents

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Description

本発明は、コンクリート建物の健全性判定方法に関する。   The present invention relates to a soundness determination method for a concrete building.

鉄筋コンクリート造の建物または鉄骨鉄筋コンクリート造の建物を構成している柱、梁、壁、床などのコンクリート構造部材の健全性を判定する方法がこれまで種々提案されている。コンクリート構造部材の健全性の判定方法としては、ひび割れの目視調査による方法が一般的であり、コンクリート構造部材の表面のひび割れの長さ、幅、発生パターンなどが判断情報とされる。   Various methods have been proposed so far for determining the soundness of concrete structural members such as columns, beams, walls, and floors constituting reinforced concrete buildings or steel reinforced concrete buildings. As a method for determining the soundness of a concrete structural member, a method by visual inspection of cracks is generally used, and the length, width, occurrence pattern, and the like of the cracks on the surface of the concrete structural member are used as judgment information.

そこで、鉄筋コンクリート構造物表面に生じているひび割れ状態を画像計測によって自動的に検出し、構造物の損傷度を診断する方法が提案されている（特許文献１）。また、ひずみを記憶できる線状のセンサもしくは歪みセンサを予めコンクリート構造部材に埋設しておき、センサのひずみを検出することによってコンクリート構造部材が経験したひずみを評価し、損傷度を診断する方法も提案されている（特許文献２、特許文献３）。また、光ファイバをセンサとして予めコンクリート構造部材に埋め込んでおき、その光ファイバからの出力を監視することでコンクリート構造部材の健全性を診断する方法が提案されている（特許文献４）。また、建物の常時微動を計測し、その計測記録に含まれる建物全体の振動成分のみを抽出することによって、建物の固有振動数や固有モードなどの振動特性を同定し、振動特性が建物の損傷前後で変化する現象を利用して、振動特性を長期的にモニタリングすることによって構造健全性を診断する方法も提案されている（特許文献５）。   Therefore, a method has been proposed in which a crack state generated on the surface of a reinforced concrete structure is automatically detected by image measurement to diagnose the degree of damage to the structure (Patent Document 1). There is also a method of diagnosing the degree of damage by preliminarily embedding a linear sensor or strain sensor capable of storing strain in the concrete structure member, and evaluating the strain experienced by the concrete structure member by detecting the strain of the sensor. It has been proposed (Patent Documents 2 and 3). Further, a method has been proposed in which an optical fiber is embedded in a concrete structure member in advance as a sensor and the soundness of the concrete structure member is diagnosed by monitoring the output from the optical fiber (Patent Document 4). Also, by measuring the microtremors of the building and extracting only the vibration components of the entire building included in the measurement record, the vibration characteristics such as the natural frequency and natural mode of the building are identified, and the vibration characteristics are A method of diagnosing structural integrity by monitoring a vibration characteristic for a long period using a phenomenon that changes before and after has been proposed (Patent Document 5).

さらに、鉄筋コンクリート造の建物または構造部材の健全性を判定する方法としては、鉄筋量（鉄筋比）の適正量を確認することを目的として、電磁波やＸ線を用いてコンクリート内部を透視する方法も多用されている。   Furthermore, as a method of judging the soundness of a reinforced concrete building or structural member, there is also a method of seeing through the inside of concrete using electromagnetic waves or X-rays for the purpose of confirming an appropriate amount of reinforcing bars (rebar ratio). It is used a lot.

特開２００３−３５５２８号JP 2003-35528 A 特開２００５−３３７８１８号JP 2005-337818 A 特開２００５−３３７８１９号JP 2005-337819 A 特開２００５−２５７５７０号JP 2005-257570 A 特開２００３−３２２５８５号JP 2003-322585 A

しかしながら、ひび割れの目視調査による方法や特許文献１の診断方法では、コンクリート構造部材の表面が露出していなければ実施できない問題がある。即ち、コンクリート建物あるいは構造部材の場合、化粧材で覆う工法を採ることが多く、化粧材を剥がしてコンクリート構造部材の表面を露出させなければならずコストと時間を費やしてしまうことになる。   However, the method by visual inspection of cracks and the diagnostic method of Patent Document 1 have a problem that cannot be implemented unless the surface of the concrete structural member is exposed. That is, in the case of a concrete building or a structural member, a method of covering with a decorative material is often adopted, and the surface of the concrete structural member must be exposed by peeling off the decorative material, which consumes cost and time.

また、特許文献２から４の技術はいずれも評価できるひずみはセンサが埋設された位置に限られてしまう。即ち、構造部材の損傷箇所とセンサを埋め込む位置が一致する必要があり、センサの埋め込み位置を事前に予想する必要がある上に、損傷発生箇所が事前の予想と外れるとセンサが機能しない問題がある。また、コンクリート構造部材に予めセンサを埋設させることにより成立する手法であるため、評価できるコンクリート構造部材はセンサが埋設された新設のものに限られ、既設のコンクリート構造部材には適用することができない。既設のコンクリート構造部材に適用する場合には、センサを埋設するために部分的に破壊するなど、損傷なく実施することはできない問題がある。   In addition, the strains that can be evaluated by any of the techniques of Patent Documents 2 to 4 are limited to the position where the sensor is embedded. In other words, it is necessary to match the position where the sensor is damaged and the position where the sensor is embedded, and it is necessary to predict the embedded position of the sensor in advance, and the sensor does not function if the damaged position deviates from the previous prediction. is there. In addition, since the method is established by embedding a sensor in the concrete structural member in advance, the concrete structural member that can be evaluated is limited to a new one in which the sensor is embedded, and cannot be applied to an existing concrete structural member. . When it is applied to an existing concrete structural member, there is a problem that it cannot be carried out without damage, such as partial destruction for embedding the sensor.

しかも、実際のコンクリート建物では、全ての構造部材が均等に壊れるということはなく、損傷が入らない構造部材がほとんどであり、一部の部材に損傷が入るという壊れ方になる。しかしその場合にも、一部の構造部材で起こる損傷はコンクリート建物全体の固有振動数に影響を与える。したがって、建物全体として評価する場合には、損傷構造部材と健全構造部材とが混在し、さらに損傷構造部材も損傷度が構造部材によって違う、など不確定な要素が多いため、コンクリート構造部材毎の健全性を評価するだけではコンクリート建物全体の健全性を評価することはできない。   Moreover, in an actual concrete building, not all structural members are broken evenly, most structural members are not damaged, and some members are damaged. However, even in that case, damage caused by some structural members affects the natural frequency of the entire concrete building. Therefore, when evaluating the building as a whole, there are many uncertain factors such as the presence of damaged structural members and sound structural members, and the degree of damage varies depending on the structural members. It is not possible to evaluate the overall soundness of a concrete building simply by evaluating the soundness.

また、特許文献５記載の診断方法は、損傷前後の振動特性の変化に基づいて建物の構造健全性を評価するため、損傷前の振動特性として建物の新築時の固有振動数のデータが必要であり、新築時（健全時）のデータが存在しない既設の建物には適用できない問題がある。しかも、新設時のコンクリート建物の固有振動数のデータが入手できたとしても、それが真に健全なコンクリート建物であるという保証はない。   In addition, since the diagnostic method described in Patent Document 5 evaluates the structural soundness of a building based on changes in vibration characteristics before and after damage, data on the natural frequency at the time of new building is required as vibration characteristics before damage. There is a problem that cannot be applied to existing buildings that do not have data at the time of new construction (when healthy). Moreover, even if data on the natural frequency of a concrete building at the time of new construction can be obtained, there is no guarantee that it is a truly healthy concrete building.

さらに、電磁波やＸ線を用いて非破壊で鉄筋を調査する方法においても、鉄筋の存在や配置を知ることはできても、鉄筋の付着などの構造力学的な性能を評価できないため、鉄筋の構造力学的な性能に左右されるコンクリート建物の健全性の評価あるいは健全性の低下などを評価することは困難である。   Furthermore, even in the method of investigating reinforcing bars nondestructively using electromagnetic waves and X-rays, it is possible to know the presence and arrangement of reinforcing bars, but it is not possible to evaluate structural mechanical performance such as adhesion of reinforcing bars. It is difficult to evaluate the soundness of concrete buildings affected by structural mechanical performance, or the deterioration of soundness.

そこで、本発明は、コンクリート建物の健全時の固有振動数のデータが無くともその健全性を判定することができるコンクリート建物の健全性判定方法を提供することも目的とする。さらに、本発明は、将来のコンクリート建物の劣化を早期に予測可能とするコンクリート建物の健全性評価方法を提供することも目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for determining the soundness of a concrete building that can determine the soundness of the concrete building without the data of the natural frequency at the time of soundness. Furthermore, another object of the present invention is to provide a method for evaluating the soundness of a concrete building that enables early prediction of future deterioration of the concrete building.

かかる目的を達成するために、本発明者等がコンクリート構造部材に不均一な温度分布となるような温度変化を与えたときの固有振動数の変化とコンクリート構造部材の健全性との関連について種々実験・研究を実施した結果、コンクリート部分が健全であるときに加温すると固有振動数が上がるか一定に推移し、損傷があるときに加温すると固有振動数が下がることを知見するに至った。   In order to achieve such an object, there are various relations between the natural frequency change and the soundness of the concrete structural member when the present inventors give a temperature change that causes a nonuniform temperature distribution to the concrete structural member. As a result of conducting experiments and research, we have come to know that the natural frequency increases or stays constant when heated when the concrete part is healthy, and decreases when heated when damaged. .

コンクリート構造部材に部材断面内で不均一な温度分布となるような温度変化を与えると、コンクリート構造部材では圧縮応力と引っ張り応力が同時に発生するような温度応力が発生する。この温度応力によりコンクリート構造部材の主要な材料であるコンクリートのヤング係数が変化する。他方、コンクリート構造部材のもう一つの主要な材料である鉄筋のヤング係数は、コンクリートが損傷しない程度の温度変化であればほとんど変化しない。そして、ヤング係数はコンクリート構造部材の固有振動数を決める定数のひとつであるため、ヤング係数が変化すればコンクリート構造部材の固有振動数も変化する。   When the concrete structural member is subjected to a temperature change that causes a non-uniform temperature distribution in the cross section of the member, the concrete structural member generates a temperature stress in which a compressive stress and a tensile stress are generated simultaneously. This temperature stress changes the Young's modulus of concrete, which is the main material of the concrete structural member. On the other hand, the Young's modulus of reinforcing steel, which is another main material for concrete structural members, hardly changes as long as the temperature changes to such an extent that the concrete is not damaged. Since the Young's modulus is one of constants that determine the natural frequency of the concrete structural member, if the Young's modulus changes, the natural frequency of the concrete structural member also changes.

温度応力分布は、鉄筋とコンクリートを含めた全てのコンクリート構造部材のものであり、鉄筋とコンクリートを合算したものである。つまり、全ての構造部材断面に発生した温度応力は、鉄筋とコンクリート部分で分配することになる。このことから、温度応力がコンクリート部分に大きく作用するほど、コンクリートの弾性係数（ヤング率）が大きくなり、コンクリート構造部材が堅くなり、固有振動数が増加する、というメカニズムが成り立っているものと考えられる。反対に、コンクリートに作用する応力が小さいと、部材の固有振動数の増加量は小さくなる。したがって、コンクリート建物のコンクリート部分にひび割れや剥落などが発生すれば、コンクリート部分で負担する温度応力が減少することにより、固有振動数が変化（低下する現象）を起こす。   The temperature stress distribution is for all concrete structural members including rebar and concrete, and is the sum of rebar and concrete. That is, the temperature stress generated in all structural member cross sections is distributed between the reinforcing bars and the concrete portion. From this, it is considered that the mechanism that the elastic modulus (Young's modulus) of concrete increases, the concrete structural members become stiffer, and the natural frequency increases, as the temperature stress acts on the concrete part, is considered. It is done. Conversely, when the stress acting on the concrete is small, the increase in the natural frequency of the member is small. Therefore, if cracking or peeling occurs in a concrete part of a concrete building, the temperature stress borne by the concrete part is reduced, and the natural frequency is changed (a phenomenon that decreases).

つまり、本発明者等の実験から得られた知見によれば、コンクリート構造部材のコンクリートの構造上の損傷と、コンクリート構造部材の温度変化が与えられた後の固有振動数の変動パターンとの間には、以下の（ａ）〜（ｃ）の特徴がある。
(a)コンクリート部分が健全である場合には、加温後の固有振動数が増加する。
(b)コンクリート部分が健全である場合に限れば、加温後の固有振動数の増加率は鉄筋比が小さいほど大きくなる。
(c)コンクリート部分が健全でない場合には、加温後の固有振動数は減少する。 In other words, according to the knowledge obtained from the experiments by the present inventors, between the structural damage of the concrete of the concrete structural member and the fluctuation pattern of the natural frequency after the temperature change of the concrete structural member is given. Has the following features (a) to (c).
(a) When the concrete part is healthy, the natural frequency after heating increases.
(b) As long as the concrete part is healthy, the increase rate of the natural frequency after heating increases as the reinforcing bar ratio decreases.
(c) When the concrete part is not healthy, the natural frequency after heating decreases.

ここで、固有振動数の変動要因としては、以下の(H1)〜(H3)の３つが考えられる。
(H1)不均一に加温して温度応力が生じることによる固有振動数の増加
(H2)『加温による材料軟化』による固有振動数の微減
(H3)加温でコンクリートのひび割れが開くことによる固有振動数の減少
このうち、(H1)と(H3)に比べて、(H2)は無視できるほど小さく、さらに、(H3)は(H1)よりも変化量として大きい。そこで、不均一な温度上昇の因子を入れて(H1)の効果を入れることで、コンクリート建物の損傷が固有振動数の日変動の幅即ち減少傾向に大きく影響を与え、コンクリート建物の健全性を評価・判定することを可能とする。 Here, the following three (H1) to (H3) can be considered as the fluctuation factors of the natural frequency.
(H1) Increase in natural frequency due to uneven heating and temperature stress
(H2) Slight reduction of natural frequency due to “softening of materials by heating”
(H3) Reduction of natural frequency due to opening of cracks in concrete due to heating Among these, (H2) is negligibly small compared to (H1) and (H3), and (H3) is (H1) Is larger than the amount of change. Therefore, by incorporating the effect of (H1) with the factor of uneven temperature rise, the damage of the concrete building greatly affects the daily fluctuation width of natural frequency, that is, the decreasing tendency, and the concrete building's soundness is improved. Enables evaluation and judgment.

そこで、部材断面内で不均一な温度分布となるように温度変化をコンクリート構造部材に与えたときのコンクリート構造部材の固有振動数の変化を測定すれば、「固有振動数が少し上がる」若しくは「一定に推移する」、「たくさん（過度に）上がる」、「下がる」といった定性的な現象からコンクリートの損傷状態を推定することができ、   Therefore, if the change in the natural frequency of the concrete structural member is measured when a temperature change is applied to the concrete structural member so as to have a non-uniform temperature distribution in the cross section of the member, the “natural frequency increases slightly” or “ It is possible to estimate the damage state of concrete from qualitative phenomena such as “transitioning constant”, “much (too much) going up”, “falling down”

つまり、外気温や日照によりコンクリート建物の外壁面と内壁面との間に温度差が生じると、健全な鉄筋コンクリート建物の場合には内外温度差の上昇と共に固有振動数が上昇するが、これとは対照的に、コンクリート部分に損傷がある場合には内外温度差の上昇と共に固有振動数が低下するという現象、換言すれば、コンクリート建物が健全なときには、内外温度差が極大となるときに固有振動数も極大となって、コンクリート建物の損傷時には、内外温度差が極大となるときに固有振動数が極小となる現象を招いている。   In other words, when a temperature difference occurs between the outer wall surface and the inner wall surface of a concrete building due to outside air temperature or sunshine, the natural frequency rises with an increase in the inside / outside temperature difference in the case of a sound reinforced concrete building. In contrast, when the concrete part is damaged, the natural frequency decreases as the internal / external temperature difference increases.In other words, when the concrete building is healthy, the natural vibration occurs when the internal / external temperature difference becomes maximum. When the concrete building is damaged, the natural frequency is minimized when the temperature difference between the inside and outside is maximized.

そこで、コンクリート建物の常時微動から固有振動数の変動を求めると共に気温または日照量の日変動を測定して、コンクリート建物の内外温度差が大きな時刻における固有振動数が極小となる傾向にあるとき、あるいは固有振動数と気温または日照量の日変動を測定して、気温または日照量が極大となる時間帯に、固有振動数が極小となれば、コンクリート建物に損傷有りと判定することができる。   Therefore, when the fluctuation of the natural frequency is calculated from the microtremors of the concrete building and the daily fluctuation of the temperature or the amount of sunlight is measured, the natural frequency at the time when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is large tends to be minimal. Alternatively, when the natural frequency and the daily fluctuation of the temperature or the amount of sunshine are measured and the natural frequency becomes minimum in the time zone when the temperature or the amount of sunlight is maximum, it can be determined that the concrete building is damaged.

本発明者は、上述のコンクリート部分に損傷がある場合には固有振動数が低下するという現象を建物全体に応用することでコンクリート建物全体の健全性を評価できることを知見したものである。つまり、建物全体の剛性は、個々の部材の剛性から決まるので、全ての部材が健全であるとき、温度が極大となるときには全ての部材の剛性も極大となり、その結果（総和）として建物全体の剛性も極大となる。これとは逆の極端な例として、全ての部材が損傷しているときには、温度が極大となるときに全ての部材の剛性が極小となり、その結果（総和）として建物全体の剛性も極小となる。   The present inventor has found that the soundness of the entire concrete building can be evaluated by applying the phenomenon that the natural frequency decreases when the concrete portion is damaged to the entire building. In other words, the rigidity of the entire building is determined by the rigidity of each member. Therefore, when all the members are healthy, when the temperature becomes maximum, the rigidity of all the members also becomes maximum. As a result (total), The rigidity is also maximized. As an extreme example opposite to this, when all members are damaged, the rigidity of all members is minimized when the temperature is maximized, and as a result (total), the rigidity of the entire building is also minimized. .

実際の建物では、全ての部材が均等に壊れるということはなく、損傷が入らない部材がほとんどであり、一部の部材に損傷が入るという壊れ方を起こす。しかしその場合も、図８（Ｃ）、（Ｄ）の鉄筋コンクリート部材の試験結果を見ると、健全時の固有振動数の増加量よりも、損傷時の減少量の方がはるかに大きく、損傷した部材の方が健全な部材よりも建物全体の固有振動数への影響が大きくなることは容易に理解できる。この損傷部材の影響度の大きさを考慮すると、損傷部材の数が少ない場合にも、建物全体の固有振動数が損傷部材の影響を受けて変動すると考えられる。   In an actual building, not all members are broken equally, most of the members are not damaged, and some members are damaged. However, even in that case, when the test results of the reinforced concrete members in FIGS. 8C and 8D are seen, the amount of decrease at the time of damage is much larger than the amount of increase in the natural frequency at the time of soundness. It can be easily understood that the influence of the member on the natural frequency of the entire building is greater than that of a healthy member. Considering the magnitude of the degree of influence of the damaged member, even when the number of damaged members is small, it is considered that the natural frequency of the entire building varies under the influence of the damaged members.

他方、コンクリート建物における固有振動数の測定は困難である。打撃によりコンクリート建物自体を損傷させては元も子もなく、損傷の虞のない程度の打撃では建物の揺れが小さすぎて振動波形を記録するのも困難である。また、建物全体を対象としたときは、建物全体に温度差を与えるのも困難である。   On the other hand, it is difficult to measure the natural frequency in concrete buildings. If the concrete building itself is damaged by the impact, there is no original or child, and if the impact is such that there is no risk of damage, the vibration of the building is too small to record the vibration waveform. Moreover, when the whole building is targeted, it is difficult to give a temperature difference to the whole building.

そこで、本発明者等は、常時微動を使うことによりコンクリート建物全体の温度変化に伴う固有振動数の日変動を求め、さらに気温や日照を利用することでコンクリート建物全体に建物内外の温度差を与えるようにすることにより、上述の現象を実現することを可能とした。   Therefore, the present inventors obtained the daily fluctuation of the natural frequency accompanying the temperature change of the entire concrete building by using microtremors at all times, and further used the temperature and sunshine to calculate the temperature difference between inside and outside the building in the entire concrete building. By giving it, it was possible to realize the above phenomenon.

即ち、請求項１記載の発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法は、上述の知見に基づくものであって、風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこのこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、コンクリート建物の内外温度差が増大するときにコンクリート建物の固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定するものである。   In other words, the soundness determination method for a concrete building according to the first aspect of the present invention is based on the above-described knowledge, and measures the microtremors of a concrete building excited by wind force, traffic vibration, or the like. Obtain the natural frequency change over time from the microtremor measurement data, and determine that the concrete building is damaged when the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building tends to decrease when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building increases. To do.

また、請求項２記載の発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法は、風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、コンクリート建物の固有振動数の日変動がコンクリート建物の外壁温度の変化と逆の関係の変動を起こすときにはコンクリート建物に損傷有りと判定するものである。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for determining the soundness of a concrete building. The method according to claim 2 is a method for measuring a microtremor of a concrete building excited by wind force, traffic vibration, or the like. When the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building causes a fluctuation opposite to the change of the outer wall temperature of the concrete building, it is determined that the concrete building is damaged.

また、請求項３記載の発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法は、風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、固有振動数と気温または日照量の日変動を測定して、コンクリート建物の内外温度差が大きな時刻における固有振動数が極小となる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定するものである。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for determining the soundness of a concrete building. The method according to claim 3 is a method for measuring a microtremor of a concrete building excited by wind force or traffic vibration. Measure the natural frequency and the daily fluctuation of the temperature or the amount of sunlight, and determine that the concrete building is damaged when the natural frequency at the time when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is large tends to be minimal. is there.

また、請求項４記載の発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法は、風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、固有振動数と気温または日照量の日変動を測定して、気温または日照量が極大となる時間帯に、固有振動数が極小となればコンクリート部分が非健全と判断するものである。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for determining the soundness of a concrete building. The method according to the present invention measures the microtremors of a concrete building excited by wind force, traffic vibrations, etc. Measure the natural frequency and the daily fluctuation of the temperature or amount of sunshine, and if the natural frequency becomes minimum during the time when the temperature or amount of sunshine is maximum, the concrete part is judged to be unhealthy. .

また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載のコンクリート建物の健全性判定方法において、コンクリート建物の各階毎にあるいは同じ階の異なる区画・部屋毎に建物内外温度差を順番に与えて常時微動を計測することを特徴とするものである。   Further, the invention according to claim 5 is the concrete building soundness determination method according to any one of claims 1 to 4, wherein the inside / outside of the building is provided for each floor of the concrete building or for each different section / room on the same floor. It is characterized by constantly measuring fine movements by sequentially giving temperature differences.

また、請求項６記載の発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法は、コンクリート建物の固有振動数と気温または日照量の日変動を連続的あるいは定期的に測定して、コンクリート建物の固有振動数の日変動の幅の時系列的推移を求め、コンクリート建物の内外温度差に対する固有振動数の日変動の幅が減少傾向にあるときには、コンクリート建物の損傷もしくは将来的にコンクリート建物の損傷に至る可能性のある軽度な劣化のいずれかが進行しつつあることを診断するものである。   The soundness determination method for a concrete building according to the invention described in claim 6 is characterized in that the natural frequency of the concrete building and the daily fluctuation of the temperature or the amount of sunshine are measured continuously or periodically to determine the natural frequency of the concrete building. If the width of the daily fluctuation of the natural frequency with respect to the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is decreasing, the concrete building may be damaged or the concrete building may be damaged in the future. It diagnoses that any of the mild mild deterioration that is having progressed.

ここで、本発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法において、コンクリート建物に与えられるコンクリート建物の内外温度差は、気温または日照などの自然現象により実現されるものであっても良いし、人工熱源により強制的に加温あるいは冷却されることにより実現されるようにしても良い。さらには、コンクリート建物の内側を人工熱源により強制的に冷却しあるいは加温することにより、建物外部の気温または日照などの自然現象との間でコンクリート建物の内外温度差が実現されるようにしても良い。また、人工熱源としては、コンクリート建物の室内の冷暖房装置であることが好ましい。   Here, in the soundness judgment method for a concrete building according to the present invention, the temperature difference between the inside and outside of the concrete building given to the concrete building may be realized by a natural phenomenon such as air temperature or sunlight, or an artificial heat source. It may be realized by forcibly heating or cooling by the above. Furthermore, by forcibly cooling or heating the inside of the concrete building with an artificial heat source, the temperature difference between the inside and outside of the concrete building can be realized between the temperature outside the building or natural phenomena such as sunlight. Also good. Further, the artificial heat source is preferably an air conditioner in a concrete building.

本発明のコンクリート建物の健全性判定方法によれば、最も健全であったと仮定できる新築時のコンクリート建物の固有振動数のデータが無くとも、即ち建設時から相当年数経ているコンクリート建物であっても、その健全性を判定することができる。しかも、表面に現れない構造内部の欠陥を含めてコンクリート建物全体の健全性を判定することができる。また、各階毎にあるいは同じ階の異なる区画・部屋毎に建物の温度差を与えることにより、各階毎の健全性の判定あるいは同じ階の異なる区画・部屋毎の健全性の判定を行うこともできる。   According to the soundness judgment method of a concrete building of the present invention, even if there is no data on the natural vibration frequency of a new concrete building that can be assumed to be the most healthy, that is, even a concrete building that has passed a considerable number of years since construction. The soundness can be determined. Moreover, the soundness of the entire concrete building can be determined including defects inside the structure that do not appear on the surface. It is also possible to judge the soundness of each floor or the soundness of different compartments / rooms on the same floor by giving a building temperature difference for each floor or for different compartments / rooms on the same floor. .

また、本発明のコンクリート建物の健全性判定方法によれば、コンクリート建物の損傷しそうな箇所を予測してその部分にひずみを検出するためのセンサなどを埋設しておかなくても、つまり、評価対象となるコンクリート構造部材（例えば、柱）のどこに損傷が発生するのか未知であったとしても、建物の損傷の発生の有無を検出することができる。しかも、コンクリート構造部材の損傷にとどまらず、建物全体の損傷の有無を検出することができる。   Further, according to the soundness judgment method for a concrete building of the present invention, it is possible to predict a place where a concrete building is likely to be damaged and to detect a strain in that part without embedding a sensor or the like. Even if it is unknown where the damage occurs in the target concrete structural member (for example, a pillar), it is possible to detect whether or not the building has been damaged. Moreover, it is possible to detect the presence or absence of damage to the entire building as well as damage to the concrete structural member.

さらに、本発明のコンクリート建物の健全性判定方法によれば、コンクリート建物の常時微動と外気温や日照などの１日を周期として変動する熱源とを利用すると共に、常時微動から求まるコンクリート建物の固有振動数の日変動と建物内外温度差とから、コンクリート建物全体の健全性を簡単に評価できると共に装置規模や仕掛けが簡略なもので足りる。   Furthermore, according to the soundness judgment method of a concrete building of the present invention, the constant tremor of the concrete building and the heat source that fluctuates with a period of one day such as outside temperature and sunshine are used, and the specific property of the concrete building obtained from the constant tremor From the daily fluctuation of the frequency and the temperature difference between the inside and outside of the building, the soundness of the entire concrete building can be easily evaluated, and the equipment scale and mechanism can be simplified.

さらに、本発明は、健全性評価を連続的あるいは定期的に実施して、外気温または日照量の日変動あるいはコンクリート建物の内外温度差の日変動に伴う固有振動数の日変動のの時系列的推移の傾向からコンクリート損傷の進行状況を診断するようにしているので、現段階で健全であると評価されるコンクリート建物の劣化の進行状況と将来のコンクリート損傷を致命的な損傷に至る前に早期に予測することができる。したがって、例えば、最低限の日変動幅を予め求めておけば、定期に健全性判定を実施している時に、次の定期点検時には最低限度を超える可能性が高く、何らかの措置を講じるべきである、といった判断が可能となる。   Furthermore, the present invention performs a soundness evaluation continuously or periodically, and a time series of daily fluctuations of natural frequency accompanying daily fluctuations of outside air temperature or sunshine amount or daily fluctuations of temperature difference between inside and outside of a concrete building. The progress of concrete damage is diagnosed based on the trend of global transition, so the deterioration progress of concrete buildings that are evaluated to be healthy at the present stage and the future concrete damage before the fatal damage. It can be predicted early. Therefore, for example, if the minimum daily fluctuation range is obtained in advance, it is highly likely that the minimum level will be exceeded during the next periodic inspection when periodic health checks are performed, and some measures should be taken. It becomes possible to make a judgment.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

図１〜図４に本発明のコンクリート建物の健全性判定方法の実施形態の一例を示す。本実施形態のコンクリート建物の健全性判定方法は、風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データからコンクリート建物の固有振動数の経時変化（日変動）を求めると共にコンクリート建物に与えられる温度変化を測定し、この固有振動数の経時変化とコンクリート建物に与えられる温度変化との関係からコンクリート建物の健全性を評価しようとするものである。つまり、コンクリート建物の内外温度差が増大するときに固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあること、またはコンクリート建物の固有振動数の日変動がコンクリート建物の外壁温度の変化と逆の関係の変動を起こすこと、またはコンクリート建物の内外温度差が大きな時刻における固有振動数が極小となる傾向にあること、あるいは気温または日照量が極大となる時間帯に固有振動数が極小となることなどを指標としてコンクリート部分が非健全と判断するものである。   1-4 show an example of an embodiment of a soundness determination method for a concrete building according to the present invention. The concrete building soundness determination method of this embodiment measures the continuous tremor of a concrete building excited by wind power, traffic vibration, etc., and changes the natural frequency of the concrete building with time (diurnal variation) from the measurement data of the microtremor. ) And the temperature change given to the concrete building is measured, and the soundness of the concrete building is evaluated from the relationship between the change with time of the natural frequency and the temperature change given to the concrete building. In other words, when the temperature difference between the inside and outside of a concrete building increases, the daily fluctuation range of the natural frequency tends to decrease, or the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building is opposite to the change of the outer wall temperature of the concrete building. The relationship tends to fluctuate, or the natural frequency tends to be minimal at the time when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is large, or the natural frequency is minimal at the time when the temperature or amount of sunlight is at a maximum. The concrete part is judged to be unhealthy using the above as an index.

ここで、コンクリート建物の固有振動数は、振動センサなどで検出されるコンクリート建物の常時微動から求める。建物は地震や強風を受けない通常の状態であっても交通振動や風力、波浪、地球深部の振動等さらには内部で動く人間の動き等を振動源として人体には感じられないほど非常に小さな振幅で常に振動していることが判っている。本明細書ではこのような微小な振動のことを「常時微動」と呼ぶ。この常時微動からコンクリート建物の固有振動数を求める手法としては、例えば本発明者が特開２００３−３２２５８５号において示している手法によって行う。なお、コンクリート建物の常時微動を計測する加速度センサ３１は、図１に示すように、建物上の任意の位置例えば本実施形態の場合には建物の中程の階と最上階とに複数設置し、それらの記録に基づいて一定間隔毎例えば１５分毎の固有振動数の経時データを計算するようにしている。また、コンクリート建物３０の温度変化を測定する温度センサ３２は、建物の任意の位置例えば最下階の柱の室内側の壁面及び室外側の壁面のそれぞれに設置して、建物内外の温度の経時データを得るようにしている。   Here, the natural frequency of the concrete building is obtained from the constant tremor of the concrete building detected by a vibration sensor or the like. Buildings are so small that they cannot be felt by the human body due to vibration sources such as traffic vibrations, wind power, waves, deep earth vibrations, and even the movement of people moving inside even in normal conditions that are not subject to earthquakes or strong winds. It turns out that it always vibrates with amplitude. In the present specification, such minute vibration is referred to as “always fine movement”. As a technique for obtaining the natural frequency of the concrete building from this constant fine movement, for example, the technique of the present inventor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-322585. As shown in FIG. 1, a plurality of acceleration sensors 31 that measure microtremors of a concrete building are installed at arbitrary positions on the building, for example, in the case of this embodiment, the middle floor and the top floor of the building. Based on these records, the time-dependent data of the natural frequency is calculated at regular intervals, for example, every 15 minutes. The temperature sensor 32 for measuring the temperature change of the concrete building 30 is installed at any position of the building, for example, the wall surface on the indoor side and the wall surface on the outdoor side of the pillar on the lowest floor, and the temperature of the temperature inside and outside the building is changed over time. I try to get data.

そして、図２に示すように、建物の常時微動記録を建物上の任意の位置に設置した複数の加速度センサ（振動センサ等）で計測し（ステップ１）、その計測記録から例えばＡＲＭＡＭＡモデル（Autoregressive Moving-Average and Moving-Average model）によるスペクトル解析法を用いることにより（ステップ２）、基準信号と複数個の参照信号の間のクロススペクトルならびに基準信号に関するパワースペクトル（単点の計測データの特性を表す周波数軸の関数）を算定する（ステップ３）。次に、それらスペクトルの計算結果から振動特性の同定法を用い（ステップ４）、固有振動数を求める（ステップ５）。固有振動数を図示していない記録手段に記録し、建物全体の健全性の良否の判定に備える。そして、「コンクリート建物の内外温度差が増大するときに固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあるか否か」（ステップ６−１）、「コンクリート建物の固有振動数の日変動がコンクリート建物の外壁温度の変化と逆の関係の変動を起こすか否か」（ステップ６−２）、「コンクリート建物の内外温度差が大きな時刻における固有振動数が極小となる傾向にあるか否か」（ステップ６−３）あるいは「外気温または日照量が極大となる時間帯に、固有振動数が極小となるか否か」（ステップ６−４）のいずれかの指標に基づいて、コンクリート建物に損傷が有るか否か、換言すればコンクリート建物のコンクリート部分が非健全であるかを判定する（ステップ７−１，７−２）。 Then, as shown in FIG. 2, a continuous microtremor record of the building is measured by a plurality of acceleration sensors (vibration sensors, etc.) installed at arbitrary positions on the building (step 1), and the ARMAMA model (Autoregressive, for example) is measured from the measurement record. By using the spectral analysis method by Moving-Average and Moving-Average model (Step 2), the cross spectrum between the standard signal and multiple reference signals and the power spectrum related to the standard signal (characteristics of the measurement data of a single point) (Function of frequency axis to be expressed) is calculated (step 3). Next, a vibration characteristic identification method is used from the calculation results of these spectra (step 4) to determine the natural frequency (step 5). The natural frequency is recorded in a recording means (not shown) to prepare for judging the soundness of the whole building. Then, “whether or not the daily fluctuation range of the natural frequency tends to decrease when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building increases” (step 6 −1 ), “the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building Whether or not the fluctuation of the relationship opposite to the change in the temperature of the outer wall of the concrete building will occur "(Step 6-2 )," Whether the natural frequency tends to be minimal at the time when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is large "Step 6-3 " or "Whether the natural frequency is minimized during the time when the outside air temperature or the amount of sunshine is maximized" (Step 6-4 ). It is determined whether or not there is damage, in other words, whether the concrete part of the concrete building is unhealthy (steps 7-1 , 7-2 ).

コンクリート建物３０は、日照を受けて外壁面部分の温度が上昇すると、その部分が熱膨張して伸びようとする。その一方で、コンクリート建物の内壁面は外壁面の熱が伝達され難いため、あるいは仮に熱が伝達されてもコンクリート建物３０の外壁面よりも温度の上昇幅が小さいため、コンクリート建物の内壁面は熱膨張しないか、あるいはほとんど熱膨張しない。このようなコンクリート建物３０の外壁面部分と内壁面部分との間の熱膨張の違いにより、コンクリート建物３０には図７に示すように圧縮応力と引っ張り応力が発生する。これらの応力の発生によってコンクリート建物３０のコンクリート部分のヤング係数が変化する。ヤング係数はコンクリート建物３０の固有振動数を決める定数の一つであるため、ヤング係数が変化すればコンクリート建物３０の固有振動数も変化する。   When the temperature of the outer wall surface part rises due to sunlight, the concrete building 30 tends to expand due to thermal expansion. On the other hand, the inner wall surface of a concrete building is difficult to transfer heat from the outer wall surface, or even if heat is transmitted, the temperature rise is smaller than the outer wall surface of the concrete building 30, so the inner wall surface of the concrete building is There is little or no thermal expansion. Due to the difference in thermal expansion between the outer wall surface portion and the inner wall surface portion of the concrete building 30, compressive stress and tensile stress are generated in the concrete building 30 as shown in FIG. Generation of these stresses changes the Young's modulus of the concrete portion of the concrete building 30. Since the Young's modulus is one of the constants that determine the natural frequency of the concrete building 30, if the Young's modulus changes, the natural frequency of the concrete building 30 also changes.

ここで、振動センサ３１により計測された建物３０の常時微動記録からは、ＡＲＭＡＭＡモデルを用いて常時微動記録の中の任意のひとつの基準信号と残りの参照信号とのクロススペクトルが求められ、これら基準信号および参照信号の相関成分と無相関部分とが分離されて建物全体の振動成分のみが抽出される。つまり、建物３０上の複数位置に振動センサ３１を配置することにより計測された常時微動記録の中で、任意のひとつの記録が基準信号、残りの記録が参照信号とされる。そして、同じ建物３０中の異なる個所における時刻歴波形（横軸は時間ｔ、縦軸は振動）を掛け合わせることによって両波形のうちの共通する成分のみが波形として示されたクロススペクトルが得られるので、基準信号と参照信号の間のクロススペクトルをＡＲＭＡＭＡモデルを用いた方法を用いて推定することにより、２つの信号に共通に含まれる振動成分の中で基準信号を原因、参照信号を結果とする因果律を満たすものが抽出される。このため、観測波形に特有の振動成分が含まれる場合にもこれらを除去して複数の観測波形に共通する成分のみを抽出できる。この抽出された振動成分より、基礎部分を含めた建物の振動特性が同定される。したがって、この建物に与えられる温度変化に伴う建物の固有振動数の日変動の挙動から、コンクリート部分のひび割れなどに起因するヤング係数の変化、ひいては建物３０の固有振動数の低下を検出してコンクリート建物３０の健全性即ちコンクリート部分の構造上の損傷を判定することができる。   Here, from the microtremor recording of the building 30 measured by the vibration sensor 31, a cross spectrum between any one reference signal in the microtremor recording and the remaining reference signal is obtained using the ARMAMA model. The correlation component and the non-correlated part of the reference signal and the reference signal are separated, and only the vibration component of the entire building is extracted. In other words, in the fine movement recording measured by arranging the vibration sensors 31 at a plurality of positions on the building 30, one arbitrary recording is used as the reference signal and the remaining recording is used as the reference signal. Then, by multiplying time history waveforms at different locations in the same building 30 (horizontal axis is time t, vertical axis is vibration), a cross spectrum in which only the common component of both waveforms is shown as a waveform is obtained. Therefore, by estimating the cross spectrum between the reference signal and the reference signal using the method using the ARMAMA model, the reference signal is caused as a result of the reference signal among the vibration components commonly included in the two signals. Those that satisfy the causality are extracted. For this reason, even when a vibration component peculiar to the observed waveform is included, it is possible to remove only those components common to the plurality of observed waveforms. The vibration characteristics of the building including the foundation portion are identified from the extracted vibration components. Therefore, the change in the Young's modulus due to cracks in the concrete part and the decrease in the natural frequency of the building 30 are detected from the behavior of the daily fluctuation of the natural frequency of the building due to the temperature change given to the building, and as a result, the natural frequency of the building 30 is decreased. The soundness of the building 30, that is, the structural damage of the concrete portion can be determined.

さらに、本発明は、健全時のデータを確保しておく必要がないことに特徴を有しているものの、日常的にあるいは定期的にデータを蓄積することにより、コンクリート建物の固有振動数の日変動の経時的推移から、現在の建物の劣化の状況並びにコンクリートの損傷もしくは将来的に建物の損傷に至る可能性のある鉄筋の構造性能の軽度な劣化のいずれかが進行しつつあることを診断する将来の損傷あるいはに至る時期の予測を致命的な損傷が発生する以前に早期に行うことができる。   Furthermore, although the present invention is characterized by the fact that it is not necessary to secure data at the time of soundness, the data of the natural frequency of a concrete building can be obtained by accumulating data on a daily or regular basis. Diagnose the progress of changes over time, either the current state of building deterioration and any minor deterioration in structural performance of reinforcing bars that could lead to concrete damage or future building damage Predicting future damage or when it will occur can be done early before fatal damage occurs.

即ち、コンクリート構造部材のコンクリート並びに鉄筋の構造性能の状況は、建物の内外温度差あるいは外壁温度などと固有振動数の日変動量との関係として定量的に把握できることから、常時微動並びに建物の内外温度差の測定を定期的にあるいは連続的に実施して固有振動数の日変動の経年的変化を分析することで、将来におけるコンクリート建物の劣化を致命的な損傷が発生する以前に早期に予測することができる。   In other words, the structural performance of concrete and reinforcing bars of concrete structural members can be quantitatively grasped as the relationship between the internal and external temperature difference of the building or the external wall temperature and the daily fluctuation of the natural frequency. Predicting deterioration of concrete buildings in the future ahead of catastrophic damage by analyzing the changes over time of the natural frequency with periodic or continuous temperature difference measurements can do.

例えば、本発明の試験を定期点検として新築直後から何度か実施した結果、図５に示すように固有振動数の日変動率が経年的に低下しているデータが得られたときには、コンクリート部材のひび割れなどが進行していると診断できる。即ち、経年的に固有振動数の日変動率が減少しているデータが得られたときには、現段階ではコンクリートに損傷はないが、構造上の軽微な劣化が進行しており、いずれはコンクリートに損傷が発生する恐れがあると判断できる。そして、コンクリート建物に致命的な損傷が発生したときの内外温度差に対する固有振動数の日変動の変化量の値を予め設定しておけば、現段階でコンクリートの構造性能に損傷が見られないと評価されるコンクリート建物においても、将来の劣化の進行を致命的な損傷が発生する前に予測することができる。その反面、固有振動数の日変動率の時系列的推移が一定に推移する場合には、コンクリートと鉄筋に構造上の損傷ないし劣化が存在しておらず、かつ進展していないと診断できる。   For example, as a result of performing the test of the present invention several times immediately after the new construction as a periodic inspection, when the data in which the daily fluctuation rate of the natural frequency decreases with time as shown in FIG. It can be diagnosed that the cracks are progressing. In other words, when data is obtained in which the daily fluctuation rate of the natural frequency has decreased over time, there is no damage to the concrete at this stage, but minor structural deterioration has progressed. It can be determined that there is a risk of damage. If the value of the daily fluctuation of the natural frequency with respect to the temperature difference between the inside and outside when fatal damage occurs in the concrete building is set in advance, no damage will be seen in the structural performance of the concrete at this stage. Even in concrete buildings that are evaluated as follows, it is possible to predict the progress of future deterioration before fatal damage occurs. On the other hand, if the time-series transition of the daily fluctuation rate of the natural frequency is constant, it can be diagnosed that there is no structural damage or deterioration in the concrete and the reinforcing bar, and no progress has been made.

以上のようにして、コンクリート建物の固有振動数の変化の検出を定期的に実施して固有振動数の日変動率のデータを蓄積すれば、現段階におけるコンクリート建物の健全性の判定と、日変動率の時系列的推移が一定に推移するかあるいは減少傾向にあるかによって、現段階でコンクリートの構造性能に損傷が見られないと評価されるコンクリート建物の劣化の将来における進行を致命的な損傷が発生する前に予測することができる。   As described above, if the change of the natural frequency of the concrete building is regularly detected and the daily fluctuation data of the natural frequency is accumulated, the judgment of the soundness of the concrete building at the current stage and the date Depending on whether the rate of change over time is constant or decreasing, the future progress of deterioration of concrete buildings that are evaluated as having no damage to the structural performance of concrete at this stage is fatal. Can be predicted before damage occurs.

ここで、ＡＲＭＡＭＡモデルよるスペクトル解析法（第一の方法）について以下に説明する。建物の健全性診断法における解法モデルとしては、一般的にＡＲＭＡモデル(Autoregressive Moving-Average model)が用いられている。このＡＲＭＡモデルは、例えば数式１に示すように、右辺第１項であるＡＲ(Autoregressive)項と第２項であるＭＡ(Moving-Average)項の和として表現されるモデルで、各項の係数（この場合、a1(k)、b1(k)）に重み付けをして振動特性を表すスペクトルを得ようとするもので、このＡＲＭＡモデルによればホワイトノイズをＭＡ項中でe(t-k)として表すことにより過去の値を参照することが可能となっている。これにより、クロススペクトルの形状を推定してこの推定結果から振動特性を同定するような診断法が行われている。
Here, the spectrum analysis method (first method) using the ARMAMA model will be described below. Generally, an ARMA model (Autoregressive Moving-Average model) is used as a solution model in the building health diagnosis method. This ARMA model is a model expressed as the sum of an AR (Autoregressive) term, which is the first term on the right side, and an MA (Moving-Average) term, which is the second term, as shown in Equation 1, for example. (In this case, a 1 (k), b 1 (k)) are weighted to obtain a spectrum representing the vibration characteristics. According to this ARMA model, white noise is expressed as e (tk in the MA term. It is possible to refer to past values by expressing as). Thus, a diagnostic method is performed in which the shape of the cross spectrum is estimated and the vibration characteristics are identified from the estimation result.

このＡＲＭＡモデルによりコンクリート建物の振動特性を得ようとする場合、１階部分の応答を数式１のようなモデルで表し、屋上部分の応答を数式２のようなモデルで表し、これら各モデルにホワイトノイズをインプットとして入力し、各アウトプット（x1(t)、xR(t)）を求めることによって振動特性を同定することが可能である。この場合、数式１と数式２とにおけるインプット（この場合はe(t-k)が該当）は互いに等しいものと仮定されて入力されるので振動特性が抽出しやすいという利点がある。
When trying to obtain the vibration characteristics of a concrete building using this ARMA model, the response of the first floor portion is represented by a model as shown in Equation 1, the response of the rooftop portion is expressed as a model as shown in Equation 2, and each model is white. It is possible to identify vibration characteristics by inputting noise as an input and determining each output (x 1 (t), x R (t)). In this case, since the inputs (in this case, e (tk)) in Equations 1 and 2 are assumed to be equal to each other, the vibration characteristics can be easily extracted.

ところが、実際の建物の揺れは仮定通りの単純なものとはならず、また振動には建物全体に共通する振動成分だけでなく、床および梁等の構造部材の振動成分や建物内部に設置された稼動機械による振動成分等の局所的な振動成分が含まれる場合が一般的である。このため振動特性を同定する場合、常時微動による影響を考慮し、コンクリート建物の局所振動に関するノイズ成分を取り除かないと精度が劣化する。しかしながら、数式１あるいは数式２として示した従来のＡＲＭＡモデルによるとこのような局所的振動を本来の振動成分から分離できないという問題がある。   However, the actual shaking of the building is not as simple as assumed, and the vibration is not only the vibration component common to the entire building, but also the vibration component of structural members such as floors and beams and the interior of the building. In general, a local vibration component such as a vibration component caused by a moving machine is included. For this reason, when identifying the vibration characteristics, the accuracy deteriorates unless the noise component related to the local vibration of the concrete building is removed in consideration of the influence of microtremors. However, according to the conventional ARMA model shown as Equation 1 or Equation 2, there is a problem that such local vibration cannot be separated from the original vibration component.

すなわち、従来のＡＲＭＡモデルでは、いずれの式においてもインプットを等しいと仮定して入力していることから、ある特定の場所に全く異なる振動源があるような場合（例えばコンクリート建物において屋上に室外機が設置されているような場合）、これに起因する振動（常時微動）を計測データから分離することができない。このため、１階部分と屋上部分とで共通することのない無相関成分（つまり局所的なノイズ成分）を除去することができない。   In other words, in the conventional ARMA model, the inputs are assumed to be equal in any of the equations, so when there is a completely different vibration source at a specific location (for example, an outdoor unit on the roof in a concrete building) Vibrations caused by this (always fine movement) cannot be separated from the measurement data. For this reason, uncorrelated components (that is, local noise components) that are not common to the first floor portion and the rooftop portion cannot be removed.

そこで、ＡＲＭＡモデルにＭＡ項すなわち移動平均項を付加することにより、局所的信号成分が加味された振動特性を得られるようにすることを考えた。これを上述した数式１、数式２に対応するモデルとして表せば、下記の数式３、数式４のようになる。
このＡＲＭＡＭＡモデルを用いた場合、各式（数式３と数式４）に共通する信号（この場合、ホワイトノイズe(t-k)が該当）が入力されることに加え、新しく追加されたＭＡ項にはそれぞれ別の信号（この場合、eR(t-k)とe1(t-k)）が入力されることにより局所的信号成分が加味された振動特性が得られる。そして、得られた振動特性からクロススペクトル（複数の計測データの相関性に関する周波数軸の関数）を得ることにより建物の局所振動に関するノイズ成分が抽出されること、つまり、ＡＲＭＡモデルとは異なり複数の時系列波形の相関成分と無相関成分を分離し、これにより観測波形に特有の振動成分が含まれる場合にもこれらを除去して複数の観測波形に共通する成分が抽出される。 Therefore, it has been considered to obtain a vibration characteristic in which a local signal component is added by adding an MA term, that is, a moving average term, to the ARMA model. If this is expressed as a model corresponding to the above-described Equations 1 and 2, Equations 3 and 4 below are obtained.
When this ARMAMA model is used, a signal common to each equation (Equation 3 and Equation 4) (in this case, white noise e (tk) is applicable) is input, and the newly added MA term is By inputting different signals (in this case, e R (tk) and e 1 (tk)), a vibration characteristic in which a local signal component is added is obtained. The noise component related to the local vibration of the building is extracted by obtaining a cross spectrum (a function of the frequency axis related to the correlation of a plurality of measurement data) from the obtained vibration characteristics. That is, unlike the ARMA model, a plurality of noise components are extracted. By separating the correlation component and the non-correlation component of the time-series waveform, even when a vibration component peculiar to the observed waveform is included, these components are removed and components common to the plurality of observed waveforms are extracted.

つまり、ＡＲＭＡＭＡモデルは、建物上で計測された常時微動記録の中で、２つの時系列信号をx(t)、y(t)として、数式５、数式６として表される。
ここで、e(t)、ex(t)およびey(t)は互いに無相関な定常ホワイトノイズ、Ax(z-1)、Ay(z-1)、Cx(z-1)およびCy(z-1)はＡＲ(Autoregressive)演算子、Bx(z-1)、By(z-1)、Dx(z-1)およびDy(z-1)はＭＡ(Moving-Average)演算子、z-1は遅延演算子である。ＡＲ演算子とＭＡ演算子はz-1に関する多項式であり、例えばAx(z-1)、Ay(z-1)、Cx(z-1)およびCy(z-1)については数式７、数式８で表される。
ここで、ax(j)、ay(j)、cx(j)およびcy(j)はＡＲ係数、ｎおよびｍはＡＲ次数である。ax(j)、ay(j)およびcx(j)は、次式の拡張Yule-Walker方程式を満たす。
ここで、Rxy(τ)はx(t)とy(t)の相互相関関数、Rxx(τ)はx(t)の自己相関関数であり、Rxy(τ)とRxx(τ)の推定値が与えられれば、数式９、数式１０および数式１１よりax(j)、ay(j)およびcx(j)を決定できる。 In other words, the ARMAMA model is expressed as Equations 5 and 6 with two time series signals x (t) and y (t) in the continuous fine movement recording measured on the building.
Where e (t), e x (t) and e y (t) are uncorrelated stationary white noise, A x (z -1 ), A y (z -1 ), C x (z -1 ) And C y (z -1 ) are AR (Autoregressive) operators, B x (z -1 ), B y (z -1 ), D x (z -1 ) and D y (z -1 ) are MA (Moving-Average) operator, z -1 is a delay operator. AR operator and MA operator is a polynomial related to z -1, for example, A x (z -1), A y (z -1), the C x (z -1) and C y (z -1) is It is expressed by Equation 7 and Equation 8.
Here, a x (j), a y (j), c x (j), and c y (j) are AR coefficients, and n and m are AR orders. a x (j), a y (j) and c x (j) satisfy the following extended Yule-Walker equation.
Where R xy (τ) is the cross-correlation function of x (t) and y (t), R xx (τ) is the autocorrelation function of x (t), and R xy (τ) and R xx (τ ) Is given, a x (j), a y (j), and c x (j) can be determined from Equation 9, Equation 10, and Equation 11.

数式５と数式６で示されるx(t)とy(t)に関するクロススペクトルSxy(z-1)は、次の数式１２で表される。
一方で、x(t)のみに関するパワースペクトルSxx(z-1)は、次の数式１３で表される。
数式１２の右辺ならびに数式１３の右辺第１項は、時系列信号x(t)とy(t)に共通する振動成分を示し、数式１３の右辺第２項は時系列信号x(t)にのみ含まれる局所的な振動成分を示す。したがって、数式１２の右辺ならびに数式１３の右辺第１項を用いることにより、局所的な振動成分を除去して建物全体に共通する振動成分のみを抽出できる。 The cross spectrum S xy (z −1 ) relating to x (t) and y (t) expressed by Expression 5 and Expression 6 is expressed by Expression 12 below.
On the other hand, the power spectrum S xx (z −1 ) relating only to x (t) is expressed by the following Equation 13.
The first term on the right side of Equation 12 and the right side of Equation 13 represents a vibration component common to the time series signals x (t) and y (t), and the second term on the right side of Equation 13 represents the time series signal x (t). Only the local vibration component included is shown. Therefore, by using the right side of Expression 12 and the first term on the right side of Expression 13, only the vibration component common to the entire building can be extracted by removing the local vibration component.

数式１２の右辺ならびに式１３の右辺第１項の分母に着目してAx(z)=0、Ay(z-1)=0を満たす解をそれぞれz=-zxj、z=zyj(j=1〜n)とすると、数式１２と数式１３は次式で表示できる。
ここで、zxjおよびzyjはSxx(z-1)の極と呼ばれる複素数であり、それらに対応するβxyjおよびγxyj、βxxjおよびγxxjは留数である。標準z変換に基づき、数式１４においてz=exp(iωΔ) （i;虚数単位、Δ;時間刻み）とすれば、円振動数ωの関数としてクロススペクトルが得られる。 Focusing on the right side of Equation 12 and the denominator of the first term on the right side of Equation 13, solutions satisfying A x (z) = 0 and A y (z −1 ) = 0 are respectively obtained as z = −z xj and z = z yj. If (j = 1 to n), Expressions 12 and 13 can be expressed by the following expressions.
Here, z xj and z yj are complex numbers called poles of S xx (z −1 ), and β xyj and γ xyj , β xxj and γ xxj corresponding to them are residues. If z = exp (iωΔ) (i; imaginary unit, Δ; time step) based on the standard z transformation, a cross spectrum is obtained as a function of the circular frequency ω.

次に、建物上の複数の観測時系列からその振動モードを同定する場合には、まず、数式１４においてx(t)を基準信号としてひとつの観測時系列に固定し、y(t)を参照信号として複数個の観測時系列を順に選択することにより複数個のクロススペクトルを推定する。数式１４において、( )内の第１項は参照信号y(t)を原因、基準信号x(t)を結果とする因果律を満たすものであり、第２項は基準信号x(t)を原因、参照信号y(t)を結果とする因果律を満たすものである。したがって、基準信号x(t)を固定して複数のクロススペクトルを算定している場合には、数式１４の( )内の第２項を用いて基礎部分を含む建物の振動特性を計算できる。すなわち、基礎部分を含む建物のｊ次固有振動数ｆjとｊ次固有モード（ｊ次固有ベクトル）φjは次式により計算できる。
また、πは円周率、γxkjは参照信号を計測点ｋとしたときのクロススペクトルによるγxyjの値であり、Ｔは転置記号を示す。ｊ次固有振動数ｆjとｊ次固有モードφjとを示す数式１６および数式１７は、基準信号x(t)を原因、参照信号y(t)を結果とする因果律から導かれているため、建物に作用する外力とは無関係に成り立つ。よって、建物の常時微動記録のように複数の外力により建物の振動が励起されている場合であっても、固有振動数や固有モード等の振動特性を精度良く計算できる。 Next, when identifying the vibration mode from a plurality of observation time series on the building, first, in equation 14, x (t) is fixed to one observation time series as a reference signal, and y (t) is referred to A plurality of cross spectra are estimated by sequentially selecting a plurality of observation time series as signals. In Expression 14, the first term in () satisfies the causality resulting from the reference signal y (t) and the reference signal x (t) as a result, and the second term causes the reference signal x (t). , Satisfying the causality resulting from the reference signal y (t). Therefore, when the reference signal x (t) is fixed and a plurality of cross spectra are calculated, the vibration characteristics of the building including the foundation portion can be calculated using the second term in () of Expression 14. That is, the j-order natural frequency f j and the j-order eigenmode (j-order eigenvector) φ j of the building including the foundation portion can be calculated by the following equations.
Further, π is a circular ratio, γ xkj is a value of γ xyj by a cross spectrum when the reference signal is a measurement point k, and T is a transposed symbol. Expressions 16 and 17 indicating the j-th natural frequency f j and the j-th eigenmode φ j are derived from the causality that causes the reference signal x (t) and the reference signal y (t) as a result. It is independent of the external force acting on the building. Therefore, even when the building vibration is excited by a plurality of external forces as in the case of the microtremor recording of the building, the vibration characteristics such as the natural frequency and the natural mode can be calculated with high accuracy.

したがって、建物上の複数位置に配置された振動センサによって計測された常時微動記録の中の任意のひとつの記録を基準信号、残りの記録を参照信号として、同じ建物中の異なる個所における時刻歴波形（横軸は時間ｔ、縦軸は振動）を掛け合わせることによって両波形のうちの共通する成分のみが波形として示されたクロススペクトルを得、このクロススペクトルをＡＲＭＡＭＡモデルを用いた方法を用いて推定することにより、２つの信号に共通に含まれる振動成分の中で基準信号を原因、参照信号を結果とする因果律を満たすものを抽出することができる。このため、観測波形に特有の振動成分が含まれる場合にもこれらを除去して複数の観測波形に共通する成分のみを抽出できる。この抽出された振動成分より、基礎部分を含めた建物の振動特性が同定される。   Therefore, time history waveforms at different locations in the same building, with any one of the microtremor records measured by vibration sensors placed at multiple locations on the building as the reference signal and the remaining records as the reference signal (The horizontal axis is time t and the vertical axis is vibration) to obtain a cross spectrum in which only the common component of both waveforms is shown as a waveform, and this cross spectrum is obtained using a method using an ARMAMA model. By estimating, it is possible to extract those vibration components that are commonly included in the two signals and that satisfy the causality resulting from the reference signal and the reference signal. For this reason, even when a vibration component peculiar to the observed waveform is included, it is possible to remove only those components common to the plurality of observed waveforms. The vibration characteristics of the building including the foundation portion are identified from the extracted vibration components.

また、コンクリート建物を対象とした温度変化の付与は、比較的小規模なコンクリート構造部材とは異なって困難である。そこで、本発明者等は外気温や日照などの１日を周期として変動する自然の熱源を利用して建物全体の固有振動数を求め、その固有振動数の経時変化のパターンに基づいて建物全体の損傷の有無を診断する方法を考えた。即ち、コンクリート建物への温度変化の与え方は、少なくとも外壁面と内壁面との間で温度差が（コンクリート構造部材の断面内の温度分布が不均一になるように）与えられるものであれば良く、熱源の種類や加温手法ないし冷却手法に特に限定されるものではないが建物全体に温度差を与えるため、気温または日照などの自然現象の利用が好ましい。勿論、人工熱源により強制的に加温ないし冷却されることを排除するものではなく、人工熱源だけで温度変化を与えることを実現しても良いし、自然現象との併用で実現するようにしても良い。   In addition, it is difficult to apply a temperature change to a concrete building, unlike a relatively small concrete structural member. Therefore, the present inventors obtain the natural frequency of the entire building using a natural heat source that fluctuates with a period of one day, such as outside air temperature or sunshine, and based on the pattern of change over time of the natural frequency of the entire building. A method of diagnosing the presence or absence of damage was considered. That is, the method of giving the temperature change to the concrete building is that at least a temperature difference between the outer wall surface and the inner wall surface is given (so that the temperature distribution in the cross section of the concrete structural member becomes non-uniform). Although it is not particularly limited to the type of heat source, heating method or cooling method, it is preferable to use natural phenomena such as air temperature or sunlight to give a temperature difference to the whole building. Of course, it does not exclude the fact that it is forcibly heated or cooled by an artificial heat source, but it may be possible to change the temperature only with an artificial heat source, or in combination with a natural phenomenon. Also good.

例えば、人工熱源により強制的に加温あるいは冷却を行って建物の内外で温度差を与える場合には、人工熱源で外壁面を加温あるいは冷却するようにしても良いが、好ましくは内壁面を人工熱源で加温あるいは冷却することであり、より好ましくは外壁面を日照あるいは外気温で上昇させる、あるいは夜間のように外気温の低下により外壁面温度を低下させる一方、建物内部では人工熱源により強制的に冷却しあるいは加温することにより制御された温度分布を与えることで不均一な温度変化を実現することである。さらに、人工熱源としては、コンクリート構造部材に直接貼り付けられたヒータや、冷暖房装置であることが好ましい。ラバーヒーター５の代わりに例えばパネルヒーターまたはハロゲンヒーター、ストーブ等の放射熱を熱源とする暖房装置あるいはボイラーや煙突からの熱をコンクリート構造部材１の表面に近接させて加温するようにしても良い。コンクリート構造部材の一面のみをヒータなどの人工的熱源あるいは自然熱源で加温する場合が最も温度差が大きく不均一になるので好ましい。   For example, when heating or cooling is forcibly performed by an artificial heat source to give a temperature difference between the inside and outside of a building, the outer wall surface may be heated or cooled by an artificial heat source. It is heating or cooling with an artificial heat source, and more preferably, the outer wall surface is raised by sunshine or outside air temperature, or the outside wall temperature is lowered by a decrease in the outside air temperature at night, while the inside of the building is made by an artificial heat source. It is to realize a non-uniform temperature change by giving a controlled temperature distribution by forcibly cooling or heating. Furthermore, it is preferable that the artificial heat source is a heater directly attached to a concrete structure member or a cooling / heating device. Instead of the rubber heater 5, for example, a panel heater, a halogen heater, a heater such as a stove or the like, or heat from a boiler or chimney may be heated close to the surface of the concrete structural member 1. . It is preferable to heat only one surface of a concrete structural member with an artificial heat source such as a heater or a natural heat source because the temperature difference is the largest and non-uniform.

ここで、鉄筋が入っていないコンクリートは、表面温度差が２０℃を超えると、ひび割れが入る可能性があるといわれていることから、コンクリート構造部材に与えられる温度変化によって生じる最大温度差例えば表裏面間の温度差は少なくとも２０℃以下であることが望ましい。他方、温度差が５℃程度では固有振動数の変化が小さく不適当であると思われる。そこで、コンクリート構造部材１の部材断面内に不均一な温度分布が生じるような温度変化によって生ずる表面温度差は、１０℃〜１５℃、好ましくは１０℃程度である。通常、実際に使用されている建物の内外壁面間での温度差は通常１０℃程度にあるので、好ましい温度差であるといえる。   Here, it is said that the concrete without a reinforcing bar has a possibility of cracking when the surface temperature difference exceeds 20 ° C. Therefore, the maximum temperature difference caused by the temperature change given to the concrete structural member, for example, table The temperature difference between the back surfaces is desirably at least 20 ° C. or less. On the other hand, when the temperature difference is about 5 ° C., it seems that the change in natural frequency is small and inappropriate. Therefore, the surface temperature difference caused by a temperature change that causes a non-uniform temperature distribution in the cross section of the concrete structural member 1 is about 10 ° C. to 15 ° C., preferably about 10 ° C. Usually, the temperature difference between the inner and outer wall surfaces of a building that is actually used is usually about 10 ° C., so it can be said that this is a preferable temperature difference.

コンクリート建物を構成する構造部材の表裏面間に温度差を与える温度変化が与えられたときの固有振動数の経時変化を求める実験を行った。試験用コンクリート構造部材２０として、鉄筋の入っていない無筋コンクリートと、健全な鉄筋コンクリート並びに鉄筋は入っているが、故意に損傷が与えられている損傷コンクリートとの３種類のコンクリート柱（以下、試験柱と呼ぶ）を用意した。ちなみに、損傷試験柱は、鉄筋試験柱の側方から手押しの油圧ジャッキで最大耐力に達するまで載荷して損傷を与えた。また、試験柱２０のサイズは、１０×１０×５６ｃｍの柱状物である。そして、この３種類の同じサイズの試験柱に対して図６に示す健全性判定装置４を用いて固有振動数の経時変化をモニタリングする実験を行った。なお、この実験で使用される鉄筋コンクリート柱は四隅に直径１ｃｍの鉄筋がかぶり厚（柱の外表面から至近の鉄筋の表面までの距離）１０ｍｍで入れられたものであり、鉄筋比は３．２％である。３本の試験柱はいずれも同じ条件下で同じような状態で床３に立てられており、且つ、各柱に対して健全性判定装置４が同じようにセットされる。   An experiment was conducted to determine the change over time of the natural frequency when a temperature change that gives a temperature difference between the front and back surfaces of the structural members constituting the concrete building was given. As the concrete structural member 20 for testing, there are three types of concrete columns (hereinafter referred to as test): unreinforced concrete without reinforcing bars, and damaged concrete that contains healthy reinforced concrete and reinforcing bars but is intentionally damaged. Prepared as a pillar). By the way, the damage test column was loaded and damaged from the side of the rebar test column with a hand-held hydraulic jack until the maximum strength was reached. Further, the size of the test column 20 is a column of 10 × 10 × 56 cm. Then, an experiment was performed on the three types of test columns having the same size to monitor changes with time of the natural frequency using the soundness determination device 4 shown in FIG. The reinforced concrete columns used in this experiment are those in which rebars with a diameter of 1 cm are inserted at four corners with a cover thickness (distance from the outer surface of the column to the surface of the nearest rebar) of 10 mm, and the rebar ratio is 3.2. %. All of the three test columns are set up on the floor 3 in the same state under the same conditions, and the soundness determination device 4 is set in the same manner for each column.

ここで、健全性判定装置４は、試験柱２０の表面を加温するラバーヒーター５と、試験柱２０を打撃して試験柱２０に自由振動を生じさせる自由振動発生装置９と、試験柱２０の自由振動を検出する振動センサ１０と、この振動センサ１０で得られた振動波形から固有振動数を算出するとともにその算出結果を時系列に沿って記録する振動分析装置１１とを備えている。なお、図中の符号６は一対の支柱、７は回動軸、８は自由落下により回転して試験柱を打撃するハンマーである。   Here, the soundness determination device 4 includes a rubber heater 5 that heats the surface of the test column 20, a free vibration generator 9 that strikes the test column 20 to cause the test column 20 to generate free vibration, and the test column 20. A vibration sensor 10 that detects the free vibration of the motor, and a vibration analyzer 11 that calculates the natural frequency from the vibration waveform obtained by the vibration sensor 10 and records the calculation result in time series. In the figure, reference numeral 6 is a pair of support columns, 7 is a rotating shaft, and 8 is a hammer that rotates by free fall and strikes the test column.

自由振動発生装置９のハンマー８は２分間隔でモーター（図示省略）の駆動力によって作動し、試験柱２０に損傷を与えることのない軽い力で打撃を与える。振動センサ１０はハンマー８による打撃が行われる毎に試験柱２０で生じる自由振動を検出し、その検出結果を示す信号を振動分析装置１１に出力する。２分間隔で打撃することで、固有振動数の経時変化のパターン（プロフィール）を得るようにしている。振動分析装置１１は、予め定められた制御プログラムに基づいて作動する例えばＣＰＵからなる制御部１１ａと、データを記憶するためのメモリ１１ｂとを備えている。制御部１１ａは振動センサ１０から入力された検出結果即ち自由振動波形を加速度の時系列データとしてメモリ１１ｂに記録する。制御部１１ａは自由振動波形から繰り返し周期を読み取り、その周期の逆数を算出し、その算出結果を固有振動数としてメモリ１１ｂに時系列に沿って記録するとともに、振動分析装置１１に接続されている表示装置１２に固有振動数の経時変化の態様を表示する。なお、表示装置１２の画面を通して固有振動数の経時変化をモニタリングできるようにした。さらに、試験柱２０のラバーヒーター５の設置面に温度計２１、試験柱の裏面に温度計２２を設置し、加えて試験柱２０のラバーヒーター５の設置面寄りの内部に温度計２３、試験柱２０の裏面寄りの内部に温度計２４を埋め込んだ。   The hammer 8 of the free vibration generator 9 is operated by a driving force of a motor (not shown) at intervals of 2 minutes, and strikes with a light force that does not damage the test column 20. The vibration sensor 10 detects the free vibration generated in the test column 20 every time the hammer 8 is hit, and outputs a signal indicating the detection result to the vibration analyzer 11. By hitting at intervals of 2 minutes, a pattern (profile) of the natural frequency with time is obtained. The vibration analyzer 11 includes a control unit 11a configured by a CPU, for example, which operates based on a predetermined control program, and a memory 11b for storing data. The control unit 11a records the detection result input from the vibration sensor 10, that is, the free vibration waveform, in the memory 11b as time series data of acceleration. The control unit 11a reads the repetition period from the free vibration waveform, calculates the reciprocal of the period, records the calculation result as a natural frequency in the memory 11b in time series, and is connected to the vibration analyzer 11. The display device 12 displays an aspect of the change over time of the natural frequency. In addition, it was made possible to monitor the change with time of the natural frequency through the screen of the display device 12. Further, a thermometer 21 is installed on the installation surface of the rubber heater 5 of the test column 20, and a thermometer 22 is installed on the back surface of the test column. In addition, a thermometer 23 is installed inside the test column 20 near the installation surface of the rubber heater 5. A thermometer 24 was embedded inside the column 20 near the back surface.

実験は室内温度２５℃で一定とし、ラバーヒーター５による２時間の加温を１回の場合と、６時間サイクルで４回繰り返す場合とを実施した。ここで、ラバーヒーター５の熱量は、加温開始から２時間後に内外温度差（試験柱の表面温度と裏面温度との差）つまり温度計２１で測られる温度と温度計２２で測られる温度との差が１０℃になるように調整した。具体的には、加温開始から２時間後にヒータで加温された表面温度が４５℃、加温されていない裏面温度が３５℃に達するように調整した。   The experiment was conducted at a constant room temperature of 25 ° C., and heating was performed once for 2 hours with the rubber heater 5 and repeated four times in a 6-hour cycle. Here, the amount of heat of the rubber heater 5 is the difference between the internal and external temperature (the difference between the test column surface temperature and the back surface temperature) 2 hours after the start of heating, that is, the temperature measured by the thermometer 21 and the temperature measured by the thermometer 22. The difference was adjusted to 10 ° C. Specifically, after 2 hours from the start of heating, the surface temperature heated by the heater was adjusted to 45 ° C., and the back surface temperature not heated was adjusted to 35 ° C.

実験結果を図８に示す。図８（ａ）は温度計２１〜２４で測られる温度の経時変化を示すグラフである。図８（ａ）において、最も上に位置するグラフが温度計２１で測られた温度の経時変化を示すものであり、その１つ下に位置するグラフが温度計２３で測られた温度の経時変化を示すものであり、さらにその１つ下に位置するグラフが温度計２４で測られた温度の経時変化を示すものであり、最も下に位置するグラフが温度計２２で測られた温度の経時変化を示すものである。各グラフの横軸の材齢は各試験柱を打設してからの日数で示されている。   The experimental results are shown in FIG. FIG. 8A is a graph showing changes in temperature with time measured by the thermometers 21 to 24. In FIG. 8A, the uppermost graph shows the change with time of the temperature measured by the thermometer 21, and the next lower graph shows the time of the temperature measured by the thermometer 23. The graph located at the bottom of the graph shows the change over time of the temperature measured by the thermometer 24, and the graph located at the bottom shows the temperature measured by the thermometer 22. It shows a change with time. The age on the horizontal axis of each graph is indicated by the number of days since each test column was placed.

図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示すそれぞれのグラフから、コンクリート部分が健全であるときに加温すると固有振動数が上がるかほぼ一定に推移し、損傷があるときに加温すると固有振動数が下がることが示唆された。これにより、固有振動数が増加しているか、減少しているかで、健全な鉄筋コンクリート柱とコンクリート部分が損傷している鉄筋コンクリート柱とを識別することができる。   From each graph shown in FIG. 8 (b) to FIG. 8 (d), when the concrete part is healthy, the natural frequency rises or becomes almost constant when heated, and when it is damaged, the natural frequency increases. It was suggested that the frequency decreased. Accordingly, it is possible to distinguish between a healthy reinforced concrete column and a reinforced concrete column in which the concrete portion is damaged depending on whether the natural frequency is increasing or decreasing.

因みに本実験では、ラバーヒーター５による加温を６時間サイクルで４回繰り返して実施したが、加温を実施する都度同様の固有振動数の経時変化のパターンを得ることができた。したがって、固有振動数の経時変化のパターンには再現性があることが確認できた。   Incidentally, in this experiment, heating by the rubber heater 5 was repeated four times in a 6-hour cycle, but the same frequency change pattern with time could be obtained each time heating was performed. Therefore, it was confirmed that the natural frequency pattern with time was reproducible.

上述の実施例１で明らかにされた温度変化と固有振動数との関係、即ちコンクリート構造部材が健全な状態で表裏面の温度差が極大となるときには固有振動数も極大となり、損傷している状態では表裏面の温度差が極大となるときには固有振動数が極小となるという現象を、建物全体に応用することでコンクリート建物全体の健全性を評価できることを実際のコンクリート建物で確認した。つまり、本発明のコンクリート建物の健全性の判定方法の有用性を検証するために本発明者は、図１に示すように鉄骨鉄筋コンクリート造１０階の建物３０において、風力や交通振動等により励起される建物の常時微動を計測し、その計測記録に含まれる建物３０全体の振動成分のみを抽出することによって建物３０の固有振動数を得て、その固有振動数の経時変化をモニタリングする実験を行った。   The relationship between the temperature change and the natural frequency clarified in Example 1 described above, that is, when the temperature difference between the front and back surfaces is maximized when the concrete structural member is healthy, the natural frequency is also maximized and damaged. It was confirmed in an actual concrete building that the soundness of the entire concrete building can be evaluated by applying the phenomenon that the natural frequency is minimized when the temperature difference between the front and back surfaces is maximized. In other words, in order to verify the usefulness of the method for determining the soundness of a concrete building according to the present invention, the inventor is excited by wind power, traffic vibration, etc. in a building 30 on the 10th floor of a steel reinforced concrete structure as shown in FIG. An experiment was conducted to measure the microtremors of a building, obtain the natural frequency of the building 30 by extracting only the vibration component of the entire building 30 included in the measurement record, and monitor the change over time of the natural frequency. It was.

実験は、千葉県我孫子市我孫子１６４６番地所在の財団法人電力中央研究所地球工学研究所本館棟（鉄骨鉄筋コンクリート造１０階、築３５年）を対象に、２００４年６月２７日〜同年７月２４日の夏期のほぼ１ヶ月間にわたって行った。なお、建物を損傷させることはできないので、損傷のない建物に対して上述の現象が成立することを確認することで、本発明を確認することとした。   The experiment was conducted from June 27 to 2004 in the main building of the Geotechnical Research Institute (Electric Engineering Research Institute) located at 1646 Abiko, Abiko City, Chiba Prefecture. I went for almost a month in the summer of the day. In addition, since the building cannot be damaged, it was decided to confirm the present invention by confirming that the above-mentioned phenomenon is established for an undamaged building.

図１に示すように、建物３０の屋上と中間部分にはそれぞれ加速度センサ３１を設置し、それらの記録に基づいて１５分毎の固有振動数の経時データを計算した。また、建物の最下階の柱の室内側の壁面及び室外側の壁面のそれぞれに温度計３２を設置して、建物内外の温度の経時データも得た。実験は、外気温や日照などの１日を周期として変動する自然の熱源を利用して建物に対して温度変化を与えながら建物全体の固有振動数を求め、その固有振動数の経時変化のパターンに基づいて建物全体の損傷の有無を診断することとした。   As shown in FIG. 1, acceleration sensors 31 were installed on the roof and the middle part of the building 30, respectively, and the time-dependent data of the natural frequency every 15 minutes was calculated based on these records. In addition, the thermometer 32 was installed on each of the wall surface on the indoor side and the wall surface on the outdoor side of the pillar on the lowest floor of the building, and temporal data of the temperature inside and outside the building was also obtained. In the experiment, the natural frequency of the entire building was obtained while changing the temperature of the building using a natural heat source that fluctuates on a daily basis, such as outside air temperature and sunshine. Based on this, it was decided to diagnose whether the entire building was damaged.

常時微動の計測データからの固有振動数の同定法には、前述のＡＲＭＡＭＡモデルによる振動モード同定法を用いた。このＡＲＭＡＭＡモデルによる振動モード同定法は、加速度センサ３１により計測された建物の常時微動記録の中の任意のひとつの基準信号と残りの参照信号とのクロススペクトルを求め、基準信号及び参照信号の相関成分と無相関部分とを分離して建物全体の振動成分のみを抽出して建物の固有振動数を同定するものである。ここでは、建物上の複数位置に加速度センサを配置することにより計測された常時微動記録の中で、任意のひとつの記録が基準信号、残りの記録が参照信号とされる。そして、同じ建物３０中の異なる箇所における時刻歴波形（横軸は時間、縦軸は振動）を掛け合わせることによって両波形のうちの共通する成分のみが波形として示されたクロススペクトルが得られるので、基準信号と参照信号の間のクロススペクトルをＡＲＭＡＭＡモデルを用いた方法で推定することにより、２つの信号に共通に含まれる振動成分の中で基準信号を原因、参照信号を結果とする因果律を満たすものが抽出される。このため、観測波形に特有の振動成分が含まれる場合にもこれらを除去して複数の観測波形に共通する成分のみを抽出できる。この抽出された振動成分より、基礎部分を含めた建物３０の振動特性が同定される。   The vibration mode identification method based on the ARMAMA model described above was used as a method for identifying the natural frequency from the measurement data of microtremors. In this vibration mode identification method based on the ARMAMA model, a cross spectrum between any one of the reference signals in the microtremor record of the building measured by the acceleration sensor 31 and the remaining reference signal is obtained, and the correlation between the reference signal and the reference signal is obtained. The component and the uncorrelated part are separated and only the vibration component of the entire building is extracted to identify the natural frequency of the building. Here, in the fine movement recording measured by arranging the acceleration sensors at a plurality of positions on the building, any one record is the reference signal and the remaining records are the reference signals. Then, by multiplying time history waveforms at different locations in the same building 30 (horizontal axis is time, vertical axis is vibration), a cross spectrum in which only the common component of both waveforms is shown as a waveform is obtained. By estimating the cross spectrum between the reference signal and the reference signal by a method using the ARMAMA model, the causality resulting from the reference signal and the reference signal as a result among the vibration components commonly included in the two signals is obtained. What is satisfied is extracted. For this reason, even when a vibration component peculiar to the observed waveform is included, it is possible to remove only those components common to the plurality of observed waveforms. From the extracted vibration component, the vibration characteristics of the building 30 including the foundation portion are identified.

この結果を図３並びに図４に示す。図３は固有振動数の経時変化を示すグラフであり、縦軸は固有振動数、横軸は日付を示している。図４は建物３０の内壁面の温度（細線で示す）及び外壁面の温度（太線で示す）の経時変化を示すグラフであり、縦軸は温度、横軸は日付を示している。図３と図４とを比較すると、建物の固有振動数の経時変化には１日を周期とする日変動が認められ、建物の内外温度差と連動していることが分かる。また、建物の内外温度差が大きくなる時刻に固有振動数が極大となる傾向が認められるので、ここで対象としている建物については構造的に健全であると言える。   The results are shown in FIG. 3 and FIG. FIG. 3 is a graph showing the change over time of the natural frequency, with the vertical axis indicating the natural frequency and the horizontal axis indicating the date. FIG. 4 is a graph showing temporal changes in the temperature of the inner wall surface (indicated by a thin line) and the temperature of the outer wall surface (indicated by a thick line) of the building 30, where the vertical axis indicates the temperature and the horizontal axis indicates the date. Comparing FIG. 3 and FIG. 4, it can be seen that the day-to-day fluctuation with a period of one day is recognized in the time-dependent change in the natural frequency of the building and is linked to the temperature difference between the inside and outside of the building. In addition, since the natural frequency tends to be maximized at the time when the temperature difference between the inside and outside of the building becomes large, it can be said that the building considered here is structurally sound.

また、このグラフからは、外壁面温度が極大となるとき、固有振動数も極大となる、という関係が明瞭に読み取れる。これは、健全時の結果である図８の（ｂ），（ｃ）に対応するといえる。もしも、温度が極大となるとき、固有振動数が極小になる、という傾向が出たならば、即座にこの建物は危険であると判断することができる。このように、極端な場合ではあるが、建物が非常に危険であることを、健全時の情報なしで判断できるものである。健全時の情報は、固有振動数の絶対値を評価指標として健全時との比較が必要な従来の技術では不可欠な情報であるが、既存の建物からは得られないものであると共に新築の建物であっても健全であるという絶対的な保証がない以上、事実上健全であるという絶対的なデータは得られないものである。   Further, from this graph, it can be clearly seen that the natural frequency becomes maximum when the outer wall surface temperature becomes maximum. This can be said to correspond to (b) and (c) of FIG. If there is a tendency for the natural frequency to become minimum when the temperature becomes maximum, this building can be immediately judged to be dangerous. Thus, although it is an extreme case, it can be judged without the information at the time of sound that a building is very dangerous. The information at the time of health is indispensable information in the conventional technology that requires comparison with the time of health using the absolute value of the natural frequency as an evaluation index, but it cannot be obtained from existing buildings and is a newly built building Even if there is no absolute guarantee that it is healthy, there is no absolute data that is actually healthy.

今後、固有振動数の日変動の幅が小さくなるか、あるいは建物の内外温度差が大きな時刻に固有振動数が極小となる傾向が現れた場合には建物に損傷が発生していると判定することができる。   In the future, if the natural fluctuation width of the natural frequency becomes smaller or if the natural frequency tends to become minimal at a time when the temperature difference between the inside and outside of the building is large, it is determined that the building is damaged. be able to.

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、コンクリート建物に対して与えられる温度変化は、外気温の変化や日照の有無などを利用する実施形態について主に説明したが、この加熱方法による場合だけでなく、さらにはこれら自然の熱源と人工熱源とを組み合わせることも可能である。例えば建物内部での冷暖房装置などの人工熱源の利用により、建物の内部を強制的に温めたり、冷やしたりして、建物の内外の温度差を人工的に作り出すようにしても良い。太陽光による放射加温と日陰などでの放射冷却との組み合わせによって温度変化を与えるようにしても良い。この場合、各階毎にあるいは同じ階の異なる区画・部屋毎に建物の温度差を与えることにより、各階毎の健全性の判定あるいは同じ階の異なる区画・部屋毎の健全性の判定を行うこともできる。例えば、下の階から順番に冷房を作動させて建物内部の温度を下げて大きな建物内外温度差を順番に与えてゆくと、特定の階を冷房したときに固有振動数が下がる変化が顕れれば、その階に損傷があると判断できる。また、冬期のように外気温が下がっている状態では、逆に上の階から順番に暖房をいれて建物内部の温度を上げて大きな建物内外温度差を順番に与えてゆくと、特定の階を暖房したときに固有振動数が下がる変化が顕れれば、その階に損傷があると判断できる。勿論、同じ階の異なる部屋や区画の間においても、順番に冷却あるいは暖房をすることで温度差を与えてゆけば、部屋単位あるいは区画単位で損傷を評価できる。この場合、外気温が安定した状態で実施することが好ましいが、特にそのような条件に限定されるものでもない。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the temperature change given to the concrete building is mainly described in the embodiment using the change in the outside air temperature, the presence or absence of sunshine, etc., but not only in the case of this heating method, but also with these natural heat sources. A combination with an artificial heat source is also possible. For example, the temperature difference between the inside and outside of the building may be artificially created by forcibly warming or cooling the inside of the building by using an artificial heat source such as an air conditioning apparatus inside the building. You may make it give a temperature change with the combination of the radiation heating by sunlight, and the radiation cooling in the shade. In this case, it is also possible to determine the soundness of each floor or the soundness of different sections / rooms on the same floor by giving a temperature difference of the building for each floor or for different sections / rooms on the same floor. it can. For example, if you turn on the cooling in order from the lower floor and lower the temperature inside the building to give a large temperature difference between the inside and outside of the building in order, the natural frequency changes when a specific floor is cooled. If so, it can be judged that the floor is damaged. On the other hand, when the outside air temperature is falling as in winter, if you turn on the heating in order from the upper floor and raise the temperature inside the building to give a large temperature difference inside and outside the building in order, If the natural frequency changes when the room is heated, it can be determined that the floor is damaged. Of course, damage can be evaluated on a room-by-room or compartment-by-room basis by providing a temperature difference between different rooms or compartments on the same floor by sequentially cooling or heating. In this case, it is preferable to carry out in a state where the outside air temperature is stable, but it is not particularly limited to such conditions.

本発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法を実施する診断対象となる建物のモデル図である。It is a model figure of the building used as the diagnostic object which enforces the soundness determination method of the concrete building concerning this invention. 本発明にかかるコンクリート建物の健全性判定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the soundness determination method of the concrete building concerning this invention. 建物の固有振動数の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the natural frequency of a building. 建物の外面と内面のそれぞれの温度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of each temperature of the outer surface of a building, and an inner surface. コンクリート建物の経年劣化を示す固有振動数の日変動率の経時変化の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of a time-dependent change of the daily fluctuation rate of the natural frequency which shows aged deterioration of a concrete building. コンクリート構造部材に温度変化が与えられたときの固有振動数の変化を実験する測定装置の一例を示す原理図である。It is a principle figure which shows an example of the measuring apparatus which tests the change of the natural frequency when a temperature change is given to the concrete structure member. コンクリート構造部材の加温後における応力分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the stress distribution after the heating of a concrete structural member. 実施例１の実験において得られたデータの経時変化を示すグラフで、（ａ）は試験柱の温度の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は無筋コンクリート柱の固有振動数の経時変化を示すグラフ、（ｃ）は健全な鉄筋コンクリート柱の固有振動数の経時変化を示すグラフ、（ｄ）はコンクリート部分が損傷している鉄筋コンクリート柱の固有振動数の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the data obtained in the experiment of Example 1, (a) is a graph which shows a time-dependent change of the temperature of a test column, (b) shows a time-dependent change of the natural frequency of an unreinforced concrete column. A graph, (c) is a graph which shows a time-dependent change of the natural frequency of a healthy reinforced concrete column, (d) is a graph which shows a time-dependent change of the natural frequency of the reinforced concrete column where the concrete part is damaged.

符号の説明Explanation of symbols

３０ コンクリート建物
３１ 振動センサー
３２ 温度センサー 30 Concrete building 31 Vibration sensor
32 Temperature sensor

Claims (10)

風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、前記コンクリート建物の内外温度差が増大するときに前記固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定することを特徴とするコンクリート建物の健全性判定方法。 The natural frequency of a concrete building excited by wind power or traffic vibration is measured, and the change over time of the natural frequency is obtained from the measurement data of the fine tremor.When the temperature difference between the inside and outside of the concrete building increases, the natural frequency A method for judging the soundness of a concrete building, characterized in that the concrete building is judged to be damaged when the daily fluctuation width of the concrete building tends to be small. 風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、前記コンクリート建物の固有振動数の日変動が前記コンクリート建物の外壁温度の変化と逆の関係の変動を起こすときにはコンクリート建物に損傷有りと判定することを特徴とするコンクリート建物の健全性判定方法。 Measurement of microtremors of a concrete building excited by wind power, traffic vibration, etc., and obtaining a time-dependent change of the natural frequency from the measurement data of the microtremor, the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building is the outer wall of the concrete building A method for judging the soundness of a concrete building, characterized in that it is judged that the concrete building is damaged when a change in the relationship opposite to the temperature change occurs. 風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、前記固有振動数と外気温または日照量の日変動を測定して、前記コンクリート建物の内外温度差が大きな時刻における前記固有振動数が極小となる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定することを特徴とするコンクリート建物の健全性判定方法。 Measure the microtremors of a concrete building excited by wind and traffic vibrations, determine the secular change in natural frequency from the microtremor measurement data, and measure the natural frequency and the daily fluctuations in the outside air temperature or amount of sunlight. A concrete building soundness determination method, comprising: determining that a concrete building is damaged when the natural frequency at a time when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is large tends to be minimal. 風力や交通振動等により励起されるコンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求め、前記固有振動数と気温または日照量の日変動を測定して、外気温または日照量が極大となる時間帯に、前記固有振動数が極小となればコンクリート部分が非健全と判断するものであるコンクリート建物の健全性判定方法。 Measure the microtremors of concrete buildings excited by wind power, traffic vibrations, etc., determine the secular change of natural frequency from the microtremor measurement data, and measure the daily fluctuations of the natural frequency and temperature or amount of sunlight. A method for judging the soundness of a concrete building, wherein the concrete part is judged to be unhealthy if the natural frequency becomes minimal during a time period when the outside air temperature or the amount of sunlight is maximized. 前記コンクリート建物の各階毎にあるいは同じ階の異なる区画・部屋毎に建物内外温度差を順番に与えて前記常時微動を計測することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のコンクリート建物の健全性判定方法。 5. The microtremor is measured by sequentially giving a difference in temperature inside and outside the building for each floor of the concrete building or for each different compartment / room on the same floor. 6. A method for judging the soundness of concrete buildings. 請求項１から４のいずれか１つの方法において前記コンクリート建物の固有振動数と気温または日照量の日変動を連続的あるいは定期的に測定すると共に、前記コンクリート建物の固有振動数の日変動の幅の時系列的推移を求め、前記コンクリート建物の内外温度差に対する前記固有振動数の日変動の幅が減少傾向にあるときには、コンクリート建物の損傷もしくは将来的にコンクリート建物の損傷に至る可能性のある軽度な劣化のいずれかが進行しつつあることを診断するものであるコンクリート建物の健全性判定方法。 The daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building and the daily fluctuation of the temperature or the amount of sunshine in the method according to any one of claims 1 to 4, and the range of the daily fluctuation of the natural frequency of the concrete building. When the width of the daily fluctuation of the natural frequency with respect to the temperature difference between the inside and outside of the concrete building is decreasing, there is a possibility that the concrete building may be damaged or the concrete building may be damaged in the future. A method for judging the soundness of a concrete building that diagnoses that any of the mild deteriorations is progressing. 前記コンクリート建物に与えられる表裏面間の温度差は、気温または日照などの自然現象により実現されるものである請求項１から６のいずれか１つに記載のコンクリート構造物の健全性判定方法。   The method for determining the soundness of a concrete structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature difference between the front and back surfaces given to the concrete building is realized by a natural phenomenon such as air temperature or sunlight. 前記コンクリート建物に与えられるコンクリート建物の内外温度差は、人工熱源により強制的に加温あるいは冷却されることにより実現されるものである請求項１から６のいずれか１つに記載のコンクリート構造部材の健全性判定方法。 The concrete structural member according to any one of claims 1 to 6, wherein the temperature difference between the inside and outside of the concrete building given to the concrete building is realized by forcibly heating or cooling by an artificial heat source. Soundness judgment method. 前記コンクリート建物に与えられるコンクリート建物の内外温度差は、コンクリート建物の内側を人工熱源により強制的に冷却しあるいは加温することにより、建物外部の気温または日照などの自然現象との間で実現されるものである請求項１から６のいずれか１つに記載のコンクリート構造部材の健全性判定方法。 The temperature difference between the inside and outside of the concrete building given to the concrete building is realized between the temperature outside the building or a natural phenomenon such as sunlight by forcibly cooling or heating the inside of the concrete building with an artificial heat source. The method for determining the soundness of a concrete structural member according to any one of claims 1 to 6. 前記人工熱源はコンクリート建物の室内の冷暖房装置である請求項８または９記載のコンクリート構造部材の健全性判定方法。 The method for determining the soundness of a concrete structural member according to claim 8 or 9, wherein the artificial heat source is an indoor air conditioner in a concrete building.
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