JP5726771B2 - 柱状構造物の異常検知システムおよび異常検知方法 - Google Patents

柱状構造物の異常検知システムおよび異常検知方法 Download PDF

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本発明は、振動を用いた構造物診断法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、剛心と重心がずれてねじれ振動が発生している柱状構造物の損傷をリサージュと累積エネルギーによって検知する方法に関するものである。
柱状構造物、例えばコンクリート柱は、送電、通信等の社会基盤を支える構造物として、膨大な数が布設されている。これらコンクリート柱の異常検知を目的とした簡易点検については、主に目視による確認が行われている。また、従来のコンクリート柱の損傷検知方法として、渦流探傷法を用いた方法等、コンクリート柱における、補強鋼材の破断等の劣化機構に依存する精度の高い損傷検知方法の応用も進んでいる。
しかし、前者の目視点検においては、損傷の有無について定量的判断が困難であり、長期供用中に損傷の見落としにより、劣化が進行する場合も存在する。また、渦流探傷法を用いた方法では、センサの取り付け位置をコンクリート柱全体に渡って一定間隔毎にずらして計測する必要があり、例えば、コンクリート柱の先端部では高所の作業が必要となり、作業性の面で問題がある。更に、渦流探傷法を用いた方法は、コンクリート柱全体に及ぶ確認についての高度な専門知識、装置が必要であり、時間的、経済的制約が強く、膨大なコンクリート柱を短時間で簡易に点検する方法として応用することが困難である。ゆえに、近年では、地際を打撃して発生する弾性波振動モードを利用してコンクリート柱の損傷を検知するというアプローチが有力視されている(非特許文献1参照)。
特開2011−021974号公報
成松勇樹・菊地真人・矢部明人・牛島雅史、固有振動を用いたコンクリート柱劣化に関する基礎的検討、土木学会第65回年次学術講演会、2010.9
さて、弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を診断するアルゴリズムは、既にいくつか提案されているが、これら既存のアルゴリズムは、次の理由から実用化課題を抱えている。
まず、一方向打撃による固有振動数の変化を利用した損傷を診断する方法の場合には、柱状構造物の製造過程における厚みや弾性係数の差異、また、建柱時に生じる根入れ長の差異により、弾性波振動モードにばらつきが生じ、劣化状態の弾性波振動モードと比較するための健全状態の弾性波振動モードを定量的に求めることは困難である。ゆえに、円周方向打撃による打撃方向別の固有振動数の変化を利用することで、製造過程における厚みや弾性係数のばらつきや、建柱時に生じる根入れ長のばらつきに依存することなく、損傷の有無、損傷程度および損傷方向を検知する(特許文献1参照)といった応用が進められている。
しかしながら、円周方向打撃による打撃方向別の固有振動数の変化を利用した柱状構造物の断面欠損に起因する異常検知の場合、図3(a)に示すような突き出し金物等が設置
された場合、断面欠損による円周方向別の固有振動数の変化と類似の振動数変化を生じてしまう。突き出し金物のような付属物は、多くの柱状構造物に付随しており、本課題を解決しない限り、弾性波振動モードを利用した柱状構造物の損傷を診断する手法は、現場運用に供することができない。
以上のような理由から、弾性波振動モードを利用した柱状構造物の損傷を診断するアルゴリズムが望まれている反面、これまでの技術では実現困難である。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、突き出し金物等が設置された柱状構造物であっても弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を検知することができる柱状構造物の異常検知システムおよび異常検知方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知システムであって、前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも1つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するシステム適用判定部と、前記システム適用判定部でねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定する異常検知部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知方法であって、前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも1つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するステップと、ねじれ振動が発生していると判定したときに、ねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度とに基づいてねじれ振動が発生していると判定し、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで一定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するので、突き出し金物等が設置された柱状構造物であっても弾性波振動モードを利用して柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。
本発明の実施の形態に係る柱状構造物の異常検知システムを構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。 システム適用判定部と異常検知部を構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。 突き出し金物と、損傷検知の対象となる突き出し金物等が設置された柱状構造物について説明する図である。 損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体の概要図および主鉄配筋図である。 図4のA−A’線に沿う断面図である。 図4のB−B’線に沿う断面図である。 従来の振動数解析を行った結果を示す図である。 突き出し金物等が設置された柱状構造物と、柱状構造物に対する打撃方向との関係を説明する図である。 円周方向に均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。 突き出し金物等が設置され、さらに円周方向に不均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。 打撃方向計算部における処理例を示す図である。 リサージュ判定部における処理の詳細を示す図である。 突き出し金物無しの場合のリサージュ判定部における処理例を示す図である。 突き出し金物有りの場合のリサージュ判定部における処理例を示す図である。 劣化無しの場合の突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。 劣化有りの場合の突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。 劣化無しの場合の運動エネルギー計算部における処理例を示す図である。 劣化有りの場合の運動エネルギー計算部における処理例を示す図である。 累積運動エネルギー判定部の処理例を示す図である。 累積運動エネルギー判定部の処理例を示す図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、柱状構造物の損傷を検知する、本発明の実施の形態に係る異常検知システムを構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。図1に示す柱状構造物の異常検知システム1は、システム適用判定部10と、異常検知部20と、表示部30とから成る。
図2は、システム適用判定部と異常検知部を構成するアルゴリズムの機能ブロックを示す図である。システム適用判定部10は、異常検知の対象となる突き出し金物等が付属しているような、剛心と重心がずれて、ねじれ振動が発生している柱状構造物の判定を行うものである。システム適用判定部10は、打撃方向計算部11と、リサージュ判定部12から成る。異常検知部20は、システム適用判定部10でねじれ振動と判定されたデータの異常を検知するものである。異常検知部20は、運動エネルギー計算部21とエネルギー判定部22から成る。表示部30は、異常検知結果を表示する。
以下、図3(a)に示す突き出し金物41を図3(b)に示すコンクリート柱(柱状構造物)に設置した場合を例に挙げて、システム適用判定部10と異常検知部20の各機能の詳細を説明する。
図4は、損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体の概要図および主鉄配筋図である。図5は、図4のA−A’線に沿う断面図であり、図6は、図4のB−B’線に沿う断面図である。コンクリート柱42は、緊張鉄筋44および非緊張鉄筋45を有する。コンクリート柱42を元口から1330mm付近まで埋設し、打撃位置は、元口から3300とした。受信センサ43は、打撃位置と略180度反対方向の位置に配置され、打撃による振動ごとに振動信号(振動波形)を受信する。受信センサ43としては、例えば、加速度計(加速度センサ)が用いられる。異常検知システム1は、受信センサ43に有線または無線で接続される。
図7は、図4の場合において、特許文献1および非特許文献1に記載されている従来の振動数解析を行った結果を示しており、図8に示すように、コンクリート柱42に突き出し金物41を設置した場合において、コンクリート柱42に鉄球や加振ハンマーで、突き出し金物41の突き出し方向に対して、0°と30°と60°と90°の角度から打撃を加えたときに計測された振動による応答加速度を用いて計算したコンクリート柱42の加速度フーリエスペクトルの一例を示している。
表1は、コンクリート柱42に突き出し金物41を設置していないときと、コンクリート柱42に突き出し金物41を設置して、突き出し金物41の突き出し方向に対して、0°と30°と60°と90°の角度からコンクリート柱42を打撃したときの、それぞれの2次ピーク、3次ピーク、4次ピークの周波数を表したものである。
Figure 0005726771
図7および表1から、突き出し金物41を設置した場合において、突き出し金物41の突き出し方向に対して、0°と30°の角度から打撃した場合と、60°と90°の角度から打撃した場合では、振動数が約4Hz異なっていることが分かる。振動数解析により断面欠損に起因する異常を検知する場合、振動数の差異を用いて判別することが一般的であるが、特許文献1によれば、断面欠損による振動数変化は、2Hz程度の場合も存在し、断面欠損の振動数差異が突き出し金物の振動数差異に埋もれてしまうことがしばしばある。ゆえに、突き出し金物を設置した場合においては、振動数以外の特徴を用いて断面欠損に起因する異常を検知する必要があり、その方法を以下に述べる。
図9は、円周方向に均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図であり、図10は、突き出し金物等が設置され、さらに円周方向に不均一な柱状構造物を打撃したときの柱状構造物の特性と挙動を示す図である。図9に示すように、柱状構造物が円周方向に均一な場合においては、剛心と重心がほぼ一致している。このような剛心と重心がほぼ一致している場合においては、打撃した方向のみに揺れる特性がある。これに対し、図10に示すように、柱状構造物に突き出し金物41等が設置され、円周方向に不均一な場合においては、剛心と重心が一致しない。このように剛心と重心が一致していない柱状構造物においては、打撃した方向とは異なる方向に揺れる特性がある。この打撃方向に対する揺れの方向の差異を捉えることで、損傷の影響ではなく、突き出し金物等が設置されていることにより健全時に振動数差異が発生している柱状構造物を選別することができる。
図11は、打撃方向計算部11における処理例を示す図である。まず、コンクリート柱42の円周面に対して多方向から打撃して、コンクリート柱42を揺らす振動を多方向から発生させたときに、加速度計等により柱状構造物の断面における加速度データを取得する。この加速度計等で取得した振動データは、離散データであり、この離散データより、
図11(a)、図11(b)、図11(c)のように打撃方向ベクトル(di、θi)を、打撃直後のある一定時間算出する。次に、例えば、数1のように、図11(d)で示すような距離閾値dthreshより大きい距離diを持つ打撃方向ベクトルの角度θiを角度合計θsumに加算する。
Figure 0005726771
図11の例では、図11(a)、図11(b)は閾値dthreshより大きいため加算するが、図11(c)は小さいため加算しない。なぜならば、距離が短いベクトルは、角度誤差が大きくなるためである。ある一定時間で加算した後、数2のように角度合計θsum
加算データ数Dで除算し、打撃方向θimpを算出する。
Figure 0005726771
図12は、リサージュ判定部12における処理の詳細を示す図である。図12(a)では、柱状構造物の断面における加速度データを、打撃方向計算部11で得られた打撃方向角度分回転補正する。図12(b)は、回転させた後の加速度データであり、これをリサージュと定義する。図12(b)において、打撃方向最大値imp_max rと打撃直角方向(
打撃方向に対して直角方向)最大値imp_max iを求め、数3によって、リサージュ比lissajous_ratioを算出する。
Figure 0005726771
もし、リサージュ比lissajous_ratioがリサージュ閾値lissajous_threshよりも大きい
場合には、ねじれ振動有りと判定し、異常検知部20へ進む。それに対し、リサージュ比lissajous_ratioがリサージュ閾値lissajous_thresh(所定値)よりも小さい場合には、
ねじれ振動無しと判定し、本システム適用外とする。システム適用外のデータは、例えば、特許文献1のように振動数により異常を判定する。
図13は、突き出し金物無し(ねじれ振動無し)の場合のリサージュ判定部12における処理例を示す図であり、図14は、突き出し金物有り(ねじれ振動有り)の場合のリサージュ判定部12における処理例を示す図である。図14の突き出し金物有りの場合は、図13の突き出し金物無しの場合と比較して、打撃直角方向の振動が大きく、ねじれ振動が発生している。
図15、図16は、突き出し金物等が付属している柱状構造物の時間経過に伴う挙動を示す図である。金物等が付属しており、ねじれ振動が発生している柱状構造物において、図15に示す劣化が無い場合では、打撃直角方向の揺れは打撃直後のみ発現する。それに対して、図16に示す劣化有りの場合では、打撃直角方向の揺れは、打撃後しばらく続く。異常検知部20では、この挙動の特性を用いて異常を検知する。
図17、図18は、運動エネルギー計算部21における処理例を示す図である。図17、図18のグラフは、数4を用いて打撃直角方向の加速度aothを速度vothに変換し、数5により得られた運動エネルギーEothをプロットしたものである。
Figure 0005726771
Figure 0005726771
図17に示す柱状構造物に劣化が無い場合では、0.05秒後には、ほぼ打撃直角方向の運動エネルギーが減衰している。それに対し、図18に示す劣化有りの場合では、0.3秒後まで運動エネルギーが継続して発現している。
図19、図20は、累積運動エネルギー判定部22の処理例を示す図である。まず、図19に示すように、運動エネルギー計算部21において計算した運動エネルギーEothを一定時間内で合計して運動エネルギーEsumを算出し、合計値を1として各時間tにおける運動エネルギーEothを正規化する。図19の例は、運動エネルギーE sum を算出する一定時間が、0.3秒間であることを示している。すなわち、図19に示す例では、累積運動エネルギー判定部22は、0.3秒間のデータを合計し、正規化する。続いて、図20に示すように、正規化した運動エネルギーを数6のように累積しながら時系列でプロットする。
Figure 0005726771
(1)の曲線は、突き出し金物41の突き出し方向に対して90°の角度から打撃を加えた場合、(2)の曲線は、突き出し金物41の突き出し方向に対して0°の角度から打撃を加えた場合、(3)の曲線は、上部損傷有り(劣化が有り)で、かつ突き出し金物41の突き出し方向に対して90°の角度から打撃を加えた場合、(4)の曲線は、上部損傷有り(劣化が有り)で、かつ突き出し金物41の突き出し方向に対して0°の角度から打撃を加えた場合を示している。
図20において、劣化無しの場合では、打撃を加える角度が同一の場合の劣化有りの場合と比較して、打撃直後にほぼ全てのエネルギーが発現するため急峻な変化をする。それに対し、劣化有りの場合では、打撃後も運動エネルギーが発現しているため、打撃を加える角度が同一の場合の劣化無しに比べ緩やかな変化を示す。異常判定は、例えば柱状構造物の金物41に対して0°の角度から打撃を加えた場合には、打撃直後から一定時間後における、図20に点線で示す予め検証で得られた閾曲線の値(所定値)より小さい場合に劣化がある判定する。
図20において、上部損傷有り(劣化が有り)で、かつ突き出し金物41を有する柱状構造物の場合、90°の角度から打撃を加えたときの(3)の曲線は、点線で示す閾曲線における打撃直後から一定時間後の値(所定値)より大きいが、0°の角度から打撃を加えたときの(4)の曲線は、閾曲線における打撃直後から一定時間後の値(所定値)より小さいので、この柱状構造物を劣化有りと判定できる。
上述したように、本発明によれば、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度とに基づいてねじれ振動が発生していると判定し、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで一定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定
するので、突き出し金物等が設置されていても柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。
1 異常検知システム
10 システム適用判定部
11 打撃方向計算部
12 リサージュ判定部
20 異常検知部
21 運動エネルギー計算部
22 エネルギー判定部
30 表示部
41 突き出し金物
42 コンクリート柱
43 受信センサ
44 緊張鉄筋
45 非緊張鉄筋

Claims (2)

  1. 柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知システムであって、
    前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも1つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するシステム適用判定部と、
    前記システム適用判定部でねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定する異常検知部と、
    を備えることを特徴とする柱状構造物の異常検知システム。
  2. 柱状構造物の断面欠損に起因する異常を検知する異常検知方法であって、
    前記柱状構造物を揺らす振動を円周面に対して多方向から発生させたときに、打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に各方向毎にリサージュを描き、少なくとも1つの前記打撃方向において、前記打撃方向と前記打撃直角方向の最大加速度の比が所定値以上の場合にねじれ振動が発生していると判定するステップと、
    ねじれ振動が発生していると判定したときに、ねじれ振動が発生していると判定した柱状構造物の各方向において、打撃直角方向の累積運動エネルギーが打撃直後から一定時間後まで所定値以内である柱状構造物を断面欠損に起因する異常があると判定するステップと、
    を含むことを特徴とする柱状構造物の異常検知方法。
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