JP7374825B2

JP7374825B2 - 建築物の履歴情報記憶システム

Info

Publication number: JP7374825B2
Application number: JP2020043929A
Authority: JP
Inventors: 喜和神崎; 匡信太田; 浩一梶原; 拓也長江
Original assignee: Fujisash Co Ltd; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED); Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Fujisash Co Ltd; National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED); Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2021143546A

Description

特許法第３０条第２項適用１．学会（２０１９年度日本建築学会大会学術講演会）発表公開日令和元年９月３日（火）展示会名、開催場所２０１９年度日本建築学会大会学術講演会金沢工業大学扇が丘キャンパス（石川県野々市市扇が丘７－１）公開者陳威中、鳥谷尾駿佑、長江拓也、梶原浩一、太田匡信、神崎喜和、鍾育霖２．学会（１９９９年集集大地震２０周年記念国際会議）発表公開日令和元年９月１８日（水）展示会名、開催場所１９９９年集集大地震２０周年記念国際会議公務人力發展學院福華國際文教會館（台湾台北市大安區新生南路三段３０號）公開者鳥谷尾駿佑、長江拓也、陳威中、梶原浩一、神崎喜和、鍾育霖

本発明は、地震などの際に建築物に加わる外力の影響を推定し、その結果を記憶する、建築物の履歴情報記憶システムに関する。

ビルディングなどの建築物の耐用年数は、法律で定められている。しかしながら、建築物の実際の寿命（実寿命）は、その構造や素材、メンテナンスの内容および頻度など、さまざまな要因の影響を受ける。

特開２００８－３０９７８４号公報

建築物の実寿命に影響を与える要因の一つとして、地震などの際に加わる外力の影響が考えられる。すなわち、例えば、地震が発生すると、建築物の躯体（骨組み）に外力が加わり、躯体を構成する、柱、梁およびこれらを結合するためのボルトなどの建材が変形することがある。地震の規模がそれほど大きくなく、躯体に加わる外力もそれほど大きくない場合には、地震の揺れが収まり、躯体に外力が作用しなくなると、躯体を構成する建材は、弾性的に復元して元の状態に戻る。しかしながら、躯体に加わる外力がそれほど大きくなく、巨視的には、建材への影響がほとんどない場合であっても、微視的には、建材を構成する金属の原子の一部が元の位置に戻れなくなる（転位現象を生じる）可能性がある。このため、規模がそれほど大きくない地震であっても繰り返し発生することに伴い、繰り返し躯体に外力が加わると、建材に微小な割れ目（クラック）が発生する可能性がある。建材に割れ目が発生した状態から、さらに繰り返し躯体に外力が加わると、割れ目が次第に大きくなっていく。

このように、地震が繰り返し発生する地域に建築された建築物では、地震が繰り返し発生することに伴い、建材を構成する金属にダメージ（疲労）が蓄積され、建材の強度が次第に低下していく。そこで、地震などの際に加わる外力による建材の変形量（弾性変形量）をセンサなどにより計測し、その結果に基づいて、外力が建築物に与える影響を推定することが考えられる。

特開２００８－３０９７８４号公報には、人工構造物に設置された２点間の相対変位を計測することができる変状原位置表示装置が記載されている。そこで、このような変状原位置表示装置を、建築物の躯体を構成する柱や梁などの建材に取り付け、建材の２点間の相対変位を計測することで、建材の変形量を測定することが考えられる。

ただし、特開２００８－３０９７８４号公報に記載の変状原位置表示装置は、予め設置した２点間を結ぶ直線方向に関する相対変位のみしか計測することができない。したがって、建材の多方向の変形を測定するためには、建材に多数の点を設置し、これら各点同士の間にそれぞれ、２点間の相対変位を計測する計測部を設ける必要がある。実際の施工現場において、躯体を組み立てた後、建材の多方向の変形を精度良く計測するために、多数の点を建材に設置する作業は面倒であり、コストが嵩む可能性がある。

本発明は、上述のような事情を鑑みて、地震などの際に建築物に加わる外力の影響を推定し、その結果を記憶することができる、建築物の履歴情報記憶システムを実現することを目的としている。

本発明の建築物の履歴情報記憶システムは、少なくとも１個のセンサと、推定手段と、記憶手段とを備える。
前記少なくとも１個のセンサは、カーテンウォールを構成する建材のうちの少なくとも１つである被測定建材に取り付けられ、かつ、前記建材の変形および／または変位に伴い出力信号が変化する。
前記推定手段は、前記カーテンウォールを含む建築物に外力が加わることに伴い、前記被測定建材が変形および／または変位した場合に、前記少なくとも１個のセンサの出力信号を含む入力情報に基づいて、前記外力の前記建築物への影響を推定する。
前記記憶手段は、前記推定手段による推定結果を記憶する。

前記少なくとも１個のセンサは、ジャイロセンサを含むことができる。この場合、前記被測定建材を、鉛直方向に配置された、方立や縦枠などの部材とすることができる。

本発明は、地震などの際に、建築物に外力が加わった場合、建築物のカーテンウォールは、該カーテンウォールが取り付けられた躯体（骨組み）とほぼ同じ動きをするといった、本発明者らの研究により得られた知見に基づいてなされたものであり、本発明の建築物の履歴情報記憶システムによれば、地震などの際に建築物に加わる外力の影響を推定して、その結果を記憶しておくことができる。

図１は、本発明の実施の形態の１例に係る建築物の履歴情報記憶システムを構成するジャイロセンサが取付けられた、カーテンウォールを示す略斜視図である。図２は、本発明の実施の形態の１例に係る建築物の履歴情報記憶システムを示すブロック図である。図３（Ａ）は、方立と無目との接合部をピン接合とした解析モデルＭ_０を示す模式図であり、図３（Ｂ）は、方立と無目との接合部に回転方向に関する剛性を付与した解析モデルＭを示す模式図である。

図１～図３は、本発明の実施の形態の１例を示している。本例の建築物の履歴情報記憶システムは、カーテンウォール１を構成する方立１１に、該方立１１の変形や変位に伴って出力を変化させるジャイロセンサ２を取り付け、地震の発生などに伴い建築物に外力が加わると、ジャイロセンサ２の出力信号に基づいて、データ処理装置３により外力の建築物への影響を推定し、その結果をメモリ４に記憶する。なお、カーテンウォール１は、図１に示すように、それぞれが鉛直方向に配置された複数本の方立１１と、隣り合う左右の方立１１同士の間にそれぞれ水平方向に配置された複数本の無目１２と、方立１１と無目１２とにより四辺を囲まれた開口部に取り付けられたパネル１３とを備える。

本例では、ジャイロセンサ２として、互いに直交する３方向の軸周りの角速度を検出するものを使用している。ただし、ジャイロセンサ２としては、３方向の軸周りの角速度を検出するものに限らず、角度や角加速度を検出するものを使用することもできる。何れにしても、ジャイロセンサ２は、カーテンウォール１を構成する方立１１のうち、少なくとも１本の方立１１の側面に、少なくとも１個取り付けられている。したがって、ジャイロセンサ２は、地震の発生などに伴い建築物に外力が加わり、方立１１が変形したり変位したりすると、出力信号を変化させる。すなわち、本例では、方立１１が、被測定建材に相当する。

なお、ジャイロセンサ２を方立１１に取り付ける方法については、特に問わず、例えば、ねじ止めや溶接、接着により固定することができる。また、ジャイロセンサ２は、屋外側と屋内側とのいずれに取り付けても良い。

また、図示の例では、ジャイロセンサ２を、カーテンウォール１を構成する方立１１のうち、１本の方立１１の面外方向に関する片側面（建築物に取り付けた状態での屋内側の側面）の上下方向に離隔した複数箇所（図示の例では３箇所）に取り付けている。ただし、ジャイロセンサ２の個数および取付位置については、後述するように、データ処理装置３が、外力の建築物への影響を推定するのに十分な情報を得ることができる限り、特に限定されない。すなわち、ジャイロセンサ２を、カーテンウォールを構成する方立１１のうち、すべての方立１１に取り付けることもできるし、一部の方立１１にのみ取り付けることもできる。また、ジャイロセンサ２を、方立１１の面外方向に関する他側面（建築物に取り付けた状態での屋外側の側面）に取り付けることもできるし、方立１１の面内方向に関する側面に取り付けることもできる。さらに、ジャイロセンサ２を、方立１１の上下方向１箇所にのみ取り付けることもできる。何れにしても、ジャイロセンサ２の取付位置や個数は、データ処理装置３が外力の建築物への影響を推定するのに十分な情報を得ることができるように、理論計算やシミュレーションなどにより設計的に定めることが好ましい。

データ処理装置３は、ジャイロセンサ２の出力信号に基づいて、カーテンウォール１を含む建築物への外力の影響（外力によるダメージ）を推定する推定手段を構成する。本例では、データ処理装置３は、データロガー３１と、信号処理部３２と、影響推定部３３とを備える。なお、データ処理装置３の設置箇所については、特に問わない。

データロガー３１は、ジャイロセンサ２の出力信号を受信し、記録しておく機能を有する。なお、ジャイロセンサ２の出力信号をデータ処理装置３に伝送する手段については、特に限定されず、有線方式と無線方式との何れの方式を採用しても良い。

信号処理部３２は、ジャイロセンサ２により検出し、データロガー３１により受信した、方立１１の角速度を表す信号を処理する。具体的には、例えば、信号処理部３２は、方立１１の傾斜角度を算出する。あるいは、信号処理部３２は、方立１１の角速度を表す信号に基づいて、カーテンウォール１の層間変位（＝ｎ階の床に対する（ｎ＋１）階の水平方向の変位）または層間変形角（＝層間変位÷階高）を算出することもできる。この場合、例えば、カーテンウォール１をモデル化した解析モデルを用いて、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を算出する。すなわち、ジャイロセンサ２の出力信号を解析モデルに入力することで、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を算出する。

ただし、本発明を実施する場合、信号処理部３２は、影響推定部３３において外力の建築物への影響の推定に用いることができる限り、方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角以外のパラメータを算出するように構成することもできる。

また、信号処理部３２による方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角の算出には、ジャイロセンサ２の出力信号以外の情報を使用することもできる。具体的には、例えば、方立１１に取り付けたひずみゲージ５１や加速度センサ５２、傾斜計５６など、ジャイロセンサ２以外のセンサの出力信号を、信号処理部３２による方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角の算出に用いても良い。なお、図示の例では、ひずみゲージ５１などからの信号を直接信号処理部３２に入力しているが、一度データロガー３１により受信、記録してから、信号処理部３２に入力することもできる。

影響推定部３３は、信号処理部３２による算出結果に基づいて、外力の建築物への影響を推定する。ただし、影響推定部３３による外力の建築物への影響の推定には、信号処理部３２の算出結果以外の情報を使用することもできる。

具体的には、例えば、方立１１に取り付けたひずみゲージ５１や加速度センサ５２、傾斜計５６など、ジャイロセンサ以外のセンサの出力信号、建築物の屋内や屋外の様子を撮影するカメラ５３の映像もしくは画像、および／または、建築物もしくは近隣に設置された震度計５４や風速計５５などの出力信号などを、影響推定部３３による外力の建築物への影響の推定に用いることもできる。

上述したジャイロセンサ以外のセンサの出力信号、カメラ５３の映像もしくは画像、および／または、震度計５４や風速計などの出力信号に加え、あるいは、これらに代えて、メモリ４に記憶されている、影響推定部３３による過去の推定結果を、その時点での、影響推定部３３による外力の建築物への影響の推定に用いることもできる。例えば、同程度の外力が建築物に加わったと仮定した場合の、過去の方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角と、その時点での方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角とを比較することで、外力が建築物に与えた影響を推定することができる。

何れにしても、影響推定部３３は、予め理論計算やシミュレーションにより求めた、方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角などの信号処理部３２による算出結果を含む入力情報と、外力および該外力が建築物に与える影響との関係を表すマップや計算式を用いることにより、入力情報に基づいて外力が建築物に与えた影響を推定する。

影響推定部３３は、外力の建築物への影響として、例えば、建築物を構成する、柱、梁およびこれらを結合するためのボルトなどの建材の金属疲労の程度を表す情報を推定（出力）することができる。金属疲労の程度を表す情報としては、例えば、建材に加わった応力の大きさ（応力振幅Ｓ）および繰り返し数Ｎなどを利用することができる。

、影響推定部３３は、上述した応力振幅Ｓおよび繰り返し数Ｎに加え、または、これらに代えて、金属疲労の程度を表す情報として、例えば、建築物の実際の残り寿命（残寿命）を推定することができる。

メモリ４は、影響推定部３３による推定結果を記憶する記憶手段を構成する。なお、メモリ４の設置箇所については、特に問わず、また、データ処理装置３の影響推定部３３による推定結果を、メモリ４に伝送する手段についても、特に限定されず、有線方式と無線方式との何れの方式を採用しても良い。あるいは、データ処理装置３の信号処理部３２および影響推定部３３と、メモリ４とを、１つの演算器内に実装することもできる。メモリ４は、影響推定部３３による推定結果を上書き保存することもできるし、過去の推定結果の一部またはすべてを保存することもできる。影響推定部３３による推定結果を上書き保存するか、過去の推定結果の一部またはすべてを保存するかは、影響推定部３３により推定される情報の内容に応じて適宜決定する。

出力装置６は、メモリ４に記憶した推定結果を出力する。出力装置６は、例えば、パーソナルコンピュータや携帯端末などの表示部（モニタ）を備える装置により構成することができる。

地震の発生などに伴って、本例の建築物の履歴情報記憶システムが組み込まれた建築物に外力が加わり、カーテンウォール１の方立１１が変形および／または変位すると、ジャイロセンサ２の出力信号が変化する。データ処理装置３は、ジャイロセンサ２の出力信号に基づいて、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を算出し、さらに外力が建築物に与えた影響を推定する。メモリ４は、データ処理装置３による推定結果を記憶する。このような一連の処理は、建築物に所定以上の外力（例えば、建築物に影響を与える（建築物を構成する建材の疲労が進行する）程度の外力）が加わるたびに行われる。したがって、メモリ４には、外力の建築物への影響が逐次記憶される。

出力装置６は、建築物の管理者などの要求に応じて、メモリ４に記憶されている推定結果を出力する。これにより、建築物の管理者などは、外力が建築物に与えた影響を確認することができる。このため、建築物の資産価値を良好に把握することができる。

すなわち、法律で定められている建築物の耐用年数（法定耐用年数）は、大規模なメンテナンスを行わないことを想定して決定されているところ、建築物の実寿命は、通常、必要なメンテナンスなどを行うことにより、法定耐用年数よりも長く使用することができる。したがって、外力が建築物に与えた影響、例えば建築物の残寿命を精度よく知ることができれば、適切なメンテナンス時期の把握が容易になるとともに、残寿命の適正値がデータにより裏付けられ、法定耐用年数に左右されない使用期間を保証することができるなど、建築物の資産価値の良好な把握や建築物の効率的な運用が可能となる。

本例では、方立１１の変形や変位を測定するためのセンサとして、センサ設置箇所の互いに直交する３方向の軸回りの角速度を検出可能なジャイロセンサ２を使用している。このため、前述したように、２点間の相対変位を計測部により計測する特開２００８－３０９７８４号公報に記載の変状原位置表示装置を使用して、建材の変形を測定することにより、外力が建築物に与える影響を推定する場合と比較して、センサの数を抑えることができ、コストを抑えることができる。

さらに、本例では、外力が建築物に与える影響の推定に用いる入力情報を得るためのジャイロセンサ２を、建築物の躯体ではなく、カーテンウォール１の方立１１に取り付けている。そして、ジャイロセンサ２の出力信号に基づいて方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角を算出し、さらに方立１１の傾斜角度、または、カーテンウォール１の層間変位若しくは層間変形角に基づいて、外力の建築物への影響を推定するようにしている。したがって、例えば、ジャイロセンサ２を方立１１に予め取り付けておき、その後、カーテンウォール１を建築物の躯体に取り付けることができる。このように、ジャイロセンサ２の設置作業を容易化することができ、この面からもコストを抑えることができる。ただし、カーテンウォール１を建築物の躯体に取り付けた後で、ジャイロセンサ２を方立１１に取り付けることもできる。

また、本例の建築物の履歴情報記憶システムは、建築物を建築する際に組み込むことができる。あるいは、建築物の躯体に取り付けたカーテンウォール１をメンテナンス若しくは交換する際に組み込んでも良い。

なお、信号処理部３２によりカーテンウォール１の層間変位または層間変形角を求める場合、例えば、図３（Ａ）に示すように、方立１１と無目１２との接合部をピン接合とみなした解析モデルＭ_０を用いて、ジャイロセンサ２の出力信号から、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を算出することができる。すなわち、カーテンウォール１では、方立１１の傾倒による無目１２の変形を抑制するため、方立１１と無目１２とは相対回転可能に接合される。このため、カーテンウォール１を設計する際には、計算を簡単にするため、図３（Ａ）に示すように、方立１１と無目１２との接合部をピン接合とみなして設計を行う。このように、カーテンウォール１の設計に用いる解析モデルＭ_０を使用して、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を算出することができる。

あるいは、図３（Ｂ）に示すように、方立１１と無目１２との接合部に、回転方向に関する剛性を付与した（半剛接合とした）解析モデルＭを用いて、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を求めることもできる。このような解析モデルＭを用いることにより、カーテンウォール１の層間変位または層間変形角を、解析モデルＭ_０を使用した場合に比べてより精度良く求めることができる。なお、方立１１と無目１２との接合部に付与する回転方向に関する剛性ｋは、実験や計算により求めることができる。

また、本例では、ジャイロセンサ２を、カーテンウォール１の方立１１に取り付け、該方立１１の傾斜角度を算出するようにしているが、ジャイロセンサ２を、カーテンウォール１を構成する無目１２やパネル１３に取り付けることもできる。換言すれば、無目１２やパネル１３を、被測定建材とすることもできる。あるいは、ジャイロセンサを、カーテンウォールの可動部を構成する建材（縦枠、方立、上枠、下枠（巾木）、無目および／またはパネル）などに取り付けることができる。

１カーテンウォール
１１方立
１２無目
１３パネル
２ジャイロセンサ
３データ処理装置
３１データロガー
３２信号処理部
３３影響推定部
４メモリ
５１ひずみゲージ
５２加速度センサ
５３カメラ
５４震度計
５５風速計
５６傾斜計
６出力装置

Claims

カーテンウォールを構成する建材のうちの少なくとも１つである被測定建材に取り付けられ、かつ、前記被測定建材の変形および／または変位に伴い出力信号が変化する少なくとも１個のセンサと、
前記カーテンウォールを含む建築物に外力が加わることに伴い、前記被測定建材が変形および／または変位した場合に、前記少なくとも１個のセンサの出力信号を含む入力情報に基づいて、前記外力の前記建築物への影響を推定する推定手段と、
前記推定手段による推定結果を記憶する記憶手段とを備える、
建築物の履歴情報記憶システム。
前記少なくとも１個のセンサが、ジャイロセンサを含む、
請求項１に記載の建築物の履歴情報記憶システム。
前記被測定建材が、鉛直方向に配置された部材である、
請求項２に記載の建築物の履歴情報記憶システム。