(57)【要約】【課題】劣化速度が一定でない劣化機構を有する構造物や、様々な劣化要因が組み合わさった複雑な劣化機構を有する構造物の劣化の進行を精度良く予測することができる構造物の劣化予測方法を提供する。【解決手段】構造物の劣化予測方法であって、構造物の劣化状態を時間間隔を置いて複数回調査する劣化状態調査工程と、前記劣化状態調査工程で得られた劣化状態を、複数の段階に区分された劣化度に置き換えて、劣化度の経時変化を評価する劣化度評価工程と、前記劣化度評価工程で得られた劣化度の経時変化から、各段階の劣化度ごとに、所定期間内に次の段階の劣化度へ移行する確率としての遷移率を算出する遷移率算出工程と、前記遷移率算出工程で得られた劣化度ごとの遷移率を用いて、前記構造物の劣化予測を行う劣化予測工程とを有することを特徴とする構造物の劣化予測方法。【選択図】図４
2020094847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の劣化予測方法であって、
構造物の劣化状態を時間間隔を置いて複数回調査する劣化状態調査工程と、
前記劣化状態調査工程で得られた劣化状態を、複数の段階に区分された劣化度に置き換えて、劣化度の経時変化を評価する劣化度評価工程と、
前記劣化度評価工程で得られた劣化度の経時変化から、各段階の劣化度ごとに、所定期間内に次の段階の劣化度へ移行する確率としての遷移率を算出する遷移率算出工程と、
前記遷移率算出工程で得られた劣化度ごとの遷移率を用いて、前記構造物の劣化予測を行う劣化予測工程と
を有することを特徴とする構造物の劣化予測方法。
【請求項２】
前記劣化度が０〜ｎのｎ＋１段階に区分されている場合は、前記遷移率算出工程において劣化度ごとの遷移率を算出する際と、前記劣化予測工程において前記構造物の劣化予測を行う際には、下記の式を用いることを特徴とする請求項１に記載の構造物の劣化予測方法。
2020094847.tif 000009
ここで、
Ｐ０’〜Ｐｎ’：基準時の劣化度の割合
ｔ：基準時からの経過年数
Ｐ０〜Ｐｎ：基準時からｔ年後の劣化度の割合
ｘ０〜ｘｎ−１：劣化度ごとの遷移率
ｉ：劣化度の段階を示す添字
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の劣化予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
建設後数十年経過した構造物の劣化損傷は深刻な問題であり、それらの適切な維持管理によるライフサイクルコストの軽減が重要な課題になっている。そのため、構造物の劣化進行を定量的に評価する劣化予測方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、飛来塩分等による外部塩害に起因するコンクリート構造物の鉄筋の腐食速度を推定することにより、構造物の劣化予測を行うことのできる方法が示されている。
【０００４】
また、非特許文献１には、劣化機構が不明な場合や、劣化機構は分かっているがモデル化が難しい場合において、確率論的モデルとしてマルコフ連鎖モデル（物事がある「状態」から、ある「遷移率」で次の「状態」へと推移する様子を確率論的に捉える統計手法）を用いることで、構造物の劣化状況の推移に関する予測を行うことができる劣化予測方法が示されている。
【０００５】
この劣化予測方法は、図１（ａ）に示すように、構造物の劣化の度合を示す劣化度（例えば、劣化度０、Ｉ〜Ｖの６段階）を予め定めておき、ある劣化度の部位が所定期間内（通常は、１年以内）に次の段階の劣化度に移行している確率を遷移率ｘとし、ある劣化度の部位が１年後もその劣化度でいる確率を（１−ｘ）とする。そして、図１（ｂ）に示す式を用いて、ある年の劣化度の割合を基準に、ｔ年後の劣化度の割合を予測するものである。ここで、劣化度の割合とは、構造物において劣化度の評価対象としている部位の数に対して、それぞれの劣化度の部位の数が占める割合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−８１５２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】港湾の施設の維持管理技術マニュアル（沿岸技術センター、２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術や非特許文献１に記載の技術には以下のような問題があった。
【０００９】
まず、特許文献１に記載の技術は、構造物内の鉄筋という一部についての劣化予測は可能であるが、構造物全体の劣化については評価できないため、構造物の劣化予測については精度よく評価ができないという問題があった。
【００１０】
一方、非特許文献１に記載の技術は、構造物全体の劣化について評価することはできるが、全ての劣化度における遷移率ｘが一定と定義されているため、図２のように、劣化速度が一定でない劣化を精度良く予測できず、実構造物の観測結果と比較すると大きな乖離が発生してしまう問題があった。
【００１１】
例えば、図３は、塩害による鉄筋コンクリートの劣化過程であり、潜伏期（健全状態）、進展期（鉄筋の腐食）、加速期（コンクリートのひび割れ）、劣化期（コンクリートの剥落）の４段階によって分けられ、それぞれの段階で劣化進行の速さが異なるため、それぞれの劣化状態の遷移率が一定だと劣化予測の精度が低下してしまう。
【００１２】
精度よく劣化を予測できないと、補修計画の立案のために高頻度の点検が必要となり、構造物の維持管理に関するコスト・労務負担の増加が発生してしまう。さらに、合理的な維持管理を行うために必要なライフサイクルコストの算出ができないという問題があった。
【００１３】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、劣化速度が一定でない劣化機構を有する構造物や、様々な劣化要因が組み合わさった複雑な劣化機構を有する構造物の劣化の進行を精度良く予測することができる構造物の劣化予測方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。
【００１５】
［１］構造物の劣化予測方法であって、
構造物の劣化状態を時間間隔を置いて複数回調査する劣化状態調査工程と、
前記劣化状態調査工程で得られた劣化状態を、複数の段階に区分された劣化度に置き換えて、劣化度の経時変化を評価する劣化度評価工程と、
前記劣化度評価工程で得られた劣化度の経時変化から、各段階の劣化度ごとに、所定期間内に次の段階の劣化度へ移行する確率としての遷移率を算出する遷移率算出工程と、
前記遷移率算出工程で得られた劣化度ごとの遷移率を用いて、前記構造物の劣化予測を行う劣化予測工程と
を有することを特徴とする構造物の劣化予測方法。
【００１６】
［２］前記劣化度が０〜ｎのｎ＋１段階に区分されている場合は、前記遷移率算出工程において劣化度ごとの遷移率を算出する際と、前記劣化予測工程において前記構造物の劣化予測を行う際には、下記の式を用いることを特徴とする前記［１］に記載の構造物の劣化予測方法。
【００１７】
【数１】
2020094847.tif 000003
【００１８】
ここで、
Ｐ０’〜Ｐｎ’：基準時の劣化度の割合
ｔ：基準時からの経過年数
Ｐ０〜Ｐｎ：基準時からｔ年後の劣化度の割合
ｘ０〜ｘｎ−１：劣化度ごとの遷移率
ｉ：劣化度の段階を示す添字
【発明の効果】
【００１９】
本発明においては、劣化速度が一定でない劣化機構を有する構造物や、様々な劣化要因が組み合わさった複雑な劣化機構を有する構造物の劣化の進行を精度良く予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術（非特許文献１）を示す図である。
【図２】劣化要因による劣化速度の差異を示す図である。
【図３】塩害による劣化の進行を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるマルコフ連鎖モデルを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態における作業工程を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態における劣化度の区分の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施例において劣化度の割合を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、物事がある「状態」から、ある「遷移率」で次の「状態」へと推移する様子を確率論的に捉える統計手法であるマルコフ連鎖モデルを利用した、構造物の劣化予測方法である。
【００２２】
本発明の一実施形態を以下に述べる。
【００２３】
まず、図４は、本発明の一実施形態における基本的な考え方を示すマルコフ連鎖モデルである。
【００２４】
図４に示すように、この実施形態においては、構造物の劣化の度合を示すために複数の段階に区分された劣化度（ここでは、０、Ｉ〜Ｖの６段階）を予め定めておく。そして、ある劣化度の部位が所定期間内（通常は、１年以内）に次の段階の劣化度に移行する確率（遷移率）を劣化度ごとに設定している。すなわち、劣化度０、Ｉ〜ＩＶ、Ｖごとに、それぞれの遷移率をｘ０、ｘ１〜ｘ４、０としている。したがって、劣化度０、Ｉ〜ＩＶ、Ｖの部位が１年後もその劣化度でいる確率は、それぞれ１−ｘ０、１−ｘ１〜１−ｘ４、１ということになる。
【００２５】
このように、この実施形態では、遷移率を劣化度ごとに設定している点が、遷移率を一定としている前記非特許文献１と根本的に異なる点である。
【００２６】
次に、図５は、この実施形態における作業工程を示す図である。図５に示すように、この実施形態では、（Ｓ１）〜（Ｓ４）の作業工程を有している。
【００２７】
（Ｓ１）劣化状態調査工程
この劣化状態調査工程では、構造物の劣化状態を時間を置いて複数回調査する。例えば、構造物で劣化の評価対象としてリストアップしている各部位の劣化状態について、当該構造物の竣工からｔ１年目に第１回目の調査を行い、時間間隔（ｔ２−ｔ１）を置いて、当該構造物の竣工からｔ２年目に第２回目の調査を行う。
【００２８】
なお、その際の調査方法については、目視調査・打音調査などの簡易的な調査方法や、超音波探傷調査や塩化物イオン含有量調査などの詳細調査がある。それぞれの構造物の管理点検マニュアル等に記載された適切な方法で調査を行う。
【００２９】
（Ｓ２）劣化度評価工程
この劣化度評価工程では、前記劣化状態調査工程で得られた劣化状態を、複数の段階に区分された劣化度に置き換えて、劣化度の経時変化を評価する。
【００３０】
すなわち、ｔ１年目（第１回目）の各部位の劣化状態調査結果から各部位のｔ１年目の劣化度を評価し、ｔ２年目（第２回目）の各部位の劣化状態調査結果から各部位のｔ２年目の劣化度を評価する。
【００３１】
なお、劣化度は、各構造物によって評価基準が定められている。例えば、図６は、港湾構造物で用いられる劣化度の例である。鉄筋の腐食・コンクリートのひび割れ・コンクリートの剥離の３つを指標として６段階の劣化度で評価される。劣化度は、竣工状態を示す「０」が最良であり、以降の劣化に応じて「Ｖ」まで設定されている。ここで、図６の出典は、「運輸省港湾技術研究所所編著、港湾構造物の維持・補修マニュアル、平成１１年６月、（財）沿岸開発技術研究センター」である。
【００３２】
（Ｓ３）遷移率算出工程
前記劣化度評価工程で得られた劣化度の経時変化から、各段階の劣化度ごとに、所定期間内（通常は、１年以内）に次の段階の劣化度へ移行する確率としての遷移率を算出する。
【００３３】
例えば、劣化度０、Ｉ〜ＩＶ（、Ｖ）ごとに、それぞれの遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４（、０）を算出する。その際には、後述する（１）式を用いる。
【００３４】
（Ｓ４）劣化予測工程
この劣化予測工程では、前記遷移率算出工程で得られた劣化度ごとの遷移率を用いて、当該構造物の劣化予測を行う。
【００３５】
例えば、劣化度０、Ｉ〜ＩＶ、Ｖごとの遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４、０を用いて、ある年の劣化度の割合を基準に、それからｔ年後の劣化度の割合を予測する。その際には、後述する（１）式を用いる。ここで、劣化度の割合とは、構造物において劣化度の評価対象としている部位の数に対して、それぞれの劣化度の部位の数が占める割合である。
【００３６】
ここに、前述の（Ｓ３）遷移率算出工程と（Ｓ４）劣化予測工程で用いる（１）式を示す。
【００３７】
【数２】
2020094847.tif 000004
【００３８】
ここで、
Ｐ０’〜Ｐ５’：基準時の劣化度の割合
ｔ：基準時からの経過年数
Ｐ０〜Ｐ５：基準時からｔ年後の劣化度の割合
ｘ０〜ｘ４：劣化度ごとの遷移率
【００３９】
この（１）式は、経過年数ｔを１年として、基準時の劣化度の割合Ｐ０’〜Ｐ５’を基に、基準時から１年後の劣化度の割合Ｐ０〜Ｐ５を算出する計算を、順次ｔ回繰り返すことによって、基準時からｔ年後の劣化度の割合を算定することを意味している。
【００４０】
したがって、上記の（Ｓ３）遷移率算出工程で、（１）式を用いて、劣化度０、Ｉ〜ＩＶごとの遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４を算出する際には、「基準時の劣化度の割合Ｐ０’〜Ｐ５’」に、ｔ１年目の調査結果による劣化度の割合を代入し、「基準時からｔ年後の劣化度の割合」に、ｔ２年目の調査結果による劣化度の割合を代入することによって、遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４を逆算することができる。逆算する際には、最小二乗法による近似を用いるとよい。
【００４１】
次に、（Ｓ４）劣化予測工程で、（１）式を用いて、所望の年の劣化状態（劣化度の割合）の予測を行う際には、「劣化度ごとの遷移率（ｘ０、ｘ１〜ｘ４）」に、上記（Ｓ３）で逆算した値を代入し、「基準時の劣化度の割合Ｐ０’〜Ｐ５’」に、ｔ２年目の調査結果による劣化度の割合を代入することによって、ｔ２年目からｔ年が経過した年の劣化度の割合を算定することができる。
【００４２】
なお、上記では、劣化度が「０」〜「５」の６段階に区分されている場合を例にして述べたが、劣化度が「０」〜「ｎ」のｎ＋１段階に区分されている場合は、上記（１）式に替えて、下記（２）式を用いればよい。
【００４３】
【数３】
2020094847.tif 000005
【００４４】
ここで、
Ｐ０’〜Ｐｎ’：基準時の劣化度の割合
ｔ：基準時からの経過年数
Ｐ０〜Ｐｎ：基準時からｔ年後の劣化度の割合
ｘ０〜ｘｎ−１：劣化度ごとの遷移率
ｉ：劣化度の段階を示す添字
【００４５】
このようにして、この実施形態においては、劣化速度が一定でない劣化機構を有する構造物や、様々な劣化要因が組み合わさった複雑な劣化機構を有する構造物の劣化の進行を精度よく予測することができる。それによって、将来の補修費を算出することが可能であるため、ライフサイクルコストの算出や比較を行うことができるという効果もある。さらに、劣化予測を行うことにより対象物の観測調査の実施回数を減らすことが可能であるため、調査費用の削減を図ることができるという効果もある。
【実施例１】
【００４６】
本発明の実施例として、港湾コンクリート構造物の劣化状態（劣化度の割合）の予測を行った。なお、劣化度は図６に示したものを用いた。したがって、劣化度は０、Ｉ〜Ｖの６段階とした。
【００４７】
その際に、本発明例として、上述した本発明の一実施形態に基づいて劣化予測を行った。具体的には、２００２年に第１回目の劣化状態調査を行い、２０１４年に第２回目の劣化状態調査を行い、前記（１）式を用いて、劣化度０、Ｉ〜ＩＶ（、Ｖ）ごとに、それぞれの遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４（、０）を算出した。算出された遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４を表１に示す。そして、その遷移率ｘ０、ｘ１〜ｘ４（、０）を前記（１）式に代入して、２０１７年における劣化状態（劣化度の割合）の予測を行った。
【００４８】
一方、比較例として、前記非特許文献１に記載の方法によって劣化予測を行った。具体的には、２０１４年に行った劣化状態調査のみを用いて、遷移率ｘを算出した。算出された遷移率ｘを表２に示す。そして、その遷移率ｘを図１（ｂ）の式に代入して、２０１７年における劣化状態（劣化度の割合）の予測を行った。
【００４９】
そして、本発明例と比較例の劣化予測の精度を確認するために、２０１７年に再度劣化状態を調査し、その調査結果（実測値）と劣化予測結果（本発明例、比較例）との比較を行った。
【００５０】
本発明例および比較例を実測値と比較した結果を表３に示す。また、比較例と実測値を比較したグラフを図７（ａ）に示し、本発明例と実測値を比較したグラフを図７（ｂ）に示す。
【００５１】
その結果、比較例では、実測値との差（平均）が７．７％であったのに対して、本発明例では、実測値との差（平均）が１．６％となり、非常に良好な精度で劣化予測できることが確認された。
【００５２】
【表１】
2020094847.tif 000006
【００５３】
【表２】
2020094847.tif 000007
【００５４】
【表３】
2020094847.tif 000008
【図１】
2020094847.tif 000010
【図２】
2020094847.tif 000011
【図３】
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【図４】
2020094847.tif 000013
【図５】
2020094847.tif 000014
【図６】
2020094847.tif 000015
【図７】
2020094847.tif 000016