(57)【要約】【課題】設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の損傷を検知す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。【解決手段】異常管理システムは、柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃角度毎の加速度波形をフーリエ変換し、得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出し、抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する。【選択図】図１５
2014119406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、
前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃角度毎の加速度波形をフーリエ変換し、得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出する手段と、
抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、
抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する手段と、
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。
【請求項２】
柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、
前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定する手段と、
前記架渉物の影響がないと判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、
前記架渉物の影響があると判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、
抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する手段と、
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。
【請求項３】
柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、
前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定する架渉物影響判定部と、
前記架渉物影響判定部にて架渉物の影響がないと判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出する振動解析パラメータ抽出部と、
前記架渉物影響判定部にて架渉物の影響があると判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出する差分振動解析パラメータ抽出部と、
前記振動解析パラメータ抽出部にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する振動数解析部と、
前記差分振動解析パラメータ抽出部にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する差分振動数解析部と、
前記振動数解析部もしくは前記差分振動数解析部で得られた各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する振動数判定部と、
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。
【請求項４】
柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムにおける異常検知方法であって、
前記異常管理システムは、
前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃角度毎の加速度波形をフーリエ変換し、得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出するステップと、
抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、
抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定するステップと、
を実行することを特徴とする柱状構造物の異常検知方法。
【請求項５】
柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムにおける異常検知方法であって、
前記異常管理システムは、
前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定するステップと、
前記架渉物の影響がないと判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、
前記架渉物の影響があると判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、
抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定するステップと、
を実行することを特徴とする柱状構造物の異常検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、本発明は設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の損傷を、リサージュ解析と、フーリエ変換とウェーブレット変換を用いた振動数解析によって検知する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、地際を打撃した際に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、特許文献１参照）。
【０００４】
また、非特許文献１や特許文献１の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２参照）といった応用が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０７１７４８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０２１９７４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５７２６１号公報
【特許文献４】特開２０１２−００４７７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、弾性波振動モードを利用して柱長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。
【０００８】
以下、柱状構造物（コンクリート柱）を例に挙げて従来の技術と課題を説明する。図１は、損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体（柱状構造物モデル）の概要図と、主鉄配筋図と、Ａ−Ａ’線に沿う断面図と、Ｂ−Ｂ’線に沿う断面図を示している。コンクリート柱４２は、緊張鉄筋および非緊張鉄筋を有する。コンクリート柱４１を元口から２．２ｍ（２２００ｍｍ）付近まで埋設し、コンクリート柱４１への鉄球や加振ハンマーによる打撃位置は、元口から３．９ｍ（３９００ｍｍ）とした。図１は、１３ｍ柱の例であるが、１０ｍ、１１ｍ、１２ｍ、１４ｍ、１５ｍ、１６ｍ、１７ｍも例に挙げて説明する。
【０００９】
まず、１点目として、現場では、柱長や設計荷重が異なる多種多様な柱状構造物が存在していることが問題となる。非特許文献１のフーリエ変換により柱長の異なる柱状構造物のフーリエスペクトルをプロットした図２を例に説明する。図２は、柱長を１０ｍから１ｍ刻みで１７ｍまで、地盤支持をＡＳと表記したアスファルトと土で設定した図１の柱状構造物モデルにおいて、フーリエスペクトルを構造計算にて計算した結果である。横軸が振動数、縦軸がフーリエスペクトル強度を示している。図２より、固有振動モードが発現している帯域が柱長により異なっていることがわかる。ここで、固有振動の卓越振動数差異を用いた劣化診断においては、非特許文献１および特許文献１のフーリエ変換、特許文献３のウェーブレット変換に関わらず、ある特定の振動数帯域を指定し、その帯域の卓越振動数を抽出する必要がある。しかしながら、図２のような状況においては、一意に抽出振動数帯域を設定することができないため、振動数解析が困難となり、柱種ごとに適切な解析範囲を設定する方法が必要となる。
【００１０】
ここで、柱種ごとに適切な解析範囲を設定する手法の１つとして、フーリエスペクトルから自動で解析帯域を抽出する方法が考えられるが、図３に示す問題点を抱えている。図３（ａ）は、健全でかつ架渉物が無い場合におけるフーリエスペクトルであり、横軸は振動数、縦軸はフーリエスペクトル強度を示している。図３（ａ）の場合、１と２の谷の間で解析帯域を設定することで、３の柱状構造物の固有振動を示す山を抽出することができる。図３（ｂ）は、健全でかつ架渉物が有る場合におけるフーリエスペクトルであり、横軸は振動数、縦軸はフーリエスペクトル強度を示している。図３（ｂ）においても、図３（ａ）と同様に１と２の谷の間に所望する固有振動が存在しているが、架渉物の影響により４の山が新規で発生したことに伴い、５の谷も２と同じ程度の深さで発生している。この場合、柱状構造物と架渉物の振動数を判別することが困難となり、例えば５と２の間といった柱状構造物の固有振動が存在していない帯域を抽出してしまうことが考えられる。
【００１１】
次に、２点目として、現場には、設計荷重が大きく、かつ、ケーブル等の架渉物が多く添架されている揺れにくい柱状構造物が多数存在していることが問題となる。揺れにくい構造物に対しては、より大きい打撃力で加振すれば良いが、例えばハンマー等で作業者が打撃する場合、打撃力を強くするには限界がある。仮に機械等でより大きい打撃力を与えるにしても、安全面からは柱状構造物の表面や内部を破壊してしまう危険性が高くなり、作業面からも作業帯の確保や設置コストの観点から、現場においては、揺れにくい柱状構造物に対してある一定以上の打撃力を加えることは困難である。
【００１２】
よって、小さい揺れを解析する必要性があるが、ここで、揺れが小さいときの、非特許文献１と特許文献１のフーリエ変換を用いた固有振動解析法における問題点を図４に示す。図４は、実供用柱を打撃した際の加速度をフーリエ変換して得られたフーリエスペクトルであり、横軸は振動数、縦軸はフーリエスペクトル強度を示している。固有振動の卓越振動数を求めるためにはフーリエスペクトルの山を抽出する方法が一般的であるが、この図４の中で、Ｂ次となっている固有振動帯域では減衰が大きく（高次になるほど減衰が大きい）、Ａ次で発現しているような山が発現していないため、フーリエスペクトルの山から卓越振動数を抽出することは困難である。このような、山が発現しない現象が、現場においてはしばしばある。ゆえに、フーリエスペクトルの山を使用する方法以外の特徴を用いて卓越振動数を抽出する必要がある。
【００１３】
また、特許文献３のウェーブレット変換を用いた卓越振動数を抽出する手法の問題点を図５〜８に示す。図５は、柱状構造物を打撃した際の加速度波形であり、横軸は時間、縦軸は加速度を示している。図６は、図５の波線枠で囲った加速度波形をウェーブレット変換して得られたスカログラムを示している。横軸は時間であり、縦軸は振動数であり、高さ方向軸は振動の尤もらしさを示す尤度である。図７は、図６のスカログラムを時間毎に振動数―尤度グラフをプロットしたものであり、横軸は振動数、縦軸は尤度を示している。図８は、図７の時間毎に最大尤度を持つ振動数を抽出しプロットしたもので、卓越振動数の時間変化を示している。横軸は時間であり、縦軸は振動数である。しかしながら、図８では、卓越振動数のばらつきが大きく、卓越振動数の抽出が困難であり、このような場合において卓越振動数を優位に抽出する手法が必要となる。
【００１４】
最後に、３点目として、振動数解析において地際付近では損傷による卓越振動数差異が地際以外と比較して小さくなることが問題となる。図１０は、図１の１３ｍ柱モデルにおいて非特許文献１と特許文献１のフーリエ変換により３次から５次までの固有振動モードの円周方向振動数差異と損傷高さの関係をプロットしたグラフである。図９に示すように、柱状構造物断面の損傷方向に対して直角方向に打撃した際の固有振動数をｆ１、損傷方向に打撃した際の固有振動数をｆ２と定義する。図１０は、損傷高さと３次、４次、５次の振動モードにおける円周方向振動数差異｜ｆ１−ｆ２｜をプロットした結果である。横軸が円周方向振動数差異、縦軸が損傷高さを示している。図１０より固有振動モードごとに損傷高さに対する円周方向振動数差異の大きさが異なっていることがわかる。ここで、健全時の振動数差異は理論的には０であるが、実供用環境においては製造誤差や設置環境により振動数のばらつきがあることから、損傷検知の閾値は、０よりも大きくなければならない。よって、振動数差異が小さくなっている高さにおいては何らかの対策が必要となり、図１０においては、損傷による振動数差異が１Ｈｚ以下の高さを、対策が必要となる不感帯と定義する。まず、地際以外において振動数差異が小さくなっている高さがあるが、こちらは３次以上の複数の固有振動モードを組み合わせて使用することにより補完することができる。それに対し、地際については３次から５次までの固有振動モードのいずれにおいても振動数差異が小さくなっており、固有振動モードの組み合わせにより補完することは困難である。ここで、図１１は、図１０における地際の振動数差異を拡大表示したものであるが、地際の傾向として低次になるほど振動数差異が大きくなることがわかる。よって、より低次の２次モード以下を使用すると問題を解決できる可能性がある。
【００１５】
しかしながら、低次の振動モードを使用する際には、図１３に示す問題点がある。図１３は、柱状構造物の固有振動解析における架渉物の影響を示したものである。図１２に示すような金物やケーブル等の架渉物が柱状構造物に架渉されている場合を架渉有りとして、架渉無しと有りの場合でフーリエ変換をした結果、得られたフーリエスペクトルが図１３となる。図１３の横軸は振動数、縦軸はフーリエスペクトル強度を示している。図１３によると、低次になるにつれ、架渉物の有無による固有振動数の差異が大きくなっており、振動数差異が損傷によるものか、架渉物によるものか判別することが困難となる。よって、特に図１０、１１で示した低次の振動モードを使用する場合においては、架渉物の影響を考慮した解析手法が必要となる。
【００１６】
したがって、上述した３点の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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の損傷を検知す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。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明は、柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃角度毎の加速度波形をフーリエ変換し、得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出する手段と、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定する手段と、前記架渉物の影響がないと判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、前記架渉物の影響があると判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する手段と、抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムであって、前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定する架渉物影響判定部と、前記架渉物影響判定部にて架渉物の影響がないと判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出する振動解析パラメータ抽出部と、前記架渉物影響判定部にて架渉物の影響があると判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出する差分振動解析パラメータ抽出部と、前記振動解析パラメータ抽出部にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する振動数解析部と、前記差分振動解析パラメータ抽出部にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する差分振動数解析部と、前記振動数解析部もしくは前記差分振動数解析部で得られた各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する振動数判定部とを備えることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムにおける異常検知方法であって、前記異常管理システムは、前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃角度毎の加速度波形をフーリエ変換し、得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出するステップと、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定するステップとを実行することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、柱状構造物の損傷に起因する異常を検知する異常検知システムにおける異常検知方法であって、前記異常管理システムは、前記柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定するステップと、前記架渉物の影響がないと判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、前記架渉物の影響があると判定した場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出し、抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを前記２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から固有振動モード毎に卓越振動数を抽出するステップと、抽出した各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定するステップとを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】損傷検知測定で用いるコンクリート柱供試体を説明する図である。
【図２】柱長の異なる柱状構造物のフーリエ解析結果を示す図である。
【図３】フーリエスペクトルから解析帯域を抽出する際の問題点を説明する図である。
【図４】柱状構造物のフーリエ解析における問題点を説明する図である。
【図５】柱状構造物を打撃した際の加速度波形を示す図である。
【図６】加速度波形をウェーブレット変換して得られたスカログラムを示す図である。
【図７】時間毎に振動数―尤度グラフをプロットした図である。
【図８】時間毎に最大尤度を持つ振動数を抽出しプロットした図である。
【図９】損傷方向に対して直角方向に打撃した際の固有振動数と、損傷方向に打撃した際の固有振動数とを定義する図である。
【図１０】３次から５次までの固有振動モードの円周方向振動数差異と損傷高さの関係をプロットした図である。
【図１１】地際の振動数差異を拡大表示した図である。
【図１２】架渉物の例を示す図である。
【図１３】柱状構造物の固有振動解析における架渉物の影響を示す図である。
【図１４】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１５】解析条件抽出部と振動解析判定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。
【図１６】架渉物影響判定部における処理の概要を示す図である。
【図１７】振動解析パラメータ抽出部における処理の詳細を示す図である。
【図１８】柱種識別テーブルの例を示す図である。
【図１９】振動解析パラメータ抽出部における処理のフローチャートである。
【図２０】差分振動解析パラメータ抽出部における処理の詳細を示す図である。
【図２１】加速度波形をウェーブレット変換して得られたスカログラムを示す図である。
【図２２】スカログラムを時間積分して得られたスカログラムを示す図である。
【図２３】柱状構造物を打撃した際の加速度波形を示す図である。
【図２４】Ａ次の固有振動帯域においてウェーブレット変換を行い、スカログラム積分から時間毎の振動数−尤度グラフをプロットした図である。
【図２５】Ｂ次の固有振動帯域においてウェーブレット変換を行い、スカログラム積分から各時間の振動数−尤度グラフをプロットした図である。
【図２６】振動数解析部における処理のフローチャートである。
【図２７】差分振動数解析部における処理の概要を示す図である。
【図２８】架渉物無しのときの差分振動数解析部における処理例を示す図である。
【図２９】架渉物有りのときの差分振動数解析部における処理例を示す図である。
【図３０】差分振動数解析部における処理のフローチャートである。
【図３１】振動数判定部における処理の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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１４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１４に示す柱状構造物の異常検知システム１は、例えば、パーソナルコンピュータ等で構成され、解析条件抽出部１０と、振動解析判定部２０と、表示部３０とから成る。
【００２７】
異常検知システム１は、図１に示す柱状構造物（コンクリート柱）に配置された受信センサ４２に有線または無線で接続され、受信センサ４２から振動信号（振動波形）を受信する。受信センサ４２は、打撃位置と略１８０度反対方向の位置に配置され、打撃による振動を検知して振動信号（振動波形）を出力する。受信センサ４２としては、例えば、加速度計（加速度センサ）が用いられる。
【００２８】
図１５は、解析条件抽出部１０と振動解析判定部２０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。解析条件抽出部１０は、異常検知の対象となる設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の異常判定をするための解析に用いる解析条件を抽出するものであり、架渉物影響判定部１１と、振動解析パラメータ抽出部１２と、差分振動解析パラメータ抽出部１３から成る。振動解析判定部２０は、解析条件抽出部１０において抽出されたパラメータを用いて振動数解析を行い、異常を判定するものであり、振動数解析部２１と、差分振動数解析部２２と、振動数判定部２３から成る。表示部３０は、異常検知結果を表示する。
【００２９】
架渉物影響判定部１１は、柱状構造物を円周方向に多方向から打撃して得られた打撃方向の加速度と打撃直角方向の加速度を基に、打撃角度毎にリサージュを描き、得られた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より大きい場合に架渉物の影響があると判定し、所定値以下である場合に影響がないと判定する。振動解析パラメータ抽出部１２は、架渉物影響判定部１１にて架渉物の影響がないと判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と解析時間範囲を抽出する。差分振動解析パラメータ抽出部１３は、架渉物影響判定部１１にて架渉物の影響があると判定された場合に、加速度波形をフーリエ変換し得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換し抽出した谷の振動数から複数の固有振動モードに対応する解析帯域と一定時間シフトさせた２つの解析時間範囲を抽出する。
【００３０】
振動数解析部２１は、振動解析パラメータ抽出部１２にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを解析時間範囲内で時間積分して得られた波形より固有振動モード毎に卓越振動数を抽出する。差分振動数解析部２２は、差分振動解析パラメータ抽出部１３にて抽出した解析帯域内でウェーブレット変換し得られたスカログラムを２つの解析時間範囲内毎に時間積分して得られた２つの波形の差分をとった波形から振固有動モード毎に卓越振動数を抽出する。振動数判定部２３は、振動数解析部２１もしくは差分振動数解析部２２で得られた各打撃角度別の各固有振動モードの卓越振動数が所定値以上の差異を有する場合に異常と判定する。
【００３１】
図１６は、架渉物影響判定部１１における処理の概要を示している。架渉物影響判定部１１では、特許文献４のリサージュ解析を使用する。まず、柱状構造物を特許文献１のように円周方向に打撃し、得られた各打撃角度の加速度波形ごとに打撃方向の最大加速度ｉｍｐ＿ｍａｘｒと、打撃直角方向の最大加速度ｉｍｐ＿ｍａｘｉを抽出し、数１の式を用いてｌｉｓｓａｊｏｕｓ＿ｒａｔｉｏ（リサージュ比）を算出する。
【数１】
2014119406.tif 000003
次に、ｌｉｓｓａｊｏｕｓ＿ｒａｔｉｏが、ｌｉｓｓａｊｏｕｓ＿ｔｈｒｅｓｈ（閾値）より大きい場合においては架渉物の影響有りと判定し、それ以外であれば架渉物の影響無しと判定する。
【００３２】
図１７は、振動解析パラメータ抽出部１２における処理の詳細を示している。架渉物を設置している柱状構造物のフーリエスペクトルを例に説明する。図１７（ａ）は、非特許文献１、特許文献１の手法で得られたフーリエスペクトルであり、横軸が振動数、縦軸がフーリエスペクトル強度を示している。図１７（ａ）に対し、本発明の手法では、図１７（ｂ）に示すように、非特許文献１、特許文献１で得られたフーリエスペクトルを対数表示に変換して解析帯域を抽出する。図１７（ｂ）は、横軸が振動数、縦軸がフーリエスペクトル強度の対数比を示している。ここで、図１７（ａ）と図１７（ｂ）を比較すると、図１７（ａ）では、添架物を設置したことで５の谷が２の谷と同じ程度の深さで発生しているが、図１７（ｂ）では、対数表示にすることで５の谷が小さくなり、図１８のテーブルで振動数帯域を設定するために必要な１と２の谷を抽出することが可能となる。
【００３３】
図１８も、振動解析パラメータ抽出部１２における処理の詳細を示している。図１８は、柱種識別テーブルの例を示している。図１８に示す柱種識別テーブルは、図１７（ｂ）で抽出した固有振動の谷から振動数解析部２１で使用する振動数帯域と抽出時間を決定するために用いる。図１７（ｂ）のフーリエスペクトルを例に手順を説明する。３の山をＡ次の固有振動モードにおける山と仮定すると、Ａ次の固有振動モードの開始範囲にあたる１の谷は約３４Ｈｚとなり、Ａ次の固有振動モードの終了範囲にあたる２の谷は約６８Ｈｚとなる。柱種識別テーブルを参照すると、これら両方の範囲に該当する識別種別（柱種）は１３ｍとなる。次の振動数解析部２１で使用するパラメータは、Ａ次振動数帯域が３０Ｈｚから７０Ｈｚ、Ａ次抽出時間が０．０８ｓから０．１８ｓ、Ｂ次振動数帯域が７０Ｈｚから１００Ｈｚ、Ｂ次抽出時間が、０〜０．０８ｓとなる。Ｃ次以降の固有振動モードのパラメータも必要に応じテーブルに追加する。
【００３４】
図１９は、振動解析パラメータ抽出部１２における処理のフローチャートを示している。まず、加速度波形をフーリエ変換し、フーリエスペクトルを生成する（Ｓ１）。次に、フーリエスペクトルを対数表示に変換し（Ｓ２）、対数表示のフーリエスペクトルから谷の振動数を抽出する（Ｓ３）。最後に、抽出した谷の振動数が柱種識別テーブルの谷抽出結果突合列の範囲に該当する柱種を探索し（Ｓ４）、探索された柱種に対応した振動数解析にて使用されるパラメータを抽出する（Ｓ５）。
【００３５】
図２０は、差分振動解析パラメータ抽出部１３における処理の詳細を示している。差分振動解析パラメータ抽出部１３は、振動解析パラメータ抽出部１２と同様に、探索された識別種別に対して振動数帯域と抽出時間を抽出することに加えて、差分振動数解析部２２にて使用する差分計算用の時間パラメータを追加で抽出する。その他の処理の詳細、フローチャートは、振動解析パラメータ抽出部１２と同様である。
【００３６】
図２１、２２は、振動数解析部２１における処理の詳細を示している。図２１は、加速度波形をウェーブレット変換して得られたスカログラムであり、横軸は時間、縦軸は振動数、高さ方向軸は尤度を示している。図２２は、図２１のスカログラムを時間積分して得られたスカログラムであり、横軸は積分時間、縦軸は振動数、高さ方向軸は積分尤度を示している。図２２に示すように、図２１のスカログラムを打撃より一定時間後から遡って時間積分することで、図２１と比較してばらつきが抑えることができる。
【００３７】
図２３〜２５も、振動数解析部２１における処理の詳細を示している。図２３は、柱状構造物を打撃した際の加速度波形を示しており、横軸は時間、縦軸は加速度を示している。図２４は、図２３の波形よりＡ次の固有振動帯域において実線枠で囲った時間にウェーブレット変換を行い、図２２のスカログラム積分から時間毎の振動数−尤度グラフをプロットしたもので、山の頂点がＡ次の卓越振動数となる。図２５は、図２３の波形よりＢ次の固有振動帯域において破線枠で囲った時間にウェーブレット変換を行い、図２２のスカログラム積分から各時間の振動数−尤度グラフをプロットしたもので、山の頂点がＢ次の卓越振動数となる。
【００３８】
図２６は、振動数解析部２１における処理のフローチャートを示している。図２１〜２５の処理をまとめたものである。まず、振動モード毎に設定した時間範囲で振動波形を抽出する（Ｓ１１）。次に振動モード毎に抽出された振動波形に対し、振動モード毎に設定した解析振動数帯域内でウェーブレット変換を行ってスカログラムを生成し（Ｓ１２）、生成したスカログラムを時間積分してスカログラムを平滑化する（Ｓ１３）。最後に、時間積分したスカログラムから時間毎に振動数―尤度グラフを抽出し（Ｓ１４）、山を卓越振動数として抽出する（Ｓ５）。
【００３９】
図２７は、差分振動数解析部２２における処理の概要を示している。図１３で示したように、振動数差異が架渉物の影響で発生している柱状構造物においては、振動数差異が損傷によるものか、架渉物によるものか判別することが困難となるため、架渉物の影響を取り除く必要がある。特に低次においては架渉物の影響を受けやすいため対策が必須となる。差分振動数解析部２２では、架渉物と柱状構造物の材料の違いに着目し、架渉物の影響を取り除いている。架渉物の影響を受けている計測データは、架渉物の振動と柱状構造物の振動の和となるが、例えば、金物のような架渉物は、コンクリート柱のような柱状構造物より、材料が異なることで揺れが長く続くという特徴を持っている。よって、実線枠で示した架渉物と柱状構造物の揺れが同時に発生している時間から破線枠で示した架渉物のみが存在する揺れの時間の差をとることで、柱状構造物のみの揺れのデータを抽出することが可能となる。
【００４０】
図２８、２９は、差分振動数解析部２２における処理例を示している。図２８、２９の波形は、それぞれ図２１〜２６で示した振動解析部２１の処理により生成されたものである。図２８は、架渉物無しの場合であるが、０．２ｓ〜０．３ｓと０．２５ｓ〜０．３５ｓの２つの解析時間で算出した振動数―尤度グラフの差分をとると２４Ｈｚ付近で卓越振動数を抽出できる。図２９は、架渉物有りの場合であるが、差分前に振動数―尤度グラフでは卓越振動数が１１Ｈｚ付近にあることがわかる。ここで、図２８と同様に振動数―尤度グラフの差分をとると、図２８と同じ２４Ｈｚ付近で卓越振動数を抽出することができる。
【００４１】
図３０は、差分振動数解析部２２における処理のフローチャートを示している。まず、差分振動解析パラメータ抽出部１３にて抽出した時間範囲と差分時間分シフトさせた時間範囲で２つの振動波形を抽出し（Ｓ２１）、２つの時間範囲で抽出された振動波形それぞれに対し、差分解析振動数帯域内でウェーブレット変換を行い、スカログラムを生成する（Ｓ２２）。生成した２つのスカログラムをそれぞれ時間積分し、スカログラムを平滑化し（Ｓ２３）、２つの時間積分スカログラムから時間毎に振動数―尤度グラフをそれぞれ抽出する（Ｓ２４）。最後に、２つの振動数―尤度グラフの差分をとり（Ｓ２５）、差分後の振動数―尤度グラフの山を卓越振動数として抽出する（Ｓ２６）。
【００４２】
図３１は、振動数判定部２３における処理の概要を示している。図３１は、ｎ方向から打撃した例を示しており、ｎ方向から円周方向に打撃した場合においては、Ａ次やＢ次といった振動モード毎にｎ個の卓越振動数が得られる。次に、振動モード毎に数２の式を用いて全打撃角度の組み合わせで振動数差を計算し、一番大きい差の振動数をｆＡ＿ｄｉｆ、ｆＢ＿ｄｉｆ等のように定義する。
【数２】
2014119406.tif 000004
【００４３】
最後に、数３の式を用いて、振動モード毎に閾値ｆＡ＿ｔｈｒｅｓｈ、ｆＢ＿ｔｈｒｅｓｈと比較し、閾値より少なくとも１つ以上の振動モードにおいて大きい場合が存在した際に損傷ありと判定する。
【数３】
2014119406.tif 000005
Ａ，Ｂ・・・：固有振動モード（Ａ次、Ｂ次、・・・）
【００４４】
なお、上述した実施の形態において、架渉物影響判定部１１、振動解析パラメータ抽出部１２、振動数解析部２１を省略して、差分振動解析パラメータ抽出部１３、差分振動数解析部２２、振動数判定部２３のみを使用して柱状構造物の損傷を検知するようにしてもよい。
【００４５】
以上に示した通り、本発明の方法を用いれば、設計荷重が大きく架渉物が多数架渉されている揺れにくく、柱長や設計荷重が異なる、地際の検知が困難な柱状構造物の損傷を検知することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１  異常検知システム
１０  解析条件抽出部
１１  架渉物影響判定部
１２  振動解析パラメータ抽出部
１３  差分振動解析パラメータ抽出部
２０  振動解析判定部
２１  振動数解析部
２２  差分振動数解析部
２３  振動数判定部
３０  表示部
４１  コンクリート柱
４２  受信センサ
【図１】
2014119406.tif 000006
【図３】
2014119406.tif 000007
【図４】
2014119406.tif 000008
【図５】
2014119406.tif 000009
【図８】
2014119406.tif 000010
【図９】
2014119406.tif 000011
【図１０】
2014119406.tif 000012
【図１１】
2014119406.tif 000013
【図１２】
2014119406.tif 000014
【図１３】
2014119406.tif 000015
【図１４】
2014119406.tif 000016
【図１５】
2014119406.tif 000017
【図１６】
2014119406.tif 000018
【図１７】
2014119406.tif 000019
【図１８】
2014119406.tif 000020
【図１９】
2014119406.tif 000021
【図２０】
2014119406.tif 000022
【図２３】
2014119406.tif 000023
【図２４】
2014119406.tif 000024
【図２６】
2014119406.tif 000025
【図２７】
2014119406.tif 000026
【図２８】
2014119406.tif 000027
【図２９】
2014119406.tif 000028
【図３０】
2014119406.tif 000029
【図３１】
2014119406.tif 000030
【図２】
2014119406.tif 000031
【図６】
2014119406.tif 000032
【図７】
2014119406.tif 000033
【図２１】
2014119406.tif 000034
【図２２】
2014119406.tif 000035
【図２５】
2014119406.tif 000036