(57)【要約】【課題】構造物の所望の次数の固有振動を精度良く測定できる固有振動の測定方法を提供する。【解決手段】構造物の固有振動の測定方法であって、構造物の固有振動の次数ごとの振動モードを計算し、振動モードの次数ごとに、前記構造物の所定の位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅を求め（Ｓ１）、相対振幅が得られる構造物の位置に振動記録装置を設置（Ｓ２）し、振動記録装置が構造物の固有振動を測定する（Ｓ３〜Ｓ６）。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の固有振動の測定方法であって、
前記構造物の固有振動の次数ごとの振動モードを求め、
前記振動モードの次数ごとに、前記構造物の所定の位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅を求め、
前記相対振幅が得られる前記構造物の位置に振動記録装置を設置し、
前記振動記録装置が前記構造物の固有振動を測定する
ことを特徴とする固有振動の測定方法。
【請求項２】
前記振動記録装置は、１次乃至４次の前記振動モードの各々の次数の前記相対振幅が得られる前記構造物の位置に設置される
ことを特徴とする請求項１に記載の固有振動の測定方法。
【請求項３】
構造物の固有振動を測定する振動記録装置であって、
時間領域における固有振動の振動振幅が、閾値を越えた場合に、
一定の時間、前記構造物の固有振動を測定する振動計測部と、
前記構造物の固有振動を周波数解析する周波数解析部と、
前記周波数解析部で周波数解析して得られた周波数スペクトルを記録する周波数スペクトル記録部と
を備えることを特徴とする振動記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の劣化を診断するための固有振動の測定方法と振動記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば電柱等の構造物は、内部鉄筋の腐食やコンクリートの劣化によって倒壊することがある。そのため倒壊を未然に防止する目的で、構造物の健全性を評価することにより、倒壊前に交換することが望まれる。
【０００３】
構造物の劣化の診断は、構造物を非破壊で診断することが求められる。よって、構造物を打撃するなどして強制的に振動をさせた状態を分析する方法が用いられる。
【０００４】
打撃により例えば電柱を振動させ、その振動データから周波数スペクトルを計算し、固有振動の強度を評価する方法が、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】［平成２９年５月３１日検索］、インターネット＜URL: http://www.airec.co.jp/products/espar/cp_knock.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示された技術は、測定し易い構造物の位置にセンサを設置していた。したがって、センサを設置した位置によっては、所望の次数の固有振動を測定することが出来ないという課題がある。
【０００７】
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、構造物の所望の次数の固有振動を精度良く測定できる固有振動の測定方法と振動記録装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態の一態様に係る固有振動の測定方法は、構造物の固有振動の測定方法であって、前記構造物の固有振動の次数ごとの振動モードを求め、前記振動モードの次数ごとに、前記構造物の所定の位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅を求め、前記相対振幅が得られる前記構造物の位置に振動記録装置を設置し、前記振動記録装置が前記構造物の固有振動を測定することを要旨とする。
【０００９】
また、本実施形態の一態様に係る振動記録装置は、構造物の固有振動を測定する振動記録装置であって、時間領域における固有振動の振動振幅が、閾値を越えた場合に、一定の時間、前記構造物の固有振動を測定する振動計測部と、前記構造物の固有振動を周波数解析する周波数解析部とを備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、構造物の所望の次数の固有振動を精度良く測定できる固有振動の測定方法と振動記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る固有振動の測定方法を実施する様子を模式的に示す側面図である。
【図２】図１に示す振動記録装置で測定できる振動波形を模式的に示す図であり、（ａ）は時間領域の振動波形であり、（ｂ）は周波数領域の振動波形である。
【図３】電柱における固有振動の例を模式的に示す図である。
【図４】図３に示す固有振動の次数ごとの正規化した相対振幅を模式的に示す図である。
【図５】振動記録装置を取り付ける位置の例を示す図である。
【図６】構造物の規格を表すタグの例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る振動記録装置の機能構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る固有振動の測定方法をフローチャートで示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【００１３】
（固有振動の測定方法）
図１は、本発明の実施形態に係る固有振動の測定方法を実施する様子を模式的に示す側面図である。構造物としては、例えば電柱１００の例を示す。
【００１４】
電柱１００のある位置（高さ）に、振動記録装置１が装着ベルト１０１によって固定されている。振動記録装置１は、例えば加速度センサを内蔵し、電柱１００の振動データを計測する。
【００１５】
電柱１００を振動させるには、例えば、作業者がハンマー１０２によって電柱１００に対して打撃による力を入力する。又は、車両通行時の振動、地震、風、及び音波（音響信号）等で入力される力で振動させてもよい。
【００１６】
図２に、振動記録装置１が計測する振動データを模式的に示す。図２（ａ）は、時間領域の振動データを示す。図２（ａ）の横軸は時間、縦軸は強度（振動振幅）である。
【００１７】
図２（ｂ）は、周波数領域の振動データを示す。図２（ｂ）の横軸は周波数、縦軸は強度（パワー）である。
【００１８】
図２（ｂ）の周波数領域の振動データは、図２（ａ）の振動データを周波数解析することで得られる。周波数解析は、例えばフーリエ解析、及びウェーブレット解析等で行う。
【００１９】
時間領域の振動データを周波数解析することで、複数の次数ごとの固有振動の強度を得ることができる。図２（ｂ）に示す例では、１次固有振動（2Hz）と２次固有振動（9Hz）の強度が得られている。
【００２０】
電柱１００が振動する時、電柱１００自体が持つ固有振動において共振が起こり、強い揺れが生じる。固有振動を用いた構造物の劣化診断においては、高次の振動モードを精度よく評価すべきであるとの知見がある（例えば参考文献「http://sip-hokuriku.com/wp-content/ uploads/2015/10/lecture_151022.pdf」）。
【００２１】
そこで、本実施形態の固有振動の測定方法においては、予め構造物の振動モードを把握する。
【００２２】
構造物の振動モードは、評価対象の構造物を振動させて、その振動モードを測定してもよい。又は、構造解析シミュレーションによって解析して求めてもよい。例えば構造物を弾性体としてモデル化し、有限要素法（ＦＥＭ解析）による振動解析を行って求めてもよい。
【００２３】
図３に、構造解析シミュレーションによって、地面に埋めていない状態にある電柱を解析して求めた振動モードを模式的に示す。
【００２４】
図３は、１次固有振動〜４次固有振動の振動モードの波形を示している。なお、より高次の次数の振動モードを求めてもよい。
【００２５】
各振動モードには、振動振幅が最大になる振動の腹の部分と、振動が起こらない節となる部分が存在する。この腹と節の部分は、構造物が電柱の場合、電柱の高さに対応する。
【００２６】
各振動モードの振幅の大きさは、各振動モードによって異なる。１次や２次などの低い次数の振動は計測され易い一方、高い次数の振動は振幅が比較的小さいため計測し難い特徴がある。
【００２７】
本実施形態の固有振動の測定方法では、各々の振動モードの振幅が得られる構造物の位置に振動記録装置１を設置する。その位置を図３中の点ハッチで模式的に示す。
【００２８】
それらの位置は、電柱１００の低い方から、例えば１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、及び１００ｄの参照符号で示すように離散的である。
【００２９】
図４は、構造解析シミュレーションの結果を固有振動の振動モードの次数ごとに、電柱１００の位置（高さ）と振動振幅の絶対値の関係を計算した結果を示す図である。この構造解析シミュレーションは、長さ14ｍの電柱１００を2.5m埋設した条件で行った。
【００３０】
図４の横軸（ｘ）は電柱１００の高さ、ｘ＝2.5mの点線は地面を表す。縦軸は、相対振幅である。相対振幅とは、地面から例えば1mの位置の振動振幅の値を1.0とし、次数ごとの固有振動の振動振幅を正規化した値である。
【００３１】
例えば、相対振幅の値が0.2以上であれば検出可能な振動記録装置１を用いた場合に、各々の振動モードの振幅が得られる電柱１００の高さを、点ハッチの範囲で示す。この例では、7.2〜7.7m（１００ａ）、9.0〜9.6m（１００ｂ）、10.5〜10.7m（１００ｃ）、12.1m（１００ｄ）、及び13.2〜14.0m（１００ｅ）の高さに振動記録装置１を取り付けると良いことが分かる。なお、この例では、相対振幅の値が0.2以上である範囲を、図３と一致させている。
【００３２】
また、相対振幅の値0.2以上は、振動記録装置１のＳ/Ｎ比よりも大きければ、任意の値でよい。つまり、振動記録装置１のセンサの性能に応じた値に設定すればよい。
【００３３】
図５は、取り付け位置をまとめたものである。取り付け位置は、電柱１００の規格に対応させて作成する。図５の１行は、電柱の規格に対応している。この例では、14.0m、13.0m、及び12.0mの長さの電柱の取り付け位置を示している。
【００３４】
電柱の規格は、図６に示すタグによって識別することが可能である。タグの「１４−５」の表記は、電柱の規格を表し、「１４」が長さ、「５」がひび割れ試験荷重を表す。
【００３５】
このタグは、現場で確認することができる。したがって、作業者は、タグを見て適切な位置に振動記録装置１を取り付けることができる。
【００３６】
適切な位置に取り付けられた振動記録装置１は、高次の振動モードの振動データも精度良く計測することができる。
【００３７】
（振動記録装置）
図７に、本発明の実施形態に係る振動記録装置１の機能構成例を示す。振動記録装置１は、振動計測部１０、周波数解析部２０、及び周波数スペクトル記録部３０を備える。
【００３８】
振動計測部１０は、時間領域における固有振動の振動振幅（図２（ａ））が、閾値を越えた場合に、一定の時間、構造物の振動データを測定する。振動データは、加速度センサ、歪センサ、容量センサ、圧電センサ、及びマイク等で測定することができる。一定時間は、数分間〜5分程度の時間である。
【００３９】
周波数解析部２０は、構造物の振動データを周波数解析する。周波数解析部２０は、振動データを、例えば、サンプリング周波数ｆｓ＝100Hz、Ｎ＝512ポイントの周波数解析の時間窓長の単位でフーリエ周波数解析する。この場合、Δｆ＝ｆｓ/Ｎ≒0.2Hzの周波数ビンの周波数スペクトルが得られる。
【００４０】
周波数スペクトル記録部３０は、周波数解析部で周波数解析して得られた周波数スペクトルを記録する。記録した周波数スペクトルは、約0.2Hzの周波数分解能の振動データのパワーを表す。
【００４１】
振動記録装置１は、上記の取り付け位置に取り付けられるので、高い次数の固有振動の振動データを精度良く計測することができる。
【００４２】
振動記録装置１を用いて構造物の固有振動を測定するには、事前の準備が必要である。図８を参照して、事前の準備を含めた本実施形態の固有振動の測定方法について説明する。
【００４３】
図８は、本実施形態に係る固有振動の測定方法をフローチャートで示す図である。
【００４４】
まず始めに、構造物の振動モードを把握する（ステップＳ１）。振動モードの把握とは、予め上記の図５の取り付け位置を求めることである。
【００４５】
次に、作業者は、現場で電柱の規格と図５の対応を取り、振動記録装置１を電柱の適切な位置に取り付ける（ステップＳ２）。
【００４６】
振動記録装置１の振動計測部１０は、電柱１００の振動振幅が、閾値を越えた場合（ステップＳ３のＹＥＳ）に、一定の時間、構造物の振動データを測定する（ステップＳ４）。
ここで閾値とは、例えば上記の相対振幅の値0.2である。
【００４７】
周波数解析部２０は、構造物の振動データを周波数解析する（ステップＳ５）。
【００４８】
周波数スペクトル記録部３０は、周波数解析部で得られた周波数スペクトルを記録する（ステップＳ６）。
【００４９】
ステップＳ４〜Ｓ７の処理は、例えば3分間繰り返される（ステップＳ７のＮＯのループ）。
【００５０】
以上述べたように本実施形態に係る固有振動の測定方法は、構造物の固有振動の測定方法であって、構造物の固有振動の次数ごとの振動モードを求め、振動モードの次数ごとに、構造物の所定の位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅を求め、前記相対振幅が得られる構造物の位置に振動記録装置１を設置し、振動記録装置１が構造物の固有振動を測定する。
【００５１】
これにより、固有振動を用いた構造物の劣化診断を高い精度で行うことが可能になる。
【００５２】
なお、構造物は電柱を例に説明を行ったが、構造物は電柱に限られない。例えば橋梁、ビル等の構造物に対して本実施形態の振動記録装置１を用いることが可能である。
【００５３】
また、振動記録装置１は、構造物に設置したままにしてもよい。構造物に設置したままにすることでその劣化の判定を常時行うことが可能になる。
【００５４】
常時監視を行う場合は、振動記録装置１を監視対象の複数の構造物に設置する。そして、振動記録装置１と保守管理センタをネットワークで接続すれば、複数の構造物の劣化の判定を、一カ所で集中管理することも可能である。
【００５５】
このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１：振動記録装置
１０：振動計測部
２０：周波数解析部
３０：周波数スペクトル記録部
１００：電柱
１０１：装着ベルト
１０２：ハンマー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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