(57)【要約】【課題】高次の振動モードの固有振動を測定できる構造物の位置を表示する構造物劣化判定支援装置を提供する。【解決手段】構造物の固有振動の測定を支援する構造物劣化判定支援装置であって、構造物の規格及び付帯条件と、構造物の複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる構造物上の位置とを対応付けたテーブル１０と、構造物の時間領域における固有振動を測定する振動計測部２０と、振動計測部２０で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める周波数解析部３０と、周波数解析部３０で求めた低次の振動モードの固有振動数でテーブル１０を検索し、構造物の固有振動を測定する構造物上の位置を決定する測定位置決定部４０とを備える。【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を支援する構造物劣化判定支援装置であって、
前記構造物の規格及び付帯条件と、前記構造物の複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる構造物上の位置とを対応付けたテーブルと、
前記構造物の時間領域における固有振動を測定する振動計測部と、
前記振動計測部で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める周波数解析部と、
前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数と前記構造物の規格及び付帯条件とで前記テーブルを検索し、前記構造物の固有振動を測定する前記構造物上の位置を決定する測定位置決定部と
を備えることを特徴とする構造物劣化判定支援装置。
【請求項２】
前記テーブルは、
前記構造物の規格及び付帯条件、前記構造物の複数の振動モードの次数ごとの固有振動数、及び前記構造物の所定位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅が所定値以上となる前記構造物上の位置とを対応付けたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の構造物劣化判定支援装置。
【請求項３】
前記測定位置決定部は、
前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数が前記テーブルの値と一致する場合、固有振動を測定する位置を、低次の振動モードの固有振動数が一致する前記テーブルの前記構造物上の位置に決定し、低次の振動モードの固有振動数が前記テーブルの値と一致しない場合、固有振動を測定する位置を、前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数との差が最も小さい前記テーブルの前記構造物上の位置に決定する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造物劣化判定支援装置。
【請求項４】
加振装置と構造物劣化判定支援装置を備える構造物劣化判定支援システムであって、
前記加振装置は、
振動部と、該振動部を内蔵する筐体と、該筐体を構造物に固定する固定部とを備え、
前記構造物劣化判定支援装置は、
前記構造物の規格及び付帯条件と、前記構造物の複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる構造物上の位置とを対応付けたテーブルと、
前記構造物の時間領域における固有振動を測定する振動計測部と、
前記振動計測部で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める周波数解析部と、
前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数と前記構造物の規格及び付帯条件とで前記テーブルを検索し、前記構造物の固有振動を測定する前記構造物上の位置を決定する測定位置決定部と
を備える
ことを特徴とする構造物劣化判定支援システム。
【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を支援する構造物劣化判定支援装置及び構造物劣化判定支援システムに関する。
【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、構造物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】
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」）。また、構造物の劣化が進むと固有振動の振動数は、一般的に低い方にシフトする傾向がある。よって、高次の振動モードの固有振動を測定することができれば構造物の劣化の診断を精度良く行うことが可能である。
【０００７】
しかし、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測定するため、振動振幅の小さい高次の振動モード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。
【０００８】
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、高次の振動モードの固有振動を測定できる構造物の位置を決定する構造物劣化判定支援装置及び構造物劣化判定支援システム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】
【０００９】
本発明の一態様に係る構造物劣化判定支援装置は、構造物の固有振動の測定を支援する構造物劣化判定支援装置であって、前記構造物の規格及び付帯条件と、前記構造物の複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる構造物上の位置とを対応付けたテーブルと、前記構造物の時間領域における固有振動を測定する振動計測部と、前記振動計測部で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める周波数解析部と、前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数と前記構造物の規格及び付帯条件とで前記テーブルを検索し、前記構造物の固有振動を測定する前記構造物上の位置を決定する測定位置決定部とを備えることを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る構造物劣化判定支援システムは、加振装置と構造物劣化判定支援装置を備える構造物劣化判定支援システムであって、前記加振装置は、振動部と、該振動部を内蔵する筐体と、該筐体を構造物に固定する固定部とを備え、前記構造物劣化判定支援装置は、前記構造物の規格及び付帯条件と、前記構造物の複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる構造物上の位置とを対応付けたテーブルと、前記構造物の時間領域における固有振動を測定する振動計測部と、前記振動計測部で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める周波数解析部と、前記周波数解析部で求めた低次の振動モードの固有振動数と前記構造物の規格及び付帯条件とで前記テーブルを検索し、前記構造物の固有振動を測定する前記構造物上の位置を決定する測定位置決定部とを備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高次の振動モードの固有振動を測定できる構造物の位置を決定する構造物劣化判定支援装置及び構造物劣化判定支援システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】構造物の固有振動の測定を行う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】電柱の振動を振り子に見立てた模式図を示す図である。
【図４】電柱における固有振動の例を模式的に示す図である。
【図５】図４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６】振動記録装置を取り付ける位置の例を示す図である。
【図７】構造物の規格を表すタグの例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る構造物劣化判定支援装置の機能構成例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る構造物劣化判定の支援方法をフローチャートで示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る構造物劣化判定支援システムの構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（固有振動の測定方法）
図１は、構造物の固有振動の測定を行う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。
【００１５】
電柱１００のある位置（高さ）に、振動記録装置５０が装着ベルト５１によって固定されている。振動記録装置５０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。
【００１６】
電柱１００を振動させるには、例えば、作業者がハンマー５２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。
【００１７】
図２に、振動記録装置５０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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
なお、１次固有振動と２次固有振動は振動モードが異なる。以降において、例えば１次の振動モードの固有振動数等と称する。
【００２２】
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。そこで、構造物の固有振動を測定する場合は、事前に構造物の振動特性（振動モード等）を把握し、振動記録装置５０を構造物の適切な位置に固定するとよい。
【００２３】
図３に、実際の状況に近い電柱１００の例を模式的に示す。図３に示すように電柱１００は、柱上変圧器等を備える場合がある。
【００２４】
電柱１００の振動は、地面から伸びる腕の長さと質点（質量）で表せる振り子に見立てることができる。電柱１００の固有振動は、電柱の長さ、柱上変圧器の有無、及び架線数等によって大きく変化する。
【００２５】
したがって、振動記録装置５０の設置位置は、定型的に決められない。また、構造物の劣化の診断を精度良く行うために必要な高次の固有振動は、振動振幅が小さく且つ周波数も高いため低次の固有振動より測定が難しい。
【００２６】
そのため、作業者は、振動記録装５０を設置する構造物上の位置を、現場で探索する必要がある。しかし従来は、その作業の手がかりがないため、設置位置の探索に多くの時間を要していた。
【００２７】
そこで、本実施形態に係る構造物劣化判定支援装置１は、構造物の低次の振動モードの固有振動数を測定し、測定した低次の固有振動数から、高次の振動モードの振動振幅が得られる構造物上の位置を決定する。
【００２８】
固有振動の測定位置を決定するために、予め構造物の振動モードを把握する。構造物の振動モードは、評価対象の構造物を振動させて測定してもよい。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。
【００２９】
図４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。
【００３０】
図４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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。また、低次の振動モードの振動の腹と節の間隔は広く、高次の振動モードのその間隔は狭い。したがって、１次や２次などの低い次数の振動は測定し易いのに対して、高い次数の振動は位置合わせが難しく測定し難くなる。
【００３３】
複数の次数の振動モードの固有振動数の振動振幅が得られる構造物上の位置を、図３中の点ハッチで模式的に示す。
【００３４】
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。
【００３５】
図５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。
【００３６】
図５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。
【００３７】
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を用いた場合に、各々の振動モードの振動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５０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４と一致させている。
【００３８】
各々の振動モードの固有振動数は、１次が2.0Hz、２次が9.0Hz、３次が24.0Hz、４次が45.0Hzである。この固有振動数は、構造物の規格と付帯条件とで変化する。
【００３９】
構造物の規格とは、例えば電柱１００の長さである。電柱の高さは、使用用途毎に決まっている。高い方から、電力会社の高圧線、電力会社の低圧線、電力会社の電力保安通信線、その他の共架電線、及びＮＴＴの通信線の順である。
【００４０】
付帯条件とは、架線数、埋設長さ、及び柱上構造物の有無等のことである。
【００４１】
そこで、本実施形態の構造物劣化判定支援装置１は、構造物の規格及び付帯条件を変えて固有振動をシミュレーションし、それらの条件と、複数の次数の振動モードの固有振動数と、当該固有振動数の相対振幅の値が所定値以上となる構造物上の位置とを対応付けたテーブルを用いる。
【００４２】
図６にテーブルの例を示す。１列目はシミュレーション条件、２列〜５列目は１次〜４次の固有振動数、６列目は相対振幅の値が所定値以上となる構造物上の位置である。
【００４３】
図６の１行は、１つのシミュレーション結果を示す。図６は、14.0mの長さの電柱において架線数が異なる場合の例を示す。図６のシミュレーション結果の１行目から順に、架線数が１本、２本、３本の場合である。
【００４４】
電柱の長さ14.0mで架線数１本の場合は、7.2〜7.7m、9.0〜9.6m、10.5〜10.7m、12.0m、及び13.2〜14.0ｍの何れかの範囲で、複数の次数の固有振動の相対振幅の値が所定値以上になることを示している。
【００４５】
なお、実際のテーブルは、電柱の規格と付帯条件を変えた多数のシミュレーション条件と、各々のシミュレーション条件の複数の次数の振動モードの固有振動数と、構造物上の位置とを対応付けたものである。
【００４６】
本実施形態の構造物劣化判定支援装置１は、低次の振動モードの固有振動数を測定し、測定した低次の固有振動数と構造物の規格及び付帯条件とでテーブルを検索し、固有振動を測定する構造物上の位置を決定する。ここで構造物上の位置は、複数の次数のそれぞれの固有振動の振動振幅が得られる位置である。
【００４７】
電柱の規格は、例えば図７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。電柱の規格及び付帯条件は、タグと現場の状況を見て作業者が把握する。作業者は、それらの情報を構造物劣化判定支援装置１に入力する。
【００４８】
本実施形態の構造物劣化判定支援装置１によって決められた構造物上の位置に、振動記録装置５０を設置すれば高次の振動モードの固有振動数を測定することができる。
【００４９】
このように本実施形態の構造物劣化判定支援装置１によれば、測定が容易な低次の固有振動を測定することで、位置合わせが難しい高次の固有振動を測定できる位置を決定することができる。その結果、構造物への振動記録装置５０の設置時間を大幅に短縮することができる。
【００５０】
（構造物劣化判定支援装置）
図８に、本発明の実施形態に係る構造物劣化判定支援装置１の機能構成例を示す。構造物劣化判定支援装置１は、テーブル１０、振動計測部２０、周波数解析部３０、及び測定位置決定部４０を備える。
【００５１】
図９に示す構造物劣化判定支援装置１の動作フローも参照してその動作を説明する。構造物劣化判定支援装置１が動作する為には、事前に構造物の振動特性を把握する必要がある（ステップＳ１）。
【００５２】
構造物の固有振動特性は、例えば構造解析シミュレーションによって求める。その際、構造物の規格及び付帯条件を変えた多数のシミュレーションを行う。そして、シミュレーション条件のそれぞれと、相対振幅の値が所定値以上になる構造物上の位置とを対応させたテーブル１０（図６）を作成する。
【００５３】
テーブル１０は、構造物の規格及び付帯条件、構造物の複数の振動モードの次数ごとの固有振動数、及び構造物の所定位置の振動振幅を基準に正規化した値である相対振幅が所定値以上となる構造物上の位置とを対応付けたものである。
【００５４】
テーブル１０は、構造物劣化判定支援装置１に入力する（ステップＳ２）。テーブル１０は、構造物劣化判定支援装置１の図示を省略している記憶部に記憶される。記憶部は、例えば構造物劣化判定支援装置１をコンピュータで構成した場合のＲＡＭである。なお、テーブル１０はＲＯＭに記憶してもよい。
【００５５】
振動計測部２０は、構造物の時間領域における固有振動を測定する。振動計測部２０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（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）。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〜5分程度の時間である。
【００５６】
周波数解析部３０は、振動計測部２０で測定した固有振動を周波数解析し、２次以下の低次の振動モードの固有振動数を求める（ステップＳ５）。周波数解析部３０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。
【００５７】
測定位置決定部４０は、周波数解析部３０で求めた低次の振動モードの固有振動数と構造物の規格及び付帯条件とでテーブル１０を検索し、構造物の固有振動を測定する構造物上の位置を決定する（ステップＳ６）。
【００５８】
より具体的に、測定位置決定部４０は、周波数解析部３０で求めた低次の振動モードの固有振動数がテーブル１０の値と一致する場合、固有振動を測定する位置を、低次の振動モードの固有振動数が一致するテーブル１０の構造物上の位置に決定し、低次の振動モードの固有振動数がテーブル１０の値と一致しない場合、固有振動を測定する位置を、周波数解析部３０で求めた低次の振動モードの固有振動数との差が最も小さいテーブル１０の構造物上の位置に決定する。
【００５９】
ここで固有振動数が一致するテーブル１０の構造上の位置とは、例えば１次の振動モードの固有振動数が2.2HZ、２次の振動モードの固有振動数が9.4Hzであるとした場合、7.0〜7.5m、8.8〜9.3m、10.3〜10.5m、11.9m、13.0〜13.0mのことである(図６の架線数：３)。
【００６０】
7.0〜7.5m、8.8〜9.3m、10.3〜10.5m、11.9m、13.0〜13.0mの何れかの位置に振動記録装置５０を設置しても高次の固有振動を測定することができる。振動記録装置５０は、その何れの位置に設置してもよい。
【００６１】
決定した構造物の位置の位置情報は、表示パネル（図示せず）に表示してもよいし、プリンタ（図示せず）で印刷してもよい。
【００６２】
ステップＳ４〜Ｓ６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）。
【００６３】
なお、ステップＳ６において、低次の振動モードの固有振動数でテーブル１０を検索する場合、構造物劣化判定支援装置１に架線数等の付帯条件が入力されていると、処理時間を短縮することができる。ただし、付帯条件は入力しなくても良い。付帯条件を入力しない場合は、一致する又は差が最も小さいテーブル１０の構造物の位置を全て表示するようにすればよい。
【００６４】
そして、全て表示された中から、現場の条件に合う構造物の位置を選択するようにしてもよい。つまり、付帯条件の入力は必須ではない。
【００６５】
以上述べたように本実施形態に係る構造物劣化判定支援装置１によれば、位置合わせが簡単な低次の固有振動の測定から、位置合わせが難しい高次の固有振動を測定できる構造物上の位置を決定できるので、構造物への振動記録装置５０の設置時間を大幅に短縮できるという効果が得られる（作業の効率化）。
【００６６】
また、構造物の劣化を診断するための振動記録装置５０を、構造物に適切に設置することが可能になる。その結果、構造物の劣化診断を高い精度で行うことができる。
【００６７】
（構造物劣化判定支援システム）
本実施形態の構造物劣化判定支援装置１は、構造物に振動を与える加振装置と組み合わせてもよい。
【００６８】
図１０に、本発明の実施形態に係る構造物劣化判定支援システム６０の構成例を模式的に示す。構造物劣化判定支援システム６０は、構造物劣化判定支援装置１と加振装置６１を備える。
【００６９】
加振装置６１は、振動部６２を内蔵する筐体６３と、該筐体６３を構造物１００に固定する固定部６４とを備える。振動部は、構造物１００に直接、打撃を加えるものでも良いし、音波で構造物を振動させるものでもよい。
【００７０】
構造物劣化判定支援装置１は、参照符号から明らかなように説明済みのものである。このように構造物劣化判定支援システム６０を構成することで、構造物１００を作業者の手作業で振動させなくてもよい。また、構造物１００に入力する力を一定にすることができるので、構造物の位置決定の動作を安定化することができる。
【００７１】
以上述べた実施例では、構造物を電柱の例で説明を行ったが、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構造物劣化判定支援装置１を用いることが可能である。
【００７２】
また、低次の振動モードの固有振動数がテーブル１０の値と一致しない場合、その差が最も小さいテーブル１０の構造物上の位置に決定する例を説明したが、テーブル１０の値に決定しなくてもよい。その場合、差分を考慮して構造物上の位置を計算して求めてもよい。例えば、構造物上の位置を、差分に比例させて変化させてもよい。
【００７３】
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】
【００７４】
１：構造物劣化判定支援装置
１０：テーブル
２０：振動計測部
３０：周波数解析部
４０：測定位置決定部
５０：振動記録装置
５１：装着ベルト
５２：ハンマー
６０：構造物劣化判定支援システム
６１：加振装置
６２：振動部
６３：筐体
６４：固定部
１００：電柱（構造物）
【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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【図９】
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【図１０】
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