(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の相互に接合する構造部材の間に圧電デバイスを当該構造部材の接合部に加わる力の方向と当該圧電デバイスの圧力に比例する電力が出力される加圧方向とが一致するように挟み込み，前記圧電デバイスの出力電力を蓄電手段が設けられたコントローラに入力して蓄電すると共に当該蓄電した電力により駆動したコントローラにより前記圧電デバイスの出力電圧から前記構造部材の応力を算定し，前記応力の時間履歴に基づき前記構造部材の損傷を検知してなる構造物の損傷検知方法。
【請求項２】
請求項１の方法において，前記蓄電した電力により駆動したコントローラにより前記構造部材の応力算定値を外部基地局へ出力してなる構造物の損傷検知方法。
【請求項３】
請求項２の方法において，前記構造部材に前記コントローラ経由の電力で駆動されるセンサを取付けると共に当該センサの計測値を前記外部基地局又はコントローラへ出力し，前記外部基地局又はコントローラにおいて前記構造部材の応力及び前記センサの計測値の時間履歴から前記構造部材の累積塑性歪みエネルギーを算出し，前記累積塑性歪みエネルギーに基づき前記構造部材の損傷を検知してなる構造物の損傷検知方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの方法において，前記圧電デバイスを，前記構造物の構造部材の間に代えて又は加えて，前記構造物の構造部材とブレース材との間，又は前記構造物と免震装置との間に挟み込んでなる構造物の損傷検知方法。
【請求項５】
構造物の相互に接合する構造部材の間に当該構造部材の接合部に加わる力の方向と圧力に比例する電力が出力される加圧方向とが一致するように挟み込む圧電デバイス，及び，前記圧電デバイスの出力電力を入力して蓄える蓄電手段と当該蓄電手段により駆動されて前記圧電デバイスの出力電圧から前記構造部材の応力を算定し且つ当該応力の時間履歴に基づき前記構造部材の損傷を検知する検知手段とを有するコントローラを備えてなる構造物の損傷検知システム。
【請求項６】
請求項５のシステムにおいて，前記コントローラに，前記蓄電手段により駆動されて前記構造部材の応力算定値を外部基地局へ出力する情報通信手段を設けてなる構造物の損傷検知システム。
【請求項７】
請求項６のシステムにおいて，前記構造部材に取り付けられると共に前記コントローラ経由の電力で駆動されて前記外部基地局又はコントローラへ計測値を出力するセンサを設け，前記外部基地局又はコントローラに構造部材の応力及び前記センサの計測値の時間履歴から前記構造部材の累積塑性歪みエネルギーを算出する算出手段を設け，前記累積塑性歪みエネルギーに基づき前記構造部材の損傷を検知してなる構造物の損傷検知システム。
【請求項８】
請求項５から７の何れかのシステムにおいて，前記圧電デバイスを，前記構造物の構造部材の間に代えて又は加えて，前記構造物の構造部材とブレース材との間，又は前記構造物と免震装置との間に挟み込んでなる構造物の損傷検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は構造物の損傷検知方法及びシステムに関し，とくに地震被災時の構造部材に生じる損傷を検知する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地震に被災した構造物（例えばビル等の建物）は，その損傷が大きいゆえに余震等で二次被害を生じるおそれがある一方で，損傷が小さいにもかかわらず居住者が恐怖心から避難する場合もある。二次被害と避難者を共に減らすためには，地震被災後の構造物の損傷を迅速に検知することが必要である。従来から地震被災後の構造物の柱，梁等の構造部材を専門技術者が目視により観察して損傷を判定する方法が実施されている。しかし，部材の損傷は耐火被覆等によって簡単に目視できないことも多く，この方法は損傷の判定に時間がかかる問題点が指摘されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
従来の目視による損傷判定方法に代えて，構造物の損傷が懸念される複数の所定部位に予め挙動をモニタリングするセンサ（例えば変位計等）を取り付け，地震時のモニタリングセンサの出力情報から構造部材の損傷をリアルタイムで判定する方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。また，予め構造物の弾性応答解析モデルを設定すると共に構造物上の所定部位にセンサ（例えば変位計等）を設置し，地震時の計測センサの出力情報から弾性応答解析モデルを用いたシミュレーションにより構造部材又は構造物全体の損傷をリアルタイムで判定する方法が提案されている（特許文献４〜５参照）。
【０００４】
他方，従来から構造物の構造部材に圧電デバイスを装着し，構造物に加わる地震エネルギーを圧電デバイスに吸収させて減衰させる（制振力を作用させる）ことにより，構造物の損傷を低減する方法が提案されている（特許文献６〜７参照）。一般に構造物に加わる地震の総エネルギーＥは，（１）式に示すように，構造物の弾性振動エネルギーＷｅ，累積塑性歪みエネルギーＷｐ，減衰によるエネルギー吸収量Ｗｈの総和と釣り合っている（非特許文献２参照）。このうち，構造物の弾性変形は地震収束後に解放されて無歪み状態に復帰するが，塑性変形は解放されずに破壊状態に至るまで蓄積するので，地震被災後の構造物の損傷は（１）式の累積塑性歪みエネルギーＷｐと対応している。圧電デバイスは，地震エネルギー（力）を電気エネルギー（電荷）に変換して吸収することにより，（１）式のエネルギー吸収量Ｗｈを高めて累積塑性歪みエネルギーＷｐを低減するエネルギー吸収型の制振機構（制震機構）と考えることができる。
Ｅ＝Ｗｅ＋Ｗｐ＋Ｗｈ  ……………………………………………………………（１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１８６９４４号公報
【特許文献２】特開２００４−０３７３５１号公報
【特許文献３】特開２００７−０３９８７９号公報
【特許文献４】特開２０１２−０８３１７２号公報
【特許文献５】特開２０１４−１２２８６６号公報
【特許文献６】特開平１０−０６１７０８号公報
【特許文献７】特開２０１５−０４８８９４号公報
【特許文献８】特開２００６−１６６６６２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】楠浩一「建築物の地震後の残余耐震性能評価」コンクリート工学，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．５，２００６年５月，インターネット＜ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｃｏｊ１９７５／４４／５／４４＿１０２／＿ｐｄｆ＞
【非特許文献２】秋山宏「エネルギーの釣合に基づく建築物の耐震設計」技報堂出版，１９９９年１１月２６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし，上述した地震時の構造物の挙動をモニタリングする損傷判定方法は，構造物を構成する様々な部材の損傷を検知するために膨大な数のモニタリングセンサを取り付ける必要があり，センサのケーブル配線も複雑となるため，経済的観点から構造物の損傷が危惧される全ての部位をモニタリングできない問題点がある。限られた部位のモニタリングだけでは，構造物全体の損傷を十分な精度で検知することは難しい。他方，上述したシミュレーションによる構造物の損傷判定方法は，限られた部位の計測センサによってセンサを設置していない部材の損傷を検知できる利点を有しているが，構造物の弾性応答解析モデルの設定に多大な時間とコストを要する問題点があり，損傷の検知精度もモニタリング方法に比して低下しがちである。地震被災時の損傷の判定は解析モデル等が設定されていない一般的な構造物にも導入することが望まれており，解析モデル等が設定されていなくても構造物の地震時の損傷を経済的に精度よく検知できる技術の開発が望まれている。
【０００８】
そこで本発明の目的は，地震被災時の構造部材に生じる損傷を経済的に精度よく検知できる方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は，上述したエネルギー吸収型の制振機構として用いられる圧電デバイスに着目した。一般的なブレース材等の制振装置６０は，図６（Ａ）の振動モデルに示すように制振装置６０を構造物１の主要構造部材と並列に装着するので，制振装置６０に生じる力（荷重）と構造部材に加わる力（荷重）とは相違している。これに対して圧電デバイス２０は，図６（Ｂ）の振動モデルに示すように構造物１の構造部材の間に直接挟み込むことができるので，構造部材に加わる力（荷重）の実質上全てを圧電デバイス２０に直接加えることが可能であり，圧電デバイス２０の出力電力から構造部材の応力を推定することが期待できる。しかも，圧電デバイス２０の場合は出力電力を動力源として利用できるので，構造物の損傷が危惧される多数の部位に圧電デバイス２０を組み込むことにより，外部電力を用いずに構造物の様々な部位の損傷をエネルギー自立的に検知することが期待できる。本発明は，この着想に基づく研究開発により完成に至ったものである。
【００１０】
図１の実施例を参照するに，本発明による構造物の損傷検知方法は，構造物１の相互に接合する構造部材２，３の間に圧電デバイス２０をその構造部材２，３の接合部に加わる力の方向と圧電デバイス２０の圧力に比例する電力が出力される加圧方向とが一致するように挟み込み，圧電デバイス２０の出力電力Ｐを蓄電手段３３が設けられたコントローラ３０に入力して蓄電すると共にその蓄電した電力Ｐにより駆動したコントローラ３０により圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑを算定し（図４（Ａ）参照），その応力Ｑの時間履歴（図４（Ｂ）参照）に基づき構造部材２，３の損傷を検知してなるものである。
【００１１】
また，図１のブロック図を参照するに，本発明による構造物の損傷検知システムは，構造物１の相互に接合する構造部材２，３の間にその構造部材２，３の接合部に加わる力の方向と圧力に比例する電力が出力される加圧方向とが一致するように挟み込む圧電デバイス２０，及び，圧電デバイス２０の出力電力Ｐを入力して蓄える蓄電手段３３とその蓄電手段３３により駆動されて圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑを算定し（図４（Ａ）参照）且つその応力Ｑの時間履歴（図４（Ｂ）参照）に基づき構造部材２，３の損傷を検知する検知手段３６とを有するコントローラ３０を備えてなるものである。
【００１２】
好ましい実施例では，図１（Ｃ）に示すように，コントローラ３０に，蓄電手段３３により駆動されて構造部材２，３の応力算定値Ｑを外部基地局５０へ出力する情報通信手段３８を設ける。更に好ましい実施例では，図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように，構造部材２，３に取り付けられると共にコントローラ３０経由の電力で駆動されて外部基地局５０又はコントローラ３０へ計測値δを出力するセンサ４０を設け，外部基地局５０又はコントローラ３０に構造部材２，３の応力Ｑ及びセンサ４０の計測値δの時間履歴（図７（Ｂ）参照）から構造部材２，３の累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出する算出手段３７を設け，その累積塑性歪みエネルギーＷｐに基づき構造部材２，３の損傷を検知する。
【００１３】
圧電デバイス２０は，図１のような構造物１の構造部材２，３の間に代えて又は加えて，図３（Ｃ）に示すように構造物１の構造部材２，３とブレース材４との間に挟み込むことができ，或いは図３（Ａ）に示すように構造物１と免震装置６との間に挟み込むことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による構造物の損傷検知方法及びシステムは，構造物１の相互に接合する構造部材２，３の間に圧電デバイス２０をその構造部材２，３の接合部に加わる力の方向と圧電デバイス２０の圧力に比例する電力が出力される加圧方向とが一致するように挟み込み，圧電デバイス２０の出力電力Ｐを蓄電手段３３が設けられたコントローラ３０に入力して蓄電すると共にその蓄電した電力Ｐにより駆動したコントローラ３０により圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑを算定し，その応力Ｑの時間履歴に基づき構造部材２，３の損傷を検知するので，次の有利な効果を奏する。
【００１５】
（イ）圧電デバイス２０の出力電力Ｐを動力源として構造部材２，３の損傷をリアルタイムで検知することができ，従来の構造部材２，３のモニタリングで必要とされた給電ケーブル等を省略できるので，構造物１の様々な構造部材２，３の応力Ｑをエネルギー自立的に算定し，損傷の有無を経済的に検知することができる。
（ロ）また，圧電デバイス２０の出力電力Ｐをコントローラ３０に蓄電することにより，構造部材２，３の応力算定値Ｑの外部基地局５０への情報通信エネルギーを賄うことが可能である。
【００１６】
（ハ）更に，圧電デバイス２０の出力電力Ｐをコントローラ３０経由で構造部材２，３に取り付けたセンサ４０に給電することにより，様々な構造部材２，３の応力Ｑの時間履歴とセンサ４０の計測値δから求めた構造部材２，３の変位δの時間履歴とから構造部材２，３の累積塑性歪みエネルギーＷｐをエネルギー自立的に算出し，様々な構造部材２，３の健全性（限界性能との関係から見た余裕度）を経済的に検知することができる。
（ニ）エネルギー吸収型の制振機構として働く圧電デバイス２０をコントローラ３０と組み合わせることにより，単一デバイスで制振機能と発電機能と損傷モニタリング機能との３機能を併せもったシステムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】本発明による損傷検知システムの一実施例の説明図である。
【図２】図１の損傷検知システムの３つの機能を示す流れ図である。
【図３】本発明による損傷検知システムの他の実施例の説明図である。
【図４】圧電デバイスの出力電力から構造部材の応力Ｑを算定する方法，及び応力Ｑの時間履歴から構造部材の損傷を検知する方法の説明図である。
【図５】構造物の構造部材の間に挟み込んだ圧電デバイスの出力電力の一例の説明図である。
【図６】圧電デバイスと他のエネルギー吸収型制振装置との相違の説明図である。
【図７】構造部材の応力Ｑ及び変位δの時間履歴から構造部材の累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出する方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は，本発明の損傷検知システム１０を構造物１の柱梁接合部の損傷検知に適用した実施例を示す。図示例の損傷検知システム１０は，相互に接合する構造部材２，３（梁部材２及び柱部材３）の間に挟み込む複数の圧電デバイス２０と，その圧電デバイス２０の出力を入力して構造部材２，３の損傷を検知するコントローラ３０とを有する。図示例の構造物１は，損傷が危惧される柱梁接合部の全てにそれぞれ損傷検知システム１０を組み込み，各損傷検知システム１０によって対応する柱梁接合部の各々の損傷を検知しているが，損傷検知システム１０を組み込む数及び部位は図示例に限定されない。
【００１９】
図１（Ｃ）に示すように，各損傷検知システム１０のコントローラ３０で検知した損傷状況は，無線又は有線の情報通信路５９を介して構造物１内の離れた外部基地局５０へ伝送し，外部基地局５０において構造物１の各柱梁接合部の損傷を記憶手段５１に記録して管理することができる。外部基地局６０は，構造物１の内部に代えて，構造物１から離れた地点に設けることも可能である。ただし，外部基地局５０は本発明の損傷検知システムに必須のものではなく，各柱梁接合部でそれぞれ独立に損傷状況を表示・管理することもできる。
【００２０】
図示例の圧電デバイス２０は，所定加圧方向の圧力が加わると圧力に比例した電荷（電力Ｐ）を出力する装置であり，例えばチタン酸ジルコンサン鉛（ＰＺＴ）製のものとすることができる。構造物１の柱梁接合部に加わる力が圧電デバイス２０に直接作用するように，すなわち図１（Ｂ）に示すように接合部に加わる力の方向とデバイス２０の所定加圧方向とが一致するように梁部材２と柱部材３との間に圧電デバイス２０を挟み込む。そのうえで，例えばボルト８及びナット９によって地震時にも離隔しない所要接合強度で圧電デバイス２０を梁部材２と柱部材３とに固定する。図示例では，梁部材２及び柱部材３を鉄骨とし，梁フランジ２ａに加わる力が圧電デバイス２０に直接加わるように圧電デバイス２０を組み込み，地震被災時に想定される最大荷重に耐える高力ボルト（ハイテンションボルト）を用いて圧電デバイス２０と梁部材２及び柱部材３とを固定している。
【００２１】
図示例のコントローラ３０は，図１（Ｃ）に示すように，圧電デバイス２０の出力電力Ｐを継続的に入力して蓄える蓄電手段３３と，その蓄電手段３３に蓄えた電力Ｐをコントローラ３０内に供給する電力供給手段３４とを有し，蓄電手段３３により駆動される装置である。電力供給手段３４は，例えば蓄電手段３３の電力に所要の電圧調整等を施したうえで供給することができる。圧電デバイス２０の出力電力Ｐによってコントローラ３０を駆動することにより，損傷検知システム１０を外部からの電力供給を必要としないエネルギー自立的なデバイスとすることができる。
【００２２】
また，図示例のコントローラ３０は，圧電デバイス２０の出力電力Ｐの電流値Ｉ，電圧値Ｖを計測する計測手段３２と，圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑを算定して損傷を検知する検知手段３６と，算定した応力Ｑ及び損傷状況を通信アンテナ３９経由で外部基地局６０へ出力する情報通信手段３８とを有している。図示例は，１台の圧電デバイス２０の出力電力Ｐを処理する１チャンネル入力の場合を示しているが，柱梁接合部に複数の圧電デバイス２０を組み込む場合は，複数チャンネル入力のコントローラ３０とすることができる。コントローラ３０の一例は記憶手段３１を有するコンピュータであり，計測手段３２，検知手段３６，情報通信手段３８をコンピュータの内蔵プログラムとし，圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑを算定するために必要な関係式Ｒ等を記憶手段３１に記憶することができる。
【００２３】
図示例の損傷検知システム１０は，圧電デバイス２０及びコントローラ３０に加えて，構造部材２，３に取り付けて変位δ（例えば層間変位）を計測するセンサ４０を有し，蓄電手段３３に蓄えた電力Ｐをセンサ４０に供給する外部給電手段３５をコントローラ３０に設けている。外部給電手段３５において，蓄電手段３３に蓄えた電力量とコントローラ３０内で必要とされる電力量（計測手段３２，検知手段３６，情報通信手段３８，その他のコントローラ３０本体の必要電力量）とを比較して，蓄電手段３３の電力量に十分余裕がある場合にのみセンサ４０に電力を供給するようにしてもよい。コントローラ３０経由の電力でセンサ４０を駆動することにより，センサ４０を含めた損傷検知システム１０をエネルギー自立的なデバイスとすることができる。また，センサ４０の計測値（例えば構造部材２，３の変位）δは，無線又は有線の情報通信路５９を介してコントローラ３０又は外部基地局５０へ伝送することができる。
【００２４】
センサ４０は，その計測値から構造部材２，３の変位δを計測できれば，任意のものを選択して用いることができる。例えば，センサ４０を加速度センサとし，その計測値（加速度）を２回積分することにより部材２，３の変位δを求める。或いは，センサ４０を変位センサとし，部材２，３の変位δを直接計測することも可能である。センサ４０を用いて構造部材２，３の変位δを計測することにより，後述するように構造部材２，３の応力Ｑ及び変位δから累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出して損傷を定量的に評価することが可能となる。ただし，応力Ｑのみから構造部材２，３の損傷をある程度検知することができるので，変位δの計測は損傷検知システムに必須のものではない。なお，図示例ではコントローラ３０とセンサ４０とを有線の給電ケーブルで接続しているが，例えば特許文献８の開示するようなシステムを用いることにより，コントローラ３からセンサ４０に電力を無線で供給することも可能である。また，センサ４０に代えて又は加えて，他の多方面のデータ（例えば層間変形角）を収集するモニタリングセンサを本発明の損傷検知システム１０と組み合わせることも可能である。
【００２５】
図２は，図１の損傷検知システム１０の機能の流れ図を示す。以下，図２の流れ図を参照して図１の損傷検知システム１０の機能を説明する。先ずステップＳ００１において圧電デバイス２０から電力Ｐが出力されると，ステップＳ００２において出力電力Ｐはコントローラ３０に入力され，ステップＳ０２０において計測手段３２を介して蓄電手段３３に送られて蓄えられる。すなわち損傷検知システム１０は，柱梁接合部に加わる力の実質上全てを圧電デバイス２０に直接作用させることにより，圧電デバイス２０により大きな電力を出力させ，コントローラ３０の定常時・非常時の駆動に必要なエネルギーを賄う発電機能を果たす。
【００２６】
図５は，２５階建て，建物高さ１０９ｍのモデル構造物に損傷検知システム１０を適用した場合に想定される発電量を示す。図５（Ａ）はモデル建物１の特定階の梁部材２及び柱部材３の配置を示しており，各梁部材２の端部は８本のボルトで柱部材３に接合されている。各ボルト１本当たりの定常時における発電量は，比較的頻度の高い風負荷等の外乱時に加わる水平力から考えて２Ｗ程度と想定される。各柱部材３には２台，３台又は４台の梁部材２が取り付くことから，各階の柱部材１本当たりの発電量は３２Ｗ（＝２台×８本×２Ｗ），４２Ｗ（＝３台×８本×２Ｗ），又は６４Ｗ（＝４台×８本×２Ｗ）となる（図５（Ａ）参照）。
【００２７】
他方，２チャンネル入力，１チャンネル出力のコントローラ３０の機能維持に必要な電力消費量は通常１０Ｗ以下であり，通信アンテナ３９等の無線に必要な電力は通数１０ｍＷ程度であるから，定常時において各柱部材１での発電量３２〜６４Ｗによってコントローラ３０及び情報通信に必要な消費電力を十分賄うことができる。また図５（Ｂ）は，地震等の非常時において発電量が１１．２ＫＷ程度見込めることを示しており，データ処理やデータ通信が頻繁に発生しうる非常時においてもコントローラ３０及び情報通信に必要な消費電力を十分賄うことができるのみならず，外部のセンサ４０等に電力を供給すること（ステップＳ０２１）も十分可能であることが確認できる。
【００２８】
図２のステップＳ０１０〜Ｓ０１１は，圧電デバイス２０に発電させることにより，その圧電デバイス２０のエネルギー変換量に比例した制振効果（制震構造）が得られることを示す。すなわち損傷検知システム１０は，ステップＳ０１０において圧電デバイス２０が地震エネルギーを吸収・消費して発電する一方で，（１）式を参照して上述したようにその圧電デバイス２０のエネルギー吸収量Ｗｈだけ構造物１の累積塑性歪みエネルギーＷｐが低減されるので，ステップ０２０における圧電デバイス２０の発電量に比例した制振機能をステップＳ０１１において果たす。
【００２９】
図２のステップＳ０３０は，ステップＳ０２０において圧電デバイス２０の出力電力Ｐが計測手段３２から蓄電手段３３へ送られるのと同時に，計測手段３２の計測値（電流値Ｉ，電圧値Ｖ）が検知手段３６に送られ，検知手段３６において構造部材２，３の応力Ｑを算定する処理を示す。すなわち，損傷検知システム１０は構造物１の構造部材２，３に加わる力（荷重）の実質上全てが圧電デバイス２０に直接加わるので，図４（Ａ）に示すような圧電デバイス２０の出力電圧Ｖと構造部材２，３の応力Ｑとの関係式Ｒを予め求めておくことにより，計測手段３２において圧電デバイス２０の出力電圧Ｖから構造部材２，３の応力Ｑをリアルタイムに計測することができる。図示例のような関係式Ｒは予め実験的に求めてコントローラ３０の記憶手段３１に記憶しておくことができ，算定した部材２，３の応力Ｑも記憶手段３１に累積記憶しておくことができる。
【００３０】
また図２のステップＳ０３１は，コントローラ３０の検知手段３６により構造部材２，３の損傷を検知する処理を示す。一般に構造部材２，３の損傷は，（１）式を参照して上述したように，塑性化（降伏状態）の進展度合又は累積塑性歪みエネルギーＷｐとして把握できる。例えば，構造部材２，３に一方向の水平外力が入力されたときの荷重−層間変形の関係は，部材の降伏耐力Ｑｙとそれに対応する降伏変形（弾性層間変形）δｙとを用いて図７（Ａ）のように表すことができる。この場合の部材２，３の塑性化の進展度合は塑性変形（δｐ−δｙ）として定義され，部材２，３に蓄積される塑性歪みエネルギーＷｐは（２）式のように表すことができる。また，地震動等の振動する水平外力が構造部材２，３に入力されたときの荷重−層間変形の関係は図７（Ｂ）のように表すことができ，この場合の部材２，３の塑性化の進展度合は荷重−層間変形の各ステップにおける塑性変形Δδｐ１，Δδｐ２，Δδｐ３，Δδｐ４を加算した（３）式の累積塑性変形δｐとして定義され，部材２，３に蓄積される塑性歪みエネルギーＷｐは（４）式のように表すことができる。
Ｗｐ＝Ｑｙ・（δｐ−δｙ）  ……………………………………………………（２）
δｐ＝（Δδｐ１＋Δδｐ３）＋（Δδｐ２＋Δδｐ４）  …………………（３）
Ｗｐ＝Ｑｙ・δｐ  …………………………………………………………………（４）
【００３１】
図２のステップＳ０３１では，構造部材２，３の応力Ｑは算定されているが変位δは計測されていないので，（３）〜（４）式の塑性変形δｐ又は累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出することはできないが，図４（Ｂ）に示すような応力Ｑの時間履歴Ｈに基づき部材２，３の塑性化（降伏状態）の程度を検知することができる。すなわち，図４（Ｂ）の応力Ｑの時間履歴Ｈにおいて，一点鎖線円で示したように応力Ｑが一定値を保持する状況は降伏状態であるから，そのような降伏状態の発生の有無，発生回数，発生累積時間等を求めて部材２，３の損傷を検知することができる。検知手段３２において求めた部材２，３の応力Ｑ及び損傷状況は，ステップＳ０３２において情報通信手段３８へ送られ，通信アンテナ３９経由で外部基地局６０の情報通信手段５２へ出力することができる。
【００３２】
また図２のステップＳ０３３は，センサ４０において構造部材２，３の変位δが計測され，その計測値δが外部基地局５０又はコントローラ３０に伝送された場合に，外部基地局５０の算出手段５３又はコントローラ３０の算出手段３７により，センサ４０の計測値から構造部材２，３の変位δを求め，構造部材２，３の応力Ｑ及び変位δの時間履歴から（３）〜（４）式により構造部材２，３の累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出する処理を示す。累積塑性歪みエネルギーＷｐを算出することにより，塑性化の進展度合として部材２，３の損傷を定量的に評価することができる。また，例えば地震被災前の健全な部材２，３が保有する累積塑性歪みエネルギーＷｐ（保有耐震性能，限界性能）を求めておき，地震被災後に累積塑性歪みエネルギーＷｐ（消費耐震性能）を算出して保有耐震性能と対比することにより，地震被災後の健全性ないし余裕度（残存耐震性能＝保有耐震性能−消費耐震性能）を求めることも可能である。
【００３３】
図２の流れ図に示すように，本発明の損傷検知システム１０は，エネルギー吸収型の制振機構として働く圧電デバイス２０をコントローラ３０と組み合わせ，構造物１の柱梁接合部に加わる力を圧電デバイス２０に直接作用させることにより，単一デバイスで制振機能（ステップＳ０１０〜Ｓ０１１）と発電機能（ステップＳ０２０〜０２１）と損傷モニタリング機能（ステップＳ０３０〜０３３）との３機能を併せもったシステムを実現することができる。しかも，構造物１の様々な構造部材２，３の損傷をエネルギー自立的に求めることができるので，一般的な構造物にも経済的に導入可能であり，二次被害と避難者を共に減らすことができる技術として普及が期待できる。
【００３４】
こうして本発明の目的である「地震被災時の構造部材に生じる損傷を経済的に精度よく検知できる方法及びシステム」の提供を達成することができる。
【実施例１】
【００３５】
図３（Ａ）は，損傷検知システム１０の圧電デバイス２０を，図１のように構造物１の構造部材２，３の間（柱梁接合部）に代えて，構造物１と免震装置６との間に挟み込んだ実施例を示す。図３（Ｂ）は，免震装置６の主要構造部である積層ゴムと上部基礎７ｂとの間，及び積層ゴムと下部基礎７ａとの間にそれぞれ圧電デバイス２０を設置することを示している。図１を参照して上述したように，本発明の損傷検知システム１０は，地震時に構造物１に入力されるエネルギーのほとんどを直接受ける部分に圧電デバイスを組み込むことで，構造上重要な部分の損傷検知が可能となるとともに，大きな制震効果を発揮する。図３（Ａ）の場合において，損傷検知は，免震装置６の鉛直支持能力を対象とし，発電は，地震時の転倒モーメントによる免震装置６の鉛直力の変動により生じ，制震効果により，この転倒モーメントを低減することになる。図３のように地震エネルギーが加わる構造物１と免震装置６との間に圧電デバイス２０を組み込み，圧電デバイス２０により大きな電力を出力させることにより，圧電デバイス２０の制振効果と免震装置６とを組み合わせた効果が期待できる。
【００３６】
また図３（Ｃ）は，損傷検知システム１０の圧電デバイス２０を，構造物１の構造部材２，３とブレース材４との間に挟み込んだ実施例を示す。図３（Ｄ）は，梁部材２と柱部材３との柱梁架構をピン構造とし，その柱梁架構の内側にブラケット５ａ，５ｂを介して配置したブレース材４，４によって全ての地震力を負担する構造都した場合に，ブレース材４の両端とブラケット５ａ，５ｂを取り付けた梁部材２及び柱部材３との間にそれぞれ圧電デバイス２０を設置することを示している。ブレース材４に加わる力の実質上全てを圧電デバイス２０に直接作用させることにより，圧電デバイス２０により大きな電力を出力させると同時に，圧電デバイス２０の制振効果とブレース材４の耐震効果とを組み合わせた効果が期待できる。また，圧電デバイス２０の出力電圧Ｖとブレース材４の応力Ｑとの関係式Ｒを予め求めておくことにより，コントローラ３０により圧電デバイス２０の出力電圧Ｖからブレース材４の応力Ｑをリアルタイムに計測し，ブレース材４の損傷を検知することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…構造物
１ａ…床                              １ｂ…天井
２…構造部材（梁部材）                ２ａ…フランジ
３…構造部材（柱部材）                ４…ブレース補強材
５ａ，５ｂ…ブラケット                ６…免震装置（積層ゴム）
７ａ…下部基礎                        ７ｂ…上部基礎
８…ボルト                            ９…ナット
１０…損傷検知システム
２０…圧電デバイス
３０…コントローラ
３１…記憶手段                        ３２…計測手段
３３…蓄電手段                        ３４…電力供給手段
３５…外部給電手段                    ３６…検知手段
３７…算出手段                        ３８…情報通信手段
３９…通信アンテナ
４０…センサ
５０…外部基地局
５１…記憶手段                        ５２…情報通信手段
５３…算出手段                        ５９…情報通信路
６０…制振デバイス
Ｇ…地盤
Ｐ…圧電デバイスの出力電力
Ｈ…時間履歴                          Ｒ…関係式
Ｑ…応力（荷重）                      δ…変形（塑性変形）
Ｅ…地震時の総エネルギー入力
Ｗｅ…弾性振動エネルギー
Ｗｐ…累積塑性歪みエネルギー
Ｗｈ…減衰によるエネルギー吸収量
【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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