(57)【要約】【課題】建築構造物における回転運動の影響を除去して、その残余耐震性能を正確に評価することのできる建築構造物の診断方法を提供する。【解決手段】加速度センサとジャイロセンサとを備えた地震計を用い、加速度センサの出力から建築構造物の並進変位成分を求める共に、ジャイロセンサの出力から建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分を求め、上記並進変位成分からロッキング成分および／またはねじれ成分の影響を除去して前記建築構造物のゆがみを評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築構造物に設置した複数の地震計の出力を分析して上記建築構造物の残余耐震性能を診断するに際して、
前記地震計として、設置場所における前記建築構造物の変位を検出する加速度センサと、設置場所における前記建築構造物の回転を検出するジャイロセンサとを用い、
前記加速度センサの出力から前記建築構造物の並進変位成分を求める共に、前記ジャイロセンサの出力から前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分を求め、前記建築構造物の並進変位成分から前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分の影響を除去して前記建築構造物のゆがみを評価することを特徴とする建築構造物の診断方法。
【請求項２】
前記建築構造物の並進変位成分は、設置場所を異にする複数の加速度センサによりそれぞれ検出される特定方向における加速度から前記建築構造物の上記特定方向における相対加速度、相対速度、相対変位を算出することにより求められるものであって、
前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分は、前記ジャイロセンサにより検出される特定方向への回転を示す角速度から求められるものである請求項１に記載の建築構造物の診断方法。
【請求項３】
前記加速度センサおよびジャイロセンサは、少なくとも前記建築構造物の基礎部と上層階とにそれぞれ設置されるものである請求項１に記載の建築構造物の診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震波を受けた建築構造物のゆがみを簡易に、しかも精度良く評価することのできる建築構造物の診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地震発生後における建築構造物の残余耐震性能を診断する場合、一般的には建築構造物に設置した地震計を用いて観測される揺れから該建築構造物のゆがみを評価することにより行われる。ちなみに地震計としては、専ら加速度センサが用いられ、複数の地震計（加速度センサ）を建築構造物の基礎部と上層階とにそれぞれ設置して地震波が加わったときの揺れを観測する。そして地震計（加速度センサ）の出力を２階積分することでその計測点での絶対変位を算出し、仮定した振動モードの下で建築構造物の地震波に対する応答変形量を求める等してその評価が行われる（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００３−３４４２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来における建築構造物の残余耐震性能の診断は、専ら、図６(ａ)にその概念を示すように建築構造物１の基礎部２と上層階３とにそれぞれ設置した２つの地震計４,５により、地震波が加わったときにおける各計測点での加速度を計測しているだけである。これ故、例えば図６(ｂ)に示すように地震波によって建築構造物１にロッキング現象のような回転運動が加わると、各計測点での加速度を正確に評価することができなくなると言う問題がある。即ち、建築構造物１に回転運動６が加わると、前記地震計４,５はその回転運動を含めた加速度を検出することになる。すると地震計４,５の各出力から求められる建築構造物１の相対加速度に誤差が生じることになり、該建築構造物１の残余耐震性能を正確に評価することができなくなる。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、建築構造物に回転運動が生じた場合であっても該建築構造物の相対変位やゆがみ等を簡易に、しかも精度良く求め、その残余耐震性能を正確に評価することのできる建築構造物の診断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的を達成するべく本発明に係る建築構造物の診断方法は、建築構造物に設置した複数の地震計の出力を分析して上記建築構造物の残余耐震性能を診断するに際して、前記地震計としてその設置場所における前記建築構造物の変位を検出する加速度センサと、上記設置場所における前記建築構造物の回転を検出するジャイロセンサとを用い、
前記加速度センサの出力から前記建築構造物の並進変位成分を求める共に、前記ジャイロセンサの出力から前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分を求め、前記建築構造物の並進変位成分から前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分の影響を除去して前記建築構造物のゆがみを評価することを特徴としている。
【０００６】
具体的には前記建築構造物の並進変位成分は、設置場所を異にする複数の加速度センサによりそれぞれ検出される特定方向における加速度から前記建築構造物の上記特定方向における相対加速度、相対速度、相対変位を算出することにより求め、また前記建築構造物のロッキング成分および／またはねじれ成分については、前記ジャイロセンサにより検出される特定方向への回転を示す角速度から求めることを特徴とする。
【０００７】
尚、前記加速度センサおよびジャイロセンサは、少なくとも前記建築構造物の基礎部と上層階とにそれぞれ設置することが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
このような建築構造物の診断方法によれば、建築構造物に設置する地震計として加速度センサとジャイロセンサとを用い、地震波が加わったときの上記建築構造物の並進変位成分を上記加速度センサの出力から求めると共に、上記建築構造物の回転成分であるロッキング成分および／またはねじれ成分を前記ジャイロセンサの出力から求めるので、前記建築構造物の並進変位成分から前記ロッキング成分および／またはねじれ成分の影響を簡易に除去して前記建築構造物のゆがみ等を精度良く評価することができる。しかもジャイロセンサを用いて前記建築構造物の回転成分を直接検出するので、例えば建築構造物に数多くの加速度センサを設置し、これら加速度センサの各出力を互いに関連付けて解析して前記建築構造物の回転成分を求める等の煩わしさがない。
【０００９】
特にジャイロセンサを有効に活用しているので地震計の設置場所を増やすことなく、加速度センサおよびジャイロセンサの設置場所においてその並進変位成分と回転成分とを一括して検出することができ、また建築構造物内において複数の地震計を接続するケーブルの敷設本数を少なくすることができるので、そのセンシングコストを低減し得る等の効果が奏せられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る建築構造物の診断方法について説明する。
図１は本発明に係る診断方法を適用した建築構造物診断システムの概略構成図で、１０ａ,１０ｂは建築構造物１の基礎部（例えば地上階の床面）２および上層階（例えば２階の床面や屋上）３にそれぞれ設置した地震計を示している。これらの各地震計１０ａ,１０ｂは、それぞれその設置場所における前記建築構造物１の並進変位を検出する加速度センサ１１と、上記設置場所における前記建築構造物１の回転を検出するジャイロセンサ１２とを備えて構成される。
【００１１】
尚、加速度センサ１１は、図２に示すようにその観測点（設置部位）における互いに直交する３軸（ｘ軸,ｙ軸,ｚ軸）方向の各変位Ｘａ,Ｙａ,Ｚａを各軸方向に生じた加速度として検出するものである。またジャイロセンサ１２は、図２に示すように上記３軸における各軸廻りの角回転Ｘｇ,Ｙｇ,Ｚｇをそれぞれ検出するものである。ちなみにジャイロセンサ１２は、内部素子を振動させ、そこに加わった回転（角速度）によるコリオリ効果により上記振動素子に発生する別の向きの振動を検出することで上記角速度を検出する振動形ジャイロである。尚、上記内部素子としては音叉形振動子やビーム形振動子、或いはリング型振動子等が挙げられるが、この種の振動子は外部からの衝撃やこの衝撃に起因する振動の影響を受け易いので、角振動だけを検出し得るジャイロセンサを用いることが望ましい。また好ましくはノイズレベルが低く、安定して角振動を検出し得るジャイロセンサを用いることが望ましい。
【００１２】
さて上述した加速度センサ１１とジャイロセンサ１２とを備え、建築構造物１の設置部位（計測点）での３方向の並進変位Ｘａ,Ｙａ,Ｚａ、および角回転Ｘｇ,Ｙｇ,Ｚｇをそれぞれ検出する地震計１０ａ,１０ｂの各出力は、マイクロコンピュータ等からなる診断装置２０に与えられる。この診断装置２０は、前記各加速度センサ１１の出力から前記建築構造物１の変位を検出する変位計測手段２１と、前記各ジャイロセンサ１２の出力から前記建築構造物１の回転運動であるロッキング成分および／またはねじれ成分を検出するロッキング／ねじれ計測手段２２とを備える。更に診断装置２０は、上記変位計測手段２１にて求められた前記建築構造物１の並進変位成分（並進変位Ｘａ,Ｙａ,Ｚａ）から、前記ロッキング／ねじれ計測手段２２にて求められた前記建築構造物１のロッキング成分および／またはねじれ成分（Ｘｇ,Ｙｇ,Ｚｇ）の影響を除去して前記建築構造物１のゆがみ等の、真の変位成分を評価するゆがみ評価手段２３を備えて構成される。
【００１３】
即ち、この診断装置２０においては、前述した加速度センサ１１によって検出される複数の計測点における建築構造物１の並進変位から該建築構造物１のゆがみ量等を分析し、その分析結果に従って前記建築構造物１の残余耐震性能を診断するに際して、前記ジャイロセンサ１２によって検出される前記計測点での角運動、つまり回転成分から求められる前記建築構造物１のロッキング成分やねじれ成分を除去することで、該建築構造物１の真のゆがみを評価するものとなっている。
【００１４】
さて地震による建築構造物１の振動（揺れ）を解析する場合、一般的には３次元立体を適当な集中質点とばねとに置き換えた質点ばねモデルが用いられる。この質点ばねモデルを用いれば、質点の変位応答から３次元モデル（建築構造物）の歪みや応力度を簡単に計算することができる。ちなみにこの種の質点系の運動は、通常、並進３成分の観測によって把握することができ、専ら、水平２軸（ｘ軸，ｙ軸）と上下１軸（ｚ軸）の加速度センサを用いることで計測することができる。しかし構造物の運動を精緻に計測するには非常に多くの観測点が必要となる。
【００１５】
一方、構造物の振動には、複数の質点が同じような動き方をする剛体的な運動も含まれる。この場合の剛体の運動は並進３成分、回転３成分の計６自由度となる。しかし剛体的挙動に着目した場合には、その観測点を低減することができる。例えば建築構造物１における柱の傾斜に着目すると、剛体としての変形が小さい場合には上記柱の傾斜は梁・柱モデルで近似することができる。しかし剛体の変形が大きく上記柱の両端がヒンジ化するような場合には、図３(ａ)に示すように柱３１の傾斜角θを計測することが重要となる。この場合、一般的には２つの加速度センサを用いて柱３１の両端の変位ｕ１,ｕ２を計測し、その相対変位を柱３１の高さで割ることによりその角度を求めることができる。しかし前述したジャイロセンサを用いれば、１点の観測だけで柱３１の傾斜角θを求めることができる。
【００１６】
また構造物のロッキング運動は、図３(ｂ)に示すようにその基礎３２の回転運動がその上部の構造物（例えば柱３１）に影響を及ぼす。特に上記基礎３２の回転は、上部の構造物における基礎３２からの高さｈが高くなるに従って大きな影響を及ぼし、その変位応答を増大させる。ちなみにロッキング運動を正確に把握するには、例えば図３(ｂ)に示すようにその基礎３２をなす水平面内の２点における変位ｕ１,ｕ２を計測し、上記２点間の相対変位をその２点間の距離で割れば良い。しかし前述した柱３１の場合と同様にジャイロセンサを用いることで、１点の計測だけで上述したロッキング運動を計測することができる。
【００１７】
更に構造物のねじれ振動については、例えば図３(ｃ)に示すように４点での変位ｕ１,ｕ２,ｕ３,ｕ４をそれぞれ計測すれば良い。しかしその上下の各辺（基礎３２と梁３３）が固定されているとすれば、これらの各辺（基礎３２と梁３３）の回転角を２つのジャイロセンサを用いてそれぞれ計測すれば、これらの回転角差から上記構造物のねじれ角を求めることができる。このねじれ振動については、壁面の場合でも同様である。
【００１８】
このように構造物の運動、特にロッキング振動やねじれ振動については、ジャイロセンサを用いることにより加速度センサを用いる場合のように数多くの計測点を設定することなく、その回転角（角速度）を容易に計測することが可能となる。従って建築構造物１の基礎部（例えば地上階の床面）２および上層階（例えば２階の床面や屋上）３にそれぞれ設置され、前述したように加速度センサ１１とジャイロセンサ１２とを備えた地震計１０ａ,１０ｂを用い、上記各計測点での並進変位とロッキング／ねじれをそれぞれ計測すれば、建築構造物１のロッキング成分および／またはねじれ成分の影響を効果的に除去して上記建築構造物１のゆがみを精度良く評価することができる。そしてその残余耐震性能を正確に診断することが可能となる。
【００１９】
特に本発明においては建築構造物１に地震波が加わったときの該建築構造物１のロッキング振動とねじれ振動とが連成していることに着目している。更には建築構造物１に地震波が加わったとき、建築構造物１には並進運動の或る成分と角運動の成分とが連成して複雑な振動が生じるが、この振動もまた、例えば水平変位のサイクルの運動成分と、その一定サイクルに従う角運動成分とが重なっていることに着目している。そしてこれらの各振動成分については、前述したようにジャイロセンサ１２の出力からそれぞれ分析することが可能である。
【００２０】
従って建築構造物１が複雑に振動する場合であっても、上述したロッキング運動の影響を除去して前記建築構造物１の並進変位を簡易に、しかも正確に評価することが可能となる。具体的にはロッキングが生じた場合の相対変位については、例えば図４に示すように建築構造物１の上層階３に設けた地震計１０ｂにて計測される変位がＸｂであり、また上記建築構造物１の基礎部２に設けた地震計１０ａにて計測される変位Ｘａであるとき、その相対変位Ｘｒについてはジャイロセンサ１１により計測されるロッキング回転θと前記上層階３の高さをｈとから
Ｘｒ＝Ｘｂ−Ｘａ−ｈ・sinθ
として補正することができる。ちなみに上記ロッキング回転θが大きい場合には、ロッキングによる変位分［ｈ・sinθ］を差し引かないと上記相対変位Ｘｒの誤差が過大となる。尚、このような相対変位の補正と同様にして相対速度や相対加速度の補正も可能であることは言うまでもない。
【００２１】
またねじれが生じたときの相対変位の補正については、例えば図５に示すように上層階３に設けた地震計１０ｂにて計測されるｘ軸方向の変位をＸ、ｙ軸方向の変位をＹとしたとき、そのねじれ回転の角をψとして、基礎部２に設けた地震計１０ａのｘ軸方向へのベクトル合成変位ｍを
ｍ＝Ｘcosψ＋Ｘsinψ
として表すことができる。そして前記基礎部２に設けた地震計１０ａのｘ軸方向への変位Ｘａに対する相対変位Ｘｒについては、
Ｘｒ＝ｍ−Ｘａ＝Ｘcosψ＋Ｙsinψ−Ｘａ
として表すことができる。従って前述したロッキングの場合と同様にねじれが生じた場合であっても、そのねじれ成分を補正して相対変位Ｘｒを正確に求めることができる。
【００２２】
このように本発明方法においては、ジャイロセンサ１１により計測される角回転（角運動）に従って建築構造物１のロッキング成分やねじれ成分を求め、建築構造物１の並進変位成分から上記ロッキング成分および／またはねじれ成分を差し引く（除去する）ので、その相対変位を正確に求めることができる。特にジャイロセンサ１２を用いて建築構造物１の角運動を直接的に検出するようにしているので、従来のように計測点を増やす必要がない。従ってそのセンシングコストを安価に抑え得る等、その実用的利点が多大である。
【００２３】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは２つの地震計１０ａ,１０ｂを建築構造物１の基礎部２および上層階３にそれぞれ設置する例について示したが、その設置数や設置場所については建築構造物１の構造に応じて定めれば良いものである。またまたジャイロセンサ１２自体についても、種々の振動子を用いたものを適宜用いることができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る建築構造物の診断方法を適用した建築構造物診断システムの概略構成図。
【図２】加速度センサおよびジャイロセンサによりそれぞれ検出される並進変位と回転成分をそれぞれ示す図。
【図３】構造物の振動で問題となる剛体運動を模式的に示す図。
【図４】ロッキングが生じた場合の相対変位の補正方法を示す図。
【図５】ねじれが生じたときの相対変位の補正方法を示す図。
【図６】建築構造物に設置した地震計により検出される並進成分と、ロッキング振動が生じたときの問題を示す図。
【符号の説明】
【００２５】
１  建築構造物
１０ａ,１０ｂ  地震計
１１  加速度センサ
１２  ジャイロセンサ
２０  診断装置
２１  変位計測手段
２２  ロッキング／ねじれ計測手段
２３  ゆがみ評価手段
【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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