広島工業大学紀要研究編
第 57 巻（2023）115-121

論文

歴史的建造物の防災・減災技術の高度化に向けた調査研究―建物の振動特性評価及び健全性モニタリングシステム―
山下航平＊・渡壁守正＊＊・久保川淳司＊＊＊・光井周平＊（令和 4 年10月28日受付）

A Study on Advanced Technologies of Disaster Prevention and Disaster Reductionof Masonry Historical Construction—Estimation of Dynamic Characteristics and The Structural Health Monitoring System—
Kohei YAMASHITA, Morimasa WATAKABE, Junji KUBOKAWA and Shuhei MITSUI（Received Oct. 28, 2022）

Abstract
The aim of this paper is to monitor the dynamic characteristics of masonry historical constructions
by Structural Health Monitoring System （SHM）. Firstly, dynamic behavior of masonry historicalbuilding has been examined by microtremor observation. Natural frequencies and damping ratios
for lower modes are also estimated by microtremor tests. Secondly, and most important, dynamic
monitoring system has been installed on the buildings. From the recorded structural response underambient excitation and to earthquakes, the dynamic characteristics of the buildings are identified
using Operational Modal Analysis techniques. Further interesting aspect is the managing of suchdata with genetic algorithm to identify the damage and the variation of the engineering constants. By
digitizing the state of the building with a measuring instrument, it is possible to easily and quickly
make judgments on repair and renovation.
Key Words: Masonry, Historical Construction, Dynamic Characteristics, Microtremor Measurement,
Structural Health Monitoring Systemる 1），2）．また，老朽化のさらなる進行や今後発生しうる自1 ．はじめに

然災害により倒壊・損壊の危険性が高くなることが懸念さ

近年，日本では，東日本大震災や熊本地震といった災害れる．これらの歴史的建造物を後世に伝え残していくためには，建物の現状を把握した上で適切に補修・改修を行うの激甚化により様々な被害が見受けられる．
一方で，国内には様々な歴史的建造物が現存しており，ことが必要不可欠である．現在，補修・改修の要否につい広島県内にも重要伝統的建造物群保存地区に選定されていては，目視や打診といった人の手による点検により判断さる宮島町家や旧呉鎮守府庁舎を代表として数多くの建物がれているが，熟練度や人材，点検時間を要する．そこで，残されている．これらの建物の中には老朽化が著しく進ん

測定器により建物の状態をデータ化し，確認が出来れば，で い る も の も あ り， 耐 震 性 の 不 足 も 多 く 見 受 け ら れ

容易かつ短時間で補修・改修の判断をすることが出来ると＊

広島工業大学大学院工学系研究科環境学専攻 大学院生
広島工業大学環境学部建築デザイン学科＊＊＊
広島工業大学工学部電気システム工学科＊＊― 115 ―

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平

日本遺産の構成文化財に指定されている旧呉鎮守府庁舎考えられる．

は，地上 2 階，地下 1 階建てのレンガ造りとなっており，現在，小型振動センサを特定エリアに複数存在する歴史

小屋組は木造トラス構造である．

的建造物群に設置し，それら建物群の振動特性を常時モニタリングすることで，歴史的建造物の劣化や損傷に伴う変初代の鎮守府庁舎は明治22年に竣工したが，明治38年に化を早期に把握し，優先的に補修・改修に取り組むべき対発生した安芸灘を震源とした推定規模マグニチュード7.6

象建物を容易に判別することを可能にする「建物健全性モの芸予地震により 2 階部分が倒壊した．その後，平屋に改

3）ニタリングシステム」の構築を進めている ．本研究で修され，その横に新築されたのが現存する旧呉鎮守府庁舎

は，それら歴史的建造物の事前調査として，建物振動特性にあたる．平成10～11年には，耐震・内装改修工事が実施を把握するため常時微動測定を実施し，得られた結果を報されており，竣工の約 1 年後に芸予地震（マグニチュード告する．また，対象建物に構築する「建物健全性モニタリ6.7）に遭遇したが被害は見られず，耐震改修が有効に機ングシステム」の概要を記す．

能している証明となった．
需品庫は，地上 2 階建てとなっており，造りは旧呉鎮守2 ．対象建築物及び耐震補強の概要

府庁舎と同様にレンガ造りである．また，小屋組には木造

対象建物は広島県呉市に位置する旧呉鎮守府構内にあるトラスが用いられている．旧海軍時代に軍需品を収容する旧呉鎮守府庁舎と旧呉海軍軍需部需品庫（以下，需品庫とために建てられた倉庫のうち 3 棟が現在も海上自衛隊に引称す）とした．それぞれの建物の外観概要を写真 1 ，写真

き継がれ，現在も倉庫として使用されているが，耐震改修

2 に示す．

が未着手であり，老朽化の進行や耐震性の不足が懸念され
る2）．

3 ．常時微動測定による振動特性
3. 1

測定概要

計測は 6 台の加速度センサを用いて盛替え測定より実施した．測定位置を表 1 に示す．測定内容は，それぞれの建物の X 方向（長辺方向），Y 方向（短辺方向）の並進 2 方向の測定である．旧呉鎮守府庁舎でのセンサ位置は，図 1（a）に示す通り B 1 F， 1 F， 2 F，天井裏の 4 点とし，2 F においては，ねじれの影響を測定するため，X 方向の写真 1両端（赤丸）にそれぞれ配置している．また，図内の天井

旧呉鎮守府庁舎

CH 6 は， 2 F の CH 6 を盛替え測定した測点である．需品庫のセンサ位置は，図 1 （b）に示す通り， 1 F， 2 F，天井裏の 3 点とし，ねじれの影響を測定するため，天井裏のセンサは，長辺，短辺の両端（赤丸）にそれぞれ配置している．測定データは，フーリエスペクトル解析とフーリエスペクトル比により建物躯体の固有振動数を推定した．
解析にあたっての条件は，サンプリング0.01秒，バンドパスフィルタを0.05Hz とし， 3 分間のデータをそれぞれ 4回計測したデータを用いることとした．
写真 2旧呉海軍軍需部需品庫
表1

鎮守府庁舎

需品庫

各建物のセンサ設置位置とチャンネル対応

ケース

ファイル名

CH5CH6X 方向

Kure_cx.csv

B1cx

CH11Fcx

CH22Fcx

RFcxRF xrt

RF xltY 方向

Kure_cy.csv

B1cy

1Fcy

2Fcy

RFcy

RF yrtRF ylt

X 方向

Kure_gx.csv

1Fgx

2Fgx

RFgx

RFgx

RF xrtRF xltY 方向

Kure_gy.csv

1Fgy

2Fgy

RFgy

RFgy

RF yrtRF ylt― 116 ―

CH3

CH4

歴史的建造物の防災・減災技術の高度化に向けた調査研究

3. 2

測定記録及び分析結果

旧呉鎮守府庁舎の各測点における加速度波形及び躯体の))%)

鉛直方向並進加速度波形より求めた X 方向，Y 方向でのフーリエスペクトル比の一例を図 2 ，図 3 にそれぞれ示
す．1998年に床に水平ブレースを加える耐震補強され，またキングポストトラスを用いているなど，構造的に有利な特徴を有していることもあり，図 3 に示す通り高い振動数になっている．Y 方向では，はっきりとした卓越振動数が確認できる．このことから旧呉鎮守府庁舎は建物の剛性が高く，耐震性に優れた建物であることが確認できた．

（a）旧呉鎮守府庁舎

次に需品庫の各測点における加速度波形及び躯体の鉛直方向並進加速度波形より求めた X，Y 方向でのフーリエス

)

ペクトル比の一例を図 4 ，図 5 に示す．図 5 のスペクトル)比から，X，Y 方向とも明確な卓越が確認できた．Y 方向
では，壁面外の複雑な挙動が含まれた卓越振動数が確認でき， 1 次から 3 次まで明確なピークが確認できる．さらに， 3 次モード付近でねじれらしきモードの卓越振動数が確認できた．長手構面が控壁の無い隣接壁間距離が36mの煉瓦壁であること，また 2 階床面及び屋根面において剛床仮定が成立しないとされる木造の床及び野地板の形式で図1あることが，旧呉鎮守府庁舎に比べ卓越振動数が小さく対象建物のセンサ位置

Acceleration

0Acc. (cm/s²)

101
3 (peak: -0.883cm/s²)

0.1

0ch#04 (peak: -0.505cm/s²)

200

012

510
Frequency (Hz)20

30

Fourier Spec. Ratio [Amp.] (t=0-180.01s, parz.=0.05Hz)

100-1
15 (peak: 0.356cm/s²)

0

10

1-1
16 (peak: -0.371cm/s²)

0-1

ch#04/ch#01（a）X 方向（長辺）-11Acc. (cm/s²)

100

Amplitude

Acc. (cm/s²)

2 (peak: -0.0989cm/s²)-1
1

Acc. (cm/s²)

Fourier Spec. Ratio [Amp.] (t=0-180.01s, parz.=0.05Hz)

0-1
1Acc. (cm/s²)

200

ch#01 (peak: 0.0689cm/s²)

Amplitude

Acc. (cm/s²)

1（b）旧呉海軍軍需部需品庫

0.1
051015

図2202530354045Time (s)50556065

加速度時刻歴波形（旧呉鎮守府庁舎 X 方向）― 117 ―

707580ch#04/ch#01

12510Frequency (Hz)（b）Y 方向（短辺）
図3

フーリエスペクトル比（旧呉鎮守府庁舎）

2030

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平

なっている理由だと考えられ，耐震性を議論する際に問題表れていた需品庫のフィッティング結果の一例を図 6 にそになると考えられる．

れぞれ示す．モード減衰定数を各次固有振動数と併せて表2 にまとめて示す．需品庫の Y 方向の減衰定数は，高次また，X，Y 方向の各次固有振動数へのフィッティング

モードほど減衰が小さくなることが確認できる．

より減衰定数を求めた． 1 次から 2 次まで明確なピークがAcceleration

0Acc. (cm/s²)1013 (peak: 0.0935cm/s²)

0.1

02

5
10
Frequency (Hz)2030

4 (peak: 0.0768cm/s²)

2000Fourier Spec. Ratio [Amp.] (t=0-180.01s, parz.=0.05Hz)

100

-0.5
0.5

5 (peak: 0.0878cm/s²)

010

1

-0.5
0.5

6 (peak: 0.385cm/s²)

0-0.5

ch#06/ch#01

1（a）X 方向（長辺）

-0.5
0.5
Acc. (cm/s²)

100

Amplitude

Acc. (cm/s²)

2 (peak: -0.165cm/s²)

-0.5
0.5

Acc. (cm/s²)

Fourier Spec. Ratio [Amp.] (t=0-180.01s, parz.=0.05Hz)

0-0.5
0.5

Acc. (cm/s²)

200

1 (peak: -0.0520cm/s²)

Amplitude

Acc. (cm/s²)

0.5

0.1
05101520

図42530354045
Time (s)50556065707580

ch#05/ch#01

1220（b）Y 方向（短辺）加速度時刻歴波形（需品庫 X 方向）

図5フーリエスペクトル比（需品庫）

フィッティング
応答倍率

フィッティング
応答倍率

1 次モード
図6510Frequency (Hz)2 次モードフィッティングの一例（需品庫：Y 方向）
表2

固有振動数と減衰定数

固有振動数 減衰定数 固有振動数 減衰定数 固有振動数 減衰定数
1次
1次
2次
2次
3次
3次
9.84Hz2.18%
19.57Hz2.02%;方向（長辺方向）
―
―
鎮守府庁舎
1.03%
16.23Hz
1.21%
19.89Hz
1.39%<方向（短辺方向） 11.56Hz
4.83Hz1.71%
9.19Hz1.61%;方向（長辺方向）――需品庫
1.75Hz1.89%
3.92Hz1.65%
5.69Hz1.00%<方向（短辺方向）
ケース― 118 ―

30

歴史的建造物の防災・減災技術の高度化に向けた調査研究

ざまな解析ソフトウエアで処理することができる．

4 ．建物健全性モニタリングシステム構築
4. 1

4. 2

MEMS センサを利用した構造ヘルスモニタリング

建物健全性モニタリングシステムの概要

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度セ

構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ（SHM：Structural Health

ンサは，微細な加工により半導体のシリコンチップ上に形Monitoring）は遠隔地からリアルタイムに重要な歴史的建成された超小型デバイスで，数多くのデジタル機器に組み造物を監視することで，実測されるデータに基づき建物の込まれ，高精度で信頼性の高いセンサなど複雑で高度な役損傷・劣化を精度よく推定でき，その結果を基に状況に応割を果たしている．また消費電力が僅かなことから，デジじて迅速に対処できるため，建物の維持管理に適してい

タル機器の小型化，長期間の動作を可能としている 4）．

る．歴史的建造物は古くなっており，既に様々な部位に経本研究では MEMS 加速度センサとしてテキサスインス年劣化の影響を受けている．そのような劣化に気づかず

ツルメンツ社製の ADXL355を使用した．本センサはノイに，時間の経過とともにさらに悪化が進行する可能性があ

ズ密度が2.5µg/ √Hz で，低ノイズかつ低消費電力というる．従来の目視点検や非破壊試験（NDT：Non-Destructive特徴を持つ．加速度は100ms のサンプリング間隔で X，Testing）法を使用して欠陥が検出される頃には，重要な史Y，Z 軸方向の 3 軸同時計測が可能である．

的建造物にとって大きな欠陥となり修復不可能になる，まこのセンサを内蔵するセンサボックスのシステムは
Raspberry Pi で構成され，センサの計測結果をモバイルた損傷発見が遅すぎたため，修復に時間やコストがかる場合がある．

ルータを介して仮想サーバ上の WIN システムに送信する

重要な歴史的建造物の健全性を平時から継続的にモニタことができる．WIN システムは多チャネルの地震波形デーリングすることで，安全性，修復性など大地震や経年劣化タを取り扱うための処理システムであり，東京大学地震研による損傷や欠陥などを早期に発見することが可能とな究所が定義した WIN フォーマット形式のデータを送受信る．これにより，深刻な影響が発生する前に耐震補強や修することができる．

復などの対応を可能にする．MEMS センサによるデータ

学内の仮想サーバでは WIN サーバが受け取ったデータ収集の概要を図 7 ，旧呉鎮守府庁舎のセンサ設置位置を図を可視化する機能がある．また，WIN サーバに保存され8 ，旧呉海軍軍需部需品庫のセンサ設置位置を図 9 にそれているデータの必要部分を選択し，パソコン上に転送するぞれ示す．SHM による建物健全性評価及び維持管理シスことができ，データを CSV 形式に変換することで，さまテムイメージを図10に示す．

〈旧呉鎮守府庁舎〉〈旧呉海軍軍需部需品庫〉

図7

MEMS センサによるデータ収集の概要― 119 ―

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平

ハブ設置位置
振動計

振動計

振動計
振動計

3& 83& ハブ等設置位置（a）地階平面図とセンサ設置位置（b）小屋裏平面図とセンサ設置位置
図8

旧呉鎮守府庁舎

振動計

拠点

振動計

（a） 1 階平面図とセンサ設置位置

振動計

振動計

（b） 2 階平面図とセンサ設置位置
図9

旧呉海軍軍需部需品庫判断（ 次診断）
実測データに基づき損傷の有無を早期診断

判断（ 次診断）
実測データに基づき詳細解析・耐震補強など提案

6+0による建物健全性評価

実測データに基づく
現状把握

観測データ
平常時（維持管理に利用）
非常時（損傷診断に利用）

平常時（定期診断）
非常時（大地震時）
解析モデル
（需品庫）

観測建物
データ処理

：0(06センサ設置位置図10

センサ

情報取得・分析
データの前処理
技術者への情報提供

SHM による建物健全性評価および維持管理システムのイメージ― 120 ―

歴史的建造物の防災・減災技術の高度化に向けた調査研究

5 ．まとめ謝辞

歴史的建造物の建物健全性評価診断を目的とし，導入を常時微動測定にあたり，海上自衛隊呉地方総監部，渡壁計画している構造ヘルスモニタリングシステム構築のた研究室，光井研究室にご協力頂いた．また，戸田建設株式

め，事前調査として実施した常時微動測定より，得られた会社様には，測定機材を貸して頂いた．建物健全性モニタ

知見を以下に示す．

リングシステムの構築には，中外テクノス株式会社にご協（1）旧呉鎮守府庁舎は，高い振動数でのみピークが見ら力を頂いた．波形解析には，国立研究開発法人建築研究所

れ，卓越したピークは Y 方向のみに見られた．このの ViewWave ソフトを使用させて頂いた．ここに記してことから，旧呉鎮守府庁舎は建物の剛性が高く，耐震感謝の意を表す．最後に，在学当時，測定記録分析などを性に優れた建物であることが確認できた．

整理し卒論としてまとめた丸山海都氏（現西松建設株式会（2）旧呉海軍軍需部需品庫は，X，Y 方向ともに低い振動数で卓越したピークが見られ，旧呉鎮守府庁舎に比べ明確な固有振動数が表れた．また Y 方向では，壁面社）に深く感謝する．

参考文献

外の複雑な挙動が含まれた卓越固有振動数が確認できた．

1 ）光井周平，岩井哲：宮島町家の構造特性に関する研究―調査対象建物の概要と耐震診断結果―，日本建築学（3）各次固有振動数へのフィッティングによる減衰定数を会中国支部研究報告集44巻，pp.233-236，2021. 3

求めた結果，旧呉海軍軍需部需品庫における Y 方向2 ）難波宗功，光井周平，上寺哲也：旧呉鎮守府の赤レンの減衰定数は，高次モードほど小さくなる傾向を確認

ガ倉庫群の建設年代と現在までの変遷，日本建築学会した．

中国支部研究報告集43巻，pp.875-878，2022. 3

今回の常時微動測定より初期の建物振動特性を把握する

3 ）丸山海都，渡壁守正，渡壁尚仁，光井周平，山下航ことが出来たことから，今後の建物健全性モニタリングシ平：常時微動測定に基づく歴史的建造物の振動特性評

ステム構築への重要な基礎資料として利用できると考えて

価， 日 本 建 築 学 会 中 国 支 部 研 究 報 告 集 45 巻，pp.

いる．

1 - 4，2022. 3

今後，これらを基にモニタリングシステム設置後，対象4 ）小川修一，三田章：“構造ヘルスモニタリングの実用

建物の振動データ等を蓄積し，地震時の即時損傷判断や維化に関する研究”．日本地震工学会論文集．2009，vol.

持管理の基準データを構築し，補修・改修における評価基9，no. 5，p. 1-15.

準の設定を検討予定である．

― 121 ―