技術研究報告第 40 号

2014.10

戸田建設株式会社

建物モニタリング診断システムの開発と防災への適用
DEVELOPMENT OF INTELLIGENT HEALTH MONITORING SYSTEMSAND PRACTICAL IMPLEMENTATIONS ON EARTHQUAKE PREVENTION

保 井 美 敏*1, 渡 壁 守 正*2, 稲 井 慎 介*3，成 田 修 英*3，山 本 健 史*3
Mitoshi YASUI, Morimasa WATAKABE,Shinsuke INAI,Nobuhide NARITA and Takeshi YAMAMOTO
The intelligent health monitoring systems with soundness diagnosis are applicable to disaster prevention major earthquake.
The systems are plainly display for the visualization of safety and security. The information contents are seismic intensity forbuilding, maximum acceleration, maximum story deformation angle during earthquake, comments about the building security
just after earthquqke. For low cost systems, A IT smart sensor is MEMS type accelerometer of low cost. The sensor is enoughaccuracy as with servo type accelerometer. Practical implementations of systems on earthquake prevention and maintenances
are applied to high-rise building in the downtown area. The intelligent health monitoring systems are admitted as valid forpeople who are unable to return home after disasters and Business Continuity Plan. For various type structures, The display
devices are interphone, portable telephone, smartphone.
Keywords : Structural Health Monitoring, Building Diagnosis, Earthquake, Disaster Prevention, IT smart sensor
構造ヘルスモニタリング，建物診断，地震，防災，IT スマートセンサ

1. はじめにITスマートセンサ

2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震
では，東北地方から関東地方までの広範囲で被害が発生し，建築構造物の応急被害度判定や被害調査に多くの人手や時間を要した．東京都心では，躯体構造が十分安全であるにも関わらず建物から外へ避難したため混乱が生じたり，多くの帰宅困難者が発生した．このような状況を背景に東京都では帰宅困難者対策条例 1)が定められている．そのガイドラインでは首都直下地震等大規模災害が発生した場合，施設にとどまれるかを発生 3 時間後までに判断するように指導している．また，「高層ビル耐震診断に基づく帰宅困難者行動支援システム構築」プロジェクトが実施され，大震災発生直後の安全性の確認のために構造ヘルスモニタリングの利用も検討されている 2).
このような背景を基に，建物診断機能を有し，地震時に情報発信できる「建物モニタリング診断シス
テム」3),4)を開発した．システムは巨大地震時の防災要求にこたえられるように「建物の安全・安心情報の見える化」を図り，管理者・使用者に分かり易く情報を伝達できるようにした．本報では，システムの概要，帰宅困難者対策や BCP 対応としての建物防災へ適用事例5)および本システムをより広い範囲で適用するための機能拡張 6)について紹介する．

ITスマートセンサ

ITスマートセンサ

HUB
データ収録部
表示部

ルータ
インターネット

外部サーバ

図‐1 建物モニタリング診断システムのネットワーク構成

建物モニタリング診断システムのネットワーク構成を図‐1 に，ハードの仕様を表‐1 に示す．システ
ムは，IT スマートセンサ，データ収録部および表示部から構成される．
IT スマートセンサは MEMS を用いたローコストなセンサで，1 台で 3 方向の加速度を測定できる．地震感知後は，ネットワークを介して自動的にデータ収録部へデータを送信する仕様となっている．データ収録部は IT スマートセンサからの加速度計測値を受信後，内部のメモリにデータを記録するとともに，受信したデータから 2.5 秒ごとに計測震度を算出して，ネットワークを介して表示部へ送信する．また，インターネットを介して外部サーバと接続可能で，外部のデータベースやプログラムを利用した処理が可能となる．更に，各 IT スマートセンサの時刻同期

2. 建物モニタリング診断システムの開発をとるための，時刻サーバ機能を持つ仕様となって

2.1 システムの概要

いる．表示部は，データ収録部から受信した計測震*1 戸田建設㈱開発センター 工学修士

Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng.

*2 戸田建設㈱開発センター 工学博士

Research and Development Center, TODA CORPORATION, Dr.Eng.

*3 戸田建設㈱開発センター 修士（工学）Research and Development Center, TODA CORPORATION, M.Eng.

12-1

建物モニタリング診断システムの開発と防災への適用度，震度階級，および建物診断情報を表示するモニAMD

タである．表示部の詳細を図‐2 に示す．画面は，地IT スマートセンサ

震発生後にデータ収録部で計算されたセンサ設置階の最大建物震度（建物震度は，IT スマートセンサから得られる建物の計測震度相当値）と建物健全度に18.9m

IT スマートセンサ

ついての建物診断情報（1 次診断）を表示する．診断情報は，震度階に応じて色分けされ，建物使用者・監理者が瞬時に状況を把握できる仕様となっている．
IT スマートセンサ

表‐1 ハード仕様一覧
名称項目

仕様

検出方向

3 成分(x,y,z)

IT スマート

測定範囲±2000cm/s2

センサ

サンプリング周波数200Hz

センサ間時刻同期

1msec 以下データ収録部
表示部

メモリ

フラッシュメモリ

計算機能

計測震度

時刻サーバ

センサ時刻マスタ

市販モニタ

ビデオ端子接続

8m(a)建物全景

図‐3 建物概要

システムの動作状況，表示状況および IT スマート
センサの精度を実大の鉄骨造建物により検証した 7)．
建物概要を図‐3，表‐2 に示す． 6 階建で屋上階にAMD（アクティブマスダンパー）を設置，AMD により様々な地震の揺れを再現できる．平面は各階 8m×8mで，高さは各階約 3m，最高高さ約 19m である．IT ス
マートセンサは 1F（地盤），3F および 6F に設置した．

各階の最大建物震度を表示

建物名称

最大震度の時刻(b)センサ設置位置

警報表示

表‐2 建物の諸元

地震履歴
建物診断情報地震計設置位置構造

S 造（免震）

階数

6

最高高さ18.9m

平面寸法

8m×8m

建物総重量4800kN

図‐2 表示部の表示画面の一例

加振は 0.4Hz，0.7Hz，1.5Hz のサイン波，6 種の地
本システムは設備機器，防災管理情報など様々な震波（エルセントロ，八戸，BCJ と 2011 年 4/7，3/16，住環境に関わるモニタリングとの連動を可能とし，3/11 の 3 回の観測地震）を用いた．IT スマートセン

巨大地震発生時の減災対策から常時の経年劣化によサの精度検証は，同時に設置・測定した 2 台の高感る構造躯体の建物健全度を診断でき，以下の特長が度サーボ型加速度計記録との比較を行った．また，ある．

IT スマートセンサ加速度記録の二重積分による変位①②③④

建物設計条件に基づいて最適配置した IT ス

値の精度についてもレーザ変位計との比較を行った．

マートセンサにより，建物の揺れをその場で計検討は加振方向(X 方向)の記録を用いた．

測し，リアルタイムに揺れの震度を表示するとサーボ型 A： 型番 LS-10C (リオン)

ともに，地震直後に建物健全度を判定し表示でサーボ型 B：

型番 VP-5122 (IMV)

きる．

レーザ変位計：型番 IL-100 (キーエンス)

ビル管理システム（防犯・ライフライン監視な

また，検証実験期間中に発生した地震についても，ど）と組み合わせることが可能となっている．

同様に観測結果を比較した．動作・表示とも想定ど

インターネット経由で専用の詳細診断サーバ

おりの結果であったので，ここでは， IT スマートセと接続し，地震直後の 1 次診断に対し，さらにンサの精度検証の結果について述べる．

詳細に建物健全度を診断すること可能である．

(2)IT スマートセンサ精度に関する実験結果
結果の一例として，サイン波 0.7Hz で加振した場

IT スマートセンサ自体が点検機能を有してい合の 6 階の IT スマートセンサとサーボ型（以降「サーるので，定期的に点検を省略できる．

ボ」と称す）2 台それぞれの加速度時刻歴波形を図‐
2.2 検証実験(1) 実験方法

4 に，それぞれのフーリエ振幅を図‐5 に，サーボ Aを基準とした IT スマートセンサ，サーボ B のフーリ
エ振幅の比を図‐6 に示す．
12-2

技術研究報告第 40 号

2014.10

戸田建設株式会社

図‐4 の加速度時刻歴波形比較では 3 センサともフィルタなし

加速度(cm/s2)

位相および振幅の大きさとも良く一致している．図
‐5 の振動数特性を確認するため求めたフーリエ振幅でも３センサ間では 0.2Hz 以下と 10Hz 以上の周期で多少の差が出る程度で，サイン波加振した 0.7Hz

50-5-105010にした図‐6 では，IT スマートセンサ，サーボ B とでも図‐5 に示すようにフーリエ振幅が小さくノイもフーリエ振幅比はほぼ 1 前後で概ね一致が見られズの影響が現れたと考えられる．

るが，IT スマートセンサではフーリエ振幅でわすか

次に，地震波の例として，2011 年 3 月 16 日に実験に１からずれていた 0.2Hz 以下と 10Hz 以上の振動数

建物が建つ敷地内（つくば）で観測された加速度記で振幅比１と多少の差が見られる．10Hz 以上の振動録によって加振実験を行った結果を図‐8～10 に示

数での振幅比１との差はサーボ B でも生じている．

す．サイン波加振と同様 6 階の記録を用いている．

そこで，長周期側の 0.2Hz 以下の振動数での振幅

図‐8 は IT スマートセンサとサーボ 2 台による加速比１との差を検討するため，図‐7 に示すように，

度時刻歴波形，図‐9 はそれぞれのフーリエ振幅，図0.2Hz 以下のみ，および 0.2～10Hz の成分のそれぞれ‐10 はサーボ A を基準とした IT スマートセンサ，の波形を切り出して比較した．同図にはフィルタなサーボ B のフーリエ振幅の比を示す．

し（記録された原波）の波形も併記している．加速

図‐8 の加速度波形はサイン波加振と同様 3 セン

度レベルは，0.2～10Hz の成分はフィルタなしとほぼサとも位相および振幅の大きさとも良く一致してい同じで最大 6.5cm/s2 程度の振幅に対し，0.2Hz 以下る．図‐9 のフーリエ振幅もサイン波加振と同様のみの振幅は最大 0.37 m/s2 であった．このように，0.2Hz 以下でわずかに差が生じるのと 10Hz 以上で0.2Hz 以下では加速度の信号成分が小さいためノイ多少の差が出る程度で良く一致している．振動数とズの影響が現れたと考えられる． また，10Hz 以上

ITスマートセンサ
加速度(cm/s2)

50-51510サーボB

100-10-2005サーボA

20-101020304050

時刻[sec]20

時刻[sec]

図‐8 加速度時刻歴波形（3/16 地震波加振）図‐4 加速度時刻歴波形（サイン波加振）ITスマートセンサ
サーボA
サーボB

100
フーリエ振幅(cm/s)

100

フーリエ振幅(cm/s)

101
ITスマートセンサ
0.1

101

0.1

サーボA
サーボB

0.01

0.01
0.1

1

振動数(Hz)0.1

101

振動数(Hz)10

図‐9 フーリエ振幅（3/16 地震波加振）図‐5 フーリエ振幅（サイン波加振）1010
ITスマートセンサ/サーボA

ITスマートセンサ/サーボA

サーボB/サーボA

サーボB/サーボA

振幅比

1
振幅比

加速度(cm/s2)

サーボB

10020

図‐7 IT スマートセンサ波形比較（サイン波加振）る．さらに振動数とサーボ A に対する振幅比の関係

サーボA

15

時刻[sec]

前後の振動数帯域では３センサとも良く一致していITスマートセンサ

0.2～10Hz～0.2Hz

101

0.1

0.1
0.1

1

振動数(Hz)0.1

101

振動数(Hz)10

図‐10 振幅比 (サーボ A 基準：3/16 地震波加振)

図‐6 振幅比 (サーボ A 基準：サイン波加振)12-3

建物モニタリング診断システムの開発と防災への適用

析計算結果によれば，建物上階では地表面の計測震

サーボ A に対する振幅比の関係にした図‐10 では，0.2Hz 以下の振動数で，サイン波加振と同様 IT ス

度より大きな建物計測震度となること，また，使用マートセンサに振幅比１と多少の差がみられる．し者が感じる揺れの大きさは使用者が在席する建物計かし，図‐10 ではサーボ B でも 0.2Hz 以下に振幅比測震度で判定することが妥当と考えられることから，１と差が生じている．フーリエ振幅の大きさで見て気象庁が震度として用いている地表面の計測震度でみると 0.2Hz 以下は信号成分が小さくノイズが影響なく，建物計測震度により放送を流すかどうかの判していることが推測される.信号成分が小さくノイ定を行っている．

ズの影響による振幅比１との差は，10Hz 以上の短周

今回の超高層建物での表示内容を図‐12 に示す．

期でも，サイン波加振と同様に IT スマートセンサ，超高層建物用画面として図‐2 の表示内容を各階のサーボ B ともに生じている．以上から，サイン波及

健全度状況も分かり易さも含め図‐12 のように修正

び地震波を用いた加振実験でのセンサ精度の比較でした．建物計測震度として，2.5 秒ごとに求めたリア

は， IT スマートセンサは，サーボ型加速度計と同等

ルタイムの建物震度とその地震中に発生している最の性能が確保されていることがわかった．

大建物震度を表示する他，最大建物震度の分布図も表示し，建物の震度状況が一目でわかるようになっ

3. 建物モニタリング診断システムの防災への適用ている．さらに，解析部で求めた最大加速度値と最3.1 防災へ適用したシステムの概要

値に対する診断結果のコメントを表示する．本内容

大層間変形角の分布と建物で設定している健全度閾

都心に建設される 21 階鉄骨造超高層建物防災へ適の表示は１F の防災センタ内であるが，他の場所にモ用したシステムの概略を図‐11 に示す．適用したシニタを設置して表示することも可能である．

ステムは IT スマートセンサ，データ収録部，解析部及び表示部から構成されており，ハードの仕様は前述した表‐１と同じである．IT スマートセンサは 5台設置しており，ネットワークを介してデータ収録部へ自動送信する仕様となっている．
解析部は，設定建物計測震度を超えた時に地震発生として表示開始の信号を送り，また，健全度診断のため，予め解析により予測したモード形状を利用してセンサ記録を基に得られる各階の最大加速度と最大層間変形角を求める解析を行う．本システムは放送施設とも連携しており，いずれかの IT スマートセンサが設定した建物計測震度を超えた時に注意喚起のメッセージを放送するようになっており，誤報防止対策として設定値は２つの IT スマートセンサの図‐12 表示画面例

AND 判定としている．事前の地震波入力による応答解

3.2 常時微動記録と地震観測記録
常時微動(以降「微動」と称す)を IT スマートセン
サとサーボ型の高精度センサで同じ位置で同時に計測して，建物特性を確認した．微動から求めたフー
リエスペクトルを本センサとサーボ型で一緒にして
図‐13 に示す．１次固有振動数は X:0.48Hz（長辺方向）,Y:0.43Hz(短辺方向)で，本センサの結果は高精度センサと振動数および振幅ともに差がない．これより，IT スマートセンサにより微動計測が十分な精度で可能なことがわかった．2014 年 3 月 12 日千葉県北西部で発生した地震(Mj4.4)の観測記録例を図‐14 に示す，最大 3cm/s2 程度の小振幅地震であるが．
きれいな観測記録波形が，得られている．図‐15 には観測記録の 21F/1F のフーリエスペクトル比を微動結果と一緒にして示す．卓越振動数は X,Y 両方向とも観測結果と微動結果は良く対応しており，小振幅地震も十分な精度で記録されていた．
一連の結果より，本システムは，大地震時の防災への適用とともに建物維持管理を想定した常時微動計測を利用することも十分可能なことがわかった．

IT スマートセンサ

IT スマートセンサ

表示部

音声接点信号

IT スマートセンサ
接点出力

解析部

9階

IT スマートセンサ

センサ異常信号データ収録部PoE ハブシステムへの無停電電源

IT スマートセンサ

警報接点信号

NTP サーバ
ルータ

UPS
AC100V

図‐11 システム概要

12-4

技術研究報告第 40 号

戸田建設株式会社

0.3

微動計(サーボ)
ITスマートセンサ
フーリエ振幅 [cm/s]

フーリエ振幅 [cm/s]

0.3

2014.100.2

0.1

る．通常，このモニタは管理人室，防災センタなど

微動計(サーボ)
ITスマートセンサに設置され，まず管理者への情報提供を図る．モニ
タへは，地震を検知した時点で地震発生を表示し，0.2

必要に応じ音声放送などとの連動も可能である．地
震の揺れに応じて建物震度情報もリアルタイムに更0.1

新する．サーバでは，平常時には居住者向けの生活情報などを扱い，発災時に自動的に防災情報に切替

00.1

051
振動数 [Hz]

0.1(a)X 方向51
振動数 [Hz]えるなどの処理も可能である．
居住者など一般の利用者に対しては，得られた結(b)Y 方向

果の中から伝達すべき項目を選定する．その伝達手

図‐13 常時微動のフーリエスペクトル(21F)

加速度[cm/s2]

5521F X

00-55-5515F X

00-55-5511F X

0段としては ICT 情報伝送系が有効であるが，今回は21F Y

二つの系統，(a)集合住宅内に設置されたインターホンへの表示，(b)インターネット経由でのメール配信による表示を実施した．

15F Y

インターホンには，来訪者のカメラによる画像確認，音声での会話といった従来機能の他に，LAN に接続してブラウザソフトウェアによってサーバ情報を11F Y

0-557F X-5500-55-551F X0

モニタ表示する機能を有する機種がある 8)．インターホンのモニタは通常消灯しており，地震発生時にそ7F Yの情報を表示すれば，居住者は各住戸内に居ながらその地震に関する情報が得られる．
サーバには WEB サーバとしての機能を持たせ，建1F Y

物震度情報，健全度情報などから必要な情報を取捨

0-5選択して，居住者向けの WEB 画面を生成する．イン-5060120
時刻 [sec]

180

060

120180

ターホンとサーバを同一 LAN に接続し，サーバの URL

時刻 [sec](a)X 方向にインターホンからリンクを張る，という設定によ(b)Y 方向

り，インターホンの画面に地震情報がリアルタイム

図‐14 地震記録時刻歴波形(2014.3.12,Mj4.4)60に表示可能となる．この構成では，高層階と低層階

60

常時微動
小地震
40

常時微動など，居住ブロックごとに個別の画面を表示するこ小地震とも可能である．
サーバを外部インターネットに接続し，地震の際振幅比

振幅比4020の情報をメール配信により通知する．外出中の居住者，遠隔地にいるオーナ，管理会社などに対し，第20一報としての通知が可能である．通知先は予め登録し，通知先ごとに送信情報を選択，設定することで，

00.1

1
振動数 [Hz]

500.1(a)X 方向1
振動数 [Hz]

携帯電話であれば文字情報主体，スマートフォンに5は画像情報も添付，といった利用が考えらえる．

(b)Y 方向

なおメール配信には時間遅れがあるため，リアル

図‐15 地震と常時微動のフーリエスペクトル比(21F/1F)

タイムでの表示は困難であり，また運用上その必要性も少ない．送信のタイミングは，地震が収束し，

4．情報伝送系の活用したシステムの機能拡張

その地震の最大建物震度が確定し，健全度判定の結4.1 機能拡張へのシステム構成

果が出た時点とする．

システムの機能拡張を行うため，主にインターホンでの表示，携帯電話やスマートフォンへの送信を

4.2 拡張機能のシステム試験目的とし，図‐１に示したシステム構成を図‐16 に

前述の鉄骨造建物に上記のシステムを構築し，過示すように改良し，加振実験を行った．３台の IT ス

去の観測波等により屋上に設置のアクティブマスダ

マートセンサで計測した加速度データをデータ収録

ンパで実験棟を加振し，一連の動作確認を行った．

部で収集し，ここで建物計測震度などを計算し，結用いた波形は，JMA 神戸，3.11 東北地震，関東大震

果をコンテンツサーバ（以降「サーバ」と称す）に災想定波の３波である．インターホンは，アイホン送る．サーバでは，建物計測震度のレベルをトリガ(株)製 VIXUS システムの玄関子機(室外機)，住宅情として解析が始まり，加速度記録から建物健全度を報盤(室内機)，メールは，設置したサーバにモバイ判定し，建物震度情報と共にモニタに結果を表示す

ルルータを接続し，(株)NTT ドコモ 3G 回線経由で実12-5

建物モニタリング診断システムの開発と防災への適用

験者の携帯電話，スマートフォンに送信した．
結果例として図‐17 に 3.11 東北地震での 6F の加速度波形，図‐18 に，サーバ表示画面，インターホン表示画面，携帯電話とスマートフォンの受信画面を示す．インターホンには，ほぼリアルタイムに情報が表示され，メールは地震検知から数分後には着信し，必要な情報伝達の実用性を確認した．

5. まとめ
建物診断機能を有し，地震時に情報発信できる「建(a)サーバ画面（管理室）物モニタリング診断システム」を開発し，都心に建設される 21 階建鉄骨造超高層建物の防災へ適用した事例を紹介した．東海・東南海・南海の 3 連動の南海トラフ地震や首都直下地震など巨大地震への減災を想定すると，本システムを利用し，すみやかに健全度診断を行い情報配信することが，帰宅困難者対策から各家庭の我が家の地震対策までの広い範囲に有効と考えている．今回は広い範囲への地震情報と建物健全度診断結果の情報伝達手段として，イン(b)インターホン

ターホン，メールの有効性が確認できた．実運用の図‐18 表示結果

ためには，インターホンについては，画面切替タイミングの検討や停電時対策，メール配信については，さらに，情報を一括管理し情報の有効活用を広く行うべくクラウドシステムの利用も視野に入れてより広い適用方法について検討している．

大地震などの際の回線網輻輳対策，運用費賦課方法などの検討が必要と考えている．災害時の回線網については各種研究されており 9)，特に公共性の高い用途の場合には，これらとの連携を検討することが大謝辞切である．また，技術的な課題とともに，情報の表

本建物モニタリング診断システムは富士電機株式会社と共同研究開発の成果である．関係各位に謝意を表する．本システムの適用には森トラスト株式会社相場様をはじめ多くの関係者に協力頂きました．記して謝意を表します．

現方法など運用面での条件整備を進め，実用化につなげたいと考えている．
対象建物

ｲﾝﾀｰﾎﾝ

モニタ

計測震度

ｺﾝﾃﾝﾂｻｰﾊﾞ

参考文献
1)
http://www.bousai.metro.tokyo.jp/japanese/tmg/kitakujorei.html
2)
http://www.jst.go.jp/pr/info/info988/besshi1.html
3)
稲井，渡壁，保井他：建物診断機能を有する簡易型地震情報発信システムの開発(その１)，建築学会大会梗
概，構造Ⅱ,pp613-614,2012.94)
木代，矢尾，篠田他：建物診断機能を有する簡易型地震情報発信システムの開発(その２)，建築学会大会梗
概，構造Ⅱ,pp615-616,2012.95)
保井，渡壁，成田他：建物モニタリング診断システムの防災への適用，建築学会大会梗概，情報システム技術，pp71-72,2014.96)
篠田，北川，矢尾他：情報伝送系を活用した建物モニ
タリング診断システム，情報システム技術，
pp69-70,2014.97)
渡部他：AMD を加振装置として利用した実大振動実験その 1，築学会大会梗概，構造Ⅱ,pp1079-1080,2012.98)
http://www.aiphone.co.jp/products/complex/system/vixus/
9)
http://www.nict.go.jp/video/nervenet.html

玄関子機

ﾃﾞｰﾀ収録部

ｽﾏｰﾄﾌｫﾝ
PoEHUB

加速度

震度･診断情報等

携帯電話

ITｽﾏｰﾄｾﾝｻ
ﾓﾊﾞｲﾙﾙｰﾀ

ITｽﾏｰﾄｾﾝｻ

3G携帯電話網

ITｽﾏｰﾄｾﾝｻ

図‐16 実験システムの構成
加速度(cm/s2)

40X
0

加速度(cm/s2)

-40
40

Y
0

加速度(cm/s2)

-40
40

UD
0

-400

20

406080100120140(c)携帯電話とスマートフォン

160

時刻[sec]

図‐17 6F の加速度波形

12-6