特開 2023-183008 健全性評価システム、及び健全性評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183008

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】健全性評価システム、及び健全性評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 7/02 20060101AFI20231220BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20231220BHJP

【ＦＩ】

G01M7/02 H

G01M99/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096358

(22)【出願日】2022-06-15

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100161506

【弁理士】

【氏名又は名称】川渕 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(72)【発明者】

【氏名】森井 雄史

【テーマコード（参考）】

2G024

【Ｆターム（参考）】

2G024AD34

2G024BA12

2G024BA15

2G024CA13

2G024DA12

2G024FA06

(57)【要約】

【課題】装置構成を簡略化しつつ、応答値に対する閾値を必要とせずに計算処理を省略する。
【解決手段】建物の第１位置に設けられ第１検出値を出力する第１センサと、前記建物の第２位置に設けられ第２検出値を出力する第２センサと、を有する検出部と、前記建物の損傷度合いを推定する演算部と、を備え、前記演算部は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出し、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記第１手法と異なる第２手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出し、第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて前記建物の損傷度合いを推定することを特徴とする、健全性評価システムである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多層構造の建物を複数の質点と前記複数の質点を連結する複数のバネにより示される建物モデルを用いて前記建物の健全性を評価するための健全性評価システムであって、
前記複数の質点から選択された第１入力点に対応する前記建物の第１位置に設けられ第１検出値を出力する第１センサと、前記第１入力点と異なる位置の第２入力点に対応する前記建物の第２位置に設けられ第２検出値を出力する第２センサと、を有する検出部と、
前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記建物の損傷度合いを推定する演算部と、を備え、
前記演算部は、
前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出し、
前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記第１手法と異なる第２手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出し、
第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて前記建物の損傷度合いを推定することを特徴とする、
健全性評価システム。

【請求項2】

前記第１手法は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて、前記建物の質量分布と剛性分布に基づく刺激関数を用いて前記第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を示す前記第１算出値を算出するものであり、
前記第２手法は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて、前記第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を線形補完して前記第２算出値を算出するものであり、
前記演算部は、前記第１算出値及び前記第２算出値の時刻歴における最大値の差分に基づいて前記誤差を算出し、前記建物の損傷度合いを推定する、
請求項１に記載の健全性評価システム。

【請求項3】

多層構造の建物を複数の質点と前記複数の質点を連結する複数のバネにより示される建物モデルを用いて前記建物の健全性を評価するための健全性評価システムを用いた健全性評価方法であって、前記健全性評価システムに適用されたコンピュータが、
前記複数の質点から選択された第１入力点に対応する前記建物の第１位置に設けられた第１センサの第１検出値を検出し、
前記第１入力点と異なる位置の第２入力点に対応する前記建物の第２位置に設けられた第２センサの第２検出値を検出し、
前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出し、
前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記第１手法と異なる第２手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出し、
第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて前記建物の損傷度合いを推定する、
健全性評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、健全性評価システム、及び健全性評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

多層構造の建物にセンサを設置し、このセンサから取得した情報に基づいて建物の損傷、劣化の度合い、建物の損傷検知等を行う健全性評価方法が研究されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された手法は、任意に設定した建物の観測層にセンサを設置し、地震時にセンサで取得した観測層の応答情報に基づき、建物の設計モデルの情報を学習的に更新し、後に発生した地震時に取得した観測層の応答情報と、学習的に更新した建物の設計モデルの情報に基づいて、建物の各層の応答を推定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１９５３５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された手法に基づいて建物の損傷度合いを推定する場合、地震時における建物全層の応答値を算出し、予め設定している閾値と比較する。特許文献１に記載された手法によれば、予め閾値を算出する必要がある。また、特許文献１に記載された手法は、建物に複数のセンサを設置する必要があり、装置構成が複雑化する。

【0005】

本発明は、建物の健全性評価において装置構成を簡略化しつつ、応答値に対する閾値を必要とせずに計算処理を省略することができる健全性評価システム、及び健全性評価方法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】

【0006】

上記の目的を達するために、本発明の一態様は、多層構造の建物を複数の質点と前記複数の質点を連結する複数のバネにより示される建物モデルを用いて前記建物の健全性を評価するための健全性評価システムであって、前記複数の質点から選択された第１入力点に対応する前記建物の第１位置に設けられた第１センサと、前記第１入力点点と異なる位置の第２入力点に対応する前記建物の第２位置に設けられた第２センサと、を有する検出部と、前記第１検出値及び第２検出値に基づいて前記建物の損傷度合いを推定する演算部と、を備え、前記演算部は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出し、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記第１手法と異なる第２手法を用いて前記第１入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出し、第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて前記建物の損傷度合いを推定することを特徴とする、健全性評価システムである。

【0007】

本発明によれば、建物の健全性評価において装置構成を簡略化しつつ、応答値に対する閾値を必要とせずに計算処理を省略することができる。

【0008】

また、本発明の前記第１手法は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて、前記建物の質量分布と剛性分布に基づく刺激関数を用いて前記第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を示す前記第１算出値を算出するものであり、前記第２手法は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて、前記第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を線形補完して前記第２算出値を算出するものであり、前記演算部は、前記第１算出値及び前記第２算出値の時刻歴における最大値の差分に基づいて前記誤差を算出し、前記建物の損傷度合いを推定してもよい。

【0009】

本発明によれば、建物の応答を第１手法と第２手法とにより算出し、第１手法の第１算出値と第２手法の第２算出値との誤差の大きさに基づいて建物の損傷度合いを評価することができる。

【0010】

本発明の一態様は、多層構造の建物を複数の質点と前記複数の質点を連結する複数のバネにより示される建物モデルを用いて前記建物の健全性を評価するための健全性評価システムに適用されたコンピュータが、前記複数の質点から選択された入力点に対応する前記建物の第１位置に設けられ第１検出値を出力する第１センサと、前記入力点と異なる位置の第２入力点に対応する前記建物の第２位置に設けられ第２検出値を出力する第２センサと、を有する検出部と、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記建物の損傷度合いを推定する演算部と、を備え、前記演算部は、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて前記入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出し、前記第１検出値及び前記第２検出値に基づいて前記第１手法と異なる第２手法を用いて前記入力点及び第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出し、第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて前記建物の損傷度合いを推定することを特徴とする、健全性評価システムである。

【0011】

本発明によれば、応答値に対する閾値を必要とせずに計算処理を省略することができる健全性評価方法を提供することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、建物の健全性評価において装置構成を簡略化しつつ、応答値に対する閾値を必要とせずに計算処理を省略することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る健全性評価システムの構成を示すブロック図である。

【図2】評価装置の演算に用いられる第１手法を概念的に示す図である。

【図3】第１手法に基づく算出結果を示す図である。

【図4】評価装置の演算に用いられる第２手法を概念的に示す図である。

【図5】第２手法に基づく算出結果を示す図である。

【図6】第１手法の第１算出結果と第２手法の第２算出結果との誤差を示す図である。

【図7】無損傷状態における誤差の算出結果を示す図である。

【図8】損傷状態における誤差の算出結果を示す図である。

【図9】健全性評価方法の処理の流れを示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る健全性評価システム、及び健全性評価方法の実施形態について説明する。健全性評価システムは、多層構造の建物を複数の質点と複数の質点を連結する複数のバネにより示される後述の建物モデルを用いて、建物の健全性を評価するものである。

【0015】

図１に示されるように、健全性評価システム１は、建物Ｂに設けられた検出部２と、検出部２により検出された検出値に基づいて、建物Ｂの健全性を評価する評価装置１０と、を備える。建物Ｂは、例えば、複数の階を有する中低層建築物である。また、建物Ｂは、実際の建物であってもよいし、実験用模型であってもよい。検出部２は、例えば、２個の第１センサＳ１と第２センサＳ２とを備える。

【0016】

第１センサＳ１及び第２センサＳ２は、例えば、加速度センサである。第１センサＳ１及び第２センサＳ２は、建物Ｂの加速度を検出する。第１センサＳ１は、後述の建物モデルの複数の質点から選択された第１入力点に対応する建物Ｂの第１位置に設けられている。第２センサＳ２は、第１入力点と異なる位置（階又は層）の第２入力点に対応する建物Ｂの第２位置（階又は層）に設けられている。第１センサＳ１は、第１位置における加速度の第１出力値を出力する。第２センサＳ２は、第２位置における加速度の第２出力値を出力する。第１センサＳ１及び第２センサＳ２の出力値は、評価装置１０に出力される。

【0017】

評価装置１０は、建物Ｂの応答推定を行うための建物モデルに基づいて建物Ｂの健全性を評価する情報処理端末装置である。評価装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ、タブレット型端末、スマートフォン等により実現される。評価装置１０は、検出部２と無線による通信および電気的に接続されている。評価装置１０は、ネットワーク（不図示）を通じて検出部２と接続されていてもよい。評価装置１０は、例えば、検出部２から検出値のデータを取得する取得部１２と、検出値に基づいて建物の健全性に関する演算を行う演算部１４と、演算に関するデータを記憶する記憶部１６とを備える。

【0018】

取得部１２は、ローカルネットワーク又は公衆ネットワークに接続された通信インタフェースである。記憶部１６は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、フラッシュメモリ等の記憶媒体を有する。記憶部１６は、評価装置１０に必ずしも内蔵され、又は外部接続されているわけではなく、ネットワークを通じてデータを提供するサーバ（不図示）に設けられていてもよい。

【0019】

演算部１４は、例えば、建物Ｂの動的な応答を示す建物モデル（応答推定モデル）に基づいて、建物Ｂの健全性の評価に関する演算を行う。演算部１４は、建物モデルに第１センサＳ１の第１検出値及び第２センサＳ２の第２検出値を適用し、建物Ｂの損傷度合いを推定する。

【0020】

演算部１４は、第１検出値及び第２検出値に基づいて後述の第１手法を用いて第１入力点と第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第１算出値を算出する。演算部１４は、第１検出値及び第２検出値に基づいて第１手法と異なる後述の第２手法を用いて第１入力点と第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物全層の応答を示す第２算出値を算出する。演算部１４は、第１算出値と第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて建物Ｂの損傷度合いを推定する。

【0021】

図２には、建物モデルＣを用いる第１手法が概略的に示されている。建物モデルＣは、多層構造の建物Ｂを複数の質点と複数の質点を連結する複数のバネにより示される。但し、複数の質点の質量は、ｍ_ｉ（ｉ：自然数）である。複数のバネの剛性は、ｋ_ｉ（ｉ：自然数）である。建物モデルＣにおいて、質点は、建物Ｂの各階又は、複数の階を１つの単位としてまとめた各層を示している。

【0022】

建物モデルＣにおいて、複数の質点の中から第１入力点の他、任意の１つの第２入力点質点が選択される。第１入力点は、建物Ｂの第１位置に配置されている。第１位置は、例えば、建物Ｂの１階である。第２入力点は、建物Ｂの第１入力点と異なる位置の第２位置に配置されている。第１入力点に対応する建物Ｂの第１位置には、第１センサＳ１が設けられている。第１センサＳ１は、建物Ｂの１階の天井に設置される。第２入力点に対応する建物Ｂの第２位置には、第２センサＳ２が設けられている。図２の例では、第１センサＳ１は、建物Ｂの１階に設置され、第２センサＳ２は、建物Ｂの５階に設置されている。図示するように、第１センサＳ１により検出された第１検出値Ｒ１と、第２センサＳ２により検出された第２検出値Ｒ２が示されている。

【0023】

第１手法は、例えば、モード合成法である。モード合成法は、振動する現象を解析するために用いられる。モード合成法により、初期情報として得られる第１検出値Ｒ１、第２検出値Ｒ２、建物Ｂの質量ｍ、建物Ｂの剛性ｋに基づいて、建物Ｂの質量分布と剛性分布に基づく刺激関数を用いて第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を示す第１算出値Ｔ１が算出される。

【0024】

モード合成法において、建物モデルＣにおける複数の質点の変位はそれぞれの固有モードの１次結合として扱われる。この１次結合式に基づいて、複数の質点ごとに座標変換を行なうことにより、建物Ｂの全層の運動方程式が作成される。建物Ｂの全層の加速度波形は、モード合成法に基づいて第１検出値Ｒ１及び第２検出値Ｒ２を基に推定される。

【0025】

演算部１４は、建物モデルＣと第１検出値Ｒ１及び第２検出値Ｒ２を用いて建物モデルＣの固有モード（刺激関数）と検出値から建物Ｂの全層の応答時刻歴の波形を推定する（特許文献１参照）。演算部１４は、応答推定で求めた建物モデルＣの全層の加速度波形を数値積分し、建物モデルＣの速度波形、変位波形を求める。

【0026】

図３に示されるように、演算部１４は、第１算出値Ｔ１に基づいて隣接する質点における変位波形の差分を算出し、建物Ｂにおける層間変形を算出すると共に、層間変形を階高で除し、建物Ｂにおける層間変形角を算出する。

【0027】

図４には、第２手法が概略的に示されている。第２手法において、第１入力点は、建物Ｂの第１位置に配置されている。第２入力点は、建物Ｂの入力点と異なる位置の第２位置に配置されている。第１入力点に対応する建物Ｂの第１位置には、第１センサＳ１が設けられている。第２入力点に対応する建物Ｂの第２位置には、第２センサＳ２が設けられている。図４の例では、第１センサＳ１は、建物Ｂの１階に設置され、第２センサＳ２は、建物Ｂの５階に設置されている。図示するように、第１センサＳ１により検出された第１検出値Ｒ１と、第２センサＳ２により検出された第２検出値Ｒ２が示されている。

【0028】

第２手法は、例えば、線形補完法である。第２手法は、第１検出値Ｒ１及び第２検出値Ｒ２に基づいて、第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の応答を線形補完するものである。演算部１４は、第１検出値Ｒ１及び第２検出値Ｒ２に基づいて、第１位置及び第２位置以外の位置に存在する他の質点の位置における応答を線形補完して第２算出値Ｔ２を算出する。

【0029】

図５に示されるように、演算部１４は、第２算出値Ｔ２に基づいて隣接する質点における変位波形の差分を算出し、建物Ｂにおける層間変形を算出すると共に、層間変形を階高で除し、建物Ｂにおける層間変形角を算出する。

【0030】

次に、演算部１４は、第１算出値Ｔ１及び第２算出値Ｔ２の時刻歴における振幅の最大値の差分に基づいて誤差を算出する。誤差Ｅｒｒ_ｉは、以下の式（１）により示される。

【0031】

【数1】

但し、Ｐ_ｒｉ：第１算出値Ｔ１、Ｏ_ｒｉ：第２算出値Ｔ２である。

【0032】

図６には、誤差Ｅｒｒ_ｉの算出結果が示されている。誤差Ｅｒｒ_ｉは、例えば、２秒毎に算出される。第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との誤差を時刻歴で比較することで建物Ｂの損傷を推定する。第２手法の線形補間では、建物Ｂの全層における最大層間変形角は同値である。これに比して第１手法のモード合成法では設計モデルに依存するために建物Ｂの全層における最大層間変形角は異なった値となる。建物Ｂの損傷が無い無損傷状態では、建物Ｂは、弾性範囲において弾性変形する弾性体とみなすことができ、第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との関係は殆ど変化しない。これに比して、建物Ｂに大きな損傷が生じた後の損傷状態では、建物Ｂは、弾性変形せずに非線形化した状態となり、第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との関係は変化する。この特性を利用すると、建物Ｂが損傷したか否かを推定することができる。

【0033】

図７には、建物Ｂが無損傷状態における各層の第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との時刻歴の誤差の実験データが示されている。図８には、建物Ｂが大きな損傷状態における各層の第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との時刻歴の誤差の実験データが示されている。実験において建物Ｂは、３層ＲＣ造試験体であり、試験体を振動台上において加振して検出された第１検出値と第２検出値に基づいて第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との誤差が算出された。図７及び図８に示されるように、建物Ｂの無損傷状態における誤差Ｅｒｒ_ｉの算出値と大きな損傷状態における誤差Ｅｒｒ_ｉの算出値とを比較すると損傷時には誤差が増大している事がわかる。上述した特性に基づいて演算部１４は、第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との間の誤差の大きさに基づいて建物の損傷度合いを推定することができる。

【0034】

図９には、健全性評価システム１を用いた健全性評価方法の処理が示されている。健全性評価方法は、健全性評価システム１に適用された評価装置１０（コンピュータ）において実行される処理である。評価装置１０は、多層構造の建物Ｂを複数の質点と、複数の質点を連結する複数のバネにより示される建物モデルＣを用いて建物Ｂの健全性を以下の各工程に基づいて評価する。

【0035】

評価装置１０は、複数の質点から選択された第１入力点に対応する建物Ｂの第１位置に設けられた第１センサＳ１の第１検出値を検出する（ステップＳ１００）。評価装置１０は、第１入力点と異なる位置の第２入力点に対応する建物Ｂの第２位置に設けられた第２センサＳ２の第２検出値を検出する（ステップＳ１０２）。評価装置１０は、第１検出値及び前記第２検出値に基づいて第１手法を用いて第１入力点と第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物Ｂの全層の応答を示す第１算出値Ｔ１を算出する（ステップＳ１０４）。

【0036】

評価装置１０は、第１検出値及び第２検出値に基づいて第１手法と異なる第２手法を用いて第１入力点と第２入力点の位置以外に存在する所定数の質点の応答を補完して建物Ｂの全層の応答を示す第２算出値Ｔ２を算出する（ステップＳ１０６）。評価装置１０は、第１算出値Ｔ１と第２算出値Ｔ２との間の誤差の大きさに基づいて建物Ｂの損傷度合いを推定する（ステップＳ１０８）。

【0037】

上述したように、健全性評価システム１によれば、２つのセンサを用いて建物の振動を検出するため、装置構成を簡略化しつつ建物の健全性を評価することができる。健全性評価システム１によれば、従来の構造ヘルスモニタリングの損傷推定手法のように建物全層の応答値を求めて、予め設定している閾値と比較して建物の健全性を評価しているのに比して閾値を算出する必要がなく、計算処理を簡略化することができる。健全性評価システム１によれば、第１手法の第１算出値と第２手法の第２算出値との間の誤差の大きさに基づいて建物の損傷度合いを評価するため計算処理を省略することができる。

【0038】

上述した演算部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することで実現される。これらの各機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。

【0039】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。健全性評価システムは、建物だけでなく、他の多層構造物の応答推定に適用してもよい。健全性評価システムにおいて、第１手法及び第２手法は、２つのセンサの検出値に基づいて建物Ｂの応答を補完して推定可能であれば適宜他の手法に置き換えられてもよい。

【符号の説明】

【0040】

１ 健全性評価システム
２ 検出部
１４ 演算部
Ｂ 建物
Ｃ 建物モデル
Ｓ１ 第１センサ
Ｓ２ 第２センサ
Ｔ１ 第１算出値
Ｔ２ 第２算出値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】