コンクリート構造物の診断システム及び診断方法
【課題】コンクリート構造物に対して加振装置を容易に取付けてその診断を行うことが可能なコンクリート構造物の診断システム及び診断方法を提供する。
【解決手段】診断システムは、コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、加振装置を駆動する駆動手段と、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えている。
【解決手段】診断システムは、コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、加振装置を駆動する駆動手段と、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物の微小な変状を検出してその健全度を診断することができるコンクリート構造物の診断システム及び診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄橋、船舶、鉄道施設等の鋼材構造物や、橋梁、トンネル、ビル、発電所等のコンクリート構造物における健全度の診断は、目視による変状状態の発見やハンマで診断対象に振動を与え、その時の音から変状の有無を判断することが行われていた。
【０００３】
しかしながら、このような診断方法では見落としが発生しやすく、またその判断において個人差があるため信頼性が低く、また、再現性のある診断を行うことが困難であった。
【０００４】
そこで、構造物に圧電素子を貼付し一定の周波数域で加振して、低周波数域における振動モードの変化を観察することで構造物全体の変状を検知し、また圧電素子の高周波数域での電気インピーダンスの変化を検知することで局所的な欠陥を検知する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
しかし、本来、構造物の変状箇所を特定するには、変状によって生ずる反射波を圧電素子によって検出し、検出信号における注目点の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度とからその位置を同定する必要があり、当該位置の特定に長時間を要する問題があった。
【０００６】
このような状況に鑑み、本願発明者等は、構造物に局部振動を付与し、その応答を計測して求めた振動モードの変化から診断対象の変状を診断するシステムを提案した（特許文献２、特許文献３、特許文献４）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−９９７６０号公報
【特許文献２】特許第３６９４７４９号公報
【特許文献３】特許第３７０５３５７号公報
【特許文献４】特開２００４−３０１７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２〜４に記載されている本願発明者等による診断システムは、Ｈ形鋼等の鋼材構造物を診断対象とするものであり、コンクリート構造物を診断対象とした場合、特にその加振装置を構造物に取付ける方法について何等考慮を行っていなかった。
【０００９】
従って本発明の目的は、コンクリート構造物に対して加振装置を容易に取付けてその診断を行うことが可能なコンクリート構造物の診断システム及び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】
【００１０】
本発明によれば、コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、加振装置を駆動する駆動手段と、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えたコンクリート構造物の診断システムが提供される。
【００１１】
磁性体板部材をコンクリート構造物に固着しておき、この磁性体板部材に磁気的に吸着することによって加振装置をコンクリート構造物に固定し、この状態で加振装置で局部加振することによりコンクリート構造物の健全度を求める。このように、本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。即ち、本発明によれば、コンクリート構造物の診断を鋼構造物と同様に診断できるので、コンクリート構造物の剥離落下等を容易に予測でき、従って、建築、トンネル等の診断を精度良くかつ容易に行うことができるから社会的意義は非常に大きい。
【００１２】
加振装置が、作動時に付勢され磁性体板部材に磁気的に吸着される少なくとも１つの電磁石と、少なくとも１つの電磁石に機械的に連結されており、振動を発生してその振動を診断すべきコンクリート構造物の表面に印加する振動素子とを備えていることが好ましい。
【００１３】
振動素子が、圧電振動素子であることがより好ましい。
【００１４】
磁性体板部材が診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板であり、少なくとも１つの電磁石が作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることも好ましい。この場合、少なくとも１つの電磁石が、鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石であることも好ましい。
【００１５】
少なくとも１つの電磁石が、診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板及び診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板のいずれにも選択的に磁気的に吸着可能に構成されていることが好ましい。
【００１６】
磁性体板部材が診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板であり、少なくとも１つの電磁石が作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることも好ましい。
【００１７】
解析手段が、計測手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験モード解析部と、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、実験固有振動数と所定の一致度で一致する理論固有振動数を持つ個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、この個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えていることも好ましい。
【００１８】
本発明によれば、さらに、診断すべきコンクリート構造物に磁性体板部材を固着し、加振装置を磁性体板部材に磁気的に吸着して固定し、加振装置から診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与え、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測し、計測によって得られた振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求めるコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１９】
磁性体板部材をコンクリート構造物に固着しておき、この磁性体板部材に磁気的に吸着することによって加振装置をコンクリート構造物に固定し、この状態で加振装置から振動を与えることによりコンクリート構造物の健全度を求める。このように、本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。即ち、本発明によれば、コンクリート構造物の診断を鋼構造物と同様に診断できるので、コンクリート構造物の剥離落下等を容易に予測でき、従って、建築、トンネル等の診断を精度良くかつ容易に行うことができるから社会的意義は非常に大きい。
【００２０】
加振装置の少なくとも１つの電磁石を磁性体板部材に磁気的に吸着して加振装置を固定し、加振装置の振動素子によって振動を発生してその振動を診断すべきコンクリート構造物の表面に印加することが好ましい。この場合、振動素子として、圧電振動素子を用いることが好ましい。
【００２１】
磁性体板部材として鋼鉄板を診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着し、少なくとも１つの電磁石を作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着させることも好ましい。この場合、少なくとも１つの電磁石として、鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石を用いることが好ましい。
【００２２】
磁性体板部材として鋼鉄板を診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着し、少なくとも１つの電磁石を作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着させることも好ましい。
【００２３】
計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求め、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とし、実験固有振動数と所定の一致度で一致する理論固有振動数を持つ個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、個体の遺伝子情報から変状状態を推定し、探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論固有振動数を演算できるようにしたことも好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は本発明の一実施形態におけるコンクリート構造物の診断システムの全体構成を概略的に示すブロック図であり、図２は本実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図であり、図３は本実施形態における制御及び診断処理ユニットの構成を示すブロック図である。
【００２６】
図１において、１０は診断すべきコンクリート構造物、１１はこのコンクリート構造物１０の表面の一部に例えば接着剤で固着された磁性体板部材の一例である鉄鋼板、１２は動作時に鉄鋼板１１に電磁石で固定され、コンクリート構造物１０に振動を与える加振装置、１３は与えた振動による応答を計測する計測器、１４は全体の動作を統括的に制御する統括制御部１４０、計測器１３が検出した応答から振動モードを求めてコンクリート構造物１０の健全度を最終的に求める解析ユニット１４１、加振装置１２の駆動部１４２、並びに固定用電磁石の励磁用電源部１４３等を有する制御及び診断処理装置をそれぞれ示している。統括制御部１４０及び解析ユニット１４１は、本実施形態では、デジタルコンピュータで構成されている。
【００２７】
鉄鋼板１１は、本実施形態では、診断すべきコンクリート構造物１０の表面にと平行になるように、その表面に直接接着されている。鉄鋼板１１の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、鉄鋼板１１の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００２８】
加振装置１２は、図２に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１２０と、この振動素子１２０の振動をコンクリート構造物１０の局部表面に伝える振動ロッド１２１と、振動ロッド１２１に予圧を与える予圧ばね１２２と、予圧ばね１２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１２３と、加振装置１２全体を鉄鋼板１１に固定するための電磁石１２４と、電磁石１２４のオンオフスイッチ１２５とを備えている。
【００２９】
振動素子１２０としては、コンクリート構造物１０の局所における変状を観測するために高周波（例えば５００Ｈｚ以上）の振動を与えることができ、小型で微小な力で振動を与えることができるように、ピエゾ圧電効果を利用した積層型圧電素子を用いている。このような高周波の振動を与えることにより、診断対象の変状を観測することが可能となる。これは診断対象が、原子力発電所、化学プラント、船舶等のコンクリート構造物である場合、その重量が重いため、これらの固有振動数（１次のモードにおける固有振動数）が非常に低い振動数になるが、変状点の固有振動数は振動数が高いため、かかる振動数での変化が計測できるようになるためである。
【００３０】
電磁石１２４は、この診断システム動作時には、オンオフスイッチ１２５をオンとすることによって励磁され、その吸着面１２４ａが鉄鋼板１１に磁気的に吸着する。これによって加振装置１２がコンクリート構造物１０に確実に固定されることとなる。その際、振動ロッド１２１の先端がコンクリート構造物１０の表面に直接的に当接する。なお、本実施形態では、電磁石の吸着面１２４ａを使用しているが、この電磁石はこの吸着面とは垂直方向の吸着面１２４ｂをも有しており、鉄鋼板がこの方向に向いている場合はこの吸着面１２４ｂを利用して磁気的に吸着することが可能である（図１１の実施形態）。
【００３１】
計測器１３は、コンクリート構造物１０に固着された、本実施形態では、小型の半導体型加速度計であり、加振装置１２が与えた振動に対する応答を計測するために、コンクリート構造物１０の変位を計測する。計測器１３として、レーザ式変位測定器、圧電素子等を用いてもよい。計測器１３に圧電素子を利用する場合には、加振装置１２における振動素子１２０と共用することも可能である。計測器１３の配置位置は、加振装置の配置位置や予想される変状点位置等に応じて適宜設定される。
【００３２】
図３に示す制御及び診断処理装置１４において、統括制御部１４０は、診断対象であるコンクリート構造物１０の健全度を最も適切に診断するための加振条件を指示すると共に、診断結果を表示等することにより診断処理全体を統括する。また、診断開始時には、診断開始指令や加振条件等の制御データを信号発生部１４４を介して駆動部１４２へ送る。さらに、計測器１３からの計測データを解析ユニット１４１へ送ると共に、この解析ユニット１４１から診断結果を受取って画面表示する。さらにまた、励磁用電源部１４３についても供給の制御をすることが可能である。
【００３３】
信号発生部１４４は、統括制御部１４０からの加振条件に基づき、診断対象に付与する振動の波形信号を発生する。この波形信号は駆動部１４２において増幅されて駆動信号となり、加振装置１２の振動素子１２０に印加される。この信号発生部１４４は、ファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザ等から構成され、統括制御部１４０からの加振条件に応じたアナログ信号の波形信号を生成して出力する。一般にマルチファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザでは、それ自体においてサイン波、矩形波、ノコギリ波等の一般的な波形信号を生成することができるが、診断対象や目的に応じて任意の波形信号が作成できる機能を具備していることが望ましい。マルチファンクションジェネレータを用いることにより、複数の加振装置を用いてマルチチャネルによる加振が可能となる。即ち、各加振装置毎に加振のタイミングをずらしたり、位相を変えたり、振幅、周波数若しくは加振時間を変えたり、さらにはスイープ振動（振幅や周波数を時間と共に変化させた振動）させたり等診断対象や目的に応じた加振が可能となる。
【００３４】
駆動部１４２は、信号発生部１４４からの波形信号を所定のゲインで増幅し、これを駆動信号として加振装置１２の振動素子１２０へ出力する。なお、ゲインは、信号発生部１４４から指定できるようにしてもよい。
【００３５】
計測器１３には、その出力であるアナログの計測信号を増幅する増幅器１４５が接続されており、この増幅器１４５にはその出力信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４６が接続されている。増幅器１４５は、各計測器に対応して設けられたシグナルコンディショナ等からなり、主にＡ／Ｄ変換器１４６に入力する信号レベルの調整を行う。各増幅器のゲインは計測器の構成や診断対象の構成に依存して設定される。即ち、各増幅器のゲインは一定となるように（少なくとも同一レベルの信号が入力されたときに同一レベルの信号が出力されるように）設定する必要があり、また増幅器１４５からの信号をディジタル信号に変換する際にオーバーフローを起こさないように設定する。なお、診断対象に応じて付与する振動のエネルギを調整したい場合や、印加する振動エネルギを連続的に変化させたい場合には、固定ゲインの増幅器であるとオーバーフローを起こしてしまう場合があるので、ゲインは調整可能であることが望ましい。このゲイン調整は、マニュアル調整でもよく、また、統括制御部１４０からゲイン調整できるようにしても良い。
【００３６】
Ａ／Ｄ変換器１４６には統括制御部１４０が接続されており、ディジタルの計測信号がこの統括制御部１４０に入力されるように構成されている。
【００３７】
解析ユニット１４１は、計測データから診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下実験固有振動数）を求める実験モード解析部１４１ａと、理論的に診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下理論固有振動数）を算出する理論解析部１４１ｂと、理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件下で一致するか否かを判断して健全度診断を行う評価部１４１ｃと、診断情報、理論固有振動数及び実験固有振動数等の情報を保存する解析データベース（解析ＤＢ）部１４１ｄとを備えている。
【００３８】
以下、この解析ユニット１４１について、より詳細に説明する。
【００３９】
診断すべきコンクリート構造物１０に損傷等の変状が生じると、印加した振動の応答を計測してそのパワースペクトルのピーク周波数が変位する。即ち、変状発生の有無が、パワースペクトルに違いが生じているか否かを判断することにより知ることができる。従って、パワースペクトルが健全時のものからどのように変化したかを比較することにより健全度診断が可能となる。
【００４０】
しかしながら、これによって変状の発生が判断できでも、その変状の位置やそのような変状が起きているかまでは判断することができない。そこで、かかる変状点の位置や変状内容までも診断内容とすべく、評価部１４１ｃでは、解析アルゴリズムを用いている。
【００４１】
このような解析アルゴリズムとしては、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｌｔｈｍ）、ニューロネットワーク回帰分析、多変量解析、パターン認識解析等が適用可能であるが、この中でも最適化問題に非常に有効であるとされている遺伝的アルゴリズムを用いた場合を以下説明する。
【００４２】
まず、ＧＡの概要を簡単に説明する。ＧＡはもともと、生物界にある遺伝の法則を模擬して案出された手法で、複数の解を遺伝的に変化させながら、より良い解を求める手法である。そして、この解を遺伝子という形で表現する（コーディングする）。
【００４３】
図４は、ＧＡのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００４４】
ＧＡでは、まず、解（個体）の集団である初期集団（個体群）を作成する（ステップＳ１）。この個体は診断対象の１の変状状態に対応し、この個体を特徴付ける遺伝子情報として変状点の位置等を用いる。
【００４５】
次に、評価を行う。評価は全ての個体（解）について適合度を求めて、この適合度に基づき次の世代に残す個体を決定する（ステップＳ２、ステップＳ３）。この適合度は、解の評価の高さのようなもので、良い解ほど高い適合度が得られるように評価関数を設定する。なお、本発明においては、各個体の理論固有振動数を計算して、この理論固有振動数が実験固有振動数とどの程度適合（一致）しているか（良い解であるか）を評価関数により評価する。評価関数については後述する。
【００４６】
変状態様が鉄鋼材においてボルトが弛緩したような場合には、想定した個体の中に最適解を見出せる場合も多いが、コンクリート構造物の剥離のような場合には、想定した個体からは最適解を見いだすことができないこともある。そこで、ＧＡにおいては、ＧＡオペレータと称される交叉や突然変異操作を行う（ステップＳ４）。
【００４７】
この交叉や突然変異操作は遺伝の法則をヒントに作られたもので、交叉では複数の親（一般には二つ個体）から遺伝子を受け継ぐ新しい個体（子）を一定の確率で発生させ、突然変異では交叉より低い確率で個体が発生するように設定する。
【００４８】
ただし、変状がボルトの弛緩ではなく、剥離であった場合には、交叉操作を繰返しても最適解が求まらないので、この場合には突然変異操作により剥離を変状内容とする個体を生成して探査を行うことになる。このような探査を一世代と考え所定回数について行い最適解を求める。
【００４９】
図５はＧＡを用いて診断を行う場合の手順を示すフローチャートである。
【００５０】
以下この図を用いて診断手順を説明する。まず、診断対象に加振する（ステップＳ１１）。これにより、診断対象からは１次〜ｎ次（ｎ：整数）の振動モードを持つ応答振動が計測される。
【００５１】
そこで、解析ユニット１４１の実験モード解析部１４１ａでは、計測データのパワースペクトル分析を行い、変状により卓越した振幅が変化し、又は新たに卓越した振幅が生じるとして、この卓越点を探して実験固有振動数とする（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。
【００５２】
例えば、診断対象に図６に示すような、周波数をスタート周波数からストップ周波数まで連続的に変化するスイープ振動を付与した場合には、図７に示すような計測データが観測される。そこで、実験モード解析部１４１ａで、この計測データに対しパワースペクトル分析を行って、図８に示すようなパワースペクトルを得、同図で縦線を引いた所を実験固有振動数とする。
【００５３】
なお、計測データをフーリエ変換して周波数分析を行い、各周波数における振幅が卓越している点を実験固有振動数としてもよく、さらにはフーリエ変換して得られたデータに対し、パワースペクトル分析を行うことにより振幅変化を明確化し、これにより精度良く実験固有振動数を同定するようにしても良い。
【００５４】
図６に示すようなスイープ振動を付与する理由は、この変状点を共振させ、変状点の位置、大きさ、種類等の情報を計測データに含まれるようにするためである。
【００５５】
即ち、診断時においては変状点の位置等は不明であるので、幅広い周波数で加振することにより変状点を共振させて計測データにその情報が含まれるようにする。無論、変状点が特定できる場合や変状点が高精度に予測できる場合等においては、スイープ振動でなく一定振動数の振動であってもよく、また狭い範囲で周波数が変化する振動であっても良い。
【００５６】
図６において印加された振動は診断対象の表面又はその近傍を伝播する表面弾性波と考えているが、コンクリート構造物における鉄筋の腐食や酸性雨によるコンクリートの変状等の内部欠陥のように深い位置での変状を計測する際には、当然のことながらその深度まで振動を伝播させ、その応答が返ってくるだけのエネルギが必要になる。このため、例えば時間と共に振幅が増大するスイープ振動を付与する等の検出する変状点の深度に対応したエネルギの振動を印加することが必要となる。
【００５７】
図６におけるような診断対象の場合には、変状の態様としては（１）コンクリートの剥離、（２）材料劣化、（３）鉄筋との付着剥離、（４）表面のクラック等が想定することができる。
【００５８】
理論解析部１４１ｂは、診断対象の低次から高次の理論固有振動を有限要素法等を用いて算出する。有限要素法では、診断対象を複数の要素に分割し、各要素の境界条件を変化させて計算する。
【００５９】
このため予め想定される変状点に対応した要素分割が重要になる。例えば、変状として剥離が想定される場合には、要素の１に想定される剥離位置が含まれるように要素分割する。なお、変状として剥離を想定する場合には隣接する要素との連続性が無いとする境界条件を遺伝子情報に設定する。このように、想定される変状の性質に応じて遺伝子情報に設定し、これを演算パラメータとする。
【００６０】
最初の診断時（Ｋ＝１）においては構造物の理論値算出に必要な定数を演算パラメータとして理論固有振動数を算出し、この理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件で一致するようにこの演算パラメータを変化させる。そして、一致したときの演算パラメータを診断対象のその定数であると同定する。
【００６１】
これにより、実際の診断対象の固有振動数に近い（精度の高い）理論固有振動数を容易に求めることができ、演算に要する時間を短縮することが可能となる。
【００６２】
最初の診断時（Ｋ＝１）とは、当該装置を設置した場合や設置後に解析データベースのデータが初期化された場合の最初に診断する時を意味している。診断対象の変状は状態変化を検出することにより行うため、最初の診断では（Ｋ＝１）では元の状態に関するデータが存在しないため診断が行えず、またＧＡにおける個体群も設定されていない状態だからである。
【００６３】
このため、最初の診断時には、ＧＡにおける個体群を設定し（ステップＳ１４、ステップＳ１６）、個体の遺伝子情報をコーディングする（ステップＳ１７）。
【００６４】
その後、有限要素法により理論固有振動数を算出する（ステップＳ１８）。このとき、遺伝子情報を構成する変状点位置を演算パラメータとして演算し、図９に示すような振動数（横軸）に対する振幅（縦軸）の曲線が得られる。
【００６５】
この曲線の極大値は、１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数に対応し、この固有振動数が変状の発生により影響を受けて、周波数変化等として現れているとする。
【００６６】
評価部１４１ｃでは、このように得られた理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）とを予め設定した評価関数δに代入して適応度の評価を行う（ステップＳ１９）。ここで、ｉはｉ次の振動モードの固有振動数であることを示している。評価関数δとしては、例えば下式のように理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）との差分の２乗を各振動モードで加算する関数とすることができる。無論、種々の評価関数δを定義することができ、例えば差分の絶対値を各振動モードで加算する関数としてもよい。
【００６７】
【数１】
【００６８】
一方、ステップＳ１４において、最初の診断（Ｋ＝１）でないと判断された場合には、解析ＤＢ部１４１ｄから前回の診断結果であるデータＤ（Ｋ−１）を読込み、このデータＤ（Ｋ−１）に含まれている理論固有振動数とステップＳ１３で求めた実験固有振動数とを用いて適応度を評価する（ステップＳ１９）。
【００６９】
このようにして得られた適応度が、一定の適応度基準値より小さいか否かを判断し（ステップＳ２０）、適応度基準値より大きい場合（適応度が低い場合）には、予め設定した交叉確率Ｐｃ、突然変異確率Ｐｍに基づいて遺伝子操作を行う（ステップＳ２１）。このような処理を１世代として、予め設定された世代数まで繰返して最適解を求める。
【００７０】
最適解が求まると、診断が最初（Ｋ＝１）で有るか否かを判断し、Ｋ＝１の場合には求まった最適解からなる個体群をデータＤ（Ｋ）として解析ＤＢ部１４１ｄに保存する（ステップＳ２５）。
【００７１】
一方、診断が最初でない場合には（Ｋ≠１）、最適解の個体における遺伝子情報から変状位置や変状の内容を判断することにより健全度診断を行い（ステップＳ２３、ステップＳ２４）、その結果を保存する（ステップＳ２５）。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、鉄鋼板１１をコンクリート構造物１０に固着しておき、この鉄鋼板１１に電磁石で磁気的に吸着することによって加振装置１２をコンクリート構造物１０に固定し、この状態で加振装置１２から振動を与えることによりコンクリート構造物の健全度を求めているので、加振装置１２を極めて容易にコンクリート構造物１０へ固定できることとなり、その診断が非常に容易となる。
【００７３】
もちろん、健全時にコンクリート構造物の同定を行っておくことにより、経年変化や強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わることによって引き起こされた局所的に変化が起こっている場所を特定することができる。また、局所的な変化を把握することができるので、その変化に応じて適切に対処することができアセットマネージメントの観点から見ても非常に有効である。さらに、構造物の維持管理技術の点から、微小な変状（予兆、徴候）を早期に発見して、予防的な補修補強を実施することが、構造物のライフサイクルコストを減少でき、維持管理経費の有効活用に資することができる。
【００７４】
図１０は、本発明の他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す（Ａ）上面図及び（Ｂ）一部破断正面図である。
【００７５】
この実施形態においては、加振装置１０２に２つの電磁石が設けられており、コンクリート構造物の表面には各電磁石に対向する位置に鉄鋼板がそれぞれ固着されていることを除いて図１の実施形態の場合と同じ構成となっている。
【００７６】
即ち、図１０に示すように、２つの鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂが、診断すべきコンクリート構造物１００の表面にと平行になるように、その表面に直接接着されている。鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂの各々の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、各鉄鋼板の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００７７】
加振装置１０２は、図１０に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１０２０と、この振動素子１０２０の振動をコンクリート構造物１００の局部表面に伝える振動ロッド１０２１と、振動ロッド１０２１に予圧を与える予圧ばね１０２２と、予圧ばね１０２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１０２３と、加振装置１０２全体を２つの鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ固定するための２つの電磁石１０２４ａ及び１０２４ｂと、電磁石１０２４ａ及び１０２４ｂのオンオフスイッチ１０２５ａ及び１０２５ｂとを備えている。
【００７８】
本実施形態によれば、２つの電磁石によって２つの鉄鋼板に磁気的吸着がなされるので、加振装置をコンクリート構造物により堅固に固定することができる。しかも、加振部に対して対称位置で磁気的吸着がなされるので、浮き上がりなどが起こらずに安定しており、平均した加振を行うことができる。本実施形態におけるその他の動作及び作用効果は図１の実施形態の場合とほぼ同様である。
【００７９】
図１１は本発明のさらに他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【００８０】
この実施形態においては、加振装置１１２の電磁石の異なる吸着面を利用していることを除いて図１の実施形態の場合と同じ構成となっている。
【００８１】
即ち、図１１に示すように、鉄鋼板１１１は診断すべきコンクリート構造物１１０の表面と垂直なコンクリート構造物１１０′の表面に直接接着されている。鉄鋼板１１１の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、鉄鋼板１１１の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００８２】
加振装置１１２は、図１１に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１１２０と、この振動素子１１２０の振動をコンクリート構造物１１０の局部表面に伝える振動ロッド１１２１と、振動ロッド１１２１に予圧を与える予圧ばね１１２２と、予圧ばね１１２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１１２３と、加振装置１１２全体を鉄鋼板１１１にそれぞれ固定するための電磁石１１２４と、電磁石１１２４のオンオフスイッチ１１２５とを備えている。電磁石１１２４は、診断すべきコンクリート構造物１１０の表面と垂直方向の吸着面１１２４ｂを利用して鉄鋼板１１１に磁気的に吸着している。即ち、本実施形態の加振装置１１２は、図１の実施形態の図２に示した加振装置１２における電磁石１２４の位置をコンクリート構造物１１０に対して後方にずらしてボルト止めしたものである。
【００８３】
本実施形態におけるその他の動作及び作用効果は図１の実施形態の場合とほぼ同様である。
【００８４】
本発明のまたさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが振動モードを解析に入れるように構成しても良い。これは、変状などの欠陥情報は周波数のピークのみでなく振動モードにも影響するためである。そこで、複数の計測器１３をコンクリート構造物１０上に等間隔に配列し、これらの計測器１３からの応答振幅の相対的変化を観測することにより振動モードの形状を得てその形状変化から変状の小さな影響を検出するようにしている。このような振動モードの変化を検出した方が周波数変化を検出する場合に比して、より高感度に欠陥を検出することができる。
【００８５】
以下、本実施形態の理論解析部１４１ｂが用いる評価関数の導出について、具体的に説明する。
【００８６】
まず、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）の定義について説明する。今、０からＴの間における連続時間級数をｘ（ｔ）とすると、離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）Ｘ（ｆ）は以下のように定義される。ここで、ｉ＝√（−１）、ｆ＝巡回周波数（Ｈｚ）である。
【数２】
この式は複素式でありその大きさは、周波数に対するｍ／ｓ２又はｇのような工学単位（ＥＵ）でプロットされる。これにより、パワースペクトルは下式のように定義される。ただし、＊は複素共役を示している。
【数３】
パワースペクトルは、単位（ＥＵ）２の実数値周波数領域関数である。ＰＳＤであるＧｘ（ｆ）は下式のように定義される。
【数４】
ここで、Ｅ［ ］はＸ（ｆ）のｎサンプルに渡っての特定の周波数ｆについての集合平均を表している。このＰＳＤの定義より、加振力の測定を行うことなく構造物の計測した応答、例えば加速度応答、からＰＳＤを算出できることが分かる。ただし、加振力は同一振幅及び同一振動波形でなければならない。このように、コンクリート構造物の健全度を診断する場合、加振力は測定する必要がない。
【００８７】
次に、振動モードの導出について説明する。Ｄｉ（ｆ）が周波数ｆかつチャネル番号ｉにおけるＰＳＤの大きさであるとすると、損傷の前後におけるＰＳＤの大きさの差の絶対値は下記のように表される。ここで、Ｇｉ（ｆ）及びＧｉ＊（ｆ）は損傷していない場合及び損傷している場合のＰＳＤの大きさをそれぞれ表している。
【数５】
ＰＳＤの変化が周波数ｆ１からｆｍの範囲の異なる周波数で測定された場合、マトリクス［Ｄ］は以下のようになる。ここで、ｎは測定点数である。
【数６】
このマトリクス［Ｄ］において、各列は同一周波数であるが異なる計測点におけるＰＳＤ変化を表している。異なる周波数におけるＰＳＤ変化の総和が、損傷発生及び損傷増大のインディケータとして使用可能である。換言すれば、損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）が、下式のように、マトリクス［Ｄ］の行の和から算出される。
【数７】
【００８８】
しかしながら、この損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）では、コンクリート構造物における損傷の位置については不明であるため、この損傷位置を表すインディケータを以下のようにして導出した。
【００８９】
まず、各周波数におけるＰＳＤ変化の最大値（マトリクス［Ｄ］の各列の最大値）を抽出し、他の計測点で測定したＰＳＤ変化を全て削除する。例えば、マトリクス［Ｄ］において、Ｄ３（ｆ１）が第１列の最大値であるとするとこの値がＭ３（ｆ１）として用いられ、この列の他の全ての値が削除される。同様の処理が他の列に対しても行われることにより、異なる周波数におけるＰＳＤの最大変化のマトリクス［Ｍ］が下式のように求められる。
【数８】
全ての計測点における損傷検出の周波数を監視するため、下記のような新たなマトリクス［Ｃ］が形成される。このマトリクスは、損傷されていない位置である０と、損傷された位置である１とから成っている。例えば、このマトリクス［Ｃ］において、Ｍ３（ｆ１）及びＭ２（ｆ２）に対応する位置に１が入っている。
【数９】
ＰＳＤの最大変化の合計ＳＭは、下式のように、マトリクス［Ｍ］の行の和から算出される。
【数１０】
異なる計測点において損傷を検出した回数の合計ＳＣは、下式のように、マトリクス［Ｃ］の行の和から算出される。
【数１１】
ノイズによる影響及び測定エラーを減少するために、ベクトル｛ＳＭ｝からベクトル｛ＳＭ｝における要素の標準偏差σ又はその２倍２σが減算される。負の減算結果は削除される。同様な処理がベクトル｛ＳＣ｝についてもなされ、その結果、下式が得られる。
【数１２】
以上の結果、下式に示すように、損傷インディケータ（Ｄａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ １及びＤａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ２）が｛ＳＭＤ｝及び｛ＳＣＤ｝のスカラー積から定義される。
【数１３】
これら損傷インディケータ（Ｄａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ １及びＤａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ２）は連続体であるコンクリート構造物の損傷の位置の評価に用いられ、一方、前述した損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）は連続体であるコンクリート構造物の損傷の発生及びその程度の評価に用いられる。
【００９０】
本発明のさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが内部歪みエネルギの変化を解析に入れるように構成しても良い。これは、振動モードが得られるとコンクリート構造物全体の振動時の内部歪みエネルギの変化も得られるため、エネルギ比較を行うことによって欠陥検出を行うことができる。この場合も、複数の計測器１３をコンクリート構造物１０上に等間隔に配列し、これらの計測器１３からの応答振幅の相対的変化を観測することにより振動モードを得てエネルギ比較を行う。このような内部歪みエネルギを比較する場合も周波数変化を検出する場合に比して、より高感度に欠陥を検出することができる。
【００９１】
以下、本実施形態の理論解析部１４１ｂが用いる評価関数の導出について、簡単に説明する。
【００９２】
内部歪みエネルギは、計測点の振動変位から算出される。限られた計測点の変位データを補完して振動モード形状を確定する。その変位による振動モード関数を例えば微分するなどしてコンクリート構造物全体の歪みエネルギを計算する。例えば、微少要素の歪みエネルギＷｅは、下式から求められる。
Ｗｅ＝（σｘεｘ＋σｙεｙ＋σｚεｚ＋２τｙｚγｙｚ＋２τｚｘγｚｘ＋２τｘｙγｘｙ）／２
Ｗｅが微少要素の歪みエネルギ関数であるため、これを構造部の体積全体で積分して評価関数である全体の歪みエネルギＷを求める。即ち、Ｗ＝∫Ｗｅ・ｄＶから評価関数を求めることにより、この全体の歪みエネルギＷの変化から連続体であるコンクリート構造物の評価を行う。
【００９３】
本発明のまたさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが欠陥による振動モード形状の変化を周波数毎に重ね合わせることにより欠陥の影響をより明確に表すように構成しても良い。即ち、前述したマトリクス［Ｄ］においては、行が周波数ｆ毎、列が計測点毎の損傷の程度Ｄを表しているため、周波数毎に欠陥の影響が求まることとなる。そこで、このマトリクス［Ｄ］を周波数ｆで重ね合わせることにより計測点毎の欠陥の影響が全周波数の影響として求まることとなり、損傷位置が非常に明確となる。
【００９４】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施形態におけるコンクリート構造物の診断システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【図３】図１の実施形態における制御及び診断処理ユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】ＧＡのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図５】ＧＡを用いて診断を行う場合の手順を示すフローチャートである。
【図６】診断対象に付与する振動波形としてスイープ振動を例示する図である。
【図７】計測データを例示する図である。
【図８】計測データからパワースペクトルを求めた図である。
【図９】理論解析部で算出した振動モードの波形である。
【図１０】本発明の他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す上面図及び一部破断正面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、１００、１１０、１１０′ コンクリート構造物
１１、１０１ａ、１０１ｂ、１１１ 鉄鋼板
１２、１０２、１１２ 加振装置
１３ 計測器
１４ 制御及び診断処理装置
１２０、１０２０、１１２０ 振動素子
１２１、１０２１、１１２１ 振動ロッド
１２２、１０２２、１１２２ 予圧ばね
１２３、１０２３、１１２３ ばね調整用ノブ
１２４、１０２４ａ、１０２４ｂ、１１２４ 電磁石
１２４ａ、１２４ｂ、１１２４ｂ 吸着面
１２５、１０２５ａ、１０２５ｂ、１１２５ オンオフスイッチ
１４０ 統括制御部
１４１ 解析ユニット
１４１ａ 実験モード解析部
１４１ｂ 理論解析部
１４１ｃ 評価部
１４１ｄ 解析ＤＢ部
１４２ 駆動部
１４３ 励磁用電源部
１４４ 信号発生部
１４５ 増幅器
１４６ Ａ／Ｄ変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート構造物の微小な変状を検出してその健全度を診断することができるコンクリート構造物の診断システム及び診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄橋、船舶、鉄道施設等の鋼材構造物や、橋梁、トンネル、ビル、発電所等のコンクリート構造物における健全度の診断は、目視による変状状態の発見やハンマで診断対象に振動を与え、その時の音から変状の有無を判断することが行われていた。
【０００３】
しかしながら、このような診断方法では見落としが発生しやすく、またその判断において個人差があるため信頼性が低く、また、再現性のある診断を行うことが困難であった。
【０００４】
そこで、構造物に圧電素子を貼付し一定の周波数域で加振して、低周波数域における振動モードの変化を観察することで構造物全体の変状を検知し、また圧電素子の高周波数域での電気インピーダンスの変化を検知することで局所的な欠陥を検知する方法が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
しかし、本来、構造物の変状箇所を特定するには、変状によって生ずる反射波を圧電素子によって検出し、検出信号における注目点の時間軸上の位置と弾性波の伝播速度とからその位置を同定する必要があり、当該位置の特定に長時間を要する問題があった。
【０００６】
このような状況に鑑み、本願発明者等は、構造物に局部振動を付与し、その応答を計測して求めた振動モードの変化から診断対象の変状を診断するシステムを提案した（特許文献２、特許文献３、特許文献４）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−９９７６０号公報
【特許文献２】特許第３６９４７４９号公報
【特許文献３】特許第３７０５３５７号公報
【特許文献４】特開２００４−３０１７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２〜４に記載されている本願発明者等による診断システムは、Ｈ形鋼等の鋼材構造物を診断対象とするものであり、コンクリート構造物を診断対象とした場合、特にその加振装置を構造物に取付ける方法について何等考慮を行っていなかった。
【０００９】
従って本発明の目的は、コンクリート構造物に対して加振装置を容易に取付けてその診断を行うことが可能なコンクリート構造物の診断システム及び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】
【００１０】
本発明によれば、コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、加振装置を駆動する駆動手段と、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えたコンクリート構造物の診断システムが提供される。
【００１１】
磁性体板部材をコンクリート構造物に固着しておき、この磁性体板部材に磁気的に吸着することによって加振装置をコンクリート構造物に固定し、この状態で加振装置で局部加振することによりコンクリート構造物の健全度を求める。このように、本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。即ち、本発明によれば、コンクリート構造物の診断を鋼構造物と同様に診断できるので、コンクリート構造物の剥離落下等を容易に予測でき、従って、建築、トンネル等の診断を精度良くかつ容易に行うことができるから社会的意義は非常に大きい。
【００１２】
加振装置が、作動時に付勢され磁性体板部材に磁気的に吸着される少なくとも１つの電磁石と、少なくとも１つの電磁石に機械的に連結されており、振動を発生してその振動を診断すべきコンクリート構造物の表面に印加する振動素子とを備えていることが好ましい。
【００１３】
振動素子が、圧電振動素子であることがより好ましい。
【００１４】
磁性体板部材が診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板であり、少なくとも１つの電磁石が作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることも好ましい。この場合、少なくとも１つの電磁石が、鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石であることも好ましい。
【００１５】
少なくとも１つの電磁石が、診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板及び診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板のいずれにも選択的に磁気的に吸着可能に構成されていることが好ましい。
【００１６】
磁性体板部材が診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板であり、少なくとも１つの電磁石が作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることも好ましい。
【００１７】
解析手段が、計測手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験モード解析部と、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、実験固有振動数と所定の一致度で一致する理論固有振動数を持つ個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、この個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えていることも好ましい。
【００１８】
本発明によれば、さらに、診断すべきコンクリート構造物に磁性体板部材を固着し、加振装置を磁性体板部材に磁気的に吸着して固定し、加振装置から診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与え、診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測し、計測によって得られた振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて診断すべきコンクリート構造物の健全度を求めるコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１９】
磁性体板部材をコンクリート構造物に固着しておき、この磁性体板部材に磁気的に吸着することによって加振装置をコンクリート構造物に固定し、この状態で加振装置から振動を与えることによりコンクリート構造物の健全度を求める。このように、本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。即ち、本発明によれば、コンクリート構造物の診断を鋼構造物と同様に診断できるので、コンクリート構造物の剥離落下等を容易に予測でき、従って、建築、トンネル等の診断を精度良くかつ容易に行うことができるから社会的意義は非常に大きい。
【００２０】
加振装置の少なくとも１つの電磁石を磁性体板部材に磁気的に吸着して加振装置を固定し、加振装置の振動素子によって振動を発生してその振動を診断すべきコンクリート構造物の表面に印加することが好ましい。この場合、振動素子として、圧電振動素子を用いることが好ましい。
【００２１】
磁性体板部材として鋼鉄板を診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着し、少なくとも１つの電磁石を作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着させることも好ましい。この場合、少なくとも１つの電磁石として、鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石を用いることが好ましい。
【００２２】
磁性体板部材として鋼鉄板を診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着し、少なくとも１つの電磁石を作動時に鋼鉄板に磁気的に吸着させることも好ましい。
【００２３】
計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求め、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とし、実験固有振動数と所定の一致度で一致する理論固有振動数を持つ個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、個体の遺伝子情報から変状状態を推定し、探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論固有振動数を演算できるようにしたことも好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、加振装置を極めて容易にコンクリート構造物に固定できるので、その診断が非常に容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は本発明の一実施形態におけるコンクリート構造物の診断システムの全体構成を概略的に示すブロック図であり、図２は本実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図であり、図３は本実施形態における制御及び診断処理ユニットの構成を示すブロック図である。
【００２６】
図１において、１０は診断すべきコンクリート構造物、１１はこのコンクリート構造物１０の表面の一部に例えば接着剤で固着された磁性体板部材の一例である鉄鋼板、１２は動作時に鉄鋼板１１に電磁石で固定され、コンクリート構造物１０に振動を与える加振装置、１３は与えた振動による応答を計測する計測器、１４は全体の動作を統括的に制御する統括制御部１４０、計測器１３が検出した応答から振動モードを求めてコンクリート構造物１０の健全度を最終的に求める解析ユニット１４１、加振装置１２の駆動部１４２、並びに固定用電磁石の励磁用電源部１４３等を有する制御及び診断処理装置をそれぞれ示している。統括制御部１４０及び解析ユニット１４１は、本実施形態では、デジタルコンピュータで構成されている。
【００２７】
鉄鋼板１１は、本実施形態では、診断すべきコンクリート構造物１０の表面にと平行になるように、その表面に直接接着されている。鉄鋼板１１の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、鉄鋼板１１の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００２８】
加振装置１２は、図２に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１２０と、この振動素子１２０の振動をコンクリート構造物１０の局部表面に伝える振動ロッド１２１と、振動ロッド１２１に予圧を与える予圧ばね１２２と、予圧ばね１２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１２３と、加振装置１２全体を鉄鋼板１１に固定するための電磁石１２４と、電磁石１２４のオンオフスイッチ１２５とを備えている。
【００２９】
振動素子１２０としては、コンクリート構造物１０の局所における変状を観測するために高周波（例えば５００Ｈｚ以上）の振動を与えることができ、小型で微小な力で振動を与えることができるように、ピエゾ圧電効果を利用した積層型圧電素子を用いている。このような高周波の振動を与えることにより、診断対象の変状を観測することが可能となる。これは診断対象が、原子力発電所、化学プラント、船舶等のコンクリート構造物である場合、その重量が重いため、これらの固有振動数（１次のモードにおける固有振動数）が非常に低い振動数になるが、変状点の固有振動数は振動数が高いため、かかる振動数での変化が計測できるようになるためである。
【００３０】
電磁石１２４は、この診断システム動作時には、オンオフスイッチ１２５をオンとすることによって励磁され、その吸着面１２４ａが鉄鋼板１１に磁気的に吸着する。これによって加振装置１２がコンクリート構造物１０に確実に固定されることとなる。その際、振動ロッド１２１の先端がコンクリート構造物１０の表面に直接的に当接する。なお、本実施形態では、電磁石の吸着面１２４ａを使用しているが、この電磁石はこの吸着面とは垂直方向の吸着面１２４ｂをも有しており、鉄鋼板がこの方向に向いている場合はこの吸着面１２４ｂを利用して磁気的に吸着することが可能である（図１１の実施形態）。
【００３１】
計測器１３は、コンクリート構造物１０に固着された、本実施形態では、小型の半導体型加速度計であり、加振装置１２が与えた振動に対する応答を計測するために、コンクリート構造物１０の変位を計測する。計測器１３として、レーザ式変位測定器、圧電素子等を用いてもよい。計測器１３に圧電素子を利用する場合には、加振装置１２における振動素子１２０と共用することも可能である。計測器１３の配置位置は、加振装置の配置位置や予想される変状点位置等に応じて適宜設定される。
【００３２】
図３に示す制御及び診断処理装置１４において、統括制御部１４０は、診断対象であるコンクリート構造物１０の健全度を最も適切に診断するための加振条件を指示すると共に、診断結果を表示等することにより診断処理全体を統括する。また、診断開始時には、診断開始指令や加振条件等の制御データを信号発生部１４４を介して駆動部１４２へ送る。さらに、計測器１３からの計測データを解析ユニット１４１へ送ると共に、この解析ユニット１４１から診断結果を受取って画面表示する。さらにまた、励磁用電源部１４３についても供給の制御をすることが可能である。
【００３３】
信号発生部１４４は、統括制御部１４０からの加振条件に基づき、診断対象に付与する振動の波形信号を発生する。この波形信号は駆動部１４２において増幅されて駆動信号となり、加振装置１２の振動素子１２０に印加される。この信号発生部１４４は、ファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザ等から構成され、統括制御部１４０からの加振条件に応じたアナログ信号の波形信号を生成して出力する。一般にマルチファンクションジェネレータやマルチファンクションシンセサイザでは、それ自体においてサイン波、矩形波、ノコギリ波等の一般的な波形信号を生成することができるが、診断対象や目的に応じて任意の波形信号が作成できる機能を具備していることが望ましい。マルチファンクションジェネレータを用いることにより、複数の加振装置を用いてマルチチャネルによる加振が可能となる。即ち、各加振装置毎に加振のタイミングをずらしたり、位相を変えたり、振幅、周波数若しくは加振時間を変えたり、さらにはスイープ振動（振幅や周波数を時間と共に変化させた振動）させたり等診断対象や目的に応じた加振が可能となる。
【００３４】
駆動部１４２は、信号発生部１４４からの波形信号を所定のゲインで増幅し、これを駆動信号として加振装置１２の振動素子１２０へ出力する。なお、ゲインは、信号発生部１４４から指定できるようにしてもよい。
【００３５】
計測器１３には、その出力であるアナログの計測信号を増幅する増幅器１４５が接続されており、この増幅器１４５にはその出力信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器１４６が接続されている。増幅器１４５は、各計測器に対応して設けられたシグナルコンディショナ等からなり、主にＡ／Ｄ変換器１４６に入力する信号レベルの調整を行う。各増幅器のゲインは計測器の構成や診断対象の構成に依存して設定される。即ち、各増幅器のゲインは一定となるように（少なくとも同一レベルの信号が入力されたときに同一レベルの信号が出力されるように）設定する必要があり、また増幅器１４５からの信号をディジタル信号に変換する際にオーバーフローを起こさないように設定する。なお、診断対象に応じて付与する振動のエネルギを調整したい場合や、印加する振動エネルギを連続的に変化させたい場合には、固定ゲインの増幅器であるとオーバーフローを起こしてしまう場合があるので、ゲインは調整可能であることが望ましい。このゲイン調整は、マニュアル調整でもよく、また、統括制御部１４０からゲイン調整できるようにしても良い。
【００３６】
Ａ／Ｄ変換器１４６には統括制御部１４０が接続されており、ディジタルの計測信号がこの統括制御部１４０に入力されるように構成されている。
【００３７】
解析ユニット１４１は、計測データから診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下実験固有振動数）を求める実験モード解析部１４１ａと、理論的に診断対象の１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数（以下理論固有振動数）を算出する理論解析部１４１ｂと、理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件下で一致するか否かを判断して健全度診断を行う評価部１４１ｃと、診断情報、理論固有振動数及び実験固有振動数等の情報を保存する解析データベース（解析ＤＢ）部１４１ｄとを備えている。
【００３８】
以下、この解析ユニット１４１について、より詳細に説明する。
【００３９】
診断すべきコンクリート構造物１０に損傷等の変状が生じると、印加した振動の応答を計測してそのパワースペクトルのピーク周波数が変位する。即ち、変状発生の有無が、パワースペクトルに違いが生じているか否かを判断することにより知ることができる。従って、パワースペクトルが健全時のものからどのように変化したかを比較することにより健全度診断が可能となる。
【００４０】
しかしながら、これによって変状の発生が判断できでも、その変状の位置やそのような変状が起きているかまでは判断することができない。そこで、かかる変状点の位置や変状内容までも診断内容とすべく、評価部１４１ｃでは、解析アルゴリズムを用いている。
【００４１】
このような解析アルゴリズムとしては、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｌｔｈｍ）、ニューロネットワーク回帰分析、多変量解析、パターン認識解析等が適用可能であるが、この中でも最適化問題に非常に有効であるとされている遺伝的アルゴリズムを用いた場合を以下説明する。
【００４２】
まず、ＧＡの概要を簡単に説明する。ＧＡはもともと、生物界にある遺伝の法則を模擬して案出された手法で、複数の解を遺伝的に変化させながら、より良い解を求める手法である。そして、この解を遺伝子という形で表現する（コーディングする）。
【００４３】
図４は、ＧＡのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００４４】
ＧＡでは、まず、解（個体）の集団である初期集団（個体群）を作成する（ステップＳ１）。この個体は診断対象の１の変状状態に対応し、この個体を特徴付ける遺伝子情報として変状点の位置等を用いる。
【００４５】
次に、評価を行う。評価は全ての個体（解）について適合度を求めて、この適合度に基づき次の世代に残す個体を決定する（ステップＳ２、ステップＳ３）。この適合度は、解の評価の高さのようなもので、良い解ほど高い適合度が得られるように評価関数を設定する。なお、本発明においては、各個体の理論固有振動数を計算して、この理論固有振動数が実験固有振動数とどの程度適合（一致）しているか（良い解であるか）を評価関数により評価する。評価関数については後述する。
【００４６】
変状態様が鉄鋼材においてボルトが弛緩したような場合には、想定した個体の中に最適解を見出せる場合も多いが、コンクリート構造物の剥離のような場合には、想定した個体からは最適解を見いだすことができないこともある。そこで、ＧＡにおいては、ＧＡオペレータと称される交叉や突然変異操作を行う（ステップＳ４）。
【００４７】
この交叉や突然変異操作は遺伝の法則をヒントに作られたもので、交叉では複数の親（一般には二つ個体）から遺伝子を受け継ぐ新しい個体（子）を一定の確率で発生させ、突然変異では交叉より低い確率で個体が発生するように設定する。
【００４８】
ただし、変状がボルトの弛緩ではなく、剥離であった場合には、交叉操作を繰返しても最適解が求まらないので、この場合には突然変異操作により剥離を変状内容とする個体を生成して探査を行うことになる。このような探査を一世代と考え所定回数について行い最適解を求める。
【００４９】
図５はＧＡを用いて診断を行う場合の手順を示すフローチャートである。
【００５０】
以下この図を用いて診断手順を説明する。まず、診断対象に加振する（ステップＳ１１）。これにより、診断対象からは１次〜ｎ次（ｎ：整数）の振動モードを持つ応答振動が計測される。
【００５１】
そこで、解析ユニット１４１の実験モード解析部１４１ａでは、計測データのパワースペクトル分析を行い、変状により卓越した振幅が変化し、又は新たに卓越した振幅が生じるとして、この卓越点を探して実験固有振動数とする（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。
【００５２】
例えば、診断対象に図６に示すような、周波数をスタート周波数からストップ周波数まで連続的に変化するスイープ振動を付与した場合には、図７に示すような計測データが観測される。そこで、実験モード解析部１４１ａで、この計測データに対しパワースペクトル分析を行って、図８に示すようなパワースペクトルを得、同図で縦線を引いた所を実験固有振動数とする。
【００５３】
なお、計測データをフーリエ変換して周波数分析を行い、各周波数における振幅が卓越している点を実験固有振動数としてもよく、さらにはフーリエ変換して得られたデータに対し、パワースペクトル分析を行うことにより振幅変化を明確化し、これにより精度良く実験固有振動数を同定するようにしても良い。
【００５４】
図６に示すようなスイープ振動を付与する理由は、この変状点を共振させ、変状点の位置、大きさ、種類等の情報を計測データに含まれるようにするためである。
【００５５】
即ち、診断時においては変状点の位置等は不明であるので、幅広い周波数で加振することにより変状点を共振させて計測データにその情報が含まれるようにする。無論、変状点が特定できる場合や変状点が高精度に予測できる場合等においては、スイープ振動でなく一定振動数の振動であってもよく、また狭い範囲で周波数が変化する振動であっても良い。
【００５６】
図６において印加された振動は診断対象の表面又はその近傍を伝播する表面弾性波と考えているが、コンクリート構造物における鉄筋の腐食や酸性雨によるコンクリートの変状等の内部欠陥のように深い位置での変状を計測する際には、当然のことながらその深度まで振動を伝播させ、その応答が返ってくるだけのエネルギが必要になる。このため、例えば時間と共に振幅が増大するスイープ振動を付与する等の検出する変状点の深度に対応したエネルギの振動を印加することが必要となる。
【００５７】
図６におけるような診断対象の場合には、変状の態様としては（１）コンクリートの剥離、（２）材料劣化、（３）鉄筋との付着剥離、（４）表面のクラック等が想定することができる。
【００５８】
理論解析部１４１ｂは、診断対象の低次から高次の理論固有振動を有限要素法等を用いて算出する。有限要素法では、診断対象を複数の要素に分割し、各要素の境界条件を変化させて計算する。
【００５９】
このため予め想定される変状点に対応した要素分割が重要になる。例えば、変状として剥離が想定される場合には、要素の１に想定される剥離位置が含まれるように要素分割する。なお、変状として剥離を想定する場合には隣接する要素との連続性が無いとする境界条件を遺伝子情報に設定する。このように、想定される変状の性質に応じて遺伝子情報に設定し、これを演算パラメータとする。
【００６０】
最初の診断時（Ｋ＝１）においては構造物の理論値算出に必要な定数を演算パラメータとして理論固有振動数を算出し、この理論固有振動数が実験固有振動数と所定条件で一致するようにこの演算パラメータを変化させる。そして、一致したときの演算パラメータを診断対象のその定数であると同定する。
【００６１】
これにより、実際の診断対象の固有振動数に近い（精度の高い）理論固有振動数を容易に求めることができ、演算に要する時間を短縮することが可能となる。
【００６２】
最初の診断時（Ｋ＝１）とは、当該装置を設置した場合や設置後に解析データベースのデータが初期化された場合の最初に診断する時を意味している。診断対象の変状は状態変化を検出することにより行うため、最初の診断では（Ｋ＝１）では元の状態に関するデータが存在しないため診断が行えず、またＧＡにおける個体群も設定されていない状態だからである。
【００６３】
このため、最初の診断時には、ＧＡにおける個体群を設定し（ステップＳ１４、ステップＳ１６）、個体の遺伝子情報をコーディングする（ステップＳ１７）。
【００６４】
その後、有限要素法により理論固有振動数を算出する（ステップＳ１８）。このとき、遺伝子情報を構成する変状点位置を演算パラメータとして演算し、図９に示すような振動数（横軸）に対する振幅（縦軸）の曲線が得られる。
【００６５】
この曲線の極大値は、１次〜ｎ次の振動モードにおける固有振動数に対応し、この固有振動数が変状の発生により影響を受けて、周波数変化等として現れているとする。
【００６６】
評価部１４１ｃでは、このように得られた理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）とを予め設定した評価関数δに代入して適応度の評価を行う（ステップＳ１９）。ここで、ｉはｉ次の振動モードの固有振動数であることを示している。評価関数δとしては、例えば下式のように理論固有振動数ｆａ（ｉ）と実験固有振動数ｆｅ（ｉ）との差分の２乗を各振動モードで加算する関数とすることができる。無論、種々の評価関数δを定義することができ、例えば差分の絶対値を各振動モードで加算する関数としてもよい。
【００６７】
【数１】
【００６８】
一方、ステップＳ１４において、最初の診断（Ｋ＝１）でないと判断された場合には、解析ＤＢ部１４１ｄから前回の診断結果であるデータＤ（Ｋ−１）を読込み、このデータＤ（Ｋ−１）に含まれている理論固有振動数とステップＳ１３で求めた実験固有振動数とを用いて適応度を評価する（ステップＳ１９）。
【００６９】
このようにして得られた適応度が、一定の適応度基準値より小さいか否かを判断し（ステップＳ２０）、適応度基準値より大きい場合（適応度が低い場合）には、予め設定した交叉確率Ｐｃ、突然変異確率Ｐｍに基づいて遺伝子操作を行う（ステップＳ２１）。このような処理を１世代として、予め設定された世代数まで繰返して最適解を求める。
【００７０】
最適解が求まると、診断が最初（Ｋ＝１）で有るか否かを判断し、Ｋ＝１の場合には求まった最適解からなる個体群をデータＤ（Ｋ）として解析ＤＢ部１４１ｄに保存する（ステップＳ２５）。
【００７１】
一方、診断が最初でない場合には（Ｋ≠１）、最適解の個体における遺伝子情報から変状位置や変状の内容を判断することにより健全度診断を行い（ステップＳ２３、ステップＳ２４）、その結果を保存する（ステップＳ２５）。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態によれば、鉄鋼板１１をコンクリート構造物１０に固着しておき、この鉄鋼板１１に電磁石で磁気的に吸着することによって加振装置１２をコンクリート構造物１０に固定し、この状態で加振装置１２から振動を与えることによりコンクリート構造物の健全度を求めているので、加振装置１２を極めて容易にコンクリート構造物１０へ固定できることとなり、その診断が非常に容易となる。
【００７３】
もちろん、健全時にコンクリート構造物の同定を行っておくことにより、経年変化や強い圧力や衝撃など何らかのストレスが加わることによって引き起こされた局所的に変化が起こっている場所を特定することができる。また、局所的な変化を把握することができるので、その変化に応じて適切に対処することができアセットマネージメントの観点から見ても非常に有効である。さらに、構造物の維持管理技術の点から、微小な変状（予兆、徴候）を早期に発見して、予防的な補修補強を実施することが、構造物のライフサイクルコストを減少でき、維持管理経費の有効活用に資することができる。
【００７４】
図１０は、本発明の他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す（Ａ）上面図及び（Ｂ）一部破断正面図である。
【００７５】
この実施形態においては、加振装置１０２に２つの電磁石が設けられており、コンクリート構造物の表面には各電磁石に対向する位置に鉄鋼板がそれぞれ固着されていることを除いて図１の実施形態の場合と同じ構成となっている。
【００７６】
即ち、図１０に示すように、２つの鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂが、診断すべきコンクリート構造物１００の表面にと平行になるように、その表面に直接接着されている。鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂの各々の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、各鉄鋼板の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００７７】
加振装置１０２は、図１０に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１０２０と、この振動素子１０２０の振動をコンクリート構造物１００の局部表面に伝える振動ロッド１０２１と、振動ロッド１０２１に予圧を与える予圧ばね１０２２と、予圧ばね１０２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１０２３と、加振装置１０２全体を２つの鉄鋼板１０１ａ及び１０１ｂにそれぞれ固定するための２つの電磁石１０２４ａ及び１０２４ｂと、電磁石１０２４ａ及び１０２４ｂのオンオフスイッチ１０２５ａ及び１０２５ｂとを備えている。
【００７８】
本実施形態によれば、２つの電磁石によって２つの鉄鋼板に磁気的吸着がなされるので、加振装置をコンクリート構造物により堅固に固定することができる。しかも、加振部に対して対称位置で磁気的吸着がなされるので、浮き上がりなどが起こらずに安定しており、平均した加振を行うことができる。本実施形態におけるその他の動作及び作用効果は図１の実施形態の場合とほぼ同様である。
【００７９】
図１１は本発明のさらに他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【００８０】
この実施形態においては、加振装置１１２の電磁石の異なる吸着面を利用していることを除いて図１の実施形態の場合と同じ構成となっている。
【００８１】
即ち、図１１に示すように、鉄鋼板１１１は診断すべきコンクリート構造物１１０の表面と垂直なコンクリート構造物１１０′の表面に直接接着されている。鉄鋼板１１１の厚さは、本実施形態では、約２ｍｍ程度であるが、これに限定されるものではない。また、鉄鋼板１１１の寸法は、固定用電磁石の吸着面の寸法（例えば７５ｍｍ×５０ｍｍ程度の矩形）より大きければ良く、その形状もいかなるものであっても良い。なお、本発明の磁性体板部材としては、鉄鋼板に限らず、磁気的に吸着できる板部材であればどのようなものであっても適用可能である。
【００８２】
加振装置１１２は、図１１に示すように、所定の周波数域で振動する振動素子１１２０と、この振動素子１１２０の振動をコンクリート構造物１１０の局部表面に伝える振動ロッド１１２１と、振動ロッド１１２１に予圧を与える予圧ばね１１２２と、予圧ばね１１２２の自由長を変えて予圧を調整するためのばね調整用ノブ１１２３と、加振装置１１２全体を鉄鋼板１１１にそれぞれ固定するための電磁石１１２４と、電磁石１１２４のオンオフスイッチ１１２５とを備えている。電磁石１１２４は、診断すべきコンクリート構造物１１０の表面と垂直方向の吸着面１１２４ｂを利用して鉄鋼板１１１に磁気的に吸着している。即ち、本実施形態の加振装置１１２は、図１の実施形態の図２に示した加振装置１２における電磁石１２４の位置をコンクリート構造物１１０に対して後方にずらしてボルト止めしたものである。
【００８３】
本実施形態におけるその他の動作及び作用効果は図１の実施形態の場合とほぼ同様である。
【００８４】
本発明のまたさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが振動モードを解析に入れるように構成しても良い。これは、変状などの欠陥情報は周波数のピークのみでなく振動モードにも影響するためである。そこで、複数の計測器１３をコンクリート構造物１０上に等間隔に配列し、これらの計測器１３からの応答振幅の相対的変化を観測することにより振動モードの形状を得てその形状変化から変状の小さな影響を検出するようにしている。このような振動モードの変化を検出した方が周波数変化を検出する場合に比して、より高感度に欠陥を検出することができる。
【００８５】
以下、本実施形態の理論解析部１４１ｂが用いる評価関数の導出について、具体的に説明する。
【００８６】
まず、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）の定義について説明する。今、０からＴの間における連続時間級数をｘ（ｔ）とすると、離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）Ｘ（ｆ）は以下のように定義される。ここで、ｉ＝√（−１）、ｆ＝巡回周波数（Ｈｚ）である。
【数２】
この式は複素式でありその大きさは、周波数に対するｍ／ｓ２又はｇのような工学単位（ＥＵ）でプロットされる。これにより、パワースペクトルは下式のように定義される。ただし、＊は複素共役を示している。
【数３】
パワースペクトルは、単位（ＥＵ）２の実数値周波数領域関数である。ＰＳＤであるＧｘ（ｆ）は下式のように定義される。
【数４】
ここで、Ｅ［ ］はＸ（ｆ）のｎサンプルに渡っての特定の周波数ｆについての集合平均を表している。このＰＳＤの定義より、加振力の測定を行うことなく構造物の計測した応答、例えば加速度応答、からＰＳＤを算出できることが分かる。ただし、加振力は同一振幅及び同一振動波形でなければならない。このように、コンクリート構造物の健全度を診断する場合、加振力は測定する必要がない。
【００８７】
次に、振動モードの導出について説明する。Ｄｉ（ｆ）が周波数ｆかつチャネル番号ｉにおけるＰＳＤの大きさであるとすると、損傷の前後におけるＰＳＤの大きさの差の絶対値は下記のように表される。ここで、Ｇｉ（ｆ）及びＧｉ＊（ｆ）は損傷していない場合及び損傷している場合のＰＳＤの大きさをそれぞれ表している。
【数５】
ＰＳＤの変化が周波数ｆ１からｆｍの範囲の異なる周波数で測定された場合、マトリクス［Ｄ］は以下のようになる。ここで、ｎは測定点数である。
【数６】
このマトリクス［Ｄ］において、各列は同一周波数であるが異なる計測点におけるＰＳＤ変化を表している。異なる周波数におけるＰＳＤ変化の総和が、損傷発生及び損傷増大のインディケータとして使用可能である。換言すれば、損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）が、下式のように、マトリクス［Ｄ］の行の和から算出される。
【数７】
【００８８】
しかしながら、この損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）では、コンクリート構造物における損傷の位置については不明であるため、この損傷位置を表すインディケータを以下のようにして導出した。
【００８９】
まず、各周波数におけるＰＳＤ変化の最大値（マトリクス［Ｄ］の各列の最大値）を抽出し、他の計測点で測定したＰＳＤ変化を全て削除する。例えば、マトリクス［Ｄ］において、Ｄ３（ｆ１）が第１列の最大値であるとするとこの値がＭ３（ｆ１）として用いられ、この列の他の全ての値が削除される。同様の処理が他の列に対しても行われることにより、異なる周波数におけるＰＳＤの最大変化のマトリクス［Ｍ］が下式のように求められる。
【数８】
全ての計測点における損傷検出の周波数を監視するため、下記のような新たなマトリクス［Ｃ］が形成される。このマトリクスは、損傷されていない位置である０と、損傷された位置である１とから成っている。例えば、このマトリクス［Ｃ］において、Ｍ３（ｆ１）及びＭ２（ｆ２）に対応する位置に１が入っている。
【数９】
ＰＳＤの最大変化の合計ＳＭは、下式のように、マトリクス［Ｍ］の行の和から算出される。
【数１０】
異なる計測点において損傷を検出した回数の合計ＳＣは、下式のように、マトリクス［Ｃ］の行の和から算出される。
【数１１】
ノイズによる影響及び測定エラーを減少するために、ベクトル｛ＳＭ｝からベクトル｛ＳＭ｝における要素の標準偏差σ又はその２倍２σが減算される。負の減算結果は削除される。同様な処理がベクトル｛ＳＣ｝についてもなされ、その結果、下式が得られる。
【数１２】
以上の結果、下式に示すように、損傷インディケータ（Ｄａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ １及びＤａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ２）が｛ＳＭＤ｝及び｛ＳＣＤ｝のスカラー積から定義される。
【数１３】
これら損傷インディケータ（Ｄａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ １及びＤａｍａｇｅ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ２）は連続体であるコンクリート構造物の損傷の位置の評価に用いられ、一方、前述した損傷インディケータ（Ｔｏｔａｌ Ｃｈａｎｇｅ）は連続体であるコンクリート構造物の損傷の発生及びその程度の評価に用いられる。
【００９０】
本発明のさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが内部歪みエネルギの変化を解析に入れるように構成しても良い。これは、振動モードが得られるとコンクリート構造物全体の振動時の内部歪みエネルギの変化も得られるため、エネルギ比較を行うことによって欠陥検出を行うことができる。この場合も、複数の計測器１３をコンクリート構造物１０上に等間隔に配列し、これらの計測器１３からの応答振幅の相対的変化を観測することにより振動モードを得てエネルギ比較を行う。このような内部歪みエネルギを比較する場合も周波数変化を検出する場合に比して、より高感度に欠陥を検出することができる。
【００９１】
以下、本実施形態の理論解析部１４１ｂが用いる評価関数の導出について、簡単に説明する。
【００９２】
内部歪みエネルギは、計測点の振動変位から算出される。限られた計測点の変位データを補完して振動モード形状を確定する。その変位による振動モード関数を例えば微分するなどしてコンクリート構造物全体の歪みエネルギを計算する。例えば、微少要素の歪みエネルギＷｅは、下式から求められる。
Ｗｅ＝（σｘεｘ＋σｙεｙ＋σｚεｚ＋２τｙｚγｙｚ＋２τｚｘγｚｘ＋２τｘｙγｘｙ）／２
Ｗｅが微少要素の歪みエネルギ関数であるため、これを構造部の体積全体で積分して評価関数である全体の歪みエネルギＷを求める。即ち、Ｗ＝∫Ｗｅ・ｄＶから評価関数を求めることにより、この全体の歪みエネルギＷの変化から連続体であるコンクリート構造物の評価を行う。
【００９３】
本発明のまたさらに他の実施形態として、解析ユニット１４１における理論解析部１４１ｂが欠陥による振動モード形状の変化を周波数毎に重ね合わせることにより欠陥の影響をより明確に表すように構成しても良い。即ち、前述したマトリクス［Ｄ］においては、行が周波数ｆ毎、列が計測点毎の損傷の程度Ｄを表しているため、周波数毎に欠陥の影響が求まることとなる。そこで、このマトリクス［Ｄ］を周波数ｆで重ね合わせることにより計測点毎の欠陥の影響が全周波数の影響として求まることとなり、損傷位置が非常に明確となる。
【００９４】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の一実施形態におけるコンクリート構造物の診断システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【図３】図１の実施形態における制御及び診断処理ユニットの構成を示すブロック図である。
【図４】ＧＡのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図５】ＧＡを用いて診断を行う場合の手順を示すフローチャートである。
【図６】診断対象に付与する振動波形としてスイープ振動を例示する図である。
【図７】計測データを例示する図である。
【図８】計測データからパワースペクトルを求めた図である。
【図９】理論解析部で算出した振動モードの波形である。
【図１０】本発明の他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す上面図及び一部破断正面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態における加振装置及びそのコンクリート構造物への取付け構造を示す一部破断断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、１００、１１０、１１０′ コンクリート構造物
１１、１０１ａ、１０１ｂ、１１１ 鉄鋼板
１２、１０２、１１２ 加振装置
１３ 計測器
１４ 制御及び診断処理装置
１２０、１０２０、１１２０ 振動素子
１２１、１０２１、１１２１ 振動ロッド
１２２、１０２２、１１２２ 予圧ばね
１２３、１０２３、１１２３ ばね調整用ノブ
１２４、１０２４ａ、１０２４ｂ、１１２４ 電磁石
１２４ａ、１２４ｂ、１１２４ｂ 吸着面
１２５、１０２５ａ、１０２５ｂ、１１２５ オンオフスイッチ
１４０ 統括制御部
１４１ 解析ユニット
１４１ａ 実験モード解析部
１４１ｂ 理論解析部
１４１ｃ 評価部
１４１ｄ 解析ＤＢ部
１４２ 駆動部
１４３ 励磁用電源部
１４４ 信号発生部
１４５ 増幅器
１４６ Ａ／Ｄ変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に該磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、該加振装置を駆動する駆動手段と、前記診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、該計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて前記診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えたことを特徴とするコンクリート構造物の診断システム。
【請求項２】
前記加振装置が、作動時に付勢され前記磁性体板部材に磁気的に吸着される少なくとも１つの電磁石と、該少なくとも１つの電磁石に機械的に連結されており、振動を発生してその振動を前記診断すべきコンクリート構造物の表面に印加する振動素子とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の診断システム。
【請求項３】
前記振動素子が、圧電振動素子であることを特徴とする請求項２に記載の診断システム。
【請求項４】
前記磁性体板部材が前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板であり、前記少なくとも１つの電磁石が作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の診断システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電磁石が、前記鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石であることを特徴とする請求項４に記載の診断システム。
【請求項６】
前記磁性体板部材が前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板であり、前記少なくとも１つの電磁石が作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の診断システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの電磁石が、前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板及び前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板のいずれにも選択的に磁気的に吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の診断システム。
【請求項８】
前記解析手段が、前記計測手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験モード解析部と、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、該遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、前記実験固有振動数と所定の一致度で一致する前記理論固有振動数を持つ前記個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、該評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて前記理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の診断システム。
【請求項９】
診断すべきコンクリート構造物に磁性体板部材を固着し、加振装置を該磁性体板部材に磁気的に吸着して固定し、該加振装置から前記診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与え、前記診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測し、該計測によって得られた振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて前記診断すべきコンクリート構造物の健全度を求めることを特徴とするコンクリート構造物の診断方法。
【請求項１０】
前記加振装置の少なくとも１つの電磁石を前記磁性体板部材に磁気的に吸着して該加振装置を固定し、該加振装置の振動素子によって振動を発生してその振動を前記診断すべきコンクリート構造物の表面に印加することを特徴とする請求項９に記載の診断方法。
【請求項１１】
前記振動素子として、圧電振動素子を用いることを特徴とする請求項１０に記載の診断方法。
【請求項１２】
前記磁性体板部材として鋼鉄板を前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着し、前記少なくとも１つの電磁石を作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の診断方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電磁石として、前記鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石を用いることを特徴とする請求項１２に記載の診断方法。
【請求項１４】
前記磁性体板部材として鋼鉄板を前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着し、前記少なくとも１つの電磁石を作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着させることを特徴とする１０又は１１に記載の診断方法。
【請求項１５】
前記計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求め、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、該遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とし、前記実験固有振動数と所定の一致度で一致する前記理論固有振動数を持つ前記個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定し、該探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論固有振動数を演算できるようにしたことを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項に記載の診断方法。
【請求項１】
コンクリート構造物に固着された磁性体板部材と、作動時に該磁性体板部材に磁気的に吸着して固定され、診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与える加振装置と、該加振装置を駆動する駆動手段と、前記診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測する計測手段と、該計測手段の計測によって得られる振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて前記診断すべきコンクリート構造物の健全度を求める解析手段とを備えたことを特徴とするコンクリート構造物の診断システム。
【請求項２】
前記加振装置が、作動時に付勢され前記磁性体板部材に磁気的に吸着される少なくとも１つの電磁石と、該少なくとも１つの電磁石に機械的に連結されており、振動を発生してその振動を前記診断すべきコンクリート構造物の表面に印加する振動素子とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の診断システム。
【請求項３】
前記振動素子が、圧電振動素子であることを特徴とする請求項２に記載の診断システム。
【請求項４】
前記磁性体板部材が前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板であり、前記少なくとも１つの電磁石が作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の診断システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電磁石が、前記鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石であることを特徴とする請求項４に記載の診断システム。
【請求項６】
前記磁性体板部材が前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板であり、前記少なくとも１つの電磁石が作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着されるように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の診断システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの電磁石が、前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着された鋼鉄板及び前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着された鋼鉄板のいずれにも選択的に磁気的に吸着可能に構成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の診断システム。
【請求項８】
前記解析手段が、前記計測手段からの計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求める実験モード解析部と、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、該遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とする理論解析部と、前記実験固有振動数と所定の一致度で一致する前記理論固有振動数を持つ前記個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定する評価部と、該評価部で探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて前記理論解析部が理論固有振動数を演算できるようにする解析データベースとを備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の診断システム。
【請求項９】
診断すべきコンクリート構造物に磁性体板部材を固着し、加振装置を該磁性体板部材に磁気的に吸着して固定し、該加振装置から前記診断すべきコンクリート構造物に局部振動を与え、前記診断すべきコンクリート構造物の振動に対する応答を計測し、該計測によって得られた振動モードが健全時の振動モードからどのように変化したかに基づいて前記診断すべきコンクリート構造物の健全度を求めることを特徴とするコンクリート構造物の診断方法。
【請求項１０】
前記加振装置の少なくとも１つの電磁石を前記磁性体板部材に磁気的に吸着して該加振装置を固定し、該加振装置の振動素子によって振動を発生してその振動を前記診断すべきコンクリート構造物の表面に印加することを特徴とする請求項９に記載の診断方法。
【請求項１１】
前記振動素子として、圧電振動素子を用いることを特徴とする請求項１０に記載の診断方法。
【請求項１２】
前記磁性体板部材として鋼鉄板を前記診断すべきコンクリート構造物の表面と平行に固着し、前記少なくとも１つの電磁石を作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の診断方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電磁石として、前記鋼鉄板に吸着可能な２つの電磁石を用いることを特徴とする請求項１２に記載の診断方法。
【請求項１４】
前記磁性体板部材として鋼鉄板を前記診断すべきコンクリート構造物の表面と垂直なコンクリート構造物に固着し、前記少なくとも１つの電磁石を作動時に該鋼鉄板に磁気的に吸着させることを特徴とする１０又は１１に記載の診断方法。
【請求項１５】
前記計測データを解析して診断対象の固有振動数を実験固有振動数として求め、診断対象の１の変状状態を規定すると共に、変状点の位置等の変状を特徴付ける情報を遺伝子情報としてなる個体を複数定義し、該遺伝子情報に基づき各個体の固有振動数を演算して理論固有振動数とし、前記実験固有振動数と所定の一致度で一致する前記理論固有振動数を持つ前記個体を探査して、最も一致度の高い個体を特定し、該個体の遺伝子情報から変状状態を推定し、該探査した個体を保存して、次回の診断において当該保存された個体を用いて理論固有振動数を演算できるようにしたことを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項に記載の診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２０３２２４（Ｐ２００８−２０３２２４Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４３００２（Ｐ２００７−４３００２）
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【特許番号】特許第３９８１７４０号（Ｐ３９８１７４０）
【特許公報発行日】平成１９年９月２６日（２００７．９．２６）
【出願人】（５０４２３８８０６）国立大学法人北見工業大学 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【特許番号】特許第３９８１７４０号（Ｐ３９８１７４０）
【特許公報発行日】平成１９年９月２６日（２００７．９．２６）
【出願人】（５０４２３８８０６）国立大学法人北見工業大学 (80)
【Ｆターム（参考）】
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