機械的構造物における負荷／損傷を特定する方法
機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法において、上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じた、上記機械的構造物の一部の回転を、該構造物の部分に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した回転から、上記機械的構造物における負荷／損傷／状態を推測する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する、該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法に関する。本発明は、特に、建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法に関すると共に、その方法に適合した装置に関する。
【０００２】
建物に負荷がかかっている間、および、負荷がかかった後（例えば、地震、暴風、平屋根上への積雪による重量負荷）の建物の構造的完全性を監視することは、重要な課題である。ここでは、人的損害を低減する必要性に加えて、建物の利用における不稼動時間を最小限に抑えることに関しても考慮される必要がある。さらに、人口が持続的に増加している極めて多様な地形特性を有する町では、例えば地震のような建物負荷の影響が、町の各区域によって著しく異なって生じ得ることもある。極めて狭い範囲の区域内でも、個々の建物の種類および構造は、著しく多様である。従って、極端な場合には、建物に負荷がかかった際に、１つの建物は著しく損傷されるが、それに直接隣接する別の構造物は、実質的に無傷で残ることもあり得る。
【０００３】
結果として、防災の観点からは、非常に困難な状態が生じる。なぜなら、救助対策を最適化および調整するには、比較的大きな区域に災害が発生した際の救済措置に優先順位をつけるための簡単な基準が存在していないからである。
【０００４】
本発明の基礎となる目的は、比較的大きな区域に災害が発生した際の救済措置に優先順位をつけることが可能となるように、個々の建物負荷および／または建物損傷を特定する装置およびその方法を明記することである。
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は、請求項１および請求項２に従って、建物負荷を特定する方法、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法を提供する。さらに、本発明は、請求項７および請求項８に従って、機械的構造物における負荷を特定する方法、および／または、該機械的構造物の負荷に起因する、該機械的構造物の損傷および状態を特定する方法を提供する。さらに、本発明は、請求項９および請求項１０に係る、この方法に適合した装置を提供する。本発明の思想の有効な改良点または有効な発展形態については、従属請求項に記載した。
【０００６】
本発明に係る、建物負荷を特定する方法、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法は、建物負荷または建物損傷によって生じた、建物のある部分の回転を、該建物のこの部分に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサを介して計測し、この計測した回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測するという点を特徴としている。
【０００７】
上記建物負荷／建物損傷の特定をより正確に行うために、単一の光ファイバ回転センサの代わりに、多数の回転センサを用いることが可能である。つまりこれによって、建物負荷／建物損傷によって生じた、建物の複数の部分の回転を、該建物の複数の部分に機械的に強固に接続された対応する光ファイバ回転センサによって計測して、この計測した各回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することが可能である。換言すると、各回転センサは、該各回転センサが接続されている建物の部分の回転を計測するのである。その後、この特定された個々の建物の部分の回転の合計から、該建物の全体の状態を推測するか、または、該建物の各部分の建物負荷／建物損傷をそれぞれに判定することが可能である。従って、例えば１つの建物内（例えば、該建物の連続する２つの階の間）のねじれを検出することも可能である。
【０００８】
状況に応じて、各回転センサは、個別に、１軸回転センサ、２軸回転センサ、または、３軸回転センサとして形成されてもよい。これはつまり、各回転センサは、個別に、１軸、２軸、または、３軸に関する回転を計測するセンサとして形成されてもよいということである。従って、正確な計測を可能にするため、特に危険度の高い建物の部分に、例えば３軸回転センサを配備し、その一方で、危険度が高くない建物の部分には、例えば２軸または１軸の回転センサを配備することで十分な場合もあり得る。
【０００９】
本発明の一実施形態では、複数の上記回転センサが上記建物の側壁に固定されており、上記計測した回転から、該側壁と床と該側壁に支えられている該建物の天井との間の相対角度を推測することが出来る。このような相対角度とは、特に地震による損傷の建物負荷／建物損傷を判定するための信頼性の高い尺度である。
【００１０】
上記建物には、上記光ファイバ回転センサに加えて、加速度センサまたは他のセンサを設けることが可能である。このセンサは、対応する建物の部分に機械的に強固に接続されており、該センサを介して、建物負荷／建物損傷によって生じた上記建物の部分の平行移動を計測し、この計測した平行移動から建物負荷／建物損傷を推測する。このようなセンサを追加的に設けることによって、建物負荷／建物損傷を特に正確に特定することが可能となる。なぜなら、この方法では、全６つの運動の自由度（より正確に言うと、３つの平行移動の自由度、および、３つの回転の自由度）を計測することが可能だからである。
【００１１】
本発明に係る方法の一実施形態では、計測した上記回転および／または上記平行移動から、地球の自転軸に対する上記建物の方向の変動を推測する。該方向の変動は、特に地震による損傷の際に特定される建物負荷／建物損傷には、信頼性の高い尺度であると判断され得る。
【００１２】
本発明は、概して、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法を提供するものである。該方法は、上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じる該機械的構造物の一部の回転を、該構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサを介して計測し、計測した回転から、該機械的構造物における負荷／損傷／状態を推測することを特徴としている。
【００１３】
本発明は、さらに、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法に関する。該方法は、上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じる、該機械的構造物の複数の部分の回転を、これら構造物の複数の部分に機械的に強固に接続された対応する光ファイバ回転センサを介して計測して、該計測した回転から、該機械的構造物における負荷／損傷／状態を推測することを特徴としている。
【００１４】
「機械的構造物」という表現は、例えば、建物、または、建物の一部（屋根）、橋、トンネル、飛行機の機体または翼、地面の一部（例えば、山の岩）、水路、または、交通路（道路、線路、鉄道線路）などを意味するものであると理解されたい。
【００１５】
本発明は、さらに、建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する装置を提供するものである。該装置は、建物の一部に機械的に強固に接続された光ファイバ回転センサと、該回転センサに接続された評価器具とを特徴としており、該評価器具は、該回転センサによって検出された該建物の一部の回転に基づいて上記建物負荷／建物損傷を特定するものである。
【００１６】
本発明は、さらに、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する装置に関する。該装置は、上記構造物の一部に機械的に強固に接続された光ファイバ回転センサと該回転センサに接続された評価器具とを有しており、該評価器具は、該回転センサによって検出された上記構造物の一部の回転に基づいて、上記構造物における負荷／損傷／状態を特定するものである。
【００１７】
本発明に係る方法の範囲に該当する記載（実施形態）は、本発明に係る装置にも同様に適応される。従って、本発明に係る装置は、複数の光ファイバ回転センサから形成されていてもよい。つまり、該回転センサは、１軸回転センサ、２軸回転センサ、または、３軸回転センサとして形成されていてもよい。その他の形態もまた可能である。
【００１８】
建物負荷／建物損傷の直後にも大まかな損傷概要を作成することが出来るように、個々の上記回転センサの評価器具は、さらなる器具ユニットにネットワークでつながれており、特定された回転データを容易に収集することが可能である。この場合、各回転センサに専用評価器具を設けてもよいし、全ての上記回転センサおよび他のセンサに接続された単一の中央評価器具を設けてもよい。複数の上記評価器具をさらなる器具ユニットにネットワークで接続する場合、または、上記回転センサを中央評価器具にネットワークで接続する場合には、例えばケーブル配線または無線接続を介して行ってもよい。
【００１９】
従って、本発明では、絶対回転計測に基づくセンサが用いられる。該センサは、地震が起こっている間の上記建物の歪みを、特別な光ファイバジャイロスコープを用いて、３つの空間方向において動的に検出する。この場合、最大歪み、および、個々の階の歪みまたは全建物の歪みを寄せ集めたものがリアルタイムで特定され、建物特有の所定の公差表と比較される。該公差表とは、上記センサ内、または、該センサに接続された評価器具内に既に保存されたものである。この建物評価の結果は、応急措置に役立てるように例えば単純な多段階のカラーコードで表示されており、同時に、外部のインターフェースからも利用可能である。このため、このような複数のセンサを、最重要機能ユニット内に接続することが可能であると共に、個々のセンサまたはセンサ複合体を無線ネットワークに組み入れることが可能である。
【００２０】
本発明を、典型的な実施形態において、図面を参照しながら、以下にさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１は、地震の前後の、回転センサが取り付けられた建物の一部分を示す概略図である。
【００２２】
図２は、地震の前後の、隣接しあった２つの建物の部分を示す概略図である。
【００２３】
図３は、本発明に係る方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【００２４】
図４は、地震の間の建物のねじれプロファイルを示す図である。
【００２５】
図面では、対応しあう部材または部材群には、同一の参照番号を付した。以下の説明においては、説明を簡潔にするために、建物負荷／建物損傷とは、地震による損傷のことであると仮定する。
【００２６】
上述のように、この原理に不可欠な構成要素は、（好ましくは）３つの部材から成る慣性の光ファイバ回転センサである。該光ファイバ回転センサは、建物の構造体にしっかりと機械的に接続されている。この様にして、上記センサは、上記建物（または建物の部材）の動きに連動し、３つの線形独立した空間方向（例えば、上記建物の「縦軸」および「横軸」、および、該建物の水平面）の回転率を、センサ信号として供給する。これら回転率は、上記センサのプロセッサ部に集積され、慣性基準システムに関する最大歪みの累積が計算される。建物の支持壁とコンクリートの天井との間の最大歪み角度は、この建物の部分の残留耐力性を判断するための臨界変数の１つである。天井のパネルが該パネルを支えているものに対して過度に歪んだ場合は、この支持構造に過大応力負荷が生じ、その後、耐力性に悪影響を及ぼすクラック形成が生じる。ここでは、この歪みが突然生じるのか、または、比較的長い期間に亘って分配されて起こるのかは、重要ではない。上記構造物の耐久性にとって決定的であるのは、上記最大歪み角度である。
【００２７】
図２は、この関係を図示したものである。ここでは、図２ａ）は、建物の傾斜による負荷が掛かっていない、通常の、側壁部１によって支えられている状態のコンクリートの天井２の概略を示し、その一方で、ｂ）は、地震後の状態を再現したものを概略的に示す図である。地震によって生じた傾斜（α）の角度が、所定の閾値を越えたならば、上記建物は崩壊する可能性がある。
【００２８】
従来の加速度計を用いることに比べれば、本発明に係る方法は、絶対的回転計測の原理に基づいていると共に、非常に広い範囲のダイナミックレンジを対象としているという利点を有している。従って、高周波数の歪みを検出するだけでなく、慣性センサでは接近不可能な周波数レンジ内の極めてゆっくりと生じる傾斜の変数も検出する。
【００２９】
従って、１つの建物内に複数のセンサを配置させる構成では、厳密であると思われる構造物の傾斜が得られるだけでなく、このようなセンサが取り付けられた個々の階と個々の建物の部分との間の傾斜差またはねじれ差も得られる。
【００３０】
ここでは、質量慣性の法則に従って機能する加速度計を、追加的に用いてもよい。これによって、初めて、全６つの運動の自由度（より正確に言うと、３つの平行移動の自由度、および、３つの回転の自由度）を計測する完全な１つのセンサを得ることが可能になる。
【００３１】
（光ファイバ回転センサに加えて、平行移動センサを含むことが可能な）本発明に係る建物センサ３は、地震作用下の、建物または建物の一部の回転率もしくは積分した偏角を検出する。このため、図１に示したように、上記建物センサは、該建物の動きを表す固定された側壁１にしっかりと取り付けられている必要がある。図１ａ）は地震の前の状態を（概略的に）示し、図１ｂ）は地震の後の状態を、一空間方向において（概略的に）示している（上記建物の想定される傾斜は、紙平面にあり、建物センサ３の感応性回転軸は、該紙平面から突出している）。
【００３２】
基本的に、上記建物への損傷は、垂直軸を中心とした回転においても生じるように、他の水平空間方向にも生じ得る（ねじれ振動）。３つの部材から成る完全なセンサは、全運動方向を対象としている。しかしながら、上記建物の構造によっては、例えば剛性が高いためにそれほど危険でない方向も存在し、その結果、一定の条件の下では、センサ部材を個別に設ける必要が無い場合もある。
【００３３】
回転センサが、サニャック効果に基づいて、回転を絶対的に検出するので、地球の自転軸に対する建物の方向を、地震の前、地震の間、または、地震の後に、リアルタイムで、計測尺度として自動的に評価することが可能である。これによって、局所的基準に頼らずに、建物の方向の変動を特定することが可能となる（局所的基準も、地震の作用によって変動している可能性がもちろんある）。
【００３４】
図３は、本発明に係る方法の一実施形態を示す図である。センサ３は、ステップＳ１において、上記回転率と（上記建物の歪みまたは上記建物の一部分の歪みに相当する）回転角との連続的な変化を計測し、さらに、地球の自転ベクトルとセンサ法線（受感軸）との間のスカラ積を特定する。地震の作用下、または、暴風負荷（激しい突風）の作用下では、観測変数は大きくなる。この変数を、制御エレクトロニクスによって、プログラムに保存された交差表と比較する（ステップ２）。この交差表は、各建物独自に調整されたものである。個々の建物交差とその時の計測値との間の比較から、プロセッサが、外部的事象による潜在的危険度を特定する（ステップ３）。最も単純な例では、この潜在的危険度は、４段階のカラーコード（緑、黄、オレンジ、赤）による信号で示される。
【００３５】
例えば町の全区域において、これらセンサのいくつかを動的無線ネットワークで接続させることによって、ほぼリアルタイムで、広範囲を網羅した大まかな損傷概要を作成することが可能である（スマートセンサアプリケーション）。この損傷概要を、例えば災害予防業務機関が、優先リストを作成するために、回収して利用することが可能である（ステップ４）。
【００３６】
以下に、本発明のさらなる形態について説明する。
【００３７】
光ファイバジャイロスコープは、大きなリングレーザーのセンサ感度を有してはいないが、それでも、その寸法が小さく消費電力が少ないために、地震発生現場に近い領域（余震帯、火山など）における実地利用、および、地震作用後の建物の状態を瞬時に検出することに適しているだけでなく、静的変形を監視することにも適している。回転センサと地震計または加速度計とを組み合わせることによって、全６つの運動の自由度を対象とする１つの完全なセンサを開発して利用することが可能である。この場合の重要な特徴は、局所的な基準標識とは無関係に計測する場合の回転センサ特有の条件を考慮することである。これは、例えば、上記センサをリアルタイムで絶対的に方向付けることが出来ること、および、世界的規模の地球の自転信号を用いて上記センサの自己較正を行うことである。
【００３８】
本発明に従って、可動式でコスト効率の良い新規のセンサを提供する。該センサを、典型的な地震探知器と共に用いることによって、地盤移動を正確に、つまり全６つの運動の自由度において監視することが可能である。地盤移動を完璧に描写するには、平行移動だけでなく回転も、高解像度で監視する必要がある。
【００３９】
本発明では、変動および変形に関する長期の広範囲に亘る予報を、拡大された６つの部材から成る記録（可動式でコスト効率が良く迅速に利用可能な新規の計測方法）を用いて行うことが可能である。追加的監視変数「回転運動」を、特に震源パラメータを反転する際に用いて（動的回転）、その正確度を改善することが可能である。この場合、特に、通常は分離させることの出来ない計測信号の傾斜と平行移動とが結合することを、上記センサの平面上において調査して、対応する高解像度回転計測を行うことによって補正する。地震の間は、横方向の加速と回転率とが同期し、互いに比例しているので、地震計では、地震により誘発された傾斜割合が、地震事象に近い区域における他の線形独立した空間方向のセンサ信号に含まれることを回避することは不可能である。ここでは、全６つの運動の自由度（つまり上記回転も含む）を対象とする１つのセンサだけが、これを改善することが可能である。
【００４０】
光ファイバジャイロスコープの設計における本発明に係る原理は、コスト効率良く、既存のグラスファイバベースの回転センサの感度を、上述の従来技術と比較して、最高２桁まで増大させることが可能であると同時に、広帯域の地震計を補足することによって、初めて、携帯利用且つ実地利用可能な実施形態において、全６つの運動の自由度を十分な感度を伴って利用することが可能である。
【００４１】
本発明では、早期警戒システムに用いるための新規且つ画期的な基本技術として、最新の回転センサを利用することおよびさらに発展させることに注力している。ここから派生する様々な新規の技術的可能性は、特に、建物構造物の監視および地震学の領域に応用してもよい。
【００４２】
地震の後、特に大都会では、重要な建物の損傷を迅速に判定することが、特に救済措置を最適化するために最も重要である。地震発生時の動き（上記変形の時間プロファイル、静的変位および静的回転）を計測して、１つの独立したセンサで、臨界変数をほぼリアルタイムで評価することが可能であるならば、特に危険度の高い建物および水路または交通路の変形によって誘発された変数を、実質的に瞬時に特定することが可能である。本発明では、コスト効率の良い６Ｃインテリジェントセンサを設けている。該６Ｃインテリジェントセンサは、建物、橋、トンネル、または、他の構造物の中に、「ブラックボックス」のように取り付けることが可能であり、地震または他の変形事象の間の、該建物の動きに関する有用なデータ材料を記録して、解析のために提供する。従って本発明では、上記回転センサの特性を絶対分度器として利用することに、特に配慮している。本発明に係る装置は、低消費電力を特徴とし、製造技術的には、コスト効率の良い大量生産に適している。従って、取り付けられた電子器具は、センサ内でセンサ信号を瞬時に積分および微分し、これによって、各建物の危険度の推定または損傷度の推定をほぼリアルタイムで提供する。ここでは、このような原理的に独立した複数のセンサユニットを、独立した区域ネットワークまたは地域ネットワーク内に組み入れることも、追加的に可能である。
【００４３】
構造力学上の観点からは、好適なセンサによって、地震または他の下層土の動き（例えば振動）による動的励起を、振幅に関するだけでなく、それに関連する波長に関しても特定することを目的としている。受振器センサまたは加速度センサを絶対分度器としての回転センサに組み入れることによって、わずかな計測点を有する動的励起のこれら両方に関する特性変数を検出することが可能である。線形構造物では、計測した回転から、この作用によって生じた曲率を説明することが可能である。本発明によれば、これに基づいて、計測結果を上記構造物の動的設計に基づく仮定と比較することによって、上記励起の評価を行うことが可能である。さらに、上記動的励起を検出することに加えて、上記作用によって生じた永続的な静的変形も重要である。計測した回転からは、例えば複数のセンサを互いに整列させることによって、永続的な変形線を特定することが可能である。コスト効率の良いセンサを用いて（いわば）静的情報および動的情報を計測することが可能であるので、他の計測方法と比べて大きな利点が生じる。上記センサの自己較正とその重量への位置に無関係であることによる効果とによって、その利用範囲は、人為的作用、または、危険性の高い作用／抵抗の組み合わせ（例えば、弱い構造物上への高雪荷重、極値風荷重による影響など）による結果に対する早期警戒に関しても広がる。従って、上記センサを、他の計測方法では非常に手間が掛かりリアルタイムで行うことが出来ない業務にも用いることが可能となる。本発明に係る方法が対称とする早期警戒システムの、地震動を超える重要な範囲は、トンネル建造物内に生じる下層土の動き、掘削中に生じる下層土の動き、基盤の負荷によって生じる下層土の動き、または、丘の陥没地帯において生じる下層土の動きを監視することである。結果として、センサを用いた監視は、動的作用（つまり変形または損傷の原因となるもの）と共に、残留変形も対象とする。
【００４４】
〔地震時および火山の変形観測〕
地震計観測に基づく、静的（および動的）変形を特定する際の問題は、数十年前から知られており、今のところ、この問題の満足できる十分な解決策は発見されていない。この問題の主たる原因は、地震計に回転および傾斜の変動によってさらなる影響が生じて、速度地震計または加速度地震計（を集積することが出来ない状態が生じるということである。この場合、ＧＰＳ器具では、この問題を部分的にしか改善することが出来ない。なぜなら、該ＧＰＳ器具は、（１）その垂直解像度が低く、（２）その検出率は、上記動的観測に十分な程度の精度を有していないからである。コスト効率の良い、可動式に使用することが可能である６−Ｃ地震計を用いることによって、動的および静的変形の広範囲を網羅した観測が可能となるであろう。これは、長期的に見れば、震源パラメータをリアルタイムで特定する際にも改善点を提供し得る。大きな変形が予測され得る火山の地震観察にも同じ説明が当てはまる。回転運動と傾斜運動との結合を回避することができないため、地震計を用いた標準的な広帯域の計測には影響が生じ、モデリングがより困難になる。回転と平行移動とのデータを組み合わせて解析することによって、この領域における、震源パラメータおよびマグマ溜りの状態をより良好に写像することが可能になる。
【００４５】
本発明の一実施形態では、上記負荷／損傷を特定する際に、動的な地面／建物の相互作用、および、建物の構造の動的構造を考慮する。
【００４６】
本発明の目的は、地震により誘発される災害および危険度を低減することである。全動きを構成する構成材を観測することは、数十年に亘って理論地震学者が指摘してきたことである。現在、センサ技術におけるこの最新の発展により、必要とされる正確さを有する好適な計測器具を形成することが可能になったと思われる。この場合、本計測技術は、純粋理論的科学分野だけでなく工学分野においても、広範囲に利用可能であることに留意されたい。
【００４７】
地震の危機に瀕した大都会（例えば、イスタンブール、東京、ロサンゼルス、および、ニューメキシコ）の持続的な急成長によって、これら大都会が震源地となって大地震が発生した場合には、大きな損傷が引き起こされ、多くの人間の生命が失われる。これら大都会は、全く異質の建物の構造を有すると共に多様な下層土特性を有しているので、それぞれに確実な災害管理を行うために必要な、損傷の状況の概要を短時間で得ることは不可能である。従って、調整された救援活動を素早く始めることは著しく阻害され、予測される結果は最善であるとはいえない。ここでは、損傷事象を同時記録し、所定の方法に従ってほぼリアルタイムで評価すると共に、この結果を素早く利用可能にする独立監視システムによって、これを大きく改善することが可能である。上記建物の機能に応じた動的な重みづけ、および、上記センサによって行われる自動損傷判定、並びに、規定される他の尺度（例えば、救援スタッフが移動する距離の最適化）によって、危険度の高い、損傷が起こってから最初の６時間を有効に利用することが想定可能である。
【００４８】
本発明に係る建物センサの原理は、２つの面において画期的である。最初の面は、外部の力（地震、激しい風負荷、地面陥没など）が作用している間の建物の動きを詳細に記録する監視システムの方法を示していることである。この場合、用いられる回転センサの特性を絶対分度器とすることによって、局所的基準システムから完全に無関係になり得る。これに関して、上記センサは、飛行機内に用いられているような「ブラックボックス」に相当する。この記録機能に加えて、計測中は、重要パラメータ（例えば、最大歪み）が建物独自の所定極限値を超しているかが調査される。該重要パラメータによって、生じた損傷の分類（例えば、崩壊の危険度）が可能な限り行われ、この分類結果は、本部（地域的な災害保護室）に（電源に依存しない無線技術を用いて）転送され得る。従って、これは、ほぼリアルタイムの損傷予知に対する重要な一歩となろう。
【００４９】
地盤移動が激しい領域で実地利用するために開発されたセンサは、地震学においては複数の欠点を有している。地震計の傾斜が、実際に計測される平行移動と同様に、センサ信号をも誘発する。地震に近い領域では、回転の自由度がないために、完全な運動ベクトルを再現することは不可能である。従って、この計測は、不完全なだけでなく、信号源が混ざっているために、誤ったものでもある。これは、地震パラメータの反転に対して大きな妨害となる。十分なセンサ感度を伴って全６つの運動の自由度を完全に検出して、平行移動と回転（傾斜）とを明確に分けることが、地震モデルを改善するために大きく貢献し得ると予想される（装置の伝達関数には無関係）。
【００５０】
リングレーザーは、高感度アクティブ光学干渉計であり、これまで、遠地地震からの回転信号を量的に特定する唯一の装置であった。長期間安定性が重要な要因でない地震学において用いる場合であっても、これらリングレーザーは、依然として、１日に付き０．１度よりも良好な極めて高い温度安定度を必要とする。この光学的感知手段の、数百分の一マイクロメーターの範囲内の、熱的に誘導された膨張または収縮は、光学動作周波数内にドリフトの原因となり、該ドリフトは、その後、縦モードインデックスに突然のジャンプを生じさせる（モードジャンプ）。さらに、リングレーザーは、地理センサプロジェクト（GEOsensor project）中に簡素化が実現可能であったにも関わらず、設備は複雑なままである。このため、上記リングレーザーは、３つの特殊な用途には適していない。（１）強い地震の後に、上記センサを短期間震源地の近傍に置き換えて、近接場における余震を記録する場合。（２）強い地盤移動の影響を受けた後に、全運動（全６つの自由度）を検出する場合。（３）監視建物センサシステムの一部としては、これらは、コストが高すぎる且つ感度が強すぎる点。他方では、光ファイバ回転センサは、上記リングレーザーの感度を有しているわけではないが、極めて高い温度許容度を有するロバスト且つ小型なセンサである。さらに、これらは極めてコスト効率が良い。
【００５１】
本発明に係る方法は、上記システムの自己較正を利用することが可能である。回転センサが、上記サニャック効果に基づいて回転を絶対的に計測するので、上記センサ信号には、常に地球の自転信号が重畳される。ここに提案する用法の範囲内では、この信号を一定の基準としてみなすことが可能である。この信号を、常に、つまり地震の前、地震の間、および、地震の後に、局所的環境とは無関係な基準として利用することが可能であり、地球の自転軸に対する上記センサの瞬時の方向を特定するために用いることが可能である。地震の前と後とを比較することによって、地震事象、または、建物変形による上記センサの方向の変動が導き出される。上記センサは、計測のために壁に固定して取り付けられているので、該方向の変動は、建物傾斜、または、変形、または、個々の階の間の変位のいずれかに相当する。この信号は、計測された回転率の積分によって特定され、約１分程度の短い積分時間の後であっても、１度未満の解像度を達成する。正確に言うと、上記センサの方向を特定する方法は、北／南方向においてのみ高解像度である。東／西方向においては上記解像度はこれよりも低くなる。従って、最適なセンサの実現の研究（上記センサの照合システム）は、特有の動作基点である。この方向信号を利用するための研究の後、上記建物の回転信号を利用することが重要である。このため、（１）計測された角度の歪みと上記建物または様々な材料の圧力との間に基準を設定する。（２）個々の階のそれぞれに対する変位の影響が定量化されて（相互の階の回転（interstorey rotation））、上記センサシステムに伝達される。
【００５２】
ＦＯＧ（光ファイバジャイロスコープ）の出力信号は、表面を反対方向に進む２つの光波の間の位相差である。該位相差は、上記センサの回転速度と、ビームによって外接した表面とに比例している。リングレーザーと比較したＦＯＧの重要な利点は、光信号がグラスファイバ内に誘導され得るという点である。ＦＯＧでは、上記センサの寸法をほぼ変動させることなく、有効表面を増大させることが可能である。他方、光ファイバジャイロスコープは位相計測を行うことが出来るが、リングレーザーは干渉分光法によって周波数差を特定し、原理に従ってより高解像度を実現する点で、光ファイバジャイロスコープは、リングレーザーと異なっている。これは、ＦＯＧを実施する上での大きな欠点である。ＦＯＧの信号−ノイズ係数（解像度）は、スケール係数だけに依存しているのではなく、光学電力密度にも依存している。例えば、波長１．５５μｍ、光出力ＰＯ＝１００μＷ、グラスファイバの長さ１０００ｍ、および、コイルの直径Ｄ０．４ｍの光源では、ＦＯＧの感度の理論上の値は、４．１２５×１０−８ｒａｄ／ｓとなる。
【００５３】
極性光学ファイバから成るコイルが、光学装置の重要な構成部材を形成している。このファイバの長さおよび上記コイルの形状直径は、上記ジャイロスコープのスケール係数内に含まれている。従って基本的に、用いるコイルファイバを長くすると、上記回転率を計測する際の正確性をより高くすることが可能である。しかしながら同時に、上記ファイバが通りぬける間の光度の減衰損失、および、例えばシュッペ（Ｓｈｕｐｅ）効果またはカー（Ｋｅｒｒ）効果のような妨害効果により生じる相変化が、上記ファイバコイルの実施可能な長さを制限する。従って、プロトタイプのコイルは、約１０００ｍの長さおよび３００ｎｍ以下の直径を有するように設計される。
【００５４】
図４は、振動試験台上で、偏心質量分布を有する１つの建物モデル（右側）に、人工地震を発生させた際の、ねじれ（左側）の計測結果から一部を抜粋したものを示す図である。
【００５５】
これに関して、遠地地震の地震によって誘発された回転を観測することは、対比される広帯域平行移動を計測することに適合可能であると共に、振幅比内には追加的な情報が含まれていると言える。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】地震の前後の、回転センサが取り付けられた建物の一部分を示す概略図である。
【図２】地震の前後の、隣接しあった２つの建物の部分を示す概略図である。
【図３】本発明に係る方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】地震の間の建物のねじれプロファイルを示す図である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する、該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法に関する。本発明は、特に、建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法に関すると共に、その方法に適合した装置に関する。
【０００２】
建物に負荷がかかっている間、および、負荷がかかった後（例えば、地震、暴風、平屋根上への積雪による重量負荷）の建物の構造的完全性を監視することは、重要な課題である。ここでは、人的損害を低減する必要性に加えて、建物の利用における不稼動時間を最小限に抑えることに関しても考慮される必要がある。さらに、人口が持続的に増加している極めて多様な地形特性を有する町では、例えば地震のような建物負荷の影響が、町の各区域によって著しく異なって生じ得ることもある。極めて狭い範囲の区域内でも、個々の建物の種類および構造は、著しく多様である。従って、極端な場合には、建物に負荷がかかった際に、１つの建物は著しく損傷されるが、それに直接隣接する別の構造物は、実質的に無傷で残ることもあり得る。
【０００３】
結果として、防災の観点からは、非常に困難な状態が生じる。なぜなら、救助対策を最適化および調整するには、比較的大きな区域に災害が発生した際の救済措置に優先順位をつけるための簡単な基準が存在していないからである。
【０００４】
本発明の基礎となる目的は、比較的大きな区域に災害が発生した際の救済措置に優先順位をつけることが可能となるように、個々の建物負荷および／または建物損傷を特定する装置およびその方法を明記することである。
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は、請求項１および請求項２に従って、建物負荷を特定する方法、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法を提供する。さらに、本発明は、請求項７および請求項８に従って、機械的構造物における負荷を特定する方法、および／または、該機械的構造物の負荷に起因する、該機械的構造物の損傷および状態を特定する方法を提供する。さらに、本発明は、請求項９および請求項１０に係る、この方法に適合した装置を提供する。本発明の思想の有効な改良点または有効な発展形態については、従属請求項に記載した。
【０００６】
本発明に係る、建物負荷を特定する方法、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法は、建物負荷または建物損傷によって生じた、建物のある部分の回転を、該建物のこの部分に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサを介して計測し、この計測した回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測するという点を特徴としている。
【０００７】
上記建物負荷／建物損傷の特定をより正確に行うために、単一の光ファイバ回転センサの代わりに、多数の回転センサを用いることが可能である。つまりこれによって、建物負荷／建物損傷によって生じた、建物の複数の部分の回転を、該建物の複数の部分に機械的に強固に接続された対応する光ファイバ回転センサによって計測して、この計測した各回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することが可能である。換言すると、各回転センサは、該各回転センサが接続されている建物の部分の回転を計測するのである。その後、この特定された個々の建物の部分の回転の合計から、該建物の全体の状態を推測するか、または、該建物の各部分の建物負荷／建物損傷をそれぞれに判定することが可能である。従って、例えば１つの建物内（例えば、該建物の連続する２つの階の間）のねじれを検出することも可能である。
【０００８】
状況に応じて、各回転センサは、個別に、１軸回転センサ、２軸回転センサ、または、３軸回転センサとして形成されてもよい。これはつまり、各回転センサは、個別に、１軸、２軸、または、３軸に関する回転を計測するセンサとして形成されてもよいということである。従って、正確な計測を可能にするため、特に危険度の高い建物の部分に、例えば３軸回転センサを配備し、その一方で、危険度が高くない建物の部分には、例えば２軸または１軸の回転センサを配備することで十分な場合もあり得る。
【０００９】
本発明の一実施形態では、複数の上記回転センサが上記建物の側壁に固定されており、上記計測した回転から、該側壁と床と該側壁に支えられている該建物の天井との間の相対角度を推測することが出来る。このような相対角度とは、特に地震による損傷の建物負荷／建物損傷を判定するための信頼性の高い尺度である。
【００１０】
上記建物には、上記光ファイバ回転センサに加えて、加速度センサまたは他のセンサを設けることが可能である。このセンサは、対応する建物の部分に機械的に強固に接続されており、該センサを介して、建物負荷／建物損傷によって生じた上記建物の部分の平行移動を計測し、この計測した平行移動から建物負荷／建物損傷を推測する。このようなセンサを追加的に設けることによって、建物負荷／建物損傷を特に正確に特定することが可能となる。なぜなら、この方法では、全６つの運動の自由度（より正確に言うと、３つの平行移動の自由度、および、３つの回転の自由度）を計測することが可能だからである。
【００１１】
本発明に係る方法の一実施形態では、計測した上記回転および／または上記平行移動から、地球の自転軸に対する上記建物の方向の変動を推測する。該方向の変動は、特に地震による損傷の際に特定される建物負荷／建物損傷には、信頼性の高い尺度であると判断され得る。
【００１２】
本発明は、概して、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法を提供するものである。該方法は、上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じる該機械的構造物の一部の回転を、該構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサを介して計測し、計測した回転から、該機械的構造物における負荷／損傷／状態を推測することを特徴としている。
【００１３】
本発明は、さらに、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する方法に関する。該方法は、上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じる、該機械的構造物の複数の部分の回転を、これら構造物の複数の部分に機械的に強固に接続された対応する光ファイバ回転センサを介して計測して、該計測した回転から、該機械的構造物における負荷／損傷／状態を推測することを特徴としている。
【００１４】
「機械的構造物」という表現は、例えば、建物、または、建物の一部（屋根）、橋、トンネル、飛行機の機体または翼、地面の一部（例えば、山の岩）、水路、または、交通路（道路、線路、鉄道線路）などを意味するものであると理解されたい。
【００１５】
本発明は、さらに、建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する装置を提供するものである。該装置は、建物の一部に機械的に強固に接続された光ファイバ回転センサと、該回転センサに接続された評価器具とを特徴としており、該評価器具は、該回転センサによって検出された該建物の一部の回転に基づいて上記建物負荷／建物損傷を特定するものである。
【００１６】
本発明は、さらに、機械的構造物における負荷、および／または、該機械的構造物における負荷に起因する該機械的構造物における損傷または状態を特定する装置に関する。該装置は、上記構造物の一部に機械的に強固に接続された光ファイバ回転センサと該回転センサに接続された評価器具とを有しており、該評価器具は、該回転センサによって検出された上記構造物の一部の回転に基づいて、上記構造物における負荷／損傷／状態を特定するものである。
【００１７】
本発明に係る方法の範囲に該当する記載（実施形態）は、本発明に係る装置にも同様に適応される。従って、本発明に係る装置は、複数の光ファイバ回転センサから形成されていてもよい。つまり、該回転センサは、１軸回転センサ、２軸回転センサ、または、３軸回転センサとして形成されていてもよい。その他の形態もまた可能である。
【００１８】
建物負荷／建物損傷の直後にも大まかな損傷概要を作成することが出来るように、個々の上記回転センサの評価器具は、さらなる器具ユニットにネットワークでつながれており、特定された回転データを容易に収集することが可能である。この場合、各回転センサに専用評価器具を設けてもよいし、全ての上記回転センサおよび他のセンサに接続された単一の中央評価器具を設けてもよい。複数の上記評価器具をさらなる器具ユニットにネットワークで接続する場合、または、上記回転センサを中央評価器具にネットワークで接続する場合には、例えばケーブル配線または無線接続を介して行ってもよい。
【００１９】
従って、本発明では、絶対回転計測に基づくセンサが用いられる。該センサは、地震が起こっている間の上記建物の歪みを、特別な光ファイバジャイロスコープを用いて、３つの空間方向において動的に検出する。この場合、最大歪み、および、個々の階の歪みまたは全建物の歪みを寄せ集めたものがリアルタイムで特定され、建物特有の所定の公差表と比較される。該公差表とは、上記センサ内、または、該センサに接続された評価器具内に既に保存されたものである。この建物評価の結果は、応急措置に役立てるように例えば単純な多段階のカラーコードで表示されており、同時に、外部のインターフェースからも利用可能である。このため、このような複数のセンサを、最重要機能ユニット内に接続することが可能であると共に、個々のセンサまたはセンサ複合体を無線ネットワークに組み入れることが可能である。
【００２０】
本発明を、典型的な実施形態において、図面を参照しながら、以下にさらに詳細に説明する。
【００２１】
図１は、地震の前後の、回転センサが取り付けられた建物の一部分を示す概略図である。
【００２２】
図２は、地震の前後の、隣接しあった２つの建物の部分を示す概略図である。
【００２３】
図３は、本発明に係る方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【００２４】
図４は、地震の間の建物のねじれプロファイルを示す図である。
【００２５】
図面では、対応しあう部材または部材群には、同一の参照番号を付した。以下の説明においては、説明を簡潔にするために、建物負荷／建物損傷とは、地震による損傷のことであると仮定する。
【００２６】
上述のように、この原理に不可欠な構成要素は、（好ましくは）３つの部材から成る慣性の光ファイバ回転センサである。該光ファイバ回転センサは、建物の構造体にしっかりと機械的に接続されている。この様にして、上記センサは、上記建物（または建物の部材）の動きに連動し、３つの線形独立した空間方向（例えば、上記建物の「縦軸」および「横軸」、および、該建物の水平面）の回転率を、センサ信号として供給する。これら回転率は、上記センサのプロセッサ部に集積され、慣性基準システムに関する最大歪みの累積が計算される。建物の支持壁とコンクリートの天井との間の最大歪み角度は、この建物の部分の残留耐力性を判断するための臨界変数の１つである。天井のパネルが該パネルを支えているものに対して過度に歪んだ場合は、この支持構造に過大応力負荷が生じ、その後、耐力性に悪影響を及ぼすクラック形成が生じる。ここでは、この歪みが突然生じるのか、または、比較的長い期間に亘って分配されて起こるのかは、重要ではない。上記構造物の耐久性にとって決定的であるのは、上記最大歪み角度である。
【００２７】
図２は、この関係を図示したものである。ここでは、図２ａ）は、建物の傾斜による負荷が掛かっていない、通常の、側壁部１によって支えられている状態のコンクリートの天井２の概略を示し、その一方で、ｂ）は、地震後の状態を再現したものを概略的に示す図である。地震によって生じた傾斜（α）の角度が、所定の閾値を越えたならば、上記建物は崩壊する可能性がある。
【００２８】
従来の加速度計を用いることに比べれば、本発明に係る方法は、絶対的回転計測の原理に基づいていると共に、非常に広い範囲のダイナミックレンジを対象としているという利点を有している。従って、高周波数の歪みを検出するだけでなく、慣性センサでは接近不可能な周波数レンジ内の極めてゆっくりと生じる傾斜の変数も検出する。
【００２９】
従って、１つの建物内に複数のセンサを配置させる構成では、厳密であると思われる構造物の傾斜が得られるだけでなく、このようなセンサが取り付けられた個々の階と個々の建物の部分との間の傾斜差またはねじれ差も得られる。
【００３０】
ここでは、質量慣性の法則に従って機能する加速度計を、追加的に用いてもよい。これによって、初めて、全６つの運動の自由度（より正確に言うと、３つの平行移動の自由度、および、３つの回転の自由度）を計測する完全な１つのセンサを得ることが可能になる。
【００３１】
（光ファイバ回転センサに加えて、平行移動センサを含むことが可能な）本発明に係る建物センサ３は、地震作用下の、建物または建物の一部の回転率もしくは積分した偏角を検出する。このため、図１に示したように、上記建物センサは、該建物の動きを表す固定された側壁１にしっかりと取り付けられている必要がある。図１ａ）は地震の前の状態を（概略的に）示し、図１ｂ）は地震の後の状態を、一空間方向において（概略的に）示している（上記建物の想定される傾斜は、紙平面にあり、建物センサ３の感応性回転軸は、該紙平面から突出している）。
【００３２】
基本的に、上記建物への損傷は、垂直軸を中心とした回転においても生じるように、他の水平空間方向にも生じ得る（ねじれ振動）。３つの部材から成る完全なセンサは、全運動方向を対象としている。しかしながら、上記建物の構造によっては、例えば剛性が高いためにそれほど危険でない方向も存在し、その結果、一定の条件の下では、センサ部材を個別に設ける必要が無い場合もある。
【００３３】
回転センサが、サニャック効果に基づいて、回転を絶対的に検出するので、地球の自転軸に対する建物の方向を、地震の前、地震の間、または、地震の後に、リアルタイムで、計測尺度として自動的に評価することが可能である。これによって、局所的基準に頼らずに、建物の方向の変動を特定することが可能となる（局所的基準も、地震の作用によって変動している可能性がもちろんある）。
【００３４】
図３は、本発明に係る方法の一実施形態を示す図である。センサ３は、ステップＳ１において、上記回転率と（上記建物の歪みまたは上記建物の一部分の歪みに相当する）回転角との連続的な変化を計測し、さらに、地球の自転ベクトルとセンサ法線（受感軸）との間のスカラ積を特定する。地震の作用下、または、暴風負荷（激しい突風）の作用下では、観測変数は大きくなる。この変数を、制御エレクトロニクスによって、プログラムに保存された交差表と比較する（ステップ２）。この交差表は、各建物独自に調整されたものである。個々の建物交差とその時の計測値との間の比較から、プロセッサが、外部的事象による潜在的危険度を特定する（ステップ３）。最も単純な例では、この潜在的危険度は、４段階のカラーコード（緑、黄、オレンジ、赤）による信号で示される。
【００３５】
例えば町の全区域において、これらセンサのいくつかを動的無線ネットワークで接続させることによって、ほぼリアルタイムで、広範囲を網羅した大まかな損傷概要を作成することが可能である（スマートセンサアプリケーション）。この損傷概要を、例えば災害予防業務機関が、優先リストを作成するために、回収して利用することが可能である（ステップ４）。
【００３６】
以下に、本発明のさらなる形態について説明する。
【００３７】
光ファイバジャイロスコープは、大きなリングレーザーのセンサ感度を有してはいないが、それでも、その寸法が小さく消費電力が少ないために、地震発生現場に近い領域（余震帯、火山など）における実地利用、および、地震作用後の建物の状態を瞬時に検出することに適しているだけでなく、静的変形を監視することにも適している。回転センサと地震計または加速度計とを組み合わせることによって、全６つの運動の自由度を対象とする１つの完全なセンサを開発して利用することが可能である。この場合の重要な特徴は、局所的な基準標識とは無関係に計測する場合の回転センサ特有の条件を考慮することである。これは、例えば、上記センサをリアルタイムで絶対的に方向付けることが出来ること、および、世界的規模の地球の自転信号を用いて上記センサの自己較正を行うことである。
【００３８】
本発明に従って、可動式でコスト効率の良い新規のセンサを提供する。該センサを、典型的な地震探知器と共に用いることによって、地盤移動を正確に、つまり全６つの運動の自由度において監視することが可能である。地盤移動を完璧に描写するには、平行移動だけでなく回転も、高解像度で監視する必要がある。
【００３９】
本発明では、変動および変形に関する長期の広範囲に亘る予報を、拡大された６つの部材から成る記録（可動式でコスト効率が良く迅速に利用可能な新規の計測方法）を用いて行うことが可能である。追加的監視変数「回転運動」を、特に震源パラメータを反転する際に用いて（動的回転）、その正確度を改善することが可能である。この場合、特に、通常は分離させることの出来ない計測信号の傾斜と平行移動とが結合することを、上記センサの平面上において調査して、対応する高解像度回転計測を行うことによって補正する。地震の間は、横方向の加速と回転率とが同期し、互いに比例しているので、地震計では、地震により誘発された傾斜割合が、地震事象に近い区域における他の線形独立した空間方向のセンサ信号に含まれることを回避することは不可能である。ここでは、全６つの運動の自由度（つまり上記回転も含む）を対象とする１つのセンサだけが、これを改善することが可能である。
【００４０】
光ファイバジャイロスコープの設計における本発明に係る原理は、コスト効率良く、既存のグラスファイバベースの回転センサの感度を、上述の従来技術と比較して、最高２桁まで増大させることが可能であると同時に、広帯域の地震計を補足することによって、初めて、携帯利用且つ実地利用可能な実施形態において、全６つの運動の自由度を十分な感度を伴って利用することが可能である。
【００４１】
本発明では、早期警戒システムに用いるための新規且つ画期的な基本技術として、最新の回転センサを利用することおよびさらに発展させることに注力している。ここから派生する様々な新規の技術的可能性は、特に、建物構造物の監視および地震学の領域に応用してもよい。
【００４２】
地震の後、特に大都会では、重要な建物の損傷を迅速に判定することが、特に救済措置を最適化するために最も重要である。地震発生時の動き（上記変形の時間プロファイル、静的変位および静的回転）を計測して、１つの独立したセンサで、臨界変数をほぼリアルタイムで評価することが可能であるならば、特に危険度の高い建物および水路または交通路の変形によって誘発された変数を、実質的に瞬時に特定することが可能である。本発明では、コスト効率の良い６Ｃインテリジェントセンサを設けている。該６Ｃインテリジェントセンサは、建物、橋、トンネル、または、他の構造物の中に、「ブラックボックス」のように取り付けることが可能であり、地震または他の変形事象の間の、該建物の動きに関する有用なデータ材料を記録して、解析のために提供する。従って本発明では、上記回転センサの特性を絶対分度器として利用することに、特に配慮している。本発明に係る装置は、低消費電力を特徴とし、製造技術的には、コスト効率の良い大量生産に適している。従って、取り付けられた電子器具は、センサ内でセンサ信号を瞬時に積分および微分し、これによって、各建物の危険度の推定または損傷度の推定をほぼリアルタイムで提供する。ここでは、このような原理的に独立した複数のセンサユニットを、独立した区域ネットワークまたは地域ネットワーク内に組み入れることも、追加的に可能である。
【００４３】
構造力学上の観点からは、好適なセンサによって、地震または他の下層土の動き（例えば振動）による動的励起を、振幅に関するだけでなく、それに関連する波長に関しても特定することを目的としている。受振器センサまたは加速度センサを絶対分度器としての回転センサに組み入れることによって、わずかな計測点を有する動的励起のこれら両方に関する特性変数を検出することが可能である。線形構造物では、計測した回転から、この作用によって生じた曲率を説明することが可能である。本発明によれば、これに基づいて、計測結果を上記構造物の動的設計に基づく仮定と比較することによって、上記励起の評価を行うことが可能である。さらに、上記動的励起を検出することに加えて、上記作用によって生じた永続的な静的変形も重要である。計測した回転からは、例えば複数のセンサを互いに整列させることによって、永続的な変形線を特定することが可能である。コスト効率の良いセンサを用いて（いわば）静的情報および動的情報を計測することが可能であるので、他の計測方法と比べて大きな利点が生じる。上記センサの自己較正とその重量への位置に無関係であることによる効果とによって、その利用範囲は、人為的作用、または、危険性の高い作用／抵抗の組み合わせ（例えば、弱い構造物上への高雪荷重、極値風荷重による影響など）による結果に対する早期警戒に関しても広がる。従って、上記センサを、他の計測方法では非常に手間が掛かりリアルタイムで行うことが出来ない業務にも用いることが可能となる。本発明に係る方法が対称とする早期警戒システムの、地震動を超える重要な範囲は、トンネル建造物内に生じる下層土の動き、掘削中に生じる下層土の動き、基盤の負荷によって生じる下層土の動き、または、丘の陥没地帯において生じる下層土の動きを監視することである。結果として、センサを用いた監視は、動的作用（つまり変形または損傷の原因となるもの）と共に、残留変形も対象とする。
【００４４】
〔地震時および火山の変形観測〕
地震計観測に基づく、静的（および動的）変形を特定する際の問題は、数十年前から知られており、今のところ、この問題の満足できる十分な解決策は発見されていない。この問題の主たる原因は、地震計に回転および傾斜の変動によってさらなる影響が生じて、速度地震計または加速度地震計（を集積することが出来ない状態が生じるということである。この場合、ＧＰＳ器具では、この問題を部分的にしか改善することが出来ない。なぜなら、該ＧＰＳ器具は、（１）その垂直解像度が低く、（２）その検出率は、上記動的観測に十分な程度の精度を有していないからである。コスト効率の良い、可動式に使用することが可能である６−Ｃ地震計を用いることによって、動的および静的変形の広範囲を網羅した観測が可能となるであろう。これは、長期的に見れば、震源パラメータをリアルタイムで特定する際にも改善点を提供し得る。大きな変形が予測され得る火山の地震観察にも同じ説明が当てはまる。回転運動と傾斜運動との結合を回避することができないため、地震計を用いた標準的な広帯域の計測には影響が生じ、モデリングがより困難になる。回転と平行移動とのデータを組み合わせて解析することによって、この領域における、震源パラメータおよびマグマ溜りの状態をより良好に写像することが可能になる。
【００４５】
本発明の一実施形態では、上記負荷／損傷を特定する際に、動的な地面／建物の相互作用、および、建物の構造の動的構造を考慮する。
【００４６】
本発明の目的は、地震により誘発される災害および危険度を低減することである。全動きを構成する構成材を観測することは、数十年に亘って理論地震学者が指摘してきたことである。現在、センサ技術におけるこの最新の発展により、必要とされる正確さを有する好適な計測器具を形成することが可能になったと思われる。この場合、本計測技術は、純粋理論的科学分野だけでなく工学分野においても、広範囲に利用可能であることに留意されたい。
【００４７】
地震の危機に瀕した大都会（例えば、イスタンブール、東京、ロサンゼルス、および、ニューメキシコ）の持続的な急成長によって、これら大都会が震源地となって大地震が発生した場合には、大きな損傷が引き起こされ、多くの人間の生命が失われる。これら大都会は、全く異質の建物の構造を有すると共に多様な下層土特性を有しているので、それぞれに確実な災害管理を行うために必要な、損傷の状況の概要を短時間で得ることは不可能である。従って、調整された救援活動を素早く始めることは著しく阻害され、予測される結果は最善であるとはいえない。ここでは、損傷事象を同時記録し、所定の方法に従ってほぼリアルタイムで評価すると共に、この結果を素早く利用可能にする独立監視システムによって、これを大きく改善することが可能である。上記建物の機能に応じた動的な重みづけ、および、上記センサによって行われる自動損傷判定、並びに、規定される他の尺度（例えば、救援スタッフが移動する距離の最適化）によって、危険度の高い、損傷が起こってから最初の６時間を有効に利用することが想定可能である。
【００４８】
本発明に係る建物センサの原理は、２つの面において画期的である。最初の面は、外部の力（地震、激しい風負荷、地面陥没など）が作用している間の建物の動きを詳細に記録する監視システムの方法を示していることである。この場合、用いられる回転センサの特性を絶対分度器とすることによって、局所的基準システムから完全に無関係になり得る。これに関して、上記センサは、飛行機内に用いられているような「ブラックボックス」に相当する。この記録機能に加えて、計測中は、重要パラメータ（例えば、最大歪み）が建物独自の所定極限値を超しているかが調査される。該重要パラメータによって、生じた損傷の分類（例えば、崩壊の危険度）が可能な限り行われ、この分類結果は、本部（地域的な災害保護室）に（電源に依存しない無線技術を用いて）転送され得る。従って、これは、ほぼリアルタイムの損傷予知に対する重要な一歩となろう。
【００４９】
地盤移動が激しい領域で実地利用するために開発されたセンサは、地震学においては複数の欠点を有している。地震計の傾斜が、実際に計測される平行移動と同様に、センサ信号をも誘発する。地震に近い領域では、回転の自由度がないために、完全な運動ベクトルを再現することは不可能である。従って、この計測は、不完全なだけでなく、信号源が混ざっているために、誤ったものでもある。これは、地震パラメータの反転に対して大きな妨害となる。十分なセンサ感度を伴って全６つの運動の自由度を完全に検出して、平行移動と回転（傾斜）とを明確に分けることが、地震モデルを改善するために大きく貢献し得ると予想される（装置の伝達関数には無関係）。
【００５０】
リングレーザーは、高感度アクティブ光学干渉計であり、これまで、遠地地震からの回転信号を量的に特定する唯一の装置であった。長期間安定性が重要な要因でない地震学において用いる場合であっても、これらリングレーザーは、依然として、１日に付き０．１度よりも良好な極めて高い温度安定度を必要とする。この光学的感知手段の、数百分の一マイクロメーターの範囲内の、熱的に誘導された膨張または収縮は、光学動作周波数内にドリフトの原因となり、該ドリフトは、その後、縦モードインデックスに突然のジャンプを生じさせる（モードジャンプ）。さらに、リングレーザーは、地理センサプロジェクト（GEOsensor project）中に簡素化が実現可能であったにも関わらず、設備は複雑なままである。このため、上記リングレーザーは、３つの特殊な用途には適していない。（１）強い地震の後に、上記センサを短期間震源地の近傍に置き換えて、近接場における余震を記録する場合。（２）強い地盤移動の影響を受けた後に、全運動（全６つの自由度）を検出する場合。（３）監視建物センサシステムの一部としては、これらは、コストが高すぎる且つ感度が強すぎる点。他方では、光ファイバ回転センサは、上記リングレーザーの感度を有しているわけではないが、極めて高い温度許容度を有するロバスト且つ小型なセンサである。さらに、これらは極めてコスト効率が良い。
【００５１】
本発明に係る方法は、上記システムの自己較正を利用することが可能である。回転センサが、上記サニャック効果に基づいて回転を絶対的に計測するので、上記センサ信号には、常に地球の自転信号が重畳される。ここに提案する用法の範囲内では、この信号を一定の基準としてみなすことが可能である。この信号を、常に、つまり地震の前、地震の間、および、地震の後に、局所的環境とは無関係な基準として利用することが可能であり、地球の自転軸に対する上記センサの瞬時の方向を特定するために用いることが可能である。地震の前と後とを比較することによって、地震事象、または、建物変形による上記センサの方向の変動が導き出される。上記センサは、計測のために壁に固定して取り付けられているので、該方向の変動は、建物傾斜、または、変形、または、個々の階の間の変位のいずれかに相当する。この信号は、計測された回転率の積分によって特定され、約１分程度の短い積分時間の後であっても、１度未満の解像度を達成する。正確に言うと、上記センサの方向を特定する方法は、北／南方向においてのみ高解像度である。東／西方向においては上記解像度はこれよりも低くなる。従って、最適なセンサの実現の研究（上記センサの照合システム）は、特有の動作基点である。この方向信号を利用するための研究の後、上記建物の回転信号を利用することが重要である。このため、（１）計測された角度の歪みと上記建物または様々な材料の圧力との間に基準を設定する。（２）個々の階のそれぞれに対する変位の影響が定量化されて（相互の階の回転（interstorey rotation））、上記センサシステムに伝達される。
【００５２】
ＦＯＧ（光ファイバジャイロスコープ）の出力信号は、表面を反対方向に進む２つの光波の間の位相差である。該位相差は、上記センサの回転速度と、ビームによって外接した表面とに比例している。リングレーザーと比較したＦＯＧの重要な利点は、光信号がグラスファイバ内に誘導され得るという点である。ＦＯＧでは、上記センサの寸法をほぼ変動させることなく、有効表面を増大させることが可能である。他方、光ファイバジャイロスコープは位相計測を行うことが出来るが、リングレーザーは干渉分光法によって周波数差を特定し、原理に従ってより高解像度を実現する点で、光ファイバジャイロスコープは、リングレーザーと異なっている。これは、ＦＯＧを実施する上での大きな欠点である。ＦＯＧの信号−ノイズ係数（解像度）は、スケール係数だけに依存しているのではなく、光学電力密度にも依存している。例えば、波長１．５５μｍ、光出力ＰＯ＝１００μＷ、グラスファイバの長さ１０００ｍ、および、コイルの直径Ｄ０．４ｍの光源では、ＦＯＧの感度の理論上の値は、４．１２５×１０−８ｒａｄ／ｓとなる。
【００５３】
極性光学ファイバから成るコイルが、光学装置の重要な構成部材を形成している。このファイバの長さおよび上記コイルの形状直径は、上記ジャイロスコープのスケール係数内に含まれている。従って基本的に、用いるコイルファイバを長くすると、上記回転率を計測する際の正確性をより高くすることが可能である。しかしながら同時に、上記ファイバが通りぬける間の光度の減衰損失、および、例えばシュッペ（Ｓｈｕｐｅ）効果またはカー（Ｋｅｒｒ）効果のような妨害効果により生じる相変化が、上記ファイバコイルの実施可能な長さを制限する。従って、プロトタイプのコイルは、約１０００ｍの長さおよび３００ｎｍ以下の直径を有するように設計される。
【００５４】
図４は、振動試験台上で、偏心質量分布を有する１つの建物モデル（右側）に、人工地震を発生させた際の、ねじれ（左側）の計測結果から一部を抜粋したものを示す図である。
【００５５】
これに関して、遠地地震の地震によって誘発された回転を観測することは、対比される広帯域平行移動を計測することに適合可能であると共に、振幅比内には追加的な情報が含まれていると言える。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】地震の前後の、回転センサが取り付けられた建物の一部分を示す概略図である。
【図２】地震の前後の、隣接しあった２つの建物の部分を示す概略図である。
【図３】本発明に係る方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】地震の間の建物のねじれプロファイルを示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法であって、
建物負荷／建物損傷によって生じた地球の自転軸に対する建物の一部の回転を、上記建物の部分に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項２】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法であって、
建物負荷／建物損傷によって生じた地球の自転軸に対する建物の複数の部分の回転を、上記建物の複数の部分に機械的に強固に接続されている対応する光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測したこれら複数の回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項３】
上記各回転センサは、１軸、２軸、または、３軸について、回転を計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
上記回転センサは、上記建物の側壁に固定されており、計測した上記回転から、上記建物の側壁および床と、上記側壁によって支えられている天井との間の相対角度を推測することが出来ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
建物負荷／建物損傷によって生じた建物の少なくとも一部の平行移動を、上記建物の少なくとも一部に機械的に強固に接続されている対応する加速度センサによって計測すると共に、計測した上記平行移動から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
計測した上記回転および上記平行移動から、特定すべき地震による損傷の尺度となる、地球の自転軸に対する上記建物の方向の変化を推測することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷または状態を特定する方法であって、
上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じた地球の自転軸に対する上記機械的構造物の一部の回転を、上記機械的構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記機械的構造物における負荷／損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項８】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷または状態を特定する方法であって、
上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じた上記機械的構造物の複数の部分の回転を、上記機械的構造物の複数の部分に機械的に強固に接続されている対応する光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記機械的構造物における負荷／損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項９】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する装置であって、
建物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサと、
上記回転センサによって検出された地球の自転軸に対する上記建物の一部の回転に基づいて、上記建物負荷／建物損傷を特定する、上記回転センサに接続された評価器具とを特徴とする装置。
【請求項１０】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷および状態を特定する装置であって、
上記構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサと、
上記回転センサによって検出された地球の自転軸に対する上記構造物の一部の回転に基づいて、上記構造物における負荷／損傷を特定する、上記回転センサに接続された評価器具とを特徴とする装置。
【請求項１１】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷および状態を特定する装置であって、
上記構造物の異なる複数の部分に機械的に強固に接続された２つ以上の回転センサと、
各上記回転センサに接続された独立した無線ネットワークの個々の評価器具であって、２つ以上の上記回転センサによって検出されると共に一緒に解析される、地球の自転軸に対する上記構造物の複数の部分の回転またはねじれに基づいて、上記構造物における負荷／損傷を一緒に特定する独立した無線ネットワークの個々の評価器具とを特徴とする装置。
【請求項１】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法であって、
建物負荷／建物損傷によって生じた地球の自転軸に対する建物の一部の回転を、上記建物の部分に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項２】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する方法であって、
建物負荷／建物損傷によって生じた地球の自転軸に対する建物の複数の部分の回転を、上記建物の複数の部分に機械的に強固に接続されている対応する光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測したこれら複数の回転から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項３】
上記各回転センサは、１軸、２軸、または、３軸について、回転を計測することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
上記回転センサは、上記建物の側壁に固定されており、計測した上記回転から、上記建物の側壁および床と、上記側壁によって支えられている天井との間の相対角度を推測することが出来ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
建物負荷／建物損傷によって生じた建物の少なくとも一部の平行移動を、上記建物の少なくとも一部に機械的に強固に接続されている対応する加速度センサによって計測すると共に、計測した上記平行移動から、上記建物負荷／建物損傷を推測することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
計測した上記回転および上記平行移動から、特定すべき地震による損傷の尺度となる、地球の自転軸に対する上記建物の方向の変化を推測することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷または状態を特定する方法であって、
上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じた地球の自転軸に対する上記機械的構造物の一部の回転を、上記機械的構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記機械的構造物における負荷／損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項８】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷または状態を特定する方法であって、
上記機械的構造物における負荷／損傷によって生じた上記機械的構造物の複数の部分の回転を、上記機械的構造物の複数の部分に機械的に強固に接続されている対応する光ファイバ回転センサによって計測すると共に、計測した上記回転から、上記機械的構造物における負荷／損傷を推測することを特徴とする方法。
【請求項９】
建物負荷、および／または、建物負荷に起因する建物損傷を特定する装置であって、
建物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサと、
上記回転センサによって検出された地球の自転軸に対する上記建物の一部の回転に基づいて、上記建物負荷／建物損傷を特定する、上記回転センサに接続された評価器具とを特徴とする装置。
【請求項１０】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷および状態を特定する装置であって、
上記構造物の一部に機械的に強固に接続されている光ファイバ回転センサと、
上記回転センサによって検出された地球の自転軸に対する上記構造物の一部の回転に基づいて、上記構造物における負荷／損傷を特定する、上記回転センサに接続された評価器具とを特徴とする装置。
【請求項１１】
機械的構造物における負荷、および／または、上記機械的構造物における負荷に起因する上記機械的構造物における損傷および状態を特定する装置であって、
上記構造物の異なる複数の部分に機械的に強固に接続された２つ以上の回転センサと、
各上記回転センサに接続された独立した無線ネットワークの個々の評価器具であって、２つ以上の上記回転センサによって検出されると共に一緒に解析される、地球の自転軸に対する上記構造物の複数の部分の回転またはねじれに基づいて、上記構造物における負荷／損傷を一緒に特定する独立した無線ネットワークの個々の評価器具とを特徴とする装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００９−５２５４１８（Ｐ２００９−５２５４１８Ａ）
【公表日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５５２７４０（Ｐ２００８−５５２７４０）
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０００８３３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８８０４２
【国際公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（５０８２３３９６２）ノースロップ グルマン リテフ ゲーエムベーハー (8)
【氏名又は名称原語表記】Ｎｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ ＬＩＴＥＦ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｌｏｅｒｒａｃｈｅｒ Ｓｔｒ．１８，７９１１５ Ｆｒｅｉｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月３１日（２００７．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０００８３３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８８０４２
【国際公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（５０８２３３９６２）ノースロップ グルマン リテフ ゲーエムベーハー (8)
【氏名又は名称原語表記】Ｎｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ ＬＩＴＥＦ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｌｏｅｒｒａｃｈｅｒ Ｓｔｒ．１８，７９１１５ Ｆｒｅｉｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]