車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法
【課題】疲労度の高精度予測。
【解決手段】車輌が通過する構造物体の構造部位に配置され交通実態データ（Ｄ１）を計測する計測器（３）と、交通実態データ（Ｄ１）に対応して構造部位の応力を計算する計算器（１）とから構成されている。交通実態データ（Ｄ１）は、通過車両の等価車輌数Ｎと、通過車輌の等価質量とを含んでいる。計算器（３）は、等価車両数Ｎと等価質量を変数とする疲労度を計算する。実測される応力により疲労度を計算しないで、軸重分布により疲労度が計算される。計測が容易でる実データにより、例えば、ＦＥＭ解析により高精度に最適性の特定部位の余余寿命を予測することができ、点検・補修時期を適格に計画的に定めることができる。
【解決手段】車輌が通過する構造物体の構造部位に配置され交通実態データ（Ｄ１）を計測する計測器（３）と、交通実態データ（Ｄ１）に対応して構造部位の応力を計算する計算器（１）とから構成されている。交通実態データ（Ｄ１）は、通過車両の等価車輌数Ｎと、通過車輌の等価質量とを含んでいる。計算器（３）は、等価車両数Ｎと等価質量を変数とする疲労度を計算する。実測される応力により疲労度を計算しないで、軸重分布により疲労度が計算される。計測が容易でる実データにより、例えば、ＦＥＭ解析により高精度に最適性の特定部位の余余寿命を予測することができ、点検・補修時期を適格に計画的に定めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法に関し、特に、余寿命を予測して保全計画を立てる基礎データを得るための車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公共投資の負荷の軽減が求められる。そのような軽減の施策の一環として、鉄道、道路のような車輌走行構造物の保全コストの軽減が重要である。車輌走行構造物は、小型軽量車輌、大型重量車輌、二軸車輌、多軸車輌のように間断なく走行する多様な移動体を支持する構造物体である。建築・建設構造の特定部位、例えば、鋼床版のＵトラフ構造に間断なく発生する応力は、その構造の特定部位を劣化させる。劣化が進んで生じる亀裂を発見して補修を実施することは重要であるが、より早期に劣化進展度を予測することは、安全性のコスト削減の両面でより重要である。劣化進展度は、特定部位の応力と頻度の２変数で記述される、劣化進展度は損傷度Ｒとして、下記式で記述される。
Ｒ＝ｆ（σ，Ｎ，Ｘ）
σ：応力
Ｎ：頻度
ｆ：計算ｆは解析（例示：ＦＥＭ解析のような構造解析）に対応
Ｘ：その他の変数又はパラメータ
このような損傷度の具体的表現は、ダイナミックに荷重がかかる構造物体に関して、理論的に又は経験則的に一般的に公知である。ここで、応力は歪み計により実測される。
【０００３】
損傷度Ｒの計算の精度を高めるためには、車両数（等価車両数、又は頻度）Ｎと応力σをより高精度に計測することが重要である。その場合に、複数（損傷すると規定される構造物部位の総数に対応する数）の歪み計により応力を計測する必要がある。そのため、総数に応じて歪み計を取り付けることは、莫大な費用と時間を要し、また、長期的な監視を行う場合には、歪み計の総数に応じて、歪み計の保守・点検の費用と時間を更に要する。
【０００４】
損傷度推定は、点検の適正時期を促す。点検の時期は、補修コストに強く影響する。補修のトータルコストと補修時期との対応は、非特許文献１で提案されている。
【０００５】
損傷度の高精度の定量性を確立することが求められる。損傷度の確立により、補修コスト計算と損傷度との間の対応を確定することが重要である。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４３４３９号
【非特許文献１】土木学会誌、Ｖｏｌ．８９ Ｎｏ．８、ｐｐ２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、高精度の損傷度の定量性を明確にする技術を確立する車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、補修時期の適正化の技術を確立する車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、計算のための基礎データとして適正な物理データを用いることにより予測の精度を向上させる車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による車輌通行構造の保全システムは、車輌（１６）が通過する構造物体（８）の構造部位に位置的に対応して配置され交通実態データ（Ｄ１）を計測する計測器（１）と、交通実態データ（Ｄ１）に対応して構造部位の応力（Δσ）を計算する計算器（１）と、その他の構成機器とから構成されている。交通実態データは、通過する車輌（１６）の質量ＭＮ（軸重に対応）と、質量に対応する荷重が構造部位にかかる頻度Ｎとを含んでいる。頻度Ｎは車輌の通過回数に対応している。計算器（１）は、実測される質量ＭＮに対応して任意の特定構造部位の応力σを計算により求めることができる。質量は単一次元の物理データであり、計測精度が著しく高いデータである。質量は、軸重として計測され、頻度が同時的に計測され得る。
【０００９】
本発明では、任意の構造部位の亀裂発生時期を高精度に予測することができる。計算器は、その応力σと頻度Ｎとに対応する疲労度Ｒ（σ，Ｎ）を計算する。応力の頻度分布と疲労度の対応は、公知である。本発明では、頻度と応力との対応関係である応力分布は、実測によらずに構造解析により計算により求められる。応力と頻度の対応関係から疲労度を求める計算手法は公知であり、その疲労度の求め方は、理論的に周知であり、又は、経験則的に周知である。本発明では、任意の構造部位の疲労度により、亀裂発生時期を高精度に予測することができるので、点検時期の最適化が可能であり、点検時期から補修時期の最適化が可能である。
【００１０】
軸重計測器から得られる通過回数と軸重は計算器に入力される。計算器は、軸重の頻度分布を自動的に計算する。その頻度分布により、応力分布が計算される。軸重分布は、平均化されて、等価軸重分布が計算される。応力分布は、平均化されて等価応力が計算される。疲労度は、等価応力と頻度により計算される。
【００１１】
計測器として、軸重計測器が最適性である。軸重計測器は、通過軸の軸数と各軸に対応する質量を同時的に且つ高精度に計測することができる。歪み計と異なり、軸重計測器の高精度化は容易に行われるので、本発明システムの高精度化が容易である。
【００１２】
既述の応力は、等価質量と構造物体の構造とに対応して構造解析により計算される。その構造の任意の部位の応力が１点又は少数点の軸重計測により間接的に求められ得る。
【００１３】
本発明による車輌通行構造の保全方法は、既述の通り、通過車輌の質量Ｍを計測するステップと、前記通過車輌の通過数を計測するステップと、質量に対応する応力の分布を計算するステップと、分布に対応する疲労度を求めるステップを含んでいる。亀裂の観測の前に任意の構造部位の応力とその任意の構造部位の疲労度を高精度に予測することができ、点検・補修時期の最適化が実現される。点検時期が高精度に判断されるので、初期で亀裂を発見することにより、早期補修を可能にすることにより、補修の総工費を低減化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法は、点検・補修時期の最適化が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による車輌通行構造の保全システムの実施の最良の形態は、図に対応して、詳細に記述される。車輌通行構造の保全システム１０は、図１に示されるように、構造状態計算器１を含んでいる。構造状態は、時間とともにダイナミックに変化する。構造状態は、普通には、劣化の進展状態を示す。構造状態は、構造状態値として、表現され得る。構造状態値は、損傷度Ｒとして構造状態計算器１の中で記述されている。構造状態計算器１には、データベース２が付属している。データベース２には、３様のデータが取り込まれる。
【００１６】
交通実態データＤ１は、交通実態データ計測器３により計測的に取得されてデータベース２に入力される。通行構造物データＤ２は、設計図記述器４から出力されてデータベース２に入力される。確認用物理データＤ３は、確認用物理データ計測器５により計測的に取得されてデータベース２に入力される。交通実態データＤ１は、通行構造物データＤ２と確認用物理データＤ３とともにデータベース２に貯蔵され、計算時にそれぞれに構造状態計算器１に取り込まれる。構造状態計算器１には、端末計算器６が付属している。端末計算器６は、損傷度Ｒに対応する保全計画情報７を作成して、プリンター又は表示画面に対して出力する。
【００１７】
交通実態データ計測器３として軸重計測器が適正に用いられる。交通実態データ計測器３は、車輌の複数の軸に対応して、その軸を介して道路面、レール面に作用する重力又は重力対応量として表される軸重又は軸重換算値Ｍｊを高精度に計測することができる。軸重Ｍｊのｊは、通過番目であり通過車両数又は全通過車輌の全軸数Ｎに一致している。ｊ＝１〜Ｎである。
【００１８】
設計図記述器４には、道路、橋梁のような構造物体の原設計情報（原基本情報）が貯蔵されている。更には、補修された後の補修情報（追加基本情報）が経時的に貯蔵される。原基本情報は、橋梁形式、径間、設計図情報（形状データ）、材料データ、その他のデータの集合である。交通実態データ計測器３には、交通実態データ計測器３により計測される交通量の他に、過去の統計データ（例示：交通量、車種ごとの質量、経験則的に知られる軸重）が貯蔵されている。設計図記述器４には、更に補修データが貯蔵されている。その補修データは、補修時期、点検データ（亀裂位置、亀裂長さ、過去の疲労評価（損傷度Ｒ）の時系列データの集合である。
【００１９】
３様のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、統一的に整理されてデータベース２で貯蔵され、構造状態計算器１の指示に従って、構造状態計算器１に転送される。構造状態計算器１は、Ｒ＝ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）・・・（１）
Ｘ：他の変数
を記述し、損傷度Ｒを計算する。ｆは、既述の基本情報と追加基本情報に対応する関数又は写像である。ＭＮは、頻度がＮであるときの軸重を示す。損傷度は、後述されるように応力に対応する。
Ｒ＝Ｆ（ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ））・・・（１’）
Ｆは、１又は定数ｋであり得る。
Ｒ＝Ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）＝ｋｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）・・・（１’）
【００２０】
一般的には、
Ｒ＝ｆ（Ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ））・・・（１”）
ここで、式（１”）のＦは後述される応力又は等価応力である。
関数Ｆは、ＦＥＭ解析のような構造解析により計算により求められる。応力変動と亀裂発生時期（又は、亀裂成長履歴）の関係は理論的に確定されていて、関数ｆと関数Ｆは理論的に確立されている。後述されるように、理論と実測の整合性が確認される。等価応力と頻度Ｎを変数として関数計算を実行することにより、損傷度の計算がリアルタイムに又は実質的にリアルタイムに実行され得る。
【００２１】
図２は、高架道路構造８を例示している。高架道路構造８は、道路面構造９と、道路面構造９を支持する支持桁１１と、その他の付随構造（例示：道路構造接合ジョイント１２）とから構成されている。道路面構造９に支持されて、交通実態データ計測器３が道路面又は道路脇近傍に配置されている。
【００２２】
図３は、交通実態データ計測器３の具体的な配置関係と計測の形態を示している。交通実態データ計測器３は、第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５とを含んでいる。第１軸重計測センサ１４は、第２軸重計測センサ１５に対して車輌１６の通行方向に配列されている。軸重計測センサは、軸重を計測することができる。交通実態データ計測器３は、更に、第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８とを含んでいる。第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８はそれぞれに、レーザービーム発信受信器として適正に形成されていて、前後する２台の車輌を分離してその２台を２台として判定することができる。
【００２３】
図４は、交通実態データ計測器３の回路構成を示している。第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５と第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８とが出力する信号は、制御処理器２１に入力される。第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８がそれぞれに発信受信するレーザービームは、車輌分離信号１７ａ、１８ａとして、制御処理器２１のディジタル入出力部位２２に入力される。第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５とが計測する軸重に対応する軸重換算信号１４ａ、１５ａは、制御処理器２１の第１アンプ２４と第２アンプ２５にそれぞれに入力される。軸重換算信号１４ａ、１５ａは、その積分値が軸重（荷重）に比例する。軸重換算信号１４ａと軸重換算信号１５ａは、第１アンプ２４と第２アンプ２５によりそれぞれに増幅されて、制御処理器２１のＡＤ変換器２６に入力され、ディジタル信号に変換されて、制御処理器２１の制御処理部位２７に入力される。車輌分離信号１７ａ、１８ａは、ディジタル入出力部位２２によりそれぞれにディジタル信号に変換されて制御処理部位２７に入力される。
【００２４】
図５は、図４の交通実態データ計測器３の制御処理部位２７により処理される交通実態データＤ１の一例を示している。交通実態データＤ１は、通過車両数又は通過車軸数（計算のために実質的に用いられる車軸数）とその車軸に対応する軸重とを含んでいる。車輌１６として、２軸中型車輌が示されている。図５（ａ），（ｂ）の横軸は時間座標を示し、図５（ａ）の縦軸は空間座標を示し、図５（ｂ）の縦軸は各センサの出力信号を示している。車輌１６が第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８を通過する（この形態では、同時的に第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５を通過する）間で、第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８は第１オンオフ信号２８と第２オンオフ信号２９を出力する。第１オンオフ信号２８と第２オンオフ信号２９の時間差３１は、車輌１６が方向Ａに走行していることを示している。車輌１６が第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５を通過する間で、第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５は第１前方軸重３２と第１後方軸重３３と第２前方軸重３４と第２後方軸重３５とを出力する。
【００２５】
制御処理部位２７は、図５（ｂ）の出力信号２８，２９に対応して、１台の車輌が方向Ａに通過したことを計算により判定することができ、且つ、図５（ｂ）の出力信号３２，３３，３４，３５に対応して、その１台の車両の前方車軸と後方車軸のそれぞれの軸重を検出することができる。信号３４と信号３２の組、又は、信号３３と信号３５の組は、方向Ａに通過する１台の車輌の前方軸の軸重又は後方軸の軸重の計算を可能にする。時間軸方向が逆に表されているならば、方向Ａと逆方向に通過する１台の車輌の後方軸の軸重又は前方軸の軸重の計算を可能にする。
すなわち、複数の軸重計測器（軸重計測センサ）と複数の車輌通過検出器（車輌分離計測センサ）との組合せにより、車輌の通行方向と通過車輌数Ｎを検出することができる。
【００２６】
本発明による車輌通行構造の保全方法は、下記の手法により実現される。
ステップＳ１：
構造状態計算器１は、図６に示されるように、軸重分布に対応する重量（質量）分布Ｗを計測と計算とにより求める（慣用表現では、縦軸を頻度で表す頻度分布としてグラフ化される。）。重量分布Ｗを示すグラフの縦軸と横軸は、それぞれに、重量Ｗと頻度Ｎとを示している。ここで、頻度は既述の車輌台数又は軸数を表す。１台の車両の前後軸の間隔が十分に短く各軸の軸重Ｗが十分によい近似で同じであれば、質量が２Ｗである１台の車両が通過することとして計算が実行される。大型大重量トラックの通過では、４軸に対応する４つの軸重をそれぞれに有する４台の車輌が同時に間隔不変状態で通過することとして計算される。車輌の特性に応じて台数と軸数とが判定されるので、既述のＮは軸数が考慮された上で判定される車輌台数として近似的に又は等価的に表され得る。従って、コンピュータの中では、Ｎは等価車輌通過台数として表現されている。より詳しくは後述されるように、実働荷重は等価実働荷重として表現される。重量分布Ｗは、図６に示されるように、頻度Ｎの関数として表されている。
【００２７】
交通実態データ計測器３は、全区域の多数の地点で設置されているのではない。複数の構造が同一又は概同一であれば、同一構造の複数の道路部位の全てに関して軸重計測を実施する必要はない。交通実態データ計測器３に蓄積されている過去の道路交通統計データを用いて、等価実働荷重が算定され得る。
【００２８】
等価実働荷重は、重量（質量）の平均化により求められる。そのような平均化として、単純軸重Ｗについて３乗根平均が適正である。３乗根平均の軸重は、等価実働荷重ＷＲＭＣといわれる。
ＷＲＭＣ＝（ΣＷｉ３・Ｎｉ／Ｎ）１／３・・・（２）
【００２９】
ステップＳ２：
図７は、等価応力計算ステップＳ２を示している。構造状態計算器１は、一方で、図７に示されるように、構造解析コードにより、高架道路構造８の特定領域部分の要素分解構造体８’の特定（指定）部位の車輌通過時の応力を計算する。単数又は複数の特定部位は、構造状態計算器１により指示され得る。特に問題とされる溶接部位は、特定部位として解析担当者により人為的に構造状態計算器１に入力される。又は、特に問題になる特定部位が計算器１により計算により求められ得る。図７に示される車輌１６は３軸車輌であり、ある瞬間又はある時刻の近傍の応力時間分布が示されている。図７のグラフの横軸は時刻（コンピュータ上に設定される時系列時間）を示し、それの縦軸は応力（大きさ）を示している。１つの特定位置で、３車軸が通過する時刻を含むある時間範囲で、３車軸に対応して現れる特定位置の応力には、３つ又は４つのピークが現れている。等価応力Δσｅは、レインフロー法により下記式で求められる。
Δσｅ＝（ΣΔσｉＮｉ／Ｎ）１／３
レインフロー法は、１台の車輌が通過したときの応力範囲とその頻度を求める計算を可能にし、車輌１台当たりのΔσｅが求められ得る。
【００３０】
式（１”）の応力Ｆは、等価応力として下記式で表される。
Ｆ＝Ｆ（ＷＲＭＣ，Ｎ，Ｘ）・・・（３）
等価応力Δσｅが用いられる場合には、図７の３軸車輌の軸数は１として計算され得る。図７のグラフの縦軸は、１台の車輌が通過する際に現れる応力（軸重に対応して計算により求められる応力）の変動を示す。
【００３１】
ステップＳ３：
図８は、損傷度計算ステップＳ３を示している。損傷度計算ステップＳ３は、疲労照査ステップＳ３−１を予備ステップとして含んでいる。高架、橋梁の近年の設計は、コンピュータ上で実行され、既に応力頻度に起因する劣化が取り込まれている。そのような設計（３０年の過去の設計は現時点でコンピュータに入力されている。）では、発現応力の上限下限の幅である応力範囲は許容設計応力範囲Δσｄに収められている。既述の等価応力又は等価応力範囲Δσｅと許容設計応力範囲Δσｄとの間には、下記関係が制約条件（拘束条件）として満たされる必要があり、その条件の充足性が照査される。
Δσｅ⊂Δσｄ・・・（４）
又は、
Δσｅの要素である等価応力∈Δσｄ・・・（４’）
更に、安全化制約条件が付加的に課される。設計許容応力範囲ΔσＲと安全率γが設定され、下記安全化制約条件が設定される。
γ（Δσｄの要素）∈ΔσＲ
【００３２】
このような制約条件下で、損傷度計算ステップＳ３−２が実行され、既述の損傷度計算式（１）の計算が実行される。
Ｒ＝ｆ（Ｆ（ＷＲＭＣ），Ｎ，Ｘ）・・・（５）
このように、損傷度は応力Ｆと頻度Ｎにより任意の特定構造部位に関して計算される。
【００３３】
ステップＳ４：
図９は、損傷度計算が推定により実行される損傷度推定ステップＳ４を示している。損傷度推定ステップＳ４は、損傷度計算ステップの代替手法として採用される。過去の構造物では、その使用開始時期から現在まで軸重の交通実態データＤ１は取得されていない。図１０に示されるように、ある都市の地区Ａ，Ｂ，Ｃの地区Ａの幹線には、３つの構造物ａ，ｂ，ｃが存在する。図１１に示されるように、３つの構造物ａ，ｂ，ｃの全てに対応して交通実態データ計測器３は設置されておらず、交通実態データ計測器３は構造物ａの車輌接近側と構造物ｃの車輌接近側の２箇所のみに設置されている。構造物ｂが構造物ａ又は構造物ｃに同じであるか又は類似し、更に、構造物が車線中央線に対して対称であり、且つ、車輌の走行方向が応力分布に影響しない場合には、既述の２箇所のみの設置は他の構造物の劣化診断のためには不要である。
【００３４】
図９は、現在時点より過去には交通実態データ計測器３が設置されておらず、交通実態データＤ１が存在しない場合の応力範囲（等価応力）の推定方法を示している。現時点で交通実態データ計測器３が設置され現時点からモニタリングが開始されて、将来予測が実行される。現在時点で、複数の仮定が有力である。１つは、点線３６で示されるように、応力（応力範囲）一定であるとする仮定である。他の１つの仮定は、点線３７で示されるように、応力増大率一定であるとする仮定である。車量通過数に対応する頻度は、多様な公的機関の過去の既知データ又は統計データから求められる。１つ目の仮定によれば、損傷度Ｒとして線形損傷度３８が求められる。他の１つの仮定によれば、損傷度Ｒとして非線形損傷度３９が求められる。両仮定で、損傷度Ｒは、式（５）により求められる。式（５）の関数Ｆとしては、既述の通り、経験則と理論との整合性が確認されている関数が用いられる。
【００３５】
このような損傷度３８，３９は推定により得られたものであり、現実には、密点線で示される損傷度曲線（疲労確定により疲労損傷度曲線）４１が求められるはずである。亀裂（本明細書では、顕微鏡的亀裂ではなく、主として肉眼観察的亀裂）が発生する前には、損傷度を確認することができない。モニタリング開始後に目に見える亀裂が発生すれば、損傷度が確定する。そのような確定時点の損傷度は、１．０で定義される。図９には、損傷度が１．０である時点とその時の応力の２次元座標位置が星マークの亀裂発生４２で示されている。亀裂発生の確定により、損傷度関数Ｒ（＝ｆ（Ｆ，Ｎ））が確定する。亀裂発生の現実を踏まえて、補修が実行されることにより、応力は基準点（＝０）にもどり、将来の損傷度は定率増加直線４３として暫定的に推定される。将来の計測により、定率増加直線４３は確定的に高精度である曲線として補正され続ける。
【００３６】
ステップＳ５：
図１２は、保全計画ステップＳ５を実施するための実施表を示している。幹線Ｘの構造物ｃの使用期間は２０年であり、平均化等価車重（軸重ＷＲＭＣ）が１８トンであり、頻度Ｎに対応する台数が２０００（台／レーン・日）であり、推定的に又は確定的に（確定的とは使用開始時から軸重と頻度が計測されている場合には計算により求められることを意味する。）求められる損傷度Ｒが０．７である。図９のような損傷度曲線が過去から現在まで作成され、亀裂発生時点が高精度に推定される。その推定よれば、放置すれば、余寿命は９年と推定される。このように知られる余寿命に基づいて、点検補修の優先度が定められる。二重丸は余寿命が１０年以内であることを示し、一重丸は余寿命が１０年以上２０年以内であることを示し、三角は余寿命が２０年以上５０年以内であることを示す。幹線Ｚの構造物ｇでは、１年以内の補修が必須であり、優先度は二重丸であり、直ちに補修開始することが望まれ、少なくとも、２年の後に補修が行われない場合には、通行禁止を回避することはできないと強く推定される。但し、後述される亀裂発生後の亀裂進展を予測することにより、補修開始時期の延長はあり得る。
【００３７】
図１３〜図１６は、亀裂進展に基づく点検補修の時期に関して、保全計画ステップＳ５の改善を示している。図１３は、鋼床版のＵトラフの亀裂発生状況を示している。亀裂長さの度合いは、損傷度が１より大きい損傷度を示す。図１４に示されるように、亀裂長さ（縦軸）の経年変化は、エキスポーネンシャルに増大することが知られている。ここで、亀裂長さは計算により得られる推定亀裂ではなく、検出器（例示：人の目、カメラ）により現実に知られる現実亀裂である。点検間隔Ｔ１で発見される亀裂の長さは点検間隔Ｔ２で発見される亀裂の長さよりはるかに小さい。小さい亀裂は、急速に大きい亀裂に成長する。図１５に示されるように、点検間隔Ｔ１で補修が行われない場合には（縦軸は健全度を示す）、予測損傷度（亀裂進展度）は急速に進む急速曲線４４を辿ることが理論的に且つ経験則的に知られている。点検間隔Ｔ１の２度の点検に対応する補修コストは、図１６に示されるように、時間平均的表現（又は積分的表現）により斜線領域４５で示されている。図１５に示される点検間隔Ｔ２の１回の補修に対応する補修コストは、図１６に示されるように、点線斜線領域４６で表されている。点検間隔Ｔ２の２回の補修によれば、その補修は巨大化する。このようなトータルコストは、既述の非特許文献１の学会誌で述べられている試算モデルに依拠している。その試算によれば、点検間隔の短縮は点検回数の増大を招くが、点検間隔が長くて大規模補修を余儀なくされる大規模長周期補修コスト（ＬＣＣ：life cycle cost）は、点検間隔が短くて補修回数の増大を招く小規模短周期補修コストより莫大に大きい。
【００３８】
軸数検出のアルゴリズム：
本発明で、軸数検知は重要である。軸重計測器は２本が必須である。３本以上に配置される場合には、そのうちの２本が用いられる。本実施の形態では、レーザビームを用いた２本の車輌分離計測センサを用いているが、軸重計測センサの前後に配置される２つ以上のループコイルのような他の機器構成によっても通過車輌数が計測可能である。その通過検出の時間差から車輌数と通過方向が検出される。
【００３９】
また、２つの軸重センサにより、車輌が停止して反対方向に引き返すことの検知が可能である。すなわち、２つの軸重センサの出力パターンを参照すれば、車両が２つの軸重センサを完全に通過せずに途中で引き返した後再度通過したとしても、その車両１台当たりの軸数を重複することなく正確に検知することが可能となる。軸数と軸重の計測により、１台の総重量（総質量）が検知され得る。
【００４０】
レインフロー法：
構造物に作用する荷重は多様であるので、構造部位に生じる応力の変動波形は複雑である。このような変動振幅応力を形成する繰り返し応力の大きさ（Ｗｊ）とその繰り返し数（頻度Ｎ）の検出又は計算である応力範囲頻度分布を解析する応力範囲頻度解析法として、ピーク法、レンジ法、レンジペア法、レインフロー法が知られている。これは、現れる応力の極値として４つ（σ１＞σ３＞σ２＞σ４）が例示される場合、レンジ（σ３−σ２）の波を計数し、σ２とσ３を振動振幅応力波形から除外する数学的処理方法である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明による車輌通行構造の保全システムの実施の好ましい形態態を示す回路ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の適用対象を示す斜軸投影図図である。
【図３】図３は、本発明による車輌通行構造の保全方法の計測の形態を示す斜軸投影図である。
【図４】図４は、計測の回路を示す回路ブロック図である。
【図５】図５は、計測方法を示すグラフである。
【図６】図６は、頻度分布又は重量分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ＦＥＭ解析対象の計算結果を示すグラフである。
【図８】図８は、計算のプロセスの一部分を示す表である。
【図９】図９は、計算のプロセスの一部分を示すテーブルである。
【図１０】図１０は、都市の道路分布を示す表である。
【図１１】図１１は、道路構造の分布を示す表である。
【図１２】図１２は、補修点検表である。
【図１３】図１３は、応力計算対象を示す断面図である。
【図１４】図１４は、亀裂成長を示すグラフである。
【図１５】図１５は、疲労度又は健全度を示すグラフである。
【図１６】図１６は、トータルコストを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１…計算器
８…構造物体
１６…車輌
Ｄ１…交通実態データ
Δσ…応力
ＭＮ…等価質量
Ｒ…疲労度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法に関し、特に、余寿命を予測して保全計画を立てる基礎データを得るための車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
公共投資の負荷の軽減が求められる。そのような軽減の施策の一環として、鉄道、道路のような車輌走行構造物の保全コストの軽減が重要である。車輌走行構造物は、小型軽量車輌、大型重量車輌、二軸車輌、多軸車輌のように間断なく走行する多様な移動体を支持する構造物体である。建築・建設構造の特定部位、例えば、鋼床版のＵトラフ構造に間断なく発生する応力は、その構造の特定部位を劣化させる。劣化が進んで生じる亀裂を発見して補修を実施することは重要であるが、より早期に劣化進展度を予測することは、安全性のコスト削減の両面でより重要である。劣化進展度は、特定部位の応力と頻度の２変数で記述される、劣化進展度は損傷度Ｒとして、下記式で記述される。
Ｒ＝ｆ（σ，Ｎ，Ｘ）
σ：応力
Ｎ：頻度
ｆ：計算ｆは解析（例示：ＦＥＭ解析のような構造解析）に対応
Ｘ：その他の変数又はパラメータ
このような損傷度の具体的表現は、ダイナミックに荷重がかかる構造物体に関して、理論的に又は経験則的に一般的に公知である。ここで、応力は歪み計により実測される。
【０００３】
損傷度Ｒの計算の精度を高めるためには、車両数（等価車両数、又は頻度）Ｎと応力σをより高精度に計測することが重要である。その場合に、複数（損傷すると規定される構造物部位の総数に対応する数）の歪み計により応力を計測する必要がある。そのため、総数に応じて歪み計を取り付けることは、莫大な費用と時間を要し、また、長期的な監視を行う場合には、歪み計の総数に応じて、歪み計の保守・点検の費用と時間を更に要する。
【０００４】
損傷度推定は、点検の適正時期を促す。点検の時期は、補修コストに強く影響する。補修のトータルコストと補修時期との対応は、非特許文献１で提案されている。
【０００５】
損傷度の高精度の定量性を確立することが求められる。損傷度の確立により、補修コスト計算と損傷度との間の対応を確定することが重要である。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４３４３９号
【非特許文献１】土木学会誌、Ｖｏｌ．８９ Ｎｏ．８、ｐｐ２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、高精度の損傷度の定量性を明確にする技術を確立する車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、補修時期の適正化の技術を確立する車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、計算のための基礎データとして適正な物理データを用いることにより予測の精度を向上させる車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による車輌通行構造の保全システムは、車輌（１６）が通過する構造物体（８）の構造部位に位置的に対応して配置され交通実態データ（Ｄ１）を計測する計測器（１）と、交通実態データ（Ｄ１）に対応して構造部位の応力（Δσ）を計算する計算器（１）と、その他の構成機器とから構成されている。交通実態データは、通過する車輌（１６）の質量ＭＮ（軸重に対応）と、質量に対応する荷重が構造部位にかかる頻度Ｎとを含んでいる。頻度Ｎは車輌の通過回数に対応している。計算器（１）は、実測される質量ＭＮに対応して任意の特定構造部位の応力σを計算により求めることができる。質量は単一次元の物理データであり、計測精度が著しく高いデータである。質量は、軸重として計測され、頻度が同時的に計測され得る。
【０００９】
本発明では、任意の構造部位の亀裂発生時期を高精度に予測することができる。計算器は、その応力σと頻度Ｎとに対応する疲労度Ｒ（σ，Ｎ）を計算する。応力の頻度分布と疲労度の対応は、公知である。本発明では、頻度と応力との対応関係である応力分布は、実測によらずに構造解析により計算により求められる。応力と頻度の対応関係から疲労度を求める計算手法は公知であり、その疲労度の求め方は、理論的に周知であり、又は、経験則的に周知である。本発明では、任意の構造部位の疲労度により、亀裂発生時期を高精度に予測することができるので、点検時期の最適化が可能であり、点検時期から補修時期の最適化が可能である。
【００１０】
軸重計測器から得られる通過回数と軸重は計算器に入力される。計算器は、軸重の頻度分布を自動的に計算する。その頻度分布により、応力分布が計算される。軸重分布は、平均化されて、等価軸重分布が計算される。応力分布は、平均化されて等価応力が計算される。疲労度は、等価応力と頻度により計算される。
【００１１】
計測器として、軸重計測器が最適性である。軸重計測器は、通過軸の軸数と各軸に対応する質量を同時的に且つ高精度に計測することができる。歪み計と異なり、軸重計測器の高精度化は容易に行われるので、本発明システムの高精度化が容易である。
【００１２】
既述の応力は、等価質量と構造物体の構造とに対応して構造解析により計算される。その構造の任意の部位の応力が１点又は少数点の軸重計測により間接的に求められ得る。
【００１３】
本発明による車輌通行構造の保全方法は、既述の通り、通過車輌の質量Ｍを計測するステップと、前記通過車輌の通過数を計測するステップと、質量に対応する応力の分布を計算するステップと、分布に対応する疲労度を求めるステップを含んでいる。亀裂の観測の前に任意の構造部位の応力とその任意の構造部位の疲労度を高精度に予測することができ、点検・補修時期の最適化が実現される。点検時期が高精度に判断されるので、初期で亀裂を発見することにより、早期補修を可能にすることにより、補修の総工費を低減化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による車輌通行構造の保全システム、及び、車輌通行構造の保全方法は、点検・補修時期の最適化が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による車輌通行構造の保全システムの実施の最良の形態は、図に対応して、詳細に記述される。車輌通行構造の保全システム１０は、図１に示されるように、構造状態計算器１を含んでいる。構造状態は、時間とともにダイナミックに変化する。構造状態は、普通には、劣化の進展状態を示す。構造状態は、構造状態値として、表現され得る。構造状態値は、損傷度Ｒとして構造状態計算器１の中で記述されている。構造状態計算器１には、データベース２が付属している。データベース２には、３様のデータが取り込まれる。
【００１６】
交通実態データＤ１は、交通実態データ計測器３により計測的に取得されてデータベース２に入力される。通行構造物データＤ２は、設計図記述器４から出力されてデータベース２に入力される。確認用物理データＤ３は、確認用物理データ計測器５により計測的に取得されてデータベース２に入力される。交通実態データＤ１は、通行構造物データＤ２と確認用物理データＤ３とともにデータベース２に貯蔵され、計算時にそれぞれに構造状態計算器１に取り込まれる。構造状態計算器１には、端末計算器６が付属している。端末計算器６は、損傷度Ｒに対応する保全計画情報７を作成して、プリンター又は表示画面に対して出力する。
【００１７】
交通実態データ計測器３として軸重計測器が適正に用いられる。交通実態データ計測器３は、車輌の複数の軸に対応して、その軸を介して道路面、レール面に作用する重力又は重力対応量として表される軸重又は軸重換算値Ｍｊを高精度に計測することができる。軸重Ｍｊのｊは、通過番目であり通過車両数又は全通過車輌の全軸数Ｎに一致している。ｊ＝１〜Ｎである。
【００１８】
設計図記述器４には、道路、橋梁のような構造物体の原設計情報（原基本情報）が貯蔵されている。更には、補修された後の補修情報（追加基本情報）が経時的に貯蔵される。原基本情報は、橋梁形式、径間、設計図情報（形状データ）、材料データ、その他のデータの集合である。交通実態データ計測器３には、交通実態データ計測器３により計測される交通量の他に、過去の統計データ（例示：交通量、車種ごとの質量、経験則的に知られる軸重）が貯蔵されている。設計図記述器４には、更に補修データが貯蔵されている。その補修データは、補修時期、点検データ（亀裂位置、亀裂長さ、過去の疲労評価（損傷度Ｒ）の時系列データの集合である。
【００１９】
３様のデータＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、統一的に整理されてデータベース２で貯蔵され、構造状態計算器１の指示に従って、構造状態計算器１に転送される。構造状態計算器１は、Ｒ＝ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）・・・（１）
Ｘ：他の変数
を記述し、損傷度Ｒを計算する。ｆは、既述の基本情報と追加基本情報に対応する関数又は写像である。ＭＮは、頻度がＮであるときの軸重を示す。損傷度は、後述されるように応力に対応する。
Ｒ＝Ｆ（ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ））・・・（１’）
Ｆは、１又は定数ｋであり得る。
Ｒ＝Ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）＝ｋｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ）・・・（１’）
【００２０】
一般的には、
Ｒ＝ｆ（Ｆ（ＭＮ，Ｎ，Ｘ））・・・（１”）
ここで、式（１”）のＦは後述される応力又は等価応力である。
関数Ｆは、ＦＥＭ解析のような構造解析により計算により求められる。応力変動と亀裂発生時期（又は、亀裂成長履歴）の関係は理論的に確定されていて、関数ｆと関数Ｆは理論的に確立されている。後述されるように、理論と実測の整合性が確認される。等価応力と頻度Ｎを変数として関数計算を実行することにより、損傷度の計算がリアルタイムに又は実質的にリアルタイムに実行され得る。
【００２１】
図２は、高架道路構造８を例示している。高架道路構造８は、道路面構造９と、道路面構造９を支持する支持桁１１と、その他の付随構造（例示：道路構造接合ジョイント１２）とから構成されている。道路面構造９に支持されて、交通実態データ計測器３が道路面又は道路脇近傍に配置されている。
【００２２】
図３は、交通実態データ計測器３の具体的な配置関係と計測の形態を示している。交通実態データ計測器３は、第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５とを含んでいる。第１軸重計測センサ１４は、第２軸重計測センサ１５に対して車輌１６の通行方向に配列されている。軸重計測センサは、軸重を計測することができる。交通実態データ計測器３は、更に、第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８とを含んでいる。第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８はそれぞれに、レーザービーム発信受信器として適正に形成されていて、前後する２台の車輌を分離してその２台を２台として判定することができる。
【００２３】
図４は、交通実態データ計測器３の回路構成を示している。第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５と第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８とが出力する信号は、制御処理器２１に入力される。第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８がそれぞれに発信受信するレーザービームは、車輌分離信号１７ａ、１８ａとして、制御処理器２１のディジタル入出力部位２２に入力される。第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５とが計測する軸重に対応する軸重換算信号１４ａ、１５ａは、制御処理器２１の第１アンプ２４と第２アンプ２５にそれぞれに入力される。軸重換算信号１４ａ、１５ａは、その積分値が軸重（荷重）に比例する。軸重換算信号１４ａと軸重換算信号１５ａは、第１アンプ２４と第２アンプ２５によりそれぞれに増幅されて、制御処理器２１のＡＤ変換器２６に入力され、ディジタル信号に変換されて、制御処理器２１の制御処理部位２７に入力される。車輌分離信号１７ａ、１８ａは、ディジタル入出力部位２２によりそれぞれにディジタル信号に変換されて制御処理部位２７に入力される。
【００２４】
図５は、図４の交通実態データ計測器３の制御処理部位２７により処理される交通実態データＤ１の一例を示している。交通実態データＤ１は、通過車両数又は通過車軸数（計算のために実質的に用いられる車軸数）とその車軸に対応する軸重とを含んでいる。車輌１６として、２軸中型車輌が示されている。図５（ａ），（ｂ）の横軸は時間座標を示し、図５（ａ）の縦軸は空間座標を示し、図５（ｂ）の縦軸は各センサの出力信号を示している。車輌１６が第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８を通過する（この形態では、同時的に第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５を通過する）間で、第１車輌分離計測センサ１７と第２車輌分離計測センサ１８は第１オンオフ信号２８と第２オンオフ信号２９を出力する。第１オンオフ信号２８と第２オンオフ信号２９の時間差３１は、車輌１６が方向Ａに走行していることを示している。車輌１６が第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５を通過する間で、第１軸重計測センサ１４と第２軸重計測センサ１５は第１前方軸重３２と第１後方軸重３３と第２前方軸重３４と第２後方軸重３５とを出力する。
【００２５】
制御処理部位２７は、図５（ｂ）の出力信号２８，２９に対応して、１台の車輌が方向Ａに通過したことを計算により判定することができ、且つ、図５（ｂ）の出力信号３２，３３，３４，３５に対応して、その１台の車両の前方車軸と後方車軸のそれぞれの軸重を検出することができる。信号３４と信号３２の組、又は、信号３３と信号３５の組は、方向Ａに通過する１台の車輌の前方軸の軸重又は後方軸の軸重の計算を可能にする。時間軸方向が逆に表されているならば、方向Ａと逆方向に通過する１台の車輌の後方軸の軸重又は前方軸の軸重の計算を可能にする。
すなわち、複数の軸重計測器（軸重計測センサ）と複数の車輌通過検出器（車輌分離計測センサ）との組合せにより、車輌の通行方向と通過車輌数Ｎを検出することができる。
【００２６】
本発明による車輌通行構造の保全方法は、下記の手法により実現される。
ステップＳ１：
構造状態計算器１は、図６に示されるように、軸重分布に対応する重量（質量）分布Ｗを計測と計算とにより求める（慣用表現では、縦軸を頻度で表す頻度分布としてグラフ化される。）。重量分布Ｗを示すグラフの縦軸と横軸は、それぞれに、重量Ｗと頻度Ｎとを示している。ここで、頻度は既述の車輌台数又は軸数を表す。１台の車両の前後軸の間隔が十分に短く各軸の軸重Ｗが十分によい近似で同じであれば、質量が２Ｗである１台の車両が通過することとして計算が実行される。大型大重量トラックの通過では、４軸に対応する４つの軸重をそれぞれに有する４台の車輌が同時に間隔不変状態で通過することとして計算される。車輌の特性に応じて台数と軸数とが判定されるので、既述のＮは軸数が考慮された上で判定される車輌台数として近似的に又は等価的に表され得る。従って、コンピュータの中では、Ｎは等価車輌通過台数として表現されている。より詳しくは後述されるように、実働荷重は等価実働荷重として表現される。重量分布Ｗは、図６に示されるように、頻度Ｎの関数として表されている。
【００２７】
交通実態データ計測器３は、全区域の多数の地点で設置されているのではない。複数の構造が同一又は概同一であれば、同一構造の複数の道路部位の全てに関して軸重計測を実施する必要はない。交通実態データ計測器３に蓄積されている過去の道路交通統計データを用いて、等価実働荷重が算定され得る。
【００２８】
等価実働荷重は、重量（質量）の平均化により求められる。そのような平均化として、単純軸重Ｗについて３乗根平均が適正である。３乗根平均の軸重は、等価実働荷重ＷＲＭＣといわれる。
ＷＲＭＣ＝（ΣＷｉ３・Ｎｉ／Ｎ）１／３・・・（２）
【００２９】
ステップＳ２：
図７は、等価応力計算ステップＳ２を示している。構造状態計算器１は、一方で、図７に示されるように、構造解析コードにより、高架道路構造８の特定領域部分の要素分解構造体８’の特定（指定）部位の車輌通過時の応力を計算する。単数又は複数の特定部位は、構造状態計算器１により指示され得る。特に問題とされる溶接部位は、特定部位として解析担当者により人為的に構造状態計算器１に入力される。又は、特に問題になる特定部位が計算器１により計算により求められ得る。図７に示される車輌１６は３軸車輌であり、ある瞬間又はある時刻の近傍の応力時間分布が示されている。図７のグラフの横軸は時刻（コンピュータ上に設定される時系列時間）を示し、それの縦軸は応力（大きさ）を示している。１つの特定位置で、３車軸が通過する時刻を含むある時間範囲で、３車軸に対応して現れる特定位置の応力には、３つ又は４つのピークが現れている。等価応力Δσｅは、レインフロー法により下記式で求められる。
Δσｅ＝（ΣΔσｉＮｉ／Ｎ）１／３
レインフロー法は、１台の車輌が通過したときの応力範囲とその頻度を求める計算を可能にし、車輌１台当たりのΔσｅが求められ得る。
【００３０】
式（１”）の応力Ｆは、等価応力として下記式で表される。
Ｆ＝Ｆ（ＷＲＭＣ，Ｎ，Ｘ）・・・（３）
等価応力Δσｅが用いられる場合には、図７の３軸車輌の軸数は１として計算され得る。図７のグラフの縦軸は、１台の車輌が通過する際に現れる応力（軸重に対応して計算により求められる応力）の変動を示す。
【００３１】
ステップＳ３：
図８は、損傷度計算ステップＳ３を示している。損傷度計算ステップＳ３は、疲労照査ステップＳ３−１を予備ステップとして含んでいる。高架、橋梁の近年の設計は、コンピュータ上で実行され、既に応力頻度に起因する劣化が取り込まれている。そのような設計（３０年の過去の設計は現時点でコンピュータに入力されている。）では、発現応力の上限下限の幅である応力範囲は許容設計応力範囲Δσｄに収められている。既述の等価応力又は等価応力範囲Δσｅと許容設計応力範囲Δσｄとの間には、下記関係が制約条件（拘束条件）として満たされる必要があり、その条件の充足性が照査される。
Δσｅ⊂Δσｄ・・・（４）
又は、
Δσｅの要素である等価応力∈Δσｄ・・・（４’）
更に、安全化制約条件が付加的に課される。設計許容応力範囲ΔσＲと安全率γが設定され、下記安全化制約条件が設定される。
γ（Δσｄの要素）∈ΔσＲ
【００３２】
このような制約条件下で、損傷度計算ステップＳ３−２が実行され、既述の損傷度計算式（１）の計算が実行される。
Ｒ＝ｆ（Ｆ（ＷＲＭＣ），Ｎ，Ｘ）・・・（５）
このように、損傷度は応力Ｆと頻度Ｎにより任意の特定構造部位に関して計算される。
【００３３】
ステップＳ４：
図９は、損傷度計算が推定により実行される損傷度推定ステップＳ４を示している。損傷度推定ステップＳ４は、損傷度計算ステップの代替手法として採用される。過去の構造物では、その使用開始時期から現在まで軸重の交通実態データＤ１は取得されていない。図１０に示されるように、ある都市の地区Ａ，Ｂ，Ｃの地区Ａの幹線には、３つの構造物ａ，ｂ，ｃが存在する。図１１に示されるように、３つの構造物ａ，ｂ，ｃの全てに対応して交通実態データ計測器３は設置されておらず、交通実態データ計測器３は構造物ａの車輌接近側と構造物ｃの車輌接近側の２箇所のみに設置されている。構造物ｂが構造物ａ又は構造物ｃに同じであるか又は類似し、更に、構造物が車線中央線に対して対称であり、且つ、車輌の走行方向が応力分布に影響しない場合には、既述の２箇所のみの設置は他の構造物の劣化診断のためには不要である。
【００３４】
図９は、現在時点より過去には交通実態データ計測器３が設置されておらず、交通実態データＤ１が存在しない場合の応力範囲（等価応力）の推定方法を示している。現時点で交通実態データ計測器３が設置され現時点からモニタリングが開始されて、将来予測が実行される。現在時点で、複数の仮定が有力である。１つは、点線３６で示されるように、応力（応力範囲）一定であるとする仮定である。他の１つの仮定は、点線３７で示されるように、応力増大率一定であるとする仮定である。車量通過数に対応する頻度は、多様な公的機関の過去の既知データ又は統計データから求められる。１つ目の仮定によれば、損傷度Ｒとして線形損傷度３８が求められる。他の１つの仮定によれば、損傷度Ｒとして非線形損傷度３９が求められる。両仮定で、損傷度Ｒは、式（５）により求められる。式（５）の関数Ｆとしては、既述の通り、経験則と理論との整合性が確認されている関数が用いられる。
【００３５】
このような損傷度３８，３９は推定により得られたものであり、現実には、密点線で示される損傷度曲線（疲労確定により疲労損傷度曲線）４１が求められるはずである。亀裂（本明細書では、顕微鏡的亀裂ではなく、主として肉眼観察的亀裂）が発生する前には、損傷度を確認することができない。モニタリング開始後に目に見える亀裂が発生すれば、損傷度が確定する。そのような確定時点の損傷度は、１．０で定義される。図９には、損傷度が１．０である時点とその時の応力の２次元座標位置が星マークの亀裂発生４２で示されている。亀裂発生の確定により、損傷度関数Ｒ（＝ｆ（Ｆ，Ｎ））が確定する。亀裂発生の現実を踏まえて、補修が実行されることにより、応力は基準点（＝０）にもどり、将来の損傷度は定率増加直線４３として暫定的に推定される。将来の計測により、定率増加直線４３は確定的に高精度である曲線として補正され続ける。
【００３６】
ステップＳ５：
図１２は、保全計画ステップＳ５を実施するための実施表を示している。幹線Ｘの構造物ｃの使用期間は２０年であり、平均化等価車重（軸重ＷＲＭＣ）が１８トンであり、頻度Ｎに対応する台数が２０００（台／レーン・日）であり、推定的に又は確定的に（確定的とは使用開始時から軸重と頻度が計測されている場合には計算により求められることを意味する。）求められる損傷度Ｒが０．７である。図９のような損傷度曲線が過去から現在まで作成され、亀裂発生時点が高精度に推定される。その推定よれば、放置すれば、余寿命は９年と推定される。このように知られる余寿命に基づいて、点検補修の優先度が定められる。二重丸は余寿命が１０年以内であることを示し、一重丸は余寿命が１０年以上２０年以内であることを示し、三角は余寿命が２０年以上５０年以内であることを示す。幹線Ｚの構造物ｇでは、１年以内の補修が必須であり、優先度は二重丸であり、直ちに補修開始することが望まれ、少なくとも、２年の後に補修が行われない場合には、通行禁止を回避することはできないと強く推定される。但し、後述される亀裂発生後の亀裂進展を予測することにより、補修開始時期の延長はあり得る。
【００３７】
図１３〜図１６は、亀裂進展に基づく点検補修の時期に関して、保全計画ステップＳ５の改善を示している。図１３は、鋼床版のＵトラフの亀裂発生状況を示している。亀裂長さの度合いは、損傷度が１より大きい損傷度を示す。図１４に示されるように、亀裂長さ（縦軸）の経年変化は、エキスポーネンシャルに増大することが知られている。ここで、亀裂長さは計算により得られる推定亀裂ではなく、検出器（例示：人の目、カメラ）により現実に知られる現実亀裂である。点検間隔Ｔ１で発見される亀裂の長さは点検間隔Ｔ２で発見される亀裂の長さよりはるかに小さい。小さい亀裂は、急速に大きい亀裂に成長する。図１５に示されるように、点検間隔Ｔ１で補修が行われない場合には（縦軸は健全度を示す）、予測損傷度（亀裂進展度）は急速に進む急速曲線４４を辿ることが理論的に且つ経験則的に知られている。点検間隔Ｔ１の２度の点検に対応する補修コストは、図１６に示されるように、時間平均的表現（又は積分的表現）により斜線領域４５で示されている。図１５に示される点検間隔Ｔ２の１回の補修に対応する補修コストは、図１６に示されるように、点線斜線領域４６で表されている。点検間隔Ｔ２の２回の補修によれば、その補修は巨大化する。このようなトータルコストは、既述の非特許文献１の学会誌で述べられている試算モデルに依拠している。その試算によれば、点検間隔の短縮は点検回数の増大を招くが、点検間隔が長くて大規模補修を余儀なくされる大規模長周期補修コスト（ＬＣＣ：life cycle cost）は、点検間隔が短くて補修回数の増大を招く小規模短周期補修コストより莫大に大きい。
【００３８】
軸数検出のアルゴリズム：
本発明で、軸数検知は重要である。軸重計測器は２本が必須である。３本以上に配置される場合には、そのうちの２本が用いられる。本実施の形態では、レーザビームを用いた２本の車輌分離計測センサを用いているが、軸重計測センサの前後に配置される２つ以上のループコイルのような他の機器構成によっても通過車輌数が計測可能である。その通過検出の時間差から車輌数と通過方向が検出される。
【００３９】
また、２つの軸重センサにより、車輌が停止して反対方向に引き返すことの検知が可能である。すなわち、２つの軸重センサの出力パターンを参照すれば、車両が２つの軸重センサを完全に通過せずに途中で引き返した後再度通過したとしても、その車両１台当たりの軸数を重複することなく正確に検知することが可能となる。軸数と軸重の計測により、１台の総重量（総質量）が検知され得る。
【００４０】
レインフロー法：
構造物に作用する荷重は多様であるので、構造部位に生じる応力の変動波形は複雑である。このような変動振幅応力を形成する繰り返し応力の大きさ（Ｗｊ）とその繰り返し数（頻度Ｎ）の検出又は計算である応力範囲頻度分布を解析する応力範囲頻度解析法として、ピーク法、レンジ法、レンジペア法、レインフロー法が知られている。これは、現れる応力の極値として４つ（σ１＞σ３＞σ２＞σ４）が例示される場合、レンジ（σ３−σ２）の波を計数し、σ２とσ３を振動振幅応力波形から除外する数学的処理方法である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明による車輌通行構造の保全システムの実施の好ましい形態態を示す回路ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の適用対象を示す斜軸投影図図である。
【図３】図３は、本発明による車輌通行構造の保全方法の計測の形態を示す斜軸投影図である。
【図４】図４は、計測の回路を示す回路ブロック図である。
【図５】図５は、計測方法を示すグラフである。
【図６】図６は、頻度分布又は重量分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ＦＥＭ解析対象の計算結果を示すグラフである。
【図８】図８は、計算のプロセスの一部分を示す表である。
【図９】図９は、計算のプロセスの一部分を示すテーブルである。
【図１０】図１０は、都市の道路分布を示す表である。
【図１１】図１１は、道路構造の分布を示す表である。
【図１２】図１２は、補修点検表である。
【図１３】図１３は、応力計算対象を示す断面図である。
【図１４】図１４は、亀裂成長を示すグラフである。
【図１５】図１５は、疲労度又は健全度を示すグラフである。
【図１６】図１６は、トータルコストを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１…計算器
８…構造物体
１６…車輌
Ｄ１…交通実態データ
Δσ…応力
ＭＮ…等価質量
Ｒ…疲労度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輌が通過する構造物体の構造部位に配置され交通実態データを計測する計測器と、
前記交通実態データに対応して前記構造部位の応力を計算する計算器とを具え、
前記交通実態データは、
通過する前記車輌の質量ＭＮと、
前記質量に対応する荷重が前記構造部位にかかる頻度Ｎとを含み、
前記頻度は前記車輌の通過回数に対応し、
前記計算器は、前記質量ＭＮを変数とする計算応力σを特定部位に関して構造解析により計算し、且つ、前記計算応力σと前記頻度Ｎとに対応する疲労度Ｒ（σ，Ｎ）を計算する
車輌通行構造の保全システム。
【請求項２】
前記計算器は、前記車輌質量ＭＮに対応する頻度の分布を自動的に表現する
請求項１の車輌通行構造の保全システム。
【請求項３】
計測器として軸重計測器が用いられる
請求項１又は２から選択される１請求項の車輌通行構造の保全システム。
【請求項４】
通過車輌の質量Ｍを計測するステップと、
前記通過車輌の通過数を計測するステップと、
前記質量に対応する応力の分布を計算するステップと、
前記分布に対応する疲労度を求めるステップ
とを具える車輌通行構造の保全方法。
【請求項５】
前記質量Ｍは軸重として計測される
請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【請求項６】
前記疲労度に対応して点検時期を定めるステップ
を更に含む請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【請求項７】
前記点検時期に対応して亀裂の発見の前に補修を実行するステップ
を更に含む請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【請求項１】
車輌が通過する構造物体の構造部位に配置され交通実態データを計測する計測器と、
前記交通実態データに対応して前記構造部位の応力を計算する計算器とを具え、
前記交通実態データは、
通過する前記車輌の質量ＭＮと、
前記質量に対応する荷重が前記構造部位にかかる頻度Ｎとを含み、
前記頻度は前記車輌の通過回数に対応し、
前記計算器は、前記質量ＭＮを変数とする計算応力σを特定部位に関して構造解析により計算し、且つ、前記計算応力σと前記頻度Ｎとに対応する疲労度Ｒ（σ，Ｎ）を計算する
車輌通行構造の保全システム。
【請求項２】
前記計算器は、前記車輌質量ＭＮに対応する頻度の分布を自動的に表現する
請求項１の車輌通行構造の保全システム。
【請求項３】
計測器として軸重計測器が用いられる
請求項１又は２から選択される１請求項の車輌通行構造の保全システム。
【請求項４】
通過車輌の質量Ｍを計測するステップと、
前記通過車輌の通過数を計測するステップと、
前記質量に対応する応力の分布を計算するステップと、
前記分布に対応する疲労度を求めるステップ
とを具える車輌通行構造の保全方法。
【請求項５】
前記質量Ｍは軸重として計測される
請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【請求項６】
前記疲労度に対応して点検時期を定めるステップ
を更に含む請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【請求項７】
前記点検時期に対応して亀裂の発見の前に補修を実行するステップ
を更に含む請求項４の車輌通行構造の保全方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−３１７４１３（Ｐ２００６−３１７４１３Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４３２３０（Ｐ２００５−１４３２３０）
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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