JP2018179881A - 建造物モニタリングシステム、建造物モニタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】橋梁等の社会インフラとなる建造物の継続的な監視を低コストで実現でき、建造物の劣化に起因する潜在的な危険を回避可能な建造物のモニタリングシステムを提供する。【解決手段】既設健全建造物における構造部材の経時的な挙動を測定して得られる健全経時的挙動データが蓄積される健全データ保存部１１０と、既設不健全建造物における構造部材の経時的な挙動測定して得られる不健全経時的挙動データが蓄積される不健全データ保存部１２０と、健全経時的挙動データと不健全経時的挙動データを比較処理して不健全要因毎に挙動パターンを算出する挙動パターン抽出処理部１３０と、不健全要因別挙動パターンデータが蓄積される挙動パターン保存部１４０と、評価対象経時的挙動データが蓄積される評価対象データ保存部１５０と、評価対象経時的挙動データと不健全要因別挙動パターンデータを照合し不健全度合いを算出する健全性評価処理部１６０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、橋梁やビル、鉄塔等の建造物をモニタリングするシステム等に関する。

日本国の橋梁は７０万橋を超える。その中でも特に橋長１５ｍを超える橋梁は１５万橋以上存在しており、その５０％以上に相当する７．９万橋を超える橋梁が、２０２０年に、橋齢４０年を超える。

橋梁は経年劣化のみならず、様々な原因によって、構造上の安全性が保てなくなる場合がある。安全性が損なわれると、人々の日常生活や経済活動に大きな影響を与える。これは、災害時の国土の脆弱性を高める大きな要因となる。

一方、日本国では、今後の５年間で労働人口が５％減少し、更なる５年で更に５％減少することが明らかとなっている。つまり、今後の１０年間で労働人口が１割減少する上、２０３０年には、高齢化が一層進行して全人口の３８．７％に達すると同時に、労働人口は５０％を下回ると予測される。

このような状況において、日本国内の全ての橋梁を安全に保とうとすると、日々の継続的な点検や監視が重要となり、仮に、一つの橋梁に対して一人が点検保守管理を担うとすると、労働人口の１．２％がこの業務に占有されてしまう。これでは、高コスト構造の社会インフラとなってしまい、非現実的となる。以上の通り、橋梁をはじめとする様々な建造物（例えば、ビル、道路、空港、港湾）の維持管理を低コストで実現することが求められている。

なお、本出願人は、建造物の状況を客観的に測定可能にする測定手法を既に提案している（以下、特許文献１参照）。

特許第６０４２８５４号

新設の橋梁等の建造物の場合、建設段階で各部にセンサ類を付設することが可能であり、橋梁の供用に伴って経時的にセンサからデータを取得できる。このデータの変遷を監視すれば異常検知も可能となる。しかしながら、既設の橋梁に対して事後的にセンサを設置して、経時的にセンサからデータを取得しても、過去の経年データが存在しないので、現在の異常性を判断することができない。

また、長期にわたって徐々に劣化が進行する建造物では、劣化要因の予測すら難しい場合がある。例えば、建造物において、過去に想定できていない新たな劣化要因が発見された場合、同種の全建造物に関して一斉点検を行い、事後的に対策を施さなければならないという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、橋梁等の社会インフラとなる建造物の継続的な監視を低コストで実現でき、建造物の劣化に起因する潜在的な危険の回避が可能となる上、適切なメンテナンスによって、建造物の長寿命化を達成できる建造物のモニタリングシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、計算機によって実行される建造物のモニタリングシステムであって、健全度合いが高いであろう既設健全建造物における構造部材の経時的な挙動を測定して得られる健全経時的挙動データが蓄積される、健全データ保存部と、上記既設健全建造物と同種且つ健全度合いが低いであろう既設不健全建造物における構造部材の経時的な挙動測定して得られる不健全経時的挙動データが蓄積される、不健全データ保存部と、上記健全経時的挙動データと上記不健全経時的挙動データを比較処理して、上記不健全要因毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、挙動パターン抽出処理部と、上記挙動パターン抽出処理部によって算出された、不健全要因別挙動パターンデータが蓄積される、挙動パターン保存部と、モニタリング対象建造物における構造部材の経時的な測挙を動定して得られる評価対象経時的挙動データが蓄積される、評価対象データ保存部と、上記評価対象経時的挙動データと上記不健全要因別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物の不健全度合いを算出する、健全性評価処理部と、を備えることを特徴とする建造物モニタリングシステムである。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記健全データ保存部には、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が小さい前記既設健全建造物の前記健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記不健全データ保存部には、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が高い前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記不健全要因が複数設定されており、前記不健全データ保存部には、複数の前記不健全要因の中の１つの前記不健全要因が限定的に生じている程度が高い前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが、上記複数の不健全要因別に、それぞれ蓄積されることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記不健全要因として、地震、塩害、活荷重の少なくとも何れかを含むことを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記不健全要因として、構造部材の腐食、疲労、亀裂、破断、変形、変位、歪みの少なくとも何れかを含むことを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記健全データ保存部には、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物の分類において、異種類の複数の前記既設健全建造物の前記健全経時的挙動データが蓄積され、前記不健全データ保存部には、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物の分類において、異種類の複数の前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記建造物の分類には、前記建造物が延在する方位を含むことを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記健全経時的挙動データ及び／又は前記不健全経時的挙動データには、前記既設健全建造物及び／又は前記既設不健全建造物に対して、強制的に外力を印加した際の挙動の計測データを含むことを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記健全データ保存部には、前記健全経時的挙動データと同時に測定された、前記既設健全建造物の周囲の環境データが蓄積され、前記不健全データ保存部には、前記不健全経時的挙動データと同時に測定された、前記既設不健全建造物の周囲の環境データが蓄積されることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記建造物は橋梁であり、前記健全経時的挙動データ及び前記不健全経時的挙動データには、上記橋梁における、桁の変位量、及び、支承部に作用する応力又は、歪み、変位方向、変位量の何れか一つ以上を含むことを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、前記モニタリング対象建造物に対するメンテナンス行為に関するメンテナンス情報を蓄積するメンテナンス履歴保存部と、前記メンテナンス行為の実行前の前記評価対象経時的挙動データと、前記メンテナンス行為の実行後の前記評価対象経時的挙動データを比較処理して、前記メンテナンス行為毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、メンテナンス別挙動パターン抽出処理部と、前記メンテナンス別挙動パターン抽出処理部によって算出された、メンテナンス別挙動パターンデータが蓄積される、メンテナンス別挙動パターン保存部と、を備えることを特徴とする。

上記建造物モニタリングシステムに関連して、上記評価対象経時的挙動データと上記メンテナンス別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物のメンテナンスの必要度合いを算出する、メンテナンス必要度評価処理部と、を備えることを特徴とする。

上記目的を達成する本発明は、建造物のモニタリング方法であって、健全度合いが高いであろう既設健全建造物における構造部材の経時的な挙動を測定して得られる健全経時的挙動データを蓄積する、健全データ保存ステップと、上記既設健全建造物と同種且つ健全度合いが低いであろう既設不健全建造物における構造部材の経時的な挙動測定して得られる不健全経時的挙動データを蓄積する、不健全データ保存ステップと、上記健全経時的挙動データと上記不健全経時的挙動データを比較処理して、上記不健全要因毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、挙動パターン抽出ステップと、上記挙動パターン抽出ステップによって算出された、不健全要因別挙動パターンデータを蓄積する、挙動パターン保存ステップと、モニタリング対象建造物における構造部材の経時的な測挙を動定して得られる評価対象経時的挙動データを蓄積する、評価対象データ保存ステップと、上記評価対象経時的挙動データと上記不健全要因別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物の不健全度合いを算出する、健全性評価ステップ、を備えることを特徴とする建造物モニタリング方法である。

本発明によれば、建造物による安心・安全な社会インフラの持続が達成される。

本発明の実施形態にモニタリングシステムの全体構成を示す図である。 同モニタリングシステムのモニタリング装置の（Ａ）ハード構成を示すブロック図であり、（Ｂ）機能構成を示すブロック図である。 同モニタリングシステムの測定対象となる橋梁の（Ａ）斜視図、（Ｂ）正面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は同橋梁の支承部を拡大して示す側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は同橋梁の側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１に本発明の実施形態に係る建造物モニタリングシステム（以下、モニタリングシステム）１の全体構成を示す。なお、ここでは建造物として、橋梁をモニタリングする場合を例示するが、建造物の種類は特に限定されず、ビル、道路、空港、港湾等の様々な建造物に適用できる。

モニタリングシステム１は、既設の複数の健全橋梁１０から成る既設健全橋梁群１０Ｇと、既設の複数の不健全橋梁２０から成る既設不健全橋梁群２０Ｇと、モニタリング対象となる既設の複数の橋梁（以下、モニタ対象建造物）３０から成る既設モニタ対象橋梁群３０Ｇと、これらの橋梁（上部工及び／又は下部工）の各部に設置される各種センサＳと、このセンサＳに対して有線又は無線によって接続される計算機となるモニタリング装置１００を備えて構成される。なお、本発明では、センサＳがモニタリング装置１００に接続されていることが必須要件ではなく、センサＳから得られる測定データを一時的に何らかの記憶媒体に保存し、この記録媒体を介して、モニタリング装置１００に測定データが蓄積される場合を含む。

図２（Ａ）にモニタリング装置１００のハード構成を示す。このモニタリング装置１００は、所謂サーバであり、中央演算処理装置となるＣＰＵ、一時的なデータを読み書きするための高速メモリＲＡＭと、マザーボードプログラムを格納するために使用する読み出し専用メモリＲＯＭと、データを格納するために書き込み可能なハードディスクＨＤＤ等の記憶媒体と、外部の通信制御を行うインタフェースと、センサＳと無線通信するアンテナを有する。なお、このアンテナは、モニタリング装置１００のハードウエアを構成するサーバ内に配置されている場合に限られず、各橋梁の近辺に配置された中継アンテナであっても良い。

図２（Ｂ）にモニタリング装置１００のモニタリングプログラム構成を示す。ここで示すのは、モニタリングプログラムがＣＰＵで実行されることにより実現される機能構成となる。モニタリング装置１００は、機能構成として、健全データ保存部１１０と、不健全データ保存部１２０と、挙動パターン抽出処理部１３０と、挙動パターン保存部１４０と、評価対象データ保存部１５０と、健全性評価処理部１６０と、メンテナンス履歴保存部１７０と、メンテナンス別挙動パターン抽出処理部１７５と、メンテナンス別挙動パターン保存部１８０と、メンテナンス必要度評価処理部１９０を備える。

健全データ保存部１１０は、健全度合いが高いであろう既設健全橋梁群１０Ｇに対して、構造部材の経時的な挙動を測定し、その結果として得られる健全経時的挙動データが蓄積される。なお、健全経時的挙動データには、既設健全橋梁群１０Ｇにおける、桁の変位量、及び、支承部に作用する応力を含む。この健全度合いが高いであろう既設健全橋梁群１０Ｇは、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が小さい地域に存在する既設橋梁から選定される。

また、この健全データ保存部１１０には、健全経時的挙動データと同時に測定された、既設健全橋梁群１０Ｇの周囲の環境データが蓄積される。これらの健全経時的挙動データと環境データを合わせて、健全建造物測定データと称する。

なお、既設健全橋梁群１０Ｇを選定する際は、上記地域以外に、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物分類において、各分類内で異種類の橋梁を選定する。これは、測定対象となる健全橋梁のバリエーションを豊富にすることを意味する。好ましくは、構造種別で複数種類、形式種別で複数種類、大きさ種別で複数種類を組み合わせて選択する。より好ましくは、健全橋梁の分類として、健全橋梁１０が延在する方位を含める。

また、選定された既設健全橋梁群１０Ｇから計測される健全経時的挙動データには、既設健全橋梁群１０Ｇに対して強制的に外力を印加して、それによって生じる挙動を測定した挙動データ（強制挙動データ）を含めることが好ましい。強制的な外力とは、例えば、重車両を走行させたり、構造部材をハンマーで殴打したり、加振機によって周期的振動を加えたり、加熱・冷却装置によって構造部材に熱膨張や熱収縮を与えたりすること等が代表的である。

不健全データ保存部１２０には、既設健全橋梁群１０Ｇと同種であって且つ健全度合いが低いであろう既設不健全橋梁群２０Ｇにおける構造部材の経時的な挙動を測定し、その結果として得られる不健全経時的挙動データが蓄積される。なお、不健全経時的挙動データには、既設不健全橋梁群１０Ｇにおける、桁の変位量、及び、支承部に作用する応力や歪み、変位方向、変位量、変形度合い等の何れか一つ以上を含む。

また、不健全データ保存部１２０には、不健全経時的挙動データと同時に測定された、既設不健全橋梁群２０Ｇの周囲の環境データが蓄積される。これらの不健全経時的挙動データと環境データを合わせて、不健全建造物測定データと称する。

健全度合いが低いであろう既設不健全橋梁群２０Ｇは、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が高い地域に存在する既設橋梁から選択することが出来る。この不健全要因には、建造物を劣化させる複数種類が存在しており、結果、不健全経時的挙動データは、不健全要因別（毎）に分類されて蓄積される。不健全要因別（毎）にデータ収集する為には、計測対象となる不健全橋梁２０を選定する際に、複数の不健全要因の中の一つの不健全要因が限定的に生じている程度が高い地域に存在する既設橋梁から選択することが大切となる。即ち、不健全要因別（毎）に対象地域を特定し、そこに架設されている橋梁の中から、適した橋梁を選択すれば良い。

また、不健全経時的挙動データの分類となる複数の不健全要因には、地震、塩害、活荷重の少なくとも何れか（好ましくは全て）を含む。これらの不健全要因は、橋梁に劣化を生じさせ得る不健全外部要因と定義することが可能である。

更に不健全経時的挙動データの分類となる複数の不健全要因には、構造部材の腐食、疲労、破断、変形の少なくとも何れか（好ましくは全て）を含む。これらの不健全要因は、橋梁に実際に生じた劣化態様であり、不健全内部要因と定義することができる。この不健全内部要因は、不健全外部要因によって導かれることが多いが、外部要因が無くても、施工ミス、設計ミス、製造時不具合などによって生じる場合もある。

更に既設不健全橋梁群２０Ｇを選定する際は、上記地域以外に、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物の分類において、各分類内で異種類の不健全橋梁を選定する。これは、測定対象となる不健全橋梁のバリエーションを豊富にすることを意味する。好ましくは、構造種別で複数種類、形式種別で複数種類、大きさ種別で複数種類を組み合わせて選択する。より好ましくは、不健全橋梁の分類として、不健全橋梁２０が延在する方位を含める。

また、選定された既設不健全橋梁群２０Ｇから計測される不健全経時的挙動データには、既設不健全橋梁群２０Ｇに対して強制的に外力を印加して、それによって生じる挙動を測定した挙動データ（強制挙動データ）を含めることが好ましい。強制的な外力とは、例えば、重車両を走行させたり、構造部材をハンマーで殴打したり、加振機によって周期的振動を加えたり、加熱・冷却装置によって構造部材に熱膨張や熱収縮を与えたりすること等が代表的である。

挙動パターン抽出処理部１３０は、健全経時的挙動データと不健全経時的挙動データを比較処理して、不健全要因毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する。算出される挙動パターンの形態には、例えば、各測定項目の変化、他の測定項目との比較（相関）から得られる比較（相関）データ（差分データ・相関データ）の変化、振動モードや周期変化、周波数変化等が有り得る。なお、変化としては、長期的な変化の他に、時間変化、日間変化、月間変化、不規則変化等が挙げられる。これらの挙動パターンが生じると、橋梁に何らかの劣化が生じていることを意味する。

挙動パターン保存部１４０は、挙動パターン抽出処理部１３０によって算出された、不健全要因別挙動パターンデータが蓄積される。

評価対象データ保存部１５０は、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇにおける構造部材の経時的な測挙を動定して得られる評価対象経時的挙動データが蓄積される。

健全性評価処理部１６０は、評価対象データ保存部１５０に蓄積された評価対象経時的挙動データと、挙動パターン保存部１４０に蓄積された不健全要因別挙動パターンデータを照合し、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇの不健全度合いを算出する。

メンテナンス履歴保存部１７０は、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇに対するメンテナンス行為に関する情報（メンテナンス情報）を蓄積する。このメンテナンス情報には、劣化態様と修復作業に関する情報を含めることが好ましく、劣化態様には、例えば、メンテナンス対象となる劣化事例としては、支承部や構造部材の破断、亀裂、剥離、剥落、腐食、変形、座屈、アンカーボルトやセットボルトの緩み、抜け、破断、支承部のローラ固着、腐食、偏心、軸ぶれ、亀裂、逸脱、積層ゴム変形、断裂、ゴム剥離、桁のスライド等がある。修復作業は、交換、溶接、曲げ戻し、補強、清掃、ボルトの増し締め、充填剤の補填等がある。

メンテナンス別挙動パターン抽出処理部１７５は、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇに対するメンテナンス行為の実行前の評価対象経時的挙動データと、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇに対するメンテナンス行為の実行後の評価対象経時的挙動データを比較処理して、メンテナンス行為毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する。

メンテナンス別挙動パターン保存部１８０は、メンテナンス別挙動パターン抽出処理部１７５によって算出された、メンテナンス別挙動パターンデータが蓄積される。

メンテナンス必要度評価処理部１９０は、評価対象経時的挙動データとメンテナンス別挙動パターンデータを照合して、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇのメンテナンスの必要度合いを算出する。

次に、モニタリングシステム１の動作（準備工程を含む）等について説明する。

＜健全経時的挙動データ（基準データ）の取得＞

健全経時的挙動データは、本モニタリングシステム１における基準データとなる。基準データを取得するためには、健全性の高い既設橋梁（既設健全橋梁群１０Ｇ）を選定しなければならない。このためには、先に、健全性を損なわせる原因（外部要因と内部要因）を整理分類する必要があり、その整理事例を表１に示す。表１は、橋梁で想定される構造部材等の劣化（部位と劣化の様相）とそれらの原因をまとめたものとなる。

表１の通り、橋梁の劣化原因は多様であるが、健全な橋梁とは、これらの影響を殆ど受けていないことを意味する。このためには、劣化原因が生じていないか、そのレベルが低い地域を特定し、その地域に架設される橋梁を選択することが好ましい。つまり、過去に、（１）地震が無く、（２）土砂災害が起きておらず、（３）風が少なく、（４）雪が殆ど降らず、（５）交通量も多くなく、（６）塩害が無く、（７）水災害が無く、（８）降水量が少なく、（９）気温が安定的な地域の橋梁を選定することが重要となる。なお、地域性ではなく、偶然にも、そのような受けていない橋梁（例えば、最近架設されたばかりの橋梁）が存在すれば、それを採用しても良い。勿論、新設橋梁の場合は、一般的な経時的劣化によって生じる挙動を織り込むことができないので、既設である程度の年数を経過した橋梁は勿論、後述する不健全橋梁と同程度の年数を経た健全橋梁を選択しても良い。

東日本大震災以前は、巨大地震がそれ程無く、中規模の地震の回数も多くなかったが、東日本大震災以降は中規模余震等が著しく増大している。このことから、気象庁震度データベースを利用して、例えば、２０１４年〜２０１６年の三年間で最も地震の影響が少ない地域を割り出すと、富山県、三重県、山梨県等を抽出できる。これらの地域では、土砂災害が殆ど記録されていないが、その中でも海沿いの地域は風や塩害の影響が著しい。また、日本海側では降雪の影響も大きいと考えられる。また、山岳盆地は、風が少なく、降雪、降雨が少ない上、塩害が生じにくい。従って、これらの条件に最も適合するのは山梨県内の盆地となる。

また、交通荷重は、活荷重として最も大きな劣化要因であることから、都市よりも郊外地域の方が、健全性が高いと考えられる。結果、これらの全ての条件に適合する最適地域として、例えば、広域には山梨県、より狭域には山梨県韮崎市が挙げられる。なお、韮崎市が管理する橋梁は２４０橋となり、その中から、基準橋として最も相応しい橋梁を、橋梁の種別毎に選定すれば良い。なお、山梨県の日照時間の長さは、平均２３３５時間／年となり、都道府県別で第三位であり、同県の盆地エリアになると、その日照時間の長さは更に延長される。日照時間が長いということは、橋梁の構造部材に対する日射と温度の影響を日変化で観測できることを意味し、健全な橋梁の場合は、設計通りの熱膨張収縮を繰り返すので、この挙動を計測することで、健全な橋梁のデータ変動（挙動）を抽出することが可能となり、また、健全な橋梁がどのように挙動するかを明らかにできる。

＜不健全経時的挙動データ＞

次に、不健全と考えられる橋梁（既設不健全橋梁群２０Ｇ）の選定について説明する。表１の中でも、健全性を著しく損なわせる主因としては、（１）地震、（２）塩害、（３）活荷重が想定される。そこで。これらの影響を最も受けたであろう既設不健全橋梁群２０Ｇを抽出するにあたって、これらの（１）〜（３）を、地域性から選定することが合理的となる。

（１）の地震について、それが既設橋梁に対してどのように悪影響を与えているかを検証するには、地震の影響を最も受けていて、且つ、他の（２）塩害、（３）活荷重の影響をあまり受けていない地域を選定することが好ましい。また、大震度の地震の入力は、橋梁の構造部材の破断や降伏の影響が著しく、中〜大規模地震の頻繁な入力は、構造部材の疲労に大きな影響を与える。そこで、２０１１年〜２０１６年の６年間で最も大規模地震が起こった地域と、最も中規模地震の回数が多かった地域をそれぞれ選出する。大規模地震の影響が大きいのは熊本県であり、最も中規模地震の回数が多かったのは福島県である。またこれらの地域のうち、断層帯上の地域を選定すれば、その地震の影響を受けたであろう確実性が高められ、また、沿岸部から離れた地域を選定すれば塩害の影響を排除でき、また、交通量の少ない地域を選定すれば、活荷重の影響を低減できる。つまり、地震のみの純粋な影響を抽出しやすくなる。

（２）の塩害について、甚大な影響を受けている地域としては、日本海側が代表的であり、且つ、他の（１）地震の影響を最も受けていないのは、２０１４年〜２０１６年の３年間で最も地震の少ない富山県（震度４以上０回、震度３が１回、震度２が１０回、震度１が１６回）が挙げられる。また、海水に水没した橋梁が複数存在するのは、太平洋側の東北地方であって、中でも岩手県や宮城県等は、水没した影響によって著しく橋梁の劣化が進行している。

（３）の活荷重について、大きな影響を受けて劣化が進行しているのは、早くから建設が成され、且つ、交通量が著しく多く、過積載を含めて大重量の積載車が多く通行している地域であり、しかも、他の（１）地震、（２）塩害の影響が小さい地域が好ましい。これらに相当するのは沿岸部ではない都市部となり、東京都が挙げられる。既設不健全橋梁群２０Ｇが存在し得る地域と、劣化原因と、劣化様相の関係を以下の表２にまとめる。

＜橋梁の選定＞

既設健全橋梁群１０Ｇ及び既設不健全橋梁群２０Ｇが存在する想定地域の選定が完了したら、次に、計測対象とすべき実際の橋梁を実際に選定する。重要な観点として、あまり特殊な構造や形式の橋梁を選定しないことである。つまり、特殊な橋梁は避け、各地域で多用される一般的な種類を選定することで、モニタリング対象に含めることができる橋梁数を増やすことが好ましい。また、このようにすることで、同様な構造種の健全／不健全橋梁間で計測データを比較することができるようになり、精度の高い、不健全要因別挙動パターンデータを生成しやすくなる。

また、橋梁の選定は、不健全性を生じさせる外部原因の入力に応じた物理量の変化が検出可能な規模であることが望ましく、あまり小規模な橋梁は対象としないことが好ましい。このような条件について、鋼橋とＰＣ橋のそれぞれに関して、対象とすべき橋梁を表３に示す。

橋梁を選定する際の他の考慮すべき要素として、温度の日変化の影響も重要となる。このためには対象とすべき橋梁の架設方位を可能な限り統一する。同じ理由で、日照の影響を明確にするためには、各地域で例えば東西方向と南北方向の二種類の橋梁のデータを収集できれば、より信頼性の高い健全性の判別が可能となる。

また、例えば、選定された地域毎に、橋梁構造の観点から大別した鋼橋とＰＣ橋の二種を選定し、更に、劣化を最も促進し得る支承部の構造の観点から代表的な二種（ピン／ローラ型、積層ゴム型）を選定し、また更に、気温影響と日射影響を比較検証する為に、橋梁の架設方向として東西方向と南北方向の二種を選定する。これらの組み合わせの全てを満たすためには、表４に示す合計４８橋の橋梁を同時計測するのが好ましい。

なお、作業性の観点では、測定機材のセットが容易であり、また、測定中の管理人が立ち寄りやすい立地が望ましいが、防犯上は、関係者以外の立ち入りを制限する必要がある。なお、機材の設置スペースと電源等があることも必須であり、望ましくは通信回線が通っている橋梁を選定する。これによれば、遠隔地でのデータ確認を日々行うことが可能となる。なお、機材の設置スペースが確保できない場合は、付近に計測小屋を仮設する必要がある。

＜挙動データの実測＞

次に、橋梁の挙動の実測手法について説明する。この測定手法は、既設健全橋梁群１０Ｇ、既設不健全橋梁群２０Ｇ、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇに対して共通の手法を採用する。測定の基本的な考え方としては、橋梁が、常に、周囲の環境条件の影響を受けていることから、その環境データも事前に又は同時に取得することが好ましい。この環境データに加えて、橋梁の経時的な挙動について、支承部や構造部材から経時的な挙動データを取得する。これらの測定項目を以下の表５に示す。これらの測定項目が、健全経時的挙動データ、不健全経時的挙動データ、不健全要因別挙動パターンデータ、評価対象経時的挙動データ、メンテナンス別挙動パターンデータのデータテーブルとなる。

表５に示すように、環境データは、予め取得したり、別の情報源から取得したりすることもできる。例えば、位置データは橋梁を選択した際に取得でき、気象データは、その地域の気象情報データから収集できる。交通量は、過去の交通量調査データから取得できる。勿論、橋梁近辺にセンサ等を設置して、挙動データと同時に環境データを収集しても良い。

また、橋梁の経時的挙動データには、構造部材の変位・変形・温度等の構造データと、構造部材同士を連結する接合部や、桁等の構造部材を支えたり保持したりする支承部、支承部や伸縮装置等のように桁に付帯する設備を連結する接合部等に生じる力（外力や内部応力）に関するデータ（これらを支承部・接合部データと呼ぶ）が含まれる。

この支承部・接合部データは、橋梁の挙動が反映され得る二大測定対象といっても過言ではない。支承部には、橋梁自身と橋梁にかかる外部荷重を合わせた全荷重が集中する。構造部材間の接合部（これを構造部材間接合部と呼ぶ）には、橋梁（特に主桁や横桁、縦桁等）に作用する様々な応力が集中的に分布する。付帯設備接合部は、例えば、主桁と支承部（付帯設備の一種）を接合する部分となるが、ここにも応力が集中する。従って、橋梁の健全性を判断する際には、支承部の物理的変化と、構造部材の物理的変化を、支承部と各接合部の応力状態や歪み度合い、変形度合い、変位方向や変形量によって計測しつつ、これらを構造データと比較することで、その相関性を抽出しつつ、更に、環境条件データとの整合を分析する。結果、支承部と接合部の計測デバイスのみで橋梁の健全性をモニタリング・判別することも可能になる。更に、付帯設備接合部のモニタリングによって、橋梁本体のみならず、付帯設備に及ぶ健全性のモニタリング・判別も行うことが可能となる。

次に橋梁における測定箇所について説明する為に、橋梁の基本構造を図３に示す。なお、ここではＩ桁橋（鋼橋）を例示し、図３（Ａ）の構造と、図３（Ｂ）の構造は、対傾構や上横構の有無等で多少構造が異なる。

橋梁５００は、上部構造部６００と下部構造部７００に分かれる。下部構造部７００は、地中に固定される基礎（図示省略）と、基礎の上に設置される橋脚（橋台）部７１０を備える。なお、橋台は、橋梁の両端に位置して、一般道路と橋梁を接続し、上部構造部７００からの荷重や法面の土砂を支持する役割を担う。橋脚とは、橋梁の中間に設けられ、上部構造部７００の荷重を支える。基礎は、橋脚部７１０を下で支えて、その荷重を地盤に伝える。

上部構造部６００は、橋梁本体６１０と、付帯設備６５０に分かれれる。橋梁本体６１０は、主桁６１２、横桁６１４、縦桁６１６、対傾構６１８（図３（Ｂ）参照）、下横構６２０、ガセット６２２等を備える。主桁６１２は、橋台や橋脚の間に縦方向（橋梁の長手方向）に複数本渡されて、道路等の床版上の通行車両等の荷重を支え、その力を橋台や橋脚に伝達する。横桁６１４は、横方向（橋梁の幅方向）に配置されて、主桁６１２同士を連結する。縦桁６１６は、縦方向に配置されて横桁６１４に渡され、道路を構成する床版（図示省略）の荷重を受け止めて、横桁６１４を介して主桁６１２に伝達する役割を担う。対傾構６１８は、風や地震等の横荷重に抵抗するため、隣接する主桁６１２同士を相互に縦方向（結果として斜め方向となる）に連結する部材である。下横構６２０は、風や地震等の横荷重に抵抗するため、隣接する主桁６１２の下フランジ同士を相互に水平方向に連結する部材である。なお、対傾構６１８や下横構６２０はＰＣ橋には存在しない場合が多い。ガセット６２２は、主桁６１２、横桁６１４、縦桁６１６、対傾構６１８、下横構６２０等を互いに連結する接合部に配置され、この接合部に集まる部材同士をボルト（リベット）によって連結接合する際の補強用鋼板となる。このガセット６２２やボルト等を接合部と称する。なお、主桁６１２は、断面がＩ又はＨ形状となる鋼材であり、鉛直方向の伸びる腹板（ウエブ）と、ウエブの上縁に沿って水平方向に延びる上フランジと、ウエブの下縁に沿って水平方向に延びる下フランジを有する。ここでは、ウエブが一つとなってＩ型又はＨ型となる場合を例示しているが、二本のウエブを上フランジと下フランジで連結した箱構造の場合もある。

付帯設備６５０は、橋梁本体６１０に設置される設備であり、例えば、支承部６６０、伸縮装置（図示省略）、落下防止装置（図示省略）を含む。支承部６６０は、主桁６１２の下フランジの裏面に配置されて橋梁本体６１０を支え、上部構造部６００の荷重を下部構造部７００に伝達する役割を担う。なお、伸縮装置は、温度等の影響による主桁６１２の伸縮を吸収して、道路の隙間を最小限にする装置となる。落橋防止装置は、仮に地震によって主桁６１２が大きく移動して下部構造（橋台または橋脚）から離脱しても、橋梁本体６１０が落下するのを防止する設置であり、ワイヤロープ等を利用した構造が多い。

支承部６６０の構造には様々なものが存在しており、図４（Ａ）に示すピン／ローラタイプの支承部６６０と、図４（Ｂ）に示す積層ゴムタイプの支承部６６０が代表的である。

図４（Ａ）のピン／ローラタイプの支承部６６０は、主桁６１２の下面（下フランジ）にセットボルト６６４で固定される上側保持部６６２と、橋脚部７１０の天面にセットボルト６６８で固定される下側保持部６６６と、上側保持部６６２に配置されて主桁６１２の角度変化を許容する回動ピン６７０と、回動ピン６７０の下側に配置され、上側保持部６６２と下側保持部６６６が長手方向に相対移動することを許容する転動ローラ６７２を備える。

図４（Ｂ）の積層ゴムタイプの支承部６６０は、上側保持部６６２と下側保持部６６６の間に積層ゴム６７４が配置されて構成され、積層ゴム６７４の変形によって、主桁６１２の角度変化や、上側保持部６６２と下側保持部６６６の水平移動を許容する

ここで、本実施形態における「構造部材」とは、橋梁本体６１０を構成する部材を意味しており、主桁６１２、横桁６１４、縦桁６１６、対傾構６１８、下横構６２０を含む。また「構造部材間接合部」とは、ガセット６２２やそこに配置されるボルト（リベット）などを含む。「付帯設備接合部」とは、支承部６６０等の付帯設備と、構造部材との接合部となるガセットやボルト（リベット）などを含む。

なお、橋梁の種類には、図５（Ａ）に示すように、橋梁本体６１０の長手方向の全てに、単一の主桁６１２が延びる連続桁構造と、図５（Ｂ）に示すように、複数の主桁６１２に分割されてる単純桁構造の双方が存在する。

橋梁の経時的挙動データを測定する箇所は、主桁６１２（支承部６６０含む）と、主桁６１２以外の全体的部分（橋脚７１０を含む）に分かれており、温度の差異による構造部材の挙動や、支承部の動作差異の影響を把握する。

主桁６１２については、橋梁本体６１０に多数存在する主桁のうち、所謂耳桁（幅方向の両側に位置する一対の主桁）と、耳桁間となる幅員中央に近い主桁の三桁を選定する。これよりも少ないと、定期的、定量的な判定が困難となり、反対にこれよりも多過ぎると、データ量が増えて好ましい反面、測定コストが高額となる。また、主桁６１２以外にも、橋梁全体としての測定箇所も必要となる。橋梁毎の測定対象を以下の表６に示すが、合計２９７か所となる。

なお、支承部６６０のセットボルト６６８や、ガゼット６２２のガセットボルトに設置される「接合部計測センサ」は、例えば、ボルトそのものをセンサ化した構造を採用しても良い。これらのボルトの構造例ついては、本出願人の特許第６０４２８５４号等を参照されたい。

＜挙動パターンの抽出処理＞

上述のステップを経て、次に、既設健全橋梁群１０Ｇから測定された健全建造物測定データと、既設不健全橋梁群２０Ｇから測定された不健全建造物測定データを比較処理又は差分処理する。結果、健全性を損なわせる原因別の特徴的な挙動パターンデータを生成できる。この挙動パターンデータは、外部要因別（例えば、地震、塩害、活荷重）であっても良いし、内部要因別（例えば、構造部材や接合部や支承部の破断、降伏、疲労、腐食、固着、強度低下、支承部の錆固着や埋設等による動作不具合）であっても良い。何れにしろ、不健全要因別挙動パターンデータは、何らかの不健全性を予期し得る挙動パターンデータとなる。この挙動パターンデータは、不健全要因別に複数蓄積されることになる。

＜健全性評価処理＞

次に、健全性評価として、不健全要因別挙動パターンデータと、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇから測定された評価対象経時的挙動データをマッチング処理によって比較検証し、評価対象経時的挙動データ内に、不健全要因別挙動パターンデータに近い成分が含まれているか否かを判定する。その近似度合いを、所望閾値を利用してレベル判定（例えば、高・中・低）することで、既設モニタ対象橋梁３０毎に、不健全要因別のリスク判定結果を生成する。例えば、不健全要因の「地震」に対して、レベル「高」と判定された場合は、その既設モニタ対象橋梁３０が、既に地震の影響を受けて何らかの劣化が生じており、速やかに点検やメンテナンスを行わなければならないこと意味する。

＜メンテナンス履歴の蓄積＞

健全性評価によって、既設モニタ対象橋梁３０に対して健全性評価が出力され、その結果が不健全な場合は、その橋梁３０に対してメンテナンスが行われる。そこで、本モニタリングシステム１では、既設モニタ対象橋梁３０に実際に施されたメンテナンス情報を登録する。このメンテナンス情報には、劣化態様と修復行為に関する情報を含める。劣化態様には、支承部や構造部材の破断、亀裂、剥離、剥落、腐食、変形、座屈、アンカーボルトやセットボルトの抜け、破断、支承部のローラ固着、腐食、偏心、軸ぶれ、亀裂、逸脱、積層ゴム変形、断裂、ゴム剥離、桁のスライド等がある。修復行為は、交換、溶接、曲げ戻し、補強、桁移動等がある。

＜メンテナンス別挙動パターンデータ（新たな挙動パターン）の蓄積＞

既設健全橋梁群１０Ｇから測定された健全経時的挙動データや、既設不健全橋梁群２０Ｇから測定された不健全経時的挙動データは、評価判定基準となる不健全要因別挙動パターンデータを生成する為に取得されたものであり、その後は、原則として利用されない。また、既設不健全橋梁群２０Ｇの橋梁数を膨大にすることは、測定コストの観点からも現実的ではないことから、不健全要因別挙動パターンデータの不健全要因の数にも限界がある。即ち、顕著な劣化を誘引しやすい不健全要因別に限定して、挙動パターンデータを抽出している。従って、本モニタリングシステム１では、その後、自律的に、不健全要因別挙動パターンデータの精度を高めたり、挙動パターンデータの不健全要因の種別を増やしたりすることが望まれる。

そこで本実施形態では、既設モニタ対象橋梁３０のメンテナンス施工前（即ち、特定の不健全要因が生じている状態のとき）と、メンテナンス施工後（即ち、特定の不健全要因が改善された状態のとき）の評価対象経時的挙動データを比較処理することで、メンテナンス別挙動パターンデータを生成する。このメンテナンス別挙動パターンデータは、特定の不健全性要因特有の挙動パターンとなることから、不健全要因別挙動パターンデータと同目的で永続的に活用することが可能となる。

＜メンテナンス必要度評価＞

メンテナンス性評価として、蓄積されたメンテナンス別挙動パターンデータと、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇから測定された評価対象経時的挙動データを更にマッチング処理によって比較検証し、評価対象経時的挙動データ内に、メンテナンス別挙動パターンデータに近い成分が含まれているか否かを判定する。その近似度合いを、所望閾値を利用してレベル判定（例えば、高・中・低）することで、既設モニタ対象橋梁３０毎に、メンテナンス別の必要レベルを生成できる。例えば、メンテナンス行為の「支承部のセットボルト交換」に対してレベル「高」と判定された場合は、その既設モニタ対象橋梁３０が、支承部のセットボルトに不具合が生じており、速やかに点検やメンテナンスを行わなければならないこと意味する。このように、モニタリングシステム１を長期間に亘って運用すればするほど、メンテナンス実績が蓄積され、結果、メンテナンス別挙動パターンデータが膨大となり、メンテナンス必要性評価の精度を自律的に高めることが可能となる。

以上の通り、本メンテナンスシステム１によれば、橋梁の代表的な劣化要因となる大震度地震による構造部材等の損傷、頻繁な中震度地震による構造部材等の疲労、塩害による構造部材の腐食やこれに伴う強度低下、塩害の加速試験に相当するような海水水没による構造部材の腐食・断裂、活荷重としての重車両の走行や大交通量等の交通荷重による構造部材の劣化や付帯設備の不具合を、地域性を持たせた測定データを収集する。また、健全な橋梁の測定データも同時（同時期）収集しておき、劣化後の測定データと差分を抽出することで、基本となる評価データ（不健全要因別挙動パターンデータ）を生成することが可能となっている。即ち、新設の橋梁ではなく、既設の橋梁を利用して基本となる評価データを生成することが可能となる。結果、メンテナンスシステム１の稼働当初から、既設モニタ対象橋梁群３０Ｇに対して、高精度な不健全性の評価を実行できる。なお、新設の橋梁を利用して、本メンテナンスシステム１を稼働させようとすると、新設の橋梁が実際に劣化するまで、数十年経過しなければ、評価データを生成できないことになる。なお、本来の計測は６か月ではなく、日射は気温が最高温度に達する夏季から、最低温度に達する冬季を含む７月から２月までの８か月以上の計測期間が望ましい。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 建造物モニタリングシステム
１０ 既設健全橋梁
１０Ｇ 既設健全橋梁群
２０ 既設不健全橋梁
２０Ｇ 既設不健全橋梁群
３０ 既設モニタ対象橋梁
３０Ｇ 既設モニタ対象橋梁群
１００ モニタリング装置
５００ 橋梁
６６０ 支承部

Claims (14)

1. 計算機によって実行される建造物のモニタリングシステムであって、
   健全度合いが高いであろう既設健全建造物における構造部材の経時的な挙動を測定して得られる健全経時的挙動データが蓄積される、健全データ保存部と、
   上記既設健全建造物と同種且つ健全度合いが低いであろう既設不健全建造物における構造部材の経時的な挙動測定して得られる不健全経時的挙動データが蓄積される、不健全データ保存部と、
   上記健全経時的挙動データと上記不健全経時的挙動データを比較処理して、上記不健全要因毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、挙動パターン抽出処理部と、
   上記挙動パターン抽出処理部によって算出された、不健全要因別挙動パターンデータが蓄積される、挙動パターン保存部と、
   モニタリング対象建造物における構造部材の経時的な測挙を動定して得られる評価対象経時的挙動データが蓄積される、評価対象データ保存部と、
   上記評価対象経時的挙動データと上記不健全要因別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物の不健全度合いを算出する、健全性評価処理部と、
   を備えることを特徴とする建造物モニタリングシステム。
2. 前記健全データ保存部には、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が小さい前記既設健全建造物の前記健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする、
   請求項１に記載の建造物モニタリングシステム。
3. 前記不健全データ保存部には、建設時から現在に亘って、不健全要因が生じている程度が高い前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の建造物モニタリングシステム。
4. 前記不健全要因が複数設定されており、
   前記不健全データ保存部には、複数の前記不健全要因の中の１つの前記不健全要因が限定的に生じている程度が高い前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが、上記複数の不健全要因別に、それぞれ蓄積されることを特徴とする、
   請求項３に記載の建造物モニタリングシステム。
5. 前記不健全要因として、地震、塩害、活荷重の少なくとも何れかを含むことを特徴とする、
   請求項１乃至４の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
6. 前記不健全要因として、構造部材の腐食、亀裂、疲労、破断、変形、変位、歪みの少なくとも何れかを含むことを特徴とする、
   請求項１乃至５の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
7. 前記健全データ保存部には、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物の分類において、異種類の複数の前記既設健全建造物の前記健全経時的挙動データが蓄積され、
   前記不健全データ保存部には、構造種別、形式種別、大きさ種別の少なくとも何れかの建造物の分類において、異種類の複数の前記既設不健全建造物の前記不健全経時的挙動データが蓄積されることを特徴とする、
   請求項１乃至６の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
8. 前記建造物の分類には、前記建造物が延在する方位を含むことを特徴とする、
   請求項７に記載の建造物モニタリングシステム。
9. 前記健全経時的挙動データ及び／又は前記不健全経時的挙動データには、前記既設健全建造物及び／又は前記既設不健全建造物に対して、強制的に外力を印加した際の挙動の計測データを含むことを特徴とする、
   請求項１乃至８の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
10. 前記健全データ保存部には、前記健全経時的挙動データと同時に測定された、前記既設健全建造物の周囲の環境データが蓄積され、
    前記不健全データ保存部には、前記不健全経時的挙動データと同時に測定された、前記既設不健全建造物の周囲の環境データが蓄積されることを特徴とする、
    請求項１乃至９の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
11. 前記建造物は橋梁であり、
    前記健全経時的挙動データ及び前記不健全経時的挙動データには、上記橋梁における、桁の変位量と、及び、支承部に作用する応力又は、歪み、変位方向、変位量の何れか一つ以上とを含むことを特徴とする、
    請求項１乃至１０の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
12. 前記モニタリング対象建造物に対するメンテナンス行為に関するメンテナンス情報を蓄積するメンテナンス履歴保存部と、
    前記メンテナンス行為の実行前の前記評価対象経時的挙動データと、前記メンテナンス行為の実行後の前記評価対象経時的挙動データを比較処理して、前記メンテナンス行為毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、メンテナンス別挙動パターン抽出処理部と、
    前記メンテナンス別挙動パターン抽出処理部によって算出された、メンテナンス別挙動パターンデータが蓄積される、メンテナンス別挙動パターン保存部と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の建造物モニタリングシステム。
13. 上記評価対象経時的挙動データと上記メンテナンス別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物のメンテナンスの必要度合いを算出する、メンテナンス必要度評価処理部と、
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載の建造物モニタリングシステム。
14. 建造物のモニタリング方法であって、
    健全度合いが高いであろう既設健全建造物における構造部材の経時的な挙動を測定して得られる健全経時的挙動データを蓄積する、健全データ保存ステップと、
    上記既設健全建造物と同種且つ健全度合いが低いであろう既設不健全建造物における構造部材の経時的な挙動測定して得られる不健全経時的挙動データを蓄積する、不健全データ保存ステップと、
    上記健全経時的挙動データと上記不健全経時的挙動データを比較処理して、上記不健全要因毎に特有の構造部材の経時的な挙動パターンを算出する、挙動パターン抽出ステップと、
    上記挙動パターン抽出ステップによって算出された、不健全要因別挙動パターンデータを蓄積する、挙動パターン保存ステップと、
    モニタリング対象建造物における構造部材の経時的な測挙を動定して得られる評価対象経時的挙動データを蓄積する、評価対象データ保存ステップと、
    上記評価対象経時的挙動データと上記不健全要因別挙動パターンデータを照合し、上記モニタリング対象建造物の不健全度合いを算出する、健全性評価ステップ、
    を備えることを特徴とする建造物モニタリング方法。

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