構造物のモニタリングと損傷度検出システム

• Project/Area Number: 11209206
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鈴木 祥之 京都大学, 防災研究所, 教授 (50027281)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 武田 展雄 東京大学, 大学院・新領域創成科学研究科, 教授 (10171646) ; 佐藤 忠信 京都大学, 防災研究所, 教授 (00027294)
• Project Period (FY): 1999 – 2003
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2003)
• Budget Amount: ¥30,300,000 (Direct Cost: ¥30,300,000); Fiscal Year 2003: ¥5,800,000 (Direct Cost: ¥5,800,000); Fiscal Year 2002: ¥6,000,000 (Direct Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2001: ¥6,400,000 (Direct Cost: ¥6,400,000); Fiscal Year 2000: ¥6,600,000 (Direct Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 1999: ¥5,500,000 (Direct Cost: ¥5,500,000)
• Keywords: 構造ヘルスモニタリング / 健全度評価システム / 格子型光ファイバセンサ / 非線形同定 / 最大ひずみ記憶センサ / 非破壊検査法 / 損傷追跡 / ライフサイクルコスト解析 / 健全度モニタリングシステム / 地震時損傷 / 同定アルゴリズム / ブートストラップフィルター / 損傷度検出システム / 制御アルゴリズム / 木造建築物 / モンテカルロフィルター / 伝統的木造建築物 / 構造物の健全度 / モニタリングシステム / 非線形システム同定 / 最大歪記憶型センサー / 地震時損傷評価 / 構造制御システム / 非線形制御 / ハイブリッド合成センサー / 損傷検出システム

Research Abstract

本研究は、強震時における構造物の損傷程度と損傷位置の検出システムと経年的な構造物の劣化をモニターする健全度評価システムを構築するためにセンサーを含むモニタリング技術の開発、地震時における構造物の非線形地震応答を同定するアルゴリズムの開発ならびに構造物の地震時損傷の評価・検出アルゴリズムを導き、都市重要施設・建築物など既存構造物の安全性・信頼性を保全するとともに、構造物の最適維持管理計画の策定に有用なライフサイクルコスト解析法の開発を行うことを目的として、以下に列挙する研究を行った。
最大ひずみ記憶センサとしての一方向強化CFRP複合材の電気・力学的挙動のモデル化、構造ヘルスモニタリング用ブラッグ格子型光ファイバセンサ、マイクロ波を利用したコンクリート構造物の損傷検知のための三次元画像処理技術、コンクリート構造物の損傷度と内部欠陥評価のための非破壊検査法の開発、フレキシビリティに基づく損傷指標と振動ジャイロによる振動計測を用いた構造物の損傷追跡、条件付非ガウス場の状態推定、履歴構造物の非線形同定、非線形構造同定とヘルスモニタリング手法の開発、ウェブレット手法による木造住宅の振動台実験時の損傷検出、知的パラメータ可変法を用いた構造ヘルスモニタリングと損傷推定、地震の影響を考慮した橋梁構造物のライフサイクルコスト解析、橋梁構造物の地震リスク評価とライフサイクルコスト解析に関する研究である。
これらの構造ヘルスモニタリングシステムの基本となる要素技術については、上記で述べたように大いなる進展が計られた。次世代システムとして社会的にも要望されている技術の実用化に向けては、さらなる関連する要素技術の開発とともにシステム技術の開発を進める必要がある。

Research Products

• [Publications] Li, S.J., H.Yu, Y.Suzuki: "Identification of non-linear hysteretic systems with slip Computers & structures"Vol.82,n2-3. 157-164 (2004)
• [Publications] Li, S.J., Y.Suzuki, M.Noori: "Identification of hysteretic systems with slip using bootstrap filter"Mechanical Systems and Signal Processing. Vol.18,No.4. 781-795 (2004)
• [Publications] 鈴木祥之, 前野将輝, 西塔純人, 北原昭男, 後藤正美, 須田達, 大下達哉: "伝統木造軸組の実大振動実験・静的水平力載荷実験"日本建築学会構造系論文集. No.574. 135-142 (2003)
• [Publications] Masayki Kohiyama, Norihiko Yamashita, tadanobu Sato, Lu Hengjian, Norio Maki, Satoshi Tanaka: "Expansion of the Nishinomiya Built Environment Database-Simulation of seismic ground motion distribution and correlation with damage in the 1995 Hyogo-ken Nanbu Earthquake"Natural Hazards. No.29. 501-522 (2003)
• [Publications] J.B.Park, T.Okabe, N.Takeda: "New Concept for Modeling the Electromechanical Behavior of Unidirectional Carbon-Fiber Reinforced Plastic under Tensile Loading"Smart Materials and Structures. Vol.12,No.1. 105-114 (2003)
• [Publications] O.Maruyama, M.Hoshiya: "Non-linear filter using Monte Carlo integration for conditional random fields"ICASP. 9th. 353-358 (2003)
• [Publications] A.Sutoh, M.Hoshiya, M.Hori, Y.Saito: "Simplified measurement system and an identification procedure of strong ground motion using security video records"ICASP. 9th. 1559-1564 (2003)
• [Publications] 古田均, 堂垣正博, 小山和裕, 片岡宏文, 杉本博之: "信頼性理論に基づく地震による構造物の破壊を考慮したライフサイクルコスト評価に関する研究"材料. (2004)
• [Publications] A.Masuda, A.Sone: "Damage identification of one-dimensional structures based on traveling wave transfer functions"DEStech Publications(Edited by F.K.Chang, Structural Health Monitoring 2003 From Diagnostics & Prognostics To Structural Health Management). 693-700 (2003)
• [Publications] S.Saadat, G.D.Buckner, T.Furukawa, M.N.Noori: "Non-linear System Identification of Base Excited Structures using An Intelligent Parameter Varying(IPV) Modeling Approach"Modeling, Signal Processing and Control(Proceedings of SPIE 10th International Symposium on Smart Structures and Materials). Vol.5049. (2003)
• [Publications] Mita, A., H.Kazama: "Simple Mechanism for Vibration Sensor Based on Fiber Bragg Grating"Stanford University(Proc.of 4th Int.Workshop on Structural Health Monitoring). 1468-1475 (2003)
• [Publications] 小林正美, 竹内典之, 高橋康夫, 鉾井修一, 鈴木祥之, 渡邊史夫 他: "木造都市の設計技術"コロナ社. (2003)
• [Publications] 鈴木祥之 他: "防災学講座・地震災害論"山海堂. (2003)
• [Publications] Zhikun Hou, Yoshiyuki Suzuki, Hidemaru Shimizu, Adriana Hera: "Damage Detection of a Wooden House During Shaking Table Testing Using Wavelet-based Approach"Proc. of Third World Conference on Structural Control. Vol.2. 1121-1127 (2002)
• [Publications] 鈴木祥之, 斉藤幸雄, 樫原健一, 五十子幸樹, 野島千里: "木造軸組の耐震性能評価法-小変形から大変形・倒壊の領域まで評価する限界耐力計算-"第11回日本地震工学シンポジウム. 1523-1528 (2002)
• [Publications] S.Takeda, Y.Okabe, N.Takeda: "Delamination Detection in CFRP Laminates with Embedded Small-Diameter Fiber Bragg Grating Sensors"Composites Part A. 33(7). 971-980 (2002)
• [Publications] N.Takeda: "Characterization of Microscopic Damage in Composite Laminates and Real-Time Monitoring by Embedded Optical Fiber Sensors"Int. J. Fatigue. 24. 281-289 (2002)
• [Publications] 曽根彰, 増田新, 小山泰平, 鷲田公平, 山田真, 山本鎮男: "既存地中埋設杭の亀裂検知システムの研究"第11回地震工学シンポジウム講演論文集. (CD-ROM). 1953-1958 (2002)
• [Publications] 曽根彰, 増田新, 中野順一, 小山泰平: "構造物の累積損傷評価のためのAE信号計測とその解析"第11回地震工学シンポジウム講演論文集. (CD-ROM). 1947-1952 (2002)
• [Publications] M.Ohtsu, M.Uchida, T.Okamoto, S.Yuyama: "Damage Assessment of Reinforced Concrete Beams qualified by AE"ACI Structural Journal. Vol.99,No.4. 411-417 (2002)
• [Publications] 国居史武, 野上圭一, 横山禎之, 大津政康: "境界要素法を用いた超硬練りコンクリートの振動締固め挙動の解明に関する研究"土木学会論文集. No.25/V-58. 245-254 (2003)
• [Publications] 古田均, 塩山幸則: "橋梁維持管理のためのクラシファイアシステムによる自立型進化アルゴリズム"第18回ファジィシステムシンポジウム講演論文集. 281-282 (2002)
• [Publications] 古田均, 亀田学広, 他: "遺伝的アルゴリズムを用いたコンクリート橋梁群の最適維持管理計画の策定"応用力学論文集、土木学会. Vol.5. 919-926 (2002)
• [Publications] 金子佳生, 三田彰, 三橋博三, 金指成昭: "鉄筋コンクリート造架構の層剛性と柱脚回転角を利用した損傷評価-有限要素法解析による損傷評価とその活用-"日本建築学会構造系論文集. 第562号. 91-98 (2002)
• [Publications] 谷口龍太, 三田彰: "波動伝播特性を用いた損傷検知手法に関する基礎的研究"応用力学論文集. Vol.5. 873-880 (2002)
• [Publications] 古川忠稔, 伊藤雅史, 小野聡子, 橘英三郎: "実地震観測記録を用いた2棟の免震建物動特性の同定"日本建築学会構造系論文集. 第558号. 117-124
• [Publications] 石橋恵, 古川忠稔, 伊藤清治, 今井克彦: "地震観測記録を用いたニューラルネットワークによる免震建物の非線形動特性同定"第11回日本地震工学シンポジウム. 1729-1734
• [Publications] U.S-Japan Cooperative Research Program on Smart Structural Systems: "Workshop on Smart Structural systems organized for U.S-Japan Cooperative Research Programs on Smart Structural Systems(Auto-adaptive Media) and Urban Earthquake Disaster Mitigation"Building Research Institute. 463 (2002)
• [Publications] W.Q.Zhu, Z.L.Huang, Y.Suzuki: "Equivalent non-linear system method for stochastically excited and dissipated artially integrable Hamiltonian systems"International Journal of Non-Linear Mechanics. 36・5. 773-786 (2001)
• [Publications] W.Q.Zhu, Z.L.Huang, Y.Suzuki: "Response and stability of strongly nonlinear oscillators under wide-band random excitation"Int. J. Non-Linear Mech. 36・8. 1235-1250 (2001)
• [Publications] S.Saadat, M.Noori, H.Davoodi, Z.Hou, Y.Suzuki, A.Masuda: "Using SMA tendons for vibration control of coastal structures"Journal of Smart Material and Structures. 10. 1-10 (2001)
• [Publications] T.Araki, Y.Suzuki: "Seismic damage and reliability analysis of uncertain hysteretic structures based on stochastic differential equations"Proceedings of U.S.-Japan Cooperative Research in Urban Earthquake Disaster Mitigation and Third Grantees Meeting, 15-16 August 2001, University of Washington, Seattle, WA, USA. 164-171 (2001)
• [Publications] Y.Suzuki, K.Katagihara, Y.Iwasa, K.Takata M.Yamamoto, M.Goto, A.Kitahara: "Dynamic Characteristics and Seismic Performance of Traditional Wooden Structure by Shaking Table Tests"Proceedings of U.S.-Japan Cooperative Research in Urban Earthquake Disaster Mitigation and Third Grantees Meeting, 15-16 August 2001, University of Washington, Seattle, WA, USA. 328-337 (2001)
• [Publications] 須藤, 佐藤, 星谷: "非構造システムの同定・逆問題におけるデータマイニングによる相関ルール抽出"応用力学論文集. 4. 33-40 (2001)
• [Publications] Hoshiya, M., Maruyama, O: "Basic Consideration on Non-linear Filter Theory"4th Japan-Korea Workshop on Non-linear System Identification and Structural Health Monitoring, Kyoto Univ., Feb. 261-268 (2001)
• [Publications] Hoshiya, M., Maruyama, O: "State Estimation of Conditional Non-linear Gaussian Random Fields"US-Japn Workshop on Smart Structures, Seattle, August. 7-17 (2001)
• [Publications] M.Ohtsu, H.Watanabe: "Quantitative Damage Estimation of Concrete by Acoustic Emission"J. Construction and Building Materials. 15. 217-224 (2001)
• [Publications] Z.Shi, M.htsu, M.Suzuki, Y.Hibino: "Numerical Analysis of multiple Cracks in Concrete Usin the Discrete Approach"J. Structural Engineering, ASCE. 127・9. 1085-1091 (2001)
• [Publications] Z.Shi, M.Ohtsu: "Application of Linear Programming to the limit Analysis of Conical-Shaped Steel Water Tank"J. Structural Engineering. 127・11. 1316-1323 (2001)
• [Publications] 渡辺弘史, 村上祐治, 大津政康: "AE法に基づいたコンクリートの定量的損傷度評価法の考察"材料. 50・12. 1370-1374 (2002)
• [Publications] 慶 済運, 大津政康: "自然電位の逆解析法に関する研究"セメント協会論文集(Cement Science and Concrete Technology). 55. 271-277 (2001)
• [Publications] M.Ohtsu, T.Watanabe: "Stack Imaging of Spectral Amplitudes based on Impact-Echo for Flaw Detection"NDT & E International. 35. 189-196 (2002)
• [Publications] N.Takeda: "Recent Advances in Structural Health Monitoring in Japanese Smart Material/Structure System Project"Nondestructive Characterization of Materials X, Green et al.(Eds), Elsevier. 11-18 (2001)
• [Publications] N.Takeda: "Summary Report of the Structutural Health-Monitoring Project for Smart Composite Structure Systems"Adv. Composite Mater. 10・2-3. 107-118 (2001)
• [Publications] J.B.Park, T.Okabe, N.Takeda, W.A.Curtin: "Electomechanical Modelimg of Unidirectional CFRP Composites Under Tensile Loading Condition"Composites: Part A. 33. 267-275 (2002)
• [Publications] 畑 宏明, 曽根 彰, 増田 新: "入力と加速度観測波形のウェーブレット変換によるシステムパラメータの同定"日本機械学会論文集(C編). 67・658. 1735-1742 (2001)
• [Publications] Akira Sone, Arata Masuda, Hiroaki Hata: "Identification of System Parameters of Structures by Wavelet Transform of Observed Input and Acceleration Response"Proceedings of the ASME Pressure Vessels and Piping Conference. 428-1. 159-166 (2001)
• [Publications] M.Noori, F.G.Yuan, S.Saadat, Z.Hou, A.Hera, A.Masuda, A.Sone: "Recent and On-Going Efforts in Structural Health Monitoring"Proceedings of US-Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions. 31-43 (2001)
• [Publications] Ryutaro Segawa, Akira Sone, Arata Masuda: "System Identification of MDOF Structures by Wavelet Transform"Proceedings of US-Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions. 71-80 (2001)
• [Publications] Tadatoshi Furukawa, Masashi Ito, Kiyoji lzawa, Mohammad Noori: "System Identification of Base-Isolated Building using Seismic Response Data"Proceedings U.S.-Japan Joint Workshop and Third Grantees Meeting, U.S.-Japan Cooperative Research on Urban Earthquake Disaster Mitigation. 184-197 (2001)
• [Publications] Michiyuki Hirokane, Koichi Harakawa, Hitoshi Furuta: "Knowledge acquisition from cases for integrity assessment of bridge structures"Reliability and Optimization of Structural Systems, eds. by Andrzej S. Nowak and Maria M. Szerszen, The University of Michigan. (2001)
• [Publications] Masahiro Dogaki, Hitoshi Furuta, Dan Frangopol: "Optimal maintenance planning for reinforced concrete decks of steel girder bridges on highway network"Reliability and Optimization of Structural Systems, eds. by Andrzej S. Nowak and Maria M. Szerszen, The University of Michigan. (2001)
• [Publications] Hitoshi Furuta, Makiko Saito, Dan M.Frangopol: "Life-cycle cost based maintenance of infrastructure systems considering prediction uncertainties"Life-Cycle Cost Analysis and Design of Civil Infrastructure Systems, eds. by Dan M. Frangopol and H. Furuta, ASCE. (2001)
• [Publications] Masahiro Dogaki, Hitoshi Furuta, Dan M.Frangopol: "Optimal maintenance planning of reinforced concrete decks on highway network"Life-Cycle Cost Analysis and Design of Civil Infrastructure Systems, eds. by Dan M. Frangopol and H. Furuta. ASCE. (2001)
• [Publications] K.Kawashima, B.F.Spencer Jr., Y.Suzuki (編著): "Proceedings of US-Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions, August 14, 2001, Seattle, WA, USA"248 (2001)
• [Publications] H.Li,B.Wu,L.Katafyoist,Y.Suzuki and X.Yuan: "Control Algorithm Based on Maximum Energy Dissipation for Semi-Active Fluid Dampers"Proc.of Second Japan National Symposium on Structural Control. 71-76 (2000)
• [Publications] 裴起煥,鈴木祥之: "可変ゲイン制御則の実験的検証"第2回日本制震(振)シンポジウム論文集. 431-436 (2000)
• [Publications] W.Q.Zhu,Z.G.Ying and Y.Suzuki: "Nonlinear Stochastic Optimal Control of Building Structures under Earthquake Excitation"Proc.of Second Japan National Symposium of Structural Contrl. 207-214 (2000)
• [Publications] W.Q.Zhu,Z.L.Huang,Y.Suzuki: "Equivalent non-linear system method for stochastically excited and dissipated partially integrable Hamiltonian systems"International Journal of Non-linear Mechanics. 36. 773-786 (2001)
• [Publications] 武田展雄: "知的複合材料システムのための構造ヘルスモニタリング技術"日本航空宇宙学会誌. 48・556. 307-312 (2000)
• [Publications] Y.Okabe,S.Yashiro,T.Kosaka,N.Takeda: "Detection of Transverse Cracks in CFRP Composites Using Embedded Fiber Bragg Grating Sensors"Smart Materials and Structures. 9・6. 832-838 (2000)
• [Publications] N.Takeda: "Structural Health Monitoring for Smart Composite Structure Systems in Japan"Annals de Chemie-Science des Materiaux. 25・7. 545-549 (2000)
• [Publications] 佐藤忠信,室野剛隆,西村昭彦: "観測波に基づく地震動の位相スペクトルのモデル化"土木学会論文集. 640・I-50. 119-130 (2001)
• [Publications] Jun YANG・Tadanobu SATO: "Interpretation of Seismic Vertical Amplification Observed at an Array Site"Bulletin of the Seismological Society of America. 90・2. 275-285 (2000)
• [Publications] 佐藤忠信,梶啓介: "非線形構造システムの線形同定法"土木学会論文集. 647・I-51. 155-165 (2000)
• [Publications] Victor A.Gotlib・Tadanobu Sato・Abraham I.Beltzer: "Neural Computations of Effective Response of Random Composites"International Journal of Solids and Structures. 37. 4527-4538 (2000)
• [Publications] 佐藤忠信,田中悟: "可変減衰装置を用いた構造物の実時間ハイブリッド震動制御実験"土木学会論文集. 647・I-51. 425-433 (2000)
• [Publications] Victor A.Gotlib・Tadanobu Sato・Abraham I.Beltzer: "Neural Computing of Effective Properties of Random Composite Materials"Computers and Structures. 79. 1-6 (2001)
• [Publications] 鈴木祥之(編著): "第2回日本制震(振)シンポジウム論文集"日本学術振興会制震(振)構造技術第157委員会. 630 (2000)
• [Publications] 〓起換、鈴木祥之: "固定および可変ゲイン制震の振動台実験"日本建築学会構造系論文集. 527. 35-43 (2000)
• [Publications] 鈴木祥之、中治弘行、北原昭男: "実大振動台実験による木造軸組構造の強震応答特性"第4回都市直下地震総合シンポジウム. 10月. 219-222 (1999)
• [Publications] Suzukik, Y. and T. Araki: "Stochastic damage process and reliability analysis of wooden structures with uncertain properties"Computational Stochastic Mechanics. 3. 235-244 (1999)
• [Publications] 杉江俊治、田中秀幸、桐原謙一、岡田昌史、鈴木祥之: "地震に対する建築構造物のアクティブ制御"システム制御情報学会論文誌. 12・5. 277-282 (1999)
• [Publications] 山本雅史、村井信義、鈴木祥之: "性能限界を考慮したアルゴリズムを用いたAMDによるベンチマーク建物の制御効果"日本機械学会講演論文集. A. 55-58 (1999)
• [Publications] Fujiwara Teizo, Yoshiyuki Suzuki and K. Fukumoto: "Earthquake Response Obtained from Observation Network in Kyoto and Shiga Prefectures"Proceedings of the Second Japan-China Joint Workshop on Prediction and Mitigation of Seismic Risk in Urban Regions. 197-206 (1999)
• [Publications] Gi-Hwan Bae, Yoshiyuki Suzuki and Hui Li: "Seismic Response Control Using Active Mass Damper System Unser Consideration of Stroke Limitation"Proceedings of the Second Japan-China Joint Workshop on Prediction and Mitigation of Seismic Risk in Urban Regions. 275-282 (1999)
• [Publications] Sato T., K. Qi, Y. Suzuki, T. Fujiwara and A. Kitahara: "Nonlinear Structural Identification Based on H ∞ Filter Algorithm"Proceedings of the Second Japan-China Joint Workshop on Prediction and Mitigation of Seismic Risk in Urban Regions. 311-322 (1999)
• [Publications] 佐藤忠信、室野剛隆: "地震動の位相特性のみを用いた地震動のシミュレーション"第4回都市直下地震総合シンポジウム. 10月. 87-90 (1999)