2019 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic characteristic measurement and damage detection of integrated machine/building/infrastructure systems via laser-induced plasma excitation
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19H02088
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
梶原 逸朗 北海道大学, 工学研究院, 教授 (60224416)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | レーザー / 振動計測 / ヘルスモニタリング / 損傷検知 / インパルス応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，レーザーを用いた非接触加振／計測技術によりインフラ・コンクリート構造のヘルスモニタリングおよび硬化モニタリングを行う手法および技術を構築した．本技術において，加振にはレーザー誘起プラズマによる非接触加振，計測にはレーザードップラー振動計を用いた．
インフラ構造のヘルスモニタリングに関し，タイル構造の異常検知について検討した．ここでは，浮きを模擬したタイルを有する構造物を使用し，健全なタイルと浮きを模擬したタイルの周波数スペクトルを計測した．その結果，浮きを模擬したタイルで特定の周波数において周波数スペクトルが変動し，健全なタイルとの判別が可能であることが示唆された．さらに，Recognition-Taguchi法を用いてデータの統計的かつ定量的な評価を行ったところ，計測された周波数スペクトルからは視覚的に判別が難しい特性変化が抽出され，異常度合も数値化できることを確認した．計測における精度および信頼性を向上させることにより，本ヘルスモニタリング技術の実用化が期待できると考えられる．
コンクリートの硬化モニタリングに関し，コンクリート施工時から時間経過による対象構造の特性変化を評価することにより，それを実現する方法を検討した．第一段階の検討として，対象をモルタルとし，入水から終結時間に至るまでの構造の動特性を観察した．ここでは，モルタルにアルミ梁を挿し，その周波数スペクトルを測定することで，時間経過によって1次共振ピーク，2次共振ピークが高周波へシフトすることを確認した．この実験と同時並行で，貫入抵抗試験を実施した．貫入抵抗試験では，時間発展で硬化していくモルタルに，定められた規格の棒を押し込み，その力を計測した．計測された貫入抵抗値は，先に述べた周波数スペクトルと相関があり，本手法をベースとしてコンクリートの硬化モニタリング技術を構築できる可能性が示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，研究代表者が提案・開発したレーザーアブレーションおよびレーザーブレイクダウンを用いた非接触インパルス加振法に基づく振動計測技術を高度化させ，さまざまな先端機械システムの特性・性能評価のみならず，機器／建屋／インフラ統合系への応用展開を図り，従来技術では不可能であった対象・分野・環境における振動計測および動特性評価を可能にすることを目的としている．第一年目の目標として，レーザーを用いた非接触加振(レーザーアブレーション)／計測技術に基づくタイル・コンクリート構造のヘルスモニタリングおよびコンクリート硬化モニタリングを行う手法および技術の構築に設定した．大手ゼネコン企業との共同研究を実施している背景から，建築構造物の安全性および信頼性を確保する上で，これらは非常に重要な課題であり，第一年目の研究としてこれらの課題解決に向けた検討に取り組んだ．その結果，「研究実績の概要」で述べたとおり，本研究の実施により有効な成果を得ることができた．ここで得られた成果は，本研究で目標としている機器／建屋／インフラ統合系の動特性評価およびヘルスモニタリングに関し，本手法・技術がそのベースとなり得ることを示している．したがって，本手法・技術を拡張かつ高度化することが，本研究を円滑に遂行することにつながると考えられる．
以上のことから，本研究はおおむね順調に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
コンクリートの硬化モニタリング技術の高度化を目指す．コンクリートに挿入したアルミ二ウム梁(Al梁)の振動特性をレーザーで非接触加振／計測し，計測される周波数特性と貫入抵抗値との相関を詳細に分析し，Al梁を支えるコンクリートの状態を推定することにより，硬化モニタリングにつなげられる手法の構築を検討する．また，FEM解析により，Al梁のモード周波数とコンクリートのヤング率の関係を見出し，Al梁の振動応答からコンクリートの硬化状態を定量的に評価することを目指す．ここで，材料(Al梁およびコンクリート)の物性値(密度，ポアソン比，ヤング率)に関し，コンクリートのヤング率を除き，標準値を与える．そして，コンクリートのヤング率をパラメータとし，モード周波数解析を行う．解析に基づくAl梁のモード周波数と実験結果における共振周波数を合わせ込むことにより，そのときのコンクリートの状態におけるヤング率を推定する．さらに，深層学習を用いて実験で得られるAl梁の振動データから，コンクリートの弾性率を推定する手法を検討する．ここで推定される弾性率と貫入抵抗試験で計測される貫入抵抗値の相関が明らかになれば，構造物の特性評価およびメンテナンスの高効率化が図られるとともに，構造物の信頼性向上に大きく貢献する．
上記に加え，コンクリート(モルタル)の水／セメント 比や温度，Al梁の寸法などの条件を変えて実験を行い，得られる振動特性の変化をより詳細に分析する．そして，コンクリート(モルタル)の硬化初期の流動性をFEM解析に考慮し，学習のためのデータ量を増やすことを検討する．これらの実施により，本手法・技術の精度および信頼性が向上すれば，非接触／遠隔操作を基本とするコンクリート硬化モニタリング技術として実用化につながると考えられる．
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| Remarks |
北海道大学 大学院工学研究院 知的構造システム研究室において実施された研究内容および得られた研究成果について紹介している．
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Research Products
(12 results)
