機械の研究 2026年4月1日発売 第78巻 第4号

説明

巻頭記事
階層構造物の健全性評価に関する研究紹介

高層ビルに代表される階層構造物のどこかに損傷などの異常が発生した場合に、できるだけ早く異常発生を検知し、場所を特定し、原因を探ることは持続可能社会の実現のために非常に重要である。そのような技術を「状態監視と異常診断（Condition Monitoring and Diagnosis）」、「健全性評価（SHM：Structural Health Monitoring）」とよぶ（以下ではSHMとする）。そして構造物はさまざまな外力によって振動するので、振動を測定することで構造物の特性や、その変化を知ることができる。そのため振動現象を利用したさまざまなSHMの手法が研究されており、すでに多くのレビュー記事や書籍が公開されている。

また建築分野でも以前から多くの研究がおこなわれている。たとえば計測された振動データにランダム減衰法（RD法）を適用して特性パラメーターを同定し、その変化から健全性を評価する方法、振動データのパワースペクトル密度関数行列の特異値分解を利用する方法、剛性低下から損傷を検知する方法などである（比較的古いものを挙げているが、近年に至るまで、非常に多くの研究があることはいうまでもない）。

本稿では、著者らが、機械分野における振動工学の立場でおこなってきたSHMに関する研究をいくつか紹介する。

（a）壁面のひずみ測定を利用する方法
（b）階層間の伝達率関数を利用する方法
（c）仮想外力の同定を利用する方法
（d）畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を利用する方法

（a）から（c）の方法は、対象物の数学モデルにもとづく方法、（d）の方法はデータサイエンスを援用した方法ということができる。ここで著者らはSHMの第一目的を異常発生階層の特定としている。異常発生階層を特定した後で、たとえば感度解析などを用いて異常の程度を同定する。また一般的な建築構造物の場合、地上部分の建物の総重量を総床面積で割るとほぼ\((1\,\text{ton}/\text{m}^2\) 、家具や人間等は約\(80\,\text{kg}/\text{m}^2\)というデータがあり、各階の質量が有意に変化するような異常は考えにくいため、異常は壁のき裂や床面と壁面の結合の異常などによる剛性特性（ばね定数）の低下として現れるとする。

豊橋技術科学大学 機械工学系 教授
河村庄造

豊橋技術科学大学 機械工学系 助教
田尻大樹