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構造物モニタリング技術の開発と応用

  • Development and Applications of Monitoring System on Structures Dynamics
★構造物モニタリング技術の開発と応用展開について徹底解説!
★センサ開発、管理システム、市場展開、国内における建築や住宅価値の予測など一挙掲載!
★都市構造物の老朽化や地震への不安が増加する今、動き始めたモニタリング技術の最新動向がこの一冊に!

商品コード: T0914

  • 監修: 板生清
  • 発行日: 2013年10月18日
  • 価格(税込): 73,440 円
  • 体裁: B5判、280ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0816-6

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  • センシング / モニタリング / 建物ストック / 耐久性 / 耐用性 / 減価償却耐用年数 / 保全 / 光ファイバ / 応力発光 / MEMS / 圧力センサ / 加速度センサ / 角速度センサ / 感振センサ / 超低消費電力ワイヤレスセンサ / 震度計 / 広域地震計 / 広感度地震計・微動計 / IT強震計 / クラウドシステム / ビッグデータ / M2M / 耐震裕度評価 / 等価線形化法 / ビルディング・コンテュニティ支援システム / ユビキタス地震モニタリングシステム / 環境・構造連携モニタリング / 耐震診断

刊行にあたって

 人工物のなかでも構造物は風力や地震動などの外力を受けて振動し、振動振幅、周波数という情報を発信している。これをセンサによって計測することにより、構造物の剛性などの特性を把握することができ、長期に継続的に測定することにより、その劣化度も把握することが可能である。また、複雑系といわれる多数の構造物を多数点で測定して、ビッグデータ化することにより、構造別の類型化と特微抽出が可能となり、将来起こるであろう地震に対する挙動の予測が可能となる。
 1981年6月の建築基準法施行令改正の前に建てられた建物は、「既存不適格」と言われ、耐震性の低い物件が多く残存している。本年5月に「改正耐震改修促進法」が公布され、11月までに施行されるが、この改正法は1981年以前に建築された特定建築物、すなわち学校、病院、デパートなどの多数の者が利用する一定規模以上の建物について、耐震診断と結果公表を義務付けるものである。
 国土交通省の推計では、2008年時点で耐震基準を満たしていない建築物は、住宅で1,050万戸、特定建築物で約8万棟あり、それぞれ全体の2割を占める。また、自治体が指定する緊急輸送道路などの避難沿道建物や防災拠点建築物については、自治体が指定する時期までに診断を行うように求めている。
 ここで重要なポイントは、建物は現時点で耐震診断で合格したとしても、次にいつ来るか分からない地震のあとで合格するという保証がない点である。つまり、常時モニタリングするシステムを導入することが、これに対処するうえでは不可欠である。
 本書は、現時点でのモニタリング技術の到達点とそのビジネス展望について、とりまとめたものである。
 まず第1章では、建築界の権威 尾島 早稲田大学名誉教授(元建築学会長)が総論として、モニタリングの有用性を述べている。第2章では、センサ技術の最前線が各専門家によって解説されている。第3章ではシステム化のためのセンサネットワーク技術が述べられている。第4章では、モニタリングの実例が、各々のフィールドでの経験に基づいて述べられている。最後に第5章では、NPOウェアラブル環境情報ネット推進機構(WIN)での耐震状態センシングプロジェクトでの検討結果が述べられている。
                                                (「はじめに」より一部抜粋)

著者一覧

板生清  (一財)構造物センシング機構 理事長;東京大学名誉教授
尾島俊雄  (一財)建築保全センター 理事長
勅使川原正臣  名古屋大学 大学院環境学研究科 都市環境学専攻 教授
寺本英治  (一財)建築保全センター 専務理事
麻生浩次  (一財)構造物センシング機構 専務理事
保立和夫  東京大学 大学院工学系研究科 教授
徐超男  (独)産業技術総合研究所 生産計測技術研究センター 応力発光技術チーム 研究チーム長;九州大学 総合理工学府 物質理工学専攻 新素材開発工学講座 教授
桑野博喜  東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 教授
原基揚  東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 助教
篠田正紀  富士電機(株) 技術開発本部 製品技術研究所 計測技術開発センター 主席
富岡昭浩  日本航空電子工業㈱ 商品開発センター 技術シニアマネージャー
伊藤寿浩  (独)産業技術総合研究所 集積マイクロシステム研究センター 副研究センター長
荒木正之  (株)aLab 代表取締役社長
土井利次  (株)NTTデータ 公共システム事業本部 e‐コミュニティ事業部 第三システム開発担当 課長
鈴木誠  東京大学 先端科学技術研究センター 助教
森川博之  東京大学 先端科学技術研究センター 教授
渡壁守正  戸田建設(株) 技術研究所 主管
平野元久  岐阜大学 工学部 機械工学科 教授
藤野陽三  東京大学名誉教授;東京大学 大学院工学系研究科 総合研究機構 特任教授
平間敏彦  清水建設(株) 原子力・火力本部 課長
楠浩一  横浜国立大学大学院 都市イノベーション研究院 建築都市文化専攻 准教授
増田幸宏  豊橋技術科学大学大学院 工学研究科 建築・都市システム学系 准教授;安全安心地域共創リサーチセンター 副センター長
小坂幸彦  ヤシマ工業(株) 取締役 副社長
倉田成人 鹿島建設(株) 技術研究所 上席研究員
池田泰久 NPO法人ウェアラブル環境情報ネット推進機構 副理事長

目次

第1章 総論

1 建築構造物の寿命モニタリング   
1.1 はじめに
1.2 日本建築の寿命(世界最短にして最長)
1.3 建築様式
1.4 建設業と製造業
1.5 社会環境の変化
1.6 新しいライフスタイル(価値観の転換)

2 社会基盤の健全性とヘルスモニタリング   
2.1 建築ストックの現状
2.2 建物の状態と計測項目・方法
2.2.1 建物の必要性能
2.3 応急危険度判定,被災度区分判定,罹災証明,地震保険への対応
2.3.1 応急危険度判定
2.3.2 地震損害保険
2.4 まとめ

3 建築物の劣化・保全・寿命  
3.1 スクラップ・アンド・ビルドの時代からストック重視の時代へ
3.2 ストック重視の時代での驚くべき東京都心部の出来事
3.3 劣化と陳腐化
3.4 耐久性,耐用性,耐久年数,減価償却耐用年数
3.5 保全
3.6 公共建築の現状と長寿命化
3.7 建築の長寿命化のパラドックス
3.7.1 長寿命化によりさまざまなリスクが拡大する
3.7.2 劣化等のリスクの原因が複雑
3.7.3 劣化等のリスクの責任者は誰か
3.7.4 劣化等の情報の質
3.7.5 設計,建設段階から維持管理段階に渡される情報の量・質

4 構造物センシング市場の将来について   
4.1 構造物センシング・モニタリングの現状
4.2 海外での動向
4.3 構造物センシングデータが与える社会的影響,そして必要とされる社会制度
4.4 大規模災害による被災リスク回避の方法として
4.5 社会インフラの管理方法として
4.6 構造物センシング機器開発・販売・設置・保守事業市場
4.7 類似した製品としての社会システムとして防災製品,特に火災報知機についての考察
4.8 市場を成長させる(建築)構造物センシング・モニタリング用センサデバイスの要件
4.9 センサデバイスの設置対象と利用価値について
4.10 センサデバイス設置対象市場規模
4.11 構造物センシングを支える周辺環境要件
4.12 ユーザーニーズを汲み取った製品開発
4.13 災害時の情報収集源として行政の後押し
4.14 税制の後押しと波及効果としての耐震補強市場
4.15 構造物センシング市場の将来についての考察


第2章 センサ技術

1 安全安心を実現する統合センシング技術   
1.1 安全安心社会構築に向けた政府の取組み
1.1.1 背景
1.1.2 JSTでの先進的統合センシング技術の創出
1.1.3 技術の俯瞰
1.2 万物は情報を発信する
1.2.1 人工と生命
1.2.2 自然・人間・人工物
1.2.3 センサ情報通信による調和
1.2.4 ネイチャーインタフェイスの世界
1.2.5 構造物のヘルスケア

2 光ファイバによる構造物センシング   
2.1 はじめに
2.2 光ファイバ神経網技術
2.2.1 分類と特徴
2.2.2 ブリルアン散乱を活用した光ファイバ神経網技術
2.3 ブリルアン光相関領域法
2.3.1 ブリルアン光相関領域解析法
2.3.2 ブリルアン光相関領域リフレクトメトリ
2.4 ブリルアンダイナミックグレーティングとその応用
2.5 准分布型光ファイバセンシング
2.6 まとめ

3 応力発光による構造物の安全管理モニタリング
3.1 はじめに
3.2 応力発光技術の概況
3.3 構造物の安全管理モニタリングの実例
3.3.1 橋梁の損傷検知
3.3.2 地震による構造体の損傷評価
3.3.3 配管における欠陥の可視化
3.3.4 トンネル安全管理
3.3.5 供用中橋梁のモニタリング
3.3.6 建物の劣化モニタリング
3.4 今後の展開

4  MEMSセンサ   
4.1 緒言
4.2 圧力センサ
4.2.1 圧力センサの構造
4.2.2 検出回路
4.3 加速度センサ
4.3.1 加速度センサの構造と原理
4.3.2 検出回路
4.4 角速度センサ

5 感振センサ   
5.1 概要
5.2 センサの仕様
5.3 センサの原理・構造
5.4 性能評価
5.5 感振記録器
5.6 システム構成

6 常時微動が測定可能な加速度センサの試作例 
6.1 はじめに 常時微動測定の必要性
6.2 実現のための目標仕様一覧
6.3 検出原理
6.4 評価状況一覧
6.5 可搬型振動計測システム
6.6 実際の測定例
6.7 土木研究所技術交流会による測定例
6.8 まとめ
6.9 補足
6.9.1 加速度センサの性能項目について
6.9.2 感度(SF)
6.9.3 バイアス(B0)
6.9.4 ミスアライメント(AA)
6.9.5 直線性

7 超低消費電力ワイヤレスセンサ   
7.1 ばら撒けるセンサ
7.2 イベントドリブン化と超短電文化
7.3 超低消費電力ワイヤレスセンサ用専用デバイス
7.4 低消費電力ワイヤレスセンサ用受信機技術
7.5 おわりに


第3章 センサネットワーク技術

1 IT強震計による構造物モニタリングシステムの概要   
1.1 はじめに
1.2 「センサー」の文言定義
1.3 地震計の種類
1.4 SMSの概要
1.4.1 観測
1.4.2 キュレーション
1.4.3 解析
1.4.4 診断
1.4.5 報告
1.5 モニタリングシステムの調査範囲レベル
1.6 IT強震計
1.7 ITKからのデータ取得
1.7.1 記録ファイル
1.7.2 データリレー
1.8 ITKの時刻同期機能
1.9 ITK構造物モニタリングシステムの構成
1.9.1 記録セグメント
1.9.2 解析セグメント
1.9.3 ユーザーセグメント
1.10 不確定なパラメーターの非依存化

2 クラウドシステムの構築  
2.1 クラウドシステム構成
2.1.1 集約器
2.1.2 データ入出力基盤
2.1.3 リアルタイムモニタリング基盤
2.1.4 大容量データ蓄積基盤
2.1.5 大規模データ分析基盤
2.2 今後のクラウドシステムの課題

3 ビッグデータ/M2Mシステム  
3.1 ビッグデータ/M2Mがもたらす社会変革
3.2 データの収集・解析・公開
3.3 無線センサネットワーク
3.3.1 プラットフォームと通信プロトコル
3.3.2 時刻同期
3.3.3 テストベッド
3.4 フィールド指向ネットワーク:構造物モニタリングにおける課題発見
3.4.1 高信頼・高速データ収集
3.4.2 高精度サンプリング
3.4.3 M2Mネットワークによる収容

4 ITスマートセンサを利用したモニタリングシステム  
4.1 ITスマートセンサを利用した建物モニタリング診断システムの構築
4.1.1 現状の応急危険度判定
4.1.2 ITスマートセンサによる建物損傷の自動判定システム
4.2 大型振動試験装置によるシステム検証
4.2.1 システムの全体概要
4.2.2 ハードの構成
4.2.3 モニタリングシステムの検証試験の概要
4.3 実建物に適用したシステム検証

5 逆問題のセンサ情報処理  
5.1 はじめに―センサデータの逆問題解析と現象予測―
5.2 センサ情報処理を活用した大気汚染情報
5.3 センサ情報を活用した数値花粉予報
5.3.1 ネット社会の花粉症対策
5.3.2 花粉飛散の数理モデル
5.3.3 逆問題解析による発生源花粉放出量の推定
5.4 ニューラルネットワークによる数値花粉予報
5.5 おわりに


第4章 構造物のヘルスモニタリングの実際

1 安全安心のための最新センシング技術   
1.1 背景
1.2 インフラマネジメント
1.3 インフラモニタリングの特徴
1.4 ハザードモニタリングの例:分布型雨量
1.5 移動型インフラモニタリングの例
1.6 埋め込み型インフラモニタリング
1.7 埋め込み型インフラモニタリング その2 建物の例
1.8 終わりに

2 地震観測記録を用いたエネルギーの釣合に基づく耐震裕度評価  
2.1 はじめに
2.2 エネルギーの釣合に基づく建築物の耐震裕度評価フロー
2.3 地震による入力エネルギーと速度換算値
2.3.1 エネルギーの釣合式
2.3.2 エネルギースペクトルの計算
2.3.3 有効周期
2.3.4 入力エネルギーの速度換算値の算定
2.3.5 損傷に寄与するエネルギー
2.4 各層に分配される入力エネルギー
2.4.1 各層に分配される入力エネルギーの算定
2.4.2 各層の必要累積塑性変形倍率の算定
2.4.3 最大層間変位の推定
2.5 各層のエネルギー吸収能力
2.5.1 各部材の保有累積塑性変形倍率の算定
2.5.2 各層の保有累積塑性変形倍率の算定
2.6 建築物の耐震裕度評価
2.7 計算例
2.8 エネルギー法と時刻歴応答解析結果の比較
2.8.1 解析条件
2.8.2 解析結果とエネルギー法の比較

3 等価線形化法を用いた残余耐震性能の判定  
3.1 はじめに
3.2 構造物ヘルスモニタリングの整理と提案する方法の概要
3.3 背景
3.4 等価線形化法とは
3.4.1 応答スペクトル
3.4.2 多質点系の等価1自由度系への縮約
3.4.3 計測値を用いた応答予測
3.5 計測例1 横浜国立大学 建築学棟
3.5.1 建物概要
3.5.2 計測概要
3.5.3 東北地方太平洋沖地震での記録
3.5.4 最大応答時等価周期の変遷
3.6 計測例2 1×1スパン3層実大試験体を用いた振動台実験結果
3.7 おわりに

4 モニタリング情報を活用した新しい建物統合管理システムのデザイン  
4.1 はじめに―新しい「建築設備システム」としてのモニタリングシステム
4.2 災害に負けない建築・都市 ―「守る」から「続ける」へ
4.3 しなやかな強さ,難局を乗り切る力を備えた建築・都市の構築にむけて(レジリエントな建築・都市)
4.4 レジリエンスを高める上で重要となるポイント―「建物管理」の重要性
4.4.1 リソースの管理能力を高めることが鍵
4.4.2 「リスク」と「危機」
4.4.3  明確な目標と合意形成
4.5 「建物機能継続計画」の標準化
4.5.1 建物の適切な機能維持(Building Function Continuity)の重要性
4.5.2 建物機能継続計画の策定項目と手順
4.6 ビルディング・コンテュニティ(Building Continuity)支援システムの開発
4.6.1 災害への対応は常に時間との戦い
4.6.2 発災後の動的な判断
4.6.3  LCP(生活継続計画: Life Continuity Plan)への展開―正確な知識,的確な情報,適切な行動
4.7 「建物機能継続計画」の評価の視点―市場で評価される仕組みづくりに向けて
4.8 おわりに―建築と人間との架け橋となるシステム

5 センサーの活用による老朽建物の資産価値回復
5.1 資産価値についての考え方
5.1.1 情報と価値
5.1.2 レモン市場と不動産市場
5.1.3 資産価値の仕組み
5.1.4 潜在価値の計算例
5.2 センサーを用いたモニタリングが今後可能にすることとは
5.2.1 耐震性のマネジメント
5.2.2 建物保全技術への応用
5.2.3 モニタリングと資産価値
5.2.4 耐震センサーを用いた資産価値向上プロジェクト(実例紹介)
5.2.5 総評

6 センサネットワーク技術を応用した地震モニタリング  
6.1 はじめに
6.2 無線センサネットワークによる地震モニタリング
6.3 ユビキタス地震モニタリングシステムの開発
6.4 超高層ビルへの適用と実地震時のモニタリング
6.5 安心をもたらす「地震の揺れの見える化」
6.6 環境・構造連携モニタリング
6.7 まとめ


第5章 実ビジネスへの展開 
1 建築物の維持保全
1.1 建築物保全と構造ヘルスモニタリング
1.2 長期優良住宅
2 建築物の建替判断
2.1 区分所有者による簡易判定
2.2 専門家による判定
3 耐震診断
3.1 耐震診断の基本方針と指針
3.2 既存鉄骨鉄筋コンクリート造等
3.3 戸建木造住宅
3.4 緊急輸送道路確保
4 構造ヘルスモニタリング
5 ビジネス展開での課題と取組
5.1 技術的課題と取組
5.2 市場的課題と取組
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