応 用 力 学 論 文 集Vol.9,pp.43-54(2006年8月) 土木学会 独 立成分 分析 を用 い た起 振応 答 の抽 出法 と損 傷 同定 問題 へ の適 用 Development of response extraction technique using ICA and its application to structural damage identification 古 川愛 子*,清 野 純 史**,大 塚 久哲*** Aiko Furukawa, Junji Kiyono and Hisanori Otsuka *修(工)九 州 大 学助 手 ,工 学 研究 院 建設 デザ イ ン部 門(〒812-8581福 岡市 東 区箱 崎6-10-1) **博(工)京 都 大学 助教 授 ,工 学 研 究科都 市 社会 工学 専攻(〒606-8501京 都 市左 京 区吉 田本 町) ***工博 九州 大学 教授 ,工 学 研 究院 建 設デ ザイ ン部 門(〒812-8581福 岡 市東 区 箱崎6-10-1) When we conduct forced vibration using a small shaker to identify structural damage, theresponses have thepossibility to contain measurement noise dueto ambient vibrations. Tosurmount this, theindependent component analysis (ICA) was applied to extract the excitation responsesfrom contaminated measurements. ICA is an algorithm recently used for blind source separation. It separates signals only using thestatistical independence of original signals. We assume that a structure is excited byindependent input forces: harmonic excitation and ambient vibrations, and tried to extract the harmonic excitation responses. We proposed its application as preprocess of damage identification to improve theidentification accuracy. Though numerical simulation, we confirmed that the technique worked efficiently to obtain identification results of high accuracy. KeyWords: ICA, response extraction, harmonic excitation, ambient vibration, damage identification 1. はじめに 大地震 に備 えて一刻 も早い耐震補修 ・補強の実施が叫 ばれ て い る現 在,構 造 物 の損傷 の評 価や,さ らに は使 用 限界までを含めた健全度を判定する技術が求められてい る.こ の よ うな背 景 の下,構 造 物 の損傷 検 出 に関す る研 究は過 去数 多 く行 われ て お り,ア プ ローチ 方法 も多 種多 様にわたっている. 目視 は最 も古 くか ら行 われ てい る損傷 検 出手 法で あ る が,外 装や 外壁 に覆 われ て 目で見 る こ との で きない 箇所 につ いて は,外 装 を取 り除か な くては な らず,経 済的に も時 間的 に も非常 に高 コス トであ る1).非 破 壊検 査 は構 造 物 を破壊 せ ず間接 的 に それ らの性 質 ・状態 ・内部構 造 お よび内部 欠 陥等 を調 べ る検査 手法 で あ るが2),局 所 的 な損傷 の検 出には適 して い るもの の,構 造物 全体 の損 傷 を捉 え るこ とはで き ない.一 方,構 造物全体の損傷を捉 える こ とので き る手法 と して は,振 動特性 の変化 を利 用 す る手 法 があ る.こ れ は,構 造物 の損傷 を剛 性 の低 下お よび減 衰 の増加 とみな し,結 果 と して振 動特 性 に変化 が 見 られ る とい う事 実 に基 づ くもので あ り,土 木工 学 に限 らず 機械 工 学や 航空 工学 等 の幅広 い 分野 で 開発 され適 用 され て き た手法 で あ る3),4),5),6). 損 傷検 出に用 い られ る振動 デー タの うち よ く利 用 され るもの が 固有振 動数 とモ ー ドシェー プで あ る.固 有振 動 数5)は 比較 的容 易 かつ正確 に計測 す る こ とが で き るが, 空 間的 な構 造特 性 を捉 え るこ とには適 してお らず,ま た 損傷 の有 無 にあ ま り敏 感 で ない.モ ー ドシェー プ6)は 空 間的 な特 性 を捉 え る こ とが で きるが,計 測 が困難 で,か つモ ー ド ・エ クスパ ン ジ ョンに起 因す る誤 差の影 響 が大 き い.完 全 なモー ドシ ェー プ を得 るには 高精度 な計 測器 を高密 度 に配 置 しな けれ ば な らない.一 方,強 制加振に よって求 ま る周波 数応 答関数(FRF)7)は,計 測波形 を直接 用 い る為,大 きな誤 差 の生 じる処 理 が必要 で ない こ と, お よび現 実 的な周 波数 範 囲 にお け る情 報 を用い るこ とが できること等の点で優れている.し かし,大 型の起振器 を用 い た加振 実験 は,非 常に高コス トで多 くの時間 と労 力 を要す る. 筆者 ら7)は,広 く一般 に用いられ る簡易な損傷同定手法の開発 を 目指 して,持 ち運びの容易 な小型の起振器の利用を想定 し,周 波数応答関数を用 いた構造物の損傷検出法に関す る研究 を行っ てい る.この手法は,起振器を用いて構造物を調和外力で起振 し, 計測 された応答の周波数応答関数 と,損傷前の解析モデルから得 られ る周波数応 答関数 とを比較す ることにより,損傷部材の特定 と損傷の程度 を評価す る手法であ り,数値 解析を通 して手法の有 用性は検証済みである.ま た本手法は実験の簡便性 と,出力デー タだけでな く入力特 性も明確 であること,そ して起振箇所 ・計測 箇所 ・起振 振動数の組み合わせを様々に変えることにより豊富な データの蓄積 が可能 となることな ど,数多 くのメ リッ トを有 して いる. しか しながら,計 測が簡易である一方,小 型 起振器による微小 な入力 を想定 してい るため,加 振 力は弱 く,応答 のレベルも非常 に小 さい ものになる.構造 物は絶 えず交通振動や風荷重等 の微動 ―43―