JP2005291735A - プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プレストレストコンクリートの緊張材の破断による信号を車両走行に起因するノイズ信号から確実に分離して検出する方法を提案すること。
【解決手段】 受信信号のエネルギを信号の発生時点から時間空間で４ミリ秒だけ積分して全エネルギ（Ｅ５００）を求め、同じ信号のエネルギを信号の発生時点から時間空間で１ミリ秒だけ積分することにより先頭部分の部分エネルギ（Ｑ１）を求め、その比率（Ｑ１／Ｅ５００）を求め、そしてその比率が所定の値より大きいものは先頭部分のエネルギの比率が高いので減衰が大きい信号、すなわちノイズ信号と判定する。所定の値より小さい場合は、さらに信号発生時点から１ミリ秒後から２ミリ秒までを積分することにより次の部分エネルギ（Ｑ２）を求め、それを全エネルギ（Ｅ５００）で割り、その比率（Ｑ２／Ｅ５００）が所定の区間にある場合は緊張材の破断に起因する信号と判断し、それ以外の場合はノイズと判断する。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法に関するもので、さらに詳しくは、緊張材の破断による信号を車両走行に起因するノイズ信号から分離して検出する方法に関するものである。

例えば、道路橋や鉄道橋などのコンクリート構造物は、経時的な繰り返し加重を受けるため、緊張材を埋設したプレストレストコンクリート構造物が使用されている。これらのプレストレストコンクリート構造物においては、緊張材の破断を検知することが、構造物全体の崩壊を事前に予測するために非常に重要である。

ここで、特許文献１には、抗張力線を埋設している構造物の初断線の破壊音をたわみ型振動子を用いて検出する方法と装置が開示されている。また、特許文献２には、緊張材の破断をアコースティック・エミッション法で検出する監視システムが開示されている。

緊張材の破断に伴う破断音、或いはアコースティック・エミッションを検出するセンサは、通常、被検査体に密着させる受信板と、該受信板に音響的に結合されている音響・電気変換子と、前記受信板と音響・電気変換子を収容するケースと、前記音響・電気変換子で作られた電気信号を外部に伝達するためのケーブルとを備えている。

そして、受信板を被検査体の表面に密着させ、被検査体からの音響信号を音響・電気変換子に伝達し、音響・電気変換子からの信号を解析することにより、アコースティック信号が発生したか否かを判断し、またアコ−スティック信号の発生場所等を特定する。

ここにおいて、例えば道路橋や鉄道橋などのコンクリート構造物の保守・維持のためには、上記のような計測を、１０年以上にわたって継続的に行わなければならず、そして、このようなシステムは、１０年単位で情報を保存しなければならない場合もあり、情報量が膨大なものになる傾向がある。

そのような場合、情報保存装置が巨大な容量を持つ必要があるばかりでなく、データの解析も困難なものとなる。そこで、必要なデータだけを保存するシステムを構築する必要があり、そのためには、ノイズによる信号を除去し、ノイズ信号は保存しないように構成し、データの量を少なくする必要がある。

特許文献３には、ハイパス・フィルタを用いて、抗張力線の破断による信号をノイズ信号から分離する方法および装置が提案されている。

特公平５−６４２９９号公報 特開２００４−６１４３２号公報 特開６１−１０２０９０６号公報

図１は、メタル橋のノイズ信号（中点四角印）、コンクリート橋のノイズ信号（中点丸印）、プレストレストコンクリートの緊張材の破断信号（点線四角印、丸印、点線三角印、半黒四角印）についての、実測された信号の最大振幅値（横軸）と信号のエネルギ（縦軸）の関係を示したグラフである。
なお、図中のこれらの印の意味は、この明細書に添付した他の図においても同じである。また、この明細書では、上記信号のエネルギとは、信号の絶対値を時間積分したものである。

図から分るように、自動車の振動によるノイズ信号は、最大振幅値が２００ｍＶ以下、且つエネルギが２０Ｖ以下の領域に分布している。また、緊張材の破断信号は、エネルギが５Ｖ以上の領域に分布している。
ここで、上記最大振幅値およびエネルギの単位（ｍＶおよびＶ）は任意尺度であるが、この明細書においては、同じ機器により測定した値であり、一貫したものである。

図２は、信号受信器の信号源からの距離（単位：ｍ）の関数として、緊張材の破断による信号およびノイズ信号の受信エネルギをプロットしたグラフである。
このグラフから、受信エネルギが２０Ｖ以上になるのは、信号受信器が信号源から概ね１０ｍ以内にある場合である。また、受信エネルギが５Ｖ以上になるのは、信号受信器が信号源から概ね１５ｍ以内にある場合であることが分る。

図１から、緊張材の破断による信号のエネルギのレベルは、ノイズ信号のレベルより大きい。これに着目して両者を分離することが先ず考えられる。図１から信号エネルギが２０Ｖ以上であれば両者を区別することが可能であるが、そのためには、図２から分かるように、信号受信器を信号発生源の近傍（１０ｍ以内）に配置する必要がある。
信号受信器の設置は、極力少ない方がシステムコストを考慮した場合によいため、信号エネルギが５Ｖ以上であれば検出し得るシステムとした場合、図２から１５ｍ間隔で信号受信器を配置すれば良いことが分かるが、この場合には、信号のエネルギが小さい領域で、緊張材の破断による信号とノイズ信号が混在しており、判別を確実に行えない場合が残る。

そこで、本発明は、信号受信器が信号源からより遠く、例えば１５ｍ間隔程度で設置した場合であっても、緊張材の破断による信号とノイズ信号を確実に分離することができる判別方法を提案することを課題とする。

上記した課題は、請求項１に記載のプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法により解決される。また、より正確に判定するためには、請求項２に記載のプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法により解決される。

具体的には、プレストレストコンクリートからの音響信号を検出し、その音響信号に基づいてプレストレストコンクリートの緊張材の破断を検出する方法において、検出された音響信号が所定の閾値を越えているか否かを判定する第１の比較過程と、検出された音響信号が所定の閾値を越えた第０の時点（ｔ０）から予め定められた第１の期間を経過する第１の時点（ｔ１）までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する第１の積算過程と、上記第０の時点（ｔ０）から予め定められた第４の期間を経過する第４の時点（ｔ４）までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する全エネルギ積算過程と、上記第１の積算過程の結果（Ｑ１）を上記全エネルギ積算過程の結果（Ｅ５００）で除算する第１の除算過程と、上記第１の除算過程の結果（Ｑ１／Ｅ５００）が予め定められた第１の基準値より小さいか否かを判定する第２の比較過程とを含み、上記第１の除算過程の結果（Ｑ１／Ｅ５００）が予め定められた上記第１の基準値より小さい場合に、上記検出した音響信号はプレストレストコンクリートの緊張材の破断による音響信号であると判定する、プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法により解決される。

さらに正確に判定するためには、上記第１の時点（ｔ１）から予め定められた第２の期間を経過する第２の時点（ｔ２）までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する第２の積算過程と、上記第２の積算過程の結果（Ｑ２）を上記全エネルギ積算過程の結果（Ｅ５００）で除算する第２の除算過程と、上記第２の除算過程の結果（Ｑ２／Ｅ５００）が予め定められた第２と第３の基準値の間であるか否かを判定する第３の比較過程を含み、上記第１の除算過程の結果（Ｑ１／Ｅ５００）が予め定められた上記第１の基準値より小さく、且つ上記第２の除算過程の結果（Ｑ２／Ｅ５００）が予め定められた上記第２と第３の基準値の間である場合に、上記検出した信号はプレストレストコンクリートの緊張材の破断による音響信号であると判別する、プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法により解決される。

上記した本発明に係るプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法によれば、従来技術の場合に較べて、センサへの入力信号が小さい場合にも、また連続してノイズ信号が現れても、緊張材の破断に起因する信号かノイズ信号かを確実に判別することができる。その結果、
（１）センサの配置間隔を大きくすることができる。
（２）ノイズに起因する信号は確実に除去され必要なデータだけが保存されるため、データの量を少なくでき、またそのデータの分析が容易になる。
この結果、コンパクトで正確なデータベースを構築することができる。

以下、上記した本発明に係るプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図３は、緊張材の破断による信号の典型的な波形である。そして、図４は、トラックのタイヤが橋梁のブロックの継ぎ目等で発生させる走行時ノイズの典型的な波形である。
前者の波形では減衰時間が長く、後者では減衰時間が短いという顕著な相違がある。本発明では、緊張材の破断による信号の波形と、自動車が発生する走行時ノイズの波形が異なること、すなわち減衰時間の相違に着目し、その波形の相違に基づいて、両者を判別するものである。

現実の環境で減衰時間の相違を検出することは困難である。例えば、ノイズ信号が連続して発生すると、見かけ上減衰が少なく観察される可能性がある。また短時間に減衰時間に対応する量を計測する必要がある。

図５乃至図７は、北海道のあるコンクリート橋において、複数のノイズ信号を連続して受信した時の信号波形の例である。図から分るように、いずれのノイズ信号もその減衰時間は１ミリ秒程度と短いものではあるが、連続して発生すると、見かけ上減衰が少なく観察される可能性があることを示している。図８乃至図１０は、北海道の別のあるメタル橋において、ノイズ信号を受信した時の信号波形の例である。この場合も、減衰時間は、１ミリ秒程度と短いものである。
なお、これらのノイズ信号は、主に橋のブロック間の継ぎ目においてトラックのタイヤが発生したものである。

他方、図３に示したように、緊張材の破断による信号の減衰時間は概ね１０ミリ秒程度である。従って、各信号の減衰時間を比べることにより、緊張材の破断による信号を、ノイズ信号から分離できることが分る。

例えば、請求項４に記載の発明のように、各信号の減衰定数を求め、その減衰定数が所定の基準値より大きいときはノイズ信号と判定し、小さい時は緊張材の破断に起因する信号であると判定することができる。この減衰時間の差異は、種々の方法で検出することができる。

本発明においては、「減衰の大きい信号は、信号の先頭部分のエネルギの全エネルギに対する比率が大きく、減衰が小さい信号は信号の先頭部分のエネルギの全エネルギに対する比率が相対的に小さい」という判定基準に従って、減衰時間の差異を検出する。
この場合、短時間に減衰時間に相当する量を検出できるという利点がある。

具体的には、信号のエネルギを、信号の発生時点から時間空間で４ミリ秒だけ積分して全エネルギを求め、同じ信号のエネルギを、信号の発生時点から時間空間で１ミリ秒だけ積分することにより先頭部分の部分エネルギを求め、その比率を求め、そしてその比率が所定の値より大きいものは、先頭部分のエネルギの比率が高いので減衰が大きい信号、すなわち、ノイズ信号と判定する。

図１に示した各測定データについて、最大振幅値（ｍＶ）と、各瞬間のエネルギを８マイクロ秒単位で５００個、すなわち４ミリ秒間サンプリングし、それらを積分したものを全エネルギ（この明細書ではＥ５００と略する）として求め、最初の１２５個のデータを積分して、すなわち最初１ミリ秒のデータを積分したものを第１部分エネルギ（Ｑ１）として求め、この第１部分エネルギ（Ｑ１）を、全エネルギ（Ｅ５００）で除算して得た比率（Ｑ１／Ｅ５００）を求めた。

図１１は、最大振幅値（ｍＶ）の関数としてこの比率（Ｑ１／Ｅ５００）をプロットしたグラフである。
図から分るように、緊張材の破断による信号とノイズ信号（中点四角印と中点丸印）は、概ね分離して分布している。すなわち、第１の基準値を例えば０．４４と設定し、上記比率（Ｑ１／Ｅ５００）が０．４４より小さい時は、緊張材の破断による信号と判断することができる。
請求項１の発明は、この考えに基づくものである。

請求項１の発明では、図１に示すように、緊張材の破断による信号はエネルギが大きいので、先ず、所定の閾値以下の受信信号はノイズ信号とする。次に、その閾値以上の信号について全エネルギ（Ｅ５００）と第１部分エネルギ（Ｑ１）を求め、それらから第１の比率（Ｑ１／Ｅ５００）を計算し、それが所定の第１の基準値以上であれば、ノイズ信号と判定する。

しかし、この場合、上記比率が０．４４より小さいノイズ信号の場合、すなわちノイズが連続して発生した場合には、緊張材の破断による信号とノイズ信号（中点丸印）が混在しているという問題が残る。
この問題を解決するために、さらに、最初の１ミリ秒経過後の最初の１２５個のデータを積分し、すなわち最初の１ミリ秒から２ミリ秒までのデータを積分したものを第２部分エネルギ（Ｑ２）として求め、この第２部分エネルギ（Ｑ２）を全エネルギ（Ｅ５００）で除算して得た比率（Ｑ２／Ｅ５００）を求めた。

図１２は、最大振幅値（ｍＶ）の関数としてこの比率（Ｑ２／Ｅ５００）をプロットしたグラフである。
図から分るように、緊張材の破断による信号とノイズ信号（中点四角印と中点丸印）は、分離して分布している。これ故、第２の基準値を例えば０．３６と設定し、第３の基準値を例えば０．２２と設定することにより、上記比率（Ｑ２／Ｅ５００）が第２の基準値と第３の基準値の間の場合は、緊張材の破断による信号と判断することができる。
請求項２の発明は、この事実に着目して発明されたものである。

請求項２の発明では、先ず、所定の閾値以下の受信信号はノイズ信号とする。次に、その閾値以上の信号について全エネルギ（Ｅ５００）と第１部分エネルギ（Ｑ１）を求め、それらから第１の比率（Ｑ１／Ｅ５００）を計算し、それが所定の第１の基準値以上であればノイズ信号と判定する。つづいて、第１の基準値以下であれば、さらに第２部分エネルギ（Ｑ２）と第２の比率（Ｑ２／Ｅ５００）を求め、第２の比率が第２と第３の基準値の間であれば、緊張材の破断による信号と判定する。

上記した本発明に係るプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法を実現するための装置等は、特に限定するものではなく、市販の装置を適宜組み合わせて実現することができる。

ノイズ信号と、プレストレストコンクリートの緊張材の破断信号についての、実測された信号の最大振幅値（横軸）と信号のエネルギ（縦軸）の関係を示したグラフである。 信号受信器の信号源から距離（単位：ｍ）の関数として、緊張材の破断による信号およびノイズ信号の受信エネルギをプロットしたグラフである。 緊張材の破断による信号の典型的な波形である。 トラックのタイヤが橋梁のブロックの継ぎ目等で発生させるノイズ信号の典型的な波形である。 コンクリート橋においてノイズ信号を受信した時の信号波形の一例を示したグラフである。 コンクリート橋においてノイズ信号を受信した時の信号波形の他の例を示したグラフである。 コンクリート橋においてノイズ信号を受信した時の信号波形の更に他の例を示したグラフである。 メタル橋においてノイズ信号を受信した時の信号波形の一例を示したグラフである。 メタル橋においてノイズ信号を受信した時の信号波形の他の例を示したグラフである。 メタル橋においてノイズ音響信号を受信した時の信号波形の更に他の例を示したグラフである。 最大振幅値（ｍＶ）の関数として比率（Ｑ１／Ｅ５００）をプロットしたグラフである。 最大振幅値（ｍＶ）の関数として比率（Ｑ２／Ｅ５００）をプロットしたグラフである。

Claims (4)

1. プレストレストコンクリートからの音響信号を検出し、その音響信号に基づいてプレストレストコンクリートの緊張材の破断を検出する方法において、検出された音響信号が所定の閾値を越えているか否かを判定する第１の比較過程と、検出された音響信号が所定の閾値を越えた第０の時点から予め定められた第１の期間を経過する第１の時点までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する第１の積算過程と、上記第０の時点から予め定められた第４の期間を経過する第４の時点までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する全エネルギ積算過程と、上記第１の積算過程の結果を上記全エネルギ積算過程の結果で除算する第１の除算過程と、上記第１の除算過程の結果が予め定められた第１の基準値より小さいか否かを判定する第２の比較過程とを含み、上記第１の除算過程の結果が予め定められた上記第１の基準値より小さい場合に、上記検出した音響信号はプレストレストコンクリートの緊張材の破断による音響信号であると判定することを特徴とする、プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法。
2. 上記第１の時点から予め定められた第２の期間を経過する第２の時点までの上記音響信号のエネルギに対応する値を積算する第２の積算過程と、上記第２の積算過程の結果を上記全エネルギ積算過程の結果で除算する第２の除算過程と、上記第２の除算過程の結果が予め定められた第２と第３の基準値の間であるか否かを判定する第３の比較過程を含み、上記第１の除算過程の結果が予め定められた上記第１の基準値より小さく、且つ上記第２の除算過程の結果が予め定められた上記第２と第３の基準値の間である場合に、上記検出した音響信号はプレストレストコンクリートの緊張材の破断による音響信号であると判別することを特徴とする、請求項１に記載のプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法。
3. 上記第１の期間が１ミリ秒であり、上記第２の期間が１ミリ秒であり、上記第４の期間が４ミリ秒であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法。
4. プレストレストコンクリートからの音響信号を検出し、その音響信号に基づいてプレストレストコンクリートの緊張材の破断を検出する方法において、検出された音響信号が所定の閾値を越えているか否かを判定する第１の比較過程と、上記音響信号の減衰定数が所定の基準値より大きい音響信号はノイズ信号と判定し、上記音響信号の減衰定数が所定の基準値より小さい音響信号は緊張材の破断による音響信号と判定する判定過程を含むことを特徴とする、プレストレストコンクリートの緊張材の破断検出方法。
   

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