JP2006162548A - ひび割れ検出システム及びひび割れ検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検出体の表面のひび割れ発生箇所を、簡単に感度よく検出する。
【解決手段】
被検出体表面の測定範囲１０に設けられた複数の標点２の少なくとも３点を結んで一つの要素３（仮想領域）を形成して、測定範囲１０を複数の要素３の集まりに離散化し、各要素３の最大主ひずみを算出し、これら各最大主ひずみを差分処理して各要素３の差分ひずみを算出する演算手段と、任意のしきい値より大きな差分ひずみを有する要素を被検出体のひび割れ発生箇所として検出するひび割れ検知手段とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンクリート構造物等のひび割れによる損傷状態を検出するための、新規な方式のひび割れ検出システム及びひび割れ検出方法に関するものである。

トンネルやビル等のコンクリート構造物等のひび割れ状況を把握することにより、その構造物の劣化度を評価することができる。この評価により、コンクリート構造物の剥落事故を防止したり、構造物の補修や補強、解体等の対処方法を判断することができる。そのため、構造物のひび割れを検出するものとして、種々の装置や方法が提案されている。
ひび割れを検出する装置等として、電気抵抗体をコンクリートに埋設してこの抵抗体の測定値をデータ解析するもの（特許文献１参照）や、構造物に弾性振動を印加してその伝搬振動からデータを解析するもの（特許文献２参照）等が開発されている。
特開２００３−１０７０３０号公報 特開平１０−１４２２００号公報

しかしながら、コンクリートに電気抵抗体を埋設する装置は、準備や手間が厄介で、測定対象の寸法構成に限度があるため、マイクロデバイス等の微小体を測定することは非常に難しい。そして、構造物に振動を印加する方法は、振動の伝搬距離が短く、測定範囲が狭いという問題がある。又、測定したデータは、構造物の表面と内部の反射波が混在しているので、解析精度に問題もある。
そこで、本発明が解決する課題は、コンクリート構造物等を複数の要素に離散化して、各要素の最大主ひずみを差分処理することにより、簡単に感度良くひび割れ発生箇所を検出できる、ひび割れ検出システム及び方法を提供することである。

前記した課題を解決するため、本発明に係るひび割れ検出システムは、被検出体表面の測定範囲に設けられた複数の標点の少なくとも３点を結んで一つの要素（仮想領域）を形成して、測定範囲を複数の要素の集まりに離散化し、各要素の最大主ひずみを算出し、これら各最大主ひずみを差分処理して各要素の差分ひずみを算出する演算手段と、任意のしきい値より大きな差分ひずみを有する要素を被検出体のひび割れ発生箇所として検出するひび割れ検知手段とを備えている。

又、本発明に係るひび割れ検出方法は、連続する被検出体表面の測定範囲に存する複数の標点の少なくとも３点を結んで一つの要素（仮想領域）を形成して、測定範囲を複数の要素の集まりに離散化し、各要素の最大主ひずみを算出し、これら各最大主ひずみを差分処理して各要素の差分ひずみを算出し、更に、この差分ひずみと予め設定したしきい値を比較し、このしきい値より大きな差分ひずみを有する要素を被検出体のひび割れ発生箇所として検出する。

好ましくは、三角形状に前記各要素を離散化し、任意の中心要素の最大主ひずみとこの中心要素の一の頂点を共有する３つの周辺要素の最大主ひずみを比較して差分処理する。

更に好ましくは、各要素を略同一形状の直角二等辺三角形に構成し、各要素を複数の異なる配列とし、これら各配列に基づく差分ひずみからひび割れの方向性を検出する。

又、各要素が略同一形状の正三角形となるよう構成しても良い。

本発明のひび割れ検出システム及び方法は、コンクリート構造物等の被検出体表面を複数の要素に離散化して、各要素の最大主ひずみを差分処理して、この差分ひずみと予め設定したしきい値を比較してひび割れ発生箇所を検出するので、コンクリートにセンサーを埋設したり振動を印加する必要がなく、簡単にひび割れを検出することができる。又、しきい値を任意に設定することで、被検出体の種類等に応じたひび割れ幅等を検出できるので、構造物の劣化度等を的確に把握することができる。

又、各要素を三角形状に離散化し、任意の中心要素とこの中心要素の一の頂点を共有する３つの周辺要素を比較して差分処理することで、中心要素に対する周辺要素の最大主ひずみの影響を減少させることができるので、ひび割れ検出の感度が著しく向上する。

そして、各要素を略同一形状の直角二等辺三角形に構成して、配列の異なる各要素から差分処理することで、ひび割れの方向性を把握することができる。すなわち、各要素が直角二等辺三角形の場合、ひび割れが直角を挟む２辺を通過する際の最大主ひずみが著しく大きくなるので、任意要素においてひび割れが直角を挟む２辺を通過していることがわかり、ひび割れの方向性を把握できる。

更に、各要素を略同一形状の正三角形とすることで、ひび割れの方向性に関係なく、差分ひずみの値が略一定の範囲内となるので、ひび割れ検出の感度を安定させることができる。

以下、添付図面に基づき、本発明に係るひび割れ検出システム及び方法について詳細に説明する。
図１は、ひび割れ検出システムを説明するための図であって、図１（ａ）は、被検出体に荷重を与える状態を示す側面図、図１（ｂ）は、ひび割れ検出システムの全体を示す概略図である。図１の如く、本実施例の被検出体（１）は、下面にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）シートを接着して、曲げ補強がなされたコンクリート梁で、単純梁の状態にある。この被検出体（１）の寸法は、幅１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの正方形断面で、長さ４００ｍｍで構成されている。そして、この被検出体（１）の表面中央における１００ｍｍ×１００ｍｍの測定範囲（１０）に、１０ｍｍ間隔の複数の標点（２，２，・・・）を付した。なお本例においては、被検出体（１）の表面に、手書きで黒丸の標点（２，２，・・・）を添付したが、この標点（２，２，・・・）は中心位置が明確なものであれば予め設けられた既存のものでもよい。例えば、ビルの表面に設けられたタイルの目地や、飛行機等に設けられた複数のリベット、或いは顕微鏡で可視化された金属の組織パターン等を用いることができる。

この状態で、被検出体（１）の測定範囲（１０）をＣＣＤカメラ等の撮像装置（２０）で撮像する。そして、画像処理装置（２１）を用いて、この撮像した画像の各標点（２，２，・・・）の中心を節点（２’，２’，・・・）とし、この複数の節点（２’，２’，・・・）のうちの３点（２’，２’，２’）を結んで形成した仮想領域を、一つの要素（３）とする。そして、測定範囲（１０）を、互いに干渉することのない複数の要素（３，３，・・・）の集まりに分割して離散化する。即ち、測定範囲（１０）を、各節点（２’，２，・・・）から複数の三角形状の仮想領域（３，３，・・・）に分割する。図２は、測定範囲（１０）を複数の要素（３，３，・・・）に離散化した状態を示す図である。

この状態で、各節点（２’，２’，・・・）の座標を測定する。更に、図１のように、被検出体（１）の中央上面から任意荷重（Ｐ）を付与し、これによって変形した後の被検出体（１）の測定範囲（１０）における各節点（２’，２’・・・）の座標も測定する。
そして、画像処理装置（２１）に接続された演算装置（２２）を用いて、変形前後における各節点（２’，２’，・・・）の座標から、測定範囲（１０）の各仮想領域、すなわち各要素（３，３，・・・）の最大主ひずみを算出する。その後、これら最大主ひずみを差分処理し、各要素（３，３，・・・）の差分ひずみを算出する。そして、コンピュータ等のひび割れ検知装置（２３）を用いて、この差分ひずみと予め設定したしきい値を比較して、ひび割れが発生した要素（３）の検出を行う。以下、この算出方法について詳細に説明する。

図３は、算出方法を説明するための一の任意要素を示す拡大図である。この任意要素（３）は、各要素ごとの最大主ひずみの算出方法を説明するために、要素（３）の番号を（ｅ）、各節点（２’）の番号を（ｉ，ｊ，ｋ）として一般化した。そして、要素番号（ｅ）における、変形前の各節点（ｉ，ｊ，ｋ）の座標を｛Ｘ_０ ^ｅ｝、変形後の各節点（ｉ，ｊ，ｋ）の座標を｛Ｘ_１ ^ｅ｝として後記（式１）に示す。これら座標｛Ｘ_０ ^ｅ｝、｛Ｘ_１ ^ｅ｝は一般化されているが、実際には任意点を原点（０，０）として、各節点（ｉ，ｊ，ｋ）を測定した座標の値である。

変形前後の各節点の座標｛Ｘ_０ ^ｅ｝、｛Ｘ_１ ^ｅ｝を用いて、後記（式２）から変形前後の節点座標の節点変位ベクトル｛Ｕ_０｝を算出する。

そして、節点変位ベクトル｛Ｕ_０｝から回転成分を除去するため、後記（式３）及び（式４）から得た座標変換マトリクス［Ｔ］、並びに前記｛Ｕ_０｝を、後記（式５）に代入して、真の節点変位ベクトル｛Ｕ_ｅ｝を算出する。

更に、後記（式６）から得たひずみ変位マトリクス［Ｂ^ｅ］、並びに前記の真の節点変位ベクトル｛Ｕ_ｅ｝を、後記するひずみ変位関係式（式７）に代入して、要素番号ｅのひずみ｛ε^ｅ｝を算出する。

そして、前記のひずみ｛ε^ｅ｝及び後記（式８）から、要素番号ｅの最大主ひずみε_ｅを算出する。更に、この要素番号ｅの最大主ひずみε_ｅ、及び前記と同様の方法で算出した要素番号（ｅ）の周りの３つの任意の周辺要素（ａ，ｂ，ｃ）のそれぞれの最大主ひずみε_ａ，ε_ｂ，ε_ｃから、差分処理を行い、要素番号（ｅ）の差分ひずみΔεを得る。この差分ひずみΔεは、後記（式９）に前記のε_ｅ，ε_ａ，ε_ｂ，ε_ｃを代入して算出する。

ここで、中心要素（ｅ）の差分処理を行うための周辺要素（ａ，ｂ，ｃ）の検討を行う。図４は、周辺要素を検討するための図である。図４（ａ）は、中心要素（ｅ）の一辺を共有する要素を周辺要素（ａ，ｂ，ｃ）とする場合を示し、図４（ｂ）は、中心要素（ｅ）の一つ頂点を共有する３つの要素を周辺要素（ａ，ｂ，ｃ）とする場合を示す。
図４において、ひび割れ（Ｃ_１）は、図４（ａ）では要素番号（ｃ，ｅ，ａ）を通過し、図４（ｂ）では要素番号（ｅ）のみを通過する。ひび割れ（Ｃ_２）は、図４（ａ）では要素番号（ａ，ｅ，ｂ）を通過し、図４（ｂ）では要素番号（ａ，ｅ）を通過する。従って、ひび割れ（Ｃ_１）及び（Ｃ_２）のいずれにおいても、要素番号（ｅ）の差分ひずみΔεは図４（ｂ）の場合が大きくなる（前記（式９）参照）。ここで、後述するように、差分ひずみΔεが大きい方が、ひび割れ発生箇所を検出しやすいので、図４（ｂ）の如く、中心要素（ｅ）の一つの頂点を共有する３つの要素を周辺要素（ａ，ｂ，ｃ）として、前記（式９）より要素番号（ｅ）の差分ひずみΔεを算出する。

そして、この差分ひずみΔεを離散化した全ての要素について算出し、予め設定したしきい値より大きな差分ひずみΔεを有する要素を、ひび割れ検知装置（２３）を用いて抽出する。このしきい値は、被検出体のひび割れが発生する差分ひずみの値を予め設定する。従って、しきい値より大きな差分ひずみΔεを有する要素に、ひび割れが発生したことになる。このしきい値は、被検出体の種類やひび割れの幅等に応じて決定することができる。そして、ひび割れ検知装置（２３）と画像処理装置（２１）とが接続され、図５の如く、ひび割れ検知装置（２３）からの信号を基にして、しきい値を超えた差分ひずみを有する要素を黒色に、それ以外の要素を白色に着色して画像処理装置（２１）に表示することにより、測定範囲（１０）におけるひび割れ発生箇所を可視化できる。この画像処理装置（２１）、演算装置（２２）、及びひび割れ検知装置（２３）は、一体のハードウェアとして構成することもできる。

次に、要素の形状及び配列について検討する。図６は、要素形状を検討するための図であり、図６（ａ）は要素形状が正三角形の場合を示し、図６（ｂ）は要素形状が直角二等辺三角形の場合を示す。
図６の如く、ひび割れ（Ｃ）は、幅寸法をδ、ｘ軸方向のベースライン（ＢＬ）に対する角度をθ（０°〜３６０°）とする。そして、各要素（３）の図に示す辺の長さを（Ｌ）とする。この場合における、δ、θ、Ｌ、及び要素番号（ｅ）の最大主ひずみε_ｅの関係式は後述の（式１０）〜（式１２）となる。ここで、（式１０）は要素（３）の形状が正三角形の場合の関係式、（式１１）及び（式１２）は要素（３）の形状が直角二等辺三角形の場合の関係式を示す。

図７は、θとε_ｅの関係を示すグラフである。図７において、曲線（Ｉ）は、要素（３）の形状が正三角形の場合の変化を示し、曲線（ＩＩ）は、要素（３）の形状が直角二等辺三角形の場合の変化を示す。ここで、δ及びＬは任意の一定値である。図７の曲線（Ｉ）が示すように、要素形状が正三角形の場合、要素番号（ｅ）の最大主ひずみε_ｅは、いずれの角度θ（０°≦θ≦３６０°）においても、一定の範囲内で周期的に変化する値である。従って、要素（３）の形状を正三角形とし、検出したい最小のひび割れ幅δ（例えば、０．０５ｍｍ）における最小の最大主ひずみε_ｅをしきい値とすることで、しきい値よりも大きな値の差分ひずみΔεをほぼ安定して判別でき、ひび割れ検出の感度も安定する。

そして、要素形状が直角二等辺三角形の場合には、最大主ひずみε_ｅは、角度θによって著しく異なる値となる。即ち、図７の曲線（ＩＩ）が示すように、最大主ひずみε_ｅは、ひび割れ（Ｃ）が底辺を通過する際（０°≦θ≦１１０°，１６０°≦θ≦２９０°，３４０°≦θ≦３６０°）小さな値となり、ひび割れ（Ｃ）が直角を挟む２辺を通過する際（１１０°≦θ≦１６０°，２９０°≦θ≦３４０°）大きな値となる。
このように、ひび割れ（Ｃ）が要素（３）の直角を挟む２辺を通過するときに、最大主ひずみε_ｅの値が大きくなる性質を利用することにより、ひび割れの方向性を把握することができる。これについて、詳細に説明する。

図８は、ひび割れの方向性を検討するための図である。図８の（ａ）及び（ｂ）は、同一の節点（２’_１，２’_２，２’_３，２’_４）、同一方向のひび割れ（Ｃ_３）で、どちらも要素（３，３’）の形状が直角二等辺三角形であるが、図８（ａ）は、節点（２’_１，２’_２，２’_３）で要素（３）を構成した場合、図８（ｂ）は、節点（２’_１，２’_２，２’_４）で要素（３’）を構成した場合を示す。
図８（ａ）の場合、ひび割れ（Ｃ_３）は番号（３）の底辺を通過しているので、前記したように、最大主ひずみε_ｅが小さくなる。それに対し、図８（ｂ）の場合は、ひび割れ（Ｃ_３）が要素（３’）の直角を挟む２辺を通過しているので、最大主ひずみε_ｅが大きくなる。このように、要素（３，３’）の形状を直角二等辺三角形とした場合に、ひび割れ（Ｃ_３）に対して、要素（３，３’）の配置を変更し、差分ひずみΔεが大きく変化すれば、ひび割れ（Ｃ_３）が直角を挟む２辺を通過していることがわかり、ひび割れ（Ｃ_３）の方向性を把握することができる。

本発明のひび割れ検出システム及び方法によれば、被検出体に標点を付すことで、トンネルや橋梁等の大規模なコンクリート構造物の外、管路等の小規模構造物や、マイクロチップ等の微小体等においても、ひび割れ発生箇所を簡単に検出することができる。ひび割れは、荷重を直接的に与えて生じるだけでなく、温度変化によるひずみや圧力変化等によっても生じるので、本発明は様々な技術分野において適用されるものであり、非常に有用である。

ひび割れ検出システムを説明するための図である。 測定範囲を複数の要素に離散化した状態を示す図である。 算出方法を説明するための一の任意要素を示す拡大図である。 周辺要素を検討するための図である。 測定範囲のひび割れを可視化した状態を示す図である。 要素形状を検討するための図である。 θとε_ｅの関係を示すグラフである。 ひび割れの方向性を検討するための図である。

符号の説明

１・・・被検出体、１０・・・測定対象
２・・・標点、２’・・・節点
３・・・要素
Ｃ・・・ひび割れ
ｅ・・・一般化した要素番号
ｉ，ｊ，ｋ・・・一般化した節点番号
２０・・・撮像装置
２１・・・画像処理装置
２２・・・演算装置
２３・・・ひび割れ検知装置

Claims (8)

1. 被検出体表面の測定範囲に設けられた複数の標点の少なくとも３点を結んで一つの要素（仮想領域）を形成して、前記測定範囲を複数の要素（仮想領域）の集まりに離散化し、前記各要素の最大主ひずみを算出し、これら各最大主ひずみを差分処理して前記各要素の差分ひずみを算出する演算手段と、任意のしきい値より大きな差分ひずみを有する要素を被検出体のひび割れ発生箇所として検出するひび割れ検知手段とを備えていることを特徴とするひび割れ検出システム。
2. 前記各要素が三角形状をなしており、前記演算手段が、任意の中心要素の最大主ひずみとこの中心要素の一の頂点を共有する３つの周辺要素の最大主ひずみを比較して差分処理することを特徴とする請求項１に記載のひび割れ検出システム。
3. 前記各要素が略同一形状の直角二等辺三角形で構成されており、前記ひび割れ検知手段が、複数の配列の異なる各要素から得た差分ひずみをもとにひび割れの方向性を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のひび割れ検出システム。
4. 前記各要素が略同一形状の正三角形で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のひび割れ検出システム。
5. 連続する被検出体表面の測定範囲に存する複数の標点の少なくとも３点を結んで一つの要素（仮想領域）を形成して、前記測定範囲を複数の要素（仮想領域）の集まりに離散化し、各要素の最大主ひずみを算出し、これら各最大主ひずみを差分処理して前記各要素の差分ひずみを算出し、更に、この差分ひずみと予め設定したしきい値を比較し、このしきい値より大きな差分ひずみを有する要素を被検出体のひび割れ発生箇所として検出することを特徴とするひび割れ検出方法。
6. 三角形状に前記各要素を離散化し、任意の中心要素の最大主ひずみとこの中心要素の一の頂点を共有する３つの周辺要素の最大主ひずみを比較して差分処理することを特徴とする請求項５に記載のひび割れ検出方法。
7. 前記各要素を略同一形状の直角二等辺三角形に構成し、各要素を複数の異なる配列とし、これら各配列に基づく差分ひずみからひび割れの方向性を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載のひび割れ検出方法。
8. 前記各要素を略同一形状の正三角形に構成したことを特徴とする請求項５又は６に記載のひび割れ検出方法。

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