JP2007047094A - 一次元標定のae源を利用した構造物の損傷判定方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】構成が簡素化され、実用性の高い簡易な判定を実施することができる一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法および装置を提供する。
【解決手段】一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法において、交通荷重がかかる一次元的な部材に直線状に複数のAEセンサを一次元的に配列し、この一次元配列の各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法および装置に関するものである。
AE(アコースティック・エミッション)とは、部材に局部的な変形による割れの形成や進展が生じた際に放出される弾性波である。応力負荷の影響による部材の欠陥がAE源となるため、AE音は構造物健全性の重要な指標となっている。
ところで、鉄道構造物が損傷や欠陥を有する場合、鉄道列車通過時の活荷重を利用して損傷箇所からのAE音を励起させ、それを測定することにより損傷度の判定を行うことが可能である。
本願発明者らは、既に、「交通荷重による2次起因のAE音による構造物損傷度判定方法および装置」(特許文献1参照)を出願した。また、AE音の振幅規模別頻度分布から得られる改良b値に基づいて構造物の損傷度を判定する「交通荷重による2次起因のAE音による構造物損傷度判定方法」を出願した(特許文献2参照)。ただし、これらの損傷度判定方法は、その前提条件としてAE源の三次元的な特定が必要であった。つまり、これらの判定方法では、三次元AE源を特定し、対象構造物を取囲むように数多くのAEセンサを配置して実施してきた。三次元AE源を特定するためには、多数のAEセンサに対応したマルチチャンネルAE計測装置が必要となるほか、それに伴うセンサの設置・解析コストの増大を招いていた。
特開2004−125721号公報 特願2004−190716号 塩谷智基他:AEアクティビティーを用いた鉄道構造物の損傷定量化方法,第58回土木学会年次学術講演会,第V部門、pp.753−754,2003
そこで、本発明では実高架橋載荷実験に一次元AE位置標定法を適用する。そこで得られた一次元AE源のAEパラメータと三次元AE位置標定法による同値との比較検討を行ったところ、その結果、橋脚類の構造物において、一次元AE位置標定法による損傷評価が可能であることが明らかとなった。
本発明は、上記状況に鑑みて、構成が簡素化され、実用性の高い簡易な判定を実施することができる一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法および装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法において、交通荷重がかかる桁又は橋脚のような一次元的な部材に直線状に複数のAEセンサを一次元的に配列し、この一次元配列の各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行うことを特徴とする。
〔2〕一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置において、交通荷重がかかる桁又は橋脚のような一次元的な部材に直線状に一次元的に配列される複数のAEセンサと、この一次元配列の各AEセンサのAE信号が取り込まれる処理装置を備え、各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行うことを特徴とする。
〔3〕上記〔2〕記載の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置において、前記一次元的な部材が橋梁であることを特徴とする。
〔4〕上記〔2〕記載の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置において、前記一次元的な部材が橋脚であることを特徴とする。
本発明によれば、一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法により、簡便なAE診断方法を得ることができた。その結果、一次元AE法で得られたAE源による損傷評価は、三次元AE位置標定方法での結果と大過なく、簡便なAE診断を実構造物に適用することができる。
本発明の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法は、交通荷重がかかる一次元的な部材に直線状に複数のAEセンサを一次元的に配列し、この一次元配列の各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行う。
図1は本発明の実施例を示す一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置の模式図である。
この図において、1は桁(水平方向一次元的な部材)、2は橋梁(鉛直方向一次元的な部材)、3は橋梁のフーチング、4は橋梁の杭、5は地盤、6はひび割れ、7は一次元配列AEセンサ、8は鉄道車両(交通荷重)、9は一次元配列AEセンサ7からの出力信号を取り込んで、構造物の損傷度を求めるための処理装置である。
このように、橋梁2にはAEセンサ7を一次元的に配列するようにしたので、構成が簡素化され、実用性の高い簡易な判定を実施することができる。
以下、本発明に関する実験を行ったので、それについて説明する。
まず、従来の三次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定について説明する。
図2は計測対象としての高架橋の橋脚を示す図、図3はその天端の載荷方向(北側)を示す図、図4はAEセンサの配置を示す、図3のI−I矢視図である。
ここでは、橋脚の基部にアスファルト舗装がある場合の橋脚について述べる。
この橋脚101の立地条件、橋脚101の天端102における載荷方向103およびAEセンサ104,105の配置状況を図2〜図4に示す。載荷は、橋脚101の天端102から油圧ジャッキ(最大392kN、2台)により水平繰返しに実施した。各繰返しにおける最大変位値は、1,2,4,8,16,32,64,128mmとした。
図3に示すように計測対象の橋脚下部全体のAE挙動を監視できるように、下部全体に合計16個のAEセンサ104(60kHz共振型)を配置する。(図3,図4中の○)。また、AE源の外挿手法(AEセンサ網外でのAE源の推定)検討を目的に、中央部に密に合計12個のAEセンサ105を配置する(図3,図4中の●)。
その計測結果について説明する。
図5に橋脚の繰返し水平載荷で得られた荷重と変位曲線を示す。この図において、1,2,4,8,16,32,64,128mmの繰返し水平変位に対して、変位量が増すに従い、残留変形が増加することが分かる。
図6に16chのAEセンサ網(図3,4の104)で計測されたAEイベント(三次元でAE源が特定できたもの)と強制変位の経時変化を示す。AEイベントは強制変位の増加(載荷)とともに漸増し、さらに32mm(12k秒)で変位の増加過程のみならず、減少過程(除荷)でも二次元なAEイベント(14イベント)が数多く得られる。その後,64,128mmの強制変位の減少過程でそれぞれ51、146イベントを記録した。
図7に三次元AE計測結果を示す。図7(a)中の円はAE源を表し、その直径が最大振幅値(AE源に寄与したAEヒットの平均振幅値)、黒色円が載荷、薄い色円が除荷で得られたAE源である。
この図は損傷程度の高い最終載荷ステップ(0−128−0mm)であるため、除荷時のAE源は載荷時より多いことが特徴的である。図7(b)にCalm比とRTRI(上記非特許文献1参照)による損傷マップを示す。この図より、変形の増加に伴い軽微損傷領域から中程度損傷領域、そして重度損傷領域へのプロットの移行が認められる。図7(c)に全変形過程で得られたAEイベントデータを用いた振幅規模別頻度分布を図3に示すA,B,C部毎に示す。同図より、A,B,C部ともに、0.1以下の重度損傷を示す改良b値が得られた。C部の改良b値が多少大きいことは、A,B部に比べてC部の損傷程度が相対的に軽いことを示唆している。
このように、ここでは実高架橋の橋脚の繰返し載荷にAE法を適用し、三次元的なAE計測結果を示した。
次に、本発明にかかる一次元AE計測による簡易な検査方法について説明する。
まず、一次元AE位置標定法について述べる。
一次元AE位置標定法は、図1に示すように、橋梁に、地面に対して垂直方向の直線上に配置されたAEセンサの測定結果から、各AEセンサのAE信号到達時間差を利用してAE源位置を算出する方法で、2個以上のセンサにより構成される。得られたAE源位置はセンサ間を結ぶ直線上でのAE源位置として得られ、線上外での位置は等時曲線(双曲線)上となる。
図8に16chAE計測装置により各面一次元に配置されたAEセンサで算出された一次元AE位置標定結果を示す。図8(a)より、8mmの変形過程から2本の上部水平き裂が観察され、それに対応したAE源が同位置に集中して認められることが分かる。図8(b)より、8mmの変形過程から上部、中間部でのAE源が観察され、下部は特に64mmの変形時に多く得られる。また、除荷時のAE源は128mm変形戻り時に下部に集中して得られ、これらは観察された複雑なき裂群位置と一致している。
上記したように、一次元AE源は実際のき裂位置に対応した分布を示した。
次に、各計測面のRTRIとCalm比について説明する。
図9に各計測面で得られた一次元AE源により求めたRTRIおよびCalm比を示す。ここで、図9(a)のRTRIは各変形段階でAE発現を得た変位値と過去最大変位値の比として算出されており、値が小さいほど大きな損傷を示している。ここで、各変形段階で得られたRTRIは、その前段階での損傷レベルを示すので、本実験では64mmの変形時までの損傷が検討できる。また、Calm比は除荷過程(変形減少過程)で得られたAE総数と全載荷過程(変形増加、減少過程)のAE総数の比として得られ、Calm比が大きいほど大きな損傷を示す。ここで、128mmのCalm比は同図に示すように載荷除荷の境界を与える参照パラメータを鉄筋ひずみ、強制変位、載荷荷重の3種類として示している。図9(a)より、各面ほぼ同様に変形増加に伴うRTRIの低下が明らかである。図9(b)により、Calm比は64mmの変形過程まで全計測面ともに増加するが、128mmの変形過程では参照パラメータ毎に異なる値を示す。別に検討した強制変位と損傷進展結果より、顕著な損傷進展は128mmの変形時に認められなかったことから、構造物全体挙動(変形や載荷荷重)に着目したCalm比が実現象を反映した結果を示すものと考えられる。図9(c)にCalm比とRTRIマップを示す。各面で若干の違いはあるが、概して変形量の増加に伴いM(軽微)、I(中程度)、H(重度)と変形増加に対応した推定損傷程度を示した。
次に、振幅規模別頻度分布について説明する。
図10に一例として南面で得られたAE源による振幅規模別頻度分布を示す。A、B、C部ともに0.1以下の重度損傷を示す改良b値が得られた。C部で得られた改良b値はA、B部に比べて大きい値となりA,B部に比べ小さな損傷程度を示す結果となり、三次元AE源を利用した結果と調和していた。
このように、本発明によれば、実高架橋載荷に伴う損傷進展を一次元AE標定法により評価し、三次元AE法による同結果と比較検討し、簡便なAE診断方法を得ることができた。その結果、一次元AE法で得られたAE源による損傷評価は、三次元AE位置標定方法での結果と大差なく、簡便なAE診断が実構造物に適用可能であることが明らかとなった。
なお、上記実施例では、主に鉛直方向に設けられる橋脚に対する一次元AE位置標定法について述べたが、水平方向に設けられる桁や梁などに対する一次元AE位置標定法を実施することができることは言うまでもない。
本発明の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法は、鉄道の橋梁などの構造物の損傷度の判定に好適である。
本発明の実施例を示す一次元AE位置標定法による構造物の損傷判定装置の模式図である。 計測対象としての高架橋の橋脚を示す図である。 計測対象としての高架橋の橋脚の天端の載荷方向(北側)を示す図である。 AEセンサの配置を示す図である。 P52橋脚の繰返し水平載荷で得られた荷重と変位曲線を示す図である。 16chのAEセンサ網で計測されたAEイベント(三次元でAE源が特定できたもの)と強制変位の経時変化を示す図である。 三次元AE計測結果を示す図である。 16chAE計測装置により各面一次元に配置されたAEセンサで算出された一次元AE位置標定結果を示す図である。 各計測面で得られた一次元AE源により求めたRTRIおよびCalm比を示す図である。 本発明の一例としての南面で得られたAE源による振幅規模別頻度分布を示す図である。
符号の説明
1 桁(水平方向一次元的な部材)
2 橋梁(鉛直方向一次元的な部材)
3 フーチング
4 橋梁の杭
5 地盤
6 ひび割れ
7,104,105 1次元配列AEセンサ
8 鉄道車両(交通荷重)
9 処理装置
101 橋脚
102 天端
103 載荷方向

Claims (4)

  1. (a)交通荷重がかかる桁又は橋脚のような一次元的な部材に直線状に複数のAEセンサを一次元的に配列し、
    (b)該一次元配列の各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行うことを特徴とする一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定方法。
  2. (a)交通荷重がかかる桁又は橋脚のような一次元的な部材に直線状に一次元的に配列される複数のAEセンサと、
    (b)該一次元配列の各AEセンサのAE信号が取り込まれる処理装置を備え、
    (c)各AEセンサのAE信号到達時間差を利用して簡易な処理装置により一次元AE位置標定を行い、前記一次元的な部材の損傷判定を行うことを特徴とする一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置。
  3. 請求項2記載の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置において、前記一次元的な部材が橋梁であることを特徴とする一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置。
  4. 請求項2記載の一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置において、前記一次元的な部材が橋脚であることを特徴とする一次元標定のAE源を利用した構造物の損傷判定装置。
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