JP2007155429A - コンクリート構造物の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリート構造物の鋼材（鉄筋、鉄骨）に発生する歪みを測定して検査する作業工数の増大やデータの信頼性を損なわずに、簡単に非破壊で精度良く検査することができるコンクリート構造物の検査方法および検査装置を提供する。
【解決手段】同一平面内に２個の微小な渦電流センサ２ａ、２ｂを内蔵した渦電流プローブ１を用いることにより、鉄筋１０と渦電流プローブ１との相対的な位置関係の変化に影響されずに、鉄筋１０の歪みを計測することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、渦電流プローブを用いて被検査材の歪み量を計測する渦電流計測技術に関するものである。特に、コンクリート構造物を被検査材として計測するものである。

鉄筋棒鋼や鉄骨（形鋼）といった鋼材とコンクリートの組合せからなるコンクリート構造物は、橋梁や超高層ビルに幅広く使用されている。これら構造物には、耐震安全性を十分に確保する事が重要である。

コンクリート系構造物の耐震設計に関しては、阪神大震災以降、これまでの設計体系に対する見直しが行われてきている。大地震に対しては、降伏以降のエネルギー吸収を考慮した靱性設計がより明確に取り入れられるようになってきた。このような耐震設計では、大きな地震に対して、十分なエネルギー吸収性能を確保するため、以前に増して、より大きな変形性能が要求されるようになった。また、大きな地震に対しては、構造物の損傷を限定した状態にとどめ、補修後の再使用も念頭においた設計体系となった。このような要求性能を満足するための新しい鉄筋コンクリート脚柱構造も開発されている。このような脚柱構造では、鉄筋の延び能力を十分に発揮させることを念頭に構造デテールが決定されている。

最近の比較的大きな地震によって、多くのコンクリート構造物が被災し、損傷を受けている事例がある。損傷を受けた構造物は、損傷を補修し、再使用をしている。このとき、鉄筋は、大きな歪み履歴を受けた状態のまま、再使用される場合がほとんどである。

このような大きな歪み履歴を受けた鋼材（例えば、鉄筋）は、歪み時効性を有し、時間の経過とともに硬く、延び能力を消失していく。この鉄筋の性質は、受けた履歴歪みの大きさに影響を受け、歪みが小さい範囲では歪み時効性の影響はほとんどないが、５００００μ（マイクロ）ストレインを超える大きな歪みを受けた場合は歪み時効性の影響が顕著となる。

歪み時効性の影響を受けた鉄筋を有するコンクリート脚柱の問題点としては、鉄筋自身の変形が残っている状態で補修すると、それが再度地震の影響を受けた場合、圧縮力を受けると残留した変形の影響で、鉄筋に大きな曲げが作用し、さらには歪み時効の影響で硬く延び能力のない状態となっているため、このような鉄筋は破断しやすい。

鉄筋の破断が生じた鉄筋コンクリート構造物は、耐荷性能が急激に低下し、最悪の場合は、崩壊につながる。このような状態を回避するために、鉄筋が受けた歪みレベルに応じて、鉄筋自身の特性をもとの状態に戻しておく必要がある。履歴歪みを受けた鉄筋は、加熱後自然冷却させる焼鈍の技術を用いることで鉄筋をもとの状態に戻すことが可能となり、補修後の構造物の耐震性能を確保することが可能である。

以上のことから、補修後の構造物の耐震性能を確保するためには、被災構造物の鋼材の歪みレベルを正確に把握し、鋼材の歪みレベルに応じた補修をする必要がある。

従来、例えば鉄筋の歪みの測定は、電気抵抗線歪みゲージを鉄筋棒鋼の表面に接着剤を用いて貼り付け、鉄筋棒鋼の表面に発生した機械的な歪みを抵抗箔の歪みゲージを介して電気的に変換して求めていた。この方法では、コンクリートを打設する前に鉄筋に歪みゲージを貼り付けておく必要があり、歪みゲージを取付けたとしてもコンクリート中の水分で歪みゲージが壊れ測定不能となってしまい。現実に不可能である。

また、被災直後の構造物で、表面のコンクリートを取り除いた後、鋼材に歪みゲージを取り付け、歪みゲージを取付けた近傍位置を切断して、鋼材の歪みを測定する方法もあるが、鋼材そのものを切断すると再度接合することになる。そして、接合部での鋼材の残留変形の影響や、溶接等で接合した後に、再度地震により影響を受けると、小さな変形でも容易に溶接切れが生じ、十分な強度を確保することができないため、補修後の構造物の耐震安全性を十分に確保できない可能性があり、このような方法は避ける必要がある。

一方、強磁性体材料における応力や歪を非破壊で測定する技術として、渦電流を利用した測定技術が知られている（例えば、特許文献１）。

この渦電流を利用した測定技術は、被検査材の透磁率や導電率などの電磁気的性質変化を計測する技術であり、一般的には、図１に示すような励磁用コイル２１ａと検出用コイル２１ｂを備えた渦電流プローブ２１と、その渦電流プローブ２１に交流電流を供給する発振器２２、検出用コイル２１ｂのインピーダンスを測定するためのブリッジ２３、交流増幅器２４、位相検波器２５からなる構成である。この渦電流プローブ（コイル）２１を被検査材（例えば、異形鉄筋棒鋼）１０の表面に対向させ、発振器２２から一定周波数の正弦波交流交番磁界を発生させると、励磁用コイル２１ａから発生する磁界により鉄筋１０の表面下に渦電流が生じる。この渦電流の大きさや分布形態は、材料の電磁気的性質（透磁率、導電率など）によって変化するので、この渦電流の大きさや分布形態を検出し、この時出力される検出用コイル２１ｂのインピーダンスを出力（算出）して、正常な時や正常な部位と比較すれば、電気的性質の異常変化がある部位を検出できる。

なお、図２は、渦電流プローブ２１の構成例の概略を示したもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視図である。
特開昭６０−１６９７５７号公報

しかしながら、コンクリート構造物の鋼材（鉄筋や鉄骨）に発生する歪み量を測定するに際して、例えば、図３に示すような表面に突起（リブ１０ａ、節１０ｂ）を有する異形鉄筋棒鋼１０を被検査対象として、その表面に図２のような渦電流プローブ（コイル）を対向させて、内部の歪みを測定する場合には、丸状の鉄筋表面の形状が測定位置等によって異なるため、その相対位置関係（リフトオフや傾斜）を一定に保つことが難しく、測定の再現性に問題があった。

また、内部組織の結晶歪みは表面応力として鋼材の表層に集中することから、相対位置関係による測定誤差が大きく影響しやすく、表面の形状変化による信号出力と内部歪み（表面応力）による信号出力であるかを差別化することが重要な課題であった。

本発明は、特に、コンクリート構造物の鋼材（鉄筋や鉄骨）に発生する歪みを測定して検査する作業工数の増大やデータの信頼性を損なわずに、簡単に非破壊で精度良く検査することができるコンクリート構造物の検査方法および検査装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］コンクリート構造物体の骨組みに使用している鋼材に、渦電流センサを同一平面内に複数個配置した渦電流プローブを用いて交流磁界を印加し、それによって発生する磁場の変動を各渦電流センサで検出して、異なる渦電流センサで検出した出力にもとづいて、前記鋼材の歪みを計測することを特徴とするコンクリート構造物の検査方法。

［２］コンクリート構造物体の骨組みに使用している鋼材に交流磁界を印加し、それによって発生する磁場の変動を検出してコンクリート構造物を検査するコンクリート構造物の検査装置であって、
前記渦電流プローブは、渦電流センサを同一平面内に複数個配置し、その複数の渦電流センサで検出した出力にもとづいて前記鋼材の歪みを計測することを特徴とするコンクリート構造物の検査装置。

本発明は、磁性金属被検体に交流磁界を印加し、それによって発生する渦電流に起因する磁場の、前記強磁性金属被検体の内部に存在する内部組織結晶格子の歪みに起因した透磁率の変動を、前記強磁性金属被検体の表面近傍に配置された磁気センサ（渦電流プローブ）で検出することによって、前記強磁性金属被検体の歪みを検出する渦電流歪み計測技術であって、縦リブ、横リブ、それぞれの部位を交差するように、渦電流センサを配置した渦電流プローブを対向させて、被検査体表面と渦電流プローブ（コイル）とのリフトオフおよび傾斜角度といった相対的な位置関係の変化に影響されずに歪みを計測することが可能となった。それによって、被検査体を異形鉄筋棒鋼とする場合であっても、測定部位を順次変えていっても、場所による被検査体と渦電流プローブ（コイル）との位置関係の変化の影響を受けずに、同一の測定条件で測定でき、構造物の診断に適用可能となった。

本発明の強磁性被検査体（コンクリート構造物の鋼材）の歪みを計測するための、渦電流プローブの構成を図にしたがって説明する。

図４は、本発明の渦電流プローブ１の概略を示したもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は、（ａ）におけるＸ−Ｘ矢視図である。図２に示すような、従来一つの渦電流センサ（渦電流センサ）を内蔵していた渦電流プローブ２１に対して、本発明の渦電流プローブ１は、同一平面内に２個の微小な渦電流センサ２ａ、２ｂを内蔵させるようにした。また、渦電流センサの感度（Ｓ／Ｎ比）向上や精度向上の為には、渦電流センサと被測定部位とが極力近接（あるいは接触）していることが望ましいので、図４（ｃ）に断面図、図４（ｄ）に平面図を示すように、異形鉄筋棒鋼１０の突起部（リブ１０ａ、節１０ｂ）に位置するプローブ先端部１ａは、凹形状とすることが望ましい。また、凹部の量は、被測定対象の形状や渦電流センサの感度、要求される精度などを加味して、適宜決定すればよい。

図５は、その渦電流プローブ１に内蔵された２個の渦電流センサ２ａ、２ｂの配置を示したものである。個々の渦電流センサは、被検査体に近い位置に配置されたヘルムホルツ（Helmholtz）コイルと、被検査体から離れた位置に配置されたヘルムホルツコイルとの対で、構成されている。本発明の渦電流センサ１においては、対の組合せは、図５に示すように、Ａ１とＢ２、Ｂ１とＡ２、と交差（クロス）する配置のヘルムホルツコイル同士が直列接続された状態となって、交流磁場を印加するための励磁用コイルと、印加された交流磁場によって被検査体に発生した渦電流を検出するための検出用コイルとして機能する。なお、各渦電流センサ２ａ、２ｂの検出性能が同一となるように、サイズ、コイル巻き数、ヘルムホルツコイルの配置は全て同条件となるようにする。

図６は、渦電流プローブ１内の詳細な配置状態を示したものである。渦電流プローブ１内には、Ａ１とＢ２のヘルムホルツコイルからなる渦電流センサ２ａと、Ｂ１とＡ２のヘルムホルツコイルからなる渦電流センサ２ｂの２個の渦電流センサがある。本発明におけるヘルムホルツコイルは、強磁性体コアの軸方向両端部の外周面にそってコイルを巻回したものであり、図中のＡ１のヘルムホルツコイルに示すように、コイルの直径ａにたいして、ペアのコイルを直径の３倍（図中では３・ａと表記）離して配置している。これによって、被検査体に印加して励磁させる際に、コイルの中心を結ぶ軸線の中間点近傍に均一な磁界を発生させることができ、励磁を安定して行なうことができる。このヘルムホルツコイルをＡ１とＢ２、Ｂ１とＡ２というように、上下・左右で交互（クロス）配置となっているヘルムホルツ同士を直列に接続し、それぞれを１つの渦電流センサとして処理を行なう。

図７は、本発明の渦電流プローブ１を用いて信号処理をする回路構成ブロック図である。ここでは、それぞれ、ヘルムホルツコイルＡ１とＢ２、ヘルムホルツコイルＢ１とＡ２からなる渦電流センサ２ａ、２ｂによって計測する例である。まず、励磁ドライブ回路３内の発信器４で励磁のための正弦波を生成する。正弦波の周波数は、例えば数ｋＨｚから数１００ｋＨｚで、例えば、測定したい被検査体の表面からの深さとなるように表皮効果で決定される浸透深さに対応した、正弦波の周波数を選択すればよい。この正弦波は電流アンプによって定電流化されて、渦電流プローブ１内のヘルムホルツコイルＡ１とＢ２、Ｂ１とＡ２に出力される。このコイルに流れる電流によって、磁界が発生して、被検査体表面や表層部に渦電流が発生する。

このとき、発生磁界により、被検査体から反磁界が発生し、この反磁界による磁束変化を渦電流プローブ１内のヘルムホルツコイルＡ１とＢ２、Ｂ１とＡ２によって検出する。その信号は、Ｐｒｅ−ＡＭＰ（増幅器）５に入力されて、検出信号を例えば、１００倍や１０００倍に増幅したのち、励磁した信号波形を参照信号にして、位相及び振幅変化を検出するための位相検波を位相検波回路６にて行ない、信号のベクトル的変化を直流に再生する。なお、位相移送回路６は、位相検波回路での位相検波を行なうために参照信号の位相を変えるための機能を有している。そして、必要な周波数成分を抽出するためにフィルタ回路７を通過させて、通過した周波数成分の変化量を整流器８で直流化して算出する。このようにして算出された結果は、モニタやプリンタ等の出力装置９に伝送されて、操作者にその結果を示すようになっている。

以下に、本発明のヘルムホルツコイルをクロス配置した回路により得られる作用を説明する。図６に示すように、被検査体１０とヘルムホルツコイルＡ１、Ｂ１との距離をそれぞれｄ１、ｄ２とし、被検査体１０の傾斜によって、距離ｄ１が増大した（ヘルムホルツコイルＡ１が被検査体１０表面から離れた）場合、コイルＡ１、Ａ２で検出する渦電流信号は減少することになる。逆に、距離ｄ２は減少することになるので、コイルＢ１、Ｂ２で検出される渦電流信号は増大する。このとき、コイルＡ１とＢ２、コイルＢ１とＡ２はそれぞれ直列接続されているので、結果として信号変化は相殺されることになり、被検査体１０と渦電流プローブ１との相対位置変化の影響は受けないことになる。さらに、コイルＡ１とＢ２、コイルＢ１とＡ２は差動アンプ５により出力差を増幅することによって、傾斜の影響誤差を軽減するようになる。

このような構成とすることで、被検査体とコイルとの位置関係のアンバランスを補正し、データのドリフトを抑制する構造とした。

そして、図８に示すように、コンクリート構造物３０内の鉄筋棒鋼１０の表面に、本発明の渦電流プローブ１を近接対向させながら、各場所に渦電流プローブ１を移動させて、歪みをリアルタイムに計測して、鉄筋棒鋼１０には十分な耐力および塑性変形能力が有るかどうかモニタリングすることによって、その構造物３０の強度を診断し、地震などの重大な惨事を未然に防止することができる。

また、本願発明の渦電流プローブは上述の実施形態に限定されず、例えば、図９に示すように、同一平面内に４個の微小な渦電流センサ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを内蔵させるようにした渦電流プローブとしてもよい。この図９の構成としたときは、図５に示したような２個の渦電流センサの組を互いに直交させるように配置すればよい。すなわち、図１０に示すように、渦電流センサ２ａ（ヘルムホルツコイルＡ１、Ｂ２）と渦電流センサ２ｂ（ヘルムホルツコイルＢ１、Ａ２）の組と、渦電流センサ２ｃ（ヘルムホルツコイルＣ１、Ｄ２）と渦電流センサ２ｄ（ヘルムホルツコイルＤ１、Ｃ２）の組とを互いに直交させるように配置すればよい。これによって、２軸方向に関しての相対位置変化の影響を同時に軽減することが可能となる。

渦電流プローブによる鉄筋棒鋼の歪みの測定を、本発明の渦電流プローブ１と従来型の渦電流プローブ２１を用いて行った。

鉄筋棒鋼は外径３２Φ、ＳＤ３４５を用いた。歪みの付与は引張試験機を用いて行ない、予め、鉄筋棒鋼の表面にストレインゲージを貼り付けておき、その鉄筋棒鋼に予歪み１０％と１５％を付与し、その後、本発明の渦電流プローブ１を用いた測定（本発明例）と、従来型の渦電流プローブ２１を用いた測定（従来例）におけるそれぞれの渦電流出力電圧を比較した。

その結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の渦電流プローブ１を用いると渦電流出力電圧のバラツキが少なく良好であることが分る。

渦電流計測装置の構成の例を示す図。 従来の渦電流プローブの構成例の概略図。 異形鉄筋棒鋼を示す図。 本発明の渦電流プローブの構成例の概略図。 本発明の渦電流プローブに内蔵された渦電流センサの配置例を示した概略図。 本発明の渦電流プローブ内の詳細な配置を示した図。 本発明の渦電流プローブを用いて信号処理をする回路構成例のブロック図。 本発明の渦電流プローブを用いてコンクリート構造物内の鉄筋棒鋼を測定している様子を示す図。 本発明の他の渦電流プローブの構成例の概略図。 本発明の他の渦電流プローブに内蔵された渦電流センサの配置例を示した概略図。

符号の説明

１ 渦電流プローブ
１ａ プローブ先端部
２ａ〜２ｄ 渦電流センサ
３ 励磁ドライブ回路
４ 発信器
５ 増幅器
６ 位相移送回路
７ フィルタ回路
８ 整流器
９ 出力装置
１０ 被検査材（鉄筋棒鋼）
１０ａ 突起（リブ）
１０ｂ 突起（節）
２１ 渦電流プローブ
２１ａ 励磁用コイル
２１ｂ 検出用コイル
２２ 発振器
２３ ブリッジ
２４ 交流増幅器
２５ 位相検波器

Claims (2)

1. コンクリート構造物体の骨組みに使用している鋼材に、渦電流センサを同一平面内に複数個配置した渦電流プローブを用いて交流磁界を印加し、それによって発生する磁場の変動を各渦電流センサで検出して、異なる渦電流センサで検出した出力にもとづいて、前記鋼材の歪みを計測することを特徴とするコンクリート構造物の検査方法。
2. コンクリート構造物体の骨組みに使用している鋼材に交流磁界を印加し、それによって発生する磁場の変動を検出してコンクリート構造物を検査するコンクリート構造物の検査装置であって、
   前記渦電流プローブは、渦電流センサを同一平面内に複数個配置し、その複数の渦電流センサで検出した出力にもとづいて前記鋼材の歪みを計測することを特徴とするコンクリート構造物の検査装置。

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