JP2009180652A - 棒部材の長さ又は物理的状態の測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】埋設された棒部材に受振子を取り付けハンマーなどの打撃による長さ方向の弾性波（疎密波）を測定し分析することで、ガードレール支柱のような棒部材の根入れ深さもしくは物理的状態を測定可能とする。
【解決手段】埋設された棒部材の側面に取り付け具４０a,４０b,４０cを用いて受振子１個もしくは複数個を取り付け、棒部材の先端（ガードレール支柱の場合ではキャップ）の中心部をハンマーなどでただき弾性波を発生させる。受振子で検出された縦波（疎密波）に対応する電気信号をＡＤ変換、共振周波数測定、波形分析して、棒部材の長さもしくは物理的状態を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、地中またはコンクリートなどに、長さ方向の一部が埋設されている棒部材（特にパイプ部材）の、根入れ深さを包含した全長を測定するため、又はその信号波形解析から棒部材の腐食や亀裂などの物理的状態を測定するための測定システム及び測定方法に関するものである。

打診棒やハンマーなどで対象物をただいて弾性波を発生させ、その波形を加速度センサ又は速度センサである受振子で受振し、その波形の分析から対象物の寸法などを測定する衝撃弾性波法は、特にコンクリートを対象に空洞および埋設物などの探査、ひび割れ深さの測定、基礎、杭などの根入深さの測定などに幅広く使われている（特許文献１）。

図１は、弾性衝撃法により地中又はコンクリートなどに長さ方向の一部が埋設されている棒部材の根入れ深さを測定する場合に一般的に行われている測定方法である。この測定方法では、図１に示すように棒部材１の上端部上に受振子２０を取り付け、またその上端部をハンマー１０で叩いて弾性波を発生させることになる。その原理は、衝撃によって発生した弾性波の縦波（疎密波）が支柱パイプを媒体として伝達され、またその先端から反射を繰り返す際に、支柱パイプの長さを基準に半波長の整数倍の共振が生じることを利用するものである。
特開２００５−３０８４８６号公報

しかしながら、この測定方法をガードレール支柱３の根入深さ測定に適用する場合、長さの算定に必要な縦波が、上端部であるキャップ２と支柱パイプ本体３との接合部（通常、溶接により接合される）によって損失され受振子２０に伝達されにくいことと、キャップ２の曲げ振動などによるノイズが大量に含まれることが問題である。さらに、地中に埋設されている部分を通過する疎密波のエネルギーはすぐに減衰してしまう。これを解決するには大きいエネルギーの衝撃を与えることであるが、これがまたキャップ２によるノイズも増してしまう。

現在、ガードレール支柱の根入れ深さが規定とおりに施工されているかを確認する方法がなく、施工業者または監督者がひとつひとつビデオで撮って記録しているのが実情であるが、映像は編集可能でありまた多量の映像をすべて監督者が確認することは現実的に非常に難しい。長さのみならず、施工時の亀裂や折り目の存在、また施工後時間が経ち老朽化したガードレール支柱についてはその検査手法はまだ確立されていない。

すなわち、その測定対象がガードレールの支柱の場合、キャップにより弾性波の受振が妨害されること、埋設部では弾性波のエネルギーが減衰されることから、埋設されたガードレール支柱の長さまたは物理的状態の測定ができないという問題がある。

また、衝撃弾性波法を用いて図1に示すように棒部材の長さまたは物理的状態を測定する際、該棒部材の断面が小さい場合またはパイプ断面の場合に、受振子を置く場所と打撃をする場所の確保が困難である。

さらに、本発明の適用対象である埋設された棒部材はそのほとんどが道路、山の斜面などの現場でありその携帯性が要求される。また、記録写真もしくは記録機能の確保のために測定の結果が即時に表示されさらに保存できるようにすることが必要となる。
そこで、本発明の目的は、埋設された棒部材の長さ及びその物理的状態を測定することができる測定システム及び測定方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の測定システムとして、受振子を棒部材の露出部分の側面に線接触又は点接触させるための取り付け具と、該取り付け具に固定される受振子と、該受振子の出力に対する信号処理回路６０を具備したことで、棒部材の長さを測定できるようにしたこと、又は前記受振子出力信号波形解析から棒部材の物理的状態を知るようにしたこと、が本発明の測定システムの特徴である。

取り付け具を介して受振子を棒部材の側面に取り付けることで、弾性波（縦波）を発生させるために棒部材の先端をハンマーで叩く場所を確保すること、また縦波の位相差など棒部材の物理的状態を知るための追加的情報が得られるようにしたこと、特に該棒部材がガードレール支柱の場合、キャップにより縦波が妨害されずに受振できるようにしたこと、また大きいエネルギーを持った衝撃を棒部材に与えるようにすることができる。

取り付け具は、例えば、円形断面の棒部材の側面に取り付け可能とするために、該側面に面する第１の面を有する円形の帯状部材と、前記棒部材の側面の円周にわたって線接触するように前記帯状部材の前記第一の面に取り付けられる接触子とを備えて構成される。円周にわたって接触子が側面に接触するため、高感度に弾性波を検出することができる。また、軸方向の接触面の厚さは細いほど分解能が高まるが、線接触状態で接触するため、高分解能な測定が可能となる。

また、取り付け具は、鋼鉄製の前記棒部材の側面に取り付け可能とするために、該側面に面する第１の面を有する磁石部材と、前記棒部材の側面に点接触又は線接触するように前記磁石の前記第一の面に取り付けられる接触子とを備えて構成されてもよい。棒部材が鋼鉄製の場合、磁石部材の磁力により側面に取り付け可能となり、脱着容易な構成となり、簡便且つ容易な測定が可能となる。

本発明の測定方法は、衝撃弾性波法を用いて、長さ方向の一部が埋設された棒部材の長さ又は物理的状態を測定する測定方法において、前記棒部材に与えられた衝撃により発生する弾性波を検出するための１つ又は複数の受振子を、前記棒部材の露出部分の側面に線接触又は点接触するように取り付け、検出された弾性波に対応する前記受振子の出力信号に基づいて、前記棒部材の長さ又は物理的状態を測定することを特徴とする。

本発明の測定システムによれば、現場で直接にガードレール支柱など埋設された棒部材の長さもしくは腐食、欠陥などの物理的状態を測定することができる。また、小型且つ携帯可能な構成で実現できるため、測定現場の周囲の環境にかかわらず、簡便且つ容易に棒部材の長さ及び物理的状態を測定することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図２は、本発明の実施の形態における測定システムの構成例を示す図である。棒部材の中でもキャップ２を有する埋設ガードレール支柱３をその測定対象とする。埋設ガードレール支柱３の露出部の側面に、受振子（加速度センサ又は速度センサ）２０が1個又は複数個固定されている取り付け具４０を取り付ける。取り付け具４０は、ガードレール支柱３に線接触又は点接触する接触子４４を有し、接触子４４がガードレール支柱３の側面に接触するように取り付けられる。これにより、受振子２０をガードレール支柱３の側面に線接触又は点接触させた状態となる。取り付け具４０は、例えば帯状部材であって、その内面に接触子４４を有し、外面に受振子２０が取り付けられる。受振子２０はハンマー１０により発生された弾性波を、接触子４４及び取り付け具４０を介して検出し、その波動を電気信号に変換し連結ケーブル５０を通じて信号処理部３０に伝達する。信号処理部３０は、ＡＤ変換部及び周波数測定部を有し、ＡＤ変換部によって電気信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号に基づいて周波数測定部は弾性波の共振周波数を測定し、さらに、共振周波数を用いた既知の演算式を用いて棒部材の長さを求める。また、共振周波数測定を用いた演算処理及び所定の波形分析処理などにより、棒部材の物理的状態を求め、求められた結果は表示部６０に示される。信号処理部３０及び表示部６０は、一体型携帯装置として構成されてもよく、小型且つ携帯可能な測定システムを構成することができる。

一般に打撃などにより弾性波を生じさせると、部材の深さ方向に半波長の整数倍の共振が生じ、これを利用して部材の長さlは、下記の数式１によって求まるということが数学的にすでにわかっている。弾性波伝播速度V_pは長さが分かっている部材に対し周波数測定を行い下記の数式１によって推定するが（キャリブレーション）、それができない場合は、ガードレール支柱のような鋼製棒部材に対して5,130m/sを用いて計算してもよい。

図３は、取り付け具４０の第１の構成例の詳細を示したものである。取り付け具４０の第１の構成例として、取り付け具４０ａ、４０ｂの構成例を示す。図３（ａ）は、取り付け具４０ａ、４０ｂが取り付けられたガードレール支柱３の上断面を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）において、取り付け具４０ａ、４０ｂの本体は、鋼材または鋼合金材でガードレール支柱の外径に合わせた２つの半円型（ハーフ・リング）の帯状部材であって、同じ鋼材または鋼合金材でその本体をつなげるヒンジ４３、本体の内側に溶接もしくは接着剤などで固定された線状の鋼材、鋼合金材、銅合金材またはアルミ合金材で作られた円形断面の接触子４４、取り付け具４０aの接触子４４が線接触によりガードレール支柱３に密着できるよう圧力を加えるボルト・ナット４１またはロック・クランプ４２とを備えて構成されている。

接触子４４のガードレール支柱３との接触面は、円形断面のガードレール支柱３の側面の円周に沿った円形の線状になる。接触子４４の接触面の太さ（厚さ）をできるだけ細くし（例えば１ｍｍ以下）、線接触又は点接触状態とすることで、分解能の向上に寄与する。線接触又は点接触は、厳密には、軸方向（長さ方向）の厚さを有することになるが、実際上線又は点とみなせる程度に細い厚さも線接触又は点接触状態に含まれるものとする。

図３（ｂ）において、取り付け具４０a本体の断面は、例えば円形断面の接触子４４を受容できるよう内側が凹、外側が凸になっている。受振子２０は取り付け具４０a本体の外側に溶接または螺子などで固定され、ガードレール支柱３の軸方向振動を検出できるように取り付けられる。

一方、取り付け具４０bにおいては、基本的な構成は取り付け具４０aと同様であるが、本体に取り付け具４０ａのような凹凸が設けられず、内面及び外面は平らであってよい。そして、その内面には、例えば三角形断面（若しくは台形断面）の接触子４４が取り付けられ、外面側に受振子２０が固定される。取り付け具４０bにおいても、接触子４４のガードレール支柱３との接触面は、ガードレール支柱３の円周にわたった円形の線状になる。ガードレール支柱３に接触する台形上辺は極めて細い太さ（例えば１ｍｍ以下）でよく、実質的に線接触となる。従って、取り付け具４０ｂにおいても、接触子４４のガードレール支柱３との接触面は、ガードレール支柱３の側面の円周に沿った円形の線状になる。

このように、取り付け具４０ａ、４０ｂを用いて受振子２０を棒部材の側面に付着させる。取り付け具４０ａ、４０ｂは棒部材の外径を一周する帯状で、接触子４４により接触幅を細くし、線接触させることで分解能を高め、また帯の長さについては棒部材外径を一周させ接触長さを長くすることで感度が高められる。

図４は、取り付け具４０の第２の構成例を示す図である。第２の構成例では、第１の構成例における帯型取り付け具に代わって、脱着が容易な磁石型の取り付け具４０ｃを例示する。図４（ａ）は、取り付け具４０ｃが取り付けられたガードレール支柱３の上断面を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図４（ｃ）は、取り付け具４０ｃの概略斜視図である。

図４（ｃ）に示されるように、取り付け具４０ｃ本体は、絶縁材を介して受振子２０が固定される磁石４６であって、ガードレール支柱３の側面に面する磁石４６の内面には、その断面が三角形（若しくは台形）の接触子４４が溶接又は接着剤などで固定され、反対の外面側には、受振子２０が取り付けられる。磁石４６の内面には、さらに接触子４４と同様なスペース（支柱のパイプの表面と磁石の表面との距離）を確保しながらガードレール支柱３の軸方向の移動を許すように木、強化スチロフォームなどの絶縁部材で作られるスペーサ４５が取り付けられる。スペーサ４５は、ガードレール支柱３に与えられる衝撃によるガードレール支柱３の軸方向の伸縮に対して、自位置にとどまるようにするために、ガードレール支柱３及び磁石４６に対して回転又は摺動可能とする。接触子４４は、第１の構成例と同様に、線状の鋼材、鋼合金材、銅合金材またはアルミ合金材である。また、ガードレール支柱と向き合う磁石４６の内面は、接触子４４がガードレール支柱３と2点で点接触するよう内角の大きいＶ型になっている。

棒状部材１が例えばガードレール支柱３のような円柱状ではなく、側面に平面部分を有する多角形状である場合は、磁石４６の内面は平面で構成されてもよい。また、磁石４６の磁力によりガードレール支柱３に取り付けられるので、ガードレール支柱３は鋼鉄製のように強磁性体である必要がある。

取り付け具４０ｃのガードレール支柱３に対する取り付けは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ガードレール支柱３の同一高さの円周上に複数（図では４カ所）取り付け可能である。第１の構成例では、円周全体にわたって接触子４４が接触しており、十分な検出感度が得られるが、第２の構成例の場合は、接触箇所をできるだけ多くし、トータルで必要な接触長さを得ることで、検出感度を確保する。もちろん、一個だけ取り付けられてもよい。また、ガードレール支柱３の上端付近の側面に取り付けることで、長さ方向の中央付近に取り付ける場合と比較してより大きい振動の波を検出することができ、高感度な測定が可能になる。

このように、第２の構成例は、取り付け具４０ｃの脱着が容易であり、時間、場所などの制限から簡便性が求められる場合に好適である。

図５は、本発明の実施の形態における測定システムの別の構成例を示す図である。図５では、受振した信号を音声として処理する測定システムである。取り付け具４０の構成は、図３及び図４に示した取り付け具４０ａ、４０ｂ、４０ｃが適用される（図では、一例として、取り付け具４０ａを適用した場合が示される）。受振子２０からのケーブル５１をパーソナルコンピュータ（例えばノートパソコン）のマイク端子に接続し、既存の音声波形編集プログラムを用いてAD変換と周波数測定を行い、その結果である周波数波形と数値で表示するシステムである。すなわち、パーソナルコンピュータが、信号処理部３０及び表示部６０として機能する。ノートパソコンのような小型のコンピュータ装置により測定処理が可能であるため、小型且つ携帯可能な構成で実現できる。

棒部材の物理的状態は、例えば、棒部材の亀裂や腐食の有無であって、例えば目視できない埋設部分や内部に亀裂や腐食がある場合、衝撃波に対して、亀裂箇所又は腐食箇所からの弾性波が検出されることになるので、棒部材の長さに固有の周波数以外の別の周波数成分が検出される場合または一群の周波数成分に変化が現れた場合に、亀裂や腐食の存在及びその周波数に応じて位置を判定することができる。

なお、測定対象の棒部材は、ガードレール支柱に限らず、また、その材質も鋼鉄製に限らず、アルミ製、コンクリート製や木製など材質を問わない。

道路のガードレール支柱の根入れ深さの不足による車の転落事故以来、国土交通省などの関係者らがその対策に努めてきたが、既設された支柱の長さを測定する方法はまだ分かっておらず、作業の一部始終をビデオで撮影しその記録を残すことになっている。しかし、この作業は非効率的であり厳密な監視機能を果たされず、監督者と施工者の両側から計測ツールへの強い要望が出ている。また施工してから時間が経っているガードレール支柱は腐食や施工時の亀裂の存在などがその役割に悪影響を与えるのはいうまでもない。このシステムが商品化されればガードレール支柱など棒部材の使用前の寸法検査や既設棒部材の欠陥などに適用することができ、安全な道路造りに役に立つと考えられる。ガードレール支柱のみならず他のパイプ型を含めた棒部材の埋設物に対する衝撃弾性波の検出および寸法の測定の用途にも適用できる。

従来におけるガードレール支柱の根入れ深さ測定方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における測定システムの構成例を示す図である。 取り付け具４０の第１の構成例を示す図である。 取り付け具４０の第２の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における測定システムの別の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 棒部材
２ キャップ
３ ガードレール支柱
１０ ハンマー
２０ 受振子（加速度センサまたは速度センサ）
３０ 信号処理部
４０a、４０b、４０c 取り付け具
４１ ボルト・ナット
４２ ロック・クランプ
４３ ヒンジ
４４ 接触子
４５ スペーサ
４６ 磁石
５０ 連結ケーブル
５１ マイク端子連結ケーブル
６０ 表示部

Claims (4)

1. 長さ方向の一部が埋設される棒部材の露出部分の側面に線接触又は点接触するように取り付けられる取り付け具と、
   前記取り付け具に固定され、前記棒部材に与えられた衝撃により発生する弾性波を検出する受振子と、
   検出された弾性波に対応する前記受振子の出力信号に基づいて、前記棒部材の長さ又は物理的状態を測定する信号処理部とを備えることを特徴とする測定システム。
2. 請求項１において、
   前記取り付け具は、円形断面の棒部材の側面に取り付け可能とするために、該側面に面する第１の面を有する円形の帯状部材と、
   前記棒部材の側面の円周にわたって線接触するように前記帯状部材の前記第一の面に取り付けられる接触子とを備えることを特徴とする測定システム。
3. 請求項１において、
   前記取り付け具は、鋼鉄製の棒部材の側面に取り付け可能とするために、該側面に面する第１の面を有する磁石部材と、
   前記棒部材の側面に点接触又は線接触するように前記磁石の前記第一の面に取り付けられる接触子とを備えることを特徴とする測定システム。
4. 衝撃弾性波法を用いて、長さ方向の一部が埋設された棒部材の長さ又は物理的状態を測定する測定方法において、
   前記棒部材に与えられた衝撃により発生する弾性波を検出するための１つ又は複数の受振子を、前記棒部材の露出部分の側面に線接触又は点接触するように取り付け、
   検出された弾性波に対応する前記受振子の出力信号に基づいて、前記棒部材の長さ又は物理的状態を測定することを特徴とする測定方法。

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