JP2011013177A - アンカボルトの形状探査方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アンカボルト端面より広帯域超音波を発信S1し、同一端面で広帯域超音波を受信S2し、受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて広帯域受信波スペクトルS3を求める第1演算機能と、広帯域受信波スペクトルS3より中心周波数をfKとする狭帯域スペクトルを抽出して、フーリエ逆変換にて狭帯域スペクトルの時系列波S5を、中心周波数fKを徐々に小さくしていく経緯の中で順次求める第2演算機能と、を備えた演算手段を設け、時系列波よりアンカボルト先端からの反射波の起生を求めるS6ことを特徴とする。
【選択図】図7
Description
近年のいくつかの大地震でのコンクリート構造物の破損、崩壊に関連して、これらコンクリート構造物の耐震補強および保守保全が、社会的に急務の情勢となっている。
すなわち、図32に示すように、2.5MHz前後の中心周波数の狭帯域超音波(狭帯域波)を発信および受信する共用探触子を備えた超音波装置で、コンクリート80内に埋込まれたアンカボルト81を探査している。なお、図32において、82は鉄板などの支持金具である。
図33(a)に示すように入力波のスペクトルは、中心周波数が2.5MHz前後の狭帯域波であり、1波程度のパルス波である。受信波は、入力スペクトルに対応した狭帯域スペクトルの波(同図bの受信波スペクトル参照)となる。図33(b)の左図に示すように、受信波の時系列波は、パルス状の波が等時間th毎に生ずる波となる。
図34の上段は、アンカボルト81の端部(上端)からの超音波入力時、コンクリート80内に埋込まれたアンカボルト81の先端(下端)からの反射波が、繰返し重複反射する様子を示している。
図34の下段は、この重複反射波が時間th毎に、パルス状に生ずる状況を示している。
これにより、既設コンクリート構造物でのアンカボルト長が従来技術に基づいて超音波装置にて探査されている。
図35(a)に示す正常な直線アンカボルト81の場合には、図34に示す重複反射波を得ることができるので、次の[数5]によりアンカボルト長lT(総長さ)を求めることができる。
しかしながら、図35(b)に示す溶接継手83を有するアンカボルト81の場合には、溶接継手83を除くアンカボルト81のみの長さl1が求められ、図35(c)に示す湾曲アンカボルト81、同図(d)に示す先端先鋭アンカボルト81の場合には、図34に示す重複反射の出現のみならず、1回目の反射波の起生も得られない。
さらに、建設後20〜30年以上が経過するコンクリート構造物のアンカボルト81は、図36に示すように、コンクリート80に接するアンカボルト81の長手方向側面が、腐食84している場合が多々存在する。
図36において、アンカボルト81の総長さlTに冠するアンカボルト長1回目の反射波の起生時刻の値をthとすると、腐食84の存在で生ずる波はthの1/2程度の起生時刻で起生するため、これら両者の波が混在する所謂混在波により、腐食84の存在で生ずる波と、本来の反射波との識別が困難となり、アンカボルト長に関する重複反射の起生を確保することが不可で、アンカボルト81の分析および計測が不可能となる。
また、上述の中心周波数はfK=2.5MHzを初期の最大値とし、fK=1.25MHz、fK=0.99MHzまたはそれ以下の任意の周波数に設定することができる。
上述の所定の周波数は、例えば、0.45MHzまたは0.5357MHzに設定してもよい。
この結果、計測対象(探査対象)のアンカボルトが直線アンカボルトか、または、湾曲アンカボルトかを判断することができる。
上述の最低周波数帯域(A領域)は37kHz付近の25.3kHz〜49.2kHzに設定してもよく、次に低い周波数帯域(B領域)は70kHz付近の60.9kHz〜91.9kHzに設定してもよい。
この結果、計測対象(探査対象)のアンカボルトが、一本物で溶接継手のないアンカボルトか、または、溶接継手のあるアンカボルトかを判断することができる。
また、上述の中心周波数はfK=2.5MHzを初期の最大値とし、fK=1.25MHz、fK=0.99MHzまたはそれ以下の任意の周波数に設定することができる。
このため、アンカボルトの長手方向側面に腐食があっても、中心周波数fKを徐々に小さくし、アンカボルトの腐食進行の度合や形状による超音波伝達経緯中の減衰の影響を受けにくい相対的に低い周波数に基づいて時系列波を求めるので、上記反射波の起生を確保することができて、アンカボルトの形状探査に寄与することができる。
この発明の一実施形態を以下図面に基づいて詳述する。
図面はアンカボルトの形状探査方法およびその装置を示すが、まず、図1を参照してアンカボルトの形状探査装置の構成について説明する。
上述の発信探触子31は広帯域超音波(例えば0〜5MHzの全ての周波数帯域で成分をもつ広帯域成分波)を発信するものであり、上述の受信探触子32は0〜5MHzの広帯域超音波を受信するものである。
この解析装置34においては、受信探触子32の受信信号が増幅回路35により増幅された後、フィルタ回路36でフィルタリングを受けた信号がAD変換回路37(アナログ・デジタル変換回路)によってデジタル信号に変換され、ゲートアレイ38を介してCPU40に入力される。
この受信波は同軸ケーブル49を介して、解析装置34の増幅回路35へ電圧の時間変動データとして送られる。増幅回路35へ送られた時間変動データは、フィルタ回路36を介してAD変換回路37に達し、この電圧のアナログ量が該AD変換回路37によりデジタル量に変換され、ゲートアレイ38を介してCPU40に転送され、電圧デジタル値の時刻歴が表示装置41に表示される。
図5(b)は発信探触子31内の振動子47にステップ関数型電圧(30〜500V)を印加した場合のスペクトルを示し、この場合には同図に示すように共振振動数はもちろんのこと、これよりも低周波の成分も励起されたスペクトルとなり、本実施例の広帯域超音波は図5(b)による超音波を意味するものである。
次のステップS2で、受信探触子32は0〜5MHzの広帯域受信波(図示せず)を受信する。この受信した広帯域受信波をフーリエ変換すると、ステップS3で広帯域受信波スペクトルsp1(図8参照)を求めることができる。
すなわち、演算手段であるCPU40の第1演算機能は、受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて図8の左図に示すように広帯域受信波スペクトルsp1を求めるものである。
f≦fK−faでA(f)=0.0
f=fKでA(f)=1.0
f≧fK+faでA(f)=0.0
fK−fa<f<fKでA(f)は増加関数
fK<f<fK+faでA(f)は減少関数
すなわち、演算手段であるCPU40の第2演算機能は、広帯域受信波スペクトルsp1より、中心周波数をfKとする狭帯域スペクトルを抽出して、フーリエ逆変換にて狭帯域スペクトルの時系列波(図10の(b)、(c)参照)を中心周波数fKを1.25MHz〜0.99MHzへ徐々に小さくしていく経緯の中で順次求めるものである。
つまり、図10(a)、(b)、(c)に示す時系列波形は、図1の表示装置41にリアルタイムで表示されるので、図10(a)においては反射波(e)の確認が不明であるが、図10(b)、(c)においては反射波g,hが明確に確認され、この反射波g,hが開始する瞬間を、作業者が表示装置41の画面を目視しながら、反射波g,hの起生時刻thとして推定することができる。
また、上記実施形態1で開示した中心周波数fK=1.25MHz、fK=0.99MHzの数値は一例であって、これに限定されるものではない。さらに、実施形態1の分析法は、溶接継手ありのアンカボルトの1本目のアンカボルト長、湾曲アンカボルト、先端先鋭アンカボルトの総長さ計測に適用することができる。
次に、探査対象としてのアンカボルト30が湾曲しているか否かを探査する実施形態について説明する。
図11(a)は湾曲がない直線アンカボルト30を示し、図11(b)は湾曲が小さいアンカボルト30を示し、図11(c)は湾曲が中程度のアンカボルト30を示し、図11(d)は湾曲が大きいアンカボルト30を示す。図11(b)、(c)、(d)は何れも湾曲アンカボルトである。
一方、図13(b)に示すように、周波数が1.25MHz以下の場合には、超音波の直進性、指向性が低くなり、その減衰率も小さくなることにより、アンカボルト長手方向での超音波伝達挙動は、同図のようになるものと推考される。
ステップQ1で、発信探触子31はアンカボルト30内に0〜5MHzの広帯域入力波(図8の入力波広帯域スペクトル参照)を発信する。
次のステップQ2で、受信探触子32は0〜5MHzの広帯域受信波(図示せず)を受信する。この受信した広帯域受信波をフーリエ変換すると、ステップQ3で広帯域受信波スペクトルsp1(図8参照)を求めることができる。
すなわち、演算手段であるCPU40の第1演算機能は、受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて図8の左図に示すように広帯域受信波スペクトルsp1を求めるものである。
つまり、起生時刻thの直後に特徴となる波が現れると推定して、TGC関数Z1を作成するものである。
0≦t≦th−ΔtでTGC(t)=0.0
t=thでTGC(t)=1.0
t≦th+ΔtでTGC(t)=0.0
th−Δt<t<thで、TGC(t)は増加関数
th<t<th+Δtで、TGC(t)は減少関数
次に、ステップQ6で、TGC関数Z1を広帯域受信波(ステップQ2参照)に乗じて、アンカボルト30の長さlTに関する反射波のスペクトルをフーリエ変換にて求めると(ステップQ7参照)、図17の左図のようになる。
上記ステップQ9(表示手段)で、所定の周波数(0.45MHz)以上の帯域でスペクトルが林立することに対応して、表示装置41は探査対象のアンカボルトが直線アンカボルト30である旨を表示し、一方、ステップQ10(表示手段)では、所定の周波数(0.45MHz)以上の帯域でスペクトルが林立しないことに対応して、表示装置41は探査対象のアンカボルトが湾曲アンカボルト30である旨を表示する。
この結果、計測対象(探査対象)のアンカボルトが直線アンカボルト30か、湾曲アンカボルト30かを判断することができる。
次に、探査対象としてのアンカボルト30が、図18(a)に示すような一本物アンカボルト30か、または、同図(b)に示すような溶接面jを介して溶接継手29が接続された継手ありアンカボルト30かを探査する実施形態について説明する。
ステップU1で、発信探触子31はアンカボルト30内に0〜5MHzの広帯域入力波(図8の入力波広帯域スペクトル参照)を発信する。
次のステップU2で、受信探触子32は0〜5MHzの広帯域受信波(図示せず)を受信する。この受信した広帯域受信波をフーリエ変換すると、ステップU3で広帯域受信波スペクトルsp1(図8参照)を求めることができる。
すなわち、演算手段であるCPU40の第1演算機能は、受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて図8の左図に示すように広帯域受信波スペクトルsp1を求めるものである。
このスペクトル群の抽出は、一般的なバンドパス法によるか、または、既述したスペクトル抽出関数A(f)(A(fK)=1.0)を用いるかの何れであってもよい。
また、図21には縦波Pの起生時刻thと、横波M1の起生時刻tM1と、横波M2の起生時刻tM2とを示すと共に、これらに対応するカーソルを点線で示している。この場合、アンカボルト30の長さが既値であれば各時刻th,tM1,tM2は計算で求めることができる。
さらに、このステップU6では、先のステップU5で求めた時系列波(図21の右図参照)にTGC関数Z2,Z3(図23、図24の右図参照)を乗じ、さらに次のステップU7で、フーリエ変換にてTGC関数Z2、Z3で切り出したA、B領域のスペクトルを求める。
図23、図24のスペクトル起生状況から明らかなように、No.1、No.2で示す一本物アンカボルト30のl1に関する反射波M1,M2(図23、図24に実線で示す波と、点線で示す波)は、A領域の相対的に周波数が低い側において、スペクトルが卓越しており、No.3、No.4で示す継手ありアンカボルト30のl1に関する反射波M1,M2(図23、図24に2点鎖線で示す波と、1点鎖線で示す波)は、B領域の相対的に周波数が高い側においてスペクトルが卓越している。
このようにして、探査対象のアンカボルトが一本物アンカボルト30であるか、または、継手ありアンカボルト30であるかを、容易に探査することができる。
上記実施形態3ではアンカボルト長が既知の場合について説明したが、この実施形態4ではアンカボルト長が未知の場合において、探査対象のアンカボルトが一本物アンカボルト30か、または、継手ありアンカボルト30かを探査するものである。
この実施形態4においても、図1〜図5で示した回路装置を用いる。
ステップX1で、発信探触子31はアンカボルト30内に0〜5MHzの広帯域入力波(図8の入力波広帯域スペクトル参照)を発信する。
次のステップX2で、受信探触子32は0〜5MHzの広帯域受信波α(図26参照)を受信する。この広帯域受信波αは表示装置41で表示されるので、反射波(P波)からその起生時刻thを読取る。
上記広帯域受信波αをフーリエ変換すると、ステップX3で図26の左図に示す広帯域受信波スペクトルsp5を求めることができる。
次に、ステップX6で、予めステップX2で計算した横波M1,M2の起生時刻tM1,tM2または、起生時刻の推定値t~M1,t~M2(なお、t~は数式においてtの上に“〜”を付された符号を表す。以下同じ。)に基づいて、図28、図29に示すTGC関数Z4,Z5を求める
また、同ステップX6で、上記TGC関数Z4,Z5を時系列波(図28、図29の右図参照)に乗ずることにより、上記推定値t~M1,t~M2より生ずる横波M1,M2を抽出し、抽出波のスペクトル(M1波のスペクトル、M2波のスペクトル)をフーリエ変換で求める(ステップX7参照)。
そこで、次のステップX8(判定手段)で、A、B両領域のスペクトル状況を判定し、M1波、M2波のスペクトルの双方がB領域で消滅していると判定された場合(図28に相当)には、次のステップX9に移行し、B領域でM1波が消滅し、かつ、A領域でM2波が消滅または大きく減衰していると判定された場合(図29に相当)には、別のステップX10に移行する。
なお、図28、図29の対比から明らかなように、B領域においてM2波のスペクトル(同図の点線の波参照)が大か小かで、一本物アンカボルト30か継手ありアンカボルト30かを判定してもよい。すなわち、一本物アンカボルト30の場合には、図28に示すようにB領域でそのスペクトルが消滅する一方、継手ありアンカボルト30の場合には、図29に示すようにB領域でそのスペクトルは大きな強度を有するので、この方法により簡易に判定することも可能である。
この発明の超音波を発信する探触子は、実施形態の発信探触子31に対応し、
以下同様に、
受信する探触子は、受信探触子32に対応し、
超音波の発信、受信を共用する探触子は、探触子21に対応し、
演算手段は、CPU40に対応し、
第1の工程は、ステップS1,S2に対応し、
第2の工程は、ステップS2,S3に対応し、
第3の工程は、ステップS4,S5に対応し、
第4の工程は、ステップS6に対応し、
関数作成手段は、ステップQ5に対応し、
スペクトル演算手段は、ステップQ6,Q7に対応し、
計算手段は、ステップX2に対応し、
時系列波演算手段は、ステップX5に対応し、
スペクトル演算手段は、ステップX6,X7に対応するも、
この発明は、上述の実施例の構成のみに限定されるものではない。
30…アンカボルト
31…発信探触子
32…受信探触子
40…CPU(演算手段)
S1,S2…第1の工程
S2,S3…第2の工程
S4,S5…第3の工程
S6…第4の工程
Q5…関数作成手段
Q6,Q7…スペクトル演算手段
X2…計算手段
X5…時系列波演算手段
X6,X7…スペクトル演算手段
Claims (4)
- 超音波を発信する探触子と受信する探触子、または超音波の発信、受信を共用する探触子を備え、
コンクリート構造物にその一部が埋込まれたアンカボルトの形状を探査する
アンカボルトの形状探査装置であって、
上記アンカボルト端面より広帯域超音波を発信し、同一端面で広帯域超音波を受信し、
受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて広帯域受信波スペクトルを求める第1演算機能と、
該広帯域受信波スペクトルより中心周波数をfKとする狭帯域スペクトルを抽出して、フーリエ逆変換にて狭帯域スペクトルの時系列波を、中心周波数fKを徐々に小さくしていく経緯の中で順次求める第2演算機能と、
を備えた演算手段を設け、
上記時系列波よりアンカボルト先端からの反射波の起生を求める
アンカボルトの形状探査装置。 - 上記アンカボルトの先端からの反射波の起生時刻thに基づいて時系列関数を作成する関数作成手段と、
上記広帯域受信波に時系列関数を乗じて、アンカボルト長さに関する反射波のスペクトルをフーリエ変換にて求めるスペクトル演算手段とを設け、
所定の周波数以上の帯域でスペクトルが林立する時、直線アンカボルトと判定し、林立しない時、湾曲アンカボルトと判定する
請求項1記載のアンカボルトの形状探査装置。 - 上記アンカボルト先端からの反射波の起生時刻をthとし、
アンカボルト長手方向を伝達する横波と縦波との音速比をε1として、
アンカボルトの継手部で生ずる横波M1と、アンカボルト端面からの超音波入力時に発生する長手方向の横波M2との起生時刻(tM1,tM2)を、
上記広帯域受信波スペクトルにおいて、最低周波数帯域の起生スペクトルをAとし、
次に低い周波数帯域の起生スペクトルをBとした時、
起生スペクトルA、Bを含む周波数帯域のスペクトル群を抽出し、フーリエ逆変換にて上記スペクトル群に対応する時系列波を求める時系列演算手段と、
上記横波M1,M2の起生時刻tM1,tM2の値に基づいて所定の時系列関数をA、Bスペクトル群に対応する時系列波に乗ずることで、この時刻tM1,tM2より生ずる横波M1,M2を抽出し、
この抽出波のスペクトルをフーリエ変換で求めるスペクトル演算手段とを備え、
M1,M2のスペクトルの双方で、AおよびB領域のスペクトルのうち、B領域のスペクトルのみが消滅する時、アンカボルトが一本物で溶接継手なしと判断する一方、
M1のスペクトルにおいて、AおよびB領域のスペクトルのうち、B領域スペクトルのみが消滅し、かつ
M2のスペクトルにおいて、AおよびB領域のスペクトルのうち、A領域スペクトルのみが消滅、または大きく減衰する時、アンカボルトが溶接継手ありと判断する
請求項1記載のアンカボルトの形状探査装置。 - 超音波を発信する探触子と受信する探触子、または超音波の発信、受信を共用する探触子を備え、
コンクリート構造物にその一部が埋込まれたアンカボルトの形状を探査する
アンカボルトの形状探査方法であって、
上記アンカボルト端面より広帯域超音波を発信し、同一端面で広帯域超音波を受信する第1の工程と、
受信した広帯域受信波からフーリエ変換にて広帯域受信波スペクトルを求める第2の工程と、
上記広帯域受信波スペクトルより中心周波数fKとする狭帯域スペクトルを抽出して、フーリエ逆変換にて狭帯域スペクトルの時系列波を、中心周波数fKを徐々に小さくしていく経緯の中で順次求める第3の工程と、
上記時系列波から、アンカボルト先端からの反射波の起生を求める第4の工程と、を備えたアンカボルトの形状探査方法。
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