JP2011021974A - 固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易で短時間、かつ低コストで、コンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知する。
【解決手段】振動発生装置５により、コンクリートポール１を水平方向に同一円周上の複数の方向から加振し、コンクリートポール１全体を揺らす振動を水平多方向に発生させ、加振した位置と略１８０度反対方向の位置に配置された受信センサ３により振動信号を受信し、測定装置４により、受信した振動信号から加振位置ごとにパワースペクトルを算出し、パワースペクトルを比較することによりコンクリートポール１の損傷の有無及び損傷方向を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水平多方向加振による固有振動モードを利用したコンクリートポールの非破壊損傷検知システム及び方法に関するものである。特に、目視等の確認が難しい場合において、短時間、低コストでコンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知するシステム及び方法に関するものである。

コンクリートポールは、送電、通信等の社会基盤を支える構造物として、膨大な数が布設されている。従来、それらの異常検知を目的とした簡易点検については、目視による確認が行われている。また、従来の渦流探傷法を用いた方法（例えば、特許文献１参照）等、コンクリートポールにおける、補強鋼材の破断等の劣化機構に依存する精度の高い損傷検知方法の応用も進んでいるほか、近年では、固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知方法についても、電柱上端に張られているケーブルなど架渉物の影響を最小限にするため、電柱上端近辺を拘束させる方法といった応用が勧められている。

特許３４４８１９１号公報

しかし、前者の目視点検においては、損傷の有無について定量的判断が困難であり、長期供用中、損傷見落としにより、劣化が進行するケースも存在する。また、渦流探傷法を用いた方法では、センサの走査をコンクリートポール全体に渡って一定間隔毎にずらして計測する必要があり、例えば、コンクリートポールの先端部では高所の作業が必要となり、危険性、困難性を伴う。更に、コンクリートポール全体に及ぶ確認についての高度な専門知識、装置が必要であり、時間的、経済的制約が強く、膨大なコンクリートポールを短時間で簡易に点検する方法として応用することが困難であった。

また、コンクリートポールはその製造過程における厚みや弾性係数と建柱時に生じる根入れ長が異なるため、固有振動モードにばらつきが生じ、劣化状態の固有振動モードと比較するための健全状態の固有振動モードを定量的に求めることは困難であった。

本発明の目的は、上記課題を解決するため、コンクリートポールの製造過程におけるばらつきや建柱時に生じる根入れ長のばらつきに依存することなく、コンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知するシステム及び方法を提供することにある。

また、目視以外の方法でかつコンクリートポールの製造過程などにおけるばらつきに依存することなく、短時間、低コストで、コンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知するシステム及び方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムは、加振による固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知システムであって、コンクリートポールを水平方向に同一円周上の複数の方向から加振し、前記コンクリートポール全体を揺らす振動を水平多方向に発生させる振動発生装置と、前記加振による振動ごとに振動信号を受信する受信センサと、前記受信センサに接続され、前記受信した振動信号から前記加振位置ごとにパワースペクトルを算出する測定装置とを備え、前記測定装置は、前記パワースペクトルを比較することにより前記コンクリートポールの損傷の有無を検知するために前記パワースペクトルを算出することを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムにおいて、前記測定装置は、前記パワースペクトルを比較することにより前記コンクリートポールの損傷方向を検知するために前記パワースペクトルを算出することを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムおいて、前記測定装置は、固有振動数を前記加振位置ごとに求め、各固有振動数の差が閾値以下の場合には前記コンクリートポールに損傷がないと判定し、各固有振動数の差が閾値より大きい場合には前記コンクリートポールに損傷があると判定するとともに、各固有振動数の平均値から最も離れた値の固有振動数を受信した受信センサの方向を損傷方向と判定することを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムにおいて、前記各固有振動数の差は、各固有振動数の全ての組み合わせにおける差の最大値、平均値、分散値、又は標準偏差値とすることを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムにおいて、前記受信センサは、前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置に配置されていることを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムにおいて、前記受信センサは、前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置に配置された複数の受信センサからなることを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知システムにおいて、前記受信センサは、前記複数の受信センサを設置するセンサ設置装置が前記コンクリートポールに取り付けられていることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するため、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知方法は、加振による固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知方法であって、（ａ）振動発生装置により、水平方向に同一円周上の複数の方向から前記コンクリートポールを加振し、前記コンクリートポール全体を揺らす振動を水平多方向に発生させるステップと、（ｂ）前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置に配置された受信センサ、又は前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置に配置された複数の受信センサにより、前記加振による振動ごとに振動信号を受信するステップと、（ｃ）計測装置により、前記受信した振動信号から前記加振位置ごとにパワースペクトルを算出することにより、前記パワースペクトルの比較から前記コンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知方法において、前記ステップ（ｃ）は、固有振動数を前記加振位置ごとに求め、各固有振動数の差が閾値以下の場合には前記コンクリートポールに損傷がないと判定し、各固有振動数の差が閾値より大きい場合には前記コンクリートポールに損傷があると判定するとともに、各固有振動数の平均値から最も離れた値の固有振動数を受信した受信センサの方向を損傷方向と判定することを特徴とする。

また、本発明に係るコンクリートポールの損傷検知方法において、前記ステップ（ｃ）は、前記各固有振動数の差を、各固有振動数の全ての組み合わせにおける差の最大値、平均値、分散値、又は標準偏差値とすることを特徴とする。

本発明によれば、簡易で短時間、かつ低コストで、コンクリートポールの鉄筋破断等の損傷の有無及び損傷方向を検知することができるようになる。また、損傷の有無のみならず、損傷方向まで検知できるため、損傷箇所の特定が容易となり、特定作業を簡略化することができるようになる。

本発明によるコンクリートポールの損傷検知システムの概要図である。 本発明によるコンクリートポールの損傷検知システムにおける打撃方向及び振動発生装置を示す図である。 本発明によるコンクリートポールの損傷検知システムで用いるセンサ設置装置の概要図である。 本発明によるコンクリートポールの損傷検知方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例におけるコンクリートポール供試体の概要図である。 本発明の実施例におけるコンクリートポールの損傷検知測定の概要図である。 本発明の実施例における損傷のないコンクリートポールを対象とした水平２方向加振ごとの固有振動数を示す図である。 本発明による数値解析例におけるコンクリートポール供試体の損傷有無による特定周波数領域における固有振動モードのずれを示す図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１から図３を参照して本発明によるコンクリートポールの損傷検知システムについて説明する。図１は、本発明によるコンクリートポールの損傷検知システムの概要図である。本コンクリートポールの損傷検知システムは、加振部２と、受信センサ３と、測定装置４と、振動発生装置５とを備える。

加振部２は、図１では１つしか示されていないが、コンクリートポール１の表面上に、水平方向に同一円周上の複数の位置に設定される。

振動発生装置５は、コンクリートポール１の地際から末口の間に設定され、加振部２に打撃を加えることによって加振し、コンクリートポール１全体を揺らす振動を水平多方向に発生させる。図２は、コンクリートポール１の損傷検知システムにおける打撃方向及び振動発生装置を示す図である。図２（ａ）はコンクリートポール１を上から見たときの打撃方向（加振方向）を示しており、加振部２（２−１〜２−８）に打撃が加えられる。図２（ｂ）（ｃ）は、コンクリートポール１に打撃を加えるための振動発生装置５の例であり、図２（ｂ）に示す鉄球や、図２（ｃ）に示す加振ハンマーが用いられる。

受信センサ３は、加振部２と略１８０度反対方向の位置に配置され、加振による振動ごとに振動信号（振動波形）を受信する。加振部２は複数配置されるため、加振部２の配置位置に応じて受信センサ３の配置位置は変更される。受信センサ３としては、例えば、加速度計（加速度センサ）が用いられる。

測定装置４は受信センサ３と有線又は無線で接続され、受信センサ３が受信した信号から加振位置ごと（加振方向ごと）にパワースペクトルを算出し、コンクリートポール１の損傷により生じるパワースペクトル（特に固有振動モード）を比較することにより、損傷の有無及び損傷方向を検知する。

図３は、コンクリートポールの損傷検知システムで用いるセンサ設置装置の概要図である。図３（ａ）はコンクリートポール１に取り付けられたセンサ設置装置６を上から見た図であり、図３（ｂ）は正面から見た図である。センサ設置装置６は、腕金部６１及び６３と、支持部６２とを備える。腕金部６１及び６３と支持部６２とは、それぞれその長さを可変でき、腕金部６１と腕金部６３とは平行に配置され、支持部６２は腕金部６１及び６３と垂直に接続される。センサ設置装置６を用いることで、加振部２と略１８０度反対方向の位置に受信センサ３を容易に設置することができる。

加振部２には、コンクリートポール表面を傷つける空間型、又は既に存在する傷や凹凸の影響を受けない防護型を用いる。

また、図３（ｃ）に示すように、さらに補助部６４及び６５を備えるセンサ設置装置６を用いることで、複数の受信センサ３（３−１〜３−４）を、加振部２と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置に設置することができる。この場合、複数の受信センサ３が同時に信号を受信することにより、測定の信頼性を向上させることができる。

鋼材の欠損又は鋼材の欠損と同等の損傷による、コンクリートポール１の固有振動モードの変化は、受信センサ３で受信した信号より得られた加振位置ごとの固有振動モードの変化によって検知することができる。

加振部２の高さは、コンクリートポール１全体の振動が発生される位置である必要がある。ただし、作業効率の観点から、作業員が立位で設置でき、打撃できるように、地際から２ｍ程度までの位置が望ましい。

受信センサ３の高さは、コンクリートポール１全体の振動が受信される位置である必要があり、各種雑音を拾いやすい末口付近は避ける必要がある。ただし、作業効率の観点から、作業員が立位で設置できるように、受信可能な地際から２ｍ程度までの位置が望ましい。

次に、図４を参照して本発明によるコンクリートポールの損傷検知方法について説明する。図４は、本発明によるコンクリートポールの損傷検知方法を示すフローチャートである。ステップＳ４０１では、コンクリートポール１を加振し、コンクリートポール１全体を揺らす振動を発生させる。

ステップＳ４０２では、加振した位置と略１８０度反対方向の位置、又は加振した位置と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置で、ステップＳ４０１で加振されたコンクリートポール１の振動信号を受信する。

ステップＳ４０３では、ステップＳ４０１による加振及びステップＳ４０２による受信が所定回数（２回以上）行われたかを判定し、所定回数に達していない場合には、処理をステップＳ４０１に戻す。ステップＳ４０１で加振する位置は、それぞれ水平方向に同一円周上の異なる位置とする。ステップＳ４０１による加振及びステップＳ４０２による受信が所定回数に達した場合には、処理をステップＳ４０４に進める。

ステップＳ４０４では、ステップＳ４０２で受信した振動信号から、加振位置ごとにパワースペクトルを算出する。

ステップＳ４０５では、ステップＳ４０４で算出したパワースペクトルから、コンクリートポール１の損傷の有無及び損傷方向を検知する。以下に説明するように、コンクリートポール１に損傷がない場合には、加振位置ごとの各固有振動数にほとんど差はなく、コンクリートポール１に損傷がある場合には、各固有振動数に２Ｈｚ程度の差が生じる。そこで、各固有振動数の差（固有振動数の全ての組み合わせにおける差の最大値、平均値、分散値、又は標準偏差値など）が閾値以下の場合にはコンクリートポール１に損傷がないと判定し、各固有振動数の差が閾値より大きい場合にはコンクリートポール１に損傷があると判定する。また、損傷があると判定した場合には、各固有振動数の平均値から最も離れた値の固有振動数を受信した受信センサの方向を受信した方向を損傷方向と判定する。

図５は、コンクリートポールの損傷検知測定の概要を示す図である。本発明の有効性を示すために、図６に示す立柱によるモデルコンクリートポール１を対象とした２方向加振衝撃弾性による固有振動数の測定と、数値シミュレーションによる損傷有無別立柱の２方向加振衝撃弾性応答結果による固有振動数比較とを実施した。加振部２−１、２−２及び受信センサ３−１、３−２の位置は地際から１．４ｍの位置とし、受信センサ３−３の位置は地際から０．０５ｍの位置とした。受信センサ３−１は加振部２−１の位置と略１８０度反対方向の位置に配置され、受信センサ３−２は加振部２−２の位置と略１８０度反対方向の位置に配置される。

図６は、損傷検知測定で用いた、コンクリートポール供試体の概要図である。図６（ａ）は用心鉄筋配筋図であり、図６（ｂ）は地際部断面図であり、図６（ｃ）は破壊曲げモーメント図及び主鉄配筋図である。図６に示す９本の全長８ｍの損傷のないコンクリートポール１の供試体を対象に、水平２方向の打撃方向の違いによるコンクリートポール１全体の振動の固有振動数の変化を確認した。

図７は、測定により取得した、損傷のないコンクリートポール１を対象とする水平２方向加振ごとの固有振動数である。図７（ａ）は測定結果をグラフで表したものであり、図７（ｂ）は測定結果を表で表したものである。この測定結果により、損傷のないコンクリートポール１を対象とした水平２方向加振ごとの各帯域における固有振動数の差は、最大値が０．１６Ｈｚ、平均値が０．０６Ｈｚ、分散値が０．０４Ｈｚ程度であることが分かる。

図８は、シミュレーション結果から取得した、損傷を有するコンクリートポール１及び損傷のないコンクリートポール１を対象とする水平２方向加振ごとのパワースペクトルである。図８（ａ）は損傷のないコンクリートポール１を、Ａ方向及びＢ方向から加振した場合のパワースペクトルである。図８（ｂ）は損傷のあるコンクリートポール１を、Ｃ方向（損傷と平行方向）及びＤ方向（損傷と直角方向）から加振した場合のパワースペクトルである。この結果から、損傷のあるコンクリートポール１を対象とした水平２方向加振ごとのパワースペクトルについて、損傷のないコンクリートポール１のパワースペクトルに対する、損傷と平行方向に加振した場合の各帯域における固有振動数の変化は２Ｈｚ程度であることが分かる。また、損傷のないコンクリートポール１のパワースペクトルに対する、損傷と直角方向に加振した場合の各帯域におけるパワースペクトルの変化はほとんど確認されないことから、加振方向と損傷方向によるパワースペクトルの変化を確認することができる。

上述したように、損傷のないコンクリートポール１を対象とした水平２方向加振ごと固有振動数について各帯域における変化は、最大値が０．１６Ｈｚ、平均値が０．０６Ｈｚ、分散値が０．０４Ｈｚ程度である。一方、損傷の有無と水平２方向加振ごとの固有振動数の各帯域における変化は、２Ｈｚ程度である。このことから、損傷の有無によりコンクリートポール１における水平加振の向きによりコンクリートポール１全体のパワースペクトルが変化することに着目し、同一のコンクリートポール１において水平多方向に加振した場合に得られるパワースペクトルの変化を測定することにより損傷の有無及び損傷方向を検知することができる。

上述の実施例は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、水平多方向への加振を、コンクリートポール１の垂直方向に１箇所だけではなく、垂直方向に複数箇所行うことで、より精度の高い測定をすることができる。また、コンクリートポール以外の物体の損傷を検知する方法にも適用することができる。

このように、本発明は、コンクリートポール等の物体の損傷を、固有振動モードを利用して検知する任意の用途に有用である。

１ コンクリートポール
２ 加振部
３ 受信センサ
４ 測定装置
５ 振動発生装置
６ センサ設置装置

Claims (10)

1. 加振による固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知システムであって、
   コンクリートポールを水平方向に同一円周上の複数の方向から加振し、前記コンクリートポール全体を揺らす振動を水平多方向に発生させる振動発生装置と、
   前記加振による振動ごとに振動信号を受信する受信センサと、
   前記受信センサに接続され、前記受信した振動信号から前記加振位置ごとにパワースペクトルを算出する測定装置とを備え、
   前記測定装置は、前記パワースペクトルを比較することにより前記コンクリートポールの損傷の有無を検知するために前記パワースペクトルを算出することを特徴とするコンクリートポールの損傷検知システム。
2. 前記測定装置は、前記パワースペクトルを比較することにより前記コンクリートポールの損傷方向を検知するために前記パワースペクトルを算出することを特徴とする、請求項１に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
3. 前記測定装置は、固有振動数を前記加振位置ごとに求め、各固有振動数の差が閾値以下の場合には前記コンクリートポールに損傷がないと判定し、
   各固有振動数の差が閾値より大きい場合には前記コンクリートポールに損傷があると判定するとともに、各固有振動数の平均値から最も離れた値の固有振動数を受信した受信センサの方向を損傷方向と判定することを特徴とする、請求項１又は２に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
4. 前記各固有振動数の差は、各固有振動数の全ての組み合わせにおける差の最大値、平均値、分散値、又は標準偏差値とすることを特徴とする、請求項３に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
5. 前記受信センサは、前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
6. 前記受信センサは、前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置に配置された複数の受信センサからなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
7. 前記複数の受信センサを設置するセンサ設置装置が前記コンクリートポールに取り付けられていることを特徴とする、請求項６に記載のコンクリートポールの損傷検知システム。
8. 加振による固有振動モードを利用したコンクリートポールの損傷検知方法であって、
   （ａ）振動発生装置により、水平方向に同一円周上の複数の方向から前記コンクリートポールを加振し、前記コンクリートポール全体を揺らす振動を水平多方向に発生させるステップと、
   （ｂ）前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置に配置された受信センサ、又は前記加振した位置と略１８０度反対方向の位置を含む複数の位置に配置された複数の受信センサにより、前記加振による振動ごとに振動信号を受信するステップと、
   （ｃ）計測装置により、前記受信した振動信号から前記加振位置ごとにパワースペクトルを算出することにより、前記パワースペクトルの比較から前記コンクリートポールの損傷の有無及び損傷方向を検知するステップと、
   を含むことを特徴とするコンクリートポールの損傷検知方法。
9. 前記ステップ（ｃ）は、固有振動数を前記加振位置ごとに求め、各固有振動数の差が閾値以下の場合には前記コンクリートポールに損傷がないと判定し、
   各固有振動数の差が閾値より大きい場合には前記コンクリートポールに損傷があると判定するとともに、各固有振動数の平均値から最も離れた値の固有振動数を受信した受信センサの方向を損傷方向と判定することを特徴とする、請求項８に記載のコンクリートポールの損傷検知方法。
10. 前記ステップ（ｃ）は、前記各固有振動数の差を、各固有振動数の全ての組み合わせにおける差の最大値、平均値、分散値、又は標準偏差値とすることを特徴とする、請求項９に記載のコンクリートポールの損傷検知方法。

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