JP2011133318A - 検査装置及びそれを用いた検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で効率的に広範囲の構造物表面の検査が可能な検査装置及びそれを用いた検査方法を提供する。
【解決手段】所定の周波数で検査面の打突を行う打突振動子１０５と、前記打突振動子１０５と第１距離の位置にて固定される第１受信子１０７と、前記打突振動子１０５と前記第１距離より大きい前記第２距離の位置にて固定される第２受信子１０８と、前記第１受信子１０７によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波を抽出する第１フィルタ手段（制御部１０１）と、前記第２受信子１０８によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波を抽出する第２フィルタ手段（制御部１０１）と、前記第１フィルタ手段と前記第２フィルタ手段によって抽出された物理量との比が、所定値より大きいか否かを判定する判定手段（制御部１０１）と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート構造物におけるひび割れ深さ及び位置を検査するために用いられる検査装置及びそれを用いた検査方法に関する。

鉄筋コンクリート構造物は、コンクリートの性質上その表面に微細なひび割れが生じやすいが、このひび割れが進展し鉄筋に到達すると、鉄筋が腐食する原因となり、構造物の耐久性や構造物の安全性に影響を及ぼすこととなる。

そこで、鉄筋コンクリート構造物においては、維持管理のための定期検査や地震後の健全性評価で、目視による観察やひび割れ幅の調査を行っている。ところで、このような調査は人手によるものであり労力及び時間を要するものであるので、これをより効率的に行うために、鉄筋コンクリート構造物の内部状況を検査・把握するための検査装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１（特開２００３−３５７０３号公報）には、コンクリート構造物の測定面に配置されたダンパと、このダンパを介して前記測定面の振動を電気信号に変換する振動検出器とを備え、前記振動に含まれるほぼ５キロヘルツ以下の周波数の振動成分を前記ダンパを介して前記振動検出器により検出し、その検出出力に基づいてコンクリート構造物の内部を非破壊検査することを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査装置が開示されている。
特開２００３−３５７０３号公報

しかしながら、従来の検査装置におけるコンクリート構造物の検査では、縦弾性波の減衰をセンシングする方法が採用されているが、このような方法に基づくものでは、コンクリート構造物中のひび割れによる減衰が大きく、ひび割れの近傍で測定を実施する必要があると共に、測定と分析にかなりの時間を要することから、適用範囲が限定されてしまう、という問題があった。

この発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、所定の周波数で検査面の打突を行う打突振動子と、前記打突振動子と第１距離の位置にて、前記打突振動子と相対位置が変わらないように固定されると共に、検査面の振動に係る物理量を検知する第１受信子と、前記打突振動子と前記第１距離より大きい前記第２距離の位置にて、前記打突振動子と相対位置が変わらないように固定されると共に、検査面の振動に係る物理量を検知する第２受信子と、前記第１受信子によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波の大きさと関連する第１物理量を抽出する第１フィルタ手段と、前記第２受信子によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波の大きさと関連する第２物理量を抽出する第２フィルタ手段と、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量との比を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された比が、所定値より大きいか否かを判定する判定手段と、を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の検査装置において、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物
理量から、ひび割れ深さを特定するひび割れ深さ特定手段を有することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の検査装置において、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ位置を特定するひび割れ位置特定手段を有することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の検査装置を用いた検査方法であって、前記検査装置をスキャン機構に取り付け、前記スキャン機構を動作させて、前記検査装置によって検査面上をスキャンさせつつ、前記判定手段による判定結果を記録し、当該記録から検査面の位置に応じた状態を取得することを特徴とする検査方法である。

本発明に係る検査装置及びそれを用いた検査方法によれば、互いの距離が定まっている２つの受信子から取得した、表面波の大きさと関連する物理量の比に基づいて、ひび割れ深さと位置に関する判定を行う構成であるので、ひび割れの近傍で検査を実施する必要はなく、また、分析に要する時間もわずかであり、効率的に広範囲の構造物表面を検査することが可能となる。

そして、このような本発明に係る検査装置及びそれを用いた検査方法によれば、ひび割れが鉄筋に到達しているかどうかを簡便に把握できるので、合理的な補修計画を行うことができる。

本発明の実施形態に係る検査装置１００の概要を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る検査装置１００によるコンクリート構造物１０表面の検査の様子を示す図である。 第１受信子１０７における検出振動波形を略式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る検査装置１００におけるデータ処理の流れの概略を示す図である。 ひび割れによる測定距離と減衰量の変化を説明する図である。 ひび割れによる減衰量と測定距離の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る検査装置１００の測定原理の概略を説明する図である。 表面波の垂直分布の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る検査装置１００を用いた検査方法の概要を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る検査装置１００を用いた検査方法によって取得されるデータ構造を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る検査装置の概要を模式的に示す図である。図１において、１００は検査装置、１０１は制御部、１０２は通信部、１０５は打突振動子、１０６は打突子本体部、１０７は第１受信子、１０８は第２受信子をそれぞれ示している。また、１０は検査装置１００の検査対象となるコンクリート構造物を示している。

本発明の実施形態に係る検査装置１００における制御部１０１は打突振動子１０５、第１受信子１０７及び第２受信子１０８、通信部１０２の各部をコントロールすること、及
び、第１受信子１０７、及び第２受信子１０８によって取得されたデータを処理することを実行するものである。このために、制御部１０１は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理機構によって構成されている。制御部１０１は、図示されている制御部１０１と接続される各構成と協働・動作する。また、制御部１０１は、本実施形態の検査装置１００における種々の制御処理は、制御部１０１内のＲＯＭなどの記憶手段に記憶保持されるプログラムやデータに基づいて実行されるものである。

通信部１０２は制御部１０１によって処理されたデータ等を検査装置１００外部に通信したり、制御部１０１に対する制御データを装置外部から受信したりするモジュールであり、有線方式、無線方式のいずれの通信方式を用いることが可能である。

打突振動子１０５は、検査対象であるコンクリート構造物１０の表面を打突子本体部１０６によって所定の周波数（振動数）で打突するものである。本実施形態に係る検査装置１００では、打突子本体部１０６を６．５ｋＨｚで振動させて、コンクリート構造物１０表面を打突するようにしたが、検査対象のコンクリート構造物１０の特性や対象とするひび割れ深さに応じて、打突子本体部１０６の振動周波数は適宜変更することが好ましい。このような打突振動子１０５における振動周波数変更の制御などは制御部１０１によって行い得るように構成する。

第１受信子１０７は打突振動子１０５と第１距離（Ｌ１）の位置にて、打突振動子１０５と相対位置が変わらないように検査装置１００に固定されている。この第１受信子１０７は位置Ｐにおいてコンクリート構造物１０の表面（検査面）の振動に係る物理量を検知する。

また、第２受信子１０８は打突振動子１０５と前記第１距離より大きい前記第２距離（Ｌ１＋Ｌ２）の位置にて、打突振動子１０５と相対位置が変わらないように検査装置１００に固定されている。この第２受信子１０８は位置Ｑにおいてコンクリート構造物１０の表面（検査面）の振動に係る物理量を検知する。

第１受信子１０７及び第２受信子１０８は規格が共通のものを用い、検査面への接触状態等が同じ条件となるように検査装置１００に取り付けられている。本発明の実施形態に係る検査装置１００では、第１受信子１０７及び第２受信子１０８として加速度センサを用いたが、受信子としては加速度センサに限らず、コンクリート構造物１０表面の振動状態を検知するものであれば、マイクロホン或いはレーザー振動計などの非接触型の振動検出センサなどといったものを用いることができる。

図２は本発明の実施形態に係る検査装置１００によるコンクリート構造物１０表面の検査の様子を示す図である。図２に示すように、コンクリート構造物１０表面の検査においては、当該表面をスキャンするように、検査装置１００を移動させる。そして、このようなスキャン時に、検査装置１００においては、打突振動子１０５を所定の振動周波数で動作させつつ、第１受信子１０７及び第２受信子１０８から、コンクリート構造物１０表面の振動状態を検知する。第１受信子１０７及び第２受信子１０８から受信した検出データは、制御部１０１によって処理されることで、所定の位置に置いて、所定深さＤ_o以上の
ひび割れが存在するか否かが判定されるようになっている。

次に、第１受信子１０７及び第２受信子１０８で検知されるデータの処理について説明する。図３は第１受信子１０７における検出振動波形を略式的に示す図である。

図３において、振幅が小さい方の波形は第１受信子１０７で検出されるＰ波（縦波成分
）であり、振幅の大きい方の波形は第１受信子１０７で検出される表面波（成分）である。打突振動子１０５と第１受信子１０７との間の距離Ｌ１は既知であり、なおかつ打突振動子１０５がコンクリート構造物１０表面を打突する周波数、打突振動子１０５が打突を開始する時刻ｔ₁はコントロールされたものであるので、第１受信子１０７にＰ波が到達
する時刻ｔ₂、及び、第１受信子１０７に表面波が到達する時刻ｔ₃の概略についてはある程度予想することができる。

そこで、本発明の実施形態に係る検査装置１００においては、第１受信子１０７に時刻ｔ₂前後に到達する振幅の小さい波についてはデータとして取得せず、第１受信子１０７
に時刻ｔ₃前後に到達する振幅の大きい波の振幅データを、表面波の大きさと関連する物
理量として抽出するようにされている。より具体的には、図３に示す振幅の大きい波の最初の振幅Ａ₁を、第１受信子１０７での測定から抽出される第１物理量Ａ₁として取得する。本実施形態に係る検査装置１００が、このような物理量を抽出する工程については、フィルタ工程と称することとする。

同様に、打突振動子１０５と第２受信子１０８との間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）は既知であり、なおかつ打突振動子１０５がコンクリート構造物１０表面を打突する周波数、打突振動子１０５が打突を開始する時刻は制御可能であるので、本実施形態に係る検査装置１００においては、第２受信子１０８に時刻ｔ₄前後に到達する振幅の小さい波についてはデ
ータとして取得せず、第２受信子１０８に時刻ｔ₅前後に到達する振幅の大きい波の振幅
データを、第２受信子１０８における表面波の大きさと関連する第２物理量Ａ₂として取
得する。

図４は本発明の実施形態に係る検査装置１００におけるデータ処理の流れの概略を示す図である。図４においては、ステップＳ１００で、第１受信子１０７によって振動物理量を取得する。この一例が、図３全体の波形図である。そして、ステップＳ１０１では、先に説明したように、この振動物理量取得から表面波に係る第１物理量（Ａ₁）を抽出する
。このステップＳ１０１における工程が先のフィルタ工程と称するものである。

同様に、ステップＳ１０２で、第２受信子１０８によって振動物理量を取得する。そして、ステップＳ１０３では、先に説明したように、この振動物理量取得から表面波に係る第２物理量（Ａ₂）を抽出する。

ステップＳ１０４では、（第２物理量Ａ₂）／（第１物理量Ａ₁）である比を算出する。そして、ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で算出された比である（第２物理量Ａ₂）／（第１物理量Ａ₁）が、所定値以下であるか否かが判定される。このようなステップの処理を判定処理と称することとする。もし、（第２物理量Ａ₂）／（第１物理量Ａ₁）が所定値以下であれば、表面波のエネルギーが第１受信子１０７と第２受信子１０８との間で大幅に減衰したこととなるので、第１受信子１０７と第２受信子１０８との間に存在する所定深さ以上のひび割れが存在することがわかる。

また、ステップＳ１０６では、（第２物理量Ａ₂）／（第１物理量Ａ₁）の比から、ひび割れ深さと、ひび割れの位置を特定する。

第２受信子１０８がひび割れに達した瞬間に、（第２物理量Ａ₂）／（第１物理量Ａ₁）が変化することから、ひび割れの位置を同時に特定することができる。すなわち、ステップＳ１０５における判定処理によれば、ひび割れ深さとその位置とを判定することが可能となる。

ここで、本発明に係る検査装置１００によって、ひび割れ深さとひび割れ位置を特定す
る方法について、検査対象となるコンクリート構造物をスキャンする様子と関連して説明する。図５はひび割れによる測定距離と減衰量の変化を説明する図であり、図６はひび割れによる減衰量と測定距離の関係を示す図である。

打突振動子１０５と第１受信子１０７および第２受信子１０８からなる本発明に係る検査装置１００により、ひび割れの位置の特定とひび割れ深さを測定する方法について、図５及び図６に基づいて説明する。
（１）方法：
打突振動子１０５と第１受信子１０７および２の間隔を一定にして、コンクリートの表面をスキャンすることで、第１受信子１０７に対する第２受信子１０８の減衰量の変化から、ひび割れの位置と深さを特定することができる。
（２）ひび割れ位置（最初の）の特定：
第２受信子１０８がひび割れの直前（図５の（ａ）の位置）にあるとき、減衰量は最小になり、ひび割れを通過すると（図５（ｂ）の位置）減衰し始めるため、図６に示すように減衰量にピークが見られ、これによりひび割れ位置を特定できる。
（３）ひび割れ深さの特定：
図５の（ｂ）から（ｃ）の範囲では、減衰量は増加傾向を示し、図５の（ｃ）で最大値となる。発振子の周波数に対するひび割れ深さと減衰量の関係を別途計算した結果から、ひび割れ深さを特定することができる。図５の（ｃ）の位置は、実験によればひび割れからひび割れ深さＤの１．５倍の距離だけ離れた位置である。
（４）ひび割れ位置（最後の）の特定：
図５の（ｃ）を過ぎ（ｄ）までの範囲では減衰量は安定しほぼ一定値を示すが、（ｄ）を過ぎると減衰量は徐々に減少し始め、（ｅ）に達すると再び一定値となる。一定値になったところから、最後のひび割れ位置を特定できる。

以上のような本発明に係る検査装置によれば、互いの距離が定まっている２つの第１受信子１０７と第２受信子１０８から取得した、表面波の大きさと関連する第１物理量Ａ₁
と第２物理量Ａ₂）の比に基づいて、ひび割れ深さと位置に関する判定を行う構成である
ので、ひび割れの近傍で検査を実施する必要はなく、また、分析に要する時間もわずかであり、効率的に広範囲の構造物表面を検査することが可能となる。また、このような本発明に係る検査装置によれば、ひび割れが鉄筋に到達しているかどうかを簡便に把握できるので、合理的な補修計画を行うことができる。

次に、本発明の実施形態に係る検査装置１００が用いる測定原理について説明する。図７は本発明の実施形態に係る検査装置１００の測定原理の概略を説明する図であり、図８は表面波の垂直分布の概略を示す図である。以下に説明する測定原理においては、ひび割れによる表面波のエネルギーの減衰について論じている。

ひび割れ（スリット）による表面波の減衰量は、スリットによって伝搬を阻害された表面波のエネルギーが減衰するとして理論化することができる。上下方向の振幅を持つ表面波の振幅分布は、図８のようになるとされている。
このときの分布式は

として現すことができる。

ここで、λは入力波動の波長、Ｄはひび割れ（スリット）の深さである。係数Ａはスリット深さが波長と等しいとき、振幅が１／４になると仮定すると、Ａ＝−１．３８６３となる。

スリット深さがＤの時、その深さまでに分布するエネルギー量は、

である。なお、全エネルギーは、Ｄ→∞とすれば良いので、Ｅ_o＝−λ／２Ａである。減
衰量の比率は、

となる。
スリット通過後は、このエネルギーで再び表面波として振幅分布する。すなわち、

これから、ひび割れ（スリット）深さＤの時、測定した振動の減衰量（ｄＢ）は、

となる。なおｕは、ひび割れ（スリット）に関係なく上下方向振動成分を持つ表面波の深さＤでの振幅である。

次に、これまで説明した検査装置１００を用いて検査を行う方法の一例について説明す
る。図９は本発明の実施形態に係る検査装置１００を用いた検査方法の概要を模式的に示す図であり、図１０は本発明の実施形態に係る検査装置１００を用いた検査方法によって取得されるデータ構造を説明する図である。図９において、１００はこれまで説明してきた本発明に係る検査装置、２００はスキャン機構、２１０はベース部、２２０は垂直棹、２３０は垂直移動部、２４０は水平棹、２５０は水平移動部、３００はパーソナルコンピュータをそれぞれ示している。

スキャン機構２００はコンクリート構造物１０表面を検査装置１００によってスキャンさせるために、コンクリート構造物１０表面近傍に取り付けられる装置であり、その水平移動部２５０に検査装置１００を装着することができるように構成されている。

スキャン機構２００における２つのベース部２１０は、床面に載置されるものであり、これらベース部２１０から鉛直上方に延出するようにして２本の垂直棹２２０が設けられている。また、２本の垂直棹２２０には、その間に水平棹２４０を挟持する２つの垂直移動部２３０が垂直方向に移動可能に設けられている。これら垂直移動部２３０は、不図示の機構部の動作により、水平棹２４０の水平状態を保ったまま垂直方向に移動することができるようになっている。

また、水平棹２４０には、不図示の機構部が動作することによって、水平方向に移動自在な水平移動部２５０が配されている。この水平移動部２５０には、前述したように検査装置１００を取り付けることができるようになっている。

以上のようなスキャン機構２００によって、水平移動部２５０に取り付けられた検査装置１００は、２つの垂直移動部２３０の垂直方向の移動、及び水平移動部２５０の水平方向の移動によって、コンクリート構造物１０表面をくまなくスキャンすることができるようになっている。

また、スキャン機構２００は、垂直移動部２３０及び水平移動部２５０に設けられたロータリーエンコーダーなどのセンサ（不図示）によって、それぞれの変位量を検出し、水平移動部２５０の位置データ、すなわち検査装置１００の位置データを取得することができるようになっている。このスキャン機構２００からの位置データは、パーソナルコンピュータ３００によって取り込まれるようになっている。

また、検査装置１００の通信部１０２からは、判定工程によって判定されたコンクリート構造物１０の検査データが、パーソナルコンピュータ３００に送信されるようになっている。すなわち、パーソナルコンピュータ３００の記憶部においては、図１０に示すような、コンクリート構造物１０表面のひび割れ情報データベースを構築することが可能となる。

以上をまとめると、本実施形態に係る検査方法では、検査装置１００をスキャン機構２００に取り付け、スキャン機構２００を動作させて検査装置１００によって検査面上をスキャンさせつつ、検査装置１００の判定ステップによる判定結果を記録し、この記録から検査面の位置に応じた状態を取得するようにしている。

このような本発明に係る検査方法によれば、互いの距離が定まっている２つの受信子から取得した、表面波の大きさと関連する物理量の比に基づいて、判定を行う構成であるので、ひび割れの近傍で検査を実施する必要はなく、また、分析に要する時間もわずかであり、効率的に広範囲の構造物表面を検査することが可能となる。

また、上記のような本発明に係る検査方法によれば、ひび割れが鉄筋に到達しているか
どうかを簡便に把握できるので、合理的な補修計画を行うことができる。

１０・・・コンクリート構造物、１００・・・検査装置、１０１・・・制御部、１０２・・・通信部、１０５・・・打突振動子、１０６・・・打突子本体部、１０７・・・第１受信子、１０８・・・第２受信子、２００・・・スキャン機構、２１０・・・ベース部、２２０・・・垂直棹、２３０・・・垂直移動部、２４０・・・水平棹、２５０・・・水平移動部、３００・・・パーソナルコンピュータ

Claims (4)

1. 所定の周波数で検査面の打突を行う打突振動子と、
   前記打突振動子と第１距離の位置にて、前記打突振動子と相対位置が変わらないように固定されると共に、検査面の振動に係る物理量を検知する第１受信子と、
   前記打突振動子と前記第１距離より大きい前記第２距離の位置にて、前記打突振動子と相対位置が変わらないように固定されると共に、検査面の振動に係る物理量を検知する第２受信子と、
   前記第１受信子によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波の大きさと関連する第１物理量を抽出する第１フィルタ手段と、
   前記第２受信子によって検知された検査面の振動に係る物理量から、表面波の大きさと関連する第２物理量を抽出する第２フィルタ手段と、
   前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量との比を算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出された比が、所定値より大きいか否かを判定する判定手段と、を有することを特徴とする検査装置。
2. 前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ深さを特定するひび割れ深さ特定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ位置を特定するひび割れ位置特定手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検査装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の検査装置を用いた検査方法であって、
   前記検査装置をスキャン機構に取り付け、
   前記スキャン機構を動作させて、前記検査装置によって検査面上をスキャンさせつつ、前記判定手段による判定結果を記録し、当該記録から検査面の位置に応じた状態を取得することを特徴とする検査方法。

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