JP2016053544A - 弾性波入力装置及び該弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入力エネルギーの均一化を達成でき、解析精度の向上を図ることのできるコンクリート構造物の欠陥探査法を提供する。
【解決手段】保持脚部１１と、保持脚部１１から立設された打撃筒１２と、打撃筒内を摺動可能に支持された打撃体１３と、前記打撃体１３に弾性エネルギーを蓄えた状態で保持或いは蓄えたエネルギーを解放することのできるトリガー部材１４と、前記トリガー部材１４より下に配設され、圧縮されることで打撃体１３にエネルギーを蓄える第１バネ部材と、前記トリガー部材１４より上に配設され、前記打撃体１３が解放された際に打撃体１３が被測定体に当接する速度を低減する第２バネ部材１６とからなる弾性波入力装置１０であって、ハンマーチップが被測定体に衝突して発生する弾性波の入力エネルギーの均一化を達成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、弾性波入力装置に関し、特にコンクリート構造物の内部欠陥を非破壊的に検査するための弾性波入力装置及び該弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法に関するものである。

一般に、弾性波入力装置によりコンクリート表面に衝撃を加え、生じた弾性波の反射波をセンサーにて検出し、これを解析することによりコンクリート構造物の欠陥を探査するインパクトエコー法が知られている。

例えば、特許文献１には、インパクトエコー法を使用したコンクリート構造物中の欠陥検査方法が提案されている。ここでは、出力した弾性波の応答波形をスペクトル解析し、検査断面中に複数個の仮想点を想定して、この仮想点における反射弾性波の論理周波数をそれぞれ算出し、これらの論理周波数に対応する上記スペクトル中の周波数の振幅値を各々の仮想点において求め、この仮想点に於ける振幅値の大小を視覚的に把握し得る状態にして比較することで、欠陥の有無を判断する。
特許文献２には、圧縮空気を利用して飛翔体を発射し、被測定体に弾性波入力装置が開示されております。
特許文献３には、圧縮空気を利用して飛翔体を発射し、且つ被測定体と距離及び弾性波の入射角度を設定できる弾性波入力装置が開示されている。
特許文献４には、圧縮空気を利用して飛翔体を発射し、且つ被測定体と距離及び弾性波の入射角度を設定できる弾性波を入力する装置とこの装置を用いたコンクリート構造物中の欠陥探査方法が開示されている。

特開２００１−４６０４号公報 特開２００３−４３０１８号公報 特開２００３−８３９４２号公報 特開２００４−２５１９１８号公報

引用文献１の記載の欠陥検査方法では、衝突させる飛翔体により被測定体に与えるエネルギー（運動エネルギー）を一定に保つことが難しく、また被測定体中の欠陥の有無を的確に評価できない場合があった。
引用文献２の記載の非破壊検査用弾性波入力装置は、飛翔体の発射速度を安定させることが難しく、結果として入力エネルギーが一定とならない欠点が存在した。
引用文献３の記載の弾性波入力装置及び該弾性波入力装置を用いたコンクリート構造物中の欠陥探査方法では、飛翔体の発射速度を安定させることが難しく、結果として入力エネルギーが一定とならない欠点が存在した。
引用文献４の記載の弾性波入力装置及び該弾性波入力装置を用いたコンクリート構造物中の欠陥探査方法は、飛翔体の衝突する位置及び被測定体までの距離を一定にすることができるものの、飛翔体の発射速度を安定させることが難しかった。

本発明は、飛翔体の発射速度を一定にすると共に、基準値となる位置で予め測定値を得ると共に、実際の測定値との差分値を基に判断して、的確な欠陥の有無を判定することのできる弾性波入力装置及び該弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法を提供するものである。

この発明は、以下のような内容である。
（１）本発明の弾性波入力装置は、被測定体に当接される保持脚部と、該保持脚部から立設された打撃筒と、該打撃筒内を摺動可能に支持された打撃体と、前記打撃体に弾性エネルギーを蓄えた状態で保持或いは蓄えたエネルギーを解放することのできるトリガー部材と、前記トリガー部材より下に配設され、圧縮されることで打撃体にエネルギーを蓄える第１バネ部材と、前記トリガー部材より上に配設され、前記打撃体が解放された際に打撃体が被測定体に当接する速度を低減する第２バネ部材とからなる弾性波入力装置であって、前記打撃体は、先端に被測定体と衝突するハンマーチップを備えると共に、中間部に細径部を、上端に操作把持部を備え、前記トリガー部材には、前記打撃体に形成された細径部のみが通過可能な小孔と打撃体の大径部の通過可能な大孔と連通した長孔が形成されており、前記操作把持部を引き揚げた際に前記小孔部で打撃体の細径部を係止して、第１バネ部材に圧縮エネルギーを蓄えると共に、前記トリガー部材をスライドさせることにより前記長孔の大孔部が前記打撃体の移動を可能にして前記ハンマーチップが被測定体に衝突して弾性波を発生させることを特徴とする。
（２）前記保持脚部は、３点で被測定体に当接し、前記打撃体の被測定体に対する突出角度を変更可能としたことを特徴とする。
（３）前記保持脚部は、加速度検出器を備えたことを特徴とする。
（４）本発明の弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法は、前記（１）〜（３）の何れかに記載の弾性波入力装置を用いて被測定体表面から弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し解析するコンクリート構造物の欠陥探査方法であって、被測定体の基準位置において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し予め基準値を測定しておき、測定点において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出した測定値と基準値との差分値により被測定体中の欠陥の有無を判断することを特徴とする。
（５）前記（４）に記載の欠陥探査方法において、前記反射波の波形を波形記録装置で記録し、記録した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後、その変換値を周波数スペクトルに変換し、前記周波数スペクトルに表れたスペクトル値が卓越している箇所の有無により欠陥の有無を判断することを特徴とする。

この発明の弾性波入力装置によれば、被測定体に当接される保持脚部と、該保持脚部から立設された打撃筒と、該打撃筒内を摺動可能に支持された打撃体と、前記打撃体に弾性エネルギーを蓄えた状態で保持或いは蓄えたエネルギーを解放することのできるトリガー部材と、前記トリガー部材より下に配設され、圧縮されることで打撃体にエネルギーを蓄える第１バネ部材と、前記トリガー部材より上に配設され、前記打撃体が解放された際に打撃体が被測定体に当接する速度を低減する第２バネ部材とからなる弾性波入力装置であって、前記打撃体は、先端に被測定体と衝突するハンマーチップを備えると共に、中間部に細径部を、上端に操作把持部を備え、前記トリガー部材には、前記打撃体に形成された細径部のみが通過可能な小孔と打撃体の大径部の通過可能な大孔と連通した長孔が形成されており、前記操作把持部を引き揚げた際に前記小孔部で打撃体の細径部を係止して、第１バネ部材に圧縮エネルギーを蓄えると共に、前記トリガー部材をスライドさせることにより前記長孔の大孔部が前記打撃体の移動を可能にして前記ハンマーチップが被測定体に衝突して弾性波を発生させるので、入力エネルギーの均一化を図ることができる。
また、前記保持脚部は、３点で被測定体に当接し、前記打撃体の被測定体に対する突出角度を変更可能としたので、常に最適な角度、例えば垂直な角度で被測定体に打撃体を衝突させることができる。
また、前記保持脚部は、加速度検出器を備えたので、打撃体と加速度検出器との距離を一定にして、安定した弾性波を入力することができる。
本発明の弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法は、前記弾性波入力装置を用いて被測定体表面から弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し解析するコンクリート構造物の欠陥探査方法であって、被測定体の基準位置において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し予め基準値を測定しておき、測定点において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出した測定値と基準値との差分値により被測定体中の欠陥の有無を判断するので、解析精度を著しく向上することができる。
また、前記反射波の波形を波形記録装置で記録し、記録した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後、その変換値を周波数スペクトルに変換し、前記周波数スペクトルに表れたスペクトル値が卓越している箇所の有無により欠陥の有無を判断するので、解析精度を著しく向上することができる。

本発明の弾性波入力装置の一実施形態を示す正面図である。 図１のＡ部拡大断面図である。 同弾性波入力装置の保持脚部を示す説明図である。 同弾性波入力装置の保持脚部を示す説明図である。 同弾性波入力装置のトリガー部材を示す説明図である。 同弾性波入力装置の打撃体を示す平面図である。 同弾性波入力装置の打撃筒を示す平面図である。 同弾性波入力装置の通常状態を示す縦断面図である。 同弾性波入力装置の射出準備状態を示す縦断面図である。 同弾性波入力装置の射出時を示す縦断面図である。 本発明のコンクリート構造物の欠陥探査方法により得られた応答波形の解析結果図と従来の欠陥探査方法による解析結果図の比較を示す。

以下、一実施の形態を示す図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の弾性波入力装置の一実施形態を示す正面図、図２は図１のＡ部拡大断面図、図３は弾性波入力装置の保持脚部を示す説明図、図４は弾性波入力装置の保持脚部を示す説明図である。本発明の弾性波入力装置１０は、被測定体に当接される保持脚部１１と、該保持脚部１１から立設された打撃筒１２と、該打撃筒内を摺動可能に支持された打撃体１３と、前記打撃体１３に弾性エネルギーを蓄えた状態で保持或いは蓄えたエネルギーを解放することのできるトリガー部材１４と、前記トリガー部材１４より下に配設され、圧縮されることで打撃体１３にエネルギーを蓄える第１バネ部材１５と、前記トリガー部材１４より上に配設され、前記打撃体１３が解放された際に打撃体が被測定体に当接する速度を低減する第２バネ部材１６とからなるものであって、前記打撃体１３は、先端に被測定体と衝突するハンマーチップ１７を備えると共に、中間部に細径部１８を、上端に操作把持部１９を備え、前記トリガー部材１４には、前記打撃体１３に形成された細径部１８のみが通過可能な小孔２０と打撃体の大径部の通過可能な大孔２１と連通した長孔２２が形成されており、前記操作把持部１９を引き揚げた際に前記小孔２０部で打撃体１３の細径部１８を係止して、第１バネ部材１５に圧縮エネルギーを蓄えると共に、前記トリガー部材１４をスライドさせることにより前記長孔２２の大孔２１部が前記打撃体１３の移動を可能にして前記ハンマーチップ１７が被測定体に衝突して弾性波を発生させるものである。

保持脚部１１は、Ｔ字形の支持板２３と支持板２３の各頂部に螺合された支持ボルト２４により３点で被測定体に当接しており、打撃体１３の被測定体に対する突出角度が変更可能となっている。また、支持板２３には、打撃筒１２もナット２５によって垂直に取付けられている。更に、保持脚部１１には、取付け板２６を介して加速度検出器２７が取付けられている。図４に示すように加速度検出器２７は、打撃筒１２の左右に等間隔で配設されている。ここで使用されている加速度検出器２７は、アンプ内蔵型の圧電式加速度計である。圧電式の加速度計は使用帯域が他のセンサーに比べ、数Ｈｚ〜数１０ｋＨｚと広く、本発明に適している。

トリガー部材１４は、図５等に示すように板状部分１４ａと指を掛ける折曲部分１４ｂとから成り、板状部分１４ａには、打撃体１３に形成された細径部１８のみが通過可能な小孔２０と打撃体の大径部の通過可能な大孔２１とが連通した長孔２２が形成されている。板状部分１４ａは、打撃筒１２の狭小部１２ａに形成された横孔１２ｂ内を摺動可能に配設されている。

打撃体１３は、図６等に示すように棒状をしており、先端に被測定体と衝突するハンマーチップ１７を備えると共に、中間部に細径部１８を、上端に操作把持部１９を備えている。そして、操作把持部１９から下の部分は、打撃筒１２内を摺動可能である。また、操作把持部１９の位置は、前後に配置されたナットを調整することにより、移動可能である。

打撃筒１２は、図７等に示すように２本の筒状体１２ｃ、１２ｄが螺合合されて一体的に構成されており、保持脚部１１から垂直に立設される。筒状体１２ｄには、略中央に内径の小さくなった狭小部１２ａが形成されると共に、狭小部１２ａを直角に貫く横孔１２ｂが形成されており、トリガー部材１４が挿着される。

第１バネ部材１５及び第２バネ部材１６は、図８等に示すように複数のバネを組み合わせて形成されている。第１バネ部材１５は、狭小部１２ａとハンマーチップ１７の間に、第２バネ部材１６は、狭小部１２ａと操作把持部１９の間に配置される。

以上のように構成された弾性波入力装置１０は、先ず図８に示す状態から操作把持部１９を持って打撃体１３を引き揚げる。この際、トリガー部材１４を図５ｂに示す位置から図５ｃに示す位置に水平移動させ、小孔２０が打撃体１３の細径部１８に係止するようにセットする（図９参照）。この状態で、第１バネ部材１５は、打撃筒１２の狭小部１２ａとハンマーチップ１７との間で圧縮され弾性エネルギーが蓄積される。

次に、トリガー部材１４をスライドさせて、小孔２０と打撃体１３の細径部１８との係合を解除する。すると、図１０に示すように弾性エネルギーが解放されて、ハンマーチップ１７が被測定体に衝突して被測定体表面から弾性波を入力する。また、この時、打撃筒１２の狭小部１２ａと操作把持部１９の間に配設された第２バネ部材１６が圧縮されて打撃体１３及びハンマーチップ１７の突出力を制限する。したがって、ハンマーチップ１７が被測定体に何回も衝突することを防止できる。第１バネ部材１５と第２バネ部材１６のバネ力の釣り合いにより、図８に示す位置に収束する。

このように本発明の弾性波入力装置では、入力エネルギーの均一化を実現できると共に、ハンマーチップが被測定体に何回も衝突することを防止して、得られる反射波をクリアーにすることができる。

本発明の弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法は、上記した弾性波入力装置１０を用いて被測定体表面から弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し解析するコンクリート構造物の欠陥を探査するものであって、被測定体の基準位置において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し予め基準値を測定しておき、測定点において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出した測定値と基準値との差分値により被測定体中の欠陥の有無を判断する。

本発明では、弾性波入力装置１０により打撃体１３のハンマーチップ１７を被測定体に衝突させ、弾性波を入力しその時の被測定体からの応答波形の解析結果に基づいてコンクリート構造物中の欠陥を検出する。実験例としては、ポストテンション方式のプレストレスコンクリート構造物中のシース内のグラウト充填の良、不良を判断した。グラウト充填の不良は、シース内に水が侵入して配設されたＰＣ鋼材の腐食を招き、最終的にＰＣ鋼材の破断に至り、コンクリート構造物に深刻な事故を引き起こすからである。

しかし、従来のコンクリート構造体に、弾性波を入力しその時の被測定体からの応答波形を解析するスペクトルイメージング法（ＳＩＢＩＥ法）では、解析精度が２０％程度と悪く、シース内のグラウト充填の良、不良を判断するのは困難であった。そこで、本発明の弾性波入力装置を使用したコンクリート構造物の欠陥探査方法では、新設構造物において、グラウト充填前と充填後においてそれぞれサンプル値を測定する。そして、グラウト充填後のＳＩＢＩＥ解析結果からグラウト充填前のＳＩＢＩＥ解析結果を減ずることでグラウト充填の有無を確認する。

また、既設構造物にあっては、測定前にシース位置の特定を行い、シース配置部とシース無配置部で測定を行い、シース配置部でのＳＩＢＩＥ解析結果からシース無配置部でのＳＩＢＩＥ解析結果を減ずることで、シース内のグラウト充填の有無を調査する。

また、本発明の解析精度を保証するために入力する衝撃は、毎回一定にする必要がある。従来の圧縮空気により飛翔体を飛ばす構造の弾性波入力装置では入力エネルギーにバラツキが生じて困難であった。

本発明では、先ず本発明の弾性波入力装置１０を用いて、被測定体の基準位置に弾性波を入力する。次に、被測定体からの反射波の波形をセンサー（加速度検出器２７）で検出し、検出した波形を波形記録装置で記録し、記録した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後、その変換値を周波数スペクトルに変換して、基準値とする。更に、実際の測定点において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサー（加速度検出器２７）で検出し、検出した波形を波形記録装置で記録し、記録した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後、その変換値を周波数スペクトルに変換して前記基準値との差分を求める。そして、差分のスペクトル値が卓越している箇所の有無により欠陥の有無を判断する。

図１１は、本発明のコンクリート構造物の欠陥探査方法により得られた応答波形の解析結果図と従来の欠陥探査方法による解析結果図の比較を示す。本発明のＳＩＢＩＥ法を用いて、ＰＣグラウトの充填状況の調査を行った。実験は、１）上床板架設ケーブル、２）下床板連続ケーブル、３）ウェブ内主ケーブルを対象としてシース内のグラウト充填状況を調査した。なお、試験前に鉄筋探査を行い、測定点は鉄筋直上を避けて選定した。実験結果は、図１１中のａ）〜ｄ）に示す。ここで、ａ）、ｂ）は、従来のＳＩＢＩＥ解析の結果を示す。ａは、グラウト充填施工前であり、ｂはグラウト硬化後を示すもので何れの場合も円で示すシースの付近に強い反射を示す黒い部分が表れグラウト充填の評価が不可能である。

図１１中のｃ）、ｄ）は、本発明のＳＩＢＩＥ解析の結果を示す。ｃ）は、グラウト施工前であり、ｄ）はグラウト硬化後の値を示す。本発明の再解析の結果、グラウト硬化後では全６０回の測定の内、５４回（９０．０％）で丸で示すシースの近傍に強い反射を示す黒い部分が表れず、充填良好と判断できた。

ウェブについては、従来の方法では、正答率が１８．３％程度であったが、本発明ではグラウト注入前の反射波をイニシャル値とすることで、９０．０％の正答率を得ることができた。

尚、以上の説明では、グラウト充填の有無の判定について説明したが、コンクリート構造物中の空洞、ひび割れ等の検出にも適用することが可能である。

１０ 弾性波入力装置
１１ 保持脚部
１２ 打撃筒
１２ａ 狭小部
１２ｂ 横孔
１２ｃ、１２ｄ 筒状体
１３ 打撃体
１４ トリガー部材
１４ａ 板状部分
１４ｂ 折曲部分
１５ 第１バネ部材
１６ 第２バネ部材
１７ ハンマーチップ
１８ 細径部
１９ 操作把持部
２０ 小孔
２１ 大孔
２２ 長孔
２３ 支持板
２４ 支持ボルト
２５ ナット
２６ 取付け板
２７ 加速度検出器

Claims (5)

1. 被測定体に当接される保持脚部と、
   該保持脚部から立設された打撃筒と、
   該打撃筒内を摺動可能に支持された打撃体と、
   前記打撃体に弾性エネルギーを蓄えた状態で保持或いは蓄えたエネルギーを解放することのできるトリガー部材と、
   前記トリガー部材より下に配設され、圧縮されることで打撃体にエネルギーを蓄える第１バネ部材と、
   前記トリガー部材より上に配設され、前記打撃体が解放された際に打撃体が被測定体に当接する速度を低減する第２バネ部材とからなる弾性波入力装置であって、
   前記打撃体は、先端に被測定体と衝突するハンマーチップを備えると共に、中間部に細径部を、上端に操作把持部を備え、
   前記トリガー部材には、前記打撃体に形成された細径部のみが通過可能な小孔と打撃体の大径部の通過可能な大孔と連通した長孔が形成されており、前記操作把持部を引き揚げた際に前記小孔部で打撃体の細径部を係止して、第１バネ部材に圧縮エネルギーを蓄えると共に、
   前記トリガー部材をスライドさせることにより前記長孔の大孔部が前記打撃体の移動を可能にして前記ハンマーチップが被測定体に衝突して弾性波を発生させることを特徴とする弾性波入力装置。
2. 前記保持脚部は、３点で被測定体に当接し、前記打撃体の被測定体に対する突出角度を変更可能としたことを特徴とする請求項１に記載の弾性波入力装置。
3. 前記保持脚部は、加速度検出器を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波入力装置。
4. 前記請求項１〜３の何れかに記載の弾性波入力装置を用いて被測定体表面から弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し解析するコンクリート構造物の欠陥探査方法であって、
   被測定体の基準位置において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出し予め基準値を測定しておき、
   測定点において弾性波を入力し、被測定体からの反射波の波形をセンサーで検出した測定値と基準値との差分値により被測定体中の欠陥の有無を判断することを特徴とするコンクリート構造物の欠陥探査方法。
5. 前記反射波の波形を波形記録装置で記録し、記録した波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後、その変換値を周波数スペクトルに変換し、前記周波数スペクトルに表れたスペクトル値が卓越している箇所の有無により欠陥の有無を判断することを特徴とする請求項４に記載のコンクリート構造物の欠陥探査方法。

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