JP2017227549A

JP2017227549A - プレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法

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Publication number: JP2017227549A
Application number: JP2016124336A
Authority: JP
Inventors: 泉谷倉; Izumi Tanikura; 正義榎園; Masayoshi Enozono
Original assignee: Japan Construction Machinery and Construction Association JCMA
Current assignee: Japan Construction Machinery and Construction Association JCMA
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: JP6550015B2

Abstract

【課題】本発明は、ＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法に関し、緊張材がアンボンドタイプであったり、外ケーブル方式であったりした場合のＰＣ構造物において、緊張材の破断を確実に検出できるように管理する必要があり、それを解決することである。【解決手段】プレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断を、前記構造物に設けたセンサーで弾性波を計測して、前記弾性波の特性によりノイズ信号と緊張材の破断による信号とを区別して、検出する方法において、前記センサーで計測された弾性波における周波数の帯域に所望のノイズ判定用閾値を設定して、周波数の前記ノイズ判定用閾値によって緊張材の破断を検出することとしたプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＣ鋼棒やＰＣ鋼材などの緊張材によって、コンクリート構造物にアンボンド方式若しくは外ケーブル方式でプレストレスを付与したプレストレストコンクリート構造物（以下、ＰＣ構造物と表記する）における、前記緊張材の破断検出方法に関するものである。

道路橋や鉄道橋などの前記ＰＣ構造物における緊張材の破断に関しては、前記緊張材の破断を検知することが、ＰＣ構造物の崩壊を事前に予知する上で重要である。そこで、従来の緊張材の監視システムとしては、例えば、特許文献１に記載されているように、緊張材の破断による信号と、ノイズによる信号とを区別するために、信号の先頭部分のエネルギの全エネルギに対する比率を求めて、その比率が閾値より大きい信号を、減衰が大きい信号であるノイズ信号と判断し、前記閾値より小さい信号を、減衰が小さい信号である緊張材の破断による信号と判断するという方法が、知られている。

特開２００５−２９１７３５号公報

しかし、従来のＰＣ構造物においては、例えば、ポストテンション方式のＰＣ構造物において、緊張材の付着や防錆を目的としたＰＣグラウト材（ボンド工法）の充填不良等が原因となる劣化により、緊張材の破断が発生している。

そこで、前記グラウト材の充填を必要としないアンボンド方式、外ケーブル方式のＰＣ構造物が、多く設計され採用されている。このようなＰＣ構造物においても、前記緊張材の破断を的確に検知することが重要である。本発明に係るプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法は、このような課題を解決するために提案されたものである。

本発明に係るプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、プレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断を、前記構造物に設けたセンサーで弾性波を計測して、前記弾性波の特性によりノイズ信号と緊張材の破断による信号とを区別して、検出する方法において、前記センサーで計測された弾性波における周波数の帯域に所望のノイズ判定用閾値を設定して、周波数の前記ノイズ判定用閾値によって緊張材の破断を検出することである。

前記ノイズ判定用閾値より小さい帯域の信号をノイズ信号と判定し、前記閾値より大きい帯域の信号は緊張材の破断による信号と判定して、緊張材の破断を検出することである。

前記ノイズ判定用閾値は、５００Ｈｚの周波数とすることを含むものである。

前記弾性波の減衰時間が、所望の減衰用閾値を超えたか否かで判定する、減衰時間による第二の判定手段を設けることである。

前記ノイズ判定用閾値を超えた弾性波の信号のセンサーまでの伝播時間差から、緊張材の破断位置を決めることである。

前記緊張材の定着部の近傍に、広帯域弾性波センサーを設けて、緊張材の破断による信号を検出することである。

本発明に係るＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法によれば、ノイズ信号と緊張材の破断による信号とを、確実に判別して検出することができる。よって、ＰＣ構造物の崩壊を確実に事前に予知できるようになる。また、バンドパスフィターを使用して、車両などの走行ノイズが確実に排除され、緊張材の破断による信号のデータみを取得して保管することができるので、従来のように大量のデータを保存する不都合が解消される。

更に、広帯域弾性波センサーを、緊張材の定着部に設けることで、効率的で経済的な緊張材の破断検出システムを構築できる。また、本発明に係る検出方法を、市販の装置で検出システムをコンパクトに構築して実施できるので、コストの低減となる。

本発明に係るＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法の、基本的な概略構成図である。同本発明のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法における、ＰＣ構造物（橋桁）にＡＥセンサを９箇所に設けた実施例の縦断面図である。同前記ＰＣ構造物（橋桁）にＡＥセンサを設けた実施例の、Ｘ−Ｘ線に沿った横断面図（Ａ）と、Ｙ−Ｙ線に沿った横断面図（Ｂ）とである。波形記憶装置のモニタ画面に、車両走行ノイズによる弾性波が、ＰＣ構造物（橋桁）に対して９箇所に設けたＡＥセンサに伝播し、ローパスフィルタ（１００Ｈｚ）を通して検出された例を示す図である。前記９箇所のＡＥセンサに入力された弾性波が、１００Ｈｚ〜５ｋＨｚのバンドパスフィルタ（ａ）〜（ｆ）を通ってモニタ画面に表示される、走行車両ノイズの例を示す説明図である。ＡＥセンサの取付位置が上床版（図２中の、Ａ−１，Ｂ−１，Ｃ−１）における、バンドパスフィルタの設定条件と車両走行ノイズとの関係を示す説明図である。ＡＥセンサの取付位置が下床版（図２中の、Ａ−２，Ｂ−２，Ｃ−２）における、バンドパスフィルタの設定条件と車両走行ノイズとの関係を示す説明図である。ＡＥセンサの取付位置が、外ケーブルの定着部（図２中の、Ｄ−１，Ｄ−１，Ｄ−１）における、バンドパスフィルタの設定条件と車両走行ノイズとの関係を示す説明図である。車両５の走行ノイズによる弾性波の、各バンドパスフィルタに係るノイズの有無の分析を示す分析表の図である。本発明に係るプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検知方法の判定手順を示すフローチャート図である。緊張材の破断と走行ノイズとにおける、弾性波の減衰時間の相違を示す比較図（Ａ），（Ｂ）、フィルタのハイパス機能を示す図（Ｃ）である。

本発明に係るＰＣ構造物、例えば、コンクリート建築物、道路橋や鉄道橋などの橋桁であるＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法は、ＰＣ構造物に設けた広帯域型センサで検出される弾性波を、周波数をノイズ判定用の閾値として、緊張材の破断による弾性波と走行ノイズによる弾性波と、を区別して判定するものである。

本発明は、図１乃至図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＰＣ構造物１における緊張材２の破断を、前記ＰＣ構造物１に設けたセンサ３で、個体が変形若しくは破壊する時に発生する弾性波４を計測して、前記弾性波４の特性により車両５の走行によるノイズ信号と緊張材２の破断による信号とを区別して、検出する方法である。

前記緊張材２は、ＰＣ鋼棒、若しくは、アンボンド方式または外ケーブル方式によるＰＣ鋼材である。ＰＣ鋼材のＰＣグラウトを不要にして、そのグラウト充填不良を解消している。図２乃至図３（Ａ），（Ｂ）に示す道路橋のＰＣ構造物１における緊張材２は、外ケーブル方式の緊張材を示している。

前記センサ３は、例えば、広い周波数範囲で一定感度を有する広帯域型の弾性波センサ、ＡＥ（アコースティック・エミッション）センサ３ａ〜３ｉであり、たわみ型振動子を用いたものである。このＡＥセンサ３ａ〜３ｉの広域帯域は、数Ｈｚ〜数１００ｋＨｚである。このＡＥセンサ３ａ〜３ｉによる弾性波４の検出方法によれば、緊張材２の破断の進展をリアルタイムに観測することができる、複数のＡＥセンサ３ａ〜３ｉにより破断や欠陥の位置決めができるなどの利点がある。

図１乃至図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、前記ＡＥセンサ３ａ…３ｉが、ＰＣ構造物１の上床版（Ａ−１，Ｂ−１，Ｃ−１）、下床版（Ａ−２，Ｂ−２，Ｃ−２）、外ケーブルの定着部（Ｄ−１）、中間部（Ｄ−２）、偏向部（Ｄ−３）、の９箇所に設けるものである。

前記ＡＥセンサ３ａ〜３ｉの、車両５の走行ノイズによる弾性波４の出力（電圧）が、図４−Ａに示すように、上から順に、各ｃｈとセンサ３との取付位置との対応が、
ｃｈ１…Ａ−１（ＡＥセンサ３ａ）、
ｃｈ２…Ａ−２（ＡＥセンサ３ｂ）、
ｃｈ３…Ｂ−１（ＡＥセンサ３ｃ）、
ｃｈ４…Ｂ−２（ＡＥセンサ３ｄ）、
ｃｈ５…Ｃ−１（ＡＥセンサ３ｅ）、
ｃｈ６…Ｃ−２（ＡＥセンサ３ｆ）、
ｃｈ７…Ｄ−１（ＡＥセンサ３ｇ）、
ｃｈ８…Ｄ−２（ＡＥセンサ３ｈ）、
ｃｈ９…Ｄ−３（ＡＥセンサ３ｉ）、となっている。なお、図４−Ａの弾性波４は、１００Ｈｚのローパスフィルタを通したものであり、図４−Ｂにおける（ａ）ローパスフィルタ１００Ｈｚを説明用に拡大した拡大図である。

また、前記ＡＥセンサ３ａ〜３ｉにおける、車両５の走行ノイズの弾性波４をバンドパスフィルタを通した場合、例えば、ローパスフィルタ１００Ｈｚ、ハイパスフィルタ３００Ｈｚ、５００Ｈｚ、２ｋＨｚ、３ｋＨｚ、５ｋＨｚの場合の、弾性波４に係る波形の様子を、図４−Ｂに示す。

図４−Ｂの車両５による走行ノイズの弾性波４を見ると、車両５の走行によるノイズ成分が主に周波数５００Ｈｚ以下に存在する。これらを図５（Ａ）〜（Ｃ）、図６において、バンドパスフィルタによる走行ノイズの分析を示す。図５（Ａ）〜（Ｃ）において、縦軸がＡＥ最大電圧（ｍＶｐ−ｐ）、横軸がフィルタ設定周波数である。

図６に示すように、車両５の走行ノイズによる弾性波４に適用するバンドパスフィルタの比較をする。例えば、ローパスフィルタ（１００Ｈｚ）では、前記ｃｈ１〜ｃｈ６のノイズのレベルが過大であり、モニタとしては不適である。また、ハイパスフィルタ（２ｋＨｚ〜５ｋＨｚ）では、ノイズのレベルが殆ど無しとなって、これもモニタとしては不適である。かかる場合、ハイパスフィルタの周波数「５００Ｈｚ」が走行ノイズの有無の判断をするのに適当な周波数であることが判る。

そこで、前記センサー３で計測された弾性波４における周波数の帯域に、所望の閾値（以下、ノイズ判定用閾値という）を設定して、周波数の前記閾値によって、車両の走行ノイズによる信号か、緊張材２の破断による信号かを検出する。このノイズ判定用閾値は、一例として、「５００Ｈｚ」の周波数とするものである。

前記周波数に係るノイズ判定用の閾値が決まったところで、図１に示すように、ＰＣ構造物１に適宜箇所に取り付けて設けられＡＥセンサ（広帯域型：数Ｈｚ〜数１００ｋＨｚ）３ａ〜３ｉと、ハイパスフィルタ（ハイパス機能：数Ｈｚ〜数１０ｋＨｚ、性能：２４ｄＢ／ＯＣＴ程度：図８（Ｃ）参照）６と、波形記録装置７（仕様：メモリレコーダ、測定レンジは５ｍＶ〜２０Ｖ／ｄｉｖ、サンプリングは１μｓ／ｓ以上、ｃｈ間絶縁、トリガ機能、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）周波数解析）、との必要最小限の組み合わせでなるＡＥ計測システムを構築して、緊張材２の破断による弾性波４を検出する。

図７に示すように、本発明に係るＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法を、フローチャートで説明すると、最初のステップ（以下、ＳＴと記載）１で、ＰＣ構造物１に設けたＡＥセンサ３で、９箇所の弾性波４を検出する。なお、常にリアルモードで弾性波４を計測するのでは無く、効率的に計測するために、前記９箇所のＡＥセンサ（３ａ〜３ｉ）のうち、どれか一つがトリガ用閾値（電圧振幅）を超えた場合にトリガを開始し、自動的に波形記録装置７で弾性波４を収録するようにすることが好ましい。

次に、ＳＴ２で、前記弾性波４がハイパスフィルタ６を通過して、ＳＴ３の波形記録装置７に至る。この波形記録装置７によって、入力された弾性波４のアナログ信号をデジタル信号に変換して、パーソナルコンピュータの制御装置（図示せず）に伝送され、該制御装置に組み込まれた検出用プログラムにデータとして伝達される。

ＳＴ４にて、前記検出用プログラムにおいて、前記弾性波４の最大電圧振幅、若しくは、最大電圧振幅の平均値に係るデータを篩いにかけて、各ｃｈ毎に設定した信号の有無の閾値によって、例えば、信号無しを「０」、信号ありを「１」としてデータ化する。

前記信号の有無に係るデータが、前記各ｃｈである９箇所のＡＥセンサ３ａ〜３ｉの位置において、フィルタの設定条件で１００Ｈｚ〜５００Ｈｚで「１」となる位置の箇所数が多く、１ｋＨｚ以上で「０」となる位置の箇所数が多ければ、これは、ＳＴ４において、弾性波４の成分が、車両５の走行ノイズであって周波数で５００Ｈｚ以上では走行ノイズの信号が無いので、「いいえ」と判断されて、ＳＴ１へと戻る。

弾性波４における前記信号の有無に係るデータが、上述とは逆に、前記各ｃｈである９箇所のＡＥセンサ３ａ〜３ｉの位置において、フィルタの設定条件で１００Ｈｚ〜５００Ｈｚで「０」となる位置の箇所数が多く、１ｋＨｚ以上で「１」となる位置の箇所数が多ければ、これは、ＳＴ４において、弾性波４の成分が、緊張材２の破断によるものであって、ノイズ判定用閾値に係る「周波数で５００Ｈｚ以上」に存するので、「はい」と判断されて、ＳＴ５に行く。

ＳＴ５では、弾性波４の波形の減衰時間が長いか短いかを判断する。これには、弾性波４の減衰時間が、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、緊張材破断においては波形の減衰時間が長く（例えば、１０ｍｓ程度）、車両走行時のノイズにおいては波形の減衰時間が短い（例えば１ｍｓ程度）という、既知の判断手段を用いるものである。

なお、図８（Ａ）に示す前記緊張材破断による弾性波４は、その適宜に設定される設定電圧振幅を超える卓越周波数が３〜９０ｋＨｚの範囲と考えられる。このＳＴ５は、弾性波４が、緊張材２の破断による信号であることを、念のため確認する第二の判定手段としてのステップである。

そこで、ＳＴ５で、弾性波４の波形の減衰時間の数値と、設定した減衰用閾値（例えば、５ｍｓ）とを比較して、それより短ければ「いいえ」となり、ＳＴ１に戻り、それより長ければ「はい」となって、ＳＴ６に行く。

前記ＳＴ６で、弾性波４の波形が緊張材２の破断による信号と判定し、ＳＴ６ａの破断箇所の位置評定に行くか、警報手段（既知の音、光点滅、振動、警告画像表示などの手段）で報知するＳＴ７に行く。なお、ＰＣ構造物１のある現地のＡＥ計測システムから、例えば、インターネット等のネットワークの回線によって、ＰＣ構造物１を遠隔監視している複数の管理事務所等に、前記警報手段に伝達される警報信号が同時に伝達されて、現地と遠隔地とで危機管理情報を共有するようにしてもよい。

前記ＳＴ６ａでは、複数のＡＥセンサ（３ａ〜３ｉ）のうち、最初に弾性波４がＡＥセンサに伝播した時間と、他の箇所のＡＥセンサに前記弾性波４が伝播した時間との差から、複数本の緊張材２のうちの切断した緊張材２おびその破断位置を、既知の方法で求めるものである。

前記ＳＴ７で警報手段で報知されたことにより、ＳＴ８では、ＰＣ構造物１における緊張材２の交換作業などを行う。そして、弾性波４の検出処理が終了する。

このようにして、ＰＣ構造物１に発生した弾性波４の成分が、ノイズ判定用の閾値の周波数である５００Ｈｚ以下にあるか、以上にあるかで、車両５の走行によるノイズ成分か、緊張材２の破断による成分か、の判断をすることで、緊張材２の破断を検出するのである。なお、上記判定方法を自動プログラム等で処理する場合も、手動による場合も特に限定するものでは無い。また、本発明の趣旨に反しない限り、上記の一実施例に限られること無く、すべての公知の手段を含むものである。

本発明に係るＰＣ構造物における緊張材の破断検出方法は、弾性波の波形成分が周波数帯域のどの部分に存在するかによって、緊張材の破断の有無を確実に判定できるので、道路橋や鉄道橋、その他のＰＣ構造物における緊張材の安全管理に、広く適用することができるものである。

１ＰＣ構造物、
２緊張材、
３センサ、３ａ〜３ｉＡＥセンサ、
４弾性波、
５車両、
６ハイパスフィルタ、
７波形記録装置。

Claims

プレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断を、前記構造物に設けたセンサーで弾性波を計測して、前記弾性波の特性によりノイズ信号と緊張材の破断による信号とを区別して、検出する方法において、
前記センサーで計測された弾性波における周波数の帯域に所望のノイズ判定用閾値を設定して、周波数の前記ノイズ判定用閾値によって緊張材の破断を検出すること、
を特徴とするプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。
ノイズ判定用閾値より小さい帯域の信号をノイズ信号と判定し、前記ノイズ判定用閾値より大きい帯域の信号は緊張材の破断による信号と判定して、緊張材の破断を検出すること、
を特徴とする請求項１に記載のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。
ノイズ判定用閾値は、５００Ｈｚの周波数とすること、
を特徴とする請求項１に記載のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。
弾性波の減衰時間が、所望の減衰用閾値を超えたか否かで判定する、減衰時間による第二の判定手段を設けること、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。
ノイズ判定用閾値を超えた弾性波の信号のセンサーまでの伝播時間差から、緊張材の破断位置を決めること、
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。
緊張材の定着部の近傍に、広帯域弾性波センサーを設けて、緊張材の破断による信号を検出すること、
を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプレストレストコンクリート構造物における緊張材の破断検出方法。