JP2018132426A - 鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置及びこれを用いた配筋方向測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストである鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を提供すること。【解決手段】 鉄筋（２）の埋設されたコンクリート（１）の表面上に移動可能に設けられる第１の送信コイル（３ａ）と、この第１の送信コイルに対して所定の位置と姿勢で設けられる第２の送信コイル（３ｂ）と、この第１の送信コイルの閉曲線内に置かれる第１の磁気センサ（４ａ）と、この第２の送信コイルの閉曲線内に置かれる第２の磁気センサ（４ｂ）と、この第１の送信コイルに第１の駆動信号を供給する第１の駆動回路（７ａ）と、この第２の送信コイルに第２の駆動信号を供給する第２の駆動回路（７ｂ）と、前記第１及び第２の磁気センサの検出信号を入力する第１及び第２の復調回路（６ａ、６ｂ）とを備え、前記第１及び第２の復調回路の復号信号から鉄筋の直径及び深さ（Ｄ、ｄ）を演算する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査装置等に用いて好適な鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置に関し、特に検査対象物に対して手動の２次元走査を行うことで鉄筋の位置検出を行うために、電磁的方法を用いた単純な構成の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置に関する。
また、本発明は、上記の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を用いた配筋方向測定方法に関する。

道路橋、鉄道橋等に用いられる鉄筋コンクリート構造物は、弱アルカリ性を有するコンクリート中に鉄筋や鉄骨を配置することで、鉄筋や鉄骨を錆から保護して、数十年以上の耐久性を確保している。力学的には、圧縮強度の高いコンクリートに圧縮応力を負担させ、引張強度の高い鉄筋や鉄骨に引張応力を負担させることで、コンクリートに比較して高価格材料である鉄筋や鉄骨の使用量を適切に保つことで、車両などの移動荷重を支える構造物を比較的安価に構築している。

コンクリート中の鉄筋の腐食は、コンクリートの強度能力を低下させ、またコンクリートの亀裂を引き起こす。鉄筋の腐食の早期発見は、コンクリート構造物の安全性評価や補修に重要である。鉄筋の腐食は、鉄筋のコンクリート内の直径を減少させる。

しかし、通常の鉄筋検知システムでは、鉄筋の被覆深さと直径を同時に測定することは非常に困難であり、鉄筋の直径測定の精度はあまり良くない。マイクロ波レーダシステム（特許文献１）では、複雑で高価である。 コンクリート中の水分や水分は結果に大きな影響を与え、現場実験にはあまり便利ではない。通常の磁気応答（特許文献２）のシステムでは、鉄筋の直径を測定できないか、直径測定の精度が良くない（約±３ｍｍ）という課題があった。

特開２００８-２３２８５２号公報 特開２００３-３１５００４号公報

しなしながら、上記のＸ−Ｙステージを用いた位置検出システムは、電磁センサを縦横に走査して位置情報を取得するものである。そこで、位置検出システムの構造が複雑であり、装置重量も重く、かつ高価である。そこで、コンクリート構造物の非破壊検査装置のようなフィールド実験に適していないという課題があった。
本発明は、上述の課題を解決したもので、構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストであるコンクリート構造物等に用いて好適な鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を用いた配筋方向測定方法を提供することを目的とする。

本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置は、例えば図１に示すように、鉄系材料（２）の埋設されたコンクリート（１）の表面上に移動可能に設けられる第１の送信コイル（３ａ）と、この第１の送信コイルに対して所定の位置と姿勢で設けられる第２の送信コイル（３ｂ）と、
この第１の送信コイルの閉曲線内に置かれる第１の磁気センサ（４ａ）と、
この第２の送信コイルの閉曲線内に置かれる第２の磁気センサ（４ｂ）と、
この第１の送信コイルに第１の駆動信号を供給する第１の駆動回路（７ａ）と、
この第２の送信コイルに第２の駆動信号を供給する第２の駆動回路（７ｂ）と、
前記第１の磁気センサの前記第１の駆動信号成分に対応する検出信号を入力する第１の復調回路（６ａ）と、
前記第２の磁気センサの前記第２の駆動信号成分に対応する検出信号を入力する第２の復調回路（６ｂ）と、
前記第１及び第２の復調回路の復調信号から、前記鉄系材料の直径及び深さ（Ｄ、ｄ）を演算する直径及び深さ演算手段（１０）とを備えることを特徴とする。

本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置において、第１及び第２の送信コイル（３ａ、３ｂ）は、鉄系材料（２）の埋設された場所に移動可能に設けられると共に、送信コイル内に交流電流が流れたときに、磁場を生成する。第１及び第２の駆動回路（７ａ、７ｂ）は第１及び第２の送信コイル内に第１及び第２の駆動信号を供給する。第１及び第２の磁気センサ（４ａ、４ｂ）は、第１及び第２の送信コイル（３ａ、３ｂ）に対して予め定められた位置関係で設置されている。第１及び第２の復調回路（６ａ、６ｂ）は、第１及び第２の磁気センサの第１及び第２の駆動信号成分に対応する第１及び第２の検出信号を入力する。第１及び第２の検出信号は、第１及び第２の駆動信号にそれぞれ対応するものであり、第１及び第２の間で相互にノイズとならないように定められている。直径及び深さ演算手段（１０）によつて、前記鉄系材料の直径及び深さ（Ｄ、ｄ）を演算する。

本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置において、鉄系材料は、鉄筋であるとよい。
本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置において、好ましくは、直径及び深さ演算手段（１０）は、鉄筋のコンクリートかぶり深さの演算について下記の（３）式に基づくとよい。

ここで、Ｖａは第１の磁気センサの出力信号振幅、Ｖｂは第２の磁気センサの出力信号振幅、Ｄは鉄筋の直径であり、ｄは鉄筋のコンクリート被覆深さ、Ｌは第１の磁気センサと第２の磁気センサとの間の距離である。β、γ、δは定数で、例えば校正試験により定められる。
本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置において、好ましくは、直径及び深さ演算手段（１０）は、予め得られた鉄筋のコンクリートかぶり深さの実測値を用いて、下記の（１）式又は（２）式に基づいて鉄筋の直径の演算を行うとよい。



ここで、Ｖａは第１の磁気センサの出力信号振幅、Ｖｂは第２の磁気センサの出力信号振幅、Ｄは鉄筋の直径であり、ｄは鉄筋のコンクリート被覆深さ、Ｌは第１の磁気センサと第２の磁気センサとの間の距離である。κ、β、γ、δは定数で、例えば校正試験により定められる。

本発明の被測定対象となる鉄筋コンクリート中の配筋方向を検出する方法は、上記の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を用いて、配筋方向を検出するものである。

本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置によれば、鉄筋の被覆深さと直径を同時に測定し、測定精度を向上させるために、２つの測定端子ユニットを備えた電磁システムを開発した。２つの測定端子ユニットの出力信号と再帰計算法を用いて、鉄筋の被覆深さと直径の両方を測定することができ、直径測定の精度は約±１ｍｍまで改善される。鉄筋の直径を正確に測定することにより、鉄筋の腐食を評価することができる。
本発明の配筋方向測定方法は、上記の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を用いることで、簡単に配筋方向測定方法を提供できる。

本発明の一実施例を示す電磁的方法を用いた、被覆深さと鉄筋の直径の測定システムを示す全体構成図で、二つの検出コイル・励磁コイルの組を上下方向に重ねて設ける場合を示してある。 本発明の被覆深さと鉄筋の直径の測定システムにおける検出信号の一例を示す図で、（Ａ）は信号振幅Ｖａについて鉄筋の直径並びに鉄筋の深さとの関係を示す図、（Ｂ）は信号振幅Ｖｂについて鉄筋の直径並びに鉄筋の深さとの関係を示す図である。 本発明の一実施例を示す鉄筋の深さと直径を求める再帰計算方法のフローチャートである。 本発明の一実施例を示す２つの励磁コイル間の位置関係を示す図で、二つの検出コイル・励磁コイルの組の間に水平方向の間隔が設けられる場合を示してある。 ２つの測定端子ユニットを用いたコンクリート中の鉄筋の方向検出を示すシステム構成図である。

図１に電磁方式による鉄筋の被覆深さと直径の測定方式の原理を示す要部構成図である。測定端子ユニット８ａは、信号発生器７ａ、励磁コイル３ａ、検出コイル４ａ、増幅器５ａ、復調器６ａにより構成されている。測定端子ユニット８ｂは、信号発生器７ｂ、励磁コイル３ｂ、検出コイル４ｂ、増幅器５ｂ及び復調器６ｂにより構成される。信号発生器７ａ、７ｂを用いて交流電流を発生させ、励磁コイル３ａ、３ｂに送る。鉄筋２がコンクリート１内に誘起する磁界は、２つの検出コイル４ａ、４ｂによって検出される。増幅器５ａ、５ｂで増幅された後、復調器６ａ、６ｂに送られる。復調器の後、信号振幅ＶａおよびＶｂが得られる。 次いで、直径及び深さ演算手段１０をなす計算ユニット１０を使用して、被覆深さｄおよび鉄筋の直径が計算される。

実験条件は以下の通りである。励磁コイル３ａ、３ｂの直径はいずれも７０ｍｍであり、巻数は１００である。検出コイル４ａ、４ｂは、いずれも直径約１０ｍｍの２００ターンである。増幅器５ａ、５ｂの利得は２０ｄＢである。検出コイル４ａと検出コイル４ｂとの距離は約１０ｍｍである。 信号発生器７ａの周波数は３．８ｋＨｚであり、信号発生器７ｂの周波数は４．２ｋＨｚである。

異なる深さおよび異なる直径を有する鉄筋の場合、信号振幅Ｖａと信号振幅Ｖｂは異なる。表１は、直径１０ｍｍ、１３ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍ、深さ２０ｍｍ〜１００ｍｍの鉄筋のＶａの信号振幅を示す。表２は、異なる直径および深さを有する鉄筋のＶｂの信号振幅を示す。

図２（Ａ）と図２（Ｂ）は、１０ｍｍ、１３ｍｍ、１６ｍｍ、２０ｍｍの鉄筋の深さに応じて信号振幅ＶａとＶｂが変化する様子を示している。

表１と表２のデータによれば、フィッティング公式は、鉄筋の直径および深さと共に変化する信号振幅を表すように与えられる。測定端子ユニット８ａについては、信号振幅Ｖａは、式（１）で示される。

測定端子ユニット８ａと測定端子ユニット８ｂとの距離をＬとすると、測定端子ユニット８ｂの信号振幅Ｖｂは式（２）で表すことができる。


ここで、Ｖａは測定端子ユニット８ａの出力信号振幅であり、Ｖｂは測定端子ユニット８ｂの出力信号振幅である。Ｄは鉄筋の直径であり、ｄは鉄筋の被覆深さである。Ｌは測定端子ユニット８ａと測ああ定端子ユニット８ｂとの間の距離である。κ、β、γ、δは定数で、例えば表Ｉおよび表ＩＩのような校正試験により定められる。

式（１）と式（２）を使用して、以下の式（３）を得ることができる。



式（３）から、Ｖａ／Ｖｂは鉄筋の被覆深さによって主に決定され、鉄筋の直径との関係については鉄筋の被覆深さよりも影響が小さいことがわかる。

深さと直径が未知の鉄筋については、２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂの信号振幅ＶａとＶｂを測定した後、式（３）とＶａ／Ｖｂを用いて被覆深さｄを計算することができる。そして、式（１）と計算された深さｄを用いて直径Ｄを計算することができる。再帰計算方法を使用して、鉄筋の深さｄおよび直径Ｄを計算することもできる。図３に再帰計算法のプログラムフローチャートを示す。図中、Ｄは鉄筋の直径を意味し、ｄは鉄筋の深さを意味する。

まず、２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂの信号振幅ＶａとＶｂを入力すると共に鉄筋の直径初期値Ｄ_０を設定する（Ｓ１００）。次に、直径Ｄ１をＤ_０の初期値に等しく設定すると共に、再帰計算カウンタの設定値ｉに１を設定する（Ｓ１０２）。続いて、再帰計算を開始する（Ｓ１０４）。
再帰計算は、例えば４回計算した後に終了させるように設定する場合には、再帰計算カウンタの値が４以内か否か判断する（Ｓ１０６）。再帰計算カウンタの値が４以内であれば、再帰計算過程（Ｓ１０８〜Ｓ１１２）に入るが、４を超えている場合は再帰計算を終了して、深さｄ１と直径Ｄ１の値を出力する（Ｓ１１４）。

再帰計算過程では、まず信号振幅Ｖａと鉄筋の直径計算値Ｄ１を使って、鉄筋の被覆深さ計算値ｄ１を計算する（Ｓ１０８）。次に、信号振幅Ｖａと鉄筋の被覆深さ計算値ｄ１を使って、次の鉄筋の直径計算値Ｄ２を計算する（Ｓ１１０）。この鉄筋の直径計算値Ｄ２をＤ１に戻し、再帰計算カウンタの値ｉをプラスワンして、Ｓ１０４に戻る（Ｓ１１２）。この計算工程を数回繰り返す。
なお、再帰計算は、例えば４回計算した後に終了させるとよいが、再帰計算回数は４回に限定されるものではなく、３回程度でも良く、また５回以上であってもよい。再帰計算回数は、鉄筋の直径値と鉄筋の被覆深さ計算値が、所定の計算誤差の範囲内に収束するものであればよい。

再帰計算方法と式（１）、（２）、（３）を用いた計算結果を用いた結果は類似している。表３に、再帰計算法を用いた鉄筋の深さと直径の実測値と実測値を示す。約５０ｍｍの深さを有する鉄筋の場合、かぶり深さ測定の誤差は約０．５ｍｍであり、直径測定の誤差は約１ｍｍである。

図４は本発明の他の実施例を示す２つの励磁コイル間の位置関係を示す図で、二つの検出コイル・励磁コイルの組の間に水平方向の間隔Ｌが設けられる場合を示してある。励磁コイル３ｂおよび検出コイル４ｂは、励磁コイル３ａおよび検出コイル４ａの直上にある必要はない。２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂ間には、一定の距離Ｌを隔てるような偏差を設けることが可能であり、２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂ間の相互干渉の影響、特に駆動回路７ａ、７ｂによるクロストークを低減するのに適している。

２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂを備えたシステムを使用して、鉄筋のコンクリート内の向きを検出することもできる。図５は、２つの測定端子ユニットを用いたコンクリート中の鉄筋の方向検出を示すシステム構成図である。測定端子ユニット８ａ、８ｂがコンクリートの鉄筋のすぐ上にある場合、２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂの出力信号はともに最大である。次に、２つの測定端子ユニット８ａ、８ｂの中心を結ぶ線が鉄筋の位置と配筋方向９になる。

なお、上記の実施の形態では、鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置では、励磁コイルと磁気センサとなる検出コイルを単一の測定端子ユニット用筐体に収容する場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、励磁コイルと磁気センサとなる検出コイルは別の筐体に収容されていてもよい。
交流磁場の周波数は、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとするとよい。２つの信号発生器によって生成される２つの周波数は、同じであってもよく、また異なっていてもよい。
励磁コイルの直径は、１ｃｍ〜３０ｃｍとするとよい。励磁コイルの巻数は１〜５００とするとよい。検出コイルの直径は、２ｍｍ〜３０ｍｍとするとよい。検出コイルの巻数は、１〜２０００であるとよい。

２つの検出コイルの間の距離は、５ｍｍから３０ｍｍまでとするとよい。検出コイルは励磁コイルの中心にある必要はなく、励磁コイルの閉曲線内に置かれるのであればよい。励磁コイル７ｂは、図１に示すように励磁コイル７ａのすぐ上にある必要はなく、図４に示すように励磁コイル７ａから外れていてもよい。２つの励磁コイル間の距離Ｌは、５ｍｍ〜５０ｍｍとするとよい。

磁気センサとしては、検出コイルに代えて、ホールセンサ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、または他の磁気センサを使用してもよい。

本発明の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置によれば、構造が単純で、装置重量が軽く、かつ低コストであり、鉄筋コンクリート構造物の非破壊検査装置等に用いて好適である。

１ コンクリート
２ 鉄系材料（鉄筋）
３ａ、３ｂ 送信コイル（励磁コイル）
４ａ、４ｂ 磁気センサ
５ａ、５ｂ プリアンプ回路
６ａ、６ｂ 復調回路
７ａ、７ｂ 駆動回路（信号発生器）
８ａ、８ｂ 測定端子ユニット
９ 配筋方向
１０ 直径及び深さ演算手段
Ｌ 鉄筋コンクリート表面と平行な方向の一定間隔

Claims (5)

1. 鉄系材料（２）の埋設されたコンクリート（１）の表面上に移動可能に設けられる第１の送信コイル（３ａ）と、
   この第１の送信コイルに対して所定の位置と姿勢で設けられる第２の送信コイル（３ｂ）と、
   この第１の送信コイルの閉曲線内に置かれる第１の磁気センサ（４ａ）と、
   この第２の送信コイルの閉曲線内に置かれる第２の磁気センサ（４ｂ）と、
   この第１の送信コイルに第１の駆動信号を供給する第１の駆動回路（７ａ）と、
   この第２の送信コイルに第２の駆動信号を供給する第２の駆動回路（７ｂ）と、
   前記第１の磁気センサの前記第１の駆動信号成分に対応する検出信号を入力する第１の復調回路（６ａ）と、
   前記第２の磁気センサの前記第２の駆動信号成分に対応する検出信号を入力する第２の復調回路（６ｂ）と、
   前記第１及び第２の復調回路の復調信号から、前記鉄系材料の直径及び深さ（Ｄ、ｄ）を演算する直径及び深さ演算手段とを備えることを特徴とする鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置。
2. 前記鉄系材料は、鉄筋、鋼板、鉄骨の少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置。
3. 前記直径及び深さ演算手段は、鉄筋のコンクリートかぶり深さの演算について下記の（３）式に基づくことを特徴とする請求項２に記載の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置。
   
   ここで、Ｖａは第１の磁気センサの出力信号振幅、Ｖｂは第２の磁気センサの出力信号振幅、Ｄは鉄筋の直径であり、ｄは鉄筋のコンクリート被覆深さ、Ｌは第１の磁気センサと第２の磁気センサとの間の距離である。β、γ、δは定数である。
4. 直径及び深さ演算手段は、予め得られた鉄筋のコンクリートかぶり深さの実測値を用いて、下記の（１）式又は（２）式に基づいて鉄筋の直径の演算を行うことを特徴とする請求項２に記載の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置。
   
   
   ここで、Ｖａは第１の磁気センサの出力信号振幅、Ｖｂは第２の磁気センサの出力信号振幅、Ｄは鉄筋の直径であり、ｄは鉄筋のコンクリート被覆深さ、Ｌは第１の磁気センサと第２の磁気センサとの間の距離である。κ、β、γ、δは定数である。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置を用いて、被測定対象となる鉄筋コンクリート中の配筋方向を検出する方法。