JP2019158899A - 検出システム、情報処理装置、および検出方法 - Google Patents
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ここで、構造物の劣化を検出する種々の検出方法がこれまでにも提案されている。しかしながら、これら検出方法は、構造物の設置高さや状態などに関して種々の制約があり、構造物に生じる亀裂を簡便に検出することができない場合があった。
本実施形態の検出システム1、検出装置2、および検出方法は、構造物の状態を検出するものである。なお本願で言う「構造物の状態」とは、劣化の状態や亀裂の状態などを含む広い意味で用いる。すなわち、本願で言う「構造物の状態を検出する」とは、劣化の有無、劣化の程度、亀裂の有無、亀裂の位置、亀裂の程度などの少なくともひとつを検出することを意味する。ここではまず、本実施形態の検出システム1、検出装置2、および検出方法が適用される構造物の一例について説明する。
橋梁構造物10は、本実施形態の検出システム1、検出装置2、および検出方法が適用される「構造物」の一例である。なお本願で言う「橋梁」とは、河川や渓谷などの上に架設される構造物に限らず、地面よりも上方に設けられる種々の構造物(例えば高速道路の高架橋)などを広く含む。また、本実施形態の検出システム1、検出装置2、および検出方法が適用可能な構造物は、橋梁に限定されるものではなく、亀裂の発生または進展に伴い弾性波が発生する構造物であればよい。すなわち、本実施形態の検出システム1、検出装置2、および検出方法は、例えば道路とは関係のない構造物に適用されてもよい。
主桁11は、地面の上に設けられ、略鉛直方向に起立している。
鋼床版12は、主桁11の上に設置されて、車両Vが走行する走行面TSを形成している。鋼床版12は、主桁11によって下方から支持され、地面よりも高い位置に配置されている。
図2に示すように、鋼床版12は、デッキプレート21、舗装部22、トラフリブ(縦リブ)23、および横リブ24(図3参照)を備える。
図3に示すように、トラフリブ23は、デッキプレート21の下方に設けられている。すなわち、トラフリブ23は、デッキプレート21に対して、走行面TSとは反対側に設けられている。トラフリブ23は、「第2部材」の一例である。トラフリブ23は、デッキプレート21を補強する補強部材である。例えば、トラフリブ23は、U字形の断面形状を有した金属製のリブ(Uリブ)である。トラフリブ23は、デッキプレート21の下面に取り付けられ、橋軸方向BDに沿って延びている。なお「橋軸方向」とは、橋梁構造物10が延びた方向であり、例えば橋梁構造物10を走る車両Vの走行方向に沿う方向である。
一対の起立部26A,26Bは、それぞれ走行面TSとは交差する方向に沿う板部であり、走行面TSから離れる方向に延びている。例えば、一対の起立部26A,26Bは、走行面TSから離れるに従い、該起立部26A,26Bの間の間隔が徐々に狭くなるように互いに傾いている。例えば、起立部26A,26Bの各々の厚さ(板厚)は、デッキプレート21の厚さ(板厚)よりも薄い。また、起立部26A,26Bの各々の厚さ(板厚)は、例えば橋軸方向BDに略一定である。
図3に示すように、鋼床版12は、デッキプレート21とトラフリブ23との間に溶接部28を有する。詳しく述べると、トラフリブ23の起立部26A,26Bの各々は、デッキプレート21に面する端部(上端部)26eを有する。溶接部28は、トラフリブ23の起立部26A,26Bの端部26aに沿って設けられている。溶接部28は、トラフリブ23が延びた方向に沿って、橋軸方向BDに延びている。溶接部28は、デッキプレート21の下面とトラフリブ23の起立部26A,26Bの端部26eとを固定(接合)している。
図4に示すように、トラフリブ23の起立部26A,26Bの端部26eは、傾斜部(傾斜面、ルート面)26iを含む。傾斜部26iは、起立部26A,26Bの端部26eにおいて、一対の起立部26A,26Bの外側部分に設けられている。傾斜部26iは、一対の起立部26A,26Bの外側に進むに従いデッキプレート21の下面から離れる方向に傾いている。このため、デッキプレート21の下面と、起立部26A,26Bの傾斜部26iとの間には、溶接部28が入り込む隙間が形成される。溶接部28の少なくとも一部は、デッキプレート21の下面と、起立部26A,26Bの傾斜部26iとの間に設けられている。
図5は、本実施形態の検出システム1のシステム構成を示すブロック図である。
図5に示すように、検出システム(劣化検出システム、劣化診断システム)1は、検出装置2、情報集約装置3、および情報処理装置4を含む。
検出装置2は、橋梁構造物10に設置され、橋梁構造物10に生じる弾性波を検出するアコースティック・エミッション(AE:Acoustic Emission)方式の検出装置である。なお、AEとは、材料の疲労亀裂の発生、または疲労亀裂の進展に伴い材料の内部に弾性波が発生する現象である。AE方式の検出装置は、例えば、構造物の疲労亀裂の発生、または疲労亀裂の進展に伴い発生する弾性波を高感度センサによって検出し、検出された弾性波に基づき構造物の状態を検出する。
図6に示すように、第1のAEセンサ群31は、複数のAEセンサ41を含む。なお、図6中に実線で示す第1のAEセンサ群31は、例えばトラフリブ23の一方の起立部26Aに設けられた溶接部28の亀裂Cを検出するセンサ群である。なお、トラフリブ23の他方の起立部26Bに設けられた溶接部28の亀裂Cを検出するセンサ群については後述する。また、図6は、第1のAEセンサ群31に含まれる2つのAEセンサ41を代表して示す。なお、第1のAEセンサ群31は、例えば橋軸方向BDに所定の間隔で配置された3つ以上のAEセンサ41を含んでもよい。
AEセンサ41は、圧電素子を有し、亀裂Cの発生部から伝わる弾性波(AE波)を検出し、電圧信号(AE信号)に変換して出力する。AE信号は、材料の破断が生じる前の兆候として検出される。このため、AE信号の発生頻度および信号強度は、材料の健全性を表す指標として有用である。例えば、AEセンサ41は、10kHz〜1MHzの範囲に感度を有する圧電素子を有する。なお、AEセンサ41は、前記周波数範囲内に共振ピークを持つ共振型、および共振を抑えた広帯域型などのいずれでもよい。また、AEセンサ41は、プリアンプを内蔵したプリアンプ型でもよく、またはこれら以外のものでもよい。AEセンサ41の検出素子自体は、電圧出力型、抵抗変化型、および静電容量型のいずれでもよく、またはこれら以外のものでもよい。なお、後述する第2のAEセンサ群32に含まれるAEセンサ42も、センサの構成および機能は、第1のAEセンサ群31のAEセンサ41と同様である。
図6に示すように、第2のAEセンサ群32は、複数のAEセンサ42を含む。図6では、第2のAEセンサ群32に含まれる4つのAEセンサ42を代表して示す。なお、第2のAEセンサ群32は、例えば橋軸方向BDに所定の間隔で配置されたより多くのAEセンサ42を含んでもよい。
ここで、本発明者らの研究によって、デッキプレート21に取り付けられたAEセンサ42では検出できない弾性波についても、トラフリブ23にAEセンサ41を設置することで、検出することができることが見出された。すなわち、図7に示すように、デッキプレート21に取り付けられたAEセンサ42では弾性波が検出されていない複数個所でも、トラフリブ23に取り付けられたAEセンサ41によって、亀裂Cに伴う弾性波を検出することができることが分かった。すなわち、トラフリブ23にAEセンサ41を設置すると、亀裂Cの検出精度を高めることができることが見出された。
本実施形態では、第1のAEセンサ群31に含まれる互いに隣り合う2つのAEセンサ41A,41Bの検出結果を用いて、亀裂Cの位置が標定される。なお本願で言う「標定する」とは、例えばセンサの検出結果に基づいて、対象物の位置などを求める(算出する、特定する)ことを意味する。
図8に示すように、本実施形態では、弾性波の発生源位置(亀裂Cの位置)は、2つのAEセンサ41A,41Bが弾性波を検出した時刻の時間差と、トラフリブ23における弾性波の伝播速度と、溶接部28の位置とに基づき、標定される。
また、3次元体の場合は、せん断弾性率をGとすると、
これは、材料中を伝わる弾性波の伝播速度vは、その材料固有の物性値で決まることを意味する。このため、材料に対して弾性波の伝播速度vを予め計算しておき、ルックアップテーブルを用意しておくことができる。すなわち、亀裂Cの位置標定の計算において伝播速度vを選択する場合に、上記ルックアップテーブルを参照することで、材料に応じた伝播速度を適切に選択することができる。
ここで、本実施形態で検出すべき亀裂Cの大きさは、例えば最小で3mmである。この3mmという数値は、亀裂進展限界曲線から求めることができる。すなわち、亀裂の進展と応力の関係は、亀裂形状パラメータをa[mm]、応力範囲をΔσ[MPa]、下限応力拡大係数範囲をΔKth[MPa/m0.5]、材料によって決まる補正係数をFとすると、次の亀裂進展限界曲線で表すことができる。
図9に示すように、亀裂Cの大きさと応力の関係が上記曲線以下であれば、亀裂Cは、進展しない。ここで、デッキプレート21の下面において想定される最大の応力範囲は、30MPaである。このため、3mm未満の亀裂Cは、進展しないものと見做すことができる。言い換えると、3mm以上の亀裂Cを検出することができると、橋梁構造物10の劣化の状況を精度良く検出することができる。
図10は、亀裂Cの大きさと、弾性波の発生源の標定位置のばらつき(標定誤差)との関係を示す。なお、図10中の(a)は、大きさが3mmの亀裂Cの一例を示す。図10中の(b)は、弾性波の発生源の標定位置のばらつきの分布を示す。
ここで、再び図8を参照し、延長線L1、基準線L2、設定パラメータθを定義する。延長線L1は、隣り合う2つのAEセンサ41A,41Bを通る直線を延長した線である。基準線L2は、溶接部28が延びた方向に沿う線である。例えば、基準線L2は、第1AEセンサ41Aを通り、溶接部28と略平行(走行面TSと略平行)な線である。設定パラメータθは、延長線L1と基準線L2との間の角度である。ここで、本発明者らは、設置パラメータθの違いによって、弾性波の発生源の標定位置のばらつきが変化することを見出した。
図12に示すように、信号処理部35は、時間情報生成部61、波形整形フィルタ62、ゲート生成回路63、特徴量抽出部64、到達時刻決定部65、送信データ生成部66、および内部メモリ67を備える。
すなわち、ビット長bは、時刻分解能dtと、測定継続時間yとから決定される。
すなわち、時刻分解能dtは、弾性波の伝播速度vと、位置標定精度drとから決定される。言い換えると、位置標定精度drに基づいてビット長bを決定することで、位置標定精度drを任意の範囲で設定することができ、必要かつ十分な位置標定を実現することができる。
dt=0.50[μsec]となる。
これにより、b≧53ビットとなる。
図13に示すように、「信号の振幅」は、例えば、弾性波のなかで最大振幅Aの値である。「エネルギー」は、例えば、各時点において振幅を二乗したものを時間積分した値である。なお、「エネルギー」の定義は、上記例に限定されず、例えば波形の包絡線を用いて近似されたものでもよい。「立ち上がり時間」は、例えば、弾性波がゼロ値から予め設定される所定値を超えて立ち上がるまでの時間T1である。「持続時間」は、例えば、弾性波の立ち上がり開始から振幅が予め設定される値よりも小さくなるまでの時間T2である。「周波数」は、弾性波の周波数である。「ゼロクロスカウント数」は、例えば、ゼロ値を通る基準線BLを弾性波が横切る回数である。
到達時刻決定部65は、各AEセンサ41,42の検出結果に基づき、各AEセンサ41,42に対する弾性波の到達時刻を算出する。到達時刻決定部65は、算出された各AEセンサ41,42に対する弾性波の到達時刻に関する情報を、送信データ生成部66に送る。
無線送信部(無線送信回路)36は、例えば、アンテナと、高周波信号を生成する無線モジュールとを含む。無線送信部36は、予め設定された所定のタイミングで、AEデータを無線送信する。無線送信部36は、「出力部」および「送信部」のそれぞれ一例である。無線送信部36は、AEセンサ41,42の出力から得られる情報を外部に出力する。なお、「AEセンサの出力から得られる情報」とは、AEセンサから出力される電圧信号そのものでもよく、または前記電圧信号に対して予め設定されたノイズ処理、演算処理または判定処理などが施されたものでもよい。また、後述する劣化検出部72が検出装置2内に設けられる場合、無線送信部36が出力する「AEセンサの出力から得られる情報」とは、橋梁構造物10の劣化の有無または劣化の程度に関する情報を含んでもよい。
図5に示すように、情報集約装置3は、無線受信部(無線受信回路)71を有する。無線受信部71は、例えば、アンテナと、高周波信号を処理する無線モジュールとを含む。情報集約装置3は、1つの橋梁構造物10に例えば1つ設けられる。また、無線受信部71は、図示しないストレージDBを有する。無線受信部71は、橋梁構造物10に設置される1つ以上の検出装置2から上記AEデータを受信し、受信したAEデータをストレージDBに保存する。
図14に示すように、劣化検出部72は、位置標定部81、閾値設定部82、および劣化診断部83を備える。
図15は、本実施形態の検出方法の流れの一例を示すフローチャートである。
図15に示すように、まず、橋梁構造物10に設けられたAEセンサ41,42を用いて、亀裂Cの発生または亀裂Cの進展に伴う弾性波を検出する(ステップS11)。本実施形態では、例えばトラフリブ23に取り付けられたAEセンサ41によって、亀裂Cからトラフリブ23に伝わる弾性波を検出する。
なお、上記各ステップの動作の詳細は、検出システム1の説明のなかで述べたとおりである。
すなわち、例えば鋼床版では、デッキプレートとトラフリブとの溶接部に疲労亀裂が生じる場合がある。溶接部に疲労亀裂が生じると、道路の崩落などに繋がる可能性がある。このため、疲労亀裂を検知することは、インフラ構造物の維持管理上、重要である。
このような構成によれば、亀裂Cからトラフリブ23に伝わる弾性波をAEセンサ41によって検出することで、例えば目視での確認が困難な亀裂であっても、亀裂Cを検出することができる。また上記構成によれば、構造物の設置高さや状態(滞水があることなど)に制約されずに、亀裂Cを検出することができる。
このような構成によれば、AEセンサ41は、トラフリブ23のなかでも、トラフリブ23の端部26eに比べて走行面TSから遠くに配置されている。このため、走行面TSからAEセンサ41に入力されるノイズがさらに少なくなる。その結果、亀裂Cの検出精度をさらに高めることができる。
ここで、橋梁構造物10のトラフリブ23は、部分的に穴や突起などを有する場合がある。また、トラフリブ23には、別のセンサが取り付けられる場合もある。このため、複数のAEセンサ41A,41Bを同一の高さに配置することができない場合がある。
しかしながら、上記関係を満たすように複数のAEセンサ41A,41Bを配置することで、亀裂Cをより精度良く標定することができる。これにより、橋梁構造物10の劣化の状況をさらに精度良く検出することができる。
このような構成によれば、トラフリブ23に取り付けられた複数のAEセンサ41に加え、デッキプレート21に取り付けられた複数のAEセンサ42を併用することで、亀裂Cの検出精度をさらに高めることができる。また、図6中の(a)に示すように、橋梁構造物10の幅方向においてトラフリブ23の両側に分かれて複数のAEセンサ42を配置することで、二次元平面における亀裂Cの位置を検出することができる。
このような構成によれば、弾性波の特性に関する情報に基づき、AEセンサ41A,41Bが検出した弾性波が同一の弾性波であるか否かを高い精度で判定することができる。これにより、亀裂Cの検出の精度をさらに高めることができる。
このような構成によれば、上述したように、亀裂Cからトラフリブ23に伝わる弾性波をAEセンサ41によって検出することで、例えば目視での確認が困難な亀裂であっても、構造物の設置高さや状態に制約されずに、亀裂Cを検出することができる。
このような構成によれば、実際の亀裂Cの位置から離れて配置されたAEセンサ41A,41Bによっても、亀裂Cの位置を精度良く検出することができる。
このような構成によれば、第1AEセンサ41Aが検出した弾性波と、第2AEセンサ41Bが検出した弾性波とが同一の弾性波であるか否かを、より精度良く判定することができる。これにより、亀裂Cの検出精度をさらに高めることができる。
このような構成によれば、弾性波の発生源位置の密度に基づいて、橋梁構造物10の劣化の状況を容易に、且つ、比較的高い精度で検出することができる。
このような構成によれば、上述したように、亀裂Cからトラフリブ23に伝わる弾性波をAEセンサ41によって検出することで、例えば目視での確認が困難な亀裂であっても、構造物の設置高さや状態に制約されずに、亀裂Cを検出することができる。
Claims (5)
- 車両が走行する走行面を下方から支持する第1部材と、前記第1部材に対して前記走行面とは反対側に設けられたトラフリブである第2部材と、前記第2部材の前記第1部材に面する端部に沿って設けられ、前記第1部材と前記第2部材とを固定した溶接部とからなる構造物の状態を検出する検出システムであって、
前記溶接部が延びた方向に互いに離間して配置され、前記第2部材に取り付けられて前記第2部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のアコースティック・エミッション(AE)センサを含む第1センサ群と、
前記第1部材に取り付けられて前記第1部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のAEセンサを含む第2センサ群と、
前記第1センサ群に含まれる複数のAEセンサの検出結果と、前記第2センサ群に含まれる複数のAEセンサの検出結果とを互いに区別して取り扱い、前記第1センサ群に含まれる複数のAEセンサの検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定と、前記第2センサ群に含まれる複数のAEセンサの検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定とを別々に行う標定部と、
を備えた検出システム。 - 前記標定部は、
前記第1センサ群に含まれる複数のAEセンサによりそれぞれ検出された弾性波同士の類似度に基づき前記第1センサ群に含まれる複数のAEセンサによりそれぞれ検出された弾性波が同一の弾性波であるか否かを判定し、
前記第2センサ群に含まれる複数のAEセンサによりそれぞれ検出された弾性波同士の類似度に基づき前記第2センサ群に含まれる複数のAEセンサによりそれぞれ検出された弾性波が同一の弾性波であるか否かを判定する、
請求項1に記載の検出システム。 - 前記第1部材は、デッキプレートである、
請求項1または請求項2に記載の検出システム。 - 車両が走行する走行面を下方から支持する第1部材と、前記第1部材に対して前記走行面とは反対側に設けられたトラフリブである第2部材と、前記第2部材の前記第1部材に面する端部に沿って設けられ、前記第1部材と前記第2部材とを固定した溶接部とからなる構造物の状態を検出する情報処理装置であって、
前記溶接部が延びた方向に互いに離間して配置され前記第2部材に取り付けられて前記第2部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のアコースティック・エミッション(AE)センサを含む第1センサ群の検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定と、
前記第1部材に取り付けられて前記第1部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のAEセンサを含む第2センサ群の検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定と、
を別々に行う標定部
を備えた情報処理装置。 - 車両が走行する走行面を下方から支持する第1部材と、前記第1部材に対して前記走行面とは反対側に設けられたトラフリブである第2部材と、前記第2部材の前記第1部材に面する端部に沿って設けられ、前記第1部材と前記第2部材とを固定した溶接部とからなる構造物の状態を検出する検出方法であって、
前記溶接部が延びた方向に互いに離間して配置され前記第2部材に取り付けられて前記第2部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のアコースティック・エミッション(AE)センサを含む第1センサ群の検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定と、
前記第1部材に取り付けられて前記第1部材に伝わる弾性波をそれぞれ検出する複数のAEセンサを含む第2センサ群の検出結果に基づく弾性波の発生源位置の標定と、
を別々に行う
検出方法。
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