JP4496885B2 - コンクリート柱の緊張鋼線の断線を検出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート柱の緊張鋼線の断線を検出する方法に関する。

概して、コンクリート柱は、配電線および他の電線（例えば、通信線等）、ならびに鉄道用の架線の支持に、また照明システム、交通信号、ゴルフネット、アンテナ等の設置に広く用いられている。

コンクリート柱の長い耐用寿命の間、コンクリート壁の割れ目に水が染み込み、緊張鋼線の周りに入るようになることにより、緊張鋼線において応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する。緊張鋼線の破断は、コンクリート柱の曲げ強度を低下させることになる。柱の構造健全性および安全性を確保するために、老朽化しつつあるコンクリート柱は、適切な非破壊評価（ＮＤＥ）法を用いて断線した緊張鋼線の存在を検査する必要がある。

コンクリート柱には、図１に示すように荷重（風圧荷重１、引張荷重２、および圧縮荷重３を含む）が作用する。これらの荷重に耐える強度を確保するため、コンクリート柱にはあらかじめ圧縮応力を付与するプレストレス構造となっている。また、図２は、コンクリート柱の下端から８ｍおよび２．４ｍにおける断面図を示す。コンクリート柱の内部には、緊張鋼線４および鉄筋（非緊張鋼線）５がある。緊張鋼線が腐食等により断線している場合、コンクリート柱の曲げ強度が低下することとなる。したがって、緊張鋼線の断線の非破壊検出技法が望まれる。

高強度鋼である緊張鋼線は、たとえ応力腐食割れにより断線しても、破断部以外の緊張鋼線は変位することなくコンクリートに保持され、またコンクリートに含まれるアルカリにより保護されるため断面減少を生じない。また、破断部にはわずかな間隙しかないため、緊張鋼線の断線の検出は難しい。

緊張鋼線の断線は、Ｘ線撮影により検出することができる。しかしながら、コンクリート柱の長さは十数ｍ以上に及び、１回あたりのＸ線写真の撮影範囲が限られるため、多くのＸ線写真が必要である。さらに、Ｘ線撮影を行う場所は管理区域として設定せねばならないため、市街地でＸ線撮影を行うことは実質的に不可能である。

渦流探傷試験（ＥＣＴ）または超音波探傷試験（ＵＴ）を用いて、コンクリート柱内部の緊張鋼線の状態を検出することもできる。しかしながら、緊張鋼線の破断端間の間隙が小さく、厚さ約２５ｍｍのコンクリートを通して検査を行う必要があるため、緊張鋼線の断線を検出することが難しくなる。さらに、ＥＣＴおよびＵＴのいずれにおいても、プローブをコンクリート柱の外面に密着させて移動させる必要がある。しかしながら、コンクリート柱の付属金物およびメタルバンド等の障害物によりこの作業は困難である。障害物がない場合でも、プローブをコンクリート柱の長手方向にゆっくり移動させるため、検査にはかなりの時間を要する。

上記に鑑みて、本発明の目的は、検出デバイスでコンクリート柱全体に沿って走査することなく、短時間でコンクリート柱の緊張鋼線の断線を検出することである。

上述の目的を達成するために、ガイド波と呼ばれる比較的低い周波数（通常は約１０〜２０ｋＨｚ）の機械的な波のパルスを緊張鋼線内に発生させてその長手方向に伝播させ、コンクリート柱の端部および断線した緊張鋼線の端部から反射する信号を検出する。断線した緊張鋼線の端部から反射する信号は、コンクリート柱の端部から反射する信号よりも早く現れる。断線した緊張鋼線の存在、およびその長手方向位置は、コンクリート柱の端部からの信号より前に現れる信号およびその到着時間から求められる。ガイド波を発生させる方法の中でも、Southwest Research Institute (SwRI)の研究者等が提案した磁歪センサ（ＭｓＳ）を用いる方法（本明細書中以下では「ＭｓＳ法」と呼ぶ）では、磁気結合によりガイド波パルスが非接触で鋼線中に励起され、また反射パルスが非接触で検出されることが可能となる。米国特許第５，４５６，１１３号、第５，４５７，９９４号、第５，５８１，０３７号、および第５，７６７，７６６号は、ＭｓＳ法を記載しており、これらは参照により本明細書に援用される。

本発明は、コンクリート柱の緊張鋼線を検査するように修正した、上記のＭｓＳ法の特殊な用途である。露出した鋼線に対するこのような試験は以前にも行われているが、コンクリートに埋め込まれた緊張鋼線のこのような試験は行われたことがないだけでなく、以前には不可能と考えられていた。

図３は、コンクリート柱１２の上端（鉄筋がなく緊張鋼線１３だけがある部分）の付近に設置された、ＤＣ電流を用いて長手方向に静磁場１６を発生させるバイアス磁場コイル１５と、プローブコイル１４とを示す。図４は、プローブコイル１４を駆動するシステムユニット９と、キーボード１０ａを有するデータ収集用パーソナルコンピュータ１０と、バイアス磁場コイル用電源１１とを示す。

ＡＣパルスがプローブコイルに印加されると、軸方向の磁場が変化して、磁歪効果により緊張鋼線の軸方向に粗密波が発生し、ガイド波として伝播する。断線した緊張鋼線がない場合、コンクリート柱の端部からのみ反射した信号が検出され、緊張鋼線が断線している場合、緊張鋼線が断線している位置から反射した信号が検出される。通常は、１２〜２０本の緊張鋼線がコンクリート柱内部に配筋されており、長手方向の同じ位置で複数の緊張鋼線が断線している場合、断線した緊張鋼線の数に対応する強度を有する反射信号が得られる。多数の緊張鋼線が断線している場合、コンクリート柱の端部から反射した信号は弱まる。ほとんどの緊張鋼線が断線している場合、コンクリート柱の端部における信号の反射は実質的に消滅する。したがって、緊張鋼線の断線の状況は、断線したコンクリート柱の断面から反射する信号と、コンクリート柱の端部から反射した信号の強度の低下とに基づいて判定することができる。

本発明の方法によると、コンクリート柱の長手方向に沿った走査を必要とせずに、かつ緊張鋼線に直接接触せずに、コンクリート柱の１つの試験場所からコンクリート柱の全緊張鋼線の断線を短時間で同時に試験できる。したがって、複数の緊張鋼線が断線していることを示す信号が検出された場合、それらのうちのどの緊張鋼線が断線しているかを、データから特定することができない。前記のような場合、断線した個々の緊張鋼線は、ガイド波の送信機として、図３のＭｓＳおよびＤＣバイアス電磁（ＥＭ）コイルから構成される巻きつけ式コイルプローブの代わりに図６に示すＵ字形ＭｓＳプローブを用い、コンクリート柱の円周の周りを走査させ、断線した緊張鋼線の断面から反射する信号が最大となる位置を求めることで、特定することができる。

本発明の装置および方法を次に説明する。第１のステップは、ガイド波がコンクリート柱内の緊張鋼線のみで発生するように、緊張鋼線のみが配筋されかつ鉄筋が配筋されていない箇所に、ＭｓＳおよびＤＣバイアス電磁（ＥＭ）コイルを設置する。

ＡＣパルスがプローブコイルに印加されると、軸方向の磁場が変化して、磁歪効果により緊張鋼線の軸方向に粗密波が発生し、ガイド波として伝播する。断線した緊張鋼線がない場合、コンクリート柱の端部からのみ反射した信号が検出され、緊張鋼線が断線している場合、緊張鋼線が断線している位置から反射した信号が検出される。通常は、１２〜２０本の緊張鋼線がコンクリート柱内部に配筋されており、長手方向の同じ位置で複数の緊張鋼線が断線している場合、断線した緊張鋼線の数に対応する強さの反射信号が得られる。多数の緊張鋼線が断線している場合、コンクリート柱の端部から反射した信号は弱まる。ほとんどの緊張鋼線が断線している場合、コンクリート柱の端部からの反射信号は実質的に消滅する。したがって、緊張鋼線の断線の状況は、断線した緊張鋼線の断面から反射する信号と、コンクリート柱の端部から反射した信号強度の低下とに基づいて判定することができる。

図３は、緊張鋼線１３が配筋されたコンクリート柱１２に設置されたＭｓＳコイル１４およびＤＣバイアスＥＭコイル１５を示す。ＭｓＳコイル１４には、ケーブル（図示せず）を介して図４に示すシステムユニット９からガイド波を発生させる高周波パルスが供給される。図４は、システムユニット９と、システムユニット９を制御し、データを収集、格納、および解析するパーソナルコンピュータ１０と、バイアス磁場コイル用電源１１とを示す。図３を再び参照すると、ＭｓＳコイル１４は、反射信号の検出も行い、反射信号は、次に、システムユニット９およびパーソナルコンピュータ１０において増幅、フィルタリング、記録、および表示される。

ＤＣバイアスＥＭコイル１５には、ケーブル（図示せず）を介してバイアス磁場コイル用電源１１からＤＣ電流が供給される。十分なＤＣ電流がＥＭコイル１５に印加されると、縦（Ｌ）モードガイド波の発生および検出に必要な適切なレベルのＤＣバイアス磁場１６が緊張鋼線１３に生じる。次に、システムユニット９の方向制御機能を利用して、ガイド波は緊張鋼線１３に沿ってコンクリート柱１２の下端に向かって進行し、信号が断線した緊張鋼線の端部およびコンクリート柱の下端から反射して戻り、ＭｓＳコイル１４により、続いてシステムユニット９により検出される。次の動作では、ガイド波は緊張鋼線に沿ってコンクリート柱１２の上端に向かって進行する。信号は断線した緊張鋼線の端部およびコンクリート柱の上端から反射して戻り、ＭｓＳコイル１４およびシステムユニット９により計測される。

計測された信号は、緊張鋼線の断線の有無および断線本数および断線位置に関して解析される。

図５は、断線した緊張鋼線を有さないコンクリート柱に関して、３本の緊張鋼線を１本ずつ切断した場合のコンクリート柱の試験中に得られたデータを示す。プローブ設置位置（横軸の０）から３．４ｍ先の切断部分における信号が、切断した緊張鋼線の数が増えるに従って強くなることが観察される。同時に、プローブ設置位置から４．１ｍ先の端部（上端）における信号が、切断した緊張鋼線の数が増えるに従って弱くなることも観察される。

図５に示すように、ＭｓＳコイルをコンクリート柱の上端から約４．１１ｍの距離に設置し、２０ｋＨｚの縦（Ｌ）モードガイド波をコンクリート柱の上端に向かって進行させた。次に、コンクリート柱の上端から約０．７ｍの位置で、緊張鋼線を切断する前および後におけるデータを得た。データは、（１）本発明の方法および装置を用いて緊張鋼線にガイド波を発生してそれを検出することができたこと、および（２）断線した緊張鋼線についてコンクリート柱全体の検査を１つの試験部分から行うことができたこと、を示している。データは、（１）緊張鋼線１本の切断により検出可能な信号が生じたこと、（２）
複数の緊張鋼線がコンクリート柱の長手方向の同じ位置で切断された場合、断線した緊張鋼線の断面から反射する信号の振幅が増大すること、および（３）切断された緊張鋼線の数が増えるにつれて、コンクリート柱の端部から反射した信号の振幅が減少すること、も示している。

図５においてわかるように、緊張鋼線が切断している場合、個々の断線した緊張鋼線の断面から反射する信号、またはコンクリート柱の端部から反射した信号の振幅の減少、あるいはその両方を検出する。そして前記断線した緊張鋼線の断面から反射する信号を用いて、断線した緊張鋼線の数および位置が求められる。適切な較正を行って、コンクリート柱の端部から反射した信号を用いて、断線した緊張鋼線の総数が求められるが、断線した個々の緊張鋼線は特定されない。

断線した個々の緊張鋼線を特定する場合、図６に示すＵ字形ＭｓＳプローブを信号検出器として用いる。ＭｓＳプローブは、コモンモード電磁ノイズを最小にするようにコイル１７が２本の脚に反対向きに巻きついているＵ字形のコア１８（通常はフェライト製）からなる（米国特許第５，７６７，７６６号に記載）。前記Ｕ字形ＭｓＳプローブを用い、コンクリート柱の円周の周りを走査させ、断線した緊張鋼線の断面から反射する信号が最大となる位置を求めることで、断線した緊張鋼線を特定することができる。Ｕ字形ＭｓＳプローブを用いて個々の緊張鋼線を検査することは、ＭｓＳおよびＤＣバイアス電磁（ＥＭ）コイルから構成される巻きつけ式コイルプローブを用いて全緊張鋼線を同時に検査するよりも時間がかかるが、より詳細な情報が得られる。また、ＭｓＳおよびＤＣバイアス電磁（ＥＭ）コイルで得られる断線一本分の検出信号強度はノイズレベルと比べて比較的小さく、断線の確実な検出にはＳ／Ｎ比が不十分となることもあり得るので、個別の断線検出にはＵ字形ＭｓＳプローブの方が優れているものと考えられる。

当業者には変形および変更が明らかとなるであろうことは理解されよう。このような変形および変更は、上記で概説し、かつ添付の特許請求の範囲に記載される本発明の精神および範囲内に入るものとみなすべきである。

コンクリート柱の図である。 コンクリート柱の内部の概略図である。 コンクリート柱の上端に設置されたバイアス磁場コイルおよびプローブコイルの図である。 図３の装置のためのシステムユニット、パーソナルコンピュータ、およびバイアス磁場コイル用電源の図である。 コンクリート柱の試験の際に収集されるデータのグラフである。 個々の緊張鋼線を試験するための本発明の装置の図である。

Claims (6)

1. コンクリート柱に配筋された緊張鋼線の非破壊評価の方法であって、
   前記コンクリート柱において、ＭｓＳ操作に必要なＤＣ磁場を生じさせるステップと、
   磁歪効果に基づいて、前記緊張鋼線にガイド波を発生するＡＣ磁場のパルスを印加するステップと、
   逆磁歪効果に基づいて、前記緊張鋼線の端部および前記コンクリート柱の端部から反射したガイド波信号を検出するステップと、
   前記検出された信号を解析し、前記緊張鋼線における１つまたは複数の断線を示すことが知られている変化パターンと相関させるステップと、を含み、
   前記ステップの全ては前記緊張鋼線と物理的に接触せずに行われ、前記ＤＣ磁場を生じさせるステップと、前記ＡＣ磁場のパルスを印加するステップと、前記ガイド波信号を検出するステップとはそれぞれ、前記柱の１つの場所から行われる緊張鋼線の非破壊評価の方法。
2. 前記ＤＣ磁場を生じさせるステップは、前記コンクリート柱の長手方向に垂直なコンクリートの断面の鉄筋がない場所に、永久または電磁バイアス磁石を位置付けることを含む、請求項１に記載の緊張鋼線の非破壊評価の方法。
3. 前記ＡＣ磁場のパルスを印加するステップは、前記コンクリート柱のＤＣ磁場が生じている場所をＭｓＳコイルで囲み、次いで適切な周波数の電流のパルスを前記コイルに印加するステップであって、それにより、磁歪効果に基づいて前記緊張鋼線に前記ガイド波が発生するステップを含む、請求項１に記載の緊張鋼線の非破壊評価の方法。
4. 前記緊張鋼線および前記コンクリート柱の端部から反射した前記ガイド波信号を検出するステップは、前記ＭｓＳコイルを用いて、前記検出された信号を断線した鋼線について解析することにより行われる、請求項３に記載の緊張鋼線の非破壊評価の方法。
5. 前記ガイド波信号を検出するステップは、前記緊張鋼線に近接して電磁ピックアップコイルを配置し、前記緊張鋼線内の逆磁歪効果により生じる、前記電磁ピックアップコイルに誘導される電圧の変化を検出するステップを含む、請求項１に記載の緊張鋼線の非破壊評価の方法。
6. 前記電磁ピックアップコイルはＵ字形ＭｓＳプローブである、請求項５に記載の緊張鋼線の非破壊評価の方法。

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