JP5133276B2

JP5133276B2 - 構造物の欠陥検出方法

Info

Publication number: JP5133276B2
Application number: JP2009010756A
Authority: JP
Inventors: 寛和大村
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP2010169465A

Description

本発明は、トンネルやボックスカルバート等のようなコンクリート構造物等に発生する欠陥を、定量評価することが可能な構造物の欠陥検出方法に関する。

従来、鉄道等のトンネル覆工表面からのコンクリート片の陥落事故などの対策のため、コンクリート構造物に対しては定期的な検査が実施されている。トンネルの検査においては、トンネル表面を打撃し、その打音を検査技術者が評価して、欠陥等の有無が判断される。しかし、このような方法では、欠陥の有無の判断が検査技術者の技能によるところが大きく、欠陥の判断を客観的に行うことが困難である。

これに対し、このような欠陥評価をより正確に行うため、欠陥の有無を数値で判断する方法が各種提案されている（例えば特許文献１）。

特開平７−００５１５４号公報

しかしながら、特許文献１のようなこれまでの方法では、装置が大型化し、トンネルなどの広範囲の検査を短時間で行うことが困難であるという問題がある。また、例えば特許文献１のように、欠陥の有無の判断を音圧ピークのみで行うと、正確な欠陥の有無が判断されない恐れがあるという問題がある。

本発明は、前述した問題を鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成で、かつ、より確実に欠陥の有無の定量評価が可能な、構造物の欠陥検出方法を提供することである。

前述した目的を達成するために、第１の発明は、構造物の欠陥を検出する方法であって、前記構造物に衝撃を与える工程（ａ）と、前記衝撃により生じる前記構造物の振動データを取得する工程（ｂ）と、前記振動データのフーリエスペクトル解析を行う工程（ｃ）と、所定の周波数よりも低周波数域における前記スペクトルにより形成される面積を、全周波数域における前記スペクトルによって形成される面積で除した値であるスペクトルスコアを算出する工程（ｅ）と、前記スペクトルスコアが所定値以下の場合に構造物が健全であると判断し、前記スペクトルスコアが所定値を超える場合には構造物が不健全であると判断する工程（ｆ）と、を具備し、前記工程（ｅ）における前記所定の周波数は、事前に、対象となる前記構造物と同様の構造物において、健全部及び目視により欠陥が認められた欠陥部に対して打撃試験を行い、フーリエスペクトル解析により得られたそれぞれのスペクトルから、健全部のスペクトルのピークと欠陥部のスペクトルのピークとの間の値とし、前記工程（ｆ）における前記スペクトルスコアの前記所定値は、前記健全部および前記欠陥部のそれぞれにおいて前記所定の周波数を用いて算出されるスペクトルスコアから、前記所定の周波数に応じて設定されることを特徴とする構造物の欠陥検出方法である。

本発明によれば、構造物に衝撃を与えて、構造物の振動データを取得し、これをフーリエスペクトル解析によって周波数と強度との２次元データとし、得られた２次元スペクトルにおいて、所定の周波数閾値よりも低周波側のスペクトルによって得られる面積と、全周波数帯域におけるスペクトルによって得られる面積との比を求めることで欠陥の有無を判断する。すなわち、全周波数域に対する、欠陥によって形成される低周波側の周波数帯域の強度比によって欠陥を判断するため、大きな欠陥のみではなく、より細かな欠陥が散在するような場合でも欠陥を検出することが可能である。

特に、所定の周波数閾値よりも低周波数域における２次元スペクトルにより形成される面積を、全周波数域における２次元スペクトルによって形成される面積で除した値であるスペクトルスコアを算出すれば、スペクトルスコアが所定値を超える場合には欠陥があると判断することができるため、所定の基準スペクトルスコアを欠陥判断指標値として使用することができる。

また、周波数閾値および基準スペクトルスコアは、事前に欠陥部および健全部においてデータを解析して設定される。このため、同様の構造物やトンネル固有の諸条件等を加味して、それぞれの場合毎に設定することができるため、より確実に判断を行うことができる。

本発明によれば、簡易な構成で、かつ、より確実に欠陥の有無の定量評価が可能な、構造物の欠陥検出方法を提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる欠陥検出装置１の構成概略図。解析装置９のハードウェア構成図。欠陥検出装置１の流れを示すフローチャート。フーリエスペクトルの模式図。フーリエスペクトルを示す図で、（ａ）は健全な構造物により得られたスペクトル、（ｂ）は、欠陥が発見された構造物により得られたスペクトル。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る構造物の欠陥検出装置１の構成を示す概略図である。欠陥検出装置１は、主に、センサ５、打撃装置７、解析装置９等から構成される。

トンネル等の構造物３の表面には、センサ５が取り付けられる。センサ５は、構造物表面における振動による振動データを取得するためのもので、既存の加速度ピックアップ等が使用できる。

センサ５は解析装置９と接続される。解析装置９は、センサ５により取得された振動データを解析し、欠陥の有無を判断するためのものである。解析装置９については、後述する。

打撃装置７は、構造物３に対して衝撃を与えるためのものである。打撃装置７としては、ハンマや重錘によって構造物３に対して所定の衝撃を付与できれば良く、作業者がハンマ等で構造物３を打撃してもよい。

打撃装置７によって構造物３の表面に衝撃が付与されると、構造物３の表面には、コンクリート等の性状に応じた固有の振動が生じる。センサ５はこの振動による振動データを取得し、振動データは解析装置９に送られる。解析装置９では、振動データを解析し、欠陥の判定を行う。

次に、解析装置９について説明する。図２は解析装置９を実現するコンピュータのハードウェア構成図である。解析装置９は、制御部１０、記憶部１１、メディア入出力部１３、通信制御部１５、入力部１７、表示部１９、周辺機器Ｉ／Ｆ部２１等が、バス２３を介して接続される。

制御部１０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。ＣＰＵは、記憶部１１、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス２３を介して接続された各装置を駆動制御し、センサ５から送られた振動データの処理等を行う。

ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部１１、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部１０が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。

記憶部１１は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部１０が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。プログラムに関しては、ＯＳ（オペレーティングシステム）に相当する制御プログラムや、後述の処理に相当するアプリケーションプログラムが格納されている。これらの各プログラムコードは、制御部１０により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。

メディア入出力部１３（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＭＯドライブ等のメディア入出力装置を有する。

通信制御部１５は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク間等の通信を媒介する通信インタフェースであり、センサ５との通信制御等を行う。

入力部１７は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。入力部１７を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。

表示部１９は、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。

周辺機器Ｉ／Ｆ（インタフェース）部２１は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器Ｉ／Ｆ部２１を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部２１は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やＲＳ−２３２Ｃ等で構成されており、通常複数の周辺機器Ｉ／Ｆを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。

バス２３は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

次に、本発明にかかる構造物の欠陥検出装置１の処理の流れを説明する。図３は、欠陥検出処理の流れを示すフローチャートである。

まず、制御部１０は、打撃装置７によって構造物３に対して打撃を与える（ステップ１０１）。これにより発生した構造物３表面における振動による振動データがセンサ５により取得される（ステップ１０２）。制御部１０は、振動データを記憶手段である記憶部１１に記憶する（ステップ１０３）。

次に、制御部１０は、得られた振動データに対して、フーリエ解析手段によってフーリエスペクトル解析を行う（ステップ１０４）。ステップ１０２によって得られた振動データは、フーリエスペクトル解析によって、周波数と強度による２次元データとして処理される。

次に、制御部１０は、記憶部１１よりあらかじめ記憶部１１に記憶されていた周波数閾値を読み込む（ステップ１０５）。周波数閾値とは、健全な構造物と欠陥を有する構造物とで、打撃に対する構造物表面の振動の周波数帯が変わることにより得られ、健全な構造物により得られたスペクトルと欠陥を有する構造物より得られたスペクトルを区別するための周波数である。なお、各種条件に応じた複数の周波数閾値が記憶部に記憶されている場合には、それらの内から、今回使用する周波数閾値を入力部等によって選択すれば良い。

通常、コンクリート構造物の内部に欠陥等が存在する場合、打撃により得られる構造物表面の振動の周波数帯が、低周波数側へシフトする。したがって、健全な構造物により得られたスペクトルに対して、欠陥を有する構造物により得られたスペクトルは、低周波数側にシフトした形態となる。周波数閾値は、これらのスペクトルを区別するために設定される基準周波数である。

周波数閾値を設定する方法は、以下のとおりである。まず、事前に、試験対象となる構造物と同様の構造物（例えば、同様のコンクリート成分や厚さを有する構造体）または同様の試験体に対して、複数の予備調査を行い、目視等による欠陥の有無とフーリエスペクトルの形態の相関データを取得する。

この際、不合格となるぎりぎりの欠陥（目視等の評価による欠陥）と健全な状態でのスペクトルの形態が分離可能な周波数を設定する。たとえば、欠陥を含む構造物のスペクトルがほとんど２０００Ｈｚ以下であるのに対し、健全な構造物によるスペクトルが、２５００Ｈｚ以上で急激に立ち上がるような形態であれば、周波数閾値は２０００〜２５００Ｈｚの間で設定される。通常は、健全な構造物のスペクトルのピーク（周波数）と、欠陥を含む構造物のピーク（周波数）との間の値をとれば良い。このようにして、複数の予備調査により得られた基準となる周波数閾値は、記憶部１１に保存される。以上により、周波数閾値が設定される。

次に、制御部１０は、ステップ１０４により得られたフーリエスペクトルから、スペクトルスコア算出手段によりスペクトルスコアＲ_ＬＦを算出する（ステップ１０６）。

スペクトルスコアＲ_ＬＦの算出方法について、図４を参照して説明する。図４は、得られたフーリエスペクトルの模式図である。周波数Ｑは前述の周波数閾値である。スペクトルスコアＲ_ＬＦは、周波数閾値よりも低周波数側のスペクトルにより形成される面積を全周波数域でのスペクトルにより形成される面積で除した値により算出される（以後、周波数−強度の２次元スペクトルによって形成される面積を、単にスペクトル面積と称する。）。すなわち、周波数閾値よりも低周波数側のスペクトル面積と全周波数域でのスペクトル面積との比によって欠陥を判断する。

すなわち、スペクトルスコアＲ_ＬＦは以下の（１）式で算出される。
Ｒ_ＬＦ＝Ａ１／（Ａ１＋Ａ２）・・・（１）
但し、Ａ１は周波数閾値以下の低周波数側のスペクトル面積（図４におけるＯＰＱで囲まれた面積）であり、Ａ２は、周波数閾値を超える部分のスペクトル面積（図４におけるＰＱＺ）である。したがって、Ａ１＋Ａ２は全周波数域でのスペクトル面積となる。以上のようにして、スペクトルスコアが算出される。

次に、制御部１０は、あらかじめ記憶部１０に記憶されている基準スペクトルスコア値を記憶部１１より読み出す。基準スペクトルスコア値は、算出されたスペクトルスコアの合否判定を行う基準値である。

基準スペクトルスコア値は以下のように設定される。前述の周波数閾値の設定の際に、健全部および欠陥部のそれぞれにおいて、設定された周波数閾値を用いてスペクトルスコアが算出される。前述の通り、健全部と欠陥部とでは周波数帯が異なるため、周波数閾値以下のスペクトル面積率が大きく異なる。たとえば、健全な構造物のスペクトルにおいては、所定の周波数閾値に対するスペクトルスコアが０．１以下となるのに対し、欠陥を有する構造物のスペクトルにおいては、同様の周波数閾値に対するスペクトルスコアが０．２以上となる。

このような場合には、基準スペクトルスコア値を０．１から０．２の間に設定すれば良い。なお、構造物によって差はあるが、たとえば、周波数閾値としては５００〜３０００Ｈｚであり、より細かくは１０００〜２５００Ｈｚ程度と設定できる。この場合の基準スペクトルスコア値としては、設定される周波数閾値に応じて、例えば、０．０５〜０．４以下などと設定することができる。

次に、制御部１０は、ステップ１０６により得られたスペクトルスコアＲ_ＬＦと、基準スペクトルスコア値とを比較する（ステップ１０８）。制御部１０は、判定手段によって、スペクトルスコアＲ_ＬＦが基準スペクトルスコア値よりも小さい場合には当該構造物には欠陥はなく健全と判断し、スペクトルスコアＲ_ＬＦが基準スペクトルスコア値を超える場合には、欠陥があると判断する（ステップ１０９〜１１１）。結果は、例えばディスプレイなどの表示部に表示させてもよい。以上により、構造物の欠陥の検出を終える。

このように本発明にかかる欠陥検出装置１によれば、スペクトルスコアを用いることで、構造物の欠陥の有無を数値化することができ、より確実に欠陥を検出することができる。また、通常の打音法と同様に、構造物に衝撃を付与するのみで評価できるため、構成が簡易であり容易に評価することができる。

本発明にかかる欠陥検出装置を用いて、構造物の評価を行った。図５は構造物を打撃して得られた振動データに対してフーリエスペクトル解析を行った結果を示す図で、図５（ａ）は目視により健全であると判断された構造物により得られたスペクトルの一例であり、図５（ｂ）は、目視により欠陥が発見された構造物により得られたスペクトルの一例である。

構造物としては、コンクリート製のボックスカルバートを選択した。事前に行った予備試験において、周波数閾値は２０００Ｈｚ、この際の基準スペクトルスコア値は０．１と設定した。図５中の点線は周波数閾値（２０００Ｈｚ）を示す。

前述の通り、健全な構造物（図５（ａ））に対して、欠陥を含む構造物（図５（ｂ））は、スペクトル形態が低周波数側に偏っていることが分かる。また、欠陥を含む構造物のスペクトルは、ほとんどが２０００Ｈｚ以下であるのに対し、健全部では、より高周波数側に広がったスペクトル形態となった。

計９件の構造物より得られたスペクトルから、それぞれスペクトルスコアを算出した。結果を表１に示す。なお、本実施例においては、周波数閾値２０００Ｈｚに対して、基準スペクトルスコア値を０．１と設定したため、得られたスペクトルスコアが０．１以下のものを「健全である」（表中○で示す）と判断し、０．１を超えるものを「欠陥あり」（表中×で示す）と判断した。また、比較のため、目視によって欠陥の有無を判断した結果も合わせて表に示した。

結果より、目視として健全またはわずかな浮き（コンクリートの剥がれ）が見られたＮｏ．１〜Ｎｏ．４については、本検出装置（方法）によって健全と判断された。これに対し、目視で完全な欠陥が発見されたＮｏ．５〜Ｎｏ．９については、スペクトルスコアが０．１を超え、欠陥があることが検出された。

なお、わずかに浮きが見られた試験Ｎｏ．４を、欠陥として検出したい場合には、基準スペクトルスコア値をよりシビアに設定（例えば０．０６）すれば良い。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………欠陥検出装置
３………構造物
５………センサ
７………打撃装置
９………解析装置

Claims

構造物の欠陥を検出する方法であって、
前記構造物に衝撃を与える工程（ａ）と、
前記衝撃により生じる前記構造物の振動データを取得する工程（ｂ）と、
前記振動データのフーリエスペクトル解析を行う工程（ｃ）と、
所定の周波数よりも低周波数域における前記スペクトルにより形成される面積を、全周波数域における前記スペクトルによって形成される面積で除した値であるスペクトルスコアを算出する工程（ｅ）と、
前記スペクトルスコアが所定値以下の場合に構造物が健全であると判断し、前記スペクトルスコアが所定値を超える場合には構造物が不健全であると判断する工程（ｆ）と、
を具備し、
前記工程（ｅ）における前記所定の周波数は、事前に、対象となる前記構造物と同様の構造物において、健全部及び目視により欠陥が認められた欠陥部に対して打撃試験を行い、フーリエスペクトル解析により得られたそれぞれのスペクトルから、健全部のスペクトルのピークと欠陥部のスペクトルのピークとの間の値とし、
前記工程（ｆ）における前記スペクトルスコアの前記所定値は、前記健全部および前記欠陥部のそれぞれにおいて前記所定の周波数を用いて算出されるスペクトルスコアから、前記所定の周波数に応じて設定されることを特徴とする構造物の欠陥検出方法。