JP5307047B2

JP5307047B2 - のり面保護工の診断方法および健全度診断装置

Info

Publication number: JP5307047B2
Application number: JP2010009711A
Authority: JP
Inventors: 昌弘篠田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-01-20
Also published as: JP2011149751A

Description

本発明は、コンクリート製ののり面保護工に生じる欠陥等を発見するためののり面保護工の診断方法および健全度診断装置に関するものである。

従来、コンクリート製の構造物については、目視で外観上発見することのできる欠陥や劣化以外に、内部に存在する欠陥等についても発見する必要があり、また、このような欠陥を数値化することが要求されている。

このようなコンクリート構造物の診断方法としては、重錘によって構造物の表面に垂直に打撃し、この打撃により生じる振動をセンサ等で検知し、フーリエ解析による固有振動数の変化によって、構造物の健全度を評価する方法がある（特許文献１）。

特開２００７−５１８７３号公報

しかし、特許文献１記載の方法は、重錘を用いるため、打撃部位ごとに重錘およびこの打撃装置を移動させて設置する必要があり作業が困難であるという問題がる。また、のり面保護工のように、傾斜面に対して、垂直に打撃を行うことが困難であるという問題がある。

また、通常、健全度の評価に用いられる固有振動数は、低次（例えば1次）の振動モードの振動強度が低いことにより、正確な周波数を検出することが困難であるため、高次（例えば２次以降）の振動モードの固有振動数が用いられる。しかし、高次の振動モードは、測定条件等の影響を受けやすく、このため、より正確な判断手法が望まれている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、傾斜面に対しても確実に振動を付与することができ、また、測定条件等の影響を受けにくくより正確な判断情報を取得可能なのり面保護工の診断方法等を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、第１の発明は、コンクリート製のり面保護工の診断方法であって、前記のり面保護工の露出面に起振器および加速度計を設置し、前記起振器の設置面に垂直な方向に前記起振器により振動を発振し、発振された発振振動情報と、加速度計により受振した受振振動情報とを取得し、取得された前記発振振動情報および前記受振振動情報からクロススペクトルを算定し、クロススペクトルの実部と虚部とを特定して周波数応答関数の位相特性を算出し、前記位相特性から測定部における測定固有振動数を特定し、あらかじめ得られた健全状態における標準固有振動数と前記測定固有振動数とから、前記のり面保護工の健全度を診断することを特徴とするのり面保護工の診断方法である。

前記測定固有振動数は、最も周波数の小さい１次モードの固有振動数であることが望ましい。

前記のり面保護工は、のり枠工または分割型壁面工であってもよい。

第１の発明によれば、のり面保護工の診断面に対して垂直な方向に起振が可能な起振器が用いられるため、確実に診断面に垂直な方向で、かつ、正負方向に振動を付与することができる。このため、重錘等を用いる必要がない。

また、クロススペクトルから周波数応答関数の位相特性を算出し、位相特性からのり面保護工の固有振動数を特定するため、低次（例えば１次）モードの固有振動数を、正確に得ることができる。したがって、測定条件などの影響を受けにくく、再現性が高く、正確な固有振動数を得ることができる。

第２の発明は、被検査体の健全度の診断装置であって、発振振動を発振する起振器と、受振振動を受振する加速度計と、前記起振器および前記加速度計と接続され、発振振動情報と受振振動情報とを取得可能な振動情報取得手段と、前記振動情報取得手段により取得された前記発振振動情報および前記受振振動情報からクロススペクトルを算定するクロススペクトル算定手段と、前記クロススペクトル算定手段により算定されたクロススペクトルの実部と虚部とを特定して周波数応答関数の位相特性を算出する位相特性算出手段と、前記位相特性算出手段により算出された前記位相特性から測定部における測定固有振動数を特定する固有振動数特定手段と、あらかじめ記憶されている健全状態における標準固有振動数と前記測定固有振動数とから得られる指標値と、基準値とを比較する比較手段と、前記比較手段による比較により健全度を判定する健全度判定手段と、を具備し、被検査体の健全度を診断可能であることを特徴とする健全度診断装置である。

第２の発明によれば、これまで測定が困難であった傾斜を有する場所や、狭隘な場所でも容易に構造体（被検査体）の診断を行うことができ、また、低次モードの固有振動数を得ることができるため、再現性が高く、正確なデータを得ることができる。

本発明によれば、傾斜面に対しても確実に振動を付与することができ、また、測定条件等の影響を受けにくくより正確な判断情報を取得可能なのり面保護工の診断方法等を提供することができる。

のり面保護工１の健全度診断測定状態を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は立面図。診断装置１７のハードウェア構成を示す図。処理装置１５のハードウェア構成を示す図。解析装置１３のハードウェア構成を示す図。解析装置１３の構成を示す図。健全度診断のフロー図。周波数応答関数の振幅特性と位相特性を示す図で（ａ）は振幅特性、（ｂ）は位相特性を示す図。のり面保護工１の健全度診断測定状態を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は立面図。

以下、本発明の実施の形態にかかるのり面保護工の健全度診断方法等について説明する。図１は、のり面保護工１の健全度を診断する状態を示す図で、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は立面図である。

盛土上に軌道３が配設されており、軌道３の側方は斜面（のり面）である。斜面の盛土の崩落等を防ぐため、盛土側方の斜面には、コンクリート製ののり面保護工１が形成される。のり面保護工１は、いわゆるのり枠工であり、格子状にコンクリートが形成される。

のり面保護工１の例えば格子の交点部に起振器９が設置される。なお、起振器９とのり面保護工１との間には、所定重量のプレート等を設置してもよい。起振器９は、設置面（のり面保護工１の設置面）に対して垂直に加振を行うことのできる起振器であれば、通常用いられる起振器、加振器を用いることができ、例えば、永久磁石と可動コイルとの組み合わせによるものを用いることができる。なお、起振器９は、１Ｈｚから３００Ｈｚ程度までの加振能力を有することが望ましく、さらに望ましくは１０００Ｈｚまで測定可能であるものが望ましい。

起振器９が設置された部位から、所定距離離れた部位には、複数の加速度計７が設置される。加速度計７は、一般的な加速度計でよく、起振器９により発振され、のり面保護工１を伝達した振動を受振可能であれば良い。なお、加速度計７は、例えば、起振器９が設置された格子交点を囲むように、他の各格子交点部に設置される。

図１（ｂ）に示すように、複数の加速度計７は処理装置１５と接続される（図１（ａ）においては、処理装置、解析装置等は図示を省略する）。処理装置１５は、さらに解析装置１３と接続される。なお、起振器９は、図示を省略した制御装置により制御され、解析装置１３と接続される。

図２は、本発明にかかるのり面保護工の健全度を診断する診断装置１７を示すハードウェア構成図である。処理装置１５は、加速度計７により得られた受振振動を増幅し、デジタル化する部位である。解析装置１３は、得られた情報に基づいて、各種の計算を行い、情報処理を行う部位である。なお、図示を省略した制御装置は、起振器９の起振条件の設定や、起振開始および停止等の起振器９の制御を行うものである。

起振器９により発振された振動は、のり面保護工１に伝達される。のり面保護工１内を伝播した振動は、加速度計７により受振される。加速度計７により受振された振動情報は、処理装置によって増幅され、デジタル化される。処理された受振振動情報は解析装置１３に送られる。一方、起振器９により発振された振動情報は、必要に応じて処理が施され、デジタル情報として解析装置１３に送られる。解析装置１３は、得られた発振振動情報と受振振動情報とから対象とする部位の固有振動数を算出し、健全度を診断する。

なお、健全度とは、例えばコンクリート構造体のクラックや、背面土との密着性などであり、通常、クラックの発生や、背面土との密着性が悪化することで、構造体の剛性が下がり、このため、固有振動数が低下する。したがって、健全状態における固有振動数と比較することで、構造体の健全度を測定することができる。

次に、処理装置１５のハードウェア構成を説明する。図３は、処理装置１５の構成図である。処理装置１５は、アンプ、Ａ／Ｄ変換機および通信インタフェースからなる。加速度計７より送られる測定信号は、アンプにより増幅され、Ａ／Ｄ変換機によりデジタル化される。デジタルデータに変換された測定データは、通信インタフェースを介してデータ解析装置１３に送られる。

次に、解析装置１３のハードウェア構成を説明する。図４は、解析装置１３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１３は、制御部２１、記憶部２３、メディア入出力部２５、通信制御部２７、入力部２９、表示部３１、周辺機器Ｉ／Ｆ部３３等が、バス３５を介して接続される。

制御部２１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。ＣＰＵは、記憶部２３、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３５を介して接続された各装置を駆動制御する。なお、制御部２１によって起振器９の振動の加振力、変位、速度、加速度、周波数などを制御してもよい。

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２３、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２１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２３は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部２１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２１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２５（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２７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、起振器９、処理装置１５等との通信制御等を行う。

入力部２９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２９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３１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３３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３３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３３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３５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。

次に解析装置１３のソフトウェア構成を説明する。図５は、解析装置１３の構成を示す図である。解析装置１３は、振動情報取得手段４１、クロススペクトル算定手段４２、位相特性算出手段４３、固有振動数特定手段４４、標準固有振動数記憶手段４６、比較手段４５、健全度判定手段４７を有する。

振動情報取得手段４１は、処理装置１５によって処理された測定データ（受振振動情報）を解析装置１３に読み込む。なお、複数の加速度計７それぞれの情報が別々に取得される。また、振動情報取得手段４１は、起振器９によって発振された振動データ（発振振動情報）も解析装置１３に読み込む。

クロススペクトル算定手段４２は、収集された発振振動データと、受振振動データに基づいて、クロススペクトルを算定する。なお、発振側のデータｘ（ｔ）、受振したデータｚ（ｔ）のフーリエ変換をＸ（ｆ）、Ｚ（ｆ）とし、Ｘ（ｆ）の共役複素数をＸ^＊（ｆ）とすると、クロススペクトルＷ_ＸＺ（ｆ）は式（１）で表わされる。

ここで、周波数応答関数の算定では、発振側のデータｘ、受振したデータｚとして、ｘとｚのクロススペクトルを式（２）のようにおくことができる。なお、式（２）中、Ｃｏは実部、Ｑｕは虚部である。

位相特性算出手段４３は、周波数応答関数を算定し、周波数応答関数について位相特性を算出する。前述の系における周波数応答関数Ｈ（ｆ）の振幅特性と位相特性は、それぞれ、式（３）、式（４）のように求められる。なお、本発明においては、位相特性（式（４））が用いられて以後の処理が行われる。

固有振動数特定手段４４は、得られた位相特性から固有振動数を特定する。位相特性においては、±９０度になる周波数が固有振動数となる。したがって、最も小さな周波数において±９０度になる周波数が、一次モードの固有振動数となる。本発明では、一次モードの固有振動数を、測定固有振動数として特定する。

標準固有振動数記憶手段４６は、あらかじめ求められた健全状態における固有振動数（これを標準固有振動数と称する）が記憶されている。標準固有振動数は、例えば、施工直後の状態であらかじめ、同様の手順で測定して求めてもよく、または、シミュレーション等により計算により求められた数値を用いてもよい。

比較手段４５は、測定された固有振動数と標準固有振動数とを比較する。比較は、例えば、測定固有振動数を標準固有振動数で除して、固有振動数の低下割合を算出してもよい。また、単純に絶対値同士を比較して差を求めてもよい。

健全度判定手段４７は、比較手段で比較された結果に基づいて、健全度を判定する。たとえば、あらかじめ設定された基準値と、比較手段で比較された結果を比較し、基準値を超えた場合（前述した固有振動数の低下割合であれば、基準値を下回った場合、固有振動数の差であれば、基準値以上の差となった場合）に健全度が悪化したと判定する。

次に、本発明にかかる診断装置１７の処理の流れを説明する。図６は、健全度診断処理の流れを示すフローチャートである。

まず、起振器９の起振条件が設定される（ステップ１０１）。起振条件の設定は、制御装置（制御部）等で行ってもよく、あらかじめ設定され記憶された起振条件を読み出して実行してもよい。次いで、設定された起振条件によって、起振器９が駆動され、振動が発振される（ステップ１０２）。

次に、加速度計７により、被検査体である構造物（のり面保護工１）の振動データ（受振振動情報）を検出する（ステップ１０３）。次に、処理装置１５によって測定データが処理される（ステップ１０４）。測定データの処理は、測定データを増幅するとともにデジタル変換される。処理された測定データは、解析装置１３に送信される。

次に、解析装置１５によって処理された測定データおよび起振器９により発振された発振データが、解析装置１３の振動情報取得手段により取得される（ステップ１０５）。さらに、得られた振動情報から、クロススペクトル算定手段によりクロススペクトルが算定される（ステップ１０６）。得られたクロススペクトルより、位相特性算出手段により位相特性が算出され（ステップ１０７）、固有振動特定手段により固有振動数が特定される（ステップ１０８）。

次に、標準固有振動数記憶手段より標準固有振動数が取得され（ステップ１０９）、測定固有振動数を標準固有振動数で除したものが、あらかじめ設定された基準値と比較される（ステップ１１０）。測定固有振動数を標準固有振動数で除したものが、基準値以上であれば、当該構造物は健全であると診断される（ステップ１１１）。一方、測定固有振動数を標準固有振動数で除したものが基準値を下回ると、測定部の構造物の健全度が悪化していると判定される（ステップ１１２）。以上により、被検査体の健全度が診断される。

図７は、周波数応答特性関数の振幅特性と位相特性の例を表す図である。図７（ａ）に示すように、振幅特性は、横軸に振動数、縦軸に振幅として表わされる。図７（ａ）の事例では、同一対象物に対し、わずかに起振条件を変更した場合における全３回（再現性）のそれぞれの振幅特性を示す図である。図７（ｂ）より明らかなように、全３回において、ピークと思われる振動数は、１３０．１〜１３７．１Ｈｚとばらつきが確認された。

これに対し、図７（ｂ）は、同様の情報から得られた位相特性を示す図である。位相特性は、横軸に振動数、縦軸に位相角として得ることができる。前述の通り、位相特性においては、±９０度における振動数が固有振動数となる。図７（ｂ）においては、Ａ部（３６．１Ｈｚ）が一次モード（一番振動数の低い）の固有振動数となる。一次モードの固有振動数は、測定条件等による影響をほとんど受けず、極めて高い再現性を示す。一方、二次モードの固有振動数（Ｂ部）は、振幅特性で得られたと同様に、測定回数によりばらつきが確認された。すなわち、測定値の再現性や正確性は一次モードの固有振動数を用いることが望ましい。

また、振幅特性（図７（ａ））においては、位相特性で得られる一次モードの固有振動数（３６．１Ｈｚ）は明確に認識することができない。したがって、一次モードの固有振動数を得るためには、位相特性により固有振動数を特定する必要がある。

本実施の形態にかかるのり面保護工１の健全度診断方法によれば、振動の発振に起振器９が用いられるため、斜めの面を有するのり面保護工１に対しても、面に垂直に振動を発振することができ、また、設置等の作業も容易である。また、起振器９を用いることで、重錘では与えることができない高周波の振動も与えることができるため、より確実に振動情報を得ることができる。

また、クロススペクトルを用い、周波数応答関数の位相特性に注目し、位相特性から各測定部における固有振動数を特定するため、一次モードの固有振動数を確実に得ることができる。このため、再現性に優れ、正確な固有振動数を得ることができる。

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。

例えば、本実施の形態においては、のり面保護工としてのり枠工の健全度を診断する方法を示したが、のり面保護工としては他の形態でも良い。たとえば、図８（ａ）に示すように、分割型壁面工であるのり面保護工５０に適用することもできる。分割型壁面工の健全度を測定するためには、例えば、分割型壁面工の中央に起振器９を設置し、分割型壁面工の外周縁近傍に複数の加速度計７を設置すれば良い。

この場合でも、図８（ｂ）に示すように、起振器９の発振情報および処理装置１５を介した加速度計７の受振情報を解析装置１３によって、前述の実施形態と同様の手順で解析すれば良い。

１、５０………のり面保護工
３………軌道
７………加速度計
９………起振器
１３………解析装置
１５………処理装置
１７………診断装置

Claims

コンクリート製のり面保護工の診断方法であって、
前記のり面保護工の露出面に起振器および加速度計を設置し、
前記起振器の設置面に垂直な方向に前記起振器により振動を発振し、発振された発振振動情報と、加速度計により受振した受振振動情報とを取得し、
取得された前記発振振動情報および前記受振振動情報からクロススペクトルを算定し、クロススペクトルの実部と虚部とを特定して周波数応答関数の位相特性を算出し、
前記位相特性から測定部における測定固有振動数を特定し、
あらかじめ得られた健全状態における標準固有振動数と前記測定固有振動数とから、前記のり面保護工の健全度を診断することを特徴とするのり面保護工の診断方法。
前記測定固有振動数は、最も周波数の小さい１次モードの固有振動数であることを特徴とする請求項１記載ののり面保護工の診断方法。
前記のり面保護工は、のり枠工または分割型壁面工であることを特徴とする請求項１または請求項２記載ののり面保護工の診断方法。
被検査体の健全度の診断装置であって、
発振振動を発振する起振器と、
受振振動を受振する加速度計と、
前記起振器および前記加速度計と接続され、発振振動情報と受振振動情報とを取得可能な振動情報取得手段と、
前記振動情報取得手段により取得された前記発振振動情報および前記受振振動情報からクロススペクトルを算定するクロススペクトル算定手段と、
前記クロススペクトル算定手段により算定されたクロススペクトルの実部と虚部とを特定して周波数応答関数の位相特性を算出する位相特性算出手段と、
前記位相特性算出手段により算出された前記位相特性から測定部における測定固有振動数を特定する固有振動数特定手段と、
あらかじめ記憶されている健全状態における標準固有振動数と前記測定固有振動数とから得られる指標値と、基準値とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較により健全度を判定する健全度判定手段と、を具備し、
被検査体の健全度を診断可能であることを特徴とする健全度診断装置。