JP5541506B2

JP5541506B2 - 検査装置

Info

Publication number: JP5541506B2
Application number: JP2010115166A
Authority: JP
Inventors: 正直斎藤; 敏彦平間; 一夫村上
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: JP2011242269A

Description

本発明は、コンクリート構造物におけるひび割れ深さ及び位置を検査するために用いられる検査装置に関する。

鉄筋コンクリート構造物は、コンクリートの性質上その表面に微細なひび割れが生じやすいが、このひび割れが進展し鉄筋に到達すると、鉄筋が腐食する原因となり、構造物の耐久性や構造物の安全性に影響を及ぼすこととなる。

そこで、鉄筋コンクリート構造物においては、維持管理のための定期検査や地震後の健全性評価で、目視による観察やひび割れ幅の調査を行っている。ところで、このような調査は人手によるものであり労力及び時間を要するものであるので、これをより効率的に行うために、鉄筋コンクリート構造物の内部状況を検査・把握するための検査装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１（特開２００３−３５７０３号公報）には、コンクリート構造物の測定面に配置されたダンパと、このダンパを介して前記測定面の振動を電気信号に変換する振動検出器とを備え、前記振動に含まれるほぼ５キロヘルツ以下の周波数の振動成分を前記ダンパを介して前記振動検出器により検出し、その検出出力に基づいてコンクリート構造物の内部を非破壊検査することを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査装置が開示されている。
特開２００３−３５７０３号公報

従来の検査装置におけるコンクリート構造物の検査では、縦弾性波の減衰をセンシングする方法が採用されているが、このような方法に基づくものでは、コンクリート構造物中のひび割れによる減衰が大きく、ひび割れの近傍で測定を実施する必要があると共に、測定と分析にかなりの時間を要することから、適用範囲が限定されてしまう、という問題があった。

この発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、検査面における所定位置を所定周波数で打突する打突振動子と、前記検査面における第１位置に固定されると共に、前記検査面の振動に係る物理量を検知する第１受信子と、前記検査面における第２位置に固定されると共に、前記検査面の振動に係る物理量を検知する第２受信子と、前記第１受信子によって検知された前記検査面の振動に係る物理量に対し、前記打突振動子による打突位置と前記第１位置との間の距離に応じた補正を行い、第１補正物理量を得る第１補正手段と、前記第２受信子によって検知された前記検査面の振動に係る物理量に対し、前記打突振動子による打突位置と前記第２位置との間の距離に応じた補正を行い、第２補正物理量を得る第２補正手段と、前記第１補正手段によって得られた前記第１補正物理量から、表面波の大きさと関連する第１物理量を抽出する第１フィルタ手段と、前記第２受信子によって検知された前第２補正物理量から、表面波の大きさと関連する第２物理量を抽出する第２フィルタ手段と、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量との比を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された比を、前記打突振動子による打突位置と対応させて表示する表示手段と、を有し、前記打突振動子は位置情報発信機能が設けられ、前記第１受信子と前記第２受信子とは、前記打突振動子から発信される位置情報を受信可能な位置情報受信機能が設けられることを特徴とする検査装置である。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の検査装置において、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ深さを特定するひび割れ深さ特定手段を有することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の検査装置において、前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ位置を特定するひび割れ位置特定手段を有することを特徴とする。

本発明に係る検査装置によれば、予め所定位置に固定しておいた複数の受信子から取得した、表面波の大きさと関連する物理量の比（又は対数表示の場合は差分）に基づいて、検査対象領域におけるひび割れに関する情報を推定することが可能となる。本発明に係る検査装置によれば、ひび割れの近傍で検査を実施する必要はなく、また、分析に要する時間もわずかであり、効率的に広範囲の構造物表面を検査することが可能となる。そして、このような本発明に係る検査装置によれば、合理的な補修計画を行うことができる。

本発明の実施形態に係る検査装置１０の概要を模式的に示す図である。本発明の実施形態に係る検査装置１０におけるデータ処理の流れの概略を示す図である。第１受信子、第２受信子で取得され補正された検出振動波形を略式的に示す図である。本発明の実施形態に係る検査装置１０による検査結果表示例を示す図である。本発明の実施形態に係る検査装置１０による検査の一つのシチュエーションを示す図である。本発明の実施形態に係る検査装置１０の測定原理の概略を説明する図である。表面波の垂直分布の概略を示す図である。本発明に係る検査装置における表面波の捉え方を実測値に基づいて説明する図である。本発明の他の実施形態に係る検査装置１０の概要を模式的に示す図である。本発明の他の実施形態に係る検査装置１０の概要を模式的に示す図である。本発明の他の実施形態に係る検査装置１０における打突振動子の位置情報取得方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る検査装置の概要を模式的に示す図である。図１において、１はコンクリート構造物、１０は検査装置、１００は打突振動子、２０１は第１受信子、２０２は第２受信子、３００はパーソナルコンピュータをそれぞれ示している。また、１は検査装置１０の検査対象となるコンクリート構造物を示している。

本発明の実施形態に係る検査装置１０は、概略、コンクリート構造物１における検査対象領域（斜線部）の２つの端部位置に固定される第１受信子２０１及び第２受信子２０２、コンクリート構造物１の表面部を打突する打突振動子１００及び、第１受信子２０１及び第２受信子２０２で取得されたデータを処理するパーソナルコンピュータ３００から構成されている。

打突振動子１００は、検査対象であるコンクリート構造物１の表面を打突部本体（打突子）によって所定の周波数（振動数）で打突するものである。本実施形態に係る検査装置１０では、打突部本体を１１ｋＨｚで振動させて、コンクリート構造物１表面を打突するようにしたが、検査対象のコンクリート構造物１の特性や対象とするひび割れ深さに応じて、打突部本体の振動周波数は適宜変更することが好ましい。本実施形態に係る検査装置１０においては、打突振動子１００による打突位置については適当な方法でパーソナルコンピュータ３００にも入力される構成とされる。

第１受信子２０１は所定の第１位置にて固定され、コンクリート構造物１の振動に係る物理量として加速度を検知する。同様に、第２受信子２０２は所定の第２位置にて固定され、コンクリート構造物１の表面（検査面）の振動に係る物理量として加速度を検知する。なお、本実施形態においては、第１受信子２０１及び第２受信子２０２によって取得する物理量を加速度としたが、第１受信子２０１及び第２受信子２０２によって取得する物理量を振幅、音のエネルギー、音圧などとすることもできる。

第１受信子２０１及び第２受信子２０２は規格が共通のものを用い、検査面への接触状態等が同じ条件となるようにコンクリート構造物１の表面に取り付けられている。本発明の実施形態に係る検査装置１０では、第１受信子２０１及び第２受信子２０２として加速度センサを用いたが、受信子としては加速度センサに限らず、コンクリート構造物１表面の振動状態を検知するものであれば、マイクロホン或いはレーザー振動計などの非接触型の振動検出センサなどといったものを用いることができる。

また、第１受信子２０１や第２受信子２０２などの本実施形態に係る検査装置１０で用いられる受信子には、検知した振動に係る物理量データをパーソナルコンピュータ３００に送信可能なデータ出力部が設けられている。

パーソナルコンピュータ３００は現在普及している一般的なものを用いることができるが、本実施形態においては、少なくとも第１受信子２０１及び第２受信子２０２から送信される振動に係る物理量データを受信可能なインターフェイス手段を有するパーソナルコンピュータ３００が用いられる。

また、パーソナルコンピュータ３００には、第１受信子２０１及び第２受信子２０２から取得された振動に係る物理量データをデータ処理することためのＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなど基本的な情報処理機構を有している。また、パーソナルコンピュータ３００は、データ処理を行った結果を表示することが可能なディスプレイなどの表示手段を備えてなるものである。

以上のように構成される本実施形態に係る検査装置１０による検査手順としては、検査
対象領域上に仮想的な格子点を設定しておき、打突振動子１００により一つの格子点を打突して振動を発生させて、この振動を第１受信子２０１及び第２受信子２０２によって取得する。これを全ての格子点について、順次実施することによって、検査対象領域全てに対する検査を完了する。

次に、以上のように構成される本実施形態に係る検査装置１０におけるデータ処理について説明する。図２は本発明の実施形態に係る検査装置１０におけるデータ処理の流れの概略を示す図である。

図２において、ステップＳ１００でデータ処理が開始されると、続いてステップＳ１０１で、第１受信子２０１によりコンクリート構造物１表面の振動に係る物理量を取得する。次のステップＳ１０２においては、打突振動子１００による打突位置と第１受信子２０１との間の距離ｒ₁に応じた補正を行い、第１補正物理量を取得する。ここで、ステップ
Ｓ１０２における補正は打突振動子１００による打突位置から第１受信子２０１が固定されている第１位置までに、振動に係る物理量が伝達する間に、距離によって当該物理量が減衰する分を補う補正である。すなわち、打突位置と第１位置との間の距離に基づく距離減衰分が補正された物理量が、第１補正物理量である。ステップＳ１０３においては、第１補正物理量から表面波に係る第１物理量（Ａ１）抽出する処理を実行する。

ステップＳ１０４においては、第２受信子２０２によりコンクリート構造物１表面の振動に係る物理量を取得する。次のステップＳ１０５においては、打突振動子１００による打突位置と第２受信子２０２との間の距離ｒ₂に応じた補正を行い、第２補正物理量を取
得する。先ほどと同様に、ステップＳ１０５における補正は打突振動子１００による打突位置から第２受信子２０２が固定されている第２位置までに、振動に係る物理量が伝達する間に、距離によって当該物理量が減衰する分を補う補正である。すなわち、打突位置と第２位置との間の距離に基づく距離減衰分が補正された物理量が、第２補正物理量である。ステップＳ１０６においては、第２補正物理量から表面波に係る第２物理量（Ａ２）抽出する処理を実行する。

ステップＳ１０７においては、（第２物理量Ａ２）／（第１物理量Ａ１）を算出する。なお、本実施形態においては、第２物理量を第１物理量によって除するような算出を行ったが、第１物理量を第２物理量によって除するような算出を行うように定義することもできる。また、加速度を対数表示した場合は差分をとればよい。

第１受信子２０１及び第２受信子２０２として、加速度計を使用する場合は振動を、また、マイクロホンを使用する場合は音圧を測定するが、いずれの場合においても、ステップＳ１０７においては、（第２物理量Ａ２）／（第１物理量Ａ１）、すなわち比を算出する。

ステップＳ１０８においては、打突位置に応じたステップＳ１０７による算出値をマッピングする。

ステップＳ１０９では、予め決められた検査対象領域の全てについて、マッビングが済んだか否かが判定される。ステップＳ１０９における判定がＮＯであるときには、ステップＳ１１０に進み、打突振動子１００を移動して、次の移動先の物理量を取得するループに戻る。

一方、ステップＳ１０９における判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ１１１に進み、マップに基づき, 検査対象領域の全てのマッビング結果を表示する。また、このステップＳ１１１においては、マップに基づきひび割れ深さ及び位置を特定する。ステップＳ
１１１に続く、ステップＳ１１２で、処理を終了する。

ステップＳ１１１において、マップに基づき,ひび割れ深さ及び位置を特定するが、本
発明に係る検査装置においては、ひび割れ深さ及び位置を特定する方法については、例えば、呉佳曄・堤知明・江川顕一郎「表面波を用いたひび割れ深さの新しい測定技術」，ＪＳＤＮＩシンポジウム「コンクリート構造物の非破壊検査への期待」論文集，ｐｐ．２４３−２５２，２００３などに開示されている方法を適宜採用することができる。ステップＳ１１１は、特許請求の範囲において、ひび割れ深さ特定手段、及び、ひび割れ位置特定手段として現されるものである。

ここで、ステップＳ１０３における第１物理量（Ａ１）を抽出する処理、ステップＳ１０６における第２補正物理量（Ａ２）を抽出する処理についてより詳しく説明する。図３は第１受信子２０１（図３（Ａ））及び第２受信子２０２（図３（Ｂ））で取得された物理量に対して、ステップＳ１０２、Ｓ１０５で距離減衰補正を行った振動波形を略式的に示す図である。

図３において、振幅が小さい方の波形は第１受信子２０１で検出されるＰ波（縦波成分）であり、振幅の大きい方の波形は第１受信子２０１で検出される表面波（成分）である。打突振動子１００と第１受信子２０１との間の距離ｒ₁は既知であり、なおかつ打突振
動子１００がコンクリート構造物１表面を打突する周波数、打突振動子１００が打突を開始する時刻ｔ₁はコントロールされたものであるので、第１受信子２０１にＰ波が到達す
る時刻ｔ₂、及び、第１受信子２０１に表面波が到達する時刻ｔ₃の概略についてはある程度予想することができる。

そこで、本発明の実施形態に係る検査装置１０においては、第１受信子２０１に時刻ｔ₂前後に到達する振幅の小さい波についてはデータとして取得せず、第１受信子２０１に
時刻ｔ₃前後に到達する振幅の大きい波の振幅データを、表面波の大きさと関連する物理
量として抽出するようにされている。より具体的には、図３に示す振幅の大きい波の最初の振幅Ａ₁を、第１受信子２０１での測定から抽出される第１物理量Ａ₁として取得する。本実施形態に係る検査装置１０が、このような物理量を抽出する工程については、フィルタ工程と称することとする。

同様に、打突振動子１００と第２受信子２０２との間の距離ｒ₂は既知であり、なおか
つ打突振動子１００がコンクリート構造物１表面を打突する周波数、打突振動子１００が打突を開始する時刻は制御可能であるので、本実施形態に係る検査装置１０においては、第２受信子２０２に時刻ｔ₄前後に到達する振幅の小さい波についてはデータとして取得
せず、第２受信子２０２に時刻ｔ₅前後に到達する振幅の大きい波の振幅データを、第２
受信子２０２における表面波の大きさと関連する第２物理量Ａ₂として取得する。

本実施形態に係る検査装置１０によるデータ処理を行った結果について図４を参照して説明する。図４は、予め定められた格子点上を打突振動子１００で打突して、第１受信子２０１及び第２受信子２０２によって収集した検査データを処理したものであり、格子点における（第２物理量Ａ２）／（第１物理量Ａ１）の算出値が、２０〜３０であるとき、１０〜２０であるとき、０〜１０であるとき、−１０〜０であるとき、−２０〜−１０であるとき、−３０〜−２０であるとき、−４０〜−３０であるとき、それぞれに応じて色分けして表示したものである。

検査装置１０によって検査データを取得する上で、ひび割れを模擬するため意図的に２本のスリットを図４に示すように予め設けておいた。図４からわかるように、スリットを境界として、表示パターンが変化する傾向があることがわかる。

このように、本発明に係る検査装置１０によれば、予め所定位置に固定しておいた複数の受信子から取得した、表面波の大きさと関連する物理量の比（又は対数表示の場合は差分）に基づいて、検査対象領域におけるひび割れに関する情報を推定することが可能となる。本発明に係る検査装置１０によれば、ひび割れの近傍で検査を実施する必要はなく、また、分析に要する時間もわずかであり、効率的に広範囲の構造物表面を検査することが可能となる。そして、このような本発明に係る検査装置１０によれば、合理的な補修計画を行うことができる。

ところで、コンクリート壁に近接して、図５に示すような配管などが設けられているなどの理由により、検査対象領域によっては、全ての検査対象領域にわたって打突振動子１００による打突を行うことができない場合があるが、本発明に係る検査装置１０によれば、打突振動子１００による打突を行うことができない箇所を除く箇所から検査データを取得することにより、ひび割れに関する情報をおおよそ推定することが可能となる。

次に、本発明の実施形態に係る検査装置１０が用いる測定原理について説明する。図６は本発明の実施形態に係る検査装置１０の測定原理の概略を説明する図であり、図７は表面波の垂直分布の概略を示す図である。以下に説明する測定原理においては、ひび割れによる表面波のエネルギーの減衰について論じている。

ひび割れ（スリット）による表面波の減衰量は、スリットによって伝搬を阻害された表面波のエネルギーが減衰するとして理論化することができる。上下方向の振幅を持つ表面波の振幅分布は、図７のようになるとされている。
このときの分布式は

として現すことができる。

ここで、λは入力波動の波長、Ｄはひび割れ（スリット）の深さである。係数Ａはスリット深さが波長と等しいとき、振幅が１／４になると仮定すると、Ａ＝−１．３８６３となる。

スリット深さがＤの時、その深さまでに分布するエネルギー量は、

である。なお、全エネルギーは、Ｄ→∞とすれば良いので、Ｅ_o＝−λ／２Ａである。減
衰量の比率は、

となる。
スリット通過後は、このエネルギーで再び表面波として振幅分布する。すなわち、

これから、ひび割れ（スリット）深さＤの時、測定した振動の減衰量（ｄＢ）は、

となる。なおｕは、ひび割れ（スリット）に関係なく上下方向振動成分を持つ表面波の深さＤでの振幅である。

次に、本発明に係る検査装置に用いられている表面波の捉え方について説明する。図８に本発明に係る検査装置における表面波の捉え方を実測値に基づいて説明する図である。波動が上向きになる最初のピーク（▽印）は、その到達時間から、スリットの先端を回折した縦弾性波と考えられる。波動が下向きになる最初のピーク（▲印）は表面波と見なせる。減衰量（ｄＢ）は、第１受信子２０１に対する第２受信子２０２のレベル差から算出している。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図９は本発明の他の実施形態に係る検査装置１０の概要を模式的に示す図である。先の実施形態においては検査対象領域の両端に第１受信子２０１及び第２受信子２０２の２つの受信子を設けるようにしていたが、本実施形態においては、検査対象領域の４隅に第１受信子２０１、第２受信子２０２、第３受信子２０３、第４受信子２０４からなる４つの受信子を設けるようにした。また、第１受信子２０１から、先の実施形態で説明したものと同様の処理により第１物理量（Ａ１）を抽出し、同じく、第２受信子２０２から、先の実施形態で説明したものと同様の処理に
より第２物理量（Ａ２）を抽出し、第３受信子２０３から、先の実施形態で説明したものと同様の処理により第３物理量（Ａ３）を抽出し、第４受信子２０４から、先の実施形態で説明したものと同様の処理により第４物理量（Ａ４）を抽出する。

先の実施形態においては、（第２物理量Ａ２）／（第１物理量Ａ１）を算出しマッピングを行う処理を行ったが、本実施形態においては、第１物理量（Ａ１）、第２物理量（Ａ２）、第３物理量（Ａ３）、第４物理量（Ａ４）のうちの任意の２つの物理量の比を算出してマッピングを行うことにより合計６種類の異なるマップを表示させることが可能となる。このような実施形態によれば、検査対象領域におけるひび割れに関する情報をより確度高く推定することが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図１０は本発明の他の実施形態に係る検査装置１０の概要を模式的に示す図である。本実施形態においては、打突振動子にはその位置情報を取得するための情報を発信することが可能な位置情報発信機能付き打突振動子１１０が用いられており、また、受信子としても打突振動子から発信される位置情報を取得可能な位置情報受信機能付き第１受信子２１１及び位置情報受信機能付き第２受信子２１２が用いられる。また、位置情報受信機能付き第１受信子２１１及び位置情報受信機能付き第２受信子２１２は、パーソナルコンピュータ３００に出力するようになっている。本発明においては、打突振動子の位置情報を自動的に取得することが可能である点を除いて、検査データの処理等はこれまで説明した実施形態と同様のものが用いられるので、本実施形態に係る、打突振動子の位置情報を取得するための原理について以下説明する。

図１１は本発明の他の実施形態に係る検査装置１０における打突振動子の位置情報取得方法を説明する図である。

位置情報発信機能付き打突振動子１１０には、赤外線発生回路と超音波発生回路とこれらを制御する制御手段を有している。この制御手段は、位置情報発信機能付き打突振動子１１０で検査対象領域の打突を行ったときに、赤外線発生回路によって赤外線信号を発生させ、また、超音波発生回路によって超音波信号を発生させるように構成されている。

また、一方、位置情報受信機能付き第１受信子２１１及び位置情報受信機能付き第２受信子２１２には、赤外線受光部と超音波受信部を有しており、位置情報発信機能付き打突振動子１１０から発生させる赤外線信号及び超音波信号を受信可能に構成されている。

赤外線信号が赤外線受光部に到達する時間と、超音波信号が超音波受信部に到達する時間の差分から、位置情報受信機能付き第１受信子２１１で受信される信号から図１１に示す距離ｒ₁が算出され、また、位置情報受信機能付き第２受信子２１２で受信される信号
から図１１に示す距離ｒ₂が算出される。このようにして、本実施形態では、位置情報発
信機能付き打突振動子１１０と位置情報受信機能付き第１受信子２１１との間の距離ｒ₁
、及び位置情報発信機能付き打突振動子１１０と位置情報受信機能付き第２受信子２１２との間の距離ｒ₂が求まり、これにより位置情報発信機能付き打突振動子１１０の打突位
置の座標（ｘ，ｙ）を算出することができるようになる。

本実施形態によれば、これまで説明した実施形態と同様の効果に加えて、打突振動子の位置情報を簡便に取得することが可能となり、検査工程やデータ処理を効率的に行うことが可能となる、という効果を享受することができる。

１・・・コンクリート構造物、１０・・・検査装置、１００・・・打突振動子、１１０・・・位置情報発信機能付き打突振動子、２０１・・・第１受信子、２０２・・・第２受信
子、２０３・・・第３受信子、２０４・・・第４受信子、２１１・・・位置情報受信機能付き第１受信子、２１２・・・位置情報受信機能付き第２受信子、３００・・・パーソナルコンピュータ

Claims

検査面における所定位置を所定周波数で打突する打突振動子と、
前記検査面における第１位置に固定されると共に、前記検査面の振動に係る物理量を検知する第１受信子と、
前記検査面における第２位置に固定されると共に、前記検査面の振動に係る物理量を検知する第２受信子と、
前記第１受信子によって検知された前記検査面の振動に係る物理量に対し、前記打突振動子による打突位置と前記第１位置との間の距離に応じた補正を行い、第１補正物理量を得る第１補正手段と、
前記第２受信子によって検知された前記検査面の振動に係る物理量に対し、前記打突振動子による打突位置と前記第２位置との間の距離に応じた補正を行い、第２補正物理量を得る第２補正手段と、
前記第１補正手段によって得られた前記第１補正物理量から、表面波の大きさと関連する第１物理量を抽出する第１フィルタ手段と、
前記第２受信子によって検知された前第２補正物理量から、表面波の大きさと関連する第２物理量を抽出する第２フィルタ手段と、
前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量との比を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された比を、前記打突振動子による打突位置と対応させて表示する表示手段と、を有し、
前記打突振動子は位置情報発信機能が設けられ、
前記第１受信子と前記第２受信子とは、前記打突振動子から発信される位置情報を受信可能な位置情報受信機能が設けられることを特徴とする検査装置。
前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ深さを特定するひび割れ深さ特定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記第１フィルタ手段によって抽出された第１物理量と、前記第２フィルタ手段によって抽出された第２物理量から、ひび割れ位置を特定するひび割れ位置特定手段を有することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。