JP5723504B2 - 中空コンクリート柱の非破壊診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃弾性波を利用したコンクリート柱の非破壊診断方法に関する。より詳しくは、コンクリート柱について、その頂部における衝撃弾性波の波動伝播特性を利用した健全性の診断方法に関する。

コンクリート柱は、信号柱、通信用の共架柱・専用柱、電力用の送電柱・配電柱、鉄道用の電車線路柱・通信配電柱など多岐にわたって使用されている。これらのコンクリート柱は昭和３５〜昭和５０年に設置されたものが多く、老朽化したものについては鋼柱への取替えが進められており、コンクリート柱の健全性を調査・診断することが重要不可欠である。

コンクリート柱の健全性を調査診断する方法として、(イ)目視による外観調査診断方法、(ロ)弾性波を利用した非破壊診断方法、(ハ)動的診断方法による定量的診断方法、(ニ)支持物曲線測定方法、（ホ）その他の方法などが知られている。

（イ）目視による外観調査診断方法
コンクリート柱のヒビ割れ、欠損、剥落、錆汁、白色析出などは近接目視観察による外観調査を行い、曲り、反り、傾斜などは遠望目視観察による外観調査を行い、それぞれの程度によって劣化度を定性的に評価して対処している。この方法では、コンクリート柱の地際部（地面〜地上２ｍ）については直接目視観察を行い、上部や頂部など地上から直接目視できない部分については、作業者が登ったり、高所作業車を使用して直接目視し、あるいは双眼鏡等を使用して地上部から間接目視して外観を調査している。頂部の蓋部については、コンクリート柱本体との接合状態を調べて、雨水が浸入して鉄筋が腐食されないように処置している。

（ロ）弾性波を利用した非破壊診断方法
目視観察が難しい微小な亀裂や地中の亀裂を早期かつ簡便に発見するため、弾性波を利用した非破壊診断方法が利用されている。この方法はコンクリート柱の内部に弾性波を伝播させ、受信された高周波帯成分の波形によって損傷部位の位置、柱の全長、柱の根入れ長さなどを推定する方法である（特開２００３−１４７０７号公報参照）。

（ハ）動的診断方法による定量的診断方法
杭などの構造物を対象とした動的診断方法を利用してコンクリート柱の健全性を定量的に診断する方法が知られている。

(ニ)支持物曲線測定方法
支持物曲線測定方法を利用することによって定量的な輪郭曲線を表す近似曲線式を算出して既設コンクリート柱のような支持物の変位を簡単かつ厳密に解析できるようにし、解析結果から支持物の耐久性および負荷状態を診断する測定方法および測定システムが提案されている（特開２００４−３６１１５１号公報参照）。

（ホ）その他の方法
コンクリート柱の内部に予めモニタ用線路を埋設し、モニタ用線路の状態を電気的または光学的または音響的に検査して破断状態を診断する方法が知られている（特開２００２−２２３５１０号公報参照）。

特開２００３−１４７０７号公報 特開２００４−３６１１５１号公報 特開２００２−２２３５１０号公報

コンクリート柱の老朽化において、コンクリート柱の軸方向にプレストレス力を負荷して配設されている主鉄筋の腐食を早期に発見することは非常に重要である。主鉄筋の腐食はコンクリート柱頂部の蓋部と柱本体との接合状態の劣化に伴い、コンクリート柱内部に浸入する雨水によって主に発生するので、蓋部と柱本体の接合状態を適切に把握することが大切である。一般に、蓋部にはモルタルキャップが用いられているので、接合状態の調査診断においてはモルタル仕上げ部分の状態を確認することになる。

（イ）目視観察：双眼鏡による地上部からの間接目視ではモルタルキャップの劣化に伴う欠損や剥離が著しいものは把握できるが、微細な亀裂やヒビ割れは発見し難い。また、作業者が柱に登ったり高所作業車を利用して直接目視を行っても、外面まで発達していない初期の内部亀裂は発見し難く、高所作業の場合には落下や感電等の危険が伴い、また個々の柱についての調査診断時間がかかり過ぎるという問題がある。

（ロ）弾性波を利用した診断方法：コンクリート柱内部に伝播した弾性波は、柱頂部の蓋部の接合状態が良好な場合には蓋部からの反射波は発生しないので、蓋部の接合状態を適切に評価することが難しい。例えば、特許文献１の診断方法では、コンクリート柱の上端４にモルタルキャプが装着されているモデルは想定されておらず、柱上部については、柱の中間部に設定された打撃点と柱上端部との間に存在する亀裂によって反射された弾性波を受信して損傷部位の位置を測定する方法であって、柱頂部の蓋部から反射される波形を用いるものではなく、蓋部の接合状態を診断することはできない。

（ハ）動的診断方法を応用した定量的診断方法：杭などの構造物を対象とした動的診断方法では、蓋部などの局所部分の接合状態を評価することは難しい。また、コンクリート柱頂部での測定が必要であり、電柱の場合には高圧電流が流れる場所での作業になるので作業の危険性が伴い、さらには診断に手間や時間がかかるという問題がある。

（ニ）支持物曲線測定方法：コンクリート柱の場合、支持物である柱の変位を把握することによって柱本体の健全性を評価する方法であるので、蓋部などの局所部分の接合状態を評価することは難しい。

本発明は、弾性波を利用した中空コンクリート柱の診断方法において、従来の方法では診断することが難しい柱頂部の蓋部分の接合状態を迅速簡単に把握することができる診断方法を提供する。

本発明は以下の構成を有する中空コンクリート柱の非破壊診断方法である。
〔１〕柱頂部に蓋部を有する中空コンクリート柱を対象とした衝撃弾性波の反射法による診断方法であって、該中空コンクリート柱の柱本体が上部ほど径が小さいテーパを有しており、柱本体の下部に打撃治具と波形受信センサーとを取り付けて、柱本体に衝撃を与え、反射波の回り込み現象による受信波形に基づいて柱頂部の蓋部と柱本体との接合状態を診断することを特徴とする中空コンクリート柱の非破壊診断方法。
〔２〕受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が観察されないものを蓋部の接合状態が健全と診断する上記[１]に記載する診断方法。
〔３〕受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が観察されるものを蓋部の接合状態が不良または蓋部なしと診断する上記[１]に記載する診断方法。

本発明の診断方法によれば、中空コンクリート柱について、柱頂部の蓋部の接合状態を簡単かつ迅速に診断することができる。具体的には、供用中の中空コンクリート柱についても、柱本体に打撃受信装置を取り付け、衝撃弾性波を発生させて、その受信波形を観察することによって、蓋部の接合状態を簡単かつ迅速に診断することができる。従って、作業者が柱に登る必要がなく、また高所作業車を使用する必要がないので、安全かつ経済的に診断を行うことができる。

本発明の診断方法は、柱頂部に蓋部を有する一般的な中空コンクリート柱について広く適用することができる。具体的には、例えば、信号柱、通信用の共架柱・専用柱、電力用の送電柱・配電柱、鉄道用の電車線路柱・通信配電柱などの用途に使用されている中空コンクリート柱について広く適用することができる。

蓋部を有する中空コンクリート柱における波動伝播経路を示す説明図。 蓋部の接合が健全な試験柱について、受信波形チャートと波動伝播経路を示す説明図。 蓋部の接合が不良な試験柱について、受信波形チャートと波動伝播経路を示す説明図。 蓋部のない試験柱について、受信波形チャートと波動伝播経路を示す説明図。 蓋部が扁平な試験柱の受信波形チャート。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明は、柱頂部に蓋部を有する中空コンクリート柱を対象とした衝撃弾性波の反射法による診断方法であって、柱本体に衝撃を与え、柱構造の幾何学的形状に起因する反射波の回り込み現象によって生じる受信波形に基づいて柱頂部の蓋部と柱本体との接合状態を診断することを特徴とする中空コンクリート柱の非破壊診断方法である。

柱頂部に蓋部を有する中空コンクリート柱を図１に示す。図示する中空コンクリート柱は一般に用いられているものであり、中空コンクリート柱１０の柱本体１１は軸方向にテーパーを有しており、上部ほど径が小さくなっている。また、内部は中空の筒状構造になっている。柱頂部には蓋部１２が設けられている。蓋部１２は上面が盛り上がった山形の形状をなしている。

柱本体１１に衝撃を与えたときに、柱本体１１と蓋部１２の接合状態が良好な場合には、柱本体１１から蓋部１２に至る波動伝播経路に不連続部分が存在しないので、中空コンクリート柱内部を伝播する衝撃による波動１３は、蓋部１２で反射して元に戻るのではなく、図示するように蓋部１２の上面の湾曲に沿って反射し、回り込み現象を示して中空構造の反射側に伝播する。従って、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形は観察されない。

蓋部１２が扁平な場合にも、柱本体１１と蓋部１２の接合状態が良好な場合には、中空コンクリート柱内部を伝播する衝撃による波動は、蓋部１２の上面に沿って反射し、回り込み現象を示して中空構造の反射側に伝播する。従って、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形は観察されない。

一方、柱本体１１と蓋部１２の接合状態が不良（亀裂や欠落部分が存在する）であると、波動伝播経路に不連続部分が存在することになり、接合不良部分で反射波が生じる。従って、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が記録される。

柱頂部に蓋部がない場合には、柱の上端面が波動伝播経路の不連続部分になるので、柱の上端面で反射波が生じ、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が記録される。

実証実験の概要を以下に示す。
既設の中空コンクリート信号柱を取替え時に地際部で切断したもの（以下、試験柱と云う）を実験に用いた。蓋部と柱本体との接合状態によって蓋部での波動の伝播状態が異なる現象（回り込み現象）を検証するため、高周波衝撃弾性波法を用いて実験を行った。実験方法は、柱本体に打撃による衝撃弾性波を発生させ、その反射波形を受信し、この受信波形に基づいて柱頂部の蓋部と柱本体との接合状態を診断した。

試験柱の長さは約７.６ｍである。柱本体の下部（柱頂部から約７.４ｍの位置）に打撃治具と波形受信センサーとを取り付けた。ハンマーにより打撃治具を介して柱本体に衝撃弾性波のパルス波を発生させた。波形受信センサーはエヌエフ回路ブロック社製の小型圧電センサーであり、打撃による波動およびその反射波を電圧の変化によって感知し、その高周波成分を抽出してチャートに波形が記録される。
なお、試験柱には打撃治具と波形受信センサーの取付位置の近傍に切断時の亀裂があり、反射波の測定において、この亀裂部分が事実上の柱下端部に相当する。

(ｉ) 蓋部と柱本体の接合が健全な状態の試験柱について、打撃による波動および反射波の波形を記録した。これを図２に示す。
(ii) 蓋部の接合部にハンマーと楔で亀裂を発生させた試験柱について、打撃による波動および反射波の波形を記録した。これを図３に示す。
(iii)蓋部のない試験柱について、打撃による波動および反射波の波形を記録した。これを図４に示す。

図２に示すように、蓋部の接合が健全な状態では、蓋部で反射波は発生せず、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形は観察されない。

図３に示すように、蓋部の接合部に亀裂が存在する場合には、亀裂を発生させた箇所に明確な反射波が見られ、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が記録されており、その反射波が同じ側の柱下端部（下部亀裂部分）で再度反射している様子が見られる。

図４に示すように、蓋部のない試験柱においても、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が記録されている。

図５に示すように、蓋部が扁平な試験柱においても、蓋部の接合が健全な状態では、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形は観察されない。また、蓋部の接合部に亀裂が存在する場合には、亀裂を発生させた箇所に明確な反射波が見られ、受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が記録されている。

図２〜図５に示す結果から、蓋部の健全性は、柱本体に打撃による衝撃弾性波を発生させ、その反射波形を受信し、この受信波形に基づいて診断できることが分かる。また、この測定結果に基づき、波の伝播時間と伝播速度および伝播距離の関係から、回り込みの現象を検証することができる。

(Ａ) 打撃・受信位置から蓋部の接合不良部までの長さが７.３ｍであり、接合不良部分までの伝播時間が３.６４msであるとき、伝播速度は４.０１km/sである（図３の(I)の経路、式[１]参照）。

(Ｂ) 図３の(II)に対応する伝播経路は、柱本体と蓋部の接合不良部で反射した波動が打撃・受信位置近傍の亀裂面で反射して蓋部の接合不良部に戻り、再度、接合不良面で反射したものが測定されたものと考えられる（式[２]参照）。
ここで、tlとt2は式[４]および式[５]で表されるので、tl＝０.２７ms、t2＝１.５５msとなる。

(Ｃ) 図２に対応する伝播経路は、蓋部上面の湾曲に沿って反射した波動が回り込んで反対側に伝播し、受信位置近傍の亀裂面で反射して蓋部に戻り、再度、蓋部上面の湾曲に沿って反射して元の打撃・受信位置側に戻ってきたものが測定されたと考えられる（式[３]参照）。受信位置近傍の亀裂面は、中空コンクリート信号柱にほぼ水平に入っており、t2＝t4と見なせることから、式[６]より、t3＝０.０８msとなる。この時間が回り込みに要した伝播時間に相当する。

△t(I)＝tl＋t2＋t2＋tl＝２(tl＋t2) …[１]
△t(II)＝tl＋t2＋t2＋t2＋t2＋tl＝２(tl＋2t2) …[２]
△t ＝tl＋t2＋t3＋t4＋t4＋t3＋t2＋tl＝２(tl＋t2＋t3＋t4) …[３]
＝２（tl＋2t2＋t3） 〔t2=t4の場合〕 …[３]'

tl＝〔2△t(I)−△t(II)〕／2 …[４]
t2＝〔△t(II)−△t(I)〕／2 …[５]
t3＝〔△t−△t(II)〕／2 〔t2=t4の場合〕 …[６]

図２および図３において、ｔ１は打撃受信位置からその近傍の亀裂面までの伝播時間、ｔ２は該亀裂面から柱頂部の蓋部との接合部分までの伝播時間、ｔ３は蓋部での回り込みに要した伝播時間、ｔ４は柱頂部から亀裂面までの伝播時間である。
図３において、(I)は１回の打撃により最初に受信された反射波の伝播経路、(II)は２番目に受信された反射波の伝播経路である。

以上のように、図２と図３の測定結果によれば、柱頂部の蓋部において反射波の回り込みの現象が生じていることが分かる。

１０−中空コンクリート柱、１１−柱本体、１２−蓋部。

Claims (3)

1. 柱頂部に蓋部を有する中空コンクリート柱を対象とした衝撃弾性波の反射法による診断方法であって、該中空コンクリート柱の柱本体が上部ほど径が小さいテーパを有しており、柱本体の下部に打撃治具と波形受信センサーとを取り付けて、柱本体に衝撃を与え、反射波の回り込み現象による受信波形に基づいて柱頂部の蓋部と柱本体との接合状態を診断することを特徴とする中空コンクリート柱の非破壊診断方法。
2. 受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が観察されないものを蓋部の接合状態が健全と診断する請求項１に記載する診断方法。
3. 受信波形チャートにおいて、柱頂部に相当する波動伝播距離の位置に反射波による受信波形が観察されるものを蓋部の接合状態が不良または蓋部なしと診断する請求項１に記載する診断方法。