JP5896242B2 - アンカーボルトとコンクリートとの固着状態を診断する方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンカーボルトとコンクリートとの固着状態を診断する診断方法に関する。

近年、トンネル、橋梁、建物、ダムなどの各種鉄筋コンクリート構造物を非破壊で診断することが社会的に重要視されている。これまで、本発明者らは、非破壊でコンクリート強度や鉄筋の位置を測定することができる、電磁パルスによる音響診断技術を開発してきた（例えば特許文献１及び２）。

コンクリートとアンカーボルトとの固着状態を診断する方法として、従来、テストハンマーによる打診法が用いられている。

国際公開ＷＯ０２／４０９５９号公報 特開２００４−１２５６７４号公報

しかしながら、テストハンマーによる打診法では、検査員がテストハンマーでアンカーボルトを叩き、自分の耳でその音響を聞いて聴覚による判断に依存しているため、音響を記憶することも検査の再現性を確かめることも難しい。また、アンカーボルトをテストハンマーで叩いてもボルトの緩みを診断することはできるが、肝心のコンクリートとアンカーボルトとの固着状態が健全であるか否かを評価することはできない。

そこで、本発明では、アンカーボルトとコンクリートとの固着状態を評価することができる診断方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コンクリートにアンカーボルトが部分的に埋め込まれ、コンクリートの表面でプレートがアンカーボルトにナットで締め付けられて構成された構造物の診断方法において、アンカーボルトのうちコンクリート表面から露出している部分の周囲に電磁石を配置して電磁石にパルス電流を流してアンカーボルトを吸引することにより生じる音響を検出し、その検出した信号を解析することを特徴とする。

上記構成において、電磁石にパルス電流を流して音響を検出することを、ナットの締め付けを異ならせて行う。
上記構成において、アンカーボルトとコンクリートとの間には接着層が介在しており、信号の解析により、接着層の充填が健全であるか否かを判断する。
上記構成において、音響は、コンクリート表面上又はアンカーボルトの露出部上に配置した検出素子により検出される。また、検出した信号に含まれる周波数成分のばらつきに基づいて、コンクリートとアンカーボルトとの固着状態が診断される。

本発明によれば、アンカーボルトのうちコンクリート表面から露出している部分の周りに電磁石を配置し、電磁石にパルス電流を流すことにより、アンカーボルト全体を吸引する。この吸引によりアンカーボルトが変位して生じる音響を検出し、解析することにより、アンカーボルトとコンクリートとの固着状態を診断することができる。

本発明の実施形態に係る診断方法の概要を説明するための模式図である。 実施例で使用した供試体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 各アンカーボルトの位置に対してアタッチメントをナットで締め付けた状態での電磁石のコイルと検出素子の位置を示す図であり、（ａ）乃至（ｅ）は電磁石のコイル及び検出素子の供試体との位置関係をそれぞれ変更した場合の、タイプＡ，タイプＢ，タイプＣ，タイプＤ，タイプＥを示している。 電磁石のコイル及び検出素子の位置をタイプＣとしたときの実施例の結果を示し、（ａ）は点Ｈ２での音響信号の波形であり、（ｂ）は点Ｌ３での音響信号の波形である。 （ａ）は図４（ａ）の音響信号を周波数スペクトルに変換した波形であり、（ｂ）は図４（ｂ）の音響信号を周波数スペクトルに変換した波形である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る診断方法の概要を説明するための模式図である。図１に示すように、診断対象は、コンクリート１内にアンカーボルト２が部分的に埋め込まれて構成された構造物である。アンカーボルト２は、コンクリート１の表面から頭部が一部露出すると共に、先端側がコンクリート１内に埋設されて定着されている。アンカーボルト２のうち、コンクリート１に埋まっている先端側の部分を埋設部２ａと呼び、コンクリート１表面から露出している頭部の部分を露出部２ｂと呼ぶ。図１に示すように、埋設部２ａとコンクリート１との間には接着層３が介在している。コンクリート１の外表面側では、プレート５ａがアンカーボルト２にナット４で締め付けられている。ナット４を締め付けることでプレート５ａがコンクリート１の表面を押圧し、プレート５ａとアンカーボルト２が一体化される。ここで、ベースとなる矩形のプレート５ａの周縁に側壁５ｂが設けられ、後述するように電磁石１２をアンカーボルト２の軸上に設けることができる。また、側壁５ｂには貫通穴５ｃが設けられることで、例えば空調ファンなどの各種の機材や部品をワイヤーなどで貫通穴５ｃに引っ掛けて保持することができる。このように、アタッチメント５に形成された側壁５ｂにより、貫通穴５ｃを介して各種機材や部品を吊り下げることができる。アンカーボルト２がトンネルの天井部に設けられているような場合には、アタッチメント５が吊り下げ具となる。

本発明の実施形態に係る診断方法で使用される診断装置１０は、電源部１１、電磁石１２、検出素子１３及び解析処理部１４を含んで構成されている。電磁石１２は、例えば複数のコイルを同軸状に密着して構成されている。各コイルは例えば数ｍｍの導線を数十×数十ｍｍの矩形状又は円筒状の枠内に複数ターン巻回して構成される。電源部１１は蓄電部とスイッチ等を備えており、例えば蓄電部に電荷をチャージして、スイッチの切り換えにより電磁石１２にパスル電流を流すことで、磁力を発生させる。

検出素子１３は、例えば検出用コイルなどで構成されたＡＥセンサであり、検出素子１３は解析処理部１４にケーブルにより接続されている。検出素子１３と解析処理部１４との間には、増幅器を介在して微弱な検出信号を増幅したり、フィルターを介在して検出信号のうち不要な成分を除去したりしてもよい。

解析処理部１４は、コンピュータにより構成され、コンピュータ内の解析プログラムを実行させることにより、次のような各機能を実現する。すなわち、解析処理部１４は、検出素子１３から入力された電気信号を蓄積する波形受信部１４ａと、波形受信部１４ａにより蓄積されている時間軸の波形を周波数軸に変換してスペクトラムを求めるフーリエ変換部１４ｂと、波形受信部１４ａに蓄積した検出信号やフーリエ変換部１４ｂで変換されたスペクトラムについて各種データの処理をするデータ処理部１４ｃと、波形受信部１４ａで蓄積しフーリエ変換部１４ｂで求めた波形データとそれに関してデータ処理部１４ｃで処理された結果を格納する格納部１４ｄと、格納部１４ｄに格納されたデータに基いてコンクリート１とアンカーボルト２との固着状態の良否を判定する判定部１４ｅと、を備える。ここで、フーリエ変換部１４ｂはＦＦＴ（Fast Fourier Transform, 離散的高速フーリエ変換）などの各種のプログラムを内蔵する。

コンクリート１とアンカーボルト２との固着状態を診断する方法について詳細に説明する。先ず、電磁石１２をアンカーボルト２の露出部２ｂの周囲に配置する。図１に示す態様では、アンカーボルト２の露出部２ｂがアタッチメント５の上端から突出している。このような場合には、アタッチメント５上にスペーサ６を介在して電磁石１２を、アンカーボルト２の露出部２ｂの頭上に所定の長さだけ離隔して配置する。電磁石１２は、図示した場合に限らず、アンカーボルト２の軸から所定長だけ離れた位置に配置してもよい。何れの場合であっても、電磁石１２を構成するコイルの中心軸を、アンカーボルト２に沿って配置してもよく、或いは、アンカーボルト２の軸回りでコイルの中心軸をアンカーボルト２の軸と交差するように配置してもよい。

次に、検出素子１３を所定の位置に配置する。検出素子１３は、アンカーボルト２の軸方向の真上に配置してもよいし、図１に示すようにコンクリート１の表面上でアンカーボルト２から所定長だけ離れた位置に配置してもよい。この状態で、電磁石１２に電源部１１からパルス電流を流す。パルスは複数流してもよいが、一つでもよい。電磁石１２にパルス電流を流すと、変動磁界が生じる。これにより、アンカーボルト２が鉄鋼材料などで作製されているため、アンカーボルト２に沿って力が上下方向に作用し、アンカーボルト２がアンカーボルトの軸方向に沿って変位する。すると、アンカーボルト２の埋設部２ａとコンクリート１との間の接着層３を介在して、埋設部２ａとコンクリート１の孔側面との間に摩擦が生じ、これにより生じた音響がコンクリート１、アンカーボルト２の何れか一方又は双方を伝搬し、検出素子１３により伝搬した音響を検出する。このようにして検出された信号は、解析処理部１４に入力される。なお、電磁石１２の位置に応じてアンカーボルトの軸方向だけでなく交差する方向に変位させてもよい。

解析処理部１４は、検出素子１３から入力された信号を波形受信部１４ａに蓄積する。そして、フーリエ変換部１４ｂにより時間軸の波形を周波数軸に変換し、周波数変換した波形データと時間軸のデータを格納部１４ｄに格納する。データ処理部１４ｃは格納部１４ｄに格納されているデータについて次のような処理を行う。例えば、スペクトラムのピーク値となる周波数を求める。スペクトラムを複数の波形に分解して各波形の面積を求める。時間軸の波形の波高値を求める。或いは、電磁石１２に流すパルス電流からの遅れ時間、つまり初期到達時間を求める。以上のようにして、データの処理を行うことができる。このように、データ処理部１４ｃが時間軸の波形、周波数軸の波形の各データに対してデータを処理し、その結果を格納部１４ｄに保存する。判定部１４ｅは、各アンカーボルト２に磁力を作用させて生じた音響を波形処理し、グルーピングを施し、異なる特徴を有する検出波形及びそれに関連するデータを特定し、コンクリート１とアンカーボルト２の埋設部２ａとの固着状態の正常・異常を判定する。これより、コンクリート１とアンカーボルト２との固着状態の健全性について診断することができる。

コンクリート１とアンカーボルト２の埋設部２ａとの固着状態が正常でない場合は、例えばスペクトラムのデータが多くの周波数成分の波の合成とはならない。このことから、スペクトラムを分解した波形の周波数の値が閾値以下又はそれ以上であれば、アンカーボルトの施工の際、コンクリートの固着又は付着が不十分であると診断することができる。また、検出信号に含まれる周波数成分のばらつきに基づいてコンクリート１とアンカーボルト２の埋設部２ａとの固着状態が診断される。

下記に実施例を示し、さらに詳細に説明する。次のような供試体を作製した。図２は供試体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。供試体は、平面視で横寸法１２５０ｍｍ、縦寸法１３８０ｍｍ、高さ１５００ｍｍのコンクリート構造物である。なお、図にはアンカーボルトの位置しか示していない。このコンクリート構造物に対して、所定位置に、削穴径２８ｍｍ、削穴深２８０ｍｍ、容量が１０６．７ｃｍ^３、９０ｃｍ^３、６１ｃｍ^３の穴を設け、全長３７０ｍｍのアンカーボルトをあと施工により、埋込長２８０ｍｍ、頭部長９０ｍｍとなるよう埋設した。図２（ａ）に示すように、点Ｌ１〜点Ｌ４，点Ｍ１〜点Ｍ３，点Ｈ１〜点Ｈ３の各位置にアンカーボルトをあと施工した。ここで、点Ｌ１〜点Ｌ４については接着剤の充填量が５７％となるように、点Ｍ１〜点Ｍ３については接着剤の充填量が８４％となるように、また点Ｈ１〜点Ｈ３については接着剤の充填量が１００％となるように、接着系アンカーのカプセルの長さを調整した。なお、点Ｌ４については、あと施工の際に清掃不良となるようにした。ここで点Ｌ４では、先端部分には接着剤を充填しないようにした。図２（ｂ）の側面図には図２（ａ）のＸ−Ｘ線の位置にあるアンカーボルト２を合わせて模式的に示している。

図３は、各アンカーボルトの位置に対してアタッチメント５をナット4で締め付けた状態での電磁石のコイルと検出素子の位置を示す図であり、（ａ）乃至（ｅ）は、電磁石１２及び検出素子１３の供試体との位置関係をそれぞれ変更した場合の、タイプＡ，タイプＢ，タイプＣ，タイプＤ，タイプＥを示している。図３では供試体のうちコンクリート表面１ａよりも内側については図示を省略している。

タイプＡは、図３（ａ）に示すように、電磁石１２のコイルの中心位置をアンカーボルト２の軸から１５０ｍｍ離すことで、コンクリート表面１ａ上に電磁石１２を配置し、検出素子１３をアンカーボルト２の頭上で同軸になるように配置した。
タイプＢは、図３（ｂ）に示すように、電磁石１２のコイルの中心位置をアンカーボルト２の軸から１３０ｍｍ離すことで、コンクリート表面１ａ上に電磁石１２を配置し、検出素子１３をアンカーボルト２の軸から９０ｍｍ離してコンクリート表面１ａ上に配置した。
タイプＣは、図３（ｃ）に示すように、電磁石１２のコイルの中心位置をアンカーボルト２の軸上に配置することで、アンカーボルト２の頭上に電磁石１２を配置し、検出素子１３をアンカーボルト２の軸から９０ｍｍ離して配置した。
タイプＤは、図３（ｄ）に示すように、電磁石１２のコイルの一端と他端の中心をアンカーボルト２の軸から３０ｍｍ離し、アンカーボルト２の軸と電磁石１２のコイルの軸とが直交するように電磁石１２を配置すると共に、検出素子１３はアンカーボルト２の頭上に同軸になるように配置した。
タイプＥは、図３（ｅ）に示すように、電磁石１２のコイルの一端と他端の中心をアンカーボルト２の軸から３０ｍｍ離し、アンカーボルト２の軸と電磁石１２の軸とが直交するように電磁石１２を配置した。また、検出素子１３は、アンカーボルト２の軸から９０ｍｍ離し、アンカーボルト２を挟んで電磁石１２と対向するようにして配置した。

アンカーボルト２の各位置、すなわち点Ｌ１〜点Ｌ４，点Ｍ１〜点Ｍ３，点Ｈ１〜点Ｈ３のそれぞれにおいて、かつ電磁石１２及び検出素子１３の位置をタイプＡ〜タイプＥのそれぞれで、電磁石１２にパルス電流を流して検出素子１３にて音響を検出した。その際、ナット４の締め付けトルクを０Ｎｍ，１２０Ｎｍ，１６０Ｎｍの三種類とした。

図４は、トルク１６０Ｎｍの締め付けで、電磁石及び検出素子の位置をタイプＣとしたときの点Ｈ２、点Ｌ３の音響信号の波形を示す図である。図４（ａ）は、点Ｈ２での音響信号の波形であり、図４（ｂ）は点Ｌ３での音響信号の波形である。何れも横軸は時間（μｓ）であり、縦軸は検出素子で検出した電圧（Ｖ）である。点Ｈ２のアンカーボルト２と点Ｌ３のアンカーボルト２に関する音響波形を比べると、点Ｈ２のアンカーボルト２のように接着剤の充填量が十分な場合は、点Ｌ３のアンカーボルト２のように接着剤の充填量が不足している場合と比べて波形強度が大きい。

図５（ａ），（ｂ）は、図４（ａ），（ｂ）の各音響信号を周波数スペクトルに変換した波形を示している。図５（ａ）は、点Ｈ２のアンカーボルトに関する音響信号の波形であり、（ｂ）は点Ｌ３のアンカーボルトに関する音響信号の波形である。横軸は周波数（ｋＨｚ）であり、縦軸は強度（任意メモリ）である。なお、図５（ａ）と図５（ｂ）の縦軸のスケールは同じである。点Ｈ２と点Ｌ３の各アンカーボルト２の音響波形を比べると、点Ｌ３のアンカーボルト２のように接着剤の充填量が不十分な場合は、複数の周波数成分を有するものの、一つの周波数成分が支配的である。これに対し、点Ｈ２のアンカーボルト２のように接着剤の充填量が十分な場合には、より多くの周波数成分を有することが分かる。また、点Ｈ２のアンカーボルト２のように充填量が十分な場合は、点Ｌ３のアンカーボルトのように充填量が不足している場合と比べて、ピークとなる周波数成分は高いことが分かった。

この結果から、アンカーボルト２の埋設部２ｂとコンクリート１との固着状態が健全でない場合には、スペクトラムのデータが多くの周波数成分の波の合成ではないことが分かる。よって、周波数のスペクトルのばらつきにより、埋設部２ｂとコンクリート１との固着状態を判断することができる。また、スペクトラムを分解した波形の周波数の値が閾値以下であれば、このアンカーボルト２のあと施工の際、コンクリート１の固着が不十分であると判定することができる。

そこで、各点のアンカーボルトに対してタイプＡ〜タイプＥのコイル及び検出素子の位置関係で、それぞれ測定を行った。表１は、５００Ｈｚ以下の周波数成分をカットしたときのピーク周波数の値を示す表である。表１の上段、中段、下段はそれぞれトルク０Ｎｍ，１２０Ｎｍ，１６０Ｎｍでプレートを締め付けた状態でのピーク周波数の値を示している。例えば、タイプＣの位置関係において、ナット４を締めつけると、点Ｈ１〜点Ｈ３のアンカーボルト２よりも点Ｌ１〜点Ｌ３のアンカーボルト２の方が全体的にピーク周波数が小さくなっていることが分かる。これは図５を参照して説明したように、接着剤の充填量が不足すると、高周波成分が少なく低周波数成分が大きくなることを意味する。よって、判定部１４ｅにおいて、電磁石１２により各アンカーボルト２にパルス的に磁力を作用させることにより生じる音響の周波数成分のピークを求め、ピーク値に応じて閾値を設定することにより、固着状態の良否を評価することができる。

表２は、５００Ｈｚ以下の周波数成分をカットしたときの時間軸の波高値Ｖｒｍｓの値を示す表である。表２の上段、中段、下段はそれぞれトルク０Ｎｍ，１２０Ｎｍ，１６０Ｎｍでプレートを締め付けた状態での時間軸の波高値を示す。例えば、タイプＣの位置関係において、ナット４の締め付け具合に依らず、点Ｈ１〜点Ｈ３のアンカーボルト２よりも点Ｌ１〜点Ｌ３のアンカーボルト２の方が全体的に波高値が小さくなっていることが分かる。これは、接着剤の充填量が不足すると、アンカーボルト２とコンクリート１との接触面積が小さくなるからと推察される。よって、判定部１４ｅにおいて、電磁石１２により各アンカーボルト２にパルス的に磁力を作用させることにより生じる音響信号から波高値を求め、波高値の閾値を設定することにより、固着状態の良否を評価することができる。

このような実施例の結果を踏まえ、各アンカーボルト２にナット４でプレート５ａを例えば１６０Ｎｍで締め付け、プレート近傍のコンクリート表面において音響信号を受信して解析すれば、アンカーボルトとコンクリートとの固着状態の良否を評価することができる。ナット４の締め付けトルクを大きくすることにより、プレート５ａとアンカーボルト２とを一つの系として扱うことができる。

本発明は、特許請求の範囲に記載した範囲においてアンカーボルトのコンクリートへの施工状況に応じて適宜変更することができる。上記実施例ではアンカーボルトとコンクリートとの間に接着層が設けられている場合を説明しているが、コンクリートにアンカーボルトをあと施工で取り付ける際、機械式の後打ちアンカーを用い、例えば先頭側半分が二つ割れになった円筒体で、先頭に円錐状のくさびが設けられ、アンカーボルトを円筒体に挿入することによりくさび部分が膨張してコンクリートの穴内面に固定されるものであっても、くさびによるアンカーボルトとコンクリートとの固着状態の良否を評価することもできる。

１：コンクリート
２：アンカーボルト
２ａ：埋設部
２ｂ：露出部
３：接着層
４：ナット
５：アタッチメント（吊り下げ具）
５ａ：プレート
５ｂ：側壁
５ｃ：貫通穴
６：スペーサ
１０：診断装置
１１：電源部
１２：電磁石
１３：検出素子
１４：解析処理部
１４ａ：波形受信部
１４ｂ：フーリエ変換部
１４ｃ：データ処理部
１４ｄ：格納部
１４ｅ：判定部

Claims (5)

1. コンクリートにアンカーボルトが部分的に埋め込まれ、前記コンクリートの表面でプレートが前記アンカーボルトにナットで締め付けられて構成された構造物の診断方法において、
   アンカーボルトのうちコンクリート表面から露出している部分の周囲に電磁石を配置して前記電磁石にパルス電流を流して前記アンカーボルトを吸引することにより生じる音響を検出し、その検出した信号を解析することを特徴とする、診断方法。
2. 前記電磁石にパルス電流を流して前記音響を検出することを、前記ナットの締め付けを異ならせて行う、請求項１に記載の診断方法。
3. 前記アンカーボルトと前記コンクリートとの間には接着層が介在しており、
   前記信号の解析により、前記接着層の充填が健全であるか否かを判断する、請求項１又は２に記載の診断方法。
4. 前記音響を前記コンクリート表面上又は前記アンカーボルトの露出部上に配置した検出素子により検出する、請求項１乃至３の何れかに記載の診断方法。
5. 検出した信号に含まれる周波数成分のばらつきに基づいて前記コンクリートと前記アンカーボルトとの固着状態を診断する、請求項１乃至４の何れかに記載の診断方法。

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