JP6205091B2

JP6205091B2 - 防護柵支柱の健全度評価方法及び健全度評価装置

Info

Publication number: JP6205091B2
Application number: JP2013168800A
Authority: JP
Inventors: 宰史深田; 卓哉水野
Original assignee: Central Nippon Highway Engineering Nagoya Co Ltd
Current assignee: Central Nippon Highway Engineering Nagoya Co Ltd
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-08-15
Also published as: JP2015036661A

Description

本発明は、防護柵支柱の健全度を非破壊にて評価するための健全度評価方法及び健全度評価装置に関する。

従来、建築・土木構造物及びこれに使用される各種構造部材の劣化、損傷度合いを検査し、その健全度を評価する方法としては例えば保全員による目視点検が行われている。
その他の方法としては例えば構造物を所定位置で加振し、その振動波形を測定することで構造物の固有振動数を求める。そして、求めた固有振動数と振動試験により予め算出しておいた固有振動数との変動を振動モード毎に求め、振動モード毎に固有振動数の変動幅に応じた健全度を評価する方法が知られている（特許文献１）。
また、構造物を加振して算出した固有振動数や、評価時における構造物のヤング率、厚み等に基づいて構造物に加わる最大応力を算出し、この最大応力から構造物の健全度を評価する方法も知られている（特許文献２）。

特開２００５−１８０９５１号公報特開２００２−２２５９６号公報

ところが、上記従来技術を道路脇に設置される防護柵（ガードレール）の支柱に対する健全度評価に適用する場合、以下のような問題がある。
すなわち、防護柵の支柱はその基部に防食テープが巻きつけられていることがあるため、支柱基部の劣化、損傷度合いを外観から目視点検によって判断し辛いという問題や、防食テープを剥がす作業に手間がかかるという問題がある。
また、防食テープを剥がして支柱の基部を露出させた場合であっても、基部に層状剥離が生じている場合や、内部にコンクリートが充填されている場合には超音波厚さ計等を用いた正確な肉厚測定ができないという問題もある。

また、上記特許文献１に開示された方法を用いる場合、評価精度を高めるには支柱設置直後の健全な状態で行なった振動試験に基づく固有振動数の算出が必要になる。しかし、一般的には設置直後の支柱の固有振動数を算出しているケースは少ないため、支柱の健全度を精度よく評価できるケースがほとんどないという問題がある。
また、設置直後の支柱の固有振動数を設計図面等に記載された材料強度、寸法、支柱基部の拘束条件（支持条件）等に基づいて算出し、この固有振動数（推定値）と現場で実際の支柱に対して行なった振動試験により算出した固有振動数とを比較する評価手法も考えられる。

ここで、防護柵の支柱はその設置場所に応じて基部の埋設方法が異なっている。例えば、盛土道路であれば基部を単純に２ｍ程度の深さで埋設する方法が一般的であり、橋梁・高架等ではアンカーボルトの使用や、埋設部分の周囲をモルタル等で固めたり、埋設部分の上下をアスファルトやモルタルでキャッピングしてその間に砂を充填し、更に水平方向に延びる補強鉄筋を埋設する方法等が採用される。
このように支柱基部の埋設方法は多様であるため、これに伴って支柱基部の支持条件も多様となる。特に設置から長期間を経た支柱の場合、周囲のモルタル等に亀裂が入ったり、砂が雨水により流出してしまっている等の強度上の不具合が生じていることがある。つまり、支柱基部の支持条件が設計段階の支持条件とは大きく異なってしまっており、これが各次数のモード形状にとって大きな変動要因となる。
このような支柱基部の支持条件が設計段階と大きく異なってしまっている支柱に対して現場で振動試験を行い、その固有振動数を算出したとしても、この値を設計図面等に基づいて算出した固有振動数（推定値）と比較しながら健全度を正確に評価することは極めて困難である。また、このような問題は上記特許文献２の技術に関しても同様に生じる。
なお、部材の支持条件が経年変化によって変化するという防護柵支柱に特有の問題は本願発明者の研究によって初めて見出されたものである。

本発明は、このような問題を考慮して、設置から長期間が経過して支柱基部の支持条件が設計段階とは変化している場合であっても健全度を非破壊にて正確に評価できる防護柵支柱の健全度評価方法及び健全度評価装置を提供することを目的とする。

本発明の防護柵支柱の健全度評価方法は、防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことで当該モデルの振動モードを得るステップと、前記振動モードのうち任意の次数の振動モードを基準モードとするステップと、評価対象となる防護柵支柱に対して所定位置で振動を加えることで、当該防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得るステップと、前記複数位置における振幅値に基づいて実測モードを得るステップと、前記実測モードを構成する各振幅値と前記基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出することでカーブフィット処理を行うステップと、前記カーブフィット処理を行った後の状態における前記基準モードと実測モードのＭＡＣ値（ＭＡＣ:Modal Assurance Criterion）を算出するステップと、算出したＭＡＣ値から防護柵支柱の健全度を評価するステップを含むことを特徴とする。
また、防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る際に、防護柵支柱の一部に取り付けた加振手段によって当該防護柵支柱を共振させることを特徴とする。

本発明の防護柵支柱の健全度評価装置は、防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことで当該モデルの振動モードを得る振動モード取得部と、前記振動モードのうち任意の次数の振動モードを基準モードとする基準モード選択部と、評価対象となる防護柵支柱に対して所定位置で振動を加えることで、当該防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る振幅値取得部と、前記複数位置における振幅値に基づいて実測モードを得る実測モード取得部と、前記実測モードを構成する各振幅値と前記基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出することでカーブフィット処理を行うカーブフィット処理部と、前記カーブフィット処理を行った後の状態における前記基準モードと実測モードのＭＡＣ値（ＭＡＣ:Modal Assurance Criterion）を算出するＭＡＣ値算出部と、算出したＭＡＣ値から防護柵支柱の健全度を評価する健全度評価部を含むことを特徴とする。
また、防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る際に、防護柵支柱の一部に取り付けた加振手段によって当該防護柵支柱を共振させることを特徴とする。

本発明では防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから得た当該複数位置における各振幅値、すなわち実測モードを構成している各振幅値と、基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出してカーブフィット処理を行う。
上述の通り、経年変化によって支柱基部の支持条件が設計段階の支持条件と異なっていることがある。例えば設計段階では支柱基部の支点が地表面と一致しており、評価時点では支点が実質的に地表面より数十センチ程度下方に位置しているような場合がある。このような場合でもカーブフィット処理を行うことで、基準モードの節の位置（設計段階での支点の位置）まで実測モードの節の位置を補正して同定することができる。

そして、基準モードと実測モードの節の位置をほぼ一致させた状態で、ＭＡＣ値を用いて両モード間の相関の程度を算出し、対象となる防護柵支柱の健全度を評価する。
このように本発明は部材の支持条件が経年変化によって変化するという防護柵支柱に特有の問題をカーブフィット処理により解消し、これによって部材の支持条件の変化の影響を受けずに、評価対象である防護柵支柱単体の健全度を非破壊にて高精度で評価することを可能にするものである。
なお、防護柵支柱の一部にピエゾ素子等の加振手段を取り付けておき、防護柵支柱を共振させた状態で、防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得ることにすれば、より安定した状態で実測モードを測定することができ、健全度評価の精度をより向上できる。

なお、本明細書において「防護柵」とは、国土交通省「防護柵の設置基準」と同様に、主として進行方向を誤った車両が路外、対向車線または歩道等に逸脱するのを防ぐとともに、車両乗員の傷害および車両の破損を最小限にとどめて、車両を正常な進行方向に復元させることを目的とし、また、歩行者および自転車(以下、「歩行者等」という。)の転落もしくはみだりな横断を抑制するなどの目的をそなえた施設をいう。また、防護柵は車両を対象とする車両用防護柵と歩行者等を対象とする歩行者自転車用柵に区分されるが、本明細書中では両者を共に「防護柵」と表記する。
また、本明細書において「健全度」とは、評価対象となる防護柵支柱についての安全性を示す指標のことをいい、この健全度が高いと損傷、劣化によって防護柵支柱が崩壊する危険性が低く、これが低いと崩壊する危険性が高いことを意味する。

健全度評価装置の構成を示す図健全度評価方法の手順を示すフローチャート防護柵支柱モデルの各次数の振動モードを示す図及びグラフ（ａ）〜（ｄ）基準モードと実測モードを示すグラフ基準モードとカーブフィット処理後の実測モードを示すグラフ実施例における各試験体のパラメータ実施例における各試験体の曲げ試験の結果実施例における各試験体のＭＡＣ値

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
健全度の評価対象となる防護柵支柱は実際に道路脇に設置されているものであり、その基部が上述したような方法によって土中等に埋設されることで支持されている。

図１に示すように、防護柵支柱の健全度評価装置１０はセンサ２０と情報処理装置３０とにより概略構成されている。
センサ２０は、防護柵支柱１１に振動を加えた場合における防護柵支柱１１の振動による加速度、速度、変位等の振動データを検出するために設けられるものであり、本実施の形態では圧電型加速度計を使用している。
センサ２０は、防護柵支柱１１の基部１１ａに上下方向に一定間隔で複数（本実施の形態では５つ）取り付けられる。なお、予め複数のセンサ２０を一定間隔で治具に取り付けておき、この治具自体を防護柵支柱１１に押し当てた状態で固定するようにしてもよい。
センサ２０を設置する個数は特に限定されるものではなく、また、必ず一定間隔で設置しなければならないというわけではない。センサ２０の設置は通常健全度評価作業を行う保全員によって行われる。センサ２０の種類としては圧電型加速度計以外にも例えば可動板が用いられたサーボ型センサ２０等の公知のものを使用できる。

情報処理装置３０は各センサ２０が検出した振動データを受信し、これを解析するために設けられる。情報処理装置３０と各センサ２０との接続は有線でも無線でもよい。
センサ２０による振動データの検出は時系列に行なわれる。検出された振動データはアナログデータであり、これを情報処理装置３０に格納されているＡ／Ｄ変換装置よってデジタル情報に変換する。なお、Ａ／Ｄ変換をセンサ２０側で行なってもよく、また、センサ２０が検出した振動データをアンプで増幅してからＡ／Ｄ変換することにしてもよい。
防護柵支柱１１への加振方法としては、保全員が防護柵支柱１１の所定位置（例えば地表面Ｇから４０ｃｍ）をハンマーＨ等で叩く方法や、あるいは振り子状の錘を所定高さから円弧状に自由落下させ、その最下点で防護柵支柱の上記所定位置に衝突させる方法などが挙げられる。

情報処理装置３０は、振動モード取得部３１、基準モード選択部３２、振幅値取得部３３、実測モード取得部３４、カーブフィット処理部３５、ＭＡＣ値算出部３６、健全度評価部３７、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３８、メモリ３９、ディスプレイ４０等のハードウェア等によって概略構成されている。情報処理装置３０としては運搬可能な市販のラップトップ型コンピュータや、健全度評価専用に開発した携帯型端末を利用できる。
詳しい説明は後述するが、メモリ３９内には上記各構成要素を動作させるためのプログラムの他、振動モードに関するデータ、基準モードに関するデータ、センサ２０から得られた振幅値、実測モードに関するデータ、カーブフィット処理を行った後の実測モードに関するデータ、カーブフィット処理を行った後の状態の基準モードと実測モードのＭＡＣ値（評価値）、防護柵支柱１１の健全度を評価する際の基準となるデータ（ＭＡＣ値（指標値））等も格納される。

次に図２のフローチャートを用いて本発明の健全度評価方法について説明する。
まず、作業者は健全度の評価対象となる防護柵支柱１１を想定した防護柵支柱モデルを作成する（ステップＳ１）。防護柵支柱モデルとしては有限要素法（FEM）による解析モデルが挙げられる。ここで、解析モデルは梁要素やシェル要素（板要素）を用いてモデル化する。さらに、耐荷力まで解析する場合は、材料非線形を考慮したモデル化を行う。
次に、防護柵支柱モデルを使用して振動モード取得部３１に周知の計算手法による固有振動解析を実行させ、当該モデルの固有振動数と振動モードデータを算出させる（ステップＳ２）。
算出された振動モードデータには１次、２次、３次・・・と複数の励起次数の振動モードが含まれており、このデータはメモリ３９に格納される。

次に、基準モード選択部３２によってメモリ３９に格納された振動モードデータを呼び出し、当該データの中から任意の次数の振動モードを「基準モード」として選択してメモリ３９に記憶させておく（ステップＳ３）。なお、通常、基準モードは防護柵支柱モデルの支点である地表面Ｇの位置に節がくるような振動モード形状になる。
次に、保全員が評価対象となる防護柵支柱１１の基部１１ａに複数のセンサ２０を一定間隔で取り付け、防護柵支柱１１の所定位置に振動を加えると、当該複数位置における振動データが情報処理装置３０に送信される。なお、当然のことながら上記作業者と保全員は同一人物であっても異なる人物であってもよい。また、振動を加えた位置がモードの腹になることを考慮すると腐食の程度が激しいと推測される位置（例えば地表面Ｇから近い位置）に振動を加えるのが好ましい。

情報処理装置３０の振幅値取得部３３では受信した振動データを解析し、各位置における振幅値を算出する（ステップＳ４）。算出したデータはメモリ３９に記憶される。
次に、実測モード取得部３４は、メモリ３９に記憶されている各センサ２０の振幅値を呼び出し、この値を縦軸（Ｙ軸）、防護柵支柱１１上の各センサ２０の位置を横軸（Ｘ軸）とする実測モードを算出する（ステップＳ５）。具体的には、センサ２０が検出した波形データとしての振動データを高速フーリエ変換によって周波数分析し、バンドパスフィルタを用いた後、フーリエ逆変換により振動次数ごとの振幅値を得る方法やＥＲＡ（Eigensystem Realization Algorithm）等の周知の手法によって実測モードを算出する。算出した実測モードはメモリ３９に記憶される。なお、防護柵支柱１１上の各センサ２０の位置を決める際の始点（原点）は例えば地表面Ｇや、あるいは防護柵支柱１１の上端部又は下端部のいずれかにするなど適宜選択可能である。

次に、カーブフィット処理部３５はメモリ３９に記憶されている上記実測モードと基準モードを呼び出して最小二乗法によるカーブフィット処理を行う（ステップＳ６）。具体的には、カーブフィット処理部３５は、実測モードを構成する各センサ２０の位置での振幅値と基準モードにおける同位置での振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出してカーブフィット処理、つまり、実測モード全体をＸ軸上で伸縮および移動させて、実測モードと基準モードとの重なり度合いが最も高くなるように同定する。
カーブフィット処理を行うことで、経年変化等によって支柱基部１１ａの支持条件が設計段階の支持条件と異なっている場合でも、基準モードの節の位置（設計段階での支点の位置）まで実測モードの節の位置を補正して同定することができる。

次に、ＭＡＣ値算出部３６はカーブフィット処理を行った後の状態における基準モードと実測モードを用いてＭＡＣ値を算出する（ステップＳ７）。
ＭＡＣ値とは２つのモードシェイプがどの程度一致しているかを定量的に示す値をいい、次式により求められる。

数１中、添え字Ｔは転置を示す。{f_A}、{f_B}はそれぞれモードシェイプベクトルを表しており、第Ａ次モードと第Ｂ次モードを比較する場合、第Ａ次モードのモードシェイプベクトル{f_A}、第Ｂ次モードのモードシェイプベクトル{f_B}が式に代入される。ＭＡＣ値は０〜１の値をとり、１に近いほど２つのモードシェイプの相関が高く、０に近いほど相関が低いことを表す。相関を定量的に示すことで２つのモードの相関が高いか否かを定量的に求めることができる。算出されたＭＡＣ値（評価値）はメモリ３９に記憶される。

次に、健全度評価部３７はメモリ３９に記憶されているＭＡＣ値（評価値）を呼び出すと共に、作業員が予め設定してメモリ３９に記憶させていたＭＡＣ値（指標値）も呼び出し、両値を比較して健全度を評価する（ステップＳ８）。具体的には、ＭＡＣ値（指標値）が例えば0.995と設定されている場合に、ＭＡＣ値（評価値）≧ＭＡＣ値（指標値）の関係が成立すれば健全と評価し、ＭＡＣ値（評価値）＜ＭＡＣ値（指標値）の関係が成立すれば不健全（損傷）、つまり要交換等と評価する。評価結果はディスプレイ４０に表示されると共にメモリ３９に記憶される。

次に、本発明の実施例について説明する。
図３（ａ）〜（ｄ）は防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことで得た各次数の振動モードであり、縦軸（Ｙ軸）は振幅値（モード振幅）、横軸（Ｘ軸）は地表面からの距離を防護柵支柱モデルの長さで割って無次元化した値を示している。
評価対象とした振動モード（支柱高700mmの場合）は（ａ）8次振動（2次系，パターン1）、（ｂ）13次振動（2次系，パターン2）、（ｃ）15次振動（3次系，パターン1）、（ｄ）17次振動（3次系，パターン2）である。
防護柵支柱モデルは全長1,100ｍｍ、直径139.8ｍｍ、肉厚4.5ｍｍの実物支柱（STK400、引張強さ472-476N/ｍｍ²）を下端から400ｍｍの位置で固定支持してモデル化したものである。
本実施例ではこれら各次数の振動モードのうち、図３に示した２次モード形状（パターン２）を基準モードとして選択した。その理由としては、基部に近い部分が腹になっている振動モードであり、加振により励起しやすい振動モード（2000Hz付近）だからである。

そして、評価対象となる防護柵支柱に対して７個のセンサを地表面高さから５０ｍｍずつそれぞれ配置した。
図４は各センサから得た振幅値に基づいて得た実測モードであり、上記基準モードと比較するとＸ軸方向にシフトしていることが分かる。
図５は実測モードに対してカーブフィット処理を行った状態を示しており、実測モードと基準モードの重なり度合いが高くなったことが分かる。
カーブフィット処理を行った後の状態における基準モードと実測モードのＭＡＣ値（評価値）は0.996となった。

ここで、図６は11種類の試験体のパラメータを示しており、図７は各試験体に対して行なった曲げ試験（非線形解析）の結果を示している。図中、例えば「case_036_00_10」と記載されている試験体は、試験体の基部のうち地表面から露出している箇所をその中心点から36度の角度範囲で幅10ｍｍを切り欠いた（円弧状の開口を設けた）ことを表しており、これは試験体の一部が腐食により穴が空いた状態を模擬している。また、例えば「case_360_25_10」と記載されている試験体は、その外周全体（360°）を厚み2.5ｍｍ、幅10ｍｍの寸法で切除したことを表しており、これは試験体の全周において穴が空くことなく腐食した状態（肉厚が薄くなった状態）を模擬している。
図７より、試験体の先端（自由端）から100ｍｍの位置に荷重を載荷する曲げ試験において、国土交通省「防護柵の設置基準」で定める60kNまで耐えられたのは健全状態の試験体を含む全5体であることが分かる。

図８は同じスペックの11種類の試験体のＭＡＣ値を示しており、これを上記曲げ試験の結果と照らし合わせると、評価対象である防護柵支柱のＭＡＣ値が解析上0.995以上であれば60kNの荷重に耐えられるとの推定が成り立つ。したがって、本実施例ではＭＡＣ値（指標値）＝0.995と決定した。
以上より、上記［ＭＡＣ値（評価値）:0.996≧［ＭＡＣ値（指標値）:0.995］が成立するので、評価対象の防護柵支柱は充分な健全度を有していると評価することができる。
なお、当然のことながらＭＡＣ値（指標値）は上記手法以外の方法で決定しても良い。また、本実施例ではＭＡＣ値（指標値）＝0.995としたが、この値はあくまで解析上得られたものにすぎず、本発明に係る方法及び装置を実際に使用する際には異なる値を採用してもよい。

本発明は、設置から長期間が経過して支柱基部の支持条件が設計段階とは変化した場合であっても健全度を非破壊にて正確に評価できる防護柵支柱の健全度評価方法及び健全度評価装置に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

１０健全度評価装置
１１防護柵支柱
１１ａ基部
２０センサ
３０情報処理装置
３１振動モード取得部
３２基準モード選択部
３３振幅値取得部
３４実測モード取得部
３５カーブフィット処理部
３６ＭＡＣ値算出部
３７健全度評価部
３８ＣＰＵ
３９メモリ
４０ディスプレイ

Claims

防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことで当該モデルの振動モードを得るステップと、
前記振動モードのうち任意の次数の振動モードを基準モードとするステップと、
評価対象となる防護柵支柱に対して所定位置で振動を加えることで、当該防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得るステップと、
前記複数位置における振幅値に基づいて実測モードを得るステップと、
前記実測モードを構成する各振幅値と前記基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出することでカーブフィット処理を行うステップと、
前記カーブフィット処理を行った後の状態における前記基準モードと実測モードのＭＡＣ値（ＭＡＣ:Modal Assurance Criterion）を算出するステップと、
算出したＭＡＣ値から防護柵支柱の健全度を評価するステップを含むことを特徴とする防護柵支柱の健全度評価方法。
防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る際に、防護柵支柱の一部に取り付けた加振手段によって当該防護柵支柱を共振させることを特徴とする請求項１記載の健全度評価方法。
防護柵支柱モデルに対して振動モード解析を行うことで当該モデルの振動モードを得る振動モード取得部と、
前記振動モードのうち任意の次数の振動モードを基準モードとする基準モード選択部と、
評価対象となる防護柵支柱に対して所定位置で振動を加えることで、当該防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る振幅値取得部と、
前記複数位置における振幅値に基づいて実測モードを得る実測モード取得部と、
前記実測モードを構成する各振幅値と前記基準モードに含まれる振幅値との差の二乗和が最小になる位置を算出することでカーブフィット処理を行うカーブフィット処理部と、
前記カーブフィット処理を行った後の状態における前記基準モードと実測モードのＭＡＣ値（ＭＡＣ:Modal Assurance Criterion）を算出するＭＡＣ値算出部と、
算出したＭＡＣ値から防護柵支柱の健全度を評価する健全度評価部を含むことを特徴とする防護柵支柱の健全度評価装置。
防護柵支柱の複数位置に配置したセンサから当該複数位置における振幅値を得る際に、防護柵支柱の一部に取り付けた加振手段によって当該防護柵支柱を共振させることを特徴とする請求項３記載の健全度評価装置。