JPWO2015145914A1 - アンカーボルトの診断システム、その方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

アンカーボルトの診断システムであって、アンカーボルトを狭持しつつ、アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知クリップと、振動検知クリップで狭持された状態のアンカーボルトに対して打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ハンマーと、振動検知クリップと打撃検知ハンマーとから出力された、打撃強さおよび振動のパワーを取得して、打撃強さに対する振動のパワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断手段と、を備えた。

Description

本発明は、アンカーボルトの診断システム、その方法およびプログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、固有振動でアンカーボルトを診断する技術が開示されている。特許文献２には、反射波の到達時間を手がかりに物性変化面をみる技術が開示されている。非特許文献１には、振動センサをアンカーボルトではなくコンクリート面に設置して振幅をみる方法が開示されている。非特許文献２には、コンクリート表層部の剥離を調べるため、打音の振幅を見る技術が開示されている。

特開２００４−３２５２２４号公報 特開２０１０−２０３８１０号公報

平成２５年秋季講演大会講演概要集 平成２５年１１月 Ｐ３３−３６「電磁パルス法に基づくアンカーボルト固着部の健全度評価に関する実験的検討」 土木学会論文集Ｎｏ．７０４Ｖ５５，６５−７９ ２００２年５月「コンクリート表層部欠陥の定量的非破壊検査への打音法の適用」

しかしながら、上記文献に記載の技術では、アンカーボルトそのものの強度を高精度に診断できるものではなかった。なぜなら、付帯物（アンカーボルトにより留められているもの）の共振が支配的であり、付帯物との摩擦で固定され、アンカーボルトが十分に振動しないからである。また、非特許文献１、２は、アンカーボルト自体の強度を診断できない。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明に係るアンカーボルトの診断システムは、
前記アンカーボルトを狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知クリップと、
前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ハンマーと、
前記振動検知クリップと打撃検知ハンマーとから出力された、前記打撃強さおよび前記振動のパワーを取得して、前記打撃強さに対する前記振動のパワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断手段と、
を備えた。

上記目的を達成するため本発明に係るアンカーボルトの診断方法は、
前記アンカーボルトを振動検知クリップで狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知ステップと、
前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃検知ハンマーで打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ステップと、
前記振動検知クリップと打撃検知ハンマーとから出力された、前記打撃強さおよび前記振動パワーを取得して、前記打撃強さに対する前記振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断ステップと、
を含む。

上記目的を達成するため本発明に係るアンカーボルトの診断プログラムは、
前記アンカーボルトを振動検知クリップで狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知ステップと、
前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃検知ハンマーで打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ステップと、
前記振動検知クリップと打撃検知ハンマーとから出力された、前記打撃強さおよび前記振動パワーを取得して、前記打撃強さに対する前記振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断ステップと、
を実行させる。

本発明によれば、アンカーボルトの健全度を高精度、効果的かつ効率的に診断できる。

本発明の第１実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るクリップの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るクリップの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの診断方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの診断方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの診断方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの診断方法を説明するフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るクリップの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係るアンカーボルトの健全性診断システムの構成を示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としてのアンカーボルト診断システム１００について、図１を用いて説明する。図１に示すように、アンカーボルト診断システム１００は、振動検知クリップ１０１と打撃検知ハンマー１０２と診断部１０３とを含む。

振動検知クリップ１０１は、アンカーボルト１２０を狭持しつつ、アンカーボルト１２０の振動のパワーを検知するセンサ１１１を有する。打撃検知ハンマー１０２は、振動検知クリップ１０１で狭持された状態のアンカーボルト１２０に対して打撃を与えるものであり、打撃強さを検知するセンサ１２１を備える。

また診断部１０３は、振動検知クリップ１０１および打撃検知ハンマー１０２から、振動のパワーおよび打撃強さを取得して、打撃強さおよび振動パワーを取得して、打撃強さに対する振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じてアンカーボルト１２０の健全性を診断する。

このような構成により、アンカーボルトの健全度を高精度、効果的かつ効率的に診断できる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係るアンカーボルト診断システム２００について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は、本実施形態に係るアンカーボルト診断システムの概略構成を説明するための外観斜視図である。

図２に示すように、アンカーボルト２２０は、コンクリート２２１に打ち込まれ、ナット２２２を締め付けることにより付帯物２２３を、コンクリート２２１に固定している。

このようなアンカーボルト２２０が健全にコンクリートに打ち込まれていなければ、付帯物２２３の離脱、落下などの事故が起こる原因となってしまう。そこで、アンカーボルトの健全性を高精度に調べる方法が求められる。かといって、全国の構造物においてアンカーボルト２２０は無数に使用されているため、その一本一本の健全性を調べるにあたって大きな作業負担や作業時間はかけられず、高い効率性が求められる。

そこで、本実施形態では、振動センサ付きのクリップ２０１、２０２でアンカーボルト２２０を挟み込み、さらに加速度センサ２１１付きのハンマー２１０でナット２２２を叩き、その少なくとも２方向の応答振動を打撃の強さで正規化して、診断を行なう。クリップ２０１は、アンカーボルト２２０を、軸方向ボルト先端側からコンクリート２２１側に向けて（矢印２４０方向に）挟みこんでいる。一方、クリップ２０２は、アンカーボルト２２０を、ボルトの軸と直角をなす方向（矢印２５０方向に）挟みこんでいる。ここでは、ハンマー２１０に加速度センサ２１１を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、速度センサでもよい。

ハンマー２１０で叩く部分は、ナット２２２に限定されるものではなく、ナット２２２直上のアンカーボルト２２０でもよい。このようにアンカーボルト２２０の根本を叩くことにより、応答振動に対するボルト２２０の長さなどの影響が少なくなる。振動センサおよび加速度センサ２１１はコンピュータなどの診断部２３０に接続されており、診断部２３０は、ハンマー２１０の加速度で打撃の強さを計測し、正規化した上で所定の閾値と比較して、アンカーボルト２２０の固定の健全性を診断する。

診断部２３０は、計測に際して、取得した応答振動のうち、打撃後、所定時間以内の、初期打撃応答だけを用いる。これにより、付帯物２２３による、共振・残響の影響を回避できる。

クリップ型を採用したことにより、現場で簡単に計測可能となる。センサを診断対象(アンカーボルト等)に密着させることが重要であり、クリップ201、202に例えばバネや柔軟な素材を用いて振動センサを柔らかく固定することでこれを実現することができる。

また、本実施形態では、診断部２３０は、ハンマー２１０による打撃の強度が低い場合には、エラーメッセージを報知する。作業者にある程度強く叩かせることにより、付帯物の摩擦に打ち勝って適切なアンカーボルトの振動応答を得ることを意図するものである。

図３Ａは、クリップ２０１の先端部（アンカーボルトとの当接面）の拡大図である。クリップ２０１先端部のアンカーボルト２２０との当接面３０１には、アンカーボルト２２０の軸と直角をなす方向の振動を検出する振動センサ３１１が設けられている。

一方、クリップ２０１先端部のアンカーボルト２２０との当接面３０２には、アンカーボルト２２０の軸方向の振動を検出する振動センサ３２１が設けられている。

図３Ｂは、クリップ２０２の先端部（アンカーボルトとの当接面）の拡大図である。クリップ２０２先端部のアンカーボルト２２０との当接面３０３には、アンカーボルト２２０の軸と直角をなす方向の振動を検出する振動センサ３３３１が設けられている。

一方、クリップ２０１先端部のアンカーボルト２２０との当接面３０４には、同様に、アンカーボルト２２０の軸と直角をなす方向の振動を検出する振動センサ３４１（不図示）が設けられている。

図４Ａは、本システムを模式的に示す縦断面図である。分かりやすいように、センサから延びたコードを省略し、クリップ２０２を透過させて示している。図４に示すように、クリップ２０１に設けられた振動センサ３１１は、アンカーボルト２２０に密着して、そのＹ方向の振動を検出する。一方、クリップ２０１の他方の腕の先端に設けられた振動センサ３２１は、やはりアンカーボルト２２０に密着して、そのＸ方向の振動を検出する。

さらに、クリップ２０２に設けられた振動センサ３３１は、アンカーボルト２２０に密着して、そのＺ方向の振動を検出する。

ハンマー２１０には、加速度センサ２１１が設けられ、ナット２２２に加えた衝撃力の大きさを検出する。これにより、コンクリート２２１とアンカーボルト２２０との結合性、アンカーボルト自体の健全性を診断する。

図４Ｂは、本システムを模式的に示す横断面図である。分かりやすいように、クリップを省略し、センサ３１１、３２１、３３１、３４１およびアンカーボルト２２０およびナット２２２ならびにハンマー２１０のみを示している。

図４Ｂに示すように、Ｘ、Ｙ、Ｚそれぞれの方向に振動センサを設け、様々な方向からナット２２２をハンマー２１０で叩くことにより、アンカーボルトの健全性を診断する。この図のように、方向を変えてハンマー２１０で多数回打撃を行なうことが望ましく、センサ取り付け方向の影響を緩和できる。また、強さを変えて打撃を行なうことにより、劣化が生じている場合にその方向性を検知することができる。劣化の生じている方向への打撃はより大きな振動応答を得る。また、強さを変えて打撃を行うことにより、打撃強さと振動応答の関係(例えば非線形性の有無や度合)を見ることができ、摩擦や動きやすさをより詳細に知り、より精度の高い診断を行なうことが可能となる。

さらに多数回打撃を行なうことにより、毎回の打撃でランダムにばらつく摩擦の影響を平均化するといった統計処理により、診断結果をより高精度化したり、その(摩擦による)ばらつきの多さ・大きさそのものを指標として健全性の診断を行うこともできる。多数回の打撃により、極端な外れ値(振動応答)は除外するといった高精度化手法も使用できる。

図５は、本システムの機能構成を示す図である。図５に示すように、アンカーボルトの診断システム２００は、クリップ２０１、２０２とハンマー２１０と診断部２３０とを備える。図５を用いて改めて本システムの各要素の機能について説明する。

クリップ２０１、２０２は、アンカーボルト２２０を狭持しつつ、アンカーボルト２２０の少なくとも２方向の振動のパワーを検知する振動検知クリップである。クリップ２０１、２０２は、アンカーボルト２２０の軸方向（Ｘ軸）および軸と直交する方向（Ｙ、Ｚ軸）の振動のパワーを検知する振動センサ３１１、３２１、３３１、３４１を備えている。 また、ハンマー２１０は、クリップ２０１、２０２で狭持された状態のアンカーボルト２２０に対して打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ハンマーである。ハンマー２１０は、加速度センサとしてのセンサ２１１を備える。

診断部２３０は、クリップ２０１、２０２とハンマーとから出力された、打撃強さおよび振動パワーを取得して、打撃強さに対する振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する。また、診断部２３０は、センサ２１１で取得した応答振動を打撃の強さで正規化する。

診断部２３０は、ハンマー２１０でアンカーボルト２２０に対して打撃を与えてから、所定時間内の振動パワーを用いてアンカーボルト２２０の健全性を診断する。診断部２０３は、特に、振動パワーの低周波成分に基づいてアンカーボルトの健全性を診断する。また、診断部２０３は、アンカーボルト２２０に対する打撃強さが所定値以上の場合に、アンカーボルト２２０の健全性を診断する。診断部２０３は、ハンマー２１０による、複数回の打撃の打撃強さおよびその際に振動センサ３１１、３２１、３３１、３４１で検出した振動パワーに基づいて、アンカーボルト２２０の健全性を診断する。特に、診断部２３０は、振動センサ３１１、３２１、３３１、３４１で検出した振動パワーの減衰の速さに応じてアンカーボルト２２０の健全性を診断し、減衰が遅い場合には、アンカーボルト２２０の健全性が低下していると判断する。

クリップ２０１、２０２は、アンカーボルト２２０の振動のパワーを取得するための振動センサ３１１、３２１、３３１、３４１を、アンカーボルト２２０との当接面に有する
診断部２３０は、ハンマー２１０による打音の初めのごく一部の波形のパワーを見る。Ｘ軸方向（ボルト軸方向）の振動からアンカーボルト２２０の曲がり具合が分かり、ＹＺ軸方向（ボルト軸に直角をなす方向）の振動からも健全度がわかる。特にＹＺ軸方向（ボルト軸に直角をなす方向）の振動の低周波成分が多いとアンカーボルト２２０がしっかりと固定されていないと判断できる。

診断部２３０は、図６Ａに示すように、時間領域で打音波形の高さを解析する。付帯物共振の影響を避けるため、波形の後半は見ない。またＹＺ軸が直流的かどうかを判定するために周波数解析を行なうが、健全性診断には周波数解析結果を用いない。図６Ａに示すように、健全な場合には、Ｘ軸方向（ボルト軸方向）の振動がすぐ減衰し、ＹＺ軸方向（ボルト軸に直角をなす方向）の振動が基本的にはすぐ減衰する。ＹＺ軸方向（ボルト軸に直角をなす方向）の振動については、板などで共振して減衰が遅い場合もある。一方、不健全な場合には、Ｘ軸方向の振動の振幅が大きく、あるいは減衰が遅い。また、図６Ｂに示すように、ＹＺ軸方向の減衰が遅く、あるいは直流的となる。一方、打撃強度に対する応答振動の割合は、低強度であるほど大きくなる。

ここで、ハンマー２１０での打撃の際には、付帯物の摩擦よりも強い力で叩くことが好ましい。

図７Ａに示すように、高強度でヒビのない場合７０１には、応答振動の波形は背の高い三角になるが、低強度の場合７０２やヒビ直上の場合７０３には、応答振動の波形は台形になる。このような波形を用いて、アンカーボルトの健全性診断を行なってもよい。ナット波形のピーク高と、ハンマー波形のピーク高の比を、ハンマー波形ピーク高さ（打撃強さ）との関係として分析してもよい。この比が小さい場合、高強度であり、比が大きい場合、低強度であると判定できる。

なお、機械学習を用いて診断を高精度化してもよい。さらにＳＶＭ（サポートベクターマシン）等用いて健全・不健全を識別してもよい。また、ボルト径によって診断結果を正規化してもよい。

図７Ｂは、診断部２３０が行なう処理の流れを説明するフローチャートである。ステップＳ７１１で診断部２３０は、ハンマーからの打撃音を取得すると、次いで、ステップ７１３で打音を取得して解析し、さらにステップＳ７１５で打撃直後の振動のパワー、その振動の減衰速度および、その振動の直流成分を取得する。ステップＳ７１７では、Ｓ７１５で求めたパラメータを用いて、アンカーボルトの健全性を判断する。

以上説明したように、本実施形態によれば、センサを備えたクリップおよびハンマーを用いて、アンカーボルトの健全度を高精度、効果的かつ効率的に診断できる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係るアンカーボルト診断システム８００について、図８を用いて説明する。図８は、図２は、本実施形態に係るアンカーボルト診断システム８００の概略構成を説明するための外観斜視図である。本実施形態に係るアンカーボルト診断システム８００は、上記第２実施形態と比べると、クリップ８０１を一つだけ有し、クリップ２０２を有さない点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

図９は、クリップ８０１の先端部（アンカーボルトとの当接面）の拡大図である。クリップ８０１先端部のアンカーボルト２２０との当接面９０１には、アンカーボルト２２０の軸と直角をなす方向の振動を検出する２つの振動センサ９１１、９１２が設けられておりそれぞれ異なる方向の振動を検出する。

一方、クリップ８０１先端部のアンカーボルト２２０との当接面９０２には、アンカーボルト２２０の軸方向の振動を検出する振動センサ３２１が設けられている。

図１０は、本システムの機能構成を示す図である。図１０に示すように、アンカーボルトの診断システム８００は、クリップ８０１とハンマー２１０と診断部２３０とを備える。クリップ８０１は、アンカーボルト２２０を狭持しつつ、アンカーボルト２２０の少なくとも２方向の振動のパワーを検知する。クリップ８０１は、アンカーボルト２２０の軸方向（Ｘ軸）および軸と直交する方向（Ｙ、Ｚ軸）の振動のパワーを検知する振動センサ３２１、９１１、９１２を備えている。

以上のように構成された本実施形態によれば、一つのクリップ８０１を用いるだけで、より簡易にアンカーボルトの健全性を診断することができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係るアンカーボルト診断システム１１００について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係るアンカーボルト診断システム１１０００の概略構成を説明するための外観斜視図である。本実施形態に係るアンカーボルト診断システム１１００は、上記第２実施形態と比べると、加速度センサ１１１を備えたハンマー１１１０が、クリップ１１０１と接続されバネ１１０２によって一定の付勢力でナット２２２に衝撃を与える点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

本実施形態によれば、ハンマーによってアンカーボルトに与える打撃の強さを一定にすることができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

この出願は、２０１４年３月２８日に出願された日本出願特願２０１４−０６９３３０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (11)

1. アンカーボルトの診断システムであって、
   前記アンカーボルトを狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知クリップと、
   前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ハンマーと、
   前記振動のパワーおよび前記打撃強さを取得して、前記打撃強さに対する前記振動のパワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断手段と、
   を備えたアンカーボルトの診断システム。
2. 前記診断手段は、前記打撃検知ハンマーで前記アンカーボルトに対して打撃を与えてから、所定時間内の前記振動のパワーを用いて前記アンカーボルトの健全性を診断する請求項１に記載のアンカーボルトの診断システム。
3. 振動検知クリップは、前記アンカーボルトの軸方向および軸と直交する方向の振動のパワーを検知する請求項１または２に記載のアンカーボルトの診断システム。
4. 前記診断手段は、前記振動のパワーの低周波成分に基づいてアンカーボルトの健全性を診断する請求項１、２または３に記載のアンカーボルトの診断システム。
5. 前記診断手段は、前記アンカーボルトに対する前記打撃強さが所定値以上の場合に、前記アンカーボルトの健全性を診断する請求項１、２または３に記載のアンカーボルトの診断システム。
6. 前記診断手段は、前記打撃検知ハンマーによる、複数回の打撃の打撃強さおよびその際の前記振動のパワーに基づいて、前記アンカーボルトの健全性を診断する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンカーボルトの診断システム。
7. 前記診断手段は、前記振動のパワーの減衰の速さに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンカーボルトの診断システム。
8. 前記振動検知クリップは、前記アンカーボルトの振動のパワーを取得するための振動センサを、前記アンカーボルトとの当接面に有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンカーボルトの診断システム。
9. 前記打撃検知ハンマーは、速度センサまたは加速度センサを備え、該加速度センサで取得した応答振動を打撃の強さで正規化する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンカーボルトの診断システム。
10. アンカーボルトの診断方法であって、
    前記アンカーボルトを振動検知クリップで狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知ステップと、
    前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃検知ハンマーで打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ステップと、
    前記振動のパワーおよび前記打撃強さを取得して、前記打撃強さに対する前記振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断ステップと、
    を含むアンカーボルトの診断方法。
11. アンカーボルトの診断プログラムであって、
    前記アンカーボルトを振動検知クリップで狭持しつつ、前記アンカーボルトの振動のパワーを検知する振動検知ステップと、
    前記振動検知クリップで狭持された状態の前記アンカーボルトに対して打撃検知ハンマーで打撃を与えつつ、打撃強さを検知する打撃検知ステップと、
    前記振動のパワーおよび前記打撃強さを取得して、前記打撃強さに対する前記振動パワーの割合が所定値より大きいか否かに応じて前記アンカーボルトの健全性を診断する診断ステップと、
    を実行させるアンカーボルトの診断プログラム。

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