JP6103578B2 - コンクリートのひずみを用いたコンクリート構造物の非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法と監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物の非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法に関する。より詳しくは、１方向または２方向のコンクリートひずみを用いたコンクリート構造物の非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法に関する。

近年、交通インフラを構成する橋梁等の既存のコンクリート構造物では、重交通荷重の繰り返しによるコンクリート床版の疲労損傷などの劣化が顕在しつつあり、今後、補修、補強等の対策を必要とするケースが増加すると考えられる。

適切な補修、補強方法を選定するには、疲労状況を正確に把握することが必要である。このため、コンクリート構造物の疲労状況を測定するための非破壊検査方法として、外力作用時のたわみを測定する方法を始め、コンクリート構造物中を伝播する弾性波や超音波の速度を利用する方法（特許文献１、２等参照）、テストハンマーの打音による方法（特許文献３等参照）などが用いられている。

特開２００３−６６０１３号公報 特開２００３−１４９２１４号公報 特開２００２−３４０８６９号公報

しかしながら、外力作用時のたわみを測定する方法では、たわみは検査対象とする構造物と不動点（固定点）の相対変位であるため、不動点の設定に手間を要し、計測が難しい場合がある。また、弾性波や超音波を用いる方法は、弾性波や超音波が伝播する局所的な範囲の評価しか得られないため、広い範囲を検査するためには膨大な手間と時間を要する。また、テストハンマーによる打音は人間の経験的な判断が必要である。さらに、これらの方法は定期的にしか試験を行えず、常時変化するコンクリート構造物の疲労状況をモニタリングすることが難しいという問題もある。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、容易にコンクリート構造物の疲労度測定を行える非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法を提供することである。

前述した目的を達するための第１の発明は、コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみを用いて、前記コンクリート構造物の疲労度測定を行い、前記ひずみは、光ファイバセンサの長手方向の両端のみに設けた固定部が前記コンクリート構造物に直接取り付けられ、前記コンクリート構造物とは直接接しないように設けられた光ファイバセンサを用いて計測されることを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査システムである。

第１の発明の非破壊検査システムは、前記コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみの振幅を用いて疲労度測定を行うことができる。前記振幅は、所定期間内のひずみ波形における最大値とその前後の所定範囲の最小値の差によって求められる。
また、前記コンクリート構造物の２方向のひずみの振幅比を算出し、前記振幅比を用いて疲労度測定を行うことができる。
例えば、前記コンクリート構造物は、車両が走行するコンクリート床版であり、前記２方向のひずみは、車両の走行方向に対応する縦断方向およびこれと直交する横断方向のひずみであり、前記振幅比は、前記縦断方向のひずみの振幅の値を前記横断方向のひずみの振幅の値で除したものであり、前記振幅比として、１を超える値を計測する。
さらに、前記振幅比を用いて、前記コンクリート構造物のたわみを推定することができる。

第２の発明は、第１の発明における疲労度測定の測定結果をモニタリングすることを特徴とする監視システムである。

なお、コンクリート構造物とは、直接外力を受けるコンクリート柱、コンクリート桁、コンクリート床版、コンクリート杭、ダムのコンクリート堤体等のあらゆるコンクリート構造物を含む。

第１、第２の発明によれば、コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみを計測して、客観的な指標を用いた疲労度のモニタリングが容易に行える。ひずみの計測は外力を受ける箇所以外の箇所でよいので、例えば交通荷重をうける橋梁のコンクリート床版などのコンクリート構造物では、交通を妨げない箇所でひずみを計測することにより、通行規制を行うことなく非破壊検査を実施し疲労度を常時モニタリングすることができ、広範囲の測定も容易である。

第３の発明は、コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみを用いて、前記コンクリート構造物の疲労度測定を行い、前記ひずみは、光ファイバセンサの長手方向の両端のみに設けた固定部が前記コンクリート構造物に直接取り付けられ、前記コンクリート構造物とは直接接しないように設けられた光ファイバセンサを用いて計測されることを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査方法である。
第４の発明は、第３の発明における疲労度測定の測定結果をモニタリングすることを特徴とするコンクリート構造物の監視方法である。

第３、第４の発明では、前記コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみの振幅を用いて疲労度測定を行うことができる。
また、前記コンクリート構造物の２方向のひずみの振幅比を算出し、前記振幅比を用いて疲労度測定を行うことができる。
さらに、前記振幅比を用いて、前記コンクリート構造物のたわみを推定することができる。

本発明により、容易にコンクリート構造物の疲労度測定を行える非破壊検査システム、監視システムおよび非破壊検査方法を提供することができる。

非破壊検査システム１の概要を示す図 光ファイバセンサ１２を示す図 ＰＣ１６のハードウエア構成を示す図 ＰＣ１６の処理を示すフローチャート 輪荷重走行試験の供試体４１を示す図 輪荷重走行試験機４０と試験時の供試体４１の状態を示す図 活荷重たわみ、ひび割れ密度と等価繰返し走行回数の関係を示す図 ひずみ波形、およびひずみ振幅と等価繰返し走行回数の関係を示す図 活荷重たわみと縦断方向ひずみ振幅εｘ、横断方向ひずみ振幅εｙの関係を示す図 振幅比と活荷重たわみ、ひび割れ密度との関係を示す図

以下、図面を参照しながら、本発明のコンクリート構造物の非破壊検査システム等の実施形態について説明する。なお、ここでのコンクリート構造物とは、直接外力を受けるコンクリート柱、コンクリート桁、コンクリート床版、コンクリート杭、ダムのコンクリート堤体等のあらゆるコンクリート構造物を含むものである。

［１．非破壊検査システム１］
図１は、本発明の実施形態に係る非破壊検査システム１（監視システム）の概要を示す図である。この非破壊検査システム１は、コンクリート構造物の疲労度測定を行いこれをモニタリングするもので、図に示すように、光ファイバセンサ１２、光ファイバケーブル１４、光電気変換器１５、ＰＣ１６等を有する。なお、本実施形態では、コンクリート構造物１１を橋梁等のコンクリート床版とし、その上を車両が交通するものとするが、これに限ることはない。

光ファイバセンサ１２は、両端に設けた固定部１３によりコンクリート構造物１１の底面に取り付け、縦断方向、横断方向の２方向に配置する。なお、縦断方向は車両の走行方向であり、横断方向はこれと直交する方向とする。また、光ファイバセンサ１２は、直接コンクリート構造物１１とは接しないように設ける。

図２は、光ファイバセンサ１２の例を示す図である。本実施形態で使用する光ファイバセンサ１２は、長さが１ｍ程度の光学ストランドであり、設置位置における変位を敏感に感知できる特徴を有する。コンクリート構造物１１のひずみに応じて光ファイバセンサ１２が変形すると、光ファイバ特有のマイクロベンディングと呼ばれる現象により、変形量（コンクリート構造物１１のひずみ量）に応じた量の光の漏れが生じる。

光ファイバケーブル１４は、上記の光ファイバセンサ１２から漏れた光を、光電気変換器１５に送信するものである。

光電気変換器１５は、光ファイバケーブル１４によって送られた光の強度に応じた信号を、ＰＣ１６に入力する。

ＰＣ１６は、上記の信号をコンクリート構造物１１のひずみ量に換算し、コンクリート構造物１１の前記した２方向のひずみを計測する。なお、本実施形態では、ひずみとして、光ファイバセンサ１２の固定部１３間の変位を光ファイバセンサ１２の長さで除すことにより平均ひずみを求めるものとする。

ＰＣ１６は、さらに、１方向または２方向のひずみを用いてコンクリート構造物１１の疲労度測定を行い、モニタリングを行う。これについては後述する。なお、測定結果はネットワークを介して遠隔地にあるＰＣに送信し、遠隔地でモニタリングを行うことも可能である。

図３は、ＰＣ１６のハードウエア構成を示す図である。図に示すように、ＰＣ１６は、制御部２１、記憶部２２、入力部２３、表示部２４、通信部２５等が、バス２６を介して接続されて構成される。なお、図３のハードウエア構成は一例であり、用途、目的に応じて様々な構成を採ることが可能である。

制御部２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成される。ＣＰＵは、記憶部２２、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス２６を介して接続された各装置を駆動制御し、コンピュータが行う処理を実現する。ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、プログラムやデータ等を恒久的に保持している。ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部２２、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部２１が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。

記憶部２２は、ハードディスクやフラッシュメモリ等であり、制御部２１が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ等が格納される。これらの各プログラムコードは、制御部２１のＣＰＵにより必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、各種の手段として実行される。

特に本実施形態では、ＰＣ１６の記憶部２２に、後述する処理を実行するためのプログラムや、ひずみの振幅やひずみの振幅比とコンクリート構造物１１のたわみ量との関係を示すデータ等が格納される。このプログラムは、コンクリート構造物１１に取り付けた光ファイバセンサ１２の変位に基づいて前記のように計測した１方向または２方向のひずみを用いて、コンクリート構造物１１の疲労度測定とモニタリングを行うためのプログラムである。

入力部２３は、データの入力を行い、例えば、タッチパネル、キー等の入力装置を有する。入力部２３を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。
表示部２４は、液晶パネル等のディスプレイ装置、およびディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。
通信部２５は、無線ＬＡＮ等のネットワークを介して他のコンピュータ等と通信を行うための通信インタフェースである。
バス２６は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

［２．コンクリート構造物１１の疲労度測定］
続いて、非破壊検査システム１によるコンクリート構造物１１の疲労度測定について、図４を参照しながら説明する。図４は、疲労度測定におけるＰＣ１６の処理を示すフローチャートである。

非破壊検査システム１によりコンクリート構造物１１の疲労度測定を行うには、まず、ＰＣ１６が、前記のようにしてコンクリート構造物１１の２方向のひずみを計測する（Ｓ１）。ひずみの計測は、１秒に１００回程度の頻度で行われる。

次に、ＰＣ１６は、上記のようにして計測した所定期間内のひずみの波形（例えば、後述する図８（ａ）参照）より、ひずみの振幅を求める（Ｓ２）。ここでは、ひずみの振幅を、所定期間内のひずみ波形におけるひずみの最大値とその前後の所定範囲の最小値との差とする。

そして、ＰＣ１６は、２方向のひずみについて求めた振幅の比を算出し、この振幅比により疲労度測定を行い、コンクリート構造物１１のたわみ量を算出し推定する（Ｓ３）。

具体的には、ＰＣ１６は、上記の振幅比を算出し、予め記憶部２２に記憶されたひずみ振幅比とコンクリート構造物１１のたわみ量との関係を示すデータ（例えば、後述する図１０の点線の式）を用いて、振幅比に対応するコンクリート構造物１１のたわみ量を算出する。振幅比やたわみ量などの測定結果は、ＰＣ１６あるいは遠隔地のＰＣの表示部に表示し、管理者により継続的にモニタリングして、維持管理に用いることが可能である。

なお、Ｓ３では、Ｓ２で算出したひずみの振幅自体を用いて疲労度測定を行い、コンクリート構造物１１のたわみ量を算出し推定することも可能である。この場合は、Ｓ２で求めたいずれか１方向のひずみの振幅から、予め記憶部２２に記憶された、この方向の振幅とコンクリート構造物１１のたわみ量との関係を示すデータ（例えば後述する図９の実線あるいは点線の式）を用いて、振幅に対応するコンクリート構造物１１のたわみ量を算出する。振幅やたわみ量などの測定結果は、上記と同様にモニタリングし維持管理に用いることが可能である。また、この場合は、コンクリート構造物１１に光ファイバセンサ１２を一方向のみ取り付けてもよい。

なお、上記の測定結果を用いてコンクリート構造物１１の健全性の判定を行うことも可能であり、例えば、予め定めた所定の閾値よりもひずみ振幅やひずみ振幅比、たわみ量が大きい場合、健全でないと判定する。この結果に応じて、コンクリート構造物１１に対し適切な処置を施すことが可能である。

また、本実施形態ではひずみの測定に光ファイバセンサ１２を用いているが、これに限ることはなく、例えばこれに替えて従来のひずみ計測で用いられるような箔型のひずみゲージを使用することも可能である。ただし、ひずみゲージでは、ゲージ下でのひび割れの発生と同時に計測ができなくなる恐れがある。一方、光ファイバセンサ１２では、このような恐れが生じない点で有利である。

以上説明したように、本実施形態の非破壊検査システム１（監視システム）では、コンクリート構造物１１の１方向または２方向のひずみを計測して、客観的な指標を用いた疲労度測定とモニタリングが容易に行える。ひずみの計測は外力を受ける箇所以外の箇所でよいので、例えば橋梁のコンクリート床版のように交通荷重をうけるコンクリート構造物では、交通を妨げない箇所でひずみを計測することにより、通行規制を行うことなく非破壊検査を実施し疲労度を常時モニタリングすることができ、広範囲の測定も容易である。なお、本実施形態の非破壊検査システム１等は、その他のコンクリート構造物、例えば水圧を受けるダムの堤体など、にも適用が可能である。

続いて、本発明の非破壊検査システム１等の実施例として、輪荷重走行試験時のコンクリート床版の疲労度測定について以下説明する。ただし、本発明はこれに限られることはない。

図５に、輪荷重走行試験で供試体として用いたコンクリート床版（ＲＣ床版）を示す。図５（ａ）は供試体４１の平面、図５（ｂ）は供試体４１の横断方向（幅方向）の側面である。輪荷重走行試験では、供試体４１を、長さ３０００ｍｍ、幅２０００ｍｍ、厚さ１６０ｍｍの矩形平面のコンクリート床版とし、内部には主鉄筋と配力筋を所定の間隔で配置した。

供試体４１の底面には、光ファイバセンサ５１を取り付けた。光ファイバセンサ５１は、供試体４１の縦断方向（長さ方向）と横断方向に配置した。

図６（ａ）に、輪荷重走行試験で用いた輪荷重走行試験機４０を示す。輪荷重走行試験機４０は、フレーム４２、レール５３、移動ステージ４４、載荷部４５等を有し、供試体４１を載せた移動ステージ４４をレール５３に沿って水平方向に±１ｍ往復運動させながら、フレーム４２に取り付けた載荷部４５により供試体４１に載荷するものである。載荷部４５は、油圧ジャッキにより下部の車輪を供試体４１へと押し付けて載荷する。

図６（ｂ）は、試験時の供試体４１の状態を上から見た図である。ここでは、供試体４１を、縦断方向の２辺を縦桁４８による単純支持、横断方向の２辺を横桁４７による弾性支持として、移動ステージ４４に配置し、縦断方向の２辺の両端部を浮上がり防止装置４３を用いて移動ステージ４４に取り付けた。また、図６（ａ）に示すように、載荷面となる供試体４１の上面には、供試体４１の往復移動時の輪荷重走行範囲にベニヤ板４６を敷き、そこに載荷ブロック５０を並べ、さらに載荷鉄板４９を載せた状態でその上で輪荷重を走行させた。

輪荷重走行試験は、段階荷重載荷方式により実施した。すなわち、走行回数０〜１０万回までの輪荷重を９８ｋＮ、１０万回〜２０万回ｍでの輪荷重を１２７、４ｋＮとし、以降は走行回数５万回毎に２９．４ｋＮずつ輪荷重を増加させた。

輪荷重走行試験におけるひずみ計測は、所定の走行回数の終了後に、基本輪荷重である９８ｋＮを載荷しつつ上記と同様に供試体４１を往復移動させ、その走行中における４分間のひずみを計測した。ひずみ計測間隔は０．０１秒とした。この他、９８ｋＮ載荷時の床版中央における（静的）活荷重たわみと床版下面のひび割れを観察、計測した。

輪荷重走行回数は、段階載荷による走行回数を、基本輪荷重９８ｋＮの載荷時の走行回数に換算した等価繰返し走行回数で評価した。具体的には、各荷重における走行回数を、マイナー則を仮定した以下の公知の式（１）
Ｎ_ｅｑ＝Σ（Ｐ_ｉ／９８）^ｍｎ_ｉ…（１）
により、荷重９８ｋＮの載荷時の走行回数（等価繰返し走行回数）に換算した。ここで、Ｎ_ｅｑは等価繰返し走行回数、Ｐ_ｉは実際に載荷した輪荷重（ｋＮ）
、ｎ_ｉは輪荷重Ｐ_ｉでの走行回数、ｍは換算時の係数であり、ｍ＝１２．７６である。

図７（ａ）は、輪荷重走行試験における活荷重たわみと等価繰返し走行回数の関係を示す図である。図に示すように、活荷重たわみは、走行回数１０万回までは増加するが、以降走行回数１０００万回までは一定に推移するような傾向を示し、走行回数１１００万回を過ぎた時点より急増し疲労限界状態に達した。

図７（ｂ）は、ひび割れ密度と等価繰返し走行回数の関係を示す図である。図に示すように、ひび割れ密度は、走行回数が増えるに従い大きくなる傾向を示した。なお、ひび割れの観察結果は、走行回数の初期段階では縦断方向のひび割れが主であるが、走行回数１０万回あたりから縦断方向のひび割れの進展とともに横断方向のひび割れの進展が目立ち始め、走行回数１５０万回以降は横断方向、縦断方向いずれのひび割れの進展も著しいという結果であった。

図８（ａ）は、前記で計測したひずみ波形の一例を示す図である。なお、ひずみ波形は、光ファイバセンサ５１の変位から前述の実施形態と同様の方法により得たものである。図に示すように、ひずみ波形は、供試体４１上での輪荷重走行に追従して変化した。ここでは、ひずみ波形における最大値とその前後の所定範囲の最小値の差（最大振幅）をひずみ振幅とし、縦断方向のひずみ振幅εｘと、横断方向のひずみ振幅εｙを求めた。

図８（ｂ）は、これらのひずみ振幅と等価繰返し走行回数の関係を示す図である。図より、ひずみ振幅は走行回数の増加とともに大きくなる傾向を示している。これは、疲労損傷が進展していることを表している。

また、横断方向のひずみ振幅εｙと縦断方向のひずみ振幅εｘは、等価繰返し走行回数１１０万回を超えるとその大きさが逆転する傾向を示している。これは、前記したひび割れの観察結果の傾向と概ね一致していた。すなわち、横断方向と縦断方向のひずみ振幅の増加傾向は、ひび割れが進展する過程をよく捉えていると判断された。

図９は、活荷重たわみと縦断方向ひずみ振幅εｘ、横断方向ひずみ振幅εｙの関係を示す図である。活荷重たわみの増加に追従するように、縦断方向ひずみ振幅εｘ、横断方向ひずみ振幅εｙがともに大きくなる傾向を示している。

図９より、縦断方向ひずみ振幅εｘ、横断方向ひずみ振幅εｙのいずれも活荷重たわみと高い相関性を有することがわかる。従って、これらのひずみ振幅により疲労度測定を行い、図９の実線あるいは点線に示すような関係式を用いてたわみ量を推定可能であることが示された。しかし、ひずみ振幅の値には作用荷重の大きさも影響するので、作用荷重の大きさと合わせて評価する必要があり、実際の適用を考えると、評価が難しいケースも考えられる。

従って、ここでは図８（ｂ）で説明した傾向を基に、ひずみ振幅比を疲労度測定に用いる。ここでは、縦断方向ひずみ振幅εｘと横断方向ひずみ振幅εｙの比θ＝εｘ／εｙを算出した。この振幅比と活荷重たわみとの関係を図１０の点線で示す。なお、図１０では、振幅比とひび割れ密度との関係も実線で示した。

図１０に示すように、振幅比はたわみ量と高い相関性を有し、振幅比を用いることにより作用荷重を求めなくても疲労度測定が可能であり、図１０の点線に示すような関係式を用いてたわみ量を算出、推定可能であることが示された。なお、図より振幅比はひび割れ密度とも高い相関性を有するので、同様にひび割れ密度の算出、推定も可能である。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１：非破壊検査システム（監視システム）
１１：コンクリート構造物
１２：光ファイバセンサ
１４：光ファイバケーブル
１５：光電気変換器
１６：ＰＣ

Claims (9)

1. コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみを用いて、前記コンクリート構造物の疲労度測定を行い、
   前記ひずみは、光ファイバセンサの長手方向の両端のみに設けた固定部が前記コンクリート構造物に直接取り付けられ、前記コンクリート構造物とは直接接しないように設けられた光ファイバセンサを用いて計測されることを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査システム。
2. 前記コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみの振幅を用いて疲労度測定を行うことを特徴とする請求項１記載のコンクリート構造物の非破壊検査システム。
3. 前記振幅は、所定期間内のひずみ波形における最大値とその前後の所定範囲の最小値の差によって求められることを特徴とする請求項２記載のコンクリート構造物の非破壊検査システム。
4. 前記コンクリート構造物の２方向のひずみの振幅比を算出し、前記振幅比を用いて疲労度測定を行うことを特徴とする請求項２または請求項３記載のコンクリート構造物の非破壊検査システム。
5. 前記コンクリート構造物は、車両が走行するコンクリート床版であり、
   前記２方向のひずみは、車両の走行方向に対応する縦断方向およびこれと直交する横断方向のひずみであり、
   前記振幅比は、前記縦断方向のひずみの振幅の値を前記横断方向のひずみの振幅の値で除したものであり、
   前記振幅比として、１を超える値を計測することを特徴とする請求項４記載のコンクリート構造物の非破壊検査システム。
6. 前記振幅比を用いて、前記コンクリート構造物のたわみを推定することを特徴とする請求項４または請求項５記載のコンクリート構造物の非破壊検査システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれかにおける疲労度測定の測定結果をモニタリングすることを特徴とするコンクリート構造物の監視システム。
8. コンクリート構造物の１方向または２方向のひずみを用いて、前記コンクリート構造物の疲労度測定を行い、
   前記ひずみは、光ファイバセンサの長手方向の両端のみに設けた固定部が前記コンクリート構造物に直接取り付けられ、前記コンクリート構造物とは直接接しないように設けられた光ファイバセンサを用いて計測されることを特徴とするコンクリート構造物の非破壊検査方法。
9. 請求項８における疲労度測定の測定結果をモニタリングすることを特徴とするコンクリート構造物の監視方法。

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