衝撃弾性波法の原理と応用 1

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1 衝撃弾性波法の原理と応用 1

2 両端張出し梁の衝撃振動試験 衝撃 振幅 (V) 時間 (msec) 受振波形 FFT 集成材の接着不良の検出への適用 スペクトル強度 周波数 (Hz) 周波数分布

3 1 次モード 3 次モード スペクトル強度 次 61 2 次 次モード 3 次 周波数 (Hz) 4 次モード 4 次 各振動モードの固有振動数 に着目する方法が 衝撃振動試験 ( これも衝撃弾性波法のひとつ )

4 衝撃弾性波法の原理と応用 埋設管の健全度評価への適用 4

5 コンクリート下水管の腐食のメカニズム 4. 硫酸による管壁の侵食 3. 硫化水素の吸収と酸化 バクテリアの作用 2. 硫化水素 (H 2 S) の蒸発 1. 硫化水素 (H 2 S) の生成 我が国では 下水道管の老朽化に起因する 道路陥没は年間数千件以上

6 非開削での診断と補修 ( 更生 ) 更生工法の例 積水化学工業 HPより6

7 しかし 従来 人の入れない中小口径管では TV カメラによる調査以外に有効な診断方法がなかった! ひび割れ 減肉などにより弾性波挙動の変化 波形の変化を定量化 劣化状況の定量化 ( 客観的データへ ) 衝撃 A 点 解析モデル A 点での受振波形の例

8 衝撃弾性波法でカバーする範囲 (TV カメラの弱点を補い 最も重要な情報をキャッチ ) 評価項目 調査手法 テレビカメラ 衝撃弾性波法 管の腐食 ( 管厚減少 ) 管の軸方向クラック管の周方向クラックたるみ ( 管路の上下 ) 管の継手ズレ浸入水??? 劣化項目 特に 管の剛性等に影響を与える因子 取付管の突出し 油脂の付着 樹木根の侵入 モルタル付着 8

9 健全管 波形の比較 ひび割れ管 time (ms) time (ms)

10 Frequency(kHz) 受振波形から求めた周波数分布の比較 Spectrum 健全管 Frequency (khz) Spectrum 軸方向クラック少 Frequency(kHz) Spectrum 軸方向クラック多

11 百分率 (%) 定量化による劣化グレーディング 大小 42.5 少 高周波領域 5~10kHz 57.5 低周波領域 ~5kHz 30.6 多 0 周クラック健全供試体 軸クラック 管厚減少

12 この診断システムの運用上の特徴 ( 岐阜大 積水化学で特許共同出願 ) 埋設管 1 単位 ( 長さ約 2m) ごとに ロボットにより管内面で衝撃を与え 受振波形から劣化状況を評価 健全管での基準値データベースと比較 埋設管 1 単位 ( 約 2m) ごとに評価を実施

13 中日新聞1 号号機機 夕刊 号機

14 ロボット 1 号機の製作 (2002 年度 ) 振動センサ インパルスハンマー 受振側 打撃側

15 ロボット 2 号機の製作 (2003 年度 ) 打撃部 ( インパルスハンマー ) 受振部 ( 加速度センサー ) 中折れ構造

16 ロボット 3 号機の製作 (2004 年度 ) NEDOからの委託によりカメラ 衝撃弾性波計測ユニット一体型ロボットとして製作 愛 地球博 ( プロトタイプロボット展 ) で出展 ドクター インパクト ( 岐阜大 積水化学 )

17 定量的劣化診断の手順 1 劣化程度 ( ひび割れ状態など ) の定量化 ( 衝撃弾性波試験の実施 ) 2 管の性能の定量化 ( 自立指数の算定 ) たとえば 鉄筋が 50% 足りない! 震度 5 弱の地震で倒壊する 更生工法選択のための判断指標へ

18 供試体破壊まで繰り返し試験開始ひび割れ程度 ( 見かけの剛性 ) の定量的評価 載荷用 H 型補剛鋼 Load(kN) 角材 衝撃弾性波試験6 7 Displacement(mm) 衝撃弾性波試験再載荷ゴム板 ヒューム管 載荷試験状況 18

19 ひび割れの状況 ひび割れ ひび割れ コンクリート管の上面, 底面および両側面に発生し, 軸方向に進展

20 [ 10-3 ] 3 Intensity Frequency(kHz) 10-3 ] 1.5 Intensity [ 10-3 ] 2 Intensity Frequency(kHz) ひび割れの進行に伴う周波数分布の変化 健全 4 6 [ 10-3 ] 1.5 Intensity kHz Frequency(kHz) 高周波成分比 = 0~5kHz までの面積 0~10kHz までの面積 高周波成分比健弾性領域ひび割れ発生荷全変変変変変位位位位位重高周波成分比の変化 mm. mm. mm. mm. mm Frequency(kHz) ひび割れの進行

21 剛性低下率と高周波成分比の関係 0 Load(kN) 剛性低下率 :S 載荷前 Displacement(mm) 破壊 高周波成分比 :X(%) 20 荷重 - 変位曲線の傾きから 見かけの剛性を評価 剛性低下率 ( 健全時を 1) を算定 G = 2.86 X 自立指数 ( 安全余裕度 ) 算定式の例

22 管路品質 性能の評価 ( 定量化 ) 更生工法選択のための診断 高周波成分比剛性低下率 ( 自立指数 ) 自立指数 層構造管 2 ( オメガライナー L) 層構造管 1 ( オメガライナー SL) 自立管 ( オメガライナー R) 自立指数 :100~80 もっとも軽微な補修 自立指数 :80~30 中程度の補修 自立指数 :30 以下 最も丁寧な補修 自立指数と更生工法

23 株式会社 リハビリ リサーチ ラボラトリー 大学発ベンチャー企業データ解析 劣化度診断 ( 更生 ( リハビリ ) 工法提案 ) 管路診断 報告書 インターネット 管路診断ロボット 管理者 管路調査会社等

24 調査年月日業務場所 H 市路線番号 K 年 12 月 10 日 管路診断票管路診断表 ( 診断カルテ ) 衝撃弾性波検査票 No.: 1 TVカメラ調査票 No.: (VTR No. ) 管種管径 mm 本管総延長敷設年度調査時経年管本数取付管口数区画メッシュ番号枝番 HP m 20 9 上流人孔 J 下流人孔 J 診断票 No. 1 RRL 既設管きょ劣化診断システム 人孔種別 蓋種別 人孔深 管頂深 1 号 1 号 衝撃弾性波 管体 A B 厚 周 周 軸 軸 下流 上流 TV カメラ 管体 取付口 A B A B 継 A 手 B 周 軸 軸 軸 ( 突 ) 診断項目軸クラック周クラック有効管厚み 診断項目 1 腐食 2 破損 軸クラック 3 継手ズレ 4 周クラック 5 浸入水 6 不陸 7 取付突出 8 油脂付着 9 侵入根 10 モルタル付着 浸入水判定 衝撃弾性波 ( ロボット ) 検査 A 数 A 数 管数比 5% 5% 5% T V カメラ検査 1 5% B 数 1 1 管数比 5% 5% 管数比 B 数管数比判定 3 15% スパン判定 修繕改築 維持管理 判定 A A A A A 判定項目自立強度 修繕 改築 総合判定更新 改良緊急度改築修繕ランク浸入水ランク維持管理ランク 判定 判定方法衝撃弾性波検査 :A 改築 B 修繕経済性 : 残存年単価比較診断 :A 改築 B 修繕 OR 判定 ( 改築優先 ) 調査翌年時 50 年未満は改良 スパン判定 Ⅰ Ⅱ *( 他 ) A B 管数比で表示ランク +3 桁固定表示 判定 A 改善数量 ( 改築 修繕 維持管理 前処理 ) 改築 管径 管頂 土被 修繕 本管 継手 取付口 維持 根切り はつり 切削 管理 清掃 止水 軸補正 前処理 浚渫 堆積深 浚渫量 工事 掘削 夜間 水替 ( 管体 ) :A :B ( 継手 ) 縦二重線 :A 縦太線 :B ( 取付口 ) :A :B 工法選定 ( 順不同 ) 種別 工法名 改築製管工法 改築形成工法 改築開削工法 改築推進工法 修繕止水工法 24

25 健全管の例 TV カメラの直視画像 ( クラックなど変状なし ) Amplitude(V) Fourier Spectrum 波形 Time(msec) 周波数分布 Frequency(kHz) 高周波成分比 :57.4% 自立指数 :100 更生不要

26 クラック管 ( 軸クラック有 ) の例 Amplitude(V) 波形 Time(msec) 周波数分布 Frequency(kHz) TVカメラ画像 高周波成分比 :45.9% 自立指数 :62.7 要更生 ( 中レベル ) Fourier Spectrum

27 衝撃弾性波法の原理と応用 PC 桁グラウト充填評価への適用 27

28 PC グラウト充填不良の検出 空隙 シース コンクリート グラウト 打撃 センサ PC 鋼材 センサ 打撃 PC 鋼材 シース A 法 ( 詳細調査への適用 ) + B 法 ( 概略調査への適用 )

29 A 法の原理 評価指標 : 周波数特性 ( インパクトエコー法 ) Repetition of the reflection phenomenon of elastic wave is shown in this wave form. d Period freq. peak f d = C p /(2d) d: plate thickness C p : P wave velocity 29

30 グラウト未充填検出への適用 センサ 打撃 シース d スペクトル強度 f 板厚 f 板厚 健全部空隙部 f f 板厚 = 空隙 = CP 2T CP 2d 空隙 T f 空隙 周波数 C P : コンクリート中の縦波伝播速度 30

31 計測装置 コニカル型変位振動子 インパクタ アンプ 31

32 計測結果の例 ( 健全部 ) センサ Amplitude f 板厚 =3.9[kHz] 打撃 シース d 空隙 500mm Frequency (khz) 32

33 計測結果の例 ( 空隙深さ 70mm φ 90mm) f 欠陥 =27.8[kHz] センサ シース d Amplitude f 欠陥 打撃 空隙 500mm Frequency (khz) 33

34 計測結果の例 ( 空隙深さ 100mm φ 90mm) f 欠陥 =21.7[kHz] センサ シース d Amplitude f 欠陥 打撃 空隙 500mm Frequency (khz) 34

35 計測結果の例 ( 空隙深さ 250mm φ 90mm) f 欠陥 =7.8[kHz] センサ シース d Amplitude f 欠陥 打撃 空隙 500mm Frequency (khz) 35

36 B 法の原理 評価指標 : 伝播速度 弾性波先端位置 弾性波先端位置 打撃 打撃 グラウト充填率 :0% グラウト充填率 :100% 36

37 伝播速度の計測 全長 17m 37

38 鋼球棒による打撃 入力側振動センサ 38

39 受振側の状況 振動センサ貼付 39

40 伝播速度の算定 入力側波形 時間差を読み取り速度を決定 受振側波形 40

41 PC スラブ供試体での実験伝播速度とグラウト充填度の関係の把握 供試体寸法 6m 2m 0.25m 充填度の異なるシースをあらかじめ埋め込む 弾性波の伝播方向 打撃

42 供試体の詳細 グラウト : 25% グラウト : 50% グラウト : 75% 0%: 完全未充填 100%: 完全充填 6,000 平面図 AE センサ 250 (unit:mm) 打撃位置 側面図

43 グラウト充填度と伝播速度の関係 ( 実験 ) 5500 伝播速度 (m/s) 充填度 50% グラウト充填度 (%)

44 実構造物でのグラウト充填評価 対象 : 横締め PC 鋼棒

45 打撃位置 弾性波の入力方法 5.63 m PC bar 打撃装置 弾性波の入力

46 弾性波の受振 5.63 m PC bar 150kHz resonance type AE sensor 46

47 伝播速度 (A 高架橋の全 24 本分 ) 弾性波伝播速度 (m/s) 横締め鋼棒番号

48 削孔結果 速度の小さなものの大部分は 速度の大きなものでは グラウト充填部 グラウト未充填部 48

49 グラウト注入前および注入後の比較 5500 グラウト注入前グラウト注入後 伝播速度 (m/s) SBVD-20 SBVD-24 SBU-5 SBU-6 SBU-11 SBD-4 SBD-9 SBD-11 ケーブル番号 49

50 衝撃弾性波法の原理と応用 杭の健全性試験への適用 50

51 衝撃弾性波法による 杭の根入れ深さおよび損傷の評価 ハンマ打撃によって発生させた弾性波対する杭の応答を 加速度計などで測定 基礎杭先端の形状や根入れ深さ 損傷を評価 橋梁基礎構造の形状および損傷調査マニュアル ( 案 ) Pile Integrity Test 51

52 杭の根入れ深さおよび損傷の評価 調査マニュアル ( 案 ) における反射波形の具体的事例 (1) 断面変化がない場合 (2) 断面拡大がある場合 (3) 断面縮小がある場合 (4) 全断面にわたる損傷がある場合 52

53 建築基礎杭のインティグリティ試験 健全杭の試験例 (PC 杭 L: 20m) 杭頭反射 設計値通りの位置で確認 支持層へ根入れされたことによる地盤の影響 53

54 建築基礎杭のインティグリティ試験 損傷杭の試験例 ( 打設後 地盤の側方移動により傾き損傷を受けたもの ) 9m の位置にある破断箇所での反射波形 18m, 27m に多重反射が認められる 54

55 道路高架橋基礎杭の損傷評価 フーチング ( 厚さ 2.5m) 上部からの杭 (φ: 1.5m, L: 23m) の損傷調査例 杭頭を露出させない条件での適用性を検討 健全杭 損傷杭ので測定 差違の確認 計測装置ブロック図 55

56 道路高架橋基礎杭の損傷評価 受信波形 それぞれ杭長 およびき裂に相当する位置に反射波を確認 健全 損傷あり 56