論文インパクトエコー法における鉄筋の影響に関する考察 渡辺健 * 橋本親典 *2 大津政康 *3 *4 水口裕之 要旨 : インパクトエコー法における鉄筋の影響を検討するため, 鉄筋コンクリート供試体を作製し, 実験的検討を行った その結果, 鉄筋を 本配筋した供試体を用いて, 鉄筋による共振周波数を検出し, その特徴について評価することができた 格子状に鉄筋を配筋した鉄筋コンクリート供試体により, 密に配筋されている場合には, 内部空隙により生じる共振周波数を検出することが困難となり, 鉄筋上での計測ではその影響がより顕著となる可能性が示された キーワード : インパクトエコー法, 共振周波数, 周波数スペクトル, 鉄筋, 弾性波. はじめに弾性波法による非破壊検査手法のひとつに ) インパクトエコー法がある 本手法は, コンクリート内部に入力した弾性波が欠陥などの境界面から反射することにより生じる共振周波数を利用して, 内部欠陥の深さやコンクリートの厚さ等を同定する手法である インパクトエコー法は, 欠陥検出への適用が盛んであるため, 鉄筋単体の影響については検討されているものの ), 実構造物での計測では鉄筋を避けて計測するのが一般的なため, その影響について重要視されていない しかし, 近年の耐震性向上のため鉄筋コンクリート構造物では配筋が密になる傾向があり, 既往の研究により内部空隙の検出の際に密に配筋された鉄筋が悪影響を及ぼす可能性が指摘されている 2) しかし, 計測条件の影響など不明な点も多い 本研究の目的は, インパクトエコー法における鉄筋の影響を, 衝撃力の入力点およびセンサによる検出点の配置の影響も含めて明らかにすることである そこで, コンクリート内部に 本鉄筋を配筋した供試体および鉄筋の間隔と内 部空隙の深さの異なる供試体を作製し, 入力および検出点の配置を変えたインパクト試験により, 実験的に鉄筋の影響について評価した 2. インパクトエコー法インパクトエコー法は, コンクリート部材表面に衝撃的な外力を与えることにより弾性波を入力し, 内部空隙や部材端部などから反射された弾性波により生じる共振振動を周波数スペクトル中のピーク周波数としてとらえて評価する手法である 内部に空隙や鉄筋を有するコンクリート部材では, 板厚によるピーク周波数, 空隙によるピーク周波数 f void, 鉄筋によるピーク周波数 f bar が出現すると考えられている ) 検出原理の概要を図 - に示す 出現するピーク 周波数は,P 波の伝播速度をC (m/s), 板厚を T(m), 空隙深さを d(m), かぶりを t(m), 鉄筋径を D(m) とすると, それぞれ以下の式 ()~(4) にて表される f T C =.96 () 2T * 徳島大学工学部建設工学科助手博士 ( 工学 )( 正会員 ) *2 徳島大学工学部建設工学科教授工博 ( 正会員 ) *3 熊本大学大学院自然科学研究科環境共生科学専攻教授工博 ( 正会員 ) *4 徳島大学工学部建設工学科教授工博 ( 正会員 )
T 振幅 入力および検出点 f f void bar C =.96 2d (2) ζc = 4t (3).6D ζ = +.5 (4) t 式 (4) による式 (3) 中の係数 ζ は, 経験的に得られている係数である ここで音響インピーダンスについて考える 一般的に, 弾性波が弾性体内部の境界面に差しかかると, 境界面と垂直に入力された弾性波の一部は透過し, 残りが反射する この時の割合は, 境界面に接する物質の音響的な性質, すなわち音響インピーダンス Z によって決まる 音響インピーダンス Z は, 弾性波の伝播速度 C と密度との積であり, はじめに弾性波が伝播している物質の音響インピーダンスを Z, 境界面以遠の物質の音響インピーダンスを Z 2 とすると, 境界面で反射する P 波の反射率 R は式 (5) で表される R 周波数 (Hz) : 板厚による共振周波数 f void : 空隙による共振周波数 f bar : 鉄筋による共振周波数 Z + Z 空隙 2 = (5) Z 2 Z 一般的にコンクリートを伝わる弾性波が内部空隙や端部で反射する場合, コンクリートと空気の密度の差が非常に大きいためその反射率は d 周波数 (Hz) 鉄筋 f void t f bar 周波数 (Hz) 図 - インパクトエコー法で検出される共振周波数 9% 以上とされている また, その反射の際には波の位相が反転する 鉄筋とコンクリートでは, 鉄筋の密度がコンクリートよりも大きく, 弾性波の速度も速いため, コンクリートの音響インピーダンスの 5~6 倍となる よって反射率は約 7% となる 3. 実験概要 3. 供試体図 -2 に示すような D22 の鉄筋を 本埋設した 6 6 2mm の鉄筋コンクリート供試体を作製した また, 図 -3 に示すような内部に人工空隙を有した 6 6 29mm の鉄筋コンクリート供試体を作製した この場合, かぶりを 3mm として, 鉄筋間隔を 5mm および mm の 2 体を作製した 内部空隙はスチロール材によって模擬し, 鉄筋の直上, 直下および供試体上端から深さ 5mm の位置に埋設した なお, この供試体はもともと 6 6 2mm の供試体の底部にコンクリートを増打ちしたものである これは既往の研究において, 鉄筋が内部空隙の検出を妨げる可能性について指摘した 2) が, 空隙の深さ 5mm と供試体の板厚 2mm が近い値だったため, それぞれの共振周波数 f void と の区別が困難であった可能性がある そこで, コンクリートを増打ちして板厚を大きくした この増打ちは, あくまで共振周波 側面図 正面図 2 6 鉄筋 :D22 4 4 3 3 図 -2 鉄筋を 本配筋した供試体
側面図正面図側面図 9 2 6 9 2 4 6 2 かぶり :3 人工空隙 (φ t) 鉄筋 :D 人工空隙 (φ t5) 図 -3 増厚を行った人工空隙を有する供試体 ( 配筋間隔 mm) 単位 :mm 鋼球入力および出力点鉄筋 :D22 図 -4 計測パターン鉄筋人工空隙出力点入力点 () 鉄筋を避けた計測鉄筋人工空隙出力点 数 f void と の区別を容易にするために行ったものであり, 補修や補強を対象としたものではない また, 増打ち後は一体化されており測定値に影響を及ぼさないものとする 図 -2 および図 -3 に示すコンクリート供試体の圧縮強度は, それぞれ 23.6,25.8N/mm 2 であった 3.2 インパクト試験 鋼球落下により生じる衝撃力の上限周波数は, 鋼球とコンクリートの接触時間により決定され, 接触時間は鋼球の直径に依存している 鋼球の直径を D とすると接触時間は式 (6) より, 上限周波数は式 (7) より決定される ) T c =. 43D (6).25 fc = (7) Tc 実験では直径 9.5,9.mm の 2 種類の鋼球を使用した 式 (6),(7) より上限周波数はそれぞれ 3.6,5.3kHz となる 入力点 (2) 鉄筋上での計測図 -5 供試体の空隙上で計測パターン図 -2 に示す鉄筋を 本配筋した供試体では, 衝撃の入力点および加速度センサによる波形検出点の間隔を mm とし, 鉄筋直上からの距離をそれぞれ,,2,3mm と移動させながら試験を実施した その様子を図 -4 に示す 図 -3 に示す空隙を埋設した供試体では, 衝撃の入力点および波形検出点を, 鉄筋を避けて配置した場合, 鉄筋上に配置した場合の計測を行った その様子を図 -5 に示す 検出した弾性波の波形を FFT 処理することにより周波数スペクトルを求めた 求めたスペクトルは基本周波数 Δf=5Hz, サンプリング数 N=8 である
4. 結果および考察 4. 鉄筋を 本配筋した供試体のかぶり 4mm 側での計測結果図 -6 に直径 9.mm の鋼球を使用した際の鉄筋直上での計測結果および鉄筋から 5mm の距離で計測した結果を示す 図 -6 より距離 5mm での計測では供試体の厚みに起因する共振周波数 が計測できる この は 8.6kHz であり, 式 () よりコンクリート中の P 波の伝播速度 C は 3583m/s と推定される この波速は, 超音波試験装置で計測した値とほぼ同じ値を示しており, ここでは 3583m/s を弾性波の速度とする この速度を式 (3),(4) に代入すると f bar =26.2kHz となる 図 -6() では明確な鉄筋の共振周波数を見ることができない これは, 直径 9.mm の鋼球による衝撃力の上限周波数 5.3kHz が f bar =26.2kHz を満たしていないためである よって, 入力される衝撃力の上限周波数が鉄筋による共振周波数を下回っている場合, 鉄筋の影響は観察されないといえる 図 -7 に直径 9.5mm の鋼球を使用した際の鉄筋直上での計測結果および鉄筋から 3mm の距離で計測した結果を示す 直径 9.5mm の鋼球による衝撃力の上限周波数は式 (6), (7) より 3.6kHz であり f bar =26.2kHz を満たしている 図 -7() の鉄筋上での結果では鉄筋による共振周波数 f bar =26.2kHz に相当するスペクトルピークがはっきりと計測される そのピークは図 -6 に示す とは異なり, スペクトルピークが幅を持っていることが分かる 入力 検出点の距離が鉄筋から 3mm はなれた場合では, スペクトルピークが 26.2kHz 付近にみられるものの, 直上のデータに比べ, スペクトルピークが低下している これは入 出力点の距離が変わったことにより, 弾性波の伝播距離が変化したためと考えられる ここで式 (3) の係数 ζ = とした場合の f bar を算出すると f bar =22.4kHz となる この値はほぼ図 -7(2) に示す f bar と一致しており, また () に示す f bar のスペクトルピークの立ち上がりの部分とほぼ一致している このことより, () 距離 mm ( 鉄筋上 ) 2 3 4 (2) 距離 5mm ( 鉄筋無し ) 2 3 4 図 -6 鋼球 9.mm での周波数スペクトル () 距離 mm ( 鉄筋上 ) f bar 2 3 4 (2) 距離 3mm f bar 2 3 4 図 -7 鋼球 9.5mm での周波数スペクトル f bar は, C /( 4t) ~ ζc /( 4t) の周波数の範囲で, 幅をもったピークとして出現するといえる これは, コンクリートを伝播した弾性波が鉄筋表面で反射する現象と, 鉄筋内部を伝播した弾性波がコンクリートとの境界で反射する現象との両方が生じているためと考えられる 4.2 鉄筋を 本配筋した供試体のかぶり 4mm 側での計測結果 図 -8 に鉄筋上にて直径 9.mm および
() 鋼球直径 9.mm f flex () 鉄筋を避けた計測 2 3 4 2 3 4 (2) 鋼球直径 9.5mm f flex (2) 鉄筋上での計測 2 3 4 2 3 4 図 -8 かぶり 4mm の条件における鉄筋上で得られた周波数スペクトル 図 -9 空隙深さ 5mm の空隙による周波数スペクトル 9.5mm の鋼球を使用した計測結果を示す ここで, 式 (4) 中の D/t が.3 を下回ると鉄筋の影響を検出するのが困難になるとされている ) 計測条件により, かぶりが約 4mm であり, 鉄筋公称直径が 22.2mm であるので D/t.6 となり, スペクトルピークの検出は困難と考えられる さらに, 式 (3),(4) より f bar =9.kHz となり, =8.6kHz とほぼ等しいため,f bar の検出は困難と考えられる 図 -8 に示すように,f bar は と混在し, その影響を評価できなかった 4.3 空隙を有した供試体での結果直径 9.5mm の鋼球を使用した深さ 5mm の空隙での計測結果を図 -9 示す この場合, 配筋された鉄筋の下に空隙が存在することになる 図 -9 は, 鉄筋間隔が 5mm のもので, 入力 検出点をそれぞれ図 -5 に示すように配置した場合の周波数スペクトルである 図 -9()(2) より, 鉄筋を避けて行った計測と鉄筋上でおこなった計測で明確な差異が見られず, 空隙上部のコンクリートのたわみ振動が卓越していることがわかる これはたわみ振動により生じる振幅が鉄筋による共振周波数と比べて相対的に大きいためである 鉄筋間隔が mm での計測結 () 鉄筋間隔 mm 2 3 4 (2) 鉄筋間隔 5mm 2 3 4 図 - 空隙を埋設していない位置で得られた周波数スペクトル 果および空隙深さ 2mm での計測結果においても, 図 -9 と同様にたわみ振動が卓越していることが確認された 次に, 空隙がない箇所での検出結果を図 - に示す 図 -() より, 鉄筋間隔 mm における =7.3kHz であり, 式 () より P 波の伝播速度は 44m/s と算定される 鉄筋間隔 5mm の
f void () 鉄筋間隔 mm 2 3 4 f void (2) 鉄筋間隔 5mm 2 3 4 図 - 空隙深さ 5mm で鉄筋を避けた計測による周波数スペクトル () 鉄筋間隔 mm 2 3 4 (2) 鉄筋間隔 5mm 2 3 4 図 -2 空隙深さ 5mm で鉄筋上の計測による周波数スペクトル 検出されているのがわかる しかし, 図 -(2) に示す鉄筋間隔 5mm の結果でも,5kHz 付近にスペクトルピークが出現しているため, スペクトルピークのみで空隙の有無を調べることが困難であることが考えられる 図 -(2) に表れている 5kHz 付近にスペクトルピークは鉄筋が密になった影響によるものと考えられる 深さ 5mm の空隙上にて鉄筋上で計測した場合の検出結果を図 -2 に示す 図 -2 中に示す矢印は図 - で検出された および f void のスペクトルピークの位置を表している 図 - 2()(2) より, 鉄筋の影響によりスペクトルピークの位置が変化していることがわかり, その影響は鉄筋が密になるほど顕著になることがわかった インパクトエコー法は適用範囲の広い非破壊検査手法であるが, 鉄筋の配筋が密である部材や, はり柱接合部等への適用には注意が必要であるといえる 5. まとめ () 衝撃力の上限周波数が鉄筋による共振周波数より大きい条件でかぶりが 4mm の場合, 鉄筋による共振周波数 f bar を検出できた (2)f bar は C /( 4t) ~ ζ /( 4t) の範囲で, 幅をもっ C たピークとして表れることが示された (3) 空隙が 2mm および 5mm の深さにある場合は, たわみ振動が卓越し, 鉄筋の影響がないことが確認された (4) 空隙の深さが 5mm の場合, 鉄筋の配筋が密になると内部空隙の検出が困難となり, 鉄筋上での計測ではその傾向が顕著になる可能性が示された 場合もほぼ同等の伝播速度で 477m/s となる 深さ 5mm の空隙上にて鉄筋を避けて計測した場合の検出結果を図 - に示す 式 (2) より空隙によるピーク周波数 f void はそれぞれ, 4.kHz,5.3kHz となる 鉄筋間隔が mm および 5mm の双方とも, 深さ 5mm の空隙により発生する f void 付近にスペクトルピークが 参考文献 )Sansalone, M.J. and Streett, W.B. :Imact-Echo, Bullbrier Press, Ithaca,N.Y.,997 2) 森田貴史, 渡辺健, 橋本親典, 大津政康 : 鉄筋コンクリート内部の空隙検出における SIBIE の有効性, コンクリート工学年次論文報告集,Vol.25,No.,.697-72,23