衝撃弾性波法の原理と応用 1

(1)

1

(2)

衝撃

ＦＦＴ

0

20

40

60

80 -6

-3

0

3

6 受振波形

時間（msec

)

振幅（V)

0

200

400

600

800 1000

0

0.01

0.02

0.03 周波数分布

周波数（Hz)

スペクトル強度

両端張出し梁の衝撃振動試験

集成材の接着不良

の検出への適用

(3)

1次モード

2次モード

3次モード

4次モード

0

500 1000

1500

0

0.01

0.02 周波数

(Hz)

ス

ペ

ク

ト

ル

強

度

61

281

586

916 1次

2次

3次

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)

4 埋設管の健全度評価への適用

(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

2．硫化水素

（

H

₂

S）

の蒸発

1．硫化水素

（

H

₂

S）

の生成

バクテリアの作用

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)

6 非開削での診断と補修（更生）

積水化学工業㈱ＨＰより

更生工法の例

(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）

0

2

4

6

8

10 A点

での受振波形の例

衝撃

解析モデル

A点

(8)

8

○ モルタル付着

○ 樹木根の侵入

○ 油脂の付着

○ 取付管の突出し

○ 浸入水

○ 管の継手ズレ

○ たるみ（管路の上下）

● ？

管の周方向クラック

● ？

管の軸方向クラック

● ？

管の腐食（管厚減少）

衝撃弾性波法

テレビカメラ

評価項目

調査手法

劣化項目

↓

特に、管の

剛性

等に影響

を与える因子

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）

(9)

健全管

ひび割れ管

0

10

20 time (ms)

0 time (ms)

10

20

(10)

受振波形から求めた周波数分布の比較

Frequency (kHz)

0

2

4

6

8

10 Spectrum

軸方向クラック少

軸方向クラック多

0

2

4

6

8

10 Frequency(kHz)

Spectru

m

0

2

4

6

8

10 Frequency(kHz)

Spectru

m

健全管

(11)

0

50

100 百分率（％）

62.0

38.0

42.5

57.5

69.4

30.6

40.3

59.7

50.2

49.8

70.6

29.4 健全供試体

管厚減少

周クラック

大

定量化による劣化グレーディング

高周波領域

低周波領域

0～5kHz

5～10kHz

100

50

0 小

多

少

軸クラック

(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

夕

刊

2002.7.23

1号機

1号

機

1号機

(14)

ロボット1号機の製作（

2002年度）

打撃側

受振側

インパルス

ハンマー

振動センサ

(15)

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)

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

ロボット３号機の製作（2004年度）

ドクター・インパクト

(岐阜大・積水化学）

(17)

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）

更生工法選択のための判断指標へ

定量的劣化診断の手順

たとえば、鉄筋が50%

足りない！

震度５弱の地震で

倒壊する

(18)

18 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

角材

ゴム板

ヒューム管

載荷試験状況

0

10

20

0

10

20

30

40 Displacement(mm)

Lo

ad

(k

N

)

①

②

③④

⑤ ⑥

⑦

試

験

開

始

衝

撃

弾

性

波

試

験

再

載

荷

衝

撃

弾

性

波

試

験

供

試

体

破

壊

ま

で

繰

り

返

し

(19)

ひび割れの状況

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)

ひび割れの進行に伴う周波数分布の変化

0 2 4 6 8 10

0

1

2

3 [×10

-3

_]

Frequency(kHz)

In

te

ns

ity

0 2 4 6 8 10

0

0.5

1

1.5 [×10

-3

]

Frequency(kHz)

In

te

ns

it

y

0 2 4 6 8 10

0

1

2 [×10

-3

_]

Frequency(kHz)

In

te

ns

it

y

健全

④

⑥

0 2 4 6 8 10

0

0.5

1

1.5 [×10

-3

]

Frequency(kHz)

In

te

ns

it

y

5kHz

高周波成分比

=

0～5kHzまでの面積

0～10kHzまでの面積

＋

ひび割れの進行

高周波成分比

健

全

弾

性

領

域

変

位

2 .

4 mm

変

位

4 .

3 mm

変

位

9 .

4 mm

変

位

12 _.

6 mm

変

位

20 _.

3 mm

ひ

び

割

れ

発

生

荷

重

高周波成分比の変化

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

(21)

剛性低下率と高周波成分比の関係

載荷前

破壊

G = 2.86 X - 60.16

20

30

40

50

60

0

0.2

0.4

0.6

0.8 高周波成分比：X（%）

剛性低下率：

S

自立指数（安全余裕度）

算定式の例

0

10

20

0

10

20

30

40 Displacement(mm)

Lo

ad

(k

N

)

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

(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：

100 ～

80 もっとも軽微な補修

【

自立指数

と更生工法】

0

100

50

2 _{（オメガライナー}

層構造管②

_L

_）

自立管

（オメガライナー

R

）

80

30

2 層構造管①

（オメガライナー

SL

）

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

(23)

株式会社

リハビリ・リサーチ・ラボラトリー

インターネット

データ解析

→ 劣化度診断

→（

更生（リハビリ）工法提案）

管理者

管路診断ロボット

管路調査会社等

管路診断

報告書

大学発ベンチャー企業

(24)

24

J 0 4 0 0 3 9 7 4 J 0 4 4 4 3 9 7 5 A B 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 　　　　　　　　　　　　（VTR No. ）下流人孔上流人孔 TVカメラ調査票No.： 1 蓋種別区画 1号 1号管本数 20 （管体）：A ：B （継手）縦太線：B 浸入水判定 T　V　カ　メ　ラ　検　査衝撃弾性波（ロボット）検査縦二重線：A 工法名改築形成工法改築製管工法工法選定（順不同） A数診断項目軸クラック周クラック有効管厚み診断項目改築修繕ランク浸入水ランク判定項目自立強度修繕・改築総合判定浚渫量維持管理ランク A・B管数比で表示ランク＋3桁固定表示改善数量（改築・修繕・維持管理・前処理）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修繕土被取付口切削軸補正浚渫掘削維持管理前処理根切り清掃水替はつり止水堆積深夜間改築修繕管頂継手管径本管工事スパン判定Ⅰ・Ⅱ・＊（他）判　　　定調査翌年時50年未満は改良更新・改良緊急度修繕止水工法種別 20 19 18 OR判定（改築優先） 14 13 15 16 判定 A （取付口）改築開削工法改築推進工法　：A 人孔種別人孔深 12 調査年月日本管総延長敷設年度調査時経年管径mm 管種　　　　　　　　2002年　　　　　12月　　　　　10日 H市　　　　　　　

管　　路　　診　　断　　票

路線番号 HP 枝番番号ﾒｯｼｭ 9 350 40.10m 取付管口数 17 4 5 7 8 9 10 11 1 5% 3 15% 管数比 B数管数比判定腐食破損・軸ｸﾗｯｸ　：B 管頂深継手ズレ周クラック浸入水不陸取付突出油脂付着侵入根モルタル付着 5% 5% 管体管体 2 1 3 (突) 軸 6 周 1 管数比 5% 判定 K040039 74 業務場所既設管きょ　劣化診断システム A A B TV カメラ衝撃弾性波 A A A 管数比 5% 5% 診断票No. 1 A数 1 1 B数 1 1 衝撃弾性波検査票No.： B A B 継手取付口厚軸軸周軸周軸修繕改築 A A 維持管理スパン判定上流下流

RRL

管路診断表（診断カルテ）

(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）

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

1

2

3

4

5

6 Time(msec)

Amplitude(V)

波形

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

2

4

6

8

10 周波数分布

Frequency(kHz)

Fourier Spectrum

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

TVカメラ画像

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0

1

2

3

4

5

6 波形

Time(msec)

Amplitude(V)

0

5

10

15

20

25

0

2

4

6

8

10 周波数分布

Frequency(kHz)

Fourier Spectrum

高周波成分比：

45.9%

自立指数：

62.7 要更生（中レベル）

(27)

27 PC桁グラウト充填評価への適用

(28)

PCグラウト充填不良の検出

A法

（詳細調査への適用）

空隙

コンクリート

シース

グラウト

＋

B法

（概略調査への適用）

打撃

センサ

PC鋼材

シース

打撃

センサ

PC鋼材

(29)

29 d

d: plate thickness

C

_p

: P wave velocity

freq. peak

f

_d

= C

_p

/(2d)

Repetition of the reflection

phenomenon of elastic wave is

shown in this wave form.

Period

Ａ法の原理

(30)

30 グラウト未充填検出への適用

T

C

Ｐ

f

板厚

=

_２

d

C

Ｐ

f

空隙

=

_２

板厚

f

空隙

f

板厚

f

周波数

スペクトル強度

健全部

空隙部

Ｐ

C

：

コンクリート中の

縦波伝播速度

ｄ

Ｔ

シース

空隙

センサ

打撃

(31)

31 計測装置

コニカル型変位振動子

アンプ

(32)

32

0

10

20

30

40

50

60 Frequency (kHz)

A

m

plit

ud

e

計測結果の例（健全部）

f

_板厚

＝

3.9[kHz]

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

(33)

33 計測結果の例

（空隙深さ

70mm

、φ

90mm）

0

10

20

30

40

50

60 Frequency (kHz)

A

m

plit

ud

e

f

欠陥

＝

27.8[kHz]

f

_欠陥

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

(34)

34

0

10

20

30

40

50

60 Frequency (kHz)

A

m

plit

ud

e

f

_欠陥

＝

21.7[kHz]

f

_欠陥

計測結果の例

（空隙深さ

100mm

、φ

90mm）

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

(35)

35

0

10

20

30

40

50

60 Frequency (kHz)

A

m

plit

ud

e

f

_欠陥

＝

7.8[kHz]

f

_欠陥

計測結果の例

（空隙深さ

250mm

、φ

90mm）

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

(36)

36 グラウト充填率：

0％

打撃

弾性波先端位置

Ｂ法の原理

【評価指標】：

伝播速度

グラウト充填率：

100％

(37)

37 伝播速度の計測

(38)

38 鋼球棒による打撃

(39)

39 受振側の状況

(40)

40 伝播速度の算定

時間差を読み取り速度を決定

入力側波形

(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

打撃

弾性波の伝播方向

・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

(42)

供試体の詳細

(unit：mm)

グラウト

: 50％

6,000

グラウト

: 75％

グラウト

: 25％

250

500

500 側面図

平面図

0%: 完全未充填

100%: 完全充填

AEセンサ

打撃位置

(43)

グラウト充填度と伝播速度の関係（実験）

0

25

50

75

100 4000

4500

5000

5500

伝播速度

(m/s)

グラウト充填度

(%)

充填度

50%

(44)

実構造物でのグラウト充填評価

(45)

弾性波の入力方法

打撃位置

5.63 m

打撃装置

弾性波の入力

PC bar

(46)

46 弾性波の受振

5.63 m

150kHz resonance type AE sensor

(47)

伝播速度（A高架橋の全２４本分）

3700

4000

4300

4600

4900

5200

1

2

3

4

5

6

7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

横締め鋼棒番号

弾性波伝播速度

(m/s

)

(48)

48 削孔結果

グラウト充填部

グラウト未充填部

(49)

49 3500

4000

4500

5000

5500

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

グラウト注入前

グラウト注入後

(50)

50 杭の健全性試験への適用

(51)

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)

(52)

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

(4)

全断面にわたる損傷がある

場合

(3)

断面縮小がある

場合

(2)

断面拡大がある

場合

(1)

断面変化がない

場合

(53)

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

(54)

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

(55)

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

(56)

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