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*1・橋本 親典*2・大津 政康*3・水口 裕之*4 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１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 1. 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1）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 1)，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１ 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 fT， 空隙によるピーク周波数 fvoid，鉄筋によるピー ク周波数fbarが出現すると考えられている1)。検 出原理の概要を図－1 に示す。出現するピーク 周波数は，P 波の伝播速度をCp(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(1)～(4)に て表される。T
C
f
T p2
96
.
0
=
(1) *1 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） コンクリート工学年次論文集，Vol.27，No.1，2005d
C
f
p void2
96
.
0
=
(2)t
C
f
bar p4
ζ
=
(3)5
.
1
6
.
0
+
−
=
t
D
ζ
(4) 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 Cp 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Z1，境界面 以遠の物質の音響インピーダンスを Z2 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。 1 2 1 2Z
Z
Z
Z
R
+
−
=
(5) 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 90％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70％となる。 ３．実験概要 ３．１ 供試体 図－2 に示すようなD22 の鉄筋を 1 本埋設し た 600×600×200mm 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 600×600×290mm 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30mm として，鉄筋間隔を 50mm および 100mm 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150mm の位置に埋設した。 なお，この供試体はもともと600×600×200mm 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 150mm と供試体の板厚 200mm が近い値だったため，それぞれの共振周 波数fvoidとfT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 T d 入力および検出点 fT : 板厚による共振周波数 fvoid : 空隙による共振周波数 fbar : 鉄筋による共振周波数 fT 振幅 周波数(Hz) fbar 周波数(Hz) fT 周波数(Hz) fvoid fT 空隙 鉄筋 t 図－1 インパクトエコー法で検出される 共振周波数 300 20 0 60 0 側面図 鉄筋：D22 正面図 300 40 140 図－2 鉄筋を１本配筋した供試体数fvoidとfT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/mm2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1)。 Tc =0.0043D (6) c c
T
f
=
1
.
25
(7) 実験では直径9.5，19.0mm 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 30.6，15.3kHz となる。 図－2 に示す鉄筋を１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10mm とし，鉄筋直上からの距離 をそれぞれ 0，10，20，30mm 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=50Hz，サンプリング数 N=800 である。 鉄筋：D22 10 10 10 単位：ｍｍ 鋼球 入力および出力点 図－4 計測パターン 人工空隙 鉄筋 入力点 出力点 (2)鉄筋上での計測 人工空隙 鉄筋 入力点 出力点 (1)鉄筋を避けた計測 図－5 供試体の空隙上で計測パターン 人工空隙 (φ100×t10) 600 400 100 100 200 100 100 かぶり：30 20 0 20 0 60 0 側面図 側面図 鉄筋：D10 正面図 100 100 人工空隙 (φ100×t50) 90 90 図－3 増厚を行った人工空隙を有する 供試体（配筋間隔 100mm）４．結果および考察 ４．１ 鉄筋を１本配筋した供試体のかぶり 40mm 側での計測結果 図－6 に直径 19.0mm 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 150mm の距離で計測した結果を示す。 図－6 より距離150mm での計測では供試体の 厚みに起因する共振周波数fTが計測できる。こ のfTは 8.6kHz であり，式(1)よりコンクリート 中のP 波の伝播速度 Cp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fbar=26.2kHz となる。図－6(1)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19.0mm の鋼球による衝撃力の上限周 波数15.3kHz が fbar=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30mm 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 30.6kHz であり fbar=26.2kHz を満たしている。 図－7(1)の鉄筋上での結果では鉄筋による共 振周波数 fbar=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 fT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30mm 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
=1 とした 場合のfbarを算出するとfbar=22.4kHz となる。こ の値はほぼ図－7(2)に示す fbarと一致しており， また(1)に示す fbar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， fbarは，Cp/( t4 )～ζCp/( t4 )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 1 本配筋した供試体のかぶり 140mm 側での計測結果 図 － 8 に 鉄 筋 上 に て 直 径 19.0mm お よ び 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)距離0mm （鉄筋上） 相対振幅 fT 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)距離150mm （鉄筋無し） 周波数 (kHz) 相対振幅 fT 図－6 鋼球 19.0mm での周波数スペクトル 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)距離0mm (鉄筋上) fbar 相対振幅 fT 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)距離30mm fbar 周波数 (kHz) 相対振幅 fT 図－7 鋼球 9.5mm での周波数スペクトル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 0.3 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 1)。計 測条件により，かぶりが約 140mm であり，鉄 筋公称直径が22.2mm であるので D/t≒0.16 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 fbar=9.0kHz となり， fT=8.6kHz とほぼ等しいため，fbarの検出は困難 と考えられる。図－8 に示すように，fbarはfT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 50mm 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50mm 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(1)(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 100mm での計測結 果および空隙深さ20mm 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－10 に示す。図－10(1)より，鉄筋間隔 100mm にお けるfT =7.3kHz であり，式(1)より P 波の伝播速 度は4410m/s と算定される。鉄筋間隔 50mm の 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)鋼球直径 19.0mm 相対振幅 fT 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)鋼球直径 9.5mm 周波数 (kHz) 相対振幅 fT 図－8 かぶり 140mm の条件における鉄筋上 で得られた周波数スペクトル 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)鉄筋を 避けた計測 相対振幅 fflex 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)鉄筋上 での計測 周波数 (kHz) 相対振幅 fflex 図－9 空隙深さ 50mm の空隙による 周波数スペクトル 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)鉄筋間隔 100mm 相対振幅 fT 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)鉄筋間隔 50mm 周波数 (kHz) 相対振幅 fT 図－10 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
場合もほぼ同等の伝播速度で4770m/s となる。 深さ 150mm 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－11 に示す。式(2)より 空 隙 に よ る ピ ー ク 周 波 数 fvoid は そ れ ぞ れ ， 14.1kHz，15.3kHz となる。鉄筋間隔が 100mm および50mm の双方とも，深さ 150mm の空隙 により発生する fvoid付近にスペクトルピークが 検出されているのがわかる。しかし，図－10(2) に示す鉄筋間隔50mm の結果でも，15kHz 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－10(2)に表れ ている15kHz 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 150mm の空隙上にて鉄筋上で計測した 場合の検出結果を図－12 に示す。図－12 中に示 す矢印は図－11 で検出されたfTおよびfvoidのス ペ ク ト ル ピ ー ク の 位 置 を 表 し て い る 。 図 － 12(1)(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 (1)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40mm の場合，鉄 筋による共振周波数fbarを検出できた。 (2)fbarはCp/( t4 )～ζCp/( t4 )の範囲で，幅をもっ たピークとして表れることが示された。 (3)空隙が 20mm および 50mm 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 150mm 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。 参考文献
1)Sansalone, M.J. and Streett, W.B. :Impact-Echo, Bullbrier Press, Ithaca,N.Y.,1997
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.1，pp.1697-1702，2003 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)鉄筋間隔 100mm 相対振幅 fT fvoid 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)鉄筋間隔 50mm 周波数 (kHz) 相対振幅 fT fvoid 図－11 空隙深さ 150mm で鉄筋を避けた計測 による周波数スペクトル 10 20 30 40 0.5 1 0 (1)鉄筋間隔 100mm 相対振幅 10 20 30 40 0.5 1 0 (2)鉄筋間隔 50mm 周波数 (kHz) 相対振幅 図－12 空隙深さ 150mm で鉄筋上の計測によ る周波数スペクトル
