JP4214290B2 - コンクリート構造物診断装置とそれを用いた診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート構造物の表面劣化と内部欠陥の有無を同時に診断する装置に関する。詳しくはハンマードリルの削孔抵抗指標と、削孔打撃に伴う弾性波の測定を容易に且つ正確に行う装置とそれを用いた診断方法に関する。

コンクリート構造物においては、凍害、化学的腐食、風化・老化、火災などによりスケーリング・ひび割れ等の表面劣化現象が起こる。従来の維持管理においては、通常コンクリート表面の劣化が顕在化した後に補修が行われていた。

劣化現象が表面に限定される場合には、劣化部を除去して健全部を露出させて断面修復による補修が行われていた。この場合、劣化部除去が不十分であると構造物の一体化を損ない、さらに構造物内部に潜在的な劣化要因を残してしまう問題が発生する。又、逆に過剰な劣化部除去は、修復コスト高を招く問題があった。このため、除去を要する劣化深さの診断・判定が重要であった。

特許文献１はコア貫入反力からコンクリートの深さ方向の強度を求める方法に係る発明であり、また非特許文献１ではコアドリルの電力に基づく切削効率からコンクリート強度を推定する方法に係る提案がなされている。いずれもコアドリルを用いて診断対象のコンクリート構造物に５０ｍｍ程度の欠損を与えてしまう問題があった。

特許文献２には、ハンマードリルを用いてコンクリート部材の圧縮強度測定装置及び圧縮強度測定方法が開示されている。この発明はハンマードリルを用いるため、コンクリート構造物に対する欠損は小さいものの、一定速度削孔における反力を指標とする方法であるため、反力以外の抵抗指標が考慮されないため、診断が正確に行えない問題があった。また、ハンマードリルの押圧に油圧ジャッキを用いているため装置が高価になる問題があった。

非特許文献２は、一定反力でハンマードリル削孔を行い、回転数、電圧、電流から抵抗指標を求め、コンクリート構造物の火災劣化を評価するものであるが、削孔方向に伴う反力制御が難しい問題があった。

特許文献３は、坑井掘削中の放出弾性波の三次元粒子運動解析による地下構造評価方法の発明である。この発明では、ドリルビット掘削の弾性波を坑井内に設置した３軸弾波検出器で検出し、直達波・反射波の解析により地下構造を評価するものである。しかし、ハンマードリルから発生する弾性波がコンクリート構造物の内部を伝わる直達波・反射波についての解析は、従来まったく行われていなかった。

また、従来のこれらの技術では、削孔深さに対応したコンクリート構造物の物性評価であったが、削孔深さより深い部分の情報、すなわちコンクリート構造物の内部欠陥（空洞、ジャンカ、打ち継ぎ部など）の検知はなされていなかった。

特開２００３−１４９１０６号公報（第１、２頁、第１図） 特開２００３−１３９６７０号公報（第１、２頁、第１図） 特開平４−２０３１９６号公報（第１、２頁、第１図） 太田福男：コアドリルの送り難易度による表層コンクリートの圧縮強度推定に関する実験的研究：日本建築学会大会学術講演梗概集、１９９９年９月、Ｐ６９７〜６９８ Ｒｏｂｅｒｔｏ ＦＥＬＩＣＥＴＴＩ：Ｔｈｅ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｉｔａｎｃｅ Ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄａｍａｇｅ ｉｎ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ：Ｆｉｂ Ｔａｓｋ Ｇｒｏｕｐ ４．３ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ Ｆｉｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｗｈａｔ ｎｏｗ？ Ｗｈａｔ ｎｅｘｔ？−Ｍｉｌａｎ， Ｄｅｃ．２−４，２００４

本発明は、前述の問題に鑑みてなされたもので、評価対象のコンクリート構造物に固定し、一定反力での自動削孔・抵抗指標情報の自動収集ならびに弾性波検出のための加速度計を配置するコンクリート構造物診断装置及びその測定診断方法の提供を課題とする。

本発明のコンクリート構造物診断装置は、評価対象のコンクリート構造物の表面に固定するアンカー部と、該アンカー部背面に垂直に固定された所定長四角柱状のガイドレールと、該ガイドレールの一側に嵌合されたラックギアとからなる装置固定部と、該装置固定部のガイドレールにガイド角穴を挿嵌しガイドレールを前後に摺動可能な装置移動部と、該装置移動部に支持されて振動による打撃とビット刃の回転によりコンクリート構造物に削孔するハンマードリルと、装置移動部に把持・固定された前記ハンマードリルの削孔深さを測定する変位計と、ハンマードリルの回転数を計測するセンサーと、反発硬度／原形波を測定する加速度計と、前記ハンマードリルの電源線に取り付けられた電圧コードと、電流測定用のクランプセンサーに接続した電力計と、
評価対象コンクリート構造物の表面及び背面にマトリックス状に複数取り付けられた、ハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計と
前記の各種センサーに接続したＡＤ変換器と、ＡＤ変換器とパソコンを接続するインターフェースユニットと、計測データを記録するパソコンとから構成し、
前記装置移動部は、前記ガイド角穴の中央に前記ラックギアに噛み合うピニオンギアを備え、ピニオンギアと同軸の滑車輪に巻かれた錘用ワイヤーに取り付けた錘により一定荷重でハンマードリルのビット刃が評価対象コンクリート構造物に押し当てられ、一定反力条件で自動削孔しながらハンマードリルの抵抗指標、反発硬度、弾性波の源波形、反射波形及び透過波形を計測することを特徴とする。

また、本発明のコンクリート構造物診断方法は、請求項１記載のコンクリート構造物診断装置を用いたコンクリート構造物の診断方法であって、
測定対象コンクリート構造物の表面に装置固定部をアンカーで固定する装置固定工程と、
測定対象コンクリート構造物の表面及び背面にハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計をマトリックス状に配設するセンサー設置工程と、
装置移動部の滑車輪に錘を取り付け、一定加重でハンマードリルのビット刃をコンクリート構造物の表面に押し付けながら削孔させる削孔工程と、
削孔中の削孔深さ、電流、電圧、総電力、反発硬度、弾性波の原波形及び、マトリックス状に配置された加速度計で検出される反射波形及び透過波形をリアルタイムで計測して記録する計測記録工程と、
計測された削孔深さと抵抗指標から劣化深さを評価する相関図表を作図する劣化評価工程と、
計測された弾性波の直達波、反射波の到達時間差による反射面の境界面評価図表を作図すると共に、透過波の到達時間差と減衰特性により弾性波トモグラフィーによるコンクリート構造物の内部評価図表を作成する深部評価工程とからなることを特徴とする。

本発明のコンクリート構造物診断装置とそれを用いた診断方法によれば、ガイドレールと錘の重力を利用した一定反力によって自動削孔するため、従来の装置に比べて人為的な操作の影響を排除し、信頼性の高い抵抗指標を得ることができる。

また、削孔による弾性波を同時に測定することにより、削孔深さ以深の情報を得ることができるため、コンクリート構造物全体の内部欠陥の評価を効率よく行うことができる。

さらに、コンクリート構造物の表面に固定する構造が簡単で、垂直面、水平面、斜め面、背面のいずれの表面にも取り付け可能であり、且ついずれの状態でも錘の重力を利用して一定反力によって自動削孔させることができる。このため、従来装置では測定できなかった構造物の要所を測定評価することができる。

本発明のコンクリート構造物診断装置とそれを用いた診断方法について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明のコンクリート構造物診断装置の構成を示す模式図である。図２は、コンクリート構造物診断装置１００の要部を示し、（ａ）側面図、（ｂ）平面図、（ｃ）は装置移動部の正面図である。

図１、図２において、５０は評価対象のコンクリート構造物を示す

コンクリート構造物診断装置１００は、装置固定部１０と、装置移動部２０と、装置移動部２０に支持されたハンマードリル１と、装置移動部２０に把持・固定されたレーザ変位計５と、レーザセンサー６と、加速度計７と、ハンマードリル１の電源線に取り付けられた電圧コード８ａと、電流測定用のクランプセンサー８ｂに接続した電力計８と、データ収集装置９と、
評価対象コンクリート構造物の表面及び背面にマトリックス状に複数取り付けられた、ハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計７ｘ（図１には一部のみ図示）とから構成する。

前記装置固定部１０は、評価対象のコンクリート構造物５０の表面に固定するアンカー部３ｂと、該アンカー部３ｂ背面に垂直に固定された所定長四角柱状のガイドレール３と、該ガイドレール３の一側（図１では下側）に嵌合されたラックギア３ａとからなる。アンカー部３ｂは、コンクリート構造物５０の表面に対して並行に取り付け、コンクリート構造物に固定するアンカーボルト５１の嵌合孔が設けられている。

装置移動部２０は、ガイド角穴２１（図２（ｃ）参照）を有し、ガイドレール３にガイド角穴２１を挿嵌しガイドレール３の前後に摺動可能に形成されている。

装置移動部２０はハンマードリル１を支持し、前記ガイド角穴２１の中央に前記ラックギア３ａに噛み合うピニオンギア４ａを備え、ピニオンギア４ａと同軸の滑車輪４に巻きつけた錘用ワイヤー４ｂに取り付けた重錘１５により一定荷重でハンマードリル１のビット刃１ｃをコンクリート構造物５０に押し当て、一定反力条件でハンマードリル１に自動削孔させる。

また装置移動部２０がコンクリート構造物に対面する前方には、削孔深さの測定に用いるレーザ変位計５が取り付けられ、レーザ光５ａをコンクリート構造物５０に照射し、その反射光を受光して正確な距離を測定する。

また、ハンマードリル１のチャック１ｂの表面に貼り付けたレーザセンサー専用の反射テープ６ｂにより、ハンマードリル１の回転数を測定するレーザセンサー６が装置移動部２０に固定される。なお、この実施の形態では、レーザを用いた測定距離用の変位計、回転数測定用のセンサーを用いたが、別の方式による測定器を用いて行ってもよい。

また、装置移動部２０に支持されたハンマードリル１には反発硬度／原形波を測定する加速度計７を取り付ける。

ハンマードリル１の電源コード１ａには、並列に電圧コード８ａを接続し電力計８に引き込み電圧を測定する。また、電源コード１ａにクランプセンサー８ｂを取付けクランププローブの出力を電力計８に接続して電流を測定する。

これらの各種測定器の情報は、データ収集装置９にリアルタイムで記録する。これらの接続はレーザ変位計用のアンプ５ｂ、レーザセンサー６用のアンプ６ｃ、加速度計７用のアンプ７ｂを介してマルチチャンネルの高速Ａ／Ｄ変換を行う高速アナログ計測ユニット９ａに接続され、さらに高速アナログ計測ユニット９ａからパソコンインターフェースユニット９ｂを介してデータ収集用のパソコン９ｃに入力される。

図２（ａ）に示すように、ハンマードリル１は、装置固定部１０のガイドレール３に摺動自在に挿入された装置移動部２０に前後が吊下げ保持された状態で支持されている。

装置移動部２０は、ガイドレール３のラックギア３ａに噛み合うピニオンギア４ａと同軸の滑車輪４を有し、滑車輪４の外周に結ばれて捲かれ地上に向けて垂らされた錘用ワイヤー４ｂの先端に錘１５を吊り下げる。

錘１５の重力により、滑車輪４に一定の回転力が与えられ、ピニオンギア４ａがラックギア３ａ上を一定の反力で進行する。

ハンマードリル１のチャック１ｂに臨む位置にはハンマードリルの回転数を測定するためのレーザセンサー６が設けられる。一方チャック１ｂには、レーザセンサー６のレーザ光６ａ（図示省略）を反射する反射テープ６ｂを貼り付ける。

図２（ｂ）に示すように、装置移動部２０の側面には、レーザ変位計５が取り付けられ、コンクリート構造物５０の表面５０ａに向けてレーザ光５ａを発射して、距離を計測することにより、削孔深さを測定する。

ハンマードリル１の背面には、ハンマードリルの反発硬度／原形波を測定する加速度計７を取り付ける。

図３は、装置固定部２０の実施の形態を示し、（ａ）は、アンカーボルト固定の形態、（ｂ）は、吸着固定の形態を示す断面図である。

図３（ａ）は、装置固定部２０のアンカー部３ｂに嵌合孔が設けられて、アンカーボルト５１をコンクリート構造物５０に打ち込んで固定している。図３（ｂ）は、アンカー部３ｂに、吸着空間３ｃを設け、真空ポンプ５２により擬似真空とすることにより吸着固定する。後者は複数箇所の測定に際して取り付け、撤去作業をすばやく行うことができる。

図４は、本発明のコンクリート構造物診断装置１００の計測状態を示し、（ａ）は構造物の上面計測、（ｂ）は構造物の下面計測、（ｃ）は構造物の側面計測の状態を示す断面図である。

図４に示すように、本発明のコンクリート構造物診断装置１００は、装置移動部２０が、測定対象のコンクリート構造物５０にハンマードリル１で削孔するビットの押し付け力（反力）を一定に保つ構成として錘１５の重力を用いていることから、コンクリート構造物の、上面、下面、側面、斜面のあらゆる面の計測を行うことができる。

なお、一定の反力とするため、ハンマードリル１及び取り付けられた計測センサーを含めた装置移動部２０の重量を勘案した錘１５を取り付け姿勢により交換する。

図５は、本発明のコンクリート構造物診断装置１００の、反射波形及び透過波形の計測状態を示す断面模式図である。

加速度計７ｘは、評価対象コンクリート構造物５０の表面５０ａ及び背面５０ｂにマトリックス状に複数個取り付ける。尚図５では、加速度計７ｘの計測信号線、アナログ信号の出力用アンプ、パソコン接続のＡ／Ｄ変換器の図示は省略している

ハンマードリル１の削孔位置の周囲の表面５０ａに一定距離間隔でマトリックス状に配置された加速度計７ｘは、ハンマードリル１の削孔打撃音源の弾性波がコンクリート構造物５０の内部構造から反射する反射波を捉え、コンクリート構造物の背面５０ｂにマトリックス状に配置された加速度計７ｘは、透過波を捉えて、内部構造の解析データを収集する。

コンクリート構造物内部に空洞、ジャンカ、打ち継ぎ部などの内部欠陥があれば、反射面の存在や弾性波の速度分布の違いによりその存在を特定することができる。このときドリル削孔位置を順次移動して各削孔位置に応じた弾性波を検出する。

図６は、反射波による境界面の評価例を示す図である。コンクリート構造物の内部に空洞、ジャンカ、打ち継ぎ部などの欠陥が存在する場合には、健全部と欠陥部の境界面が弾性波の反射面となり、コンクリート構造物の背面より浅い境界面からの弾性波の反射が検出される。

反射波の解析では、ハンマードリル１に取り付けた加速度計７による音源の弾性波とドリル削孔面にアレイ配置した加速度計７ｘによる反射波の到達時間差を検討して境界面の推定図を作成する。

コンクリート構造物の背面からの反射波は、コンクリートの弾性波速度とコンクリート構造物の寸法から到達時間が推定されるが、内部欠陥に起因する境界面からの反射波は、背面からの反射波に比べて到達時間が短いことを利用して、識別される。本発明の測定においては、一定反力条件でのハンマードリル削孔時の打撃を音源とするため、入力弾性波の再現性が高く、解析精度を高くすることができる。

図７は、弾性波トモグラフィーによる低速度帯の評価例を示す図である。コンクリート構造物の内部に存在する空洞、ジャンカ、打ち継ぎ部などの欠陥部の弾性波速度は、健全部の弾性波速度に比べて低くなる。また、弾性波は、欠陥部を透過することで、減衰が大きくなる。弾性波トモグラフィーでは、このような弾性波速度の低速度帯／高減衰帯の識別を行う。

弾性波トモグラフィーでは、ハンマードリル１に取り付けた加速度計７による音源の弾性波とドリル削孔面にアレイ配置した加速度計７ｘによる透過波の
到着時間差や減衰特性により低速度帯の評価や高減衰帯の評価を行ったものである。本発明の測定においては、一定反力条件でのハンマードリル削孔時の打撃を音源とするため、入力弾性波の再現性が高く、解析精度を高くすることができる。

次に、本発明のコンクリート構造物診断方法を説明する。図８は本発明のコンクリート構造物診断方法の流れ図である。

まず、測定対象コンクリート構造物の表面に装置固定部をアンカーで固定する。（Ｓ１：装置固定工程）

次に、測定対象コンクリート構造物の表面及び背面にハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計をマトリックス状に配設する。（Ｓ２：センサー設置工程）

次に、装置移動部の滑車輪に錘を取り付け、一定加重でハンマードリルのビット刃をコンクリート構造物の表面に押し付けながら削孔させる。（Ｓ３：削孔工程）

同時に、削孔中の削孔深さ、電流、電圧、総電力、反発硬度、弾性波の原波形及び、マトリックス状に配置された加速度計で検出される反射波形及び透過波形をリアルタイムで計測して記録する。（Ｓ４：計測記録工程）

計測された削孔深さと抵抗指標から劣化深さを評価する相関図表を作図する。（Ｓ５：劣化評価工程）

計測された弾性波の直達波、反射波の到達時間差による反射面の境界面評価図表を作図すると共に、透過波の到達時間差と減衰特性により弾性波トモグラフィーによるコンクリート構造物の内部評価図表を作成する。（Ｓ６：深部評価工程）

なお、Ｓ１〜Ｓ４は、コンクリート構造物の計測箇所毎に行い、Ｓ５、Ｓ６についてはを複数箇所をまとめて実施することができる。

本発明のコンクリート構造物診断装置の構成を示す模式図である。 コンクリート構造物診断装置１００の要部を示し、（ａ）側面図、（ｂ）平面図、（ｃ）は装置移動部の正面図である。 装置固定部２０の実施の形態を示し、（ａ）は、アンカーボルト固定の形態、（ｂ）は、吸着固定の形態を示す断面図である。 本発明のコンクリート構造物診断装置１００の計測状態を示し、（ａ）は構造物の上面計測、（ｂ）は構造物の下面計測、（ｃ）は構造物の側面計測の状態を示す断面図である。 本発明のコンクリート構造物診断装置１００の、反射波形及び透過波形の計測状態を示す断面模式図である。 反射波による境界面の評価例を示す図である。 弾性波トモグラフィーによる低速度帯の評価例を示す図である。 本発明のコンクリート構造物診断方法の流れ図である。

符号の説明

１ ハンマードリル
１ａ 電源コード
１ｂ チャック
１ｃ ビット刃
３ ガイドレール
３ａ ラックギア
３ｂ アンカー部
３ｃ 吸着空間
４ 滑車輪
４ａ ピニオンギア
４ｂ 錘用ワイヤー
５ レーザ変位計
５ａ レーザ光
５ｂ アンプ
６ レーザセンサー
６ａ レーザ光
６ｂ 反射テープ
６ｃ アンプ
７ 加速度計
７ｂ アンプ
７ｘ 加速度計
８ 電力計
８ａ 電圧コード
８ｂ クランプセンサー
９ データ収集装置
９ａ 高速アナログ計測ユニット
９ｂ パソコンインターフェースユニット
９ｃ パソコン
１０ 装置固定部
１５ 錘
２０ 装置移動部
２１ ガイド角穴
５０ コンクリート構造物
５０ａ 表面
５０ｂ 背面
５１ アンカーボルト
５２ 真空ポンプ
１００ コンクリート構造物診断装置

Claims (2)

1. 評価対象のコンクリート構造物の表面に固定するアンカー部と、該アンカー部背面に垂直に固定された所定長四角柱状のガイドレールと、該ガイドレールの一側に嵌合されたラックギアとからなる装置固定部と、該装置固定部のガイドレールにガイド角穴を挿嵌しガイドレールを前後に摺動可能な装置移動部と、該装置移動部に支持されて振動による打撃とビット刃の回転によりコンクリート構造物に削孔するハンマードリルと、装置移動部に把持・固定された前記ハンマードリルの削孔深さを測定する変位計と、ハンマードリルの回転数を計測するセンサーと、反発硬度／原形波を測定する加速度計と、前記ハンマードリルの電源線に取り付けられた電圧コードと、電流測定用のクランプセンサーに接続した電力計と、
   評価対象コンクリート構造物の表面及び背面にマトリックス状に複数取り付けられた、ハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計と
   前記の各種センサーに接続したＡＤ変換器と、ＡＤ変換器とパソコンを接続するインターフェースユニットと、計測データを記録するパソコンとから構成し、
   前記装置移動部は、前記ガイド角穴の中央に前記ラックギアに噛み合うピニオンギアを備え、ピニオンギアと同軸の滑車輪に巻かれた錘用ワイヤーに取り付けた錘により一定荷重でハンマードリルのビット刃が評価対象コンクリート構造物に押し当てられ、一定反力条件で自動削孔しながらハンマードリルの抵抗指標、反発硬度、弾性波の源波形、反射波形及び透過波形を計測することを特徴とするコンクリート構造物診断装置。
2. 請求項１記載のコンクリート構造物診断装置を用いたコンクリート構造物の診断方法であって、
   測定対象コンクリート構造物の表面に装置固定部をアンカーで固定する装置固定工程と、
   測定対象コンクリート構造物の表面及び背面にハンマードリルの打撃による弾性波の反射波及び透過波を検知する加速度計をマトリックス状に配設するセンサー設置工程と、
   装置移動部の滑車輪に錘を取り付け、一定加重でハンマードリルのビット刃をコンクリート構造物の表面に押し付けながら削孔させる削孔工程と、
   削孔中の削孔深さ、電流、電圧、総電力、反発硬度、弾性波の原波形及び、マトリックス状に配置された加速度計で検出される反射波形及び透過波形をリアルタイムで計測して記録する計測記録工程と、
   計測された削孔深さと抵抗指標から劣化深さを評価する相関図表を作図する劣化評価工程と、
   計測された弾性波の直達波、反射波の到達時間差による反射面の境界面評価図表を作図すると共に、透過波の到達時間差と減衰特性により弾性波トモグラフィーによるコンクリート構造物の内部評価図表を作成する深部評価工程とからなることを特徴とするコンクリート構造物診断方法。

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