JP6989925B2

JP6989925B2 - コンクリート構造物の応力測定方法、およびコンクリート構造物の応力測定システム

Info

Publication number: JP6989925B2
Application number: JP2018108622A
Authority: JP
Inventors: 健太郎大野; 裕生篠崎; 一清玉置; 優二野並
Original assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2022-01-12
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019211371A

Description

本発明は、コンクリート構造物に作用する応力を測定するコンクリート構造物の応力測定方法、およびコンクリート構造物の応力測定システムに関するものである。

コンクリート構造物の内部に発生する応力を非破壊で測定する技術として、圧電素子が内蔵されたセンサ素子を、あらかじめコンクリート構造物の内部に埋設する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２－２４７３５５号公報

しかしながら、上記のようにセンサ素子を埋設する手法では、コンクリート構造物が形成された後に、他の箇所や方向の応力を測定することはできない。しかも、非破壊で測定されるものの、センサ素子が埋設された箇所では、埋設されていない箇所に比べてコンクリート構造物の強度が低下することになる。

本発明は、上記の点に鑑み、強度の低下を招いたりすることなく、所望の箇所の応力を容易に測定できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、
本発明は、
コンクリート構造物の応力測定方法であって、
コンクリート構造物の表面に沿った第１の方向に伝播する第１の振動の第１の伝播速度、および上記第１の方向とは異なる第２の方向に伝播する第２の振動の第２の伝播速度の何れか一方に対する、上記第１の伝播速度と第２の伝播速度との速度差の比に基づいて、上記コンクリート構造物の応力を求めることを特徴とする。

これによって、互いに応力の影響が異なる伝播速度の関係と、応力とが比較的高い精度で一定の対応関係を有するので、施工後のコンクリート構造物に作用する応力等を容易に求めることができる。

本発明によれば、強度の低下を招いたりすることなく、所望の箇所の応力を容易に測定できるようになる。

応力測定システムの構成を示すブロック図である。検出された超音波波形の例を示すグラフである。相互相関係数を求める区間を決定するための第１回目のＡＩＣ適用結果の例を示すグラフである。相互相関係数を求める区間を決定するための第２回目のＡＩＣ適用結果の例を示すグラフである。速度変化率と応力比との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態として、図１に示すように、コンクリート構造物１０１に例えば圧縮力Ｐが作用した時に生じる応力を測定するコンクリート構造物の応力測定システムの例を図面に基づいて詳細に説明する。

（応力測定システムの概略構成）
この応力測定システムでは、超音波振動をコンクリート構造物１０１に与える１つのＡＥセンサ２０１（振動印加部）（ＡＥ：Acoustic Emission）と、上記超音波振動が伝播した振動を検出する２つのＡＥセンサ２０２・２０３（振動検出部）とが用いられる。上記ＡＥセンサ２０２は、ＡＥセンサ２０１に対して、圧縮力Ｐと同じ方向に配置される。一方、ＡＥセンサ２０３は、ＡＥセンサ２０１に対して、圧縮力Ｐと９０°の角度を成す方向に配置される。

上記応力測定システムには、また、スタートスイッチ２１２を有するファンクションジェネレータ２１１と、波形収録ロガー２１３と、波形記録用ＰＣ２１４（応力算出部）と、プリアンプ２１５とが設けられている。

ファンクションジェネレータ２１１は、例えば、スタートスイッチ２１２が操作されたときに、１５Ｖのパルス信号を発生するようになっている。上記パルス信号は、ＡＥセンサ２０１に入力され、例えば２００ｋＨｚ以下程度の周波数の振動がコンクリート構造物１０１に与えられるようになっている。上記パルス信号は、また、波形収録ロガー２１３にも入力されるが、これについては後述する。なお、パルス信号の電圧や発生させる振動の周波数などは種々に設定可能である。例えば６０ｋＨｚや、１５０ｋＨｚなどに設定してもよい。もっとも、特に限定されないが、例えばコンクリート構造物１０１中の骨材の最大直径が２０～４０ｍｍ程度の場合には、２００ｋＨｚ程度の振動が好ましい場合が多いと考えられる。

プリアンプ２１５・２１５は、ＡＥセンサ２０１によってコンクリート構造物１０１に振動が与えられ、伝播してＡＥセンサ２０２・２０３によって検出された振動波形の信号を増幅するようになっている。

波形収録ロガー２１３は、ファンクションジェネレータ２１１からパルス信号が入力されたタイミング、または必要に応じて、それより所定時間だけ遡ったタイミング以降にＡＥセンサ２０２・２０３によって検出された振動波形を記録し、波形記録用ＰＣ２１４に出力するようになっている。

波形記録用ＰＣ２１４は、上記振動波形に基づいて、以下のように、コンクリート構造物１０１に作用する応力を求めるようになっている。

（応力算出の概要）
ＡＥセンサ２０１によってコンクリート構造物１０１に与えられた振動の伝播速度は、例えば図２に示すように、コンクリート構造物１０１に作用する応力の大きさによって異なる。ただし、伝播速度自体は、一般に、種々の条件に応じて変動するため、伝播速度から、直接、応力を求めることは通常は容易でない。ところが、ＡＥセンサ２０１によってコンクリート構造物１０１に与えられコンクリート構造物１０１を伝播した後、ＡＥセンサ２０２によって検出される振動は上記応力の影響を受ける一方、ＡＥセンサ２０３によって検出される振動は、コンクリート構造物１０１に作用する圧縮力Ｐに対して直角方向なので、上記圧縮力Ｐによる応力の影響を受けにくいと考えられる。そこで、ＡＥセンサ２０２・２０３によって検出される振動の伝播速度を対比することにより、比較的精度よく応力を求めることができる。より詳しくは、例えば、応力方向の振動の伝播速度をＶ_０、応力方向の振動の伝播速度と応力に直角方向の振動の伝播速度との差をΔＶとすると、ΔＶ／Ｖ_０は、比較的精度よく応力の大きさに対応する。そこで、あらかじめΔＶ／Ｖ_０と応力との関係を求めておけば、コンクリート構造物１０１に作用する応力を比較的容易に求めることができる。以下、より詳細に説明する。

（応力算出の詳細）
上記応力方向と直角方向との伝播速度差は、ＡＥセンサ２０２・２０３に振動が伝播する時間差τに基づいて求めることができる。上記時間差τは、例えばＡＥセンサ２０２・２０３によって検出される波形のずれ量τに対応する。そこで、ＡＥセンサ２０２・２０３で検出される波形をそれぞれｈ_１、ｈ_０とし、所定の算出開始、終了時刻ｔ_１、ｔ_２間で（数１）に示す相互相関係数が最大となるずれ量τを求めることによって、振動が伝播する時間差τとすることができる。

ここで、上記相互相関係数を求める算出開始、終了時刻ｔ_１、ｔ_２は、例えば、（数２）および以下のように赤池情報量基準ＡＩＣ（ＡＩＣ：Akaike's Information Criterion）を多重に適用して決定することにより、適切な相互相関係数を容易に求めることができる。

すなわち、まず、図３に示すように、ＡＥセンサ２０３によって検出される波形の振幅が最大となる時刻までの波形に対してＡＩＣを求め、これが最小値となる時刻を仮の時刻ｔ_１とする。次に、上記仮の時刻ｔ_１に例えば２５μｓを加えた時刻までの波形に対して、さらに図４に示すようにＡＩＣを求め、これが最小値となる時刻を相互相関係数を求めるための算出開始時刻ｔ_１とする。なお、２５μｓを加えるのに限らず、１回目のＡＩＣの最小値を示す時刻から振動波形の振幅が最大となる時刻までの間で種々に設定してもよい。

また、相互相関係数を求めるための算出終了時刻は、例えば（数３）および以下のように設定することができる。すなわち、適切な相互相関係数を求めるためには、Ｓ波や、表面波、反射波を含まないＰ波成分だけを含むことが好ましい。そこで、Ｐ波以外の成分の伝播速度はＰ波速度の６０％程度であることから、例えば７０％の伝播速度で到達する時刻を算出終了時刻ｔ_２とする。

上記のようにして算出開始、終了時刻ｔ_１、ｔ_２間で求めた相互相関係数が最大となる時間差τによって、（数４）のようにΔＶ／Ｖ_０を求めることができる。ここで、τ_０は、ＡＥセンサ２０３によって検出される振動の伝播時間である。

そこで、例えば図５に示すように、あらかじめ求めたΔＶ／Ｖ_０と応力との関係に基づいて、コンクリート構造物１０１に作用する応力を比較的容易に求めることができる。

（その他の事項）
上記の例は一例であり、種々の等価の演算が可能である。

例えば、上記では（数４）、図５に示したように振動の伝播時間やそのずれに基づいて速度差の比を求めた後に、応力比を求める例を示したが、これに限らず、伝播時間のずれ等に基づいて直接応力比を求めてもよい。

また、図５においては圧縮強度に対する応力である応力比を横軸としているが、応力値自体を横軸として求めてもよい。

また、ＡＩＣや相互相関係数を求める基準としてＡＥセンサ２０３によって検出される波形に変えて、ＡＥセンサ２０２によって検出される波形を用いても略同様の結果を得ることはできる。

また、ＡＥセンサ２０１・２０２間の距離と、ＡＥセンサ２０１・２０３間の距離を等しく設定すれば、伝播速度の演算を簡潔にしやすいが、これに限らず、距離と速度との関係を適切に換算するなどして整合させれば、同様の演算を行うことは可能である。

また、上記のように２つの振動の伝播方向が９０°異なる場合には、最も検出感度が高いことが期待されるが、必ずしも９０°でなくても、同様の検出をすることはできる。

上記のように、主としてＰ波成分の伝播に基づいて伝播速度や伝播時間のずれを求めることによって、骨材の分散や外乱などの影響などを受けにくいようにして、応力の検出精度を高めることが容易にできる。

また、相互相関係数を求める波形の範囲を、赤池情報量基準ＡＩＣを多重に適用して求めることによって、ＡＩＣの算出精度自体を高め、応力の算出精度を高めることが容易にできる。

１０１コンクリート構造物
２０１ＡＥセンサ
２０２ＡＥセンサ
２０３ＡＥセンサ
２１１ファンクションジェネレータ
２１２スタートスイッチ
２１３波形収録ロガー
２１４波形記録用ＰＣ
２１５プリアンプ

Claims

コンクリート構造物の応力測定方法であって、
コンクリート構造物の表面に沿った第１の方向に伝播する第１の振動の第１の伝播速度、および上記第１の方向とは異なる第２の方向に伝播する第２の振動の第２の伝播速度の何れか一方に対する、上記第１の伝播速度と第２の伝播速度との速度差の比に基づいて、上記コンクリート構造物の応力を求めることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記応力は、あらかじめ求められた、上記コンクリート構造物に作用する応力と、上記比との関係に基づいて求められることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１および請求項２のうち何れか１項のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記第１の方向と第２の方向とは９０°の角度を成す方向であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１から請求項３のうち何れか１項のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記比は、上記コンクリート構造物に第１または第２の振動が与えられる箇所から、
上記第１の方向に伝播した第１の振動が検出される箇所までの距離と、
上記第２の方向に伝播した第２の信号が検出される箇所までの距離とが等しい場合における、
上記第１または第２の振動が与えられてから、
上記第１の方向に伝播して検出されるまでの第１の伝播時間と、
上記第２の方向に伝播して検出されるまでの第２の伝播時間との時間差に基づいて求められることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項４のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記第１の伝播時間と第２の伝播時間との時間差は、上記第１の方向に伝播して検出される第１の振動波形と、上記第２の方向に伝播して検出される第２の振動波形との相互相関係数が最大となる時間差であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項５のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記相互相関係数の算出が開始される算出開始時刻は、上記第１の方向または第２の方向に伝播して検出される振動の振幅が最大になるまでの振動波形に対して、赤池情報量基準ＡＩＣを適用した場合のＡＩＣが最小となる時刻であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項５のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記相互相関係数の算出が開始される算出開始時刻は、上記第１の方向または第２の方向に伝播して検出される振動の振幅が最大になるまでの振動波形に対して、赤池情報量基準ＡＩＣを適用した場合のＡＩＣが最小となる時刻に所定の時間を加算した時刻までの振動波形に対して、さらに、赤池情報量基準ＡＩＣを適用した場合のＡＩＣが最小となる時刻であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項６および請求項７のうち何れか１項のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記相互相関係数の算出が終了される算出終了時刻は、上記コンクリート構造物に振動が与えられてから上記算出開始時刻までの時間を０．７で除した時間だけ、上記コンクリート構造物に振動が与えられてから経過した時刻であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１から請求項８のうち何れか１項のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記振動は、ＡＥセンサによって上記コンクリート構造物に与えられるとともに、ＡＥセンサによって検出されることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１から請求項９のうち何れか１項のコンクリート構造物の応力測定方法であって、
上記振動の周波数は２００ｋＨｚ以下であることを特徴とするコンクリート構造物の応力測定方法。
請求項１のコンクリート構造物の応力測定方法によって応力を測定するコンクリート構造物の応力測定システムであって、
上記コンクリート構造物に上記第１の振動または第２の振動を与える振動印加部と、
上記振動印加部により与えられて伝播した第１または第２の振動を検出する振動検出部と、
上記コンクリート構造物の表面に沿った第１の方向に伝播する第１の振動の第１の伝播速度、および上記第１の方向とは異なる第２の方向に伝播する第２の振動の第２の伝播速度の何れか一方に対する、上記第１の伝播速度と第２の伝播速度との速度差の比に基づいて、上記コンクリート構造物の応力を求める応力算出部と、
を備えたことを特徴とするコンクリート構造物の応力測定システム。