(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属柱に着脱可能に取り付けられ金属柱の表面を二次元に倣う走査機構と、該走査機構の駆動回路と、走査機構上に取り付けられた水噴流型超音波測定ヘッドと、上記超音波測定ヘッドにより超音波の送受信を行うパルサー／レシーバーと、受信された超音波エコー信号の時間間隔を計数する時間計数回路と、上記駆動回路とパルサー／レシーバーに指令を出すとともに計数された時間を用いて金属柱の厚みを算出し、その結果を測定した座標位置と対応させて保存するためのパソコンと、保存された金属柱の厚みを一次元または二次元に表示する装置と、
測定された金属柱の長手方向各位置の円周断面における厚み分布から各位置の断面係数を計算する手段と、上記断面係数と金属柱の設計時に仮定した曲げモーメントから各位置に作用する曲げ応力を計算する手段と、金属柱の破壊曲げ応力と前記曲げ応力の比を計算してその最小値で使用中の金属柱の安全率を表示する手段とを有することを特徴とする金属柱の劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路標識や信号機等に用いられている金属柱、特に鋼管柱の劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記鋼管柱は設置後年数を経るとともに鋼管が腐食により減肉して、強度が不足し強風等により倒壊する危険が生じる。そのため、設置後一定期間経過したものについては定期的な保守点検作業が行われ、外観目視検査および腐食の激しい部分についてはハンマーで叩いて孔が開くか否かによって劣化程度を判断している。しかし、目視検査では腐食量を定量的に測定できず、且つ鋼管内面の腐食状況がわからない等の問題点があり、またハンマーで叩く方法はかなり腐食が進行したものについて危険性を判断できるが、場合によっては検査が手遅れとなる問題があった。そこで、一部には超音波厚み計による検査も行われているが、検査員が手で超音波探触子をポールにあてて測定するため時間がかかることや代表的なポイントのみの測定であるため局部的な腐食状態の把握が難しく、正確な劣化診断が出来ないという問題点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、使用中の（立柱状態の）鋼管柱の厚みをポールの長手方向、円周方向にわたって自動的且つ高速で検査し、厚み測定結果から鋼管柱の長手方向各位置の許容曲げ応力を計算し、求めた許容曲げ応力と風等により鋼管柱の各位置に作用する予想最大応力とを比較することによって、使用中の鋼管柱の安全率を判定可能とした金属柱の劣化診断装置の提供を目的とする。また表面に塗膜がある金属柱の場合には、塗膜厚みを測定するとともに金属と塗膜の剥離を検出して再塗装等早めの保守管理に必要な情報が得られる金属柱の劣化診断装置の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の金属柱の劣化診断装置は金属柱に着脱可能に取り付けられ金属柱の表面を二次元に倣う走査機構と、該走査機構の駆動回路と、走査機構上に取り付けられた水噴流型超音波測定ヘッドと、上記超音波測定ヘッドにより超音波の送受信を行うパルサー／レシーバーと、受信された超音波エコー信号の時間間隔を計数する時間計数回路と、上記駆動回路とパルサー／レシーバーに指令を出すとともに計数された時間を用いて金属柱の厚みを算出し、その結果を測定した座標位置と対応させて保存するためのパソコンと、保存された金属柱の厚みを一次元または二次元に表示する装置と、測定された金属柱の長手方向各位置の円周断面における厚み分布から各位置の断面係数を計算する手段と、上記断面係数と金属柱の設計時に仮定した曲げモーメントから各位置に作用する曲げ応力を計算する手段と、金属柱の破壊曲げ応力と前記曲げ応力の比を計算してその最小値で使用中の金属柱の安全率を表示する手段とを有することを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明装置の一実施形態を示す説明図で、道路標識や信号機等に使用されている金属柱１に、金属柱の表面を二次元的に倣う走査機構２が着脱可能に取り付けられ、該走査機構２には超音波測定ヘッド３が装着されている。測定に際しては、事前にポンプ４を作動させて給水タンク５の水を超音波測定ヘッド３の先端から噴流させる。次に、パソコン９に測定開始を指示すると予め入力された走査手順に従って、駆動回路６に指令が加えられ駆動用モータ２Ｄ、２Ｅが作動し超音波測定ヘッド３は金属柱１の表面を二次元的に走査する。図２は走査手順の一例を示す説明図である。原点Ｘ＝０、Ｙ＝０（Ｘ：長手方向位置、Ｙ：円周方向位置）にある超音波測定ヘッド３がＸ方向に一定の間隔でステップ送りされ終点Ｘ＝Ｘに到達すると、Ｙ方向に１ステップ送られる。次は逆向きにＸ方向をＸ＝０までステップ送りされ、Ｘ＝０に到達するとＹ方向に１ステップ送られる。このような動作を終点Ｘ＝Ｘ、Ｙ＝Ｙまで繰り返すことによって超音波測定ヘッド３は金属柱１の表面に対して二次元的に走査される。パルサー／レシーバー７はパソコン９の指令によって、上記各ステップ送りの位置で超音波送信パルスを超音波測定ヘッド３に加えるとともに超音波反射エコー信号を受信して、該受信信号を時間計数回路８に出力する。時間計数回路８は反射エコーパルス列間の時間を計数し結果をパソコン９に出力する。パソコン９は入力値を厚みに換算して、その結果を数値および一次元または二次元の画像データとして表示装置１０に出力する。
【０００６】
上述した走査機構と超音波測定ヘッドについて詳細に説明する。図３（ａ）は走査機構の側面断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ部の断面図で、金属柱１に固定したアダプター２Ａ上に昇降走査部２Ｂおよび回転走査部２Ｃが搭載されている。昇降駆動用モータ２Ｄによりネジ軸２Ｂ−１が回転すると、超音波測定ヘッド３の保持金具２Ｂ−３が案内軸２Ｂ−２に沿って昇降する。回転走査部２Ｃはフレーム２Ｃ−４に支持された３個のロール２Ｃ−１、２Ｃ−２、２Ｃ−３で金属柱１を挟み込む形で取り付けられ、アダプター２Ａに上載される。ロール２Ｃ−２、２Ｃ−３は金属柱１の径方向に金具２Ｃ−５、２Ｃ−６によって移動可能であり、バネ２Ｃ−７、２Ｃ−８で金属柱１に対して押圧される構造をしているので、径が異なる金属柱１に対しても取り付け可能である。ロール２Ｃ−１が回転駆動用モータ２Ｅによって回転すると、ロールと金属柱の摩擦によって回転走査部２Ｃおよびフレーム２Ｃ−４に固定された昇降走査部２Ｂの両方が一体となって金属柱１の周りを回転する。アダプター２Ａは図３（ｃ）に示すように半割りしたリング状の部品であり、金属柱１を囲んでボルト２Ａ−１により固定する。図４は超音波測定ヘッド３の構造図で、水柱ノズル３Ｂの上部に超音波探触子３Ａが内蔵されており、ポンプから注水口３Ｃを通って給水された水３Ｄはノズル内およびノズルと金属柱１の間のギャップを埋めて、超音波の伝播経路となる。このため、非接触で測定が出来る。
【０００７】
以下、超音波受信信号から金属柱１の厚みを表示する過程、また金属柱１が表面に塗膜を有する場合に塗膜の厚みおよび塗膜と金属柱の剥離を判定し表示する過程について説明する。図５（ａ）は塗膜の無い金属柱１からの超音波反射エコーの代表例で、Ｔは超音波送信パルス、Ｓは金属柱表面からの超音波反射エコー、Ｂ１およびＢ２は金属柱裏面からのそれぞれ第１回、第２回反射エコーである。同図（ｂ）および（ｃ）は塗膜がある金属柱１からの反射エコーの代表例で、（ｂ）は剥離していない場合、（ｃ）は剥離した場合のものである。ｔ０  は送信された超音波が金属柱１の表面で反射し受信されるまでの時間、ｔＡは金属柱１の塗膜部分を超音波が往復に要する時間、ｔＢは金属部分の往復に要する時間である。従って、時間計数回路８でｔＡ、ｔＢを測定し、パソコン９により予め設定した塗膜の音速とｔＡ、金属の音速とｔＢを乗算し２で割れば塗膜部および金属部の厚みが求められる。また、図５（ｃ）に示したように塗膜が剥離した場合は超音波が塗膜部裏面で完全に反射されるため金属部からの反射エコーＢ１、Ｂ２は検出されない。従って、時間計数回路８は塗膜部の表面および裏面からの反射エコーＳａおよびＳｂが検出されて、Ｂ１、Ｂ２が全く検出されない場合は塗膜が剥離していることを判定できる。パソコン９は上述した測定結果である塗膜部および金属部の厚み、剥離の存在を測定した座標位置と対応させて記憶し、表示装置１０に出力する。
【０００８】
次に、上記測定結果から使用中の金属柱の安全率を求める方法について説明する。道路標識や信号機等に用いられる金属柱では主として風による曲げモーメントＭが作用し、その大きさは金属柱の種類（道路標識や信号機の寸法、重量、取り付け位置、金属柱の寸法、重量等）と風速に依存する。そのため、設計に際しては使用中に予想される最大風速に対して十分な強度を有するように金属柱の寸法、材質が選定されるが、金属柱が特に鋼管柱である場合は設置後の年数経過により腐食減肉が起こり強度が低下して、ついには倒壊する。ここで、金属柱の材質から定まる破壊曲げ応力をσｆ  とし、設計に際して用いた最大風速の時に金属柱の長手方向（ｘ方向）各位置に作用する曲げモーメントをＭｍ  （ｘ）、曲げ応力をσｍ  （ｘ）とすれば、σｆ  とσｍ  （ｘ）の比Ｒ（ｘ）は（１）式で表される。
0003584562.tif 000002
上式でＺ（ｘ）は長手方向各位置における断面係数で、金属柱の断面形状（直径、断面の厚み分布）から材料力学の公式を使って計算できる。つまり、パソコン９に予め検査する金属柱の直径、破壊曲げ応力σｆ  、曲げモーメントＭｍ  （ｘ）を入力しておき、測定した断面厚み分布から断面係数Ｚ（ｘ）を計算させればＲ（ｘ）が求められる。金属柱の長手方向について計算したＲ（ｘ）の最小位置が最も危険であるため、本発明では最小となるＲの値を安全率として表示する。
【０００９】
【実施例】
図１の装置構成により設置後１５年経過した鋼管柱を立柱のままの状態で測定した。本鋼管柱の外径は１９１ｍｍ、初期厚みは５．  ０ｍｍ、材質は普通鋼で、破壊曲げ応力σｆ  は約４１Ｋｇ／ｍｍ２である。公称周波数１０ＭＨｚ  、焦点距離２５ｍｍの点集束型探触子を内蔵した超音波測定ヘッドを用いて、上記ポールの地際から５００ｍｍの高さまで軸方向、円周方向とも１ｍｍピッチで測定した結果が図６で、鋼管部の二次元厚み分布をグレースケールで表示したものである。図７は一例として地際から１００ｍｍの高さの位置の鋼管部の断面肉厚分布を示したものである。上記二次元厚み分布から各位置での断面係数を計算し、上記断面係数と本鋼管柱について設計時に仮定した曲げモーメントから各位置での曲げ応力σｍ  （ｘ）を求め、前述の破壊曲げ応力σｆ  との比Ｒ（ｘ）＝σｆ  ／σｍ  （ｘ）を各位置について計算した。その結果、Ｒ（ｘ）は地際から１３０ｍｍの高さの位置で最小となり、その値（安全率）は１．  ２であった。設置時点の安全率は２．  ０であり、腐食によってかなり安全率が低下していることがわかったため鋼管柱の建て替え処置がとられた。
【００１０】
さらに、設置後５年経過した塗膜付鋼管柱について測定した。鋼管部の寸法、材質は上記と同じであり、塗膜は樹脂系塗料を初期厚みとして０．  ６５ｍｍ塗布したものである。この塗膜厚みを地際から５００ｍｍの高さまで軸方向、円周方向とも１ｍｍピッチで測定した結果が図８で、塗膜の剥離部分を黒で、塗膜の厚みをグレースケールで示している。この結果から塗膜の厚みの減少は僅かであるが、所々剥離した部分があり、その部分で鋼管の厚みが腐食により約１ｍｍ程度減肉していることがわかった。鋼管の減肉による強度低下は最も大きい箇所で１割程度と判定されたため鋼管柱そのものの建て替えは不要であるが、塗膜剥離部分で腐食が進んでいたので塗膜の補修処置がとられた。
【００１１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば道路標識や信号機等に用いられる金属柱の腐食減肉状況や強度面の安全率、また塗膜の劣化状況（塗膜の剥離、厚み）が立柱ままの状態で非破壊かつ自動的に測定できるため、補修や交換の必要性およびその時期が判断でき経済上、安全上での効果は大である。
また、本発明装置は軽量且つ可搬型であり、道路際にある上記金属柱に対して容易に取り付けられ短時間で測定が可能である。さらに、径が異なる金属柱についても同一の走査機構が使用できる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の一実施形態を示した説明図である。
【図２】本発明において超音波測定ヘッドが金属柱表面を二次元走査する手順を示した説明図である。
【図３】本発明において金属柱表面を二次元走査する機構を示した説明図で、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（ｃ）は走査機構を金属柱に対して支持するためのアダプターを示した説明図である。
【図４】本発明における超音波測定ヘッドを示した説明図である。
【図５】本発明における超音波反射エコーの代表例で、（ａ）は塗膜の無い金属柱からの超音波反射エコー、（ｂ）、（ｃ）は塗膜が有る金属柱からの超音波反射エコーであり、（ｂ）は塗膜が剥離していない場合、（ｃ）は塗膜が剥離した場合である。
【図６】本発明による鋼管柱の二次元厚み測定結果の一例を示した図である。
【図７】本発明による鋼管柱の断面肉厚分布測定結果の一例を示した図である。
【図８】本発明による塗膜付鋼管柱の塗膜厚さの二次元測定結果の一例を示した図である。
【符号の説明】
１    金属柱
２    走査機構
２Ａ    アダプター
２Ａ−１    ボルト
２Ｂ    昇降走査部
２Ｂ−１    ネジ軸
２Ｂ−２    案内軸
２Ｂ−３    保持金具
２Ｃ    回転走査部
２Ｃ−１、２Ｃ−２、２Ｃ−３    ロール
２Ｃ−４    フレーム
２Ｃ−５、２Ｃ−６    金具
２Ｃ−７、２Ｃ−８    バネ
２Ｄ    昇降駆動用モータ
２Ｅ    回転駆動用モータ
３    超音波測定ヘッド
３Ａ    超音波探触子
３Ｂ    水柱ノズル
３Ｃ    注水口
３Ｄ    水
４    ポンプ
５    給水タンク
６    駆動回路
７    パルサー／レシーバー
８    時間計数回路
９    パソコン
１０    表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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