(57)【要約】【課題】地中金属構造物の劣化状態を判定し、地中金属構造物の更改の判断を容易にする。【解決手段】測定部１１が長年実使用に供されて腐食が進行した後に回収した金属構造物を構成する金属部材の全部または一部について残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定し、模擬形状生成部１２が測定部１１の測定結果に基づいて模擬形状平面モデルを生成し、全体模擬形状生成部１３が模擬形状平面モデルから金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成し、強度算出部１４が全体模擬形状モデルを基に、金属構造物がある腐食状態になった場合に示す強度を計算し、劣化判定部１５が強度算出部１４の算出した強度と記憶部１６に記憶した金属構造物が新品の場合に示す強度とを比較して劣化状態を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された金属構造物の劣化状態を判定する劣化判定方法であって、
前記金属構造物の金属部材の全部又は一部について、残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定するステップと、
前記残存肉厚と前記表面粗さ指標値とを用いて前記金属部材の全部又は一部についての模擬形状平面モデルを生成するステップと、
前記模擬形状平面モデルから前記金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成するステップと、
前記全体模擬形状モデルに基づき、前記金属構造物が前記腐食状態になった場合に示す強度を計算するステップと、
前記強度と前記金属構造物が新品の場合に示す強度とを比較して劣化状態を判定するステップと、
を有することを特徴とする劣化判定方法。
【請求項２】
前記金属構造物はアンカであって、前記強度は前記アンカが埋設された状態から引き抜かれるときの引抜き力であることを特徴とする請求項１に記載の劣化判定方法。
【請求項３】
地中に埋設された金属構造物の劣化状態を判定する劣化判定装置であって、
前記金属構造物の金属部材の全部又は一部について、残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定する測定手段と、
前記金属構造物が新品の場合に示す第１の強度を記憶した記憶手段と、
前記残存肉厚と前記表面粗さ指標値とを用いて前記金属部材の全部又は一部についての模擬形状平面モデルを生成する模擬形状生成手段と、
前記模擬形状平面モデルから前記金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成する全体模擬形状生成手段と、
前記全体模擬形状モデルに基づき、前記金属構造物が前記腐食状態になった場合に示す第２の強度を計算する強度算出手段と、
前記第１の強度と前記第２の強度とを比較して劣化状態を判定する劣化判定手段と、
を有することを特徴とする劣化判定装置。
【請求項４】
前記金属構造物はアンカであって、前記第１及び第２の強度は前記アンカが埋設された状態から引き抜かれるときの引抜き力であることを特徴とする請求項３に記載の劣化判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造強度の劣化を判定する技術に関し、特に、地中に埋設される杭やグラウンドアンカーの引抜き力の劣化を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会において、社会基盤設備の一部としての、杭、グラウンドアンカー、電柱、つり線、支線、金物などの金属構造物は不可欠な存在である。長年の腐食等劣化に伴い、引抜け、折損、倒壊・損壊等を生じ機能不全に至ると金属構造物の機能が停止し、社会生活に甚大な影響を及ぼす恐れがある。そのため、その状態を点検保守することが重要である。
【０００３】
その中で、電柱の不平衡荷重を分担する支線とその下部に位置する下部支線アンカは経年劣化もあり、適切な時期に新品へと更改する評価基準を明示することが強く要望されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】水沼守、根岸香織、峯田真悟、東康弘、澤田孝、“電柱下部支線アンカの腐食減肉に伴う強度劣化に関するＦＥＭ解析”、日本機械学会東北支部大会講演会、一般社団法人日本機械学会、２０１５年３月１３日
【非特許文献２】水沼守、根岸香織、峯田真悟、東康弘、澤田孝、“模擬腐食形状を用いた電柱支線アンカ耐力の推定方法の検討”、計算力学講演会講演論文集、一般社団法人日本機械学会、２０１５年１０月１１日
【非特許文献３】峯田真悟、大木翔太、水沼守、東康弘、柳秀一、“実土壌環境における鋼材の自然電位モニタリング”、環境と材料討論会、公益社団法人腐食防食学会、２０１６年１０月１７日
【非特許文献４】Irving A. Denison and Melvin Romanoff, "Corrosion of Low-Alloy Irons and Steels in Soils", Journal of Research of National Bureau of Standards, November 1952, Vol. 49, No. 5, pp. 315-323
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
下部支線アンカは地中に打設されて埋設状態で長年使用されるため、地中腐食によって引抜け等の事故が想定される。杭やグラウンドアンカーなどその他の地中金属構造物についても同様の恐れがある。しかしながら、これらの地中金属構造物は直接目視で点検できず、更改する時期を適切に判定することが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、地中金属構造物の劣化状態を判定し、地中金属構造物の更改の判断を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明に係る劣化判定方法は、地中に埋設された金属構造物の劣化状態を判定する劣化判定方法であって、前記金属構造物の金属部材の全部又は一部について、残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定するステップと、前記残存肉厚と前記表面粗さ指標値とを用いて前記金属部材の全部又は一部についての模擬形状平面モデルを生成するステップと、前記模擬形状平面モデルから前記金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成するステップと、前記全体模擬形状モデルに基づき、前記金属構造物が前記腐食状態になった場合に示す強度を計算するステップと、前記強度と前記金属構造物が新品の場合に示す強度とを比較して劣化状態を判定するステップと、を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明に係る劣化判定装置は、地中に埋設された金属構造物の劣化状態を判定する劣化判定装置であって、前記金属構造物の金属部材の全部又は一部について、残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定する測定手段と、前記金属構造物が新品の場合に示す第１の強度を記憶した記憶手段と、前記残存肉厚と前記表面粗さ指標値とを用いて前記金属部材の全部又は一部についての模擬形状平面モデルを生成する模擬形状生成手段と、前記模擬形状平面モデルから前記金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成する全体模擬形状生成手段と、前記全体模擬形状モデルに基づき、前記金属構造物が前記腐食状態になった場合に示す第２の強度を計算する強度算出手段と、前記第１の強度と前記第２の強度とを比較して劣化状態を判定する劣化判定手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、地中金属構造物の劣化状態を判定し、地中金属構造物の更改の判断を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態における劣化判定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】下部支線アンカを説明する図である。
【図３】模擬形状平面モデルの例を示す図である。
【図４】下部支線アンカの腐食劣化モデルの例を示す図である。
【図５】ある腐食状態における模擬形状平面モデルの推定方法を説明する図である。
【図６】構造用鋼の荷重−変位量曲線を示す図である。
【図７】ロッド上端に印加した張力と変位の関係を示す図である。
【図８】残存肉厚及び表面粗さ指標値と引抜き力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施の形態における劣化判定装置の構成を示す機能ブロック図である。同図に示す劣化判定装置１は、測定部１１を接続し、模擬形状生成部１２、全体模擬形状生成部１３、強度算出部１４、劣化判定部１５、及び記憶部１６を備える。劣化判定装置１が備える各部は、演算処理装置、記憶装置等を備えたコンピュータにより構成して、各部の処理がプログラムによって実行されるものとしてもよい。このプログラムは劣化判定装置１が備える記憶装置に記憶されており、磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。以下、各部と各部の処理について説明する。
【００１３】
測定部１１は、経年によって腐食状態になった金属構造物を構成する金属部材の全部または一部の残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定する。
【００１４】
残存肉厚は、金属構造物の複数箇所を測定手段によって測定した後、それら測定値の平均値を取るなどの統計処理で求められる代表値を採用する。残存肉厚としては、平均残存肉厚、最大残存肉厚、最小残存肉厚、最頻残存肉厚などを用いることができる。残存肉厚の測定方法としては、超音波厚さ計や、金属部材の両側面からレーザ変位計、超音波変位計、または過電流変位計などによって測定・計算処理する方法を用いることができる。
【００１５】
表面粗さ指標値については、三次元測定レーザ顕微鏡を用いることができる。高機能な三次元測定レーザ顕微鏡には、表面粗さの測定結果から算術平均粗さＲａや最大高さＲｚなどの指標値を計算出力するものがある。表面粗さ指標値としては、例えば、算術平均粗さＲａ、最大高さＲｚ、最大山高さＲｐ、最大谷深さＲｖ、スキューネスＲｓｋ、クルトシスＲｋｕ、二乗平均平方根粗さＲｑ、空間周波数、相関長などを用いることができる。
【００１６】
なお、測定部１１が測定する金属構造物は、長年実使用に供されて地中で腐食が進行した後に回収した金属構造物の供試標本（サンプル）である。この金属構造物が埋設されていた期間や場所の情報はデータベース化されていて参照可能である。
【００１７】
金属構造物としては、図２に示す下部支線アンカがある。下部支線アンカは、電柱を支える下部支線の一部であり、上は地上の黄色樹脂カバー下で、鋼より線の上部支線に締結され、地中に埋設される。そして、下部支線アンカは、ロッド部とアンカ本体部で構成される。さらに、アンカ本体部は、安定板、抵抗板、案内板などを備える。これらの部材は腐食減肉の可能性がある。例えば、新品時、安定板、抵抗板の板厚が３．２ｍｍであったところ、約４０年経過後に測定した残存肉厚は２．８ｍｍ、算術高さ平均Ｒａは４０μｍ程度であった。本劣化判定装置１の適用は、下部支線アンカに限らず、杭、鋼矢板などの金属構造物に対してであっても良い。
【００１８】
模擬形状生成部１２は、残存肉厚と表面粗さ指標値とを用いて、金属部材の全部または一部についての模擬形状平面モデル（一定面積の平面モデルとする）を生成する。
【００１９】
図３に、模擬形状平面モデルの例を示す。図３（ａ）は、模擬形状平面モデルの上面図であり、図３（ｂ）は、模擬形状平面モデルの断面図である。高い場所をＨ１，Ｈ２、低い場所をＬ１，Ｌ２、中間の場所をＭで示している。図３（ａ）の規準格子は約２×２ｍｍである。図３（ｂ）では、ケース１とより腐食の進んだケース２の断面を示している。ケース１では孔は開いていないが周期的な腐食減肉が板全体に分布している。ケース２では全面に周期的な孔が開いている。
【００２０】
全体模擬形状生成部１３は、模擬形状生成部１２の生成した模擬形状平面モデルから、金属構造物のある腐食状態に相当する模擬形状平面モデルを推定し、推定した模擬形状平面モデルを金属構造物の立体モデルの金属部材の表面に繰り返し貼り付け、金属構造物の金属部材がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを構築する。
【００２１】
図４に、全体模擬形状生成部１３が構築した下部支線アンカの腐食劣化モデルの例を示す。同図に示す腐食劣化モデルは、下部支線アンカのモデルの安定板、抵抗板にある腐食状態になった模擬形状平面モデルを繰り返し貼り付けたものである。
【００２２】
金属構造物のある腐食状態における模擬形状平面モデルの推定は、例えば、以下のように行うことができる。
【００２３】
図５は、金属構造物のある腐食状態における模擬形状平面モデルの推定方法を説明する図である。ｔ０は、新品時の金属構造物の表面形状を示す線である。ｔ０では、腐食がないので金属構造物の表面は平らである。
【００２４】
測定部１１によりｔ１（例えば４０年）経過時の金属構造物の表面形状が得られる。ｔ１経過時では、最も腐食が進んでいない場所でｄｍｉｎ、最も腐食が進んだ場所でｄｍａｘの減肉があった。経過時間ｔ１と減肉量ｄｍｉｎ，ｄｍａｘから腐食速度ｒｍｉｎ＝ｄｍｉｎ／ｔ１，ｒｍａｘ＝ｄｍａｘ／ｔ１が得られる。
【００２５】
ｔ１よりさらに腐食が進んだｔ２（例えば５０年）経過時の金属構造物の表面形状は、上記で求めた腐食速度ｒｍｉｎ，ｒｍａｘを用いて推定する。
【００２６】
なお、金属構造物が埋設された土壌の環境によって腐食の進行度合いは異なるので、測定部１１は、いくつかのパターンの土壌に埋設されていた金属構造物を測定し、模擬形状生成部１２は、土壌のパターン毎に模擬形状平面モデルを生成しておき、全体模擬形状生成部１３は、土壌のパターン毎に全体模擬形状モデルを生成してもよい。
【００２７】
強度算出部１４は、全体模擬形状モデルを基に、数値計算を用いて、劣化判定対象の金属構造物がある腐食状態になった場合に示す強度を計算する。より具体的には、強度算出部１４は、下部支線アンカ周辺地盤については、下部支線アンカが土質材料のソリッドと接触することを考慮し、摩擦性材料でせん断による破壊を前提としたＭｏｈｒ−Ｃｏｕｌｏｍｂ塑性モデルを仮定し、有限変形モデルによる非線形構造解析（有限要素解析）を実施する。例えば、数値計算に用いる各部材要素の特性として、図６に示す構造用鋼の荷重−変位量曲線を利用できるが、これに限定するものではない。
【００２８】
図７に、解析によって得られたロッド上端に印加した張力と変位の関係を示す。図７では、腐食減肉がないケース０と図３に示したケース１，２の模擬形状平面モデルを用いて全体模擬形状モデルを構築したときの解析結果を示している。変位が６ｍｍで、ケース０の最大張力を１００としている。変位が６ｍｍ時の張力は、ケース１で１４．５％、ケース２で２０．６％低下している。
【００２９】
本実施形態では、この解析結果を基に、残存肉厚と表面粗さ指標値とを加算した値と地耐力（引抜き力）との関係を求める。表面粗さ指標値として、例えば、算術平均粗さＲａを採用すると、表面粗さ曲線をその定義式に従って代表値とできる。
【００３０】
図８に、残存肉厚及び表面粗さ指標値と引抜き力との関係を示す。図８では、残存肉厚と表面粗さ指標値とを加算した値を横軸に取り、引抜き力を縦軸に取った。図８の関係は、図７の解析結果の変位２．７ｍｍの値を切り出して生成した。ケース０の残存肉厚を１００とする。このときの引抜き力は７０である。ケース１の残存肉厚（＋表面粗さ指標値）は５０で引抜き力は６５、ケース２の残存肉厚（＋表面粗さ指標値）は３７．５で引抜き力は６２である。図８から、残存肉厚が大きい場合は引抜き力が大きく、腐食劣化の進行とともに残存肉厚が小さくなると引抜き力が低下することが分かる。なお、この一部部材について、解析で求めた引抜き力（＝６５％）と実実験との比較の結果、よく一致することが確認されている。
【００３１】
劣化判定部１５は、強度算出部１４の計算した強度と金属構造物が新品の場合に示す強度とを比較し、劣化状態を判定する。劣化判定対象の金属構造物がある腐食状態になった場合に示す強度が、新品の場合に示す強度に対して、特定の定数倍だけ低下（劣化）したと判定される場合、劣化判定対象の金属構造物は強度的に危険であり、使用に耐えない劣化状態であると判定する。例えば、図８の例で、残存肉厚が５０％を下回った場合、下部支線アンカの引抜き力は、新品のときの最大値の６５％を下回ることとなり、十分な地耐力を有しないと判定する。
【００３２】
地中に埋設された金属構造物は、経年に伴って残存肉厚が減少する。図８に示すように、残存肉厚と引抜き力の関係は、残存肉厚が大きい場合には引抜き力が大きい。これらの関係をまとめると経年と引抜き力との関係が得られる。経年に伴って大きくなることが分かっている腐食減肉量をより正確に推定できれば、引抜き力の低下量をより正確に推定できる。
【００３３】
記憶部１６は、金属構造物が新品の場合に示す強度を記憶する。この強度は、金属構造物が新品の場合の全体模擬形状モデルを基に計算することで得られる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、測定部１１が長年実使用に供されて腐食が進行した後に回収した金属構造物を構成する金属部材の全部または一部について残存肉厚と表面粗さ指標値とを測定し、模擬形状生成部１２が測定部１１の測定結果に基づいて模擬形状平面モデルを生成し、全体模擬形状生成部１３が模擬形状平面モデルから金属構造物がある腐食状態になった場合の全体模擬形状モデルを生成し、強度算出部１４が全体模擬形状モデルを基に、金属構造物がある腐食状態になった場合に示す強度を計算し、劣化判定部１５が強度算出部１４の算出した強度と記憶部１６に記憶した金属構造物が新品の場合に示す強度とを比較して劣化状態を判定することにより、ある腐食状態になった金属構造物の残存肉厚と表面粗さ指標値を確定することで、その金属構造物の引抜き力を推定することができ、引抜き力を新品の状態の金属構造物の引抜き力と比較することで、金属構造物の更改基準を決定することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１…劣化判定装置
１１…測定部
１２…模擬形状生成部
１３…全体模擬形状生成部
１４…強度算出部
１５…劣化判定部
１６…記憶部
【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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