論文・報告

赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究

論文･報告

赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究
Study on Nondestructive Testing for Steel-concrete Composite Slab by Infrared
Thermography Technology
水野 浩 *1
Hiroshi MIZUNO

溝口 勝*2
Masaru MIZOKUCHI

長谷川 孝一*4
Koichi HASEGAWA

栗田 学*5
Manabu KURITA

盛 伸作*3Sinsaku MORI

合成床版の一種であるＳＣデッキは，鋼板とコンクリートがスタッドジベルで一体化され輪荷重に抵抗する耐久性の高い床版である一方，RC 床版や PC 床版などのコンクリート系床版と異なり床版下面からはコンクリート内部の状態を目視で確認することができない。そのため，これまでに建設された合成床版の維持管理を適切に行っていくための合理的な非破壊検査手法を確立する必要がある。また，建設時においては狭隘部などのコンクリートの充填性を確認することは，品質の高い合成床版を建設する上でも重要な課題である。
本研究では，検査結果の可視化が可能，また検査結果を面で捉えることが可能な赤外線サーモグラフィに着目し，合成床版の建設時および維持管理時に，健全性の評価を行うため有効な非破壊検査手法として活用することを目的とする。
キーワード：SC デッキ，赤外線サーモグラフィ，非破壊検査，疲労耐久性の底鋼板とコンクリートがスタッドジベルで結合されて1．はじめにおり，このスタッドジベルがＳＣデッキの疲労耐久性に合成床版の一種であるＳＣデッキは，輪荷重走行実験大きく影響する。また，コンクリート打設時の補剛のたなどで疲労耐久性が高いことが証明された床版形式 1)でめ横リブが設置されており，主桁上のハンチ部ではこのあり，LCC に配慮し新設橋梁や床版取替え工事などで適用横リブを連結するアングルと鋼板が鋭角で交差する狭隘されてきている。

部分が生じ，該当箇所のコンクリートの充填性が低下す

ＳＣデッキは，図１に示すように鋼板とコンクリートがスタッドジベルで一体化され輪荷重に抵抗する構造でる可能性があり未充填部分を無くす必要がある。
(2)

赤外線計測の概要

あるが，RC 床版や PC 床版と異なり，床版下面からはコン赤外線サーモグラフィは，物体の表面から放出されるクリート内部の状態を目視で確認することができない。

赤外線エネルギー分布を赤外線センサにより測定し，こそのため，これまでに建設された合成床版の維持管理を適切に行っていくための合理的な非破壊検査手法を確立する必要がある。また，建設時においては狭隘部のコンずれ止め側鋼板（頭付きスタッド）クリートの充填性を確認することは，品質の高い合成床版を建設する上でも重要な課題である。
本研究では，検査結果の可視化が可能，また検査結果を面で捉えることが可能な赤外線サーモグラフィに着目し，ＳＣデッキの建設時および維持管理時，健全性の評

横リブ

舗装

主桁上取合部
底鋼板

防水層
コンクリート価を行うため有効な非破壊検査手法として活用すること鉄筋を目的とする。
(1)

連結部（HTボルト接合）

ＳＣデッキの概要

主桁

本研究では，図 1 に示すＳＣデッキ（ロビンソン型合図1 合成床版の概要成床版）に着目し検討を行う。ＳＣデッキは板厚 8～9mm*1 川田工業㈱鋼構造事業部技術統括部技術部大阪技術課 主幹*2 川田工業㈱鋼構造事業部技術統括部工事部東京工事課 係長*3 川田工業㈱鋼構造事業部技術統括部工事部東京工事課 工事長*4 川田工業㈱北陸事業部富山工場生産技術課*5 川田工業㈱鋼構造事業部営業統括部橋梁営業部大阪営業課 係長

論文・報告 2-1

川 田 技 報 Vol.33 2014

論文・報告赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究の変化を計測することが可能になる。材料が弾性範囲内コンクリートで荷重を受ける場合，荷重の繰返し速度が断熱条件を満生コンクリート
Fresh concrete

たす程度に十分大きければ，主応力和の変化Δσと温度変化ΔT との間には，次式で示す関係が成立する。

Bottom steel plate

TKm T（式 1.1）

ここでΔT は温度変化量，Km は熱弾性係数，T は絶対温度，Δσは主応力和の変化量である。よって赤外線サーモグラフィを用いて視野内の温度変化量ΔT を測定する
IR-camera

IR-camera(a) パッシブ法

熱源ことで，主応力和の変化量Δσの分布を得ることができ(b) アクティブ法

る。これを供用下にあるＳＣデッキ中のスタッドの溶接部における疲労損傷の検出に適用できる。

図2 赤外線サーモグラフィを用いた充填性評価

２．模擬欠陥を用いた充填確認実験
(1)

実験概要

a) 試験体の概要
充填確認実験では，図 4 に示す欠陥寸法の検出限界を確認する目的の簡易試験体（試験体 A），および実際のＳ温度上昇

温度降下

圧縮

引張

Ｃデッキの構造を模擬し，ハンチ部，スタッドなどを再現した試験体（試験体 B）を用いる。試験体 B は，図 5に示すように健全部と模擬欠陥部の比較を行った。

(2)

実験結果

a) 欠陥部の寸法に着目した実験結果
試験体 A のコンクリート打設中の鋼板下面の温度分布を，赤外線サーモグラフィを用いてパッシブ法，アクテ図3 熱弾性応力測定の概念図

ィブ法で計測することにより，鋼板直上のコンクリートれを温度分布に換算・画像化して表示する装置である。

未充填部の検出実験を行った。コンクリート打設中にお近年，赤外線センサおよびセンサからの出力信号処理技

ける鋼板下面の時系列温度分布画像を図 6 に示す。図中

術の進歩により，温度計測分解能，精度および空間分解の計測結果で，白色となっている部分が黒色部分より高能に優れ，温度変動の過渡的現象を高速に計測できるサ温となっていることを示す。
模擬欠陥として設置した発泡スチロール片およびジャーモグラフィが開発されてきた。
コンクリートの充填性評価には，図 2(a)に示すパッシ

ンカブロック部では，周囲よりも温度が低い領域としてブ法，および図 2(b)に示すアクティブ法を用いる。生コ計測されており，鋼板下面から欠陥部の形状を認識する

ンクリートと鋼板に温度差がある場合，打設時にコンクことが可能である。また 20mm×20mm の発泡スチロール片

リートと鋼板の間で熱の移動が生じる。このとき，コンの設置箇所では，周囲の健全部との間に温度差が現れてクリートが充填されている部分と，コンクリートが未充いるが，10mm×10mm の発泡スチロール設置箇所では，特填あるいは充填が不完全な部分では鋼板表面温度に違い徴的な温度変化は現れなかった。図 7 の温度画像は，加が現れると考えられる。パッシブ法では，この温度の違熱後から加熱前を差引いた温度差の分布を示している。

いを赤外線サーモグラフィで計測することにより，コン図中の明るい部分は温度差が大きく断熱状態にあることクリートの充填性を評価する。アクティブ法においては，を示している。欠陥部において，周囲の健全部よりも高

図 2(b)に示したように，底鋼板直下から未充填箇所を含い温度が計測されていることがわかる。この欠陥部におむ領域を均一に加熱した場合，空隙部における断熱性のける高温部は，欠陥による断熱効果により，面外方向の影響により，健全部と空隙部における底鋼板下面の温度鋼板からコンクリートへの熱移動が妨げられたために生に違いが生じる。この温度差を赤外線サーモグラフィにじたものである。

より検出することにより，コンクリート硬化前・後にコb) 実構造を模した試験体 B の欠陥部の検出
健全試験体および模擬欠陥試験体を用いたコンクリーンクリートの充填性が評価できる。
さらに，図 3 に示すように赤外線サーモグラフィによト打設時の温度計測結果を，図 8 および図 9 にそれぞれる温度場計測を用いることにより，物体に働く応力分布示す。今回の計測では，鋼板より生コンクリートの温度

論文・報告 2-2

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論文・報告赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究

800

800
ジャンカ

図７ アクティブ加熱法による温度差分画像

40×40
150×150200×200

20×2010×10

ジャンカ
200×200

100×10060×60

図4 試験体A の概要

800
1500
(a) 計測開始16 秒後
200×200

200×75200×75ジャンカブロック

1300

①健全部

発砲スチロール

100×100

100×100
100×75(b) 計測開始40 秒後

200×200③ハンチ部２④補強リブ部（底鋼板接地面）②ハンチ部１⑤平行部上欠陥部

発砲スチロールによる模擬欠陥

100×75※図中の数値は，模擬欠陥の平面寸法を示す．

(c) 計測開始173 秒後

図5 試験体B の概要(d) 計測視野の詳細

図8 打設中の温度分布計測結果（模擬欠陥試験体）

33

121244(a) 計測開始91 秒後(b) 計測開始123 秒後(a) 計測開始14 秒後

ジャンカ
3(b) 計測開始32 秒後③ハンチ部２①健全部②ハンチ部１3④補強リブ部（底鋼板接地面）212

144(c) 計測開始300 秒後(c) 計測開始59 秒後(d) 模擬欠陥の位置と寸法

図6 パッシブ法による温度画像(d) 計測視野の詳細

図9 打設中の温度分布計測結果（健全試験体）

論文・報告 2-3

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論文・報告赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究亀裂破面

一定方向せん断力

回転せん断力スタッド
図11 スタッドに作用する回転せん断力と亀裂破面
試験体長 3300
250 425

横リブ間隔 3x650=1950

425 2502 x 2 0 0 2 4 0 2 5 02 x 2 0 0 1 7 5 1 3 0
ス タ ッ ド1 3 0 1 7 5ピッチ
245 250 =400 250 160=400 250 245

横リブ(FB75x12)

スタッド 140 175 200 175 150
ピッチ
150 175 150 175 140

下鋼板幅 1730

スタッド 125 200 175 150 175
ピッチ
175 150 175 200 125310

試験体幅 2350

310(a) 健全試験体

輪荷重走行エリア

底鋼板(t=8mm)
スタッド
φ16x110
計測エリア 2
計測エリア 1(a)平面図
試験体長 3.3ｍ
載荷ブロック200mm×12個
走行範囲＝2.0ｍ(b) 模擬欠陥試験体（発泡スチロール）
図10 アクティブ加熱計測結果

が高温であり，コンクリートが接した部分が高温を示す

7510 0白色となっている。図 8,9 の温度画像より，コンクリー
試験Ⅱではトルクアップジャッキに置換えトの流動の様子が温度分布の変化として現れていることがわかる。
健全試験体および模擬欠陥試験体に対して灯油燃焼ヒ2900(b)側面図ーターによる 1 分間のアクティブ加熱を行い，加熱中・試験体幅=2.35ｍ
床版支間＝2.0ｍ

加熱後の底鋼板下面の温度分布変化を赤外線カメラにより計測した。健全試験体と模擬欠陥試験体の結果を，そ19 312 19

れぞれ図 10(a)，(b)に示す。画像は加熱直後の温度分布
載荷幅500mmから加熱前の温度分布を引いた温度差分画像を示している。図 10(b)より，ハンチ部および水平部の模擬欠陥部において局所的な温度変化が現れており，これに基づき未10 01 00

充填部の検出が可能であることが検証できた。
(c)断面図３．スタッドの疲労損傷評価

図12 合成床版試験体の概要

ＳＣデッキは，図 11 に示すように輪荷重の繰返し載荷

280

によりスタッドが回転せん断力を受け，一定方向せん断240力に比較して早期に疲労破断することが明らかになって200いる 3)。しかしながら，供用中の合成床版のスタッド疲

160

労損傷を非破壊的に検出・評価する手法は未だ確立され120ていない。ここでは，赤外線応力測定法に基づき，供用80中合成床版のスタッド疲労損傷を検出・評価する方法に40ついて検討する。

0(1)

赤外線応力測定法とその高精度化技術

赤外線応力測定によれば，動的荷重下の応力変動に伴論文・報告 2-4

試験Ⅰ

試験Ⅱ

走行回数（万回）
図13 載荷回数と載荷荷重の関係

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論文・報告赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究(a) 計測エリア１(a) 計測エリア１

圧縮引張(b) 計測エリア２(b) 計測エリア２

図14 載荷回数85 万回（載荷荷重85kN）

図15 載荷回数205 万回（載荷荷重270kN）う温度変動を赤外線カメラで計測することにより，材料表面における主応力和分布の変化を得ることができる。

し た 。 赤 外 線 応 力 測 定 に は ， 温 度 分 解 能 0.025 ℃ のしかしながら，赤外線応力測定により得られる温度変動Titanium530L を用いた。繰返し載荷による測定面の応力は微小であり，応力変動による温度変動は計測ノイズと変動に伴う温度変動を，撮影速度 157 Hz で 2 000 フレー同程度となる場合がある。赤外線応力測定の高度化技術

ムの赤外線画像として計測した。の１つとして，赤外線計測データと応力変動に関する参(3)照信号とのロックイン相関処理を行うことにより S/N 比を改善する手法がある。自己相関ロックイン法

2)

実験結果

載荷回数 85 万回（載荷荷重 85kN）および 205 万回（載では，荷回数 270kN）における計測結果を，図 14 および図 15

赤外線計測画像内の一部領域の温度変動データから参照にそれぞれ示す。計測エリアは図 12(a)に示したとおりで信号を自己生成し，全領域の温度変動データとロックイある。図 14 に示した載荷回数 85 万回では，計測視野にン相関処理を行う。これにより外部からの参照信号を用存在する 7 つのスタッドの内，１つのスタッドにおいて，いることなく，任意荷重の下での相対応力分布を高精度水平せん断力により底鋼板に局所曲げが生じ，スタッドに求めることができる。

近傍に圧縮応力と引張応力が表れる特徴的な応力分布が(2)計測されている。また，図 15 に示した載荷回数 205 万回

実験方法

図 12 に示す試験体を用いて，輪荷重走行試験機によるでは，視野内に収まっている全てのスタッドにおいて，疲労実験を実施した。本試験体は，床板取替えに用いる同様の特徴的な応力分布がみられる。時系列に連続撮影

プレキャストＳＣデッキの実物大試験体4)である。試験体の底鋼板厚さは 8mm，スタッド直径は 16 mm，コンクリされた赤外線データより，スタッドに作用するせん断力が回転することが確認された。

ート厚は 152 mm である。実験は図 13 に示すように，支底鋼板下面のスタッド周辺で生じる応力分布挙動につ持桁の鉛直変位を拘束した状態での輪荷重走行実験（試いて詳細に図 16 に示す。計測エリア 2 の右下のスタッド験Ⅰ），および支持桁中央にトルクアップジャッキを設に注目し，輪荷重載荷時の応力分布変化に伴う温度分布置し負曲げモーメントを同時に載荷した輪荷重走行実験の変化を観察した。図には，温度変動波形を併せて示し（試験Ⅱ）の 2 種類を行った。疲労実験中に定期的に赤ている。スタッド中央部を境に温度（応力）の反転がみ外線計測を実施し，底鋼板下面の応力分布の変化を観察られ，またそれは時間の経過とともに回転しているよう

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論文・報告(a) 0.575 sec(b) 0.611 sec

赤外線サーモグラフィを用いた合成床版の非破壊検査手法に関する研究(c) 0.646 sec(d) 0.681 sec(e) 0.717 sec

0.02(f) 0.752 sec(g) 0.788 sec

Temperature (K)0(h) 0.823 sec-0.02-0.04
-0.06
-0.08
-0.1
00.5

11.52Time (sec)(波形抽出箇所：図-16(a)参照）(l) 温度変動波形（波形抽出箇所:図6(a)参照）(i) 0.858 sec(j) 0.894 sec(k) 0.929 sec

図16 計測エリア2 の右下スタッド周辺の温度分布変化と温度変動波形にみられた。この応力分布の挙動は，輪荷重載荷によりスタッドに対してせん断力が作用し，また輪荷重の移動

５．おわりにに従ってせん断力の方向が変化した結果であり，既往の本研究では，ＳＣデッキを模擬した試験体を使用し，研究結果 3)と一致する。本手法により，スタッド周辺で赤外線サーモグラフィを用いたコンクリートの充填性評発生する応力分布の可視化が可能であること，またそれ

価手法，およびスタッドの疲労損傷評価について検討をに基づき応力の定量評価が可能であることが示された。

行った。その結果，建設時，および維持管理時の非破壊本手法で疲労実験中に測定を続けることによって，スタ検査手法として，赤外線サーモグラフィが有効であるこッドの疲労度進展も評価可能であると判断でき，継続しとが確認できた。今後，充填確認計測では，健全部と欠て計測する予定である。

陥部の温度波形の差異などから欠陥部を定量的に検出する手法について検討を行っていく。また，スタッドの疲

４．まとめ

労損傷評価では，疲労破壊までの過程について赤外線応本研究の結果，以下の知見が得られた。

力計測を行うことで，その関係を明確にすることを課題［充填確認計測について］と考え検討を行っていく予定である。

1)欠陥寸法に着目した試験体 A において，面内の熱拡散

参考文献

により，検出限界寸法は底鋼版の板厚に依存し，底鋼

1)国土交通省土木研究所，（財）土木研究センター，民版の板厚ｔ＝8mm，発泡スチロールを用いた厚さ 20mm

間企業 21 社 17 グループ：道路協床版の輪荷重走行実の模擬欠陥での検出限界寸法は，底鋼版板厚の倍程度

験における疲労耐久性評価手法の開発に関する共同研の 20mm×20mm 程度であり，骨材と同程度の寸法まで検出できることが分かった。

究報告書（その 5）－評価編－2)阪上隆英，和泉遊以，久保司郎：赤外線サーモグラフ

2)実構造を模した試験体 B の欠陥部の検出実験について，

ィによる橋梁の非破壊試験技術，非破壊検査，温度分布，および温度変動波形より，パッシブ法，アpp.309-314，2011.6.

クティブ法の両方においてＳＣデッキのコンクリート

3)松井繁之，文兌景，福本唀士：鋼板・コンクリートＳの充填性を十分評価できることが分かった。これらをＣデッキ中のスタッドの疲労破壊性状について，構造併用することで，より精度よく欠陥部を検出すること

工学論文集，Vol.39A，土木学会，pp.1303-1311，1993.

が可能となると考えられる。

4)水野浩，松井繁之，大西弘志，杉山俊幸，街道 浩：［スタッドの疲労損傷検出実験について］

床版取替用プレキャスト合成床版の合理化継手の疲労3)赤外線応力測定法により，スタッド周辺の応力分布の耐 久 性 評 価 ， 構 造 工 学 論 文 集 Vol.58A， 土 木 学 会 ，可視化が可能であり，それに基づきスタッドの損傷進

pp.1112-1122，2012.3.

展を定量的に評価できることを示唆するものと考えられる。

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