論文･報告 赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討

論文･報告

赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討
維持管理への適用検討
Application consideration for maintenance of steel-concrete composite deck by infraredthermography

水野 浩 *1
MIZUNO Hiroshi

尾上紘司 *2
OGAMI Hiroshi

川原桂史 *3
KAWAHARA Keiji

ロビンソン型鋼・コンクリート合成床版のＳＣデッキは，耐久性，施工の容易さなどから，少数主桁橋梁や細幅箱桁など 130 万 m2 施工されており，今後もその適用は増加するものと考えられる。一方，持続可能な社会資本整備を行うために，既存ストックを適切に維持管理し，有効活用する必要がある。
スタッドジベルはロビンソン型合成床版の重要な要素であり，交通荷重の繰返し載荷による疲労損傷に注意が必要である。また，不測の損傷により床版内へ水が浸入した場合には，コンクリート床版などと同様に耐久性の低下につながる恐れがある。これらに着目し，赤外線サーモグラフィを用いて SC デッキの維持管理への適用について検討を行った。ここでは，それらの検討結果を示す。
キーワード：赤外線サーモグラフィ，非破壊検査，滞水，疲労耐久性するために，実験室で合成床版のスタッドに作用するせ1．
． はじめにん断力を再現した負荷を与える室内疲労試験を行った。

ス タ ッ ド ジ ベ ル は ロ ビ ン ソ ン 型 合 成 床 版 で あ る SC

疲労試験と並行して，赤外線サーモグラフィでスタッドデッキの重要な要素であり，交通荷重の繰返し載荷によ溶接面裏側の鋼板表面に対して熱弾性応力測定を行うこる回転せん断 1) による疲労損傷に注意が必要である。筆とで，貫通前のき裂が鋼板表面に及ぼす影響について確者らのこれまでの研究 2)3）において，輪荷重走行試験で，認した。

赤外線サーモグラフィを用いてスタッド溶接部の損傷を（ 2 ）試験体の概要とらえることができた（図 1）。より早期の検出を可能と試験の概要を図 2，3 に示す。試験体の材質は実際に合するため，損傷が鋼板表面に現れる前の変化を，熱弾性成床版で使用されている SS400 であり，鋼板にはスタッ応力計測により，室内疲労試験で確認を実施した。

ドが溶接されている。今回の試験に用いた試験体では,防水層の損傷やコンクリート床版のひび割れなど，SC鋼板厚さは 9 mm，スタッドの直径は 16 mm とした。ス

デッキの不測の損傷により床版内へ水が浸入した場合，タッドの高さは 60 mm である。

鋼板の腐食やコンクリート床版のひび割れの進行など損（ 3 ）試験方法

傷が加速することが予測される。そのため，底鋼板表面スタッド溶接部に初期き裂を導入した後，油圧式サーに滞水させた試験体を用い，赤外線サーモグラフィによるアクティブ加熱法を用いた滞水検出を実施した。
ここでは，上記 2 つの SC デッキの維持管理に資する研究について検討結果を示す。なお本報告は，土木学会
構造工学論文集 Vol.66A 掲載の論文 4),5）を再構成したものである。

2．
．室内疲労試験による合成床版スタッドにおける疲労亀裂の発生検出 4)（ 1 ） 概要
底鋼板の下面まで貫通に至っていないき裂を早期検出

図1

輪荷重走行試験での疲労亀裂の検出 2)*1 川田工業㈱大阪技術部四国技術課 課長*2 川田工業㈱大阪技術部四国技術課 課員*3 川田工業㈱四国工場橋梁技術課 課長

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論文･報告 赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討(b) 0 cycle(a)スタッド・初期き裂位置・引張方向

試験体
図2

図3

疲労試験機外観および概要図(c)3.0x10 6(d)6.0x106(e)9.0x106(f)1.2x107(g)1.5x107(h)1.8x107(i)2.1x107(j)2.4x107(k)2.7x107

測定装置の設置概要図

ボ疲労試験機を用いてスタッドに作用するせん断力を与図 4 スタッド周辺の相対応力分布変化えた。通常，合成床版のスタッドに作用するせん断応力度は 50 MPa 以下となるように設計するため，実際に即した疲労試験となるよう，スタッドの断面に作用するせん断応力振幅を 50 MPa とした。25 mm レンズを装着した赤外線サーモグラフィ（SC7500［FLIR 社］，MCT アレイセンサ）を用いて，測定時間を 5 秒間，測定周波数を 157 Hz として測定を実施した。
合成床版の底鋼板下面にあたる試験体に対して赤外線サーモグラフィで時系列赤外線強度画像を撮影した。得られたデータに対して自己相関ロックイン処理 2) を行い，

写真 1

磁粉探傷試験（2.0×107cycles 時）相対応力分布を取得した。
（ 4 ）試験結果は非常に酷似しており，相対応力分布上でき裂の進展を試験体のスタッド溶接部周辺の相対応力分布の変化をよく捉えている。

図 4 に示す。暗色で示す相対応力値が低い部分には圧縮

この相関性を定量的に検討するために，図 5 に示す試応力が，明色で示す相対応力値が高い部分には引張応力

験体長手方向と試験体幅方向の線上の応力分布を求めた。

が作用していることを表している。図 4（b）に示すよう

図 6 に試験体幅方向の相対応力分布を示す。これは，図にスタッドにせん断力が作用すると，引張域である明色5 中の青色の線上の分布図を示す。相対応力値－0.5 程度と圧縮域である暗色がスタッド中心付近を境に，対に分の範囲が繰返し回数の増加に伴い，幅方向に広がってい布する。なお，0 cycle は初期き裂導入後を示している。

る。この広がりが暗色部の広がり，つまりき裂の進展を

図４より，繰返し回数の増加に伴って，相対応力値の表している。また，暗色部中心付近の相対応力値は，繰低い暗色の部分が試験体幅方向に広がっている。2.0×

返し回数の増加により大きくなっている。すなわち，き時点でスタッド溶接部周辺に対して磁粉探傷裂が板厚方向に進展し底鋼板下面部の応力が増加してい試験を実施した。その結果を写真 1 に示す。初期き裂がることを意味している。これらの考察から，疲労き裂の試験体幅方向に進展している。

進展を画像のみではなく，数値から定量的に評価できる

10 7 cycles

このき裂の形状と，相対応力分布上での暗色部の形状知見を得た。

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論文･報告 赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討

次に，試験体の長手方向の応力分布を図 7 に示す。これは図 5 中の赤色の線上の分布を示している。図 7 より，30mm 30mm

相対応力分布にはスタッドを境に引張応力および圧縮応スタッド中心力のピークが現れており，繰返し回数の増加に伴い圧縮応力のピーク位置がスタッド中心位置に近づいている。
一方で，引張応力のピーク位置は繰返し回数に対してほとんど変化していない。これは，引張域にはき裂が生じていないため，応力状態が安定しているが，圧縮域では，40mm
圧縮域（－）

40mm

き裂の進展に伴い応力状態が変化していることが表れている。すなわち，相対応力値のピーク位置の変動が観察できた場合は，き裂が発生している可能性が高く，き裂図5の発生時期を推測できると考えられる。実構造物では，相対応力分布抽出位置軸重の異なる輪荷重が走行するため，ピーク値に着目するのではなく，ピークを示す位置がスタッド中心へ移動幅方向しているなど，分布形状の変化に着目する必要がある。

0長手方向の相対応力分布でも繰返し回数の増加により，相対応力値圧縮の最大相対応力値は大きくなっている。図 8 に，試-1

験開始時（0 cycle）および，試験終了時（2.7×10 7 cycles）のき裂深さおよび形状（長さ）の変化を示す。本結果は，き裂なし
0cycle初期き裂(初期き裂)
0cycle6×10 6cycles
55×10cycles
67cycles
×1010cycles
1.0×1067×10cycles
151.5×10cycles
620 ×10 7cycles
2.0×1067
27 ×10 cycles
2.7×10-2-3-40-20

き裂深度計にて計測した結果である。初期き裂の深さは最大 4 mm 程度である。試験終了時は，試験体裏面を目値が試験体厚 9 mm 以上の値を示している。これは，き02040

スタッドからの距離 [mm]図6視観察したところ貫通まで至っていない。き裂深度計の圧縮（－）

試験体幅方向の相対応力分布

裂がスタッド中心に向かって斜め方向に進展しており，き裂に沿った長さを計測していることに起因する。
室内 疲労 試験 の結果 から ， 疲労き 裂の 進展 と赤 外 線サーモグラフィを用いて取得した相対応力分布や相対応作用方向力値の推移との高い相関性を確認できた。このことから，

3引張（＋）

ス タッド径相対応力分布を継時的に取得することにより，疲労き裂相対応力値発生の有無や進展の状況を評価可能であると考えられる。
13．
． 合成床版試験体を用いた滞水検出試験 5)
き裂なし-1-3

図70cycle初期き裂(初期き裂)
0cycle6cycles
5 ×10 6 cycles
5×106×10107 cycles
1.0×10 6cycles
15 ×10 cycles
1.5×10 76cycles
cycles20 ×107 cycles
2.0×106cycles
27 ×107 cycles
2.7×10-20（ 1 ） 実験方法
使用した試験体は，図 9 に示す底鋼板厚さ 6 mm と 8mm の２種，コンクリート厚さ 150 mm，平面寸法 540
圧縮（－）

0スタッドからの距離 [mm]20

試験体長手方向の相対応力分布mm×540 mm の合成床版試験体である。試験体の鋼板とコンクリートの間には厚さ 0.1 mm，0.3 mm および1.0 mm の空隙を設け，空隙部に水を注入して滞水状態にした。本実験では，水注入前後に，写真 2 に示すように，底鋼板下面より出力 500 W のハロゲン投光器 4 灯を用いてアクティブ加熱（図 10）し，加熱終了後の冷却過程における底鋼板下面の温度分布の変化を，赤外線サーモグラフィにより計測した。
赤外線測定には，温度分解能 0.025 K の Indigo 社（現FLIR 社）製赤外線カメラ Phoenix を使用した。加熱時

図8

き裂の深さおよび形状の変化

間は，10 秒～300 秒の間で検討し，本論文では欠陥部で比較的良好なコントラスト変化が見られた 30 秒および論文・報告 8-3

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論文･報告 赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討(a) 試験体の欠陥位置(b)滞水（30 秒加熱）

図9(c)空隙（30 秒加熱）

滞水試験体概要(d)滞水（300 秒加熱） (e) 空隙（300 秒加熱）
図 116 mm 試験体計測結果（ロックイン処理画像）
300 秒の 2 種類について比較・考察する。撮影速度は，計測機器の制約上処理可能枚数が限られているため，加熱時間に応じて変化させ，加熱時間 30 秒では 22.6 Hz，加熱時間 300 秒では 2.83 Hz とした。また，試験時の外気温および試験体の初期温度は，約 14 ℃であった。

図 10アクティブ加熱法による滞水・空隙

合成床版の鋼板下面の表面処理には，一般に C5（フッ素樹脂系）塗装，金属溶射，メッキ，耐候性鋼材が用いられる。既往研究において，合成床版のコンクリートと底鋼板間の空隙を検出する実験が実施され，メッキでは放射率が低いため欠陥検出が難しく，C5（フッ素樹脂系）塗装および金属溶射では欠陥検出が可能かつ疑似黒体可塗料と同程度の欠陥検出性を示す結果が得られている。
本実験では，C5（フッ素樹脂系）塗装および金属溶射の場合を想定し，それらと同等の実験結果が得られた疑似黒体化塗料を鋼板表面に塗布した。なお，実際の構造物での試験では，疑似黒体化塗料は，メッキの場合は必要，C5（フッ素樹脂系）塗装および金属溶射では不要となる

写真 2アクティブ加熱状況と考えられる。

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論文･報告 赤外線サーモグラフィを用いた SC デッキの維持管理への適用検討

健全部より大きい（白色）。これらの結果から，画像のコントラスト（冷却速度）の違いから，空隙および滞水の検知・判別が行える可能性があると考えられる。
2)8mm 試験体

鋼板厚 t=8 mm の試験体に対して，アクティブ加熱法による滞水・空隙の検出試験を行った。加熱終了後の 30秒間の時系列の温度分布データに対して，自己相関ロッ(b)試験体 2(a) 試験体 1クイン処理を行った。参照信号は健全部から取得した。
得られた自己相関ロックイン結果を図 12 に示す。各試験体の欠陥部の位置と厚さは図 12(a)および(b)に示している。
図 12(c)および(d)より，空隙部で明確なコントラスト変化が生じている。また，図 12(e)および(f)より，滞水部では，欠陥のエッジ部で線上にロックイン値が高くなる様子が確認できた。このエッジ部での線上のコントラ(c) 空隙（試験体 1）(d) 空隙（試験体 2）

スト変化は，図 12(e)および(f)の空隙の結果や，鋼板厚6mm の図 11(b)および(c)の結果にも現れている。鋼板
厚 8mm の試験では，試験体のコンクリートの熱伝導率が低く，水に近い値であったこともあり， 鋼板厚 6 mmの試験に比べて，滞水部での自己相関ロックイン値のコントラスト変化は不鮮明であった。しかしながら，滞水エッジ部のコントラスト変化から，鋼板厚 8mm の場合においても滞水の検出が可能である。

(e) 滞水（試験体 1）
図 12(f) 滞水（試験体 2）

4． 結

8 mm 試験体の計測結果

論

本研究の結果，以下の知見が得られた。

（ロックイン処理画像）【室内疲労試験による合成床版スタッドにおける疲労亀裂の発生検出試験】（ 2 ）実験結果(1) 室内疲労試験の結果から，今回の計測機器の場合，1）6mm 試験体
時系列の赤外線データに対して，参照信号を健全部か疲労き裂の進展状況は相対応力分布上に明瞭に現ら取得し，加熱終了後 10 秒間の冷却過程に対して自己れ，可視的な相対応力分布のみではなく，相対応相関ロックイン処理を行った。ロックイン処理により得力値から定量的に確認することができた。

られる画像は，参照信号を取得した健全部（図 11 の赤い(2) スタッドにせん断力が作用するとスタッド付近を点の位置）に対する冷却速度の比の分布を表しており，境に引張応力と圧縮応力の領域が対をなして現れ冷却速度が大きい場合はロックイン値が大きくなり白色るが，き裂発生箇所では相対応力値のピーク位置（1 より大きい）を示し，冷却速度が小さい場合はロッが繰返し回数に伴いスタッド中心方向へ移動する。

クイン値が小さくなり黒色（1 より小さい）を示す。

また，き裂位置での最大相対応力は，繰返し回数

図 11 に滞水・空隙の状態における 30 秒加熱および 300に伴って増加した。これらは，相対応力分布に現秒加熱の場合に得られた自己相関ロックイン画像を示す。

れるき裂進展の特徴と考えられる。

図 11(a)には，試験体の欠陥位置と欠陥厚を表す概要図【合成床版試験体を用いた滞水検出試験】を示している。図 11(b)～(e)の各画像をみると，滞水部(3) 合成床版の鋼板厚 6 mm と 8 mm の場合において，や空隙部 で，健 全部と は異 なる濃淡 が現れ ている 。図

空隙および滞水部で，自己相関ロックイン画像に11(b)および(c)の 30 秒加熱の条件では，冷却速度の大明確なコントラスト変化が現れ，提案手法によりきさを表すロックイン値は，滞水部では健全部より大き両者の検出および判別が可能である。

く（白色），空隙部では健全部より小さい（黒色）。また，(4) 水や空気はコンクリートに比べて熱伝導率が低い

図 11(d)および(e) の 300 秒加熱の条件では，冷却速度ため，断熱効果により，加熱時には滞水部，空隙の大きさを表すロックイン値は，滞水部・空隙部ともに部は周囲の健全部に比べて温度が高くなる。しかし，加熱終了後の冷却過程では，空隙部や滞水部

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で顕著の温度勾配が生じるため，結果として熱流参考文献

束が大きくなり，温度変化が顕著に生じる。

1)

松井繁之，文兌景，福本唀士：鋼板・コンクリート
合成床版中のスタッドの疲労破壊性状について，構5．
． おわりに造工学論文集，Vol．39A，土木学会，pp.1303-1311，

SC デッキに代表されるロビンソン型合成床版は今後1993.

も施工の増加が予想され，それにともない効率的な維持

2)

水野浩，和泉遊以，中野好祐，阪上隆英，松井繁之：管理を行う必要がある。合成床版パネルの取換えのため赤外線サーモグラフィを用いた鋼・コンクリート合に，建設時にあらかじめ取換え時の本体補強を実施して成床版の疲労損傷の検出および評価に関する研究，いる路線もある。早期に損傷を検出することができれば，

土 木 学 会 論 文 集 A1 ， Vol.72 ， No.2 ， 土 木 学 会 ，定期的にモニタリングし寿命予測を行うことも可能と考えられる。

pp.338-349，2016.
3)

水野浩，和泉遊以，阪上隆英，松井繁之，杉山俊幸：

今後は，さらに計測サンプル数を増やし，より定量的赤外線サーモグラフィを用いた鋼・コンクリート合で信頼性のあるき裂進展予測や滞水検出が可能となるよ成床版の非破壊検査手法に関する研究，構造工学論

う，その計測方法や評価方法を検討する必要がある。また，本計測手法を実用化するために，実橋での計測や，文集，Vol. 59A, pp. 1161-1169, 2013.
4)

水野浩，尾上紘司，山下雄大，塩澤大輝，和泉遊以，

より広範囲の床版面を処理可能な合理的な手法，き裂付阪上隆英，松井繁之：赤外線サーモグラフィによる近にコンクリートの空隙や滞水が存在するといった複合ロビンソン型鋼・コンクリート合成床版のスタッド的な損傷状態についても検討していく予定である。

溶接部疲労損傷発生と進展の検出，構造工学論文集，Vol.66A, pp. 895-903, 2020.
5)

和泉遊以，水野浩，市橋良，関大志，阪上隆英，松井繁之：赤外線サーモグラフィを用いた鋼・コンク
リート床版の滞水検出，構造工学論文集，Vol. 66A,pp.904-913, 2020.

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