技術紹介

AE 法を用いたトモグラフィ解析による鉄筋コンクリート床版の内部損傷検出性能の検証
福本伸太郎 *1
Fukumoto Shintaro

塩谷源二 *2

Shioya Genji

塩谷智基 *3

Shiotani Tomoki

麻植

久史 *4

Asaue Hisafumi

当社では、鉄筋コンクリート（RC）床版の内部損傷の検査手法として AE 法によるトモグラフィ解析（AET）法に着目し、京都大学と共同研究をしてきた。今回、さまざまな損傷を導入した 4 つの床版試験体
たんを用いて、損傷検証を実施した。AET 法により、アスファルト上から平坦な水平ひび割れ（幅 1mm）や波型のひび割れなどの内部損傷を検出することができた。
キーワード：非破壊検査、アコースティック・エミッション（AE）法、インフラ保全技術、弾性波、トモグラフィ

京都大学のインフラ先端技術産学共同講座で

1. はじめには、コンクリート構造物の内部の状況を可視化す

建設から 50 年以上経過した橋梁の増加に伴い、る手法として、アコースティック・エミッション

鉄筋コンクリート（RC）床版の検査に関する技術（AE）法を用いたトモグラフィ解析（AET）法に関者不足とコスト増大が懸念されており、効率的なする研究を進めている 。当社では、RC 床版の内維持管理手法のニーズが高まっている。これまで部損傷の検査手法として AET 法に着目し、本研究は近接目視により損傷箇所を確認し、触診や打音室との共同研究により、事業化を目指してきた。

調査を用いて、変状の確認および評価をしてき

本稿では、さまざまな種類の損傷を導入したた。しかし目視検査では、内部損傷の定量的な診4 つの RC 床版試験体を用いて、AET 法による損断が困難である。このため RC 床版などの予防保傷検出性能の検証を実施した。

（1）

全を実施するためには、目視では検出できない内2. AE 法を用いたトモグラフィ解析（AET）法とは部損傷を評価する必要がある。なお、本稿における内部損傷とは、コンクリート部材の品質あるい

まず AE とは、材料に応力を加えたときに材料は性能が本来あるべき姿でない状態と定義し、代に蓄積されたひずみエネルギーが、変形や破壊に表的な損傷としては、水平ひび割れや土砂化が挙伴い開放される過程で、その一部が超音波領域のげられる。

弾性波として放出される現象である 。この弾性（2）*1：研究開発センター 研究開発グループ*2：計測事業部 計測技術部 福浦グループ 課長*3：国立大学法人京都大学大学院 工学研究科 社会基盤工学専攻*4：国立大学法人京都大学大学院 工学研究科 社会基盤工学専攻

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32

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教授 博士（工学）特定准教授 博士（工学）波を AE 波と呼び、AE 法とは AE 波を計測し、そ3. 試験概要の発生頻度や波形特徴などから、材料の強度や健3.1 試験体全性を評価し、AE 波の到達時間差から損傷位置（4）

本試験では、過去に電磁波レーダ 性能評価用の標定をする方法である。
またトモグラフィとは、物理探査、医療診断等に作製した、模擬 RC 床版試験体を用いた。こので用いられる逆解析技術の一つであり、対象領域電磁波レーダ性能評価試験は、IHI が実施したもを取り囲むように AE センサの設置、および AE 源のであり、非接触かつ高速に広範囲のひび割れをの励起をすることで、内部の物性（音速、比抵抗、測定可能な技術で、供用中の RC 床版の劣化状態音響インピーダンス、密度など）分布を調べる技を把握し、補修要否を判断するための損傷スク術である。AET 法は、部材内での弾性波速度の分リーニング技術として期待されている 。

（5）布を算出し、弾性波速度分布図を作成する手法でこれらの試験体は、主に供用中の交通載荷などある。図 1 に計測・解析の一例を示す。部材の両の劣化によって生じる損傷を模擬している。試験面、または片面に AE センサを取り付け、パルス体の寸法は、1000 × 2250 × 300mm（縦 × 横 × 厚さ）ぱ

発信や打撃により励起される部材内部を伝播するであり、厚さ 300mm のうちの上部 100mm はアス弾性波を計測する（図 1（a））。その後、図 1（b）のファルトである。また試験体は 4 体あり、図 2 にように、各センサで取得した弾性波より到達時間

各試験体の損傷の種類、および位置を示す。図 2を算出する。各打撃による弾性波の到達時間、お（a）では、床版を上から見た方向からの各試験体よびセンサの位置情報を用いて AET 法を実施すの損傷の種類、および位置を示し、各損傷を表 1ることで、部材内部の弾性波速度を取得し、図 1に示す。また図 2（b）では、断面方向の損傷位置（c）のような弾性波速度分布図（コンター図）を作を示し、すべての損傷は上段鉄筋近傍（アスファ成する。

ルト上縁から 150mm）にあることがわかる。

内部損傷があると、弾性波の到達時間が健全時3.2 試験装置より遅くなるため、低速度領域を損傷部と判断できる。なお、これまでの知見より、RC 床版では試験装置および使用センサを以下に示す。

（3）2700m/s 以下を損傷部と判断している 。

（1）AE 装置：Vallen Systeme 社製 AMSY-6 MB19（2）受信用 AE センサ：Vallen Systeme 社製 VS150RIC（周波数帯域：100 ～ 450kHz、寸法：直径 f 28.6mm × 高さ 31.5mm）（a）センサ配置・波線経路図（b）取得した AE 波形

図1（c）弾性波速度分布図

AET 法の一例—33—

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（a）損傷位置（b）断面方向の損傷位置（試験体 1 の例）

図2

各試験体の損傷の種類、および位置表1

RC 床版試験体の各損傷

3.3 計測条件
供用中の RC 床版で計測する場合では、下面にセンサを設置し、上面から弾性波を励起させるが、今回の試験の場合での試験体の設置は図 3 のようにした。図 3 より、試験体を架台により地面から浮かせて設置し、センサ設置のため床版下面へアクセスした。次に、階段で床版上面に登り、

図3

弾性波を励起させた。図 4 に床版下面の受信用 AE

試験体の設置状況

センサ設置状況を示す。図 5 中の青丸に示すように 23 個のセンサをセンサ間隔 400 × 450mm の千鳥配列で設置した。なお、試験体 1、3 については18 個のセンサを同様の間隔で設置した。
本試験では、弾性波の励起を f 19mm 鋼球ハンマによる打撃とした。打撃位置は、図 5 中の赤丸に示すにように、200 × 225mm の等間隔で 45 か所
図4とした。試験体 1、3 については、35 か所とした。
—34—

受信用 AE センサ設置状況

図5

受信用 AE センサ位置および打撃位置

3.4 解析方法に 対 し て 弾 性 波 速 度 が 算 出 さ れ る。 例 と し て、
図 6 に試験体 2 における AET 法結果を示す。試験

計測で得られた各弾性波の到達時間を求めた。
（6）

この算出には、AIC（赤池情報量規準） を用い、体 2 では、左側に幅 3mm の水平ひび割れが、右側

これは地震波などの検出に用いられている手法でに波型の割れが導入されている。図 6 より青色はある。到達時間は式（1）より AIC が最小になる時健全なコンクリートの速度 3500m/s 以上を示し、間とした。

黄色は中間損傷状態の 2701m/s 以上 3500m/s 未満を示し、赤色は限界損傷状態の 2700m/s 以下を示

AICk = k·log{var(X [1, k ])}+ (N - k )·log{var(X [k, N ])}（1）

している。これより、損傷がある場所が赤くなっ：波形のある点ていることがわかる。4 章では、他の試験体でのvar(X [1, k ]) ：波形振幅値 X1 から Xk の分散

AET 法および電磁波レーダの結果をコンター図

kN：全データ数にして示す。

var(X [k, N ])：波形振幅値 Xk から XN の分散

4. 計測結果および考察

次に AET 法において、解析領域に対してメッシュ分割をした。メッシュ分割は 4 × 8 × 3（縦 × 横AET 法および電磁波レーダ法による各試験体× 高さ）、エレメント数は 96 個とした。エレメンの上段鉄筋近傍の劣化判定結果を表 2 に示す。コ

ト全体の寸法は、900 × 1600 × 450mm（縦 × 横 × 高ンター図において、健全部から損傷度合が大きくさ）、また 1 つ当たりのエレメントの寸法は、225 ×なるにつれて、青、緑、黄色、赤と色を変化させ200 × 150mm（縦 × 横 × 高さ）になる。また解析開た。また、詳細を以下に示す。

始時の、各エレメントの初期速度は、健全なコン4.1 試験体 1クリートの音速である 4000m/s とした。なお、試結果：平坦な水平ひび割れ（幅 2mm）は、AET

験体 1、3 については、メッシュ分割を同様とし、法および電磁波レーダ法において検出できた。まエレメント数を 72 個とした。

た平坦な水平ひび割れ（幅 1mm）についても、両者

上記の解析方法により、各試験体のエレメント—35—

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図6

試験体 2 における AET 法結果（床版を上面から見た場合）

表2

AET 法と電磁波レーダ法による各試験体の結果

4.2 試験体 2において弾性波速度が低下している範囲が狭かっ

結果：平坦な水平ひび割れ（幅 3mm）は、AET 法

たが、損傷があると判定できた。
考察：AET 法では、床版下面に複数のセンサをおよび電磁波レーダ法において検出できた。また配置することで、内部を伝播する弾性波を多方向AET 法では、波型ひび割れを明確に検出できた。

か ら 受 信 す る た め、 平 坦 な 水 平 ひ び 割 れ（幅考察：AET 法は、多方向から複数のセンサで受1mm）も検出できたと考えられる。また電磁波信するため、損傷形状による減衰などで一部のセレーダ法では、高周波数の電磁波を用いているたンサで受信できなかった場合も、その他のセンサ

めひび割れからの反射波検出ができたためと考で受信したデータを使用して検出できたと考えらえられる。

れる。一方電磁波レーダ法は、割れ表面がギザギザであるため、反射波が異なる方向に反射し拡散してしまったことが考えられる。
—36—

4.3 試験体 3

おいても豆板を明確に検出ができていなかったこ

結果：ひび割れ模擬において、AET 法は明確でとから、空気層が少なかったことも考えられる。今はないが、弾性波速度が低下しており損傷部の検後試験体を切断し確認する予定である。

出ができている。しかし、健全部においても弾性4.5 全試験体の計測結果と考察

波速度が低下していた。電磁波レーダ法では、損傷部と健全部に差が見られ、検出できた。

これらの結果より、AET 法による各損傷の判定

考察：AET 法では、エポキシ樹脂内を弾性波が結果を表 3 に示す。限界損傷状態である 2700m/s伝播するため、明確な速度変化が得られなかった

以下の弾性波速度が明確に確認できたものを〇とと考えられる。一方電磁波レーダ法は、エポキシし、損傷部と健全部に明確な差が見られなかった樹脂であっても電磁波が反射したため、検出できものを△とした。表 3 より、幅が 1 ～ 3mm の平たと考えられる。

坦な水平ひび割れ、波型のひび割れ、土砂化、および空隙においては、明確な検出ができたため〇

4.4 試験体 4とした。一方で割れ部がエポキシで充てんされて

結果：空隙、土砂化は、AET 法および電磁波いる模擬ひび割れや、空気層が少ない豆板においレーダ法において検出できた。また AET 法では、ては、弾性波速度の低下が確認できたが明確な検豆板は明確ではないが変化が確認できた。

出ではなかったため△とした。

考察：AET 法および電磁波レーダ法では、空隙

電磁波レーダ法はセンサ設置のために床版下面および土砂化は、平坦な水平ひび割れと同様に、にアクセスする必要がなく、車載化により計測時空気層があるため検出できていたと考えられる。

間の短縮が可能である特徴がある。AET 法は、初AET 法における豆板の検出は、導入位置が解析範期の計測準備としてセンサ設置が必要である。し囲の境界付近であったために明確な検出結果ではかし、図 7 に示すように、450mm の深い位置でもなかったと考えられる。また、電磁波レーダ法に3 次元で計測できるという特徴がある。本試験で

表3

図7

AET 法による各損傷の判定結果

AET 法による各試験体の 3 次元計測結果表示—37—

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は弾性波の励起をハンマリングとしたが、交通荷参考文献

重（自動車やトラックなど道路を走行するもの）を用いることも可能である。将来的に AET 法では、

（1） T. Shiotani, D. G. Aggelis and O. Makishima：

交通規制できない場合でも計測できることから、

Global monitoring of large concrete structures

同じ場所を継続してモニタリングする場合などにusing acoustic emission and ultrasonic techniques:

適していると考えられる。

case study, Journal of Bridge Engineering, Vol.14,
No.3, 2009, pp.188-192

5. おわりに（2） 一般社団法人日本非破壊検査協会：アコース

AET 法の計測原理の概要について紹介し、さまティック・エミッション試験Ⅰ、2006、pp.5-6

ざまな損傷が導入された 4 つの RC 床版試験体を用（3） H. Asaue, T. Shiotani, S. Fukumoto, Y. Tanaka andいて、AET 法による損傷検出性能の検証を実施しT. Maeshima：Fatigue Damage Evolution of RC Slabs

た。AET 法はアスファルト上からでもコンクリート

Considering Water Infiltration in Wheel-loading

内部の損傷を検出できた。また、1mm の水平ひび

Test bu means of 3D AE Tomography, PROGRESS

割れや波型のひび割れにおいても検出できた。

in ACOUSTIC EMISSION XIX, 2018, pp.133-138

AET 法では床版下面にセンサを設置する必要（4） 一般社団法人日本非破壊検査協会：NDIS3429がある。しかし、300mm 以上の深い位置でも 3 次

電磁波レーダ法によるコンクリート構造物中元で計測できる点や、交通規制ができない場合にの鉄筋探査方法、2011

おいても、同じ場所であれば継続してモニタリン（5） 大橋タケル、春田瑛介他：電磁波レーダを用グできる点などメリットもある。近年、床版厚さいたコンクリート床版の損傷スクリーニングが 400mm を超える 2 主桁床版、鋼繊維補強コンク技術の開発、平成 30 年度土木学会全国大会第リ―トなどがあり、電磁波レーダ法では困難な対73 回年次学術講演会、2018、pp.855-856

象でも計測できることが予想されるため、ニーズ（6） 赤池弘次他、土谷隆編：赤池情報量規準 AICを調査し、適用先を拡大することが課題である。

― モデリング・予測・知識発見 ―、pp.135137

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研究開発グループ

計測事業部
計測技術部
福浦グループ 課長

福本伸太郎

塩谷 源二

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FAX. 045-791-3547

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国立大学法人京都大学大学院
工学研究科 社会基盤工学専攻
教授 博士（工学）

国立大学法人京都大学大学院
工学研究科 社会基盤工学専攻
特定准教授 博士（工学）

塩谷 智基

麻植 久史

TEL. 075-383-3495
FAX. 075-383-3495

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