技報第 24 号

2007

電場指紋照合法（FSM)を用いた疲労亀裂モニタリングの実橋梁における実用性検討（財）阪神高速道路管理技術センター調査研究部（財）阪神高速道路管理技術センター企画部

川上
金治

順子
英貞

………………………………………………………………………………
要

旨近年，重交通路線を中心に鋼床版の疲労損傷が問題となっており,その損傷発見および進展監視する効率的で有効な手法が必要とされている．そこで常時観測が可能なモニタリング技術として既に発電所や各種プラントにおける配管の腐食や減肉のモニタリングに適用されている電場指紋照合法（Field Signature Method，以下FSM と称す)に着目し，鋼床版橋等実橋梁への適用性について検討を行った．
キーワード:鋼構造物，疲労損傷，FSM（電場指紋照合法），モニタリングはじめに行えない場合が多い．そこで目視による点検とあわせて，常時観測が可能なモニタリング技術の導近年，重交通路線を中心に鋼床版の疲労損傷が入が有効と考えられる．本稿では，既に発電所や問題となっている．鋼橋に生じる疲労損傷は，発各種プラントにおける配管の腐食や減肉のモニタ

生頻度は低いが，一度発生すると脆性破壊を引きリングに適用されている電場指紋照合法（Field

起こし，最悪の場合落橋にも至るほど，その影響Signature Method，以下 FSM と称す)に着目し，度は非常に大きなものとなる．発生箇所を予測し， 鋼床版橋等実橋梁への実用性について検討を行っ予防保全（補強）を講じることが最善と考えられた．

るが，一般に疲労損傷の発生は，溶接部の形状や溶接欠陥に起因する応力集中の影響を受け，また

１． ＦＳＭの基本原理

特に鋼床版では輪荷重載荷位置により応力状態が複雑に変化するため，発生箇所の予測は容易では1-1 基本原理ない．また補強についても鋼床版においては上面

ＦＳＭは，導電性を有する検査対象物に直流パからの床版増厚等，交通遮断を伴う方法が中心とルス電流を印加して瞬間的に電場を形成し，そのなるため，広範囲での適用は困難である．当面は電場内の特定箇所の電位差を計測し，その計測値点検の強化により亀裂を発見することが重要であから，損傷の程度を特定する非破壊検査手法であるが，定期的な点検においても亀裂発生をリアルる 1)．測定部位に減肉や亀裂が発生すると，そのタイムで検出することは困難であり，また，海上部分の電気抵抗は大きくなる．従って，一定電流部や桁高の高い部分では，点検そのものが容易に（I0）を供給した場合，オームの法則により電位差は大きくなる．図-1 は対象部位に減肉，亀裂タは，専用ソフトによって解析することができる．

が発生した場合の電位差の変化を模式的に表す．

このソフトでは，腐食・亀裂が２次元・３次元線健全部の電位差を V0 とすると，減肉，亀裂が生図で表示され，損傷箇所の検出，さらに経時的変じた箇所の電位差 V1 は，V0 よりも大きくなる．

化の観察が可能である．また，FSM-IT は，遠隔この健全状態からの電位差の変化率(V1 ―V0)/V0

測定機能を有しており，電話回線，携帯電話を用を観測することにより，検査対象物の減肉あるいいた遠隔監視が可能である．

は亀裂の発生・進展を検出するものである．

減肉の場合

写真-1 測定装置 FSM-IT

亀裂の場合

センシングピン印加電極

図-1 基本原理
1-2 FSM システム構成

ＰＣ
ケーブル接続

今回の研究には，小型・軽量化により携帯可能

FSM-ITな測定装置 FSM - IT （写真-1)を使用した．そのシステム構成の概念図を，図-2 に示す．まずモニタリングエリアに電流を与える 2 本の電極（以下、印加電極という）を設置する．その後腐図-2 システム構成概念図

食・亀裂損傷の発生予測部，あるいは既に発生している周辺部分にセンシングピンを格子状に設置

２． 実橋梁での適用事例する．このモニタリングエリアに設置した印加電極，センシングピンと FSM - IT とをケーブル類で接続する．モニタリングでは，電極間に直流パ2-1

鋼床版Ｕリブスカラップから発生した疲労亀裂の進展監視

ルス電流を印加することにより生じる各センシンモニタリング箇所とその模式図を写真-2，図-3

グピン間（pair）の電位差を計測する．FSM - ITに示す．ここで対象としているのは，U リブス

は，電流の印加から pair の電位差の計測までをカラップから発生している既存亀裂であり，この自動で行う機能を有しており，測定者の技能に関亀裂の進展の有無を監視し，進展が生じた場合，わらず，測定誤差のない計測を可能にしている．

その進展量を特定することを目的としている．

測定時間は 1 箇所につき約５分で完了するため，

ここでは，①～⑥の pair の電位差を同時に計

短時間で広範囲のモニタリングが可能である．な測している．このケースでは印加電極，センシンお，採取したデータは FSM - IT 本体に保存され， グピンに接続したケーブルを歩道からアクセスでそのデータをパソコンに取り込むことにより，一きる橋脚まで延長して，そこに中継器を設置し，元管理することができる．採取された一連のデー

実際の測定はこの中継器に測定器を接続して行っている（写真-3）．このように，歩道からアクセスできる箇所や非常駐車帯などに中継器を設置することにより，交通を規制することなく測定することが可能である．また,計測位置まで足を運ぶ必要がないので大幅な省力化が図られる．
本ケースでは，約一年間の計測期間中に亀裂進展は観測されず，磁粉探傷試験による確認おいても進展は見られなかった．
写真-2 スカラップ亀裂発生部計測状況
2-2鋼床版バルブリブスカラップ部から発生した疲労亀裂への補修補強箇所の健全性診断

モニタリング箇所とその模式図を写真-4 に示す．ここでは，スカラップ廻し溶接部より亀裂が発生し，補修・補強がなされている部分を一部（横リブ 4 本分，デッキプレート 3 パネル分）モニタリングしている．一定期間モニタリングを①④印加電極 ②⑤③⑥

疲労き裂実施し，亀裂の進展が止まっていることが確認されれば，採用した補修補強法の妥当性が示されることになる．

：センシングピン

図-3 モニタリング箇所模式図

また，橋梁単位等広範囲でのモニタリングを想定し，効率的に亀裂発生の有無，亀裂進展の程度を特定することを目的として，pair の間隔を前述 2-1 のケースと比べ，広くしている（最大約2m）．pair の間隔を広げた場合も，亀裂発生・進展による溶接部の電位差の変化を問題なく捉えられることは，鋼床版を用いた実験により，既に示されている 2)．本ケースでは約 1 年間の計測期間中に亀裂進展は観測されていない．
2-3中継器

鋼床版Ｕリブとデッキプレート溶接部に発生した亀裂の進展監視

モニタリング箇所とその模式図を写真-5，写写真-3 中継器設置箇所

真-6，図-4 に示す．ここでは，鋼床版箱桁内Ｕリブとデッキプレート溶接部に発生し，Ｕトラフウエブに進展した亀裂について，進展監視を行うと共に，前述 2-2 のケースよりも更に長距離粗探傷モニタリング（センシングピン間および印加電極間の距離を広げる）の実用性を検証している．
今回の検証では，2-1 のケースにおいてセンシングピンを数センチ間隔で配置していたものを，最写真-4 スカラップ補強部計測状況

大 12m まで広げ，印加電極間隔については 90m 程定し，振動・変動応力下におけるモニタリングの度まで広げている．計測結果については 3-2 にて精度について考察を行う．FSM では損傷箇所の述べる．

電位差の変化率を千分率で表した電場指紋係数
FC 値 1)により，結果を整理する．FC 値が上昇した場合，その pair 間に亀裂が発生・進展したことになる．2-2 にて記述した箇所における図-5に示す各 pair の FC 値を図-6 に示す．既往の研究 1)により，貫通亀裂が 0.1mm 進展した場合，デッキ箱桁ウエブそれを挟む pair 間では約 10ppt の FC 値の上昇があることがわかっている．一方，実橋梁に生じセンシングピンる振動・応力変動により，FC 値にばらつきが生
写真-5 Ｕリブ溶接部計測状況じることが懸念されたが，図-6 に示すようにばらつきは 10ppt 以下である．よって，貫通亀裂進展を少なくとも 0.1mm 程度の精度でモニタリング可能であると同時に，対象箇所ではそれ以上の亀裂の進展はないことが確認された．一方，ショートペアのばらつきに比べ，ロングペアのほうが大きく，ショートペア（pair①，②，③，④）
が約 1ppt，ロングペア（pair⑤）が約 4ppt 程度である．これにより，pair の間隔を広げれば，

写真-6 Ｕリブ溶接部亀裂発生状況

ひとつの pair でモニタリングできる範囲は広がるが，その分，振動等の影響によるばらつきは大10～12mきくなることが確認された．

80～90m

デッキプレートに設置

亀裂発生位置432１①センシングピン②④③印加電極⑤図-4 モニタリング箇所模式図：ショートペア

３． 実橋梁での実用性：ロングペア：き裂発生懸念箇所

図-5 モニタリング箇所模式図
403-1

振動・変動応力下におけるモニタリングの30

FSM にて測定する電位差は橋梁で生じる振動，応力変動に影響されることが予測される．この影響によって生じる測定値のばらつきが，そのままFC値 （ppt）

精度
20pair①pair②
pair③
pair④
pair⑤10

検出精度に反映されることが考えられるが，これがどの程度であるのか，また，pair 間隔の違いによる影響を明らかにする必要がある．そこで，
2-2 に示した箇所における間隔の違う pair を設

012/912/29

1/18

2/72/27-10
日時

図-6 モニタリング結果

3/19

3-2 長距離粗探傷モニタリングの実用性

800
700

図-7 に示す．亀裂の存在する箇所を挟む pair2600の値が増加しており，亀裂の進展が見られる．一500

方，亀裂の存在しない箇所（pair1，pair3）においてはＦＣ値の上昇は見られない．pair2 部の亀裂進展については，目視においても 1mm 程度の進展を確認しており，その他の場所における亀裂発FC値（ppt）

2-3 に示した箇所における各 pair のＦＣ値を

pair2(ピンNo.2～No.3間：ピン間隔約7m）
pair17(ピンNo.22～No.27間：ピン間隔約1.0m）
pair16(ピンNo.17～No.27間：ピン間隔約0.7m）

400
300
200
10002007/7/12 2007/7/17 2007/7/22 2007/7/27 2007/8/1

生は確認されていない．また図-8 に亀裂近傍に-100設置したセンシングピンの配置図および，図-9-200

0:00

0:00

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2007/8/60:00

2007/8/11 2007/8/16 2007/8/21 2007/8/26
0:00
0:00
0:00
0:00

日時にそれぞれの各 pair のＦＣ値を示す．亀裂の進展により，亀裂を挟む pair の変化率が増加して0:00

図-9 ピン間隔によるＦＣ値計測結果

おり，pair 間隔が短いほど，電位差の変化率（グラフ縦軸）が大きい．
今回，印加電極間隔を約 90m，センシングピン

４． まとめと今後の課題

間隔を最大 12m まで広げた計測において亀裂進展を検知していることから，全橋等を対象とした広範囲なモニタリングに適用可能であることがわか

鋼構造物の疲労亀裂モニタリング手法としてＦＳＭに着目し，鋼床版等実橋梁における実用性について検討を行った．得られた知見は以下のとおった．

りである．
300200

FC値（ppt）(1) 実橋梁に生じる振動・応力変動によるＦＣ

pair2(ピンNo.2～No.3間：亀裂有り）
pair1(ピンNo.1～No.2間：亀裂無し）
pair3(ピンNo.3～No.4間：亀裂無し）

値のばらつきは 10ppt 以下であり，亀裂進展を少なくとも 0.1mm 程度の精度でモニタリングが可能である．

100(2) 長距離粗探傷モニタリングにおいても亀裂
02007/7/12 2007/7/17 2007/7/22 2007/7/27 2007/8/1 2007/8/6 2007/8/11 2007/8/16 2007/8/21 2007/8/26
0:00

0:00

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0:00

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-100

進展を検知することができたことから，ＦＳＭは特定の亀裂の進展監視のみならず、全橋等広範囲なエリアにおける損傷発生の１次スクリーニング（異変を粗い精度で検知し，詳-200細調査実施の判断材料とする）に適用可能で

日時

図-7 亀裂有無によるＦＣ値計測結果
P1へあることがわかった．

P3へ
横リブ

Uリブ

192217

今後の課題としては，これまでの計測結果から実橋梁で適用する場合の各仕様（必要精度に応

24 2726

Uリブ

じたセンシングピン間隔の規定，亀裂発生・進展のＦＣ値による判定基準等）を決定する必要があ

き裂近傍に設置

1m
2.5 m

る．また，ＦＳＭの導入について，現在の点検や補修補強計画を踏まえた上で，どのような箇所を対象にどのくらいの頻度で実施するか検討する必図-8 亀裂近傍のセンシングピン配置図

要がある．

謝辞：本検討を実施するにあたり，大阪大学金2)

裕哲教授に多大なるご指導とご助言を頂きました
ことを厚く御礼申し上げます．また本検討の金裕哲，麻泰宏，奥健太郎：電場指紋照合法による疲労亀裂発生・進展の監視，溶接構造ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 20073)

奥健太郎，川上順子，金裕哲：鋼橋に生じる疲労亀（財）阪神高速道路管理技術センターの共同研究

裂の監視に対する電場指紋照合法の適用，土木学会者である㈱アトラス社にこの場を借りまして謝意

第 62 回年次学術講演会論文集，I-426, 2007.9を表します．

4)

金裕哲，麻泰宏，奥健太郎：FSM によるＵリブ鋼床版に生じる疲労亀裂の監視，土木学会第 62 回年次学

参考文献
1)

術講演会論文集，I-427, 2007.9

奥健太郎，有田圭介，金裕哲：電場指紋照合法による疲労亀裂発生・進展モニタリング，鋼構造論文集，13-50（2006），pp35-43.

STUDY ON APPLICATION OF FIELD SIGNATURE METHOD (FSM) TO FATIGUECRACK MONITORING ON STEEL BRIDGES
Yoriko KAWAKAMI and Hidesada KANAJI
Recently, a number of fatigue cracks have been detected in orthotropic steel decks in Japan. An
effective inspection method for detecting cracks and monitoring crack propagation needs to be establishedurgently. In this study, Field Signature Method (FSM) which is one of the non-destructive inspection
methods was examined. FSM is a method that evaluates damage in the steel structures from measurement
results of potential difference obtained by applying electric current to the objects. This method had alreadybeen applied to the detection of corrosion or cross sectional reduction of the plumbing in power stations andother various plants. The current study examined its applicability to the detection and monitoring of fatigue
cracks in steel bridges including those with orthotropic steel decks. FSM system was installed to several real
orthotropic steel deck bridges under different conditions and tested for any unwanted influence of bridge
vibration on the measurement results due to the traffic passing over the bridge. Then, the sensors of thesystem were installed at wider intervals to investigate the practical applicability to wide area monitoring on
an entire bridge. As a result, the effectiveness of this system in monitoring fatigue cracks in steel bridges
was verified.

川上 順子

阪神高速道路管理技術センター
調査研究部 調査研究課

Yoriko Kawakami

金治 英貞

阪神高速道路管理技術センター
企画部企画課

Hidesada Kanaji