衝撃応答解析を援用した衝撃弾性波法によるRC床版内部の水平ひび割れの非破壊評価手法

RC床版内部に生じる水平ひび割れ
アスファルト舗装

増厚補強コンクリート
既設コンクリート

水平ひび割れ(e)tdvoltage

衝撃弾性波法による水平ひび割れの検出原理
d2048

Time, s(f)

fd = 1/td

(b)

CV
f d＝
f欠陥
＝22dd

③波形分析
0400(e)tT

VoltagefT

TTime, sFrequency, kHz
周波数（kHz）

2048

0(c)

Time, s
時間（µs）
fT

AmplitudefT = 1/tTtd

電圧
voltage

fd0

fd = 1/td

2048(f)VV①弾性波を入力f 床版厚＝ ②弾性波を受信 f欠陥＝2T
2d
Amplitude

スペクトル強度
Amplitude

(d)

(a)

(d)

(a)

0400Frequency, kHz

Frequency, kHzdd
T

コンクリート40

水平ひび割れ供試体を対象とした本研究室における既往の研究
供試体内部には設置深さ：100，130mmの位置に，直径200mmの円盤状の人工欠陥をそれぞれ埋設。

1800mm

280mm
人工欠陥

1800mm

ス

計測結果

欠陥深さ
100mm

2000 4000
4000 6000
6000 8000
8000 10000
10000
2000
Time (μs)
(μs)
Time

2000 4000
4000 6000
6000 8000
8000 10000
10000
2000
Time (μs)
(μs)
Time

1020
周波数 (kHz)

3000

1020
1020
周波数(kHz)
周波数 (kHz)

3030

1020
1020
周波数(kHz)
周波数 (kHz)周波数（kHz）

3030

周波数（kHz）
スペクトル強度スペクトル強度スペクトル強度

欠陥深さ130mm

0スペクトル強度スペクトル強度スペクトル強度2000 4000 6000 8000 10000
Time (μs)

00（欠陥直径は200mm）

スペクトル強度

スペクトル強度

しかし，実際のRC床版では・・・
供試体実験のような理想的なピークを得るのは容易ではない！

周波数 (kHz)

01020周波数 (kHz)

30

01020
周波数 (kHz)30

スペクトル強度30

スペクトル強度

構造物ごとに，床版の寸法，コンク01020
周波数 (kHz)
リートやアスファルトの厚さや材質など様々な条件が異なる。
また，当然ながら，水平ひび割れの存在位置（深さ），規模（面的な大きさ）も様々である。
0102030

鋼球直径：15mm

60000

400

Amplitude

Amplitude

計測ごとに試行錯誤を繰り返して，
A1150000
300
水平ひび割れ深さ100mm
40000①弾性波の入力方法 30000200②弾性波の受信方法 20000
10010000③波形分析方法
000102030
0102030
Frequency (kHz)Frequency (kHz)を決定するのは非効率的/信頼性にも問題
300itudeitude20200そこで，本研究では…
非破壊検査工学と構造解析学を組み合わせることにより，RC床版内部の水平ひび割れを的確かつ効率よく検出するためのアイデアを提案。
非破壊検査工学

構造解析学

確率・統計学解析による計測条件・波形分析条件の選定①弾性波の入力方法

鋼球直径，打撃位置，打撃方法

解析モデルにおける弾性波伝播シミュレーション
コンクリートの材質や厚さ／アスファルトの材質や厚さ
ほか、計測対象に応じた条件（オーダーメイド）②弾性波の受信方法③波形分析方法

センサの周波数特性，センサ設置位置，設置数

表面波の処理，周波数分析方法

目的

実橋から切り出したRC床版を対象に，解析により計測条件や波形分析条件を事前に決定し，その条件に基づいて計測を行い，床版内部の水平ひび割れの検出を試みた。

道路橋から切り出したRC床版の概要

6400mm
2000mm320mm
床版全厚： 320mm
アスファルト： 60mm
コンクリート： 260mm

解析モデルの概要：衝撃荷重の入力位置
水平ひび割れが無い場合
2000mm

2000mm
アスファルト（60mm）
コンクリート（260mm）

320mm

水平ひび割れがある場合
2000mm

2000mm320mm

アスファルト（60mm）
コンクリート（260mm）

物性値
弾性係数（GPa）
密度（g/cm3）
ポアソン比

コンクリート31.7
2.200.20

アスファルト6.00
2.300.20

鋼球打撃による弾性波の入力の模擬方法

Tc  0.0043 D

荷重（Ｎ）

D ：鋼球直径（m）

Fm ax

m 2 gH
Fmax 
0.637 Tc
m ：鋼球の質量（kg）
g ：重力加速度（m/s）
H ：鋼球の落下高さ（m）
Tc ：鋼球の接触時間（s）

0Tc

継続時間（μｓ）

FFT全部

amplitude

voltage

amplitude

voltage

amplitude①弾性波の入力方法の選定：鋼球直径
水平ひび割れが無い場合（版厚320mm）
040 1000
010 20020400 30600 800
040 1000010 20020 400 30600 800

鋼球直径：12mm
FFT前140cut

amplitude スペクトル強度
amplitude

amplitude スペクトル強度
amplitude

鋼球径12.8mm
FFT全部

300

020010100 30 200 40
frequency(kHz)time( μｓ)
周波数（kHz）

300

FFT後512100200ｓ)

300

00100010
100 30 200 4020time( μｓ)frequency(kHz)300

FFT後8192

voltage

FFT前140cut
鋼球直径：6mm

40010 20 20 40 3060 80
frequency(kHz)time( μｓ)

周波数（kHz）

frequency(kHz)time( μｓ)

00

voltage

0 80ｓ)

voltage

FFT前140cut
鋼球直径：3mm

スペクトル強度
amplitude
amplitude

voltage

スペクトル強度
amplitude
amplitude

水平ひび割れがある場合（深さ60mm）
030 1000
0 10200 40020 600 800
040 1000
010 20020 400 30
600 800
frequency(kHz)time( μｓ)

0102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

FFT後51201020frequency(kHz)30

FFT前140cut
鋼球直径：12mm

010 2020 40 3060 40
80
frequency(kHz)time( μｓ)

10020010
100 30 200 40
frequency(kHz)time( μｓ)
周波数（kHz）

300

FFT後51240

FFT全部

スペクトル強度
amplitude
amplitude

20010
100 30 200 40
frequency(kHz)time( μｓ)
周波数（kHz）

voltagevoltage0voltage

FFT前140cut
鋼球直径：6mm

voltage

FFT前140cut
鋼球直径：3mm

FFT後51200 800 1000ｓ)

102030frequency(kHz)frequency(kHz)time( μｓ)

FFT全部
鋼球径6.4mm

3000frequency(kHz)time( μｓ)

amplitude スペクトル強度
amplitude

00 800 1000ｓ)

200ｓ)

鋼球径12.8mm
FFT全部

FFT全部
鋼球径6.4mm

0102030frequency(kHz)

400102030
frequency(kHz)
周波数（kHz）

40

FFT後8192

解析により決定した計測条件・波形処理条件①弾性波の入力方法
・鋼球直径：6mm②弾性波の受信方法
・周波数応答特性：0～40kHz
・入力-受信間距離：50mm③波形分析方法
・FFT

切り出しRC床版における計測結果
10μ1μ3456B

1020
frequency(kHz)30

78910111020
frequency(kHz)30

amplitude2amplitude

A

1Camplitude
スペクトル強度10μ30amplitude

水平ひび割れあり（深さ125mm）010201002030
frequency(kHz)frequency(kHz)
周波数（ｋHz）

0amplitude
スペクトル強度030

水平ひび割れなし

01020
frequency(kHz)
周波数（ｋHz）

30

削孔および孔内撮影の状況

推定結果の検証

スペクトル強度
amplitude

推定結果：
10μ水平ひび割れあり（深さ125mm）

0de30

水平ひび割れ1020
frequency(kHz)
周波数（ｋHz）

30120mmamplitude

推定結果の検証

0102030
推定結果：
frequency(kHz)
水平ひび割れなし

スペクトル強度
amplitude

300de30

水平ひび割れなし

1020
frequency(kHz)
周波数（ｋHz）

30

まとめ

解析により決定した計測条件および波形分析条件に基づき，衝撃弾性波法による計測を行った結果，水平ひび割れを適確に検出できることが明らかとなった。