報告EM センサによる PC 梁緊張材の実応力モニタリング実験
黒川章二*

要旨：鋼材の透磁率が応力および温度に敏感な性質を利用した EM(Elastic-Magnetic)センサを用いることにより鋼材の実応力計測が可能である。そのセンサの長期モニタリングへの適用性を検証するためにアウトケーブル方式の PC 梁について，鋼より線の引張試験における引張力計測，プレストレス導入時の緊張材引張力計測，緊張材のリラクセーションやコンクリートのクリープおよび乾燥収縮によるプレストレス力経時変化の計測，繰返し荷重履歴後の緊張材引張力の計測を実施した。EM センサによる応力計測は，信頼性が高いことが実証された。
キーワード：EM センサ，実応力モニタリング，PC 梁，緊張材，プレストレス力

1. はじめにリブレーションという），②計測対象の鋼材の透コンクリート構造物の診断用データとして鉄筋の応力を把握することが望まれる。鋼材の応磁率および温度を測定し，キャリブレーション結果にあてはめて実応力を算定する。

力および温度と透磁率の関係を原理とする

EM センサは，図−１に示すようにボビンにEM(Elastic-Magnetic) セ ン サ を 用 い た 計 測 方 法

巻きつけた１次コイルと２次コイル及び温度セにより，鋼材に現在発生中の応力（実応力といンサを含んだ円筒型コイル(ｿﾚﾉｲﾄﾞ)で構成され１）う）の計測が可能である 。著者らは，各種のる。被測定体にセットして１次コイルに変動電鋼材について EM センサを用いた実応力計測方法の実証実験を行った。その結果，鋼材の応力一次コイル二次コイルを精度よく計測することが実証された２）。

鋼材

そこで，著者は，長期モニタリングに対するその計測方法の実用性を検証するために，外ケーブル方式の PC 梁について，ライフサイクルにおいて予想される場面での実応力計測実験を温度センサ行った。EM センサによる計測結果をロードセルおよびひずみゲージによる計測結果と比較し図―１

EM センサた。EM センサの利用により，信頼できる計測精度で PC 梁緊張材の応力モニタリングが可能であることが実証された。
2. 実応力計測システム
鋼材の透磁率と温度を測定できる EM センサを用いて，①生地の鋼材について，実験により透磁率を応力および温度の関数で表式化（キャ* 木更津高専 名誉教授 (正会員)

図−２計測システム

ＡＢＣＤ

緊張材

ＥＭ セン サ200

850200850200160 90

7＠ 1 0 0 = 7 0 0200

7＠ 1 0 0 = 7 0 090 160

ス タ ー ラップ

表―１

35

5480
150

35

Ａ お よ びＤ 断 面

3580

35

50

150

Ａ〜Ｂ 間断 面
Ｃ 〜Ｄ 間 断 面

204050
1 50

138.41

引張荷重

ヤング係数(kN)（kN)(kN/mm2)

235

264

191

6060

緊張材

緊張材

（ｍｍ )

降伏
荷重

180

EM セ ン サ

スターラップ

60

アン カー
プレート

２SWPR7BN
ɸ15.17mm(m m )
くさ び 式
定着具

断面積種類

2100

PC 鋼材の性質

表−２

コンクリートの性質

50

供試体の記号

圧縮強度（ N/mm2)

引張強度（ N/mm2)

ヤング係数（ N/mm2)

PCS１， PCS２

35.4

2.9628900

PCS３， PCS４

37.1

3.0832500

Ｂ 〜 Ｃ間 断 面

図−３ 実験に用いたＰＣ梁流を流すとソレノイドの中の鋼材に磁束密度の変化が生じ，２次コイルに誘導電セル
ロード流が発生する。その電圧を検出して透磁

150

レーム
載荷フアンカセル
ドー
端部ロ

ため外部からの拘束を受けない非接触型センサである。

ーープレ

ト180

率を計測する。鋼材の外周に隙間がある

供試体
サEMセン

可動支

くさび

計測システムは，図―２のような電源装置，計測器，ノートパソコン，ＥＭセンサから成る。小型軽量により容易に持ち運びができる。
3. 供試体200

緊張材点(mm)

2000
点
固定支

図−４載荷方法およびセンサ装着状況

供試体は図−３のようなアウトケーブル方式の PC 梁である。端部は緊張材をプ レス ト レス の導 入

は緊張材および EM センサを設置できるような溝形断面とした。用いた PC 鋼材は表―１に示す鋼より線である。供試体記号と材令 28 日のコンクリートの性質をプレストレス力定着できるように長方形断面とし，内部PC 鋼 材 の リ ラ ク セ ー シ ョ
ン ・ コ ン クリー ト の クリー プ
及び乾 燥 収縮 によ る 変 化

繰 り 返 し荷 重作 用によ る変化(定着 時 の減少 )(定 着 時 の減少 )（再緊 張 による 追 加）

表―２に示す。PCS1 および PCS2 は材齢71 日，PCS3 および PCS4 は材齢 57 日にプレストレスを導入した。鋼より線の引張強さの 70％まで緊張した後くさびによ緊 張 用 ジ ャッ キ の引張力

図―５時

間

荷重 繰 り 返 し回 数モニタリングにおける履歴場面り定着した。
ジを装着した。圧縮縁コンクリートにひずみゲ
4. 載荷方法およびセンサ装着状況
載荷には最大荷重 200kN のパルセータ型疲労試験機を用いた。疲労試験においては 4.2HＺのージを貼付した。PCS1 および PCS4 において，定着部にロードセルを装着した。スパン中央に変位計を装着した。

正弦波荷重を載荷した。図―４に載荷方法およびセンサ装着位置を示した。すべての梁のスパン中央の緊張材にＥＭセンサおよびひずみゲー

5. 実験内容
図−５に示す場面において，プレストレスの導入，プレストレス力経時変化測定，疲労試験，静的載荷試験を実施した。計測項目は，緊張材にセットしたセンサによる応力計測であり，引張試験での引張力計測，プレストレス導入時の引張力計測，緊張材のリラクセーションやコンクリートのクリープおよび乾燥収縮によるプレストレス力経時変化の計測，再緊張時の計測，繰返し荷重履歴後の引張力の計測，静的載荷試験時の計測である。計測用センサは，EM セン
サ，ロードセル，ひずみゲージである。
PCS1 の場合：プレストレスの導入，プレストレス力の経時変化計測，再緊張，疲労試験を実施した。
PCS2 の場合：プレスト

PCS3 の場合：プレストレスの導入，プレストレ

150
100500506. 鋼より線の引張試験

10050100150020050センサ計測値(kN)

10050150200

EMセンサ
端部ロードセル
ひずみゲージ

1501005000050

鋼より線の引張試験にードセル)および EM セ

200200

EMセンサ
ひずみゲージ150

おいて，試験機荷重計(ロ150

PCS2の場合200における応力計測

100ジャッキ荷重(kN)

PCS1の場合た。

静的載荷試験を実施した。

150

ジャッキ荷重(kN)

緊張，疲労試験を実施しレスの導入，その直後にEMセンサ
ひずみゲージ

00

ス力の経時変化測定，再PCS4 の場合：プレストセンサ計測値(kN)

施した。

EMセンサ
端部ロードセル
ひずみゲージ

センサ計測値（ｋN)

緊張，静的載荷試験を実センサ計測値(kN)

ス力の経時変化測定，再200200

レスの導入，プレストレ

図−７100150200050100

ジャッキ荷重(kN)

ジャッキ荷重(kN)

PCS3の場合

PCS4の場合

各種センサによるプレストレス力の計測結果

ンサによる計測結果を図7. プレストレス導入時の応力計測―６に示す。EM センサによる計測値Ｙと試験ロードセル(PCS1，PCS4 のみ)，EM センサお機荷重Ｘとの間にＹ＝1.013Ｘの関係式が相関

よびひずみゲージによるプレストレス力計測結係数 0.9997 で得られた。試験機荷重に対する果を図−７に示した。ジャッキによる荷重はジEM センサ計測値の誤差が 1.3%で，全荷重範囲

ャッキに付属のロードセルにより測定した。鋼にわたり両計測値はほぼ一致している。このこより線の引張強さの 70％に達した時点でジャとから鋼材応力の全範囲にわたり EM センサにッキを開放し，くさびにより定着した。

よる計測が可能であるといえる。

EM センサ，端部ロードセル，ひずみゲージ

による計測値を評価するために，センサに表―３ センサ計測値Ｙとジャッキ計測値Ｘとの関係よる計測値Ｙとジャッキ荷重Ｘとの関係について原点を通る直線により近似させた。

EM センサ
供試体

図−７にその近似直線を描いた。その直線

端部ロードセル

ひずみゲージ

関係式

相関係数

関係式

相関係数

関係式

相関係数の傾きはジャッキ荷重に対するセンサ計測

PCS1

Y=1.002X

0.9993

Y=0.977X

1.0000

Y=1.036X

0.9993

緊張材引張力の倍率である。実験直前にジPCS2

Y=0.982X

0.9997――

Y=0.955X

0.9998PCS3

Y=0.971X

0.9996――

Y=1.048X

0.9991

PCS4

Y=0.983X

0.9998

Y=0.925X

0.9979

Y=0.970X

0.9996

平均Y=0.984X

ャッキに装着したまま検定したロードセルの指示値を基準にして各センサの計測値を評価する。表−3 にセンサ計測値とジャッキ荷重との近似直線および相関係数を示した。
EM センサの場合，倍率は 0.971〜1.002 の範囲で平均値が 0.984，標準偏差が 0.013 である。
平均的にはジャッキ荷重とくらべて 1.6％だけ小さく，計測毎のバラツキがきわめて小さい。
端部ロードセルの場合，倍率は 0.925〜0.977の範囲で平均値が 0.951，標準偏差が 0.037 である。平均的にはジャッキ荷重とくらべ 4.9％

表―４
供試
体
PCS1
PCS2
PCS3
PCS4

Y=0.951X

Y=1.002X

緊張材定着前後のプレストレス力

端部ロード ひずみ
ジャEMセンサ
セルゲージッキ
定着 定着 定着 定着 定着 定着 定着前
前後前後前 後(kN) (kN) (kN) (kN) (kN) (kN) (kN)
185 185 139 180 128 180 130
184 180 134
177 127
185 178 130
179 125
185 180 140 173 124 181 135

だけ小さく，計測毎のバラツキが大きい。
ひずみゲージの場合，倍率は 0.955〜１.048の範囲で平均値が 1.002，標準偏差が 0.047 である。平均的にはジャッキ荷重とくらべて0.2％だけ大きいが，バラツキが大きい。
計測値の 95％が信頼できる倍率は，EM セン
サが 0.984〜1.009，端部ロードセルが 0.878〜1.024，ひずみゲージが 0.910〜1.094 である。
すなわち，EM センサの信頼度は，ロードセ
ルおよびひずみゲージよりも高いと言える。
定着前後の計測結果を表−4 に示した。両定着間距離が短いことから，大きなセットロスが現れた。セットロスの平均値は，端部ロードセとした計測結果をそれぞれ図―８および図―９ルの場合に 28.6%，ひずみゲージの場合に 27.9%， に示した。図−８によれば，残留プレストレスEM センサの場合に 24.9％，である。非接触型力は全般にわたり端部ロードセル，EM センサ，の EM センサ計測値が最も小さい。センサによひずみゲージの順に大きい。端部ロードセル，るセットロス平均値の最大差は 3.7％であり，EM センサ，ひずみゲージの計測値は，200 時間

応力モニタリングにおいて無視できない値であにおいてそれぞれ 95.5，94.1，92.1％，400 時る。センサ選びが大切である。

間においてそれぞれ 93.8，92.4，90.1％，500
時間においてそれぞれ 93.4，92.3，89.5％であ8. プレストレス力経時変化の計測る。EM センサによるプレストレス力は，端部20℃の室内に放置した PCS1 および PCS２にロードセルに比べて，1.0〜1.4%小さく，ほぼ一ついて，試験開始時のプレストレス力を 100％定の差が保たれている。ひずみゲージによるプレストレス力は，EM センサに比べて，2％以上小さく，時間経過につれてその差が拡大している。図−９によれば，EM センサおよびひずみゲージの計測値は，200 時間においてそれぞれ94.3，88.8％，400 時間においてそれぞれ 92.4，85.9％，500 時間においてそれぞれ，92.2，85.2％である。ひずみゲージによるプレストレ
ス力は，EM センサに比べて，200 時間において5.5％小さく，時間経過につれてその差が拡大している。PCS3 の場合に，ここに図示していないが，200 時間における残留プレストレス力は，EM センサにより 94.5％，ひずみゲージにより91.2％が計測された。

140

EM センサによる計測値は，200 時間で135それ以後もほとんど同じ値を示している。
ひずみゲージによる計測値は供試体ごとに大差が生じた。
長時間プレストレス力モニタリングで，EM センサは，ロードセルの場合に近い値で，安定した計測結果をもたらした。

緊張材の引張力(kN)

3 体の供試体でほとんど同じ値を示し，
130
1251201151101059. 疲労試験
PCS1 の場合，下限荷重を 10kN とし，EM(min,load)

EM(max.load)

Loadcell(no load)

Loadcell(min.load)

Loadcell(max.load)

100
0100

200

300

400

500

4

荷重サイクル (10 C)

上限荷重は，圧縮縁コンクリートひずみが 0.001 となる荷重 28.4kN を 180 万回まEM(no load)

図−１０繰返し荷重履歴後の緊張材引張力で，その後，圧縮縁コンクリートひずみが0.0014 となる荷重 29.4kN を 450 万回まで載荷10. 繰返し荷重履歴後の緊張材引張力の計測した。適時，試験機を止めて，除荷時，下限荷PCS1 の疲労試験において，適時に試験機を止重時，上限荷重時の緊張材引張力を計測した。

めて，EM センサと端部ロードセルにより，無450 万回で疲労試験を打ち切って静的載荷試験

荷重，下限荷重，上限荷重のときの緊張材引張を行った。33.4kN の荷重でコンクリートの曲げ力を計測した。図−１０に繰返し荷重履歴に伴圧縮破壊により PC 梁が破壊した。

う緊張材引張力の変動を表した。出だしの値に，PCS3 の場合，載荷直前に緊張材を引張強さのEM センサとロードセルとの間に大差が見られ70%まで再緊張して定着させた。下限荷重をる。これは，EM センサとロードセルによる緊10kN とし，上限荷重は，圧縮縁コンクリートひ張時応力計測値の差，セットロス計測値の差，ずみが 0.001 となる荷重である 28.8kN とした。

プレストレス力経時変化計測値の差が累計され125 万回で再緊張した。さらに，300 万回で再緊たものである。ＥＭセンサおよびロードセルは，張し，上限荷重は 32.2kN に増やした。314.5 万

上限荷重を増やした 180 万回において荷重増加回でコンクリートの圧縮破壊が生じた。の影響をほぼ同じように計測し，荷重履歴回数表ー５

プレストレス力計測による終局荷重と実験値との比較
終局荷重（kN）

供試

静的載荷試験までの履歴

体

実験値

EM センサ計測のプレストレス力による場合

ロードセル計測のプレストレス力による場合

ひずみゲージ計測のプレストレス力
による場合

計算値

計算値/
実験値

計算値

計算値/
実験値

計算値

計算値/
実験値

PCS4

プレストレス導入

36.3

34.50.950

32.00.882

34.90.961

PCS2

プレストレス導入，レラクセーショ
ン・クリープ・乾燥収縮，再緊張

36.5

34.00.932――

31.00.849

PCS1

プレストレス導入，レラクセーショ
ン・クリープ・乾燥収縮，繰返し荷重

33.3

30.3

0.910

31.7

0.870

28.90.868に伴う緊張材引張力の変化量についてもほぼ同じように計測している。

ｆc

11. 終局荷重

応力 σcσc =ｆcεcεcσc =ｆ c × 0.002 × ２− 0.002

静的載荷試験を行った PC 梁について，試験時の緊張材引張力の計測値を用いて，終局荷重を0.002計算した。用いたコンクリートの応力―ひずみ

ひずみ εc関係を図‑１１に示した。終局荷重の計算値と実

図−２０εcu = 0.0035

コンクリートの応力−ひずみ曲線

図−１１ コンクリートの応力―ひずみ曲線

験値を表−５に示した。EM センサによる計測値を用いた計算値が最も実験値に近い。
終局時の緊張材引張力には，プレストレスの導入，緊張材のセットロス，プレストレス力の(4) 繰返し荷重履歴後の緊張材引張力の計測において EM センサ計測値はロードセルとほぼ同じような傾向にある。

経時変化，荷重履歴，再緊張などの影響が集積(5) 計算した PC 梁の終局荷重計算値は，EM セされている。この計算結果によれば，PC 梁緊張ンサの場合がロードセルおよびひずみゲー材の応力モニタリングについては EM センサがジの場合に比べて実験値に最も近い。すな

ロードセルやひずみゲージよりも優れているとわち，各場面における計測で EM センサは考察される。

信頼性が高いと言える。それは EM センサが拘束のない非接触型であることに起因す

12. まとめると考えられる。

本実験の結果をまとめると(1) 鋼より線の引張試験およびプレストレス導入において，EM センサにより精度の高い応力計測をすることができた。
(2) EM センサによる緊張材のセットロス計測
値はロードセルおよびひずみゲージ計測値よりも小さい。

参考文献
1) 黒川章二：磁歪型センサを用いた鋼材の実応力計測，コンクリート工学，
Vol.44,No.5,PP.50〜55.2006,52) 黒川章二、羅黄順、Ｍing Ｌ．Wang，嶋野慶次：磁歪センサによる各種鋼材の応力計(3) 長時間プレストレス力モニタリングで，EM測，プレストレストコンクリート技術協会

センサは，ロードセルの場合に近い値で，第 11 回シンポジウム論文集，pp.101‑106,安定した計測結果をもたらした。

2001. 11