表面波による構造物のひび割れ深さ測定方法

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【発明の名称】	表面波による構造物のひび割れ深さ測定方法
【発明者】	【氏名】呉佳曄【氏名】海野忠行【氏名】江川顕一郎
【要約】	【課題】構造物のひび割れの有無、深さを非破壊で正確に，かつ容易に測定する。【解決手段】ハンマーなど打撃装置を用いて構造物表面で発振し，その波を同じく表面における複数のピックアップ（センサー）で受信する。各センサーで採集した信号を表面波の伝播特性に基づいて解析，比較することによって，ひび割れの有無または深さを測定する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】発振された弾性波は，ひび割れを跨ってセンサーに採取され（図１），ひび割れ前後の信号振幅（加速度又は速度又は変位）によって，ひび割れの深さを測定する。補正された（幾何減衰、材料減衰等補正）振幅とひび割れの関係は，図２に示される。
【請求項２】ひび割れの深さ測定式は，次式【数１】Ｈ＝Ｃ_１λｌｎ（ｘ）＋Ｃ_２Ｈ：表面からひび割れの深さ、λ：表面波の波長、ｘ：振幅比であり，ｘは，ひび割れ後各センサーで採取した信号振幅（補正済）／ひび割れ前各センサーで採取した信号振幅（補正済）に求められる。
Ｃ_１とＣ_２：理論又は試験定数にしたがって求めることを特徴とする構造物のひび割れ深さを測定方法。
【請求項３】ある材料（コンクリート、アスファルト、岩石材料など人工又は自然材料）に対して，発振機構と位置、受信センサーと位置などを固定し，供試体キャリブレーション試験によるひび割れ深さと信号振幅比（補正又は未補正）の回帰式を求める。求められた回帰式を用いて同様的な材料のひび割れ深さを測定する。なお，使われる信号は，加速度、速度、変位のいずれであり，各減衰を補正もしくは補正しない。
【請求項４】表面で見えなくでも，裏面からのひび割れの有無又は深さを，請求項１の原理を基づいて測定する方法。
【請求項５】ひび割れに対する補修効果を，請求項１の原理を基づいて測定する方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，構造物のひび割れ診断方法に関するものである。さらに詳しくは，ダムの表面、トンネル・建築物壁等構造物の表面もしくは裏面ひび割れの深さ又は有無に対する測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】コンクリート壁などに存在するひび割れは、壁全体の連続性の欠如，強度の低下，寿命の短縮などをもたらす。しかし、コンクリート材料は、温度，乾燥，打設欠陥及び応力集中などの問題を常に有しており、ひび割れの発生はある意味で避けなれない面がある。したがって、ひび割れ状況の確認又は進展性を把握することが、壁及び構造物の健全性を診断する検査にとっては、重要なポイントであると考えている。
【０００３】ひび割れ深さの非破壊測定方法については、現時点で数種の方法が提案されている。この中に，材料の中を伝達する弾性波もしくは音波を利用する方法が多く含まれる。これら方法は、到達初動波の走行時間，もしくは極性の変化によるひび割れの深さを推測する方法である。
【０００４】これら方法には、次の共通点が有る。まず，伝搬した波の初動成分に注目する。初動波の到達時間もしくは位相角と、ひび割れの幾何関係によって、ひび割れの深さを推測する方法である。次には，超音波発振と受信装置を使う。これによると発振の時刻などが把握しやすい。なお，一般的に縦波を利用する。縦波の伝播速度がもっとも速くて分別しやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の方法は、操作が簡単で理論も厳密であることから、金属探傷など分野において発展している。しかし、これらの方法を土木・建築分野に使用するのは、現在のところ次に示すようにいろいろの不具合が有ると思われる。
（イ）厚み寸法オーダーの違い：金属部材の厚みは一般的に小さく、数ｍｍ数ｃｍの場合が多い。一方コンクリート構造物の場合ではトンネルのライニング，建築物の壁など、数十ｃｍか又はそれ以上の厚みを持つ。
（ロ）材料性質の違い：金属材料は割合に均一であり、その中で伝播する波の減衰は小さい。但し，コンクリートは複合材料であるので、波の散乱などが多くて減衰も大きい。
（ハ）ひび割れ状態の違い。金属材料中のひび割れには、水，粉じんなど充填物がほとんどない。コンクリートの場合にはこれらのものを含んでいることが多く、さらに建築物のコンクリート壁には、鉄筋も多く埋設されている。なお、コンクリート壁のひび割れの両側が接触している場合も多い。
【０００６】これら金属部材とコンクリート部材の差異によって、既存方法ではコンクリート部材に対して、不具合を生じることは当然であると言えよう。超音波発振のエネルギーは非常に弱いことから、寸法と減衰が大きいコンクリート部材のひび割れに関しては、先端を回折伝搬してくる波は次第に弱くなり、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ゛比）が顕著に低下してしまう。但し、縦波は、その特性上、ひび割れの両側の接触面や粉じん・水及び鉄筋等を通過する。この通過波のエネルギーは、ひび割れ先端にて回折してくる波のエネルギーに近づくか、もしくはそれ以上になると通過波を拾うこととなり、ひび割れの深さを実際より浅く判断してしまう。特に、ひび割れが深くなるほど回折波のエネルギーが弱くなり、判断誤差の可能性が増えてくる。更に、実際の工事においては、このような判断は危険側となってしまう。
【０００７】なお，電流、塗料、赤外線、電磁波などを用いてひび割れを探査する方法があるが，コンクリート構造物に対して適用しにくい場合が多い。現状においては、厚いコンクリート壁のひび割れに対しての有効な非破壊方法は、まだ実現していないといわざるを得ない。なおコアを抜いても、鉄筋の影響やひび割れの傾斜などによって、必ずしも正確なデータを得られる保証がない。
【０００８】本発明は，以上とおりの従来技術の欠点を克服し，ひび割れ面の接触、充填物、鉄筋などにほとんど影響されずに，メーターオーダー深さまで非破壊で探査でき，新しい構造物のひび割れに対する診断方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は，上記の課題を解決するものとして，構造物の表面で打撃装置を用いて発振し，構造物の表面に沿って伝達している表面波（レリー波）を用いてひび割れの深さを測定する方法である。従来の方法と違い、本方法には次の特徴がある。超音波発振ではなく、ハンマーなどの打撃により衝撃波を発生させることから、エネルギーは格段に大きくなる。なお，使われる波は、従来の縦波ではなく表面波（レリー波）である。さらに，使われる物理量は、走行時間，初動極性などではなく、エネルギー（速度もしくは変位の振幅）である。
【００１０】コンクリート構造物の表面において、打撃により発生した波にはさまざまな成分（縦波，横波，表面波，場所によって板波など）が含まれている。その中の構造物の表面に沿って伝達していくエネルギーは、主に表面波の形で伝達して行く。表面波の伝播過程では、波頭が広がるにつれて単位面積上のエネルギー密度はますます減少していく。なお、コンクリート材料の粘性による減衰も若干ある。これらの減衰が補正されれば、波の振幅すなわちエネルギーは常に一定な値を保つはずである。但し、ひび割れがある場合には、ひび割れによって表面波がある程度遮断される。よって、ひび割れ以後の場所では波のエネルギーが減少される。ゆえに、ひび割れの存在によってその前後における波のエネルギーは変化し、しかもひび割れが深くなるほどその変化度合いは大きくなる。したがって、この変化の程度（いわば振幅比）と波の波長によって、ひび割れの有無又は深さを推定することが可能となる。
【００１１】エネルギーに着目することにより、局部にこだわらない全体的な状況が把握できる。ひび割れの中に通過する鉄筋の影響が有っても、鉄筋の面積が全体のひび割れ面積の数パーセントに過ぎないことから、鉄筋に沿って伝達してくる波のエネルギーも当然少なくなる。
【００１２】表面波振幅比によるひび割れの探査方法は、表面波の特性に基づいて開発している方法である。表面波は、次の性質を持っている。
（イ）表面波は、構造物の表面にある波の中でもっとも重要な波である。構造物表面に打撃などにより発生した波の中に，相当部分（理論的にはおよそ６７％）のエネルギーは表面波の形で伝達していく。なお，伝達の型によって，表面波の幾何減衰は実体波よりはるかに小さい。しかも実際に探査するときは、センサーは構造物の表面にしか貼れない。したがって，センサーで拾った波動の中身は、振源に近いセンサーを除けば，ほとんどのエネルギーを表面波が占めている。
（ロ）表面波の影響は深さとともに急激に減少していく。コンクリートの中において、表面波の振幅は弾性体表面を１とした場合、１倍波長深さのところで０．２程度に落ちる。したがって、表面波は主に深さの１倍波長の範囲内でしか存在しないことが分かる。したがって、ひび割れ前後波の振幅比は入射表面波の波長に依存している。同じ程度のひび割れに対しては、長い波長の波がよく通ることとなる。すなわち、振幅比が大きいわけである。
（ハ）弾性体の中での表面波は、主に材料のせん断特性（せん断定数）に依存する。よって、ひび割れの中の水・粉じんにほとんど影響されないと予想され、接触面に関してもそのせん断剛性は小さいから、影響度合いは少ないものと考えている。
【００１３】なお、ひび割れ深さと補正済振幅比の関係は、図３に示されるとおりである。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の方法による構造物ひび割れ深さを測定するには，次の順序で行なう。
【００１５】ハンマー等を用いて打撃により発振する。ハンマーの重さ、先端形状によって発振する表面波の波長を変えることが可能である。すなわち，ハンマーが重いほど，発生する表面波の波長が長くなる。測定精度としては，深いひび割れに対して長い波長の表面波が望ましい，浅いひび割れに対して短い波長の方が良い。
【００１６】発振信号を採取する。ここで設計・制作した信号採取システムの構成は，図４に示される。使われるセンサーは加速度ピックアップであり，その共振周波数３０ＫＨｚ以上，周波数範囲は，ｆｃ～５ＫＨｚ±０．５ｄＢ，ｆｃ～１２ＫＨｚ±３ｄＢである。Ａ／Ｄボードの変換速度は１μｓ／ｃｈ，最大１６ｃｈまで入力できる。現段階８ｃｈが使われている。トリガーはソフトで設定され，信号サンプリングはそれに対応して行なう（図５）。必要応じて，フィルタによる環境ノイズの除去を行なう。採取した加速度信号をデジタル信号に転換させ，パソコンのハードディスクに保存させる。
【００１７】解析によるひび割れ深さを推定する。採取したデータを，次のような順序で解析することによって，ひび割れの深さを推定する。
（イ）積分により、加速度信号を速度信号に転換する。速度信号は，直接的に表面波のエネルギーに相関するので，計測した加速度信号を次のように積分して速度信号に転換させる。
【数２】

但し，積分した速度は基線補正も行なう。
（ロ）幾何減衰を補正する。表面波（レリー波）速度振幅の幾何減衰を、次の式により補正する。

【数３】但し、Ａは振幅，ｒは振源（打撃地点）からの距離。脚注_０は規準点（トリガーチャらンネル）を表す。
（ハ）材料減衰を補正する。材料減衰については、同様に
【数４】で表される。ここでσは材料の内部減衰であり、材料が持つ損失係数ｈと表面波の波長λに依存する。
【数５】 σ＝（２πｈ／λ）
（ニ）壁厚の影響に対する補正をする。壁厚が薄い場合には，半無限の場合に比べれば，ひび割れの深さが同じであっても，エネルギーの減衰が大きい。壁厚が表面波波長の１．３倍より少ない場合には，ひび割れ前後の振幅比ｘ（ひび割れ後の速度もしくは変位の振幅とひび割れ前に振幅との比）で表せば，次のようになる。

【数６】但し，ｘ_０とｘはそれぞれ半無限体と薄い壁の場合の振幅比であり，Ｌは１．３倍表面波の波長λと仮設され，ＤとＨはそれぞれ壁厚とひび割れの深さである。
（ホ）せん断波成分の影響に対する補正する。理論的には，弾性体表面で発振する波の中に，エネルギーの約２６％はせん断波に占められる。弾性体の表面に沿って，せん断波はｒ^－２で減衰していくので，発振振源からある程度離れると，せん断波の成分がほとんどなくなることが分かる。但し，振源に近い場所（センサー）で取った信号には，一定なせん断波が含まれている。この成分の除去も行なうことにする。
（ヘ）ひび割れ深さを計算する。上記の積分・補正解析によって，補正済振幅比ｘを求めた。これと表面波波長λを用いて，次式【数７】Ｈ＝－０．７４２９λｌｎ（ｘ）
にしたがって，ひび割れ深さＨを求める。
【００１８】
【実施例】実施例１：コンクリート供試体に対する測定例。種々深さのひび割れを持つコンクリート供試体を作って，試験を行なった。実測ひび割れ深さと本発明の方法による推定値との対比は，図６に示される。
【００１９】実施例２：二つの水路トンネルのひび割れに対して，本発明の方法による非破壊測定とコア抜きによる測定を行なった。その結果の対比は，図７に示される。取ったコアを目視によって観察すると，ひび割れ面は深さ数ｃｍから接触しているか，もしくは深部では泥等の充填物が存在することがわかった。これらの状態のにあるにもかかわらず，本方法によると精度よく測定できることが確認された。
【００２０】実施例２：本方法により鉄筋コンクリート壁（厚み約１ｍ）のひび割れに対する測定を行なった。ひび割れが貫通していると想定される場所で探査した結果は次表に示される。
【表１】

【００２１】したがって，鉄筋の影響が少ないと推定され，鉄筋があっても，本方法によってひび割れの深さを精度良く測定することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】以上詳しく説明した通り，本発明は，構造物のひび割れに対して，その中に充填物又は鉄筋の有無，もしくはひび割れ面の接触等には影響されず，その深さを精度よくかつ非破壊にて測定することが可能である。

【出願人】	【識別番号】５９４０５１６５５【氏名又は名称】株式会社セントラル技研
【出願日】	平成１１年６月２９日（１９９９．６．２９）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－１２９３３（Ｐ２００１－１２９３３Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願平１１－２１９０６９