2020 Fiscal Year Annual Research Report
鉄筋振動変位スペクトロスコピーの劣化診断応用に向けた電磁パルス加振レーダの開発
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20H02395
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
三輪 空司 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (30313414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小澤 満津雄 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80313906)
鎌田 敏郎 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10224651)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電磁パルス / パルスドップラレーダ / 非破壊検査 / 鉄筋加振 / RC構造物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究により得られた実績として、まず、パルス加振による鉄筋振動を高速，高SN比で計測可能なGHz帯パルスドップラレーダシステムの開発を行った。パルス状の鉄筋振動変位のドップラ応答を計測するため、200MHzの高速パルス繰り返しが可能で100ps程度の低ジッター、100kHzのドップラ帯域を有するドップラレーダシステムを新たに開発し、パルス加振ではパルス幅0.1ms程度、1kA程度のピーク電流を励磁コイルに印可可能な電磁パルス源を開発した。開発した加振源によりかぶり4㎝の鉄筋をパルス状に加振し、その鉄筋振動のドップラ応答をレーダにより非破壊的に計測可能であることがわかった。
次に、健全時の鉄筋振動変位の周波数依存性やその応答変化が鉄筋径、鉄筋かぶり、コンクリート性状、鉄筋付着状況とどう関連しているかを数値解析により解明するための鉄筋振動変位スペクトロスコピーにおける電磁界―弾性解析を連成させたFEMによる数値解析法の開発を行った。正弦波加振では、実験により得られる変位に比べ数値解析で得られる変位が1/100程度小さい結果となったが、これは鉄筋とコンクリートが完全に付着しており、その界面の付着状況をモデリングする必要性が示唆された。
次に、電磁パルス加振レーダを用いた広帯域鉄筋振動変位の鉄筋性状、コンクリート性状依存性と鉄筋付着特性との関係の実験的解明として、鉄筋加振スペクトロスコピー計測の振動変位やその加振周波数依存性の計測の健全RC構造物との違い、鉄筋付着力と振動変位の関係を実験的に検討するため、コンクリート供試体の鉄筋を強制的に腐食させながら、電磁パルス加振レーダ実験により鉄筋振動特性をモニタリングした結果、健全時においてえられた鉄筋振動の特徴的な共振周波数が、鉄筋の腐食に伴い変化する様子を世界で初めて実験的に確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまで鉄筋を正弦的に加振することで、単一周波数での鉄筋振動を非破壊的に計測するために、パルスドップラレーダにおいて、レーダ波形をヒルベルト変換することにより、複素レーダ波形を取得し、その瞬時位相の時間変化から鉄筋振動を計測していた。これにより、計測時間を長くすることで、信号のSN比を稼ぐことが可能であった。一方、加振をパルス状にすることで、加振時間が1/1000程度に短くなるために、計測時間を稼ぐことが困難となるため、ピーク電流を1000倍程度にするような加振装置の改良と、振動がパルス状になることにより、ヒルベルト変換による複素レーダ波形の取得が原理上困難となるため、直交検波可能なパルスドップラレーダシステムを構築することが求められ、本年度の研究内容においてハードウエアの開発が大きな主目的となっている。
その中で、昨年度の研究実績により、パルス幅0.1ms程度、10kA程度のピーク電流を印加可能なパルス加振装置を開発することができた。また、任意のパルス振動を任意の深さで計測可能な直交検波方式のパルスドップラレーダのプロトタイプ機を開発した。計測時間の短縮によりパルス加振による鉄筋振動のSN比は小さくなったため、開発当初は計測可能な鉄筋のかぶり深さは数cm程度であったが、レーダ方式として用いる等価サンプリング方式のパルス波とサンプリング波のクロックタイミングを同期させ、時間遅延を与えることで、特定の深さの鉄筋振動のみを高SNに計測可能な計測方式を新たに開発したことで、SN比を20dB程度向上することが可能となり、かぶり4㎝の鉄筋のパルス加振に伴う振動を十分なSN比で計測可能となった。電磁パルス加振ドップラレーダシステムへの統合は本来次年度実施予定であったが、前倒しで実施できたため、自己評価としては当初の計画以上に進展しているものとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、そのプロトタイプレーダをさらに改良することで、よりピュアな鉄筋振動を計測可能なレーダシステムの開発を行う。さらにFEM解析によりパルス加振用のコイルの最適設計を行い、かぶり10㎝程度までの鉄筋加振応答を計測可能な加振システムの構築も行う。これにより、実フィールドでの適用可能性が大きく広がることが期待できる。
また、本システムにより得られた鉄筋のパルス振動からコンクリートの劣化情報を抽出するために、鉄筋コンクリ―トを強制的に腐食させる電食試験を行いながら、鉄筋の加振パルス応答のモニタリングを行う実験を実施する。また、鉄筋腐食と鉄筋振動変位の関係だけではなく、鉄筋の引き抜き試験により鉄筋の付着特性と鉄筋振動変位の関係も実験的に調査する。さらに、パルス加振時に鉄筋から放出される弾性波をコンクリート表面で同時計測するためのシステム開発も行い、電磁パルス法との統合による高精度な劣化評価法の開発も検討する。
さらに、加振力のFEMシミュレーションによりかぶり10ｃｍ程度までの鉄筋の加振ドップラ計測が可能な励磁コイル形状の最適化を行いコイルの試作を行う。また、劣化に伴う鉄筋付着力の低下をパラメータとした鉄筋振動特性の変化について解析し、共振周波数の変化やその振動変位の変化、位相変化、時間領域での応答変化等の実験で得られた現象について、そのメカニズムを解明し、電磁パルス加振レーダ法によるスペクトロスコピックな劣化評価法についての基本原理を明らかにする。
また、来年度の実フィールドでの測定や撤去床版による実験実施のために、群馬県の土木課や大田区との共同研究により実施する予定である。
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