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PC構造物の健全性評価に向けた広帯域超音波法への加振ドップラ技術の導入

Research Project

Project/Area Number 19K22025
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 25:Social systems engineering, safety engineering, disaster prevention engineering, and related fields
Research InstitutionGunma University

Principal Investigator

三輪 空司  群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (30313414)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords超音波 / 非破壊検査 / 加振 / ドップラ / PC構造物 / コンクリート / 励磁コイル加振
Outline of Research at the Start

コンクリートを鋼棒により圧縮し,耐ひび割れ性能を向上させたプレストレスト(PC)コンクリート構造物において,鋼棒保護用シース管の充填剤の充填不足やそれにともなうPC鋼棒の腐食が顕在化しており,その検知が喫緊の課題となっている。従来法である広帯域超音波法はコンクリート内の骨材等による不要散乱波によりPC鋼棒からの反射波の特定が困難となる場合があった.そこで,本研究では広帯域超音波法に鋼材を電磁加振した際のドプラエコーから鋼材のみを選択的に受信可能な電磁加振超音波ドップラエコー計測法を導入し、PC鋼材劣化評価への適用性を検討する.

Outline of Annual Research Achievements

コンクリートを鋼棒により圧縮し,耐ひび割れ性能を向上させたプレストレスト(PC)コンクリート構造物において,鋼棒保護用シース管の充填剤の充填不足やそれにともなうPC鋼棒の腐食が顕在化しており,その検知が喫緊の課題となっている。従来法である広帯域超音波法はコンクリート内の骨材等による不要散乱波によりPC鋼棒からの反射波の特定が困難となる場合があった.そこで,本研究では広帯域超音波法に鋼材を電磁加振した際のドプラエコーから鋼材のみを選択的に受信可能な電磁加振超音波ドップラエコー計測法を導入し、PC鋼材劣化評価への適用性を検討する。そこで,(1)広帯域超音波ドップラ計測システム開発、(2)加振による鋼材の振動数値解析法の開発、(3) PC供試体、実橋梁での実験的検討の3テーマにより研究を遂行する。各研究項目毎の本年度の成果を以下に挙げる。
(1)では昨年度開発した超音波ドップラエコー計測システムにおいて問題となっていたSN比改善のため、AD変換器内部で発生する不要ノイズを低減するためのAD変換システムの開発と同期加算による信号のSN比向上のための同期制御システムを構築し、SN比を20 dB程度向上させた。
(2)では励磁コイルによるコンクリート内の鉄筋の加振力の電磁界解析に合わせ、同一モデルにより鉄筋を加振源とする弾性振動解析を連成解析可能なFEM解析システムを構築し振動変位の数値解析的な検討を行った。
(3)では樹脂シース管、金属シース管内部に充填するモルタルの充填率を0%、100%の2種類としてPC供試体を作成し、改良した計測システムにより加振応答の妥当性について検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)では、昨年度開発したプロトタイプの加振ドップラエコーシステムにおいて問題となっていたSN比の改善を重点的に検討した。昨年度まで使用していたPCIスロットを利用したPC内臓型のAD変換器はPC内部からの特定周波数成分を持つ誘導雑音が多く混入していることがわかり、加振周波数を変化させた場合、その2倍で現れるドップラ成分の周波数に重畳する問題があった。そのためAD変換器をUSB接続を行う外付けタイプに変更し雑音を根本的に除去した。また、チャンネル数も増えたことで複数回のドップラ信号を同期加算するための同期信号を計測可能となり、10回の加算平均を行い白色雑音を理論通りに低減できた。また、高い再現性でドップラ成分が計測できることも確認でき、本年度のシステム開発の目標は達成できた。
(2)では昨年度開発した励磁コイルによる鋼材への加振力のFEM解析において、そのメッシュにコンクリートを加えて、鉄筋を加振源とする振動による鋼材の振動変位を解析可能なシステムを構築した。さらに、電磁界と弾性振動解析を連成させることでより詳細な振動変位の評価を行うことで、本年度の目標は達積できた。
(3)では、PC構造を模擬した供試体として、樹脂シース管内にPC鋼材を配し、シース管内部をモルタルで充填したものとしていない供試体の2種類の充填率の供試体を用いて、加振エコー実験を行った。その結果、充填率0%、100%においてそれぞれ2.3μm、0.5μmの振動変位となり大きな違いが見られた。鋼材の加振によるドップラエコー成分は充填率100%の場合、鋼材が振動するが、充填率0では空気により超音波が遮断されるため超音波が振動する鋼材に届かず振動変位が小さくなったものと考えられる。当初の目標は達成できた。
これらのことから,研究は概ね順調に推移していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

来年度は本手法を実際のPC橋梁に適用し有効性を検討するために、加振力を増強させるためのハードウエアの工夫や、その数値解析、加振周波数の最適化が必要となる。
一方で、超音波トランスデューサの位置を移動させた際の再現性が低い問題を解決する必要がある。
(1)では励磁コイル加振において、同一のコイルで50Hzから500Hz程度までの加振が可能な直列共振回路を作成し、また、再現性向上のためより広帯域超音波法で使用される超音波トランスデューサを調査し、より広帯域な超音波トランスデューサを用いて計測する超音波の周波数を最適化する。
(2)では、FEMシミュレーションにより樹脂シース管に加え、金属シース管のモデリングも行い、充填率を様々に変えた際の振動変位についてその加振周波数依存性を数値解析的に検討することで、実験との比較を行う。また、電磁界シミュレーションではトロイダル形状のコイルの形状最適化を行う。
(3)では,樹脂シース管に加え、金属シース管の充填率を様々に変えた供試体を作成し、実験的に振動変位を系統的に計測し。また、群馬県の土木整備課と協力し、実橋梁での実験や、橋梁の建て替え時に切り出した供試体等での実験を行い、本手法の妥当性を検証する。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(16 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results)

  • [Journal Article] Non-destructive and quantitative evaluation of rebar corrosion by a vibro-Doppler radar method2021

    • Author(s)
      T. Miwa
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: Vol.21, No. 7 Pages: 2546-2546

    • DOI

      10.3390/s21072546

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] local oscillator phase compensation technique for ultra-wideband stepped-frequency continuous wave radar based on a low-cost software-defined radio2021

    • Author(s)
      K. Takahashi and T. Miwa
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: Vol.21, No. 3 Pages: 780-780

    • DOI

      10.3390/s21030780

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] RC構造物のひび割れ進展と加振レーダ法における鉄筋振動変位増加との関係2020

    • Author(s)
      久保田遼平,三輪空司,小澤満津雄
    • Journal Title

      コンクリート構造物の補修, 補強, アップグレード論文報告

      Volume: Vol. 20 Pages: 173-178

    • NAID

      40022467248

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      2020 Research-status Report
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  • [Journal Article] 加振パルスドップラレーダの開発と鉄筋振動変位の周波数依存性2020

    • Author(s)
      三輪空司, 松井 隼平, 中村和弘
    • Journal Title

      コンクリート工学年次論文集

      Volume: Vol.42 Pages: 1588-1593

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  • [Journal Article] 加振パルスドップラレーダの開発と鉄筋振動変位の周波数依存性2020

    • Author(s)
      三輪 空司, 松井 隼平, 中村 和弘
    • Journal Title

      コンクリート工学年次論文集

      Volume: 42

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      2019 Research-status Report
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  • [Journal Article] 加振パルスドップラレーダによるRC構造物内鉄筋振動変位計測2019

    • Author(s)
      三輪空司, 高橋一徳, 松井隼平
    • Journal Title

      コンクリート工学年次論文集

      Volume: 41 Pages: 1781-1786

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    • Author(s)
      三輪 空司
    • Journal Title

      J. of SICE

      Volume: 58,11 Issue: 11 Pages: 843-847

    • DOI

      10.11499/sicejl.58.843

    • NAID

      130007747067

    • ISSN
      0453-4662, 1883-8170
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      三輪空司、松井隼平、中村和弘
    • Organizer
      コンクリート工学年次大会
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      久保田遼平、三輪空司、小澤満津雄
    • Organizer
      コンクリート構造物の補修, 補強, アップグレードシンポジウム
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      清水崇至、三輪空司
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      清水崇至, 三輪空司
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      久保田僚平, 三輪空司, 小澤満津雄
    • Organizer
      第10回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会
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    • Author(s)
      中村和弘, 高根沢彰兵, 小松圭太, 三輪空司
    • Organizer
      第10回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会
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      山田玲央, 三輪空司, 小澤満津雄
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    • Author(s)
      松井隼平, 三輪空司
    • Organizer
      第36回センシングフォーラム
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      2019 Research-status Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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