AEセンサを用いた埋込金物検査 その１ モックアップ試験
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カテゴリ: 第15回
AE センサを用いた埋込金物検査 その1 モックアップ試験
Embedded hardware inspection using AE sensor Part1 Mockup tests
日本原燃掬
三浦
進
Susumu MIURA
Member
日本原燃掬
関口
昭司
Shouji SEKIGUCHI
日本原燃掬
服部
功三
Kouzou HATTORI
原子燃料工業）
O小川
良太
Ryota OGAWA
Member
原子燃料工業）
藤吉
宏彰
HiroakiFUJIYOSHI
Member
原子燃料工業）
儀部
仁博
YoshihiroISOBE
Member
Non-destructive testing technique was developed for embedded hardware using acoustic emission sensors. In this technique, AE sensor records the acoustic vibration generated by striking the embedded hardware with a hammer. The fixed state of the embedded hardware is judged from the vibration time of the embedded hardware recorded by the AE sensor and the frequency distribution of the acoustic signal. Mockup tests and FEM analysis were carried out in order to verify the effectiveness of the technique.
Keywords: Non-Destructive Evaluation, Embedded Hardware, Acoustic Emission Sensor, Mockup, FEM
1 はじめに
発電所等施設の多くはコンクリート構造となっており、施設に必要な機器や配管等の支持構造物（耐震サポート等)を取り付ける基礎として埋込金物が利用されている。埋込金物は図 1 に示すように形状が矩形の平板（プレート)にジベル（頭付き丸棒)を溶接あるいはねじ込みにより取り付ける構造であり、用途・荷重により種々の大 きさがある。
埋込金物は位置を固定してからコンクリートを打設することによりコンクリート構造物に施工される（図 1 参
)が、 は耐震性能 上の為、コンクリート内に配置される が となり、埋込金物のジベルが と渉することで位置決めが困難となり、場合によってはジベルが切断され欠損した状態で施工された例 1 が確認されている。
図 1 埋込金物と埋込金物の設置概要図
日本原燃株式会社では超音波探傷試験（UT)による現品点検（スタッドジベル個々の健全性確認)により埋込 金物の健全性を確認している1。UT 検査では埋込金物のジベル直上にセンサを設置し測定する必要があるが、耐震サポート等が設置されていることから、UT 検査用のセンサをジベル直上に配置できず、UT 検査できないジベルが多数存在する問題がある。フェイズドアレイ超音波探 傷（PAUT)検査では、UT 検査で確認できる内容に加え、ジベル1 本毎の角度の測定が可能2であるが、UT 検査同様にジベル直上にセンサを設置できない問題がある。また、電磁誘導法（ET)による検査では、埋込金物に渦電
を すことにより発 する磁 の により健全性が確認でき、UT 検査で検査できないジベルを 断することが出来る。一方で、健全性の評価の為には磁 到達範囲が埋込金物の型式毎に異なる為、型式毎に測定用センサ の製作が必要となる問題がある。
そこで、著者らはハンマー打撃により発 する音警振動の持続時間および周波数により埋込金物の固定状態が
断できるAE（Acoustic Emission)センサを用いた打音検査による埋込金物の健全性評価技術を開発した。本報 では、AE センサを用いた打音検査を埋込金物に適用するために実施したモックアップ試験および FEM 解析について述べる。
連絡先:小川良太、〒590-0481 大阪府泉南郡熊取町朝代西1 丁目950 番地、原子燃料工業株式会社、
E-mail: ryo-ogawa@nfi.co.jp
2 モックアップ試験体
試験体の製作
再処理工場内に設置されている埋込金物の状況を踏ま えて、健全な埋込金物ならびに UT 検査が困難な埋込金物の試験体を製作した。再処理工場内の埋込金物は、鋼板サイズ、ジベルサイズおよび本数の組み合わせを見ると約 200 種類あるが、一般共同溝において不良施工が確認された埋込金物を代表サンプルに選定した。選定した試験体種類および数は、R タイプ（鋼板寸法 400X400 X25mm、ジベル寸法 22X160mmX9 本)60 体、P タイプ（鋼板寸法 250X250X16mm、ジベル寸法 16 X120mmX4 本)50 体とした。代表サンプルにおける測定データの比較により、他のタイプの埋込金物に対する適用性を評価する。試験体の施工パターンおよび施工パターンごとのジベル状態の例を表 1 および表 2 に、製作した試験体の写真を図 2 および図 3 に示す。なお、表 2 中の黒丸は切断ジベルを示し、灰色の丸は曲げジベルを示す。また、打設においては墜施工を模擬し、埋込金物 の鋼板が地面に対して垂直となる状態でコンクリートを打設した。
表 1 埋込金物試験体の施工パターン
耐震サホ゜ート
施工パターン
鋼
材
配置
健
全
切断
曲げ（基準 3 °
1 本
1 列
列
全数
1 本
1 列
全数
口鋼
中央配置
P,R
P,R
P,R
R
P,R
P,R
P,R
P,R
端部配置
P,R
P
P
端部切断
P,R
P,R
R
根元切断
P,R
P,R
R
1 ゜曲げ
P,R
P,R
゜曲げ
P,R
P,R
L
鋼
中央配置
R
R
R
R
R
R
端部配置
P
P
P
P
P
C
鋼
中央配置
R
R
R
R
R
R
端部配置
P
P
P
P
P
H
鋼
中央配置
P,R
P,R
P,R
R
P,R
P,R
鋼板
1/3 覆い
P,R
P,R
P,R
R
P,R
P,R
/3 覆い
R
R
R
R
R
R
全覆い
P,R
P,R
P,R
R
P,R
P,R
なし
P,R
P,R
P,R
R
P,R
P,R
P P タイプ（鋼板 X X1 ,ジベル 1 X1 X 本R R タイプ（鋼板 X X ,ジベル X1 X 本
表 試験体の製作パターン例
図 埋込金物試験体（製作段階)
図 3 埋込金物試験体（コンクリート打設後サホ゜ート溶接段階)
AE 打音検査
試験には、図 4 に示す AE センサ、計測ボックス、波形処理装置（タブレット PC)などより構成されている AE センサを用いた打音検査システムを用いた。打音検査信号の振動持続時間と周波数分布を用いて埋込金物の健全性の評価方法について検討した。
AE 打音検査では、埋込金物をハンマー打撃した際の音警データから、 波形と 波形の減衰から算出した振動持続時間および周波数解析データが られる。また、周波数解析データは フーリ （FFT)により める方法とウェーブレット により める方法があり、これらの組み合せにより健全性 定を実施する。
AE 打音検査は埋込金物（ジベル)に打撃を与えてその時の振動を測定し、振動の周波数分布を確認することで、埋込金物の状態（コンクリート打設前・後、荷重負荷前・後)に依存する「埋込金物／コンクリート間（接触面プレート 面と 面、スタッド表面)の 作用の 度3 を測定対象とする検査」であり、必ずしもジベル直上を打撃する必要は無い。AE 打音検査での埋込金物の評価方法について表 3 に示す。UT 検査ではジベル直上に架台が存在し検査できないジベル（UT 未測定箇所)に対して、AE 打音検査ではジベル 傍位置の計測点における測定
図AE センサを用いた打音検査装置表 3 埋込金物の評価の仕方
データが られれば評価が可能となる。（表 3（1)参 )
に、UT 未測定箇所に対して、AE 打音検査では 傍位置が打撃できない場合でもジベル中間点（間接箇所)の計測点における測定結果が られれば、間接箇所の測定データを用いて、 ジベルの評価が可能である。（表 3
（2)参 )最後に、UT 未測定箇所に対して AE 打音検査においても 傍位置および間接位置が打撃できず測定データが られない場合は、AE 打音検査による評価はできない。（表 3（3)参 )
AE 打音検査で評価に用いる信号解析例を表 4 に示す。表 4 の①は、 波形データであり、打撃開始時点の振幅が 10%に減衰するまでの時間を振動持続時間として算出する。振動持続時間は埋込金物とコンクリートの 着度合いを確認することが可能であり、 着度が いほど振動持続時間が上い傾 がある。 に②は、 波形をフーリ （FFT)処理により られる周波数分布から、最も低周波 の有意な周波数ピークに着目し、ジベルの切断に伴う周波数の低下を評価する。③は 波形をウェーブレット解析（経時 毎の周波数分布)し、評価値
（ピーク強度が 20%を超える下限値の平均値)を算出する。算出した評価値は詳細解析を行う場合のデータとし て利用する。
表 信号解析例
（1)UT 未測定箇所の補完評価が可能（ 傍位置)
UT 未測定箇所に対し、AE 打音検査にて 傍位置⑤の測定データにより評価できる
（2)UT 未測定箇所の補完評価が可能（間接位置)
UT 未測定箇所に対し、AE 打音検査にて 傍位置⑤は測定できないが、間接位置④⑥の測定データにより評価できる
（3)UT 未測定箇所の補完評価が不可
UT 未測定箇所に対し、AE 打音検査にて 傍位置および間接位置の④
～⑧が測定できないため、参考データとして①～③の測定を実施する
No
採取データ
①
波形 （振動持続時間)
10%までの減衰時間
②
FFT 周波数解析
評価に用いるピーク周波数
③
ウェーブレット 周波数解析
20%
測定条件設定のための予備試験
AE 打音検査では、AE センサを設置した後、AE センサ 傍を人手によるハンマー打撃により測定作業を行う。人手によるハンマー打撃では測定データにバラツキが出
る可能性が有る。そこで、過小又は過大な振動データは
ラー処理により除去し、適正な範囲の振動データのみ採取するよう制御している。その採取データのバラツキ を評価するため、図 5 に示す計測点8 点を対象に10 回の繰り返し測定により実施した結果、データのバラツキは非常に小さく、測定に対する人的な影警は小さいことが確認できた。
に、ジベル 傍の埋込金物端部を打撃して測定を実施する際、耐震サポート等を回避するため、スタッド位置付 の計測位置に 異が じるため、計測位置の影警について確認した。その結果を図 6 に示す。
測定データを確認すると、端部に く ピーク強度が くなっていることが確認できるが、 要な周波数ピークに は無いため、測定位置の影警は小さいことが確認できた。
図 繰り返し測定結果
図 測定点の位置ずれ影警確認結果
モックアップ試験体の製作過程の影響
モックアップ試験体において、①埋込金物の製作時（コンクリート打設前)、②コンクリート打設後、③耐震サポ ート溶接後、そして④荷重負荷後の 4 つの製作過 における AE 打音検査による 波形の振動持続時間および周波数分布の を表 5 に示す。
①埋込金物の製作時（コンクリート打設前)においては、埋込金物は拘 が無く自由振動できる状態であるため、振動持続時間が長くなり、周波数分布においてもピーク強度が いことが確認できる。②コンクリート打設後においてはコンクリートにより埋込金物が強く拘
（ 着状態)されているため、振動持続時間が上く打撃直後に減衰している。また周波数分布においてはピーク強度が い有意な波形は現れないことが確認できる。一方、③耐震サポート溶接後はサポート溶接による熱応力が加わることで、埋込金物／コンクリート間の 作用が 着から接触に することで振動持続時間が長くなり、周波数分布においてもピーク強度が い有意なピークが現れることが確認できた。さらに④荷重負荷後にお いては、荷重負荷として引張荷重を加えた結果、③と比 べさらに振動持続時間が長くなり、周波数分布においてもより強度の い周波数ピークが現れるようになることが確認できた。
このことから、埋込金物はコンクリート打設後、何らかのイベント（大きな熱応力や継続的な熱応力、荷重負荷等)が無ければ、埋込金物／コンクリート間の 作用が 着状態を維持し、振動持続時間により埋込金物の状態確認が可能であることを確認した。また、周波数分布については、振動持続時間が長く埋込金物／コンクリート間の 作用が接触状態の場合は、有意なピークが現れることから、ピーク周波数によるジベルの状態評価が可能であることを確認した。
表 試験体の製作～試験過 で られるAE測定データ
試験体の
製作過
AE 波形
周波数分布
①埋込金物の製作時（コンクリート
打設前)
②コンクリート打設後
③耐震サホ゜ート溶接後
④荷重付加後
モックアップ試験体のジベル欠損の影響
全ジベルが健全な埋込金物とジベルを 1 列切断した埋込金物についてAE 打音検査した結果を表 6 に示す。なお、表 6 に示すモックアップ試験体は鋼板を溶接したR タイプのモックアップの例である。埋込金物の内、鋼板が表面の2/3 を覆っており、ジベル9 本中6 本がUT 未測定箇所となるモックアップであるが、AE 打音検査では、AE センサが設置できる幅が埋込金物に存在していれば測定可能であるため、UT 未測定ジベル6 本中AE 打音検査では4 本の測定が可能になる。
AE 打音検査の結果、全ジベルが健全な埋込金物では、全計測点の周波数分布において有意な周波数ピークは比較的 い周波数が られている。一方で、ジベルを 1 列切断した埋込金物では、切断しているジベル 傍位置である計測点⑤、⑦および隣接位置である計測点④、⑧の周波数分布において有意な周波数ピークの低下により、健全もしくは切断されたジベルの 定が出来ることを確認した。
表 健全および1 列欠損の埋込金物のAE 打音検査波形
図 7 荷重負荷試験による波形の 遷
に、振動持続時間の による、周波数分布のを確認するために荷重負荷試験を実施した結果を図 7 に示す。図 7 はP タイプの角鋼中央配置のジベル1 列切断モックアップにおける例である。 に健全ジベル部として計測点①の周波数分布を示し、右 に欠損ジベル部として計測点⑤の周波数分布を示している。
各状態における振動持続時間と周波数分布の傾 は表5 と同じ傾 が確認でき、耐震サポート溶接後から周波数ピークが現れている。現れた周波数ピークは、表 6 と同
様に健全位置の計測点①では比較的 い周波数に存在し、ジベル切断位置の計測点⑤では計測点①に比べ周波数が 低下する傾 を確認した。
判定基準の設定
AE 打音検査による健全性確認方法として、測定により
られた「振動持続時間」と「評価に用いるピーク周波数」に着目し、モックアップ試験結果を詳細に分析して、それらの 定基準値を決定した。
図 8 はP タイプの埋込金物の各状態（埋込金物製作時、コンクリート打設後、耐震サポート溶接後、荷重負荷後) における振動持続時間の を示す。埋込金物製作時であれば、周囲から拘 がなく大半は50ms 以上で、100ms に至る場合もある。
図 8 各状態における振動持続時間の
一方で、コンクリート打設後では、埋込金物／コンクリート間の 作用が 着であり強固に固定されていることから、振動持続時間は10ms 以下である。その後、耐震サポート溶接、荷重負荷により、振動持続時間は段階的に長くなる。また、耐震サポート溶接後以降の健全と欠損を比較すると、欠損のほうが振動持続時間は長くなる傾 がある。
以上より、振動持続時間が埋込金物製作時の状態より
分に上い20ms を 定基準値として、それ未満であれば、埋込金物／コンクリート間の 作用が 着であり強固に固定されており、埋込金物に浮きが じる可能性は極めて低いと考えられる。そこで、振動持続時間20ms 未満のジベルについては大きな熱応力や継続的な熱応力、荷重負荷等のイベントが無ければ強固に固定された状態が維持されることから「荷重発 無」と評価する。
に、P タイプの埋込金物において振動持続時間が20ms以上の埋込金物の評価に用いるピーク周波数の分布 と 1 列欠損の埋込金物モックアップにおける AE 打音検査例を図 9 に示す。
周波数分布による健全性 定におけるジベルの健全／ 欠損の境界は図 9 より欠損したジベルは 1900Hz 未満を示し、健全なジベルは概ね 1900Hz 以上となることから1900Hz を 定基準値と設定した。
図 振動持続時間 以上のピーク周波数の分布
以上より、振動持続時間が20ms 未満のジベルでは「荷重発 無」と評価し、振動持続時間が20ms 以上のジベルでは、周波数分布による評価を実施し、ピーク周波数が1900 以上の場合「健全」とし、1900Hz 未満の場合「NG」と評価する。
外乱データの除去
AE 打音検査による健全性確認方法では、埋込金物に溶接されている耐震サポート等の影警により、 られる周波数分布におけるピーク位置は外乱（耐震サポートの振動に由来するピーク等)の影警が現れることがある。
AE 打音検査の評価では単一埋込金物内の複数ジベルのう 健全なジベルの周波数分布には、同じ位置にピークが現れる。（図 10 参 )
P タイプにおけるジベル 1 列欠損の角鋼管溶接モックアップのAE 打音検査結果を図 11 に示す。図中に線を引いた周波数（約2500Hz)において、健全なジベルの計測点ではピークが存在するが、切断したジベルの計測点ではピークが存在しないことが確認できる。これは図 10 示す波形イメージと合致していることから、単一埋込金物内における、UT 検査で健全と 定されたジベル付 の計測点を用いて外乱の影警除去は可能である。
図 1 波形イメージ
図 11 1 列欠損の角形鋼モックアップの試験結果
に、周波数分布における評価ピークでは耐震サポートの振動に由来するピークが現れており、誤 定する可
能性が有る。そこで、埋込金物に溶接されている耐震サポートもしくは鋼板に対する振動計測を用いて耐震サポート由来の影警を除去する。
耐震サポート由来の影警除去には、①センサ位置 埋込金物、打撃位置 埋込金物の信号波形取 に加え、耐震サポート等の振動取 として②センサ位置 埋込金物、打撃位置 耐震サポート等および③センサ位置 耐震サポート等、打撃位置 耐震サポート等の信号波形を取し、①～③の3条件の周波数分布の比較による 断を行う。①～③の波形イメージを図 12 に示す。
図 12 において、Oで示した各ピークでは、その強度が
①センサ 埋込金物、打撃 埋込金物の波形に比べ、② センサ 埋込金物、打撃 耐震サポートの波形、③センサ 耐震サポート、打撃 耐震サポートの波形の順番に増加（①＜②＜③)していることから、耐震サポート由来のピークと 断する。一方、大きく口枠で囲ったピークのように、強度が①＞②＞③の順番に徐々に低下する場合は埋込金物由来のピークと 断する。
健全なジベルの角形鋼を溶接したモックアップの場合、通常測定では現れない 定基準値以下の低周波 のピーク（ハッチング領域)が、「打撃位置」、「センサ位置」が耐震サポートとなるにつれて現れる。図 13 に健全および一列欠損の角形鋼に対する「センサ位置」/「打撃位置」のモックアップ結果を示す。
図 1 架台振動の波形イメージ
図 13 モックアップ試験結果（健全および一列欠損の角形鋼)
3 FEM 解析
FEM 解析モデルと条件
FEM を用いた理論解析として、健全およびジベル切断の埋込金物による時刻歴応答解析による周波数分布の
を調査した。
FEM 解析モデルとしてはモックアップで作製したP タイプおよびR タイプの両方を作製した。作製したモデルの耐震サポートは、R タイプは幅 150X150mm、長さ400mm の角形鋼管とし、P タイプは幅 100X100mm、長さ 400mm の角形鋼管を中央部に溶接した埋込金物とし、コンクリート部についてはモックアップ試験体を参考に、700X700X400mm（R タイプ)または500X500X400mm
（P タイプ)のコンクリートとした。（図 14 参 )
FEM 解析モデルの境界条件は、モックアップ試験体の試験条件に合わせ、 面（Y-Z 平面)を 位完全拘 とした。埋込金物／コンクリート間の接触条件は、図 14 でジベル部分のみを摩擦係数0.4 の滑り接触（接触面に垂直な方 の成分のみ影警を受け、水平方 には影警を受けない境界条件。なお、接触面に垂直な方 の接触力が負になる場合には拘 条件無効。)を設定することにより、振動持続時間 20ms 以上の場合となる埋込金物／コンクリート間の 作用が接触状態を模擬した。
ハンマーによる打撃については、AE 打音検査の計測点位置に合わせた位置とし、打撃力は7.5X10-5[s]、100N の衝撃荷重を設定した。
上記設定において、動的応答解析により、最大時間
0.005[s]までを時間刻み2.5X10-6[s]で計算を実施した。
図 1FEM 解析モデル（P タイプ健全)
FEM 解析結果
代表例として、P タイプにおけるジベル1 本切断の埋込金物の各計測点の周波数分布を図 15 に示す。健全なジベル 傍の計測点では、2100Hz 度に固有振動ピークが確認できるのに対し、切断したジベル 傍の計測点では、1300Hz 度に固有振動ピークが確認できた。
図 15 において確認できた切断したジベル位置の固有振動ピークが健全なジベル位置に比べ低下する傾 は、他のFEM モデルにおける健全なジベルおよび、右下1本切断、1 列切断、2 列切断、全数切断のジベル位置の計測点すべてで同じ傾 が られた。
以上より、ジベルが欠損した場合において、固有振動 ピークが低下することが FEM 解析を用いて理論的に確認することが出来、ジベルが欠損した場合は固有周波数ピークが低下する傾 は実験と同じであるため、本技術の 性が確認できた。
1本140mm 切断
□ 250x250xt16
xL120x4
□
角形鋼筐（中央付近） 100x100xt4.5x L400mm
計測点
図 1P タイプ右下1 本欠損試験体のFEM 解析結果
4 まとめ
従来の UT 検査では確認する事が出来なかった埋込金物の健全性を確認する非 検査技術として、ハンマー打撃により発 する音警振動の持続時間および周波数に
より埋込金物の固定状態を確認する AE センサを用いた打音検査技術を開発した。
モックアップ試験体により AE 打音検査時のセンサ設置位置を検討したうえで、埋込金物がコンクリートに打設されてから耐震サポートの溶接や荷重発 を経ることにより、AE 打音検査の測定結果の 状況を確認し、ジベルの健全性を評価するための 定基準を決定した。決定した 定基準は、振動持続時間で20ms、周波数分布のピーク周波数では1900Hz をしきい値として決定した。
また、溶接されている耐震サポート等の影警（外乱) により誤 定する可能性があることから、外乱を除去する方法について検討した。
最後に、FEM 解析により、健全なジベルと切断されたジベルにおいて固有振動ピークの 傾 を解析し、モックアップ試験結果と同様の傾 が られたことから、理論的に非 検査技術の 性について確認することが出来た。
日本原燃株式会社, 日本原燃(株) 所再処理施設の一般共同溝における一般 の埋込金物の浮き上がりに関する面 , 制者等との面 概要・
料, 2015.12.
三浦進, 関口昭司, 服部功三, 行, 儀部仁博,
フェイズドアレイ超音波を用いた埋込金物検査手法の開発”, 日本保全学会第15 回学術講演会要旨隻, 2018.
公益社団法人 日本コンクリート工学会, “RC 構造物の設計(その8)”, コンクリート工学, 23 巻7 号, 1985, pp.116-119.