ＡＥセンサーを用いた打音検査によるグラウンドアンカーの緊張力評価 その１
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カテゴリ: 第15回
AEセンサーを用いた打音検査による グラウンドアンカーの緊張力評価 その1
Evaluation of tension of ground anchor by hammering test using AE sensor Vol.1
西日本高速道路（株）
浜崎
智洋
TomohiroHAMASAKI
原子燃料工業（株）
松永
嵩
TakashiMATSUNAGA
Member
原子燃料工業（株）
小川
良太
Ryota OGAWA
Member
原子燃料工業（株）
蟻部
仁博
YoshihiroISOBE
Member
(有)マサクリーン(有)マサクリーン
佐山佐山
政幸勝一
MasayukiSAYAMA
ShoichiSAYAMA
Abstract
The purpose of this research is development of tension measurement method using hammering sound diagnosis technology using Acoustic Emission sensor. Experiments using actual size anchors and FEM analysis quantitatively evaluated the relationship between the vibration characteristics of the anchor head and the tension introduced into the anchor. As a result, it is possible to evaluate the anchor tension based on the natural vibration characteristics of the anchor head.
Keywords: ground anchor, nondestructive inspection, tension, acoustic emission sensor
1. はじめに
グラウンドアンカー（以下、「アンカー」という）は、所定の ト を定 地盤に し、 力 と地盤を一体化させて、のり面・斜面を安定化させる工法である。アンカーは、道路のり面や津波防波壁、掘削工事に ける土留め工、港湾施設等で広く利用されている
[1-4]。高速道路に けるアンカーの に いては、
アンカー頭部や支圧された の劣化状況の把握、周辺地盤の動きの観察とあわせて、残存引張り力の測定が実施されている。残存引張り力を精度よく測定する場合は、 ト 験と れる大 験 を 要とし、労力的にも経済的にも多大 負担を要する。そのため、のり面に多数施工されたアンカーから一部(例え 、全体の5~10%程度)を抽出して ト 験を実施するのが一般的であり、簡易かつ精度よくアンカーの残存引張り力を把握する調査・評価方法の 発が 要とされている[5]。
筆者らは、原子力発電所や高速道路のアンカーボルト 検査[6、7]への適用を目指して、Acoustic Emission（以下、「AE」という）センサを用いた打 検査技術を 発してきた。この技術の特徴は、計測対象をハンマで打撃し、その振動をセンサで取得することで得られる振動波形から対象の施工不良や経年劣化を診断する点であり、具体的には アンカーボルトの め けトル 不 や の不 の異常を診断できる。そのうち、 め けトル 不 の 診断技術については、アンカーボルトの軸力低下に伴う拘束条件の変化から振動特性が変化することに 目した技術であり、土 のグラウンドアンカーの緊張力評価への適用が期待できる。
AEセンサを用いた打 検査技術によるアンカーの緊張力評価を確立するためには、アンカー頭部の振動特性と緊張力の関係性を実験・ 論両面で把握することが肝要である。そこで、本稿では、①実寸大のアンカーを用い、系統的 室内 験を行い、緊張力、アンカー径、アンカー頭部の長さ（以下「頭部長さ」という）と振動特性の関係性を把握しつつ、②FEM解析により、緊張力
に伴う振動特性変化の 論的根拠について検討した結果について取りまとめた。
2 AEセンサを用いた打音調査技術
AEセンサを用いた打 技術の振動測定方法は、図 1 に示すように、アンカーの頭部側面にセンサを押し当て、アンカー頭部側面を打撃する。これにより、信号波形が得られ（図 2上図）、この信号波形を高速 ー エ変換
400
200
Amp ltude [mV]
0
-200
-400
0
510
1520
（FFT）処 することにより、複数の固有振動ピー を含んだ周波数分布を得る（図 2下図）。
本報では、緊張力評価に用いる振動特性パラメータと して、片 ち梁の曲げ振動のうち、1次及び2次の固有振動周波数近傍に生じる固有振動ピー の周波数（以下、
「1次周波数」「2次周波数」という）に 目した。
ここで、曲げ振動の固有振動数 f は、以下に示す片ち梁の曲げ振動の 論解から算出した。また、軸力を受
Magunltude[a.u]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
-3
Tlme [10 s]
ける場合の固有振動数は、式 (2)と る。但し、入 ;固有
0.0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
値、L ;振動長さ、E ;縦弾性係数、I ;断面定数、? ; 密度、 A ;断面積、T 軸力、PC イラーの限界荷重、n ;振動モードである。
f ?(1)
Frequency[Hz]
図 2 振動波形と周波数分布
室内試験
試験内容
アンカー供 体は、頭部定 機 がナットによるネジ
式定 である多重PC 鋼より線タイ で、全長は4700 mm
f ? ? f
(2)
のアンカーを用いた。引張 験機で所定の緊張力を導入したアンカー供 体の頭部振動を測定し、緊張力と評価ピー 周波数との関係性を評価した。アンカーの仕様、
頭部長さ、 験荷重の条件は、表 1 に示すように、系統
的に変化させた 験を行い、アンカー形状による影響も評価した。緊張力は、各供 体の降伏点荷重( Tys ) 、引張 荷重 ( Tus )、アンカーの許容緊張力 ( Ta = 0.6?Tus ) として、
0.2 Ta/ 0.5Ta/ 0.8Ta/ Ta/ Ta~0.9Tys の中間/ 0.9Tysの6 段階とした。
表 1 実寸大アンカーの室内試験における各種条件
図 1 AEセンサを用いた打音検査の 図
試験体系
試験荷重
[kN]
供試体
No
緊張材構成
頭部外径
[mm]
頭部長さ
[mm]
No1
1×φ17.8
42
100/200/280
46/ 116/ 185/ 232/ 264/ 297
No2
7×φ9.5
55.4
100/200/300
85/ 214/ 342/ 428/ 487/ 547
No3
7×φ11.1
62
100/200/300
115/ 289/ 463/ 579/ 661/ 743
No4
7×φ12.7
68
100/200/300
153/ 384/ 614/ 768/ 875/ 982
試験結果
緊張力に伴う周波数分布変化
図 3は供 体No1、頭部長さ100 mm に ける緊張力
に伴う周波数分布の関係を示した。上から順に、0.2 Ta/ 0.5Ta/ 0.8Ta/ Ta/ Ta~0.9Tys の中間/ 0.9Tys の緊張力の際に得られた周波数分布を示して り、黒数字及び青数字は、それぞれ1次周波数及び2次周波数である。
実験結果では緊張力の増加に伴い、1次周波数及び2 次周波数はともに高周波側にシ トする傾向が確認できる。そのシ ト量は、1次周波数より2次周波数の方が大きく、最小 験荷重（0.2Ta）から最大 験荷重（0.9 Tys）まで緊張力を変化させた場合の周波数変化量は、1次周波数では 900 Hz 程度であるのに対し、2次周波数では2500 Hz 程度と った。
重（0.2Ta）から最大 験荷重（0.9 Tys）までの1次周波数の変化量は、頭部長さの減少に伴い増加する傾向であり、頭部長さが300 mm は100 Hz 程度であるが、頭部長さが100 mm の場合は、1000 Hz 程度と る。
2次周波数の評価結果については、すべての 験条件に いて、1次周波数より2次周波数の方が、緊張力に伴う周波数変化量が増加する傾向と った。したがって、緊張力に対して、1次より2次の曲げ振動モードの方が緊張力に対する感度が高いことが示された。特に頭部長 さが200 mm~300 mm の場合、1次周波数では100 Hz 程度の変化量であったのが、2次周波数では300 Hz 程度と改善し、2次周波数を用いることにより、緊張力評価の 分解能を向上しうる見通しを得た。
3
10x10
8
6
評価値 [Hz]
4
2
Magunltude [a.u]
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
緊張度(0.6Tusに対する割合）[-]
図 4 頭部長さ100 mm の緊張力に伴う1 次周波数、2 次周波数の変化
0246
810
3
12
14x10
7000
Frequency [Hz]
図 3 供試体No1、頭部長さ100 mm の緊張力に伴う周波数分布変化
6000
5000
振動モードの緊張力に対する感度
図 4~図 6に頭部長さ別に緊張力と1次周波数と2
次周波数の関係を示した。 、仕様ごとに 験荷重が異 るため、横軸は緊張度（各 験荷重／Ta）とした。
まず、1次周波数については、すべての 験条件で緊張度の増加に伴い高周波側にシ トする傾向が確認でき
4000
3000
評価値 [Hz]
2000
1000
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
た。また、緊張力が低い領域（0.2Ta~Ta）では、評価ピー 周波数が大きく変化する傾向があるが、緊張力が高い領域（Ta~0.9Tys）では、上記のシ ト傾向は若干飽和傾向を示した。これは、式（2）より固有振動数が緊張力の平方根に比例することと符合する。また、最小 験荷
緊張度(0.6Tusに対する割合）[-]
図 5 頭部長さ200 mm の緊張力に伴う1 次周波数、2 次周波数の変化
3000
2500
2000
評価値 [Hz]
1500
1000
500
2350
打撃荷重入力点
ン
部マンション
長
さナット
アンカープレート軸力入力断面
PCケーブ
0
No1 No2 No3
No4
2次
周波
数
1次
周波
数
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
全アンカーン部
緊張度(0.6Tusに対する割合）[-]
図 6 頭部長さ300 mm の緊張力に伴う1 次周波数、2 次周波数の変化（供試体No1 のみ頭部長さ280 mm)
FEM解析
の より、アンカーのFEM 解析によって、緊張力に伴うアンカー頭部の固有振動周波数の定性的 傾向を検証[8]してきた。ここでは、特に緊張力とアンカー頭部の振動特性に関して、再現性の高いモデルを 築するため、FEM 解析モデルの高度化について検討した。
解析モデルの方針
解析モデル（図 7）は、室内 験で用いた、頭部定
機 がナットによるネジ式定 である多重PC 鋼より線タイ のアンカー（供 体No2、緊張材 成 7Xcp9.5、頭部外径 55.4 mm）を対象とした。モデル化する範囲は、PC ー ル、ナット及びマンション、アンカー ートとした。頭部長さは300 mm とし、アンカー ート下面
よびPC ー ル下面を完全固定とした。
ここで、マンションとナットの接触については、本来はねじ形状で接触して り、接触条件としてはすべり接触と るが、 のモデルはねじ部形状を簡 化して り、マンションとナットの接触による剛性低下を 擬する ため、ナット中央部（図 7のハイライト部）のヤン
グ率を変化させた。
図 7 解析モデルの 要
解析条件
FEM解析ソ トはADVENTURECluster[9.10]を用い、緊張力の影響を した 解析を実施した。解析結果から得られるアンカー頭部の横方向の振動を周波数解析することで周波数分布を得た。このうち、1次周波数、2次周波数を指標として、実験結果と比較検証した。
解析に用いた材料定数及び解析条件を表 2、表 3 にまと
めた。 、共通の解析条件として、すべり接触の摩擦係数は0.1 とし、緊張材ーマンション間 よびマンションーナット間の接触条件は結合接触、打撃荷重は1000 N で継続 間2.0×10-4 秒の三角パル を入力した。
表 2 解析に用いた材料定数
部材
アンカー
プレー
、
マンション
緊張材
材質
SS400
S45C
PC 鋼より線
ヤング率
[GPa]
206
205
195
ポアソン比
0.3
0.3
0.3
度
[ton/m3]
7.9
7.84
6.07E-09
表 3 解析条件
CASE
No.
ナット-プレートの境界条件
ナット中央部ヤング率[ GPa]
軸力
[kN]
1-6
結合接触
205/ 102.5/ 20.5/
8.2/ 4.1/ 2.05
428
7-8
すべり接触
8.2
85/428
9-10
すべり接触
4.1
85/428
解析結果
中央部の剛性に関する検討
表 2 のCASE No.1~6 までの解析結果 よび室内 験で 得られた周波数分布を図 2 に示す。まず、ナット中央部のヤング率が材料定数と同じ205 GPa の場合、FEM 解析の固有振動ピー は実験結果より高周波側の値とる。これは、アンカー ート下部を完全固定としていること、マンションーナット間 よびナットー ート間を結合接触としていることで、解析モデル全体の剛性 が、室内 験より高く っているためと えられる。
一方、ナット中央部のヤング率を低下させた場合、アンカー頭部の振動に寄与する剛性が低下するため、固有振動ピー が低周波側にシ トする。実験結果と良い一致を 示すナット中央部のヤング率は、4.1~8.2 GPa（材料定数の0.02~0.04 倍）であった。
室内試験結果
このFEM解析結果の傾向を定量的に評価するため、図 11に室内 験結果とFEM解析結果を比較した結果を示す。
このグラ より、実験とFEM解析が良い一致を示していることがわかる。また、(a)室内 験、(b)No7-8 のF EM解析、(c)No9-10 のFEM解析に ける、1次周波数の緊張力に伴う変化量は、それぞれ(a)76 Hz、(b) 1 Hz 、(c)3 Hz と室内 験よりFEM解析の方が小さい値と ったが、2次周波数の緊張力に伴う変化量は、それぞれ(a)283 Hz、(b)362 Hz、(c) 310 Hz と り、緊張力増加に伴う周波数の上昇がFEM解析に再現可能であった。
1次 ード2次 ード
2次 ード
2次 ード
Magunltude [a.u]
緊張力 428 kN
(0.6 Tus)
緊張力 85 kN (0.2x0.6 Tus)
0500
Magunltude [Hz]
1000
1500
2000
2500
3000
Frequency [Hz]
図 9 FEM解析による緊張力に伴う周波数分布変化青線 解析CASE No.7、緊張力85 kN
赤線 解析CASE No. 8、緊張力428 kN
中央部のヤング率が8.2 GPa の場合
01000
2000
3000
4000
5000
1次 ード2次 ード
Frequency [Hz]
図 8 中央部の剛性に伴う周波数分布変化
黒線 室内試験結果（供試体No2、頭部長さ 300 mm、緊張力
Magunltude [a.u]
428 kN)
赤線 FEM解析結果（上から、 中央部のヤング率 205, 102 5, 20 5, 8 2, 4 1, 2 05 GPa)
2次 ード
緊張力 428 kN
(0.6 Tus)
緊張力 85 kN (0.2x0.6 Tus)
050010001500200025003000
緊張力に伴う固有周波数変化
表 3 のうち、解析CASE No.7、8 の解析結果（周波数分布）を図 9に、解析CASE No.9、10 の解析結果（周波数分布）を図 1 に示す。
解析結果より、1次及び、2次モードの固有振動ピー
が生じていることがわかる。また、緊張力の増加に伴 い各周波数ピー が高周波側にシ トしていることも確認できる。
Frequency [Hz]
図 1 FEM解析による緊張力に伴う周波数分布変化青線 解析CASE No.9、緊張力85 kN
赤線 解析CASE No. 10、緊張力428 kN
中央部のヤング率が4.1 GPa の場合
3000
2500
2000
周波数 [Hz]
1500
1000
500
0
0
100
200
300
400
500
5)また、ナット中央部のヤング率、ナットーアンカー
ートの摩擦係数を実験により合うようにパラメータ調整することで、緊張力に伴うアンカー頭部の固有周波数の変化を 論的に検証しうる見通しを得た。
参考文献
島根原子力発電所 津波防波壁の設計と施工につ
いてhttps://www.jstage.jst.go.jp/article/tenpes/10/0/10_34/_pdf http://www.japc.co.jp/shinsei/tokai/pdf/20160719.pdf
緊張力 [kN]
図 11 室内試験結果とFEM解析結果の対比
まとめ
本調査では、アンカーの頭部振動特性から緊張力を評価するモデルの 築を目的として、その基礎的 データを得るために、グラウンドアンカーの室内 験を実施し、緊張力やアンカー仕様、頭部長さを系統的に変化させ、 頭部振動特性とアンカー緊張力の関係性を評価した。ま た、FEM 解析では、緊張力に伴うアンカー頭部の固有振動変化を 論的に検証するため、アンカー頭部の 界条件に 目して検討した。以下得られた知見を取りまとめた。
の室内 験では、評価ピー 周波数は頭部長さの増加に伴い低周波側にシ ト、緊張力の増加に伴い高周波側にシ ト、頭部外径の増加に伴い高周波側にシ トする傾向が得られた。
また、アンカー仕様や頭部長さに関わらず、緊張力の増加に伴い、評価ピー 周波数は高周波側にシトし、そのシ ト量は過緊張領域では飽和傾向にあることが分かった。
2次モードの評価ピー 周波数は、1次モードより緊張力に対する変化量が大きく、飽和傾向にある過緊張領域での高精度 緊張力評価に利用可能である見通しを得た。
ナット中央部のヤング率を低下させることにより、
実施した室内 験の周波数分布と良い一致を示し、完全拘束や結合接触によって実際より剛性が高く ったFEM 解析モデルを補正し、定量的に評価可能 モデルを 築できる見通しを得た。
原子力発電所本館基礎掘削工事に ける土留め工の設計と施工http://library.jsce.or.jp/jsce/open/00035/2008/63-06/63-06-02
68.pdf
ダム用アンカー技術の現状 よび海外事例
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jsde/17/4/17_4_282/_pdf
港湾施設に けるグラウンドアンカーの有効利用
http://www.meigi.pa.cbr.mlit.go.jp/file/kouryuukai/6th/h_24
_11.pdf
殿垣内正人，竹本将，藤原優，野崎晃，矢野法孝グラウンドアンカーの に ける課題解決に向けた取り ，基礎工Vol.41, No.10, pp57-60， 合土
所，2013.
熊野秀 ，加古晃弘，蟻部仁博 ミカルアンカの検査技術 発，第13 日本保全学会学術講演会要旨集，pp.267-268，2016.
匂坂充行，松永嵩，小川良太，鵜飼康史，蟻部仁博AE センサを用いたメカニカルアンカの非破壊検査技術の 発，第12 日本保全学会学術講演会要旨集， pp.365-366，2015
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ADVENTURECluster http://www.alde.co.jp/service/advc/index.html, 2018.3. [10]ADVENTURE ロジェ トhttp://adventure.sys.t.u-tokyo.ac.jp/, 2018.3.