1 構造物の健全度診断のための試験必要条件１．数多くの構造物を扱う → 簡単に実施できる２．健全度を的確に判定できる３．目に見えない基礎も判定できるこれらを備えた試験 → NSIRB 2 NSIRBとは重錘で橋梁下部工を打撃し、その応答から固有振動数を求め、それに基づいて橋梁下部工の健全度を診断する非破壊試験法重錘による橋脚の打撃の様子 3 NSIRBの特徴 NSIRBは精度のよい試験法で、以下の特徴があります。特徴橋梁下部工の健全度を固有振動数で判定します。試験は簡易に実行できます。正確に固有振動数を測定します。目で見えない基礎の健全度も正確に判定します。ベアホールカメラやビデオコーンなどの調査方法も有効であるが，ボーリング孔が必要である！ 4 NSIRBによる橋梁下部工の健全度判断手順波形収録 Yes 健全健全度指標κの算出固有振動数の決定 fn:固有振動数 fs: 固有振動数の標準値 No 詳細な調査および対策 5 NSIRBの利用法以下の項目を速やかに精度よく行う。１．平常時、非常時の対応・構造物の劣化に対する健全度の判定・自動車の衝突等に対する健全度判定・近接工事の影響度の把握２．災害時の対応・地震による被害程度の判定・洪水等の非常時の健全度判定・被害程度に応じた交通規制の選択 6 開発のフローチャート判定に用いる指標の検討指標の測定方法の検討指標と構造物の変状との関係の検討健全度判定基準の検討 7 健全度判定指標の要件健全度判定指標は次の条件を満足する必要がある．・精度がよい・健全度を的確に反映できる・測定が簡単 8 判定に用いる指標の検討・判定指標固有振動数・なぜ固有振動数か固有振動数は構造物の質量（重量）とばね定数（強度）で決定されるＭ fn：固有振動数ＫＭ：構造物の質量Ｋ：ばね定数 9 橋梁下部工の変状のイメージ橋桁橋桁橋脚ひびわれ橋脚地盤沈下基礎基礎杭空隙洗掘の例地盤沈下の例 10 固有振動数と健全度１．構造物が災害（洗掘、地震等）を受けたとき、質量は変化しないが、躯体の剛性や地盤の強度は低下する。これはばね定数の低下となる。２．固有振動数は質量とばね定数で決定されるからそれは固有振動数の低下となって現れる。３．この低下率から、躯体の剛性や地盤の強度低下の程度が推定できるので、構造物の健全度が推定できる。 11 固有振動数を決定するため STEP １構造物を揺らす目的：共振現象を利用する 12 構造物を揺らすには１．列車等を走行させる → ばらつきがある周波数が限られる２．起振機を用いる → 時間、費用がかかる３．構造物を打撃する → 簡単にできる広い範囲の周波数を含む以上より打撃を用いることとした。 13 橋梁下部工の NSIRB 14 陸上部での打撃水上部での打撃 15 水上部の打撃の様子 16 固有振動数を決定するために STEP ２振動を収録する収録するには振動計とパソコンを用いる 17 打撃位置と構造物の揺れのかたち１）天端付近を打撃構造物は１次モードで揺れるこのモードは境界条件の影響を受けやすい ⇒下部工（基礎）調査の変状２）躯体中央部を打撃構造物は２次モードで揺れるこのモードは部材剛性の影響を受けやすい ⇒躯体の変状 18 振動計の設置位置と極性方向（振動モード判定のため）重錘天端ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟ橋軸直角方向に設置・打撃する．打撃位置ﾄﾘｶﾞｰﾁｬﾝﾈﾙは打撃位置に近い振動計にする．中間ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟ計測機器下端ﾋﾟｯｸｱｯﾌﾟ極性は統一させておいた方がよい．用いる振動計は対象構造物の振動数帯域でフラット性を保っている． 19 STEP ３収録波形から固有振動数を算出する 20 時間領域から周波数領域への変換時刻歴波形だけではその構造物がどのような振動特性を持っているのかよく分からない． → 周波数毎の成分を表示する必要がある。そこでフーリエスペクトル解析を用いる． 21 フーリエスペクトルと位相差スペクトル時刻歴波形（速度波形）振幅スペクトル位相差スペクトル 22 健全度判定の方法１）過去の固有振動数との比較２）固有振動数の標準値との比較上記値がない場合の方法３）固有値解析による逆解析 23 １）過去の固有振動数との比較健全な状態な時点（例えば，竣工時）に収録した波形から算出した固有振動数と比較． ⇒もっとも正確なやり方である．しかし，古い構造物では試験を行っていないケースが多い． ⇒今後，新設予定の構造物に対しては，なるべく早い時点での試験実施を推奨． 24 ２）標準値算定式による値との比較１）健全な橋脚の固有振動数の実測値を収集２）収集したデータは1,000個以上（鉄道構造物）（このうち精度のよい700個を使用）３）統計解析により，基礎形式別に橋脚高さ，土被り，桁重量などを要因として分析４）解析結果から固有振動数の標準値を作成 ⇒非常に簡易な方法であるが適用限界に注意． 25 ３）固有値解析による逆解析・固有振動数の実測値にあうよう躯体の剛性や地盤の支持条件を変化させ，その変化率や絶対値から構造物の健全度を推定する方法．・固有値解析から求まった躯体剛性および地盤ばね定数と設計基準から算出されるそれらの値を比較する。あるいは求まった値から設計計算を行い安全性を検討する。 26 固有値解析による部材の剛性等の推定の考え方解析モデルの作成固有値解析固有振動数計算値≒実測値Ｙｅｓ振動モード計算値≒実測値Ｎｏ部材の剛性の増減地盤のばね定数の増減ＫｈＮｏＫｈＹｅｓ地盤のばね定数（Ｋｈ，Ｋｒ）部材の剛性（ＥＩ）の決定Ｋｒ解析モデル 27 固有値解析シミュレーション実測振動数：7Hz，解析振動数：3.46Hz 躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：1.0 初期値躯体：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡) 基礎・地盤：N値・・・側面 N=5 底面 N=30 28 固有値解析シミュレーション実測振動数：7Hz，解析振動数：6.29Hz 躯体剛性倍率：1.0，基礎・地盤剛性倍率：２．０初期値躯体：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡) 基礎・地盤：N値・・・側面 N=5 底面 N=30 29 固有値解析シミュレーション実測振動数：7Hz，解析振動数：7.03Hz 躯体剛性倍率：１．１，基礎・地盤剛性倍率：３.０初期値躯体：Ｅ＝2.7e6(tf/㎡) 基礎・地盤：N値・・・側面 N=5 底面 N=30 30 躯体の健全度（鉄道構造物）躯体剛性の解析値  躯体剛性の初期値(設計基準の値) αの範囲 α ＜ 0.50 区分Ａ2 処置構造物の機能にかかわる変状または欠陥があって、運転保安、旅客および公衆などの安全並びに正常運行確保を脅か  し、何らかの措置を必要とする。 0.50 ≦ α ＜ 0.75 Ｂ変状または欠陥があって、現状ではＡランクではないが、日常監視を十分にして、必要に応じて措置する必要がある。 0.75 ≦ α ＜ 1.00 Ｃ軽微な変状または欠陥があって、日常検査の際、重点的に検査をすればよい。Ｓ健全。 1.00 ≦ α 31 基礎の健全度（鉄道構造物）地盤ばね定数の解析値 ＝地盤ばね定数の初期値(設計基準の値 ３) βの範囲 β ＜ 0.50 0.50 ≦ β ＜ 0.75 0.75 ≦ β 区分処Ａ1 詳細な検査を行うＡ2 進行性の把握を行うＢ以上置現状では問題は少ない 32 NSIRBによる実際の調査例北海道今金町田代橋位置図田代橋 33 橋梁下部工全景 34 橋梁下部工全景 35 測定状況 36 橋脚の形状（Ｐ３橋脚） 37 測定波形（P3橋脚）橋脚天端 7.2Hz 38 測定波形（P3橋脚）橋脚中間 7.2Hz 39 測定波形（P3橋脚）橋脚下端 7.2Hz 40 橋脚の形状（Ｐ４橋脚） 41 測定波形（P4橋脚）橋脚天端 4.5Hz 42 測定波形（P4橋脚）橋脚中間 4.5Hz 43 測定波形（P4橋脚）橋脚下端 4.5Hz 44 測定結果（固有振動数）一覧表橋脚名称一次モード構造形式 GL～く体天端備考 P3橋脚 7.2Hz 壁式 3.65ｍ低水敷 P4橋脚 4.5Hz 門型ラーメン 3.85ｍ低水敷 P6橋脚 3.5Hz 門型ラーメン 9.25ｍ河川中 P7橋脚 5.0Hz 門型ラーメン 3.95ｍ低水敷 45 測定結果（固有振動数）測定結果 ①壁式橋脚と門型ラーメン橋脚とを比較すると壁式橋脚の固有振動数が大きい値を示した ②同一構造で土被りが異なる場合は土被りの深い構造物の方が，その固有振動数は大きな値を示した 46 健全度の推定 NSIRBにより得られた固有振動数を指標として，構造物の健全度を判定する場合には以下の3つの方法がある． ①供用開始時の固有振動数との比較を行う ②構造形式ごとの標準値との比較を行う ③固有値解析結果から構造物の健全度を推定する 47 今回は初期値が無く，標準式の適用も難しい →固有値解析結果から構造物の健全度を推定する方法により健全度を推定した！－解析条件－・コンクリート：σ ck＝21N/mm2を初期値した・断面：しゅん功図を参考に全断面有効として算出した・荷重：しゅん功図を参考に実荷重を算出した（単位体積重量などは道路橋示方書･同解説を参照）地盤定数は地質調査報告書より設計標準により定められる地盤バネ定数の算定式を用いて地盤バネを算出し，フーチング下端での集約バネとして鉛直･水平･回転バネ定数を考慮した． 48 P3橋脚解析モデル図 9950 6300 3650 6500 2700 450 ② 3700 6500 ① 2 1825 300 300 1000 1825 1 1350 3 250 ③ 550 1200 300 1500 4 ④ 5 750 2750 2750 7000 1500 1500 750 3000 10000 49 P3橋脚モード図（初期状態）実測振動数 7.2 Hｚ解析値 8.5 Hz 振動数も振動モードも一致しない！ 50 シミュレート倍率（P3橋脚）部 P3橋脚材 1.00 土被りによる水平バネ 1.00 基礎鉛直水平回転 1.00 1.00 1.00 く体および地盤のシミュレート倍率を変化させる！ P3橋脚 1.00 0.87 0.30 0.87 0.30 51 P3橋脚モード図（フィッティング完了）実測振動数 7.2 Hｚ解析値 7.2 Hz 振動数も振動モードも一致！ 52 P4橋脚解析モデル図 6000 800 3600 900 900 900 800 800 2② 3③ 4④ 5⑤ 6⑥ 1525 900 1000 34 24 42 42 43 43 44 24 44 25 1067 550 1066 1067 25 550 35 26 27 36 27 37 28 18 37 29 ⑱ 38 1800 29 19 38 30 30 20 45 45 46 46 47 47 48 48 49 53 1100 28 1300 31 49 50 50 39 51 52 1075 900 1100 17 36 1100 16 39 40 51 1250 900 900 712.5 537.5 1250 3763 1500 750 3763 4300 2900 1500 2900 7300 3850 35 26 11000 41 6550 40 14 41 800 800 34 23 ⑭ 15 ⑲ 33 800 1425 1150 500 500 1100 1100 1100 ⑰ 1100 9400 1200 400 12000 ⑯ 175 33 23 13 32 3125 32 22 12 ⑮ 9 31 22 ⑪ ⑬ 8⑧ 21 11 ⑫ ⑦ 1200 400 6300 7 21 1600 ⑩ ⑳ 1650 ① 500 1 ⑨ 10 1425 1000 900 1725 750 750 1500 1275 750 3000 53 P4橋脚モード図（初期状態）実測振動数 4.5 Hｚ解析値 4.5 Hz 振動数は一致するが，振動モードが一致しない！ 54 シミュレート倍率（P4橋脚）部 P4橋脚材 1.00 土被りによる水平バネ 1.00 基礎鉛直水平回転 1.00 1.00 1.00 く体および地盤のシミュレート倍率を変化させる！ P4橋脚 0.70 1.20 1.20 1.20 1.20 55 P4橋脚モード図（フィッティング完了）実測振動数 4.5 Hｚ解析値 4.5 Hz 振動数も振動モードも一致！ 56 固有値解析の結果固有値解析の結果，P3橋脚は基礎がP4橋脚ではく体が設計値を下回る結果となった供用開始後の経年劣化による変状や，地震などの異常外力により構造物がダメージを受けたと推定 57 変状の推定に対す検討 1993年北海道南西沖地震またこの地震により近傍の奥尻島で大きな被害を受けた経緯もあることから，田代橋にも比較的大きな震度の地震力が作用したと推定できる南西沖地震前（昭和62）に調査された地質調査結果と，平成19年に実施した地質調査結果を比較すると・・・ 58 Ｐ-3橋脚土質条件側　面　図 1900 2850 埋土 1585 20 30 40 50 砂質シルト 1.60 細砂 2.70 0 10 3700 0 10 20 30 40 50 20 30 40 50 2850 3 2 No.B-▽12.885 .37 m GH=15 8.00 m 3 750 dep100= 埋土 11.90 細砂 2.70 2 2 23 2 2 砂質土砂質シルト 6.30 砂礫 7.15 15 2/32 7.00 6.70 2/35 10 22 7 8 11 泥炭 2 7.60 5 2 砂質シルト砂質土 6.30 15 砂礫 5700 10.30 4300 2/32 10.30 19 2/35 13 南西沖地震で乱されたと推定される地層砂質土 13 13 10 7.15 22 15 7 礫混じり細砂 3 7.00 6.70 2 11.30 11.30 23 1.60 1 13 1 2 砂質シルト 3 13.00 1585 2300 3 11.90 『土質調査実測値』 0 10 20 30 40 50 13 8 1.30 11 泥炭 19 7.60 砂質シルト 4 5 14.20 15.10 12 1 13 砂質土 12 13 6 13 15 礫混じり細砂 3 1.30 14.20 8200 5700 2 シルト砂質シルト 15.10 16.00 7 - 3.50 12 シルト質細砂 7 1/35 2/35 3 4 シルト混じり細砂17.10 1 1 0/35 2/35 2 砂質シルト 4 12 6 シルト質細砂 7 シルト 20.20 13 16.00 2/35 1/35 10 7 - 3.50 2/35 3 シルト混じり細砂17.10 1 砂質シルト 3 砂質土シルト混じり細砂25.20 7 0/35 3 17 -10.90 50 -11.40 20.20 3465 13 30 1/35 - 6.90 2/35 礫混じり中砂 36 砂質土 26.35 37 10 10 26 3 砂質土シルト混じり細砂25.20 7 -14.365 1/35 - 9.90 3 先端 48 52 25 砂礫 31.05 28 17 -10.90 12 50 -11.40 30 礫混じり中砂 36 砂質土 1/35 - 9.90 2/35 4 1/35 - 6.90 4000 8200 750 100 100 850 13.00 4000 2300 0 10 1300 （H19調査） 3 ▽12.885 100 850 3700 1300 3465 1200 600 1200 300 1300 15.735 1200 4300 300 （S62調査）土質柱状図 1300 15.735 600 1200 300 1000 469 既存土質柱状図 B-1 00m 15.5 ▽15.735 『土質調査実測値』（H19調査） B-1 00m 15.5 ▽15.735 『田代橋自歩道橋土質調査および設計委託業務土質調査報告書　昭和62年9月』 450 1000 450 土質柱状図 2 No.B- 7 m .3 GH=15 8.00 m 3 dep = （S62調査） 450 1000 450 側　面　図 ▽19.854 『田代橋自歩道橋土質調査および設計委託業務土質調査報告書　昭和62年9月』 300 Ｐ-3橋脚土質条件 1900 既存土質柱状図 1000 469 ▽19.854 48 26.35 37 10 26 シルト混じり細砂32.30 35 45 -14.365 先端 48 52 25 砂礫 31.05 46 28 12 砂礫 50/22 38.00 50/26 48 シルト混じり細砂32.30 35 59 60 P3橋脚モード図（H19の地質調査結果を使用）実測振動数 7.2Hｚ解析値 7.2Hz 設計図から求まる解析値 8.5Hz 部 P3橋脚材 1.00 基礎土被りによる水平バネ鉛直水平回転 1.00 1.00 0.43 0.43 61 推定結果 P3橋脚のような壁式構造の構造物は断面が大きいため上部構造は被害を受けにくい反面，基礎に大きな負担が掛ったのではないか？そのため，地震により基礎がダメージを受け、基礎のシミュレート倍率が低下したと推定！ 62 P4橋脚のような門型ラーメン橋脚はフーチングから上の部材（上部構造）が比較的スレンダーな構造なので，地震時には上部構造が先行して降伏しエネルギーを部材の破壊で吸収できるので，基礎への負担が低減される．そのためく体のシミュレート倍率が低くなったと推定！ 63 ・P3橋脚では低下した地盤が杭頭付近であった P3橋脚 P4橋脚・P4橋脚は基礎の位置がP3に比べ深いため影響を受けていない 64 柱部材の健全度診断～ NSIS 山陽新幹線高架橋の被害 65 柱の健全度判定大地震後は交通阻害が大きく、NSIRBで使用するような重錘を運ぶのは容易ではない。ラーメン高架橋の被害は一般に柱の損傷が多く、そのため柱の固有振動数を計測して、健全度を判定する方が、早く有利な場合がある。そこで！柱の損傷度を精度良く計測するため、柱の曲げ固有振動数を利用することとした。 66 躯体や柱の健全度判定の問題点躯体や柱の固有振動数を計測して、健全度を判定する場合は、振動数の領域に注意が必要である。橋梁下部工全体系に比較すると１０倍以上の振動数を持つ。したがってこれに対応したシステムが必要。そのためのシステムをＮＳＩＳとした。 67 ＮＳＩＳとは柱の曲げ振動の固有振動数を計測することにより、その健全度や地震時の損傷度を判定するシステムＮＳＩＳの特徴１．強度そのものの測定２．システム（計測機器）による測定３．定量的評価・強度そのものを測定するのでばらつきがでない・変化の連続的把握が可能・隠れた部分も診断可能 68 ＮＳＩＳ測定状況 69 柱の曲げ振動の固有振動数とは柱の重さ（質量）とその強さで決定される。これにより柱の強度を調査することができる。（悪くなっても質量は変わらない）健全振動数が早い（早く揺れる）固有振動数が高いクラック振動数が遅い（ゆっくり揺れる）ジャンカ固有振動数が低い時間の経過地震の発生台風、地盤沈下 70 NSISの効果をあげるためにＮＳＩＳは前述のように日常の維持管理や地震への対応に精度のよい調査および判定ができるが、最もよくその効果を発揮できるのは、構造物自身の固有振動数である。したがって、地震の危険性が指摘されている地域や、重要な建物等においては事前に、それもできるだけ早い時期に、固有振動数を測定しておくことがよい。また、この方法に基づいて構造物の地震対策システムも構築することができる。 71 NSISの新しい活用法補強工事等の効果確認劣化したコンクリート部材のひび割れ部に樹脂を注入して補修工事を行った．補修後，固有振動数が高くなったことから補修工事の効果を確認した．断面補修工事前断面補修工事後 72 NSIRB・NSISの今後の活用法この試験は兵庫県南部地震後、崩壊など大被害を免れた構造物の再使用の可否の判定に使用された。現在は下記の項目への適用を実施している。 ■ 橋梁下部工下部工以外の構造物への適用１．電柱の健全度診断２．橋桁の健全度診断３．その他支柱構造物全般への適用 73 ご静聴ありがとうございました。 Thank you for your attention ! 74