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1 検討概要 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 話題提供東北大学松﨑裕 性能に基づく橋梁等構造物の耐震設計法に関する研究小委員会熊本地震による橋梁の被害分析 WGの活動 ~ 検討方針 ~ 被害が発生した橋梁を対象に, 唯一の被害メカニズムを特定しようとするのではなく, できうる限り複数のアプローチによる被害分析を行い, 被害状況の説明を試みた. 推定した被災メカニズムに応じて解析方針を決定し, 数値解析を行って, 被災メカニズムを検討した. 性能に基づく橋梁等構造物の耐震設計法に関する研究小委員会幹事長同小委員会熊本地震による橋梁の被害分析 WG 委員 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 2 検討対象とした被災橋梁 大切畑大橋の被害分析 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 3 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 4

2 橋梁諸元 橋長 265.4m の曲線橋であり,A2 橋台側で斜角を有する 5 径間連続非合成鈑桁橋 H8 道路橋示方書で修正設計され,21 年に竣工 P2~P4 橋脚は, 中空断面橋脚 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 5 被災状況 A1 支承 : 破断 ケーブル : 破断 P1 山側 P2 P3 P4 A2 P2 橋脚 : 多くの支承は損傷せず, 橋脚にひび割れ発生, 杭体も損傷 P2 橋脚以外 : 取付ボルトが破断 支承 : 破断 ケーブル : 破断せず 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 6 測量結果に基づく被害分析 表層地盤が火山砕屑物で覆われている斜面上に橋台 橋脚が設けられ, 地震作用によって生じる地盤の残留変形の違い, 周囲の斜面崩壊 地滑りも含めて, 間接的に地盤変状の影響を受けている可能性があり, 国土交通省による測量結果に基づいて分析した. A1 橋台 -A2 橋台間は G1 桁位置で 395mm 累積で縮んでいるが, 両橋台は傾斜していない. 従って, 前傾ではなく, 地盤変状により, 橋台の相対位置が変化した可能性が指摘される. P1 橋脚は, 基部が 29mm 沈下する一方,P4 橋脚は鉛直上向きに 165mm の高さ変化が生じている. 相対的な高さ方向の位置変化の差異による引張力作用下で P1 橋脚の取付ボルトが破断した可能性がある. また, 各橋脚が水平面内でも移動している. P2 橋脚の橋脚躯体の変形に伴う残留変位としては, 橋軸方向は.45% ドリフト相当, 橋軸直角方向は.17% ドリフト相当に過ぎず, 基礎の損傷に伴う回転による残留水平変位が支配的 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 7 正負交番解析による検討の目的 1) 熊本地震で被災した大切畑大橋の橋脚の損傷メカニズムを推定するため, 現地調査により中空断面 RC 橋脚の典型的なひび割れを詳細に観察した. 2) 次に, 橋脚の被害を検討するため, 基礎固定の RC 橋脚モデルの上に設置したゴム支承モデルの頂部に, 国土交通省による地震後の測量結果から算出した合成ベクトル方向 ( 下図 ) に, 残留変形が測量結果相当になるよう変位制御による正負交番解析を行った. 3) 解析におけるひび割れ範囲と実際の被害との整合性を評価しようとするものである. 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 8

3 正負交番解析による最大応答値の推定 解析モデル上部構造慣性力作用位置中空断面橋脚 : ファイバーモデル推定最大 912mm ゴム支承 : 線形バネモデル変形量 [m] 上部構造位置で載荷 24.5 橋脚残留変形が測量結果と一致する上部構造変形最大値を推定 橋脚残留変位の測量結果 橋軸方向から川側に 42 の方向に橋脚の残留変位が 382mm 橋脚天頂部推定最大 531mm 変形量 382mm 計測残留変位量 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 mm 現地調査によるひび割れを再現できる変形 P1 側 川側 3mm 8 42 山側 912mm P3 側 せん断ひずみ γ u 346% t ゴム支承の荷重 - 変位関係 P2 橋脚のゴム支承も破断する可能性が十分にあった 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 1 橋梁全体の被災状況 下横構の座屈 主桁の座屈 主桁移動 (P2) 支承落下 (P2G4) 俵山大橋の被害分析 背面土の崩壊 ゴム支承せん断変形桁衝突 (A1) ひび割れ うき 剥離 (P2) 落橋防止 PC ケーブル (A2G3) ゴム支承の逸脱と桁衝突 (A2) 主桁移動 (A2) 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 11 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 12

4 全体系地震応答解析から見る被災シナリオ 橋梁全体系解析モデルの構築 上部構造主桁下部の損傷 地震時慣性力の影響? 地震発生 地盤変位の影響? 地震時慣性力 + 地盤変位の影響? 橋台パラペットと桁の衝突 主桁に高圧縮軸力が生じる 主桁下部の内向きの変形 主桁下フランジ, 下横構の座屈 検討ケース 入力地震波 1) 入力方向 Case1 地震時慣性力 3 成分 (A1のみ) Case2 地盤変位 3 成分 ( 各基礎 ) 絶対加速度応答スペクトル (gal) 1 1 地震時慣性力 + 地盤変位 3 成分 ( 各基礎 ) X (h=5%) 地震時卓越周期帯 本橋ら (A1 橋軸 ) 本橋ら (P1 橋軸 ) 1 本橋ら (P2 橋軸 ) 本橋ら (A2 橋軸 ) 道示 Ⅰ 種地盤道示 Ⅱ 種地盤道示 Ⅲ 種地盤 周期 T (s) 1) 本橋英樹, 野中哲也, 馬越一也, 中村真貴, 原田隆典 : 熊本地震の断層近傍における地震動と橋梁被害の再現解析, 構造工学論文集,Vol.63A,pp ,217. 床版 ( 積層シェル ) 主桁 ( 積層シェル ) RC 橋脚 (M-θ モデル ) 対傾構, 横構分散ゴム支承 ( ファイバー ) 橋台パラペット ~ 桁衝突 衝突ばね 主桁 桁衝突 ~ 主桁への高軸力 ~ 部材損傷を表現 主桁下部の損傷 断面変化位置の下フランジの座屈 P 衝突ばね特性 断面変化位置 K 座屈が評価できる構造要素でモデル化 橋台パラペット 衝突ばね 主桁 ゴム支承 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 13 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 14 橋梁全体系の地震応答解析 RC 橋脚に着目した詳細検討 衝突力 (kn) 衝突力 (kn) 衝突力 (kn) Case1 A1 衝突力 床版位置下フランジ位置 (s) 15 Case2 A1 衝突力 単発的な衝突 継続的な衝突 床版位置下フランジ位置 (s) 15 A1 衝突力 継続的な衝突 床版位置下フランジ位置 (s) 15 主桁の変状は小さい 主桁の変状は小さい 主桁の変状は大きい <P2 橋脚 > 上部構造位置 橋脚天端 橋梁全体系 (M-θ モデル ) の変位オービット Case1 Case Case1 Case 橋脚単体サブモデルに強制変位として入力 橋軸方向 西面 東 凡例青 1/3σcc 超過赤 εcc 超過黄色 εcu 超過黒 σc= 西 かぶりコンクリートの剥落 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 15 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 16

5 航空レーザ測量データを用いた阿蘇大橋右岸 左岸の相対変位の算出 213 年 1~2 月の計測データ ( 国交省九地整 ) と 216 年 4 月の計測データ ( 林野庁 ) を比較 右岸側 左岸側 阿蘇大橋の被害分析 1 赤色立体地図作成変位量 水平成分 鉛直成分 ΔX(m) ΔY(m) 変位量 (m) 方位 ( 度 ) ΔZ(m) 右岸側 左岸側 重心座標の差を変位量相対変位 橋軸 橋軸直交 成分と大きさ ベクトルCとの関係 方向成分 方向成分 ΔX(m) ΔY(m) 大きさ (m) 内積 (m 2 ) θ( 度 ) a1,b1(m) a2,b2(m) ベクトルA ベクトルB ベクトルC 合成値 相対変位の算出 アバットの滑動量として FEM に入力 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 17 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 18 地盤変動による阿蘇大橋崩落の可能性 : 変形 変位 地盤変動による阿蘇大橋崩落の可能性 : 相当応力 橋軸方向変位 3D 図 平面図 左岸 上流側 桁の衝突痕 解析における変位とパラペットの衝突痕が一致 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 19 弾性解析ではあるが アーチリブ全体に降伏点を超える極めて高い相当応力が分布 地震発生直後に崩落が生じた可能性を強く示唆格点 11 周辺で破断に至った可能性が高い 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 2

6 崩土による阿蘇大橋崩落の可能性 : 相当応力 崩土は最大で設計荷重の約 1.78 倍 厚さ 2m 到達位置 : アーチ支間 1/2 厚さ 1m 到達位置 : アーチ支間 1/4 損傷の程度 崩土による推定損傷と崩落の可能性 崩土厚 1m(h1 モデル ) 崩土厚 2m(h2 モデル ) 崩土厚 1m(q1 モデル ) 崩土厚 2m(q2 モデル ) 右岸側支承部付近トラスの一部 アーチ支間 1/2 アーチ支間 1/4 右岸側アーチリブの広範囲左岸側支承付近右岸側の全トラス部材 損傷無し 限定的な損傷 おわりに 被災橋梁の被災状況整理, 被害分析から得られた課題 断層変位 地盤変状の影響 : 対策の在り方, 発生位置 作用の不確定性下での要対策の線引き デバイス取付部の破壊 : デバイスを確実に機能させるためのデバイス本体 取付部間の耐力階層化,3 次元挙動の想像 複雑な地震時挙動 : 曲線橋 不等径間を有する橋など 全体系の挙動と逐次破壊 : 連鎖的破壊の防止, 壊し方問題 実挙動と設計で考えている挙動の相違 : 損傷部材 部位, 耐力算定断面の相違 崩落の可能性低い可能性がある無し無し 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 21 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 23 謝辞 本話題提供の資料は, 性能に基づく橋梁等構造物の耐震設計法に関する研究小委員会 ( 委員長 :( 株 ) 長大矢部正明副技師長, 活動期間 :214 年 4 月 ~218 年 3 月 ) に設置された熊本地震による橋梁の被害分析 WG(WG 主査 : 高橋良和京都大学教授 ) の活動において作成された資料に基づいたものです. また, 同 WGにおける検討の過程において, 国土交通省, 熊本県には被災橋梁に関する各種資料を提供して頂いた他, 防災科学技術研究所による強震記録を使用しました. ここに記して, 関係各位に謝意を表します. 平成 3 年度土木学会全国大会研究討論会 216 年熊本地震が突き付けた課題 23

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