【研究分野】構造工学・地震工学・維持管理工学

【研究領域課題番号】15656110 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 断層 / 交通施設 / 震災対策 / 耐震設計 / 地震動 / 台湾・集々地震 / トルコ・ボル地震

【研究成果の概要】

断層による高速鉄道の走行安全性を検討するため、噴火活動に伴う地殻変動により被災した橋梁の損傷を解析し、断層変位に関する情報が与えられれば橋梁の損傷を解析できることを示した。また、基礎免震を用いることにより、断層変位よる杭基礎の損傷を低減できることを明らかにした。
断層モデルを用いて米国Landers地震と模擬的な断層による地震動特性を断層破壊の速度や断層による永久変位に着目して解析し、その特性を明らかにした。また、高速走行車両が走行直角方向に地震動を受ける場合を対象として、高速走行車両の振動特性をボギーと車体の弾性固定とダンパー特性、レールと車輪の非線形接触条件と車輪フランジのレール乗り上げに着目して検討し、断層変位を含む任意の地震動に対して動的解析可能な非線形履歴モデルを提案し、開発した。従来のモデルが、正弦波に対する線形系の車両の安定性を検討できるだけだったことに比較し、本モデルは断層変位を含む任意の地震動に対するレールと車輪の非設計接触条件を考慮して解析できる点で、大変ユニークなモデルである。
このモデルを用いて、米国Landers地震や模擬的な地震断層による地震動の他、1995年兵庫県南部地震で観測された断層近傍地震動を作用させて、断層横断部における高速走行車両の安全性を解析した。この結果、高速走行車両はロッキング振動が卓越し、車輪がレールから浮き上がった状態でレールが車両走行方向とは直角に移動すると容易にレールに対するフランジによる車輪の相対変位拘束機能が失われ、高速走行車両は脱線するというメカニズムを明らかにした。さらに、路面走行時よりも橋梁走行時の方がはるかに高速走行車両の脱線が生じやすいことも明らかにした。本解析モデルは、今後、断層横断箇所を走行する高速車両の地震安全性を検討するために、有効に活用できると考えられる。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】構造工学・地震工学

【研究領域課題番号】13450184 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 断層 / 交通施設 / 震災対策 / 耐震設計 / 地震動 / 台湾・集々地震 / トルコ・ボル地震 / 橋梁 / 地震対策 / 鉄筋コンクリート / 免震設計 / 新技術

【研究成果の概要】

首都圏に代表されるように、近年の都市機能の円熟化と複雑化にともない、大地震時といえども都市機能の停止が許されない時代を迎えており、インフラストラクチャーの地震被害に対して、いつまでも大地震時には損傷はやむを得ないといった発想ではなく、積極的に地震被害を受けず、地震後の復旧も必要としない構造物を開発することが求められるようになってきている。本研究は、このような背景の下に、大地震時に要求される曲げ変形特性を有しつつ、地震によって損傷せず、従って地震時にも機能を確保できると同時に、地震後に復旧が不要な橋脚を開発しようとするものである。
このため、橋脚の曲げ塑性変形によって損傷を生じるのは塑性ヒンジ領域と呼ばれるわずかな領域でしかないことに着目し、この領域に高性能ゴム等の復元力特性に富み、高面圧に耐えられる新材料を用いると同時に、高強度の鋼棒等によって軸方向にプレストレスを導入する等によって、目標とする4%ドリフトまでの橋脚変形に対して、塑性ヒンジ部の損傷を大幅に軽減できる橋脚の開発を目指した。
本研究では、塑性ヒンジ部に設置可能な材料の選定からスタートし、高面圧下での繰り返し載荷実験等から、免震支承に使用される高減衰ゴムがこれにふさわしいことを明らかにした。次に、塑性ヒンジ領域に高減衰ゴムをどのように設置するかについて、基本設計法を開発し、これに基づいて5体の1/8模型(断面400mm×400mmの正方形、有効高さ1.35m)を用いた繰り返し載荷実験を行った。この結果、ゴム層と橋脚躯体およびフーチングは固定する必要のあること、橋脚躯体とフーチング間の過度なせん断変形を防止するためにせん断キーが有効であること、これらを与えることにより開発目標とする4%ドリフトの変形に耐える構造とできること等を明らかにした。さらに、ファイバー要素解析に基づいて、軸方向鉄筋やコンクリートの損傷特性を分析した。こうした結果に基づいて、改良版の橋脚模型の設計方法を明らかにし、新たに6体の1/8模型に対する繰り返し載荷実験を行い、塑性ヒンジ区間にアンボンドのPC鋼棒による引張抵抗メカニズムやゴム層厚等の効果を検討した。この結果、開発目標とする4%ドリフトまで損傷を軽減した橋脚を建設可能であることを明らかにした。ただし、今後の課題として、塑性ヒンジ区間では、一般の鉄筋ではなく、より変形性能の高い鋼材を使用することが求められることも明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】13,600千円 (直接経費: 13,600千円)

【研究分野】構造工学・地震工学

【研究領域課題番号】13305032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地表地震断層 / ライフライン / 撓曲 / グラーベン / 耐震設計 / 数値解析 / ばね一梁モデル / 断層 / 社会基盤 / 防災 / 地震 / 地表・地震断層 / 地震防災

【研究成果の概要】

1999年に発生した台湾集々地震およびトルココジャエリ地震に見られたように,地下の断層破壊に伴う地表面の変状(地表地震断層)は社会基盤施設に大きな脅威を与えている.地表地震断層に対する社会基盤施設の耐震性向上を目的として,本研究では,1)地表地震断層の出現位置と変状量に対する活断層の破壊形態(逆断層と正断層および断層破壊角)の影響,および活断層より地表面に至る堆積構造(堆積層の厚さと硬軟)の影響を,既往地震における事例の分析,重力場と遠心載荷場における断層破壊の伝播に関する模型実験および有限要素法を用いた数値解析により明らかにし,さらに2)断層破壊による地盤の変状に対する地中ライフライン構造物の変形性状を実験的に解明するとともに耐震設計用数値解析モデルの開発,を行った.
この結果,堆積砂層中の断層破壊には地盤の拘束圧が極めて大きな影響を与えており,既往研究による拘束圧の小さい重力場での実験では不十分であり,拘束圧の大きい遠心載荷場の実験が不可欠であることを示した.遠心載荷場の実験および数値解析から断層変位が地表面に到達するための諸条件やその発生位置に関し多くの有用な知見の集積が行われた.これらの知見と情報は地震断層の出現位置や地震変状の大きさの予測に活用される.また地表地震断層による地盤の大変位に対する地中ライフライン特に埋設管路の変形特性と地盤との相互作用が解明され,これらの結果をもとにの耐震設計用数値解析手法が構築された.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2004

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】構造工学・地震工学

【研究領域課題番号】12555134 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 断層 / 交通施設 / 震災対策 / 耐震設計 / 地震動 / 台湾・集々地震 / トルコ・ボル地震

【研究成果の概要】

我が国では多数の内陸活断層が存在し、道路、鉄道等の線状ライフライン施設はどこかでこうした活断層を横切らざるを得ない宿命にあることから、近い将来、断層変位による線状ライフライン施設の被害が生じ、これに対する対策が求められるようになると考えられる。本研究は、このような背景の下に始められたものであり、本研究の結果、以下の成果が得られた。
1)過去の大地震(濃尾、北丹後、北伊豆、兵庫県南部、トルコイズミット、トルコドウセ、台湾集集、の7地震)における断層変位を整理した結果、断層沿いの各点で観測された断層変位は、Mwが7程度の地震ではほとんどの場合には3m以内であること、Mwが7.5程度の地震では70%程度の場合には3m以内であること、を確認した。また、断層直上での地震動強さを推定するために、福井地震の地震動シミュレーションおよび距離減衰式の見直しを行った。
2)2000年鳥取県西部地震の際に賀祥ダムに生じた本体の変位を解析し、本体が数十cmほど変位し、貯水池の水位が急低下したことを明らかにした。この実地調査結果を数値シミュレーションし、伏在震源断層の断層運動によって震源域に地盤変位が生じ、それが原因となって、ダムの変位や貯水位の低下が生じたことを明らかにした。
3)1999年トルコ・ドュツェ地震によって被災したボル高架橋を対象に、断層変位によって杭基礎で支持された橋に生じる被災メカニズムを明らかにした。この結果、杭の被害は断層変位が生じる面の上下3m程度の範囲で生じ、曲げ破壊とせん断破壊が生じることを明らかにした。
4)地下免震工法によって断層変位による杭基礎の損傷を低減させる工法を提案し、その適用性を明らかにした。この結果、杭基礎周辺に発泡スチロールからなる免震層を設けることにより、杭の損傷は低減されること、フーチングを介して地盤から杭に作用する地震力に対する配慮が重要であること、杭径の数倍程度の深さまで免震層を配置しないと、免震効果が得られないことを明らかにした。
5)有珠山噴火に伴う地殻変動により損傷を受けた多径間ラーメン橋を対象とし、地殻変動を断層変位と見立てた解析を行った。地殻変動を強制変位としてプッシュオーバーアナリシスにより解析した橋脚の損傷は実際の被害とよく一致し、解析手法の妥当性が検証された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】建築構造・材料

【研究領域課題番号】12650571 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

大韓民国 / 地震 / 耐震設計 / 地震活動度 / 地震被害 / 設計用地震荷重

【研究成果の概要】

従来の大韓民国における耐震設計法では、要求性能目標は1段階のみであった。1997年に建設交通省と韓国地震工学会は、性能評価型耐震設計を行うための新しい指針を策定した。この指針では、機能保持と破壊防止という2つの性能基準を設定し、対応する地震動を提案している。
本研究では、ある鉄骨骨組を、1段階の設定目標しかない従来の耐震設計法を用いて試設計し、崩壊防止性能目標に対応する大地震を受けたときの非線形挙動をCapacity Spectrum Methodを用いて解析した。最大層間変形を新指針に規定されている性能規範と比較することにより、従来の設計法を用いて設計された本試設計建物が、新しく提案された性能に基づく設計指針により推奨されている性能規範を満足するかどうか確認した。また、同時に時刻歴解析も行い、Capacity Spectrum Methodにより得られた結果と比較した。その結果、本試設計建物が、従来の、設計性能目標が1段階の設計法で設計されたにもかかわらず、崩壊防止性能目標に対応する地震レベルである、再現期間2400年の地震動に対しても、安全性が確保されていることが示された。さらに、Capacity Spectrum Methodにより得られた結果は、時刻歴解析により得られた結果とよく一致することが示された。
また、1988年に制定された韓国の耐震設計法をIS03010に規定されている設計法と比較した。考慮したのは、地震強度、重要度係数、地震危険地域係数、強度低減係数およびスペクトルである。さらには、設計用地震力の建物高さ方向の分布と、せん断設計に関しても比較した。その結果、ふたつの基準の最も大きな違いは、考慮している限界状態であることがわかった。IS03010では、使用限界と終局限界という2つの限界状態を明確に規定しているのに対して、韓国の基準は、終局限界状態しか考慮していない。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】1,000千円 (直接経費: 1,000千円)

【研究分野】構造工学・地震工学

【研究領域課題番号】11650478 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

耐震設計 / 地震防災対策 / 橋梁 / 橋脚 / 免震設計 / 免震支承 / 高減衰ゴム / エネルギー吸収 / 塑性ヒンジ長 / 実験 / 新技術 / 地震

【研究成果の概要】

平成12年度には、大きなコンクリートの損傷を生じることなく、ドリフトで4%までの繰り返し水平変位に耐えることができるRC橋脚の開発を目標として、RC橋脚の塑性ヒンジ区間に存在するコンリートの変わりに天然ゴム及び高減衰ゴムを用いた場合の変形性能と耐力を8体の模型に対するくり返し載荷実験をもとに、実験、解析の両面から検討した。着目したパラメータは、上述したゴムの種類の他、ゴム層の厚さ、ゴム層の上下に主鉄筋の座屈を拘束するための鋼板を設置することの効果、ゴム層が圧縮力だけではなく引張力も分担できるように、上下の鋼板とゴム層を加硫接着することの効果、ゴム層のせん断変形を拘束するために水平方向のストッパーを設けることの効果である。検討の結果、1)ゴム層だけを設置するのではなく、鋼板を設置して主鉄筋の座屈を防止すること、2)ゴム層と鋼板を加硫接着し、ゴム層が圧縮力だけではなく引張力を分担できるようにすること、3)ストッパーを設けてゴム層の水平変位を拘束することが、それぞれRC橋脚の変形性能を増大させる上では有効であることが明らかとなった。これらを組み合わせることにより、開発目標とした4%のドリフトに相当するくり返し載荷を受けてもコンクリートには大きな損傷が生じることなくRC橋脚は変形に対応できることを明らかにした。
上記の実験結果に対してファイバー要素解析を用いることにより、橋脚の変形並びに耐力をよく解析できることを明らかにした。解析モデル化に際しては、平成11年度に開発したアンボンドを有する主鉄筋のモデル化をうまく取り入れることができた。
以上をまとめると、橋脚基部の塑性ヒンジ領域に鋼板と加硫接着したゴム層を取りれることにより、4%ドリフトのくり返し載荷に対して損傷が小さく、地震後の補修をあまり必要としない免震装置ビルトイン型RC橋脚を開発することができた。また、ファイバー要素解析法を拡張して本橋脚を解析する手法も開発した。これにより、地震後の損傷が小さい免震橋脚の実用化に大きく貢献することができる。なお、今後に残る研究課題としては、ゴム層は、圧縮ひずみで80%に達する大きなくり返し荷重を受けるため、塑性変形に対する抵抗力が高く、橋脚の耐力低下につながらないゴムの開発が必要とされる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】基礎・土質工学

【研究領域課題番号】62460156 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液状化 / ライフライン / 地震 / 耐震設計

【研究成果の概要】

3年間行ってきた研究成果の概要をまとめると以下のようになる。
まず、新潟地震や日本海中部地震など、過去の地震時に液状化に起因してライフラインが被害を受けた例を調べた。そして、それをもとにライフライン、特に埋設管が液状化により被害を受けるメカニズムについて検討したところ、地震動継続中の動的変位のみならず、地震動終了後に発生する永久変位によっても被害を受けることが明らかにされた。
そこで、次に、永久変位発生のメカニズムおよびその解析方法について研究を行った。これには振動台を用いた模型実験を数多く行った。その結果、永久変位はある面ですべって生じるのではなく、液状化層のせん断変形によって生じることが明らかにされた。この考察にもとづいて、有限要素法を用いて永久変位を解析する手法を考案した。また、この解析には液状化にともなう変形係数の低減割合が必要なため、ベ-ンせん断試験および繰返しねじりせん断試験を行って、この値を求めた。試験の結果得られた値を解析に用い、新潟地震での事例を解析して、手法の妥当性を確かめた。
次に、動的変位や永久変位が発生する時点における、埋設管に対する地盤の拘束力について実験を行った。これには振動台にのせた模型地盤中に埋設管を設置し、液状化を生じさせたところで管を押し引きして拘束力を求めた。その結果、永久変位発生時点では拘束力は1/20程度にも減少することなどが明らかにされた。そこで、この値を利用し、応答変位法により、動的変位および永久変位発生時点での埋設管に加わる応力を試算してみた。その結果、どちらの時点で埋設管が破断するかは管種により異なることなどが明らかにされた。
これらをまとめて、地盤の液状化がライフラインに与える被害について総合的な評価を行った。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1987 - 1989

【配分額】4,100千円 (直接経費: 4,100千円)