ポケット式落石防護網に使用するひし形金網の重錘落下衝撃解析
室蘭工業大学大学院 学生会員 ○田中 優貴 室蘭工業大学大学院 正 会 員 小室 雅人
（国研）寒地土木研究所 正 会 員 西 弘明 （国研）寒地土木研究所 正 会 員 今野 久志
（国研）寒地土木研究所 正 会 員 荒木 恒也
1 .
はじめに本論文では，従来型ポケット式落石防護網の構成部材の 一つであるひし形金網の耐衝撃挙動を適切に再現可能な 解析モデルの構築を目的として，三次元弾塑性衝撃応答解 析を実施した．また，解析結果を別途実施した重錘落下衝 撃実験1)と比較することにより，その妥当性を検証した．
2 .
数値解析概要2.1
試験体概要図
1 (a)
には，本解析対象であるひし形金網の形状寸法および重錘落下位置を示している．ひし形金網の形状寸法 は，縦横
3 m
の正方形とし，素線径を3
種類（φ 3.2
，4.0
，5.0
）に変化させている．ワイヤロープと金網の結合には，素線の一山ごとに
U
字ボルトを使用し，各ロープの交点 はクロスクリップで固定した．各ロープの端部はターン バックルを介して専用のロードセルとピン接合し，かつ ロードセルは鋼製型枠とピン接合されている．なお，ひし 形金網は素線を山形に加工した列線を編み合わせて網目：変位計設置位置 列線
金網展開方向 縦ロープ 金網展開直角方向
横ロープ
T-1 T-3
ロードセル 鋼製型枠
3000
6000 300
列線
多面体重錘 金網
ターンバックル
(a)
試験体寸法(b)
金網配置方向 図1
試験体概要図多面体重錘 ターンバックル
ひし型金網
鋼製型枠 ワイヤーロープ
ひし型金網
U字ボルト
総節点数 : 約 158,000 総要素数 : 約 160,000
z
y x
ロードセル
列線 鋼製治具
図
2
数値解析モデルキーワード：ひし形金網，ポケット式落石防護網，有限要素法，衝撃応答解析
連絡先：〒
050-8585
室蘭工業大学大学院 くらし環境系領域 社会基盤ユニットTEL/FAX:0143-46-5228
を形成したものであり，(b)図に示す方向で配置した．ま た，ひし形金網の展開方向に応じてロープ名称を縦ロー プ，横ロープと定義した．
実験は，多面体重錘（質量
100，300 kg）
を所定の高さか ら自由落下させて実施した1)．なお，測定項目は，ロード セルによるロープ張力および高速度カメラによる試験体 中央における金網のたわみ量である．2.2
解析モデル図
2
には，数値解析モデルの要素分割状況を示してい る．金網およびターンバックルは2
節点梁要素，鋼製型枠（
H
形鋼および溝形鋼）は4
節点シェル要素，ワイヤロープ は圧縮力を伝達しない2
節点ケーブル要素，重錘および ロードセルは8
節点固体要素を用いた．金網の素線間お よび重錘−金網素線間に，面と面の接触および剥離・す べりを伴う接触面（摩擦係数：0.4）を定義した．また，境 界条件は実験条件と同様に柱基部を完全固定としている．2.3
材料構成則図
3 (a)
には，ワイヤロープの応力−ひずみ関係を示している．引張側をトリリニア型とする非線形弾性体モデ ルを適用した．なお，各ロープの弾性係数
E
1, E
2および 強度特性（降伏応力および破断強度）は，落石対策便覧を参 考に決定し，破断ひずみを5 %と設定した． (b)
図には，金網の応力−ひずみ関係を示している．降伏後の塑性硬 化係数
H
を弾性係数の1 %
とするバイリニア型の等方硬 化則を適用した．なお，その他の構成要素に関しては，実 験時に塑性化が生じていないことより弾性体とした．ま た，重錘に関しては所定の質量（100，300 kg）となるよう に単位体積質量を換算している．3 .
数値解析結果および考察3.1
各種時刻歴応答波形図
4
には，縦および横ロープ張力（T1, T3，図1 a
参照）0 σ (MPa)
ε (%) E
1= 100 GPa 5.0
E
20.914 914.7 1217.1
-245 σ (MPa)
ε (%) 245
E
1H'
H' E
1= 200 GPa
(a)
ロープ(b)
金網図
3
応力ーひずみ関係土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月)
‑985‑
Ⅰ‑493
-50 0 50 100 150
縦ロープ張力 (kN)
-1500 -1250 -1000-750-500-2500
たわみ量 (mm)
0 50 100 150 200 -50
0 50 100 150
横ロープ張力 (kN)
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
T-1 T-3
実験結果 解析結果
時間 (ms) 時間 (ms) 時間 (ms)
(i)
素線径φ 3.2
，落下高さH = 10 m
時間 (ms) 時間 (ms) 時間 (ms)
-50 0 50 100 150
縦ロープ張力 (kN)
-1250 -1000-750-500-2500
たわみ量 (mm)
0 50 100 150 200 -50
0 50 100 150
横ロープ張力 (kN)
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
T-1 T-3
(ii)
素線径φ 4.0
，落下高さH = 10 m
-1000 -50
0 50 100 150
縦ロープ張力 (kN)
0 50 100 150 200
時間 (ms)
0 -50 50 100 150
横ロープ張力 (kN)
-750 -500 -250 0
たわみ量 (mm)
0 50 100 150 200
時間 (ms)
0 50 100 150 200
時間 (ms)
T-1 T-3
(iii)
素線径φ 5.0
，落下高さH = 10 m
(a)
縦ロープ張力(b)
横ロープ張力(c)
たわみ 図4
各種応答波形245
-245 0 49 98 147 196
-49 -98 -147 -196 (MPa)
縦ロープ
横ロープ
(a)
素線径φ 3 . 2，落下高さ H = 10 m
縦ロープ
横ロープ
(b)
素線径φ 5 . 0，落下高さ H = 10 m
図5
金網応力分布および試験体中央のたわみについて実験結果と解析結果 を比較して示している．なお，重錘が金網に衝突した時 刻を零としている．
(a)
および(b)
図に示す縦および横ロープ張力に着目す ると，素線径の細いφ 3 . 2
において数値解析結果は実験結 果と比較して張力の立ち上がりが若干遅いものの，最大張 力に関しては，素線径にかかわらずほぼ適切に再現してい ることが分かる．また，実験結果における各ロープの最 大張力を比較すると，横ロープの方が縦ロープよりも大 きい．これは，ひし形金網が有する剛性の異方性による ものであり，その傾向は数値解析結果からも確認できる．(c)
図に示す金網のたわみに着目すると，金網の素線径 にかかわらず，数値解析結果は波形の立ち上がりから最 大値に至るまで実験結果とよく一致していることが分か る．また，最大たわみ量に着目すると，金網の素線径が 細いほど大きい．図
5
には，解析結果から得られた素線径φ 3 . 2, 5.0
の最 大たわみ発生時刻における金網の軸方向応力分布を比較 して示している．図より，いずれの場合も重錘衝突位置 に大きな応力が生じるとともに，金網の端部に向かって 大きな応力が発生していることが分かる．また，その分 布形状は素線径によって若干異なり，素線径が太い方が より広範囲に分布している．また，金網全体の変形に着目すると，縦ロープ側よりも 横ロープ側の変形量が大きいことが分かる．これは，ひ し形金網の形状を忠実に解析モデルに反映させることに よって，ひし形金網が有する剛性の異方性を適切に再現 できることを示唆している．
0 50 100 150 200
解析結果 (kN)
0 50 100 150 200
解析結果 (kN)
0 50 100 150 200
実験結果 (kN)
0 500 1000 1500
0 250 500 750 1000 1250 1500
解析結果 (mm)
実験結果 (mm)
0 50 100 150 200
実験結果 (kN)
素線径 3.2 mm 素線径 4.0 mm 素線径 5.0 mm
20% 10%
20%
(a)
縦ロープ張力(b)
横ロープ張力(c)
たわみ 図6
最大応答値比較図
6
には，落下高さ，重錘質量および素線径の異なる全12
ケースにおける各ロープ張力およびたわみの最大値に ついて実験結果と解析結果を比較して示している．(a)
図 の縦ロープ張力に着目すると，数値解析結果は実験結果 を20 %
程度大きく評価しており，その傾向は素線径が太 いほど大きい傾向にある．一方，(b)
図の横ロープ張力の 場合には，誤差が20 %程度であることが分かる． (c)
図 のたわみに関しては，誤差が10 %程度以内に分布してお
り，数値解析結果は実験結果をほぼ適切に再現できるこ とが分かる．4 .
まとめ1)
提案の材料構成則および解析手法を用いることによ り，縦・横ロープ張力および重錘落下位置のたわみ 量をほぼ適切に再現可能である．2)
また，金網の有する剛性の異方性に関してもほぼ適 切に再現可能である．参考文献
1)
荒木恒也，今野久志，西弘明，佐々木哲也，小室雅人，田中優 貴：落石防護網に使用するひし形金網の重錘落下衝撃実験,
土木学会北海道支部論文報告集,
第72
号, A-45(CD-ROM), 2016.
土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月)
