実規模 RC ロックシェッドの耐衝撃性におよぼす緩衝材の影響

実規模 RC ロックシェッドの耐衝撃性におよぼす緩衝材の影響

Effects of cushion materials on impact resistant behavior of full-scale RC rock-shed

室蘭工業大学大学院 ○ 学生員 佐伯 侑亮 (Yusuke Saeki) (独)寒地土木研究所 正 員 今野 久志 (Hisashi Konno) 室蘭工業大学 正 員 栗橋 祐介 (Yusuke Kurihashi) 釧路工業高等専門学校 フェロー 岸  徳光 (Norimitsu Kishi)

1. はじめに

日本は国土の約7割が山岳や丘陵地であり狭く細長い地 形であることから，山岳部や海岸線の急崖斜面沿いには落 石災害を防止するための落石防護構造物が数多く建設され ている．その落石防護構造物の一つであるロックシェッド は，現在落石対策便覧¹⁾等に基づき許容応力度法にて断面 設計が行われている．これに対し，近年構造物の設計手法 は許容応力度法からより合理的な性能規定を基本とする性 能照査型設計法への移行が進められている．また，ロック シェッドにおいても過去の被災事例²⁾や既往の研究結果に よって，終局限界耐力に対して大きな安全率を有している ことが明らかとなっており，性能照査型設計法への移行が 叫ばれている．

このような観点から，著者らはRCロックシェッドの性 能照査型耐衝撃設計法を確立するための基礎的な研究とし て，RC梁やRC版等の部材単位での衝撃実験³⁾および数値 解析⁴⁾や，2/5および1/2縮尺のRCロックシェッド模型に関 する重錘落下衝撃実験⁵⁾を実施してきた．しかしながら，こ れらの検討は全て縮小模型によるものであることから，合 理的耐衝撃設計法を確立するためには重錘に対する試験体 の寸法効果等の影響を排除し，実現象を再現する実験を実 施することが課題として残されていた．

本研究グループでは，上述の課題解決のために実規模RC ロックシェッドを製作し，緩衝材種類，重錘質量，落下高 さ，載荷位置を変化させた全23ケースの重錘落下衝撃実験 を実施した．本論文では，ロックシェッドの許容応力を上 回るレベルの各種入力エネルギーが作用する場合において，

緩衝材の種類がロックシェッドの耐衝撃挙動におよぼす影 響を検討することを目的に，載荷位置をロックシェッドの 頂版中央部に限定して，緩衝材を敷砂および砕石とした場 合の実験結果を比較検討した．なお，一連の実験では1体 の実規模RCロックシェッドに対し，種々の要因を変化さ せて重錘落下衝撃実験を行っている．そのため，本論文に おいても載荷履歴を有するロックシェッドを対象とした実 験となっている．

2. 実験概要

図−1には本実験に使用した実規模ロックシェッド模型 の形状寸法および載荷位置を示している．本ロックシェッ ドは，緩衝材として90 cm厚の敷砂を用いることを前提に，

設計落石条件を質量2 ton，落下高さ5 mの入力エネルギー

100 kJを基に，許容応力度法に基づいて設計を行っている．

実験は，ロックシェッド模型に砂あるいは砕石を90 cm敷 き，ロックシェッド頂版部中央に質量10 tonの鋼製重錘を 高さ15 mから自由落下させることにより行っている．この ときの入力エネルギーは1,500 kJであり，設計入力エネル ギーの15倍の大きさとなっている．

実験に用いた敷砂はアスファルト合材用の細目砂であり，

その表乾密度は2.56 g/cm³である．また，砕石は小樽市美 晴産の路盤用切込砕石であり，表乾密度は2.678 g/cm³であ る．緩衝材はそれぞれ厚さ30 cmごとに敷均し，その後に バックホウおよびタンピングランマー等を使用し転圧を行 うことで所定の高さである90 cmに整形した．

図−2には，実験に使用した敷砂および砕石の粒径加積 曲線を示している．図より，敷砂緩衝材に用いた砂は粒形 が最大で1 mm程度であるのに対し，砕石は最大で30 mm 程度であることが分かる．

図−3には，試験体の配筋状況を示している．鉄筋比は 一般的なロックシェッドと同程度の0.68 %としている．頂 版下面および上面の軸方向鉄筋は，それぞれSD345 D25を 125 mm間隔およびSD345 D29を250 mm間隔で配置して いる．コンクリートのかぶりは，いずれの部材も鉄筋から の芯かぶりで100 mmとしている．また，コンクリートの

12000 1500

1500 1500

400

2500 2500

1250 1250

9400 200 400

200

200 300

400

400 7007005000

160011004600 6400

700

700 (mm) 8000

200 900

⦆⾪ᮦᩜ◁ࡲࡓࡣ○▼

㍕Ⲵ఩⨨

ᰕ

A ᰕ

B ᰕ

C

図−1 ロックシェッド形状寸法

100 10

1.0

⢏ᚄ (mm)

㏻㐣ⓒศ⋡ (%)

0.1 0.01 0.001

0 20 40 60 80

100 ^{○▼⦆⾪ᮦ}

ᩜ◁⦆⾪ᮦ

図−2 緩衝材の粒径加積曲線

平成26年度　土木学会北海道支部　論文報告集　第71号

Ａ－５０

5,000

200 400

400700

9006,400

7,300 7004, 600

700 8,000

700

9,400

700700 6,400

100500 20 × 250 = 5,000200500100

100 500 32 × 250 = 8,000 200 500 100

(mm) 33 × 250 = 8,250 200500100

100500 2×200=400100100500150 3×250=750100 250

250 400 200 150

1,359 4007009006,4007,300 7004,600

700

10032537 × 150 = 5,5503251004,200400

100 2×250=500

100 400

200

100

100

3×100=300 9,100

400

200

200

200 300

200

200

400

400

D16 D13 D13

D25

D29 D13 D29

D25 D19 D22

D22 D22

D16 D13 D19

D13 D22

D13

D19 D16

D22

D22 D22

D13 D19

D19

D19

D19 D13

D13

D13

D13

D16 D16

D16 D16

D16

D29 D29

D29

D29 D25

D29

ᰕഃ

ᰕ㒊

ቨഃ

図−3 ロックシェッド配筋図

10000 8000 6000 4000 2000 0 -2000

800 600 400 200 0 -200

30

20

10

0

-10

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

-100 0 100 200 300 400

time㻌(ms)

㔜㗽⾪ᧁຊ㻌(kN) 㔜㗽㈏ධ㔞㻌(mm) 㡬∧ኚ఩㔞㻌(mm)

○▼⦆⾪ᮦ

㻌ᩜ◁⦆⾪ᮦ

○▼⦆⾪ᮦ

㻌ᩜ◁⦆⾪ᮦ

○▼⦆⾪ᮦ

㻌ᩜ◁⦆⾪ᮦ

図−4 重錘衝撃力，重錘貫入量および載荷点頂版変位に関する応答波形

ᩜ◁⦆⾪ᮦ

○▼⦆⾪ᮦ

t = 5 ms t = 10 ms t = 20 ms t = 30 ms t = 40 ms t = 50 ms

㍕ⲴⅬ ኚ఩㻌10 mm

ቨഃ

ᰕഃ

図−5 載荷位置における断面内変位分布に関する経時変化

設計基準強度は24 N/mm²であり，実験時の底盤，柱/側壁，

頂版の圧縮強度はそれぞれ，30.7 N/mm²，30.2 N/mm²，37.9 N/mm²であった．

測定項目は加速度α^{，鉄筋ひずみ}ε^{，頂版，柱面，側壁の} 内空法線方向変位δ，重錘貫入量∆である．また，実験終 了後には頂版，柱および側壁のひび割れを撮影し，ひび割 れ分布を観察している．

3. 実験結果および考察 3.1 時刻暦応答波形

図−4には，重錘衝撃力，重錘貫入量，および載荷点直 下における頂版内空法線方向変位(以後，頂版変位)の応答 波形を示している．図−4 (a)の重錘衝撃力波形より，両 ケースともに継続時間が50 ms程度の正弦半波状の波形性 状を示していることが分かる．なお，敷砂の場合には最大 衝撃力値が小さいが，第1波後に振幅の小さく継続時間の 長い第2波が後続しており，衝撃力継続時間が砕石緩衝材 の場合より2倍以上長いことが見て取れる．また，最大重 錘衝撃力値は敷砂および砕石の場合でそれぞれ4,800およ

び9,000 kN程度であることから，振動便覧式に基づき衝撃

力算定のためのラーメの定数を求めると，それぞれ1,300お

よび6,500 kN/m²程度として評価される．

図−4 (b)の重錘貫入量波形において，経過時間20 ms程 度までは緩衝材の違いによらず同様の性状を示している．

その後，敷砂緩衝材は貫入を続けているのに対し，砕石緩 衝材はリバウンド状態に移行していることが分かる．なお，

敷砂緩衝材の場合にはリバウンドはほとんど見られない．

最大重錘貫入量は敷砂および砕石の場合で各々640および

280 mm程度であることから，緩衝材厚に対する重錘貫入量

の割合は各々70および30 %となる．

図−4 (c)より，載荷点変位波形は，両ケース共に重錘衝 突後に継続時間80 ms程度の第1波が発生し，敷砂の場合 には経過時間t 200 ms程度でほぼ一定値に収束している ものの，砕石の場合にはt 400 msにおいても収束してい ないことが分かる．また，敷砂の場合における最大変位は，

砕石の場合の50 %以下である．両ケース共に残留変位が発 生していることから，頂板部が塑性域に達していることが 示唆される．

3.2 変位分布の経時変化

図−5には，載荷位置における断面内変位分布の経時変 化を示している．図より，緩衝材の種類によらず，変位は

経過時間t 10 30 msにかけて急激に増大し，その後復

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2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

ୗ⦕䜂䛪䜏

ୖ⦕䜂䛪䜏 ෆഃ䜂䛪䜏 እഃ䜂䛪䜏 ෆഃ䜂䛪䜏 እഃ䜂䛪䜏

㕲➽䜂䛪䜏㻌(μ)

ᩜ◁⦆⾪ᮦ

2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

2000 1500 1000 500 0 -500 -1000

-50 0 50 100 150 200

time㻌(ms)

ୗ⦕䜂䛪䜏

ୖ⦕䜂䛪䜏 ෆഃ䜂䛪䜏 እഃ䜂䛪䜏 ෆഃ䜂䛪䜏 እഃ䜂䛪䜏

㕲➽䜂䛪䜏㻌(μ)

○▼⦆⾪ᮦ

(a) 㡬∧୰ኸ㒊 (b) ᰕୖ㒊 (c) 側ቨୖ㒊

図−6 鉄筋のひずみ波形の一例

t = 5 ms A ᩿㠃

B ᩿㠃

C ᩿㠃

t = 10 ms t = 20 ms t = 30 ms

ᰕഃ ቨഃ

ᰕഃ ቨഃ

ᰕഃ ቨഃ

t = 40 ms t = 50 ms

ᰕ 500 kNm/ᮏࠉ㡬∧㸪ቨ㸪ᗏ┙ 500 kNm/m

○▼⦆⾪ᮦ

ᩜ◁⦆⾪ᮦ

図−7 断面方向曲げモーメントの断面内分布に関する経時変化

元する性状を示している．

また，頂版の変位分布に着目すると，砕石の場合には敷 砂の場合よりも中央部の変形量が大きく，かつ角折れに類 似した分布性状を示していることが分かる．このことから，

砕石の場合には頂版中央部に大きな曲げモーメントが作用 しているものと考えられる．

3.3 鉄筋ひずみ波形

図−6には，頂版中央部，柱／側壁上部断面の鉄筋ひず み波形を示している．図より，頂版部の場合には上・下縁，

柱および側壁の場合には内・外縁の鉄筋ひずみが最大振幅 を示した後，減衰する波形性状を示している．いずれの箇 所においても，重錘衝突後引張側のひずみが圧縮側よりも 大きく示されていることから，引張縁にはひび割れが発生 し断面中立軸が圧縮縁側に移行しているものと推察される．

また，各部位の最大ひずみは，砕石を用いる場合が敷砂を 用いる場合よりも大きい．特に頂版中央部および柱上部で

は2,000µ程度のひずみが発生していることから，鉄筋が

降伏に至っているものと推察される．

3.4 曲げモーメント分布の経時変化

図−7には，断面方向曲げモーメントの断面内分布に関 する経時変化を示している．図より，全般的に砕石を用い る場合が敷砂を用いる場合よりも大きいことが分かる．ま た，各断面の曲げモーメントは，緩衝材の種類によらず経 過時間t毎に以下の様に推移している．すなわち，1) t 5

10 msにおいては，B断面頂版部の中央部では正曲げ，そ

の周辺では負曲げを呈する；2) t 20 msにおいては，B断

面の柱／側壁部にも曲げモーメントが伝播するものの，A/C 断面では未だ大きな応答は見られない；3) t 30 msでは，

B断面頂版部の曲げモーメントは減少傾向を示すのに対し，

B断面の柱／側壁部では増加傾向を示し，かつA/C断面に おいても大きな曲げモーメントが伝播する；4) t 40 msで は，B断面の曲げモーメントが減少傾向を示すのに対し，

A/C断面では増加傾向を示す；5) t 50 msでは，いずれの 断面においても減少傾向を示す．以上のように，曲げモー メントは，時間経過と共に載荷点からロックシェッド全体 に伝播していく性状を示すことが明らかになった．

3.5 ひび割れ分布性状

図−8(a)，(b)には，それぞれの実験終了後における頂版 裏面，柱部，側壁部外縁のひび割れ分布を示している．図 中，既存のひび割れは黒線，それぞれの実験終了後におけ るひび割れを青線，赤線で示している．なお，頂版裏面ひ び割れは見下げ図とした．

頂版裏面ひび割れに着目すると，緩衝材の種類によらず 道路軸方向に進展する曲げひび割れと共に載荷位置から放 射状のひび割れが発生していることが分かる．特に，砕石 を用いる場合には放射状ひび割れが頂版端部に到達してい ることから，その損傷度合いは敷砂を用いる場合よりも大 きいことが推察される．

柱部外縁のひび割れに着目すると，柱上部に曲げひび割 れが発生している．砕石の場合には，敷砂の場合よりも多 くの曲げひび割れが発生していることから，より大きな曲 げモーメントが発生していることが推察される．

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ᰕ A ᰕ B

㡬∧⿬㠃 㻔 ぢୗ䛢ᅗ 㻕

ᰕ C

ഃቨ㒊 㻔 እ⦕ 㻕 (a)㻌ᩜ◁⦆⾪ᮦ

ᰕ㒊 㻔 እ⦕ 㻕

ᰕ A ᰕ B ᰕ C

ᰕ C 側 ᰕ A 側

ᰕ C 側 ᰕ A 側

(b)

㻌○▼⦆⾪ᮦ

㡬∧⿬㠃 㻔 ぢୗ䛢ᅗ 㻕

ᰕ A ᰕ B ᰕ C

ഃቨ㒊 㻔 እ⦕ 㻕 ᰕ㒊 㻔 እ⦕ 㻕

ᰕ A ᰕ B ᰕ C

図−8 頂版裏面，柱／壁部外側のひび割れ分布性状

側壁部外縁のひび割れに着目すると，側壁上部には柱部 同様に曲げひび割れが発生している．また，砕石を用いる 場合においてより多くの曲げひび割れが発生していること から，柱部と同様に大きな曲げモーメントが作用したこと が窺える．

4. まとめ

本研究では，緩衝材の種類がロックシェッドの耐衝撃挙 動におよぼす影響を検討することを目的に，緩衝材を敷砂 および砕石とした場合の重錘落下衝撃実験結果を比較検討 した．

その結果，設計条件の15倍の入力エネルギーが作用する 条件下においては，緩衝材として敷砂を用いる場合が砕石 を用いる場合よりも，重錘衝撃力が小さく，それに対応し て応答変位および各断面に作用するモーメントが小さくな ることが明らかになった．また，ロックシェッドの損傷度 合いも軽微であることが示された．従って，本実験の条件 下では，敷砂の場合が砕石の場合よりも緩衝性能に優れて いるものと判断される．

ただし，敷砂を用いる場合には重錘貫入量が大きくなる

傾向にあることから，より大きな入力エネルギーが作用す る場合には緩衝性能が十分に発揮されない可能性があるこ とに留意する必要がある．

参考文献

1) (社)日本道路協会：落石対策便覧，2000.6

2) 熊谷守晃：ルランベツ覆道における落石災害に関する 報告，第2回落石等による衝撃問題に関するシンポジ ウム講演論文集，pp.286-290，1993.6.

3) 今野久志，岸 徳光，石川博之，三上 浩：敷砂を設 置した大型RC梁の重錘落下衝撃実験，コンクリート 工学年次論文集，Vol.28，No.2，pp.859 - 864,2006.7.

4) 岸 徳光，今野久志，三上 浩：RC梁の繰り返し重錘 落下衝撃挙動に関する数値シミュレーション，構造工 学論文集，Vol.55A，pp.1225-1237，2009.3

5) 西 弘明，岸 徳光，牛渡裕二，今野久志，川瀬良司：

敷砂緩衝材を設置した1/2縮尺RC製ロックシェッド 模型の重錘落下衝撃実験，構造工学論文集，Vol.57A， pp.1173-1180，2011.3.

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