構造形式の異なる地中ボックスカルバート構造物の地震時挙動

(1)

構造形式の異なる地中ボックスカルバート構造物の地震時挙動

学生氏名君島康之

指導教員吉川弘道 1 はじめに

1995年に発生した兵庫県南部地震では，耐震性が高いと考えられていた地中構造物において世界でも稀に見る甚大な被害が生じた．特にボックスカルバート構造物の地下鉄駅舎において鉄筋コンクリート柱にせん断破壊が多く発生した．また，コンクリートが僅かに剥離するだけの軽微な被害も見られた．これらの被害は構造形式の違いによって大きく異なるものだと考えられる．そこで本研究では実際に被害が生じた神戸高速鉄道大開駅を対象に脆性的破壊が生じた中柱に着目して線形動的応答解析を行い，構造形式の違いによる地震時の挙動を比較検証した．

解析対象とした構造物は神戸高速鉄道・大開駅で，幅17.0m×高さ7.17mの鉄筋コンクリート造の1層2径ボックスカルバート(以下，断面A)と幅26.0m×高さ10.12mの2層4径間箱型断面(以下，断面B)である．軌道階およびコンコース階の断面中央部に奥行き方向に3.5m間隔で幅0.4m×奥行き1.0mの断面を有する中柱が配置されている．

2 解析モデル

解析はトンネル横断方向を対象として7S-Ⅱによる線形動的解析を行った．図１に断面Aおよび断面Bの地盤・構造物一体型モデルを示す．構造物ははり要素にてモデル化した．ただし，隅角部は剛域を考慮し，剛性はり要素とした(図２)．表１，表２に断面Aおよび断面Bにおける構造物の物性値を示す．なお，解析を行うに当たって7S-Ⅱは奥行き1mでのみ解析可能である．既往の研究では解析を行う際に，本来不連続である中柱は側壁のように連続体として解析していた．そこで，中柱と中柱の空間を考慮した上で解析を行う必要があると考えた．中柱は3.5m間隔で配置されている．中柱の不連続性を考慮するため，3.5m間に含まれる中柱と空間を奥行き1mに換算した(図３)．換算方法は，中柱の奥行きを3.5mで除することで，中柱一本あたりの軸力を考慮するものである．また換算結果を含む構造物の物性値を表１表２に示す．

a) 軌道階 17.2

8.6 0 深度(m)

地表面側方粘性境界基盤面底面粘性境界

2.0

11.4 5.1 8.3

b) コンコース階

側方粘性境界底面粘性境界基盤面

深度(m) 2.00 5.1 8.3 11.4 17.2

軌道階コンコース階

はり要素

剛域

軌道階コンコース階

はり要素

剛域

図２はり要素図１構造・地盤一体型モデル

a) 断面 A b) 断面 B

(2)

図３中柱の解析物性値換算

1.0m

1.0m 3.5m

中柱

側壁側壁

0.4m

側壁側壁

0.4m

1/3.5m

中柱

1.0m

1.0m 3.5m

中柱

側壁側壁

0.4m 0.4m

側壁側壁

0.4m

1/3.5m

中柱

部材厚断面積せん断断面積断面二次モーメント単位体積重量弾性係数

(m) A (m²) A/1.2 (m²) I (m⁴) (kN/m³) E (kN/m²) 上床版 0.800 0.800 0.667 0.0352

下床版 0.850 0.850 0.708 0.0512 側壁 0.700 0.700 0.583 0.0512 外側壁 0.850 0.850 0.708 0.0104

中柱 0.400 0.114 0.095 0.0152 3.10×10⁷

3.0×107 0.2 23.5

減衰定数

0.05

構造部材ポアソン比

部材厚断面積せん断断面積断面二次モーメント単位体積重量弾性係数

(m) A (m²) A/1.2 (m²) I (m⁴) (kN/m³) E (kN/m²) 上床版 0.750 0.750 0.625 0.0352

0.350 0.350 0.292 0.0036 0.550 0.550 0.458 0.0139 下床版 0.850 0.850 0.708 0.0512 側壁 0.850 0.850 0.708 0.0512 外側壁 0.500 0.500 0.417 0.0104 中柱(地下1階） 0.400 0.114 0.095 0.0152

中柱(地下2階) 0.400 0.114 0.095 0.0152 3.10×10⁷

減衰定数

0.05

構造部材ポアソン比

中床版

23.5 3.0×10⁷

0.2 表１構造物（断面 A）の物性値

表２構造物の（断面 B）の物性値

(3)

3 地盤・構造物一体モデル

地盤は平行多層で平面ひずみ要素にてモデル化した．また底面と側方地盤を粘性境界とした．地盤の物性値は表３に示す．ここで，大開駅付近の地盤は地盤深さ17.2mより深い地盤ではN値が50以上で支持層としての条件を満たしていることからこの位置を基盤面とした．

4 入力地震動

入力地震動は，神戸海洋気象台で観測された地震加速度波形（NS 成分）を重複反射理論に基づいて工学的基盤面における地震加速度波形(図５)を算出し入力した．

コンコース階軌道階

粘性境界粘性境界

粘性境界

2.00 5.1 8.3 11.4 17.2

2.00 5.1 11.48.3

17.2

深度(m)

深度(m) ^100.00

109.35

コンコース階軌道階

粘性境界

2.00 5.1 8.3 11.4 17.2

2.00 5.1 11.48.3

17.2

深度(m)

深度(m) ^100.00

109.35

軌道階

粘性境界

2.00 5.1 8.3 11.4 17.2 2.00 5.1 8.3 11.4 17.2

2.00 5.1 11.48.3

17.2 2.00 5.1 11.48.3

17.2

深度(m)

深度(m) ^100.00

109.35

図４地盤・構造物一体型モデル

-600 -400 -200 0 200 400 600

0 10 20 30

時間(sec)

地震加速度( ga l)

Max Acceleration 511.763 gal

図５入力地震動

せん断波速度せん断弾性係数単位体積重量ポアソン比 V_s (m/s) G₀(kN/m²) γ (kN/m³) ν

0〜2.0m シルト 140 3.80×10⁴ 19.0 0.333

2.0〜5.1m 砂質土 140 3.80×10⁴ 19.0 0.488

5.1〜8.3m 砂質土 170 5.60×10⁴ 19.0 0.493

8.3〜11.4m 粘性土 190 7.00×10⁴ 19.0 0.494 11.4〜17.2m 粘性土 240 1.12×10⁵ 19.0 0.490

基盤面礫 330 2.22×10⁵ 20.0 0.487

土質

地盤高さ減衰定数

0.05

表３地盤の物性値

¹⁾

せん断波速度せん断弾性係数単位体積重量ポアソン比 V_s (m/s) G₀(kN/m²) γ (kN/m³) ν

0〜2.0m シルト 140 3.80×10⁴ 19.0 0.333

2.0〜5.1m 砂質土 140 3.80×10⁴ 19.0 0.488

5.1〜8.3m 砂質土 170 5.60×10⁴ 19.0 0.493

8.3〜11.4m 粘性土 190 7.00×10⁴ 19.0 0.494 11.4〜17.2m 粘性土 240 1.12×10⁵ 19.0 0.490

基盤面礫 330 2.22×10⁵ 20.0 0.487

土質

地盤高さ減衰定数

0.05

表３地盤の物性値

¹⁾ 表３地盤の物性値

a) 断面 A

b) 断面 B

(4)

5 解析結果 5.1 解析時間

断面 Aの7S-Ⅱによる解析における経過時間は3分．断面Bの経過時間は3分15秒であった．両者における接点

数は271,要素数は191異なるが，経過時間はそれ程変わらなかった．

5.2 中柱の相対変位

図６に断面 Aと断面 Bにおける中柱の相対変位深度分布図を示す．これより断面 Aの中柱に比べ，断面 Bの中柱では相対変位が最大約20.6%減少した．

5.3 中柱の軸力

図７に中柱の軸力の時刻歴応答を示す．断面 Bの中柱に作用する軸力は断面 Aに比べ約46%減少した．これは，

断面 Bの土被りが断面 Aに比べ少なかったためであると考えられる．

0.00 0.64 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08

0 0.005 0.01 0.015

相対変位(m)

部材高さ (m )

軌道階コンコース階 9.37mm _20.6%減 11.8mm

0.00 0.64 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08

0 0.005 0.01 0.015

相対変位(m)

部材高さ (m )

軌道階コンコース階 9.37mm _20.6%減 11.8mm

図６相対変位

図７軸力

断面 A 断面 B

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

軸力( kN )

断面A(上端部)

断面A(下端部)

断面B(上端部)

断面B(下端部)

(5)

5.4 中柱の曲げモーメントとせん断力

図８に断面 A，断面 B の中柱のせん断力の時刻歴応答を示す．せん断力は地震動が卓越した時刻において最大値を示した．また断面 Bの中柱は断面 Aの中柱に比べ上端部では約40%減少し，下端部では約40%減少した．

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

せん断力(kN)

軌道階(上端部) コンコース階(上端部）

43% 減

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

せん断力(kN)

軌道階(上端部) コンコース階(上端部）

43% 減 43% 減

a) 上端部のせん断力

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

せん断力(kN)

軌道階(下端部) コンコース階(下端部)

40% 減

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

せん断力(kN)

40% 減

b) 下端部のせん断力

図８中柱のせん断力

断面 A（上端部）

断面 B（下端部）

(6)

図９に断面 A，断面 Bの中柱の曲げモーメントの時刻歴応答を示す．曲げモーメントは地震動が卓越した時刻において最大値を示した．また断面 Bの中柱は断面 Aの中柱に比べ上端部では約50%減少し，下端部では約 30%減少した．

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

曲げモーメント(kN・m)

軌道階(上端部) コンコース階(上端部)

50% 減 50% 減 50% 減

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

32% 減

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

32% 減 32% 減

a) 上端部の曲げモーメント

b) 下端部の曲げモーメント

図９中柱の曲げモーメント

(7)

5.5 側壁の軸力

図１０に断面 A，断面 Bの側壁の軸力の時刻歴応答を示す.上下端部ともに断面 Aに比べ断面 Bの地下2階隔壁が最も大きな挙動を示した．断面 Bのその他の各部は断面 Aに比べ小さな挙動を示した．

a) 上端部の軸力

b) 下端部の軸力

図１０側壁の軸力

0 100 200 300 400 500 600 700 800

2 4 6 8 10 12

軸力( kN )

断面A(上端部) 断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

時間(sec)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

2 4 6 8 10 12

軸力( kN )

断面A（下端部）

断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

時間(sec)

(8)

5.6 側壁のせん断力と曲げモーメント

図１１に断面 A，断面 Bの側壁のせん断力の時刻歴応答を示す.上下端部ともに断面 Aが最も大きな挙動を示した．.

断面 Bのその他の各部は断面 Aに比べ小さな挙動を示した．

a) 上端部のせん断力

b) 下端部のせん断力

図１１側壁のせん断力

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400

2 4 6 8 10 12

せん断力( kN )

断面A

断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

-300 -200 -100 0 100 200 300 400

2 4 6 8 10 12

せん断力( kN )

断面A

断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

時間(sec) 時間(sec)

(9)

図１２に断面 A，断面 Bの側壁の曲げモーメントの時刻歴応答を示す.上下端部ともに断面 Aに比べ断面 Bの地下 1階隔壁が最も大きな挙動を示した．断面 Bのその他の各部は断面 Aに比べ小さな挙動を示した．

a) 上端部の曲げモーメント

b) 下端部の曲げモーメント

図１２側壁の曲げモーメント

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

2 4 6 8 10 12

曲げモーメント (k N ・m )

断面A

断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800

2 4 6 8 10 12

曲げモーメント (k N ・m )

断面A

断面B(地下1階隔壁) 断面B(地下2階隔壁) 断面B(地下1階側壁) 断面B(地下2階側壁)

時間(sec) 時間(sec)

(10)

5.7 断面力図

構造物の断面力を図１３に示す．

a) 断面 A の断面力

b) 断面 B の断面力

＃３５１

※５５９

＃１９５

＃２１３

※４６０

※４５２

＃９２

＃１６４ ※２３６

※１９１

※５５９

※３２４

＃２１７

＃３１８

＃１１２

＃１２８

※２２７

※３０９

＃１６４ ※２３６＃２１７ ※５５９

＃…せん断力 (kN)

※ …曲げモーメント (kN・m)

…主要部位

図１３主要部位(断面)の最大断面力

CL

(11)

5.8 断面力比

図１４に構造物の断面力比を示す．

＊０．５０４

＊０．５４８

☆０．６２５

☆０．６１４

＊０．８０７

＊０．７６３

☆０．８０５

＊…せん断力比

（最大せん断力 V/せん断耐力 Vy）

☆…曲げモーメント比

（最大曲げモーメント M/曲げ降伏モーメント My）

☆０．３１７

☆０．４３２

＊０．３２５

＊０．３７１

図１４主要部位(断面)の断面力比 a) 断面 A の断面力

b) 断面 B の断面力

…主要部位

(12)

5.8 検証結果

断面 Bにおける中柱，隔壁，側壁は断面 Aの中柱，側壁に比べ，相対変位と断面力が小さな応答を示した．特に断面 Aの側壁に対して断面 Bの側壁と隔壁では明らかに小さな応答を示した．これより断面 Bでは多数の小断面が存在したことで水平方向の変形を拘束し，中柱に作用する地震動の影響を抑制したものと考えられる．

6 まとめ

ボックスカルバート構造物を対象に構造形式の違いによる地震時挙動を比較検証したところ，以下の知見が得られた．

・断面 Bに存在する多数の小断面が水平方向の変形を拘束し，中柱に作用する地震動の影響を抑制した．

【参考文献】

1) 佐藤工業株式会社:神戸高速鉄道東西線大開駅災害復旧の記録

14

(13)

構造形式の異なる地中ボックスカルバート構造物の地震時挙動

構造材料工学研究室君島康之

Key Words:ボックスカルバート構造物目次

1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

2 解析モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1〜2

3 地盤・構造物一体モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3

4 入力地震動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3

5 解析結果

5.1 解析時間・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4

5.2 中柱の相対変位・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

5.3 中柱の軸力・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6

5.4 中柱のせん断力と曲げモーメント・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7

5.5 側壁の軸力・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8

5.6 側壁のせん断力と曲げモーメント・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9

5.7 構造物の断面力・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10

5.8 断面力比・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・11

5.9 検証結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12

6 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12

構造形式の異なる地中ボックスカルバート構造物の地震時挙動

構造形式の異なる地中ボックスカルバート構造物の地震時挙動

1.0m

1.0m 3.5m

中 柱

側 壁 側 壁

0.4m

側 壁 側 壁

0.4m

1/3.5m

中柱

1.0m

1.0m 3.5m

中 柱

側 壁 側 壁

0.4m 0.4m

側 壁 側 壁

0.4m

1/3.5m

中柱

コンコース階 軌道階

コンコース階 軌道階

軌道階

-600 -400 -200 0 200 400 600

0 10 20 30

時間(sec)

地震加速度( ga l)

Max Acceleration 511.763 gal

表３ 地盤の物性値

表３ 地盤の物性値

0.00 0.64 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08

0 0.005 0.01 0.015

相対変位(m)

部材高さ (m )

軌道階 コンコース階 9.37mm 20.6%減 11.8mm

0.00 0.64 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08

0 0.005 0.01 0.015

相対変位(m)

部材高さ (m )

軌道階 コンコース階 9.37mm 20.6%減 11.8mm

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

軸力( kN )

断面A(上端部)

断面A(下端部)

断面B(上端部)

断面B(下端部)

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

43% 減

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

43% 減 43% 減

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

40% 減

-300 -200 -100 0 100 200 300

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

40% 減

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

50% 減 50% 減 50% 減

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

32% 減

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500

0 2 4 6 8 10 12 14

時間(sec)

32% 減 32% 減

0 100 200 300 400 500 600 700 800

2 4 6 8 10 12

軸力( kN )

0 100 200 300 400 500 600 700 800

中柱

側壁側壁

側壁側壁

中柱

側壁側壁

側壁側壁

コンコース階軌道階

コンコース階軌道階

表３地盤の物性値

表３地盤の物性値

軌道階コンコース階 9.37mm _20.6%減 11.8mm

軌道階コンコース階 9.37mm _20.6%減 11.8mm

せん断力( kN )

せん断力( kN )

曲げモーメント (k N ・m )

曲げモーメント (k N ・m )