衝撃的上下動を考慮したRC構造物の損傷および破壊メカニズムの推定に関する研究

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兵庫県南部地震では、本格的な横揺れを感じる前に衝撃的な上下動を感じたという多くの人の証言があるように、一瞬の衝撃的上下動が構造物に作用した結果、被害を予想外に大きくしたのではないかという懸念がある。本研究は、特に鉄筋コンクリート橋脚を対象とした解析的および模型実験による各種検討を行い、衝撃的上下動初期におけるRC橋脚内への引張ひび割れ損傷発生の可能性およびそれがRC橋脚の損傷、破壊メカニズムにどのように関与したか明らかにしようとしたものである。本研究によって得られた新たな知見などの成果を以下にまとめる。1)バネ質点系モデルを用いた解析的検討:鉄筋コンクリート橋脚を対象とした1質点系モデルに力積の考え方に基づく運動量保存則を適用することで、衝撃的上下動初期におけるRC橋脚内への引張ひび割れ損傷発生の可能性を明らかにした。その結果、コンクリート柱部の直径が2〜4m、柱長が3〜10mの範囲をとると、v_o=20kine程度の衝撃的な上下動によって、概ね20〜30kgf/cm^2の瞬間的な引張応力がコンクリート柱に生じることになり、輪切り状ひび割れの発生の可能性があることが明らかとなった。2)3次元有限要素法を適用した解析的検討:阪神高速道路3号神戸線における標準的な円形断面の単柱式橋脚を対象として、シェル要素による3次元有限要素解析を行った。解析では、主鉄筋の段落とし位置を考慮し、入力する衝撃的上下動としては、周波数を変化させた最大速度100cm/secの速度余弦波(加速度正弦波)1波をフーチング下端から入力した。その結果、26.4Hzで16.8cm/secの1波入力があれば、橋脚断面にクラックが生じ、その後の地震動に対する弱点となり得ることがわかった。3)衝撃的上下動によるRC橋脚の輪切り状ひび割れの再現実験および解析:鉄筋コンクリート橋脚に発生した輪切り状ひび割れに着目し、これが衝撃的上下動により発生した可能性もあると考えて、この現象を衝撃突上げ実験により模型実験的に再現するとともに、ばね〜質点系にモデルによって衝撃突き上げ実験結果のシミュレーションを試みた。その結果、輪切り状ひび割れ発生のメカニズムをほぼ解明できた。すなわち、地盤(基盤)が停止した後の負の基盤加速度による上部質量に発生する慣性力(引張力)が輪切り状ひび割れを発生させるものと考えられる。