合理化桁の動向とFEA

長岡技術科学大学

長井 正嗣

2006年10月12日

MIDAS/Civil 解析ソリューションセミナー

・構造形態改革を支援した

・新しい設計手法の開発を支援する

・橋の環境，耐久性問題への展開

3D-FEA

橋の設計

1960

1970

1995

床版損傷

直轄, 地方橋梁 JH 橋梁

構造改革(リフォーム)

RC

RC

2000

I桁橋の歴史

“合成設計”

“非合成設計”

【2000～2003年の桁橋1,000橋⇒非合成が95%】

構造フォームの改革 (by JH)

(I-girder)

構造フォームの改革(by JH)

(box girder)

合理化桁の建設数(タイプ別)

0

100

200

300

400

500

600

(少数主桁)

(箱桁)

(細幅箱桁)

’90 ’95 ’00 ’05年

（橋数:累計）

合理化桁の建設数(発注者別)

0

100

200

300

400

500

600

日本道路公団(JH)

都道府県

国土交通省

’90 ’95 ’00 ’05

（橋数:累計）

年

多主桁 ⇒ 少数主桁*

複雑な横補剛システム ⇒ シンプル化

(対傾構,横構)

薄肉(水平,垂直)多補剛 ⇒ 厚肉少補剛

非合成設計(95%程度) ⇒ 合成桁**

基本コンセプト

**壁は厚い(変革)

新しいシステム

・塗装面積 ⇒ 減

・応力集中箇所 ⇒ 減

コスト縮減に寄与(競争力アップ)

(+耐候性鋼材)

LCC最強のソリューションとして期待!!

道示の(仕様)規定を破る!!

・対傾構⇒小型中間横桁(置換え)

・下横構⇒無

3D-FEAがサポート(貢献：大)

合成2主I桁橋モデル

合成4主I桁橋モデル

FE-Model (solid & shell 要素)

1)鉛直対称荷重作用

2主桁橋の構造特性

2)ねじれ荷重作用

断面が変形しない!!

σ

σ:小さい

N:小さいN

(断面変形に伴う)2次応力は極めて小さい

2次応力≒0

鋼桁，コンクリート床版間の剥離(中間横桁位置)

圧縮

剥離

原因の同定*

*佐々木(横河)，小山(横河)，山田(JH)，長井(長岡技科大)合成2主桁橋の中間横桁位置での床版-鋼桁接合部の応力性状の解明と設計－土木学会論文集(2005)－

温度上昇、下降(日変化)

ドイツの国内基準

合成多主I桁の中間横桁応力

鋼・合成 vsコンクリート系橋梁(JH経済比較)

※黄色枠内が競争的

L < 30m 30m < L < 60m 60m < Lスパン

鋼桁橋

コンクリート桁橋

合成2主I桁橋

PC箱桁橋

・トラス桁橋

・鋼床版箱桁橋

・PC箱桁橋

・波形鋼板ウェブPC箱桁橋

・エクストラドーズド橋

PC, RC 桁橋

床版橋

形鋼橋梁

橋の構造形態

(合成) 2主桁橋，少数主桁橋

⇒ 次の競争的な形態は???

【 FEAとの関わりは小さいが!!】

新しい形態??1990年(終わり)～2000年(初頭)

ヨーロッパでの調査⇒新しい形態には出会わない!!

(景観対応) (景観対応) (？)

ドイツ

アメリカ HPSプロジェクト(1990～)

HPSに適した(or 経済的な)断面

アメリカのHPS開発 PJ

神戸空港連絡橋 (終局強度)

CFT y yf

• Bracing : prefabricated RC slab supporting an inspection path

• Bracing : prefabricated RC slab supporting an inspection path

合成2主I桁橋のリダンダンシー試験

CFTガーダー

2重合成桁

韓国(箱桁の国??)

韓国

－箱桁－

プレキャストPC床版合成開断面箱桁の開発PJ

２重合成桁

HPSハイブリッド桁

無補剛厚板の２箱桁

S 460

S 460S 355

水平補剛材無し

S 690 ?

S 460

S 460S 355

水平補剛材無し

S 690 ?

フランスby J.Raoul(SETRA)

－30年間以上－

許容応力度設計法(WSD)

2002～ 性能照査型設計(道示)

2004～ 限界状態設計法(移行の準備)

形態改革⇒設計法に目を向ける!!

新しい設計!!

・今更，古臭い話するな!!(散々議論して使わなかった!!)

・鋼の塑性モーメント(Mp)は大きくない!!

無補剛の場合，ウェブ厚も厚くなる!!

← どこまで理解されているのか

(橋設計の大先輩を標榜する方々)??

WSD ⇒ LSD

設計法(着目)

γ(部分係数) ⇒ 信頼性の高い(γ)

S(作用) ⇒ 高度(精緻)な解析による応答値(3D-FEA-based design：鋼構造委員会)

R(抵抗) ⇒ 1)塑性域の利用

2)部材レベルの強度評価

→橋全体システムの強度評価

キーワード!!

連続合成桁の復活

(床版架け替え計画込み)

何が変わるか??

合成I桁は現状約5%*(橋梁と基礎，2006年特集号)

*2000～2003年

コンパクト

スレンダー

Mp

My

φ

M

ノンコンパクト

AASHTO EC

断面区分

*Class-1 (形鋼) 断面

⇒使用限界状態で断面決定される!!

θ

M

MP

Mcr

Class-1*

Class-2

Class-3

Class-4

ノンコンパクト断面(終局状態)

スレンダー断面(終局状態)

合成I桁の終局曲げ強度(正曲げ)

2重合成I桁の終局曲げ強度(負曲げ)

－鋼桁(非合成設計)－ －活荷重合成桁－

鋼桁と(活荷重)合成桁の断面性能

断面積 大 小＞

M

Mp

My

φfy

+

‐

+-

0.85fcd

fy

M

Mp

My

φ

+fy

+fy

+fy

-

Mp=(1.1~1.2)My

Mp=(1.4~1.5)My-

薄いウェブ(水平補剛材多数で座屈防止) ⇒ Mp = 1.05My

コンパクト断面のウェブ厚

50* 3,000 3,00015*

－鋼桁－ －活荷重合成桁－

(PART-A,PART-B)

* AASHTO 34mm

EC(Class-2) 40mm* 架設時の安定性ウェブブリージング

(疲労)

何が変わる!!

現行

My

Ma

φ

M

My/1.7 現行

My

φ

MMp

My/1.2(使用限界)

Mp/1.7(終局限界)

－鋼桁－ －活荷重合成桁－

50 50 50

750×26

2924×15

750×38

(SM490Y)As

(SM490Y)0.85As

My=29.5MN･m Mp=51.9MN･m

600×26

2924×15

600×38

中間支点上は変化なし!!

・合成桁の復活

・塑性強度の導入

← 3D-FEA

連続合成桁の

限界状態設計法構築を目指して!!

yw

w E33.067.0

7.1tH

0.1

yw

w E15.2tH 0.1

2

ys

1

ys

1

MM31.2

MM1.01 4.0

MM

ys

1

α’Hw

ψσ1

σ1

Hw

tw

+ =

M1 + M2 = M

α’Hw

ψσ1

σ1

Hw

tw

+ =

M1 + M2 = M

AASHTO LRFDEC ( Class 2 )

: 1.88: 1.42

AASHTO LRFDEC ( Class 2 )

: 1.88: 1.42

4.0E00.2tH

yw

w 4.0E00.2tH

yw

w

M

Mp

My

φ

コンパクト

ノンコンパクト

スレンダー

-

+

σy

αHw

Hw

0.85fcd

-

tw

2.00

コンパクト断面

ノンコンパクト，

スレンダー断面の区別式

Mu/M

p

Dp/Dt

提案(FEA)

EC

AASHTO

-

-

+

Dp

Dt

σy

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

実験

JH,KHI,技大（1996）

中央研究所,技大（2005）

2αHw/tw or 2α’Hw/tw

80 100 120 140 160 180

M1=0.3MysM1=0.4MysM1=0.5MysAASHTO LRFD

M1=0.3Mys

M1=0.5Mys

M1=0.4Mys

AASHTO LRFD

rrr rwpwp80 100 120 140 160 180

M1=0.3MysM1=0.4MysM1=0.5MysAASHTO LRFD

M1=0.3Mys

M1=0.5Mys

M1=0.4Mys

AASHTO LRFD

rrr rwpwp

Mp

My

2αHw/tw or 2α’Hw/tw

80 100 120 140 160 180

M1=0.3MysM1=0.4MysM1=0.5MysAASHTO LRFD

M1=0.3Mys

M1=0.5Mys

M1=0.4Mys

AASHTO LRFD

rrr rwpwp80 100 120 140 160 180

M1=0.3MysM1=0.4MysM1=0.5MysAASHTO LRFD

M1=0.3Mys

M1=0.5Mys

M1=0.4Mys

AASHTO LRFD

rrr rwpwp

Mp

My

Ductility条件

(床版の先行圧壊)

ノンコンパクト断面の強度

橋の設計

次世代3D-FEA

ⅰ)強度解析

ⅱ)環境，耐久性解析

格子解析では床版の荷重分配効果が???

実際，実体(reality)を再現したい!!

・コンクリートのひび割れは???

(荷重に依存して剛性変化=非線形挙動)

・支承のモデル化???

・対傾構，横構のモデル化(梁要素 or シェル要素???)

・ガセットのモデル化(シェル要素???)

・上記部材との接合法(節点結合???)

⇒ シェル要素だ(梁→弾性論)!!

???????????

・要素種???分割数???

S(応答)格子解析(FEA：梁要素) ⇒

3D-FEA(シェル)で設計(reality追求のため)

村越他：FEM解析を用いた鋼多主桁橋の設計合理化の検討，鋼構造論文集(2004.9)⇒ 鋼重量の変化は1～2%(格子解析との比較)

???骨組みモデルによる設計はFEMによる設計の障害???(B+F特集号，2006)

R(抵抗)

部材単位の強度評価*

⇒ 橋システムの強度評価**

･3D-FEAによる支援

･各部材の役割同定

*安全側の境界条件 (現状設計法の範囲でも変革可能)**オリジナル

1) 格子計算をベース

↓

2) 初期設計(通常：最終設計!!)

↓

3) 3D-FEA(現状：シェル要素ベース)を作成

一つの対応案!!

a) 終局限界状態の照査(強度照査とコストミニマム最適断面の探索*)

↑

*設計マンには高度な能力，技能が問われる!!

4)繰り返し計算(性能照査)

b) 使用限界状態の照査(降伏応力の照査)

c) 疲労限界状態の照査(公称応力の算出)

環境，住空間環境，構造耐久性解析

・車両走行⇒振動，騒音予測

・腐食桁の余耐力評価(LCC, BMS)

合成少数主桁橋 + 耐候性鋼材

⇒ 最強のソリューション

耐候性鋼材の使用(長期性能保証)のためには

・飛来塩分

・湿度 etc.

← (長期計測に代わって)環境解析

橋梁断面周辺の飛来塩分の数値シミュレーション

背景

重要課題LCC低減

耐候性鋼材の使用

耐候性鋼無塗装使用条件：飛来塩分量年平均0.05mdd以下

(mg/dm2/day)同じ橋梁でも、部位によって

腐食状況や飛来塩分量が異なる

局部腐食環境推定の可能性の検討

解析領域と境界条件

風速 0.2m/s 0.5m/s 1.0m/s

メッシュ分割図（3節点要素，41980要素）

物質通過累積 解析時間を通じてある点を通過する物質の累計

飛来塩分量計測値と比較可能に

物質通過累積分布

(a) t=100sec

(b) t=100sec 強調表示

2.00

1.00

0.00

1.00

0.00

（v = 0.5m/s）

計測結果と解析結果の比較

-0.0630.1900.155飛来塩分量（計測値）

0.0240.0340.1520.155飛来塩分量（推定値）

0.2090.2951.3121.340物質通過累積（0.5m/s）

D点C点B点A点

C

B

A

ワイヤー

D

※A点の飛来塩分量は計測値

A点における、解析値に対する

計測値の比を係数として、飛来塩分量を推定する

飛来塩分量単位：mdd

2.2m0.9m

（v = 0.5m/s）

物質通過累積分布（v = 0.2m/s）

（v = 1.0m/s）0.00

1.00

2.00

0.00

1.00

2.00

桁付近の物質通過累積 （v = 0.2m/s）

桁付近の物質通過累積 （v = 0.5m/s）

桁付近の物質通過累積 （v = 1.0m/s）

付着塩分量調査結果 （左岸側4.3m断面）

ご清聴ありがとうございました!!