Users Product Trial Report
ユーザ製品体験レポート

株式会社アーバン設計 耐震設計部
大葉 勇輝

使用製品 UC-BRIDGE(分割施工対応)(旧基準) Ver.10 基礎の設計・3D配筋(旧基準) Ver.2Engineer’s Studio® Ver.11

既設橋梁の耐震補強設計にて、PCラーメン式橋脚のプレストレスを考慮した初期断面力を「UC-BRIDGE」、動的解析用の固有周期算定用基礎ばね値を「基礎の設計」によって算出し、それらをEngineer’s Studio®と連動させる活用法について紹介する。

レベル2地震時の橋梁耐震補強設計における設計・解析ソフトの活用について 【前編】

株式会社アーバン設計 耐震設計部
大葉 勇輝(おおば・ゆうき)

2013年、株式会社アーバン設計入社。主に既設橋梁のメンテナンス業務に従事する。近年では、既設橋の耐震性能を非線形動的解析により照査し、対策工法の計画と立案を行う耐震補強設計業務に携わる。

はじめに

「UC-BRIDGE」は、本来コンクリート道路橋の上部工設計計算プログラムであるが、今回はPCラーメン橋脚を対象に、既設橋梁の耐震照査用動的非線形解析モデルで考慮するための初期断面力を算出するツールとして利用した。また、「基礎の設計」では照査は行わずに固有周期算定用基礎ばね値のみを算出するために利用している。何れも計算結果データをEngineer’s Studio®と連動させることによって、初期モデルの作成時間の短縮やデータ間の整合を図ることを目的とした。


施設概要

施設は既設の2径間連続鋼鈑桁橋で、下部工は上下線一体のラーメン式橋脚3基となっている。3基の内2基がRC3柱式ラーメン橋脚、1基がPC2柱式偏芯ラーメン橋脚である事から軸力変動及び2軸曲げ状態が予想され、動的解析に使用する非線形梁要素はファイバー要素を使用することとした。
※ファイバー要素は断面をメッシュ分割し、分割された要素ごとに非線形の構成則(軸応力-ひずみ関係)を与えそれを積分することによって断面剛性を評価する。時刻歴応答解析の軸力変動や2軸曲げに逐次追随した断面剛性を自動で考慮することができる。


図1 構造図 2柱式PC偏芯ラーメン橋脚

解析の流れ


1.UC-BRIDGEデータの作成→初期断面力の算出→Engineer’s Studio®データをエクスポート。
2.基礎の設計データの作成→固有周期断定用基礎ばねの算出→Engineer’s Studio®へ入力。
3.Engineer’s Studio®データを編集、追加設定後現況モデルの解析を実施。
4.現況モデルの解析結果より補強方向を検討し補強モデルを作成。補強検討を実施。
5.検討を繰り返し照査がOKとなれば完了。

  

図2 解析の流れ



UC-BRIDGEデータ

PC2柱式偏芯ラーメン橋脚の初期断面力算出用としてUC-BRIDGEデータを作成した。橋脚の梁部分を橋梁の上部工として、柱部分を下部工としてそれぞれ入力している。PC鋼材は梁にのみ配置されており、縦断線形、水平方向の配置、PC鋼材の諸元、導入応力度などを入力している。変断面の場合、指定した分割節点位置による平均断面を指定すれば、エクスポート時に自動で算出しデータに反映させることができる。PC鋼材のみではなく、鉄筋についても断面内に配置された状態でデータ連動されるためデータの作成時間を短縮することができる。


図3 UC-BRIDGE モデル図

図4 PC鋼材配置図/UC-BRIDGE PC鋼材縦断図



図5 UC-BRIDGE 初期断面力(合成応力度)

図6 Engineer’s Studio®初期断面力(連動後)



解析の流れ


1.UC-BRIDGEデータの作成→初期断面力の算出→Engineer’s Studio®データをエクスポート。
2.基礎の設計データの作成→固有周期断定用基礎ばねの算出→Engineer’s Studio®へ入力。
3.Engineer’s Studio®データを編集、追加設定後現況モデルの解析を実施。
4.現況モデルの解析結果より補強方向を検討し補強モデルを作成。補強検討を実施。
5.検討を繰り返し照査がOKとなれば完了。

図7 基礎の設計データ

図8 固有周期算定用基礎ばね:
基礎の設計

図9 固有周期算定用基礎ばね:Engineer’s Studio®


Engineer’s Studio®データ:既設


解析モデルは冒頭で記載した通り、ファイバー要素を用いたレベル2地震時耐震照査用の動的非線形解析モデルとしている。UC-BRIDGEからエクスポートされたデータを利用し、Engineer’s Studio®で他の橋脚2基と上部工他を作成、基礎ばね値などの設定を行っている。

図10 現況モデル:Engineer’s Studio®(骨組み)

図11 現況モデル:Engineer’s Studio®(ソリッド)

図12 ファイバー断面:柱(現況)


解析結果:既設


照査は各橋脚に対して、PC橋脚の梁は、降伏耐力My及び終局耐力Muの判定を鉄筋及びPC鋼材による限界状態で行った。また、下部工に対して曲げ変形(降伏曲率φy、許容曲率φa、終局曲率φu)、せん断耐力の照査などを部材に応じて行っている。その結果、橋軸方向タイプⅠ、タイプⅡ、橋軸直角方向タイプⅠ、タイプⅡすべてのケースにおいてNGが発生した。なお、橋軸方向に比べて橋軸直角方向がより厳しい結果となっている。そのため、橋軸直角方向タイプⅡの照査結果一覧表を示す。


表1 照査結果一覧表:既設(柱部材)


表2 照査結果一覧表:既設(梁部材)


同じく橋軸直角方向タイプⅡのファイバー要素のひずみ損傷図(コンクリート)、偏芯橋脚柱基部のひずみ損傷図及び、偏芯橋脚上部工慣性力作用位置における橋軸-橋軸直角方向時刻歴変位グラフを参考に示す。

図13 ファイバー要素ひずみ損傷図(全体)

図14 ファイバー要素ひずみ損傷図
(柱基部)

図15 節点時刻歴変位グラフ
(橋軸-橋軸直角2方向)


補強検討、解析結果


現況照査の結果より補強対象の部材、補強方法などを決定し補強検討を行った。補強方法は、橋脚柱部材に対する曲げ耐力、靭性、せん断耐力の向上を期待できるRC巻立て補強を採用している。複数回の検討の結果、最終的にすべての照査でNGはなくなった。

図16 補強モデル:Engineer’s Studio®(ソリッド)

図17 ファイバー断面:柱(補強-RC巻立て)


既設照査と同じ橋軸直角方向タイプⅡの照査結果一覧表を参考に示す


表3 照査結果一覧表:補強後(柱部材)


表4 照査結果一覧表:補強後(梁部材)


おわりに


「UC-BRIDGE」「基礎の設計」を使用して、Engineer’s Studio®の既設橋現況解析モデルを作成し、補強検討まで行った。「UC-BRIDGE」との連動により、初期モデルを個別のプログラムで作成するよりも短い時間で完成させることが出来た。また、当初設計資料より再現する場合は、要素分割の違いなどが問題となるため整合が取れなくなるケースも多い。今回は動的解析モデルの要素分割と断面が一致し、整合の取れたデータとなっている点も大きな利点であった。

(Up&Coming '24 新年号掲載)



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