Office of Research and Engineering 有限要素解析 Carl R. Schultheis プレゼンテーション 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 橋梁概要と崩壊 崩壊時の橋梁上の工事状況 ガセットプレート不適切性 有限要素解析 設計と検証手順 橋梁許容荷重評価と許容荷重解析 橋梁点検 ガセットプレート点検 Board Meeting HWY07MH024 概要 有限要素解析アプローチ モデル化および入力条件 事故時のU10ガセットプレートの荷重 橋梁耐力を上回るU10ガセットプレート の応力レベル • 崩壊開始メカニズム • 崩壊の原因とならなかった要因 • • • • Board Meeting HWY07MH024 有限要素法解析 解析モデル 単純な要素で結合 Board Meeting HWY07MH024 変形と応力の 計算結果 有限要素解析の適用 • 崩壊構造を物理的観点からモデル化 • 有限要素解析の利用目的 – 橋梁上の荷重による影響を評価 – 応力度を把握し、崩壊機構を調査 – 物理的観点から導かれる所見の評価と その補強 – 新所見の提供 • U10とL11節点に着目 Board Meeting HWY07MH024 有限要素解析チーム • FHWAターナー-フェアバンク道路研究所 – 橋梁全体系をモデル化 – U10とL11節点は詳細なモデル化 • ストーニーブルックニューヨーク州立大学 （SUNY）とSimulia（ABAQUSソフトウェア開発 者） – U10とL11節点の詳細なモデル化 • 複数関係者による照査と入力 • サンディア国立研究所による照査 Board Meeting HWY07MH024 橋梁全体系モデル • トラス部材は接点間を直線で連 結 • ガセットプレート無し Board Meeting HWY07MH024 FHWA全体系モデル • 各種の荷重条件における部材力を計算 • U10とL11の詳細なモデル化のため，作 用荷重とトラスの変形状況を解析 • 橋梁設計（ガセットプレート以外の）結果 は，AASHO仕様に整合していた Board Meeting HWY07MH024 詳細なモデル U10西 L11西 詳細なモデル • ガセットプレートの応力度と変形を直接的に 算定 • 全体系モデルによる解析で、トラス構造にお ける荷重と変形状況を正確に定義する • 解析では，詳細モデルから全体形モデルへ のフィードバックを考慮する • 崩壊開始機構を正確に把握するためには，こ のようなフィードバックを繰り返す必要がある。 Board Meeting HWY07MH024 コンピューターモデルへの入力 • 設計図面と製作図面 • 鋼の重量 • コンクリート重量 – 当初設計 – 1977年の床版増厚分 – 1998年の凍結防止機構の重量 – 2007年の南行車線での床版撤去分 • 橋梁の荷重履歴に従って順序に載荷 Board Meeting HWY07MH024 コンピューター・モデルへの入力 • 降伏応力を越える材料特性入力ため，U10ガ • • • • • セットプレートから供試体を作成して引張試験 U10とU10’近傍の主構トラス，および床トラス10 からの供試体による引張試験 U10ガセットプレートCharpy V-ノッチ試験 U10ガセットプレート破壊耐久性試験 U10とL11ガセットプレート硬度試験 試験結果より，材料特性には，注目すべき欠陥 は，認められなかった Board Meeting HWY07MH024 コンピューター・モデルへの入力 • 1999のひずみゲージデータにより，調整し • • • • • た支承条件 U10ガセットプレートの屈曲変形 L11ガセットプレートの腐食による断面欠損 通行車両および建設資材と建設機械の重 量と位置 周辺温度 東から西へ変化する温度分布 Board Meeting HWY07MH024 コンピューターモデルからの結果 • 橋梁履歴を上回る荷重載荷 • U10Wのガセットプレートの応力状況 • 損傷開始メカニズム • U10Wにおけるガセットプレートの屈曲 • U10WとU10Eの比較検証 Board Meeting HWY07MH024 U10Wガセットプレートにおける荷重増加 U10Wガセットプレート の最大荷重 崩壊時の 総荷重 Board Meeting HWY07MH024 建設資材と車両 交通 1998年の凍結防止改修 1977年の床版増厚 （切削無し） 当初設計の死荷重 U10Wガセットプレートの荷重増加 AASHO準拠設計に おけるガセットプ レート耐力 適切な設計における余剰 耐力の喪失 建設資材と車両 U10Wガセットプレート の最大荷重 崩壊の総荷重 Board Meeting HWY07MH024 交通 1998年の凍結防止改修 1977年の床版増厚 （切削無し） 当初設計の死荷重 崩壊荷重へ到達 崩壊時 崩壊 レベル 2007年改修 限界荷重 1977年改修 1998年改修 当初設計 荷重の上界 荷重の変動 荷重の下界 時間 Board Meeting HWY07MH024 荷重変動の要因 荷重の上限 荷重変動 荷重の下限 事故時における変動要因 •交通 •量 •位置 •運動 Board Meeting HWY07MH024 •気候 •風 •温度 •建設工事 •量 •位置 •運動 当初設計（1967年）における死荷重 オレンジ，赤色： 降伏点を超えた箇所 応力 降伏点 許容値 0 引張 Board Meeting HWY07MH024 斜材 圧縮 斜材 1977年，1998年の改修後 オレンジ，赤色： 降伏点を超える箇所 応力 降伏点 許容値 0 引張 Board Meeting HWY07MH024 斜材 圧縮 斜材 事故発生時の荷重 オレンジと赤色： 降伏点を超える箇所 応力 降伏点 許容値 0 引張 Board Meeting HWY07MH024 斜材 圧縮 斜材 ガセットプレート１インチ厚の場合（事故時荷重） 応力 降伏点 許容値 0 引張 Board Meeting HWY07MH024 斜材 圧縮 斜材 事故時の荷重 オレンジと赤色： 降伏点を超えた箇所 応力 降伏点 許容値 0 引張 Board Meeting HWY07MH024 斜材 圧縮 斜材 シミュレーション－損傷開始 斜方向 引張 斜材 断面方向 圧縮 斜材 Board Meeting HWY07MH024 10ガセットプレートの局部座屈 2003年の写真 コンピューター・モデル ガセットプレートの局部座屈 • 不安定性の引き金となった余剰耐力の減 少 • 圧縮斜材上端部の面外方向への変形， 残骸調査結果と整合 • U10ガセットプレートの耐力不足の状況 • 局部座屈のような変形が，確認，評価され るべきである。 Board Meeting HWY07MH024 U10ガセットプレートの端補剛材 補剛材を設ける部分 端補剛材はガセットプレートの降伏防止には寄与しない Board Meeting HWY07MH024 U10西とU10東の比較 応力 U10東 降伏点 許容値 0 U10西まち U10西 プレートはそうした より大きなストレス 事故時点でより高 い応力が発生して いる 崩壊要因から排除された事項 • L11節点のガセットプレートの腐食 • 事故当日の外気温変動による温度応 力 Board Meeting HWY07MH024 腐食したL11のモデル化 腐食部分 L11Wの腐食部分－事故時の荷重条件 応力 降伏点 0 U10に比べ降伏域が少ない Board Meeting HWY07MH024 L11ガセットプレートの腐食 • U10西の荷重には，影響しない • U10西の不安定性の起因となるような荷 重ではなかった • U10西で不安定性の起因となった荷重 よりも，高い荷重に抵抗できる Board Meeting HWY07MH024 温度の影響 • 外気温が華氏73度から華氏92度に上昇 • 主構トラス内で異なる温度分布 – 東側トラスは，外気よりおよそ華氏１度高い – 西側トラスは，外気よりおよそ華氏11度高い • 均一な温度上昇あるいは不均一な温度上昇における 熱膨張 – 不安定性が発生したU10W圧縮斜材の作用力が減少 • 評価：構造的熱膨張は，崩壊における主要因ではな い。 Board Meeting HWY07MH024 まとめ • 節点U10Wにおける高応力状態のガセットプレー トが，高荷重が作用する圧縮斜材上端の横方向 の移動を抑止できなくなった時点で，節点U10W から崩壊が始まった。 • AASHO仕様を満たすガセットプレートであれば， 事故時の荷重に対しても，安全であった。 • 局部座屈したガセットプレートにより，部材耐力 が低下し，主構面外への変形が発生した。この ことは，残骸調査結果とも整合していた。 Board Meeting HWY07MH024 まとめ－崩壊要因とはならなかった要素 • L11節点のガセットプレートの腐食は，崩壊の原因 とならなかった。 • 均一な温度変化あるいは不均一な温度変化によ る熱膨張は，崩壊で重要な要因ではなかった。 Board Meeting HWY07MH024 Board Meeting HWY07MH024
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