Transcript 5. 有限要素法解析による検証

Office of Research and Engineering
有限要素解析
Carl R. Schultheis
プレゼンテーション
1.
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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
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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
•
•
•
•
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有限要素法解析
解析モデル
単純な要素で結合
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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•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
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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