Study on Stability of Vehicles on Bridges under Strong Winds by Numerical Simulation
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20K04659
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
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| Research Institution | National Institute of Occupational Safety and Health,Japan (2022)
Tokyo University of Science (2020-2021) |
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Principal Investigator |
金 惠英 独立行政法人労働者健康安全機構労働安全衛生総合研究所, 建設安全研究グループ, 任期付研究員 (80736439)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
勝地 弘 横浜国立大学, 大学院都市イノベーション研究院, 教授 (80303080)
藤野 陽三 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 名誉教授 (20111560)
シリンゴリンゴ ディオン 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (60649507)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
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| Keywords | 横風 / 橋梁 / 変断面 / 防風柵 / 車両安全性 / 車両横転 / 数値流体解析 / 風洞実験 / 車両安定解析 / 橋梁上車両 / 車両圧力測定 / 橋梁上車両安定性 / 横転 / 数値解析 |
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| Outline of Research at the Start |
海峡部橋梁上の車両は風を遮るものがなく，より強風の影響を受けやすく，問題が深刻である．強風時には速度規制や通行止め規制が取られるが，判断基準が科学的根拠に乏しく，横転事故を防ぎきれていない状況にある．
本研究では，橋梁上の車両の横風安定性について検討を行う．数値流体解析および風洞実験により橋梁上の車両に対する空気力係数を求め，その空気力係数を用いた車両の動力学的安定解析から横転現象発生の限界風速を求める. 以上より，車種，各車線，車高，および風の偏角ごとに不安定現象に対する限界風速が決定され，車高や車線によって異なる横風に対する走行安全性を定量的に把握し，合理的な通行規制基準の提案を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
周囲に風を阻害する物がない橋梁上において，横風は車両の安全な走行を妨げる大きな要因であり，横滑りや横転事故に繋がる可能性がある。特に橋桁の高さが変わる変断面桁部において急激な風速変動が見られる事が既往研究で分かっている。そこで，本研究では，変断面桁上の横風特性を，風洞実験により明らかにし，急激に横風が変化する箇所を確認することで効果的な遮風対策につなげることを目的とする。
本実験では，熱線風速計を用いて変断面桁上の風速を測定し，その結果を，橋梁上の風速と流入風の風速の比である風速比で整理する。風速比が1を超えると風が加速され危険であり，風速比が1の高さを剥離したせん断流の高さだと考える。本実験では，平均値，最大値（実スケールの3s間の移動平均値），標準偏差の3つからコンター図を作成し，考察する。なお，風速によるレイノルズ数の影響を調べるため，本実験の前に5m/s（レイノルズ数6610）と9m/s（レイノルズ数11900）で実験を行い，レイノルズ数影響がないことを確認した。
風洞実験は，横浜国立大学が有する風洞施設(1.8m×1.8mの測定断面を持つ回流型風洞)にて行なった。本研究で対象とする橋梁は桁高が変化する変断面桁を持つ鋼床版箱桁橋である。今回は図2のような変断面桁の一つのスパンを考え縮尺1/300で模型化し風洞実験に用いた。模型は木材と厚紙を用いて作成した。対象とする変断面桁の模型の寸法を図2に示す。また，風上側の車線を車線1，風下側の車線を車線4とする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度には，東京湾アクアラインにおける変断面桁上の横風特性を，風洞実験により明らかにし，急激に横風が変化する箇所を確認することで効果的な遮風対策につなげる研究を進めた．その結果を以下にまとめる．
１）車線1の平均風速から，橋桁から剥離したせん断流は桁高の高さに応じて高さを変えていることがわかる。とくにある断面の高さ3m付近で平均風速が急激に変化するのが観察できた。平均風速，標準偏差，最大値のいずれの値も橋軸方向の移動変化を見ると，風速比が小さい値から大きい値に急激に変化している。これは走行する実車両にとって，安定性を損なう可能性が高く，注意すべき箇所であると言える。
２）車線4の平均風速，標準偏差，最大値に関しても桁高の影響を受けている。標準偏差に関して車線1と比べると，車線4の方が大きな値を示し，風速の時間変動が大きい。車線4に関して，スパン中央で，それぞれ最大風速が高く標準偏差も高い傾向にある。つまり，風速変動が大きく，弱風や無風の瞬間もあれば強風が作用する瞬間もある。また，橋軸方向の移動変化の観点でも，風速が急激に変化していることから，車両走行の安全性に影響を与える可能性が高い。桁高が一番高い橋脚付近の辺長比（B/D）が2.19で，スパンの中央である薄桁の辺長比は3.84である．風上側の車線1の風速分布である断面付近で急激に横風が変化した原因は，箱桁の長方形断面の流れ場が，完全剥離型の流れ場から再付着型の流れ場に切り変われたことが考えられる。
以上のように，横風が急激に変化する箇所が風洞実験により特定できたため，この危険な場所に防風柵を最適なサイズに設計し検討することが期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で行った風洞実験及び数値流体解析と車両の安定解析の結果より，車種や
車線ごとに，車両に作用する空気力及び限界風速は異なる結果を示した事より，現行の一様な規制基準に代わる車種別，車線別の合理的な通行規制基準を適用できる可能性が示された．さらに，対象の橋梁の変断面桁上の横風特性を，風洞実験により明らかにし，急激に横風が変化する箇所が特定できた．
風洞実験結果を元にこの危険な場所に防風柵を最適なサイズに設計し設置することで，車両走行安全性に最も効果的かつ現場により適用可能な対策を提案する．
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Report
(3 results)
Research Products
(5 results)
