2023 Fiscal Year Annual Research Report
侍の英知である城郭石垣を守る変位計測と数値解析を併用した危険度診断システムの構築
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21H01595
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kokushikan University |
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Principal Investigator |
橋本 隆雄 国士舘大学, 理工学部, 特別任用教授 (40628814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
酒井 久和 法政大学, デザイン工学部, 教授 (00360371)
池本 敏和 金沢大学, 地球社会基盤学系, 講師 (60311677)
若井 明彦 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (90292622)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 石垣 / 診断システム / 非破壊検査 / モニタリング / 組積造 / 熊本城 / 示力線 / FEM解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究は、過去に地震被害があり３Dレーザー測量や地盤調査ができるだけある熊本城、小峰城、松江城、松山城、金沢城、松山城の6名城の石垣を対象とした。しかし、それでも城壁石垣のデータは少ないために、限られたボーリングデータに、表面波探査、弾性波探査等の追加調査を行い、地球統計学の手法（クリギング法）を用いて地層ごとの3次元空間地盤モデルを作成した。
このモデルから各城郭石垣の崩壊・変状・無被害箇所の断面を切り出し、基盤面からの2次元断面図を作成した。本研究の解析は、局所的な崩壊挙動ではなく将来的に設計に用いる震度法を用いて耐震診断するために、地盤全体の挙動や応答が把握できる連続体解析の動的FEMを用い、石垣位置での応答加速度・速度に着目し、被害との関係性を分析した。
本研究では、その解析結果を用いて各地震及び被災履歴による石垣被害要因分析を行った。各地震の被害要因分析は、石垣の各断面について前面の高さと上部勾配及び背面の高さと背後勾配、動的FEM解析による加速度と速度を比較対象とした。この各断面の分析は石垣のタイプ・形状・地盤について、被災履歴の被害要因分析は最大勾配・高さ・天端速度と被災履歴との関係について行った。
熊本城石垣の耐震診断では、橋本らが開発した1段ごとに積み勾配が異なる積み石に作用する土圧を試行くさび法により算定し、石垣の築石に加わる土圧と石垣の自重による合力の軌跡が下の築石に作用する累積示力線法が用いられている。ただし、他の城壁では石垣形状や地盤が異なるため、累積示力線法による限界水平震度の適用性についての検証を行った。
現存石垣の勾配は，江戸期の築城技術を伝える「秘伝書類」の目録書と石墻書が元になっている。そこで本研究は全国にある城郭石垣を保全するために，この2つについて累積示力線を用いて耐震検討をし，多くの石垣形状及び控え長が明確な金沢城で検証を行った。
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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
2022年度までの研究では、熊本城・小峰城・松江城・松山城を調査対象として、石垣の3Dレーザー調査や表面波探査により石垣・地盤の3次元空間モデルを推定して石垣の地震被害分析を行った。また、各城の崩壊現象の被害メカニズムを検証するために3次元FEM解析等や石垣模型の振動台実験を行った。しかし、全国を対象とした石垣危険度診断システムの構築をするためには、各城の形状・構造や実際の地震動が違うため、検証データ数が不足していた。
そこで、2023年度の研究対象は、さらに過去に地震被害があり３Dレーザー測量がある金沢城、松本城の2名城を追加して、同様の被害分析・解析・実験を行った。地盤は、地層ごとの3次元空間地盤モデルを作成し、できるだけたくさんの崩壊・変状・無被害箇所を選定し、対象石垣の断面を切り出し、基盤面からの2次元断面図を作成した。本研究の数値解析で、局所的な崩壊挙動そのものの現象を表現することではなく、将来的に設計に用いる震度法などに用いることを目的としているため、地盤全体の挙動や応答が把握できる連続体解析のFEMを用い、石垣位置でFEMから得られる応答加速度・速度に着目し、被害との関係性を分析した。
本研究では、その解析結果を用いて各地震及び被災履歴による石垣被害要因分析を行った。また、城壁では石垣形状や地盤が異なるため、累積示力線法による限界水平震度の適用性についての検証を行った。さらに、全国に伝わるたくさんの石垣形状の秘伝書について、力学的根拠に照らし合わせるために、累積示力線を用いて、その耐震性を検証した。最終的には、これまでの熊本城も含めた６つの城壁での検証を踏まえて、全国で適用できる簡便な計算手法を用いた石垣危険度診断システムの構築を行った。
現在までの進捗状況は、計画以上に進んでおり、この成果は文化庁の「文化財石垣 耐震診断指針（案）」の資料として利用されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、石垣・地盤変状の動態観測及び石垣の崩壊予測の解析による検証により、以下のモニタリング技術の構築を行う。
1)モニタリングシステムの検討：石垣や地盤に進行性がある場合は危険度ランク評価の常時でも変位を生じ危険性が増すこともあるので、現地の状況に対応したモニタリングシステムを検討する。2)石垣・地盤変状の動態観測：①ステレオカメラによる石垣変状の3D計測、②沈下・ひずみゲージによる変位計測を行う。既に設置してある場合は、既存データを活用する。3)石垣の崩壊予測の解析による検証：①地震時の築石の崩壊範囲の解析、②圧密沈下解析、③豪雨の浸透流解析を行う。4)モニタリング技術の構築：各熊本城，彦根城，松本城の動態観測と解析結果から、実現可能なモニタリング技術を構築する。
また、地震・豪雨の短期危険度予測及び地盤の長期危険度予測により、以下の石垣危険度診断システムの構築を行う。
1)危険度予測システムの検討：石垣の危険ランク評価とモニタリング技術を組み合わせて危険度予測を行い、その簡易な補強と安全対策をシステム化する。2)地震・豪雨の短期危険度予測：①避難/崩壊範囲への立入禁止措置；非常時の避難や崩壊範囲への立入禁止措置を行う。②防護ネット/防護柵の設置；築石の落下予測から、安全策として防護ネット・防護柵を設置する。3)地盤の長期危険度予測：①沈下対策，押え盛土対策；地盤が沈下により崩壊の危険がある場合は、地盤の改良や押え盛土対策を行う。②盛土/軟弱地盤地すべり対策；地盤の滑動があり崩壊の危険がある場合は杭等の抑止対策を行う。4)「石垣危険度診断システムマニュアル」の策定：診断だけでなく、その後の補強対策や観光客の安全対策として使えるシステムのマニュアルを策定する。
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