| 研究課題/領域番号 |
19K04573
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
宮下 剛 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (20432099)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 維持管理 / 鋼橋 / 補修 / CFRP / FEA / 部分係数設計法 |
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| 研究実績の概要 |
全国にある橋梁の数は，約73万橋と言われる．これらの多くは1960年代の高度経済成長期に建設され，2018年時点で建設後50年を経過した橋梁の割合は25%に達し，10年後の2028年では50%を超えると推定される．このような状況を受けて，平成26年に，全ての橋梁について，その点検を近接目視により，5年に1回の頻度で行うことが法令化され，平成30年度に1サイクル目が終了した．
確かに，これまで現況すら把握してこなかった橋梁の点検を法令化して実施することは重要である．しかし，問題は，老朽化する橋梁の数が確実に増加することが明らかな中で，現状は橋梁を「見る」ことに主眼が置かれ，限られた予算のもと，「見つかった」損傷に対して，どのように具体的な措置を行うかという議論が皆無なことである．合理的に考えれば，現時点から，判定区分Ⅳが含まれるかもしれない判定区分Ⅲと判定された橋梁に対して，予防保全の視点に立った対策を行う必要がある．
ここでは，効率的な補修工法の開発が求められる．鋼橋に対しては申請者が開発を進めてきた炭素繊維（CFRP）シートによる補修工法が有効である．近年，橋梁における損傷形態として，設計時点の想定が困難であり，かつ点検も容易ではない部位に腐食損傷が見つかり始めている．例えば，上路ワーレントラス橋におけるガセットプレートと下弦材が接続する溶接部の腐食損傷である．そこで，今年度は，これらの腐食損傷に対するCFRPシートを用いた補修工法の確立に向け，鋼トラス橋のガセットプレートを対象とし，溶接部の腐食損傷量をパラメータとした三次元複合非線形有限要素解析を実施して，実験結果との比較から解析方法の妥当性検証，残存耐荷力の把握を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究で解析対象とした既往実験の試験体は実橋の1/2であり，損傷形態として腐食による断面欠損を想定した．試験ケースは，健全なガセットプレートを有する1ケースとガセットプレートの断面欠損量をパラメータとした2ケースの合計3ケースである．試験体の断面欠損は，ガセットプレートにザクリ加工を与えて模擬した．
各試験体について，主にシェル要素を用いたFEAモデルを作成し，複合非線形FEAを実施した．荷重－変位関係，終局強度，崩壊形態等について，実験結果と解析結果を比較し，解析の妥当性を確認した．この結果，腐食損傷量に応じた残存耐荷力を把握するとともに，腐食損傷量に応じて，終局時の破壊モードに変化が生じることが分かった．具体的には，腐食損傷量が小さい場合は，断面欠損部やガセットプレートの自由端に局部座屈が発生し，腐食損傷量が大きい場合は，断面欠損部がせん断降伏してせん断座屈の発生が顕著となった．腐食損傷量に応じた残存耐荷力ならびに破壊モードの変化を明らかにするために，腐食損傷量をパラメータとしたFEAを実施した．
パラメトリックFEAから，腐食部の高さと板厚減少量をパラメータとして，残存板厚量と残存強度の関係曲線を得た．残存板厚量が大きい場合の破壊モードは局部座屈であり，残存板厚量が小さい場合の破壊モードはせん断降伏に伴うせん断座屈である．このような知見は，これまで得られてはおらず，補修工法の選択に対しても有益な情報となる．また，残存耐荷力の評価については，FEAによらない簡易評価式の作成を進めた．さらに，CFRPシートを接着貼付した鋼部材の非線形解析方法の構築に向けて，一次元の棒材を対象とした基礎検討も進めた．
以上より，研究の進捗状況として，概ね順調に進展しているものと判断する．
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| 今後の研究の推進方策 |
道路橋示方書が限界状態設計法に移行し，維持管理に対しても限界状態設計の適用を，と言われ始めた昨今，CFRPシートが接着貼付された鋼構造物については，補修時の耐荷力や終局状態の把握が必要である．しかし，現状では，弾性域の評価に留まっている．この理由としては，接着層やCFRPシートの限界状態の設定を含め，適切な解析方法が確立されていないことによる．
これまでの検討を通じて，CFRPシートで補修・補強された鋼部材の最大耐荷力は，母材とCFRPシート界面のはく離により決まることが多いことが分かった．このため，CFRPシートを用いて効果的な補修・補強を行うためには，鋼部材とシート間の付着界面の力学挙動やシートのはく離メカニズムを把握することが必要であり，鋼部材とシート間にある接着剤の破壊を考慮することが可能な理論ならびにFEAの構築，そしてこれらの検証と接着界面の物理モデルの構築に向けた実験が必要である．
既往の研究でも，CFRPシートのはく離強度を接着材に生じる最大主応力で評価する事例があるものの，接着剤の非線形材料特性の検討は十分ではない．また，FEAでも，CFRPシートや接着剤の厚さが薄いことからモデル化が難しく，CFRPシートの異方性や接着界面の付着モデルを十分に考慮した解析手法に関する研究はほとんどない．そこで，本研究では，CFRPシートにより補修・補強された鋼部材を対象として，シートと接着剤の力学挙動や付着界面のはく離挙動などを考慮した理論解析ならびにFEAを用いた解析手法の構築を目指す．そして，CFRPシートを接着貼付した鋼トラス橋格点ガセットプレートに対して，パラメトリックFEAを行い，効率的かつ効果的な補修・補強工法を提案する．
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