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構造物に対する津波作用の研究と今後の展望

国土交通省 国土技術政策総合研究所

危機管理技術研究センター 地震防災研究室

東日本大震災報告会～震災から2 年を経て～ 平成25年3月19日

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報告の内容

１．道路橋に作用した津波の推定

- ケース１：小泉大橋

- ケース２：新相川橋

- ケース３：矢の浦橋

２．道路橋に作用した津波の特性

- 作用力と抵抗力の比較

- 浸水深の時間変化

- 流速の時間変化

３．まとめと今後と展望

研究の背景と目的 藤井・佐竹(2011)

小泉大橋

新相川橋

矢の浦橋

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研究の背景と目的

津波が桁の高さまでに達したが，上部構造が流出しなかった橋

津波が桁の高さまでに達し，支承が破壊して上部構造が流出した橋

土研CAESAR提供

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研究の背景と目的

- 東日本大震災では橋の上部構造の流出が多発

- 従来の設計では、津波の影響を特別には考慮せず

- 影響が避けられなくとも工夫して減災できないか？

そのために設計はどうあるべきか？

→ 設計で用いる津波作用の提案

→ 道路橋には実際にどのような津波が作用したのか？

数値シミュレーションで被災の有無、程度を再現

→ 推定される津波の特性は？

ケース１：小泉大橋（宮城県気仙沼市）

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国総研資料646号／土研資料4202号より

小泉大橋

400m流出した桁

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ケース１：小泉大橋（3径間連続鋼I桁 S47指針）

PCケーブル 緩衝チェーン緩衝チェーン

炭素繊維巻立て 炭素繊維巻立て

東日本大震災調査報告会資料

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作用した津波の推定手順

被災状況との整合性確認

津波伝播・遡上解析

数値波動水路解析

作用力と抵抗力を比較

架橋地点の津波波高・流速

藤井・佐竹Ver.4.6(2011)

小泉大橋

新相川橋

矢の浦橋

小泉大橋

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津波伝播・遡上解析（藤井・佐竹モデルVer4.6を改変）

グリッド間隔4,374m

グリッド間隔18m

小泉大橋

地震･津波発生41分後（波高最大）

小泉大橋

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津波伝播・遡上解析の検証

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

0 10 20 30 40 50 60

潮位

偏差

(m)

宮城北部沖:解析値 5.77m [26.33min]

宮城北部沖:計測値 5.7m [27.00min]

GPS波浪計の計測値との比較

国土地理院の浸水域との比較

10

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

浸水

深(m) 対象施設:浸水深 15.0m [44.00min]

対象施設:痕跡高(TT) 13.5m [44.00min]

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

流速

(m/s)

対象施設(U): -7.0m/s [41.92min]

対象施設(V): 3.4m/s [42.17min]

合成流速最大: 7.8m/s [42.17min]

0 10 20 30 40 50 60(min)

路面まで水位が上昇

路面高5.1m(20分以上)

小泉大橋に作用した津波の推定結果

最大浸水深 15.0m

最大流速 7.8m/s

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200m 100m

数値波動水路全体

上部構造

数値波動水路解析（CADMAS-SURF）

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 80 160 240 320

-50000

-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

0 80 160 240 320

時間（s）

抵抗力

死荷重

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作用力と抵抗力の比較

造波100秒後

造波300秒後

造波200秒後

水平波力 [kN]

上揚力[kN]

支承耐力

支承耐力+重量

作用力＜抵抗力

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数値解析モデル作成

地震応答解析

被災状況との整合性確認

本震の地震動推定 余震観測

津波応答解析 津波伝播･遡上解析数値波動水槽解析

被害再現解析の手順（土木学会論文集A1掲載予定）

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本震の推定地震動による地震応答解析

10

100

1000

0.1 1.0 10.0

固有周期 [s]

最大

応答

加速

度 [

cm

/s2

]NSEWタイプⅠ地震動タイプⅡ地震動レベル１地震動

橋の耐震性に影響の

大きい周期帯では

レベル２地震動以下

レベル１は超過

地震応答解析の結果、

①支承の降伏耐力を超える

地震力が作用

②P3橋脚が塑性化

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解析結果と被災状況の比較

①地震作用により大部分の支承が損傷

②地震作用によりP3橋脚基部が塑性化

③津波作用により全支承が損傷、P3橋脚せん断破壊

地震動の影響、支承の各個撃破で被害状況を説明可能

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ケース２：新相川橋（宮城県北上町）

16

上部構造が引き波で500m流出

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ケース２：新相川橋（鋼単純箱桁橋 S55道示）

橋長67.5m

全幅員11.0m

2.5m2.9m津波の方向

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津波伝播・遡上解析

新相川橋

新相川橋

地震･津波発生41分後（波高最大）

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新相川橋に作用した津波の推定結果

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

浸水

深(m

)

対象施設:浸水深 14.2m [41.00min]

対象施設:痕跡高(TT) 11.8m [41.00min]

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

流速

(m/s)

対象施設(U): 1.9m/s [44.58min]

対象施設(V): 0.8m/s [40.17min]

合成流速最大: 2.0m/s [44.42min]

最大浸水深 14.2m

最大流速 2.0m/s

浸水

深(m

)流

速(m

/s)

0 10 20 30 40 50 60(min)

路面高9.6m

陸域での津波遡上速度は平均6.0m/s (Kosa, 2012)

4分間越流

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数値波動水路解析(CADMAS-SURF)

上部構造

200m 100m

数値波動水路全体

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作用した力と抵抗力の比較

造波30秒後

造波90秒後

造波60秒後-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100 150 200

時間（s）

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 50 100 150 200

時間（s）

水平波力 [kN]

上揚力[kN]

支承耐力

支承耐力+重量

上揚力は抵抗力を超過

上揚力＞抵抗力・・・被害状況と整合

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ケース３：矢の浦橋（岩手県釜石市）

下流A1橋台側 構造は健全、照明柱程度の被災

上流側の水管橋は2支間が流出

土研CAESAR提供

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M.W.L=+0.900

最深河床 -2.600

A1 P1 P2 A2

7400

5000

10300

1500

8500

10100

5000

1500

7600

5000

M FM M

950 1400

1400

1000

1200

300

5900

12502500

1250

1250 6000 1250

1400 300

8600

12502500

1250

1200

300

8600

12502500

1250

1200

300

6100

L=30.5m , n=10本

場所打ち杭　φ1000

L=26.0m , n=12本

場所打ち杭　φ1000

L=26.5m , n=8本

場所打ち杭　φ1000 L=29.0m , n=12本

場所打ち杭　φ1000

ケース３：矢の浦橋（３径間連続鋼 I 桁橋 S55道示）

橋長108.6m1400

全幅員15.0m

桁高1.4m

津波の方向

P1橋脚部での断面

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矢の浦橋

矢の浦橋

津波伝播・遡上解析

地震･津波発生37分後（波高最大）

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矢の浦橋に作用した津波の推定結果

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

浸水

深(m)

対象施設:浸水深 10.5m [37.33min]

対象施設:痕跡高(TT) 9.1m [37.33min]

-10.0

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

流速

(m/s)

対象施設(U): -4.3m/s [34.50min]

対象施設(V): -1.3m/s [29.92min]

合成流速最大: 4.3m/s [34.50min]

0 10 20 30 40 50 60(min)

最大浸水深 10.5m

最大流速 4.3m/s

浸水

深(m

)流

速(m

/s)

路面高6.8m

7分間越流

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数値波動水路解析(CADMAS-SURF)

上部構造

造波125秒後

150秒後

170秒後

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-500

500

1500

2500

3500

4500

5500

6500

0 50 100 150 200

-3000 -2000 -1000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 50 100 150 200

時間（s）

水平波力 [kN]

上揚力 [kN]

支承耐力

支承耐力+重量

作用した力と抵抗力の比較

抵抗力を超過しない

作用力＜抵抗力 ・・・ 無被害と整合

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道路橋に作用した津波の特性（波力：上部構造流出）

0

5

10

15

20

水平

抵抗

力・波

力[M

N]

水平抵抗力

水平波力

0

5

10

15

20

25

浮上

り抵

抗力

・波

力[M

N]

浮上り抵抗力

浮上り波力

○抵抗力を大幅に超過するような波力が作用したものは少ない

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道路橋に作用した津波の特性（波力：上部構造存置）

○波力は抵抗力を上回らない

0

5

10

水平

抵抗

力・波

力[M

N] 水平抵抗力

水平波力

0

5

10

浮上

り抵

抗力

・波

力[M

N]

浮上り抵抗力

浮上り波力

○被害状況と整合

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道路橋に作用した津波の特性（水面上昇）

-5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

0 20 40 60

浸水深(m)

時間(分)

小泉大橋新相川橋矢の浦橋沼田跨線橋川原川橋二十一浜橋気仙沼盛土水尻橋新北上大橋片岸大橋気仙大橋歌津大橋

1m2m5m

水面の上昇速度（毎分）

○比較的ゆっくりと水面が上昇している地点が多い

○必ずしも段波上の強烈な津波を想定しなくともよい可能性あり

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道路橋に作用した津波の特性（流速）

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0 20 40 60

流速(m/s)

時間(分)

小泉大橋新相川橋矢の浦橋沼田跨線橋川原川橋二十一浜橋気仙沼盛土水尻橋新北上大橋片岸大橋気仙大橋歌津大橋

○流速は大きいところで6～8m/s○漂流物のビデオ計測による陸域での津波遡上速度

平均6.0m/s (Kosa, 2012)とも整合

- 水位の上昇速度は最大でも毎分 1～2mの地点が多く、

必ずしも段波状の津波を想定しなくともよい可能性あり

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まとめと今後の展望

- 津波伝播・遡上解析と数値波動水路解析の組合せで

被害の有無、被害状況を概ね再現可能

- 特に水平力には流速が大きく影響する。

流速は大きいところで最大6～8m/s程度

- 被災した橋も抵抗力を大幅に超過したものは少ないと推定。

工夫で防災・減災できる可能性あり