HOME > 訪問インタビュー > 大学訪問

九州大学大学院 工学研究院 様構造物の耐震向上を目指して

お話を伺った方

大塚 久哲 教授(工学博士)大塚 久哲 教授
工学博士

研究テーマ
  • コンクリート橋、鋼橋、鉄塔、免震橋、地中構造、振動制御、地震動予測、設計入力地震動、地盤震動の増幅メカニズム、構造物の動的挙動、構造物の耐震診断、危険度評価、震後対応
  • 地質構造の形成や物質移動現象に関する数値モデル解析
  • 各種物理探査技術の資源開発と土木地質分野への応用

九州大学は研究院、学府(大学院)、学部の3階層になっており、教授は研究院に所属し、大学院や学部の学生の指導をするという形をとっています。こうした階層化の狙いは、将来、大学院や学部をその時々のニーズに合わせて再編しやすいということにあるようです。
工学研究院建設デザイン部門構造及び地震工学講座の地震工学関連では、地震動の予測・特性把握から、橋梁・地中構造物の地震応答解析、新しい耐震設計法の開発、免震・制震構造の開発、GISを用いた震災対策技術など幅広い研究課題に取り組んでいます。
今回は、同講座の「建設振動工学研究室」を訪問し、大塚 久哲 教授にお話を伺いました。

性能設計時代に対応した設計技術者を育成

当研究室では、性能照査型設計の時代に対応できる質の高い技術者の養成を目指しています。 従来の仕様設計では、設計者は細かく決められている仕様どおりに設計すればよかったのですが、性能設計では設計者の判断が求められる領域が広くなっており、勉強のしがいがあると学生には言っています。 発注者側に提案(どういう形で性能を照査したらいいかなど)できるような技術者になってもらいたい。 そのためには構造物が荷重を受けたときにどのように変形していくか、また破壊にいたるまでの過程などがわかっていないといけません。 そこでまず実験をきちんとやって、構造物の破壊を認識し、それから非線形の挙動を取り込んだ解析を行うというように、実験と解析の二本立てで教育を進めています。 社会に出るとなかなか実験はできないので、ものを壊すとか振動台で揺らすという実験はなるべく多く学生に経験させたいと思っています。

解析については、われわれの若い頃は自分でプログラムを作ったものですが、今は良いソフトウェアが普及しているので、その中の質の高いものを使っています。 学生は短期間で、解析結果を出し、考察し、論文に仕上げなければなりません。 そこで、ツールとしてのソフトは使いやすく、オプションが豊富で、要求すれば手直ししていただけるとか、問い合わせに対するレスポンスが早いなど、フォロー体制が整っているものが望ましいということになります。 今はプレゼンテーション能力の育成が重要視されていますから、良いプレゼンテーションができるポスト処理の機能が揃っていることも必要です。

また、大学や企業の研究所の研究成果が取り入れられ、それらを使ってさらに先端の研究が行えるようなソフトもありがたいです。 研究者と開発者との間のコミュニケーションがとれているソフトがいいですね。

CRCのソフトウェアを多数利用

DINASで不整形地盤の地震増幅特性、LS-DYNAで桁端衝突を解析、等

CRCが提供するソフトウェアでは、これまでに、DYNA2E(骨組構造物系動的解析)、DINAS(地盤FEM系地震応答解析)、D-WAVE(地震動作成/波形処理)LS-DYNA(衝撃系構造解析)FINAL(コンクリート構造FEM非線形解析)を利用してきました。 またMIDAS/Civil(3次元構造解析トータルシステム)はファイバーモデルを用いて今後の研究に活用の予定です。 DINASは、地中構造物の横断方向の解析、地下免震、不整形地盤内にある地中構造物の縦断方向の解析などで使用しています。 福岡の都市高速道路の大型橋梁、鋼斜張橋の耐震補強の検討を福岡北九州高速道路公社と共同研究で行っており、それにはDYNA2Eを使用しています。

DINASによる地下構造物の耐震設計法の高度化・免震化に関する研究例図1 DINASによる地下構造物の耐震設計法の高度化・免震化に関する研究例

LS-DYNAは、鋼連続箱桁橋の桁端の衝突解析に利用しました(『橋梁と基礎』2002年12月号掲載)。 阪神大震災以降、桁の衝突がいろいろ検討されていますが、その多くは、通常のばねモデルです。 橋の耐震補強を検討するときに、費用がかさむ河川内の橋脚の補強を避けるために免震支承に変えてはどうかという案を出しましたところ、 桁の変位が大きくなって橋台に衝突するが、桁は大丈夫かということが課題となりました。 ところが骨組構造解析では、桁がぶつかる速度などは計算できても、その後、桁はどうなるのかという計算ができません。 それでLS-DYNAを使って、桁がどのくらい変形するかを解析したのです。

LS-DYNAによる支承の損傷要因分析の例図2 LS-DYNAによる支承の損傷要因分析の例

桁の変形の度合いがわかれば、どれくらい補強したらよいかわかります。 解析では、何径間もある桁を全部モデル化するわけにはいかないので、1径間だけモデル化しましたが、他の部分の質量をどれくらい取り込めばよいかが当初分かりませんでした。 土木分野でのLS-DYNAの実績が少ないので、モデル化には苦労しました。 ソフト提供側でもこうした知見を集めて共有できるようにしていただければ、今後、もっと利用者が増えるのではないでしょうか。 解析の結果、桁端が衝突して損傷する程度や、補強を行った場合は損傷を軽微にできる可能性があることがわかりました。

いま研究室では、橋脚は地震時に桁の慣性力をなるべく受けない、桁は地震時に自由に動くという、低摩擦すべり支承を有する橋梁システムの研究を支承メーカーと共同で行っています。 今後は、桁と橋脚は別々に動くものと考えて補強対策を考えることができるようになるでしょう。

傾斜地盤で加速度が増幅―福岡県西方沖地震

2005年3月20日の福岡県西方沖地震では、当研究室も被害調査を行いました。 福岡市の中心部を通る警固断層という活断層があります。 福岡市内の中心・天神から少し西側、赤坂、警固、大名といった地名のところで、硬い地盤が東側に傾斜して落ち込んでいるところがあります。 東に100~200m進むと50~60mくらい基盤が下がっている、それを傾斜基盤あるいは不整形地盤と言いますが、今回の地震ではそこで地震動が増幅しました。 大名地区の新しいマンションで被害が大きかったのは、それによるものです。

この傾斜地盤については、われわれも以前から研究していました。 地中の水道管やガス管、地下鉄などは、傾斜地盤のところで軸方向にひずみが違ってきます。 軟弱地盤では変位が大きくて、固い地盤では変位が小さいので、その中間でどうしても引っ張られる、あるいは圧縮されるということになり、そこで被害が大きくなるのです。

こうした解析をするには、3次元、2次元の有限要素法を使うのですが、これにDINASが有効でした。 地震後すぐに3次元モデルを使って計算して、やはり傾斜地盤の真上で加速度が大きくなるという結果を得ました。 建物被害や地中に設置した地震計の観測値とも整合性のある値が出ています。 この件はDINASで短期間で解析できたので、4月6日が原稿締め切りだった『土木学会誌』5月号に、解析結果を含めた被害報告を載せることができ非常にタイムリーでした。(土木学会誌2005年5月号、p37-38に解析例が掲載)

モデル中央断面(北東-南西方向)における南北および東西方向の加速度分布(地表面)図3 モデル中央断面(北東-南西方向)における南北および東西方向の加速度分布(地表面)
(土木学会誌2005年5月号)

今度の地震の教訓として、こういう傾斜地盤や局所的な軟弱地盤の堆積したところでは、設計地震動を少し割増する必要がある、という提案をしたいと考えています。 大名地区だけでなく、他にも福岡市の西部や南部、春日市などで局所的に被害が大きい場所がありましたが、そこはやはり基盤面が深いのです。 そういうところをたくさん解析すれば、凹地の状態や不整形地盤の形状・寸法などによってどの程度の地震動の増幅が起こるか、定量的な傾向がつかめると思います。

このような地震動の増幅に対する手当ては設計的にはされていません。 今回の地震では、天神で280ガル弱、大名地区では480ガル強と1.7倍くらいの地震動の違いがありました。 280ガル程度なら建物にはほとんど被害はでませんが、それ以上だと被害が発生する可能性が大きくなります。 そこで設計地震力の増幅係数などを考えておけば、被害が起きなかった可能性もあります。

橋梁の耐震補強と地震動の増幅係数算出

私自身の今後の研究の興味は、やはり橋梁の耐震補強にあります。 阪神大震災以降、動的耐震設計が導入され、地震時に複雑な挙動をする橋梁に対する解析手法はほぼ確立しています。 また、それと同時に性能照査による設計法が導入されましたが、構造物の部材レベルでの健全度を判定して、橋梁全体の性能水準を確保していくということを、土木学会の動的設計法小委員会できちんと整理し、それを世に問うているところです。

いまもっとも手薄なのは、長大橋梁や河川内の橋梁の耐震補強です。 この面で貢献できればと思っています。 長大橋に関しては骨組やファイバーモデルで解いて、なるべく低コストの耐震補強の方法を考えていきます。 地震時の挙動を解析できちんと押さえて、被害を防ぐためにどのようなことをやればいいのかを解析で追っていければ、工事費はそれほど膨らまないのではないでしょうか。 河川内の橋梁については、発想を転換して新しい耐震補強を考えることが必要です。 橋脚と支承と桁はいつも一緒に動かなくてもよいと考え、低摩擦すべり支承などを使って、橋脚の補強は不要、桁の衝突はダンパー等で防ぐということにすれば、河川内の橋梁の耐震補強も進むのではないでしょうか。 おかげさまで、これに関する論文は今年の構造工学シンポジウムの論文賞をいただきました。

それから局所的な地盤の影響によって地震動が増幅するということが今回の地震でわかったので、これについてはもっと解析を行って地震動の増幅係数のようなものを提案できればと思っています。

実験・研究結果をソフトウェアに反映してほしい

ところで、研究室ではコンクリートの柱を交番載荷実験で破壊させて、軸力、曲げ、ねじりの相関曲線を作っています。 もう30体くらい壊しました。どういう応力状態でどんな壊れ方をするかを解析でも追えれば、その解析ソフトを用いてバラエティに富んだシミュレーションができます。現在、実験での現象と解析結果を比較することを行っています。 きちんとした実験結果をもとにしたソフトは利用価値があります。 この研究には、CRCのFINALを利用しています。

CRCには、今後、われわれの実験・研究成果をソフトに組み込んでいただけるとありがたいです。 そうすれば、他のユーザーもそれを使って解析できるわけです。 普及しているソフトほどフットワークよく、そうした窓口を開いていただければ、われわれもやりがいがありますし、ますますこの分野が栄えていくと思います。

インタビューを終えて │ 後 記 │Editor's notes
大塚先生とは、建設省土木研究所に出向されていたときから耐震工学の面でいろいろとお世話になっていました。 先生が九州大学に戻られ、いろいろな研究で弊社のソフトを使用して頂く際にも、CRCに対して非常にためになるコメントもなされ、それがソフトの発展に寄与していると認識しております。 そして、それらの研究成果をまとめた「九州大学建設振動工学研究室年報」を毎年送っていただいていることに感謝する次第です。 CRCとして今後の研究の進展に是非とも協力していきたいと思っております。
長い時間のインタビュー有難うございました。(聞き手:CRC亀岡)

この記事は、2005年6月6日のインタビューを基に構成されています。

大学・研究室概要 九州大学大学院 工学研究院
建設デザイン部門 構造及び地震工学講座 
http://www.doc.Kyushu-u.ac.jp/shindo/index.html
このページの先頭へ