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建設資材データベーストップ > 特集記事資料館 > 積算資料公表価格版 > 従来型ポケット式落石防護網の実規模性能実証実験

 
寒地構造チームでは,緩衝装置を有する高エネルギー吸収型落石防護工等の性能照査手法に関する研究として,従来型ポケット式落石防護網も含めて,落石対策工として求められる機能の明確化と性能照査技術の確立に向けた検討を行っている。本研究では,従来型ポケット式落石防護網の耐衝撃挙動やエネルギー吸収機構等を詳細に検討するための基礎資料を得ることを目的として,実規模重錘衝突実証実験を実施した。
 
実験の結果,本研究では以下のことが得られた。1)一部構成部材に損傷が見られるようなケースもあるものの,設計落石(重錘)運動エネルギー150kJ程度までに対して落石を概ね捕捉することが可能である。2)設計落石運動エネルギーの1/3程度の条件においても,重錘の衝突状況によっては設計落石運動エネルギー以上の張力が作用し,このことよりロープ端部の定着箇所に大きな損傷が生じるケースがある。《キーワード:落石防護構造物;ポケット式落石防護網;性能実証実験;ハイスピードカメラ》

 
 

はじめに

日本は国土の約7割が山地・丘陵地であり地形が急峻なうえ,地質・土質が複雑で地震の発生頻度が高く,台風や降雨,降雪など厳しい環境下にある。このような中,自然災害から国民の生命・財産を守ることは最も基本的な課題となっている1)。
 
北海道を含め我が国の道路は急峻な地形や海岸線に沿って築造されている場合も少なくなく,落石災害を防止するための様々な落石対策工が数多く建設されている。このような落石対策工の一つに,写真−1に示すような吊りロープや支柱,金網,ワイヤーロープ等の部材を組み合わせたポケット式落石防護網がある。ポケット式落石防護網は,経済性や施工性に優れており,規模の比較的小さい落石に対して適用されている。
 
従来型のポケット式落石防護網は,「落石対策便覧」(以後,便覧)2)を参考に,構成部材の吸収可能エネルギー及びエネルギー差を用いて設計が行われているが,落石衝突に対する応答メカニズムの解明という観点から行われた検討事例3)はごく限られている。
 
近年,高エネルギー吸収型といわれるような緩衝装置等を組み込んだ様々な落石防護網が開発され,従来のロックシェッド等の適用範囲と同様な落石エネルギーでの採用事例も増えている。これらの高エネルギー吸収型落石防護網は,経済性やNETIS(国土交通省が新技術の活用のため,新技術に関わる情報の共有及び提供を目的とした,新技術情報提供システム(NewTechnologyInformation System:NETIS))に登録をされていることなどから,施工事例が急速に増加している。しかしながら,NETISは新技術の情報共有が目的であることから,工法についての検証が行われているわけではない4)。特に高エネルギー吸収型落石防護網の性能評価については,開発者独自の実験や解析に委ねられてきた5〜9)。
 
中でも高エネルギー吸収型落石防護網の多くは,便覧同様に落石が網に衝突(衝突角度90度)した際の各部材の吸収エネルギーを可能吸収エネルギーとしているが,製品によっては地盤でのエネルギー吸収を含めた落石の位置エネルギー(落石の質量と地面までの高低差)を可能吸収エネルギーとしているものも混在していた。また,高エネルギーと定義されている部分についても,従来型との吸収エネルギーなどの性能比較も曖昧で,各部材や全体の安全余裕度も不明確であった。
 
落石防護構造物は供用期間中に設計の事象が発生する確率が低く,性能の評価が難しい構造物である。また,落石防護工の性能(安全性)は,道路交通や人命に直接的に関わるものであることから,求められる機能を明らかにするとともに,我が国における性能照査技術を確立し,具備すべき安全性の確保や新技術開発に寄与することが求められる。
 
このような背景のもと,著者らは従来型のポケット式落石防護網も含めて,落石対策工として求められている機能の明確化と我が国における性能照査技術の確立に向けた検討を行ってきた10〜13)。
 
そこで本報では,落石衝突に対する応答メカニズムの解明という観点から従来型のポケット式落石防護網の耐衝撃挙動やエネルギー吸収機構等を詳細に検討するための基礎資料を得ることを目的として,高エネルギー吸収型の検討に先立ち実施した従来型落石防護網の実規模の重錘衝突実証実験とその三次元挙動計測について報告する。
 

写真−1 ポケット式落石防護網の設置状況



1. 実験概要

1-1 供試体

図−1には,実験供試体の正面図および側面図を,表−1には供試体の設計条件を示している。
 
落石防護網を構成する部材の諸元は,表に示すように,便覧における設計法を参考に,落石の衝突前後のエネルギー差ELを考慮し決定した。供試体の形状寸法は,従来型のポケット式落石防護網で標準的な支柱間隔3mを基本として,金網全幅を5スパン分の15mとし,実験施設規模から金網高さを10mに,支柱高さを3.5mに設定している。
 
従来型における金網としては,一般にひし形金網φ3.2〜5.0×50×50mmが用いられているが,本実験では出来るだけ大きなエネルギー範囲で検証するため,φ 5.0mmのものを選定している。なお,金網は幅3.3mのものを重ね代0.3mでラップさせて設置している。吊りロープ及び縦・横ロープにはφ18mmを,アンカーボルトにはD32(M30)×1000を用いている。なお,縦ロープの間隔は3.0m,横ロープの間隔は5.0mを基本に考えたが,重錘衝突の設定位置と重錘滑落装置の高さの関係から,横ロープは図−1に示すように変則的な配置としている。ワイヤーロープの各交点にはクロスクリップを,ワイヤーロープと金網の結合にはφ4.0mmの結合コイルを,縦ロープには5mに8個,同じく横ロープには3mに4個を使用している。横ロープの端部処理には,一般に採用されている巻付グリップを用いているが,巻付グリップの引き抜けを防止するためワイヤークリップを併用した14,15)。また,巻付グリップとアンカーボルトの連結には,ターンバックル及び取付け金具を使用している。
 

図−1 ポケット式落石防護網の供試体正面図および側面図


 

表−1 供試体の設計条件



1-2 実験方法

実験は図−1写真−2に示すように,実験施設内の傾斜角度約45°の法面に固定された重錘滑落装置により,所定の高さで設置した重錘を滑落させて,供試体に衝突させることにより実施した。便覧における設計上の落石の作用位置は,上端横ロープと2段目の横ロープの中央,縦ロープ方向については支柱間隔中央とされている。しかしながら,本実験においては,重錘滑落装置との位置関係から前述のように5m間隔に配置した2段目と3段目横ロープの中央位置に重錘を衝突させている。
 
重錘の質量は1.0ton,形状は幅80cm×高さ75cm×長さ95cmであり,衝突部が球面形状となっている(写真−3)。
 
本実験における測定項目は,ロープ端部のターンバックルに貼付した歪ゲージによるロープ張力,支柱H 形鋼の基部に貼付した歪ゲージによる軸力,高速度カメラによる金網の二次元及び三次元変位等である。実験時のロープ張力等の応答波形は,サンプリングタイム0.1msでデータレコーダにて一括収録を行っている。
 
表−2に実験ケースの一覧を示す。落下条件は設計落石運動エネルギーEWが,エネルギー差ELを除く可能吸収エネルギーを下回る落下高さH=6mを基準として,整数倍で設定したものである。実験ケースNo.2-2については,設計条件を若干上回る落下高さである。なお,重錘衝突により金網およびワイヤーロープの一部には塑性変形が生じることになるが,金網の交換を行ったのは実験ケースNo.1-3の終了後のみであり,No.1とNo.2では,それぞれ同一の金網を使用している。
 
  
写真−2 実験状況     写真−3 重錘
 

表−2 実験ケースと損傷状況の概要



1-3 挙動計測方法

本実験では,金網の挙動を詳細に把握するため,図−1に示すように2台の高速度カメラ(A,B)を用いた三次元挙動計測と,重錘による入力エネルギーや最大変位量を確認するため1台の高速度カメラ(C)で側面からの二次元挙動計測を行った。三次元計測に用いたカメラA,Bは,実験条件を踏まえて冬期の屋外で使用できること,撮影距離が20m以上で1ms程度の分解能を有することなどを条件に選定した。カメラA,Bは時刻歴変位を一致させるため同一有効画素数1,024×1,024とし,250fpsとしてフレームレート250コマ/s(1/250s)にて収録している。一方,二次元計測においては,有効画素数640×480,フレームレート400コマ/s(1/400s)にて収録している。全ての撮影は,解析精度向上のためにモノクロとした。なお,三次元計測用高速度カメラとデータレコーダとの同期に関しては,カメラから出力される5Vのマーカーをデジタルデータレコーダにて同期収録することによって対応した。
 
図−1に示すように,高速度カメラ撮影用のターゲットマーカーとして,白色のEPS(発泡スチロール)製球体(φ200mm)を金網上の縦横ロープの交点を中心に72点(図−1印)設置している。

 
 

2. 実験結果および考察

2-1 損傷状況等の概要

表−2に損傷状況の概要を,写真−4に鋳鉄製取付け金具の破断前後状況を,また,表−3にワイヤーロープの最大張力の一覧を示す。
 
各実験ケースとも,重錘は想定どおり2段目と3段目横ロープのほぼ中間位置に衝突した後,落下しながら最大変位に達し,金網に誘導されて地盤面まで到達している。損傷状況としては,最初の実験ケースNo.1-1(H=6m)では,重錘衝突部近傍の金網に若干の塑性変形が生じている程度であったが,このケースを除き,横ロープ端部の鋳鉄製取付け金具(写真−4)やアンカーボルト部で破断(写真−5)等が生じている(表−3の赤字箇所)。
 
実験ケースNo.1-2では,横ワイヤーロープとアンカーボルトとの接合部に,鋳鉄製の取付け金具が使用されており,衝撃により鋳鉄部が破断したものである。衝撃力を受ける構成部材では靱性能が求められることから鋳鉄のように伸びがなく硬くて脆い部材は不向きであることから,以降のNo.1-3からは使用していない。衝撃荷重が作用する構成部材への鋳鉄製品の使用には注意が必要である。
 
実験ケースNo.1-3では,落下高さH=6mの条件にもかかわらず,アンカーボルトの破断が生じているが,これは同一のワイヤーロープ,アンカーボルトに対して繰り返しの実験を実施していることより,直前の実験ケースNo.1-2において当該アンカーボルトのネジ部に何らかの損傷が生じていたことが原因と考えられる。本実験で使用したワイヤーロープφ18mmのミルシートによる破断荷重は190kNであるのに対し,アンカーボルトD32(M30)の設計せん断耐力は111kNであることから,ロープの破断には至らずにアンカーボルト部での損傷が生じたものである。
 
これは上述のとおり,重錘は最初に横ロープ間の金網に衝突しているが,その後跳ね返されることなく,落下しながら衝突点直下の横ロープに接触したことにより,横ロープに想定以上の張力が作用したことによるものと推察される。
 
以上より,一部構成部材に損傷が見られるようなケースもあるものの,落石エネルギー150kJ程度までに対して従来型ポケット式落石防護網(φ5.0mm)により落石を概ね捕捉することが可能であることが確認できた。
 

写真−4 鋳鉄製取付け金具の破断前後状況
 

写真−5 アンカーボルトの破断状況
 

表−3 ワイヤーロープの最大張力一覧



2-2 ワイヤーロープ張力

図−2に,実験ケース(No.1-1:青実線,No.1-2:赤実線,No.2-1: 青破線,No.2-2:黒実線)におけるワイヤーロープ張力の時刻歴波形を示す。L-1〜4は横ロープ左端,R-1〜4は横ロープ右端,T-2〜5は吊りロープの張力である。ここで,表−3に下線で示している実験ケースNo.1-1のL-3,L-4,R-3,R-4は40kN程度でレンジオーバーのため頭打ちとなっている。吊りロープの応答波形には一部に高周波成分が確認できるが,全データについてフィルター処理等は行っていない。なお,No.2-1はNo.1-1と同一の落石運動エネルギーの実験ケースであるが,両者はほぼ類似の波形性状となっており,比較的再現性の高い実験を実施できたと考える。
 
図より,横ロープ張力に着目すると,左右で概ね等しい応答波形となっていること,重錘衝突点より下方L-3,L-4,R-3,R-4の張力が上方L-1,L-2,R-1,R-2に比較して大きな値を示していることがわかる。また,縦ロープ張力に着目すると,衝突位置を中心として左右で概ね対象な応答波形となっており,重錘衝突点近傍のT-3,T-4が大きな値を示していることがわかる。
 
縦ロープ張力の応答波形は重錘衝突直後に急な立ち上がりを示しているが,特に落石運動エネルギーが大きくなるとより急激な立ち上がりとなっている。一方,横ロープ張力はL-1,R-1で入力エネルギーが大きい場合には縦ロープと同じように急な立ち上がりであるが,下方のロープほど緩やかな立ち上がりとなっている。
 
各実験ケースの波形性状は,No.1-1,No.2-1においては二つの大きなピーク(300msと2,000ms前後)がみられるが,二つ目のピークは回転する重錘が斜面に着地し,リバウンドすることに伴って,最下段のロープに大きな張力が作用しているものである。No.2-1ではこの二つ目のピーク時点でR-4箇所においてアンカーボルトが破断している。また,L-3,R-3やT-3,T-4で顕著であるが,一つ目のピークでは急激な張力の増加後,急激な低下と急激な増加が生じているが,これはワイヤーロープ端部の振れに伴う張力変化が計測されたことによるものと考えられる。
 
実験ケースNo.1-2においては,金網の最大変位発生前後で,重錘が3段目の横ロープ位置に達する前にL-3箇所で取付け金具の破断が発生している。これに対応してL-3,R-3の応答波形は200ms経過時点でピークに達した後,ほぼ零レベルまで急激に低下している。その後,500ms経過時点でL-4,R-4の張力がピークに達している。
 
実験ケースNo.2-2では,R-3箇所でアンカーの引き抜けが生じているが,これに対応してL-3,R-3において約300ms経過時点で張力の低下が生じている。L-4,R-4 の張力は,L-3,R-3よりも若干早くピークを迎え,一度零レベルまで低下した後,約600ms経過時点で50kN,1,100ms経過時点で40kN程度に達している。
 
本実験で用いた横ロープの設計張力(横ロープの可能吸収エネルギー)は約83kNであり,落下高さ6mの条件(設計落石運動エネルギーの1/3)においても,重錘の衝突状況によっては同程度以上の張力が作用するケースがあること,このことよりロープ端部の定着箇所に大きな損傷が生じることを確認できた。一方,吊りロープの設計張力(吊りロープの可能吸収エネルギー)は約30kNであるのに対し,設計落石運動エネルギーとほぼ等しい実験ケースNo.2-2のL-5で約30kNとなっており,ほぼ等しい張力となっていることがわかった。また,重錘(落石)衝突点近傍の吊りロープと縦ロープの張力は,ほぼ等しいことが分かった。
 

図−2 ワイヤーロープ張力の時刻歴波形



2-3 落石防護網部材の三次元挙動

図−3に実験ケースNo.1-1における高速度カメラCによる左側面からの二次元挙動計測例を,図−4に三次元挙動計測例を,図−5に三次元挙動による金網の変位分布を,図−6に時刻歴変位波形(図−4中のF4点のY方向)の解析例を示す。
 
各実験ケースとも,挙動計測によって重錘の金網への衝突から地盤面に落下していくまでの様子を把握できており,最大変位は衝突より概ね500ms程度で,3段目の横ロープ位置において発生していることなどが画像からも確認できている。このことから,防護網の応答は現行設計法の金網の局所的な塑性変形だけでなく,全体的な変形や揺動も伴っていることを確認した。
 
表−4には,金網の重錘衝突位置(横方向の中心線)の二次元計測と三次元計測による最大変位量を示している。なお,最大変位量は必ずしもターゲットマーカー位置で発生しているわけではなく,二次元計測では側面から見た重錘位置での最大変位量を示しているのに対して,三次元計測ではターゲットマーカー位置での最大変位量を示していることから,両者は一致していない。
 
今回,従来から用いられている二次元的な最大変位量計測に加えて,斜め2方向からの高速度カメラを用いた三次元挙動計測により,ポケット式落石防護網のように荷重作用時において部材に大変形を伴うような構造物の全体の変位分布や着目点の時刻歴波形を得ることができた。これらのデータを活用することにより,落石防護網の耐衝撃挙動やエネルギー吸収機構等の詳細な検討を行うことが可能になるものと考えられる。
 

 図−3 二次元挙動計測   図−4 三次元挙動計測例            図−5 三次元変位分布解析例
 

図−6 三次元計測による時刻歴変位波形


 

表−4 防護網(金網)の最大変位量



おわりに

本研究では,従来型のポケット式落石防護網の耐衝撃挙動に着目し,実規模の重錘衝突実証実験を実施した。実験時には高速度カメラによる三次元挙動計測を併せて行った。本実験の範囲内で明らかとなったことを整理すると,以下のようになる。
 
1) 従来型ポケット式落石防護網(φ 5.0mm)は,一部構成部材に損傷が見られるようなケースもあるものの,設計上の可能吸収エネルギー150kJ近傍の落石エネルギーを有する落石を概ね捕捉することが可能である。
 
2) 横ロープには設計落石運動エネルギーの1/3程度の条件においても,重錘の衝突状況によっては設計値以上の張力が作用し,ロープ端部の定着箇所に大きな損傷が生じる場合がある。
 
3) 吊りロープの設計張力と実験結果は,ほぼ等しい。また,重錘(落石)衝突点近傍の縦ロープ張力は吊りロープ張力とほぼ等しい。
 
4) 実規模実証実験結果から,衝撃力を受ける構成部材への鋳鉄製品の使用には注意する必要があり,また,巻付グリップの動的耐荷性状について検討が必要である。
 
5) 防護網の応答は現行設計法の重錘衝突点近傍の金網の局所的な塑性変形だけでなく,全体的な変形や揺動も伴っている。
 
6) 落石防護網のように大変形を伴う三次元動的挙動の把握には,斜め2方向からの高速度カメラ計測手法が有効である。
 
 
参考文献
1) 国土交通省:国土交通白書,pp.225,2017.12
 
2) 社)日本道路協会:落石対策便覧,2000.6
 
3) 原木大輔,香月 智,田代元司:円柱形要素を用いた個別要素法による落石防護網の衝撃応答解析,土木学会論文集A,Vol.65 No2,pp.536〜553,2009.6
 
4) NETIS:新技術情報提供システム,国土交通省
 
5) 窪田潤平,中村浩喜,吉田 博:特殊ひし形金網および緩衝金具を配置した落石防護網の実斜面実験について,構造工学論文集,Vol.54A,pp.11〜22,2008.3
 
6) 高橋利延,山本佳士,香月 智,高森 潔:落石防護網のエネルギー吸収性能の評価に関する実験的検討,第40回土木学会関東支部技術研究発表会講演概要集,2013.3
 
7) 下条和史,渡辺達男:高エネルギー対応落石防護網の開発とその安全対策工としての適用性,第61回平成24年度砂防学会研究発表会概要集,pp.68〜69,2012.5
 
8) 加賀山肇,奥村昌史,右城 猛:新しい落石防護ネットの開発,平成22年度地盤工学会四国支部技術研究発表講演概要集,2010.10
 
9) 田島与典,前川幸次,岩崎従夫,河上康夫:実物大重錘衝突実験による緩衝装置を用いたポケット式落石防護網の評価,構造工学論文集,Vol.56A,pp.1088〜1100,2010.3
 
10) 山口 悟,今野久志,西 弘明,佐々木哲也,小室雅人:従来型ポケット式落石防護網の実規模重錘衝突実験,鋼構造年次論文報告集,第21巻,pp.104〜110,2013.11
 
11) 西 弘明,今野久志,山口 悟,佐々木哲也,小室雅人:従来型ポケット式落石防護網の重錘衝突実験,第11回構造物の衝撃問題に関するシンポジウム論文集,2014.10
 
12) 平田健朗,小室雅人,西 弘明,今野久志,山口 悟:従来型ポケット式落石防護網の耐衝撃挙動に関する衝撃応答解析,鋼構造年次論文報告集,第22巻,pp.131〜136,2014.11
 
13) 山口 悟,今野久志,西 弘明,加藤俊二,小室雅人:落石防護網の実規模模型実験,鋼構造年次論文報告集,第22巻,pp.137〜143,2014.11
 
14) 社団法人地盤工学会四国支部:落石対策Q&A,P79,2009年12月
 
15) 社団法人地盤工学会:落石対策工の設計法と計算例,P148,2014年12月

 
 
 

国立研究開発法人 土木研究所 寒地土木研究所  西 弘明 今野 久志

 
 
【出典】


積算資料公表価格版2019年6月号



 
 

 

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