土 木 学 会 論 文 集No. 668/1-54, 187-194, 2001. 1 断層を横断する地中管路の設計法の提案 高 田 至 郎1・Nemat HASSANI2・ 福田克己3 1フェ ロー会 員 工博 神戸 大 学 教授 工学 部 建設 学科(〒657-8501兵 庫 県 神 戸 市灘 区 六 甲台 町1-1) 2正会員 工 博 神戸 大 学 助 手 工 学部 建 設学 科(〒657-8501兵 庫県神戸市灘区六甲台町H) 3学生 会 員 工 修 神 戸 大学 大 学 院 生 自然 科学 研 究科(〒657-8501兵 庫 県 神 戸 市灘 区 六甲 台 町1-1) 本稿 で は, 断 層 変位 によ り発 生 す る地 中鋼 管路 の幾 何的 な 変 形量 と3次 元 シ ェル にモ デ ル化 した管 路 最大ひずみ との 関係 を解析 的 に明 らか に して, これ らの関係 を簡 易 的 に求 め る こ とが で き る設 計式 を提 案 す る こと を 目的 と して い る. そ の 際, 断 層変 位量 に応 じた管 路 屈 曲 開始 位 置 を 理論 的 に計 算 し,解 析 に取 り入れ て い る. そ の 結果, 局 所 曲 げパ ラメータを用いて解析結果 を整理する ことによ り, 管 路 曲 げ角度と軸方向管路最大ひずみ との 間 に簡 易式 を 提案 した. この ことにより,想定断層の断層変位量を 仮 定 した とき に断 層 を横 断 す る地 中鋼管 路 に発 生す る最 大 ひず み を求 め る ことが 可 能 とな る. Key Words: steel pipe, 3D shell model, fault displacement,bending angle, maximum strain in axial direction 1. は じめに 1995年 に発生 した兵庫 県南部 地震 は, かつて に例 のない都市直下型 の大地震 であ った. 日本全国 には数 多 くの活断層が存在してお り都市直下に活断層が存在 して いる ところ も多 く1)2), 今 回の兵庫県 南部地震 に お いては震源 に近 い淡路 島北西部の野 島断層 に沿 って お よそ10に もわた って地 表面 に変位 が生 じた. こ の野 島断 層の変位 量 は,最 大で右 横ず れが2. 1m, 南 東側 の隆起 が1. 2mであった3)～6). 日本における過去 の地震 において も震 源断層が地 表面 まで達 した地震断 層 はい くつ も事例 が あ り,1891年 に起 きた濃尾 地震 の際 の根 尾谷断層 にお いて は最大 地表面変位 量が水平 方向で8mにも及んだ7). さ らに, 1999年 の台湾大地 震で は地 表面 に現れ た断層が鉛 直方向 に最大で4mほ どに達 しているとも言われている8). このよ うな断層 運 動 に起 因 した地 中管 路被害が今後 も発生す る ことが 考 え られ, 断層運動 によ り地 中管 路が どのよ うな変形 を受 けるか を把握 してお く必 要があ る. 断層 を横断す る地中管路 の挙 動に関 して はい くつか の研究がある.Neark9)とKennedyl2)～15)は 管路の軸力 と摩 擦力 を考 慮 し,断 層を横断す る管 路の挙動 を計算 している.NearkとKeneddyの 相違 は摩擦 力を考慮 す る際 に, 等分布を仮定 しているか否かの違いである. Vougioukasl6)ら は,水 平 と鉛直 の断層変位 を考慮 した 地 中管 路の数値 計算 を行 って いる.また,MaCaffreyl5) やDesmodl6)は, サ ンフェルナ ン ド地震で のガス被 害や 水道管 被害 について断 層 と管 路ひず み との関係 につい てま とめ ている. さ らに,Wang and Yeh19)は 地 中管 路 の断層変位 による大変 形を非線 形片持 ち梁 として扱 っ て いる. これ らの論文 にお いて管路解析 モデル はケー ブル モデル, は りモデル, シェルモデル の3つ に分 類 され る.ケー ブル モデル はNewmark9)に よ って導入 さ れて以来, 多 くの研 究者 に用 い られて いる.は りモ デ ル はWang and Yehl9)に よ って提 案 され て いる. さ ら に, シェルモデル はお もにFEM解 析 で使 用 されてお り, 管路 の座屈解析 にお いて 用い られて いる.比較的容易 に計算 できる のはケー ブルモデ ル とは りモデルで ある が,管路 の座屈や 断面変 形 に関す る要 因の影 響を評価 す るな らば シェル モデル によ るモデル化が 必要で ある. しか し,FEMによる シェル解 析 を個 々のモ デルで実施 する ことは時間 と労 力を要 し,実用的で はな い. そ こで,本 論文 にお いて は地 震断層 を横 断する地 中 管路 を3次 元 シェル でモデル化 し,断層変位 量によ り 発生す る地 中鋼管路 の幾何 的な変 形量 と管路応答 ひず み との 関係を解析 的に求 めてお き,その結果 を普 遍化 することによって, これ らの関係 を簡 易的 に求 める こ とがで きる設 計式 を提案 して い くこととす る. 187