高潮シミュレーションを連携した橋桁作用力の予測解析
環境社会基盤工学専攻 コンクリート研究室

篠地 叡生

指導教員

中村 文則

1.はじめに昨今，地震や津波，高潮といった自然災害によって，多くの社会基盤構造物が被害を蒙っている．地震や津波に関しては，過去に発生した大規模な被災を契機に研究が進められている．そのため，現象の工学的特性に加え，構造物への災害外力に関しても多くの知見が得られており，現在は耐震・対津波の設計法などが高度に整備されている．しかしながら，高潮災害は，現象に関する予測技術 1)に比べ，橋梁に作用する外力に関する研究が非常に少ないのが現状である．また既往研究の成果として，簡易式による波力推定方法 2)が提案されているが，海底地形や橋桁形状などが極めて限定的あり，汎用的に予測できる手法は確立されていないという課題がある．本研
究では，橋梁に作用する高潮波力を予測する汎用的な手法の確立を目的として，高潮シミュレーション技術を連携した橋桁作用力の予測解析モデルの構築を行った．さらに，過去に発生した高潮現象の再現解析を実施し，構築したモデルの妥当性の検証を行った．

Biloxi Bay Bridge

図-1 Katrina による橋梁被害
解析対象橋梁Mexico湾

Katrinaの経路

図-2 高潮予測モデルの計算領域
造波境界

開境界

橋梁
2.高潮波力予測モデル
0.2
構築したモデルは，台風(ハリケーン)によって生じる20120
高潮現象と，波浪が橋梁に作用する流体外力を予測する4モデルを組み合わせたものである．本モデルは，橋桁のz
110y
形状や地形条件などを汎用的に考慮し，橋梁周辺の気象，
x400[単位:m]
波浪および潮汐(海水面)変動を再現するとともに，それ図-3 波力予測モデルの計算領域に応じた橋桁への流体外力を統合して計算可能である．
3)
高潮予測モデルは，Warner ら が開発した大気海洋波浪結合モデル COAWST (Coupling Ocean Atmosphere Wave
3.対象とした被害事例と計算条件
Sediment Transport Modeling System)を用いた．COAWST
3.1.対象とした高潮による被害事例
は，領域気象モデル WRF，海洋モデル ROMS，波浪推算
対象とした高潮は，2005 年 8 月末に米国に来襲したモデル SWAN を結合したモデルであり，Warner らによHurricane Katrina である．図-1 に，Katrina によって被災って，ハリケーンを対象とした追算の際，海面温度や波した US-90 Biloxi Bay Bridge の被害の様子を示す．この高の追算精度が向上することが報告されており，高潮現橋梁は，橋梁全体で 125 の桁から構成され，その中の桁象を高精度にモデル化できるため，海岸工学の分野で広高がおよそ 27ft（約 8.4m）以下の 100 の桁が流出に至っく用いられている．
たことが，既往の調査で明らかとなっている．今回はこ波力予測モデルは，沿岸技術センターより公開されての橋桁の被害事例を対象に，モデルの妥当性を検証する．
いる 3 次元数値波動水槽 CADMAS-SURF/3D を用いた．
このモデルは，汎用性が高く複雑な自由表面を取り扱う
3.2.モデルの計算条件ことができる Volume of Fluid 法と Simplified Marker and
高潮予測モデルの計算領域を図-2 に，波力予測モデル
Cell 法が採用されており，室内実験に代わり様々な地形の計算領域を図-3 に示す．波浪および海洋モデルの計算や構造物に対する波や流れの数値シミュレーションをは図中の白線の領域にて実施し，高潮予測モデルの計算行うことが可能なモデルである．
結果を用いて，波力予測モデルの実施している．

4.計算結果および考察
4.1.高潮の予測結果の検証
高潮予測モデルによって高潮を予測した計算結果を
図-4 に示す．図は，Biloxi Bay Bridge において最大水位となった 8 月 29 日 12:00 の計算結果である．図(a)が波高，図(b)が水位を表している．図中の白丸印は，橋梁位置と，波高・水位の観測点である．図に示すように， 対象橋梁付近では，波高が 3.81m，水位が 6.86m となっている．モデルの妥当性を検証するために，米国海洋大気庁の観測値との比較を行った．波高と高潮水位の観測結
果と計算結果の比較を図-5 に示す．波高の観測値はNational Buoy の 42040 地点を，水位の観測値は TideDatumのOcean Springs のデータを用いた．
図より，
波高，水位ともに，計算結果は概ね良好であることが分かる．

Biloxi Bay Bridge
波高(m)1412106

観測地点
42040(Buoy)420

2005年8月29日 12：00

8(a) 波高分布
Biloxi Bay Bridge

水位(m)144.2.橋桁の被害予測
図-6 は，解析対象橋梁の桁高を変更した際に作用する高潮波力と，水位変動のグラフである．図より，高潮波力が作用している時の橋桁の高さと波高・潮位に大きく依存していることが明らかとなり，流体外力(波力)が最大値となるのは，橋桁下面に波が作用する時であることがわかった．この結果は，Katrina による被災状況を再現できており，高潮現象によって発生する波浪および橋梁への流体外力をおおむね再現できていると考えられる．

Ocean Springs(Tide Datum)

121086420

2005年8月29日 12：00(b) 水位分布
図-4 高潮の計算結果
Wave Height (m)2042040地点

16観測値

128計算値

4Surge Level (m)0
8月27日
88月28日Ocean Springs

68月29日 8月30日
Date

8月31日

9月1日

4観測値

2計算値

0
8月27日

8月28日

8月29日
8月30日
Date

8月31日

9月1日

図-5 波高と水位の比較
10000

8
桁高4m

7

波力(kN/m)

5000

桁高6m

6

桁高8m

5水位

432500

参考文献
水位(m)

桁高5m
7500

5.結論
本研究では，高潮予測モデルを連携した橋桁の作用力予測モデルの構築を行った．その結果，高潮予測モデルによる波高と水位の計算結果は観測結果と傾向が概ね一致していることが示された．橋桁の作用波力の計算では，高潮波力が橋桁の高さと波高・潮位に大きく依存しており，橋桁下面に波が作用する時に流体外力(波力)が最大値となることがわかった．さらに，その結果は，被害状況を再現できていることが明らかとなった，
以上のことから，本研究で構築した高潮現象に応じた橋桁への外力予測モデルは，周辺地形や橋桁形状を汎用的に考慮して，橋桁周辺の高潮現象と橋桁に作用する流体外力を高精度で予測可能であることが示された．

1)

金 沫列，安田誠宏，間瀬 肇：潮汐・高潮・波浪結合モデルによる土佐湾異常高潮の追算，海岸工学論文集，Vol.55，321_325，2008

2)

2

Douglass, S. L., Chen, Q. J., & Olsen, J. M. (2006). Wave Forces on Bridge
Decks Prepared for. Transportation, April.

100

10:00

11:00

12:00

13:00

3)

Warner, J. C., Sherwood, C. R., Signell, R. P., Harris, C. K., & Arango, H. G.

時間(h)(2008). Development of a three-dimensional, regional, coupled wave, current,

図-6 高潮波力水位の比較

and sediment-transport model. Computers and Geosciences, Vol.34, No.10,
pp.1284–1306