土木技術資料 55-8(2013)

特集：ストックマネジメント技術研究の最前線

信頼性とリスクを考慮した道路構造物資産の予防保全的管理手法の研究
玉越隆史 ＊ 大城

温 ＊＊ 石尾真理 ＊ ＊＊2)現象解明が十分でなく未然の対策が困難

1．はじめに 1

3)特殊な条件下に置かれている
4)目視点検だけでは把握が困難

我が国では、戦後の高度経済成長期に急ピッチ
で 道 路 網 が 整 備 さ れ 、 現 在 、 道 路 橋 数 は 約 68万

5)予防保全措置では防ぐことが困難

橋 1) に 達 し て い る 。 将 来 に 渡 っ て 、 道 路 ネ ッ ト

代 表 的 な 事 例 を 図 -1に 示 す 。 図 -1(a)は 、 主 桁 にワークの機能を良好に保持し続けることは、我が設けた隙間に他の部材を貫通させ溶接した部分か国にとって極めて重要である。
国土交通省では、橋の最新情報を的確に把握し、疲労亀裂その分析結果を反映させて合理的で計画的な維持
管 理 体 系 を 構 築 す る た め 、 平 成 16年 に 、 そ れ ま
主桁ウェブでの直轄管理橋の定期点検要領を刷新した。予防保全 の実現を 視野に点 検の充 実を図る 2) とともに、(a) 鋼橋主桁の疲労亀裂の例

戦略的なデータ収集が開始されている。国土技術
政策総合研究所においても、直轄管理橋梁のための点検要領の改訂案を作成してきた。加えて、維持管理計画を支援するためのツールとして、点検結果を用いた橋梁マネジメントシステム(BMS) 3)や 総合評 価指標 4) を提案し てきて おり、一 部の 管(b) コンクリート部材内部で生じた局部腐食の例

理者において試行されている。
新しい知見を考慮した点検要領の見直しや劣化
予 測 式 の 見 直 し の た め の 検 討 は 平 成 16年 以 降 も実施しており、様々な様態の損傷や同じ損傷でも劣化速度の違いが見られている。また、橋梁の形式や構造によっては、ごく一部の部材の損傷によ(c)鋼製のパイルベント橋脚の異常腐食の例

り橋全体の安全性が損なわれたり、通行止めを余儀 な く さ れ る 状 況 も 生 じ て い る 5),6) 。 し た が っ て 、信頼性やリスクを考慮して維持管理計画が立案できるような維持管理体系の確立が求められる。本稿は、リスクを考慮した橋の維持管理体系の高度化に関連する最近の研究内容を概観するものであ(d) 雪崩や津波による損傷の例

る。

2．道路橋が抱えるリスクの例
近年発生した、通行止めを余儀なくされたような道路橋の重大損傷は、維持管理の観点から、次のような特徴を有している。

(e) 補修補強材料等により覆われ、その後床版内部の劣化状態の把握が困難である例

1)建設当時十分な知見がない────────────────────────Study on preventive maintenance of road structure
assets considering reliability and risk

－ 18 －

図-1

近年の損傷事例土木技術資料 55-8(2013)

ら亀裂が発生し、主桁を破断させる寸前にまで伸違いによる劣化状況の違いも分析可能である。

びた事例である。道路橋では一部の例外を除き、劣化速度のばらつきの例として、一般塗装系の平 成 13年 の 道 路 橋 示 方 書 （ 道 路 橋 の 設 計 基 準 ）塗装を施した鋼主桁の腐食の進行に関する劣化曲の改定まで疲労については一般に考慮されていな

線 を 算 出 し た 事 例 を 図 -3 に 示 す 。 劣 化 曲 線 は 、か っ た 。 図 -1(b) は 、 ト ラ ス 橋 の 斜 材 が コ ン ク

それぞれの橋梁の同一箇所に対して異なる時期にリート中で腐食していた事例である。建設当時の行われた２回の定期点検結果から、マルコフ遷移防水措置が結果として有効でなかった。また、定モ デ ル を 求 め た も の で あ る 。 損 傷 程 度 a(損 傷 程期点検においても、外観目視ではコンクリート部度小)～e(損傷程度大)を 1.0～0.0 の数値に置き換材の内部で生じていた局部腐食の極端な進行が正えた上で求めた各年の平均とその近似曲線を、標確 に 評 価 で き な か っ た 。 図 -1(c)は 、 鋼 製 の パ イ準偏差を含めて示している。全体として、経過年ルベントの没水部で局部的に異常腐食が進行し、に応じて劣化が進展することは明らかであること、一部完全に断面が無くなるほどの大きな欠損を生また、劣化予測精度が向上するように、桁端部とじた例である。この例では、塗装による防食が施桁中間部に区分して算出すると、位置ごとに腐食されていたものの、河口近くの汽水環境下というの進行に差があることが分かる。したがって、劣特定の条件により異常腐食が生じたものである。

化予測式に基づいて管理橋梁の状態を把握し、予図 -1(d)は 、 雪 崩 及 び 津 波 に よ る 被 害 を 受 け た も防保全計画を立案することが有効である。のである。構造物に影響を与える全ての外力を予

しかし、このように精緻なデータ、詳細な分類

測 す る こ と の 限 界 を 示 唆 し て い る 。 図 -1(e)は 、に基づき劣化曲線を求めても、個々の橋梁の劣化ＲＣ床版を補修した後も大型車の繰返し載荷や雨速度は、劣化曲線に対して非常に大きなばらつき水の影響を受けて劣化が進み抜け落ちた例である。

（標準偏差）を有することがわかる。例えば桁端このように全面に張り付けた補修方法の場合、母部においては、仮に平均を劣化曲線に採用すると、材の劣化の把握ができなくなる。点検手法の改善

25 年後の予測は 0.5 弱（=「c」）となる。しかし、を進めても、今後もこのような未知もしくは事前全 て の橋 梁で 25 年 後 に確 実 に「 c」 にな る ので把握困難な損傷例は生じると考えられる。

は な く 、 期 待 値 と し て 「 c」 程 度 に な る こ と を 表

そして、近年、橋の形式や損傷部位によっては、しているに過ぎない。

一部の部材の損傷が落橋につながることも認識さ

前述のように、橋の形式や損傷部位によっては、れている。図-2は米国ミネソタ州が管理する幹線

一部の劣化損傷が橋全体系の安定に重大な影響を道路I-35Wの鋼トラス道路橋が突如崩壊したもの及ぼす可能性もある。そのため、より着実な予防で ある 8) 。 ある格 点の破壊 が、全 体の崩落 につ な保全を行うためには、劣化予測のばらつきを減らがったとされる。また、本橋の点検レポートからすことだけではなく、ばらつきがあることを前提

は 、 当 該 橋 は 2年 に 1度 の 定 期 点 検 や 疲 労 に 関 すに、それが与える影響やリスクを考慮した維持管る特別な点検も実施されており、当該橋が以前よ理計画策定方法の確立が課題であることが認識さり深刻な劣化状態に陥りつつあったことがうかがれる。

われる。それが認識されつつも結果的に崩壊事故に至った点は、維持管理システムに改善すべき点が無かったのかどうかという点で課題を残した。

3．マネジメントシステムが抱えるリスク
国 総 研 で は 、 全 国 の 直 轄 道 路 橋 （ 約 22,000橋）で蓄積された定期点検のデータの分析を行っ

図-2 事故橋梁の状況（米国 I-35W橋梁）
桁端部桁中間部ている。特に、直轄の定期点検の場合、部材をさらに細分化した「要素」単位で点検結果が記録されるため、部材の位置ごと、部材の中でもたとえば桁端と桁中央というように、細かな環境要因の－ 19 －

図-3

鋼鈑桁橋の主桁腐食の劣化曲線

土木技術資料 55-8(2013)

4．個別の橋梁における致命的事象の評価
リスク管理のためには、橋ごとに、一部の部材

5．リスクアナリシス手法の道路橋維持管理への導入の損傷が全体安定に与える影響の差を相互比較す

主桁間隔、単純桁と連続桁の違いなどに対するる方法が必要である。そこで、過去に主構が破断劣化進展のばらつきの大きさや、橋梁ごとの構造した例があるトラス橋を対象に、構造的な冗長性的な冗長性の違いを考慮して維持管理計画を策定（リダンダンシーと呼ばれることも多い）を評価する手法として、リスクアナリシスの導入を目指する方法に関する検討を行っているので、一例をしている。既存のリスク評価項目抽出手法、ハ紹介する。

ザード特定手法、リスク算定手法について適用性検討に用いた有限要素モデルの概要を図-4～図の検討を行った結果、いくつかの手法を組合せる-6 に 示 す 。 主 構 、 床 組 を モ デ ル 化 し 、 実 際 の 挙

ことで、橋梁形式・部材・損傷種別の条件ごとに動に近くなるよう、全ての格点部をシェル要素に、パターン化した管理リスクを比較できる可能性がそれ以外の部材を梁要素でモデル化した。境界条あることが分かった。

件 は 単 純 支 持 と し た 。 斜 材 に つ い て は 図 -6 に 示
すとおり非線形ばね要素を挿入した。破断ひずみ主構・床組梁要素に達したとき、剛性 0 に近い値に低下する。
解析の手順は、以下の通りである。①死荷重及L6’U1全格点
シェル要素L6び B 活荷重を載荷後、応力が最大の部材を次にL2複数箇所の損複数箇所の損傷を考慮傷を考慮破断させる部材として特定する。②特定した部材を破断させたモデルに、死荷重及び B 活荷重を

図-4：1 本目の破断想定部

解析モデルの設定方法

載荷して再計算し、応力が最大となる部材を特定する。そして、その部材が最も厳しくなるようにB 活荷重を載荷し、徐々に増加させ、次に破断する部材を特定する。③以後、橋が不安定になるまで、すなわち、橋全体の剛性がゼロまたは負にな
図-5る直前まで上記手順②を繰り返す。

鋼材の材料構成則
表-1

破断箇所数と破断が生じたときの活荷重倍率を表-1 に示す。斜材 4 本を破断させると（ステップ 4）、死 荷 重及 びＢ 活荷 重 の載 荷に 対し て非 線形計算が収束しなかった。このときの格点の応力分 布 は 図 -8 に 示 す と お り 、 非 常 に 大 き な 局 部 応
力 が 発 生 し て い た 。 こ の よ う に 、 表 -1 の ス テ ッ

図-6

非線形バネ要素

解析結果（トラス橋）

12

初期破断箇所
数x
1箇所
2箇所

33箇所

α=3.1

44箇所

破断した段階で収束しないステップ

解析が収束する限界荷重（死荷重＋Ｂ活荷重×α）
α=6.6
α=4.0

プ 数 、 もし く は ある 破 断箇 所 数 x に 対 する α の値を指標として構造的な冗長性が定量的に評価できるものと考えられる。
他機関においても構造的な冗長性の評価解析方法について研究がなされている。現在、当研究室(a)全景図では、他機関の研究成果をふまえつつ冗長性の評

図-7(b)正面図

変形図の例（ステップ2）

価方法についてさらなる検討を行っているとともに、多様な橋梁条件、例えば、上部形式、主桁数や構造的な冗長性の定量比較を進めている。

図-8－ 20 －Von-Mises 応力分布図（ステップ 4）

土木技術資料 55-8(2013)

例えば、FMEA ※ 、FTA ※ 及び ETA ※ 等を活用しり、連鎖的に損傷範囲が拡大して橋全体が致命的て、一部の部材の損傷が橋全体系の安定に影響をな状態に至らないように構造的な配慮を行うこと及ぼす観点でリスクマトリックスを形成すべき橋を求めた。また、津波被害等を考慮した地域の防梁形式・部材・損傷種別ごとの条件を絞り込んだ災計画などもふまえ、橋単体の対策のみによらずうえで、その条件ごとのリスクマトリックスを作ネットワークを念頭に単体の設計もあるべきとの成することが考えられる。ここで、リスクとして、思想が反映された。これらの思想を具現化するた部材における損傷の発生確率とその推定精度、当めにも、リスク水準を構造物の一つの性能として該部材の損傷が橋全体系の安定や車両通行に与え定量的に評価できるための検討を引き続き進めてる影響度、及び路線の重要度等の関数が想定されいく予定である。

る。そして、リスクが高いと判定された部材や橋梁については、優先的に補修を行うだけでなく、点検頻度を増やす、モニタリングを実施する、部リスクの高い材損傷が生じた場合に備えてフェールセーフを実リダンダンシー 路線重要度点検結果等から施するなどの多様な対策を計画できるようにする。
リスクマトリックスの評価軸である損傷「発生頻度」は、国土交通省の直轄国道定期点検データ「発生頻度」のを活用し、そのばらつきも考慮したうえで設定す度 高頻生発
中

Ca.3

Ca.3

Ca.4

Ca.4

Ca.2

Ca.2

Ca.3

Ca.4低Ca.1

Ca.1

Ca.2

Ca.4

微Ca.1

Ca.1

Ca.2

Ca.4

微小軽微

重度

致命的「影響度」の影響度ることが考えられる。また、橋の形式や部材ごとに異なる損傷が橋全体系の安定に与える「影響図-9

リスク評価手法の活用イメージ度」は前項の構造冗長性の計算を様々な形式の橋に対して実施することで定量化することが考えら

1)

れ る 。 さ らに 、「 影 響度」 は 路 線 の重 要 度 に応 じて重み付けすることが考えられ、他研究室の知見2)3)も活用しながら検討していく予定である。例えば、迂回路の有無や緊急輸送路に指定されているかどうかといった事項がパラメータになると考えられる。

4)

6．まとめ
平 成 24年 に 改 訂 さ れ た 道 路 橋 示 方 書 で も 、 計

5)画から設計に至るまでの維持管理への配慮事項が6)組み込まれた。維持管理の確実性と容易さの考慮による個々の橋の高齢化・老朽化対策（長寿命参考文献

平 成 23年 度道 路構 造物 に関す る基 本デ ータ 集、 国土技術政策総合研究所資料第693号、2012.
http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/tnn0693.htm
国土交通省道路局、橋梁定期点検要領(案)、平成16年3月.
道 路 橋 の 計 画 的 管 理 に 関 する 調 査 研 究 ‐ 橋 梁 マ ネ
ジ メ ン ト シ ス テ ム (BMS)‐ 、 国 土 技 術 政 策 総 合 研究所資料第523号、2009.
http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/tnn0523.htm
玉 越 隆 史 ： 道 路 橋 の 計 画 的管 理 に 向 け て ‐ 総 合 評
価 指 標 の 開 発 と 点 検 デ ー タ分 析 か ら 見 た 損 傷 の 特徴‐、建設物価、2007.12.
玉越隆史：近年発生した橋梁の重大損傷の概要、
道路、Vol.816、pp.28～32、2009.
玉越隆史：米国橋梁崩壊事故に関する技術調査団の調査結果について－、建設マネジメント技術、
pp.39~44、2008.1.

化）に加えて、橋の構造設計においては一部の部材の損傷や異常によって橋全体が不安定となった
玉越隆史 *

国土交通省国土技術政策総合研究所道路研究部道路構造物
管理研究室長Takashi TAMAKOSHI

大城温**

国土交通省国土技術政策総合研究所道路研究部道路構造物
管理研究室 主任研究官
Nodoka OSHIRO─────────────────────────────────※

土木用語解説：FMEA、FTA、ETA－ 21 －石尾真理 ***

国土交通省国土技術政策総合研究所道路研究部道路構造物
管理研究室 主任研究官
Mari ISHIO