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令和４年度砂防学会研究発表会概要集

柔性金網における耐衝撃性の再現シミュレーション
防衛大学校

学生会員

○小泉香那子，正会員

東京製綱インターナショナル(株)

非会員

堀口俊行

杉本雅一，有田毅

１．緒 言

２．重錘落下衝突実験
2.1 実験概要
写真-1 に，重錘落下装置を示す．これは，最大 4.0 m から落下させる重錘落下装置であり，先端部は半球（R = 0.15m）形状である．重錘総重量 W =199，300 (kg)とした．計測項目は，加速度，各ロープ張力，金網の変位量である．
加速度は，重錘上部平端部に取り付けた加速度計を用いて，張力は，ロープ端部側面に貼布したひずみゲージを用いて計測した．併せて，重錘の変位はレーザー変位計を取り付けることで計測した．写真-2 に示す供試体は，3×7，12φのワイヤロープで囲まれた 1.0 m の範囲に設置したひし形金網であり，素線径φ= 4，5 (mm)の 2 種類を対象とした．
表-1 に，供試体諸元を示す． h は，重錘底面と金網表面が接触した位置を基準とし， h = 1.5~2.0 (m) から重錘を落下させ，1 回目の衝突で捕捉できたならば，2 回目も同じ高さから落下させた．
2.2 実験結果
写真-3 に，素線径φ=5 (mm)の供試体に，W =199 (kg)をh = 1.5 (m)から落下させた場合の供試体の変形状況を示す．
重錘の形状のまま変形し，大きく窪んでいることが分かる．

張力 P (kN)

張力 P (kN)

近年の局地的な豪雨の影響で大規模化された土石流対策として新たな対策構造物が求められている．特に，緊急対策としての防護工は，従来建設されているコンクリート1.0 m製の堰堤ではなく，施工の容易性や地積を大きくとらない柔性の構造物が着目されており，落石防護網や落石防護柵
1.0 mを利用して，一時的な土石流対策として用いられつつある．
写真-1 重錘落下装置
そのため，筆者ら 1)は金網における限界状態を整理するた
写真-2 供試体設置状況
めに，実験室規模の重錘落下装置を用いて行ってきた．し表-1 供試体の諸元
かし，先端形状や重錘の総重量における影響が大きく，本素線径
目合い
重量
来金網の持っている性能評価に資するデータとして十分4.0 mm
50 mm
5.5 kgでなかった．そのため，先端形状の異なる実験や重錘の重5.0 mm
50 mm
9.0 kg
さを変えた実験を行い，簡易的な性能評価方法について検討する必要がある．一方，南波ら 2)は金網形状と目合い寸写真-3 衝突後の状況法の異なる金網に対して，自由落下衝撃実験を実施し，限7070
実 験φ = 4 mm
実 験φ = 4 mm
60
界吸収エネルギーについて実験結果からの推定と提案型
実 験φ = 5 mm60
実 験φ = 5 mm5050簡易算定手法とで比較し，簡易型における性能評価で十分40403030推定できることを示した．小室ら 3)は，ひし形金網の耐衝20201010撃挙動を推定するため，金網の変形応答，挙動について再000.070.07-10-10現している．しかし，金網の種類，使用部材，編み方，網0.08
0.08 0.1
00.05
0.1
0.15
0.2
00.05
0.150.2
時間 t (s)時間 t (s)間隔によってパラメータ設定が複雑化するため，簡易的に(b) W =300 kg, h =1.5 m(a) W =199 kg，h =1.5 m決定することは困難であると考えられる．そのため，実ス
図-1 張力－時間関係
ケールにおける再現は同じ条件下では難しいため，前段階として実験室で行える重錘落下実験を基に再現解析を行
表-2 解析初期値
い，パラメータ設定の方法を検討することが必要である．
そこで本研究は，重錘落下装置を用いた衝突実験でひし項 目値
形金網に対する張力時間関係を計測し，個別要素法を用い球形要素
424 個
供試体モデルて張力とひし形金網の変位量を再現シミュレーションす
円柱形要素
844 個るものである．
重錘モデル
球形要素
1個
接触ばね

ばね定数

時間条件

図-2

供試体モデル

法線方向 Kn(N/m)
接線方向 Ks(N/m)
時間刻み Δt (s)図-3

1.0×107
3.0×106
1.0×10-8

最大張力発生時

実験後では，重錘衝突後のワイヤロープが留め具によりくの字に曲がる様子が確認された．図-1 に，張力－時間関係を示す．初期時間 t = t0 (s)は，張力の立ち上がりを重錘が供試体に触れた時点とした．衝突エネルギーが小さい図1(a)の場合は素線径の違いによる張力の差はほぼないと言えるが，一方でエネルギーが大きくなった図-1(b)の場合は，素線径の違いによる張力差が表れている．

－ 113 －50実 験φ = 5 mm
解 析φ = 5 mm

60

張力 P (kN)

張力 P (kN)70

実 験φ = 5 mm
解 析φ = 5 mm

40302010504030
201000-100.000.05-100.08 0.100.15

0.20

00.05

時間 t (s)0.08 0.1
時間 t (s)0.15

0.2(a)φ=5 mm, W =199 kg, h =1.5 m (b)φ=5 mm, W =300 kg, 2.0 m
70

実解張力 P (kN)60

験φ = 4 mm
析φ = 4 mm

504030201000.07-1000.05

0.09 0.1

0.150.2

時間 t (s)(c)φ=4 mm, W =300 kg, h =2.0 m
図-4 張力－時間関係（解析と実験の比較）(a) t = t0 (s)(b) t = t0 + 0.03(s)(c) t = t0 + 0.06(s)0.41 m0.36 m(d) t = t0 + 0.08(s)４．結 言
本研究では，金網実験供試体を高さ h = 1.5~2.0 (m) から落下させ，重錘衝突による金網の張力，変位について検証したものである．解析では，金網の最大張力，最大変位は再現できており，ひし形金網の耐荷性能評価が可能であると考える．今後は，異なる実験ケースや実際の土石流に対しての適用性について検討を進めていき，土石流荷重に対する荷重評価の検討を進めていく．

図-5 実験と解析の時刻歴応答

0.3 m
0.3 m
(a) 初期状態た場所からの変位として，実験と比較した．
3.2 実験と解析の比較
図-3 に，最大張力発生時の供試体状況を示す．図-3 では，実験で表れたような，ひし形形状が衝突点に行くにつれて伸ばされず，均等に変形が伸びていることが分かる．
また，ひし形金網は，部材の伸びとひし形形状の変形を伴って衝撃力を受け止めているということが示唆される．このことから，局所的な変形は今後検討が必要であるが，全体的な変形や形状の変化は実験を再現できている．
図-4 に，実験と解析の張力-時間関係について示す．図-4(a),(b)から，素線径φ= 5 (mm)の場合の最大張力は概ね一致していると言える．図-4(c)は，素線径φ= 4 (mm)の場合であり，最大張力に約 15 %の差があるものの，その波形について最大張力までの波形と，最大張力発生後の波形について実験と同様の波形が見られた．これより，解析において概ね張力と波形を再現できた．図-5 に，解析の時刻歴応答を示す．図-5 では，重錘が金網に触れた状態を t = t0(s)とした．図-5(a)は，重錘と金網が衝突する直前である．
図-5(b)は，重錘衝突点付近に吸い込まれるようにひし形金網が変形している．さらに，図-5(c)では，おおむね重錘が金網に覆われており，金網が大きく変形していることについて再現できている．図-5(d)は，最大張力が生じているときの景況であり，解析の最大変位 umax = 0.36 (m)，実験の最大変位 umax = 0.41 (m)であるので，解析値は実験値に近い値であった．以上から，最大変位は実験と概ね合っているが，解析ではワイヤロープと金網の留め具は考慮していないため，各々のワイヤロープのたわみについてその景況の再現に精緻なデータ計測や実験との比較が必要である．
最後に，図-6 に複数の礫が衝突した場合の適用例を示
す．図-6 では，図-6(a)のように配置して落下させると，図-6(b)のように最大張力が発生する様子を示している．
これより，多数の礫が集中して衝突した場合においても本手法は荷重予測としてシュミュレートすることができ，今後想定した土石流荷重においても設計に資する荷重を予測できると考えられる．

(b) 最大張力発生時

図-6 複数の礫が集中して衝突した場合
３．解 析
3.1 解析概要
表-2 に解析初期値を，図-2 に解析で使用した供試体モデルを示す．供試体は，球形要素 424 個，円柱形要素 844個を配置しモデル化した．重錘モデルは，実験の重錘と重量を同じくした球形要素を用いて，計算時間削減のため，供試体モデルと接着した状態に初速度を与えることで，運動量を合わせた．張力は，図-2 に示すように供試体モデルの 4 点で算出された平均値を，変位は重錘が金網に設置し参考文献
1) 小泉香那子，堀口俊行，杉本雅一，有田毅：重錘落下装置を用いたひし形金網の耐衝撃性能評価の基礎実験，
第 49回関東支部技術研究発表会，I-25，2022．
2) 南波宏介，白井孝治，坂本裕子：竜巻防護施設に用いる金網形状の異なる高強度金網に関する吸収エネルギー算定手法の適用性，構造工学論文集，Vol.61A，pp958-969，
2015．
3) 小室雅人，西弘明，今野久志，荒木垣也，田中優貴：ひし形金網の耐衝撃挙動に関する数値シミュレーション，構造工学論文集，Vol.63A，pp1084-1095，2017．

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