沿岸橋梁にかかる波力

この記事は、テキサスA&M大学ガルベストン校海洋システム工学科のジュン・ジン助教授によって寄稿されました。

近年、ハリケーンにより、メキシコ湾沿岸の米国4州すべてにおいて、沿岸部の高速道路橋に構造的な損傷が発生しています。沿岸橋梁へのハリケーン被害を将来的に防ぐためには、橋梁上部構造にかかる波浪荷重の大きさを適切な精度で算出する必要があります。一般的に、構造物にかかる波浪荷重の計算は、波と構造物の相互作用の複雑さゆえに困難を伴います。本稿では、こうした複雑な問題にどのように対処できるかを示しています。

FLOW-3D におけるストークス非線形波動解の検証

FLOW-3D は、沿岸橋梁にかかる波浪荷重を計算し、構造物の高さとグリーンウォーター (デッキ上の水)荷重の影響を調査するために選択されました。境界条件として5次ストークス波が使用されました。 FLOW-3D のストークス波解の精度を評価するために、計算領域内の3つの点が粒子源として選択されました(図1)。シミュレーション中、各粒子源は毎秒10個の粒子を放出しました。粒子の軌跡は図1にプロットされています。1点の水粒子の速度は理論結果と比較されました(図2aおよび2b)。 FLOW-3D によって計算された水粒子の運動学は、ストークス非線形波理論とよく一致すると結論付けられました。

図2a. 計算された粒子速度と理論結果との比較

図2b．ある点における計算された粒子速度と理論結果との比較

波浪荷重と上部構造物の高さの関係

次に、橋桁を異なる高さに設定し、波高2m、周期6秒のストークス5次波を用いてシミュレーションを実行しました。図3は、波力が最大となるときの波形と圧力等高線を示しています。

橋桁下の流れ場

異なる波高でのシミュレーションも実施しました。図4に示すように、橋桁下の流れ場は複雑です。桁と上部構造によって形成された開口部内では、水の流れは境界に沿って円形パターンを描いていました。また、流れの複雑さは波高の増加とともに増大することも観察されました。

観察結果

シミュレーション結果から、以下の結論が得られました。

1.橋梁上部構造にかかる垂直方向の波力は、上部構造の高さが増すにつれて減少する一方、水平方向の波力は、橋梁上部構造の上面が波の頂上より下にある場合は、大きな影響を受けない。

2.橋梁上部構造にかかるグリーンウォーター荷重は、波高とともに増加する。砕波に近い場合、最大グリーンウォーター荷重は最大垂直波力の50%を超えた。しかし、グリーンウォーター荷重と上向き波力との位相差のため、垂直波力の最大値はグリーンウォーター荷重によって大きく減少することはなかった。

3.橋梁上部構造周辺の流体場は平行な桁によって分断されるため、波の運動学のみに基づく手法では波の力を計算することはできない。

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