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「京」の中で、巨大地震による長大橋の揺れを再現する

京算百景Vol.19

〜高精度な地震応答シミュレーションで、高次元な安全へ〜

高速道路会社にとってスパコン使用は「雲の上」の存在だった。
社内からも懐疑的な意見があったのですが、今では技術開発戦略の目玉として「早く結果を出せ」と言われています。

阪神高速道路の金治英貞さん クラッツィオ シートカバー スバル レヴォーグ H27/1~H29/7 VM4/VMG クラッツィオ ジュニア EF-8005 clazzio クラッチオ、篠原聖二さんたちは、より高いレベルの地震対策を目指して、スーパーコンピュータ「京」を活用。
地震応答シミュレーションの高精度化と広域化に取り組んでいます。
今回の利用課題では NISMO(ニスモ) GT L.S.D. 1.5Way 日産 シルビア S15 SR20DE [LSD] 38420-RS015-C、その土台づくりとして、阪神・淡路大震災でを受けた「東神戸大橋」の損傷状況を、忠実に再現することに成功。
将来的には、阪神高速全体にシミュレーションを広げ、地震発生時の対応強化や、想定を超える巨大地震への備えにつながっていくことが期待されています。

1995年1月17日に発生した、阪神・淡路大震災。神戸では NANKANG TIRE ナンカン AS-1 サマータイヤ 235/45R18 WEDS ジョーカーアイス ホイールセット 4本 18インチ 18 X 7.5 +48 5穴 114.3、震災の帯とも呼ばれ、震度7と推定される強い震度の領域が出現。かつて経験したことのないほどの都市直下型地震によって、阪神高速も甚大なを受けました。
高速道路の中でも、大きな港や航路にかかる所には 【USA在庫あり】 コブラ COBRA バックレストセット FXST/FLST クローム 631256 HD店、長大橋という非常に長くて大きな橋が採用されています。この長大橋も震災時に大きな損傷を受け、東神戸大橋では車両の通行ができなくなりました(図1)

東神戸大橋の魚崎浜側の橋脚では、橋脚上に設置されていたすべての支承が損傷した。このため、重さを支えられなくなって橋がたわみ、橋の端部が40cmほど跳ね上がるという現象が起こった。幸い人命は失われなかったものの、自動車が通行できなくなり、復旧までに時間を要した。

壊れない橋ではなく、“うまく壊れる橋”をつくる

研究開始当時は、技術部技術推進室長であり、現在は神戸建設所長を務める金治さんも、そのを目の当たりにした一人です。
「私は大震災が起こる当時まで、橋というものは壊れないように設計するものだと思っていました。しかし、震災を受けて現場確認に行くと、どこか壊れているのです。自然に打ち勝つことはできないと、まず実感しました。だとすれば、ある大きさに対して壊れないように設計していたものを、それを超えたとしても致命的でない“うまい壊れ方”ができればいい のではないか。そんな発想に切り替わりました」
壊れない橋をつくるのではなく、予測を超えた大きさの地震が来ても“スマートに壊れる橋”をつくる。部分的には損傷を認め、損傷することによって地震のエネルギーを吸収し、全体としては長大橋や高速道路の機能を維持する(「損傷制御設計」といいます)。まさに逆転の発想で、金治さんたちは長大橋の地震対策を進めてきています。

地震を、単に力としてではなく、エネルギーとして捉える

地震に対して力で対抗しようとする「耐震」から、力をうまく逃がす「免震」や、力をコントロールする「制震」へ。こうした発想のもと、世界でも前例のない、高速道路における画期的な技術が生まれています。
たとえば、大阪市港区にある港大橋の「すべり免震システム」。橋桁と道路の床組をつないでいた金属支承を固定せず、地震の揺れが起こった時にスライドする免震支承が開発されました(図2)。

「地震に対して、これまでは力で対抗しようとしていました。私たちは地震を力ではなくエネルギーとして捉えようという考え方に切り換えたのです。地震のエネルギーを、橋のどこかでうまく吸収してあげればいいのです」この港大橋は、1974年に設計・施工の斬新さで土木学会田中賞を受賞。さらに、この地震対策の斬新さが評価されて2007年に同賞を再び受賞という珍しいエピソードまで生まれています。

橋桁から道路面に地震が伝わると、そこをつなぐ部品(支承:拡大した箇所)にも大きな力がかかり、損傷を招いてしまう。そこで、揺れが起こった時に道路の床組をスライドさせる支承を開発。道路面を橋桁から“切り離す”ことで、地震のエネルギーを摩擦によって吸収するという画期的な発想。

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「京」ではじめて可能になる高精度化と広域化

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世界初の技術を生み出し、長大橋の免震・制震対策に取り組んできた阪神高速道路。さらなる地震対策を進めるためには、橋ごとの対策だけでなく、広い視野から道路ネットワークを考えることも重要になります。長大橋のより精緻な解析に「京」を用いることは、名古屋工業大学教授の野中哲也先生のご提案でした。「私たちは「京」に、2つの大きな魅力を感じていました」と金治さん。
ひとつはシミュレーションの「高精度化」。長大橋は構造がとても複雑なうえ、そこに様々な部品がついています。細かいメッシュが必要な高精度計算になりました。そしてもう一つが「広域化」。予測を超える大きな地震が起こった時、橋だけでなく阪神高速全体はどうなるのか。広域に渡る道路網全体の大規模計算となりました。交通ネットワークとしての安全性を知るためのアプローチです。どちらも、「京」の大規模な計算資源があってこそ目指せるアプローチでした。

知りたいのは、構造物のリアルな挙動

シミュレーションを行う時に問題になるのが、計算によって得られた結果が「本当に合っているのか」ということです。通常のものづくりであれば実験を行い、シミュレーションの結果と照らし合わせることも可能かも知れません。しかし、長大橋はあまりにも規模が大きく、かつ構造が複雑であるため実験が困難です。
そんな中、実際の現象と照らし合わせて検証を行える唯一有効な方法が「の再現」でした。金治さんたちは、東神戸大橋が阪神・淡路大震災によって受けた損傷を再現する計算に挑みました。設計情報をもとに東神戸大橋の精密なモデルをつくり、「京」の中で阪神・淡路大震災当時の揺れを再現。一例として、ペンデル支承のシミュレーション結果と大震災当時の東神戸大橋の被災状況の写真を比べると忠実に再現できていることが分かります(図3)。この成果により、長大橋ではこのような部品や装置も、橋全体のバランスの中での適切な強度やねばりを合理的に設定することが可能となりました。「複雑な構造物に、部品がたくさん付いている。その一つひとつが機能し、相互に影響を与えていく。長大橋ならではの難しさがあり、解析だけでは構造物のリアルな挙動は追いづらかったのです。

阪神高速がこれまで培ってきた知見と実験のデータ、そして「京」の大規模計算資源があって、はじめて震災の状況を忠実に再現することが可能になりました」金治さんは計算の苦労をそうふり返ります。
広域化の面では、「最終目標としては阪神高速のネットワーク全線、およそ260kmのシミュレーションをポスト「京」で行えるようになりたいと考えています。実際の路線全体をモデル化するという試みは、恐らく全世界でも初めて。高精度化、広域化につながるモデルの大元は、既にでき始めました」と篠原さん。深層地盤、表層地盤、構造物の3ステップで震源からの揺れに対する応答解析を行うことで、道路ネットワークとしての弱点や改良すべきポイントを見つけ出そうという取り組みが進められています(図4)。

構造物の先にいるお客さまに、安全と安心を届ける

シミュレーションの高精度化と広域化が進むことで、あらゆる震源や地震の大きさ、伝わり方を想定して、様々な角度から対策を考えることができるようになります。そして、構造物の先にあるのは、「道路を利用するお客さまの安全と安心です」と金治さん。
地震発生時の道路のうえで、車がどのような挙動をとるのか。人間がどのような行動をとるのか。また 、車が自動運転で走るようになる未来、災害時に車にどんな情報を送ればいいのか。救急車両や緊急輸送の交通は、どう確保するのか。こうした取り組みに、終わりはありません。データと知見を集め、それをどう活かすのかを考えながら、無限にアップデートしていくものだと金治さんたちは考えています。安全・安心への取り組みに、ゴールはない。金治さんたちのチャレンジは、

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、どこまでも続いていきます。

お忙しい中、取材にご協力いただきありがとうございました。
これからも、『京』の活用によって、さらに安全で安心な道路ネットワークが広がっていくことを願っています。今後のますますのご活躍をお祈り申し上げます。

阪神高速では今、金治さんの指揮のもと、5号湾岸線の延伸工事に向けたプロジェクトが動き出そうとしています。3号神戸線と交通が分散され渋滞の緩和が進むことで、利便性の向上や関西圏の経済にも大きなインパクトがもたらされると期待されています。
そして、新しい道路には2本の長大橋がかかり、スパコン「京」のあるポートアイランドを横断する計画です。「神戸に新しい道をつくるのに、神戸にある『京』を使って高速道路のモデルをつくれる。しかも PROBIKER プロバイカー オンロードブーツ ヴィジョン ブーツ サイズ:38、阪神・淡路大震災の被災と復興を経験したこの街で、こうした取り組みができるということに、大きな意義を感じています」と語る金治さん。さらに、阪神高速では、神戸大学・理化学研究所計算科学研究機構と三者による包括的な連携を結び、「京」を使った減災の取り組みを中心に、交通、社会科学など、アカデミアと、阪神高速を結んだ大きな取り組みが動き出しています。
これから、多くの人々の想いと努力によって、

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、新しい技術と高い安全性を持った高速道路が築かれていくことでしょう。

【参考資料】(もう少し詳しく知りたい方のために)

  1. HPCIシステム利用研究課題
    利用報告書産業利用課題(hp150099:平成27年度)[PDF]
  2. 阪神高速 技術のチカラ
  3. HEARTILY QNC20系 bB (S/Z grade) 3点セット(F.SS.R)
  4. 阪神高速の防災・減災への取り組み: 阪神・淡路大震災から20年
  • 課題番号:hp160105 「京」産業利用(実証利用)
  • 課題代表者:金治 英貞(阪神高速道路株式会社)
  • 利用資源量:約95万ノード時間積
  • 課題名:巨大地震時における阪神高速長大橋の大規模モデルの高精度化

神戸市中央区港島南町1丁目5-2 神戸キメックセンタービル

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