水流による構造物への影響

• テーマ：水流による構造物への影響
• キーワード：建築、土木、水力、常流・射流、自然災害、水害、自由表面、VOF

近年、水害が増加しており国土交通省のまとめによると、2019年の水害による被害総額は2兆を超えて統計開始後で最大の被害額となっています。このため、水流中に置かれた構造物の健全性評価を事前に予測し、対策を講じることが重要になっています。
水流により構造物が受ける景況は、水流による波力（水平方向荷重）と浸水による浮力（垂直方向荷重）になります。この波力・浮力による構造物の滑動や転倒を評価することで、構造物の健全性を判定することが可能になります。
ここでは、VOF法による自由表面を考慮した構造物への水流の影響をシミュレーションしています。

解析概要

今回の計算は、建物上流から推移＝65cmで流速＝1m/sと4m/sの2つの流速条件で水流を再現し、建物に作用する水平力と転倒モーメントを評価しています。
各流速を水位によるフルード数Frで示すと、流速=1m/sでのフルード数Fr＝0.397、流速=4m/sではフルード数Fr＝1.585となり、フルード数が1より小さい場合が常流、１より大きい場合が射流になり、流速Uと浅水長波の位相速度（波紋が伝わる速さ）√ghの比を表しています。
※船舶で用いる船長によるフルード数とは意味合いが異なります。

常流（深くて遅い水流）

常流では構造物の上流および、後流で一体の水位が上昇します。また、常流では構造物の近傍での局所的な水位の変動は小さく、構造物の後流にはカルマン渦が発生するため、渦放出による横揺れを生じます。

射流（浅くて速い水流）

射流では、構造物の後流にケルビン波が発生しますが、その影響は上流側には伝播しません。
射流では、構造物の正面での顕著な水位増加と、構造物の背面での顕著な水位低下が同時に発生します。

• シミュレーションでは以下の計算条件により過渡計算で時刻=40秒まで計算しています。

流速に応じて色分けした水面の挙動を動画で示します。
Fr＝0.397（流速1m/s）のケースでは、建物上流・下流で水位が上昇し、建物の近傍での局所的な水位変動は小さく、建物後流にカルマン渦が形成されています。
Fr＝1.585（流速4m/s）のケースでは、建物上流の水位が上昇しますが、下流では水位が低下し、ケルビン波が形成されます。

建物に作用する水平力と転倒モーメントを以下に示します。
Fr＝0.397（流速1m/s）のケースでの水平力は時刻＝10秒でピークとなり、その後は訳8500Nの水平力が発生、
転倒モーメントは自国の経過とともに上昇し、時刻=40秒で訳1200N*mとなっています。
一方、Fr＝1.585（流速4m/s）のケースでは水平力は時刻=5.6秒で訳75000Nとなり、その後は訳65000Nの水平力が発生、
転倒モーメントは時刻=15秒でピークとなり、訳30000N*mの力が作用しており、射流でぇあ構造物の前後の水位差が大きくなり、静水圧差によって建物が滑動・転倒しやすいことを示しています。