Why America's Bridges Are Crumbling Scientific American 1993.03
佐藤 真平 訳分
どうしてアメリカの橋は崩壊するのか？
不十分なメンテナンスは、数十年間に渡って払い続けなくてはいけない修理費の山積という形で報いを受けています。その間、問題に対する視野は今まさに開けてきました。
アメリカはあまりにも新規の架橋事業が少ない国です。アメリカの高速にあるおおよそ半分の橋、20万以上の橋が何らかの欠陥を抱えています。いくつかはもはや時代遅れとなってしまっています。すなわち、車が小さく道幅も狭かった時代に作られたものです。しかし残りの橋も、一つもしくはいくつかの理由で現代標準の設計で要求されるレベルの荷重に耐えられないのです。 13万以上の橋が、その上を走るトラックの重さに制限をかけており、約5000は閉鎖されています。毎年平均して150-200の橋桁が部分的、もしくは完全に崩壊しています。往々にして橋の崩壊はすさまじい災害を引き起こします。1983年、コネチカットのインターステート95のミアナス川橋の崩壊はこの例と言えるでしょう。 最新の予想では、欠陥のある橋の補修には少なくとも900億ドルがかかると見積もられています。この問題は、半世紀以上に渡る工事と、それに続いて起きる不適当なメンテナンスという結果に現れています。結果、過去25年に渡って橋の修復は政府事業から消えたことがありません。
もし問題が確実な方法によって解決されようとするならば、将来の多額かつ突然の支出を減らすことになりますが、その本質は明確に理解できるものでなければなりません。疑問には次のようなものがあります：どのような種類の橋が最も欠陥を発生させやすいのか？どのようにして橋は破損状態に陥るのか？崩壊しそうな橋はどれほどの危険をはらんでいるのか？などの質問です。これらの質問に答えるため、我々は連邦道路管理局によって運用されている国立橋梁目録を分析した。その結果、これらの問題に対する一般的な認識のいくつかが誤りであることが分かりました。 都市圏にある大きな橋は大抵最悪の状態だと思われています。確かになんらかの不良部分はほとんどの橋で見受けられますが、そのほとんどは短い期間で良好に修復され、橋は維持されています。同様に、交通量の多い高速道路にある橋はよく目立ち、また問題の大きさが印象強いのですが、欠陥を持つ橋の殆どというのは交通量の少ない裏道などにかかる橋の中に潜んでいるのです。 破損状態が、国の橋を崩壊させるまでになっても政府や高速道路建設業者のだれも驚愕しません。46人が死亡した1967年12月のオハイオ川にかかるシルバー橋の崩壊以来、各州は橋の安全性と妥当性についての広範な記録を取り始めました。シルバー橋の崩壊の要因の一つは地方自治体の杜撰な検査体勢でした。結果、1968年の連邦高速道路補助法で橋梁検査の国家標準と、検査技術者の養成が定められました。現在、アメリカの橋梁の殆どは2年毎に検査されています。 各州は検査データをFHWAに送り、その結果が国立橋梁目録に反映されます。連邦政府はこれらのデータにより、国内の高速道路にかかる橋の内どれだけの物に連邦予算から歳出する必要があるかどうかを判断することができます。現在のところ、そのような出資を受けるためには、橋は"構造的不良有り”（定められた荷重を支えることができない）か、"機能不足"（橋幅不足もしくは十分な車道間隔の不足）に分類される必要があります。アメリカの高速道路の橋のうちの39%がこのいずれかに分類されています。
ミアナス川橋梁の崩壊により3人が死亡し、コネチカットの州間高速95号線は数ヶ月に渡り断絶された。原因は危険性を孕んだ設計と劣悪なメンテナンスであると分析された。
どうして橋が落ちるのか？
物理的には、橋は交通と天気によって劣化していきます。水は金属を腐食させ、橋の基礎を浸食していきます。一方、車やトラックが橋を通行するたびに屈曲が発生し、過度な荷重はヒビや構造の健全性を蝕んでいきます。 技術者達は橋の劣化の一般的なメカニズムは理解していますが、詳細はよく知られていません。橋の構造はコンピューター解析を行うにはそのままでは複雑すぎるので、シミュレーションには単純化や過程という作業が必要不可欠なのです。結果として、計算は現実といささか異なるものになってしまいます。
一度橋が劣化し始めると、欠陥の進行速度は加速していきます。金属で出来たはりの大部分は大半の荷重を受け持っており、腐食はより速く進行します。同様に、損傷した部材による構造は長期間の荷重に対する能力が低下し、結果として激しい交通量による悪影響に対してより無防備になります。
問題は単純で、劣化の進行状況の見過ごしを許容してしまえば、激しい損傷を引き起こしかねないということです。橋の上の小さなゴミ、例えば排水溝のつまり等は水の蓄積を引き起こし、寒い地域では内部で凍結し、ひび割れを引き起こします。しかし凍結防止材の仕様も、塩分を含んでいるので補強や構造部材を急速に腐食させてしまいます。もし塩分を含む化合物がある域に達してしまうと、セメントや骨材がしっかりしていてもコンクリートを打ち直さなければいけません。
排水も問題があります。技術者達は、数年で橋を不安定にしてしまう塩分と荷重が存在するような構造部材や支持表面から水を導くのには多額の費用がかかることを知りました。排水システムが複雑で高価なのはもちろん、性能を維持するために定期的なメンテナンスが不可欠だからです。
上部構造物や舗装面と同様、橋の下部構造も問題に直面しています。加えて、下部構造物の場合は検査や修復がさらに難しいのが問題です。例として、1987年、ニューヨーク州北部のショーハリー川橋梁は、水流が橋の土台部分を浸食したため崩壊しました。これ以降、州は水流部の検査に潜水士を雇っています。特に濁った水の中では、彼らはほぼ触感にたよって作業しなければなりません。もし潜水士が損傷を見つけたら、修理をするためには潜函作業が必要になります。
技術者たちがほぼ制御することが出来ない損傷原因の一つに事故があります。ケンタッキー大学のイッサム E・ハリークと彼の同僚によれば、1951年から1988年にかけて報告されている橋の損傷のうち、衝突事故が原因のものは79件のうち42件にも達するといいます。そのおよそ半分が、船が橋の支柱に激突する事故となっています。ニューオリンズの近くにあるヒューイ P・ロング橋梁は、この5年間で2回の衝突に見舞われており、タンパの近くのサンシャインスカイウェイ橋梁も同様です。
結果として、このような橋の崩壊は静的解析の結果を無視したものとなります。1970年の春に発生した、フロリダ州ジャクソンビルの近くにかかるバックマン橋梁の失敗の例では、技術者達は橋の中空であるべき杭を止水せず水で満たしてしまいました。嫌気性細菌が杭の内張りに繁殖し杭を破損させるに十分なメタンを発生させ、結果橋の一部が崩壊しました。
佐久間 俊介 訳分
それぞれの州は橋梁台帳のために調査の結果を連邦道路管理局へ送ります。連邦政府はハイウェイ橋のニーズの規模と連邦政府の補助金の計画を管理するためにそれらのデータを頼っている。今のところその出資を受ける橋の適正は橋が構造的に不安定なものか機能的に旧式なものに分類されることが要件である。およそ39%のアメリカが所持するハイウェイ橋は不安定なものに分類される。さらにおおよそすべての橋の25%は負荷を減らす掲示をすることを求めている。我々はこれらの橋の一部(橋の長さが20フィート以上[暗渠に分類されない]また1950年から1980年の間に建造されたもの)についてさらにっ徹底した分析を行った。なぜなら我々のサンプルは更に古い橋を除外したため、欠陥の割合は全人口としてはそれほど高くはない。かし我々は我々の結論はまだいまだ汎用的だと信じている。我々の結果は橋梁台帳に驚くべきパターン、いやむしろそれに関する欠如を示す。橋の状態は州から州にかけて様々に変化する。(ハワイ、カリフォルニア、ネバダ、アリゾナ、フロリダの5%以下の橋は修理か交換が必要であるのに対してミシシッピ、ニューヨークの橋の40%以上は構造的欠陥がある)。(それらのいくつかの変化は調査法の違いに関係する可能性があるが数の取り込みは正常である)例えば、多くの運転手は車体のさびと橋の腐食を関連付ける。彼らは車を侵食するのと同じに除氷剤もまた鉄の橋梁部材を破壊し、コンクリートはり中の鉄筋と船の甲板に用いる材料を崩壊させると推論する。しかしながら大部分は車のさびは欠陥のある橋の割合とは相関関係がない。いくつかの北部の州では欠陥のある橋の割合は高いが他では違っている。
他の学派は構造的な悪化を重いトラックの往来によるものとみなしているが一見するとよい理由だ。トラックは橋に普通車の10倍の荷重を加え、道路の表面の凹凸はトラックの積み荷を跳ねさせさらにもっと圧力を増幅する。更に重量超過のトラックは橋の崩壊を引き起こす。それにもかかわらず橋梁台帳は一日の平均通行量と不安定な橋との逆相関を示している。あまり踏み固められていない径間はさらに不安定そうだ。それ故に最も大きな問題とんなる州は北部の「rust belt」にも交通量の多い北東部や南西部にもないがむしろアメリカの南東部にある。
一部の分析者たちは構造劣化はただ単に年齢の問題と戦後の初期に多くの橋を建造した州は高い割合で 欠陥のある橋を所有しているだろうことによる問題と提言してきた。しかしながら実際には州の橋の平均建造年とその不十分な径間の割合には関係はない。州の橋の総距離と不十分な部分の距離にはいくつかの相関関係があり、それは問題は建造年ではなくむしろメンテナンスだということを提示している。
メンテナンスの問題に加えて橋の材料と劣化の相関があり、当然木製の橋は一般的に最も悪い状態である。ほんの一握りの州間ハイウェイの橋は1950年代後半から木材で建造されたが、その半数以上は依然として修理か交換が必要なままである。更に木材は依然として州や田舎の道で使用されている。木製の橋の大部分は1975年以前に建造されたものだが、1985年から1989年の間に建造された木製の橋のおよそ4分の1は不十分である。
鉄とコンクリートの状況は更に複雑である。コンクリートの径間の不良品の割合は比較的低く州によって不変である。鉄製の橋の状態は対照的に州によって変化する。いくつかの管轄では鉄の橋はコンクリートの橋より不十分となる傾向がないが他の場合、比は3大きくなっている。この違いはほとんどすべて州と地方の橋の劣悪な状態に起因する。州間ハイウェイとアメリカのハイウェイの大半の橋は連邦政府の補助金を受ける資格があり、それゆえ一貫した設計、検査、メンテナンス が行われる。しかしながら地方の橋はメンテナンスを地方予算にたより、基準は一様というには程遠い。
橋梁台帳はあまり使用されていない短い鉄の橋(一日に1000台以下、またはおよそ90秒に一台)の方が交通量の多い道よりも不十分である可能性があることを公開した。なぜなら鉄の橋は木政の橋と同様に定期的なメンテナンスを受けない限り不安定となる傾向があるからで、この統計は地方自治体は不十分な資金の面で不利な状態にあることをほのめかす。彼らはそれゆえ多くのドライバーに影響を与える問題に対処しなけらばならない資金を割り当ている。
確かに、州と地方、都市の道路の800以上の新しい橋(1985年と1989年の間に建造されたもの)は構造的に不安定なものに分類されている。この数の5から15%の橋が州に建てられたことが問題となっており、その大半が南東にある。いくつかの管轄は資金供給不足に対して過激な設計と低水準の径間の建造を行ってきたことは明らかだ。
インフラの酷使の影響は何か。毎年12人以下の人が一般的に橋の崩壊で死亡しているがその他に1000人が不完全で旧式、または交通管制設備の不十分な橋での事故で死亡している。橋の閉鎖はドライバーを迂回させ、通行を中断する。最近のもっとも有名な橋の閉鎖はマンハッタンとブルックリンの間のウィリアムバーグ橋だ。1988年の4月から8月まで一日に10万人のドライバー替りの道を見つけなければならなかった。特にそれらが地方との行き来の唯一の道としての機能を果たしていれば、小さな端の封鎖でさえ大規模な混乱を引き起こす。
橋はただ単に低減された負荷の標識を掲げられるだけで、結果は意義あるものになるだろう。輸送計画者はトラックが運般している積荷の回り道と、かなり低い許容積載量による追加のコストとスクールバスと消防車の迂回のためのコストを計算しなければならない。迂回路がないという小数例で、燃料とスクールバス、消防隊は負荷制限のある橋のみによって到達できる場所は利用できない。 40トン未満が通常、許容されるよう橋上の交通を規制することは構造的な過負荷に起因する更なるダメージから橋を守ることも橋がドライバーを巻き込んで崩壊するという悲惨な結果からドライバーを守ることも目的としている。この目的のために採用される基準の標識はストレートトラック、セミトレーラー、ダブルトレーラーの3つのシルエットを表示する。3つの異なる荷重制限は、多くの車軸を持つ長いトラックは多くの橋の一部分にかかる荷重を減らすことを考慮に入れている。実のところ多くのトレーラーはかなりの割合の幹線道路橋よりも長い。
橋が標識を掲げることは予想に反する結果を生むことができる。強化試験のために標識のある橋を準備するアイオワ大学の卒業生は地方のトラッカーに荷重の制約表記に対する彼らの典型的な反響を訪ねた。トラッカーはスピードを上げ橋上の中央線を走ったと答えた。
標識に対するトラッカーの反応は厄介だ。なぜなら橋梁技術者たちは重量超過の車体の様によって引き起こされるような過負荷の周期の回数と厳しさを増やすことは劣化を加速させると信じているからだ。中央線を走ることは、交通の安全性の点からも危険とはいえ二車線の橋上で過負荷を一台のトラックに制限する。しかしながらスピードを上げることは動的増幅として知られる影響を強め、それはトラックの橋への有害な影響を著しく増加させる。トラックが高速で動いているとき、道路表面の穴や凹凸は積荷を上下に跳ね上げる。
アメリカの橋梁技術者はこの跳ねがトラックの重量の最大30%を余計に与えると推測した。オーストラリアのひとつの橋でのテストは動的増幅は橋への圧力を倍増させることを明らかにした。結果として技術者は積載量が減らされた大型トラックにスピード制限の標識もまた掲示するだろう。そのような制限は一般的に強要されないため、橋への負担をコントロールするためにそれらを頼りにするのは危険を伴う。
上野 勇人 訳分
橋に荷重制限を設けて表示すること自体は可能であるが、長い目で見ればそれは橋の構造的欠陥の解決には繋がらない。しかし、国、州、市、どこをとっても欠陥のある橋をすべて建て替えるほどの予算がないのが現実である。
車があまり通らない橋では、設計基準を緩和すべきだと提案する技術者たちもいる。例えば、一時間に通行量が１０台以下の橋では、橋の一車線化が検討されている。一車線の橋は、二車線の橋に比べて建設費を２/３ほどに抑えることが可能である。さらに、洪水時に常に水面上にある橋よりも、時には水没する橋をつくった方が安上がりである。
橋の建設方法を変えて経費を安くする方法もある。すでにプレハブ製の橋を導入している州も多い。大概が鉄筋コンクリート製のプレハブであるが、本来ならば数ヶ月かかる橋の建設期間を数週間に短縮できる。そのような橋は、欠陥が極めて発生しにくい傾向がある。加えて、コンクリート製の橋は木製やスチール製の橋ほどのメンテナンスを必要としない特徴がある。さらにコンクリート製の橋は、メンテナンス基準の高いハイウェイや国道と、メンテナンス基準が場所によって変わる地方の道路とで、欠陥率が変わらない特徴がある。
依然として木製の橋が建てられているところもある。防腐剤が加圧処理された梁が橋の骨格を成し、薄板状のパネルが路面を支える部分に使われる。コンクリートやスチール製の橋に比べて、木製の橋はコスト面で絶対的優位に立てると断言する設計者もいる。しかし、このように立てられた橋は、この記事の趣旨にはそぐわない。
橋の修理や架け替えに使われる補助金を得るために、企業同士はより有利な地位を得ようと画策している。結果として、州の役人が橋に対して豊富な知識を持ち、また修理の必要性の有無などの橋のコンディションを把握していることが重要である。
１９８８年、FHWAは橋調査のやり方を修正、さらに州同士で統一した。（その改革の前は、１５パーセントもの橋が不適切に分類されていたとも言われている。）現在、情報は国中から集められ、それを元にFHWAは橋のマネジメントプログラムを推進・発展させている。これらの進んだ技術は最新のコンピュータソフトウェアがあって始めて成り立ち、役人が橋を監視するのを助けたり、メンテナンス時期をスケジュール管理化したりしている。これら進んだ技術により橋の状態を管理することは容易になったものの、やはり日々のメンテナンスが重要なことに変わりはない。ニューヨークでは、橋の管理人たちが「橋の塗装や清掃に費やされる２～３０００＄のお金は、橋の構造的修理にかかる数百万＄のお金と同等な価値を持つだろう」と話す。
シルバーブリッジ崩壊の数ヶ月後、エンジニアリングニュースレコードという建築週刊誌のとある編集者は「橋の調査に費やされる時間・労力・お金は問題に比例するはずがない」と主張した。現在、橋の調査は１９６８年に誰しもが想像していた以上に広範囲に及ぶようになったが、実際にアメリカの橋崩落事故は減少し、その主張は残念ながら間違いであったと証明された。
