各種構造物の揺れの推計と補強対策の検討

小鹿紀英　（小堀鐸二研究所）

2008年 11月 20日

平成 19年度長周期地震動対策に関する調査

資料１－２（非公開資

料）

日本建築学会

長周期地震動対策関係省庁連絡会議（第 5 回）

2

実施内容

① 予測長周期地震動を用いた各種構造物の揺れの推計

　・大都市圏で予想される長周期地震動に対して複数の超高層ビルを設定し、揺れの傾向を把握、損傷箇所と程度を推定

　・大型タンクのスロッシング挙動

② 各種構造物の揺れを減衰させる補強対策の検討　・損傷低減に必要な付加減衰量と制震化による

損傷低減効果の確認

3

検証用長周期地震動：目標スペクトル

SVm2,VEm2 SVm2,VEm2

SVm1,VEm1 SVm1,VEm1

特定の周期帯 Ａ．Bi-linear 形状の方法 Ｂ．Bi-linear 形状に「山」を作る方法

超高層建物に対する長周期地震動の想定レベル 1)

標準波・告示波

地震動 S

巨大地震による長周期地震動平均的

地震動 L特定の周期帯

地震動 LL

速度応答スペクトル

SV （ cm/s ）

SV=80 ～　

120cm/s

SVm1=80 ～120cm/s

SVm2=120 ～180cm/s

エネルギースペクトル

VE （ cm/s ）

VE=120 ～180cm/

s

VEm1=180 ～270cm/s

VEm2=270 ～400cm/s

文献 1)　日本建築学会：長周期地震動と建築物の耐震性、 2007.12

4

検証用長周期地震動の位置づけ

地震動 S　:　標準波・告示波 　　現行の超高層ビルの設計用地震動　　

地震動 L : ｢平均的｣長周期地震動　　一般的な超高層建物や免震建物用の目標ス

ペクトル　　

地震動 LL : ｢特定の周期帯｣長周期地震動

　　固有周期が特定の周期帯にある超高層建物や免震建物あるいは特別な用途の建物用の目標スペクトル

5

超高層モデル建物の設定

S30 121.5

m

S50L 197m

S50T 197m

RC30 91.5m

RC40129m

T1=3.8s

T1=4.5s

T1=6.2sT1=1.8s

T1=2.8s

対象建物は既存の超高層を念頭に、鉄骨系 3 種、 RC系 2 種のモデル建物を作成

6

S30 S50L S50T RC30 RC40

層間変形角 R(rad) 1/118 1/128 1/114 1/123 1/123

加速度 a （ cm/s2 ） 399 254 247 413 252

判断値 λ 2 2 2 2 2

建物の機能 指定機能確保

指定機能確保

指定機能確保

指定機能確保

指定機能確保

最大部材塑性率 1.14 2.70 1.15 2.31 1.16

( 参 )　 梁の降伏割合 50% 95% 3% 100% 22%

最大部材累積塑性変形倍率

JASS6 型 0.6 8.4 0.2 ― ―

ﾉﾝｽｶﾗｯﾌﾟ 0.6 8.4 0.2 ― ―

梁端混用 0.6 8.4 0.2 ― ―

（参）梁部材破断割合 0% 0% 0% ― ―

判断値 λ 3 2 3 2 3

建物の損傷度 軽微 小破 軽微 小破 軽微

｢平均的」地震動 L の機能・損傷判定

応答値の判定は、建物機能 ( 設備系、 2 次部材、家具什器など ) に関わる建物挙動 ( 層間変形角、加速度 ) と、建物損傷度 ( 部材塑性率や累積部材塑性変形倍率 ) に注目して判定

｢平均的｣長周期地震動 L に対しては、部材降伏割合は高いものの層間変形角、塑性率は小さく、現状でもほとんど被害は生じない。

7

S30 S50L S50T RC30 RC40

層間変形角 R(rad) 1/72 1/137 1/70 1/98 1/69

加速度 a （ cm/s2 ） 495 360 352 430 349

判断値 λ 0 2 0 1 0

建物の機能 機能確保困難

指定機能確保

機能確保困難

限定機能確保

機能確保困難

最大部材塑性率 3.26 3.72 1.99 2.42 2.33

( 参 )　 梁の降伏割合 100% 95% 46% 100% 100%

累積塑性変形倍率

JASS6 型 12.6 43.2 10.3 ― ―

ﾉﾝｽｶﾗｯﾌﾟ 12.6 43.2 10.3 ― ―

梁端混用 12.6 43.2 10.3 ― ―

梁破断割合 0% 36% 0% ― ―

判断値 λ 1 0 2 3or2 3or2

建物の損傷度 中破 大破超 小破 軽微・小破 軽微・小破

｢特定の周期帯」地震動 LL の機能・損傷判定

万が一、｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL に遭遇した場合、被害パターンは異なるものの、いずれの建物も何らかの被害が生じる可能性が高い

8

超高層モデル建物の補強検討例

鉄骨 30 階建（ S30-D ）

オイルダンパによる補強

オイルダンパ

9

S30-D のオイルダンパによる補強効果

0 0.005 0.01 0.015 0.020

5

10

15

20

25

30

org +DAMP

( )階

0 2 4 60

10

20

30

org +DAMP

(FL)

｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL 入力

最大層間変形角 最大部材塑性率 最大部材累積塑性変形倍率

0 5 10 15 200

10

20

30

org +DAMP

(FL)

補強後補強前

補強前補強後

補強前

補強後

制震化により層間変形角のみならず、建物の損傷度も大きく低減でき、制震化の効果が顕著である

10

S30-D のオイルダンパによる補強効果長周期地震動 LL 入力時頂部応答変形

0 30 60 90 120 150 180 210 240-150

0

150ORG.(cm)

(sec)

0 30 60 90 120 150 180 210 240-150

0

150+DAMP(cm)

(sec)

S30 （オリジナル）

S30-D （オイルダンパ設置後）ダンパ設置により、大振幅の揺れの継続時間は大幅に短縮され、人の不安感の軽減にも大きく寄与する

建物種別によらず、頂部の片振幅で数十 cmから 1m超程度の揺れが長時間継続するため、在館者に非常な不安感を与える可能性が高い

11

S30original

S30-Dオイルダン

パ層間変形角 R(rad) 1/72 1/111

加速度 a （ cm/s2 ） 495 424

判断値 λ 0 2

建物の機能 機能維持困難 指定機能確保

最大部材塑性率 3.26 1.80

最大部材累積塑性変形倍率 12.6 7.5

( 参 )　 梁部材の破断割合 * 0% 0%

判断値 λ 2or1 2

建物の損傷度 小破～中破 小破

｢特定の周期帯｣地震動 LL 入力

S30-D のオイルダンパによる補強効果

制震化により層間変形角のみならず、建物の損傷度も大きく低減でき、制震化の効果が顕著

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長周期地震動に対する超高層の挙動まとめ

①長周期地震動として、｢平均的｣長周期地震動 L と、｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL の 2 種類を設定

② 応答値の判定は、建物機能 ( 設備系、 2 次部材、家具什器など ) に関わる建物挙動 ( 層間変形角、加速度 ) と、建物損傷度 ( 部材塑性率や累積部材塑性変形倍率 ) に注目して判定を行った。

③対象建物は既存の超高層を念頭に、鉄骨系 3 種、 RC系 2種のモデル建物を作成した。

④ ｢平均的｣長周期地震動 L に対しては、部材降伏割合は高いものの層間変形角、塑性率は小さく、現状でもほとんど被害は生じない。

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長周期地震動に対する超高層の挙動まとめ

⑤万が一、｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL に遭遇した場合、被害パターンは異なるものの、いずれの建物も何らかの被害が生じる可能性が高い。

⑥建物種別によらず、頂部の片振幅で数十 cmから 1m超程度の揺れが長時間継続するため、在館者に非常な不安感を与える可能性が高い。

⑦長時間の揺れに対して、 RC造の梁は部材角 1/100を越えるような大振幅を多数回経験することになり、部材の劣化等による損傷度への影響が懸念される。

➇石油タンクは、巨大地震に対して、波高が新消防法に規定された側板余裕高を超える可能性もあることから、溢流と着火防止対策に十分留意することが重要である。

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長周期地震動に対する補強対策のまとめ

① ｢平均的｣長周期地震動 L に対しては、補強は不要であるが、万が一の｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL に対しては、付加減衰 2～ 4%程度が必要

②制震化により層間変形角のみならず、建物の損傷度も大きく低減でき、制震化の効果が顕著である。

　また、大振幅の揺れの継続時間は大幅に短縮され、人の不安感の軽減にも大きく寄与する。

　さらに、梁部材角の大変形レベルでの繰返し回数が大幅に低減できる。

　

15

今後の課題

○ 建物の構造部材、非構造部材、設備機器等の保有耐震性能の調査と損傷評価を行う方法の確立

○多数回の繰り返しを受ける部材・骨組みの終局挙動と復元力特性を明らかにする

○ 地震後の被害の実態を把握するための手法の構造学的、建築学的見地からの検討

○ 最適応答制御システムの技術開発の促進

○既存超高層建物の耐震性向上技術の開発、耐震改修法のメニューの整備

16

以　上

17

以下、参考

18

検証用長周期地震動：模擬地震波

地震動 L ：｢平均的｣長周期地震動→ 告示波＋告示波

地震動 LL ：｢特定の周期帯｣長周期地震動 → BCJ-L2+BCJ-L2 　

0 30 60 90 120 150 180 210 240-500

0

500L(Gal)

(sec)

0 30 60 90 120 150 180 210 240-500

0

500LL(Gal)

(sec)

19

検証用長周期地震動： SV と VE ｽﾍﾟｸﾄﾙ

0 2 4 6 80

50

100

150

200

250

S L LL(cm/s)

(sec)

(h=0.05)

0 2 4 6 80

150

300

450

600

S L LL(cm/s)

(sec)

(h=0.10)

SV スペクトル VE スペクトル

地震動 LL

地震動 L

｢特定の周期帯｣レベル

地震動 LL地震動 L

｢特定の周期帯｣レベル

｢平均的｣レベル ｢平均的｣レベル

｢標準波｣

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建物機能・損傷度判定性能評価項目 損傷限界 安全限界

余裕度Ⅰ安全限界余裕度Ⅱ

安全限界 安全限界超過

判断値 λ 4 3 2 1 0

建物の機能建物の損傷度

機能維持無被害

主要機能確保軽微

指定機能確保小破

限定機能確保中破～大破

機能確保困難大破以上

挙動層間変形角 ＜ 1/200 1/200-1/150 1/150-1/100 1/100-1/75 1/75以上

床加速度　(Gal)

－ 250以下 250-500 500-1000 1000以上

骨組

層塑性率 1.0以下 1.0-2.0 2.0-3.0 3.0-4.0 4.0以上

発生率ﾋﾝｼﾞ(%)

0 0-30 30-60 60-100 100

構造部材

部材塑性率 1.0以下 1.0-2.5 2.5-3.75 3.75-5.0 5.0以上

累積塑性変形倍率

JASS6型

0 0-5.4 5.4-12.0 12.0-21.5 21.5以上

ﾉﾝｽｶﾗｯﾌﾟ

0 0-9.0 9.0-20.5 20.5-36.5 36.5以上

梁端混用

0 0-3.5 3.5-7.5 7.5-13.5 13.5以上

出典：北村他、性能設計における耐震性能評価基準値の関する研究、 AIJ、 No.604

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Original +2% +4% +6%

層間変形角 R(rad) 1/137 1/159 1/172 1/182

加速度 a （ cm/s2 ） 360 246 223 207

判断値 λ 2 3 3 3

建物の機能 指定機能確保

主要機能確保

主要機能確保

主要機能確保

最大部材塑性率 3.72 2.86 2.27 2.03

( 参 )　 梁の降伏割合 95% 95% 95% 95%

最大部材累積塑性変形倍率 43.2 23.9 13.1 6.8

( 参 )　 梁部材の破断割合 * 36% 14% 0% 0%

判断値 λ 0 0 1or2 2

建物の損傷度 大破超 大破超 中破･小破 小破

S50L の付加減衰による応答低減

* は JASS6型スカラップで判定している

｢特定の周期帯｣地震動 LL 入力

22

Original +2% +4% +6%

層間変形角 R(rad) 1/69 1/85 1/102 1/117

加速度 a （ cm/s2 ） 349 312 270 242

判断値 λ 0 1 2 2

建物の機能 機能確保困難

限定機能確保

指定機能確保

指定機能確保

最大部材塑性率 2.33 1.82 1.45 1.22

( 参 )　 梁の降伏割合 100% 100% 72% 28%

判断値 λ 3or2 3 3 3

建物の損傷度 軽微 小破･ 軽微 軽微 軽微

RC40 の付加減衰による応答低減｢特定の周期帯｣地震動 LL 入力

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地震動 LL に対する必要付加減衰

S30 S50

L

S50

T

RC3

0

RC4

0機能

層間変形角 1/100以下加速度 500gal以下 +2 0 +2

0 ～+2

+2～ 4

損傷度

部材塑性率 3.75以下部材累積塑性 12.0以下

0 ～+2

+4 0 0 0

( 参 ) 梁降伏割合 60%以

下

4 ～

6

+6

上

0 +6

上

+4

強

｢特定の周期帯｣長周期地震動 LL 入力

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制震装置での応答低減効果

1)　 制御力型：屋上付近に設置した重りを駆動することにより、建物に制御力を与えて応答低減をはかる

2)　 エネルギー吸収型：層間に配置され、建物の応答に応じてエネルギーを吸収し、応答低減を図るもので、使用する材料と機構により以下の各種あり

　　 a.弾塑性ダンパ：鋼材ダンパ、鉛ダンパなど　　 b.粘性ダンパ　：オイルダンパ、粘性壁、 MR ダ

ンパ等　　 c.粘弾性ダンパ　　 d.摩擦ダンパ

制震装置の種類

必要付加減衰を与える方法としては制震装置が最適