Transcript 発表 - 久田研究室
首都圏に建つ超高層建築物の地震応答と 制震補強に関する研究 KOGAKUIN UNIVERSITY 工学院大学大学院 久田研究室 修士２年 DM-08038 島村 賢太 首都圏で発生する恐れのある地震例 ■ 工学院大学新宿校舎 STEC情報ビル 東京湾北部地震 想定首都直下地震 今後３０年 発生確率８０％ 東海地震 東南海地震 想定東海・東南海連動地震 今後３０年 発生確率３０～５０％ 研究の流れ 設計用解析（等価せん断）モデルを用いた 地震応答解析※１ 立体モデルによる弾性地震応答解析および 観測記録との比較検討 （大学棟※２・３、オフィス棟） 常時微動観測、人力加振観測、地震観測記録 サイト波を用いた弾塑性地震応答解析とその評価 首都直下地震、東海・東南海連動地震 制震補強案の検討 ※1：小菅芙紗子他：首都圏にある超高層キャンパスの地震防災対策に関する研究（その3） 超高層ビルの微動観測と地 震応答解析、日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）2007.8 ※2：星幸男他：首都圏に建つ超高層キャンパスと地域連携による地震防災に関する研究（その3）超高層ビルの微動観測 と地震応答解析、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）2008.9 ※3：島村賢太他：首都圏に建つ超高層キャンパスと地域連携による地震防災に関する研究（その4）超高層ビルの地震応 答特性の評価、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）2008.9 対象建築物概要：大学棟 部材寸法（柱） 対象建築物概要 大学棟（工学院大学高層棟） 東京都新宿区西新宿 1989年 1170㎡ 地上29階、地下6階、塔屋１階 NS：5.59、EW：3.73 地上：鉄骨造（ブレース付ラーメン架構） 構造種別 地下1～2階：鉄骨鉄筋コンクリート造 地下3～6階：鉄筋コンクリート造 NS EW 38.4 25.6 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 25.6 6.4 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 127.8 4.0 4.0 4.0 4.0 5.2 4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 3.9 4.3 5.1 4.2 4.2 5.5 4.0 4.0 4.0 4.0 4.6 4.3 4.3 4.3 4.3 3.9 3.9 4.3 4.2 4.2 建物名称 建築場所 竣工念 基準階面積 階数 アスペクト比 Y14 X2 太線はブレース位置 基準階伏図 階数 30 20 10 1 部材寸法（ブレース） 寸法 □-488×19 □-500×25 □-530×40 □-550×50 部材寸法（梁） 階数 30 20 10 2 寸法 H-600×300×12×25 H-600×350×12×32 H-600×400×12×32 H-600×350×12×32 Y14通り X2通り スーパー フレーム 寸法 H-250×250×9×14 H-250×250×9×14 H-300×300×12×22 部材寸法（大スパン梁） 階数 30 20 10 2 寸法 H-1000×320×19×25 H-1000×300×19×28 H-1000×350×19×28 H-1000×320×19×25 30F 25F 20F 15F 10F 5F 軸組図（左Y１４、右X２通り） 北側立面図 対象建築物概要：オフィス棟 対象建築物概要 建物名称 建築場所 竣工念 基準階面積 階数 アスペクト比 オフィス棟（STEC情報ビル） 東京都新宿区西新宿 1989年 1499㎡ 地上28階、地下6階、塔屋１階 NS：3.96、EW：3.16 地上：鉄骨造（ブレース付ラーメン架構） 構造種別 地下1～2階：鉄骨鉄筋コンクリート造 地下3～6階：鉄筋コンクリート造 部材寸法（柱） 階数 寸法 28 □-488×19 20 □-488×19 10 □-522×36 1 □-600×75 部材寸法（梁） 階数 寸法 29 H-600×300×12×16 20 H-600×300×12×16 10 H-600×300×12×16 2 H-600×300×12×16 部材寸法（ブレース） 寸法 Y13通り H-350×250×9×12 X10通り H-300×250×9×12 部材寸法（大スパン梁） 階数 寸法 29 H-1000×400×19×32 20 H-1000×400×19×28 10 H-1000×400×19×28 2 H-1000×400×19×28 NS EW 太線はブレース位置 基準階伏図 軸組図（左Y１４、右X２通り） 東側立面図 立体モデル概要 立体モデル仮定条件及び解析条件 S ・各階の床は剛床と仮定 ・柱脚の支持条件は固定と仮定 ・梁は床スラブの剛性,強度を考慮した合成梁として評価 ・パネルゾーンは剛域と仮定 ・ブレースは接点間距離を材長とし、両端ヒンジモデルを採用 ・人力加振観測結果より減衰定数1％のレーリー減衰 ・NS成分・EW成分・UD成分の3方向入力 E W N 固有周期比較 モデル種別 固有周期 EW 2次 1次 2次 0.89秒 2.63秒 0.87秒 0.89秒 2.71秒 0.94秒 0.93秒 2.83秒 0.98秒 0.87秒 2.64秒 0.83秒 0.86秒 2.63秒 0.89秒 0.90秒 2.71秒 0.91秒 NS 1次 微動観測 2.75秒 大学棟 弾性モデル 2.75秒 弾塑性モデル 2.90秒 微動観測 2.79秒 オフィス棟 弾性モデル 2.65秒 弾塑性モデル 2.75秒 ねじれ 1.8秒 1.9秒 2.1秒 1.9秒 1.9秒 2.0秒 弾性モデル（正曲げのみを評価した合成梁） 対象とする振幅が小さいため、合成梁の床スラブ にクラックが入らないと仮定 弾塑性モデル（正負曲げを評価した合成梁） 対象とする振幅が大きくなるため、正曲げ、負曲げを考慮 立体モデル ※使用解析ソフト SNAP V4.0 （構造システム） 危険性の高いサイト波を用いた弾塑性地震応答解析 解析目的 妥当性の確認された立体モデルによるサイト波を用いた応答解析より被害想定 を行い、補強の必要性を確認する 弾塑性モデル概要 柱（ＭＳモデル） ・スーパーフレームおよびその上下階のみを弾塑性モデルとした ・軸方向力とモーメントの相互作用を表現出来るＭＳモデル 梁（材端バネモデル） ・全ての部材を合成梁として正負で異なる全塑性 モーメントを指針を元に算出した ※4 ・履歴特性はバイリニア形とし2次剛性は1次剛性 の1/105 とする ブレース（材端バネモデル） ・座屈を考慮した柴田-若林の履歴特性を使用 ・座屈荷重、座屈後安定耐力は、基準及び指針より 算出した※5,6 ※4：日本建築学会編：各種合成構造設計指針・同解説 ※5：日本建築学会編:鋼構造設計基準 ※6：日本建築学会編:鋼構造限界状態設計指針・同解説 履歴特性 弾塑性解析に用いる入力地震波 2500 Response acceleration spectrum (h=0.01) 2000 首都直下地震NS 首都直下地震EW 首都直下地震UD 1500 Response acceleration (gal) Response acceleration (gal) 3000 1000 500 0 0 1 2 3 (sec) 想定首都直下地震（東京湾北部地震）※7 4 400 350 Response acceleration spectrum (h=0.01) 300 東海・東南海連動地震NS 250 東海・東南海連動地震EW 200 東海・東南海連動地震UD 150 100 50 0 0 1 2 3 (sec) 4 想定東海・東南海連動地震※8 ※7：田中良一他:首都圏に建つ超高層キャンパスと地域連携による地震防災に関する研究（その2）首都直下地震の強震動予測 日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）、構造Ⅱ、pp.815-816、2008.9 ※8：株式会社大成建設より提供 各階最大応答値 31 31 26 最 大 加 速 度 21 16 階 11 26 16 階 11 6 1 1 0 500 最 大 変 形 角 21 6 1000（gal）1500 0 31 31 層間変形角 曲げ変形含む 26 最 大 加 速 度 21 16 階 11 26 21 16 階 11 6 6 1 1 1/200（rad） 1/100 0 200 最 大 変 形 角 （gal） 400 0 層間変形角 曲げ変形含む 1/200 （rad） 1/100 首都直下地震解析結果 東海・東南海連動地震解析結果 大学棟解析結果（NS方向） 31 31 26 最 大 加 速 度 21 16 階 11 26 最 大 変 形 角 21 16 階 11 6 0 500 1000（gal）1500 0 26 16 階 11 6 1 1 1/200（rad） 1/100 最 大 加 速 度 21 6 層間変形角 曲げ変形含む 1 31 31 層間変形角 曲げ変形含む 26 最 大 変 形 角 21 16 階 11 6 1 0 200 （gal） 400 0 1/200（rad） 1/100 首都直下地震解析結果 東海・東南海連動地震解析結果 オフィス棟解析結果（NS方向） 0 首都直下地震 29F 加速度 0 100 Time (sec) 0 200 400 Time (sec) 600 首都直下地震 29F 速度 Max:162.40kine (kine) 0 Velocity Max:202.87kine 0 連動地震 29F 速度 -200 100 Time (sec) 0 200 80 Max:62.81cm 0 首都直下地震 29F 変位 200 400 Time (sec) 600 100 Max:77.58cm (cm) 0 Displacement (kine) 連動地震 29F 加速度 200 -400 (cm) 0 200 400 Velocity Max:330.64gal -500 -1000 Displacement 500 (gal) Max:860.36gal Acceleration 1000 (gal) Acceleration 時刻歴波形：大学棟 0 連動地震 29F 変位 -100 -80 0 100 Time (sec) 200 0 200 400 Time (sec) 600 首都直下地震解析結果 東海・東南海連動地震解析結果 大学棟解析結果（NS方向） 0 首都直下地震 28F 加速度 0 100 Time (sec) 0 200 400 Time (sec) 600 首都直下地震 28F 速度 Max:125.26kine (kine) 0 Velocity Max:161.89kine 0 連動地震 28F 速度 -200 100 Time (sec) 0 200 80 Max:61.18cm 0 首都直下地震 28F 変位 200 400 Time (sec) 600 100 Max:56.87cm (cm) 0 Displacement (kine) 連動地震 28F 加速度 200 -400 (cm) 0 200 400 Velocity Max:307.50gal -500 -1000 Displacement 500 (gal) Max:657.62gal Acceleration 1000 (gal) Acceleration 時刻歴波形：オフィス棟 0 連動地震 28F 変位 -100 -80 0 100 Time (sec) 200 0 200 400 Time (sec) 600 首都直下地震解析結果 東海・東南海連動地震解析結果 オフィス棟解析結果（NS方向） 塑性化の評価：大学棟 首都直下地震振動状態 基準階伏図 31 31 26 26 21 21 16 階 11 16 階 11 ブレース 梁 6 ブレース 梁 6 1 1 0 0.5 1 塑性率 1.5 首都直下地震 解析結果 0 0.5 1 塑性率 1.5 東海・東南海連動 地震解析結果 各階平均塑性率（NS方向） Y14通り X2通り X2通り 首都直下地震 解析結果 東海・東南海連動 地震解析結果 塑性ヒンジ図 塑性化の評価：オフィス棟 Response acceleration (gal) NS3000 2500 Response acceleration spectrum (h=0.01) 1500 首都直下地震NS 首都直下地震EW 首都直下地震UD EW 2000 1000 500 0 0 1 2 3 (sec) 4 基準階図平面図 首都直下地震応答スペクトル 26 ブレース 31 梁 26 21 21 16 階 11 16 階 11 6 6 31 1 ブレース 梁 1 0 1 塑性率 首都直下地震 解析結果 2 0 1 塑性率 2 東海・東南海連動 地震解析結果 各階平均塑性率（NS方向） X12通り X15通り X15通り 首都直下地震 解析結果 東海・東南海連動 地震解析結果 塑性ヒンジ図 制震補強案の検討 目標 大学棟NS方向21階に確認された応答を周辺階の1.5倍以下に低減させる補強 案を施工性、運搬性、応答低減効果等をふまえ総合的に判断し提案する 現場調査によるダンパー設置可能位置の検討 :NS方向既存ブレース :ダンパー設置検討部 D2 D2 D1 D1 D2 D2 X2 X4 21階平面図 軸組図 左：X2 右：X4 運搬性の検討 D2 D1 ・最大積載重量1900kg ・最大積載部材長さ 2500～3000mm 左：EVカゴ平面図 右:アクソメ図 D2 ・最低天井高さ2400mm ・最低廊下幅1100mm 天井高さが低く、幅が狭い廊下 電動式パワーリフター ・最大積載能力1000kg ・自重225kg 三菱重工HP:http://www.grendia.com/b_power-lifter/index.html ダンパー配置位置軸組図 左：Ｄ2 右：Ｄ1 運搬用フォークリフト概要 使用ダンパー概要とモデル化 使用オイルダンパー概要図 ※９ F(KN) Fmax C２ Fr C1 V(mm/s) Vmax 型式 SD2000kN-160 最大減衰力Fmax(kN) 2000 リリーフ減衰力Fr(kN) 1600 減衰係数C1(kN・s/mm) 50 減衰係数C2(kN・s/mm) 3.39 内部剛性kd(kN/mm) 430 使用オイルダンパー性能 使用オイルダンパー配置図 左：D2 右：D1 ※９：三和テッキHP http://www.tekki.co.jp/products/damper.html 各層応答値による補強前後の比較 31 補強前 補強後 31 26 21 16 階 11 6 26 21 最 大 変 形 角 16 階 11 6 1 0 1 1/400（rad） 1/200 補強前 補強後 ブ レ ー ス 各 階 平 均 塑 性 0率 １．８倍 １．４倍 26 梁 21 各 階 平 均 塑 性 率 16 階 11 6 1 0.5 補強前 補強後 31 0 1 塑性率 1.5 0.5 1 塑性率 1.5 首都直下地震解析結果（ＮＳ方向） 31 補強前 補強後 26 26 21 16 階 11 0 最 大 変 形 角 21 16 階 11 6 6 1 1 1/400（rad） 1/200 補強前 補強後 31 ブ レ ー ス 各 階 平 均 塑 性 0 率 26 梁 21 各 階 平 均 塑 性 率 16 階 11 6 1 0.5 1塑性率 1.5 補強前 補強後 31 0 東海・東南海連動地震解析結果（ＮＳ方向） 0.5 1塑性率 1.5 まとめ 超高層建築物である工学院大学新宿校舎およびSTEC情報ビルを対象とした立体モ デルを用い、首都圏において危険性の高い首都直下地震および東海・東南海連動 地震の想定地震波を入力波とした弾塑性地震応答解析を行った。 大学棟では、スーパーフレームが配置されている直行方向であるNS方向21階にお いて変形が大きく、構造的な弱点になることを確認した。また、曲げ変形の影響によ り、境界梁の被害が大きくなることを確認した。 オフィス棟では、偏心の影響より、建物西側のX10およびX12通りの被害は少なく、東 側であるX15およびX17 通りに被害が集中することを確認した。 施工性、運搬性、応答低減効果等をふまえ、大学棟のNS方向21階の応答を低減さ せる制震補強案の検討を行った。 オイルダンパーを用い、弾塑性地震応答解析を行った結果、NS方向21階において 目標としていた、周辺階の1.5倍以下の応答に抑えることができた。 今後の課題 オフィス棟において、施工性、運搬性、応答低減効果等を考慮した上で、建物東側で あるX15およびX17 通りの部材の応答を低減させるような現実的な補強案を提案す る必要がある。