(57)【要約】【課題】  煩雑な動的解析に寄らず簡便な方法で、様々な地盤特性に対して安全な構造物を設計する。【解決方法】  構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する複数の建物についてそれぞれ耐震解析用の数学モデルを設定し、前記耐震解析用の複数の数学モデルのそれぞれについて、複数の設計用地震動に対する応答解析を行い、前記応答解析の結果に基づいて、前記複数の建物のすべてが、前記複数の設計用地震動の全てに対して耐震設計上の要求を満足するために必要な最小限の降伏せん断力係数を決定し、前記必要最小限の降伏せん断力係数を設計用せん断力係数とし、前記設計用せん断力係数を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新たな建物の耐震設計に用いる耐震設計方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する複数の建物についてそれぞれ耐震解析用の数学モデルを設定する過程と、
前記耐震解析用の複数の数学モデルのそれぞれについて、複数の設計用地震動に対する応答解析を行う過程と、
前記応答解析の結果に基づいて、前記複数の建物のすべてが、前記複数の設計用地震動の全てに対して耐震設計上の要求を満足するために必要な最小限の降伏せん断力係数を決定する過程と、
前記必要最小限の降伏せん断力係数を設計用せん断力係数とする過程を含む、静的耐震設計のための設計用せん断力係数の決定方法。
【請求項２】
前記耐震解析用の数学モデルは、さらに階層数別に設定される請求項１に記載の設計用せん断力係数の決定方法。
【請求項３】
前記数学モデルは線形系モデルであり、前記耐震設計上の要求が地震時に構造部材が降伏しないことであり、前記必要最小限の降伏せん断力係数として前記複数の数学モデルのそれぞれについて複数の設計用地震動に対する応答解析を行った結果得られた最大ベースシアー係数を採用する請求項１または２に記載の設計用せん断力係数の決定方法。
【請求項４】
前記数学モデルは非線形モデルであり、前記耐震設計上の要求は地震時に建物が倒壊しないことであり、前記必要最小限の降伏せん断力係数を決定するために降伏せん断力係数が異なる複数の数学モデルのそれぞれについて複数の設計用地震動に対する応答解析を行なう請求項１または２に記載の設計用せん断力係数の決定方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかの方法によって決定された設計用せん断力係数を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新たな建物の耐震設計に用いる耐震設計方法。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれかの方法によって決定された設計用せん断力係数を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新たな建物の耐震性評価に用いる既存建物の耐震性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静的耐震設計のための設計用せん断力係数の決定方法、当該設計用せん断力係数を用いた耐震設計手法、および、前記設計用せん断力係数を用いた既存建物の耐震性能評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地震時の建物の挙動、特に中規模地震時に建物が損傷を受けるか否か、あるいは、大規模地震時に倒壊を防止することができるか否かは、耐震設計における最も基本的な関心事である。特定の建物が特定の地震動を受ける場合の挙動を予測するには、当該建物を数学的に（あるいは力学的に）モデル化した上で、予想される地震動を入力して時刻歴の応答解析を行うことが１つの方法である。
【０００３】
しかし、上記の方法によるいわゆる地震応答の動的解析には非常に多くの労力とコンピュータおよびソフトウェアが必要になる。また、それでもなお動的解析に用いた入力地震動に対する建物の応答あるいは健全性が示されたとしても、他の入力地震動に対する挙動は直接的には示すことができないという問題も有る。
【０００４】
特開２００３−１５００４３号公報（特許文献１）は、振動モードと降伏位置が不明な構造物について、当該構造物を詳細にモデル化して直接地震応答計算を行う場合の膨大な演算を軽減することを目的とした設計手法を提案するものである。同公報に記載された手法によれば、構造物に対して静的非線形解析を行い、降伏震度と等価固有周期を求め、所要降伏震度スペクトル上にこの２つの数値をプロットすることにより、応答塑性率を読みとり、構造物の非線形応答値を求めるというものである。
【０００５】
上記特許文献１に記載された方法は、構造物の動的解析と静的解析とを組み合わせることにより、構造物の地震時挙動を、部材の非線形性を考慮して直接的に時刻歴応答解析を行うことに比較すれば演算の労力、時間等が節約されているものの、解析に用いた地震動は１つだけであるから、当該地震動以外の入力に対する挙動あるいは安全性は少なくとも直接的には示されていないということができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５００４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来の方法が有する上記のような課題を克服することを目的になされたもので、多くの地震動に対して、建物の地震時の健全性あるいは倒壊しないこと等を簡易に評価する方法を提案することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、
構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する複数の建物についてそれぞれ耐震解析用の数学モデルを設定する過程と、
前記耐震解析用の複数の数学モデルのそれぞれについて、複数の設計用地震動に対する応答解析を行う過程と、
前記応答解析の結果に基づいて、前記複数の建物のすべてが、前記複数の設計用地震動の全てに対して耐震設計上の要求を満足するために必要な最小限の降伏せん断力係数を決定する過程と、
前記必要最小限の降伏せん断力係数を設計用せん断力係数とする過程を含む、静的耐震設計のための設計用せん断力係数の決定方法を提案する。
【０００９】
ここで構造種別とは、建物躯体の構造に関する分類であり、鉄骨造、軽量鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造、木造のような種別である。さらに、地下室の有無、エネルギー吸収部材の有無、基礎形式の如何によって構造種別を分類してもよい。また、沖積層、洪積層等の地盤の種別または地盤の剛性（Ｎ値あるいはせん断波速度）が複数の設計用地震動に反映されている。
【００１０】
架構形式とは、ラーメン構造、壁構造、軸組み構造等の架構に関する形式である。大スパンの有無、吹き抜けの有無、トラス屋根の有無等を架構形式に含めて分類してもよい。復元力特性種別とは、部材または建物の荷重変形関係を数学モデルに置き換えた際の特性の種別であって、線形型（リニアエラスティック）、弾性型（リニアまたはノンリニア・エラスティック）、バイ・リニア（履歴）型、トリ・リニア（履歴）型、ディグレイディング・トリ・リニア（履歴）型等の種別である。また数学モデルは建物或いは建物の構面に対する構造実験の結果を近似してモデル化してもよい。減衰特性の種別は、粘性、摩擦等、減衰力が何によって決定されるかに関する種別である。
【００１１】
構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する建物は、地震時の挙動が共通の性質を有すると考えられる。耐震解析用の数学モデルは、実際の建物の構造を比較的忠実にモデル化した有限要素法モデル、部材を所定の力・変形（履歴）関係を有する線材に置換してモデル化したもの、建物の各層を質点に、各層間の復元力特性を表したせん断ばねに表したせん断質点系にモデル化したものなどが有る。
【００１２】
設計用地震動とは、建物の耐震性能を確認するための応答解析において用いられる地震動であって、実際の地震において記録された地震動記録、地震動記録に何らかの操作を施した模擬地震動、あるいは何らかの数学的手段によって製作された人工地震動あるいはそれ以外のものであってもよい。応答解析は、地震動の時刻歴を入力として建物の時刻歴応答を逐次計算する比較的厳密なものであってもよいし、弾性あるいは非線形応答スペクトル等を用いた比較的簡便なものであっても、その他の方法であってもよい。
【００１３】
耐震設計上の要求とは、例えば、中程度の地震動（中地震）に対して構造躯体が実質的に損傷を受けないこと、層間変位が所定の範囲内であること、あるいは構造躯体が弾性範囲内にとどまること、大地震動（大地震）に対して構造躯体または建物が倒壊しないこと等である。中程度の地震動とは、例えば気象庁震度階でＶ程度の地震動、あるいは建物の耐用年数中に数回程度経験することが予測される地震動、大地震動とは建物の耐用年数中に最大１回起こりえる地震動である。
【００１４】
降伏せん断力係数は、建物の自重に比例した層せん断力を加えて建物のいずれかの層を降伏に至らせた場合の当該水平力と建物自重の比、換言すれば、建物に対して水平方向の加速度が徐々に加わると想定した時に、層の降伏が生じるときの層せん断力と建物重量との比である。建物の各層の復元力特性をせん断ばねでモデル化した場合には、層が降伏する時点の層せん断力と建物重量との比を降伏せん断力係数と考えても良い。各層の降伏せん断力係数が、最小限の降伏せん断力係数以上であれば、建物は、設計用地震動に対して耐震設計用の要求を満足できる。
【００１５】
設計用せん断力係数とは、建物の静的耐震設計のための水平荷重を決定するための係数であって、建物の自重等に設計用せん断力係数を掛けたものが、計算上の地震荷重になる。
【００１６】
本発明に係る上記の方法によれば、設計用せん断力係数として前記複数の建物の複数の地震動に対する耐震安全性を背景とした信頼性の高い設計用せん断力係数を採用することができる。すなわち、本発明に基づき決定された静的耐震設計のための設計用せん断力係数は、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する複数の建物に対して、複数の設計用地震動の内で、最も厳しい地震動に基づくことになるからである。
【００１７】
本発明においては、前記数学モデルは線形系モデルであってもよい。すなわち、前記地震応答解析は、弾性応答解析であっても良い。また、当該線形系モデルは、建物の非線形挙動を考慮した等価線形系であっても良い。数学モデルとして線形系モデルを用いた場合、前記耐震設計上の要求は、地震時に構造部材が降伏しないことあるいは部材応力が所定の許容応力度以下であることと設定してもよい。この場合、前記必要最小限の降伏せん断力係数、つまり、設計用せん断力係数として、前記複数の数学モデルのそれぞれについて複数の設計用地震動に対する応答解析を行った結果得られた最大ベースシアー係数（部材が降伏しないことあるいは所定の許容応力度以下である最大ベースシアー係数）を採用してもよい。線形系モデルは主に中程度の地震動における設計で用いられる。
【００１８】
本発明では、前記数学モデルは非線形モデルであってもよい。非線形モデルとは、部材又は建物各層の荷重と変形の関係を非線形としてモデル化したものであって、非線形弾性モデル、バイ・リニアモデル、トリ・リニアモデル等である。非線形モデルを用いた地震応答解析は、地震時に弾性限度を超えた変位を生じることを考慮するものなので、その場合の前記耐震設計上の要求は、地震時に建物が倒壊しないことあるいは建物躯体が重大な損傷を受けないことに設定するのが好ましい。地震応答解析において、建物の倒壊または建物躯体の重大な損傷は、部材に生じた塑性ヒンジにより建物の安定が損なわれること、１／１００あるいは１／５０等所定値以上の層間変位を生じること、あるいは、基本的荷重支持部材の降伏を生じることによって評価しても良い。
【００１９】
耐震設計上の要求を満足するために必要な最小限の降伏せん断力係数は、複数の降伏せん断力係数について地震応答解析を行い、トライアル・アンド・エラーによって決定することができる。この場合、降伏せん断力係数が異なる複数の数学モデルのそれぞれについて複数の設計用地震動に対する応答解析を行なうことが必要になる。等価線形系を用いた応答計算による場合には、最大応答せん断力係数を必要な最小限の降伏せん断力係数としても良い。また、上記の方法によって得られた最小限の降伏せん断力係数が、他の方法又は基準によって与えられた設計用せん断力係数未満である場合には、当該他の方法又は基準による設計用せん断力係数を用いても良い。
【００２０】
本発明は、さらに、上記の方法によって決定された設計用せん断力係数を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新たな建物の耐震設計に用いる耐震設計方法を提案する。
【００２１】
すなわち、上記方法によった場合、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する一群の建物について設計用せん断力係数が決定されたなら、当該設計用せん断力係数を用いて静的地震荷重を決定し、前記と構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新規な建物の耐震設計（静的応力解析）に用いる。
【００２２】
設計用せん断力係数を決定するための前記過程においては建物を比較的簡素なモデル（例えば、等価線形系、バイ・リニア型またはトリ・リニア型の復元力特性を有する質点系モデル）によってモデル化し、新規な建物の耐震設計（静的応力解析）においてのみ建物を詳細にモデル化することであっても良い。この場合には、設計用せん断力係数を決定する過程では詳細な建物モデル化（例えば、ＦＥＭのようなモデル化）に比較してモデル化および演算の労力・時間を削減することができ、新規な建物の耐震設計の過程では動的解析のための演算の労力・時間を削減することができるので、全体として労力、時間の削減効果が大きい。
【００２３】
さらに、前記新規な建物について静的応力解析とあわせて動的解析を行い、当該新規な建物に関して耐震設計上の要求を満足するために必要な最小限の降伏せん断力係数を求め、この値を前記複数の建物の複数の地震動に対する応答解析によって決定された静的耐震設計のための設計用せん断力係数と比較して、前者が後者よりも大きい場合には、以後、前者を用いることにしても良い。
【００２４】
上記のような方法によれば、新規な建物の耐震設計のたびに静的耐震設計のための設計用せん断力係数が見直されるので一層高い信頼性を得ることができる。
【００２５】
本発明はまた、前記の方法によって決定された設計用せん断力係数を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する新たな建物の耐震性評価に用いる既存建物の耐震性能評価方法を提案する。
【００２６】
上記の耐震性能評価方法は、既存の建物の耐震性能を評価するに当たって、複数の建物の複数の地震動に対する地震応答解析の結果を反映することができるので信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に基づく設計用せん断力係数の決定の流れを示すフロー図
【図２】本発明に基づく新規な建物の耐震設計手法を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、実施例に基づいて本発明について詳細に説明するが、実施例は本発明の理解を助けるために記載するものであって、本発明を記載された実施例に限定する趣旨で無いことは自明である。
【００２９】
構造物として、構造種別が鉄骨造、架構形式が軸組と制振フレームからなる２階建ての工業化住宅（＝ＤＸ系ＨＨ）を考える。上記工業化住宅は、同等な耐力を備えるように設計した場合、規模や間取りにかかわらず、おおむね弾性１次固有周期は0.2〜0.4秒、復元力はトリ・リニア形、減衰は5%程度となり、構造的に同一カテゴリー、つまり、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別が共通する複数の建物とみなすことができる。鉄骨造軸組みで制振フレームを有する１階建て工業化住宅、鉄筋コンクリートラーメン構造の１階または２階建て住宅建物、鉄筋コンクリート壁式構造の１階または２階建て住宅建物、柱梁木造軸組み工法による１階または２階建て住宅建物、大スパン平屋工場建物等、地震時の挙動が共通する構造物は構造的に同一のカテゴリーに属すると考えることができる。
【００３０】
（設計用せん断力係数の決定）
様々な平面計画または構造計画（プランと称する）の上記工業化住宅の構造的データを収集してこれらを構造的に同一カテゴリーに属する構造物群とする。平面計画、構造計画は実際の建物に関するものでも、単に想定されたものでもよい。他方、耐震工学的な特性の異なる複数の構造物設計用地震動を収集する。地震動は過去に記録された自然地震動でも人工的な地震動でもよい。また建物群の数学モデル設定において、収集した個々のプランの全てに対応して設定するのではなく、建物群の構造特性を表す指標、例えば各層の剛性比、降伏せん断力係数比の分布を調査し最大、最小の組合せに数学モデルを絞り込んでも良い。
【００３１】
施工エリアが限定される場合には当該エリア内で前記住宅（構造物）に作用しうる地震動に限定してもよい。収集した様々なプランの住宅に対し収集した構造物設計用地震動を作用させた場合にいずれの地震動に対しても極稀地震時にあっては倒壊しない、稀地震時には構造耐力上主要な部分に損傷が生じないベースシア係数応答を、応答スペクトルによる等価線形化法、非線形逐次積分法（時刻歴応答解析）、有限要素法等の動的解析方法によって算出する。検討する建物の降伏せん断力係数を最初に低い値で仮定し、一地震波に対してでも倒壊（極稀地震時）あるいは損傷（稀地震時）したら、降伏せん断力係数を漸増させて全ての地震動に対して倒壊しない、あるいは損傷しない状態の降伏せん断力係数を求める。
【００３２】
例えば、最初にＭ個のプランについて共通な降伏せん断力係数値を仮定する。Ｍ個のプランのそれぞれに対しＮ個の地震動を作用させる場合は（Ｍ×Ｎ）回の動的解析を繰りかえす。（Ｍ×Ｎ）ケースのひとつでも倒壊あるいは損傷したと判定された場合にはベースシア係数を漸増させて再度（Ｍ×Ｎ）回の動的解析を行う。この場合、倒壊又は損傷したと判断された建物についてのみベースシア係数を漸増させて再度動的解析を行っても良い。その場合、ベースシア係数を漸増させた建物が倒壊又は損傷しないことが確認されたら、最終的なベースシア係数を他の全ての建物に適用して建物が倒壊または損傷しないことの確認計算を行うことが望ましい。
【００３３】
このような手順でベースシア係数を変化させた動的解析を繰返し、（Ｍ×Ｎ）ケースのひとつも倒壊あるいは損傷しないと判定されるベースシア係数を見出す。算出されたベースシア係数を静的耐震設計用せん断力係数αとする。
【００３４】
（新規建物の耐震設計）
前記の手順によって得られた設計用せん断力係数αを静的構造計算プログラムのせん断力係数として設定する。構造計算の対象となるプランの構造データをプログラムに入力し構造計算プログラムを実行する。構造計算結果を確認し所定の条件を満足しない場合は構造データを修正し再度構造計算プログラムを実行する。構造計算結果がＯＫとなるまで上記工程を繰りかえす。
【００３５】
上記の方法により、簡易化と安全性の担保を同時に実現する合理的な構造物耐震設計を実現することができる。
【００３６】
図１は、本発明に基づいて設計用せん断力係数αを決定するまでの流れを示したフロー図である。構造物あるいは建物を、構造種別、架構形式、復元力特性種別、減衰特性種別にカテゴライズして一群の構造物を解析の対象とする１００。次に、当該一群の構造物のそれぞれを解析用の数学モデルに置き換える１１０。前記数学モデルについて降伏せん断力係数の仮定１２０を行って、他方で収集された多様な地震動１６０に対する動的応答解析１３０を行う。地震動に対する動的応答解析結果に基づき、構造物の損傷および倒壊の有無を判定する１４０。ここで、構造物が倒壊するか、損傷が予め設定された値以上であれば降伏せん断力を再設定して（降伏せん断力係数を増大させて）再度動的応答解析１３０を行う。また、構造物の損傷が予め設定された値を大幅に下回る場合にも降伏せん断力を再設定して（降伏せん断力係数を減少させて）再度動的応答解析１３０を行う。最終的には、構造物の損傷が予め設定された損傷を僅かに下回り、倒壊を生じない場合を合格としてその時の降伏せん断力係数を設計用のせん断力係数αとする１５０。
【００３７】
図２は、上記の方法で設計用のせん断力係数αが決定された後の個別設計物件（新規な建物）の設計手順を示したフロー図である。個別物件の構造を解析モデルで表現した後２００、前記の方法で設定された設計用のせん断力係数αが作用するものと考えて静的解析２２０によって地震時の応力および変形を計算する。このようにして求められた応力および変形が所定の値以下であり、耐震設計上の要求を満たしていれば設計は完了２１０である。その際、過大な応力が発生するか、応力が設定された許容応力度よりも著しく小さいような場合には設計を見直した上で再度応力計算を行うことは自明である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  構造物のカテゴライズ
１１０  解析用数学モデル設定
１２０  降伏せん断力係数の仮定
１３０  動的応答解析
１４０  判定
１５０  設計用せん断力係数αの決定
１６０  多様な地震動の収集
２００  個別設計物件（新規建物）
２１０  設計完了
２２０  αによる静的耐震設計
【図１】
2010168802.tif 000003
【図２】
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