(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の少なくとも基礎部と上層階に設置した加速度センサにより計測した加速度計測値を２階積分して計測点での絶対変位を算出し、建物の振動モード形を仮定して建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し、それらの値から建物の応答変形量を代表する代表変位及び建物の応答加速度を代表する代表加速度を計算して建物の性能曲線を求め、他方、基礎部での加速度計測値を建物に入力した入力地震動として加速度応答スペクトル及び変位応答スペクトルを計算して建物の要求曲線を求め、それら性能曲線と要求曲線の比較から建物の残余耐震性能を判定することを特徴とする建物の耐震性能評価方法。
【請求項２】
地震発生時に、建物の少なくとも基礎部と上層階に設置した加速度センサにより計測した加速度計測値を２階積分して計測点での絶対変位を算出し、建物の振動モード形を仮定して建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し、それらの値から建物の応答変形量を代表する代表変位Ｓｄ及び建物の応答加速度を代表する代表加速度Ｓａを計算してＳａ−Ｓｄ曲線を作成し疑似包絡線としての性能曲線を求め、建物の限界変形までの性能曲線を推定し、他方、基礎部での加速度計測値を建物に入力した入力地震動として５％減衰での加速度応答スペクトルＲａ及び変位応答スペクトルＲｄを計算してＲａ−Ｒｄ曲線を作成して本震の要求曲線を求め、その要求曲線が建物の限界点を通るように拡大したときの拡大率によって残余耐震性能を評価することを特徴とする建物の耐震性能評価方法。
【請求項３】
加速度センサを建物の少なくとも基礎部と上層階に設置し、Ａ／Ｄ変換器とデータ収録部とデータ処理表示部を有するデータ収録・処理装置を設置して、アナログ信号ケーブルで各加速度センサとデータ収録・処理装置を接続し、該データ収録・処理装置に搭載した耐震性能評価プログラムによって請求項１又は２記載の方法を実行し判定結果を表示する建物の耐震性能評価装置。
【請求項４】
加速度センサとＡ／Ｄ変換器とＣＰＵと記憶手段を有し、地震発生時にトリガ処理により加速度データをデジタルデータとして記憶手段に蓄積するユニット化されたデータ収録装置を、建物の少なくとも基礎部と上層階に設置し、収録したそれらのデジタルデータを有線方式もしくは無線方式で受け取るデータ処理表示装置を設け、該データ処理表示装置に搭載した耐震性能評価プログラムによって請求項１又は２記載の方法を実行し判定結果を表示する建物の耐震性能評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震時における建物の耐震性能を客観的に且つ迅速に評価するための技術に関し、更に詳しく述べると、建物の地震時の挙動を代表する位置での慣性力−水平変位関係を、建物に配置した加速度センサによって計測することにより、地震時に建物が経験した損傷を算出し、更に基礎部の加速度センサで計測された入力地震動から加速度・変位応答スペクトルを算出し、両者を比較することにより建物の被災度及び残余耐震性能を評価・表示可能な建物の耐震性能評価方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
巨大地震発生時には、多くの建築物が被災することが予想される。例えば１９９５年兵庫県南部地震の際には、約３１万人が被害を受け、全・半壊建物数は、神戸市内だけでも８万棟を超えた。
【０００３】
震災後、建物への立ち入りの可否、居住の安全性などを判断することが必要であり、そのために応急危険度判定が行われる。この応急危険度判定は、専ら技術者・設計者等の目視による調査によってなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、技術者・設計者等の目視に頼る従来方法では、調査日数がかかり（例えば前記震災の場合、４０日程度もかかった）、迅速な判定ができない。また、目視調査では、技術者・設計者等の経験や熟練度などによって判定結果が異なることも多く客観性が乏しい欠点がある。更に、「要注意」という灰色の判定となる件数が、「危険」や「安全」という明確な判定よりも格段に多くなり、これによる詳細調査の必要性が調査日数の増大を招いている。
【０００５】
もし、震災後、どの程度の地震にまで耐えうる性能が残っているかを迅速に的確に判定できるような技術が確立されれば、被災建物の選別を適切に且つ迅速に行うことができ、余震に対する２次災害を軽減できると共に、不必要な避難者数を低減することが可能となる。
【０００６】
本発明の目的は、地震発生後の建物の残余耐震性能（建物にどの程度の地震まで耐えうる性能が残っているか）を迅速に且つ客観的に判定できるような技術を提供することである。本発明の他の目的は、被災建物の選別を適切に且つ迅速に行うことができるため、余震に対する２次災害を軽減できると共に、不必要な避難者数を低減することが可能となるような建物の耐震性能評価方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、建物の少なくとも基礎部と上層階に設置した加速度センサにより計測した加速度計測値を２階積分して計測点での絶対変位を算出し、建物の振動モード形を仮定して建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し、それらの値から建物の応答変形量を代表する代表変位及び建物の応答加速度を代表する代表加速度を計算して建物の性能曲線を求め、他方、基礎部での加速度計測値を建物に入力した入力地震動として加速度応答スペクトル及び変位応答スペクトルを計算して建物の要求曲線を求め、それら性能曲線と要求曲線の比較から建物の残余耐震性能を判定することを特徴とする建物の耐震性能評価方法である。
【０００８】
また本発明は、地震発生時に、建物の少なくとも基礎部と上層階に設置した加速度センサにより計測した加速度計測値を２階積分して計測点での絶対変位を算出し、建物の振動モード形を仮定して建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し、それらの値から建物の応答変形量を代表する代表変位Ｓｄ及び建物の応答加速度を代表する代表加速度Ｓａを計算してＳａ−Ｓｄ曲線を作成し疑似包絡線としての性能曲線を求め、建物の限界変形までの性能曲線を推定し、他方、基礎部での加速度計測値を建物に入力した入力地震動として５％減衰での加速度応答スペクトルＲａ及び変位応答スペクトルＲｄを計算してＲａ−Ｒｄ曲線を作成して本震の要求曲線を求め、その要求曲線が建物の限界点を通るように拡大したときの拡大率によって残余耐震性能を評価することを特徴とする建物の耐震性能評価方法である。
【０００９】
更に本発明は、加速度センサを建物の少なくとも基礎部と上層階に設置し、Ａ／Ｄ変換器とデータ収録部とデータ処理表示部を有するデータ収録・処理装置を設置して、アナログ信号ケーブルで各加速度センサとデータ収録・処理装置を接続し、該データ収録・処理装置に搭載した耐震性能評価プログラムによって上記の方法を実行し判定結果を表示する建物の耐震性能評価装置である。
【００１０】
また本発明は、加速度センサとＡ／Ｄ変換器とＣＰＵと記憶手段を有し、地震発生時にトリガ処理により加速度データをデジタルデータとして記憶手段に蓄積するユニット化されたデータ収録装置を、建物の少なくとも基礎部と上層階に設置し、収録したそれらのデジタルデータを有線方式もしくは無線方式で受け取るデータ処理表示装置を設け、該データ処理表示装置に搭載した耐震性能評価プログラムによって上記の方法を実行し判定結果を表示する建物の耐震性能評価装置である。データ収録装置とデータ処理表示装置の間での有線方式もしくは無線方式によるデータの送受は、ＬＡＮ、電話線や電力線を利用する搬送、無線電話を利用する方式など、任意であってよい。但し、これらの構成では、波形データの収集にあたり時間軸が共通である必要があるため、同期信号用のケーブルを接続するか、あるいは各データ収録装置で正確な時刻を記録するなど、何らかの同期機能を持たせる必要がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
基本となる機器配置構成としては、図１に示すように、建物の基礎部（例えば１階）と上層階（好ましくは最上階）にそれぞれ加速度センサ１０ａ、１０ｂを設置する。実際には、３〜４階毎に１個の目安で建物床面の中央部に加速度センサを設けるのが好ましい。そして任意の位置（例えば基礎部）にデータ収録・処理装置１２を設置する。このデータ収録・処理装置１２によって、地震時の建物応答及び入力地震動を求め、残余耐震性能（どの程度の地震にまで耐えうる性能が残っているか）を求め危険か安全かを表示する。これによって、建物の地震後の安全性についてほぼリアルタイムで判定することが可能となる。
【００１２】
データ収録・処理装置１２は、次のような機能を有する耐震性能評価プログラムを搭載している。
（１）加速度センサの計測値を２階積分することにより、建物全体の絶対応答変形量を算出する。
（２）建物のモード形を適切に仮定することにより、建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し、それらの値から建物の応答変形量を代表する代表変位及び建物の応答加速度を代表する代表加速度を計算して建物の性能曲線を求める。
（３）基礎部の加速度計測値を建物に入力した入力地震動として加速度応答スペクトル及び変位応答スペクトルを計算して建物の要求曲線を求める。
（４）得られた性能曲線と要求曲線の比較から、建物の残余耐震性能を評価し、結果を表示する。
【００１３】
このように、実建物の応答に対して詳細な設計情報なしに性能曲線・要求曲線を適切に作成する点、及びそれらの曲線から残余耐震性能を判定する点は、従来技術にはない本発明の大きな特徴である。
【００１４】
図２に判定の概要を示す。限界変形まで求めた建物の性能曲線に対して、その限界変形点で交わるよう、本震の５％減衰での要求曲線を拡大する。この拡大率γは耐震性能を意味し、このγが１以上の場合は余震（通常、余震は本震を上回らないとされている）に対して『安全』と判断され、１未満の場合は『危険』と判断される。つまり、限界変形点が、本震の５％減衰での要求曲線に対して、その内側にあれば『危険』であり、外側にあれば『安全』となる。なお、建物が弾性範囲にとどまっている場合は、別途その剛性を確認することにより『弾性』と判断される。
【００１５】
【実施例】
例えば、図３のＡに示すような３階建ての建物を想定する。この３階建ての建物は、Ｂに示すように、各階に対応した３質点（質量：Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 ）にモデル化できる。この３質点系モデルに、地震時に慣性によって生じる力を仮定した外力分布に応じて、Ｃに示すように地震時と同じように水平力（Ｐ1 ，Ｐ2 ，Ｐ3 ）を作用させると、Ｄに示すように変形（Ｘ1 ，Ｘ2 ，Ｘ3 ）を生じ、各階は水平力（層せん断力）を負担することになる。各階の層せん断力−層間変形関係は図４に示すようになり、各階とも、保有する耐力に応じて損傷を生じ、非線形を示すことが分かる。各階の層せん断力−層間変形関係は、図３のＣに示す外力分布に応じて、それらを代表する性能曲線に置き換えることができる。
【００１６】
一方、地震動の加速度応答スペクトルＲａを縦軸に、変位応答スペクトルＲｄを横軸にとったものを要求曲線と呼ぶ。このＲａ及びＲｄを計算するためには、減衰定数を仮定する必要があるが、一般的な建物の弾性時の減衰定数は５％とすることができる。なお、建物に損傷が生じた場合、その損傷による非線形性に応じて付加的に減衰力が作用する。地震時の建物の応答は、図５に示す性能曲線とこの付加減衰力を考慮した要求曲線が交わる点となる。従って、性能曲線及び要求曲線が得られると、建物の応答は予測可能である。
【００１７】
本発明方法では、この応答スペクトル法を、実建物の実地震応答に対して適用する。実地震動下では、建物に作用する外力は、図３のＣに示すような単純なものではなく、３次モードまでの高次モード成分も含む。この実応答を、比較的少ない加速度センサによって計測し、計測していない階は建物のモード形を仮定することによって算出し、実建物の応答から性能曲線を得る。建物の基礎部（例えば１階）に設置した加速度センサにより、建物に入力する地震動を計測することができる。この地震動から要求曲線を得る。
【００１８】
応答スペクトル法では、要求曲線から応答値を得る。しかし、本方法では、性能曲線の限界点から、要求曲線がその点を通るように要求曲線を拡大することにより、建物が耐えうる最大の要求曲線を得る（図７参照）。この最大の要求曲線の地震動レベルから、建物の耐震性能を評価する。
【００１９】
図６は、本発明による建物の耐震性能評価方法の一実施例を示す処理・判定のフロー図である。以下の括弧内数字は、図６の括弧内数字に対応している。
（１）建物の基礎部と最上階に配置した加速度センサにより、加速度 mαj を計測する。
（２）計測した加速度 mαj を２階積分し、計測点での絶対変位を算出する。各絶対変位から、基礎部での絶対変位を引くことにより、計測点での基礎部に対する相対変位 mＸj を算出する。
（３）建物の振動モード形を仮定する（ここでは計測点を直線で結んだモード形を採用している）。勿論、モード形自体を計測してもよい。
（４）上記（３）のモード形及び（２）の相対変位 mＸj から、各階の相対変位 cＸj を算出する。
（５）上記（３）のモード形及び（１）の計測加速度 mαj から、各階の絶対加速度 cαj を算出する。
（６）高さ方向の各階の質量比ｍi を入力する。この質量比は、例えば床面積の比とする。各階とも質量が同じならばｍi ＝１．０となる。
（７）上記（４）の cＸj 及び（６）のｍi を用いて、建物の応答変形量を代表する代表変位Ｓｄを次式により計算する。
Ｓｄ＝（Σｍi ・ cＸi ）／（Σｍi ・ cＸi 2 ）
（８）上記（５）の cαj 及び（６）のｍi を用いて、建物の応答加速度を代表する代表加速度Ｓａを次式により計算する。
Ｓａ＝（Σｍi ・ cαi ）／（Σｍi ）
（９）上記（７）のＳｄを横軸、（８）のＳａを縦軸にとったＳａ−Ｓｄ曲線（性能曲線）を作成する。
（１０）実際の地震時には、（９）の性能曲線はループを描く。そこで、性能曲線のそれまでの時刻の最大値となる点を抽出する（疑似包絡線）。これにより、図７中のａに示す性能曲線が得られる。また、本震の最大応答点ａ−１は、地震終了時に自動的に得られることとなる。
（１１）建物の限界変形Ｒｕを入力する（図７中のａ−２）。この限界変形は、現時点では建築基準法が大きく改正された１９７１年、１９８１年を境に、建築年に応じて建物を３グループに分け、各グループに対して限界変形量を仮定する方法をとる。その際、耐震診断を行った建物は、その診断結果に応じて限界変形を決めてもよい。あるいは各階の高さに対する水平変形量の比（層間変形角）を用いて、建築年代や構造形式によって数パターンの限界変形角を仮定し（例えば層間変形角１／５０を限界変形角とするなど）、限界変形量を仮定する方法もある。また、性能曲線において、変形が進行するにもかかわらず耐力が低下する点（例えば耐力が５０％に低下する点）を限界点とする方法もある。将来的には、更にセンサを柱や梁などに埋め込み、限界変形量についての情報を計測する方法を採用することも可能である。
（１２）上記（１０）で得られた性能曲線を、限界変形まで延ばすことにより、限界変形点までの性能曲線を推定する（図７中のａ−３）。
（１３）前記（１）で計測した基礎部での加速度 mα0 を建物に入力した入力地震動と考え、 mα0 から加速度応答スペクトルＲａ及び変位応答スペクトルＲｄを計算する。この際の減衰定数は５％とする。ある周期に対して角振動数を計算し、減衰定数を仮定すると、地震動の継続時間に対して１質点系の弾性の建物の運動方程式を積分することにより建物の応答時刻歴が計算できる。地震動の継続時間中、最大の絶対加速度応答と最大の応答変形量を選出できる。周期を横軸にとって最大の絶対加速度応答を縦軸にとったものが加速度応答スペクトルＲａ、最大の応答変形量を縦軸にとったものが変位応答スペクトルＲｄとなる。
（１４）上記（１３）のＲａを縦軸に、Ｒｄを横軸にとったＲａ−Ｒｄ曲線を作成する。このＲａ−Ｒｄ曲線は、５％減衰での要求曲線となる。実建物では、建物が非線形になると、非線形によってエネルギーが吸収され、それによって５％以上の減衰が作用する。減衰はＲａ−Ｒｄ曲線を低下させる。
（１５）将来の地震動に対して、どの程度の大きさまで建物が耐えられるかを、上記（１４）の５％減衰でのＲａ−Ｒｄ曲線及び（１２）の性能曲線から判断する。具体的には、得られたＲａ−Ｒｄ曲線が、建物の限界点（図７中ａ−２）を通るようにＲａ−Ｒｄ曲線を拡大する。こうして得られるＲａ−Ｒｄ曲線は建物が耐えうる最大の要求曲線となる（図７中ｃ）。この拡大率をγとすると、本被災建物は本震のγ倍の地震まで耐えうることとなる。この際、γ＜１．０の場合は、本震レベルの地震動に対して耐えられないことになり、「危険」と判断される。γ≧１．０の場合は「安全」と判断される。ここで、非線形性により付加減衰が作用するにもかかわらず、判断用の最大の要求曲線（図７中ｃ）では５％減衰を用いているが、これは非線形性による付加減衰を正確に判断することが難しく安全側の評価を行うためである。なお、地震後においても建物の性能曲線が弾性範囲の場合、その直線を限界変位まで延長しても性能曲線とはならないため、この場合は「弾性」という判断が下される。
（１６）実際に装置としては、上記（１５）で得られた判定結果を分かり易く判定装置で表示する。また、どの程度の残余耐震性能があるかを数値的に表示することもできる。
【００２０】
加速度記録から変位を得るための２階積分は、大別して、時間領域で行う方法と周波数領域で行う方法がある。前者には、加速度記録を直接積分する方法と積分回路をシミュレートしたデジタルフィルタを通す方法などがあり、後者は、通常、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いる。本発明では、これらを含めて任意の手法を用いてよい。
【００２１】
本発明に係る建物の耐震性能評価装置の基本的な構成は、図１に示すとおりである。加速度センサ１０ａ、１０ｂのみを必要階（図示の例では１階と最上階）に設置し、Ａ／Ｄ変換器とデータ収録部とデータ処理表示部などを有するデータ収録・処理装置１２を例えば１階に設置して、各加速度センサ１０ａ，１０ｂとデータ収録・処理装置１２との間をアナログ信号ケーブルで接続する。データ収録・処理装置１２に搭載した耐震性能評価プログラムを実行して判定結果を表示する。加速度センサ１０ａ，１０ｂからの信号はデータ収録・処理装置１２で受信され、データ収録・処理装置１２側でＡ／Ｄ変換及びデータ収録が行われ、それに基づくデータ処理が行われる。この方式は最も一般的なもので、既存の地震観測システムで用いられているのと同様の方式である。
【００２２】
本発明に係る建物の耐震性能評価装置の他の構成例を図８に示す。データ収録装置をユニット化して、建物に所定の位置に容易に設置できるようにした点に特徴がある。ここでは建物を１０階建てと想定しており、その場合には例えば最上階（１０階）と基礎部（１階）、及び中間階（例えば５階）にそれぞれデータ収録装置２０を設置する。そして、各データ収録装置２０で収録したそれぞれのデータを受け取るデータ処理表示装置４０を１箇所、例えば１階に設置する。ここでは、ＲＳ２３２ＣあるいはＬＡＮなどケーブル４２を用いてデータを送受する構成となっている。この構成は、インテリジェントビルなどで、ビル内のＬＡＮに直接接続できる利点がある。なお、データ処理表示装置には耐震性能評価のプログラムが搭載されている。
【００２３】
この実施例では、各データ収録装置２０は、加速度センサ２２、Ａ／Ｄ変換器２４、データ収録部２６、Ｉ／Ｏインターフェース２８、電源（バッテリ）などを有し、堅牢なケースに収容されたユニット構造とする。加速度センサ２２は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３成分を検知可能で、加速度の大きさに応じた電圧が出力される構造である。その出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器２４に導かれ、例えばシグマデルタＡＤ変換器によって２４ビットデジタル値に変換される。
【００２４】
データ収録部２６は、時刻校正器３０とＣＰＵ３２と記憶手段（メモリ）３４などを有する。常時検知している加速度値が予め設定した閾値を超えた時（地震発生時）、トリガがかかり自動的に加速度データ（波形データ）が記憶手段３４に蓄積され、また時刻校正器（ＧＰＳ時刻校正器や電波時計等）３０による時刻情報も記録される。この実施例で時刻校正器３０を組み込んでいるのは、波形データの収集に当たり、データ収録される加速度データの時間軸は共通である必要があり、各データ収録装置２０相互の時間及び記録開始時刻を同期する必要があるためである。データ収録装置２０相互の間、あるいは各データ収録装置２０とデータ処理表示装置４０との間を同期信号用ケーブルで接続するなどして同期をとる機能を設けるならば、上記の時刻校正器は無くてもよい。地震による揺れが治まると、波形記録も自動的に終了し、耐震性能評価のプログラムが搭載されているデータ処理表示装置４０が自動的に立ち上がり、判定処理を行う。
【００２５】
判定処理では、加速度データに対してデジタル２階積分によって変位データを計算し、加速度データと変位データを入力として耐震性能評価プログラムを実行し、耐震評価結果を出力表示する。
【００２６】
各データ収録装置とデータ処理表示装置との間のデータの送受は、任意の方法を用いてよい。例えば、電力搬送式電話機によって接続する方法でもよく、この方法は、若干精度は低下するものの、新たにケーブル類を敷設する必要が無い。また、ＰＨＳや携帯電話、その他の無線式通信手段を利用する方法でもよく、この方法もケーブル類を敷設する必要が無いため、設置の自由度が大きい。
【００２７】
従って、これら電話回線や無線通信手段を用いる方式では、必ずしも建物毎にデータ処理表示装置を設置する必要は無く、ある地域内などの複数の建物に対して１台のデータ処理表示装置を設置することで設置コストを削減する手法も可能である。また、リアルタイムで判定する必要が無ければ、判定を必要とする場合にデータ処理表示装置を接続してデータ処理する手法も可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記のように、地震時の建物応答及び入力地震動を加速度センサによって計測し、残余耐震性能を迅速に表示可能な建物の耐震性能評価方法及び装置であるので、建物にどの程度の地震まで耐えうる性能が残っているかを迅速に且つ客観的に判定できる。そのため、被災建物の管理を適切に行うことができ、余震に対する２次災害を軽減できると共に不必要な避難者数を低減することが可能となる。計測目的が限定されているために装置は安価に製造でき、配置の自由度も広がり、容易に設置できるため、普及し易い構成となり、防災上の効果は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための機器配置構成を示す説明図。
【図２】本発明方法による建物耐震判定の説明図。
【図３】３階建て建物とそのモデル化の説明図。
【図４】（層間）変形量−（層）せん断力の関係を示すグラフ。
【図５】スペクトル法を説明するための水平変形量Ｓｄ−せん断力係数及び応答加速度Ｓａの関係図。
【図６】本発明方法の実施手順の一例を示すフロー図。
【図７】実際の計測の手順を説明するためのＳｄ・Ｒｄ−Ｓａ・Ｒａ関係図。
【図８】本発明に係る耐震性能評価装置の一実施例を示すブロック図。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ  加速度センサ
１２  データ収録・処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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