C-03-02

第25回計算工学講演会

計算工学講演会論文集

計算工学会

Vol.25 (2020年6月)

地震時における吊り天井の不安定現象に関する数値解析的検証
Numerical Analysis on Unstable Phenomena Occurred in Suspended Ceilings during Earthquakes千葉賢1)，磯部大吾郎2)
Satoru Chiba and Daigoro Isobe
1) 筑波大学大学院（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: s2020857@s.tsukuba.ac.jp)
2) 博(工) 筑波大学教授（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: isobe@kz.tsukuba.ac.jp）

In this paper, an investigation was conducted using numerical analysis on the unstable behavior of suspended
ceilings during earthquakes caused by the inclination, eccentricity and collision with walls. The AdaptivelyShifted Integration (ASI) - Gauss method, which can stably calculate non-linear phenomenon such as fracture,contact and ground motion, was used as a numerical method in this research. The numerical results show thatthe behaviors of the suspended ceiling caused by the collisions with the walls varies owing to the inclinationand eccentricity of hangers. Furthermore, it is confirmed that the responses of ceilings dramatically increaseby the inclination and eccentricity.
Key Words : Suspended Ceiling, Inclination, Eccentricity, ASI-Gauss Technique

1． 序論(1) 使用する吊り天井の概要

近年，大規模地震の際に，吊り天井が落下し床に散乱す

本研究では，鋼製下地在来工法の吊り天井を解析対象るような被害が相次いでいる[1]．吊り天井の形状によるとする．その構造は，仕上げ材，野縁，野縁受け，吊りボ脱落メカニズムの変化に関する研究としては，学校体育

ルトと呼ばれる部材と，ビス，クリップ，ハンガーと呼ば館における山形の傾斜を有した吊り天井の地震時挙動をれる接合金具で構成されている．仕上げ材はビスによっ数値解析した例[2]がある．ここでは，傾斜を有する吊りて野縁に固定されており，野縁と野縁受けはクリップに天井は，壁からの反力によって生じるモーメントに起因より結合され，野縁受けと吊りボルトはハンガーで接続して，吊りボルトが座屈し，天井面が不安定に上下方向にされている．

振動することによって接合金具に負荷が生じることが報本研究で解析対象とする吊り天井は，E-ディフェンス告されている．さらに，別の実験的研究[3]では，吊りボで行われた天井脱落実験[5]で使用された吊り天井試験体

ルトと天井材を接合しているハンガーと呼ばれる金具がと同じ仕様とする．ただし，各部材の寸法は異なる．野縁，偏心性を有することによって，吊りボルトの軸力変動に野縁ジョイント，野縁受けは，JIS19形のものを使用し，影響を及ぼすことが言及されている．また，地震動下ではクリップはJIS19形用のワンタッチクリップを，吊りボル

吊り天井は壁と衝突し，より複雑な挙動を示すことが予

トは3/8吊りボルトを，ハンガーにはJIS規格に従うフリー想される．

ハンガーを用いる．

しかしながら，上記の研究のいずれにおいても，傾斜お(2) 解析モデル

よびハンガーの偏心性の有無が天井の挙動に及ぼす影響

吊り天井の解析モデルを図- 1 に示す．要素には線形チを定量的には検証していない．これらの構造的な差異がモシェンコ梁要素を使用している．天井全体の寸法は桁

地震時の吊り天井の挙動に与える影響を定量的に把握す行方向 8.0 m×梁間方向 20.1 m とし，傾斜有りの天井のることは，吊り天井の設計や適切な耐震対策を施す上で勾配は 10 : 3 とする．それぞれ傾斜およびハンガーの偏心極めて重要である．

性の有無を考慮し，4 つの解析モデルを作成した．偏心性

そこで本研究では，傾斜およびハンガーの偏心性の有を有するモデルでは，図- 1 のようにハンガーを L 字型に無が，吊り天井の地震時挙動に与える影響を有限要素法モデル化することで，偏心性を表現した．各モデルはを用いて数値解析的に検証する．数値解析手法には，既存

CASE 1 (傾斜無し，偏心性無し)， CASE 2 (傾斜無し，偏の研究[2]で吊り天井の地震時脱落挙動を良好に再現でき心性有り)，CASE 3 (傾斜有り，偏心性無し)，CASE 4 (傾ることが示されているASI-Gauss法[4]を用いる．

斜有り，偏心性有り)とする．CASE 1, 3 は要素数 13,102，2． 吊り天井の数値解析モデル© 一般社団法人 日本計算工学会- C-03-02 -C-03-02

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横架材

Aクリップ

野縁受け

ビス

吊りボルト

野縁ジョイント

CC

横架材

横架材

BA

8.0 m

8.0 m

20.1 m20.1 m

上下

桁行

ハンガー

野縁偏心性：無し
偏心性：有り(CASE 1,CASE 3) (CASE 2,CASE 4)

ハンガーの偏心性

B

仕上げ材

評価点

(a) 傾斜無し(CASE 1,CASE 2)

梁間

図-1

(b) 傾斜有り(CASE 3,CASE 4)

解析モデル

なお，本解析では，接合金具であるクリップに作用する1000

断面力を評価するため，接合金具の脱落は考慮していな

MAX:758.6 Gal

い．また，拘束点（かつ地震波入力点）は各吊りボルトの500
加速度[Gal]上端点と横架材の両端点である．
本解析における上下方向応答加速度の評価点は図-1に0示すように設定し，壁際から順にA, B, Cとする．また，実験や被害事例の調査から，天井脱落の主要因はクリップ-500の脱落であることが知られている[5]．さらに，吊り天井の地震時挙動は吊りボルトの座屈が大きく影響すること-1000

020406080時間[s]図-2が予想される．したがって，クリップと吊りボルトそれぞれに作用する軸力も評価する．クリップと吊りボルトにK-NET 仙台波 50％ (NS 方向)作用する軸力は，A, B, Cそれぞれの評価点最近傍の要素で評価する．

節点数 11,001 で，CASE 2, 4 は要素数 13,426，節点数 11,325である．本研究では仕上げ材同士の接触を表現するために，仕上げ材を 1 枚ごとにモデル化した．また，壁と仕上げ材の衝突を表現するために，吊り天井のモデルの梁間方向の両端に，壁を模擬した横架材要素を設置した．横架材は隣接する仕上げ材と同じ高さに配置し，仕上げ材との隙間には 2 mm のクリアランスを設けている．

天井単体の場合の解析結果

壁との衝突を考慮しない，天井単体での解析で得られたCASE 4における上下方向の応答加速度，クリップおよび吊りボルトに作用する軸力をそれぞれ図-3, 4, 5に示す．
図-3, 4, 5よりCASE 4に生じる上下方向の応答加速度，がわかる．
以上の傾向は，他の3ケース全てにおいても確認されて(1) 解析条件
入力地震波としては，K-NET仙台波50％のNS方向成分（図-2）を梁間方向に一軸で入力している．また，時間増分は入力波データの時間刻みと同じ0.001 sであり，解析時間は80 sである．
壁との衝突を考慮しない天井単体の解析では，仕上げ材同士の接触のみを考慮する．壁との衝突を考慮するモデルでは，仕上げ材同士の接触に加え，仕上げ材と横架材© 一般社団法人 日本計算工学会a)

クリップと吊りボルトに作用する軸力は大きくないこと

3． 吊り天井の地震時挙動解析との接触を考慮している．

(2) 解析結果

いる．すなわち，壁との衝突が無ければ，クリップおよび吊りボルトに軸力はほとんど発生せず，かつ傾斜およびハンガーの偏心性の有無は天井の挙動に対して影響を及ぼさないと言える．
b)

壁ありモデルの解析結果

次に，壁との衝突を考慮した場合の解析結果について述べる．
解析で得られた上下方向の応答加速度，クリップおよ- C-03-02 -C-03-02

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AB
C

応答加速度[Gal]

応答加速度[Gal]

A
B
C

時間[s]

時間[s]

(a) CASE 1

応答加速度[Gal]上下方向応答加速度（CASE 4）

軸力[N]

図-3

時間[s]

時間[s]

(b) CASE 2

応答加速度[Gal]

クリップに作用する軸力（CASE 4）

軸力[N]

図-4

時間[s]

時間[s]

図-5(c) CASE 3

吊りボルトに作用する軸力（CASE 4）

応答加速度[Gal]び吊りボルトに作用する軸力をそれぞれ図-6, 7, 8にCASE
1からCASE 4まで示す．
まず，壁との衝突の有無による挙動の差異を考察する．
図-3, 4, 5と図-6, 7, 8のCASE 4を比較すると，壁との衝突を考慮した場合の方が，吊り天井の上下方向応答加速度とクリップと吊りボルトに作用する軸力が極めて増大している．この時，上下方向応答加速度の最大値は，壁無し

時間[s]の CASE 4 が 58.2 Gal で あ る 一 方 ， 壁 有 り の CASE 4 は(d) CASE 44,429.4 Galと，約76倍大きくなっている．また，図-6, 7, 8
図-6から，天井と壁が衝突する場合はケースによって結果が大きく異なっている．すなわち，壁と吊り天井が衝突する場合は，傾斜およびハンガーの偏心性の有無によって天井の挙動に差異が生まれることがわかる．
次に，傾斜の有無による結果の違いを比較する．図-6, 7,8より，CASE 1に比べてCASE 3，CASE 2に比べてCASE 4の上下方向応答加速度，クリップと吊りボルトに作用する軸力の振れ幅が大きくなっていることが確認できる．
頂部付近の評価点における各ケースの最大応答加速度はCASE 1, 3の各々において234.8 Gal, 2239.3 Galであり，傾斜があることで上下方向の最大応答加速度は約10倍に増大している．この原因としては以下のように考察できる．
図-9(a)のように傾斜の無い吊り天井は，壁からの反力と© 一般社団法人 日本計算工学会

上下方向応答加速度慣性力が同一面内上で作用するが，その一方，傾斜がある
吊り天井は，傾斜があることによって図-9(b)のように壁からの反力と慣性力の作用線がずれ，頂部にモーメントが作用する．その結果，天井面の上下方向の応答が大きくなり，クリップおよび吊りボルトに作用する軸力の振れ幅が大きくなると考えられる．
次に，傾斜の無い天井においてハンガーの偏心性の有無についての比較を行う．図-6よりCASE 1よりCASE 2の方が上下方向の応答加速度が大きくなっている．一方，図-7, 8から，CASE 1とCASE 2のクリップ，吊りボルトに作用する軸力はほとんど変化がない．このことから，傾斜の- C-03-02 -C-03-02

ABC

軸力[N]

軸力[N]

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ABC時間[s](a) CASE 1

軸力[N]

軸力[N]

時間[s]

(a) CASE 1

時間[s](b) CASE 2(b) CASE 2

軸力[N]

軸力[N]

時間[s]

時間[s]

(c) CASE 3(c) CASE 3

軸力[N]

軸力[N]

時間[s]

図-7

時間[s]

時間[s]

(d) CASE 4(d) CASE 4
図-8

クリップに作用する軸力

吊りボルトに作用する軸力

慣性力
モーメント

反力

慣性力

反力

(a) 傾斜無し（CASE 1,CASE 2）

上下(b) 傾斜有り
（CASE 3,CASE 4）

梁間

図-9

© 一般社団法人 日本計算工学会

天井面に作用する力- C-03-02 -C-03-02

第25回計算工学講演会⚫

傾斜の無い天井において，ハンガーの偏心性の有無
はクリップおよび吊りボルトに作用する軸力にほと吊りボルトの座屈んど影響を及ぼさない．
⚫

天井に傾斜があることで，天井面の上下方向の応答が大きくなり，クリップおよび吊りボルトに作用す重力る軸力の振れ幅も増大する．また，ハンガーが有す上下る偏心性が吊りボルトの座屈と上下方向の応答を誘

ハンガー
桁行慣性力発し，クリップに作用する軸力の振れ幅に影響を及

モーメントぼすと考えられる．
今後は，入力する地震波の方向を増やした際の傾向に

図-10 ハンガーの偏心性によって生じる局所的なモーメントついて，調査していく．また，ハンガーの偏心性によって生じるモーメントをより正確に把握し，調査していくこない天井では，ハンガーの偏心性があることで上下方向とを考えている．の応答加速度が大きくなる一方で，クリップと吊りボルトの軸力にはほとんど影響を及ぼさないことが分かる．

参考文献

最後に，傾斜を有する場合におけるハンガーの偏心性[1] 国土交通省：平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地の影響について述べる．図-6, 7, 8より，CASE 3に比べて震被害調査報告書，2012．

CASE 4の方が上下方向の応答加速度，クリップに作用す[2] 磯部 大吾郎，藤原 嵩士，山下 拓三，田川 浩之，る引張軸力，吊りボルトに作用する圧縮軸力が増加して

佐々木 智大：有限要素法を用いた大規模吊り天井いることがわかる．これらの傾向は，特に頂部付近（評価の脱落被害再現シミュレーション，日本建築学会構点C）において顕著に表れている．ハンガーに偏心性を有造系論文集，第 741 号，pp.1727-1736，2017．

する吊り天井は，偏心性が無い場合と比べて上下方向の[3] 清水 陸朗，廣田 勇，元結 正次郎：吊り材の動的不加速度が大きくなる．応答加速度が大きく出ている頂部安定挙動に関する研究 その1 吊り材の軸力の変動，付近の評価点において，最大応答加速度は偏心性がある

日本建築学会大会学術講演梗概集，B-1，pp.965-966，

ことで約2倍になっている．偏心性があることで，ハンガ2018．

ーに図-10に示すような力が作用し，局所的なモーメント[4] D. Isobe: Progressive Collapse Analysis of Structures:が発生する．このモーメントによって吊りボルトの座屈

Numerical Codes and Applications, Elsevier, eBook ISBN:と上下方向の応答が誘発され，クリップに作用する軸力の振れ幅が大きくなっていることが考えられる．

9780128130421, Paperback ISBN: 9780128129753, 2018．
[5] 佐々木 智大，青井 淳，田川 浩之，梶原 浩一，荒井智一，金井 貴浩，高岡 昌史，岩下 裕樹，吉澤 睦博，

4． 結論

壁谷澤 寿海，清家 剛，山田 哲，福山 洋，太田 勤，

本研究では，鋼製下地在来工法の吊り天井を対象に，壁江口 亨，伊山 潤，石原 直，磯部 大吾郎：大規模空との接触，傾斜，ハンガーの偏心性それぞれの有無が天井間吊り天井の脱落被害メカニズム解明のための E-デの地震時挙動に及ぼす影響を数値解析的に調査した．そィフェンス加振実験 報告書 －大規模空間吊り天井の結果，以下の知見が得られた．の脱落被害再現実験および耐震吊り天井の耐震余裕⚫

度検証実験－，2015．

壁との衝突が無ければ，傾斜とハンガーの偏心性の有無は天井の応答に影響を及ぼさない．

© 一般社団法人 日本計算工学会- C-03-02 -