20138

日本建築学会大会学術講演梗概集（東北） 2009年 8 月

高層建築物の火災崩落挙動に及ぼすアウトリガーシステムの効果
正会員
同火災崩落挙動

アウトリガーシステム○レ ティ タイ タン*
磯部 大吾郎**ASI-Gauss 法
1ーク WTC ビルの崩壊について米国の研究調査機関 FEMA[1]と NIST[2]がまとめた報告書によると、風外力に対する補強システムとして設置されたアウトリガーシステムが、崩壊開始までの時間を稼ぐのに有効であった可能性を示唆している。

0.9

弾性係数

2001 年 9 月 11 日にテロによって引き起こされたニューヨ

Dimensionless valueof elastic modulus

無次元化された

1. 緒言

0.8
0.7
0.60.5

また、WTC1 号棟と 2 号棟で航空機の衝突箇所および火災範

0Curve reported by NIST[2]Approximated curve
400600800
1000
Temperature [℃]

200

温度 [℃]囲が異なったことが、それぞれの崩壊開始時間の差異につな

図-1

がったとしている。火災範囲が広範囲に渡ると、建物内の応弾性係数低下曲線[2]1ステムが設置されていると応力伝達経路が増し、崩壊開始時間が延びることも十分に考えられる。いずれにしても、上記
項目は高層建築物の火災対策にとって重要な問題であるため、0.8

降伏応力和することが困難となる。またその一方で、アウトリガーシ

Dimensionless valueof yield stress

無次元化された力伝達経路が限られてくるため、集中した応力を冗長的に緩

0.6
0.4
0.2
Curve reported by NIST[2]Approximated curve

一連のメカニズムを解明することが早急に求められている。

0200

400
800
600
Temparature [℃]

1000

温度 [℃]

本稿では、高層建築物に大規模火災が発生した場合に、その火災範囲、部材接合部強度およびアウトリガーシステムが

図-2 降伏応力低下曲線[2]崩壊挙動に及ぼす影響について数値解析を通じて検証した。

数および降伏応力の低下曲線（図-1，図-2）に沿って部材が解析には、大規模骨組構造の解析において最小限のコストで耐力低下するものと仮定した。これらの曲線は、鋼材に耐火計算可能な ASI-Gauss 法[3]を用い、部材破断・部材同士の接被覆を施さない場合のもので、700℃において弾性係数は約触を効率よく表現するためのアルゴリズムを導入した。また、 60 %、降伏応力は約 15 %まで低下することを示している。
温度上昇に伴う部材の弾性係数・降伏応力低下曲線を NIST
4. 接合部強度の報告書[2]から引用した。25 層 3 スパン骨組構造に対して実施したパラメータ計算結果について報告する。

接合部強度係数 CM を取り入れた以下の降伏関数を用い、接合部の脆弱性を直接的に表現した。
22. 部材破断と接触解析では、次式に示すように要素毎に計算された曲率κx、κy、引張軸ひずみεz およびせん断ひずみγxz、γyz のいずれかが臨界値を超えた場合に破断とみなした。
κx=1
κ x0ororγ xz=1γ xz 0κyκ y0or=1γ yz
γ yz 0or⎛ εz ⎞⎜⎜⎟⎟ = 1⎝ ε z0 ⎠(1)

=1

ここで、添え字“0”が付いた値はその臨界値を示す。破断臨界値には、継手の静的加力試験データ[4][5]を用いた。要素の接触については、各々の要素の幾何学的な位置関係に基づいて内分ベクトル型アルゴリズム[6]で判定している。

f2(2)

ここで、Mx, My は x, y 軸回りの曲げモーメント、N は軸力である。下添え字“0”は、各断面力成分が単独で部材断面に作用した場合の全断面塑性
表 1 部材材料定数値であることを示す。
214 GPa
弾性係数
CM は 0.0 ~ 1.0 の値をとポアソン比0.3り、柱の曲げ塑性耐力
密度7.9×10-6 kg/mm3に対する強度比を陽に降伏応力325 MPa表す。
表 2 破断臨界値

5. モデルの構成

解析対象には高さ 25層 100 m、幅･奥行き 33. 部材の耐力低下曲線

2⎛ My ⎞⎛⎞⎛ Mx ⎞⎟ +⎜ N ⎟⎟⎟ + ⎜= ⎜⎜⎜N ⎟⎜C M ⎟yMy00⎝⎠⎝ CM M x0 ⎠⎠⎝

火災発生箇所では 420 s で温度が線形的に 700℃まで上昇

スパン 18 m の骨組構造すると仮定し、また、NIST の報告書[2]から引用した弾性係モデルを用いた。部材に は JIS G 3136 のEffect of Outrigger System on Fire-Induced Collapse
Behaviors of High-Rise Buildings-4

κ x0 3.3×10-4
κ y0 3.3×10-1
ε z0 1.7×10-2
γ xz0 1.3×10-2γ yz0 1.3×10

Le Thi Thai THANH and Daigoro ISOBE―275―

1000SN490B 鋼材を用崩壊開始時間 [s]いた。表 1、2 に部材材料定数および破断臨界値を示す。また、床スラブ等の固定荷重として各階層に 4.0900800700600

Strength ratio = 0.25
Strength ratio = 0.5
Strength ratio = 0.75
Strength ratio = 1.0
Strength ratio = 1.25
Strength ratio = 1.5
Strength ratio = 1.75
Strength ratio = 2.0

2kN/m の自重を加500えた。断面寸法は、

3 区画

4 区画
図-39 区画

火災範囲

1 層部分の柱をBOX

鋼□

400-00.10.20.30.4

接合部強度係数 CM430*430*13*13、梁を H331×825.7×18.4×13.2 とし、それらの図-5

接合部強度係数による崩壊開始時間の相違

太さを上層方向へ 5 層ごとに段階的に細くした。

1000

構築したモデルに対し、火災範囲、接合部強度係数 CM、900(アウトリガーシステムの 3 つのパラメータを変化させて解析
崩壊開始時間 [s]を行った。まず火災範囲は、WTC の火災を模擬して図-3 に示す 17～19 層とし、その範囲形状を対称（3 区画）、非対称（4 区画）、フロア全体（9 区画）と設定した。次に、接合部強度の影響を比較するため、CM を 0.1～1.0 の範囲で変化させた。さらに、図-4 に示すようにモデルの最上層部にアウトリガーシステムを配置し、その有無およびアウトリガートラス)

800
700()

600()

500

部材の強度の相違による影響を調べた。ここでは、1 層部分
400の梁材に対するアウトリガートラス部材の強度比を 0.25 から

0

C M= 0.1
C M= 0.2C M = 0.3
C M= 0.1 (アウトリガートラス無)C M= 0.2 (アウトリガートラス無)C M= 0.3 (アウトリガートラス無)

0.5

11.5

2

アウトリガートラスの部材強度比2.0 まで段階的に変化させた。

6. 解析結果

図-6

本稿では、火災範囲 3アウトリガートラスの部材強度による崩壊開始時間の相違

区画において、接合部強7. 結言

度係数 CM とアウトリガートラスの部材強度を変XZ 図（上層部）

ASI-Gauss 法を用いて 25 層骨組構造の火災崩落解析を行っ

XY 面化させた場合の結果を示た結果、アウトリガーシステムの効果はある程度見られたもす。図-5、図-6 はそれぞのの、崩壊開始を劇的に遅らせるような効果は見られなかっ

れ接合部強度係数とアウた。一方、接合部強度の相違は崩壊開始時間に大きな影響をトリガートラスの部材強与えることが確認された。建物の規模や形状、火災範囲によ度比を変化させた場合の崩壊開始時間の相違を示Zす。接合部強度係数 CMが 0.1 から 0.3 に大きくなるにつれ、崩壊開始時

図-4ってもこの傾向は変わることが考えられるため、今後は、YWTC 全体モデルへの適用も含め、様々な観点からデータを整理していく予定である。

X
アウトリガーシステム

参考文献
1) ASCE/FEMA：World Trade Center Building Performance Study, (2002).

間が遅くなる結果となった。CM が 0.4 以上の場合は崩壊しなかったため、プロットしていない。また、アウトリガートラ
スの部材強度比が大きくなるにつれ、一定の範囲内では崩壊開始時間が延びる傾向が見られたが、それ以上では再び崩壊開始時間が早まった。これは、強度が大き過ぎると変形を許容することができないため、ひずみエネルギを吸収できずにシステムの効果が薄れたものと思われる．また、参考のために括弧内にアウトリガーシステム無しの場合の崩壊開始時間をプロットしたが、有る場合と比較しても崩壊開始時間に最大で 50 s 程度の差しかないことが分かる。
* 筑波大学大学院生** 筑波大学大学院准教授

2) NIST：Structural Fire Response and Probable Collapse Sequence of theWorld Trade Center Towers，(2005).
3) 磯部，リン：飛行機の衝突に伴う骨組鋼構造の崩壊解析，建論，第 579 号，(2004)，pp.39-46.
4) 藤本 他：高力ボルト継手の耐火性に関する実験的研究（その 1～
その 3），梗概集 A-2，(2006)，pp.105-110.
5) 平島 他：高温時における高力ボルトの剪断変形性状に関する実験的研究，建論，第 621 号，(2007)，pp.175-180.

6) 久永，磯部：ASI-Gauss法を用いた衝突崩壊解析コードにおける破断・接触アルゴリズムの検討, 梗概集B-1, (2008), pp. 391-392.

* Graduate student, University of Tsukuba

博（工）** Dept. of Eng. Mech. and Energy, University of Tsukuba, Dr. Eng.

―276―