日本建築学会大会 (2019年)

10 層 RC 造骨組内のスプリンクラー配管設備の耐震性を検証するＥ－ディフェンス実験
その 1. スプリンクラー配管の試験体と自由振動実験結果
正会員○

加藤 和生*1、同 鳥谷尾 駿祐*2、同 長江 拓也*3
同 姜 在道*4、同 梶原 浩一*5、同 胡 哲新*6

スプリンクラー、横引き配管、耐震措置
振動台実験、施工条件、自由振動試験
3. 試験体概要
3.1 実験用骨組とスプリンクラー横引き配管

1. はじめに2011 年 3 月 11 日の東日本大震災において、天井材などの建築非構造部材や天吊り設備機器、配管の崩落といった建物として重度の被害事例が多数報告された。調査では、東北地方太平洋沖地震で被災地における大規模ビルの 26.3%でスプリンクラーが破損、誤作動を起こした。建築設備の中でもスプリンクラー設備の破損は、初期消火機能の損失はもとより、漏水により二次被害へ拡大する可能性があり、極めて重大な問題である。
2018 年 5 月にスプリンクラー設備等の耐震措置に関するガイドラインが消防庁より策定された。それ以前は耐震措置に関する明確な方策が定まっておらず、枝管まで含めて十分な地震対策が施されてはいなかった。これが上記、報告にある破損、誤作動の理由となっている。
2. 指針類
建築設備耐震設計施工指針 2014（一般財団法人 建築センター）現行の消防用設備は許容応力度設計により各種の構造規定が体系化されている。配管については、鉛直方向にのびる立管、天井につるされる横引き配管と、スプリクラーヘッドまでを結ぶ巻き出し配管に分類されている。ただし、40A 以下の配管には、構造規定が適用されない。スプリンクラー設備 耐震措置マニュアル 2018
（一般財団法人 消防防災科学センター）では、横引き配管の末端部には、A 種または B 種の耐震支持を設けることとなっている。B 種耐震支持とは、吊り材、振止め斜材（鉄筋、吊りボルト、フラットバーなど）のみで構成されているものであり、同マニュアル内には、図 1 に示す耐震措置方法が例示されている。

2018 年 12 月と 2019 年 1 月に実施した 10 層 RC 造骨組（高さ 27.5m）を対象とした実験では、振動台に地震波を入力した。図 2 に振動台上の骨組を示す。この上層階、10階の RF 床下、9 階の 10F 床下にスプリンクラーの横引き配管を耐震措置あり、なしの条件で敷設した。

図 2 Ｅ－ディフェンス振動台上の 10 層 RC 造骨組
独立居室に配されたスプリンクラー設備を想定し、A40以下の配管を中心に横引き配管の枝管ユニットを設計した。図 3(1) に RC 造骨組の平面と枝管ユニットの平面の関係を示す。50A の第 1 枝管および 40A の第 2 枝管、径32A の第 3 三枝管、呼径 25A の第 4 枝管で構成される枝管ユニットは、第 1 枝管が直交する 100A の本管に接合される。図 3(2)に枝管ユニットのパースを示し、寸法、吊り材の位置を示す。吊り材の長さは 600 mm である。本管の両端は、鋼製アングルによる支持で大梁に固定した。吊り材として径 9 mm の寸切りボルトを用いた。床下面に同径用の標準アンカーを施工し、ボルトを固定した。

X 方向＋Y 方向＋(1) 骨組内の枝管ユニット
図 1 スプリンクラー横引き配管の耐震措置例

2)(2) 枝管ユニットの寸法

図 3 平面図とパース(mm)E-Defense test to evaluate seismic performance of horizontal fire sprinkler piping system installed in 10-story RC building structurePart 1 Test specimen of fire sprinkler and free vibration testing
Kazuo KATO, Shunsuke TOYAO, Takuya NAGAE, Jae-Do KANG, Koichi KAJIWARA, Zhexin HU1

日本建築学会大会 (2019年)

3.2 耐震措置タイプ

斜材の接合状況を図 6 に示す。各斜材と配管を個別に接本実験では 3 種類の耐震措置方法（タイプⅠ、タイプⅡ、 合している。吊りボルトの先端に斜材を集中させる接合タイプⅢ）を採用した。図 4 に各条件を示す。斜材には、方法の場合、首振り現象が生じることが指摘されており 1)、吊り材の径 9 mm の寸切りボルトを転用した。斜材によるこれを回避する方法としても位置付けた。斜材が配管に支持は一箇所に 2 本を用いる V 字とし、タイプⅠでは、第直交するタイプⅠとタイプⅡでは、吊り材用の円形固定3 枝管と第 4 枝管の末端部を合計 4 箇所支持した。タイプ

治具を斜材方向に回転させて固定した。斜材が配管軸方Ⅱ、タイプⅢでは、第 2 枝管の両端部を支持した（施工負向となるタイプⅢでは、円形固定治具と吊り材を接合す荷の軽減を意図し、末尾枝管のひとつ手前の枝管・第 2 枝る部位のボルト位置を回転させた。斜材の床スラブ下面管を支持することで耐震措置効果を期待した）。図 5 に各側については、市販の斜材固定用治具を使用した。

タイプの指示状況を写真で示す。タイプⅠ、タイプⅡでは配管に対して直交方向に斜材を設置した。タイプⅢでは、ゆれの卓越方向を念頭に、配管（第 2 枝管）の軸方向に斜材を設置した。

図6
タイプⅠ

タイプⅡ

配管と斜材の接合条件（タイプⅡ左、タイプⅢ右）4. 自由振動実験

タイプⅢ

斜材による支持がない条件において、自由振動試験を

図 4 スプリンクラー耐震措置方法（矢印は斜材方向）行った。図 7 の左図 2 の位置を人の手で矢印のＹ方向マイナス側に 10 数ミリ押したのち、すばやく離した。図中の変位測定点における変位時刻歴波形を図 7 に示す。波形は10Hz 以上の振動数を除去した（10Hz から 15Hz 間にコサインテーパー）。これらの自由振動波形において周期は約0.4 秒であった。2 の位置において片対数減衰率を求めると約 5%と評価された。一方、3 の位置は 1.5 秒付近まで一旦増幅しており振動モードの検証が必要である。

タイプⅠ（矢印位置が第 4 枝管の末端支持位置）

図7

自由振動試験の変位時刻歴波形（測定点、左）5. まとめスプリンクラー配管の実規模実験に関する背景と施工条件を述べた。
タイプⅡ

謝辞

タイプⅢ

消防庁予防課 四維 栄広 氏、馬場 康郎 氏より、本実験に対して貴重なご助言を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。

（矢印位置が第 2 枝管の両端支持位置）

参考文献

1) 建築設備耐震設計施工指針 2014（一般財団法人 建築センター）、

2) スプリンクラー設備 耐震措置マニュアル 2018（一般財団法人 消防防災科

図 5 スプリンクラー配管の敷設状況と斜材位置学センター）*1 消防防災科学センター 審議役*2 日建設計（元名古屋大学大学院生）*3 名古屋大学 減災連携研究センター 准教授・博士(工学）*4 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター 研究員・博士(工学）*5 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター長・博士(工学）*6 消防防災科学センター 主任研究員・工学博士

2*1 ISAFD*2 NIKKEN(Former NU Graduate School Student)*3 Nagoya University, Dr. Eng.
*4 NIED, Dr. Eng.
*5 NIED, Dr. Eng.
*6 ISAFD, Dr. Eng.

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10 層 RC 造骨組内のスプリンクラー配管設備の耐震性を検証するＥ－ディフェンス実験
その 2. 振動台実験概要と実験結果
正会員○
スプリンクラー、横引き配管、耐震措置、振動台実験
1. はじめに
その 1 につづき、振動台実験の計画と結果を述べる。
2. 加振条件と計測条件
表 1 に加振条件を示す。振動台入力波に JMA 神戸波を

胡 哲新*1、同 鳥谷尾 駿祐*2、同
同 姜 在道*4、同 梶原 浩一*5、同

長江 拓也*3
加藤 和生*6の最大値は、実験 (8)と実験 (9)の 2/3 程度となった。
図 3 にスプリンクラーの変位の時刻歴波形を示す。表 2に実験結果一覧を示す。図 3 の b.において、実験 (4)の100%加振における耐震措置なしの場合、第 3 枝管の先端CH27 の変位が最も大きく 200 mm に達し、第 4 枝管の先端 CH29 でも 160 mm に達している。これに対して耐震措置タイプⅠの場合、末端の CH8, 9, 3, 5 は 17-10 mm に収まっている。図 3 の c.と d.では、実験 (8)の 100 %加振における耐震措置なしの場合、耐震措置タイプⅡの場合のい採用し、倍率を徐々に強くして行った。実験はすべり基礎の条件、基礎固定の条件に分かれ、全体では、実験(1)から実験(10)の実験が行われた。実験では、床下に剛性の高い計測治具を固定し、スプリンクラー配管の床との相対水平変位（以降、変位 d）を計測した。巻き込み式変位計を図 1 に示す CH 位置において矢印方向に設置した。

a. (3) 50%加振RF 床
10F 床

b. (4) 100%加振

RF 床
10F 床

c. (7) 50%加振

RF 床
10F 床

d. (8) 100%加振

RF 床
10F 床

表 1 実験工程

図2

床応答加速度 acc (m/s2) Y 方向の時刻歴波形

X 方向＋Y 方向＋

図 1 変位計の計測位置（左 10F 床下、右 RF 床下）
3. 実験結果
JMA 神戸波が入力された（実験 (1)から実験 (9)までは、
X 方向に EW 方向、Y 方向に NS 方向）。図 2 に配管の揺れが卓越した Y 方向の床応答加速度の時刻歴波形を示す。
すべり基礎実験、基礎固定実験ともに、最大値について
は、50 %加振で 1.0 m/s2 程度、100 %加振で 1.5 m/s2 程度であった。基礎のすべりが生じたことにより、前者の最大加速度が若干小さくなり、最大値付近の加速度の繰り返し回数が少なくなった。図には示さないが、10 %加振、25 %加振、50 %加振の最大値と入力倍率の関係は、おおむね比例していた。また、実験 (8)と実験 (9)の 100%加振は同様の床応答条件となった。実験 (10)の 100%加振は、入力の XY 方向を入れ替えたため、Y 方向の床応答加速度

図3a. (4)100%加振 10F 床下

耐震措置なしb. (4)100%加振 RF 床下

耐震措置タイプⅠ

c. (8)100%加振 10F 床下

耐震措置なしd. (8)100%加振 RF 床下

耐震措置タイプⅡe. (9)100%加振 RF 床下

耐震措置タイプⅢ

CH27CH28CH29CH8CH4CH9CH27CH28CH29CH8CH4CH9CH8CH4CH9スプリンクラー配管変位 d (mm)の時刻歴波形

E-Defense test to evaluate seismic performance of horizontal fire sprinkler piping system installed in 10-story RC building structurePart 2 Outline of shaking table test and test results
Zhexin HU, Shunsuke TOYAO, Takuya NAGAE, Jae-Do KANG, Koichi KAJIWARA, Kazuo KATO

3

日本建築学会大会 (2019年)

表2

実験結果一覧／各計測位置 CH に対する最大変位 D (mm)／各ケース最大値を赤字(1) すべり基礎 10%加振(2) すべり基礎 25%加振(3) すべり基礎 50%加振

10F床下
耐震措置
なし

10F床下耐震措置なし

10F床下耐震措置
なし

RF床下
耐震措置
タイプⅠ

RF床下耐震措置タイプⅠ(4) すべり基礎 100%加振

RF床下耐震措置なし

10F床下
耐震措置なし

RF床下
耐震措置
タイプⅠ

(9) 基礎固定 100%加振2
10F床下
耐震措置
なし

CHD (mm)

CH

D (mm)CH

D (mm)CH

D (mm)CH

D (mm)CHD (mm)

CHD (mm)

CH

D (mm)

CH

26
31
32
33
27
28
29-0.15
8.50-33.60-16.60-52.60-20.20
16.80

2
78
9
3
4
5
24-0.15
2.20
1.20
-4.00
0.78
3.51
-0.44
4.31

26
31
32
33
27
28
29

-0.39
-21.30-75.70-58.4073.60-53.80-49.00

2
78
9
3
4
5
24-0.44-12.25
1.80
-7.00
3.79
19.56
-3.12
22.80

26
31
32
33
27
28
29-1.2241.60
110.45103.40131.20152.80114.202
78
93
4
5
24-0.95
20.85
4.00
-8.80
7.10
31.66
5.1635.33

26313233272829-3.43-56.60168.45-179.20
197.00-131.80-162.60278934524-6.10-52.30-10.40-11.4016.93-82.5012.56-86.85

26313233272829(5) 基礎固定 10%加振(6) 基礎固定 25%加振(7) 基礎固定 50%加振

10F床下
耐震措置
なし

10F床下
耐震措置
なし

10F床下
耐震措置
なし

CH26313233272829RF床下耐震措置なし

D (mm)

CH

7.90-24.10
21.50
47.00
20.00
16.00

278934524

D (mm)
9.25
32.80-22.00
44.76
23.52
18.70
27.40

CH
26313233272829RF床下
耐震措置なし

D (mm)

CH24.50-82.30
62.90
112.2062.40
55.00

278934524

D (mm)
30.65
104.1070.60
135.98
75.62
69.82
88.03

CHD (mm)CH

52.90
149.45142.80209.20132.80132.8027893452426
3132332728
29(8) 基礎固定 100%加振1

RF床下
耐震措置
なし
D (mm)
55.00
223.80-143.60
209.39139.74138.86148.36

10F床下
耐震措置
なし
CH26313233272829RF床下
耐震措置
タイプⅡ

D (mm)

CH

81.80
255.45209.20322.00280.60202.20278934524

D (mm)
78.05-326.00
153.20-107.08
181.40154.83234.72

RF床下
耐震措置タイプⅢD (mm)CH

D (mm)

83.30
242.75204.40349.60
226.40199.00278934524-17.25
318.00-72.20217.4718.6990.86
108.48(10) 基礎固定 100%加振310F床下
耐震措置なし
CH26313233272829RF床下
耐震措置
タイプⅢ

D (mm)CH

D (mm)

43.50
177.00107.40181.60108.20142.0027893452411.60
230.2067.80-137.34
9.3750.05
62.83

れなかった。実験 (8)の 100 %加振では、耐震措置なし、ずれでも、第 3 枝管の先端 CH27 と CH8 が 320 mm を超えており、また第 4 枝管の先端 CH29 と CH9 でも 150 mmを超える値となった。図 3 d.では、実験 (9)の 100 %加振における耐震措置タイプⅢの場合でも、CH8 が 318 mm に達している。実験 (10)の 100%加振は、床最大加速度に応じて、最大変位が実験 (9)のおおむね 2/3 程度となった。
4. 耐震措置に対する考察

速度が、10F の応答加速度よりも大きくなったことによる

表 2 の値を参照しつつ、耐震措置の効果を述べる。

すなわち、第 1、第 3、第 4 枝管の直交方向に支持した。の場合よりも、この耐震措置タイプⅡの場合に、最大の変位が若干大きくなっているが、これは、RF 床の応答加ものである。
4.3 耐震措置タイプⅢ
第 2 枝管の両端部を斜材で 2 箇所、第 2 枝管の方向に、4.1 耐震措置タイプⅠ

これにより第 1 枝管としては、本管との接合部を固定端と耐震措置なしの場合に、全ての実験を通じて（CH27 がするキャンティレバーのようにたわむモードが抑制され代表して）第 3、第 4 枝管の末端部の変位が最も大きくなた。結果、実験 (9)の 100 %加振では、第 2 枝管の CH4 位る傾向にある。実験 (4)の 100 %加振では 162-197 mm を示置の最大変位が、18 mm に抑制された。一方、第 3、第 4した。タイプ I では、第 3、第 4 枝管の末端部を直接、斜枝管の末端部には斜材の支持がなく、この第 2 枝管の端部材で支持しており、この位置（CH3, 5, 8, 9）での変位を、を中心に回転する振動モードが卓越した。したがって、

実験 (4) の 100 %加振で、10-16 mm に抑えることができ

図 3 e.を見ると CH8 と CH9 の変位時刻歴は逆位相になった。このとき、斜材支持位置から離れた、第 3、第 4 枝管の中央付近では、第 2 枝管からの力の伝達も受けて、第 3、第 4 枝管が一体となり中央でたわみ、結果、CH4 と CH24ている。第 3 枝管の CH8 では最大変位 318 mm となった。
5. まとめ
実験工程を説明し、実験結果を示した。

において、82-87 mm の変位を生じた。

謝辞 消防庁予防課 四維 栄広 氏、馬場 康郎 氏より、本実験に対して貴重なご助言を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。

4.2 耐震措置タイプⅡ
第 2 枝管の両端部を斜材で 2 箇所支持したが、斜材の方

参考文献 1) 建築設備耐震設計施工指針 2014（一般財団法人 建築センター）、
2) スプリンクラー設備 耐震措置マニュアル 2018（一般財団法人 消防防災科学センター）

向が、第 2 枝管と直交しており、第 1、第 3、第 4 枝管の方向と平行となったため、変位の抑制効果は、ほぼ見ら*1 消防防災科学センター 主任研究員・工学博士*2 日建設計（元名古屋大学大学院生）*3 名古屋大学 減災連携研究センター 准教授・博士(工学）*4 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター 研究員・博士(工学）*5 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター長・博士(工学）*6 消防防災科学センター 審議役

4*1 ISAFD, Dr. Eng.
*2 NIKKEN(Former NU Graduate School Student)*3 Nagoya University, Dr. Eng.
*4 NIED, Dr. Eng.
*5 NIED, Dr. Eng.
*6 ISAFD

日本建築学会大会 (2019年)

10 層 RC 造骨組内のスプリンクラー配管設備の耐震性を検証するＥ－ディフェンス実験
その 3. 実験結果分析と数値解析
正会員○
スプリンクラー、横引き配管、耐震措置、地震応答解析
1. はじめに振動台実験において得られた実験結果を数値解析により評価することで、普遍性を深めるとともに、実験で再現できなかった影響因子の検証環境を整備する。
2. 数値解析モデル
実験で扱ったスプリンクラーの枝管ユニットについて、通常の骨組解析の手順を参考に、水平 2 方向の配管、鉛直

鳥谷尾 駿祐*1、同
同 梶原 浩一*4、同

長江 拓也*2、同 姜 在道*3
胡 哲新*5、同 加藤 和生*6

各節点の受け持つ配管重量を分けて評価し、解析用の X方向 Y 方向 Z 方向の質量を節点に与えた。耐震措置の斜材位置において、斜材の支持効果はピンローラーで代用し、斜材方向の変位を拘束し、直交方向はフリーとした。
100 A の両端のアングル（固定）については、3 方向に対してピン支持として、水平変位を完全に拘束した。
3. 解析結果
耐震措置なしの場合 Model 1 の数値解析 NA と実験結果方向の吊り材からなる 3 次元のフレーム解析モデルを構築した。解析における入力波は、10F 床、RF 床において記test を図 3 に示す。検証は Y 方向を対象としている。加振録された床応答加速度波形であり、XY の二方向の記録をスケジュールについては、その 2 の表 1 を参照されたい。

用いる 2 方向同時入力とした。解析に準備したモデルケー

解析では、実験 (1)-(4)の 10%加振、25%加振、50%加振、スを図 1 に示す。また、実験で変位計測した CH と解析モ100%加振において、10F 床において記録された加速度波

デルの節点の位置関係を図 2 に示す。

形を入力波として用いた。図の a.と b. における、10%加振、25%加振において、実験と解析を比較すると、解析はCH33 および CH28 の変位振幅に対して、CH32 の変位振幅

図 1 解析モデルケース

図2a. 実験(1) 10%加振b. 実験(2) 25%加振c. 実験(3) 50%加振d. 実験(4) 100%加振変位計測 CH と解析モデル節点の位置関係

入力スプリンクラー横引き配管、吊材はすべて弾性棒で構成し、配管同士の接合部は常に直角を保つ剛接合とした。吊り材である寸切りボルト（径 9 mm）の根元は床スラブ内のアンカーに所定の深さまでねじ込んで固定されており、境界条件を固定とした。ただし、実験観察において、吊り材根元が明らかに塑性化したことを踏まえ、吊り材の床スラブ固定位置に、ボルトの降伏モーメントで 2 次勾配に入る剛塑性回転ばね（塑性ヒンジ）を設けた。
吊材と配管の接合条件はピンとした。節点間の中央で、

図 3 数値解析 NA と実験結果 test／耐震措置なし Model 1

E-Defense test to evaluate seismic performance of horizontal fire sprinkler piping system installed in 10-story RC building structurePart 3 Comparison of test result and numerical analysis
Shunsuke TOYAO, Takuya NAGAE, Jae-Do KANG, Koichi KAJIWARA, Zhexin HU, Kazuo KATO

5日本建築学会大会 (2019年)が相対的に大きくなる条件を定量的に捉えている。周期、位相も整合しており、解析モデルの妥当性が確認できる。
図の c.と d. における、50%加振、100%加振では、解析は実験に見られる、CH33 および CH28 の変位振幅と、CH32の変位振幅が近づく傾向、および変位振幅が大きくなる時刻に周期が伸びる傾向、この両者を的確に捉えている。
以上は、第 3 枝管の末端部が第 4 枝管の末端部や第 2 枝管の端部よりも大きく振れる幾何学的な条件や、大振幅において、吊り材根元の塑性化する材料条件が応答性状に及ぼす影響を反映していることを意味している。確認の意味で、100%加振における実験結果と解析結果のケーススタディを図 4 に示す。吊り材が弾性の条件（左）では、解析結果の周期が一定であり特に後半で変位振幅を過大に評価している。一方、吊り材の根元に弾塑性回転ばねを入れた場合（右）には、周期の変化とともに、時刻に対する変位振幅の推移を適切に捉えている。

図 4 弾塑モデルの影響／実験(4) 100%加振 node3-CH32
解析では、Model 1、Model 2、Model 3、Model 4 の全てのモデルに対して、実験で記録された 10F 床、RF 床の床加速度を入力した。図 5 には、横軸に Model の番号を 1-4まで配置して、各モデルに対して計算された変位の最大図 5 解析結果と実験結果の最大変位 D 比較値を棒グラフとして示した。これら 4 つのモデルを整理した計 12 個のグラフは、(3) 50%加振、(4) 100%加振、(7)5. まとめ50%加振、(8) 100%加振、(9) 100%加振、(10) 100%加振にスプリンクラーの枝管ユニットを、地震応答解析用における 10F 床下、RF 床下を仮定した結果であり、床応答フレームモデルで表現した。解析は、形状、吊り材の位の強さ、各モデル条件（耐震措置の種類による効果の相置、斜材の支持効果等を適切に評価できた。強い床応答違）を系統的に評価している。

に対しては、吊り材の塑性化の考慮も有効であった。

各加振において、実験では、10F 床下と RF 床下に実際謝辞に敷設された 1 ケースが比較対象となる。対応するケース

消防庁予防課 四維 栄広 氏、馬場 康郎 氏より、本実験に対して貴重なごの実験結果（変位の最大値）をオレンジ色の丸印で棒グ助言を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。

ラフ中にプロットし、耐震措置タイプを併せて付記した。

参考文献

対応する解析評価は、実験結果と系統的に整合している

1) スプリンクラー設備 耐震措置マニュアル 2018（一般財団法人 消防防災科学センター）

ことがわかる。

*1 日建設計（元名古屋大学大学院生）*2 名古屋大学 減災連携研究センター 准教授・博士(工学）*3 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター 研究員・博士(工学）*4 防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター長・博士(工学）*5 消防防災科学センター 主任研究員・工学博士*6 消防防災科学センター 審議役

6*1 NIKKEN(Former NU Graduate School Student)*2 Nagoya University, Dr. Eng.
*3 NIED, Dr. Eng.
*4 NIED, Dr. Eng.
*5 ISAFD, Dr. Eng.
*6 ISAFD