広島工業大学紀要研究編
第 57 巻（2023）107-114

論文

観測記録に基づく RC 造建物の振動特性と耐震補強効果に関する調査研究―広島工業大学本館棟を対象として―
山下航平＊・渡壁守正＊＊・久保川淳司＊＊＊・光井周平＊＊・黒河真＊（令和 4 年10月28日受付）

Evaluation of Dynamic Properties and Seismic Resistance of The RC Building
Before and After Retrofitting Based on Microtremor Measurements—Using The Main Office Building in Hiroshima Institute of Technology—
Kohei YAMASHITA, Morimasa WATAKABE, Junji KUBOKAWA,
Shuhei MITSUI and Makoto KUROKAWA（Received Oct. 28, 2022）

Abstract
In order to verify the seismic reinforcement effect to the RC building quantitatively, Microtremor
measurement was carried out for the main building before and after the reinforcement and compared
the dynamic characteristics derived from microtremors. As a result, natural frequencies estimatedby the microtremor records before the seismic reinforcement are approximately 25~30% bigger
than those estimated by these records after the seismic reinforcement. The results show that thereinforcement method significantly increases the stiffness of a RC building. Furthermore, this paper
presents the Structural Health Monitoring （SHM） system using Internet of Things （IoT） to improvefor the earthquake disaster reduction and maintainability of buildings.
Key Words: Seismic Reinforcement, Dynamic Characteristics, Microtremor Measurement, StructuralHealth Monitoring System

特定多数の者が利用する建築物及び学校，老人ホーム等の1 ．はじめに避難弱者が利用する建築物のうち大規模なものなどの所有

耐震補強関連の法律は，度重なる地震の経験から，変化者は，耐震診断を行うことが定められた2）．耐震補強効果している．大きな変化としては，1981年 6 月に耐震基準がは，一般的に構造計算から確認されるが，現場施工精度の大きく改正され，新耐震基準が誕生した．1995年に兵庫県影響を考慮することは難しいとされている．2016年の熊本南部地震が起こり，その教訓から，同年12月に「建築物の地震では，耐震補強をした建物にもかかわらず被害を受耐震改修の促進に関する法律（耐震改修促進法）」が施行

け，本来は避難場所として利用される体育館でも，その役1）された ．さらに，より積極的な耐震化の促進を目的とし目を果たすことができなかった事例が報告されている3）．て，耐震改修促進法が改正され，病院，店舗，旅館等の不同時に地方の耐震補強対策の遅れや耐震補強性能の問題が＊

広島工業大学大学院工学系研究科環境学専攻 大学院生
広島工業大学環境学部建築デザイン学科＊＊＊
広島工業大学工学部電気システム工学科＊＊― 107 ―

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平・黒河指摘されており，耐震補強の有効性について定量的な検討
4）

真書の「広島工業大学本館棟改修・耐震補強工事 耐震改修報告書」を参考資料として扱う5）．

はほとんどされていない ．
本研究では，広島工業大学本館棟の耐震補強改修工事に耐震診断は大旗連合建築設計株式会社によって実施され伴って，常時微動測定を計画しその計測データを基に耐震た．耐震診断内容は，主に現地調査と算定調査である。現補強工事前，途中，改修後での振動特性の変化に着目し，地調査は，目視調査により設計図書との照合調査，履歴外耐震補強効果の有効性に関して検討を行う．また，今後の観調査，ひび割れ等の損傷状況調査を行われた．またコン

施設の安全管理，保守点検や被害軽減に貢献できるシステ

クリートコアを採取し，圧縮強度試験及び中性化調査が行ムとして，本館棟の振動特性の経時変化を把握できる「建われた．算定調査については，「2001年改訂版 既存鉄筋コ物健全性モニタリングシステム」を構築した．構築したモンクリート造建築物の耐震診断基準・同解説6）」を基準

ニタリングシステムの概要についても記述する．に，構造耐震指標 Is 値及び保有水平耐力指標 q 値より判定された．耐震診断結果は，表 1 に示すように X 方向の2 ．対象建築物及び耐震補強の概要
2. 1

Is 値が目標耐震判定指標0.70を 1 ～ 5 階で下回り，「想定耐震補強建物の概要する地震動に対して所要の耐震性能に疑問あり．」とさ広島工業大学本館は，鉄筋コンクリート造 7 階建ての事れ，Y 方向についても，Is 値が目標耐震判定指標0.70を 1務所建築であり，架構方式は長辺方向（以下，X 方向），～ 5 階で下回り，同様に判定された．また，コンクリート短辺方向（以下，Y 方向）とも，一部耐震壁を含むラーメ壁の面外方向の転倒は検討結果，所要の耐震性能を満足しン構造となっている．竣工時期は昭和43年であり，竣工かていないとされた．

ら54年が経過している．建物形状は，平面形状・立面形状

耐震改修計画の補強方針は以下とされた．X 方向 1 ～ 5とも整形である．延べ面積は2977.23㎡，X 方向は24.0m，階は，鉄骨ブレース及び増設壁により耐力増強および偏心Y 方向は20.0m である．

率の改善を行い，また 1 階は開口閉塞により耐力補強を行

本建物は，耐震診断の結果，目標値を満たしていない建う．また Y 方向 1 ～ 5 階は，鉄骨ブレースにより耐力補物であり，平成13年に発生した芸予地震に遭遇している．

強を行う．改修後の診断結果は，X・Y 方向ともに目標耐直接地震による影響であるかは断定できないが，壁には，震判定指標を全階で上回り，「安全（想定する地震動に対目視可能な範囲で亀裂が見受けられる．写真 1 に建物の外して所要の耐震性を確保している）」とされた．

観を示す．
表1階数

耐震補強前後の Is 値の比較
X方向

Y方向

Is値（補修前） Is値（補修後） Is値（補修前） Is値（補修後）









2. 3耐震補強工事概要

耐震補強は，X 方向に17基，Y 方向に17基の合計34基の鉄骨ブレース補強，また X 方向において 6 箇所の耐震壁<増打が行われた．ブレース・耐震壁の設置箇所を示す代表;

写真 1的な軸組図を図 1 ， 2 ，ブレースの施工状況（赤塗りつぶし部分）を写真 2 ，耐震壁の施工状況（黄塗りつぶし部

広島工業大学本館の外観分）を写真 3 にそれぞれ示す．
2. 2耐震改修診断結果及び耐震改修計画

3 ．常時微動計測の概要

広島工業大学では，1981年以前に竣工した研究棟において順次耐震診断を実施しており，本館棟においても平成25

3. 1

計測概要及び計測記録

年10月と令和 3 年11月に耐震診断が行われている．本館の常時微動測定は，補強前，補強途中，補強後の計 3 回

耐震補強概要として，令和 3 年11月に報告された耐震診断行った．補強前と補強途中では 6 台の速度センサを用いて― 108 ―

観測記録に基づく RC 造建物の振動特性と耐震補強効果に関する調査研究測定を行ったが，補強後の測定に関しては，センサに不具合が起こったため， 4 台のセンサを用いて実施した（表)2 ）．測定内容は，建物の X 方向，Y 方向の並進 2 方向と)

建物 1 F での上下方向の測定，人力加振測定，ねじれ測定)である．補強前と補強途中の測定は， 1 F， 3 F， 5 F，

)

屋上の 4 点とし， 1 F において上下方向の測定器を 2 点に)配置した（図 3 ，4 ）．補強後の測定は計測器が 4 台であっ)
耐震補強前
耐震補強後

図1

表2

建物のセンサ設置位置とチャンネル対応

ケース
X方向

$QDORJ $QDORJ $QDORJ $QDORJ $QDORJ $QDORJ $QDORJ
1F水平 1F上下 1F上下 3F水平 5F水平 RF水平

Y方向
X方向

1F水平1F上下Y方向

1F上下1F上下3F水平1F水平1F上下1F水平5F水平RF水平5F水平RF水平5F水平RF水平17通り軸組図（ブレース）5)：速度計 設置位置

)
写真 2

4 階17通り 鉄骨ブレース施工状況

)

)
)

)

)

)
)

)

図3

補強前センサ設置位置（断面図）Ⓙ

図2

J 通り軸組図（耐震壁）ⒼⒹ<：速度計 設置位置（水平方向）;⑰写真 3⑱

図44 階 J 通り 耐震壁施工状況― 109 ―

：速度計 設置位置（上下方向）⑲⑳㉑

補強前センサ設置位置 一例（ 1 F 平面図）©

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平・黒河真たため， 1 F， 5 F，屋上にて実施した．上下方向は補強より伝達特性を求めた． 1 階と 5 階の補強前後のフーリエ前，補強途中と同様に実施した．人力加振測定は，並進測スペクトル及びフーリエスペクトル比を X・Y 方向で求め定と同箇所で測定を行い，並進測定にて確認した建物の固た結果を図 7 ， 8 にそれぞれ示す．図中の青色の波形が耐有振動数に合わせ， 5 F の耐力壁を押すことで実施した．

震補強前，橙色が耐震補強後の振動特性を示す．これらのねじれ測定は，屋上の長辺・短辺の両端にそれぞれ配置しスペクトル比より求めた X・Y 方向の卓越振動数を耐震補ている．測定データは，フーリエスペクトル解析とフーリ

強前後で比較し，表 3 にそれぞれ示す．

エスペクトル比により建物躯体の固有振動数を推定した．

耐震補強前後の X 方向の 1 次固有振動数は，補強前の解析にあたっての条件は，サンプリング周波数100Hz，バ2.808Hz から補強後では3.492Hz となり，約24％増大し，ンドパスフィルタを0.1Hz とした．本報では，紙面上，耐Y 方向の 1 次固有振動数は，補強前の2.307Hz から補強後震補強前後の比較によって解析・分析を実施する．
表33. 2

分析結果による耐震補強前後での建物振動特性

耐震補強前後の 1 次固有振動数の比較

耐震補強前 耐震補強後増大率

耐震補強前後の記録に関して，一例として耐震改修前の

X方向+]

+]

1.24倍

各階の加速度波形及びフーリエスペクトルを図 5 ， 6 に示Y方向+]

+]

1.20倍

す． 1 階から上階にいくに従って，振幅が大きくなっていることが確認できる．つまり，信頼できる比較的安定した微動測定で得られた記録から，各階のフーリエスペクトAcceleration1)0)

0

補強前
補強後

420-1
1

Analog5 (peak: 1.812cm/s²)
PPV

123振動数（Hz）

45（a） 5 F フーリエスペクトル-11)

0-1

Analog1 (peak: 0.692cm/s²)
PPV

40

Analog6 (peak: -1.894cm/s²)
PPV

45

5055

図51060

65

70

75

80
85
Time (s)9095100105

110

115

1120

耐震改修前の変位記録波形（X 方向）

Fourier Amplitude (t=0-327.68s, parz.=0.1Hz)

フーリエスペクトル（mm）

Acc.
(cm/s²)速度（PP P  V）

Acc.
(cm/s²)速度（PP P  V）

Acc.
(cm/s²)速度（PP P  V）

ルを求め，建物の各階と 1 階間のフーリエスペクトル比に6フーリエスペクトル（mm）記録である．補強後の記録も同様であった．

補強後

0.50Amplitude (cm/s)
PP

補強前

123振動数（Hz）

4（b） 1 F フーリエスペクトル

1補強前+]

補強後+]

0.1

0.01

Analog1
Analog5
Analog61

図62Frequency (Hz)

510（c）フーリエスペクトル比（ 5 F/ 1 F）

耐震改修前のフーリエスペクトル（X 方向）

図7― 110 ―X 方向

5観測記録に基づく RC 造建物の振動特性と耐震補強効果に関する調査研究では2.764Hz となり，約20％増大していることが分かる．
図 9 は横軸に耐震改修前後の Is 値，縦軸に 1 次固有振動数を取り，その関係を示したものである．図中の Is 値
は，耐震補強前から Is 値＝0.70を超えていた 5 階より上階を除いた 1 ～ 5 階の Is 値平均を示している（表 1 参照）．

補強後

補強前

図から Is 値が耐震改修前に比べ，約 5 割増加し，X・Y 方向で目標耐震判定指標である Is 値＝0.70を上回ったことで， 1 次固有振動数が大きくなる傾向が確認できる．
人力加振で得られた記録において，減衰が開始した値を基準とし，減衰波形の包絡線を算出することで減衰定数を

図9

耐震補強前後の Is 値と 1 次固有振動数求めた．耐震補強前後における X・Y 方向の減衰波形をそ速度記録（基準化）

れぞれ図10，11に示す．また耐震補強前後の減衰定数の比
較 を 図 12 に 示 す． 耐 震 補 強 前 の 減 衰 定 数 は，X 方 向 で

0-0.5

6

補強前-1

補強後

00.5

411.5

2（秒）

（a）X 方向速度記録（基準化）y=exp(-h1*2π*f1*t)

120.50123振動数（Hz）

4規準化

フーリエスペクトル（mm）

0.5規準化

2.6％，Y 方向で2.1％であり，耐震補強後の減衰定数は X

y=exp(-h1*2π*f1*t)

150-0.5（a） 5 F フーリエスペクトル-100.5

11.5（秒）2（b）Y 方向

補強前
補強後

図10

耐震補強前の 1 次減衰定数0.5

速度記録（基準化）
y=exp(-h1*2π*f1*t)

10123振動数（Hz）

4規準化

0.550-0.5（b） 1 F フーリエスペクトル-10.000

0.500

1.000

1.500（秒）2.000（a）X 方向

補強前+]
補強後+]

速度記録（基準化）
y=exp(-h1*2π*f1*t)

10.5規準化

フーリエスペクトル（mm）10-0.5-10.0000.500（c）フーリエスペクトル比（ 5 F/ 1 F）
図81.000

1.500（b）Y 方向

Y 方向

図11― 111 ―耐震補強後の 1 次減衰定数（秒）2.000山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平・黒河方向で2.9％，Y 方向で2.6％であった．耐震補強により，

4. 1

真MEMS センサを利用した構造ヘルスモニタリング両方向で減衰定数が高くなる傾向が見られた．表 4 に耐震MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度セ

改修前後の 1 次固有振動数と 1 次減衰定数の比較を示す．

ンサは，微細な加工により半導体のシリコンチップ上に形成された超小型デバイスで，数多くのデジタル機器に組み減衰定数（％）

3込まれ，高精度で信頼性の高いセンサなど複雑で高度な役割を果たしており，また消費電力が僅かなことから，デジ

2.5

タル機器の小型化，長期間の動作を可能としている7）．

X方向

本研究では MEMS 加速度センサとしてテキサスインス

Y方向
2

ツルメンツ社製の ADXL355を使用した . 本センサはノイズ密度が2.5µg/ √Hz で，低ノイズかつ低消費電力という1.5

耐震補強前特徴を持つ．加速度は100ms のサンプリング間隔で xyz

耐震補強後

計測実施日

図12

耐震補強前後軸方向の 3 軸同時計測が可能である．

減衰定数の比較

このセンサを aa 内蔵するセンサボックスのシステムは
Raspberry Pi で構成され，センサの計測結果を容易に学

表4内ネットワークを介して仮想サーバ上の WIN システムに耐震補強前後の固有振動数・減衰定数の比較ケース送信することができる．WIN システムは多チャネルの地耐震補強前 耐震補強後

震波形データを取り扱うための処理システムであり，東京

1次
固有振動数

X方向

+]

+]

大学地震研究所が定義した WIN フォーマット形式のデーY方向+]

+]

タを送受信することができる．

1次
減衰定数

X方向



学内の仮想サーバでは WIN サーバが受け取ったデータ

Y方向

を可視化する機能がある．また，WIN サーバに保存されているデータの必要部分を選択し，パソコン上に転送することができ，データを CSV 形式に変換することで，さま4 ．建物健全性モニタリングシステム構築

ざまな解析ソフトウエアで処理することができる．

2011年東北地方太平洋沖地震や2016年熊本地震など，数

建物の健全性評価システムは，センサが取得する観測

百年に一度と呼ばれるような大震災が日本各地で発生してデータを分析することで，建物の振動特性を把握し，傾斜いる．現在，南海トラフ地震の今後30年以内発⽣確率は70

角度を読み取り，長期間の経時変化を監視することができ〜80％と言われている中，地震による人命や資産などの被る．また大規模な地震発生時には， 1 次診断として建物に害を最小限に抑えるため，既に建築物の耐震診断や最適な生じる揺れ観測データから健全性を判定し，異常が認めら耐震補強は全国各地で進んでいる．

れる場合は， 2 次診断で損傷個所を推定することが可能となる．MEMS センサによるデータ収集の概要を図13，本館におけるセンサ設置位置を図14，15にそれぞれ示す．

〈広島工業大学本館棟〉

図13

MEMS センサによるデータ収集の概要― 112 ―

観測記録に基づく RC 造建物の振動特性と耐震補強効果に関する調査研究

4. 2

建物健全性モニタリングシステムの概要

構 造 ヘ ル ス モ ニ タ リ ン グ（SHM: Structural healthmonitoring）は，建築物にセンサを設置し，建物の振動観測記録等を蓄積し，様々な分析手法を用いて損傷や劣化状態をリアルタイムに診断・予測する技術である．現在，多センサ

くの新築・既存建物に適用されており，構造性能や維持管理に役立てられている．最近では，民間企業において事業継続計画（BCP：Business Continuity Planning）の重要な要素である，地震直後の被災建物の応急危険度判定の代替として建物健全性診断に応用できないか関心が高まってきている．
建物の損傷推定は，一般的に，建物全体から 2 次部材までの全体から局部の損傷へと段階的に絞り込みながら推定

図14

MEMS センサ設置位置一例（ 1 F 平面図）

される．今回は，建物の安全性や維持管理に役立てるために必要なデータを取得するために，IoT を活用した簡易なシステム構築を行った．将来観測される実測データを基：センサ 設置位置に，小地震や常時微動により求めた振動特性を蓄積する．
事前に蓄積した分析結果を活用することで，大地震や台風など損傷の発生する可能性がある場合に損傷程度を早期に検知し 2 次被害を軽減できる．また，長期に蓄積された観測データにより経年劣化の把握が確認でき，建物の維持管理など様々な状況を配慮しながら，総合的な損傷推定システムの構築が可能となる．SHM による建物健全性評価及び維持管理システムイメージを図16に示す．
先に示した SHM システムを構築することで災害発生後速やかに元の状態に戻す「レジリエンス（回復力）」性を備えたシステムへと展開できる．レジリエンスとしての備えは，リアルタイムな状況対応と早期の復旧対策の仕組みを兼ね備えたシステムが必要となる．このようなリアルタイムなシステムが完成すれば，非常時に人の行動判断をすばやく行う手助けに繋がる．本システムは，非常時だけではなく平常時も使われるシステムであることが重要である．非常時対応のシステムではいざというとき，システムが正常に動作しなかったり，貴重なデータが記録されなかったりする場合がある．そのような事態を避けるため，そのシステム自体が平常時から可動しており，平常時と非常時でシームレスに対応できることが望ましい．将来は，このようなレジリエンスなシステムを実現することが出来ればと考えている．

図15

MEMS センサ設置位置（断面図）― 113 ―

山下航平・渡壁守正・久保川淳司・光井周平・黒河

図16

真SHM による建物健全性評価および維持管理システムのイメージ

タリングシステムの構築には，中外テクノス株式会社にご5 ．まとめ協力を頂いた．また波形解析の一部には，国立研究開発法耐震補強が施された広島工業大学本館を対象に，耐震補人建築研究所の ViewWave ソフトを使用した．ここに記して感謝の意を表す．

強効果を確認する目的で以下の知見を得た．
（1）常時微動測定で得た記録の分析・解析から，耐震補強後の建物の 1 次固有振動数は，補強前と比較して X

参考文献

方向で約24％，Y 方向で約20％増大しており，耐震補

1 ）船木尚己，作間陵，井上剛志，小澤昌広：報告

東北

強工事の効果を定量的に示すことができた．

地方太平洋沖地震における RC 造建物の耐震補強効果（2）補強前において X・Y 方向ともに Is 値の低かった 1の検証，コンクリート工学年次論文集 Vol.34，No. 2，～ 5 階は，耐震補強工事により耐震性が向上していた．その結果を，各方向の 1 次固有振動数の比較によ20122 ）小川富由，鈴木毅彦：建築物の耐震改修促進法改正と政策の展開，地学雑誌116（3/4）516-523，2007

り確認できた．
（3）減衰定数は，耐震補強前に比べ耐震補強後の方が高く

3 ）矢野貴大，後藤勝彦，友清衣利子，山成實：熊本地震
における学校体育館の避難所利用状況調査と検討なる傾向を X・Y 方向ともに確認できた．
（4）設計値通り施工がされているかは，耐震補強前後で常時微動測定を実施することで，補強効果をある程度定量的に求めることができ，本館における耐震補強工事の1

そ避難所利用の状況，日本建築学会大会学術講演

梗概集（東北），2018. 94 ）宝音図，川瀬博，松島信一：微動観測による構造物の耐震補強前後の振動特性とその耐震性評価―宇治キャは有効であることが確認できた．
今後，「建物健全性モニタリングシステム」を構築することで，地震時の耐震補強効果による地震被害の軽減を定量的に評価すると同時に，劣化や損傷を定期的に診断する

ンパス本館を対象に―，日本建築学会大会学術講演梗
概集，2010. 95 ）大旗連合建築設計株式会社：広島工業大学本館棟改
修・耐震補強工事役割も果たすことができる．

耐震改修報告書，2021.116 ）日本建築防災協会：2001年改訂版

謝辞

既存鉄筋コンク

リート造建築物の耐震診断基準・同解説，2004. 2

本報告の常時微動測定は，広島工業大学渡壁研究室の 47 ）小川修一，三田章“構造ヘルスモニタリングの実用化

年生と光井研究室の 4 年生，大学院生及び株式会社フジに関する研究”．日本地震工学会論文集．2009，vol. 9，タ，工事関係者の皆様にご協力を頂いた．建物健全性モニ

no. 5，p. 1-15.

― 114 ―