広島工業大学紀要研究編
第 ₅₃ 巻（₂₀₁₉）131 – 136論

文

低層鉄骨造建物におけるガラススクリーン構法の地震時挙動に関する一考察
小林礼奈*・渡壁守正**・脇山善夫***・稲井慎介****・石田琢志****（平成₃₀年₁₁月 ₁ 日受付）

Numerical Study on Dynamic Behavior of Glass Screen System of
Law-rise Steel Frame Building Based on Seismic Observation Records
Reina KOBAYASHI, Morimasa WATAKABE, Yoshio WAKIYAMA,
Shinsuke INAI and Takushi ISHIDA(Received Nov. 1, 2018)

Abstract
Serious damage to nonstructural elements such as glass and ceiling materials was reported after the2011 earthquake off the Pacific coast of Tohoku. The purpose of this report is to describe the development of the technical references for structural performance verification by targeting nonstructuralcomponents of buildings which are damaged by earthquakes, the field that have not been explored somuch in past studies. Strong-motion earthquake measurement was conducted using a low-rise steelframe building to examine the vibration characteristics of a building that could generate force on theglass screens. Buildings with structural glass walls responded differently from conventional buildings.
Because there is insufficient experimental data to draw firm conclusions, this study carried out asimulation analysis in an attempt to measure the effect of structural glass walls on damage to nonstructural elements.
Key Words: glass screens system, dynamic behavior, earthquake observation, simulation analysis

リーン構法の地震被害の軽減化を目的に，₂₀₁₄年に面外方₁ ．はじめに向を対象とした振動台実験を実施した他，₂₀₁₃年から₂₀₁₅

₂₀₀₈年の岩手県沿岸北部地震，₂₀₁₁年の東北地方太平洋

年の ₂ 年間，某建物において地震観測を実施している₃︶。ま沖地震では，大判の面ガラスと方立ガラスから成るガラスた，自動車ショールームにおけるガラススクリーンを構築

₁︶， ₂︶

スクリーン構法において多数の被害が報告されている。

するガラス板の地震時挙動を把握する目的で，地震観測記

₂₀₁₇年 ₆ 月₂₅日に発生した長野県南部を震源とする地震で録の分析とともに地震記録によるシミュレーション解析をの自動車ショールーム被害がマスコミ報道されている。報実施し，その解析モデルの検証も行っている₄︶。

告事例の中には，ガラスの飛散状況から，面ガラスの面外

本報では，実建物で観測された地震記録に基づき当該構方向（以下，単に面外方向）への振動・変形に起因すると法の地震時挙動に関してさらに分析を加え，シミュレー推測される被害も確認されている。こうしたガラススクション解析を実施し，建物振動特性を考慮した大判ガラス* 広島工業大学大学院工学系研究科環境専攻** 広島工業大学環境学部建築デザイン学科*** 国土交通省国土技術政策総合研究所**** 戸田建設株式会社，技術開発センター
─ 131 ─

小林礼奈・渡壁守正・脇山善夫・稲井慎介・石田琢志計により直接観測することが出来なかったため，後述すの損傷メカニズムについて検討した結果を紹介する。

る観測記録に基づいたシミュレーション解析により，考₂ ．ガラススクリーンの概要
₂.₁

察を加えることとした。地震計は，富士電機製「感振器ガラススクリーン構法の概要

CPUKSNSS-₀₀」を使用した。地震記録の収集設定は，マス

ガラススクリーン構法は，商業施設などの低層部の開口ターを ID₁₁（中央部）とし，トリガー値は水平 X・Y 方向部として用いられる構法で，床から天井までを大きなガラ₅ cm/s₂と鉛直 Z 方向 ₃₀ cm/s₂の and，サンプリング周波数ス面で構成する構法である。通常の金属製方立の代わりには ₂₀₀ Hz とした。

ガラスを方立として用い，面ガラスと方立ガラス管はシリコーン系シーリング材によって接合される工法である₅︶。

₃.₃

観測地震の加速度分布

表 ₂ に示す地震において，面内，面外，上下の ₃ 方向に₂.₂ガラスの許容値の算出

ついて，床から天井への応答倍率を求めた。応答倍率は，ガラスの許容値は風圧で決まっており，許容風圧力は以₅︶

天井裏に設置した ID₁₀（端部），ID₁₁（中央部）の最大加速度値を ID₁₂（ ₁ 階床面）の最大加速度で除した値とし図下の式に基づき算出する 。
₂₂P＝₃₀₀×k₁×k₂/A×（t＋t /₄）＝₀.₁₁₃ kN/cm

₂ にそれぞれ示す。

（₁）

ここで，k₁はガラスの種類による係数（₀.₉），k₂はガラ

図 ₂ の結果から，面内方向（X 方向）はほとんどの地震

スの構成による係数（₁），A はガラスの見付け面積（₁₇.₁₂において ID₁₀/ID₁₂（端部）と ID₁₁/ID₁₂（中央部）の応m₂），t はガラスの板厚（₁₅ mm），P は許容風圧力を示す。

答倍率値に差はないが，面外方向（Y 方向）と上下方向（Zこの許容風圧力を用いて，対象建物の許容曲げ応力度と方向）では端部と中央部で応答倍率値に差が出ている事が確認できる。面外方向の揺れは，中央部より端部の応答倍許容変位を求めると以下となる。
₂₂₂＝₂.₇₄₆ kN/cm（₂）

率値が大きいことからねじれの影響が考えられる。また，

₃（₃）

上下方向も面外方向と同様に応答倍率値が端部ほど大きく

ここで，α ₁，β ₁はガラスの辺長比により決まる係数（そ増幅されていることから，面ガラスの応答に少なからず影

σ c＝β ₁×P×a /t₄δ c＝α ₁×P×a /Eg/t ＝₄.₉₉ cm

れぞれ₀.₁₀₀，₀.₅₃₅），a はガラスの短辺長さ（₃₂₀ cm），響していると考えられる。

₄Eg はヤング係数（₇.₁₆×₁₀ MPa），σ c はガラスの許容曲
₃.₄げ応力，δ c はガラスの許容変位を示す。

表 ₂ に示した各地震がガラススクリーンに作用する加速

₃ ．地震観測概要及び分析結果
₃.₁

振動特性の分析

対象建物概要対象建物の概要を表 ₁ に， ₁ 階平面図と地震計の設置位置を図 ₁ にそれぞれ示す。
₃.₂

観測地震概要

地震観測は，茨城県内にある某建物で₂₀₁₄年 ₂ 月から₂₀₁₆年 ₂ 月の約 ₂ 年間実施した。 ₂ 年間で₄₅の地震が観測され，その中から ₁ 階床に設置された地震計記録での計測震度が₂.₁以上の地震を解析対象とした。表 ₂ に選定した
観測地震の諸元を示す。地震計は， ₁ 階床に ₁ 点（ID₁₂），
天井裏に ₂ 点（ID₁₀，ID₁₁）の計 ₃ 点を設置し（図 ₁ ），それぞれガラス面に対し面内（X）・面外（Y）・上下（Z）

図₁

対象建物 ₁ 階平面図および地震計位置
表₂の ₃ 方向を同時観測した。面ガラスの地震時挙動は地震
日時
表₁
規模階
建物高さ
主体構造
XY 方向
地業

対象建物の概要

₂₀₁₄/₅/₅
₅：₁₈
₂₀₁₅/₁/₃₀ ₂₀：₃₁
₅/₂₅ ₁₂：₂₈
₅/₃₀ ₂₀：₂₃
₉/₁₂
₅：₄₉
₁₀/₂₁ ₁₅：₀₄

地上 ₂ 階（ショールーム部分は ₁ 階）
₇.₆ m
鉄構造
ラーメン構造既成杭─ 132 ─

観測地震の諸元深さ（km）
₁₅₆
₄₀
₅₆
₆₈₂
₅₇
₃₇

震央距離（km）
₁₁₂
₇₅₆
₇₀₁
₅₃
₁₆₁

計測震度
₂.₈
₂.₁
₃.₇
₂.₉
₂.₉
₂.₃

低層鉄骨造建物におけるガラススクリーン構法の地震時挙動に関する一考察

度の伝達特性について検討するため，天井裏に設置した地

表 ₃ より天井裏に設置した地震計 ID₁₀（端部）と ID₁₁

震計（ID₁₀，ID₁₁）と ₁ 階床面に設置した地震計（ID₁₂）（中央部）の分析結果から，面内方向の ₁ 次の固有振動数はの各観測点間で ID₁₀/ID₁₂（端部）ID₁₁/ID₁₂（中央部）の₃.₈₀ Hz， ₂ 次の固有振動数は ₁₁.₇₃ Hz と端部，中央部とスペクトル比を求めた。一例として計測震度が最も大きかっも同じ値になっている。一方で，面外方向の固有振動数はた₂₀₁₅年 ₅ 月₂₅日の地震記録のスペクトル比を図 ₃ に示す。

ID₁₀（端部）は ₂.₈₈ Hz，ID₁₁（中央部）は ₂.₉₇ Hz と多図 ₃ より₂₀₁₅年 ₅ 月₂₅日の地震では ID₁₀/ID₁₂（端部）少の差がある。図₄-（b）より面外方向について，端部のスと ID₁₁/ID₁₂（中央部）の面外（Y 方向）のスペクトル比ペクトル比の ₃.₈ Hz のピーク振動数の乱れはねじれによを比較すると，中央部の ₁ 次の固有振動数は ₂.₈₈ Hz と明る影響だと考えられる。また，ID₁₀（端部）の ₁ 次固有振確なピーク値を示しているが，端部の ₁ 次の固有振動数は動数が面外方向 ₂.₈₈ Hz，上下方向 ₃.₉₃ Hz となっている

₂.₈₈ Hz と ₄.₁₁ Hz の ₂ つのピークが確認できる。₄.₁₁ Hz

一方で，ID₁₁（中央部）は ₁ 次固有振動数が面外方向 ₂.₉₇がねじれの固有振動数と考えられる。さらに，端部の面外Hz，上下方向 ₅.₁₈ Hz となっている。ID₁₁（中央部）に比方向（Y 方向）の ₁ 次固有振動数と上下方向（Z 方向）のべ ID₁₀（端部）の面外方向と上下方向の固有振動数の値が₁ 次固有振動数が近接していることも確認できる。

近接していることが確認できる。これは加速度応答倍率の表 ₂ に示した残り ₅ 地震についても，ID₁₀/ID₁₂（端部）分布で考察した結果と同様に面ガラスの破壊メカニズムのと ID₁₁/ID₁₂（中央部）の各方向のスペクトル比を求め平要因として上下の振動特性も関係があることを示唆すると均した結果を図 ₄ ，図 ₅ にそれぞれ示す。図 ₄ に示した端も考えられる。

部面外方向のスペクトルと図 ₅ に示した中央部面外方向のスペクトル比から地震によらず端部面外方向のスペクトルにねじれ成分の影響が表れていることが確認できる。図 ₄ ，
図 ₅ から求めた各固有振動数を表 ₃ にまとめて示す。

（a）面内方向（X 方向）（a）面外のスペクトル比（b）面外方向（Y 方向）（b）上下のスペクトル比（c）上下方向（Z 方向）
図₂

図₃

入力加速度と応答倍率の関係
─ 133 ─端部と中央部のスペクトル比の比較（₂₀₁₅年 ₅ 月₂₅日の地震記録）

小林礼奈・渡壁守正・脇山善夫・稲井慎介・石田琢志

₄ ．シミュレーション解析
₄.₁

解析モデルの概要

図 ₆ に全体解析モデル，図 ₇ にガラス部分の解析モデル
を示す₄︶。柱と梁は梁要素，屋根面ブレースは解析は弾性解析とし，モード別に減衰定数を設定しモード法により実施した。
使用プログラムは，フレーム解析プログラム「MIDAS（a）面内方向（X 方向）（a）面内方向（X 方向）（b）面外方向（Y 方向）（b）面外方向（Y 方向）（c）上下方向（Z 方向）
図₅ID₁₁/ID₁₂（中央部）の平均スペクトル比

表₃モード

固有振動数（Hz）

ID₁₀（端部）

ID₁₁（中央部）

X 方向

Y 方向

Z 方向

X 方向

Y 方向

Z 方向

₁次

₃.₈

₂.₈₈

₃.₉₃

₃.₈

₂.₉₇

₅.₁₈

₂次

₁₁.₇₃

₇.₈₈

₁₁.₇₃

₁₁.₆₃

₇.₀₆

（c）上下方向（Z 方向）
図₄ID₁₀/ID₁₂（端部）の平均スペクトル比

32m

5.35m

図₆

図₇全体の解析モデル
─ 134 ─

リブガラス

ガラス面の解析モデル

低層鉄骨造建物におけるガラススクリーン構法の地震時挙動に関する一考察

Gen」（MIDAS IT 社）を用いた。本解析モデルは妥当性に地方太平洋沖地震において，K-net で観測された築館の観ついてはすでに文献 ₄ で検討されている。

測記録（計測震度₆.₆）の主要動部分を ₁ 階床加速度記録として，X・Y 方向の ₂ 方向同時入力として実施した。当該記₄.₂

固有値解析結果

録の加速度波形及び Sa-Sd スペクトルと解析モデの固有周解析モデルの固有振動数は，面内方向（X 方向） ₁ 次は期 ₀.₃₆ s（黒の破線）を図 ₉ にそれぞれ示す。

₃.₂ Hz，面外方向（Y 方向） ₁ 次は ₂.₈ Hz，ねじれ ₁ 次はシミュレーション結果の相対変位等高線図を図₁₀に示す。

₃.₈ Hz である。図 ₈ に並進とねじれの振動モードをそれぞ

同図より面ガラスの端部が面外方向にはらむ状況が確認でれ示す。

き，ねじれを伴った面外モード形での揺れが卓越している

同図より面ガラスが面外にはらむモード形を示すことがことがわかる。図₁₀で最大相対変位を示した左端のガラス確認できた。特に中央部（地震計 ID₁₁の設置位置付近）よ板において，四隅それぞれの点と中央部の差をとり，相対りも端部（地震計 ID₁₀の設置位置付近）が面外方向のモー変位として時刻歴波形にしたものを，許容風圧力で求めたドだけでなく，ねじれのモードにおいても面外方向にはら許容変位値（赤の破線）と併せて図₁₁に示す。応答結果は，む様子が顕著である。

最初の断層破壊の波で許容変位値を超えており，面外方向の揺れにより破壊していることが確認できる。また，シ₄.₃

シミュレーション解析結果

ミュレーション結果の応力度等高線図を図₁₂に，同図で最シミュレーション解析は₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日に発生した東北大応力度を示した箇所の応力度時刻歴波形と₂.₂節で求めた許容応力度（赤の破線）を図₁₃にそれぞれ示す。
図₁₃より，応力度についても図₁₂で確認した変位と同様な傾向が確認できた。
また，ガラス面中央部と端部での振動特性は，図 ₄ と図₅ で示したと同様に，面内はほぼ同一の挙動をしているに（a）面内方向（X 方向）（a）入力地震動の時刻歴波形（b）面外方向（Y 方向）（c）ねじれ
図₈（b）観測記録の Sa-Sd スペクトル図₉

₁ 次振動モード─ 135 ─対象とした観測記録：₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日（K-net：築館）小林礼奈・渡壁守正・脇山善夫・稲井慎介・石田琢志

も関わらず，面外は前述したモードの特性が含まれた複雑ション解析により，ガラススクリーン構法の損傷メカニズな挙動をしていることがわかった。前述した観測記録の解ムの検討を試みた。これら検討結果よりガラススクリーン

析結果より ID₁₁（中央部）に比べ ID₁₀（端部）には面外構法の地震時挙動・振動特性および破壊に至る許容値など方向にねじれの固有振動数が接近していることが確認されについて以下の知見を得た。ている。この結果を踏まえると大判ガラスの損傷メカニズ（₁）面内方向では応答倍率に差はないが，面外方向と上下ムには面外応答に加えねじれ振動の影響が起因する可能性

方向では応答倍率に明確な差が認められた。特に，端があると考えられる。先日の₂₀₁₇年 ₆ 月₂₅日に発生した長部に配置された大判ガラスは，面外方向への応答に加野県南部地震では，震度 ₅ 弱程度の揺れにもかかわらず，えねじれ応答が影響していることが確認できた。

自動車ショールームの大判ガラスの破損した被害が報告さ（₂）建物の ₁ 次固有振動数はガラス面中央部に比べ端部のれている。この被害状況においても，本解析で検討した結面外方向の揺れにねじれ成分の影響が確認できた。さ果と類似の現象が起きている可能性があると考えている。

らに，端部の面外方向の ₁ 次固有振動数と上下方向の₁ 次固有振動数が近接していることも確認できた。

₅ ．まとめ（₃）震度 ₇ クラスの地震を対象にしたシミュレーション結本報では，実建物で観測された地震記録に基づき建物振果から，端部の面ガラスは，面外の並進の揺れに加え動特性の詳細分析とその結果を考慮した地震時シミュレー

ねじれ成分との連成の影響で破壊し易い傾向にあることが確認できた。
今回の解析では，震度 ₇ クラスの巨大地震を対象に大判ガラスの破壊状況を検討したが，₂₀₁₇年 ₆ 月₂₅日に発生した長野県南部地震では，震度 ₅ 弱程度の揺れにもかかわらず，自動車ショールームの大判ガラスが破損しており，大判ガラスの地震時損傷メカニズムを検討するためには，建図₁₀ 相対変位等高線図（面外方向）（東北地方太平洋沖地震₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日，K-NET：築館）物の振動特性を踏まえたさらなる検討が必要である。今後は，建物の振動特性と入力地震動特性などを考慮したシミュレーション解析を実施することで，さらに詳細な検討を継続する予定である。

謝辞

₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日に発生した東北地方太平洋沖地震での築館観測記録は，防災科学技術研究所の K-NET の記録を利用
図₁₁ 最大相対変位を示した部分の面外応答変位時刻歴波形（東北地方太平洋沖地震₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日，K-NET：築館）

しています。ここに記して謝意を表します。

文献₁ ）俵田忠明，清家剛，他：平成₂₃年度東北地方太平洋沖地震におけるガラスの被害調査報告（その ₂ ），学術講演梗概集 DVD，巻号 ₂₀₁₂，pp. ₈₁-₈₄，₂₀₁₂.₉₂ ）国土技術政策総合研究所，建築研究所：「岩手県沿岸北部の地震建築物被害調査報告」，₂₀₀₈

図₁₂ 板要素応力度等高線図（面外方向）（東北地方太平洋沖地震₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日，K-NET：築館）₃ ）石田琢志，脇山善夫，他：ガラススクリーン構法の地震面外挙動に関する振動台実験，日本建築学会学術講演梗概集，材料施工，pp. ₉₆₁-₉₆₂，₂₀₁₅.₉₄ ）渡壁守正，脇山善夫，他：ガラススクリーンを有する某建物の地震観測とシミュレーション解析，日本建築学会学術講演梗概集，₂₀₁₆.₈
₅ ）旭硝子株式会社：総合カタログ技術資料編₂₀₁₅年版，
₀₄強度・安全，₂₀₁₅

図₁₃ 最大応力度を示した部分の面外応答応力度時刻歴波形（東北地方太平洋沖地震₂₀₁₁年 ₃ 月₁₁日，K-NET：築館）─ 136 ─