計算工学講演会論文集 Vol.19 (2014年6月）

計算工学会

医療施設内の什器を対象とした地震時挙動解析
Motion Analysis on Seismic Behavior of Furniture in Medical Facilities荻野弘明1)，磯部大吾郎2)
Hiroaki Ogino 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: cherbourg92@gmail.com)
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 big earthquakes, it is assumed that medical facilities will not be able to preserve its original function
due to damage and trouble of furniture. To achieve the preservation of function, the behaviors offurniture with casters need to be considered because there is much furniture in medical facilities. To
improve the seismic performance of medical facilities, shaking tests for a specimen assuming a hospital
including real furniture and equipment were conducted at NIED. In this study, the motion behaviors offurniture with casters in medical facilities under seismic excitations based on the data of shaking tests
were analyzed. To realize various contact phenomena during seismic excitations, the ASI-Gauss code
including frictional contact algorithm based on the penalty method was adopted. As a result, it wasconfirmed that a fixed condition of casters had a great effect on the motion behaviors of furniture inmedical facilities.
Key Words : Furniture, ASI-Gauss technique, Penalty method, Motion analysis, E-Defense

1． 序論

ー付什器の挙動を示す定量的なデータを取得している[2]．

今後，想定される首都直下地震などの大地震が発生ししかし，固定状態の異なるキャスター付什器の挙動を検た際，医療施設は什器の破損や故障，薬品棚の転倒など証するために，固定状態を変えながら加振実験を繰り返により本来の機能を保持できず，医療活動に大きな支障すことは困難である．解析においても，固定状態を考慮が出ることが懸念されている．過去には医療施設が大地した地震時の什器の挙動解析に関する報告は少ない．

震の被害を受けて診療不能となり，患者の治療に大きなそこで本研究では，防災科学技術研究所で得られた実影響を及ぼしたという事例が存在している．したがって，験データを基に，数値解析を用いて異なる地震動下にお震災後の生命維持の拠点となる医療施設に対する地震対ける医療施設内のキャスター付什器の挙動を明らかにす策が早急に求められている．しかし，過去の震災においることを目的とする．さらに，キャスター付什器の固定て耐震構造の医療施設は甚大な被害を受けたにも関わら状態の違いが挙動にどのような影響を及ぼすのかを調べず，現在でも有効な対策方法や指針は示されていない．

ることを目的とする．

また，対策の1つとして建物の揺れを軽減できることから，解析手順として，初めに実験データを基に什器と手術免震構造の医療施設が近年増加している．免震構造の医室を対象としてモデル化を行う．次に，ペナルティ接触療施設は，共振現象が懸念される長周期地震動を受けた理論に基づく接触アルゴリズムをASI-Gauss法[3]に導入経験がなく，その被害予測の研究が現在なされている．

した転倒挙動解析コード[4]を用いて，什器の挙動解析を震災後の医療施設の機能保持を検討する上で，キャス行う．なお，この解析コードにはキャスター付什器の固ター付什器の地震時の移動や転倒を考慮する必要がある．

定状態を再現する手法を導入している．

医療施設内には利便性の観点からキャスター付什器が多数存在するためである．しかし，これまでに医療施設内2． 解析手法のキャスター付什器の大きな移動や転倒が起こったとい物体同士の接触現象を再現するために，本研究ではペう報告が数多くされている．例えば，1995年に起こった

ナルティ接触理論に基づく接触アルゴリズムを用いた．

兵庫県南部地震の際にはキャスターをロックした場合で本章では，そのアルゴリズムについて述べる．

は重心の高い機器が転倒し，フリーにした場合では機器ある部材幅を持つ要素1と要素2の接触を考える．ここが動き回り，他の機器や壁に衝突したという被害があっで，要素1は要素2に対して相対速度 のベクトルを持ってた[1]．このことから，地震時におけるキャスターの固定いるとする．本接触アルゴリズムでは，要素軸間の最短状態は，震災後の医療施設の機能保持に大きな影響を及

距離が2つの要素の部材幅の平均値より小さくなった場

ぼす可能性が高いと考えられる．

合，要素に対して2つの接触力が働くこととする．その様以上の背景から，防災科学技術研究所では医療施設を模擬した実大の建物に対して加振実験を行い，キャスタ子を図-1に示す．
1つ目の接触力は，式(1)に示すペナルティ力接触面の法線方向のみに作用する．

であり，

()

‖ ‖

(，)

(1)

もに正方形の平面でキャスターを表現し，キャスターの

ここで， はペナルティ定数， はペナルティ指数， は接触面の法線ベクトルである．
であり，接触面の接線方2つ目の接触力は，動摩擦力向と法線方向に作用する．したがって，動摩擦力は式(2)で表される．

重量は手術台の場合はコラムに，電気メスの場合は架台にそれぞれ含めた．
(2) 手術室
手術室として図-3に示す壁なしと壁ありの2種類の解析モデルを作成した．ここで，各什器の初期位置は両モデルとも同じである．床と壁の変形が什器の挙動に影響を(，，キャスターを図-2に示すように4ヶ所設置した．各什器とはそれぞれ動摩擦力)(2)の接線方向成分および法線及ぼすことを防ぐために，床と壁は高剛性の弾性体であるはり要素でモデル化し，はり要素の色を灰色で表現した．
表-1 各什器の諸元方向成分であり，次式で表される．

ここで，

()

()と

‖‖‖

‖

，()

(3)，()(4)H
寸法[mm] W
D
重量M[kg]はそれぞれ接触面の接線方向および法線方向の動摩擦係数である．動摩擦力の法線方向成分は減衰力として働き，数値安定性の向上に寄与する．その動摩擦係数は，接線方向の動摩擦係数と必ずしも同じ値にはしていない．また，と手術台
520 (H520)
760 (H760)
1000 (H1000)
1950
500
テーブルトップ：73
コラム：250

電気メス
880
450
390
本体：14.5
架台：15

テーブルトップWD

コラムHW

はそれぞれ要素間相対速度ベクトル の接触面の接線方向成分および法線方向成分を表している．動摩擦係数は測定結果を参考に，他本体
D

架台

Hのパラメータは試行錯誤的に調整しながら決定した．
キャスター

3． 解析モデル(a) 手術台(1) 什器(b) 電気メス

表-1に示す諸元のもと重くて動きにくい什器として手図-2 什器の解析モデルの概観図

術台，軽くて動きやすい什器として電気メスをモデル化した．それぞれの解析モデルを図-2に示す．手術台は高さZを自由に変えられることから，表-1に示すように最低位電気メス

520[mm]，中位760[mm]および最高位1000[mm] （以下，Y

H520，H760，H1000と表記）の3通りで解析を行った．テーブルトップとコラムの重量は高さに依らず等しくした．
重量は部材の密度を変化させることによって調整したが，重心の正確な位置を把握できなかったため，密度は各構

手術台

X6800

床3400

成要素内で一様にした．また，各什器モデルの下部には(a) 壁なし
接触面
FDFP

要素 1

接触面

FPv

FN要素 1壁vNvT

FTvTv
要素 2(a) 両要素の食込期間

FN
要素 2FD(b) 両要素の離反期間

図-1 要素に接触力が作用する様子

1000

FTvN

6800
3400
(b) 壁あり

図-3 手術室の解析モデル（単位：[mm]）4． 解析条件

対角回転ロック（2PRL）は対角に位置する2ヶ所のキャス(1) 入力加振波

ターを回転ロックにした状態とする．首振り部の固定状

本研究では，実験で什器の激しい移動や転倒の危険性

態に関しては首振り自由の場合，キャスターの方向を考が確認された2種類の加振波を用いた．1つ目に，実験に慮することが困難であるため，動摩擦係数の指向性を持おいて耐震構造に短周期地震動であるJMA神戸波80%を3たせないこととした．首振り固定の場合，動摩擦係数の軸方向に入力した際に手術室で観測された床応答加速度指向性を持たせ，什器座標系X’方向またはY’方向に滑り（以下，耐震-短周期と表記）を利用した．この加振波はにくい状態の2つの条件を設定した．なお，キャスターの図-3(a)に示す壁なしモデルに入力した．2つ目に，実験に動摩擦係数は文献[5][6]の中で述べられている静止摩擦係

おいて免震構造に長周期地震動である三の丸波100%を水数の値を参考にし，本研究では動摩擦係数を利用してい平2軸方向に入力した際に手術室で観測された床応答加ることから，それらの値を超えないように設定した．

速度（以下，免震-長周期と表記）を利用した．この加振波の場合，共振現象によって什器の大きな移動が予想さ5． 解析結果れるため，図-3(b)に示す壁ありモデルに入力した．解析

ここでは，解析結果より得られた，各固定条件におけ内の時間増分は1[ms]，解析ステップ数は加振波によってる水平方向への移動量の最大値および鉛直方向への変位異なり，耐震-短周期の場合は20,000[step]，免震-長周期量の最大値に関する考察を述べる．図-6に電気メスの解析の場合は60,000[step]で行った．

結果，図-7に手術台の解析結果を示す．図中の黒色のプロ(2) キャスターの固定条件

ットは耐震-短周期の結果，赤色のプロットは免震-長周期

本研究では，図-4に示すキャスターの車輪回転部と首振首振り部り部の固定状態を変化させ，挙動解析を行う．
車輪回転部の固定状態は，車輪が回転する状態（以下，回転フリーと表記）とロックにより回転しない状態（以下，回転ロックと表記）を検討した．これらの固定状態

車輪回転部は動摩擦係数の大小によって表現した．
首振り部の固定状態は，首振り部が自由に回る状態（以図-4 キャスターの構造（引用：ハンマーキャスター（株）HP）下，首振り自由と表記）と固定により回らない状態（以下，首振り固定と表記）を検討した．これらの固定状態

Y’’を表現する上で，キャスターの方向を考慮する必要性があると考えたため，図-5に示す什器に固定された座標系

Y’’X’’Y’’X’Y’ ’（以下，什器座標系と表記）を導入した．首振り部の固定状態は什器座標系に対する動摩擦係数の指向性の有無’で表現した．

X’’

以上に述べた車輪回転部と首振り部の固定状態を考慮

X’’

し，表-2に示す計7通りの固定条件で解析を行った．完全回転フリー（ARF）は4ヶ所すべてのキャスターを回転フ(a) 加振波入力前(b) 加振波入力時リーにした状態，完全回転ロック（ARL）は4ヶ所すべて
図-5 什器座標系の概念図のキャスターを回転ロックにした状態とする．そして，
表-2 キャスターの固定条件

ARF - YF
完全回転フリー - 首振り自由
ARL - YF
完全回転ロック - 首振り自由
ARL - YLX'
完全回転ロック - 首振り固定 - X'方向に滑りにくい
ARL - YLY'
完全回転ロック - 首振り固定 - Y'方向に滑りにくい
2PRL - YF
FreeLock
対角回転ロック - 首振り自由
2PRL - YLX'
Free
対角回転ロック - 首振り固定 - X'方向に滑りにくい Lock2PRL - YLY'
Free
対角回転ロック - 首振り固定 - Y'方向に滑りにくい Lock

手術台
µ X'
µ Y'

電気メス
µ X'
µ Y'

0.40

0.40

0.015

0.015

0.65

0.65

0.25

0.25

0.65

0.50

0.25

0.10

0.50

0.65

0.10

0.25

0.40
0.65
0.40
0.65
0.40
0.50

0.40
0.65
0.40
0.50
0.40
0.65

0.015
0.25
0.015
0.25
0.015
0.10

0.015
0.25
0.015
0.10
0.015
0.25

ARF = All rotation free
ARL = All rotation rock
2PRL = 2-place rotation rock
YF = Yawing free
YLX’ = Yawing lock anddirectivity to X’ axis
YLY’ = Yawing lock anddirectivity to Y’ axis
µX’：什器座標系 X’方向の動摩擦係数µY’：什器座標系 Y’方向の動摩擦係数
Free：回転フリーのキャスター
Lock：回転ロックのキャスター

の結果を表しており，鉛直方向への変位量は転倒の可能性を示すデータとなっている．

施設の耐震実験，https://www.edgrid.jp/datas
磯部[3]

初めに，電気メスの結果について述べる．図-6(a)より

ミョウ

リン：飛行機の衝突に伴う骨組鋼構造の崩壊解析，日本建築学会構造

完全回転フリー（ARF）の場合，免震-長周期において極端に大きく移動しているが，完全回転ロック（ARL）の大吾郎，チョウ系論文集，第579号 ，2004， pp.39-46．
賀[4]鐘輝，磯部大吾郎，金子美香，堀宗朗：

場合には移動量を抑制できることが確認された．そして，

ASI-Gauss法を用いた家具の転倒挙動解析，計算工学

対角回転ロック（2PRL）の場合，完全回転ロックに比べ講演会論文集，Vol.17，2012．

大きく移動する傾向がみられた．また，図-6(b)よりどの

佐藤栄児，酒井固定条件においても，ロッキングは生じにくいことが確

鎌田

祟義，筧

認された．したがって，電気メスのような軽くて動きや中島

正愛：医療施設の機能保持性能を検証するた

すい什器に関しては，車輪の回転をロックすることが地

めの実大震動台実験震対策として有効であることが確認された．

全性・機能性評価，日本建築学会構造系論文集，第[5]次に，手術台の耐震-短周期の結果について述べる．図久伸，福山淳夫，小林國夫，古川健一，井上幸，貴仁，

震災時における都市施設の安650号，2010，pp.771-780．
金子美香，丑場英温，西谷隆之，小倉 賢人，

は電気メスと同様の傾向がみられた．ロッキングに関し

西谷章，松井智沙，川﨑志保理：透析室およては，図7-(b)より完全回転フリーの場合，他の固定条件

び手術室内の医療機器の振動台実験，日本建築学会に比べ抑制できることが確認された．これは，キャスタ

大会学術講演梗概集，2013，pp.669-670．

-7(a)より，水平方向への移動量の最大値の結果に関して[6]ーが滑ることによって転倒モーメントの低減につながったと考えられる．しかし，手術台の高さが最も高いとき，本研究では，防災科学技術研究所で行われた医療施設

1292PRL - YLY'

2PRL - YF

2PRL - YLX'

3ARL - YLY'6
ARL - YF

移動量は極めて少ない結果となった．

15

ARL - YLX'

震-長周期の場合は図7-(a)より，どの固定条件においても6． 結論

Max. vertical disp. [cm]ARF - YF

は地震対策として不十分であると考えられる．また，免Short periodLong period

182PRL - YLY'

02PRL - YF

位置が高い場合において車輪の回転をロックするだけで100

2PRL - YLX'のような重くて動きにくい什器に関しては，特に重心のARL - YLX'大値が大きく異なる結果となった．したがって，手術台

200

ARL - YLY'とY’方向に滑りにくい状態では鉛直方向への変位量の最300

ARL - YF

た．また，同じ首振り固定でもX’方向に滑りにくい状態

Max. horizontal disp. [cm]

おいて大きくロッキングする可能性があることを確認しShort periodLong period

ARF - YF

つまり重心の位置が高いとき，完全回転ロックの場合に(a) 水平方向への移動量の (b) 鉛直方向への変位量の最大値最大値を対象とした実規模振動実験のデータを基に什器と手術

図-6 電気メスの解析結果室のモデル化を行った．什器のキャスターの車輪回転部

参考文献
[1]

中山 茂樹：病院建築・設備と医療機器等の耐震性，

15129

独立行政法人防災科学技術研究所「ASEBI」：重要2PRL - YLY'(a) 水平方向への移動量の (b) 鉛直方向への変位量の最大値
最大値

臨床外科，vol.51，No.13，1996，pp.1545-1549．
[2]

2PRL - YF

32PRL - YLX'

6
ARL - YLY'

Max. vertical disp. [cm]18

ARL - YFがあると考えられる．

2PRL - YLY'の固定状態を考慮した地震対策について明確に示す必要

02PRL - YLX'がわかった．今後，医療施設に対し，キャスター付什器

2PRL - YFの什器の移動量や転倒のしやすさに大きく影響すること

20

ARL - YLX'に，キャスターの固定状態や什器の重心の高さが地震時

40

ARL - YLY'に大きく影響することが実験と同様に確認された．さら

ARF - YFと建物の構造の種類の組み合わせが地震時の什器の挙動

60

ARL - YF

内の什器の挙動解析を行った．その結果，地震動の種類

Max. horizontal disp. [cm]スター付什器に対し，異なる地震動下における医療施設

H520 - Short period
H760 - Short period
H1000 - Short period
H760 - Long period

ARL - YLX'

H520 - Short period
H760 - Short period
H1000 - Short period
H760 - Long periodとで表現した．そして，それらの固定状態の異なるキャ

ARF - YFと首振り部の固定状態は動摩擦係数の値を変化させるこ

図-7 手術台の解析結果