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第24回計算工学講演会

計算工学講演会論文集 Vol.24 (2019年5月)

計算工学会

音響施設における吊り天井の地震時脱落挙動と耐震化方法に関する数値解析的研究
Numerical Research on Ceiling Collapse Mechanisms andEarthquake-Resistant Measures in Acoustic Facility大村浩之1)，磯部大吾郎2)
Hiroyuki Omura and Daigoro Isobe
1) 筑波大学 大学院生（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: s1820884@s.tsukuba.ac.jp)
2) 筑波大学 教授・博士（工学）（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: isobe@kz.tsukuba.ac.jp）
In this research, a collapse analysis of a concert hall’s box-type suspended ceiling containing level gaps
was performed. A numerical model of the concert hall and ceiling was simulated by applying a seismicwave. The detachment of clips was caused by the propagation of the impact force that was generated when
the suspended ceiling collided with the wall. Furthermore, the results showed that the locations of the clips
detached by the collisions were strongly affected by the geometrical shape of the ceiling. Thisphenomenon was also confirmed in the numerical results of the model installed with earthquake-resistantmeasures.
Key Words : Suspended ceiling collapse, Acoustic facility, ASI-Gauss technique, Collapse analysis

1． 序論

における構造躯体の応答および天井の脱落挙動を有限要

東北地方太平洋沖地震や熊本地震などの巨大地震動に素解析する．その後，解析により得られた天井の脱落傾向伴って，体育館やホールなどの大スパンを有する建造物を踏まえ，斜め部材の設置による耐震対策を施したモデにおいて吊り天井が脱落する被害が相次いで報告されてルを構築し，同様の解析を行うことで耐震性能を評価すいる[1][2]．吊り天井の脱落防止対策を確立するために，る．

実大三次元震動破壊実験施設（以下，E-ディフェンス）にて天井脱落被害再現実験[3]が実施されたり，先行研究[4]2． 箱型段差吊り天井の概要

において天井脱落挙動の解析技術が開発されたりするな

本研究で解析対象とした箱型段差吊り天井およびコンど，吊り天井の脱落メカニズム解明に向けた研究が進め

サートホール躯体は，図 1 に示す実在のコンサートホーられてきている．

ルを参考に仕様を決定した．また，図 2 に箱型段差吊り

しかし，これまでの吊り天井脱落に関する実験的・解析天井の概観を示す．基本的な構造は在来工法吊り天井と的研究は，いずれも体育館や商業施設に設けられるよう同様，仕上げ材，野縁，野縁受けからなる下地材を吊りボな鋼製下地在来工法吊り天井と呼ばれる規格化された吊ルトで躯体から吊るしている．野縁と野縁受けおよび野り天井が対象であった．一方，ホールや劇場などの音響性

縁受けと吊りボルトは，それぞれクリップ，ハンガーと呼能が要求される施設では，施設内の反響性を向上させるばれる簡易的な金物で接続されている．また，野縁およびために天井や壁などの内装に凹凸を持たせたり，遮音性

野縁受けは 3 m のスパンを持つ部材であり，野縁同士はを確保するために高密度の内装材を用いたりするケース

野縁ジョイントと呼ばれる金物で接続され，野縁受け同が多い．このような規格に沿わない仕様を持つ吊り天井士は溶接されている．

は，地震時に特異な脱落挙動を示すことが予想されるた

当該天井は，同じ構造を持つユニットが連結することで天井全体を構成している．1 基の平面寸法は 3.6 m（Xめ，個別の検討が必要となる．
そこで本研究は，上述のような規格に沿わない吊り天軸方向）×4.0 m（Y 軸方向）で，天井全体では X 軸方向井の一例として，シューボックス型のコンサートホールに 16 基，Y 軸方向に 6 基の計 96 基のユニットが連結しに広く用いられる，天井面に箱型の段差が設けられた吊ており，平面寸法は 51.6 m（X）×24.0 m（Y）である．

り天井（以下，箱型段差吊り天井）を対象に地震時におけまた，当該天井は図 1 から確認できるようにユニットをる脱落挙動を調査し，得られた知見に基づいた適切な耐区切るようにして段差が設けられている．段差部の構造震化対策の提案を目的とする．具体的には，実在の箱型段は，図 2(b)に示すように，凹凸状の仕上げ材（隅部をアン差吊り天井が取り付けられたコンサートホールを参考にグル材で固定）の側面と底面に野縁が 2 本ずつビス留め

解析モデルを構築し，先行研究[4]で天井の崩落解析に対され，それらと矩形に組まれた野縁受けがクリップで接して有効性が示された ASI-Gauss 法[5]を用いて，地震時合されている．段差の寸法は深さ・幅ともに 0.3 m であ© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-03 -B-04-03

第24回計算工学講演会(a) 全体ZYX

図 3 箱型段差吊り天井（ユニット）モデル
1 unitる．天井の単位面積質量は 22.0 kg/m2，総質量は 30.7 tonで，在来工法の吊り天井に対して 2 倍近い値である．

3． 解析モデル(1) 箱型段差吊り天井
箱型段差吊り天井（ユニット）の解析モデルを図 3 に(b) 箱型段差吊り天井示す．吊りボルト，野縁，野縁受け，仕上げ材の構成部材

図 1 解析対象としたコンサートホールの内観に加え，ハンガー，クリップ，ビス，野縁ジョイントの接合金具まで含め，線形チモシェンコ梁要素を用いてモデHanging bolt

ルを構築している．各構成部材要素と各接合金具要素のFinishing material

位置関係は図 3 の赤線で示した拡大部分の通りである．

Level gap

全ての部材は 2 要素分割としたが，吊りボルトに関して1.0 mのみ，座屈挙動を精度よく評価するために 10 要素分割でモデル化した．同時に，座屈挙動に影響を及ぼしやすい境
Ceiling joist
Ceiling joist receiver

界条件を正確に表現するために，吊りボルトとハンガー
4.0 m

3.6 m

Z心を考慮してモデル化している．これは，前述の天井脱落Y(a) 鳥瞰図X

Ceiling joist receiverの間にヒンジを模擬した微小要素を配し，ハンガーは偏実験において，吊りボルトの座屈挙動が天井の落下性状に影響を及ぼしている可能性が示唆されたためである．
また，仕上げ材は 1 枚ずつ独立にモデル化しており，それぞれの隙間に 1 mm の間隔を設けることで接触現象をCeiling joist

表現する．その際，隙間部分に野縁ジョイント要素を配置Clipすることで，野縁ジョイントが脱落した際に仕上げ材が野縁と一体となって局所的に落下する現象を表現するこ

0.3 m

Screwとが可能となっている．なお，接触計算には内分ベクトル

Z型アルゴリズムを用い，接触判定がなされた要素間にギャップ要素を生成することで接触力を伝達させる．
X(2) コンサートホール躯体

0.3 m

構造躯体についても，先に述べた実在のコンサートホ(b) 段差部の断面図ールを参考にモデル化した．
モデル概観図を図 4 に示す．

図 2 箱型段差吊り天井の概観

建物寸法は 75.3 m（X）×35.4 m（Y）×23.15 m（Z）であり，躯体は屋根部材のみ S 造で，他は全て RC 造とな© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-03 -B-04-03

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Horizontal memberYZZX

図 4 コンサートホール躯体モデル

表 1 接合金具の脱落条件
ItemClipCondition

YX

図 5 箱型段差吊り天井付きコンサートホールモデルっている．各部材は天井モデルと同様，線形チモシェンコ
梁要素を用いて 1 部材 2 要素分割で構築している．
なお，

Single (front cover)Tensile axial force 0.35 [kN]

耐震壁は面内方向に剛である筋交い要素（面内方向の曲

Single (back cover)Tensile axial force 0.70 [kN]

げ剛性：1000 倍）で表現している．

DoubleTensile axial force 0.80 [kN]

HangerTensile axial force 2.80 [kN]
Tensile axial force 0.40 [kN] andAxial displacement 3 [mm]Screw

Shear force 0.30 [kN] andShear displacement 18 [mm]Ceiling joist joint

Tensile axial displacement 42.5 [mm](3) 箱型段差吊り天井付きコンサートホール
続いて，上述した構造躯体に箱型段差吊り天井を取り付けたモデルを図 5 に示す．モデルの自由度数は1,872,336 である．天井と壁との接触を表現するために，雑壁を模擬した横架材要素を壁際の仕上げ材要素と同じ高さに設け，隙間に 1 mm のギャップを設けた．
(4) 接合金具の脱落条件

MAX=618 Gal

X direction

最後に，接合金具に導入した脱落条件について説明する．クリップやハンガーは 2 章で述べたように爪を引っかけるだけの簡易的な構造となっており，実際に，文献[3]の実験においてクリップやハンガーが脱落することで天井が落下に至ったことが報告されている．そこで本研究
では，要素実験結果[3][6][7]に基づいた脱落条件を導入し，接合金具要素がそれらの条件を満たした時，要素を破断させることで接合金具の脱落を表現する．各接合金具のY direction

脱落条件は表 1 に示す通りである．クリップとハンガー
は引張試験で得られた最大耐力を脱落荷重とし，ビスは引張試験・せん断試験で得られた最大引張耐力・最大せん断耐力のいずれかを満たした時に脱落する．この時，クリップおよびハンガーは，接合部分で滑動が生じ，力が散逸することが考えられるため，解析上で用いる脱落荷重には表 1 の値に安全率 1.5 をかけたものを使用している．野MAX=818 Gal

縁ジョイントについては野縁ジョイントの半分の長さである 42.5 mm を変位条件として設定し，それに伴い要素
Z direction
MAX=333 Galの軸剛性を野縁が野縁ジョイントから引抜かれる時の剛性まで低下させている．

4． 解析結果
図6に示すJMA神戸波100％を入力波とし，箱型段差吊り天井付きコンサートホールモデルの地震時における構造躯体の応答および天井の脱落挙動を有限要素解析する．
時間増分1 msで汎用コンピュータを用いて解析を実施し
図 6 入力波（JMA 神戸波）© 一般社団法人 日本計算工学会

た．
解析により得られた天井の落下状況とその時点で生じ- B-04-03 -B-04-03

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WallY(a) 6.70 s

X(b) 7.00 s: Collapsed area of ceilings(c) 8.00 s

図 7 天井落下状況およびクリップ脱落状況

る向きの段差部分は周囲の平らな部分と比べて剛性が高Wall

く衝撃力を伝播しやすいため，その付近でクリップの脱落が卓越したものと考えられる．

Collision

5． 箱型段差吊り天井の耐震化方法に関する検証
4章で示した解析結果から，箱型段差吊り天井が壁に衝

Propagate
shock wave

突すると，壁に直交する向きの段差に沿って天井の落下が生じやすいという知見が得られた．一方，図9に示すように，壁との衝突に伴い壁と平行な向きの段差部に局所Ceiling的なモーメントが作用し，そのことが原因で天井が損傷
図 8 段差部におけるクリップの脱落メカニズムすると考察している文献[8]も存在する．そこで本章では，4章の解析で用いたモデルに対して，壁と平行な向きの段ている脱落クリップの分布を図7に示す．入力地震波がピ差を補強した場合，壁と直交する向きの段差を補強したークを迎える6.70 s付近で南側の，7.00 s付近で北側の天井場合に加え，吊りボルト間を補強した場合（通常の吊り天と壁が衝突し，クリップが脱落し始めた．その後，周囲の井によく用いられる耐震化方法）の計3ケースについて同クリップに荷重が再分配されることで脱落が進展し，天様の地震時挙動解析を行うことで，それぞれの耐震化方井が崩落し始めた．図7(c)から確認できるように，Y軸方法の有効性を検証する．

向の段差部分が顕著に落下していた．同時に，Y軸方向の段差部および吊りボルト間の補強には斜め部材を用い段差に沿ったクリップの脱落が生じている．これは，図8る．図10にY軸方向の段差部および吊りボルト間を補強すに示すように，壁から受ける衝突力に対して，壁と直交する斜め部材の概観図を示す．段差部に設置する斜め部材© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-03 -B-04-03

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は野縁同士を接続し，吊りボルト間に設置する斜め部材

め部材が1,728本，Y軸方向が612本である．

は吊りボルトの先端と根元を接続する．なお，X軸方向の

図11にX軸方向の段差を補強したモデルの解析で得ら

段差部についても，斜め部材を同様の構造（ただし図10とれた天井の落下状況およびクリップの脱落状況を示す．

は直交する方向）で設置し補強している．斜め部材の材

天井の落下範囲・傾向ともに，4章で示した未補強のモデ

料・断面パラメータは，実験[3]で用いられた斜め部材のルの解析と同様の結果が得られた．壁と平行な向きの段値を用いた．壁と平行な向き（X軸方向）の段差を補強し差を補強し，局所的なモーメントの発生を抑制しても結たモデルおよび壁と直交する向き（Y軸方向）の段差を補果に変化が見られなかったことから，モーメントが天井強したモデルは，いずれも768本の斜め部材を設置していの落下挙動に及ぼす影響は小さいことが示唆された．次る．また，吊りボルト間を補強したモデルはX軸方向の斜に，図12にY軸方向の段差を補強したモデルの解析で得ら

WallInertialforce

Braces between
hanging bolts
Impactforce

Collision

LocalmomentZ

図 9 壁と平行な向きの段差に生じる局所的なモーメント

Braces to enforce
level gaps in Y-direction
X

図 10 斜め部材の設置方法

YX

図 11 X 軸方向の段差部を補強したモデルの解析結果（8.00 s）

図 12 Y 軸方向の段差部を補強したモデルの解析結果（8.00 s）

図 13 吊りボルト間を補強したモデルの解析結果（8.00 s）© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-03 -B-04-03

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れた結果を示す．未補強モデルの結果に対して，Y軸方向軽減されることで天井落下が抑制される結果が得られた．の段差における天井落下は軽減されたが，壁際の天井が今後は，クリップの補強や壁と天井の間に緩衝材を導広範囲に渡って連鎖的に崩落している様子が観察された． 入するなどの，斜め部材の設置以外の耐震化方法についこの原因として，未補強モデルでは一定の間隔で存在すて有効性を検討する予定である．

るY軸方向の段差部が落下しやすく構造的な弱部になっていたため，一種のフェイルセーフとして機能していた

参考文献

が，段差部を補強することでその機能が失われ，連結した[1] 国土交通省：平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震

まま天井が落下しやすくなったことが考えられる．最後に，図13に吊りボルト間を補強したモデルの解析で得ら被害調査報告書，2012．
[2] 国立研究開発法人 建築研究所：平成28年(2016年)熊れた結果を示す．クリップの脱落はY軸方向の段差部を中本地震建築物被害調査報告書(速報)，2016．

心として天井全域に渡って生じているものの，未補強モ[3] 佐々木 智大 他：大規模空間吊り天井の脱落被害メデルの結果に対して，壁から受ける衝突力および天井のカニズム解明のための E-ディフェンス加振実験 報

落下が大きく軽減されている．

告書 －大規模空間吊り天井の脱落被害再現実験および耐震吊り天井の耐震余裕度検証実験－，2015．

6． 結論[4] 磯部 大吾郎 他：有限要素法を用いた大規模吊り天

本稿では，ASI-Gauss法に基づく有限要素解析手法を用井の脱落被害再現シミュレーション，日本建築学会

いて，箱型段差吊り天井が取り付けられたコンサートホ

構造系論文集，第 741 号，pp.1727-1736，2017．

ールにおける地震時天井落下挙動をシミュレートした．

[5] D. Isobe: Progressive Collapse Analysis of Structures:

その結果，天井と壁が衝突することでクリップの脱落おNumerical Codes and Applications, Elsevier, eBook ISBN:

よび天井の落下が生じ，特に壁と直交する向きの段差部

9780128130421,分で顕著に天井が損傷した．これは，壁から受ける衝突力

Paperback ISBN: 9780128129753,

2018．

に対して剛性が高く，衝撃波が伝播しやすいためと考え[6] 鎮西 宏，元結 正次郎，天野 聡志，佐々木 康人，佐られる．また，壁と平行な向きの段差を補強した場合，壁藤 幸博，田原 健一：頭抜け試験と崩壊メカニズムと直交する向きの段差を補強した場合，吊りボルト間を非構造部材におけるビス接合部の力学的性状に関す補強した場合の3ケースの耐震化を施したモデルで同様る研究 その1，日本建築学会大会学術講演梗概集，構の解析を行った．その結果，本研究で解析対象とした箱型造I，pp.891-892，2015．

段差吊り天井においては，壁と平行な向きの段差部に発[7] 杉山 達也，柏崎 琢也，野曽原 瑞樹，貫井 泰，鈴木

生する局所的なモーメントが天井の落下性状に与える影

篤：在来工法天井の下地ボードと野縁のビス止め接響は小さいことが示唆された．一方，壁と直交する向きの合部のせん断試験 その1，日本建築学会大会学術講段差部を補強することで衝撃力の伝播によるクリップの演梗概集（北陸），2010．

脱落は低減されたが，連結された天井が分離することな[8] 西山 功：2003 年十勝沖地震における釧路空港の天井く，広範囲に渡って連鎖的に落下する現象が見られた．ま

落下被害状況調査報告，建築防災，第 315 号，pp30-

た，吊りボルト間を補強した場合，壁から伝わる衝撃力が35，2004．

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