革新的構造材料による新構造システム建築物の開発

建築新技術研究官
向井昭義

革新的構造材料による新構造システム建築物の開発
建築研究部
１．

建築新技術研究官

向井昭義

はじめに

2004 年度から５年間で「新構造システム建築物研究開発」が府省連携プロジェクトとして進められた。新構造システム建築物は、近年開発された高強度鋼等の特性を活用することによって大規模大地震等に対しても高度に機能を維持できるような建築物である。本資料は、このような建築物の研究開発にあたり、主に 2005 年度～2008 年度に国土技術政策総合研究所で行った性能検証法等の開発の検討内容・成果について報告するものである。
２．

府省連携プロジェクト

本プロジェクトは、総合科学技術会議ナノテクノロジー・材料研究開発推進プロジ
ェクトチーム（NTPT）において重要課題として取り上げられ、経済産業省、国土交通省等の関連府省が一体となって進める府省「連携プロジェクト」として推進すべきことが謳われ（「ナノテクノロジー・材料分野の産業発掘の推進について携プロジェクト」等による推進－」（平成 15 年 7 月 23 日

－府省「連総合科学技術会議））、2004 年度から５年間で研究開発が進められた。
図１にプロジェクトの推進体制図を示す。５府省の他、国土技術政策総合研究

府省連携プロジェクト
国交省

文科省

内閣府

総務省

所、(社)日本鉄鋼連盟、推進連絡会(社)日本鋼構造協会、(社)

研究開発合同委員会

新都市ハウジング協会

経産省

等が研究開発を担当するとともに、推進連絡会、研究開

国土技術政策総合研究所(社)新都市ハウジング協会(社)日本鋼構造協会(社)日本鉄鋼連盟

発合同委員会が設置され、研究開発の調整等が行われた。
３．

図1

府省連携プロジェクト推進体制図

革新的構造材料（高強度鋼）

新たに開発された高強度鋼材は、降伏点または 0.2％耐力が 700～900（N/mm 2）、引張強さが 780～1000（N/mm 2）である。図２に応力－歪み関係の例を示す。通常の強度の鋼材に比べれば伸び等の値はそれほど大きくはないが、基本的に弾性範囲内で使用することを前提にしている。これまでの同程度の高強度の鋼材は、合金元素を添加した上で熱処理を行っていたが、本鋼材は、合金添加量の低減と熱処理の工程の簡略化（熱加工制御）によって経済合理性が追求されたものである。 1)−95−

高強度鋼材は、単に強度が高いだけではなく、弾性変形（歪み）900が大きいことも特徴であり、エネ

800
700

わせることによって効率的に使用600できる。
また鋼材は、乾式接合用と溶接

σ (N/mm2)

ルギー吸収部材等とうまく組み合500400300接合用の２種類開発された。ただ200し、溶接材料についてはとりあえ100ず従来材料を用いることになって002おり、その耐力等の値は、新鋼材の耐力等より若干小さい値である。
４．

図2468101214ε (%)

高強度鋼材の応力－歪み関係の例

新構造建築物の性能に関するニーズ等の調査

2005 年度に、一般住民を対象にしたこれからの「都市」や「建築」に関わる社会的価値やニーズを把握するための調査と、建設業もしくはそれに関連する中間ユーザーを対象に新構造建築物の市場ニーズを把握するための調査を行った。その結果、新構造建築物の性能に関するニーズとして、「「安全性」、「市場性」、「可変性」、「持続性」を重視した住宅・都市づくり」が抽出・整理された。
５．

環境負荷の観点からの新構造システムの検討

新構造システムが大規模大地震に対しても損傷しない耐震性を有していれば、部材は損傷を受けないのでそのまま使用できるかまたは再利用が可能である。このようなことによって長期間供用の可能性が高くなる。
従来型モデル（耐用年数 60～70 年）と新構造モデル（200 年供用、インフィル等は一定期間のうちにリニューアルや間取り可変）について廃棄物発生量等のケーススタディを行った結果、新構造モデルのほうが廃棄物発生量等を抑制できることになった。
６．

評価用地震動の検討

大規模大地震も含む評価用地震動の検討を行った。特に府省連携プロジェクトでは、「震度７クラス・無損傷・弾性構造」が目標とされたため １ ）、「震度７クラス」地震動に関する検討も行われた。
６．１

直下地震のシミュレーション

過去の強震動記録を整理するとともに、特定の地点における地盤情報と断層モデルを用いた直下地震のシミュレーションを行うことで、起こりうる地震動の検討を行った。図３にシミュレーションの結果の一部を示す。

−96−

(b)応答スペクトルの例（a)計測震度（工学的基盤上）の例(c)加速度波形の例
図3６．２

直下地震のシミュレーション

プレート境界地震のシミュレーション

プレート境界地震として 1923 年関東地震の波形を経験的グリーン関数法により作成した。図４にシミュレーションの結果の一部を示す。

−97−

450

川崎EW
横浜EW
JM A小千谷EW
pSv(2種)[cm/s]

400350川崎NS
横浜NS
JM A神戸NS

pSv(cm/s)

300
250
200
150
10050
Period(s)
00.0

1.0

(a)計算地点と本震断層の最終すべり量分布
図4６．３

2.0

3.0

4.0(b)速度応答スペクトル

プレート境界地震のシミュレーション

標準的地震動スペクトルのレベルと計測震度との関係(1) いくつかの具体的な表層地盤を想定した非線形時刻歴応答計算結果等を踏まえ、建築基準法告示に定められる加速度応答スペクトルを有する地震動と計測震度との関係を整理した。
地表地震動（告示波入力）

h=5%

DISPLACEMENT (cm)

1000

CF

0101000.40
応答結果平均0.38

震度増分

B
E

ACCELERATION (gal)A
D

10VELOCITY (cm/s)

00
100101000

最小二乗式

0.36
0.34
0.32

100.301010.1

図51.0
周期 (秒）

1.510.0

告示極稀基盤波による

2

拡幅係数

図6

地表地震動の応答スペクトル

告示スペクトルの拡幅係数αと表層地盤による震度増分ΔI の関係(2) 標準的地震動スペクトルに関連する地震の像
標準的地震動スペクトルを検討する過程で以下のことがわかった。
・ 地表震度が 7 となる地震は、極めて低い確率の現象である。

−98−

・ 既往の応答スペクトル予測式と比較・検討すると、特に周期の長い範囲において過去の地震の平均的な値よりも大きめの設定となっている。
７．

性能評価手法の検討

７．１

検討項目と体制

図７に示すように７つの WG で構造躯体等の検討性能手法の検討を行った。

建築物

性能評価分科会

具現化

目標性能（状態）

目標達成の手段としての試設計WG

保有(制限)値

応答値

部材WG

耐震WG
構造躯体

評価用地震動分科会

什器「震度7」

人の感覚

図7

ﾌﾛｱﾚｽﾎﾟ
ﾝｽWG

設計時

設備機器

天井WG

1年後

地震動

2年後

特殊WG

非構造材

７．２

・・・

制振、耐震、
特殊構造

ﾓﾆﾀﾘﾝ
ｸﾞWG

検討項目と体制

耐震性能評価手法

主に応答スペクトルによる等価線形化手法の高度化、制振構造の応答評価、ねじれ振動の評価、最大応答と累積応答との併用評価、フロアレスポンスの(簡易)評価を行った。また制振構造の構造解析用モデル化に関する注意点の整理を行った。

1200
1000
Sa(cm/s/s)

6F(RF)
5F
4F
3F
2F
稀Sa(2種)[gal]h=0.0580060040020000.1

図8

高度な耐震の概念図

７．３

部材・接合部・架構

図91.0Period(s)床応答スペクトルの簡易評価の例

高強度鋼柱梁部材と鋼材制振ブレースを組み合わせた制振架構システムを想定した

上で部材および接合部に関する検討を実施した。また幅厚比制限等について特に弾性範囲に着目し、実験結果に基づく検証を実施した。

図 10

高強度鋼柱梁と鋼材ダンパーと

図 11

架構試験体に関する実験結果の例

写真 1

梁試験体最終変形状態の例

組合せた架構試験体の例
Q (kN)
600400Qu
Qp
Qy

2000-200-400-Qy-Qp

Web local buckling
Flange local buckling
Flange fracture-Qu

H-300 × 150× 6× 9-600-60

図 12-40-20020L=1200mm

4060

δ (mm)

梁試験体の荷重変形関係の例

803.0d/tw70

α=0.26(CY4)60

CY1 ( R=1.07)

α=0.22(CY2)

F=750N/mm

2AE 50
FCY3 ( R=0.73)

CY2 ( R=0.88)

40
30E2.4F

CY4 ( R=0.52)

20
α=0.47(CY1)

100.5300246EF

8α=0.36(CY3)1012E0.60F

図 13

幅厚比制限値の提案−100−

14b/tf16

７．４

モニタリング、損傷検知

基礎構造も含めた建築構造のモニタリング方法の検討を行った。モニタリング項目
としては、1)基礎構造の損傷、2)上部構造(フレーム部分)の損傷、3)履歴ダンパーの累積塑性歪等のダンパーのエネルギー吸収性能に関するもの、等について既存モニタリング手法の調査又は新手法の提案、検討を実施した。

図 14７．５

杭の損傷同定実験

概要図

什器応答、行動難度地震時の什器の応答や、人間の行動難度に関する検討を行った。

写真 2

什器等の応答を検討したモデル

７．６

非構造材

図 15

人間の行動難度の検討

近年の地震による被害が多い軽量鉄骨下地の在来工法天井を対象として、設計を意識した指針等のとりまとめやフェールセーフ的な対策の検討を実施した。

−101−

写真 3７．７

写真 4振動実験試験体

振動実験試験体

試設計

本プロジェクトで対象としている鋼材を用いて試設計等を行っている。

図 16

８．

高層建築物の試設計例

耐震性能評価指針（案）６．評価用地震動の検討、７．性能評価手法等の検討をもとに作成した、耐震性能評価指針（案）（平成 21 年 3 月現在）のうち、解説や付録等を除いた本文に相当する部分を以下に示す。

−102−

８．１

はじめに

８．１．１

指針の位置付け

本指針（案）は、高強度鋼等を用いた新構造建築物を対象として、現行基準を上回るような地震動も想定した耐震性能評価手法の案を示すものである。
８．１．２

対象建築物

本指針(案)で対象とする高強度鋼等を用いた新構造建築物は、現行基準で規定されている稀に発生する地震（L1）、ごく稀に発生する地震（L2）だけではなく巨大地震（L3）に対しても柱梁など主要な部材が弾性に留まり、かつ、建築物としての機能を高度に維持することのできるものである。具体的には、柱梁などを高強度鋼(HSA700)とし、ダンパーを組み込んだ多層制振構造が主として想定される。
８．２

材料、部材、接合部等

８．２．１

高強度鋼の特性本指針(案)でいう高強度鋼とは、(社)日本鉄鋼連盟で定める規格 HSA700 に適合する鋼材とする。
８．２．２

高強度鋼部材の幅厚比制限

柱梁など主要な高強度鋼部材は弾性範囲で使用し、その幅厚比制限値はいわゆる部材種別 FC に相当する値以下とする。ここで、幅厚比制限の算定に用いる基準強度の値は 700N/mm2 とする。ただし、応力状態、幅厚比等を考慮して局部座屈を生じるおそれのない場合はこの限りではない。
８．２．３

許容応力度

（高強度鋼）
高強度鋼の許容応力度の基準強度の値 F1 は、F1＝min(0.7TS’、YS’)＝550N/mm2注)とする。ただし、巨大地震（L3）に対する耐震性能評価手法に用いる基準強度の値 F2 は、降伏応力度の規格下限値とする。
TS’：引張強さ規格下限値
YS’：降伏応力度規格下限値（高強度鋼の溶接部）
高強度鋼の溶接は適切な溶接材料を用いて適切な溶接条件のもとで行う。なお溶接部の降伏応力度の下限値 wYS’が高強度鋼の基準強度 F2 よりも小さい値に設定される場合には以下のように溶接部の基準強度を設定する。
高強度鋼の溶接部の基準強度 wF1＝F1＝550N/mm2 注 ) 、（ただし、F1≦wYS’でなければならない。）
ただし、巨大地震（L3）に対する耐震性能評価手法に用いる基準強度は wF2＝min(F2、−103−wYS’)とする。
（その他）
高強度鋼以外の許容応力度又は材料強度は現行基準に従う。柱梁など主要な部材以外で、塑性化を許容する部材・材料の場合は材料強度を用いてよい。
注) 平成２１年３月時点での暫定値である。
８．３ 荷重・外力
８．３．１ 評価用地震動
評価用地震動は、解放工学的基盤位置における地動加速度により定め、適用する地震応答評価手法に応じて時刻歴波形又はその応答スペクトルにより規定する。
８．３．１．１

解放工学的基盤における地震動の設定

評価用地震動は、下記（１）の２種の種別の何れかにより、（２）の３つのレベル種別の地震動として設定する。
（１）地震動の種別①

当該建築物の建設地点に固有に定められる地震動（以下、建設地点に固有な地震動とし、S（サイトスペシフック）種地震動と略記）②

建設地点に拠らずに全国一律に定められる地震動（以下、標準的地震動とし、G 種地震動と略記）（２）発生頻度による地震動のレベル種別
評価用地震動は、現行の建築基準法に定められる｢稀に発生する地震動｣（以下、L1地震動）及び｢極めて稀に発生する地震動｣（以下、L2 地震動）の二つに加え、当該建築物の建設地点周辺の地震環境に基づき想定される最大級の地震動（以下、L3 地震動）を考慮する。
ここで、L3 地震動は、原則としては S 種地震動により定める。但し、S 種地震動による地震動で定められない場合には、G 種地震動に基づいて定めることができる。
８．３．１．２

表層地盤の増幅

建築物の評価用地震動は、８．３．１．１で設定された解放工学的基盤位置における地動加速度の時刻歴波形又は応答スペクトルに対して、表層地盤による増幅を適切に考慮して定める。
８．３．１．３

建築物への入力

建築物基礎の地震動（入力地震動）が、自由地盤の地震動と異なることがある。この現象が明らかであれば、違いを考慮して評価用地震動を設定することができる。

−104−

８．３．２

その他の荷重・外力

評価用地震動以外の荷重・外力については現行基準によることとし、極めて稀に発生する積雪荷重・暴風に対しても安全上支障がないことを確認する。
８．４

性能評価

８．４．１

性能評価項目とランク

性能評価を行う項目は、柱梁等の構造躯体（ダンパーを含む。）のほか、非構造部材（外壁、内装材、ドア、等）、設備（設備機器、給排水管、等）、什器の滑動・転倒、及び避難行動難度とする。
(1) 構造躯体（ダンパーを含む。）
高強度鋼による柱梁等の構造躯体は、弾性範囲で使用する。
ダンパー類は当該部材の性能に応じて、許容される変形・耐力・エネルギー吸収能力の範囲内で使用するほか、ダンパー類の接合部について十分な剛性・耐力を確保する。
(2) 非構造材
非構造材のランクは次のとおりとする。ランク３となることが予想される場合には、脱落・崩落を生じないようフェールセーフ等の措置を講じることとする。
ランク１（無損傷）

２（機能維持）３（要修復）状態

損傷せず、美観

一部の部品等に部品等に変形ややその他の機能軽微な変形やすべすべり等が生じ、(遮音・吸音、遮り等が生じるが、美観やその他の機風 、、 断 熱 等 ) を美観やその他の機能が損なわれ、修維持する。

能をほぼ維持す復を要する。

る。
＜外壁、内装材＞
ランク

１（無損傷）

接 合 部

許容耐力以内等

２（機能維持）一部で許容耐力

３（要修復）－を超える

変形角

限界変形角 *1 以

限界変形角 *1 以

内の 75%以内

内－*1 種類（プレキャスト、ALC 版、等）や支持方法（固定、ロッキング、等）に応じて設定

−105−

＜天井＞
ランク

１（無損傷）振 れ 止

２（機能維持）３（要修復）

許容応力度以内－

め
すべり

許容耐力以内

－

－

＜ドア＞
ランク

１（無損傷）

変形角

許容変形角以内*1２（機能維持）３（要修復）

一部で許容変形
角を超える

－

*1

避難経路や日常的に開閉するものを除く。

(3) 設備
設備のランクは次のとおりとする。ランク３となることが予想される場合には、脱落・崩落を生じないようフェールセーフ等の措置を講じることとする。
ランク１（無損傷）

２（機能維持）３（要修復）状態

損傷せず、給排一部の部品等に部品等に変形等水等の機能を維軽微な変形等が生が生じ、機能が損持する。

じるが、機能をほなわれ、修復を要ぼ維持する。

する。

３（要修復）＜設備機器および取り付け部＞
ランク

１（無損傷）

２（機能維持）設 備 機

許容振動範囲以

一部で許容範囲を内超える *1

許容耐力以内一部で許容耐力器
取 り 付－を超える *1

け部*1－

避難等に関わる設備、重要な設備を除く。

＜配管等＞
ランク

１（無損傷）

配管

変位抑制（耐震支持）

立 て 配管２（機能維持）一部で変位が大３（要修復）－

きくなる

許容変形角以許容変形角以内内−106−－

(4) 什器
什器の滑動・転倒・落下のランクは次のとおりとする。ランク３以上となる場合には、居住者の安全性を確保するための対策を施すこととする。
ランク１（無損傷）

２（機能維持）３（要修復）

状態

ほとんど全ての什

一 部の 什 器 が 、滑多 くの 什 器 が 、滑器が、滑動・転倒・ 動 ・転 倒 ・ 落 下す

動 ・転 倒 ・ 落 下する。

落下しない。

る。

(5) 避難行動難度
避難行動難度のランクは次のとおりとする。ランク３以上となる場合には、居住者の安全性を確保するための対策を施すこととする。
ランク

１ （安全）

２（やや危険）３（危険）状態

やや乱れるが滞り乱 れる が 滞 り なくか なり 乱 れ 滞 りななく行動できる。

行動できる。

く行動できない。

８．４．２

地震応答評価手法

性能評価項目に対応した地震時における応答量（変形、加速度、等）を評価する。
地震応答評価手法は、時刻歴による手法（精算手法）
応答スペクトルによる手法（簡易手法）の２種とする。
８．４．２．１

適切な解析モデルの設定

対象建築物を構成する架構及びダンパーを適切にモデル化する。ここで、ダンパー設置のためのガセットプレート等により柱や梁の可撓長さが短くなることで、応力状態等が変化する場合があることに留意する。
８．４．２．２

時刻歴による手法(1)適用範囲全ての建築物に適用可能とする。
(2) 応答評価
解析条件を適切に設定し、入力地震動に対する応答を時刻歴応答解析により求める。構造躯体については最大応力、最大・累積変形、吸収エネルギー等を確認する。また、非構造材、什器、避難行動難度の評価のため、床応答加速度を算定する。

−107−

８．４．２．３

応答スペクトルによる手法(1)適用範囲
高さが 60m 以下の建築物とする。
(2) 応答評価
Pushover 解析を援用した１自由度系への縮約と応答スペクトルによる評価は基本的に限界耐力計算と同じとし、高次モードの影響を考慮する。
また、非構造材、什器、避難行動難度の評価のため、床応答加速度（最大値又はスペクトル）を算定する。
８．４．３

性能の表示

４．２による地震応答評価の結果から性能評価項目ごとに状態やランクを表示す
る。
８．４．４

性能の検査・確認

建築構造物が設計時に想定した性能を発揮できるものとなるよう中間検査と完了
検査及び溶接接合部の品質検査等鉄骨架構の製造に係る各種品質検査を適切に実施するほか、建築物にモニタリングのためのセンサーを必要に応じて設置し、これらセンサーによる計測データ等を活用することにより、施工時、竣工時及び供用時の各段階において、建築構造の状態を検査、確認する。
８．５

維持管理

建築物の構造に対しては、想定した性能が発揮されるよう適切な維持管理を行うこととし、維持管理計画に基づく点検により想定した性能が発揮されないと判断された部位等については速やかに交換を行う。
[参考文献]
1)「新構造システム建築物研究開発プロジェクト

成果報告書」2009.03

ハウジング協会、(社)日本鉄鋼連盟、(社)日本鋼構造協会−108−(社)新都市