生産と技術

第66巻 第１号（2014）

鉄骨造建物の巨大地震動下での倒壊挙動
多 田 元 英＊，向 出 静 司＊＊

研究ノート

Collapsing Behaviour of Steel Buildings under theMega Earthquake Excitation
Key Words：collapse, steel buildings, mega earthquake

1．はじめにろう。たとえば大阪地域では上町断層や南海・東南

建築基準法は最低守られるべき必要条件であるに海で巨大地震の発生が危惧されており，現在の建築もかかわらず，法が要求するクライテリアだけに基基準法に基づく画一的なチェックでは倒壊に対するづいた画一的な構造安全性の検討が行われている場

余裕度が不明なだけでなく，余裕度の低いものから合が多い。法が担保するのは数十年に一度の中地震高いものまで玉石混交の状態になっている。建物の（震度 V 弱程度）に対して建物が無損傷，数百年に倒壊は所有者・使用者だけの損害に留まらず，周辺一度の大地震（震度 VI 強程度）に対して建物があ地域に多大な危害を及ぼし都市機能の欠損にもつなる程度の損傷に留まることである。それに対し，兵がることから，保有水平耐力の発揮後に最終的な倒庫県南部地震で被った甚大な被害を教訓に，施主と壊がどのように発生するかを明確にし，それを構造構造技術者の対話と合意に基づいて建物の構造性能設計技術に反映させることが極めて重要である。

を設定すべきであること，設定される構造性能は決して画一的なものでなく地震規模と損傷程度の多様2．4 階建て鉄骨造建物の巨大地震動下での弾塑な組合せが用意されるべきであることなどが重要と性および倒壊挙動事例考えられるようになった。そのような認識の下，法鉄骨造骨組の倒壊挙動に関する実験的な検討としが担保する大地震（極めて稀に発生する地震）よりては，（独）防災科学技術研究所の実大 3 次元震動

大きな巨大地震に対して，基本的で最も大切な構造破壊実験施設（E - ディフェンス）において，2007性能は建物の完全な倒壊を回避するということであ年 9 月に行われた実大 4 層鉄骨造建物の震動台による完全倒壊実験 1) が挙げられる。この試験体は，建＊ Motohide TADA

1958年3月生
大阪大学大学院博士前期課程 工学研究科 建築工学専攻 修了（1982年）
現在、大阪大学 工学研究科地球総合工学専攻 教授 博士（工学） 建築構造
TEL：06-6879-7651
E-mail：tada@arch.eng.osaka-u.ac.jp＊＊

築基準法に基づいて設計されたラーメン形式の一般的な中層鉄骨造建物である。数十年に一度の頻度で起こる中程度の地震を想定した 1 次設計用地震力に対しては，層間変形角を 1/200 rad 以下とし，短期許容応力度設計を行っている。数百年に一度の頻度

Seiji MUKAIDE

1978年3月生
大阪大学大学院博士前期課程 工学研究科 地球総合工学専攻 修了（2002年）
現在、大阪大学 工学研究科地球総合工学専攻 助教 博士（工学） 建築構造
TEL：06-6879-7653
E-mail：mukaide@arch.eng.osaka-u.ac.jp

図 1 試験体の全景写真− 64 −

図2

試験体の梁伏図生産と技術第66巻 第１号（2014）

で起こる大地震を想定した 2 次設計では，各層の保方向に NS 成分，上下（Z）方向に UD 成分を入力し有水平耐力が必要値を上回っていることを確認し，ている。震動台実験では，原波に対する加速度の倍梁または柱梁接合部パネルの塑性化を伴う全体崩壊率で 5％，10％，12.5％ ，20％に低減した地震動に機構を形成するよう，柱の梁・パネルに対する部材よる弾性加振，40％と 60％の大きさの弾塑性加振耐力比（COF）を 1.48 〜 2.13 にしている。試験体を行い，最後に 100％加振で試験体を倒壊させていの全景写真を図 1 に示し，梁伏図を図 2 に示す。全る。溶接部が損傷することなく，1 階柱の頭部と脚景写真において，1 階部分の建物コーナー外部のフ部に局部座屈が生じ，1 階の層崩壊によって倒壊した。

レームは，実験施設を保護するための倒壊防止架台

この震動台実験での倒壊挙動を「統合化構造解析システム」2) でシミュレートする 3)。複数の既存プである。
加振には 1995 年兵庫県南部地震 JR 鷹取駅記録を

ログラムを統合することにより，各構造部分の挙動用い，建物短手（X）方向に EW 成分，建物長手（Y）を詳細に解析しながら互いの連成効果を考慮して建物全体の挙動を解明できることが本システムの特徴である。
JR 鷹取駅記録地震動を 60％に低減したときの統合解析結果として，振動中に塑性化を経験した部位を図 3 に示す。梁や柱梁接合部パネルに対して柱の耐力を大きく設計しているため（COF=1.48 〜 2.13），柱が心棒効果を発揮し，建物全般に塑性化部位が分散して梁降伏先行型の全体崩壊機構を形成している。
JR 鷹取駅記録地震動を原波（100％）で入力した

A 通り
図32 通り1 階の層間変形角について，時刻歴を図 4 に，軌跡振動中に塑性化を経験した部位（鷹取 60％波）(a) 建物短手 (X) 方向
図4A, B 通り
図6ときの解析結果と実験結果を以下に比較して示す。

(b)を図 5 に示す。実線が統合化構造解析結果，点線が建物長手 (Y) 方向
図 5 1 階の層間変形角の軌跡（鷹取 100％波）

1 階の層間変形角の時刻歴（鷹取 100％波）(a)

1 〜 3 通り

解析終了時の塑性化部位（鷹取 100％波）

実験結果

図7− 65 −

(b)

解析結果

柱脚の局部座屈状況（鷹取 100％波）生産と技術第66巻 第１号（2014）

実験結果であり，図 5 の横軸は建物短手（X）方向の同節点と隣接する節点側の柱の曲げモーメント

層間変形角（r X ），縦軸は建物長手（Y）方向の層間が増加する（応力の再配分が行われる）。

変形角（r Y）である。X 負方向かつ Y 正方向に 1 階[3] この隣接する節点を境にして，耐力劣化が生じ部分が倒壊した震動台実験の結果が，解析でも同様た側は層全体の剛性が低下することから，隣接に追跡できている。また，解析終了時の塑性化部位する柱においても反曲点が耐力劣化した節点側の分布を図 6 に示す。設計時の想定を少し上回る程に近づく傾向がある。このため，耐力劣化節点度の地震動では図 2 に示すように塑性化部位が建物に隣接する節点では，接合する上下の柱の曲げ全体に分散して安定した挙動を示すものの，鷹取地モーメントの比率が大きく変化し，柱梁耐力比震動原波では 1 階柱脚が局部座屈して耐力劣化が生

COF が 1.0 を上回っている節点でも，柱に塑性じた後に 1 階柱頭に塑性化が及び，最終的に 1 階のヒンジが形成されうる。

層崩壊型に移行して倒壊に至っている。1 通りと A[4] さらに，変形が進むと，耐力劣化節点に隣接す通りの交点における 1 階柱脚の局部座屈状況についる節点の柱か梁のどちらかで，最大耐力到達後，て，震動台実験で観察した写真を図 7(a) に，解析耐力が劣化する。

結果を図 7(b) に示す。両者で同様の局部座屈が生[5] 柱が耐力劣化する場合は，部分層崩壊機構に移じていることがわかる。

行し，倒壊に至る。梁が耐力劣化する場合は，さらに隣接する節点で上記の [2] 〜 [4] のサイクルが繰り返される。

3．耐力劣化部材で構成される梁降伏先行型骨組[6] その後も同様に，柱が耐力劣化すると，複数層の倒壊に至るまでの挙動
文献 4) では，多層鉄骨骨組の巨大地震動下でのにわたる部分層崩壊機構に移行し，柱が耐力劣倒壊挙動を，様々なパラメータの下で魚骨形骨組の化しないまま全ての節点で梁の耐力劣化が進む

時刻歴解析を通じて考察している。考察の結果，前と，全体崩壊機構のまま倒壊に至る。

節での震動台実験の挙動とも符合する形で，倒壊に以上のように，柱の反曲点の移動が進むと，上層柱至るまでの崩壊機構の変遷を説明することができて下端と下層柱上端の曲げモーメントの差が大きくないる。図 8 を参照して，全体崩壊機構から部分層崩り，やがて複曲率から単曲率に移行する（すなわち，壊機構へ移行する倒壊過程の概要を以下に記す。

長柱化する）。このため，COF が 2 を超えるような[1] 全体崩壊機構が形成された後，いずれかの部材強柱であっても中間層柱が塑性化することになる。

で最大耐力到達後，耐力が劣化する。

最下層の下端を除く位置で柱が耐力劣化して部分層[2] 耐力劣化が生じた節点の上下の（最下・最上層崩壊に移行すると，それ以外の場所で柱の塑性変形では一方の）柱の反曲点が同節点側に近づき，はほとんど進まず，やがて崩壊機構を構成する塑性

図8

崩壊機構の変遷例− 66 −

生産と技術ヒンジが全て耐力を喪失して不安定状態となり，倒第66巻第１号（2014）

ることにはならない。

壊に至る。
文献 4) では，倒壊層数の大局的な傾向として，参考文献

COF が大きいほど，また柱の構造ランクが高く，

1) 島田侑子，吹田啓一郎，山田哲，松岡祐一，多梁の構造ランクが低いほど倒壊層数が増加すること

田元英，大崎純，笠井和彦：震動台実験におけを示している。また，倒壊時の損傷に寄与するエネ

る倒壊挙動

ルギーは，COF が大きくなり倒壊層数が増加する

実験にともなって増加すること，COF がある値以上でNo. 653，pp. 1351-1360，2010. 7

倒壊層数がほぼ一定になると倒壊に寄与するエネル−実大 4 層鉄骨造建物の完全崩壊

その 3 −，日本建築学会構造系論文集，2) 多田元英，桑原進：インターネットで異種プログラムを統合した構造解析システムの基本考察，ギーも概ね一定になることなどを示している。

日本建築学会構造系論文集，No. 580，pp. 1134．むすび120，2004. 6

梁降伏先行型で設計された鉄骨造骨組は，塑性域3) 堀本明伸，多田元英，玉井宏章，大神勝城，桑に進入した当初は全層にわたって塑性化部位が分散

原進，三谷淳：実大 4 層鉄骨造建物の統合化構する。しかし，柱・梁のいずれの部材においても局造解析システムによる立体倒壊解析，構造工学

部座屈などによる耐力劣化が生じると，柱の反曲点

論文集，Vol. 55B，pp. 277-283，2009. 3

高さが耐力劣化側に著しく移動し，COF が十分に4) 向出静司，元木洸介，北川智也，多田元英：局

大きくないかぎり部分層崩壊に移行して倒壊に至る。

部座屈による耐力劣化を考慮した多層鋼構造ラすなわち，現行の 2 次設計で梁降伏先行型の崩壊機ーメン骨組の倒壊解析，日本建築学会構造系論

構を保証するために適切な COF で設計しても，倒文集，No. 685，2013. 3

壊に際しては全層にわたる機構が必ずしも担保され− 67 −