淺沼組技術研究報告№30(2018)

７．長さが異なる杭を有する免震建物の地震時の挙動について－その６ 免震建物の地震応答解析－
Behavior of Seismic Isolated Building Supported by Various Length Piles－Part6 Seismic Response Analysis using Strong Motion Records －飛田 喜則*1

山内 豊英*2

橋本 拓*1

要 旨
基盤が傾斜しているため直接基礎と長さが異なる杭からなる異種基礎によって支持され、かつ比較的細長い平面形を有する免震建物において観測された地震記録を基に、基礎部の捩れ挙動、さらに免震層を介した上部構造の応答について検討してきた。本報告では、常時微動測定結果による免震層の剛性評価、それをモデル化することによって応答を適切に評価できることを示した。また、本手法を用いて観測記録から得られない、杭の変位なども算定し推定することが可能となった。

キーワード：免震建物／異種基礎／地震応答解析／杭構造の応答について検討してきた 1)～9)。これにより、観１．はじめに一般に、支持基盤の深さが一様でない傾斜基盤上に計測された地震動の振幅は、傾斜基盤の傾斜の浅い層では画された建物の基礎構造は、直接基礎と杭基礎を併用し小さく、傾斜の下端部の深い層では大きくなる挙動を示た基礎形式となる。このような場合、傾斜基盤の深さのし、また常時微動測定などによって基礎底版、上部構造違いが表層地盤の地震動特性に影響を及ぼし、その結果、には並進とねじれ振動が複合した振動性状を示し、さら基礎部に捩れ振動が加わることが懸念される。しかし、に観測記録に基づく 1 階床の周期は、観測地震動の加速

これらの検討には、実際の地震記録によってその影響を度が大きくなると免震層の非線形性により長周期化して検討した例は少なく、かつ免震建物を対象として検討しいること、逆に設計式の対象外となる小振幅時では常時た例は少ない。著者らはこれまで、基盤が傾斜している微動測定時の周期に収束し、設計式に比べてせん断剛性ため直接基礎と長さが異なる杭からなる異種基礎によっが 4 倍程度になることなどを示した。て支持され、かつ比較的細長い平面形を有する免震建物

本報告は、これらの成果を基に、地盤 FEM モデルおよにおいて観測された地震記録を基に、基礎部および上部

び 3 次元立体フレームモデルを用い、かつ免震層の小振表-1 建物概要

●
●

●

●

●
●

表-2 東端部の地盤概要（PS 検層）●●

深さ(GL-m)

●
0

図-１

3.50

3.50 ～ 8.40
8.40 ～ 19.45
19.45 ～ 23.70
23.70 ～ 25.10
25.10 ～ (31.18)

建物概要および観測点位置図*1 東京本店設計部 構造第２グループ～*２技術研究所 構造研究グループ

7-1

地層
土丹塊
土丹塊混じり粘土シルト
シルト
粘土質シルト
砂混じり土丹塊
土丹(基盤)

湿潤密度
3N値

16.67

2～1517.65
16.67
17.65

2～32～33～41450以上(kN/m )

18.63弾性波速度(m/s)
Vs

Vp

140

14002707301560
1910

淺沼組技術研究報告№30(2018)

幅時に適用できるように修正した剛性モデルを用いて地方向、両端部では短辺(NS)方向を観測している。サンプ

震応答解析を行い、1 階床部の観測波の再現性について述

リング周波数は 100Hz である。本報告では NS 方向を対べ、また地震観測記録では得られない杭の変形などにつ象とする。

いても述べる。

2.5 検討対象地震
本検討では，主に 2005 年 7 月 23 日に千葉県北西部で２．対象建物発生した地震（Mj6.0）を対象とする（以後，観測波と称

2.1 建物概要と地震観測す）。

対象建物の概要を表-１に示し、1 階平面、地盤・杭を含む断面の概略図を図－1 に示す。本建物は、６階建ての３．解析モデル概要

鉄筋コンクリート造の集合住宅である。構造形式は、長3.1 振動解析モデル

辺（EW）方向がラーメン構造、短辺（NS）方向が耐震振動解析に利用するモデルは，上部構造，免震層（装壁付きラーメン構造であり、1 階と基礎の間に免震装置を置），基礎部，杭，杭周地盤ばねから構成される 3 次元立配置した基礎免震構造である。上部構造では長辺方向の体フレームモデルである。図－２にモデル図を示す。本

中央にエキスパンションジョイントを設けて A 棟、B 棟

モデルは、前報 2)で示したモデルとほぼ同様である。なお，に分割している。以下の検討では B 棟を対象とする。B

本解析モデルでは，建物の長辺方向である EW 方向を X

棟の長辺方向および短辺方向の長さは、約 74.2m および軸，短辺方向である NS 方向を Y 軸とする。応答計算に約 15.9m である。

は逐次積分法である Newmarkβ法(β＝0.25)を用いる。減建物の東端部の地盤概要および PS 検層による弾性波

衰は，初期剛性比例型とし，解析結果と観測記録の比較速度を表－２に示す。本建物の地盤は、基盤と表層地盤検討によりモデル全体の 1 次固有周期に対して h=0.01（免から成る 2 層地盤である。基盤は弾性波速度が 730m/s の震層を除く）とする。

土丹層であり、表層地盤は弾性波速度が 140m/s のシルト(a)上部構造のモデル化主体の沖積層である。ボーリングデータから推定した基上部構造の柱および耐震壁は、コンクリートおよび鉄盤深度分布図を図－１の平面図に重ねて示す。基盤は敷筋をモデル化したファイバーモデル，梁は線材モデルに地内で東西に傾斜しており、約 23.5m の高低差を有し、置換する。各部材は弾性とする。各仕口部に節点を設け，その最大傾斜角度は最大 30°程度である。基礎形式は、重量を集約した多質点モデルとする。各層の床は，スラ西端部では直接基礎、それ以外は基盤までの深さに応じブ厚に応じた平面要素にてモデル化した非剛床とする。て長さが異なる場所打ちコンクリート杭である。

(b)免震装置のモデル化
免震装置は 1 基につき 8 本のバネからなるマルチスプ

2.3 免震装置概要
免震装置は、高減衰積層ゴムを 24 基設置している。免リングモデルとし，免震装置がある基礎部と上部構造の 1震装置の配置を図－１に示す。積層ゴムのゴム部の総厚が 160mm または 162mm、ゴム直径が 650mm～

観測点

上部構造
柱：ファイバーモデル
梁：線材要素900mm である。免震層の剛心と上部構造の重心が一致するように計画自由地盤している。なお、設計時の固有値解
析による周期は、免震装置のせん断歪が 10％において 1.66 秒である。
2.4 地震観測概要
地震観測点を図－１に●で示す。
地震観測点は、B 棟の基礎部および免震層直上の 1 階床部のそれぞれ西免震装置：マルチスプリング

杭：ファイバーモデル

地盤 FEM モデルにて算定した解析波を自由地盤節点に入力

地盤-杭ばね図－２ 解析モデルの概要

端部、中央部および東端部の計６点階の各節点を接続してせん断力のみ伝達する。水平ばねである。中央部では水平 2 方向（EW、NS）および上下(UD)の復元力特性は，標準型のマルチリニアとする。ここで，7-2

淺沼組技術研究報告№30(2018)

本地震時の免震層の卓越周期は，1 階で観測された全時間

盤と杭の各節点は杭周地盤ばねおよび減衰要素にて連結の応答スペクトルによると約 1.25 秒であり、その時の免する。杭周地盤ばねは，文献 11）による評価法-2 を参考

震層の最大せん断歪は約 5%である。これは設計式で評価にして剛性を Francis 式により算定し，それに杭間距離のされている最小せん断歪以下である。一般に，免震装置平均値によって算定した群杭係数を考慮する。減衰係数の剛性の設計式は，大地震時の最大応答変形を算定するは Gazetas 式により算定する。

目的としてせん断歪 10％以上に対して定められているた(f)傾斜基盤を有する地盤のモデル
地盤モデルは表層地盤と基盤の 2 層とする。対象建物

め，せん断歪がそれ以下となる小地震に対しては，設計
10)にの支持基盤の等深度図を反時計回りに約 60 度回転させた

よると，加振実験の結果から高減衰積層ゴムの微小振幅

断面は，支持基盤と表層地盤から成る 2 次元の傾斜基盤

時の剛性は，HD モデルで評価し(1)式で表せるとしてい構造とみなすことができ、傾斜基盤と堆積層から構成さる。

れる地盤構造を 2 次元 FEM でモデル化する。

式の等価剛性が実際の剛性よりも低くなる。森井ら

図－３には、本建物の中央部における観測記録に基づき算定した免震装置の荷重変形関係によるせん断歪と割４．強震記録のシミュレーション解析結果線剛性との関係をプロットしている。その結果に適合す4.1 基礎部の加速度波形るように式(1)の各係数を算定すると，本建物ではα＝14，基礎部の中央で観測された地震動を基にして、2 次元

γr＝3.0%となる。これに適合するように歪 10%未満とな

FEM の深さ 25m における基盤波を推定する。逆に、このる小振幅の範囲のせん断剛性に対し本修正式を用いる。

基盤波と 2 次元 FEM による基盤と杭節点位置の伝達関数

なお、免震装置の減衰定数は 0 とする。

を用いて自由地盤応答を算定する（詳細は文献 2)等を参(c)杭のモデル化照）。これを振動解析モデルの杭位置への入力動とし，基杭のモデルは，鉄筋とコンクリート部分を分離したフ

礎部の各観測点位置で得られた基礎部 (NS, EW 方向) にァイバーモデルとし弾性とする。杭頭と基礎梁は剛接とおける地震観測点の解析波と観測波の比較を図－４に示し、杭先端はピンローラー支持とする。杭は 2m ごとに節す。図－４(a)は NS 方向、図－４(b)は EW 方向（観測点を設け，各節点に杭重量を集約する。なお，本検討で波は中央部のみ）である。これより、基盤波推定に用いは，基礎のロッキング挙動の影響は小さいものと仮定し，た基礎中央部では両者はほぼ重なっていることが確認で杭を含む基礎底版より下部の各節点では上下自由度を固きる。また、基礎部 3 地点の NS 方向では地盤深さに応じ定とし，水平 2 方向のみを考慮する。て西端部から東端部へと振幅が増幅する様子も含め，観(e)自由地盤と杭周地盤ばね測波の傾向が再現されている。同様に EW 方向は、建物自由地盤は，杭の各節点の鉛直位置に合わせて節点をの両端部では地震動の観測は行っていなかったが、本手設ける。後述する FEM 解析によって算定した基盤波を全法を用いることによって推定することができた。EW 方向体系への慣性力として作用させ，それに対する相対速度の各点の加速度波形より、NS 方向と同様に地盤深さに応および相対変位を自由地盤の各節点に入力する。自由地じて振幅が増加する傾向が見られた。
4.2 1 階床部の加速度波形
図－５に 1 階床部(NS 方向)の地震観測点における観測波と解析波の加速度波形を示す。図－５(a)は，積層ゴムの設計式を用いた場合の解析波と観測波（中央部）の比較であり、図５－(b)は、修正式を用いた比較図である。
図－５(a)に示すように設計式を用いた場合，小振幅時の剛性が小さく評価されるため初期の小振幅時の周期や振幅において観測波と大きな差異が生じている。それに比べて、図５－(b)は、短周期成分の振動が表現できていな
いものの，初期の小振幅時から主要動による最大振幅時での免震層の周期や波形の形状などが観測波とは良い対

図－３ 小振幅時を考慮したせん断剛性= ・ ,/(1 + ⁄ )ここで，γはせん断歪，γr は基準歪応を示している。ここで西端部および東端部に見られる(1)

短周期成分は，入力動の振幅差および時間差に伴い現れ7-3

淺沼組技術研究報告№30(2018)

るねじれ振動成分である。これは，短周期成分が比較的少ない基礎中央部の記録を基にして解析波を算定しているため短周期成分が過小評価となったと考えられる。
4.3 上部構造・杭の最大変位分布
解析により得られた上部構造・杭の最大変位分布を図－７に示す。出力点は観測点に対応する西端部，中央部および東端部の南側杭列およびそれに対応する上部建物の各柱位置である。図より、いずれの方向でも西端部から東端部の堆積層厚に応じて，上部構造・杭ともに最大変位が大きくなる傾向が見られる。図－７(a)の NS 方向
では，免震層の相対変位が西端部に比べて東端部で大き(a) NS 方向(b) EW 方向
図－７ 杭から上部構造の変位分布
Disp.(mm)-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5
Base-6-6-9-9-12-15-21-21-27-30(a) NS 方向
図－.８1.01.5Disp.(mm)2.0 2.5-15-18Ground(South side)
Ground(North side)
Pile(South side)
Pile(North side)

0.5-12-18-24(b) EW 方向
図－４ 観測波と解析波の比較（基礎部）-0.5 0.0
Base0.5Depth(GL-m)

Depth(GL-m)(a) NS 方向

0.0-24-27-30

Ground(South side)
Ground(Nouth side)
Pile(South side)
Pile(Nouth side)(b)EW 方向

最外縁の杭のせん断力が最大となった時の杭と地盤の変位分布(a) 修正式を用いた場合(a) NS 方向(b) 設計式を用いた場合（中央部）

図－.９

図－５ 観測波と解析波の比較（1 階床部）

7-4(b)EW 方向

杭および地盤の変位分布に対する上部構造の慣性力の影響淺沼組技術研究報告 №30(2018)

くなり，建物全体でねじれ振動の影響が現れる。図－７

杭の変形は地盤の層厚に応じて大きくなっていること、(b)の EW 方向では，免震層で大きな変形を示すが，上部地盤の深さに応じて異なる変形となるため変位差が生じ構造の各位置で同じ変位となっていることから上部構造ていることなどが確認できた。

がほぼ一体として挙動している。また、地中内の変位では西端部，中央部，東端部の変位が大きくなり，東端部［謝では杭頭よりも地中内で最大となる分布となっている。

辞］

本研究に際し、御指導いただいた東京理科大学の北村

4.4 地盤と杭の変位

春幸教授、永野正行教授に謝意を表します。

東端部の杭が最大せん断力を生じた時間における，東端部の杭と地盤の変位分布図を図－８に示す。全般的に，［参考文献］

杭頭の変位は地盤の変位に比べて小さい。両者の差は NS

１）飛田喜則、山内豊英、橋本拓：株式会社淺沼組技術方向に比べて EW 方向の方が大きい。NS 方向の杭の変位

研究所報は，全域で地盤の変位とほぼ同じである。しかし，EW 方の地震時の挙動について

向の杭の変位は，杭先端から地中中央までは地盤とほぼ震時の地震観測データ、杭に生じる応力の検討、同じであるが，杭頭部付近では地盤に比べて小さい。こ2016.09の原因として，短辺方向である NS 方向では，基礎底版がNo.27：長さが異なる杭を有する免震建物その３

東北太平洋沖地

２）飛田喜則、山内豊英、橋本拓：株式会社淺沼組技術

面内変形しやすく地盤と追従しやすいこと，建物の長辺

研究所報方向となる EW 方向では，直接基礎および基礎底版によの地震時の挙動についてって変形が拘束され杭頭変位が地盤に比べ小さくなるこ

間差と振幅比に関する常時微動測定に基づく考察、とが挙げられる。また，それらの変位は建物の南側の杭2017.03

列と北側の杭列でも異なっており，これは傾斜基盤の影

No.28：長さが異なる杭を有する免震建物
その４

入力地震動の時

３）飛田喜則、山内豊英、橋本拓長さが異なる杭を有す

響によって南北地盤の地震動の増幅特性に違いがあるた

る免震建物の地震時の挙動についてめと考えられる。なお，上部構造の慣性力の影響を確認

微動測定に基づく考察、株式会社淺沼組技術研究所するため，解析モデルから上部構造を除いたモデルにつ報

その５

常時No.29 2018.03

いて杭の最大変位分布の比較図を図－９に示す。これよ４) 飛田喜則、永野正行、北村春幸、佐藤利昭、鈴木賢

り，上部構造を除いたことによって，杭頭付近の変形に人、山内豊英：強震記録に基づく傾斜基板上に建つ影響を与えているが，上記のような現象が同様に見られ，免震建物の捩れ応答の分析、日本建築学会技術報告

本検討において杭の変形等に対して上部構造による慣性集力の影響は小さいものと判断できる。

第 23 巻第 54 号、pp.409-414、2017.6.

５) 宮原直樹、永野正行、北村春幸、佐藤利昭、鈴木賢

このように，建物軸から回転した方向で基盤が傾斜し，人、飛田喜則：2011 年東北地方太平洋沖地震時の観東西方向だけではなく南北杭列でも杭長が異なること，

測記録に基づく傾斜基盤構造に建つ免震建物の地震

地盤震動特性や地盤の長辺方向の変形に対して直接基礎応答特性で拘束され基礎底版により長辺方向での拘束効果がある

本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅱ、pp.587-588、こと，から杭位置による変形や応力分布の差異が複雑な

2016.8

ものとなっている。

その１ 観測記録に基づく建物の挙動、日６) 飛田喜則、永野正行、北村春幸、佐藤利昭、鈴木賢人、山内豊英：2011 年東北地方太平洋沖地震時の観５．まとめ

測記録に基づく傾斜基盤構造に建つ免震建物の地震

傾斜基盤上に直接基礎と長さが異なる杭からなる異種応答特性

その２ FEM 解析による地震動シミュレー

基礎によって建設された免震建物を対象に、常時微動測ションと建物の地震応答解析、日本建築学会大会学

定結果および 1 階床部、基礎部で観測された強震記録か術講演梗概集、構造Ⅱ、pp589-590、2016.8

ら本建物の観測波の再現を行った。

７) Yoshinori TOBITA, Masayuki NAGANO, Haruyuki

その結果、免震層に適切な剛性を考慮することによっ

KITAMURA, Toshiaki SATO,て、設計式の範囲を下回るせん断歪においても再現できKentoる。また、地盤と建物の連成系モデルによって、杭の変YAMAUCHI, and Hirotoshi UEBAYASHI ： DYNAMIC

形を推定することが可能となり、地震応答解析の結果、CHARACTERISTICS

7-5

SUZUKI,

Yoriyuki

OFA

MATSUDA,SEISMICALLY

Toyohide

ISOLATED

淺沼組技術研究報告 №30(2018)

BUILDING ON SOIL WITH INCLINED BEDROCK USINGAMBIENT VIBRATION AND STRONG MOTION RECORDS，
16th

EUROPEAN

CONFERENCE

ON

EARTHQUAKEENGINEERING 、2018.6
８) 飛田喜則,西浦遼、上林宏敏,鈴木賢人，永野正行：
常時微動計測に基づく傾斜基盤を有する地盤上に建つ免震建物の動特性－その１－測定概要とスペクト
ル、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅱ、pp.181-182、2018.7
９) 西浦

遼,飛田喜則, 上林宏敏,鈴木賢人，永野正行：常時微動計測に基づく傾斜基盤を有する地盤上に建つ免震建物の動特性－その２－卓越振動数における振動モード、日本建築学会大会学術講演梗概集、構造Ⅱ、pp.183-184、2018.710）森井雄史・他： 免震部材の微小変形時の等価剛性が環境振動評価に及ぼす影響と簡略的な応答評価の提案, 日本建築学会技術報告集, 第 21 巻第 49 号,
pp.1102-1106, 2015.1011) 日本建築学会： 建物と地盤の動的相互作用を考慮した応答解析と耐震設計, pp.152-161, 2006

7-6