日本建築学会大会学術講演梗概集	 （関東）	 2015 年	 9	 月	 20184

津波避難ビルの安全性評価に関する数値解析的研究○荻野 弘明*1
磯部 大吾郎*2

正会員
同津波避難ビル

動的解析
ASI-Gauss 法

鋼構造建物

東北地方太平洋沖地震

1. 緒言

3. 荷重条件

2011 年の東北地方太平洋沖地震では，多くの鋼構造建物が本稿では，建物に地震波を入力した後，浮力と津波荷重の1 階の層崩壊，杭の破壊や引き抜きによる転倒などの被害を流体力を作用させる解析を実施した．地震波には，東北地方受けた．構造上安全性の高い津波避難ビルの必要性が高まり， 太平洋沖地震で観測された K-NET 仙台波 100%を用いた．
各関係機関は津波避難ビルの設計に資する暫定指針 1)を提案

浮力 FB には次式を適用した．

し，指針に基づいて避難ビルの具体的な設計例 2)も示した．

FB  ρS gV

このように，津波避難ビルの設置に向けて様々な機関が多角

ここで，ρS は瓦礫を含んだ海水の密度，g は重力加速度，V的な検討を行っている．しかし，地震による建物の損傷を考は建物が排した水の体積である．解析では，津波により開口慮し，浮力と津波荷重のそれぞれが建物の倒壊や転倒などの部が設けられ，建物内に水が流入する状況を想定した．すな

複合被害に及ぼす影響を詳細に検討した例はない．

わち，建物が排した水の体積は，構造部材（柱，梁，床）の本稿では，東北地方太平洋沖地震で観測されたデータを利用し，鋼構造建物の津波避難ビルに対して ASI-Gauss 法3)による地震応答解析と津波作用解析を連続的に実施した．得られた解析結果から，浮力および津波荷重のそれぞれが建物の倒壊・転倒被害に及ぼす影響を数値的に評価し，津波避難ビ(1)体積分と床下の空気溜まりの体積分とした．式(1)で算出された浮力は，水面下に存在する節点に対し鉛直上向きに静的に1 ステップで分布させた．
津波荷重 FT には，次式の静水圧荷重 FS と抗力 FD の和を適用した．

ルの安全性を検討した．

FS  γρS g h  z Bdz
z2(2)z1FD 

2. 数値モデル
津波避難ビルのモデルを図-1 に示す．このビルは鋼構造建

1γρS CDu 2 A2(3)

ここで，γ は開口低減係数，z1 は受圧面の最小高さ，z2 は受に準じて基礎梁と杭を含めて構築した．

圧面の最高高さ，h は浸水深，z は当該部分の地盤面からの高実際の杭は直径 2 m の円断面，長さ 30 m のコンクリート杭

さ，B は当該部分の受圧面の幅，CD は抗力係数，u は物体とであるが，モデルでは長さを 3 m とし，強度は同等にして表

津波の相対速度，A は津波荷重を受ける受圧面の面積である．

現した．建物の上部構造は，階層が 10 階，階高が 40.15 m でなお，受圧面は開口部を含めた津波荷重を直接受ける水面下あり，ベースシア係数 0.16 として設計されている．総重量はの面と定義する．開口低減係数は，受圧面の面積から開口部設計例と同等の 58,901 kN である．各部材の材種は，柱がの面積を除外した面積を受圧面の面積で除した値である．津

BCP325，梁が SN490B，床がコンクリートであり，建物の減波進行方向は，建物の側面の面積が大きい+X 方向（図-1 参衰比は 2 %とした．モデルの 1 次固有周期を算出した結果，照）とし，静水圧荷重は静的に 1 ステップ，抗力は動的に 1

X 軸方向は 1.36 秒（設計例：1.37 秒），Y 軸方向は 1.37 秒秒間増分的に作用させた．これらの津波荷重は，受圧面に存（設計例：1.38 秒）となり，設計例と良好に一致している．

在する節点に分布させた．

物であり，設計例

2)以上までに述べた浮力，静水圧荷重および抗力が建物に作用すると，それぞれの荷重によって建物に転倒モーメントが柱発生する．転倒モーメントは，建物の倒壊・転倒被害を評梁価するための重要なパラメータである． 浮力による転倒モ

床ーメント MB，静水圧荷重による転倒モーメント MS および抗基礎梁力による転倒モーメント MD はそれぞれ次式で与えられる．

40.15

杭津波進行方向

YZ
X

32.00

GL18.60

1L2(4)

1M S  FS  h31
M D  FD  h2(5)M B  FB (6)

ここで，L は建物の津波進行方向の長さであり，各転倒モーメントの和が流体力による転倒モーメント MT となる．

図-1 建物モデル鳥瞰図（単位：[m]）Numerical Study on Safety Evaluation of Tsunami
Refuge Building

OGINO Hiroaki and ISOBE Daigoro― 367 ―

次に，東北地方太平洋沖地震で津波の被害を受けた 15 地域の浸水深と流速の観測データ

4)と，式(1)～(6)で算出された流体力および転倒モーメントを表-1 に示す．流体力と転倒モ
3（MS），女川町（OG）の 3 つの条件では，せん断変形によって 1 階柱脚部の要素がすべて破断し建物が流出した．ただし，実際の柱脚部は地中に埋め込まれ，コンクリートや鉄筋によーメントは，瓦礫を含んだ海水の密度 ρS を 1,200 kg/m ，抗力って固定されているため，あまり変形しないことが予想され係数 CD を 1.2，開口低減係数 γ を 0.90 として算出した．

る．今後，破断条件についてはさらに詳しく検討する必要がある．

4. 杭の引抜条件

続いて，津波荷重および流体力による転倒モーメントと 1

建物の転倒の原因となる杭の引き抜きの表現方法を図-2 に

階層間変形角の関係をそれぞれ図-3(a)と図-3(b)に示す．これ示す．流体力が作用する直前に地表面の鉛直方向のみの拘束

らは，解析終了時の層間変形角を表し，建物の 1 階が破断しを自由とし，杭に引抜力のみを伝達させる．そして，以下のた結果はプロットしていない．図-3(a)に示すように，津波荷引抜条件を満たした場合，地表面と杭下端部の拘束を完全に重が 35 MN 程度を超えると変形が増大している．さらに，図自由とし，建物の転倒に対する杭の抵抗を消失させて杭の引-3(b)には，転倒モーメントと 1 階層間変形角の関係にも，勾き抜きを表現する．

配が急激に変化する傾向が見られる．しかし，MK②は，陸Ni  N 0  R(7)

前高田市①（RK①）に比べ転倒モーメントが小さいにも関わ

ここで，Ni はiステップ時の杭の引張軸力，N0は地表面の拘らず層間変形角が大きいため，浮力の影響よりも津波荷重の束解除時の杭の引張軸力，R は杭1本当たりの引抜抵抗力で影響を重視し建物の倒壊被害を評価することが適切であるとある．左辺に杭の引張軸力の増加分を用いた理由は，地盤と思われる．また，そのためには，浸水深と流速を正確に把握

杭それぞれに上部構造の重量がどの程度伝わるかが不明確でした上で適切な津波荷重を算定する必要がある．

あり，転倒被害を安全側に評価するためである．地盤は液状化が起きない地盤を想定し，引抜抵抗力は周面摩擦力と杭自6. 結言

重の和の12,955 kN2)と設定した．なお，本稿では水平力による杭の破壊は考慮していない．

鋼構造建物の津波避難ビルに対し，東北地方太平洋沖地震で観測された地震動と流体力を作用させる連続解析を実施した結果，津波による転倒被害は確認されず，浮力が建物被害

5. 解析結果に及ぼす影響は小さいことがわかった．一方，津波荷重が建建物は地震動のみの作用で残留変形が生じたが，崩壊には物の変形量に大きく影響を及ぼし，建物被害の程度を左右す至らなかった．ここでは，地震波入力後に表-1 の 15 種類のる要因となることがわかった．また，津波荷重によって建物流体力を作用させた解析結果について述べる．いずれの条件の変形量が一意的に定まる傾向が見られ，津波荷重の大きさでも杭は引抜条件を満たさないことが確認されたため，対象から建物被害の程度の予測が可能であることが示唆された．とした津波避難ビルの場合，浮力が建物の転倒被害に及ぼす
影 響 は 小 さ い と 考 え ら れ る ． 田 野 畑 村 （ TH ）， 南 三 陸 町

参考文献
国土交通省住宅局，国土交通省国土技術政策総合研究所：東日
本大震災における津波による建築被害を踏まえた津波避難ビル
等の構造上の要件に係わる暫定指針，2011.11.
日本建築防災協会：津波避難ビル等の構造上の要件の解説，2012.2.
磯部 大吾郎，チョウ ミョウ リン：飛行機の衝突に伴う骨組鋼構造の崩壊解析，日本建築学会構造系論文集，第 579 号，pp.39-46，2004.5.
東京大学生産技術研究所：平成 23 年度 建築基準整備促進事
業 40．津波危険地域における建築基準等の整備に資する検討
中間報告書 その 2，2011.10.

1)

表-1 観測データおよび流体力と転倒モーメントh [m]u [m/s]F B [MN]F T [MN]

M T [MN・m]

5.1
5.7
6.0
7.0
8.2
8.4
9.5
11.5
11.5
13.0
13.0
14.0
14.0
15.0
15.0

4.62
6.29
8.86
4.34
8.88
6.37
7.73
5.56
7.51
3.42
5.83
5.20
8.02
4.67
9.47

4.99
5.04
5.06
5.15
5.25
5.27
9.91
10.08
10.08
14.76
14.76
14.85
14.85
14.93
14.93

6.67
10.18
15.87
11.04
24.80
19.02
27.06
29.78
35.87
31.80
37.81
41.08
51.90
44.92
66.04

59.66
70.66
88.57
76.85
134.95112.16
196.48222.03257.02281.88320.95348.11423.87380.44538.772)3)4)

h：浸水深，u：流速，FB：浮力，基礎梁

杭GL

引抜条件を満たした杭RK③

1階層間変形角 [rad]FT：津波荷重, MT：流体力による転倒モーメントRK②0.02

MK②0.01

RK①0.03

大学院生

RK②0.02
MK②0.01

RK①0010203040500100200

転倒モーメント [MN・m](a) 津波荷重(b) 転倒モーメント*1: Graduate Student, Univ. of Tsukuba*2: Professor, Univ. of Tsukuba, Dr. Eng.

― 368 ―300

津波荷重 [MN]

図-3 荷重と 1 階層間変形角の関係

図-2 流体力作用時の杭の引き抜きの表現*2: 筑波大学教授 博（工）RK③0.030GL*1: 筑波大学大学院システム情報工学研究科

0.040.04

1階層間変形角 [rad]調査地域
気仙沼市（KS）
山田町（YM）
仙台市（SD）
大槌町①（OT①）
大船渡市①（OF①）
大船渡市②（OF②）
大槌町②（OT②）
宮古市①（MK①）
宮古市②（MK②）陸前高田市①（RK①）
陸前高田市②（RK②）
陸前高田市③（RK③）
田野畑村（TH）
南三陸町（MS）
女川町（OG）

400