計算工学講演会論文集 Vol.17 (2012年5月）

計算工学会

建物の階高-スパン比と発破解体効率との関係
Relationship between Floor Height - Span Ratio of Buildings and Efficiency of Blast Demolition荻野朋哉1)，磯部大吾郎2)
Tomoya Ogino and Daigoro Isobe
1) 筑波大学大学院（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: s1120925@u.tsukuba.ac.jp)
2) 博(工) 筑波大学准教授（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail:isobe@kz.tsukuba.ac.jp）
In this study, we developed a blast demolition planning tool using key element index in which thecontribution of a structural column to the vertical capacity of the structure can be investigated numerically.
We investigated the tendencies of the demolition modes of simple framed steel structures and obtained therelationship between floor height - span ratio of buildings and efficiency of blast demolition. It is
confirmed that the efficient way to demolish the whole structure varies with the ratio values.
Key Words : Blast Demolition, Key Element Index, Floor Height - Span Ratio

1．はじめにメント指標[3]を提案した．

高度経済成長期に多数建設された高層ビル群は，その老健全な構造物の全接合部に対し，鉛直方向へ均等に荷重朽化や都市開発などにより，解体の需要が高まることが予増分を加え，構造物最下層部いずれかの柱部材に降伏現象想される．欧米では，このようなビルの解体に，発破解体が起きた瞬間の荷重を降伏限界荷重PGとして求め，健全工法がよく用いられる．これは，爆薬を用いて柱部材の接な構造物に対しては0PGと表し，任意の最下層柱部材mを合部等を発破し，その建物の自重を利用して建物全体を一除去した場合の降伏限界荷重を1PGと表す．この柱部材m気に倒壊させる方法であり，一般的な重機を用いる解体工のキーエレメント指標KIを以下のように降伏限界荷重の法に比べ短期間かつ低コストで行うことが可能である．ま比で定義する．
01

た，危険な作業も不要なことから，優れた解体工法である

KI m = 0 PG 1 PG

（m：柱番号）(1)と言える．しかしこの解体工法は，定量的な判断基準がないために経験やノウハウに大きく依存し，欧米に比べ設計また，連続的にキーエレメント指標を求める場合にも同様強度の高い日本の建物に単純には適用できない．そこで本に定義することが可能で，第 n 次判定のキーエレメント指研究室では，発破解体の定量的な判断基準を設けることを標は以下のように定義できる．

目的とし，建物の構造上重要な柱部材を探査できるキーエ0n

KI m = 0 PGnPG（m：柱番号） (2)レメント指標に基づいた発破解体計画手法を開発している．本稿では，崩壊解析において実績のあるASI-Gauss法

上式は健全な構造に対して複数の柱部材を同時に発破す[1]を用いて建物の発破解体解析を行い，建物の階高－スる際の評価指標として用い，この判定はその構造物の最下パン比が発破解体時の崩壊挙動に与える影響について調層柱部材のいずれかが構造物の自重により降伏するまでべた結果を報告する．

行う．

2．キーエレメント指標はいくつか考えられるが，本稿では，キーエレメント指標

キーエレメント指標を用いて発破箇所を特定する方法

伊藤ら[2]によって考案された部材感度は，鉛直荷重にが最大となる柱部材を1本ずつ選択していく方法を採用す

対して感度の高いキーエレメントを特定する際に有効でる．つまり，構造物の全体強度に寄与度の高い柱部材からあるが，消失させた際に部分崩壊に留まってしまう柱に対選び，選ばれた柱部材を同時に発破する方法を用いて発破しても感度が高くなる傾向があるため，全体崩壊を目標と解体計画を行う．

する発破解体には適さない．そこで，特に建物の最下層部の柱部材に着目し，部材消失前後における最下層柱部材の鉛直荷重支持能力の評価指標として，以下に示すキーエレ

3 層 3 スパンモデルに対して，(2)式を用いて発破解体計画を行った例を示す．図 1 に示すように，モデルの階高 hは各層 4m として固定し，幅・奥行きのスパン長 s を変化させることで，階高-スパン比 s/h の異なるモデルをいくつか用意した．図 1(a)に示すモデルを s/h=1.4 構造モデル，(b)に示すモデルを s/h=2.0 構造モデルとする．柱にはSM490 の鋼材を用いた BOX 鋼，梁には SS400 の鋼材を用いた H 鋼を使用し，想定床荷重 400 [kgf/m2]の基で最下層柱の設計軸力比が 0.3 以下になるように設計した．最下層柱の番号を図 2 のように付ける．

図 3(a)に s/h=1.4 構造モデルの判定結果を，図 3(b)に⑬⑭⑮⑯⑨⑩⑪⑫⑤⑥⑦⑧①②③④

図 2 柱の番号

s/h=2.0 構造モデルの判定結果を示す．例として，図 3(a)の最下段左から 2 番目の柱（柱番号：2）について KI 値を求めると，
1.776

1.630

1.630

1.776

2.039

2.039

2.039

2.039

1.630

1.545

1.545

1.630

2.039

2.082

2.082

2.039

1.630

1.545

1.545

1.630

2.039

2.082

2.082

2.039

1.776

1.630

1.630

1.776

2.039

2.039

2.0392.039

1.724

1.776

1.776

1.776

2.275

2.174

2.127

2.082

1.830

1.776

1.776

1.776

2.329

2.716

2.082

2.127

2.333

1.888

1.776

1.776

2.574

1st2.716

2.174

1st

2.333

1.830

1.724

2.329

2.574

2.329

2.275

2.245

2.333

2.333

2.333

2.716

2.716

2.716

2.716

2.245

2.333

2.333

2.333

2.876

3.153

3.153

2.876

定での KI 値が同じ場合には，その累積値が大きい方を優

2.902

2.767

2.333

2.333

2.962

1st

2nd2.962

先的に選択することとした．キーエレメント指標の累積値

1st

2nd

2.644

2.333

2.876

3.055

3.055

2.876

2.902

2.902

2.902

2.902

3.153

3.258

3.153

3.153

3.215

2.902

2.902

2.902

3.153

3rd

3.258

3.153

KI値の差異を考慮することができ，同じKI値でも構造物に3rd

3.215

2.902

2.902

3.153

1st2nd3.258

対してより重要な柱部材を選択することができる．この例

1st2nd

3.215

2.902

3.153

3.153

3.153

3.153

2.215

2.215

2.215

2.214

3.399

3.399

2.215

2.215

指標値の最も高い柱

3rd

4th

3.399

3.215

前判定で選ばれた柱

2nd

3.399

3.215

0
1KI 2 = 0 PG 1 PG = 1.630(3)続いて，第 2 次判定では，02KI 2 = 0 PG2PG = 2.333(4)と求められる．このように，発破する柱を 1 本ずつ選んで第 1 次判定

第 1 次判定

いくこととする．しかし，例題のような対称モデルに対し発破解体計画を行う場合，KI 値の大きな柱部材全てを選ぶと対称的に屈服してしまい，安定して逆に全体崩壊に至らない場合がある．そのため，柱部材を 1 本ずつ選んでいくことで非対称的な欠陥を与え，全体崩壊を起こしやすくすることにした．
図 3(a)の第 1 次判定結果を見ると，KI 値が最大の柱が第 2 次判定

第 2 次判定

複数選択されている．これはモデルの対称性に起因するものであるが，このように KI 値が最大となる柱が複数選択される場合，どの柱 1 本を優先的に選ぶか決める必要がある．そこで，柱ごとに KI の累積値を求めておき，ある判

第 3 次判定は，次の式で定義する．

∑ KI =( KI + KI + L+ KI )m01m020nmm(5)（m：柱番号）

第 3 次判定

この累積値を用いることで，その判定までに計算された第 4 次判定

として，図3(a)の第4次判定の場合，KI値が最大の柱とし第 4 次判定て3番，6番，9番が選ばれている．このときのそれぞれのKIの累積値を求めると，

1st(a) s/h=1.4 構造モデル(b) s/h=2.0 構造モデル

図 1 3 層 3 スパンモデル

第 5 次判定(a)設計軸力比 0.3 以下
s/h=1.4 構造モデル(b)設計軸力比 0.3 以下

図 3 判定結果

s/h=2.0 構造モデル

∑ KI =( KI + KI + KI + KI ) = 9.319
3013023033043∑ KI =( KI + KI + KI + KI ) = 9.415 (6)6016026036046∑ KI =( KI + KI + KI + KI ) = 8.920
9019029039049

判定結果

判定結果

(a)設計軸力比 0.3 以下(b)設計軸力比 0.3 以下となる．これよりKIの累積値が最大になる柱は6番である
ので，この第4次判定では6番の柱が選択された．

s/h=1.4 構造モデル

図4(a)のs/h=1.4構造モデルの結果では外側の柱が集中

s/h=2.0 構造モデル的に選択される傾向が，図4(b)のs/h=2.0構造モデルの結果
判定により選ばれた柱図 4 発破解体計画の結果

では内側の柱が集中的に選択される傾向が見られた．

3．階高-スパン比と発破解体効率との関係

図 4 により選択された柱を同時発破させる発破解体解析を行った．構造物の階高-スパン比 s/h の相違により崩壊方向が異なることが予想され，さらに，構造強度によっても挙動が変化することが予想されるため，s/h 値と設計軸

C-C

O-C

O-C

C-C

O-C

I-C

I-C

O-C

C-C : Corner Column

O-C

I-C : Inner Column

C-C

力比を変化させて解析を行った．

O-C

I-C

I-C

3.1 階高-スパン比と崩壊方向の関係

C-C

O-C

O-C

前節の例題において，第1次判定で選択された柱周辺のO-C : Outside Column

図 5 最下層柱部材の分類

柱部材がそれ以降も続けて選択されていく傾向があった．
そこで，構造の対称性から最下層柱を図5のように3種類に

55

横方向への崩壊横方向への崩壊判定時におけるKIとの関係をまとめた．図では，それぞれのKI値をC-C基準の比によりプロットしている．

43C-C
O-C
I-C

21

崩壊方向としては，最下層の外側の柱が多く選択された場合に多い横方向と，中央内側の柱が多く選択された場合

4C-C基準のKIの比される傾向があるのか調べ，図6に示すようにs/hと第1次

C-C基準のKIの比分類し，階高-スパン比s/hの相違によりどの柱部材が選択
中央方向への崩壊

32C-CO-CI-C

100.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 300.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3(a) 設計軸力比 0.05 以下(b) 設計軸力比 0.1 以下

s/hs/hに多い中央方向がある．どの設計軸力比の場合でも，I-CのKI値が一番大きくなった際に，横方向への崩壊から中央方向への崩壊に変化していた．このことから，第1次判定
中央方向への崩壊
21.61.2

設計軸力比が大きい0.5以下の場合（図6(f)）では，s/hの値によらず中央方向への崩壊が起きている．このように，設計軸力比が極端に大きいか小さい場合には，崩壊の方向は横方向への崩壊が起こった．また，これらの設計軸力比では，横方向から中央方向への崩壊に変化する，崩壊方向の変化がいずれも s/h=2.0，2.2 で起きていた．

1.2C-CO-C
I-C

0.8

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3(c) 設計軸力比 0.2 以下(d) 設計軸力比 0.3 以下

1.3

1.3

1.2

C-C基準のKIの比が大きい場合は中央方向への崩壊が起こり，小さい場合は

1.6s/h設計軸力比が極端な値でなければ，図 6(b)の設計軸力比以下，(e)の設計軸力比 0.4 以下の場合のように，s/h の値

横方向への崩壊0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3s/h値によらないことが分かった．

0.1 以下，(c)の設計軸力比 0.2 以下，(d)の設計軸力比 0.3

C-CO-C
I-C

0.8

C-C基準のKIの比

では，s/hの値によらず横方向への崩壊が起こっており，2中央方向への崩壊
横方向への崩壊1.1s/h

中央方向への崩壊
1.2

C-C基準のKIの比る．一方，設計軸力比が小さい0.05以下の場合（図6(a)）

横方向への崩壊中央方向への崩壊

C-C基準のKIの比で選択される柱と崩壊方向が深く関っていることが分か

横方向への崩壊

1.1

1C-C
O-C
I-C

0.9

1C-CO-C
I-C

0.9

0.8
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 30.80.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3(e) 設計軸力比 0.4 以下(f) 設計軸力比 0.5 以下

s/h

図6s/hs/h と第 1 次判定時の KI との関係

3.2 階高-スパン比と崩壊形態の関係

4．おわりに続いて，発破解体計画により選択された柱全てのKIの積

本稿では，キーエレメント指標を基に発破解体計画手法

算値と崩壊形態との関係を調べた．図7に示すように，横を開発した．階高‐スパン比の異なるモデルに対して発破軸にs/h値をとり，縦軸にKIの積算値をプロットした．第n解体計画を行い，階高‐スパン比 s/h と構造物の崩壊方向や崩壊形態との関係を調べた．その結果，第 1 次判定での次判定までの積算値は，以下のように計算される．

∑ KI =( KI + KI01m102m2+ L+ n0KI mn )(7)

KI 値の大小関係から崩壊しやすい方向が決まることが分かった．また，建物の崩壊形態が設計軸力比と階高‐スパ(第n次判定で選ばれた柱番号：mn)ン比 s/h に大きく依存することが確認できた．

図中，構造物の上層部が地上まで完全に崩落したものを全体崩壊（TC : Total Collapse），構造物の一部が沈下し接参考文献

地するが完全な崩壊に至らないものを部分崩壊（PC :[1] 磯部，江口，今西，佐々木：骨組構造の発破解体解析・を崩壊なし（NC : Non Collapse）と定義して記す．上記の[2] 伊藤，大井，李：鉛直荷重を受ける骨組構造物の冗長

Partial Collapse），構造物が沈下せずに倒壊に至らないもの

実験システムの開発，建論，第612号，2007，pp.73-78．

性に関わる感度解析，建論，第593号，2005，pp. 145-151．

崩壊形態のうち，PC，NC は構造物が不安定な状態で残るため，発破解体としては好ましくない形態である．
(7)式の KI 積算値の算出例として，図 7(d)の設計軸力比[3] D. Isobe and T. Katsu：Blast Demolition Planning Toolusing Key Element Index, Proceedings of the 9th0.3 以下のグラフの黒丸二つを挙げる．上の黒丸は，∑ KI =( KI + KI + KI + KI )
01602

703100411= (2.082 + 2.716 + 3.153 + 3.258)= 11.209

International Conference on Shock & Impact Loads onStructures (SILOS11), 2011, pp.395-401, Fukuoka,Japan．

(8)160160120120= 4.798(9)

表し，右下がり斜線は TC を表し，それ以外は NC を表す．

図 7(a)の設計軸力比 0.05 以下，(b)の設計軸力比 0.1 以下の結果に示すように，設計軸力比が小さすぎると s/h 値によらず発破解体では好ましくない PC が起こった．また，

図 7(d)の設計軸力比 0.3 以下，(e)の設計軸力比 0.4 以下，(f)の設計軸力比 0.5 以下の結果に示すように，設計軸力比が十分に大きいと s/h 値によらずに TC が起こる領域が存

計軸力比と s/h 値によって崩壊形態が大きく変化することPC

400.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 30.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3s/hs/h(a) 設計軸力比 0.05 以下(b) 設計軸力比 0.1 以下
3030在した．図 7(c)の設計軸力比 0.2 以下の結果では，s/h 値が小さければ TC，大きければ PC が起きた．以上より，設NC

80NCKIの積算値 ΣKI範囲を求めることができる．図 7 の右上がり斜線は PC を

PC8040と求められる．これらの 2 点を用いることで，崩壊形態のKIの積算値 ΣKI= (2.082 + 2.716)

20

10PC

TCNC

KIの積算値 ΣKI∑ KI =(10KI 6 + 20KI 7 )KIの積算値 ΣKIと求められ，下の黒丸は，2010TC

NC

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3s/h(c) 設計軸力比 0.2 以下

s/h(d) 設計軸力比 0.3 以下が分かった．
88ば，崩壊が起きるときの KI 積算値が大きければ構造物としての強度が高く，崩壊しにくいということを意味する．
さらに，s/h 値が大きいと KI 積算値が小さくても崩壊に至6TC4NC2KIの積算値 ΣKI

場合には大きな KI 積算値が必要であり，設計軸力比が大きい場合には小さな KI 積算値で十分であった．換言すれKIの積算値 ΣKI

また，崩壊を引き起こすためには，設計軸力比が小さい
6TC
420.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3s/h

NC0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3s/hっている場合が多い．最後に，構造物の設計軸力比が大きい場合には，KI 積算値が小さくても崩壊に至っているケースが多く，加えて，崩壊形態は PC よりも TC が多くなることが分かった．

(e) 設計軸力比 0.4 以下
図7(f) 設計軸力比 0.5 以下

KI の積算値と崩壊形態の関係