工学院大学建築系学科卒業論文梗概集
久田嘉章研究室 2010 年度

工学院大学新宿校舎の地震応答解析と制振補強に関する研究
D1-07135 中野 泰宏
1. はじめに

近年首都圏では、M7 クラスの首都直下型地震による震表1

源近傍の強震動や M8 クラスの海溝型巨大地震による長建物名称
建築場所
竣工年
基準階面積
階数
アスペクト比周期地震動に対し、超高層建築物の対策の重要性が指摘されている。既往の研究では、超高層建築物である工学院大学新宿校舎高層棟（以下大学棟と記す）の解析モデ
ルを構築し、信頼性を高める目的で、常時微動・人力加振および地震動観測を実施し、観測結果を反映し、想定構造種別地震動による一連の地震応答解析を行っている 1)。初期の対象建築物概要

大学棟（工学院大学高層棟）
東京都新宿区西新宿
1989年
1170㎡
地上29階、地下6階、塔屋1階
NS:5.59、EW:3.72
地上：鉄骨造（ブレース付ラーメン架構）
地下1～2階：鉄骨鉄筋コンクリート造
地下3～6階：鉄筋コンクリート造

解析では単純な質点系モデルを用いていたが、その後、構造的な安全を確認するだけでなく、設備や室内被害の38.4ｍ

25.66.4
3.2 3.2 3.2モデル（以下立体モデルと記す）を構築し、常時微動・25.6ｍ補強による費用対効果等の検討を行なうため、より詳細な解析を行う必要性がある。そこで３次元立体フレーム
人力加振観測および竣工以来常設されている、地震観測システムによる観測結果を示し、大学棟の立体モデルによる応答解析を行い、観測記録と解析結果の比較より、

3.2 3.2

3.2 3.2 3.2低減、BCP の策定による早期の事業復旧案の策定、制震38.425.6

N 3.2 3.2

Y14X2

図 1-a 基準階平面図

図 1-b 基準階伏図

解析モデルの妥当性および振動特性などの検討を行っている 2、3)。
127.8
4.0 4.0 4.0 4.0 5.2
4.3 4.3 4.3 4.3 4.3 3.9 4.3 5.1 4.2 4.2
4.6 4.3 4.3 4.3 4.3 3.9 3.9 4.3 4.2 4.2 5.5 4.0 4.0 4.0 4.0

本研究では新宿副都心の一角に位置する大学棟を対象とした、妥当性の確認されている立体モデルを用い、首都圏で危険性の高い想定首都直下地震および想定東海・した、弾塑性地震応答解析を行い、構造被害を予測する。
得られた結果をもとに制震補強案について検討する。
2. 対象建築概要
表 1 に建物概要を示す。地上部は S 造のブレース付き143.0ｍ

東南海連動地震（以下想定連動地震と呼ぶ）を入力波とラーメン構造であり、東西端部にコアを持つダブルコアの建物である。図 1 に基準階平面図、基準階伏図、北側立面図および軸組図を示す。表 2 に代表階の部材寸法を30F

25F

20F

15F示す。部材位置は、図 1-d の Y14、X2 通り軸組図の太線で示している。柱は BOX 柱であり主な鋼種は SM490A、

図 1-c 北側立面図

下層部には SM490B が使用されている。また、梁およびブレースは H 形鋼であり、主な鋼種は SM490A、一部にSS400 が使用されている。なお、ブレースは H 形鋼弱軸使いとなっており、ガセットプレートはフランジにそれぞれ、１枚ずつ接続し固定されている。東西端部にあるコアを結ぶ 25.6m の大梁を大スパン梁と呼んでいる。こ表 2-a 柱寸法
階数3020101寸法□-488×19□-500×25□-530×40□-550×50の大スパン梁により 2 つのコア間に約 655 ㎡の大空間を形成している。さらに、長辺方向である EW 方向の 16 階、21 階の階高が 5m を超える中間階には、スーパーフレームが配置されている。これらの効果により水平方向の剛性を確保しており構造的な特徴となっている。

表 2-c 大梁寸法
階数3020102寸法H-600×300×12×25
H-600×350×12×32
H-600×400×12×32
H-600×350×12×32

10F5F

図 1-d 大学棟軸組図
左：Y14 通り 右：X2 通り（太線は表 2 の部材位置を示す。
）
表 2-b ブレース寸法
Y14通り
X2通り
スーパーフレーム寸法
H-250×250×9×14
H-250×250×9×14
H-300×300×12×22

表 2-d 大スパン梁寸法
階数3020102寸法
H-1000×320×19×25
H-1000×300×19×28
H-1000×350×19×28
H-1000×320×19×25

313. 立体モデルおよび解析条件概要
竣工図面および構造計算書をもとに、図 2-a に示す立体モ

26デルを作成している。地下部分は、地下 6 階までが剛性の高21

い RC 構造となっているため、本研究では地上階の構造部材16のみ扱う。また今回は、2 次部材等の非構造部材による剛性階や減衰の寄与が考えられるが、2 次部材の評価は非常に困難

11なため今回は考慮しない。図 2-b に立体モデルの各階重量を6示す。建物重量は構造図および構造計算書より床（積載荷重、固定荷重）、壁および小梁の重量を算出し構造部材は解析ソ10フト（任意形状立体フレーム弾塑性解析プログラム SNAP
立体モデルの主な仮定条件および解析条件を以下に示す。
・各階の床は剛床と仮定

モデル種別

・パネルゾーンは剛域と仮定

微動観測
補正前
補正後・ブレースは両端ヒンジモデル

4)を採用し座屈を考慮した柴田-若林モデルの履歴特性を使用し、座屈荷重および座屈後安定耐力は学会基準 5)および指針 6)より算出。また、節点間距離を材長とするが、実際のブレース長さ等を考慮し7500NS

Max:594.78gal

-750

ねじれ
1.8
2.3
2.2600NS

Max:33.40gal
系列2-60040 Time(sec) 60202500

Response acceleration spectrum (h=0.01)

2000

首都直下地震NS
首都直下地震EW
首都直下地震UD

1500

04

400
350 Response acceleration spectrum (h=0.01)
300
東海・東南海連動地震NS250
東海・東南海連動地震EW
200
東海・東南海連動地震UD
150
100
5000121000
500001

図 3

もに 1%のレーリー減衰と仮定

23(sec)Time(sec) 200

80

3000

た軸力剛性に補正した。その固有周期の比較を表 3 に示す。
・大学棟の減衰は既往の研究 2)より、並進 1 次および 2 次と1次
2.75
2.94
2.91

固有周期(秒)
EW
2次
1次
2次
0.89
2.63
0.87
0.95
2.88
0.99
0.93
2.82
0.98
Acceleration (gal)とし、正負で異なる全塑性モーメントを算出。

NSResponseacceleration (gal)用。また、全ての部材を床スラブの剛性を考慮した合成梁Response
acceleration (gal)

・梁は材端バネモデル 4)を用いバイリニア型の履歴特性を使

Acceleration (gal)・柱脚の支持条件は固定と仮定

15000

図 2-b 各階重量
固有周期比較

図 2-a アクソメ図表3V.44)）による自動計算により算出した。

5000
10000
重量（k N ）400

600

3(sec)

4

上:時刻歴波形 下:加速度応答スペクトル(h＝0.01)
左側：想定首都直下地震 右側：想定連動地震

・入力波は NS、EW、UD 成分の 3 方向入力とする
31

4 サイト波を用いた弾塑性応答解析

26

4.1 入力地震波
特徴が異なる入力地震波として、首都圏で想定されている危険性の高い、想定首都直下地震

7）（本研究室における強震動予測により作成）および想定連動地震 8）（株式会社大成建

2116
階11設より提供）を用いる。図 3 に時刻歴波形、減衰定数 1%の6加速度応答スペクトルをそれぞれ示す。これより、想定首都1直下地震では振幅が大きく、直下型地震らしい衝撃的な波形0が見られ継続時間が 20 秒前後であり、短周期成分が卓越し5001000 （gal）1500

図 4-a 最大加速度（想定首都直下地震）
図 4-b 塑性ヒンジ図(想定首都直下地震)
左:X2 通り 右:Y14 通りていることが分かる。想定連動地震では、首都圏では伝播仮定において、短周期成分がほぼなくなる予想から長周期成分のみを考慮している。また、直下型地震のような衝撃的な波形は見られず時刻歴の最大値も 40gal 程度であるが、継続時3131間は 600 秒程であり長い。これらより両者の特徴が異なるこ

2626とが確認出来る。

2121

補強前のモデルを D0 と呼び、応答の大きい NS 方向の解

16
せ階 ん
11 断

析結果を図 4 および図 5 に示す。最大加速度より、首都直下

6 形

4.2 解析結果および被害予測

変地震の最大加速度は NS 方向で屋上階および中層階の応答が約 1000gal と大きな値が確認された。塑性ヒンジ図では、それぞれ塑性率が 1 を超える部材について赤点を描きその値

曲げ
含む
変形
角10角（rad）

1/200

1/100

16
階
11ブレース梁

6100.5

図 4-c 左:最大変形角 右:平均塑性率（想定首都直下地震）

1 塑性率 1.5

を示している。境界梁の塑性率が大きい事が確認できる。ブ
レースが配置されている通りが塔状建物のように独立して変形することにより、それを結ぶ境界梁が曲げによる力を受けていると考えられる。

3126

首都直下地震では、高層階および低層階における境界梁に21被害が大きく、2 次モードの影響を受けている。塑性率は大16階
11

きいもので 4.3 程度である。実際に梁が受ける損傷と塑性率の関係は実大実験等を行わなければ把握出来ないが、既往の6研究における合成梁を用いた実大実験 9)より塑性率 3.0 程度

1では大きな損傷は出ず、負曲げ時に下フランジにわずかな局0部座屈を生じる程度であると論じている。最大変形角におい500

1000 （gal）1500

図 5-a 最大加速度（想定連動地震）て、解析ソフトの出力は曲げ変形を含んだ値となっている。
そこで、ブレースの変形量から各層のせん断変形量を算出し、

図 5-b 塑性ヒンジ図（想定連動地震）
左:X2 通り 右:Y14 通り

求めた変形量を階の高さで除した値をせん断変形角とする。
せん断変形角は、21 階が周辺階に比べ大きい。この階は EW

3131

方向にスーパーフレームが配置されている階であり、階高は2626

周辺階に比べ約 1.5m 高くなっている。EW 方向はスーパーフ

2121

レームの効果により水平剛性が高いが、NS 方向は柱やブレースの断面性能が高められていないことが原因であると考えられる。ブレースは長期軸力を大きく受ける低層階の被害が断変
6 形角階に比べ大きな塑性率であり、大きいもので塑性率 1.6 程度となり周辺階の約 2 倍である。配置されているほとんどのブ曲げ含む変形
角16せ階 ん
11確認された。最も注目すべきは NS 方向 21 階である。周辺

10（rad）

1/200

16階
11611/1000が確認された。ブレースは H 形鋼弱軸使いであるが既往の1

塑性率 1.5F(KN)
Fmax

研究において、このような設置によるブレースは見られず、

表 3-a:オイルダンパー概要

今後、実大実験により損傷状況を確認する必要がある。続い型式 SD2000kN-160
最大減衰力Fmax(kN)
2000
リリーフ減衰力Fr(kN)
1600
減衰係数C1(kN・s/mm)
50
減衰係数C2(kN・s/mm)
3.39
内部剛性kd(kN/mm)
430

れ境界梁の塑性化が目立つ。想定首都直下地震では、高層お0.5

図 5-c 左:最大変形角 右:平均塑性率（想定連動地震）

レースが塑性化しており構造的に弱い部分になっていることて想定連動地震でも、想定首都直下地震と同様な傾向が見ら

ブレース
梁

C２Fr

よび低層部に塑性部材が多かったが、高層階はほぼ塑性化しV(mm/s)

C1Vmax

図 6-a 減衰力-速度関係図ていない。1 次モードが卓越しているため、2 次モードが卓越した想定首都直下地震と異なり高層部には塑性化が少なくなったと思われる。ブレースは想定首都直下地震と同様な傾向が見られ長期軸力が大きい低層階に塑性化が多い。また、想定首都直下地震に比べるとブレースの被害が少ないことが

表 3-b ダンパー設置数
設置階211～4合計

D0

D88本

D400本8本

40本8本

確認出来た。
X25 超高層建築物の制震補強

X2 通り

X4 通り

X4 図 6-b ダンパー設置位置

X2 通り

X4 通り

5.1 オイルダンパー概要および設置位置
前章において応答の大きい 21 階および低層階にダンパーを設置(D40 と呼ぶ)し、建物の構造被害のみではなく、BCPの観点から建物内部の被害を抑えることが必要となるため、曲げ変形をふくむ最大層間変形角を 1/100 以下に抑えることを目標とする。今回の解析で用いたダンパーの概要、設置数
および設置位置を表 3 および図 6 に示す。図 6-b の赤線は既存ブレース位置であり青線で示す箇所にダンパーをそれぞれ設置する。X2 通りではブレース型に 2 ヶ所、X4 通りでは X型に 2 本設置する。実際に配置する際には X4 通りのダンパーは K 型に 2 本設置すると想定する。また、昨年の補強案である 21 階のみ設置(D8 と呼ぶ) も比較する。

図 6-c ダンパー設置位置軸組図 左：D8 右：D40（青線：ダンパー設置位置）

5.2 制震補強前後の解析結果比較
前章に示したダンパーを用い地震応答解析を行った。図 7に解析結果を補強前後で比較し示す。想定首都直下地震では、ダンパーを設置した 21 階および 1～4 階で最大せん断変形角の低減が大きい事が確認できる。ブレースの塑性率においても低層階および 21 階周辺においても応答の低減が見られる。
梁も同様な傾向が見られるが中層階において塑性化が進行している。想定連動地震では、最大せん断変形角およびブレー

313126D0D826
D40212116階
1116階 せん
1161026る）を吸収し約 4 割あった塑性ひずみ E を約 2 割まで低減し21ている。想定連動地震ではダンパーが約 5 割の E を吸収し約1000

1/200

1/100

D0D8D40262116階
116 まとめと今後の課題（1）スーパーフレームが配置されている直行方向である NS

616階
11ブ
レース

梁

61

10

境界梁および低層階に被害が集中することを確認した。

10（rad）（gal）1500
D031D8D40

3 割あった塑性ひずみ E が約 1 割まで低減している。

方向 21 階において変形が大きく、構造的な弱点になること、50031

都直下地震ではダンパーが約 4 割のエネルギー（以下 E とす

曲げ含む変形
角断変
6 形
角ス塑性率にあまり効果がないが、中層階から低層階における梁塑性率に応答の低減が確認された。図 7-c を見ると想定首D0D8D40D0D8D40
系列10.5

1 塑性率 1.5 00.5

1 塑性率 1.5（2）NS 方向の曲げ含む最大層間変形角を 1/100 以下に抑え

図 7-a 補強前後による解析結果比較（想定首都直下地震）
上段 左:最大加速度
右:最大変形角
下段 左:ブレース平均塑性率 右:梁平均塑性率

る制震補強案の検討を行った。

3131

2626

足できたが、中層階の梁の塑性化が進んだ。想定連動地震で2121はせん断変形角およびブレースの応答はあまり低減されない

16階
1116階 せん
D0 11断（3）応答解析を行った結果、想定首都直下地震ではダンパーを設置した階において応答の低減が確認でき、目標値を満が、梁の応答の低減が確認できた。
（4）エネルギーの収支に着目するとダンパーのエネルギー吸収の比率が高く効果的にダンパーが作用していると考えら6れる。また、部材の塑性化の程度が小さくなったため、ひず1

るが、既往の研究においてこのような設置によるブレースは見られず、実大実験により損傷状況を確認する必要がある。
参考文献
1）小菅芙沙子他:日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）
構造Ⅱ、pp.617-618、2007.8
2) 星幸男他：日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）
pp.817-818 2008.93)島村賢太他：日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）構造Ⅱ、pp.819-820、2008.9
4）株式会社構造システム:SNAPVer.3 テクニカルマニュアル
5）日本建築学会編:鋼構造設計基準、日本建築学会
6）日本建築学会編:鋼構造限界状態設計指針・同解説、日本建築学会
7)田中良一他:首都圏に建つ超高層キャンパスと地域連携による地震防災に関する研究（その 2）首都直下地震の強震動予測、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）、構造Ⅱ、pp.815-816、2008.98）大成建設株式会社:新宿センタービルの長周期・長時間地震動対策、POST EEC 資料、2008.8.59)見村博明他:合成ばりの耐力と塑性回転変形能力に関する実験その 3 鉄骨骨組みに組み込まれた合成ばり 日本建築学会
構造系論文報告集439 号 1992.9 pp.153-163

曲げ
含む
変形
角変

6 形

角

10

みエネルギーによるエネルギー消費が少なくなった。
今後の課題として大学棟ブレースは H 形鋼弱軸使いであD8D40D0D8D40D0D8D40
系列40（gal） 500

250

311/100（rad）

1/200

26

31D0D8D40212116階
1116
階
11D0D8D4026ブレース

6梁61100.5

1 塑性率 1.50

0.51 塑性率 1.5

図 7-b 補強前後による解析結果比較（想定連動地震）
上段 左:最大加速度
右:最大変形角
下段 左:ブレース平均塑性率 右:梁平均塑性率80%
60%

58%

48%

60%
23%

40%
20%

建物減衰E
ダンパー減衰塑性ひずみE47%

建物減衰E
ダンパー減衰 100%
塑性ひずみE
47%
80%

100%

42%

29%

0%
D0

Ｄ838%

40%
20%

15%
Ｄ40

75%

53%

31%
25%

0%
D0

15%
D8

図 7-c 補強前後による解析結果比較
左:想定首都直下地震 右:想定連動地震

48%
5%
D40