工学院大学建築系学科卒業論文梗概集
久田嘉章研究室 2011 年度

超高層建築の強震観測記録と地震応答解析
D1-08011 荒川
表 1： オフィス棟構造概要

1．はじめに近年首都圏では大地震が起きる危険性が高まっていると言われており、首都圏に建つ超高層建築物の対策が急務となっている。その中でも、今後 30 年の間に 70%の確率で発生すると想定される M7 クラスの首都圏直 下 型地震による震源近傍の強震動や、今年発生率が 88%に 上

建物名称
建築場所
竣工念
基準階面積
階数
アスペクト比がった東海地震のような M8 クラスの海溝型巨大地震 に構造種別よる長周期地震動に対する対策の必要性は高い。また、最近では構造的被害だけでなく、BCP（事業継続計画 ）などを始めとする建物の機能維持も求められるようになっている。
2010 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震で超高層建築物である STEC 情報ビル（以下、オフィス 棟と呼ぶ）を対象とし、これらの観測記録を前震・本震・オフィス棟（STEC情報ビル）
東京都新宿区西新宿
1989年
1499㎡
地上28階、地下6階、塔屋１階
NS：3.96、EW：3.16
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

表 2-1：柱寸法
階数2920101は過去に例がないほど大きな振幅レベルの波形が観測された。そこで本研究では、新宿副都心の一角に位置する

表 2-2：ブレース寸法
階数3020102寸法□-488-19□-488-19□-522-36□-600-75

表 2-3：大梁
階数3020102寸法
H-1000×400×19×32
H-1000×400×19×28
H-1000×400×19×28
H-1000×400×19×28

表 2-4：大スパン梁

寸法
H-600×300×12×16
H-600×300×12×16
H-600×300×12×16
H-600×300×12×16

階数2920101寸法
H-300×300×16×22
H-300×300×16×19
H-300×250×9×16
H-300×250×9×12

余震に分けて、様々な振幅レベルでの超高層建築物の振動 特 性 を 把 握 す る 。 1) ま た 、 こ れ ら の 観 測 記 録 を 入 力 地
震波とし、オフィス棟立体モデルでの弾塑性地震応答解析を行い、振幅レベルの大きな地震波でも精度の高い解析結果を得ることができるモデルへと改善する。

2．対象構造物概要
オフィス棟の建物概要 2) を 示す。表 1 に建物概要 、表2 に各部材寸法、図 1-1 に 東側立面図、Y13・X10 通 り軸組図、図 1－2 に基準階平面・伏図を示す。表 2 に示す部材寸法の位置は、図 1 の Y13、X10 通り軸組図の 太線で示す部分をとっている。地上部は S 造のブレース 付きラーメン構造となっており、東西端部に 9.6m 幅の ブレース構造のコアを持つダブルコアの建物である。また、コアを結ぶ 22.4m の大スパ ン梁が 8 本配置されてい る 。

図 1-1： 左）東側立面図右）軸組図

図 1 に示す通り、東西端部のコアの大きさが X 通り方向で異なるため、ブレースの配置が対称ではなく、偏心によるねじれの影響が懸念される。なお、ブレースは H 形

NS2NS1鋼弱軸使いとなっている。
次に強震観測システムの概要について示す。図 1 立面EW
UD

図に強震観測センサーの設置階を、平面図に設置場所を示す。センサーはサーボ型 加速度計であり、1989 年の 竣工時以来強震観測を行っている。センサーはそれぞれ床梁に設置 され ており 、NS 成分はね じれ 振動が 観測出 来るよう東西端部の計 2 箇所に配置されている。

洋輔

図 1-2： 左）基準階平面図右）基準階伏図

3．強震記録による振動特 性の評価
オフィス棟 28 階で観測さ れた強震記録を用いて 建物の振動特性の評価を行う。使用する強震記録は前記した強震観測システムによって観測されたものを用いる。表3 に 2007 年～2010 年ま で に観測された代表的 な地震波
詳細、図 2 に 2007 年～2010 年までに観測された記録のNS 方向速度 波形と対応す るフーリエスペ クトル 、 表 4に今回発生した東北地方太平洋沖地震の前震・本震・余震の代表的なものの詳細、図 3 に前震・本震・余震に おける NS 方向速度波形と 対 応するフーリエスペクトル を示す。なお、上記に示した観測波形は紙面の都合上、それぞれについて代表的な 5 つの観測波形を載せてあ る。
本報告では上記のものを含む、2007 年～2010 年ま で に図 3-1： 東北地方太平洋沖 地震の主な速度波形観測された 37 波形と今回の前震・本震・余震 850 波形

2000の計 887 波形を使用する。

500

表 3： 2007～2010 年まで の主な 観測地震波
地震名称

表示名称

発生時刻

茨城県沖の地震同2008年5月8日1時45分

岩手県内陸南部

同

福島県沖の地震

同

東海道南方沖の地震

同

駿河湾の地震同速度フーリエ振幅スペクトル(28F-NS)

本震

余震151550

前震

余震1506
余震15572.5

3震源深さ マグニチュード
551km

M7.0

2008年6月14日8時43分

8km

M7.2

2008年7月19日11時39分

32km

M6.9

2009年8月9日19時55分

333km

M6.8

図 3-2 速度フーリエスペクトル（東北地方太平洋沖地 震）

2009年8月11日5時07分

23km

M6.5

図 4 に NS 方向の最大速度 振幅と周期の関係を 示す。

10.5

11.5

23.5

44.5
周期(s)

図には縦軸に各観測波形の卓越周期、横軸に最大速度振幅を示す。図中の点を本震発生前後で分け、それぞれについて近似曲線を引くと、1 次・2 次・ねじれモード のどのモードであっても最大速度振幅の値が大きくなるにつれ、大きな周期の値をとることが分かる。表 5 に示す
周期の伸び率を見ると、本震発生前後共に、1 次モー ドで約 0.3 秒、2 次モ ードで 約 0.1 秒、ねじれモードで 約0.2 秒の伸 びが 確認で きる 。この ことか ら 周 期は振 幅 の大きさに比例するという依存性が認められる。また、本
震発生前より本震発生後の近似曲線の方が、どの振幅レベルであっても大きな周期の値を取ることが分かる。このことから、本震発生後に全体的に周期が伸びているこ
図 2-1：2007～ 2010 年まで に観測された主な速度波形とが確認できる。このことは図 5 に示す周期の移り 変 わ

速度フーリエ振幅スペクトル(28F-NS)

りからも良く分かる。図 5 は縦軸に NS 1 次モードの 卓

300

駿河湾の地震50

東海道南方沖の地震

岩手県内陸南部
茨城県沖の地震
福島県沖の地震

越周期、横軸に発生日時をとっており、本震発生前後で約 0.2 秒の周期の伸びが見て取れる。この結果は 2 次・ねじれモードでも同様に確認できる。

0.5 0.5

1

図 2-2

1.5

22.5

33.5

4

周期(s)
4.5

速度フーリエスペ クトル（2007～2010）

表 4： 東北地方太平洋沖地震の前震・本震・余震
地震名称

表示名称

発生時刻

震源深さ マグニチュード

三陸沖地震

前震

3月9日11時45分

8km

M7.3

東北地方太平洋沖地震

本震

3月11日14時46分

24km

M9.0

三陸沖地震

余震1506 3月11日15時06分

10km

M7.0

茨城県沖地震余震1515 3月11日15時15分

80km

M7.4

茨城県沖地震余震1557 3月11日15時57分

20km

M6.1

3.1
3.05
32.95
2.9
2.85
2.8
2.75
2.7
2.65
2.6
2.55
0.01

振幅依存性（NS-1次モード）本震

周期(s)

5

2007～2011年前震(周期×最大振幅)
本震+余震(周期×最大振幅)

最大速度振幅(cm/s)
0.1

110

図 4-1： 振幅依存性 NS-1 次モード100

4．2 入力地震波
図 6 に前震・本震・余震 それぞれの NS 方向入 力地 震波を示す。なお、前震・本 震・余震は表 4 に表記した もAcceleration(gal)のとし、余震に関しては余震 1515 を使用する。

図 4-2： 振幅依存性 NS-2 次モード

3

前震

NS Max:2.5085984gal

-3
0100

200

300

400500600

Acceleration
(gal)

100
本震

NS Max:95.269146gal

-100
0100

200

300

400500600

Acceleration
(gal)

40

NS Max:34.194433gal-40

図 4-3： 振幅依存性 ねじ れモード

0100200300400500600

図 6： NS 方向入力地震波 （上から 前震・本震・余震）

周期の移り変わり_オフィス棟_NS1_1次

4．3 地震応答解析結果
図 7・図 8 に前震・本震・余震それぞれについての時(

3.33.23.13周
期 2.92.8ｓ
2.7
2.62.5
2.4 2007年
日数（ 日）
0余震)

刻歴速度応答波形と各階の速度最大値を観測記録と解析
周期の移り変わり_オフィス棟_NS1_1次
2011年3/11本震

結果で比較したものを示す。図から分かるように前震・2011年12/31

図 5： 周期の移り変わり NS-1 次モード

本震・余震どの解析結果も観測記録と比較し、あまり一

表 5： 周期の伸び率致していないことが分かる。比較的観測記録と合ってい上限 伸び(s) 伸び率(%)
2.80
0.23
8.74%
3.05
0.38
14.02%
0.90
0.10
12.50%
0.95
0.10
11.76%
2.90
0.20
7.41%
3.20
0.33
11.30%
0.90
0.05
5.88%
0.98
0.08
8.33%
2.00
0.15
8.11%
2.15
0.25
13.16%

た前震であっても NS 方 向 の各階最大値 や波形に誤差が生じ、精度の高い解析結果とは言い難い。このことから既存のモデルの再検討が必要である。
15

Velocity(kine)

下限
1次（本震前）2.58
1次（本震後）2.68
NS
2次（本震前）0.80
2次（本震後）0.85
1次（本震前）2.70
1次（本震後）2.88
EW
2次（本震前）0.85
2次（本震後）0.90
ねじれ（本震前） 1.85
ねじれ
ねじれ（本震後） 1.90

観測記録 Max:3.83kine

105

解析結果 Max:2.95kine

0-50200Time (sec)400600400
観 測 記録 Max:66.28kine
200Velocity(kine)

4．既存のモデルでの地震 応答解析
4．1 モデル概要-200

使用するモデルは、既往の研究 3) で妥当性が確認され0ているモデルを使用する。仮定条件および解析条件を以Velocity(kine)

・柱脚の支持条件は固定と仮定長等を考慮した軸力剛性に補正
・ブレースは座屈を考慮した柴田 -若林の履歴特性 4) 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
・並進 1 次及び 2 次に減衰定数 1%のレーリー減衰・NS 成分・ EW 成分・UD 成分の 3 方向同時入力

600

観 測 記録 Max:29.67kine
解 析 結果 Max:47.30kine

00

・パネルゾーンは剛域と仮定
正負で異なる全塑性モーメントを算出

400-100

・各階の床は剛床と仮定

・ブレースの材長が節点間距離となっているが実際の材Time (sec)200100下に示す。

・梁は材端バネモデルとし全ての部材を合成梁と評価し

解 析 結果 Max:123.00kine
0Time (sec)200400600

図 7：28 階 NS 速度応答 波形比較 上から前・本・余震
313131262626212121161616（ 階）

（ 階）

（ 階）

11

NS観測
解析結果

6(kine)101234511

NS観測
解析結果

6(kine)10255075 100 125 150

11NS観測解析結果

6(kine)10102030

図 8：各階速度最大値比較 左から前震・本震・余震

4050

31

31

31

5．立体モデルの改善検討

2626265．1 改善案の提案

212121161616（ 階）

（ 階）

（ 階）

表 6 に各周期の比較を示す。表より観測の卓越周期とモデルの固有周期が異なることで解析結果に誤差が生じ11NS観測解析結果ているものと考える。このことから既存の立体モデルでは周期特性が過小に評価されているということが分かる。
そこで本研究では柱梁接合部（パネルゾーン）の検討

6(kine)101234511NS観測
解析結果

6(kine)10255075 100 125 150

11NS観測解析結果

6(kine)1010203040を行う。既往の研究では、パネルゾーンは剛域と仮定さ

図 10：各階速度最大値比較 左から前震・本震・余震れているが、実際のパネルゾーンは多少の力を負担し、

図 11・図 12 に解析結果に 大きな誤差が生じた本震でせん断変形をするため、パネルゾーンを剛域と仮定するの層間変形角と塑性分布を示す。図 12 よりモデル改 善のは正確ではないと言える。そこでパネルゾーンを剛域前後とも解析では NS 方 向 で多くの 塑性が見られたが、とするのではなく、剛性を考慮することによって立体モ

実際はこ のよ うな塑 性は発 生し ない こと から解 析で NS

デルの剛性を下げ固有周期を伸ばし、観測記録の卓越周方向に誤差が生じたのはこのことが原因の 1 つであ る と期に近づけることで解析結果の精度を高める。

考えられる。また図 11 を見ると NS 方向であってもほ と5．2 パネルゾーンの検討

んどの階で 1/200 以上の 値とはなっていないことから、パネルゾーンの剛性を考慮することとする。剛性の算
出は以下の(5-1)式を用 い て SNAP 上 で 自 動 生 成 4) す る 。

𝐾𝑦𝑝 = 𝐾𝑥𝑝 = 𝐺𝑉
V = 𝐵𝑥 ∗ 𝐵𝑦 ∗ 𝐷𝑧
V：体積

塑性の発生した原因はモデル自体の剛性の評価が高すぎることにあると思われる。
31

NS(5-1)

G：せん断弾性係 数26

K：剛性21

表 6 に既存モデルとパネ ル ゾーンの剛性を考慮したモデルの固有周期比較を示す。表より、モデル改善後の固有16階
11周期の方が改善前よりわずかに伸びていることが確認できるが、本震の卓越周期 ほど伸びていないことが分かる。

10

表 6：各周期の比較
NS1次
前震卓越周期2.76
本震卓越周期
2.98
既存のモデル
2.65
仕口剛性考慮モデル 2.70

NS2次0.90
0.93
0.88
0.90

6

EW1次
2.87
3.18
2.72
2.87

EW2次
0.91
0.98
0.89
0.93

ねじれ1.99
2.15
1.92
1.98

既存モデル
層間変形角

仕口剛性考慮
層間変形角

1/200 （rad） 1/100

図 11：左 本震時 各階層間 変形角 NS 方向
図 12：右 本震時 塑性分布 図 左 X15 右 X17 通り(NS)
6．まとめ

5．3 改善モデルでの地震 応答解析

観測記録よりオフィス棟の振動特性を調べた。これよ改善モデルを用いて地震応答解析を行う。入力地震波

り周期の振幅依存性が 1 次・2 次・ねじれモードのそれは 4 章同様、図 6 に示すものを用いる。図 9 に時刻歴速ぞれで顕著に確認できた。また、本震後の周期が全体的度応答波形、図 10 に各階 の速度最大値を示す。図 よりに伸びていることが確認できた。

前震に関しては良い結果が得られたが、本震・余震に関さらに既存モデルで前・本・余震の解析を行ったとこ

しては改善前同様、精度の高い結果は得られなかった。

ろ、結果に大きな誤差が生じた。そこでパネルゾーンのVelocity(kine)

15剛性を考慮したモデルを作成し、同様に解析を行ったと
観測記録 Max:3.83kine

10

ころ、前震に関しては妥当な解析結果が得られたが、本5

解析結果 Max:3.64kine

震・余震では既存の立体モデル同様、良い解析結果が得

0-50200Time (sec)400

600400
観 測 記録 Max:66.28kine

Velocity(kine)

200解 析 結果 Max:111.00kine

0

された卓越周期とモデルの固有周期が異なるためであると思われる。そのため今後は、モデルの剛性を見直し正確に評価することで、より制度の高い解析結果を得られ

-200

0200

Time (sec)400600

観 測 記録 Max:29.67kine

100Velocity(kine)

られなかった。これらの結果に誤差が生じる原因は観測

解 析 結果 Max:43.30kine
0-1000200

Time (sec)400600

図 9：28 階 NS 速度応答 波形比較 上から前・本・余震るモデルへの改善を行う。
参考文献
1) 久 田 嘉 章 、 近 藤 龍 也 、 広 澤 雅 也 ： 工 学 院 大 学 新 宿 校 舎 の 地 震 防 災 に 関す る 研 究 （ 最 終 報 告 ）、 工 学 院 大 学 総 合 研 究 所 年 報 、 第 3 号 、 1996 年2) 日 本 設 計 事 務 所 株 式 会 社：KDN 街 区（ 仮 称 ）再 開 発 計 画（ 構 造 概 要 書 ）3) 藤 波 昭 秀：首 都 圏 に 建 つ 超 高 層 建 築 の 制 震 補 強 に 関 す る 研 究 2010 年
度工学院大学卒業論文
4) 株 式 会 社 構 造 シ ス テ ム ： SNAP Ver.4 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50