免震建物に作用する津波荷重に関する水理模型実験
明治大学大学院
1

はじめに波高計

阪上雄斗

流速計

東北地方太平洋沖地震以降，各自治体より津波避試験体

難ビルの整備など多岐に渡る津波対策が行われており，国土交通省より式(1)で示される静水圧式を用2000(水柱)

いた検討方法が示されている 。一方で，免震建物
1)1000(消波ビーチ)

6000
(陸部)

4000
(一様水深部)300

7500

においては津波が作用した際の波圧分布や津波荷

5500
13000

図2

実験装置概要重の評価法については未だ不明確である。
そこで，本研究では免震建物を対象とした水理模建物試験体の対象建物は高さ 28m，幅 8m，奥行型実験を実施し，免震建物に作用する波圧分布につき 24m の 8 階建て RC 造とした。縮尺は 1/80 とし，いて分析を行い，免震建物への静水圧式の適用性を原型の免震周期を 4s とした試験体である。表 1 に評価することを目的とする。
zQT = ρgB (1-γ ) ∫z 2 (aη - z )dz

示す免震試験体諸元はフルードの相似則に従って1(1)設定した。試験体材料はアクリル板およびステンレス鋼板を用いた。免震層はリニアボールスライダーと引張りばねを用いて再現した。
波力試験体はステンレス鋼板を用い，上部固定の片持ち支持として実験水路に設置する(図 4 参照)。
試験体幅は，建物試験体と同じ 10cm とした。

図1

表1

静水圧式の概要図

ここで，ρ：水の単位体積質量，g：重力加速度，B：受圧面の幅，z2：津波受圧面上端高さ，z1：津波高さ H
幅B
奥行き D
質量 m
固有周期 T
水平剛性 K
変位 δ

受圧面下端高さ，a：水深係数，η：設計用浸水深2

水理模型実験概要

2.1

実験装置および試験体実験水路および測定機器の配置を図 2 に示す。実験水路は，全長 13m，水路幅 30cm，高さ 40cm の矩2.2

建物試験体諸元

建物試験体諸元
縮尺
原型
試験体
λ28m
35cm
λ8m
10cm
λ24m
30cm
31997t3.9kg
λ4.0s0.45s
λ 1/224927kN/m
769N/m
λ
λ51cm
6.4mm

水理模型実験

通過波検定実験と 3 種類の試験体実験を実施した。

形の鋼製水路（一部観察用ガラス）であり，水路端で貯水し遮水壁を開放することで造波する仕組み

通過波検定実験は，試験体のない状態での浸水深 ηである。水路はあらかじめ水を溜めた一様水深部と流速 v を計測し，流れの状態を表すフルード数 Fr(水深 1cm)と陸部に分かれる。一様水深部と陸部の(=v/√gη )の算定を目的として実施した。実験は試験境から勾配傾斜面(全長 1.2m，勾配 1/20)を設置し，体設置位置でのばらつきを考慮して 10 回行った。

津波は勾配傾斜面を遡上して試験体に作用する。

計測はサンプリング間隔を 1/1000 秒とし，流況分析本実験では，図 2 に点線で示す位置で津波の波高のため 16 倍スローの動画を撮影した。

（以下，浸水深）と流速を，それぞれサーボ式波高免震試験体を用いた水理模型実験では，免震建物計と電磁流速計で測定した。計測は試験体からの反に作用する波圧分布を把握することを目的として射波の影響を考慮して，試験体の受圧面から 30cm実施した。津波の浸水深，流速は図 2 に示す位置で前方で実施した。

計測した。図 3，写真 1 に実験の概要と流況を示す。

試験体は建物試験体を模擬した免震試験体，固定また，固定試験体を用いた水理模型実験では，固試験体および試験体に作用する波力を算定するこ

定建物に作用する波圧分布を把握することを目的とを目的とした波力算定用試験体（以下，波力試験として，免震層を固定し免震試験体と同様の実験を体）の 3 種類を製作した。

実施した。

- 1 -

免震試験体波高計

レーザー変位計

少していく傾向にあることを確認した。また，浸水加速度計

深と流速の関係について，流速が最大となる時刻で流速計の浸水深はやや小さく，浸水深が最大となる時刻で波圧計の流速は小さいことから，最大流速と最大浸水深の時刻は一致しないことがわかった。
最大浸水深および最大流速からフルード数を算
実験の流況定し，10 回の実験値を平均すると 1.95 となった。

波力試験体を用いた実験では，試験体に作用する

本実験水路は，0.7～2 程度 2)とされる津波のフルー津波波力の算定を目的として実施した。津波の浸水ド数と概ね近い津波を造波したことを確認した。

図3

免震試験体実験概要

写真 1

8

浸水深 η (cm)深，流速は図 2 に示す位置で計測した。防水処理したひずみゲージをステンレス鋼板の両面に 4 枚ずつ貼付け，試験体の曲げひずみを計測した。曲げひずみからステンレス鋼板に生じる曲げモーメントを

6420-20算定し，その値から得られたせん断力を試験体に作用する津波波力とみなした。図 4，写真 2 に実験の5

図6
流速 u (cm/s)

概要と実験の流況を示す。

Cチャンネル1015時間 (s)0

図4

波力試験体実験概要

写真 2302530

浸水深の時刻歴波形

510

図7波圧計

3.225200
150
100500-50-10015時間 (s)ひずみゲージ

津波

2020

流速の時刻歴波形

免震試験体実験

実験の流況

波圧計(P2,P5,P8)で計測した波圧の時刻歴の一例

波圧の計測に際しては，全ての試験体実験においを図 8 に示す。最下段となる波圧計 P2 が最も大きて試験体前面に図 5 のように 9 個の小型波圧計（左な波圧を示し，計測位置が高くなるにつれて波圧が下から P1～P9）を配置した。計測した各波圧に負担小さくなった。また，P1，P2，P3 のように同一高さ面積を乗じ，足し合わせることで波力を算定した。に配置した波圧計で計測した波圧は，計測値に若干の差はあるものの概ね近い傾向を示した。
2P2

負担
面積A

⑦ ⑧ ⑨④ ⑤ ⑥
① ② ③

1650

波圧 (kPa)

負担
面積AP5P8

1.5
16 33.3 33.3

波圧計
16 33.3 33.3

波圧計

88

10.5
0[mm][mm]-0.5

図55波圧計の配置図

t 6 T

図83

実験結果

3.3

本実験で得られた計測データは 50Hz のローパス

78

9
時間 (s)

101112波圧の時刻歴波形（免震試験体）

固定試験体実験

波圧計(P2,P5,P8)で計測した波圧の時刻歴の一例

フィルタでノイズ除去を行っている。

を図 9 に示す。波圧の最大値には，最下段となる波3.1

圧計 P2 が最も大きな波圧を示し，計測位置が高く通過波検定実験

通過波検定実験の浸水深と流速の時刻歴の一例

なるにつれて波圧が小さくなった。しかし，P2 の波を図 6，図 7 に示す。浸水深は波が計測位置に到達圧は最大値を向かえた後，波圧が低下し，一時的にした後，しばらくして最大の浸水深に達した。一方

P5 の波圧より小さい値となった。同一高さに配置しで，流速は波の到達時に最大値を向かえ，徐々に減た P1， P3 で計測した波圧でも同様の傾向を示した。

- 2 -2P2P54P8

波圧 (kPa)

免震建物に作用する津波波力の評価

4.1

1.5

波力試験体に作用する波力

波圧計から算定した波力（以下，Qc）と曲げひず1みから算定した波力（以下，Qs）の時刻歴の一例を0.5

図 12 に示す。Qc と Qs は概ね同時刻で最大値を示0した。また，多くのケースで Qc の値が Qs を上回っ-0.556

図9t 7 T89
時間 (s)

1011たが，両者の最大値も近い値となることを確認した。

12以上より，波圧で計測した波圧に負担面積を乗じて，波圧の時刻歴波形（固定試験体）波力を評価可能であると考えられる。
10

ここで，図 8，9 に示す時刻 t，T における建物試
験体実験の流況を写真 3，4 に示す。固定試験体の波力 (N)き上がった津波が水塊となり，試験体前面に落下していることを確認した。一方で免震試験体では，津420

波衝突後に変位が生じ，固定試験体と比べ試験体前-2面から離れた位置に水塊が落下した。試験体の違い
原因の 1つとして考えられる。
固定1Qs（曲げひずみから算定した波力）

6

波圧が低下した時刻 T 付近では，試験体に衝突し堰による流況の変化が，固定試験体の波圧が低下した

Qc（波圧から算定した波力）

8468
時間 (s)

1012

図 12 波力試験体に作用する波力の時刻歴波形
4.2 免震試験体に作用する波力
図 13 に免震試験体に作用する波力と波圧の関係を示す。波圧と波力の最大値となる時刻が異なった。
津波先端部は衝撃的な波圧だが，作用する領域は局所的であり，波力への影響は小さいと考えられる。

6.0cm

図 14 に建物試験体の波力の比較を示す。免震試験体の波力が固定試験体の波力を上回り，最大となる

写真 3

固定試験体の流況(左:時刻 t,右:時刻 T)

時刻が異なった。原因としては，固定試験体最下段免震8の波圧が最大値以降に低下することや，波圧と波力で最大となる時刻が異なることが考えられる。
波力 (N)，波圧 (kPa)

1015.5cm

写真 4

免震試験体の流況(左:時刻 t,右:時刻 T)

免震試験体と固定試験体の波圧の時刻歴の比較

10波力Qc
波圧（P5)

86442200-2-25.6

体の方が早い時刻で波圧を計測したが，試験体の違8いによる波圧の大きな増減は確認できなかった。

6免震 P8
固定 P8波圧 (kPa)

1.5

波力 (N)

10免震 P5
固定 P55.8

図 13

時刻に P2 で最大値を示した。P5，P8 では固定試験

免震 P2
固定 P286を図 10 に示す。津波衝突後，両試験体ともほぼ同

2波圧（P2)波圧（P8）

16時間 (s)6.2

6.4

波圧と波力の時刻歴波形（免震試験体）

免震試験体 波力
固定試験体 波力4200.5-25.60-0.5
5.6

5.866.2

6.4

時間 (s)

図 106.64.3

5.86時間 (s)6.2

6.46.6

図 14 免震試験体と固定試験体の波力の比較
免震試験体に作用する波圧の評価

建物試験体の最大波圧 Pmax を ρgηmax で除すことに波圧の時刻歴波形の比較- 3 -より無次元化 3)した。ここで, Pmax/ρgηmax を無次元最4.5

静水圧式を用いた津波波力の評価

大波圧，ηmax は各実験の最大浸水深とする。図 15 に静水圧式の免震建物への適用性を分析する。ここ

建物試験体における最大波圧分布を示す。両試験体

で，式(1)における η は各試験体実験で計測した最大ともに最下段波圧が，静水圧分布を上回ったが，津浸水深，水深係数は堰上げ高さから算定した値，壁波先端部の衝撃的波圧が作用したためであ る。

面開口率は 0 とする。

44a=1.5a=2a=3
波圧計 左波圧計 中央波圧計 右23Z/ηmaxZ/ηmax

3波圧計から算定した波力（以下，実験値）と，堰

a=1.5
a=2a=3波圧計 左波圧計 中央
波圧計 右2上げ高さから算出した水深係数を用いて算定した波力（以下，算定値）および水深係数(a=1.5，2，3)を用いて推定した波力（以下，推定値）を比較した。
建物試験体における実験値と推定値の比較を図110018 に示す。本実験で水深係数 a=2 を用いて，実験値
0123Pmax/ρgηmax(a)図 1504

123Pmax/ρgηmax

免震試験体(b)を概ね包絡することができた。算定値と実験値の関4係を図 19 に示す。実験ケースによって，大小関係固定試験体に違いはあるものの，算定値と実験値は概ね近い値

最大波圧における無次元波圧分布となることを確認した。以上より，水深係数を適切

図 16 に各試験体の最大波力時の波圧における無に設定できれば，免震建物に作用する波力は，静水次元化波圧分布を示す。試験体に作用する波圧は概圧式を用いて概ね評価することができるといえる。

ね a=2.0 付近に分布し，静水圧分布と近い傾向を示

しかしながら，衝撃的な波圧である津波先端部がしたが，固定試験体最下段の波圧分布は a=2.0 を下作用する場合に，波圧分布は静水圧分布と一時的に回った。これは，固定試験体の波圧が最大値を向か異なる可能性があることに留意する必要がある。
14えた後，著しく低下したためである。

23Z/ηmax

Z/ηmax3a=1.5a=2a=3
波圧計 左
波圧計 中央波圧計 右211001086440123Pmax/ρgηmax

04123Pmax/ρgηmax

図 1845(b) 固定試験体(a) 免震試験体
図 16 最大波力時における無次元波圧分布
4.4 水深係数の算定

免震試験体
固定試験体

13実験値(N)4a=1.5a=2a=3波圧計 左波圧計 中央
波圧計 右12波力 (N)415a=3 0a=2a=1.5
免震試験体
固定試験体
6810浸水深ηmax(cm)

実験値と推定値

11977

図 1991113
算定値(N)

15算定値と実験値まとめ
本論では，免震建物に作用する波圧分布の分析を行い，免震建物への静水圧式の適用性について評価

建物試験体実験における津波波力が最大となるを行った。衝撃的な波圧である津波先端部が作用し時刻で，津波の堰上げ高さを動画（写真 5 参照）でた際の最大波圧分布は，一部静水圧分布を上回った。

計測し，各実験ケースの最大浸水深で除すこと水深

一方で，波力最大時の波圧分布は，静水圧分布と近係数を算定した。図 17 に浸水深と水深係数の関係い傾向となることを確認した。また，堰上げ高さかを示す。実験ケースでばらつきはあるが，本実験でら算定した水深係数の検討より，水深係数を適切には，水深係数は概ね a=1.5～2.5 の範囲となった。

設定できれば免震建物に作用する津波波力を静水

水深係数314.8cm2.5

免震試験体圧式を用いて，概ね評価することが可能であること固定試験体を確認した。

21.516

写真 5

堰上げ高さ

図 1778浸水深(cm)9浸水深と水深係数

参考文献
1. 国土交通省国土技術政策総合研究所：津波避難ビル等の構造上の要件の解説,2012.3
2. 松冨英夫ら：Banda Aceh と周辺における 2004 年イン
ド洋津波と被害想定からみた課題,海岸工学論文集，第 52 巻,pp1366-1370
3. 朝倉良介ら：護岸を越流した津波による波力に関する実験的研究，海岸工学論文集,第 47 巻,pp.911-915- 4 -