3.長周期地震動と超高層建物の応答性状と対応策

既存鋼構造超高層建物の耐震性能分析

日本建築センターの機関誌ビルディングレターに掲載された評定シートから、図1に鋼構造超高層建物の設計用ベースシア係数 C_b と周期 T の関係を示す。

1次設計（許容応力度設計）用の超高層建物のベースシア係数 C_b は、概ね図中に実線で示す基準法の2種地盤の C_b = C₀•R_t 曲線とその2倍（図中の点線）の間に分布している。

R_t 曲線は周期1秒以上では、C_b = C₀ /T であることから、C₀ = T•C_b が成立する。

図1の既存超高層建物の設計用ベースシア係数 C_b を T•C_b を指標として分析する。

鋼構造超高層建物の T•C_b の分布を図2に示す。

鋼構造超高層建物は概ね0.3を中心に T•C_b = 0.2～0.4の比較的狭い範囲に分布している。

その期待値 C₀ が0.31、標準偏差σが0.081となっていることから、鋼構造超高層建物の設計用ベースシア係数 C_b は、C₀ = 0.3を平均値として概ね C₀ = 0.2～0.4の範囲（ C₀ = C₀ ± σ ）に限定される。

図1 鋼構造超高層建物の T — Cb 関係	図2 鋼構造超高層建物のT•Cb

建築構造物の耐震性評価

標準せん断力係数を C₀ = 0.2～0.4とパラメトリックに変化させて設計された30層純ラーメン架構の鋼構造超高層建物を対象に長周期地震動と標準波を用いた時刻歴応答解析を行った。

架構モデルの1次固有周期は T₁ = 3.0～4.3秒、降伏せん断力は設計値の1.3倍以上、終局せん断力は設計値の1.6倍以上としている。

これらの架構モデルに対する標準波と東京・横浜、名古屋、大阪地区の長周期地震動による時刻歴応答解析を行った。

その応答結果に対して、層せん断力、層間変形角、層の塑性率などの最大値と、エネルギー釣合に基づく応答評価法を適用して、累積塑性変形倍率などの累積値に対する評価を行った。

それらの検討から以下のことが明らかになった。

(1)	長周期地震動は固有周期が特定の周期帯にある構造物に対して極めて大きな最大値と累積値を与える。その周期帯は東海・東南海・南海地震による大阪地区では4～6秒、名古屋地区では2～4秒にある。応答値はそれほど大きくならないが首都圏では2～4秒と6～8秒に想定される。
(2)	長周期地震動による鋼構造超高層建物の応答は、全体的には、層間変形角や塑性率などの最大値は一般的な設計目標値を若干上回る程度に納まっている。一方、累積塑性変形倍率や塑性エネルギー吸収量などの累積値は数倍程度大きくなることから、累積値に対する耐震安全性の検証が必要になる。構造骨組が塑性変形能力を有する場合には耐力上重大な問題が発生することは少ないと予測されるが、やや大きな残留変形が残ることや、設計時の想定を超える層間変位による外装材の破損等が生じる可能性がある。
(3)	固有周期が特定の周期帯にある超高層建物では、標準波・告示波の1.5倍程度の最大応答値と5倍程度のエネルギー入力を想定する必要がある。このような地震動に対して、構造骨組に大きな塑性歪みエネルギー吸収性能を確保する対策を講じるとともに、これまでの想定を超える層間変位に対する内・外装材の脱落防止等を考える必要がある。
(4)	設計用地震動として、速度応答スペクトル SV やエネルギースペクトル VEが周期に関わらず概ね一定値になる模擬波を用いた場合には、標準せん断力係数 C0 を高く設定して降伏せん断力や終局耐力を高めることにより、建物の損傷を軽減させることができる。ただし、降伏せん断力や終局耐力を高めると建物の固有周期が短くなることから、スペクトルがピークを持つ長周期地震動の観測波や予測波では、建物の固有周期が地震動の卓越周期に近づき、最大塑性変形、累積塑性変形倍率ともに増大することもある。
(5)	長周期地震動のエネルギースペクトルは特定の周期帯で大きなピーク値を持つが、構造骨組が大きく塑性化する場合には長周期化と減衰性能の増加により、建物への入力エネルギー量はスペクトルピークを平滑化した値に留まる。
(6)	長周期地震動に対するエネルギースペクトル VE と反復数 f （ 第2回を参照 ）を計算すれば、エネルギーの釣合に基づく応答予測式を適用することで、建物に必要とされる累積塑性変形倍率などの累積値と、最大塑性変形倍率などの最大値が予測できる。
(7)	これまで時刻歴応答解析では、概ね弾性挙動を前提に架構がモデル化されており、塑性履歴性状を終局状態に至るまで適切に評価できる解析技術の開発が必要になる。
(8)	同様に、部材の変形能力を確保するための各種条件については設計用資料として整理されているが、崩壊に至るまでの荷重変形関係を定量的に予測する方法に関する研究は少ない。初期の超高層建築では現行の耐震規定による部材および接合部の条件を満足していない場合もあり、多数の繰り返し載荷を受ける部材の挙動および崩壊条件を明らかにするための研究が必要になる。
(9)	構造骨組の終局状態を評価するには、P-δ 効果の考慮が必要になる。

耐震性能向上に向けての方策

標準的な耐震性能で設計した30層鋼構造純ラーメン架構とその架構に制振ブレースを付与した制振架構モデルを用いて、長周期地震動と最大応答値が等しくなるように振幅を1.5倍に拡幅した標準波による部材レベルの弾塑性応答解析を行った。

これらの検討から以下のことが明らかになった。

(1)	通常の骨組に対してはエネルギー吸収能力を増加させるための部材の増強及びエネルギー分布の偏在を少なくすることが有効である。
(2)	制振ブレース付架構では制振ブレースのエネルギー吸収により純ラーメン架構に比べ架構が吸収する累積塑性履歴エネルギーが大幅に減少している。また、制振ブレースの累積塑性変形倍率が大きいのは、層間変形角や部材の塑性率が大きい中層部ではなく下層部であり、下層部ほどエネルギー吸収効率が高い。
(3)	長周期地震動においても標準波と同様に、塑性変形が大きくなると純ラーメン架構では残留変形が残るが、それを制振構造にすることで最大値と残留変形がともに小さくなる。また、制振ブレース付き架構の境界梁の回転角塑性率は純ラーメン架構の梁端部と同様に大きな値を示すが、残留回転角はほとんど残らない。
(4)	耐震補強が困難な建物に対しては免震層を設け、免震層にエネルギーのすべてを吸収させる方法が有効である。免震層の位置は最下層のみならず上層部に設けることも可能である。

参考文献

1)

秋山宏：エネルギーの釣合に基づく建築物の耐震設計，技報堂出版，1999

2)

北村春幸：性能設計のための建築振動解析入門，彰国社，2002.9

3)

馬谷原伴恵・北村春幸：長周期地震動に対する鋼構造高層建物の耐震安全性評価 その1 時刻歴応答解析による耐震安全性評価，日本建築学会大会学術講演梗概集(近畿)，B-2分冊，p.373，2005年9月

4)

北村春幸・馬谷原伴恵：長周期地震動に対する鋼構造高層建物の耐震安全性評価 その2 エネルギー法を用いた長周期地震動の評価，日本建築学会大会学術講演梗概集(近畿)，B-2分冊，p.375，2005年9月

5)

小鹿泰稔，川崎恵，馬谷原伴恵，北村春幸：長周期地震動に対する鋼構造超高層建物の損傷評価 その1 部材レベルの最大値、累積値，日本建築学会大会学術講演梗概集(九州)，B-2分冊，pp.461-462，2007年8月

6)

馬谷原伴恵，小鹿泰稔，川崎恵，北村春幸：長周期地震動に対する鋼構造超高層建物の損傷評価 その2 部材に着目したエネルギーの釣合に基づく応答予測，日本建築学会大会学術講演梗概集(九州)，B-2分冊，pp.463-464，2007年8月

7)

川崎恵，小鹿泰稔，馬谷原伴恵，北村春幸：長周期地震動に対する鋼構造超高層建物の損傷評価 その3 応答予測式の検証，日本建築学会大会学術講演梗概集(九州)，B-2分冊，pp.465-466，2007年8月