発表 - 久田研究室

Report
首都圏に建つ超高層建築物の地震応答と
制震補強に関する研究
KOGAKUIN UNIVERSITY
工学院大学大学院
久田研究室 修士2年
DM-08038 島村 賢太
首都圏で発生する恐れのある地震例
■ 工学院大学新宿校舎
STEC情報ビル
東京湾北部地震
想定首都直下地震
今後30年 発生確率80%
東海地震
東南海地震
想定東海・東南海連動地震
今後30年 発生確率30~50%
研究の流れ
設計用解析(等価せん断)モデルを用いた
地震応答解析※1
立体モデルによる弾性地震応答解析および
観測記録との比較検討 (大学棟※2・3、オフィス棟)
常時微動観測、人力加振観測、地震観測記録
サイト波を用いた弾塑性地震応答解析とその評価
首都直下地震、東海・東南海連動地震
制震補強案の検討
※1:小菅芙紗子他:首都圏にある超高層キャンパスの地震防災対策に関する研究(その3) 超高層ビルの微動観測と地
震応答解析、日本建築学会大会学術講演梗概集(九州)2007.8
※2:星幸男他: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3)超高層ビルの微動観測
と地震応答解析、日本建築学会大会学術講演梗概集(中国)2008.9
※3:島村賢太他: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4)超高層ビルの地震応
答特性の評価、日本建築学会大会学術講演梗概集(中国)2008.9
対象建築物概要:大学棟
部材寸法(柱)
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:3.73
地上:鉄骨造(ブレース付ラーメン架構)
構造種別 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
NS
EW
38.4
25.6
3.2 3.2
3.2 3.2 3.2
25.6
6.4
3.2 3.2 3.2
3.2 3.2
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
5.5 4.0 4.0 4.0 4.0
4.6 4.3 4.3 4.3 4.3 3.9 3.9 4.3 4.2 4.2
建物名称
建築場所
竣工念
基準階面積
階数
アスペクト比
Y14
X2
太線はブレース位置
基準階伏図
階数
30
20
10
1
部材寸法(ブレース)
寸法
□-488×19
□-500×25
□-530×40
□-550×50
部材寸法(梁)
階数
30
20
10
2
寸法
H-600×300×12×25
H-600×350×12×32
H-600×400×12×32
H-600×350×12×32
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
部材寸法(大スパン梁)
階数
30
20
10
2
寸法
H-1000×320×19×25
H-1000×300×19×28
H-1000×350×19×28
H-1000×320×19×25
30F
25F
20F
15F
10F
5F
軸組図(左Y14、右X2通り)
北側立面図
対象建築物概要:オフィス棟
対象建築物概要
建物名称
建築場所
竣工念
基準階面積
階数
アスペクト比
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)
構造種別 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
部材寸法(柱)
階数
寸法
28
□-488×19
20
□-488×19
10
□-522×36
1
□-600×75
部材寸法(梁)
階数
寸法
29 H-600×300×12×16
20 H-600×300×12×16
10 H-600×300×12×16
2
H-600×300×12×16
部材寸法(ブレース)
寸法
Y13通り H-350×250×9×12
X10通り H-300×250×9×12
部材寸法(大スパン梁)
階数
寸法
29 H-1000×400×19×32
20 H-1000×400×19×28
10 H-1000×400×19×28
2 H-1000×400×19×28
NS
EW
太線はブレース位置
基準階伏図
軸組図(左Y14、右X2通り)
東側立面図
立体モデル概要
立体モデル仮定条件及び解析条件
S
・各階の床は剛床と仮定
・柱脚の支持条件は固定と仮定
・梁は床スラブの剛性,強度を考慮した合成梁として評価
・パネルゾーンは剛域と仮定
・ブレースは接点間距離を材長とし、両端ヒンジモデルを採用
・人力加振観測結果より減衰定数1%のレーリー減衰
・NS成分・EW成分・UD成分の3方向入力
E
W
N
固有周期比較
モデル種別
固有周期
EW
2次
1次
2次
0.89秒 2.63秒 0.87秒
0.89秒 2.71秒 0.94秒
0.93秒 2.83秒 0.98秒
0.87秒 2.64秒 0.83秒
0.86秒 2.63秒 0.89秒
0.90秒 2.71秒 0.91秒
NS
1次
微動観測 2.75秒
大学棟
弾性モデル 2.75秒
弾塑性モデル 2.90秒
微動観測 2.79秒
オフィス棟 弾性モデル 2.65秒
弾塑性モデル 2.75秒
ねじれ
1.8秒
1.9秒
2.1秒
1.9秒
1.9秒
2.0秒
弾性モデル(正曲げのみを評価した合成梁)
対象とする振幅が小さいため、合成梁の床スラブ
にクラックが入らないと仮定
弾塑性モデル(正負曲げを評価した合成梁)
対象とする振幅が大きくなるため、正曲げ、負曲げを考慮
立体モデル
※使用解析ソフト SNAP V4.0 (構造システム)
危険性の高いサイト波を用いた弾塑性地震応答解析
解析目的 妥当性の確認された立体モデルによるサイト波を用いた応答解析より被害想定
を行い、補強の必要性を確認する
弾塑性モデル概要
柱(MSモデル)
・スーパーフレームおよびその上下階のみを弾塑性モデルとした
・軸方向力とモーメントの相互作用を表現出来るMSモデル
梁(材端バネモデル)
・全ての部材を合成梁として正負で異なる全塑性
モーメントを指針を元に算出した ※4
・履歴特性はバイリニア形とし2次剛性は1次剛性 の1/105
とする
ブレース(材端バネモデル)
・座屈を考慮した柴田-若林の履歴特性を使用
・座屈荷重、座屈後安定耐力は、基準及び指針より
算出した※5,6
※4:日本建築学会編:各種合成構造設計指針・同解説
※5:日本建築学会編:鋼構造設計基準
※6:日本建築学会編:鋼構造限界状態設計指針・同解説
履歴特性
弾塑性解析に用いる入力地震波
2500
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
Response
acceleration (gal)
Response
acceleration (gal)
3000
1000
500
0
0
1
2
3
(sec)
想定首都直下地震(東京湾北部地震)※7
4
400
350 Response acceleration spectrum (h=0.01)
300
東海・東南海連動地震NS
250
東海・東南海連動地震EW
200
東海・東南海連動地震UD
150
100
50
0
0
1
2
3
(sec)
4
想定東海・東南海連動地震※8
※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、2008.9
※8:株式会社大成建設より提供
各階最大応答値
31
31
26
最
大
加
速
度
21
16
階
11
26
16
階
11
6
1
1
0
500
最
大
変
形
角
21
6
1000(gal)1500 0
31
31
層間変形角
曲げ変形含む
26
最
大
加
速
度
21
16
階
11
26
21
16
階
11
6
6
1
1
1/200(rad) 1/100
0
200
最
大
変
形
角
(gal) 400 0
層間変形角
曲げ変形含む
1/200 (rad) 1/100
首都直下地震解析結果
東海・東南海連動地震解析結果
大学棟解析結果(NS方向)
31
31
26
最
大
加
速
度
21
16
階
11
26
最
大
変
形
角
21
16
階
11
6
0
500
1000(gal)1500 0
26
16
階
11
6
1
1
1/200(rad) 1/100
最
大
加
速
度
21
6 層間変形角
曲げ変形含む
1
31
31
層間変形角
曲げ変形含む
26
最
大
変
形
角
21
16
階
11
6
1
0
200
(gal) 400 0
1/200(rad) 1/100
首都直下地震解析結果
東海・東南海連動地震解析結果
オフィス棟解析結果(NS方向)
0
首都直下地震 29F 加速度
0
100
Time (sec)
0
200
400 Time (sec) 600
首都直下地震 29F 速度
Max:162.40kine
(kine)
0
Velocity
Max:202.87kine
0
連動地震 29F 速度
-200
100
Time (sec)
0
200
80
Max:62.81cm
0
首都直下地震 29F 変位
200
400 Time (sec) 600
100
Max:77.58cm
(cm)
0
Displacement
(kine)
連動地震 29F 加速度
200
-400
(cm)
0
200
400
Velocity
Max:330.64gal
-500
-1000
Displacement
500
(gal)
Max:860.36gal
Acceleration
1000
(gal)
Acceleration
時刻歴波形:大学棟
0
連動地震 29F 変位
-100
-80
0
100
Time (sec)
200
0
200
400 Time (sec) 600
首都直下地震解析結果
東海・東南海連動地震解析結果
大学棟解析結果(NS方向)
0
首都直下地震 28F 加速度
0
100
Time (sec)
0
200
400 Time (sec) 600
首都直下地震 28F 速度
Max:125.26kine
(kine)
0
Velocity
Max:161.89kine
0
連動地震 28F 速度
-200
100
Time (sec)
0
200
80
Max:61.18cm
0
首都直下地震 28F 変位
200
400 Time (sec) 600
100
Max:56.87cm
(cm)
0
Displacement
(kine)
連動地震 28F 加速度
200
-400
(cm)
0
200
400
Velocity
Max:307.50gal
-500
-1000
Displacement
500
(gal)
Max:657.62gal
Acceleration
1000
(gal)
Acceleration
時刻歴波形:オフィス棟
0
連動地震 28F 変位
-100
-80
0
100
Time (sec)
200
0
200
400 Time (sec) 600
首都直下地震解析結果
東海・東南海連動地震解析結果
オフィス棟解析結果(NS方向)
塑性化の評価:大学棟
首都直下地震振動状態
基準階伏図
31
31
26
26
21
21
16
階
11
16
階
11
ブレース
梁
6
ブレース
梁
6
1
1
0
0.5
1 塑性率 1.5
首都直下地震
解析結果
0
0.5
1 塑性率 1.5
東海・東南海連動
地震解析結果
各階平均塑性率(NS方向)
Y14通り
X2通り
X2通り
首都直下地震
解析結果
東海・東南海連動
地震解析結果
塑性ヒンジ図
塑性化の評価:オフィス棟
Response
acceleration (gal)
NS3000
2500
Response acceleration spectrum (h=0.01)
1500
首都直下地震NS
首都直下地震EW
首都直下地震UD
EW
2000
1000
500
0
0
1
2
3
(sec)
4
基準階図平面図
首都直下地震応答スペクトル
26
ブレース 31
梁
26
21
21
16
階
11
16
階
11
6
6
31
1
ブレース
梁
1
0
1
塑性率
首都直下地震
解析結果
2
0
1
塑性率 2
東海・東南海連動
地震解析結果
各階平均塑性率(NS方向)
X12通り
X15通り
X15通り
首都直下地震
解析結果
東海・東南海連動
地震解析結果
塑性ヒンジ図
制震補強案の検討
目標 大学棟NS方向21階に確認された応答を周辺階の1.5倍以下に低減させる補強
案を施工性、運搬性、応答低減効果等をふまえ総合的に判断し提案する
現場調査によるダンパー設置可能位置の検討
:NS方向既存ブレース
:ダンパー設置検討部
D2
D2
D1
D1
D2
D2
X2
X4
21階平面図
軸組図 左:X2 右:X4
運搬性の検討
D2
D1
・最大積載重量1900kg
・最大積載部材長さ
2500~3000mm
左:EVカゴ平面図 右:アクソメ図
D2
・最低天井高さ2400mm
・最低廊下幅1100mm
天井高さが低く、幅が狭い廊下
電動式パワーリフター
・最大積載能力1000kg
・自重225kg
三菱重工HP:http://www.grendia.com/b_power-lifter/index.html
ダンパー配置位置軸組図 左:D2 右:D1
運搬用フォークリフト概要
使用ダンパー概要とモデル化
使用オイルダンパー概要図 ※9
F(KN)
Fmax
C2
Fr
C1
V(mm/s)
Vmax
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
使用オイルダンパー性能
使用オイルダンパー配置図 左:D2 右:D1
※9:三和テッキHP http://www.tekki.co.jp/products/damper.html
各層応答値による補強前後の比較
31
補強前
補強後
31
26
21
16
階
11
6
26
21
最
大
変
形
角
16
階
11
6
1
0
1
1/400(rad) 1/200
補強前
補強後
ブ
レ
ー
ス
各
階
平
均
塑
性
0率
1.8倍
1.4倍
26
梁
21
各
階
平
均
塑
性
率
16
階
11
6
1
0.5
補強前
補強後
31
0
1 塑性率 1.5
0.5
1 塑性率 1.5
首都直下地震解析結果(NS方向)
31
補強前
補強後
26
26
21
16
階
11
0
最
大
変
形
角
21
16
階
11
6
6
1
1
1/400(rad) 1/200
補強前
補強後
31
ブ
レ
ー
ス
各
階
平
均
塑
性
0
率
26
梁
21
各
階
平
均
塑
性
率
16
階
11
6
1
0.5
1塑性率 1.5
補強前
補強後
31
0
東海・東南海連動地震解析結果(NS方向)
0.5
1塑性率 1.5
まとめ





超高層建築物である工学院大学新宿校舎およびSTEC情報ビルを対象とした立体モ
デルを用い、首都圏において危険性の高い首都直下地震および東海・東南海連動
地震の想定地震波を入力波とした弾塑性地震応答解析を行った。
大学棟では、スーパーフレームが配置されている直行方向であるNS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を確認した。また、曲げ変形の影響によ
り、境界梁の被害が大きくなることを確認した。
オフィス棟では、偏心の影響より、建物西側のX10およびX12通りの被害は少なく、東
側であるX15およびX17 通りに被害が集中することを確認した。
施工性、運搬性、応答低減効果等をふまえ、大学棟のNS方向21階の応答を低減さ
せる制震補強案の検討を行った。
オイルダンパーを用い、弾塑性地震応答解析を行った結果、NS方向21階において
目標としていた、周辺階の1.5倍以下の応答に抑えることができた。
今後の課題

オフィス棟において、施工性、運搬性、応答低減効果等を考慮した上で、建物東側で
あるX15およびX17 通りの部材の応答を低減させるような現実的な補強案を提案す
る必要がある。

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