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2017
05.31

想定外の壊れ方をした建物たち(その2 RC造、SRC造編)

Category: 耐震工学
1995年1月17日に発生した兵庫県南部地震では、先日書いた S 造だけでなく、RC 造建物も多く崩壊している。ピロティ形式の建物の一階が潰れるという"従来通りの"壊れ方だったものもあれば、中高層建物の中間層が崩壊するというそれまでの日本の地震では見られなかった新しい形態の被害も多く発生している。

兵庫県南部地震で中間層崩壊した建物としておそくら最も有名なのが神戸市庁舎(神戸市役所第二庁舎)ではないだろうか。兵庫県南部地震関連の書籍を開くと必ずと言っていいほどこの市庁舎の被害写真が掲載されている。有事の時こそ機能することが望まれる市庁舎が無残に壊れたのだから、建築関係者だけでなく一般市民にも大きな衝撃を与えたと想像される。

文献 1 には「個別事例」としてこの建物が採り上げられている。図面などは比較的詳しく出ているが、層崩壊についての分析は殆ど示されていない。

設計者もこのように崩壊することは全く想定していなかったようである。文献 2 にこの辺りのことが書かれているので以下にそれを示そう(p.24 "みなし"との決別)。

阪神大震災。私が設計した神戸市庁舎にも、"みなし"が入っている。しかし大地震を受け、片方は大した高層でもないのにもろくもつぶれ、もう一方(筆者注:ポートタワーのこと)は細長くてすっと高いのに、今も平然として建っている。

なぜポートタワーは壊れなかったのか。それは、"みなし"をカバーする設計になっていたからである。"みなし"はあったが、"みなし"が保証されるような設計をしてあった。が、市庁舎は、その当時広く行きわたっていた設計法をそのまま使った。右に倣えで"みなし"を持ち込み、そして壊れた。

神戸市庁舎には耐震壁がある。地震が来たときに心棒になるような大きな壁であるが、実験をしていろいろ調べてみると、その壁に斜めに亀裂が入る、そして壊れるという結果が出た。にもかかわらず、地震で壊れた耐震壁を見ると、水平に切れている。見事に水平に切れているので、手前の壁の亀裂から、向こう側が見える。

在来型の設計手法では、水平に切れるというようなことはありようがないとされてきた。しかし、それも"みなし"によるもの。骨組みを解くときの誤った"みなし"が思いもしない結果につながったのである。


実験で壊した耐震壁の写真も掲載されている(p.27 「神戸市庁舎の耐震壁破壊実験」)。頂部中央付近に下向きにかかる荷重(Pmax = 126 TON とある)の作用線を挟んで概ね左右対称に亀裂が入っていることが見て取れる。残念ながらその写真をここには掲載できないので、興味のある方は直接参照願いたい。写真のキャプションだけ以下に示しておく。

神戸市庁舎耐震壁破壊実験 第一次施行 昭和30年9月
B1 供試体

実際の構造物は、理論通りにもならなければ理想的な条件で行われた実験の結果通りにもならない。十分配慮して設計したつもりでも足元をすくわれるのだから恐ろしい。

構造力学は構造を理解する上で基礎となる内容であるから構造系の人は必ず学ぶと思う。だが、実際に設計を行うに及んで構造力学的な認識は無力である場面も多い。

思いつくものを挙げてみると、せん断スパン比などもそうである。20 世紀初頭にタルボット(A. N. Talbot) が数多くの RC はりの実験を行ってせん断スパン比がせん断強度に影響することを指摘している(文献 3)。せん断スパン比は現在でも設計上重要なパラメータであるが、構造力学はこれについて合理的な説明を与えてくれない。

同じように RC 柱のせん断強度も構造力学的には不可解である。地震時の柱の曲げモーメントは線形分布でせん断力は一定である。曲げモーメントは上端と下端で最大、中間でゼロである。軸力は下端の方が大きい。そうすると応力的に厳しいのは下端ということになるが、実験結果はこの理屈を支持するだろうか?

閑話休題。再び設計者の話を見ていこう。文献 4 には、地震後間もない頃の設計者へのインタビュー記事が掲載されている(「日建設計に聞く神戸市役所旧庁舎の被害 旧耐震設計法の弱点が狙われた」から部分的に引用)。

中間層の崩壊の中でも特に目を引いたのが、神戸市役所旧庁舎(第二庁舎)だ。38 年前、当時の最高の技術力を結集して完成させた建物も、今回の地震には抗し切れなかった。... 日建設計の青柳司常務に、現時点で考えられる崩壊理由を設計者の視点から語ってもらった。

竣工は昭和 32 年

 神戸市役所旧庁舎は昭和 30 年に設計し、32 年に完成した。従って、新耐震設計法以前の旧耐震設計法に従った建築だ。今回の 6 階部分の破壊は、その旧耐震設計法のウィークポイントを突かれたという印象が強い。ただし、これは実際の調査結果に基づいた結論ではなく、あくまで現段階での推測に過ぎないことを断っておきたい。

上記の"旧耐震設計法のウィークポイントを突かれた"の具体的な内容が以下。

中間層で入力と耐力の差が最大

 旧設計法では、... 設計用地震力は、1 階で最大、最上階で最小となりほぼ直線的に減少していく。建物の実際の耐力は、設計用地震力よりもずっと余裕を持たせてある。... ところが実際の地震動の入力は、耐力の描く曲線とは異なり、外に膨れた曲線を描きながら減っていく。直線的に減るのではなく、なめらかに減っていくわけだ。

このため、中間層付近で入力と耐力の間に大きな開きが出る。つまり、耐力に対して入力の比率が最も大きくなるのが中間層周辺ということだ。旧庁舎が 6 階で崩壊したのも、このような理由によるものと考えている。

この建物は途中で SRC 造から RC 造に代わる。その変わり目の部分が崩壊したのであるが、混合構造であることは崩壊には関係ないとの見解が示されている。

異種構造採用は崩壊と無関係

 旧庁舎は 5 階までが SRC 造で、6 階以上が RC 造となっている。一部に、構造の変わり目が弱点となって崩壊したとの見方があるが、それはないと思う。

 当時の SRC 造に用いられた鉄骨は、アングル材とプレートとをラチス状に組み立てたもので、現在広く使われている H 形鋼などとは異なり強度も乏しい。

旧庁舎に鉄骨を入れたのは、鉄筋をたくさん入れると、コンクリートの回りが悪くなるので、それを避けるために鉄骨を入れ、その後に細い鉄筋をなるべく間隔を空けて入れるためだ。つまり、鉄骨に"束ね鉄筋"のような役目を持たせたわけだ。

 鉄骨だけでは大した強度も期待できないので、計算上も鉄骨を鉄筋と見なして計算している。鉄筋が混まないように鉄骨を入れただけのことで、鉄骨によるせん断耐力は期待していない。

 ちなみに今回、三宮地区の交通センタービルが 5 階が崩壊しているが、あの建物は最上階まで鉄骨が入っていた。この建物の鉄骨も、旧庁舎同様、アングル材を主体としたものだ。この事例からも、鉄骨の有無と中間階の崩壊との関係は薄いと考えている。

上記のインタビュー内容をもとに編集部が作成した入力と耐力の高さ方向分布図や柱の断面図と縦断面図も示されているので、興味のある方は参照願いたい(文献 4、p. 111)。

インタビュー記事はさらに「新旧庁舎の比較」、「新耐震も 100 % 完璧ではない」と続く。「新旧庁舎の比較」では新庁舎(地上 30 階)が無傷だったのは地震の継続時間が短いために共振し得なかったこと、「新耐震も...」では柱が壊れないように設計することが肝要であるといったことが書かれている。

ところで、文献 2 は題名が示すように免震についての本であり、上記の引用部分は本筋ではない。周知の通り免震がその威力を発揮して大いなる注目を浴びたのが兵庫県南部地震なのである。この本を読むと、免震建築を実現させた著者の要求レベルの高さに唯々驚かされる。


参考文献

  1. 日本建築学会:阪神・淡路大震災調査報告 建築編-2 プレストレストコンクリート造建築物 鉄骨鉄筋コンクリート造建築物 壁構造建築物 2000/3

  2. 多田英之:免震の真実 耐震神話の再構築へ 1999/9/15

  3. A. N. Talbot : Tests of Reinforced Concrete Beams: Resistance to Web Stresses. Series of 1907 and 1908, University of Illinois bulletin Volume 29, 1909

  4. 日経アーキテクチュア 516号 1995/3/13





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2017
05.24

ヒンジの回転能力とは?

Category: 用語
前回の記事で部材の破断について書いた序に鋼構造物の塑性ヒンジの「回転能力」について触れておこう。

部材の破断を免れてもヒンジが安定的に回転してくれなければ想定通りの崩壊形にはならない。回転能力とは読んで字の如くヒンジが安定的に回転する能力のことである。

構造物が崩壊機構を形成するまでヒンジが順次形成されるわけだから、一番初めにできたヒンジは最後のヒンジができるまで頑張らなくてはならない。一番初めに生まれたヒンジは大変である。

橋梁のように比較的不静定次数が低い構造物とビルのように不静定次数が大きな構造物のヒンジでは要求される回転能力も異なると言えそうである。ヒンジは自分が生まれ落ちたコミュニティー(?)に応じて、時に理不尽さに耐えつつ役割を果たさなくてはならないのである。

余談はこのくらいにして AISC LRFD(文献 1)に示される回転能力の説明部分を以下に示そう(拙訳と原文)。

回転能力: 与えられた断面形が局部破壊するまでに受容可能な増分回転角であり、R = (θup) - 1 で定義される。ここに、θu は係数倍荷重到達時までに得られる総回転であり、θp は M = Mp に弾性論を適用して得られる回転である。

Rotation capacity: The incremental angular rotation that a given shape prior to local failure defined as R = (θup) - 1 where θu is the overall rotation attained at the factored load state and θp is the idealized rotation corresponding to elastic theory applied to the case of M = Mp.

AISC LRFD では、圧縮材と曲げ材の断面は、フランジやウェブの幅厚比に基づいてコンパクト断面、ノンコンパクト断面、スレンダー要素断面といった断面にランク分けされる。コンパクト断面とノンコンパクト断面の境界は回転能力が 3 に相当するものとして規定されている。

はりであれば横補剛間隔もヒンジの回転能力に影響する因子である。鋼構造塑性設計指針(初版)の"5.2 横方向補剛材の間隔"には以下のような記述がある(文献2、p.90)。

曲げモーメントが低下しはじめるときの回転角を θmax とし、R = (θmaxp) - 1 を回転能力を表す係数とし、....

「回転能力」という用語はこちらに倣ったものだが、この言葉は現在では使われない方向にあるようである。最近改定されたばかりの鋼構造塑性設計指針(第3版)(文献 3)の上記の部分は書き換わっており、回転能力という言葉は出てこない。また、"1.8 用語"に出ている関連用語を示すと以下の通り。

塑性率:外力により塑性化した部材の変形(回転角)を全塑性耐力時の弾性変形(回転角)で除した値。

塑性変形倍率:部材の塑性率から弾性成分を減じた値であり、本指針では、完全弾塑性部材を考慮して弾性成分は 1.0 とする。


第1章の"1.5 塑性設計の耐震設計への適用"では、鋼構造塑性設計指針に従うと塑性変形倍率は3以上が確保されることが謳われている。

本指針の2版においては、各制限値を満足することで単調載荷時の塑性変形倍率 R がおおむね3以上となることが確認できており、3版においても基本的にその制限値を示している。

"2014 年度 鋼構造塑性設計小委員会 第2回 議事録(案)"には以下のような推敲についての記述がある。

「変形性能」と「変形能力」の表現については、「変形性能」に用語を統一する。

これは、同じ意味で言い回しが異なっていて混乱するというコメントに答えたものである。

こちらは座屈指針の方だが(2015 年度 第4回 鋼構造座屈設計小委員会 議事録)、委員の間でこれらの用語について認識の統一が図られたことが記されている(5章についてのコメント)。

p.25, 16行目の「塑性変形能力を塑性率と呼ぶこともあるが,・・・」は塑性変形能力 = R, 塑性率 = μ で, 同じではないと思います。また、R は塑性変形倍率ではないでしょうか? → 塑性率は μ, 塑性変形倍率 R = μ - 1, 塑性変形能力は広義の表現。

議事録を読むと、指針の記述がどのような議論を経て定まってきたかが分かってなかなか面白い。


参考文献

  1. AISC Manual of Steel Construction: Load and Resistance Factor Design, Second Edition, LRFD, 2nd Edition, Volume I Structural Members, Specifications, and Codes, 1994

  2. 日本建築学会 : 鋼構造塑性設計指針 1975

  3. 日本建築学会 : 鋼構造塑性設計指針 第3版 2017





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