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2017
09.26

想定外の壊れ方をした建物たち(その3 ハウスナーの見解)

Category: 耐震工学
1995年の兵庫県南部地震で層崩壊した神戸市庁舎(神戸市役所第二庁舎)に関するハウスナー(G. W. Housner)の見解は、現行の設計法に慣れた者には大変ユニークなものに思える。

本記事ではこのハウスナーの見解について採り上げてみたいが、その動機は神戸市庁舎の崩壊原因について論じたいからではなく、所変われば(?)実に様々な意見があるのだなぁと感心させられたことにある。

ハウスナーが層崩壊の主要因として挙げているのがビルトイン応力(built-in stress)である。ビルトイン応力とは何ぞや?というのは一先ず置いておいて、以下ではこの論が展開された文献 1 を順を追って見ていきたい(以下、引用は拙訳と原文を併記)。

文献 1 のタイトルは、"Unexpected Stress Failures during Earthquakes" である。日本語に訳すと「地震時の不測応力破壊」とでもなろうか。この論文は以下のような文で始まっている。

非常に強い地震動を受ける構造物は、靭性に富んだ変形するように設計されるべきであると今日広く受け入れられているので、大きな変形を念頭に置かずに設計された構造物が望ましくない被害を経験することは予想されることである。

At present it is the consensus that structures should be designed to undergo ductile deformations if subjected to very strong ground shaking, so structures designed without consideration of large deformations can be expected to experience undesirable damage.

以前、ハンブリーのパラドックスについての記事でも書いたように、靭性(延性)(ductile)や塑性(plastic)について議論する時は、構造物が安定的に変形することが前提となる。脆性材からなる構造物に塑性設計を適用できないといったことは周知のはずである。

ハウスナーは、「望ましくない被害を受けないように配慮しているはずなのに、地震で被害が出る度にその地震は予想もしなかったものであるし、被害は予想もしなかった形態の被害である。ノースリッジ(1994年1月17日)や神戸の時もそうであった。」と述べて、そのようなことが起きる原因は設計段階にあるとしている。

そのような崩壊が不測である原因は、その可能性が設計段階で見過ごされていたからである。

The reason such failures are unexpected is that their possibility was not identified during the design process.

続いて、設計段階に問題があると考えた背景が以下のように語られている。

ノースリッジ地震では、多くの構造物に溶接鋼材の破断という予期しない形式の損傷が起きた。また、1995年の神戸の地震では、建物の中間層が潰れて高さが地震前より一階分低くなる通常とは異なる形式の崩壊も起きた。このようなことが多くの建物に起きたことから、原因は建設時の偶発的な欠陥ではなく、これらの建物の設計に共通する特性であったに違いない。

An unexpected type of failure occurred during the Northridge earthquake when welded steel members cracked in many structures. Also, an unusual type of failure occured during the 1995 Kobe earthquake in which an intermediate story of a building disappeared and the building was one story less in height than before the earthquake. This happened to a number of buildings so the cause was not an accidental defect in construction but must have been a common feature in the design of these buildings.

神戸の地震での建物と書かれてはいるが、神戸市庁舎とはっきり書かれているわけではない。だが以下のような部分から、まず間違いなく神戸市庁舎のことが念頭に書かれていると思われる。

神戸で聞かされたのは、崩壊したのは構造形式が鋼からコンクリートに代わる部分であるということであったが、状況の本質についての説明は詳細にはなされなかった。

I was told when I was in Kobe that the failures occurred where there was a change in type of construction from steel to concrete but the precise nature of te situation was not explained.

また、以下のような記述もある。

これらの構造物の一般的な修復方法は、崩壊した層より上の部分を取り除き、それに代わる最上階と屋根を作ることであった。

The usual method of repair of these structures was to remove the portion of the building above the collapsed story and then build a top story and roof to replace it.

ハウスナーも崩壊の原因を構造形式の変更に求めていない。ハウスナーが着目しているのは先にも書いたようにビルトイン応力である。

私の考えでは、柱内の応力が認識外の分布となった結果、柱が崩壊したのである。その応力分布は、建設時の構法によって柱内に導入されたものである。

In my opinion the failures of the columns resulted from an unrecognized stress distribution in the columns that was built-in by the type of construction.


ハウスナーは、ビルトイン応力について具体例を交えて以下のように説明している。

エンジニアは、建物には様々な種類のビルトイン応力(自重や地震や風といった外部作用によって生じる応力ではなく、コンクリートの収縮、コンクリートのクリープ、熱膨張、基礎の不同沈下などによって生じる応力)が存在し、鋼構造物であれば、製造工程、製作方法、溶接施工方法によって内部応力や内部ひずみが生じることを十分承知している。

Engineers are well aware that buildings have many different kinds of built-in stresses, that is, stresses that are developed not by the application of external actions such as gravity, earthquake, and wind but are produced by such things as concrete shrinkage, concrete creep, temperature expansion, unequal footing settlement, etc., and in the case of steel structures the internal stresses and strains produced by the production process, fabrication methods and welding procedures.

ハウスナーは、「エンジニアは ... 十分承知している(Engineers are well aware that ...)」と書いているが、筆者の感覚ではそのようなことにまで注意を払っているエンジニアは稀有な存在と思われる。

以下続ける。

ビルトイン応力の分かり易い例は、ロスアンゼルスにある南カリフォルニアエジソン社の旧社屋ビルである。この 10 階建ての鋼構造骨組ビルは、1920 年代後半に建てられたものであり、その接合部は溶接されて耐震骨組を形成している。

このビルの溶接作業が終わった時、建物の外壁内にある複数の柱が基礎から随分と浮き上がっていることが判明した。

この問題は、アンカーボルトにナットをはめて、柱のベースプレートが所定の位置で基礎に着くまでナット締めすることで解決したが、これによってベースプレートは柱からの浮き上がり力を受けることになった。

この対処によって、骨組内には相当な内力と応力が導入されたと推測される。ナットが先にきちんと締められていたなら、同様な応力が溶接によって生じていたであろう。

そのようなビルトイン応力の他にも、こちらもビルトインと呼べるものであるが、尖った隅角部や局所的欠陥といった様々な形式の応力増加要因も存在し、自重、地震および風によって生じる応力と共に作用する可能性がある。

An illuminating example of built-in stresses is the former Southern California Edison Company building in Los Angeles. This ten-story steel frame building was erected in the late 1920's and its joints were welded to produce an earthquake resistant frame.

When the welding was completed it was found that the columns in the exterior walls of the building had raised off the foundation by a significant amount.

The problem was sold by placing the nuts on the anchor bolts and screwing them down until the column base plate was back in contact with the foundation, which now experienced an uplift force exerted by the column.

This would have put appreciable forces and stresses in the frame. If the nuts had been fastened down tightly at first, no doubt similar stresses would have been produced by the welding.

In addition to such built-in stresses there are also stress-risers of various types, which could also be called built-in, such as sharp comers, local defects, etc., which can interact with the stresses produced by gravity, earthquake and wind.

以上を読むと、ビルトイン応力がどういったものであるか大体イメージできるかと思う。

筆者は上記の部分を読んだ時に、通販で買って自分で組み立てた椅子のこと思い出した。ボルトを順に締めていったら、最後のボルト穴がかなりズレてしまい、最初に締めたボルトの何本かを緩めて再調整する羽目になったのである。

ズレがもう少し小さければ、再調整などせずにボルトを強引に差し込んで締めあげていたのではないかと思う。もしそうしていたら、この椅子に誰も腰掛けていなくても自重以外の要因でかなりの内力が生じるはずだ。しかも、その分布がどうなっているかは最早分からないのである。

このビルトイン応力を日本語で何と呼ぶべきか、幾つか文献に当たってみたものの、適切な訳語は見つけられなかった。直訳的なものとして思い付くのは、「組込応力」とか「導入応力」とかであるが、そのような訳語を使っている文献は無いようである。仕方ないので、上記ではそのままカタカナ表記としている。

今回の記事で引用したのは、ハウスナー論文の前半部分である。後半についてはまた後日。。。


参考文献

  1. George W. Housner : Opinion Paper, Unexpected Stress Failures during Earthquakes, Earthquake Spectra, Volume 13, No. 3, August 1997.




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