東北地方太平洋沖地震における関東の建物応答観測記録

2011/09/27
東京工業大学建築物理研究センター講演会
「東北地方太平洋沖地震における建物強震記録」
東北地方太平洋沖地震における
関東の建物応答観測記録
東京工業大学建築物理研究センター
笠井和彦
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
1/10
地震直後からの流れ
高層建築、および歴史が新しい制振・免震構造の集中する
関東地方で、大きな揺れを多数記録したのは今回が初めて
レベル１～２（稀～極稀）相当のデータが極めて多数
日本建築学会関東支部の地震災害調査連絡会での活動
・神奈川県の各大学の協力
・東京、仙台の大学、企業の協力
・建築研究所の協力
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
2/10
活動方針
・観測記録を共有化することの重要性
→ 貴重なデータの有効活用
・多数の観測記録を統一的に整理
→ 横並びの評価による比較
60
35
50
30
400
300
200
(a)擬似加速度応答スペクトル
25
40
変位(cm)
擬似速度(cm/s)
擬似加速度(cm/s/s)
500
30
20
15
20
10
100
10
0
5
(b) 擬似速度応答スペクトル
0
0
1
2
3
T(s)
4
5
(c) 変位応答スペクトル
0
0
1
2
3
T(s)
4
5
0
1
2
3
4
5
T(s)
データ整理例
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
3/10
現状
多数の協力を得て現在40棟以上の観測記録が集まっている
（耐震・制振・免震構造それぞれが１０棟以上）
建物階数と頂部加速度振幅比の関係
今後増やしていく・・・・
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
4/10
記録整理の結果概要
耐震構造
加速度増幅比が最も高い。
制振構造
短周期の場合を除いて加速度増幅比が低い。
免震構造
加速度を最も良く抑える。
ただし建物のアスペクト比が高いほど、上層階の加速度が上昇。
高層建物
長周期で頂部加速度が低下していない。
→ 高次ﾓｰﾄﾞの影響するため。減衰装置の必要性。
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
5/10
制振建物
・関東地区では非構造材の損傷程度だが、
揺れの印象や制振に対する満足度は様々だった
・減衰定数3.4%の場合でも1%の低減衰の場合に対して、
最大応答変位
0.74倍（二乗平均平方根で0.53倍）
最大応答加速度 0.53倍（二乗平均平方根で0.48倍）
→ 2～3%の付加減衰で高層建物の振動性能が顕著に改善
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
6/10
免震建物１
免震層のけがきも多数得られている
けがき記録装置から求めた免震層最大変位の分布
スターツCAM株式会社酒井和成氏より
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
7/10
免震建物２
東工大すずかけ台キャンパスJ２棟
Y
西側変位オービット
西側変位オービット
西側変位オービット
東側変位オービット
J2棟免震層重心位置層間変位オービット
(mm)
-100
100
80
60
-60
60
40
-40
40
20
-20
20
W-80
-100
-60
-40
N
-80
-60
-40
-20
0
-80
100
80
W
-100
(mm)
N
N
X
(mm)
-20
0
20
40
60
80
E
0
(mm)
0
W
20
-100
100
-80
40
60
-60
80
-40
100
-20
0
(mm)
0
E
-20
20
-20
-40
40
-40
-60
60
-60
-80
80
S
S
-100
100
加速度記録の二重積分
ワイヤ式変位計から
(mm)
20
40
60
80
E
100
-80
S
-100
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
8/10
加速度記録からの応答変位算定
・加速度二重積分(ﾊｲﾊﾟｽﾌｨﾙﾀｰ使用)による変位算出
・伝達関数のｶｰﾌﾞﾌｨｯﾃｨﾝｸﾞから求めた固有値を用いて、
ﾓｰﾄﾞ重合解析から変位算出
2つの変位応答計算法が一致することを確認
データの信頼性
11階建(耐震)の最上階における絶対加速度と相対変位
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
9/10
29階耐震構造（Y方向）
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
10/10
41階オイルダンパーを用いた建物（X方向）
加速度記録：頂部 VS. 基部
加速度記録 VS. モード重合解析
記録の2重積分 VS. モード重合解析
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
11/10
29階耐震構造（Y方向）
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
12/10
耐震構造と同様に、制振構造でも、記録加速度と、モード同定後に行った
モード解析から得た加速度がほぼ一致した。また、記録加速度の2重積分
から得た変位と、モード解析から得た変位がほぼ一致した。これらは、記録
加速度の2重積分の方法や、モードの同定方法の妥当性を示している。
免震構造も、高層で上部構造が比較的柔らかいと、上記と同一の傾向が
認められる。つまり、吸収エネルギーに比べ歪エネルギーが多い（低めの
減衰）と、免震・制振・耐震に関わらず、非比例減衰を比例減衰に理想化し
て非減衰モードを用いる古典的な動的解析法や同定法が有効と思われる。
このたびの関東の地動の傾向のため、高層建物、例えば29層の工学院大
学（久田教授らによる観測）では、最上階の記録加速度は、前半約70秒が2
次以上（周期約1秒、0.5秒など）のモードで支配され、そこで最大となったが、
後半は約130秒の1次モード（周期約3秒）の大きな加速度が生じた。2次
モード変形が大きな16階では、高次モードのため前半で高い加速度となっ
た。このように高次と低次のモードが、前半の短周期地震波、後半の長周
期地震波でそれぞれ励起され、その程度は階により異なった。
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
13/10
対象建物基部入力地震波の応答スペクトル
擬似加速度(cm/s/s)
500
対象建物(11棟)基部最大加速度は52142gal,平均で80galほどである。
400
300
200
中・長周期領域で変動係数約20％と低
く、入力レベル・特性が似ている。
(a)擬似加速度応答スペクトル
100
0
0
1
2
60
3
4
5
35
T(s)
30
25
40
変位(cm)
擬似速度(cm/s)
50
30
20
20
15
10
10
5
(b) 擬似速度応答スペクトル
0
(c) 変位応答スペクトル
0
0
1
2
3
T(s)
4
5
0
1
2
3
4
5
T(s)
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
14/10
鋼材ダンパーを用いた建物（東工大G３棟）
加速度記録の二重積分により平均層間変形角約1/1900。
非構造壁の亀裂、一部のダンパーの降伏が確認できる。
ロッキング壁 (1~11F)
水平トラス (1~11F)
既存フレーム
鋼材ダンパー (2~9F)
シアキー
y
z
x
RC耐震壁 (1~9F)
ロッキング壁とダンパーの配置
東工大すずかけ台キャンパスG3棟
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
15/10
鋼材ダンパーを用いた建物（東工大G３棟）
ダンパーが十分塑性化する入力ではないため、付加減衰少なく、加速度が高かった。
付加剛性により変位が顕著に抑えられた。
ダンパー有り・ダンパー無しの応答の比較
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
16/10
鋼材・粘性ダンパーを併用した建物
地震時平均層間変形角が1/900である。
Y方向1～3次モードの減衰定数が3.5、8.4、12.6％、周期が1.87、0.63、0.31秒と同
定した。
ダンパーない場合、2次、3次の加速度成分が卓越する。
ダンパー有り・ダンパー無しの応答の比較
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
17/10
オイルダンパーを用いた建物
X方向周期：4.20、1.31、0.71秒；減衰定数：3.4％、4.1％、9.8％
Y方向周期：6.54、2.00、0.84秒；減衰定数：3.9％、3.5％、4.3％
さほどの高減衰建物でないとしても、加速度・変位ともによく抑えられている
ダンパー有り・ダンパー無しの応答の比較（Y方向）
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
18/10
41階オイルダンパーを用いた建物（X方向）
RF加速度応答：本建物 VS. 減衰１％の場合
RF変位応答：本建物 VS. 減衰１％の場合
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
19/10
床応答スペクトル（減衰定数3％）
2500
2500
1500
Spa(cm/s/s)
Spa(cm/s/s)
2000
ダンパー無し(解析)
1000
1500
500
0
0
1
ダンパー有り
(記録)
1000
500
0.1
ダンパー無し
(減衰定数 1％)
2000
ダンパー有り(記録)
0.1
10
1
11階鋼材ダンパーを用いた建物
21階鋼材・粘性ダンパーを併用した建物
2500
1600
ダンパー無し
(減衰定数 1％)
800
ダンパー無し
(減衰定数 1％)
2000
Spa(cm/s/s)
1200
Spa(cm/s/s)
10
T(s)
T(s)
ダンパー有り
(記録)
400
1500
ダンパー有り
(記録)
1000
500
0
0
0.1
1
10
T(s)
41階オイルダンパーを用いた建物
0.1
1
10
T(s)
54階オイルダンパーを用いた建物
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
20/10
おわりに
将来の関東の地震では、このたびの３倍以上の入力が予想
され、特に低減衰の構造には心配な状況であることが判明した。
また、加速度や変位の抑制には、建物の振動エネルギーを
消散して揺れ低減を行う減衰材料や装置が有効であることも
わかった。
建物応答の観測記録が、これらの基盤となっており、記録の
公表や共有が、社会を守るために大変重要であることも理解
できたと思う。
K. KASAI, Structural Engineering Research Center, Tokyo Institute of Technology
21/10

Download Report