改めて考える性能設計 武蔵工業大学 都市基盤工学科 吉川弘道 第１部：設計法の変遷 従来法のリビュー 構造設計／耐震設計の変遷 • • • • • 許容応力設計法/ allowable stress design： 終局強度設計法/ ultimate strength design： 信頼性理論/ reliability theory： 荷重強度係数設計法/ load resistance factor design： 限界状態設計法/ limit state design 使用限界、終局限界、疲労限界： • 耐震設計における限界状態：seismic limit state design 使用性限界、損傷制御限界、生存限界 許容応力度設計法における設計手順 許容応力度 限界状態設計法における設計手順 信頼性理論と限界状態設計法の比較 第2部：性能設計とは、、、、 ★‘性能設計’導入の素朴な疑問 １：土木学会/ｺﾝｸﾘｰﾄ標準示方書：2002年版にて改定 「限界状態設計法」⇒‘構造性能照査型’、‘耐震性能照査型’ **素朴な疑問1：『見たところ、構造編は、ほとんど変わっていないようだ！』 **素朴な疑問2：『耐震編では、具体的に照査は、どうするの？』 ２：道路橋示方書（平成16年3月改定）： 「耐震性能照査の基本的な要求事項を明示した」 **素朴な疑問3：『タイプⅠ、タイプⅡ：どちらが危険なの？』 ３：そもそも、‘性能’って何？ **素朴な疑問4：『だれも、‘性能とは何々’って言わない！』 ☆ 構造物の性能とは： • 構造物が外乱（持続荷重，衝撃、地震力など）を受 けたときの‘挙動/ふるまい(behavior)’，または‘応 答／反応(response)’の出来/不出来 • 普段の状態で（常時荷重に対して）、および、いざと いう時に（偶発荷重に際して）‘構造物の発揮する （遂行し得る）能力’ • 想定される外乱（設計荷重）に対して、ひび割れを 生じる場合もあり，倒壊することも想定される ⇒ ‘種々の結末（性能）’が想定される ☆ 要求性能と構造性能 ∈要求性能（target performance）： • 構造物が具備すべき（必要とする）性能 • 使用者/発注者によって決定される ∈構造性能（structural performance） 保有性能（capacity）： • 構造物の保有している（達成した）性能 • （実際の）形状寸法，断面諸元，材料，（実際の）施工 の程度による，実現された（される）性能である． ☆ 性能照査とは： ・構造性能が要求性能を満足すれば（上回れば），設計 照査が達成される。 ： 構造性能 ＞ 要求性能 ・発注者が要求性能を策定し，これに従って，目標性能 を決定する（従って、設計/施工が遂行される） 要求性能の策定 ⇒目標性能の決定 ⇒構造性能の達成 ☆ 性能照査の名称 • ‘性能規定型設計’ • ‘性能照査型設計’ • ‘性能明示型設計 ★従来手法と性能設計法との比較１ ・仕様設計：specification-based design 構造寸法，材料，手法・手段を示方書などを 規定し、これに基づき設計する ・性能設計：performance-based design 要求性能/目標性能を明確に規定し， これに基づき設計する。 ★従来手法と性能設計法との比較２ ・非崩壊設計：no-collapse-based design 崩壊するか，崩壊しないかの設計法 靭性設計（荷重低減係数法，変位法） ・性能設計：performance-based design 多段階の性能と多段階の外力（地震力） レベルを規定し，両者のセットにて性能規定 する ☆ 野球選手の年棒と性能照査 １：プロ野球選手の年棒査定： 結果（成績）が全てであり、どれだけ練習したか、どれだけ身体 能力があるかは関係ない。１シーズンの成績（performance）が、 次のシーズンの年棒として評価される。 ２：構造物： どんな先端材料を用い、どんなに高度な解析法を駆使しても、 結局のところ、発注者/使用者/オーナーにとっては、構造物と しての性能が最も重要となる。 ３：両者の決定的な違い： ・野球選手の評価：１年間の成績が数値として、明確に記録される ・構造物の性能：客観的科学的な立証が容易ではなく、数百年に １回の強大地震には、終ぞ遭遇しないまま、（安全性能が発揮さ れないまま）供用を終えることが多い。 ☆ 性能設計の利点と特徴 • 新材料/新工法の開発、高度な解析や設計手法の採用を促す • 所要の性能を満足するための、最も経済的な設計が期待できる • 性能水準を満たすことが重要であり、使用材料、解析手法など に拘束されない。 Specification-based design ⇒ Performance-based design • これまでの設計法にある、‘壊れるか、壊れないか（0-1議論）’で はなく、その中間状態を工学的に規定し、荷重レベルとのセット で性能規定することである No-collapse-based design ⇒ Performance-based design • 設定された限界状態（終局限界（安全性）、使用限界（供用性）） ごとに検討される⇒従前の限界状態設計法の延長線上にある。 ☆性能設計の導入：内外の環境 １：近年の巨大地震災害： ・Loma Prieta(1989)、Northridge(1994)、神戸大地震 （1995） ・災害復旧技術や高耐震性技術の向上/蓄積 ・稀に発生する巨大地震に対する合理的な耐震設計法 ２：海外の動向と我国の対応： ・性能規定の国際標準化：ＷＴＯ協定/ＴＢＴ条項、ＩＳＯ ・土木学会/建築学会による委員会活動、既往標準示方書 の性能規定化 第3部：性能設計を具体的に考える ☆性能照査の形式（フォーマット） ① 現行設計法の形式 : max i 1.0 u ② 性能レベルの照査： Dem and DCaccept Capacity ③ Asian Concrete Model Code: PIR PIP 性能設計と従来法との比較 上段：要求性能 下：保有性能：許容値 性能設計／Capacity Design 性能設計 Demand/Capacity ＜DCaccept Demand：要求性能 Capacity：保有性能 耐震設計：変位法 displacement-based μd ≦μrd 応答塑性率 response：μd 保有靭性率 ductility：μｒd Asian Concrete Model Code PIR≦PIP 要求性能指標：PIR 構造性能指標:PIP これまでの設計法／Conventional Design 終局強度設計法 荷重強度係数設計法 信頼性設計法 Sd ≦Rd 設計断面力 member force：Sd 設計断面耐力 strength：Rd γSn≦φRn 公称荷重：Sn、荷重係数：γ 公称強度：Rn、強度係数：φ β≧βa pf ≦pfa 安全性指標：β/許容値：βa 破壊確率：pf/許容値：pfa 性能マトリックスによる耐震性能表示 （SEAOC Vision 2000） 地震規模と性能レベルを多段階にセット ☆性能マトリックス： 耐震性能水準 ・fully operational ：完全機能維持（供用可能） 施設がほとんど損傷を受けず、機能を維持している， ・ operational (functional)：機能維持 施設は、軽微な損傷受けるが機能を維持し、 ２次的な機能に若干の障害が生じる ・ life safe：人命の安全確保 人命安全を確実に確保。中程度の損傷を生じている。 ・ near collapse (impending collapse)：崩壊の回避 人命が脅かされ、相当量の損傷を受けが，構造上の崩 壊は避ける。 ☆性能マトリックス：地震動レベル ・ frequent：たびたび発生する地震 再現期間 43年（30年間で超過確率50％にて発生） ・ occasional：時々発生する地震 再現期間 72年（50年間で超過確率50％にて発生） ・ rare：稀に発生する地震 再現期間475年（50年間で超過確率10％にて発生） ・ very rare：ごく稀に発生する地震 再現期間970年（100年間で超過確率10％にて発生） ☆性能項目の種類と定義 ・安全性(safety) ： 構造物の崩壊を回避し，人命の保護を全うするもの 構造物の具備すべき最も基本的な性質 • 使用性（serviceability）： 快適に構造物を使用するための性能。 頻繁に発生する地震時における機能維持 • 修復性/復旧性（reparability）： 被災後に速やかに修復し，早期の機能復帰（供用再 開）を期待するものである． • 維持管理性，施工性，居住性、止水性、景観性、etc. 「複合構造物の性能照査指針 （案）」 土木学会 • 要求性能/目標性能/照査項目/照査指標： • 性能項目の階層化/細分化 基本的要求性能（３項目） ⇒ 目標性能の項目（５項目） ⇒照査項目（限界状態）（１３項目） ⇒照査指標の例（１３事例） 土木構造物の性能設計の例： 「複合構造物の性能照査指針（土木学会）」 要求性能 目標性能の項目 照査項目（ 限界状態） 部材破壊 照査指標の例 断面力 安全性 構造物または部材 の破壊・ 崩壊 疲労破壊 断面力または応力 構造物の破壊 構造物の変位・ 変形 剛体の不安定 構造物または基礎の変位・ 変形 走行性・ 歩行性 加速度・ 振動、変位・ 変形 外観，視覚的安全性 ひび割れ幅、鋼材腐食状況 騒音・ 振動 騒音・ 振動 局所的損傷、外観 ひび割れ幅、ひび割れ密度 水密性 構造体の透水係数、ひび割れ幅 気密性 構造体の透気係数、ひび割れ幅 遮蔽性 物質・ エネルギーの漏洩量 透過性 構造体の透水係数、ひび割れ幅 復旧の難易度 部材または構造物の損傷状況 使用上の快適性 使用性 第三者影響度 遮蔽透過性 復旧性 性能の回復 ☆建築構造物の性能設計の例： 「鉄筋コンクリート造建築物の性能評価ガイドライン」 性能項目の階層化/細分化 基本性能：安全性/使用性/耐久性/修復性 ⇒ 基本性能の項目 ⇒関連する物理現象の例 ⇒基本性能の項目を規定する工学量の例 建築構造物の性能設計の例： 「鉄筋コンクリート造建築物の性能評価ガイドライン」 基本性能 安全性 基本性能の項目 関連する物理現象の例 a.構造物内外の空間の確保 剛体転倒、損傷、崩壊、倒 壊、落階 b.構造部材・非構造部材の脱 構造部材に取り付けられた部 部材加速度、強制変形 落・飛散による危害の防止 材の脱落・飛散 c.設備機器・什器の落下・転 構造部材に取り付けられた設 部材加速度、強制変形 倒・移動による危害の防止 備機器の転倒・落下・移動 d.安全な避難経路の確保 使用性 耐久性 基本性能の項目を 規定する工学量の例 鉛直力残余支持強度、 転倒復元力、最大変形、 塑性率、崩壊機構形式 ドア開閉・避難誘導具の損傷 たわみ・傾斜・破損・凹凸・段 a.使用性能（感覚的（視覚的/ 差・振動・きしみ音・ひび割れ 感覚的））の確保 による美感の変化 床面の凹凸・段差などにより b.日常安全性 生じる歩行者のつまづきなど c.気密・防水・遮音・断熱性の たわみ・ひび割れ・破損による 確保 外気・水・音・熱の侵入 d.可動部分に関する機能保持 破損・変形による機構の破損 振動・変形・傾斜による設備 e.設備機器の機能保持 機器の破損 f.什器の機能保持 什器の破損 a.安全性、使用性の低下 材料劣化 部材加速度、強制変形 部材変化、傾斜、剛性損 傷 部材変化、傾斜、剛性損 傷 部材変化、傾斜、剛性損 傷 部材加速度、強制変形 部材変化、傾斜、剛性損 傷 部材変化、傾斜、剛性損 傷 中性化、断面欠損
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