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国内外の津波設計法と鉄骨造津波避難ビルにおける柱損失後の
残存耐津波性能の検討
佐伯 淳 1 ．序 2 01 1 年 3 月に発生した東北地方太平洋沖地震は，岩 手県，宮城県，福島県，千葉県など東日本の太平洋沿 岸の各県を中心に広い範囲にわたって地震動や津波に よって甚大な人的，物的被害をもたらした．死者と行 方不明者 2 万人近くの多くは津波の犠牲者である1 ) , 2 )． 今回の未曾有の大型津波を始めとして，近年だけでも 甚大な被害をもたらす津波が断続的に発生している． 内閣府は，2004 年のスマトラ島沖地震に鑑みて 2005 年 6 月に「津波避難ビル等に係るガイドライン3 )」を公表 し，この避難方法を具体的に公表した．このガイドラ インをベースに，東北地方太平洋沖地震の教訓を踏ま えて，国土交通省は 2011 年 11 月に「東日本大震災にお ける津波による建築物被害を踏まえた津波避難ビル等 の構造上の要件に係る暫定指針4 )」を公表した． またアメリカにおいて、アメリカ合衆国連邦緊急事 態管理庁は 2004 年 12 月のスマトラ島沖地震により発生 した大津波を契機に、津波防災に関わるガイドライン を 2008 年 6 月に発行した．このように津波設計は震災 を経て近年大きく変わってきている．本論では , 津波 設計の文献を調査し , 現状の日本の津波設計の課 題を挙げ , その一部について解析を行い考察する． 2 ．津波設計の変遷 2 . 1 津波被害について 津波における被害の要因はさまざまである．主な被 害について東日本大震災の文献 5 をもとに R C 造と S 造についてあげる． 共通してみられた被害形態は倒壊 , 転倒 , 移動 , 漂流 物の衝突 , 洗掘が挙げられる．S 造で見られた特有の被 害形態は，全面的な内外装材の破壊・流失 , 大きな残 留変形などである ． 2 . 2 日本における現行の津波設計 日本における津波設計の設計フローを図 1 に示す． 津波波圧の式を図 2 に示す．①津波波圧は設計用浸 水深h に水深係数 a を掛けた高さの静水圧として算定 される．②津波波力を , 開口による波圧低減効果を考 慮しつつ , 津波波圧を高さ方向に積分して算定する． ③倒壊の検討における上部構造の設計に用いる浮力は 一般に各階の開口から浸水深に応じて建築物内部に水 が十分に流入したものとし , 構造物に働く浸水深以下 の躯体体積分の浮力と , 床下の空気溜まりによる浮力 の和として求める．転倒や滑動の検討における基礎の 設計に用いる浮力は , 一般に建築容積分の浮力が基礎 底に作用するものとして求める．④耐圧部材の設計は 柱と耐力壁が , 作用する波力によって破壊しないこと を , 曲げモーメントおよびせん断耐力を超えないこと により確認する．⑤漂流物の衝突により建築物が局部 破壊しないことを , 外部に面する柱が漂流物により破 壊した場合を想定し , その柱軸力が大梁等を介して伝 達できることにより確認する．⑥洗掘に関しては上部 構造が傾斜しないよう杭基礎とするか , 周辺の地盤を コンクリートで固める等の洗掘防止策を検討する．⑦ 倒壊の検討は津波波力を外力分布とし倒壊の検討にお ける上部構造の設計に用いる浮力を考慮した荷重増分 解析により算定し津波波力による各層のせん断力を上 回ることを確認する．⑧転倒の検討は基礎下の各支点 反力を , 津波波力を外力分布とする荷重増分解析（浮 力を考慮しない）の支点反力と基礎の設計に用いる浮 力を支配面積で按分した各支点に働く浮力の和として 求め , これが引張杭については杭の極限引抜抵抗力以 下に , 圧縮杭については杭の極限支持力以下になるこ とを確認する．⑨滑動の検討は転倒の検討時の杭の軸 力と N - M 相関関係等による杭の水平耐力が杭に作用 する津波荷重以上となることを確認する．⑩基礎梁の 設計は上部構造による応力に加え , 杭による応力を累 加した応力に対して基礎梁を設計する． 図 1 津波設計フロー 図 2 津波波圧式 : : : : : : qz g h z a 進行方向の津波波圧, 水の単位体積重量, 重力加速度, 設計用浸水深, 当該部分の地面からの高さ, 水深係数 gh a ah h z ) (ah z g qz 設計用浸水深 ①津波波圧の算定 ②津波波力の算定 ④耐圧部材の設計 ⑤漂流物に対する検討 ⑥洗掘に対する検討 ⑦構造骨組みの設計 ⑧転倒の検討 ⑨滑動の検討 ⑩基礎梁の検討 ③浮力の算定48 - 2 2 . 3 米国における津波ガイドライン アメリカ合衆国連邦緊急事態管理庁( 略称 F E M A ) で は 2004 年 12 月のスマトラ沖地震により発生した大津波 を契機に 2008 年 6 月に「津波からの避難のための構造 物の設計ガイドライン」6 )を発行した．以下に米国で 考慮される津波荷重について示す． ( a ) 静水力学による荷重 ゆっくり とした水 の流れが 構造物に 当たる場合 に働く荷重で , 堆積物を含んだ比重 , 重力加速度 , 津 波高さの積 を底辺と し津波高 さを高さ とする三角 形の面積に 幅を乗じ た三角形 分布の体 積により求 める ． (b) 浮力による荷重 構造物が押しやった水の体積分の浮力を考える． (c) 流体力学による荷重 以下の 式を用 いる． 流速運動量は遡上高さ , 海抜を用いた式から近似 できる． (d) 衝撃による荷重 波の先端が構造物に衝突する力で , 実験により 流体力学の荷重の 1 . 5 倍であることが分かってい る ． (e) 漂流物による衝撃力 流体の最 大流速に 漂流物の 剛性と質 量の平方根 の積を乗じたも ので評価する． ( f ) 漂流物が構造物でせき止められて働く力 流体力学 の荷重の 式に乗じ る幅を流 れが当たる 部分の漂流物の幅 に置き換えた荷 重で評価する． ( g ) 床スラブに作用する浮力 建物内において水のレベルが外部よりも下にあ る場合に 床スラ ブに働 く浮力 ( h ) 貯まった水による床荷重の増加 床に貯ま る水によ る鉛直荷 重の増加 を考慮して いる ． 3 ．津波設計に関する日米間の比較と問題点 3 . 1 東日本大震災をふまえた変更点 変更点を 以下に 示す． ・津波に関する用語の 明確化． ・水深係数の低減条件を海岸の距離や遮蔽物の有無 によって提示． ・開口による波力の低減方法の明示と低減係数の下限 値の 設定． ・ピロティには津波波圧が作用しないこととして 算 定． ・洗掘に対して上部構造が傾斜しないことを 明示． ・漂流物衝突後の建物の安全性の確認 . ・開口部からの水の流入や垂れ壁部分に相当する空 気溜まりの存在の考慮による浮力の低減． ・転倒や滑動を防ぐ構造計算時に浮力を考慮． 3 . 2 米国との比較 米国では静水圧 , 流体力学の荷重 , 衝突荷重など波圧 についても場合分けされているのに対し , 日本では一 つの波力の式を用いて 水深係数による場合分けが行 われてい る ．また日本では漂流物に関しては部材の 損傷後について検討するのに対し米国では漂流物によ る衝撃力を具体的に算出している． 米国のガイドラインの波力と日本の波力を比較する． 図 3 の建物について波力を算出する．米国の波力は流 体力学による荷重(1) 式より 1260kN, 波の先端がぶつか る衝撃力は 1890kN と算定される6 )．日本の波力 F jは， 最大遡上高さを 12m , 水深係数を 3 として算出すると , 日本の波力は終局強度設計で用いられるため , 波力の 大きさとしては許容応力度設計で用いられるアメリカ の波力より大きく評価する結果となる． 3 . 3 現行の津波設計における課題 現行の津波設計では漂流物の衝突に関しては漂流物 の衝突後の軸力の検討しか提示されておらず , 実際に は , 別の津波若しくは引き波によりもう一度建物に水 平力が加わる場合がある．再度同じ津波が作用する場 合 , 建物が安全かどうかを次章では検討する． 4 . 解析 4 . 1 解析手法の概要 有限要素法に基づく弾塑性解析7 )を行う．図 4 のよ うに，部材断面は曲げを加える方向に対して直交する 方向に微小要素に分割し，図 5 のように，部材の材長 図 4 断面方向の分割 図3 算定例題 (a) 角形鋼管柱 (b) H形鋼梁 フランジ ウェブ フランジ ウェブ 図 5 材長方向の分割 D1 D2 D2 D1 塑性域 梁 柱 z=4m R *=10m 勾配 1/50 200m 流速運動量 ：流れ速度， ：流れの高さ 幅， 当たる部分の構造物の ：流れが 抗力係数， 比重， 堆積物を含んだ流体の ・・・・・・ ・ : ) ( : : ) 1 ( ) ( 2 1 2 max 2 hu u h B C hu B C F d s d s d ） （ｋ ＝3969 N 10 2 1 9 9 9.8 1000 j F
48 - 3 方向の分割は塑性化する領域を材端に設定し塑性域の 長さを部材の断面せいに等しいとして分割する．図 6 に鋼材のスケルトンカーブを示す． 4 . 2 解析骨組 対象骨組を図 7 , 図 8 に示す．対象骨組は津波避難ビ ル等の構造上の要件の解説4 )で用いられる構造設計・ 部材断面事例集の 1 0 階建て鉄骨建築物を対象とする 骨組を用いる．柱・梁の配置を図 9 ，柱断面を表 1，梁 断面を表 2 に示す． 4 . 3 検討方法 荷重増分解析により地震力及び津波波力を加え検討 を行う．地震力と津波波力を表 3 に示す．地震力は A i 分布に基づく外力分布で，大地震時(C0=1 .0 ) のものと する．津波設計用浸水深h=8.0, 水深係数 a=2.0 とする． 津波せん断力は文献 3 で求められたものを用いる．津 波荷重時の水平耐力算定用の津波外力は，各階の床位 置に集中して働くものとする．このときの各階床に働 く波力は，上下階の階高の半分の波力とする．桁行方 向，梁間方向でそれぞれ検討する．梁間方向の解析モ デルを図 10 に桁行方向の解析モデルを図 11 に示す．桁 行方向では 1 構面を抜き出したものについて検討を行 う．梁間方向では , 3 構面を抜き出したものについて行 い , 構面は剛棒を用いたピン接合でつなぎ水平力のみ を伝達させる．柱が漂流物が衝突したことにより軸力 を負担できなくなった状態を柱損失時とする．柱損失 時は実際には直交方向に梁が取りついているため , 鉛 直変位を抑制される．そこで柱損失時は図 1 1 の 1 層の ように梁をつないだモデルとする．また波力の大きさ の影響については，表 3 に示すものに 1.1 ～ 1.3 を乗 じることで検 討する ． 4 . 4 解析結果 4 . 4 . 1 地震力と津波波力の検討 損失 なしの場合において地震時と津波時を比較す る．図 1 2 に桁行方向と梁間方向の層間変形角の図を 示す．桁行方向は地震力のほうが層間変形角が大き くなっているのに対し，梁間方向では 1 ，2 層で津 波時の層間変形角が地震時より も 上回っている．波 力は受圧面積に比例するため , 梁間方向の波力が 地震力を上回ったためである . 図 13 に梁間方向 1 構 面の地震力 時と波力 時の変位 図を示す ． 地震力時 18600 3 9 5 0 6400 4 4 6 5 0 4 6 0 0 4 4 6 5 0 3 9 5 0 4 6 0 0 32000 図 7 梁間方向 端部 中央 端部 中央 端部 中央 PR BH-500ｘ250ｘ12ｘ19 BH-500ｘ250ｘ9ｘ16 PR BH-500ｘ250ｘ12ｘ19 BH-500ｘ250ｘ9ｘ16 PR BH-500ｘ250ｘ12ｘ19 BH-500ｘ250ｘ9ｘ16 R～9 H-600ｘ250x12x22 H-600ｘ250x12x19 R～9 H-600ｘ250x12x22 H-600ｘ250x12x19 R～9 H-600ｘ250x12x22 H-600ｘ250x12x19 8 H-600ｘ250x12x25 H-600ｘ250x12x22 8～7 H-600ｘ300x12x25 H-600ｘ300x12x22 8～7 H-600ｘ300x12x22 H-600ｘ300x12x19 7 H-600ｘ250x12x28 H-600ｘ250x12x25 6 H-600ｘ300x16x28 H-600ｘ300x12x25 6 H-600ｘ300x12x25 H-600ｘ300x12x22 6～2 H-600ｘ300x16x28 H-600ｘ300x12x25 5～2 H-600ｘ350x12x28 H-600ｘ350x12x25 5～2 H-600ｘ350x16x28 H-650ｘ300x12x25 階 GX1 階 GX2 階 GX3 端部 中央 端部 中央 端部 中央 PR BH-500ｘ250ｘ12ｘ19 BH-500ｘ250ｘ9ｘ16 R～8 H-650ｘ250x12x19 H-650ｘ250x12x19 R～9 H-650ｘ250x12x19 H-650ｘ250x12x19 R～7 H-850ｘ350x16x25 H-850ｘ350x16x22 7 H-650ｘ250x12x19 H-650ｘ250x12x19 8～7 H-650ｘ250x12x22 H-650ｘ250x12x19 6～2 H-850ｘ400x16x28 H-850ｘ350x16x28 6～2 H-650ｘ300x16x28 H-650ｘ300x12x25 6～2 H-650ｘ300x16x28 H-650ｘ300x12x25
GY1 GY2 GY3
階 階 階 符号 階 C1 C2 C3 C4 R B-500*16 B-500*16 10 B-600*19 B-600*22 B-600*19 B-600*19 9 B-600*19 B-600*22 B-600*19 B-600*19 8 B-600*19 B-600*22 B-600*19 B-600*19 7 B-600*22 B-600*28 B-600*22 B-600*19 6 B-600*22 B-600*28 B-600*22 B-600*19 5 B-600*22 B-600*28 B-600*22 B-600*19 4 B-600*25 B-600*32 B-600*22 B-600*22 3 B-600*25 B-600*32 B-600*22 B-600*22 2 B-600*28 B-600*32 B-600*25 B-600*22 1 B-600*28 B-600*32 B-600*25 B-600*22 備考 BCP325 BCP325 BCP325 BCP325 図 8 桁行方向 図11 桁行方向(柱損失時) の解析モデル 表1 梁断面表 表2 柱断面表 図 9 柱梁配置図 6400 6400 6400 6400 1 28 0 0 Y3 58 00 C1 C2 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C2 C3 C4 C1 C3 C4 C1 C3 C4 X1 X2 X3 X4 X5 X6 Y2 Y1 6400 GX1 GX1 GX1 GX1 GX1 CX2 GX3 GX3 GX3 GX2 GX1 GX1 GX1 GX1 GX1 GY 1 GY 1 CY 1 CY 1 G Y2 GY2 GY2 GY2 GY 3 GY 3 G Y3 GY 3 GY 3 G Y3 表 3 地震力と波力 剛棒 桁行方向 梁間方向 R 813 163 10 2773 555 9 4061 812 8 5147 1029 7 6085 1217 6 6896 1379 5 7588 1518 4 8166 1633 149 302 3 8634 1727 2118 4285 2 8992 1798 6373 12892 1 9244 1849 13547 27407 階 大地震小中地震 津波 図6 スケルトンカーブ Es e -sy -su sy su s 波力 図 1 0 梁間方向の解析モデル
48 - 4 では建物全 体で変形 する． 一方で， 波力時では 上 層部は変形せず , 下層部に変形が集中することが 確認 で きる ． 本対 象 骨組 は 大 地震 時 でも 層間変形 角は 1/100 以内に収まり , 塑性率を確認したところ柱・ 梁と も塑性化して お ら ず 十 分 に 丈夫な建物であっ た．以降は梁間方向の検討を行う． 4 . 4 . 2 柱損失位置 , 柱損失本数の検討 図 1 4 に柱損失条件を比較した層間変形角の図を 示す．2 階柱 1 本損失時では無損失時と同程度の層間 変形角を示した．1 階柱 1 本損失時では層間変形角は 1/100 付近にとどまった．1 階柱 2 本損傷時では層間変 形角は 1/75 に近い値となった．1 階の柱が 2 本損失し , 再び津波が到来する場合 , 危険な状態である． 4 . 4 . 3 津波波力に倍率をかけた場合の検討 図 1 5 に波力に倍率をかけた場合の層間変形角の 図を示す．波力に倍率 1 . 3 倍時で通常時の浸水深プラ ス 1m に相当する．無損傷時では 1. 3 倍波力時で，安全 限界である層間変形角 1/ 75 を大きく上回った．1 階柱 1 本損失時では 1.2 倍波力時で層間変形角 1/75 を大きく 上回り 1 . 3 倍波力時は塑性化が進み 2 階の層間変形角 も層間変形角 1/75 を超えた．図 16 に 1.3 倍波力時の変 形図を示す．1 本損失時では損失なしの場合よりも 大きく変形 している ． 損失箇所の 片持ち梁 となっ た部分が軸 力の影響 により鉛 直方向に 変形してい る ． 5 . 結 本論では津波の文献調査 , 現状の課題の一部である 柱損失 後の水平耐力に関する検証を行った．日本 の 津波波力は 米国の津 波波力よ りも大き く算定され ていた． 日本は漂流 物に関し ては衝撃 後を検討 す 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.01 0.02 柱損失なし 1階1本柱損失 2階1本柱損失 1階2本柱損失 層間変形角R max ［rad］ 層 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.01 0.02 1.0倍 1.1倍 1.2倍 1.3倍 層間変形角R max ［rad］ 層 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.01 0.02 1.0倍 1.1倍 1.2倍 1.3倍 層間変形角R max ［rad］ 層 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.01 0.02 大地震時 小中地震時 損失なし波力時 層間変形角R max ［rad］ 層 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.01 0.02 大地震時 小中地震時 損失なし波力時 層間変形角R max ［rad］ 層 (a) 梁間 (b) 桁行 ( a ) 柱損失あり ( a ) 柱損失なし ( b ) 1 階 1 本柱損失 図 1 2 波力と地震力の比較 図 1 4 柱損失条件の比較 図 1 5 地震力倍率の比較 参 考 文 献 国土交通省国土技術政策総合研究所独立行政法人建築研究所：平 成 2 3 年東北地方太平洋沖地震調査研究( 速報），建築研究資料 No.132，2011 年 5 月． 日本建築学会：2011 年東北地方太平洋沖地震災害調査速報，2011 年 7 月． 内閣府：津波避難ビル等に係るガイドライン，2005 年 6 月． 国土交通省：東日本大震災における津波による建築物被害を踏ま えた津波避難ビル等の構造上の要件に係る暫定指針，2011 年 11 月． 国土交通省国土技術政策総合研究所津波避難ビル等の構造上の要 件の解説 2012 年 2 月 国土交通省国土技術政策総合研究所・独立行政法人建築研究所: 平成 23年東北地方太平洋沖地震調査研究(速報）(東日本大震災）
Federal Emergency Management Agency of the United States: Guidelines for Design of Structuras for Vertical Evacuation from Tsunamis2008 年 6 月
Kawano,A.，and Warner,R.F.：Nonlinear Analysis of the
Time-Dependent Behaviour of Reinforced Concrete Frames，Research
Report No.R125，Department of Civil and Environmental Engineering，
The University of Adelaide，1995.
1) 2) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 地震力 損失なし波力 損失なし1.3倍波力 1本損失1.3倍波力 図 1 3 波力と地震力の 比較 図 1 6 倍率時の損失時の 比較 るの に対 し米 国は 衝撃 力を 算出 する ． 解析 に関 し て柱が 2 本損失した場合 , 柱 1 本損失で波力に倍率 をかけた場合 , 安全限界にほぼ達した．今回の解析 から は， 少な くと も柱 損失 後の 水平 力に 関す る検 討は必要であ ると言える． 1/100 1/75 1/100
