D U M N C m u ̲ t N G L f L n 祝 l C A N E F A L L m C I I O 鵬 . S l f C K

研 究 払 文

都市 ガスの爆発 に よる鉄筋 コンク リー ト構造物 の変形 と破壊 一爆発.衝撃に よる構造物応答の解析 その1‑

竹 田 亡 ‑●

もし.い ったんZP故が発生すれば爆 発す るおそれ のあ る危険物が 多敦存在す るに もかか わ ら ず.爆 発,斯学を対象 とす る構造物安 全設計の技術は まだ.いずれ の国 も完 成 してはいない｡

この故計方法 では.爆 発.衝撃な ど,いわゆ る衝撃的 外 力 と構造 物 との相互作用に よる応答 (応 力波発生.構造材料 の速 度効果 な ど)を定見的 に もとめ ることが ます.必 要にな る｡ しか し,構造 材料 と して庇 も多丘に用い られ てい る コ./ク .)‑ トは一粒の混和 材料 {･あ り.無定形 封で空隙 も多 く.術革的外 力を うけ る と, きわだ って静的 な性質か ら変化す る｡ この よ うな.

いわゆ る速 度効果は発生す る クラ ックの伝播速射 こまで影野 を与え る｡

従 って,術撃的外力を村 政 とす る安全設計は多 くの学 問分野 の研究者 の協力が必礎 な境 界領 域 にあ り. この .tうな状況が進展をはばんで来た と考 え られ る｡

この研兜は ます.衝撃的外力の中{･比較的単純 であ る と考 え られ る迎常 のガス爆 発zP故の乗 例 を と りあげ , この事故に よって発生 した栴造物破壊 の ノカニズムを.以前発表 した (参考文 献8参照)方法に よる応答解析 を行 な った括A Iこよって換附 した ものであ る｡

I.綿 富

この歯文は爆発.術帯 な どを対象 とす る構造物安 全 設計方法の研究 の報告 であ る｡ 今 日,先進工業国だけ {･な く,世界中の市布には唖 々の危険物 が存在 し.住 民 はそれ らのは ざまで生活 してい る とい う状 況であ る｡

い ったん7P故が尭生す九は爆発す る もの も少 くないが.

爆 尭.衝撃 な ど.いわゆ る衝撃的 外力に対 して安全 な 構造物 を放計す る構造学 は まだ,いずれの国 も完成 し ていない｡ この ことは.爆 発.衝撃 な どの悲惨 なqf故 のニ1‑ スがLE]常的に報道 され てい るこ とを見て も明 らか であ ろ う｡

一方.衝撃的 外力を考慮す る必 要のない.通常 の構 造物は現在 では.かな り較稚 な ものICも輪密 に設計す る ことが{･きる｡ これは静的構遁 力学 (静 力学 を基礎 に してい る)及び申静的構造 力学 (江 )に よるのであ るが, 力学 その ものは初め.静 力学 ではな く. こ A‑

トー/の運動 の法則 を引用す るまで もな く.動 力学 と し て体系化 された ことを考え ると,寄掛 こさえ感 じられ

1993年3月2日受理 'TK術や.爆 発工学研究所

〒 246鎌倉市大町4‑18‑ 1 でEL0467‑23‑025I

る｡静 力学 はその中の加速度項 を ゼ ロと した.俺限 の 力学 だか らであ る｡衝撃的 外力を対 敦 とす る栴道草 (そ の特 軌 ま構造物 の応答の中の無現 し和ない応 力波 及び 挺造 材料 の速度効果 の形苛 を考慮す ることであ る｡ こ こでは これ を動的 栴遵 力学 とい うこととす る)の進 歩 が この よ うに遜れたのは.現 象が.SI.敵に推移 して計測 が田無 ICあ ることの外, この領域 が各唖学問分野 の埠 界翁域 にあ り,多 くの研究者の協 力を必 要 とす る中桁 もあ る｡ 瓜 も一般的 な越波材料 であ る コンク1)‑ トが 七 J ン ト, 求.骨材 な どの混和材料であ り.無定形 質 で空隙 も多 く.衝撃的 外 力を うけ ると静的 な場 合 と甚 だ しく異な る挙動 を示す こともこの投計を田軌 こす る 要 田{･あ る｡ この よ うな変形速 度に 上る構造材料 の力 学的 性 質 の変化 (速 度効果l日 )rate effects)が載荷 のす べての段階 {･大 き く形暫 し.蛎野的 収荷では タラ 注) 従来.触造物の設 計 で取 り上げ られ た動的な外 力 は.地頭 .台風.走 行中の 自動坤 の弼砿程度 であ り.衝撃的外 力に 上る応答の特散 であ る応 力波及 び速度効果 の形轡 を魚現 して静力学 に申ず る取扱 いをす ることが可能 であ った｡ 以札 わが国で.

これが動的設計 とよばれた ことがあ ったが, ここ では申静的設 計 と し,上述 の特赦 を考慮 した投計 方法 (助的設 計) と区別 した｡

K6gY6 KayaktJ.Vol.54.No.3.1993 ‑105‑

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Fig･1 Appro血 tespeedoEyariotlSaccidentsmighthlluponstructt

JreS Phot.1(a) Scabbingolconcretewal lcaused

bygas

explosionandtheope

ningsolwallfmm whidlthevhleFittingshare

ta nblow awaytqgetherwithwindo叩 neSbythe

叩 losion Phot.1(b)Fra血reoL

Phot.2 ExampleoEfractur

eofwindowpanessub‑ j

ectedtoairbustofanexplosive 訂･

/の収上階の 1住戸でガス頓尭事故 (死者 1名.負 侮者3

名)が発生 した｡ このガスはqt別13Aの堺市 ガ ス (発熱丑11,000Keal/Fl.ノタl/88.2%)であ

るが.

爆発時の濃度は特定 されていない｡ このZJf故で ,二つ の特鵜な感嘆が見 られた｡ひ とつは鉄筋 コンク.)‑

ト 聖に先生 した潮位 (写fEl(a))であ り, もうひ

とつは riJじ写掛 こ見られ る周辺の棒材 もろとも吹 き

飛ば され たアル iサ ッシュ引退戸 (

1.75mXl.8m.2カ所) である｡ もし. ガラ

スが先に破壊すればサ ･,シュ.棒 材などは残る管{

･ある｡実際.その ような破壊 も壌発 市政で故多 く見

られた (写耳2)｡ は じめに述べた コンク])‑ トの剥

離 も爆発では よく 見られる現象であ り, この場合 も恥

こ,破壊が動的に 発生 したことを示すに過 ぎないが.祈 2のアル ミサ

ッ シュ開 口部建具の飛散は脱明が容易{･はない｡ し

か し.

こころみに以前のガス爆発亦故の写拝を検討す るとこ の現恥 土しば しば発生 していることが明らかにな

った (写この現象は次のように脱明され る｡建苅3)｡

築物に用いら れ る窓 ガラスは台凪軽度では十分安全なよう

に設計 さ れ化. I･明晩 も行なわれている6',トの違い,周辺 . ガラスの強齢 土経年変 の支持条件.荷故の速 さな ど に 上って変化す る日. しか し, F･サ トも荷茄 も支持粂 Pho

t.3 Anotherexamp)e ofgasexplosion irL buildingfrom whidlalIfi(tingshdbeen blow

away togetherwith windowpazleS Erom the

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伝えられること

を考えると, しごく当然のことと理解 される｡ このPflFl軌こは76CnX80̀玉呼 さ5EEnの同形

の ガラス4枚がlヵ所に用いられていた｡ ここに上述の 圧力が作用すれば開 口部建具はひとたまりもな く.全 体が一瞬の うちに吹 き矧 i'される

のは 日に見えている｡

従って, この現

触 土通常のガス爆発辞故の破壊のひと つの特徴 と考えること

ができる｡

3.事故による構造物の変形と破壊

事故は図2に示す平面の,面前約7ltJの最上階 (ll 防)住戸のひとつで発生 した｡ この†ンションは 1階

が店朗.は上述 2階以上が共同住居 となってお り,2階以上 の単位比戸2戸が共同の階段室をはさんで配配 され.それぞれの住戸は好 さ18czbの鉄筋 コンクl)‑ ト 耐力壁

{･仕切られている｡階段室 も同 じ厚 さの鉄筋コ ンク

L)‑ ト盟で因まれ 叔上階からl階 まで按いてい る｡

都政に上る柄造物の扱者は.住戸の境 となっている 伴い耐力蛇が率い し.かな り狭い抱臥 こ限 られてお り.

爆発のあ った住戸 とその両隣及び直下の住戸 とその隣 の階段室を共有す る住戸だけ{･あ った (回 3)｡ この

範囲内でも蛙には全 く残留変形は沈められなか った｡

爆発のあった

住戸の上部 スラ7'(監上スラ7'｡ スラブ の大 きさと形に上って厚 さ12ctBと15cznの部分があった 那.鉄筋は監上の温度変化を考慮 して上下に配旺され . ダブル配筋であった)はすべて大破 し.残っている部

分 も一度吹 き上げられた後.落下 した状況を示 していた (写文 1 (b))｡それに対 し,下方のスラブ (床 ス ラブ｡厚 さは段上スラブと同 じ{･あるが鉄筋は ダブル 配筋ではなかった)は大きく変形は していたが破軌 よ

しなか った｡ このように,上部スラ7'より下部スラ

ブ の破壊が小さいのは. もともとスラブは上方からの荷 重

に抵抗するように設計されているからである｡厚 さ 1

8czaの耐力妃は本来.飽田を想定 して設けられたもの で

あるが爆尭に対 しても大きな抵抗力を示 し.変形は したが破噺は していない (写fEl(C).回4)｡ただ

. 図5に示す ように床スラブの曲げにともな う端部回

転 が加わ って変形が大きくなっている｡爆発住戸の四

周 の依造部材の変形状況を図6に示 した (変形は拡大

さ れている)｡変形 した耐力壁から採取 した鉄筋の静的

引蛮 り訳敦を行なった結果を図るように. クラックの部分か ら採取 した鉄筋7に掲げた｡予想 され(No.1

‑1‑No.I‑3)の応力 ･歪曲線には.かつて .大 きな塑性聴聞の変形を経放 したことがt明敏に銃丸 と

れ るのに対 し. クラ ッ クと クラ ックの中間部 の鉄 筋 (No.2‑ I.2‑2)は払女状態であることがわか る｡ このことは以前,筆者の研究室で行なった鉄筋 コ ンクI)‑ ト円稀体の爆発実故 9)と同 じ餌向である｡

つ まり,術革的載荷による鉄筋 コンク.)‑ ト構造物 の 中の補強鉄筋は一様な変形を生するのではな く,局

所 的に変形が進むので部材全体 としての大きな相性

は期 待 し得ないことを意味 してお り.栴造物の所帯的

外力 を対象とする安全設計にとって政変な知見である

この市 ｡

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Fig･4 Deformationofquake‑resistantwallsubjectedtogasex

plosionSBCrlONBID

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Fig.6DeLormetionoL8truCturalmembers

subjected togasexplo

sion(exaggerated)

住戸か らで

あった｡変形 した出入口スチール ド7‑か ら階段竜を遜 り相対する ド71を変形させて投入 した

(ttmJJaY)ss岩LS

h.1‑1‑ 1‑3:SpeciEl飢SiAn払rPrtOf&pparCnt

Cracks. h.2‑1.2‑2 :S阿 im 5inprttx)tTCenCrac

ks.

Fig.7 StresststrainctLZVCSOEreinE^oTCementSusedinqtJake‑resistzLnt

W曲 stJbjected togase

xplosion

でガス爆発が発生すれば.前述のよ

うに.爆燃で上昇 した圧力は瞬時に住戸内の全域に伝わ

り.周面のすべ ての構造部材は殆 ど同時に同

じ大きさの一様の圧力を うけた と考えられ る｡ ところ

で.以前報告 した8)よ

･)に,析守的外力を受ける構

造物には二位の異なる応 答 (変形あるいは破壊)が起 き

る｡ひとつは局部的応 答 (第一次応答).もうひとつ

は全体的応答 (第二次 応答)であるが,上述のような

‑様な外力に対 しては 局部的な第一次応答は発生 しな

い｡従って,弟二次応 1引こついてだけ解析を行なえ

ば よいが.これには従来 の群調性解析8)を恥用することが

できる｡

この場合.図4からも明らかなように,依遵 部材の 変形が通常. 1次振動モー ドに近い形をもっ

ているこ とを足がか りとして年価 l方.色糸に変換すると計

昇が 専 Sになる｡詐称 土圧に

参考文献8Jに設明 している ので.こ

こでは横賓の脱明にとどめ.それに上って解 析 した結

果を報告する｡等価 1耳点系への変換による 簿価耳丑.等価

枚元力及び等価外力をそれぞれ M.. R..F.とす

る｡中央点の変位をyとして.この構造部 材の運動方程式は次

の1うに柑られる｡ただ し,爆発.

斯学の均合は.対政時間が

短いのでエネルギー減衰項 は省いている｡Lは時間.枕元力R.li

yの閲敦である からRlM,メ+b)としている｡R.

ひ)‑F.(I)

この変換には変形モー ドが使われ

るが.これは当然, 蛸遁部材が郷性変形を行な っている

場合 (Suffixe

がついているもとのまま{･讃わす) と一部分が 塑性化 したとき(SuLEixはc

bをつけて衷わす).部材全部が

地性化 したとき (Suffixli♪)で典なるか ら,上式の (M,,R.

,F,)は状態に応 じて (M.タ.Ro.ち )また は

(Mp.Rb.Fp)に変わる｡ これ らの変換を容 易に 行な う一方法が参考文献1

5)に示 されている｡計井で は この

方法を使い,鉄筋 (SD30)の動的引破鐘皮を 速度効果を考慮 し

て3600LSL/CJ (静的強度は3000kf/ cJ)

とし,政情硫分を行なった｡

ガス爆発が発生する空間

がかfz:り複雑な場合で も.

その圧力上昇は巨視的

には1次燃焼理由で近似できる ことが知 られている1

01. この理曲に 上ると燃焼中の圧 力♪(I) (t

は時間) と初期圧力puの比 (圧力比)は次 式で表わ

される8).

管 ‑競 ･Z‑告 (.･黄 )･L=f 式のCp

I.Cp2Jまそれぞれ反応前後の定圧比魚.Tlは 反応前のガスの温度.Qはガス中位点の発.Q丘.T..

は燃焼が終るまでの時間 (伝焼時間)である｡Zは伝 境が

終了 したときの圧力比 (最大圧力比)を来わす｡

しか し

,爆発事故ではその途中で構造物が破壊 し.未 伝 ガス

とともに破片飛散が始まるので.虎大圧力まで 到達する

ことは殆 どないと考えられ る｡なぜならば, 構造物は通常.

(kd/T3)単位で波わ され る何故で設 計 され.

その大 きさも圧力の単位に正せば0.11屯f/cd 以下だからである｡ この市政

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Fjg･8 ResponsesoEstructuaImembersaJldwidowparLeana

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Table1 SizesaJldpladJlgOfreinEoTTementSOEstructuralmembers

analy紀d

de(pcdt)h)Wi(dtcnh)lOn(gtcmb) endpplaaLrt)ing of reinforcemOnt

Jniddlepart tlPPeRrSSllab 15 452 492 udnp..DPll3o‑‑2400ccncmcttcDcD1133‑40cmctc

‑40cJnCtC.Plo‑40(氾 CtC flololSlrslab 15 452 492 tdJnP.D.D1130‑‑2400ccmctbtc

CtCD13‑40cmctc,D10‑40cznctc qtJake‑re‑

gist.Tall 18

258 1135 horizontal D

10‑20cmctc vertical D10‑20cmctc beAEbB4 70 25 8

92 udAp. 2. 2‑‑DD‑‑2222 24‑‑DD‑‑2222 Note:Placingofreinforcementsisshownonly

ofmidd]ehalfpad ラ7')につ

いてはZを6.10の二つの場合を示 してい るが.見

られ るとお り,応答曲線には大並はない｡

国中の応答曲線

がすべて実際に篭きるわけではない｡

計井によるとZ=6(

最大圧力6atm)の場合.ベ ラン ダ側アル ミサ ッシAのガラスは

爆発後0.342秒(過圧0. 39kd/cJ)‑

C破壊すると推邦 される (付擬参照)か ら.

その以前の時点で棒材.サ ッシlもろとも吹 きとは さ れたと考

えられる｡丁度その政軌 燦源 (住戸の中央 付近 と仮定 してい

る)をは さんで反対側の天井スラ7' RSlが･降伏 (

0.27秒.回8) し.その後は加速度的 に変形がL

増大 して大破すると推荊 される｡その後.氏 力は下降

に捗ると考えられ るが,その過程および隅角 部またはふ き

だま りのガスの格税で発生 した圧力増加

101などに よって住戸周面の構造部材.小梁 (RB4

に支え られた段上 スラブ (下方か らの旺力に対 しては 小梁 との速成効果があ るが呼 さ12czbでRSlよ り薄い ので.やや早い時点 で).耐 力軌 小梁 (llB4)に 支え られ る床 スラブな どの変形が進 んだと考えられ る｡

この よ ')な変形.破嘆の防止が安全設計に とって虫要 であ るが.今綾の研究につないで行かなければな らな

い｡

5.括 故

()) 鉄筋 コ･/クLJ‑ ト掛造物の仕切 られた区画内で ガス爆発が苑生す ると.通常 の場 合.区画内部の 旺 力は殆 ど一様に増大す る｡ 従 って周囲の栴造認 相.窓苛 も同 じ圧力を うけ.弱い部分が破壊 し.

生攻 ガス等の放逸でEE力が低下す る｡

(2) この よ うな圧 力に よる構造部材の勤的応答は筆 者が以爪印缶 した方法 日 に 上って解析す ること がで きる｡ この解析に よると対象 とした亦故では 噸先枚.約0.27秒で匿根 ス ラブが降伏 しその後加 速度的に変形が･増大 して大破 した と推耐 され る｡

(3)開 u部唖 凡の ガラスは静的計井{･は大 きいほ ど 小 さい圧力で砿墳す るが,前項の動的解析に よる と破蛾 までの時間がかな り長 くな る｡ そのため.

ガラスが破填す る以前に.枠材,サ ッシAと一件 の まま飛散す る現 象が ガス爆発ホ故で しば しは見 られ る｡

(4)遡常の構造物の設計荷鑑は圧 力の蝉位に直せば 通常0.1kSL/CJ以下であ り, ガス爆 発の扱 く初期 の.旺力の小 さな段階 で破壊 し. ガスが倣過 して 大 きな圧 力に到達 しない まま終 ることが 多い｡

(5) しか し.破壌孔な どか ら吹 き出た爆恥 土強 力で あ り. ここで研究対象 と した事故で も.爆風に よ る死J,･が允生 した｡防災上のひ とつの問題 と考え られ る｡

謝 辞

この研究では.技官.その他の飼重に東急唖設株式 会社関係訊所の方 々の絶大な御協力をいただいた｡ ま た.同社の調査や料 も使用 させていただいた｡ ここに .Llか ら御礼申 し上げ る｡ また解析.焚科塵理苛に楠本 工大.高木助教授.谷川助手の御協 力をいただいた｡

厚 く御礼申 し上げ る｡

付 拝

【ガラスの戟皮 と破蟻の解析】

建築物の粥 口紅に用い られ るガラスは.通常.一方 の面だけか ら圧力を うけ も｡ ここではその ような場 合 の戴虎について述べ る｡

ガラスの耐風圧強度 は経年変化. ロッ トの速い.局 辺の支持条件.圧 力増加速度 な どを一定 とす ると.お お よそ, その好 きの2乗の式 {･表わす ことが {･きる

lし この ことは. ガラスの曲げ応 力が一定値 (許容曲 げ応 h/.)にな った とき破壊す ると仮定 {･きる ことを 意味 している｡ そ こでガラスを舛性擬 として計井す る｡

ガラスの短辺 をQ,長辺 をb.厚 さをkとす る｡ 参考 文献12)か ら許容曲げ応h/bは次式 で讃わす ことが{･

きる｡ ただ し.Dは剛性.Eは ヤ ング係臥 レはポ7 ソ ン比.♪は旺 力であ る｡

/.‑葦 巨星･D‑品 ･(M･,‑‑紳 2 (., ここで, (M.).Bは擬中央短辺 方向の愈大曲げ そ ‑ I I/ I.βは (A/a)の大 きさと支持条件 で決 まる床故 であ る｡ (bob)は転 に作用す る圧 力の 合計 (尉 荷 力 W)であ り,

W‑[# ]

h

大 きなガラス樫.小 さな圧 力で破壊す ることになる｡

この ことは討取実験 で も詑め られている6).

しか し.ガス爆発な ど衝撃的外力に対 しては ガラス も振動系 として応答す るか ら.その応答を計井 しなけ れば な らない｡文献12)か ら中央の放大たわみo瓜.は

(b/a)お よび支持条件で定 まる係政aを使 って.

W噌‑誓 (3,

で与え られ. これを許容 し得 る鄭性叔大たわみ V,tで 表わす) として計井す ることがで きる｡ しか し. この 変形は動的に行なわれ るので.戟碇及びヤ '/グ係数に は速度効果を考慮する必 要があ る｡ ガラスの劫的 な許 容曲げ応 力 Va). ヤ ング係数 (Ed)は杏考文献13), 14)か ら.^/Jl=/JX2.Ed=Exl.6(参考文献7)

とす ると

yd‑〔静 ]02=〔鵜 〕a2 ･4, となる｡ ベ ラ･/ダに面す るアル ミサ ッシ>引逮戸に用 い られ ていた ガラスはo=76cn.b=80cl).h=5dZnで あ り,a.βは周辺固定 と支持 の中間 としてq‑0.0029. β‑0.052tと Ll･2)./bをW=900kgfと して求め い.

またE=7.5×105kd/cJとす る71とyd‑2.09cBとlz:る｡

中央のたわみが この債に逮す ると直ちに破壊す ると仮 定 して文献8)の方法で解析す ると中央たわみがy.Jに 遠す るのは爆発綾0.342秒 (適正0.39kgf/cJ,ただLz

=6と して)であ った｡解析賠射 ま図8中に岱 き入れ た｡ この ように, ガラスの破壊 までの時間が長 くなる のは,その叔大変形丘 hl)那(4戌 の ように辺長の2

ー112‑ _工薬火薬

乗に比例 して大 きくな り. また.ガラスの貿丑が栴造 部材の賞丑に比べて苓 しく小 さい ことを反映 して, ガ ラスが構造部材 と全 く輿な る応答をす るため と考え ら れる｡

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