報告 東北地方太平洋沖地震による超高層免震建物の地震時挙動 境茂樹 *1 加藤貴司 *1 田中靖彦 *1 片山喜隆 *2 211 年東北地方太平洋沖地震により茨城県水戸市に建つ高層免震建物で強震記録が得られた この地震による基礎上の加速度は cm/s 2 を越え, 速度応答スペクトル ( 減衰 %) は周期.3~. 秒と周期 1 ~2 秒で卓越し,1cm/s 以上の応答値を示した 建物 1 階の水平加速度は, 基礎上に比較して.3~. 倍に低減し, 建物内の増幅も小さく, 良好な免震効果が得られた また, 免震層を含む建物全体系の 1 次固有振動数と減衰定数を算出した結果,1 次固有振動数は地震動の初動部の.6~.8Hz から主要動部で.4~.Hz に低下し, 減衰定数は初動部の ~1% から主要動部で 2~4% に増加した 免震層の相対変位を分析した結果, 地震時に最大で 14cm 変位したと推定され, この結果は設計モデルによるシミュレーション結果とも良く対応した キーワード :211 年東北地方太平洋沖地震強震記録高層免震建物免震効果相対変位 1. はじめに 3. 強震観測結果 筆者らは水戸市に建つ 21 階建て超高層免震集合住宅において, その振動特性の把握と設計の妥当性を検証することを目的として 21 年から地震観測を行っている 1),2) 本報告では,211 年東北地方太平洋沖地震により本建物で観測された強震記録の分析結果 3),4) と, 設計モデルによるシミュレーション結果について報告する 3.1 加速度記録加速度波形を図 -3に示す 基礎上の波形のフェーズをみると,1 秒前後に大きなフェーズが1つみられ, その前のフェーズは小さく, 防災科研の資料 ) による茨城県内の加速度波形と対応する 2. 建物と強震観測システムの概要 本建物は地上 21 階建て, 軒高 64.m の基礎免震建物である 上部構造は RC 造ラーメン構造で,1 階床下の免震層には天然ゴム系積層ゴム支承, 鉛ダンパー (U- 18 型 ), 鋼棒ダンパー (SCM4 φ9 R32) を配している 基礎構造はマットスラブによる直接基礎であり, 敷地は良好な第二種地盤で,Tg=.28 秒である 軸組図と基準階平面図を図 -1に, 免震部材の配置図を図 -2に示す また, 設計時の耐震目標性能を表 -1 に,1 次固有周期を表 -2に示す 設計のレベル2 時 ( 免震部材安定変形以内 ) の 1 次固有周期は,で 3.78 秒,で 3.8 秒となっている 地震観測装置のセンサーはサーボ型加速度計で, 基礎, 1 階床,21 階床の 3 か所に設置され, それぞれ 3 成分 (XYZ) の合計 9 成分を計測している センサーの配置は, 前述の図 -1に示している 図 -1 基準階平面図と軸組図 図 -2 免震部材の配置図 *1 技術研究所 *2 設計センター ハザマ研究年報 (211.12) 1
上部構造 表 -1 設計時の耐震性能目標 レベル 1 (2cm/sec) 短期許容応力度以内最大層間変形角 1/6 以内 *2) レベル 2 (cm/sec) *1) 弾性限耐力以内最大層間変形角 1/3 以内 安定変形 安定変形 免震部材 (31.2cm) 以内 (31.2cm) 以内 ゴム層厚 2% ゴム層厚 2% 基礎構造 短期許容応力度以内 短期許容応力度以内 支持地盤 短期許容応力度以内 短期許容応力度以内 *1) 弾性限耐力とは 部材が最初に降伏した時点の耐力を示す *2) 安定変形は 終局限界変形を安全余裕度 2で除した値 表 -2 設計時の一次固有周期 ( 秒 ) 免震層固定時 微小変形時タ ンハ ー降伏時レベル 2 時積層コ ムのみ 1.6 1.6 2.23 3.78 4.32 1.16 1.61 2.26 3.8 4.33 Acc. (cm/s 2 ) Acc. (cm/s 2 ) Acc. (cm/s 2 ) 2-2 - 2-1 2 2 3 Time (sec) *2) FC-X Max. Acc.=-314 cm/s 2 FC-Y Max. Acc.= 42 cm/s 2 FC-Z Max. Acc.= 24 cm/s 2 1F-X Max. Acc.=-113 cm/s 2 1F-Y Max. Acc.=-18 cm/s 2 1F-Z Max. Acc.= 287 cm/s 2 1 2 2 3 Time (sec) RF-X Max. Acc.=-149 cm/s 2 RF-Y Max. Acc.= 181 cm/s 2 RF-Z Max. Acc.= 6 cm/s 2 1 2 2 3 Time (sec) 図 -3 加速度波形 ( 上から基礎,1 階,21 階 ) RF X Y Z 1 階基礎 2 6 加速度 (cm/s 2 ) 図 -4 最大加速度分布 また, 最大加速度分布を図 -4に示す 水平方向の最大加速度を基礎と1F で比較すると,は 314 cm/s 2 から 112 cm/s 2 に,は 42 cm/s 2 から 184 cm/s 2 に低減し, 水平加速度は1/3~1/2 程度となり免震効果が認められた また, 水平加速度の建物内の増幅も小さい 一方, 上下方向は基礎で 24cm/s 2,1F で 287 cm/s 2, 最上階で 6 cm/s 2 と, 一般的な建物と同様に増幅している なお, ここに示していないが, 最大速度を算出した結果, 水平方向の基礎上の最大速度は で 33cm/s となり, 設計レベル2 時の最大速度の 6% 程度の入力であったと推定される 3.2 入力のスペクトル特性入力の特性を見るため, 基礎の記録の加速度応答スペクトル ( 減衰 %) を図 -に, 速度応答スペクトル ( 減衰 %) を図 -6に示す 基礎のスペクトル値は短周期成分が優勢で, 周期.3~. 秒,1~2 秒で卓越し, 速度応答値は関東地域のレベル2の目安となる 1cm/s をやや上回るレベルとなった 加速度応答スペクトル Sa (cm/s 2 ) 速度応答スペクトル Sv (cm/s) 1 Z 方向 1 6 2. 2. 4. 6. 8. 周期 T (sec) 図 - 加速度応答スペクトル ( 減衰 %) 16 14 12 1 8 6 4 2. 2. 4. 6. 8. 周期 T (sec) 図 -6 速度応答スペクトル ( 減衰 %) Z 方向 ハザマ研究年報 (211.12) 2
1 Xdirection Natural Frequency 1 Xdirection Ydirection Natural Natural Frequency Frequency.8.6.4.9.9.8.8.7.2 1 2 2 3.7 1 2 2 3.6 Xdirection Damping Ratio.8 Xdirection Ydirection Damping Damping Ratio Ratio.4.6.2.4.2 -.2 1 2 2 3 -.2 1 2 2 3 (a) (a) 1 Ydirection Natural Frequency Ydirection Natural Frequency.8.6.4.9.9.8.8.7.7.6.2 1 2 2 3 1 2 2 3.6 Ydirection Damping Ratio.3 Ydirection Damping Ratio.4.2.2.1 -.2 1 2 2 3 -.1 1 2 2 3 (b) (b) 図 -7 全体系の 1 次固有振動数と減衰定数の変化 図 -8 建屋系の 1 次固有振動数と減衰定数の変化 3.3 1 次固有振動数と減衰定数の変化基礎上の記録を入力, 最上階の記録を出力として ARX モデルを適用して, 振動中の免震層を含む建物全体系の 1 次固有振動数と減衰定数の時間変化を算出し, 結果を図 -7に示す この図から,1 次固有振動数は,Xともに主要動.9Hz,で.7~.9Hz であったが, 主要動部では は.7Hz,は.6Hz に低下し, 後続部では で.7~.8Hz,で.6~.7Hz となった 上部建物系の減衰定数は で ~8% 程度,Y 方向で ~1% 程度となり, 全体系に比べて変動幅は小さい 前は.6~.8Hz であるが, 主要動部では.4Hz 程度ま で低下し, 後続部では.6Hz 以上に再び増加する傾向が認められる 減衰定数も固有振動数と同様に変化し, 初動部は, ~1% 程度であるが, 主要動部では 2~4% に増加し, 主要動後の後続部では 2% 程度以下に減少する傾向が認められ, 振幅に依存する傾向が認められる 免震層を含まない上部建物系の一次固有振動と減衰定数についても同様の分析を行い, その結果を図 -8に示す その結果, 上部建物系の 1 次固有振動数は, 全体系の固有周期と同様に時間変化し, 初動部は で.8~ 3.4 免震層の復元力特性免震層の復元力特性の算出は, 設計時の各階質量と各階加速度から慣性力を算出し, 基礎上と 1 階の加速度記録の積分変位から免震層の相対変位を算出し, 免震層の荷重 - 変形の関係を算出した なお, 地震計の設置していない 2 階 ~2 階の加速度波形は, 実記録のある 1 階と 21 階の加速度波形の線形補間により算出した また, バンドパスフィルター遮断周波数は.1Hz,2Hz としている 振動中の復元力特性の結果について,6 秒 ~18 秒ま ハザマ研究年報 (211.12) 3
での間を 1 秒毎に算出した結果を図 -9に示す なお, この図には, 設計時の骨格曲線 ( 標準状態 ) も合わせて示している この図の結果から, 加速度波形を線形補間しているた め, 高次モードの影響が見られるものの, 観測結果から得られた復元力特性は設計時のモデルと比較的良く対応していると考えられる 図 -9 復元力特性の時間変化 (1 秒間毎 図中の太線は設計時の骨格曲線 ) ハザマ研究年報 (211.12) 4
4. 設計モデルによるシミュレーション基礎上の観測記録を設計時の解析モデルに入力して, 各階の応答変位をシミュレーションした 1 階および 21 階の応答変位の観測結果と解析結果の比較を図 -1 に示す Xともに主要動部から後続部に至るまで解析結果は観測結果と良く対応している また, 基礎と1F の加速度記録の積分変位波形から求めた相対変位の軌跡を図 -11 に示す この結果より, 観測結果と解析結果の変位軌跡は良く対応し, 免震層の最大変位は観測結果 14cm に対し解析結果 cm となった この変位は, 設計時の免震装置の安定変形 31.2cm の半分以下となっている また, 観測結果から求めた免震層の累積変位を図 -12 に示す この結果から, この地震による累積変位は9m となった. 免震と非免震の応答比較設計モデルを用いて, 非免震の場合 ( 免震層を固定 ) を解析し, 免震の場合と応答結果の比較を行った 図 -13 に各階の応答加速度分布の比較を, 図 -14 に各階の層間変形角の比較を示す この図から, 非免震の場合でも, この地震の入力に対して上部建物の加速度応答は増幅しないが, 各階の応答加速度は 2cm/s 2 以上となり, 建物内の家具や食器の移動や転倒の恐れがあると考えられる 免震の場合の応答加速度は非免震に比べて小さく,1 cm/s 2 程度となった また, 層間変形角についてみると, 非免震の場合は.(1/2) 近くまで応答が生じる層が見られるが, 免震の場合には, 層間変形角は.1 以下に収まった 6. まとめ 2 1 階 観測解析 1 - -1 - -2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 2 1 階 観測 解析 1 - -1 - -2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 (a)1 階の応答変位波形 ( 上 :, 下 : ) 2 21 階 観測解析 1 - -1 - -2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 2 21 階 観測解析 1 - -1 - -2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 (b)21 階の応答変位波形 ( 上 :, 下 : ) 図 -1 シミュレーションによる応答変位 解析 2 1 - -1 観測 2 1 - -1 - - 東北地方太平洋沖地震による高層免震建物の地震観測結果を分析した結果, 以下のことがわかった 基礎の水平方向加速度は 3~cm/s 2 程度であり, 免震層を介した 1 階の加速度が 1~2cm/s 2 程度に低減し, 免震効果が発揮された 入力の応答スペクトルは短周期成分が優勢で, 周期. 秒程度および周期 1. 秒 ~2. 秒程度の速度応答スペクトル ( 減衰 %) は 1cm/s を上回った 固有振動数と減衰定数の時間変化を分析した結果, 全体系の一次固有振動数と減衰定数は地震動の振幅レベルに応じて変化した -2-2 - -1-1 2-2 -2 - -1-1 2 図 -11 免震層相対変位の軌跡 ( 左 : 解析, 右 : 観測 ) 累積変位 (m) 1. 8. 6. 4. 2.. XY 平面 1 2 2 3 時間 T (sec) 図 -12 免震層の累積変位 ( 観測 ) ハザマ研究年報 (211.12)
観測記録を用いて免震層の復元力特性を推定した結果, 履歴ループは高次モードの影響が見られるものの, 設計時の骨格曲線と比較的良い対応を示した 免震層の相対変位は最大で 14cm となり, 設計モデルによる解析結果 (cm) とも良く対応した また, 観測結果から算出した累積変位は XY 平面で 9m に達した 設計モデルを用いて, 免震および非免震の場合の応答解析結果を比較した結果, 非免震とした場合は加速度が各階で 2cm/s 2 を超え, また, 層間変形角は 1/2 近くまで生じた 一方, 免震構造の場合, ほとんどの階で加速度は 1cm/s 2 程度となり, 層間変形角もすべての階で 1/1 を下回った 4) 境茂樹 : 第 14 回免震フォーラム資料集, 日本免震構造協会,211.9 ) ( 独 ) 防災科学技術研究所 : 災害情報 211 年東北地方太平洋沖地震, http://www.bosai.go.jp/ 階 2 2 1 階 2 2 1 解析 ( 免震 ) 解析 ( 非免震 ) 観測 今後, 余震記録を数多く観測していることから, 入力レベルの違いによる免震層の復元力変形特性や, 繰り返しの地震が免震部材に与える影響について検討を進めたいと考えている 2 2 6 最大加速度 [cm/s/s] 最大加速度 [cm/s/s] 図 -13 応答加速度 ( 左 :, 右 : ) 参考文献 1) 金原晃雄, 牧戸章, 片山喜隆, 境茂樹, 木本幸一郎 : 21 階建免高層 RC 集合住宅の設計 ( その1)~( その 2), 日本建築学会大会学術講演梗概集, pp.797-, 1999.9 2) 木本幸一郎, 伊藤嘉朗, 境茂樹, 加藤貴司 : 超高層免震集合住宅の地震観測と小地震時挙動, 日本建築学会学術講演梗概集,pp.671-672,2.9 3) 加藤貴司, 境茂樹 :211 年東北地方太平洋沖地震による水戸市に建つ高層免震建物の地震観測記録, 日本建築学会学術講演梗概集,pp.62-626,211.8 層 2 解析 ( 免震 ) 解析 ( 非免震 ) 2 1..1 層間変形角 階 2 2 解析 ( 免震 ) 解析 ( 非免震 ) 1..1 層間変形角 図 -14 層間変形角 ( 左 :, 右 : ) Seismic Behavior of High-rise Base Isolated Building During the 211 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake Shigeki SAKAI, Takashi KATO, Yasuhiko TANAKA and Yoshitaka KATAYAMA Strong motion records of the 211 off the Pacific Coast Tohoku Earthquake were obtained at a high-rise base isolated building in Mito-city. We studied the dynamic response of the building using the records. The input motion on the foundation was more than cm/s 2 in acceleration, and response velocity (% damping) of the input motion at.3. and 1. - 2. second period was over 1 cm/s. Response acceleration on the 1st floor was reduced to 3-% of that on the foundation and the amplification within the upper structure was small, showing the good isolation effect. Also, the 1st natural frequency and the damping factor of the whole structure with a base isolated layer were identified by ARX model. As a result, the 1st natural frequency was reduced to.4 -. Hz and the damping factor rose to 2-4% in the principal shock part. Moreover, the relative displacement of the base isolated layer was estimated to be about cm, using the records on the foundation and 1st floor, which corresponded to the simulation analysis result by the design model. ハザマ研究年報 (211.12) 6