広 島 工 業 大 学 紀 要 研 究 編 第 ₄₆ 巻 (₂₀₁₂)1 30 報 告 東 日 本 大 震 災 における 鉄 骨 造 建 物 の 津 波 被 害 について 玉 井 宏 章 * 尾 川 勝 彦 ** ON DAMAGED STEEL BUILDINGS DUE TO TAUNAMI AFTER GREAT TOHOKU EARTHQUAKE ( 平 成 ₂₃ 年 ₁₀ 月 ₃₁ 日 受 付 ) Hiroyuki TAMAI and Katsuhiko OGAWA (Received Oct. 31, 011) Abstract A huge disaster due to tsunami occurred on 11th March 011 in Japan. The tsunami's height reached 14m, and the lower areas of coastal cities and towns were completely wiped out and building functions were lost. Many drowned people have not yet been found. Other great tsunamis are expected in the near future in coastal areas of Japan. Refuges against tsunami must be established immediately in existing buildings to save lives in future tsunamis. Design criteria for tsunami refuges have been published by the Japanese government. However, tsunami loads may have been overestimated in these design criteria. It is very important to correctly estimate tsunami loads for the many tsunami refuges to be constructed. The authors surveyed damaged steel buildings from 7th July to 11th July 011 to evaluate the tsunami's loading. From the failure mechanism and the member dimensions, the horiontal load could be estimated using plasticity theory. Furthermore, videos of the tsunami on buildings were obtained from Internet media, and the precise flood level of the tsunami could be estimated at the building site. Therefore, valuable observation data of tsunami load could be presented. Two damaged steel buildings were examined, and member dimensions, residual story drift angle, and locations of plastic hinges are discussed. The collapse loads were calculated assuming the yield stress of mild steel and grade of steel. The buildings were located in Kesennuma and Minami-sanriku, Miyagi prefecture, and the flood heights at the buildings were recorded as 5m and 13.5m, respectively. The design and observed horiontal loads were compared. The building frame of Kesennuma was inclined at 1/3 rad in 1st story drift angle and collapsed completely. That of the building frame in Minami-sanriku was inclined at 1/100 rad and maintained its original profile. The tsunami load on these building could be estimated as a hydro pressure against surface of drift direction. The flood height of the load evaluation formula in the design criteria was set to three times the steady state flood level observation to take into account the effect of impact load. It is pointed out that the tsunami load according to the design criteria for the building other than the rim of the coastal area may be overestimated. Key Words: tsunami, Tohoku Great Earthquake, damage of steel building, tsunami load * 広 島 工 業 大 学 工 学 部 建 築 工 学 科 ** 広 島 工 業 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 建 設 工 学 専 攻 1
観 測 点 名 称 住 所 表 ₁ 防 災 科 学 研 究 所 強 震 ネットの 実 地 震 記 録 波 から 求 めた 計 測 震 度 計 測 震 度 震 度 階 ₃ 合 成 最 大 加 速 度 継 続 時 間 地 動 最 大 加 速 度 地 動 最 大 速 度 地 動 最 大 変 位 gal s gal gal gal kine kine kine cm cm cm MYG₀₀₄ 築 館 (MYG₀₀₄) 宮 城 県 栗 原 市 築 館 高 田 ₂-₁₅ ₆.₆₉ ₇ ₂₇₆₅.₂ ₈₀.₈ ₂₇₀₃ ₁₂₆₈ ₁₈₈₀ ₁₀₉ ₄₉ ₃₄ ₁₁.₈ ₁₁.₈ ₆.₀ MYG₀₀₁ 気 仙 沼 (MYG₀₀₁) 宮 城 県 気 仙 沼 市 笹 が 陣 ₃-₁ ₅.₄₂ ₅ 強 ₄₂₈.₈ ₈₉.₅ ₄₁₀ ₄₂₇ ₂₅₈ ₁₆ ₂₄ ₁₀ ₅.₁ ₃.₄ ₂.₅ MYGH₁₂ 志 津 川 (MYGH₁₂) 宮 城 県 本 吉 郡 南 三 陸 町 戸 倉 字 沖 田 ₆₉-₂ ₅.₃₂ ₅ 強 ₅₅₉.₄ ₈₂.₂ ₅₂₆ ₄₅₃ ₂₆₃ ₂₁ ₂₃ ₁₂ ₅.₆ ₆.₁ ₃.₁ IWTH₂₇ 陸 前 高 田 (IWTH₂₇) 岩 手 県 陸 前 高 田 市 矢 作 町 字 鍋 谷 ₅-₂ ₅.₄₀ ₅ 強 ₈₆₁.₀ ₇₉.₈ ₇₃₆ ₆₃₀ ₄₉₈ ₁₉ ₂₀ ₈ ₂.₅ ₁.₈ ₂.₀ 南 北 東 西 上 下 南 北 東 西 上 下 南 北 東 西 上 下 図 ₁ 気 仙 沼 市 笹 ヶ 陣 の 強 震 記 録 ₁.はじめに ₂₀₁₁ 年 ₃ 月 ₁₁ 日 ₁₄ 時 ₄₆ 分 に 発 生 した 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 では, 大 津 波 が 発 生 し, 多 くの 人 命 がうばわれ 津 波 発 生 後, ₄ ヶ 月 以 上 を 経 た 時 点 でも 行 方 不 明 者 の 捜 索 が 行 われ ている 日 本 建 築 学 会 地 震 災 害 調 査 団 の 鋼 構 造 運 営 委 員 会 傘 下 の 調 査 報 告 をうけ,この 内, 津 波 波 力 による 鋼 構 造 建 物 被 害 の 詳 細 調 査 を 行 ったので 報 告 する ₁.₁ 調 査 行 程 調 査 は₂₀₁₁ 年 ₇ 月 ₈ 日 -₁₁ 日 にかけて 行 った 場 所 は, ₁ ) 岩 手 釜 石 市, ₂ ) 岩 手 県 大 船 渡 市, ₃ ) 岩 手 県 陸 前 高 田 市, ₄ ) 宮 城 県 気 仙 沼 市, ₅ ) 宮 城 県 本 吉 郡 南 陸 町 の 港 湾 隣 接 地 域 の ₅ ヶ 所 であった ₁ ), ₂ ), ₄ ),の 地 域 には 中 程 度 の 浸 水 深 さ, ₃ ), ₅ )の 地 域 は 大 規 模 (₁₀ m 以 上 程 度 )の 浸 水 深 さが, 観 測 された 地 域 である ₁) ₁.₂ 被 害 概 要 と 復 興 状 況 すべての 地 域 とも 津 波 の 浸 水 深 さが ₅ m 以 上 の 地 域 では 木 造 住 宅 が 流 出 している 特 に ₃ ), ₅ )の 地 域 の ₁₀ m 以 上 の 浸 水 深 さが 観 測 された 広 範 囲 の 地 域 では, ₃ 層 程 度 の RC 造, 鉄 骨 造 建 物 自 体 も 完 全 に 壊 滅 状 態 になっており, 機 能 復 旧 が 困 難 な 状 態 になっている 震 災 ₄ ヶ 月 後 ( ₇ 月 ₁₁ 日 現 在 )の 浸 水 地 域 の 道 路 は 非 舗 装 であるが 全 線 開 通 が 達 成 された 道 路 上 のガレキは 片 付 けられたものの, 大 きな 建 物 の 躯 体 の 除 去 が 行 われてい 図 ₂ 損 傷 に 寄 与 する 地 震 入 力 エネルギーの 速 度 換 算 値 スペクトル る 気 仙 沼 市 では, 浸 水 をまぬがれた ₂ 売 り 場 を 利 用 し て, 小 売 業 も 再 開 し, 復 旧 が 急 ピッチでなされている ₁.₃ 本 報 告 の 目 的 後 述 するように 津 波 の 流 速 は 浸 水 深 さ ₁₃ m で ₄₀ km/h と 速 いので, 沿 岸 の 平 野 部 には 津 波 に 対 して 安 全 な 避 難 施 設 を 昼 間 人 口 密 度 に 均 等 に 建 てておく 必 要 があると 考 えら れる また, 南 海 東 南 海 地 震 に 備 えて 近 畿 関 西 圏 にお いても 耐 津 波 診 断 を 行 って, 避 難 可 能 建 物 を 公 知 しておく 必 要 もある 次 節 以 降 では, 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 の 地 震 動 の 建 物 に 及 ぼす 影 響 を 概 括 した 後 に, 津 波 の 浸 水 深 さが 中 規 模 (₅ m) の 気 仙 沼 市, 大 規 模 (₁₃ m)の 南 三 陸 町 における 鉄 骨 構 造 物 の 被 災 状 況 を 報 告 する その 際, 津 波 波 圧 を 静 的 に 取 り 扱 えると 仮 定 し, 塑 性 解 析 の 手 法 を 用 いて, 崩 壊 荷 重 係 数 で 耐 津 波 の 安 全 性 を 示 す 方 法 を 示 し, 被 災 状 況 との 比 較 を 行 って, 耐 津 波 診 断 への 適 用 について 考 察 する ₂. 地 震 動 の 特 徴 とその 建 物 に 及 ぼす 影 響 本 震 の 強 震 記 録 は, 防 災 科 学 研 究 所 K-NET,KiK-net( 地 表 波 ) ₂) がインターネットから 取 得 可 能 である そこで, 本 震 で 最 大 記 録 を 観 測 した 宮 城 県 栗 原 市 築 館 に 加 えて, 調 査 を 行 った ₃ 地 区, 宮 城 県 気 仙 沼 市 笹 が 陣, 同 県 本 吉 郡 南 三 陸 町 戸 倉 と 岩 手 県 陸 前 高 田 市 矢 作 町 の 計 ₄ ヶ 所 の 強 震 記 録
東 日 本 大 震 災 における 鉄 骨 造 建 物 の 津 波 被 害 について から, 計 測 震 度, 震 度 階, ₃ 合 成 最 大 加 速 度, 継 続 時 間, 各 の 地 動 最 大 加 速 度, 地 動 最 大 速 度, 地 動 最 大 変 位 を 表 ₁ に, 気 仙 沼 (MYG₀₀₁)における 南 北 記 録 波 の 加 速 度 速 度 変 位 波 形 を 図 ₁ に, 各 地 震 記 録 波 南 北 成 分 について 減 衰 定 数 h を₀.₀₅とした 損 傷 に 寄 与 するエネル ギーの 速 度 換 算 値 スペクトルを, 設 計 の 基 準 となる 日 本 建 築 センター BCJ L₂ 波 のそれとともに 図 ₂ に 示 す 時 刻 歴 波 形 から 大 きなイベントが ₂ つあり, 継 続 期 間 が₈₀ 秒 と 非 常 に 長 く 栗 原 市 築 館 では, 震 度 ₇ と 非 常 に 大 きな 強 震 で あったことがわかる 一 方, 調 査 対 象 地 域 の 気 仙 沼, 南 三 陸 町, 陸 前 高 田 市 では, 観 測 サイトが 丘 部 にあるものの, 震 度 階 は ₅ 強 で, 地 動 速 度 も ₂₅ kine 以 下 であり,かつ, 損 傷 に 寄 与 するエネルギースペクトルも 短 周 期 (₀.₂ ₀.₃s) では 大 きいもののそれ 以 外 の 周 期 帯 では,BCJ L₂ 波 の₁/₅ 以 下 となっていることから, 調 査 対 象 地 区 の 建 物 が, 地 震 によって 甚 大 な 被 害 は 受 けてないと 推 定 できる ₃. 被 害 調 査 報 告 する 鉄 骨 造 建 物 の 被 害 調 査 は, 気 仙 沼 市 と 南 三 陸 町 の 各 ₁ 件, 計 ₂ 件 である ₃.₁ 気 仙 沼 市 A 工 場 場 所 : 宮 城 県 気 仙 沼 市 川 口 町 構 造 : 鉄 骨 純 フレーム 構 造 ₂ 階 建 ₂ 層 ₁ ₇ スパン 用 途 : 海 産 物 工 場 被 害 概 要 と 浸 水 深 さ 写 真 ₁, ₂ に 調 査 場 所 と 建 物 の 配 置 を 示 す 場 所 は 大 島 汽 船 フェリー 乗 り 場 の 近 傍, 半 径 ₂₀₀ m には, 気 仙 沼 土 木 事 務 所 がある 東 側 から 津 波 が 押 し 寄 せた 朝 日 町 A 冷 蔵 工 場 と B 冷 蔵 庫 の 間 には 中 型 船 舶 が 乗 り 上 げてい る 中 型 船 舶 が 建 物 に 衝 突 した 可 能 性 は 否 定 できない 東 側 から 津 波 が 押 し 寄 せ, 調 査 建 物 ( 青 い 屋 根 )は 倒 壊 後, 背 後 の C 会 館 ( 赤 い 屋 根 )の 建 物 に 寄 り 添 って 原 型 を 保 ったのがわかる 写 真 ₃ に 対 象 建 物 近 傍 の 浸 水 深 さのわかる 写 真 を 示 す 気 仙 沼 土 木 事 務 所 から 撮 影 された 津 波 第 ₁ 波 の 映 像 と 写 真 ₃ の 気 仙 沼 合 同 庁 舎 の ₂ 階 窓 ガラスの 破 損 状 況 から, 浸 水 深 さは ₂ 階 窓 上 端 部 まで 達 しており,₅ m と 推 定 できる 映 像 から 漂 流 物 の 最 大 流 速 は 毎 秒 ₇ m, 時 速 ₂₅ km/h くら いであることからもそれが 妥 当 であるといえる 図 ₃ には 調 査 建 物 と 浸 水 深 さの 関 係 を 示 す 図 ₄ に 建 物 形 状 と 断 面 形 状 を, 写 真 ₄ には 倒 壊 状 況 ( 崩 写 真 ₁ 調 査 場 所 と 配 置 図 ( 気 仙 沼 ) 写 真 ₂ 調 査 建 物 ( 気 仙 沼 ) 写 真 ₃ 近 傍 の 浸 水 深 さ( 気 仙 沼 ) 図 ₃ 浸 水 深 さと 建 物 高 さの 関 係 ( 気 仙 沼 ) 3
図 ₄ 建 物 形 状 ( 気 仙 沼 ) (a)₁-₁-a 梁 端 接 合 部 (b)₁-₁-b 梁 端 接 合 部 (a) 東 面 (c)₂-₁-a 梁 端 接 合 部 (d)₂-₁-b 梁 端 接 合 部 写 真 ₅ 梁 端 部 の 塑 性 化 状 況 と 屋 根 床 の 水 平 ブレースの 座 屈 状 況 ( 気 仙 沼 ) (b) 南 面 ₁ (c) 南 面 ₂ 写 真 ₄ 調 査 建 物 の 倒 壊 状 況 ( 崩 壊 機 構 ) 壊 機 構 )を, 写 真 ₅ には 梁 端 部 の 塑 性 化 状 況 と 屋 根 床 ブ レースの 座 屈 状 況 を, 写 真 ₆ には 根 巻 き 柱 脚 の 破 壊 状 況 を 示 す 写 真 ₆ の ₀-₁-A は 階 数 - 構 面 - 通 り の 各 番 号 を 示 している 図 ₄ を 参 照 されたい これらの 結 果 より 以 下 のことがわかる ₁ ) 東 南 隅 柱 の 傾 斜 角 は,₁/₃.₃ rad であり, 短 辺 に 全 層 崩 壊 機 構 が 形 成 されている ₂ 階 中 ほどまでの 壁 に 水 圧 痕 が 残 っている ₂ ) 写 真 ₅ は 東 南 側 各 階 ₂ 箇 所 の 梁 の 状 況 を 示 している いずれも 大 きく 塑 性 化 しているのは 梁 であり, 柱 にヒ ンジは 発 生 していない ₁ 階 梁 では 上 フランジに 局 部 座 屈 が 生 じ, ₂ 階 梁 では 補 剛 区 間 内 で 横 座 屈 が 生 じて 4
東 日 本 大 震 災 における 鉄 骨 造 建 物 の 津 波 被 害 について (b)₀-₁-a 柱 脚 (アンカーボルト 破 断 痕 ) (a)₀-₁-a 柱 脚 ( 全 体 ) 図 ₅ 基 礎 配 筋 の 詳 細 ( 気 仙 沼 ) (c)₀-₁-b 柱 脚 ( 全 体 ) (d)₀-₁-b 柱 脚 ( 詳 細 ) 写 真 ₆ 根 巻 き 柱 脚 の 破 壊 状 況 ( 気 仙 沼 ) いる そのため 構 面 間 隔 が 近 接 して 水 平 ブレース, 波 形 屋 根 材 がともに 座 屈 している 軒 高 さは ₇ m あるの で 波 形 屋 根 材 の 変 形 は 水 圧 によるものではない ₃ ) 東 南 側 ₂ 本 の 根 巻 柱 脚 の 状 況 は, 根 巻 きコンクリート 部 の 破 壊 とアンカーボルト 破 断 ないしは 大 きな 塑 性 化 が 生 じて 終 局 に 至 っている コンクリート 部 最 上 部 の 帯 筋 は 強 化 されておらず,₄-D₂₅ の 主 筋 にはフックは なく 抜 け 出 している 主 筋 の 耐 力 は 付 着 割 裂 強 度 で 決 定 されている 部 材 の 全 塑 性 モーメント 図 ₅ に 基 礎 部 の 配 筋 状 況 を 示 す この 図 ₅ を 参 考 に 根 巻 き 柱 脚 の 全 塑 性 モーメントを 求 める 文 献 ₇ にしたがって 根 巻 き 柱 脚 の 全 塑 性 モーメントを 計 算 する M = min( M, M ) M P P1 P P 1 cmpc = r 1, M = 09. a F d+ M P t ry r P3 r d = 5 + 1. 5 + 35 = 36. 5 mm a t = 506. 7 = 1013. 4 mm = ( 3500 + 700)/ = 100 mm, = 600 mm c M = 47 10 35 = 111 kn m Pc 3 付 着 割 裂 が 生 じているが, 付 着 耐 力 は 鉄 筋 降 伏 耐 力 を 上 回 る ₈) ので F ry = 95 N/mm M P 3 は, 露 出 柱 脚 部 のみの 曲 げ 耐 力 であり, 次 のように 算 定 できる Nu = B D Fb = 300 300 ( 085. 4) = 1836 kn TY = nt PbY = 1 198. 6 95 = 58. 5 kn 作 用 軸 力 は ₀ と 仮 定 して 差 し 支 えないので, N T = 1836 58. 5> N = 0> T = 58. 5 であるので u Y Y ( N + TY ) D N + T Y MP3 = TY dt + 1 N = 58 5 + 100 ( 0 585. ) 300 0+ 585.. + 1 1836 = 14. 3kN m これらの 基 礎 データから, u r ( ) 5
111 M P 1 = 155 kn m 600 1 100 よって, M P = 09. 1013. 4 95 36. 5+ 14, 300, 000 = 11kN m MP = min( MP1, MP ) = 11 kn m 梁 材 の 全 塑 性 モーメントは, ₂ 階 梁 H-₂₀₀ ₁₀₀ ₅.₅ ₈, Z P = 05, 000 mm 3, M P = 35 05, 000 = 48. kn m b d t f tw + 0 1430 Fy Fy = 031. 1.0 で P- ₁ - ₁ 区 分 の 梁 である ₉) 局 部 座 屈 は 問 題 なさそうである 横 補 剛 区 間 は ₁.₈₁ m と 短 いが 非 弾 性 横 座 屈 と 弾 性 横 座 屈 の 境 界 にあり, 耐 力 は 横 座 屈 で 決 定 される M c λ = 10. 04. λ b p b e b p b λ M λ 16. 0. 45 = 10. 04. 48 96 19. 0. 45. =. kn m ₁ 階 梁 H-₃₀₀ ₁₅₀ ₆.₅ ₉, Z P 3 = 54, 000 mm, M = 35 54, 000 = 17. 4 kn m P P b d t f tw + 0 1430 Fy Fy = 055. 1.0 で P- ₁ - ₁ 区 分 の 梁 である ₉) 局 部 座 屈 後 にも 上 記 の 曲 げ 耐 力 は 保 持 されていると 仮 定 する ₃.₂ 南 三 陸 町 B 庁 舎 場 所 : 宮 城 県 本 吉 郡 南 三 陸 町 構 造 : 鉄 骨 純 フレーム 構 造 ₃ 階 建 ₃ 層 ₁ ₃ スパン 用 途 : 防 災 対 策 庁 舎 被 害 概 要 と 浸 水 深 さ 写 真 ₇, ₈ に 調 査 場 所 と 配 置 を 示 す 調 査 対 象 建 物 の 南 面 が 海 側, 北 面 が 山 側 である 南 ₁₀₀ m には S 病 院 が, 西 ₆₀₀ m には 避 難 所 である S 高 校 がある 調 査 対 象 建 物 の 周 辺 の 木 造 庁 舎, 木 造 家 屋 は 流 出 したものと 考 えられる 写 真 ₉ に 対 象 建 物 近 傍 の 浸 水 深 さのわかる 写 真 を 示 す S 病 院 の 窓 の 破 損 状 況 は, ₄ 階 が 一 部 破 損 している 道 路 面 からの 浸 水 深 さは, 約 ₁₃ m 程 度 と 推 定 される 図 ₆ に 建 物 形 状 と 断 面 形 状 を, 写 真 ₁₀には 対 象 建 物 の 被 災 状 況 を, 写 真 ₁₁に 西 面 の 架 構 接 合 部 の 状 況 を 写 真 ₁₂には ₁ 層 上 部 ₁-₂-A 接 合 部 における, 梁 柱 接 合 部 の 詳 細 を 示 す 写 真 ₁₀より, 外 壁 は ₄ 面 すべて 流 出 している 付 着 していた 漂 写 真 ₇ 調 査 建 物 の 位 置 ( 南 三 陸 町 ) 写 真 ₈ 調 査 建 物 の 周 辺 状 況 ( 南 三 陸 町 ) (a) 東 棟 (b) 西 棟 写 真 ₉ 浸 水 深 さの 確 認 (S 病 院, 南 三 陸 町 ) (a) 東 面 (b) 北 西 面 写 真 ₁₀ 調 査 建 物 の 被 災 状 況 ( 南 三 陸 町 ) 6
東 日 本 大 震 災 における 鉄 骨 造 建 物 の 津 波 被 害 について 流 物 の 瓦 礫 は 撤 去 されている 図 ₆ の 平 面 図 には, 平 面 図 の 柱 の 位 置 に 柱 の 残 留 変 形 角 を 示 している 長 辺 に ₁.₂/₁₀₀ rad と 大 きな 残 留 変 形 を 生 じており, 柱 脚 部 と 梁 が 塑 性 化 していると 推 定 できる 写 真 ₁₁の 印 内 には 塗 料 は く 離 に 伴 う 発 錆 が 確 認 できる ₁-₂-A 接 合 部 とは, ₁ 層 の ₂ 構 面 の A 通 りの 接 合 部 を 意 味 している 図 ₆ を 参 照 され たい 写 真 ₁₂から, 西 面 の 梁 仕 口 部 では, 下 部 フランジ 下 面 端 部,ウェブ 部 下 スカラップに 発 錆 が 見 られる また, ブラケット 部 のウェブで 縦 に 塗 料 が 剥 がれている これらの 調 査 結 果 から 以 下 のことがわかる ₁ ) 大 流 速, 大 浸 水 深 さ(₁₃ m)の 津 波 では 外 壁 のほとん どが 脱 落 流 失 している ₂ ) 海 側 から 山 側 の 架 構 長 辺 に ₁.₂/₁₀₀ rad の 大 きな 残 留 塑 性 変 形 角 が ₁ 階 部 分 に 生 じている ₃ ) 短 辺 架 構 には ₁ 階 柱 脚 部 を 除 いて 塗 料 の 剥 離 は 見 られない 一 方, 長 辺 架 構 の ₁ 階 梁, 柱 脚 部 の 端 部 に 塗 料 がはげ 発 錆 している 箇 所 が 観 察 された これ は 津 波 荷 重 による 塑 性 化 が 原 因 と 考 えられる ₄ ) 基 礎 部, ₁ 階 床 部 には 大 きなクラックは 生 じていな かった 埋 め 込 み 柱 脚 では 角 形 鋼 管 端 部 が 塑 性 化 して いると 考 えられる 部 材 の 全 塑 性 モーメント ₃ 階 梁 H-₆₀₀ ₂₀₀ ₁₂ ₁₉ Z P = ₃,₂₀₀,₀₀₀ mm ₃, M P = ₂₃₅ ₃,₂₀₀,₀₀₀ = ₇₅₂ kn m b d t f tw + 0 1430 Fy Fy = 055. 1.0 で P- ₁ - ₁ 区 分 の 梁 である ₉) 局 部 座 屈 は 問 題 ない ₂ 階 梁 H-₆₅₀ ₂₀₀ ₁₂ ₁₉ Z P = ₃,₅₇₀,₀₀₀ mm ₃, M P = ₂₃₅ ₃,₅₇₀,₀₀₀ = ₈₃₉ kn m ₁ 階 梁 H-₇₀₀ ₂₀₀ ₁₂ ₂₂ Z P = ₄,₃₆₀,₀₀₀ mm ₃, M P = ₂₃₅ ₄,₃₆₀,₀₀₀ = ₁₀₂₄ kn m ₁, ₂ 階 梁 の 局 部 座 屈 の 検 討 は ₃ 階 梁 と 同 様 で 問 題 ない 柱 ロ -₄₀₀ ₄₀₀ ₂₂,BCR ₂₉₅ Z P = ₄,₃₉₀,₀₀₀ mm ₃, M P = ₂₉₅ ₄,₃₉₀,₀₀₀ = ₁₂₉₅ kn m ₄. 津 波 波 力 に 対 する 保 有 崩 壊 荷 重 係 数 の 推 定 仮 想 仕 事 法 をもちいて 崩 壊 荷 重 を 求 め, 建 物 が 保 有 する 崩 壊 荷 重 の 津 波 波 圧 に 対 する 荷 重 係 数 を 求 める まず 津 波 外 力 のモデル 化 を 示 す ₄.₁ 津 波 外 力 のモデル 化 文 献 ₄ - ₆ を 参 考 にして 津 波 波 圧 を 以 下 のように 算 定 す る 文 献 ₅ では, 設 計 用 浸 水 深 さの ₃ 倍 が 津 波 高 さとして いるが, 津 波 の 映 像 から 衝 撃 効 果 等 を 考 慮 しないことと し, 津 波 波 圧 q は 次 式 で 与 える q= ρ g ( h ) (₁) ここに,q: 進 行 の 津 波 波 圧 ρ: 海 水 の 単 位 体 積 質 量 g: 重 力 加 速 度 h: 浸 水 深 : 当 該 位 置 と 地 盤 面 からの 高 さ 水 の 進 行 を 抗 う 面 に 静 水 圧 を 作 用 させた 場 合 に 相 当 してい る 文 献 ₆ によれば, ₁ ) 津 波 波 圧 は 抗 力, 慣 性 力, 衝 撃 力, 動 水 勾 配 の 和 とし 図 ₆ 対 象 建 物 の 寸 法 と 残 留 変 形 角 ( 南 三 陸 町 ) 図 ₇ 津 波 波 圧 分 布 と 仮 定 受 圧 面 積 ( 南 三 陸 町 ) 7
₃-₂-C ₃-₂-B ₃-₂-A ₂-₂-C ₂-₂-B ₂-₂-A ₁-₂-C ₁-₂-B ₁-₂-A 写 真 ₁₂ ₁-₂-A 梁 柱 接 合 部 の 詳 細 印 内 に 発 錆 が 確 認 できる ₀-₂-C ₀-₂-B 写 真 ₁₁ 西 面 架 構 の 接 合 部 の 状 況 ( 南 三 陸 町 ) 印 内 には 塗 料 はく 離 に 伴 う 発 錆 が 確 認 できる ₀-₂-A て 表 される ₂ ) 流 速 は 浸 水 深 の 平 方 根 に 比 例 し, 抗 力 は 流 速 v の ₂ 乗 と 浸 水 深 をかけたものに 比 例 する ₃ )したがって, 抗 力 は 浸 水 深 の ₂ 乗 の 関 数 となる 幅 B の 受 圧 面 が 受 ける 津 波 波 力 Q は 上 式 の 波 圧 のみを 考 慮 し 慣 性 力, 衝 撃 力, 動 水 勾 配 を 無 視 すると 以 下 のように 求 まる Z= h 1 Q= qda = B ρ g ( h ) d = ρ g B h (₂) = 0 一 方, 流 速 v は 次 式 で 表 わされる v= g h (₃) 津 波 波 力 Q を 流 速 で 表 示 すると, 1 Q= ρ v ( B h) (₄) 受 圧 面 積 (B. h) と 流 速 の ₂ 乗 の 積 に 津 波 波 力 が 比 例 してい る 事 がわかる 以 降 の 解 析 では, 津 波 波 力 は 分 布 荷 重 と し,(₁) 式 と 受 圧 面 によって 定 義 する ₄.₂ 保 有 崩 壊 荷 重 係 数 の 推 定 仮 想 仕 事 法 と 上 述 の 津 波 外 力 とから, 次 式 が 成 立 する α W = U (₅.a) ここに,α は 荷 重 係 数 であり, 外 力 の 成 す 仕 事 W: W = q δ da = ρ g ( h ) θ dyd (₅.b) Ae 内 力 の 成 す 仕 事 U: U Ae = ΣM P θ (₅.c) M P は 全 塑 性 モーメント,θ は, 仮 想 塑 性 回 転 角 である (₅.a) 式 から θ を 消 去 して α を 求 めると, 津 波 波 圧 に 対 する 建 物 が 保 有 する 崩 壊 荷 重 比 ( 荷 重 係 数 )が 求 まる また, 外 力 の 最 下 部 の 水 平 力 :Q は, 次 式 で 求 まる Q= q da = ρ g ( h ) dyd (₆) Ae Ae 気 仙 沼 A 工 場 ₁ ) 図 ₃ のように 残 存 壁 面 のみが 津 波 波 圧 を 受 けたと 仮 定 すれば, 外 力 の 成 す 仕 事 W: 1 3 W = ρ g θ B1 ( h ) d + B ( h ) d 4 8
東 日 本 大 震 災 における 鉄 骨 造 建 物 の 津 波 被 害 について = ρ g θ B h 1 3 ++ B h 3 1 3 3 B ₁ = ₁₂ m, B ₂ = ₈.₅ m, h = ₅ m, ₁ = ₅ m, ₂ = ₄.₂ m, ₃ = ₃.₀ m, ₄ = ₁.₉ m, ρ = ₁₀₀₀ kg/m ₃, g = ₉.₈ m/s ₂, W = + 98 1 5 50. 3 85 5 3. θ. 3 3 4. = 731 θ kn m 内 力 の 成 す 仕 事 U: 3 4 30. 19. ( ) U = M θ+ M θ+ M θ 7 ここで, Pc Pb1 Pb M = 11 kn m, M = 17. 4 kn m, M = 96. kn m Pc Pb1 Pb ( ) = U = 11 θ+ 17. 4 θ+ 96. θ 7 3766 θkn m 従 って, 荷 重 係 数 α は U 3766 α = = = 514., Q = 71 kn W 731 ₂ ) 一 方, 全 壁 面 で 津 波 波 圧 を 受 けたと 考 える 場 合 は, W = 98 19 5 3. θ 3 50. 07. U 3766 α = = = 10., Q = 171 kn W 367 = 367 θ kn m これらの 結 果 から, 中 程 度 の 流 速, 浸 水 深 さ(₅ m 程 度 ) の 津 波 波 圧 に 対 して 壁 面 全 面 に 津 波 波 圧 を 受 けた 際 や 中 型 船 舶, 車 両 衝 突 などにより 倒 壊 に 至 り, 壁 面 破 損 後 は 保 有 耐 力 に 余 裕 があったことがわかる 南 三 陸 町 B 庁 舎 ₁ ) ₃ 構 面 の 梁 と 柱 ウェブ 断 面 積 のみが 津 波 波 圧 を 受 け たと 仮 定 すれば, 1 3 W = 3 ρ g θ B1 ( h ) d + B1 ( h ) d 4 5 1 + B1 ( h ) d + B ( h ) d 6 7 B = 84. m, B = 04. m, h = 13 m 1 1= 11. m, = 1006. m, 3= 7. 75 m, 4= 7. 075 m, 5= 4. 5 m, 6= 3. 55 m, 7= 0. 4 m W = 4, 300 θ kn m 内 力 の 成 す 仕 事 U: U = ( 3 M θ + 4 M θ+ 4 M θ+ 4 M θ) ここで, M Pb3 = 75 kn m Pc Pb1 Pb Pb3 U = 8, 690 θ kn m よって, 荷 重 係 数 α は, U 8, 690 α = = = 118., Q = 461 kn W 4, 300 ₂ ) 一 方, 全 壁 面 で 津 波 波 圧 を 受 けたと 考 える 場 合 は, W = 98 88 13 11. 3. θ. 3 = 9, 841 θ kn m 04. U 8, 690 α = = = 096., Q = 6706 kn W 9, 841 ₃ ) 浸 水 深 さを ₆ m から ₁₅ m まで 変 化 させたときの 崩 壊 荷 重 係 数 の 変 化 を, 受 圧 面 をフレームのみとした 場 合 と 壁 面 前 面 とした 場 合 について 同 様 の 計 算 を 行 って 図 ₈ に 示 す これらの 結 果 から, 大 流 速, 大 浸 水 深 さ(₁₃ m 程 度 )の 津 波 波 圧 に 対 して 壁 面 全 面 に 津 波 波 圧 を 受 けた 際 や 車 両 衝 突 などにより 倒 壊 に 到 る 可 能 性 があり, 壁 面 が 完 全 に 破 損 脱 落 後 も 保 有 耐 力 にさほど 余 裕 はないことがわかる ま た, 文 献 ₅ での 津 波 荷 重 の 算 定 において, 設 計 用 浸 水 深 さ の ₃ 倍 が 津 波 高 さとするとこの 建 物 は 完 全 に 倒 壊 し 大 きな 変 形 をせねばならないが 残 留 変 形 ₁/₁₀₀ rad 程 度 でとどまっ ていることから, 沿 岸 部 に 隣 接 していない 地 域 では, 設 計 用 浸 水 深 さの ₃ 倍 が 津 波 高 さとする という 荷 重 算 定 方 法 は 過 大 すぎることがわかる ₅.まとめ 図 ₈ 浸 水 深 さと 崩 壊 荷 重 係 数 との 関 係 宮 城 県 気 仙 沼 市 港 湾 部 にある 津 波 被 害 を 受 け 倒 壊 した ₂ 層 鉄 骨 建 物 について 調 査 を 行 い, 局 部 座 屈, 横 座 屈, 根 巻 き 柱 脚 コンクリート 部 破 壊 の 状 況 の 観 察 を 行 い, 既 往 の 設 計 基 準, 学 術 論 文 の 成 果 を 用 いてその 発 生 状 態 を 分 析 し た また, 宮 城 県 本 吉 郡 南 三 陸 町 にある 津 波 被 害 を 受 け 一 9
部 架 構 が 塑 性 化 した ₃ 層 建 物 について 調 査 を 行 い, 柱 脚 部, 梁 端 の 塑 性 化 状 況 と 残 留 変 形 角 の 観 察 を 行 いその 発 生 状 態 を 分 析 した 次 いで 建 物 各 部 の 全 塑 性 モーメントを 算 定 して 津 波 に 対 する 建 物 の 崩 壊 荷 重 係 数 を 求 め 津 波 荷 重 に ついて 考 察 した 得 られた 知 見 は 以 下 のように 要 約 される ₁ ) 横 補 剛 間 隔 に 十 分 留 意 しておかなければ 横 座 屈 変 形 が 顕 在 化 し,それに 伴 って 材 軸 変 形 が 生 じて 屋 根 材 など に 大 きな 座 屈 が 生 じることがある ₂ ) 梁 の 幅 厚 比 制 限 が 十 分 満 足 され P-I-₁ 区 分 でも 床 スラブ との 一 体 化 がなければ, 大 きな 塑 性 変 形 後 には 上 部 フ ランジは 顕 著 に 局 部 座 屈 する ₃ ) 根 巻 き 部 上 端 の 帯 筋 を 補 強 せず,かつ, 立 ち 上 がり 鉄 筋 端 部 にフックを 用 いなければ,たとえ 付 着 割 裂 強 度 を 確 保 できたとしても 立 ち 上 がり 鉄 筋 が 抜 け 出 しベー スプレート 端 で 回 転 する 変 形 状 態 となり, 変 形 が 増 大 してアンカーボルトが 破 断 する ₄ ) ₁ ケースの 検 討 ではあるが, 中 流 速, 中 浸 水 深 さ(₅ m 前 後 )における 小 規 模 鉄 骨 建 物 においては, 受 圧 壁 面 が 早 期 脱 落, 破 損 すれば, 津 波 荷 重 に 耐 えうる 保 有 水 平 耐 力 が 確 保 できる ₅ ) 塑 性 化 が 生 じると 塗 料 がはく 離 して 発 錆 する 大 きな 塑 性 化 はその 錆 の 状 況 から 推 測 可 能 である ₆ ) 大 流 速 域 では, 鉄 骨 の 外 部 壁 面 は 完 全 に 脱 落 する, ₇ ) ₁ ケースの 検 討 ではあるが, 大 流 速, 大 浸 水 深 さ(₁₃ m 前 後 )における 鉄 骨 建 物 においては, 受 圧 壁 面 が 早 期 脱 落, 破 損 しても 津 波 荷 重 に 耐 えうる 保 有 水 平 耐 力 に はさほど 余 裕 がない ₈ ) 沿 岸 部 に 隣 接 していない 地 域 では, 設 計 用 浸 水 深 さの ₃ 倍 が 津 波 高 さとする 荷 重 算 定 方 法 は 過 大 すぎる 今 後, 大 流 速, 大 浸 水 深 さ(₁₅ m)から 小 流 速, 小 浸 水 深 さ(₂ m)の 鉄 骨 建 物 のデータについて 検 討 を 行 い, 津 波 避 難 所 建 設 のための 設 計 資 料 を 充 足 させる 予 定 である 謝 辞 本 調 査 を 遂 行 するにあたり, 北 海 道 大 学 緑 川 光 正 先 生 か ら 貴 重 なご 助 言 をいただいた 津 波 荷 重 に 関 して 日 本 大 学 増 田 光 一, 居 駒 知 樹 両 先 生 にはご 示 唆 をいただいた ま た, 地 震 記 録 波 は, 防 災 科 学 研 究 所 からダウンロードしま した 衛 星 写 真 地 図 は Google から 転 載 しました ここに 記 して 謝 辞 を 表 します 文 献 ₁ ) 日 本 建 築 学 会.₂₀₁₁ 年 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 被 害 調 査 速 報,₂₀₁₁.₇. ₂ ) 防 災 科 学 技 術 研 究 所 強 震 観 測 網 (K-NET,KiK-NET) http://www.kyoshinbosai.go.jp/kyosin/ ₃ ) 気 仙 沼 市 津 波 Youtube,http://www.youtube.com/ watch?v=₅cxlumwjn₇₈ ₄ ) 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 : 国 土 技 術 製 政 策 総 合 研 究 所 資 料 第 ₆₃₆ 号, 建 築 研 究 資 料 第 ₁₃₂ 号 : 平 成 ₂₃ 年 (₂₀₁₁ 年 ). 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 調 査 研 究 ( 速 報 )( 東 日 本 大 震 災 ), 建 築 研 究 所 国 土 技 術 政 策 総 合 研 究 所 資 料 第 ₆₃₆ 号, 建 築 研 究 資 料 第 ₁₃₂ 号. ₅ ) 内 閣 府 : 津 波 避 難 ビル 等 に 係 るガイドライン, 巻 末 資 料 構 造 的 要 件 の 基 本 的 な 考 え 方,₂₀₀₅.₆. ₆ ) 土 木 学 会 : 原 子 力 土 木 委 員 会 津 波 評 価 部 会 : 原 子 力 発 電 所 の 津 波 評 価 技 術,₂₀₀₂.₂. ₇ ) 日 本 建 築 学 会 : 鋼 構 造 塑 性 設 計 指 針 同 解 説 第 ₂ 版, ₂₀₁₀.₃. ₈ ) 林 静 雄, 清 水 昭 之 : 鉄 筋 コンクリート 構 造, 森 北 出 版,₂₀₀₄.₉. ₉ ) 日 本 建 築 学 会 : 鋼 構 造 限 界 状 態 設 計 指 針 同 解 説 第 ₂ 版,₂₀₀₂.₉. 30