9 回 耐 震 設 計 : 構 造 物 の 安 全 性 を 照 査 する 1. 耐 震 設 計 とは (1) 設 計 照 査 : 壊 れるか/ 壊 れないか? 耐 震 設 計 (seismic design)は,どのようにしてなされるのか.これは, 簡 単 に 言 うと, 構 造 物 が, 地 震 に 対 して 壊 れないように 設 計 すること であり, 工 学 的 には, 構 造 物 が, 設 定 した 設 計 地 震 動 に 対 して, 所 定 の 耐 震 性 能 を 有 するように 設 計 すること のようにまとめ ることができる. このため, 耐 震 設 計 の 照 査 に 際 しては, 設 計 地 震 動 による 地 震 荷 重 (seismic load),およ び 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 の 両 者 を 算 定 し, 設 計 照 査 (OK か NG か)は, 単 純 に 下 式 のように 定 められる. 地 震 荷 重 < 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 OK (1a) 地 震 荷 重 > 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 NG( 不 可 ) (1b) 地 震 荷 重 と 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 の 計 算 は 種 々の 手 法 があり, 実 際 の 設 計 照 査 は 単 純 ではな いが, 原 則 的 に 式 (1)によってなされる,と 言 ってよい. 設 計 地 震 動 による 地 震 荷 重 と 構 造 物 の 耐 震 性 能 の 両 者 の 相 対 的 な 関 係 によって 決 定 するとも 言 え, 耐 震 設 計 の 基 本 的 な 考 え 方 であろう.スポーツ( 例 えば,アメリカンフットボール)で 喩 えれば, 地 震 荷 重 が 攻 撃 (offense), 耐 震 性 能 が 防 御 (defense)であり, 防 御 が 勝 れば,その 構 造 物 は 壊 れない. 写 真 1 左 : 動 的 応 答, 右 : 等 価 な 地 震 荷 重 に 置 換 これは, 写 真 1のような 単 純 な 事 例 で 考 えると 分 かり 易 い. 写 真 左 は, 基 礎 から 地 震 波 が 入 力 して( 手 の 動 きが 地 震 動 である),これに 上 部 構 造 物 が 動 的 に 応 答 している. 一 方, 右 写 真 は, 左 写 真 と 等 価 な 水 平 荷 重 を 静 的 に 負 荷 している. 従 って, 右 写 真 で 言 えば, 質 点 位 置 にて 押 している 力 が 地 震 荷 重 であり, 構 造 物 (2 層 ラーメン 構 造 )が 耐 えられれば, 式 (1a)が 成 立 し, 耐 震 安 全 性 が 照 査 されていることになる( 教 材 模 型 なので, 壊 れない 範 囲 にて 模 擬 実 験 している). また, 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 は, 対 象 構 造 物 の 構 造 諸 元, 断 面 諸 元, 使 用 材 料 の 特 性,など に 基 づいて 計 算 され, 一 方, 設 計 地 震 動 は, 対 象 構 造 物 の 建 設 サイトに 対 して 設 定 される. 地 震 発 生 を 人 為 的 に 防 ぐことはできないが, 耐 震 性 能 は, 高 耐 震 化 など 人 類 の 叡 智 により 対
処 することができることを 付 記 したい. (2) 設 計 安 全 率 ここで 大 切 なことは, 両 者 のバランスが 重 要 である. 例 えば, 安 全 率 を, 地 震 荷 重 安 全 率 (2) 耐 震 性 能 のように 定 義 すると, 式 (1)に 倣 って, 以 下 のように 照 査 される. 安 全 率 1: OK, 安 全 率 1: NG (3) さらに, 設 計 照 査 の 結 果 が OK であっても, 次 のことを 勘 案 することが 必 要 である. 安 全 率 が 大 きい: 過 大 設 計 建 設 コストが 上 がる. 不 経 済 な 設 計. 安 全 率 が 小 さい:ギリギリの 設 計 想 定 外 の 過 大 荷 重 にて, 簡 単 に 壊 れてしまう 言 換 えると, 設 計 する 構 造 物 の 耐 力 / 靭 性 を 上 げれば 安 全 であるが, 建 設 コストが 上 がり, 経 済 性 を 損 なう. 一 方, 耐 震 基 準 がギリギリの 場 合, 万 が 一 の 事 態 に 心 配 である( 余 裕 がな い). 構 造 物 の 目 的 と 設 計 条 件 を 勘 案 した 適 度 な 安 全 率 を 設 定 し, 被 災 リスクを 最 小 限 にす ることが 重 要 である. (3) 耐 震 設 計 に 関 する 基 本 用 語 このような 設 計 地 震 動 と 耐 震 性 能 に 加 えて, 耐 震 設 計 の 合 理 的 具 体 的 な 実 施 に 際 しては, 公 的 な 基 準 が 必 要 となり,これを 総 称 して 耐 震 基 準 (design criteria)と 呼 ぶ. 土 木 構 造 物 の 場 合, 構 造 物 毎 に 設 計 示 方 書 または 設 計 指 針 が 定 められ, 建 築 建 屋 の 場 合, 建 築 基 準 法 およ び 付 随 する 諸 規 定 が 準 備 されている.このように, 耐 震 設 計 を 理 解 するには 多 くの 要 素 技 術 が 必 要 であるが, 関 係 する 基 本 用 語 を 以 下 のように 整 理 した. 表 1 耐 震 設 計 に 関 する 基 本 用 語 地 震 荷 重 (seismic load) 設 計 荷 重 耐 震 性 能 (seismic performance) 性 能 規 定 (performance criterion) 仕 様 規 定 (specification-based) 要 求 性 能 地 震 によって 作 用 する 動 的 応 答 を 静 的 荷 重 にて 変 換 したもの 設 計 に 用 いる 荷 重. 性 能 設 計 では, 多 段 階 にて 設 定 される. 地 震 時 における, 構 造 物 / 部 材 の 発 揮 する 能 力 または 遂 行 し 得 る 能 力 構 造 物 の 要 求 される 性 能 とそのレベルを 規 定 すること 構 造 物 の 形 状 寸 法 使 用 材 料 などを 技 術 基 準 の 中 で 規 定 すること 構 造 物 が 具 備 すべき( 必 要 とする) 性 能 発 注 者 によって 決 定 される. (performance requirement) 構 造 性 能 (structural performance) 照 査 (verification) 耐 震 基 準 (design criteria) 構 造 物 の 保 有 している( 達 成 した) 性 能 形 状 寸 法, 断 面 諸 元, 使 用 材 料, 施 工 の 程 度 により 実 現 される 性 能 である. 構 造 物 が 所 要 の 性 能 を 満 足 しているか 判 定 を 行 うための 行 為 耐 震 設 計 に 際 して, 具 体 的 に 規 定 した 公 的 な 基 準 ( 事 業 者, 構 造 物 毎 に 設 定 される)
2. 性 能 照 査 型 耐 震 設 計 さて, 以 上 のように 耐 震 設 計 の 基 本 的 な 考 え 方 を 示 したが, 実 際 に 用 いられる 設 計 手 法 は 単 純 ではなく,その 手 法 は 様 々である. 前 世 紀 より, 欧 米 諸 国 からの 提 案 / 実 践 により, 下 記 のような 手 法 が 挙 げられる. 1 震 度 法 / 修 正 震 度 法 2 応 答 変 位 法 3 動 的 応 答 解 析 法 4 応 答 スペクトル 法 (これらの 解 析 手 法 は 専 門 的 になるので, 関 連 図 書 にて 学 習 していただきたい).これまで 実 践 経 過 と 大 小 多 くの 被 災 経 験 を 通 して, 現 在 では, 性 能 設 計 (performance-based design)が 主 流 となり, 我 が 国 にて 定 着 していると 言 える.ここでは, 以 下 に, 設 計 地 震 動, 耐 震 性 能 を 示 し, 性 能 設 計 の 概 要 を 伝 えたい. (1) 性 能 設 計 法 とは 構 造 物 の 建 設 に 際 しては,その 建 設 目 的 と 建 設 地 点 の 環 境 によって, 発 注 者 または 使 用 者 の 要 求 する 性 能 (performance)がある 一 方 構 造 物 は,その 構 造 形 状, 使 用 材 料 の 仕 様, 施 工 具 合 によって 特 有 の 構 造 性 能 を 有 する(ここで 言 う 性 能 とは, 耐 荷 力 にとどまらず, 安 全 性, 使 用 性, 美 観,( 貯 蔵 物 の) 遮 蔽 性 など, 構 造 物 本 来 の 特 性, 期 待 される 機 能 を 表 す). 従 来 手 法 仕 様 設 計 specification-based design 構 造 寸 法, 材 料, 手 法 手 段 を 示 方 書 などに 規 定 し これに 基 づき 設 計 する 現 在 の 手 法 性 能 設 計 performance-based design 要 求 性 能 を 明 確 に 規 定 し,これに 基 づき 設 計 す る 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 に 基 づく 規 定 )が 用 い 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 られてきた 図 1 性 能 設 計 法 と 従 来 手 法 との 比 較 そして, 性 能 設 計 (performance-based design)とは,これらの 要 求 性 能 と 構 造 性 能 とを 対 比 する 性 能 レベルにて 設 計 照 査 するものである.すなわち 構 造 性 能 が 要 求 性 能 を 上 回 るこ とにより 設 計 照 査 が 達 成 される あるいは 発 注 者 の 求 める 要 求 性 能 をもとに 目 標 性 能 を 策 定 し 建 造 物 が 設 計 / 施 工 される と 捉 えてもよい この 場 合, 前 出 の 式 (1)に 倣 って,
下 記 のように 記 述 できる. 要 求 性 能 < 構 造 性 能 OK (4a) 要 求 性 能 > 構 造 性 能 NG( 不 可 ) (4b) 性 能 設 計 は performance-based design を 邦 訳 したものであるが, 土 木, 建 築 分 野 な ど 分 野 によって 呼 称 はことなり, 性 能 規 定 型 設 計 法, 性 能 照 査 型 設 計 法, 性 能 明 示 型 設 計 法, 性 能 指 向 型 設 計 法,などの 名 称 がある. 3. 土 木 構 造 物 の 耐 震 設 計 法 土 木 構 造 物 の 場 合, 通 例, 構 造 物 毎 / 事 業 体 毎 に 策 定 され, 示 方 書, 指 針,ガイドライン のように 呼 ばれる.ここでは, 代 表 的 な 示 方 書 として, 道 路 橋 示 方 書 同 解 説,および 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 同 解 説 があり,その 概 要 を 順 次 記 述 したい. 以 下 に, 各 々 表 紙 画 像 を 示 した. 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 ( 日 本 道 路 協 会 編 ) 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 同 解 説 ( 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 ) (1) 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 ( 道 路 協 会 ) 道 路 構 造 物 を 対 象 とした 耐 震 設 計 は 道 路 橋 示 方 書 [1]としてまとめられ 我 国 におけ る 代 表 的 設 計 示 方 書 としてよく 知 られている ここでは, 本 示 方 書 の 基 本 方 針 は 以 下 のとおり( 耐 震 設 計 の 基 本 方 針 を 要 約 ) 橋 は 地 震 後 において 避 難 路 輸 送 路 社 会 活 動 の 基 幹 路 など 重 要 な 役 割 が 期 待 され る 従 って その 耐 震 設 計 に 際 しては 地 震 時 における 安 全 性 はもとより 橋 の 重 要 度 に 応 じて, 供 用 性 修 復 性 の 性 能 を 充 分 確 保 することが 重 要 である このため 道 路 橋 示 方 書 は 性 能 規 定 型 の 技 術 基 準 書 を 目 指 し 橋 の 耐 震 性 能 設 計 地 震 動 および 重 要 度 の 分 類 を 明 記 している 設 計 地 震 動 :レベル 1 地 震 動,レベル2 地 震 動 (タイプⅠ:プレート 境 界 型 の 大 規 模 地 震 動 タイプⅡ: 内 陸 直 下 型 を 想 定 した 地 震 動 )
耐 震 性 能 の 区 分 と 定 義 : 耐 震 性 能 1: 地 震 によって 橋 としての 健 全 性 を 損 なわない 性 能 耐 震 性 能 2: 地 震 による 損 傷 が 限 定 的 で 機 能 が 短 期 間 で 回 復 でき 補 強 を 必 要 としない 耐 震 性 能 3: 地 震 による 損 傷 が 橋 として 致 命 的 とならない 性 能 以 上 のような 分 類 と 定 義 のもと 道 路 橋 に 対 する 性 能 マトリックスは 表 3 と 表 4 のよう にまとめられる 表 3 は 3 つの 耐 震 性 能 と 3 つの 限 界 状 態 ( 安 全 性 供 用 性 修 復 性 )と の 対 応 関 係 を 示 したものである(ただし 表 中 における 落 橋 に 対 する 安 全 性 は 耐 震 性 能 3 に 対 するものと 理 解 するべきであろう) 表 4 は 設 計 地 震 動 と 耐 震 性 能 との 関 連 を 示 した 性 能 マトリックスで 橋 の 重 要 度 (A 種 B 種 )に 応 じて 記 述 されることが 本 示 方 書 の 特 徴 である. 表 2 設 計 地 震 動 の 分 類 ( 道 路 橋 示 方 書 [1]) 設 計 地 震 動 定 義 レベル 1 地 震 動 期 間 中 に 発 生 する 確 率 が 高 い 地 震 動 レベル 2 地 震 動 供 用 期 間 中 に 発 生 する 確 率 は 低 いが 大 きな 強 度 を 持 つ 地 震 動 タイプⅠ:プレート 境 界 型 の 大 規 模 地 震 動 タイプⅡ: 内 陸 直 下 型 を 想 定 した 地 震 動 表 3 道 路 橋 示 方 書 における 性 能 マトリックス( 道 路 橋 示 方 書 [1]) 設 計 地 震 動 A 種 の 橋 重 要 度 が 標 準 的 な 橋 B 種 の 橋 重 要 度 の 高 い 橋 レベル 1 地 震 動 耐 震 性 能 1 地 震 によって 橋 としての 健 全 性 を 損 なわない 性 能 レベル 2 地 震 動 タイプⅠの 地 震 動 タイプⅡの 地 震 動 耐 震 性 能 3 地 震 による 損 傷 が 橋 として 致 命 的 とならない 性 能 耐 震 性 能 2 地 震 による 損 傷 が 限 定 的 なものに とどまり 橋 としての 機 能 の 回 復 が 速 やかに 行 い 得 る 性 能 (2) 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 同 解 説 ( 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 )[2] 鉄 道 構 造 物 の 設 計 に 関 しては 鉄 道 構 造 物 等 設 計 標 準 同 解 説 ( 以 降 鉄 道 標 準 と 呼 ぶ) にまとめられ 従 前 より 構 造 形 式 別 に 10 冊 が 編 集 / 刊 行 されている. 鉄 道 標 準 耐 震 設 計 [2]においては 設 計 地 震 動 と 耐 震 性 能 を 以 下 のように 規 定 している 設 計 想 定 地 震 動 L1 地 震 動 : 設 計 耐 用 期 間 内 に 数 回 程 度 発 生 する 確 率 を 有 する 地 震 動 L2 地 震 動 : 設 計 耐 用 期 間 内 に 発 生 する 確 率 は 低 いが 非 常 に 強 い 地 震 動
耐 震 性 能 耐 震 性 能 Ⅰ: 地 震 後 にも 補 修 せずに 機 能 を 保 持 でき かつ 過 大 な 変 位 を 生 じない 耐 震 性 能 Ⅱ: 地 震 後 に 補 修 を 必 要 とするが 早 期 に 機 能 が 回 復 できる 耐 震 性 能 Ⅲ: 地 震 によって 構 造 物 全 体 が 崩 壊 しない これらの 組 合 せを 性 能 マトリックスによって 整 理 すると 表 4 のようになる とくに L 2 地 震 動 のような 大 規 模 地 震 では 構 造 物 の 損 傷 を 認 めるものとし 重 要 構 造 物 に 対 して 耐 震 性 能 Ⅱ その 他 の 構 造 物 に 対 して 耐 震 性 能 Ⅲを 満 足 する 旨 補 記 されている 表 4 鉄 道 標 準 [2]における 耐 震 性 能 マトリックス 耐 震 性 能 Ⅰ 耐 震 性 能 Ⅱ 耐 震 性 能 Ⅲ L1 地 震 動 設 計 耐 用 期 間 内 に 数 回 程 度 発 生 する 確 率 を 有 する 地 震 動 L2 地 震 動 設 計 耐 用 期 間 内 に 発 生 する 確 率 は 低 いが 非 常 に 強 い 地 震 動 重 要 度 の 高 い 構 造 物 その 他 の 構 造 物 4. 建 築 建 屋 の 耐 震 設 計 法 建 築 物 の 耐 震 設 計 の 方 法 についても, 建 築 基 準 法 を 基 本 として 各 種 施 行 令 告 示 などの 耐 震 安 全 性 に 係 る 法 令 学 会 などによる 各 種 規 定 指 針 ガイドラインが 用 意 されている これらの 法 令 指 針 等 は 過 去 の 地 震 被 害 を 教 訓 とし 段 階 的 に 改 善 が 実 施 され 今 日 に 至 っている 現 在 の 建 築 基 準 法 の 耐 震 設 計 の 基 本 的 な 考 え 方 は 表 5 に 示 す 通 り 建 物 の 耐 用 期 間 内 に 稀 に 起 こりうる 中 地 震 と 極 めて 稀 に 起 こりうる 大 地 震 の 二 つのレベルの 地 震 動 を 想 定 し 中 地 震 に 対 しては 損 傷 を 防 ぐ 大 地 震 に 対 しては 人 命 を 守 る ことを 耐 震 性 能 の 目 標 とし これに 対 応 した 各 種 の 耐 震 設 計 法 が 定 められている 表 5 地 震 動 のレベルと 耐 震 目 標 および 設 計 法 地 震 動 のレベル 耐 震 目 標 代 表 的 な 設 計 法 建 物 の 損 傷 を 防 ぐ 中 地 震 (レベル 1) 大 地 震 (レベル 2) 仕 上 げなどの 損 傷 が 生 じても 柱 や 梁 な どの 骨 組 み( 構 造 体 )は 軽 微 なひび 割 れ 程 度 に 収 める 人 命 を 損 なわない 構 造 体 にひび 割 れや 一 部 の 損 壊 が 発 生 し ても 人 命 に 影 響 を 及 ぼす 柱 の 崩 壊 や 建 物 の 倒 壊 などを 生 じさせない 許 容 応 力 度 設 計 法 ( 一 次 設 計 ) 保 有 水 平 耐 力 設 計 法 ( 二 次 設 計 )
建 築 基 準 法 同 施 行 令 は 1950 年 に 制 定 された ここでの 耐 震 設 計 は 定 められた 地 震 荷 重 で 部 材 に 作 用 する 応 力 が 部 材 の 短 期 許 容 応 力 度 以 内 であることを 確 かめることとして いる この 許 容 応 力 度 設 計 の 基 本 的 な 考 え 方 は 現 在 でも 引 き 継 がれているが 表 6 に 示 すように 耐 震 設 計 法 は 過 去 の 地 震 被 害 を 教 訓 として 段 階 的 に 改 善 改 正 がなされている 代 表 的 な 改 正 として 大 地 震 時 の 安 全 性 の 確 認 を 目 的 とする 保 有 水 平 耐 力 設 計 などの 考 え 方 が 採 用 された 1981 年 6 月 の 改 正 があげられる 現 在 これ 以 降 の 建 物 について いわゆる 新 耐 震 基 準 の 建 物 として 扱 われている なお 新 耐 震 基 準 以 降 も 兵 庫 県 南 部 地 震 などを 経 験 し 法 令 指 針 等 は 継 続 的 に 改 善 され 現 在 に 至 っている 表 6 過 去 の 地 震 被 害 と 耐 震 設 計 法 の 変 遷 年 地 震 名 (マグニチュード) 特 徴 1923 年 関 東 地 震 (7.9) 揺 れ 被 害 火 災 被 害 津 波 被 害 1924 年 市 街 地 建 築 法 改 正 地 震 力 K=0.1 とした 設 計 法 の 導 入 1944 年 東 南 海 地 震 (7.9) 津 波 被 害 1946 年 南 海 地 震 (8.0) 津 波 被 害 1948 年 福 井 地 震 (7.1) 揺 れ 被 害 1950 年 建 築 基 準 法 制 定 許 容 応 力 度 設 計 法 (K=0.2)の 導 入 1964 年 新 潟 地 震 (7.5) 液 状 化 被 害 津 波 被 害 1968 年 十 勝 沖 地 震 (7.9) 鉄 筋 コンクリート 柱 のせん 断 破 壊 1971 年 建 築 基 準 法 施 行 令 改 正 鉄 筋 コンクリート 柱 の 帯 筋 間 隔 の 厳 格 化 1977 年 耐 震 診 断 基 準 改 修 指 針 制 定 既 存 建 物 の 耐 震 性 の 評 価 および 改 修 の 方 法 1978 年 宮 城 県 沖 地 震 (7.4) ブロック 塀 の 倒 壊 液 状 化 被 害 1981 年 建 築 基 準 法 改 正 保 有 水 平 耐 力 設 計 など 大 地 震 時 の 検 討 を 導 入 1983 年 日 本 海 中 部 地 震 (7.7) 津 波 被 害 液 状 化 被 害 1993 年 北 海 道 南 西 沖 地 震 (7.8) 津 波 被 害 火 災 被 害 1995 年 兵 庫 県 南 部 地 震 (7.3) ピロティ 建 物 の 倒 壊 溶 接 不 良 部 の 損 傷 旧 耐 震 基 準 建 物 の 被 害 2000 年 建 築 基 準 法 改 正 性 能 規 定 の 考 え 方 の 導 入 ( 限 界 耐 力 設 計 法 ) 2001 年 住 宅 品 質 確 保 促 進 法 制 定 耐 震 等 級 1~3 の 指 針 が 公 表 2001 年 芸 予 地 震 (6.7) 揺 れ 被 害 2004 年 新 潟 県 中 越 地 震 (7.5) 揺 れ 被 害 地 盤 変 状 による 被 害 2007 年 新 潟 県 中 越 沖 地 震 (6.8) 揺 れ 被 害 2011 年 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 (9.0) 連 動 方 広 域 大 規 模 地 震, 津 波 被 害 液 状 化 被 害 長 周 期 地 震 動 [1] 日 本 道 路 協 会 : 道 路 橋 示 方 書 同 解 説 Ⅴ 耐 震 設 計 編 平 成 14 年 3 月 [2] 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 編 : 鉄 道 構 造 物 等 標 準 設 計 同 解 説 耐 震 設 計 丸 善 平 成 11 年 10 月