41 ⽶国の超⾼層 RC 造建物の耐震設計 Seismic Design of High-Rise Reinforced Concrete Buildings in the US 塩原 等 1) Hitoshi SHIOHARA 1) 東京大学大学院工学系研究科建築学専攻,教授,工学博士(東京都文京区本郷 7-3-1, [email protected]) Department of Architecture, School of Engineering, the University of Tokyo, Professor, Doctor of Engineering 現在の⽶国の耐震設計基準の歴史は、1980 年代半ばから始まった 20 年以上の期間を要した変⾰の期間を終え、新 しい時代を迎えている。この資料は、その⼀連の経緯と、現⾏の⼀般建物に適⽤される新しい耐震設計基準について 述べている。さらに、⾮線形時刻歴応答解析による超⾼層 RC 建物の耐震設計に着⽬し、特に脚光を浴びている性能 型耐震設計基準の位置付けと実際についても述べている。 The building codes system for structural design in the US have been slowly evolved and improved in two decades endeavor since mid 1980ʼs. The summary of the history and the current seismic design codes are presented. In addition to that, the seismic design provisions of nonlinear time history analysis procedure and the performance-based seismic design for high-rise reinforced concrete buildings are shown. 耐震設計,設計基準,性能型耐震設計,鉄筋コンクリート Seismic Design, Building Code, Performance-based Seismic Design, Reinforced Concrete 1. はじめに ⽶国の建築物の設計基準体系の全⾯的な⾒直しのための準備 は 1985 年代半ばより始められた。その成果の蓄積を踏まえて、 2000 年代に⼊り、それまでの UBC、NBS、SBC などの地域別 のモデルコードが、全⽶統⼀モデルコードである IBC (International Building Code)に置き換えられ、それに合わせて、 関連基準の改訂作業が進められた。その結果、構造関連の設計 基準は、構造種別によらない荷重や構造計算の⽅法を定めた ASCE7 と各種構造別の規定を定めた ACI や AISC などの基準 の役割分担が明確化になり、階層化が図られた。また、並⾏し て既存建物の改修設計の全⽶統⼀モデルコードとして IEBC が 制定され、構造種別によらない既存建物の耐震補強設計の基準 を定めた ASCE41 が制定され、鉄筋コンクリートの補修補強の 基準として ACI369 や ACI562 の整備が進められた。これらの 基準体系の役割分担の明確化に伴い、関連基準の整備が必要と された。そのために、1990 年から 20 年以上の⻑い期間を要し たが、2010 年代に⼊ると混乱の時期は終わり、その体系の具体 的な全貌が姿を表した。 図 1 は、現在の⽶国の鉄筋コンクリート造建物を対象とする 構造設計基準の体系を⽰したものである。⽶国の最近の超⾼層 RC 造建物のブームは、この 2010 年ごろまでに起こった新しい 構造設計体系の整備と全く無関係ではない。 ここでは、現在の新しい⽶国の耐震設計基準に⾄った経緯と、 現⾏の設計および超⾼層 RC 建物の耐震設計で特に脚光を浴び ている性能型耐震設計基準の位置付けや運⽤のされ⽅について 情報提供を⾏う。 2. ⽶国の建物の耐震設計基準の変遷 ⽶国の建築物の耐震設計基準は、実験と学術的な理論的ベー スと構造設計者の判断を基に、研究者と実務者が協⼒しその合 意事項として定められてきた歴史がある。まずその変遷につい て述べる。 (1) 耐震設計のあけぼの (1850 ごろ〜1930 ごろ) 19 世紀中頃、⽶国⻄海岸のサンフランシスコは、ゴールドラ ッシュにより急速に発展していったが、19 世紀半ばから 20 世 紀初頭のサンフランシスコ⼤地震まで、相次ぐ⼤地震で⽊造⼤ ⽕や無補強組積造の振動被害被害が繰り返されていた。建築構 造技術者は、無補強組積造において壁に床を緊結し、組積造の ⽬地に bond iron といわれる鉄板を⽔平⽅向に挿⼊したりして、 耐震的な建物とする⼯夫を⾏うようになっていったが、学術的 な理論に基づいた⼯学と呼べる耐震設計はまだなかった。20 世 に⼊ると、イタリアの 1908 年のメッシナ地震、⽇本の 1923 年 関東地震などが契機となり、それぞれの国で⼯学的な耐震規定 が制定された。それらは、いずれも静的な等価地震⼒に対して 耐えうる強度を与える設計を⾏うものであった。1906 年のサン フランシスコ地震以降、サンフランシスコでは⼤きな地震は来 なくなったが、カリフォルニアの建築構造技術者が設⽴した
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⽶国の超⾼層 RC 造建物の耐震設計 Seismic Design of High-Rise Reinforced Concrete Buildings in the US
塩原 等 1)
Hitoshi SHIOHARA 1) 東京大学大学院工学系研究科建築学専攻,教授,工学博士(東京都文京区本郷 7-3-1,[email protected]) Department of Architecture, School of Engineering, the University of Tokyo, Professor, Doctor of Engineering 現在の⽶国の耐震設計基準の歴史は、1980 年代半ばから始まった 20 年以上の期間を要した変⾰の期間を終え、新しい時代を迎えている。この資料は、その⼀連の経緯と、現⾏の⼀般建物に適⽤される新しい耐震設計基準について述べている。さらに、⾮線形時刻歴応答解析による超⾼層 RC 建物の耐震設計に着⽬し、特に脚光を浴びている性能型耐震設計基準の位置付けと実際についても述べている。 The building codes system for structural design in the US have been slowly evolved and improved in two decades endeavor since mid 1980ʼs. The summary of the history and the current seismic design codes are presented. In addition to that, the seismic design provisions of nonlinear time history analysis procedure and the performance-based seismic design for high-rise reinforced concrete buildings are shown.
耐震設計,設計基準,性能型耐震設計,鉄筋コンクリート Seismic Design, Building Code, Performance-based Seismic Design, Reinforced Concrete
4. ⽶国における性能型耐震設計 すでに古くから、⽶国の各種の建築構造設計基準に性能型設計法の規定は含まれてきた。それは、合理的な設計法により同等な性能を付与できるのであればそれを認めるという規定であった。しかし、どのようにすれば同等の性能が得られかを定量的に確かめることができると評価された客観的な⽅法が⽰されていなかったために、実際にこの規定が⼀般的に活⽤される事例は極めて稀であった。しかし最近、性能型耐震設計法が実際に活⽤される事例が増えている。このような状況に⾄る経緯と現状について以下に述べる。 (1) 耐震診断と性能型耐震設計法 1990 年代半ばより、FEMA (連邦緊急事態管理庁)の財政的⽀援によって、構造物の耐震補強設計のために、様々な性能型設計⼿順が BSSC で開発されるようになった。1997 年には、FEMA273 (NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings) が刊⾏され、具体的で⼿続きの完備した性能型耐震設計⼿順が⽰され、病院建築物など、少しずつ耐震補強の実務に適⽤されていった。耐震補強の対象となる建物は、現⾏の構造設計基準を満たしていないため、耐震補強設計の妥当性は、得られる性能で判断する性能型耐震設計しか適⽤できないことは⾃明の理であった。 2001 年に ICC (International Code Council) は、International Performance Code を制定し、性能型の構造・耐⽕・環境基準の整備を始めた。また、2009 年には、既存建物の補修設計の基準である IEBC (International Existing Building Code)が、新築建物のモデルコードの IBC から分離し独⽴した刊⾏物となった。ASCE は 2006 年から FEMA273 をベースにコンセンサスに基づいた国家基準にする作業を⾏い 2013 年に ASCE41-13 基準として完成させた。それより以前に、ACI は、2011 年に鉄筋コンクリート造の既存建物の耐震改修設計の具体的な適⽤⽅法を定める ACI369R-11 Guide for Seismic Rehabilitation of Existing Concrete Frame Buildings and Commentary の制定を終えている。このような作業が 2010 年ころまで続き、やっと実務に適⽤できる形に成熟したものといえよう。 このように、性能型耐震設計法は、主に既存建物の改修設計基準の整備の⼀貫として進められてきた。ここには、様々な耐震計算の⽅法が⽰された。例えば、ASCE41 に、Nonlinear Static Procedure (NSP)が定められている。NSP は、⾻組の静的⼀⽅向増分解析を⾏い、それを元に構造物を⼀⾃由度に縮約し、地震応答スペクトルから地震応答を簡易に推定して、耐震補強の要否や、耐震補強設計の妥当性を判定する⽅法であり、我が国の限界耐⼒計算と⼤変似た⽅法である。また、Nonlinear Dynamic Procedure (NDP)は、⾻組の⾮線形動的地震応答解析により応答を推定する⽅法であり、我が国の時刻歴応答計算と似ている⽅法である。しかし、ASCE41 に⽰された⽅法は、あくまでも既存建物だけを適⽤範囲としており、必ずしも新築の建物に適⽤できる基準ではない。ただし、それらの基準に⽰さ
れた部材の解析モデル化のガイドラインは、当然新築建物の構造計算に使えるものとなっていた。
(2) 新築建物⽤の性能型耐震設計法 2008 年に LATBSDC (Los Angeles Tall Buildings Design Council) がロスアンゼルス周辺の地域の新築建物向けにLATBSC ガイドライン(An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings located in the Los Angeles Region)という、性能型耐震設計のガイドラインを発表する。これは、ASCE7 に⽰された耐震設計法の⼀部を置き換える代替⽅法として提案されたもので、次第に受け⼊れられ、それから10 年たった現在、これを適⽤した超⾼層 RC 建物への性能型耐震設計の適⽤事例が増加している。 2010 年には、カリフォルニア⼤学バークレー校の PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center)も、Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings Version 1.0 を刊⾏している。これは、LATBSDC ガイドラインのよう
略語対応表 ACI American Concrete Institute ACI318 Building Code Requirements for Structural Concrete and
Commentary, ACI ACI369 Guide for Seismic Rehabilitation of Existing Concrete Frame
Buildings and Commentary ANSI American National Standard Institute AISC American Institute of Steel Construction AISI American Iron & Steel Institute ASCE American Society of Civil Engineers ASCE7 ASCE/SEI7-10 Minimum Design Loads for Buildings and
Other Structures, ASCE ASCE41 ASCE/SEI41-13 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing
Buildings, ASCE ATC Applied Technology Council ATC-3.06 Tentative Recommended Provisions for Seismic Regulation,
Report no. ATC-3.06, ATC AWC American Wood Council BSSC Building Seismic Safety Council FEMA Federal Emergency Management Agency FEMA273 NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of
Buildings, FEMA IEBC International Existing Building Code, ICC IBC International Building Code, ICC ICBO International of Conference of Building Officials ICC International Code Council LATBSDC Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council MCE Maximum Considered Earthquake NBC BOCA National Building Code, BOCA NEHRP National Earthquake Hazards Reduction Program NIST National Institute of Standard and Technology PEER Pacific Earthquake Engineering Research Center SBC Standard Building Code SEAOC Structural Engineers Association of California TMS The Masonry Society UBC Uniform Building Code, ICBO 引⽤⽂献リスト ACI Committee 318 (2014). Building Code Requirements for Structural
Concrete and Commentary (ACI318-14/ACI318R-14). American Concrete Institute, 2014.
ACI Committee 369 (2011). Guide for Seismic Rehabilitation of Existing Concrete Frame Buildings and Commentary (ACI369R-11). American Concrete Institute, 2011.
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ASCE (2014). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings (ASCE/SEI 41-13). American Society of Civil Engineers, 2014, 518pp.
BSSC (1985). NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) Recommended Provisions for Seismic Regulation for Buildings, 1985 Edition, Building Seismic Safety Council, Washington D. C., 1985
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PEER (2017). Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings (PEER 2017/06), Developed by thePacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) as part of theTall Buildings Initiative, April 2017
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