建築機能維持施設における建築設備の効果的な耐震補強・改修法
建築設備 振動台実験 数値計算 巻き出し管 西川豊宏＊ 山下哲郎＊＊
吊りボルト スプリンクラー 耐震補強 大橋一正＊＊＊ 田中 孝＊＊＊＊
１．はじめに
本研究テーマは、超高層建 築など大きな変形を受 ける建築設備・非構造材と いった二次部材の耐震性 能の把握と効果的な耐震補 強の開発・普及を目指す ものである。八王子 11 号 館に新設された大型大変 形加力設備や既存の各種実 験装置を活用し、テーマ １より提供された建物の応 答解析結果から、地震に 対して脆弱とされる部位を 既往研究や簡易的な試算 により特定し、それらの耐 震性能を実験的に明らか にした。また、2011年3月に発生した東北地方太平 洋沖地震では、構造体に損 傷が少ない場合で あって も非構造部材や建築設備が 損傷し一時的あるいは長 期的に建物が使用できない 事例が 確認され、被害事 例に基づく実験条件の変更 ・追加を適宜実施した。
各年度の研究内容とその結果を以下に示す。
2009 年度(平成 21 年度)
工学院大学新宿キャ ンパス の各種設備系統の 理解 と把握、施工状況の調査を 行った。同時に当研究テ ーマに関連する引き渡し書 類の保管状況を確認し、
地震時に発生しうる設備被 害やそれに起因する二次 被害について予想した。
2010 年度(平成 22 年度)
過去の被害事例から 、スプ リンクラー (以降 SP) 末端部での漏水が、事業継 続を考える上での二次被 害リスクとして優先課題と されたため、本学新宿キ ャンパスの SP ヘッドとそ の周辺の配管状況を実大 で再現し、当該箇所の静的 加力実験 により、脆弱と される配管接合部の耐力性能を静的に調査した。
2011 年度(平成 23 年度)
前年度から実施した SP 配 管の静的加力実験を継 続し、施工誤差を含む実験 データの中央値と標準偏 差を特定するため、データ の蓄積と分析を 行った。
また、この年に発生した東 北地方太平洋沖地震 では、
吊り天井に係る天井材や設 備機器、配管類の崩落が 多数確認され、その破壊メ カニズムの解明が喫緊の 課題となった。当小課題に おいても各方面の被害報 告より、建築物の二次部材 に使用される吊りボルト
（全ネジボルト）の脆弱性 に着目し、これらの要素 実験を計画した。
2012 年度(平成 24 年度)
東北地方太平洋沖地 震で顕 在化した天井等の崩落 被害のメカニズムを解明す るため、 天吊り設備機器 及び SP 配管の振動台実験 と吊りボルトの要素実験 を実施した。振動台実験か ら、天井材と設備機器配 管の地震動に対する相互作 用の目視調査を行い、力 学的挙動の一般化を試みた 。それによると吊りボル ト周辺で生じる地震動に対 する挙動は極めて複雑で 体系的モデル化が困難であ ったが、振動台実験と要 素実験の目視検証による仮 定から有効な耐震対策の 立案を行った。
2013 年度(平成 25 年度)
天井材や吊り設備機 器、配 管に用いられる全ネジ ボルトの耐震性能を評価す るため、 振動台実験と数 値計算を主として SP 設備配管を対象に実施した。こ の結果から、本学新宿キャ ンパスにて優先的に実施 すべき耐震補強とその効果について考察した。
これまでの研究調査 の結果 から、建築設備に係る 耐震補強は、大型の熱源設 備機器や床置き機器より もむしろ居住者に近接する 設備末端部と建築二次部 材の保全が有効と判断し、 小課題としては、設備ラ イフラインの維持保全とし て SP 末端部の耐震性能 とその改修法の有効性につ いて研究を進め、一連の 研究成果としての取り纏めと位置付けた。
2．定量的な地震リスク評 価と実被害から見る課題 2.1．地震リスク評価手法
地震時においても建 築設備 が健全に機能すること で、在館者の安全確保のみ ならず、建築維持機能施 設として逃げ込める建物と しての活用 が可能になる。
ここでは、建築設備に事前 対策を講じるための支 援 情報として建築設備の地震 リスク評価を行 い、設備 機器・配管単体が連関して形成されるシステムとし
： 各 被 害 形 態 に 対 応 す る 損 傷 確 率
： 設 備 機 器 ・ 配 管iに 作 用 す る 地 震 動 の 中 央 値
： 耐 力 値 の 対 数 標 準 偏 差
： 作 用 地 震 動 の 対 数 標 準 偏 差
： 設 備 機 器 ・ 配 管iの 作 用 地 震 動 に 換 算 し た 耐 力 の 中 央 値
： 作 用 地 震 動
pfi
ｒmi
ζCi
Cmi
x ζRi
… 式(1)
dx c x
x x p
rmi
Ri Ci
mi Ri
Ci
fi
0
1
2 2 2
2 2
2
2 ln exp ln 2
テーマ2 小課題番号2.1 てのモデル化が必要なため 、システムを構成する設
備機器・配管を抽出し、各 接点での 損傷確率を式(1) で算出することで、地震動 に対する脆弱箇所の特定 を試みた。
2.2．地震リスクの算出
図1に各部材の耐力を算出し、首都直下地震が発 生した際の給排水衛生設備 および空調設備の機器類 の損傷確率を求めた。首都 直下地震での 建物応答の 想定は首都直下地震を想定した共振動予測 3)の地震 動として，立体フレームモデル 4)による弾塑性解析 から得られた各階の加速度 とした。なお、空調設備 に お いて VAV と ダ ク トの吊 り ボル トの 耐 力値 は 既 往研究 5)での引張荷重の耐 力のばらつきで評価した。
結果を見ると給排水衛生設 備の損傷確率は、水槽な どの床置き機器が、空調設 備ではダクトの吊りボル トと立て配管のリスクが高いと算出された。
2.3．建築設備の実被害と地 震リスク評価の課題点 図2に東日本大震災での建築設備の被害箇所と被 害事例 6)を示す。東日本大 震災での建築設備毎の被 害 箇 所 で 見 る と 、 給 排 水 衛 生 設 備 は 配 管 の 被 害 が 58%と 最も多 く、 同様 に空 調設備 は機 器、消 火設備 では配管、電気設備は照明 設備の被害割合が高かっ た。前節での給排水衛生設 備と空調設備の損傷確立 の結果と比べると、給排水 衛生設備では床置き機器 のリスクが高かったが実被 害では配管の被害が多く、
空調設備ではダクトの被害 より空調機器の被害が多 かった。これは被害事象で 吊り支持材の被害が多い ことから、天吊り機器・配 管ともに重量が重く、長 時間の揺れで吊りボルトの 破断に起因するものが数
多く確認されたためである 。実際の被害事例とこの 手法での予測結果とに評価 結果の差異が生じたため、
吊りボルトの耐久性を実験 的に検証 し、当評価に反 映させることが必要とされた。
3．吊りボルトの耐震性能 実験と評価 3.1．実験目的
長周期地震動による吊りボ ルト破断が多数確認さ れたため、吊りボルトの耐 震性能を評価する要素実 験を行った。なお、実験は 、本学の施工状況から、
現実的な対策立案であるべきと捉え、表1の実務的 耐震対策と分類 7)と図 3の斜材（ブレース）が不要 となる条件7,8)の下で実験を 行った。
図 1 給排水衛生設備と空調設備の損傷確率
損 傷 確 率 [%]
80 40
20 60 100 0
階[F]
12 RH
24
18
B1 6
B6 PH
： 給 排 水 衛 生 設 備
： 空 調 設 備
11F 設 置 機 器 類 の 耐 力 値 と 床 応 答 加 速 度 の 関 係 (一 例 )
加 速 度 [gal]
1,000
0 2,000 3,000
Pf i(x) 地 震 動
動
左 か ら ダ ク ト (メ イ ン )
SA,RA, SA・ RA
上 水 枝 管 ・ 曲 が り 管
上水WC 給水立て管 上水揚水立て管 中水揚水立て管
蒸気立て管 中水女子WC 給水立て管 中水男子WC 給水立て管
上水揚水立て管
確率密度[×10-3]
0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 20 40 60 80 100
設備
被害割合[%]
給排水衛生 303[件] [件]
配管 142[件]
47%
機器 72[件]
24%
床固定
28[件]
9%
埋設物 45[件]
15%
5%
15 その他
空調設備 419[件]
配管・ダクト 128[件]
31%
吊り支持材 139[件]
33%
機器 54[件]
13%
床固定 45[件]
11%
その他 52[件]
12%
消火設備 配管
57[件]
127[件] 45%
吊り支持材
13[件]
10%
機器 32[件]
25% 2%
床固定 その他
23[件]
18% 2[件]
電気設備 配管
15[件]
8%
吊り支持材 42[件]
22%
機器 15[件]
8%
床固定 19[件]
10%
埋設物 1[件]1%
その他 96[件]
51%
188[件]
吊 り 支 持 材 床 固 定
図 2 東日本大震災における建築設備の被害箇所と被害6)
表 1 実務的耐震対策と分類7)
※ 吊 り ボ ル ト の 要 素 実 験 で は 、 太 枠 部 分 を 実 験 対 象 と す る 。 対 策 標 準 的 な 対 策 機 能 確 保 を 図 る 対 策 機 器 重 量 [kg] 10～ 30 30～ 100 10～ 30 30～ 100
天 井 裏 設 置 な ど 吊 り 長 さ
耐 震 対 策 の 分 類 ① ② ③ ④
1 0 0 0 m m 未 満
適 用 可 能 斜 材
適 用 可 能 斜 材 の 種 類
鋼 製 架 台 ま た は 全 ね じ ボ ル ト
鋼 製 架 台 ま た は 全 ね じ ボ ル ト
鋼 製 架 台 ま た は 全 ね じ ボ ル ト
鋼 製 架 台
鉛 直 材 長 さ と 対 策
25～ 30cm は 機 器 鉛 直 吊 り ボ ル ト を 12φ に す る こ と で 可
20～ 30cm は 機 器 鉛 直 吊 り ボ ル ト を 12φ に す る こ と で 可
耐 震 対 策 の 分 類 ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
1 0 0 0 m m 以 上
適 用 可 能 斜 材
適 用 可 能 斜 材 の 種 類
鋼 製 架 台 ま た は 全 ね じ ボ ル ト
鋼 製 架 台 鋼 製 架 台 鋼 製 架 台
鉛 直 材 長 さ と 対 策
25～ 30cm は 機 器 鉛 直 吊 り ボ ル ト を 12φ に す る こ と で 可
20～ 30cm は 機 器 鉛 直 吊 り ボ ル ト を 12φ に す る こ と で 可
A
B 接 合 部 の 中 心 固 定 金 物
斜 材
拡 大 図
吊 り ボ ル ト
構 造 躯 体
45°±15°
機 器
A:天 井 躯 体 ナ ッ ト 下 部 (イ ン サ ー ト 接 続 部 )か ら 吊 り ボ ル ト ・ 斜 材 ・ 固 定 金 具 の 接 続 部 の 中 心 ま で B:吊 り ボ ル ト ・ 斜 材 ・ 固 定 金 具 の 接 続 部 の 中 心 か ら 機 器 接 続 部 の ナ ッ ト 上 部 ま で
ワ ッ シ ャ ー ナ ッ ト
防 振 ゴ ム
図 3 斜材が不要となる条件7),8)
3.2．実験概要
吊りボルトに係る振動台実験を、図4に示す天吊 り機器、図 5 に示す吊り ボルトの 条件で実施した。
天吊り機器実験では、4 本 で吊り支持された 現状の 天吊り機器における地震の 揺れによる挙動の再現を 行うため、東日本大震災に工学院大学新宿校舎29F で計測され た応答加 速度(以 降 東 29F)と多大な 被 害が想定さ れる首都 直下地 震(以降 首 29F)、断続 的な揺れを再現する正弦波 をそれぞれ入力波とした。
吊りボルトの要素実験では 、吊りボルトの破断に至 るまでの耐力を明確にする ため、 錘重量，径，吊り 長さの要素を設定し、試験 体と共振させるため、加 振前の自由振動より算出さ れた試験体の固有周期と 同一周期の正弦波と1本で吊り支持された吊りボル トの挙動と影響を明確にす るため、構造計算でも用 いられ、短周期成分が卓越 した神戸波を入力波とし た。
3.3. 引張試験
天吊り機器の振動台実験に て加振した吊りボルト の引張試験を行った。図6に吊りボルトの引張試験
概要、図 7 に吊りボルトの 弾性限界・破断限界注 1) を示す。加振の継続時間が 長くなると弾性限界・破 断限界ともに平均値が低下 し、ばらつきが大きくな った。これは継続的に加振 することにより吊りボル トが部分的な亀裂もしくは 金属疲労の影響を受け、
加振時間の増加とともに耐 久性が低下していると考 え ら れ る 。 さ ら に 、 新 品 試 験 体 と 東 29F の 弾 性 限 界・破断限界を比較すると 、大きな差は確認されな かった。従って、東29Fのような小さな地震波では 応答加速度変位が小さく吊 りボルトに大きな耐久性 の変化はないと判断した。図8に加振による吊りボ ルトの耐久性を示す。引張 試験で計測した弾性限界 の結果から正規分布を求めると、新品試験体と比べ
図 4 天吊り機器の振動台実験 加速 度 計
ステンレス板
錘 加振 方 向
木板 吊りボルト(9φ)
吊り長さ600mm
ナット
図 5 吊りボルトの要素実験 振 動 台
加 振 方 向
-X X
-Y
Y 錘 重 量
･2.5kg ･7.5kg
･25kg
架 台
加 速 度 計 径
･6φ
･9φ ･12φ 吊 り 長 さ
･150mm
･200mm
･300mm
重 心
図 6 吊りボルトの引張試験 加 力 方 向 (試 験 速 度 ： 3.0mm/min) 吊りボルト(9φ)
図 7 吊りボルトの弾性限界・破断限界注 1)
平 均 値 弾 性 限 界 破 断 限 界 引張応力度[N/mm2]
600 500
0 100 200 300 400
加 振 時 間 地 震 波
(東 29F) 正 弦 波
(0 分 ) 正 弦 波
(2 分 ) 正 弦 波 (4 分 )
正 弦 波 (6 分 )
正 弦 波 (8 分 )
正 弦 波 (10 分 ) 正 弦 波 の 条 件
固 有 周 期 :0.4s 加 速 度 :約 780gal
入 力 波 パ タ ー ン
図 8 加振による吊りボルトの耐久性
弾 性 限 界 低 下 率 [%]
確率密度[-]
25% 50% 75% 100%
0 0.05
0.04 0.03 0.02 0.01
0
正 弦 波 (0 分 ) 正 弦 波 (2 分 ) 地 震 波 (東 29F)
正 弦 波 (4 分 ) 正 弦 波 (10 分 ) 正 弦 波 (8 分 ) 正 弦 波 (6 分 )
テーマ2 小課題番号2.1
加振時間とともに引張応力度が低下し確率密度も低 下していく傾向がみられた。よって既存建物に設置 されている吊りボルトは過去の地震の影響を受けて おり吊りボルトの耐久性が 低下している恐れがある。
3.4．回転角による要素比較
吊りボルトの要素実験結果 を回転角で評価する為、
図 9 の回転角の定義の式(2)、(3)から算出する。既 往研究 9)と同様に、平均回 転角が増加 すると累積回 転角は減少してボルト破断 に至ることが 確認された。
また、累積回転角は、破断 に至るまでの回転角の総 和であることから、吊りボ ルトの耐震性能には、累 積回転角が影響している。表2に回転角による要素
比較を一覧した。累積回転 角割合で見ると、錘重量 の変化が最も大きく、吊り ボルトの耐震性能を検証 する上では振動による曲げ 応力に加えて錘重量によ る鉛直荷重への配慮が必要とされる。
4．SP配管の耐震性能
4.1．SP配 管の静的加力実 験
経年使用した配管の材料強 度と中央（平均）値と 施工誤差等による標準偏差 （ばらつき） を調査する ため、設備改修工事時に撤 去された配管(40年間SP 配管として使用されたもの。（以降 経年試験体)と、
そ れ と 同 形 状 の 配 管(以 降 新 品 試 験 体)を 使 用 し 、 SP 配管の静的加力実験を 行った。表 3 に実験に使 用した試験体の概要、図10にSP配管の静的加力実 験概要を示す。荷重載荷装 置としてチェンブロック を用いた静的加力実験を行 った。試験体の末端部に は鉄製プレートを取り付け 、フックを介して垂直上 方向に加力した。試験体に かかる荷重はロードセル，
加力方向に対する配管の変位量は変位計を用いて 1 秒間隔で測定値を計測した 。なお、配管の破断を判 断するため、配管内には0.3MPaに加圧した空気を 充填した。表 4 に実験デ ータの平均値と標準偏差，
図 11 に静的加力実験の結 果と考察を示す。図表に よ る と 経 年 試 験 体 の 破 断 モ ー メ ン ト(平 均 値)は 新 品 試 験 体 に 比 べ て 小 さ く 、 そ の 差 は 単 管 の 実 験 で 148.9kN･mm、 巻 き 出 し 管 の 実 験 で 114.0kN･mm で あ っ た 。 ま た 、 巻 図 9 回転角の定義
… 式(2)
… 式(3)
L
s s
arctan
T
sum
： 吊 り ボ ル ト の 平 均 回 転 角[rad]
： 振 幅 回 数[回]
T
： 吊 り ボ ル ト の 累 積 回 転 角[rad]
sum
： 時 間sに お け る 吊 り ボ ル ト の 回 転 角 [rad]
s
： 時 間sに お け る 試 験 体 の 変 位[ mm]
Ls ： 吊 り 長 さ[ mm]
表 2 回転角による要素比較
要 素
実 験 条 件
振 幅 回 数 [回 ]
累 積 回 転 角 [rad]
平 均 回 転 角 [rad]
径 [φ ]
錘 重 量 [kg]
入 力 波 [gal]
吊 り 長 さ [mm]
錘重量
9 2.5
500 300
21,355 (722%)
1,579 (494%)
0.074 (68%)
7.5 2,959
(100%)
320 (100%)
0.108 (100%)
25 272
(9%)
29 (9%)
0.105 (97%)
径
12
7.5 500 300
25,467 (861%)
1,259 (394%)
0.05 (46%)
9 2,959
(100%)
320 (100%)
0.108 (100%)
6 314
(11%)
57 (18%)
0.18 (167%)
吊り長さ
9 7.5 500
150 21,738 (735%)
862 (269%)
0.04 (37%) 200 14,892
(503%)
678 (212%)
0.046 (43%) 300 2,959
(100%)
320 (100%)
0.108 (100%)
入力波
9 7.5 300
300
15,771 (533%)
947 (296%)
0.063 (58%)
500 2,959
(100%)
320 (100%)
0.108 (100%)
700 2,391
(81%)
234 (73%)
0.098 (91%) 神戸波
1 軸
17,907 (100%)
266 (100%)
0.015 (100%) 神戸波
2 軸
8,881 (50%)
338 (127%)
0.038 (261%)
表 3 静的加力実験試験体概要
モーメント 単 管 の 実 験 巻 き 出 し 管の 実 験 実 験
回 数
経 年 試 験 体 7 回 9 回 新 品 試 験 体 23 回 26 回 試 験 体
寸 法
a 240~770 80～ 120mm
b 0 275～ 770mm
c 0 240～ 600mm
試 験 体 反 力 壁 チ ェ ン ブ ロ ッ ク
作 用 点
鉄 製 プ レ ー ト 加 力 方 向
変 位 量 計 測 点 ロ ー ド セ ル
図 10 SP 配管の静的加力実験 モーメント
c
b a
であった。また、巻き出し 管の実験においては、経 年 試 験 体 の 標 準 偏 差(分 散)が 新 品 試 験 体 に 比 べ て 大 きく、試験体の劣化状況の ばらつきが実 験値から求 められた。
4.2．SP配 管の振動台実験
4.2.1．実 験概要
SP 配 管 の 耐 震 性 能 の 評 価 を 行 う た め に 振 動 台 実 験を行い振動性状の把握を行った10)。
実験対象となる SP ヘッド と SP 巻き出し管， 枝 管（SGP25A）は図12に示 すようにフレームから吊 りボルトで吊り下げ，天井 材に固定した。また枝管 は，床スラブに相当するフレーム下端より800mm
立ち下げた位置に吊りボルト2本で支持し，枝管両 端 部 の 固 定 条 件 が 変 更 可 能と し た 。SP 巻 き 出 し 管 周辺の損傷度別に表6に示 すように実験-1と実験-2 を設定した。実験-1は，枝 管から天井面に取り付け られたSPヘッドに対して1,100mmのフレキ配管で 接続した条件で，損傷の無 い正常な状態を再現し た ものである。これに対して 実験-2は，枝管を含む 配 水主管が揺れに対して自由 に振動する状態を想定し た も の で あ る 。SP 配 管 の 振 動 台 実 験 に お い て 実 験 装置に入力した地震動は、 首都直下 地震の際に工学 院大学新宿校舎 29 階床で 想定される応答波 を使用 した。
4.2.2．実 験結果
SP 配 管 の振 動 特 性 の評 価 は、配 管 端 部 における加 振 方 向 の加 速 度 とフレーム上 部 と配 管 端 部 の相 対 変 位 で評 価 した。SP 配 管 が固 定 されている条 件 では、最 大 応 答 加 速 度 が 1,901gal に 対 し て 最 大 相 対 変 位 が 123mm(図 13 上)となった。一方，実験-2のように枝管 が地 震 の揺 れに対 して自 由 に振 動 する条 件 では、最 大 応 答 加 速 度 1,524 gal に 対 し て 最 大 相 対 変 位 が 427mm(図 13 下)となり共 振 が発 生 した。こ の 結 果 か ら，枝管の端部固定が少な くなるに従いSP配管は，
建築躯体とは別に共振する 恐れがあるため，配水主 管を振れ止め等で建築躯体に固定するとともに，SP 巻き出し管に可とう性を持たせることが SP ヘッド，
SP 巻 き 出 し 管 周 辺 で の 被 害 防 止 に 有 効 な 対 策 の 一 つとして考えられる。
また、図 14 に SP 振動台実験での累積回転角と鉛 直荷重の関係と吊りボルト の要素実験の結果と対比 した。それによると、要素 実験の近似曲線より下方 に位置しており、吊りボル トの破断が発生しなかっ た結果と整合する。
単 管 の 実 験 巻 き 出 し 管 の 実 験
新 品 経 年 新 品 経 年
平 均 値 [kN･㎜] 1,254.4 1,105.5 1,337.9 1,223.9 標 準 偏 差[kN･㎜] 0,071.2 0,054.4 0,155.6 0,170.0
表 4 実験データの平均値と標準偏差 モーメント
図 11 静的加力実験の結果と考察
確率密度[-]
破 断 モ ー メ ン ト [kN・mm]
新 品 試 験 体
単 管 の 実 験 巻 き 出 し 管 の 実 験
平均値の差 114.0kN・mm 平均値の差
148.9kN・mm
0 0.001 0.002 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008
0.003
経 年 試 験 体
500 1000 1500 2000 500 1000 1500 2000
固定箇所 実験条件 実験-1 実験-2 SP 巻き出し管の有無 有 無
枝管固定 有 無 表 5 試験体概要および実験条件
図 12 SP 配管の振動台実験
500 1,460
500
SPヘ ッ ド 加 速 度 計 (配 管 端 部 )
SP 巻 き 出 し 管 (SUS316) 重 量 :1.0kg(0.91kg/m)
長 さ :1,100mm
固 定 金 物 吊 り ボ ル ト (3/8W) 1 本 当 た り 重 量 (実 験 -2):3.55kg
枝 管 (SGP,25A) 重 量 :7.1kg(2.9kg/m)
長 さ :2,460mm 固 定 箇 所
加 振 方 向 加 速 度 計
(配 管 中 央 部 )
天 井 板
図 13 首都直下地震における応答加速度・相対変位
実 験 -1
実 験 -2
最 大 応 答 加 速 度 約 1,901gal
最 大 相 対 変 位 約 427mm
： 相 対 変 位
： 応 答 加 速 度 最 大 相 対 変 位 約 123mm
最 大 応 答 加 速 度 約 1,524gal
： 相 対 変 位
： 応 答 加 速 度
応答加速度[gal]
2,000 1,000 0 -1,000 -2,000 2,000 1,000 0 -1,000 -2,000
相対変位[mm]
500 250 0 -250 -500 500 250 0 -250 -500 時間[s]
0 50 100 150
テーマ2 小課題番号2.1
4.3．数値計算における SP 配管の耐震性能の評価 4.3.1．計 算モデルの概要
振動台実験の結果を基に SP 配管の耐震性能の評 価を行うためAutoPIPE（㈱ベントレー・システムズ）
を用い数値計算を行った。 数値計算では、力 を静的 に加え、計算モデルは配管 を梁要素としたせん断変 形を加味するティモシェン コ梁理論とし 、計算は剛 性マトリックス法を用い計 算を行った。数値計算で 対象とする SP 配管は工学院大学新宿校舎に配置さ れている28階の SP横走り配管を対象とした。
なお計算モデルの SP 配管は実際の施工状況を基 に設定した。計算モデルの 各部材条件として、吊り ボルトの共通条件は、上階 床スラブに対して剛接点、
吊りバンドに対してピン接点とした。また、SPヘッ
ドを含む天井材に取り付けられているSP巻き出し 配管周辺の地震時における 振動特性は 複雑であるた め、SPヘッドと天井との接合点の条件として、天井 面が鉛直方向の荷重を受け ない剛接合とピン接合、
自由端として考慮した。さ らに、配水主管防火区画 貫通部と配水管排煙区画貫通部（以降 区画貫通部）
のモルタル充填部が地震に より破損した場合を想定 した条件として剛接合と自 由端とし、計算番号①～
⑥を設定した。なお、加振 方向は振動台実験と同様 に水平1方向とし、首都直下地震 における最大応答 加速度である 1,901galを-X方向に入力した。
4.3.2．計 算結果
図16に首都直下地震時のSP横引き管の最大モー メントと応答変位分布(現状)、図17にSP巻き出し 管をフレキシブル配管にし 、区画貫通部が破損した 場合、図18に図 17にブレースを設置した場合 を示 す。現状の条件では SP 配 管自の一部に大きなモー メントが発生するが、区画 貫通部が損傷し、かつ 天 井の固定が無くなると SP 配管横引き管が全体的に 大きく揺れ、大きなモーメ ントと変位が発生する。
このことからも管径が大きい SP 配管は固定の必要 が あ る た め 指 針 11)を 基 に 計 算 番 号 ⑥ に 耐 震 補 強 を 施した。その結果、一部に 大きなモーメントが発生 するが、変位が大きいのは 枝管端部のみであるため、
変位追従性のあるフレキシブル管をSPヘッド接続 図 14 SP 振動台実験での累積回転角と 吊りボルト
の破断までの累積回転角注 2)
神 戸 波
【 水 平 2 方 向 】
SP 配 管 の 振 動 台 実 験
【 正 弦 波 、 地 震 動 (東 29F， 首 29F)】
累積回転角[rad]
104 103
102
10
1
神 戸 波 の 近 似 線
神 戸 波
【 水 平 1 方 向 】
単 位 断 面 積当 た りの 鉛 直荷 重 [N/mm2]
0 5 15 20
図 15 工学院大学新宿校舎のスプリンクラー配管の現状モデル概要 29F の 横 引 き管 の
計 算 モ デ ル
計 算 番 号
① ② ③ ④ ⑤ ⑥
要 素
Ⅰ 天 井 と の
接 合 部 剛 剛 ピ ン
ピ ン
接 続 無 し
接 続 無 し
Ⅱ
配 水 主 管 防 火 区 画 ・ 配 水 管 排 煙 区 画 貫 通 部
剛 自 由 端
剛 自 由 端
剛 自 由 端
Ⅲ 上 層 階 ス ラ ブ
と 吊 り ボ ル ト 剛
Ⅳ 吊 り ボ ル ト と
配 管 ピ ン
(b) 横 引き 管 の各 部 分 の境 界条 件 :100A
:80A
:65A :40A :25A :50A :150A
:125A
:吊 り ボ ル ト (W1/2) :吊 り ボ ル ト (W3/8)
(c) 数 値計 算 概略 モ デ ル
Ⅱ
Ⅳ
Ⅰ
Ⅲ 上 階 床 ス ラ ブ
防 火 区 画
吊 り ボ ル ト
配 水 主 管
天 井 巻 き 出 し 管
枝 管 吊 り バ ン ド
SP ヘ ッ ド
Ⅲ
SP 巻 き 出 し 管
25,600 25,600
400 200
800
排 煙 区 画 貫 通 部
配 水 管 配 水 主 管
防 火 区 画 貫 通 部
排 煙 区 画 貫 通 部 防 火 区 画 貫 通 部
SP ヘ ッ ド 枝 管
単 位:mm
N S
Y X
Z
加 振 方 向 (-X) 同 様 の 配 管 系 統
(a) 工 学院 大 学 のSP配 管 系統 図 :排 水 管 :高 層 系 統 :低 層 系 統
補 助 用 高 架 水 槽
消 火 ポ ン プ 放 水 口 高 層 系 統
低 層 系 統
消 防 用 水
6 階
G.L 16 階
B6 階 R 階
ブ ー ス タ ー ポ ン プ
補 助 用 高 架 水 槽
図 18 図 17 にブレースを設置した場合 最大モーメント：5688kN・mm
最大応答変位：240mm
ブレース設置位置
曲げ応力[N/mm2]
小
大 72.1以上
0~14.4 14.4~28.8 28.8~43.2 43.2~57.6 57.6~72.1
最大モーメント：10037kN・mm 最大応答変位：377mm
図 17 SP 巻き出し管をフレキシブル配管にし、区画貫通部が破損した場合 曲げ応力[N/mm2]
小
大 72.1以上
0~14.4 14.4~28.8 28.8~43.2 43.2~57.6 57.6~72.1
最大モーメント：3070kN・mm
最大応答変位:23mm 図 16 首都直下地震時の SP 横引き管の最大モーメントと応答変位分布(現状)
曲げ応力[N/mm2]
小
大 72.1以上
0~14.4 14.4~28.8 28.8~43.2 43.2~57.6 57.6~72.1
テーマ2 小課題番号2.1
管に改修すれば SP 末端部 での被害リスクを大幅に 低減される。
5．おわりに
この小課題では、建築機能 維持施設 として、本学 新宿キャンパスを評価の対 象として位置づけ、 非構 造部材・建築設備の効果的 な耐震補強 の方針を過去 の建築設備の地震被害事例 や文献の調査、本学の現 況調査から立案した。研究 期間中に発生した東日本 大震災では、予想外の被害 例も確認され、その被害 メカニズムを考察するとと もに必要に応じた実験計 画の変更や追加を行った。 当支援事業で整備された 大型振動台や各種実験装置 による実験 では、収集さ れた実験データから各種部 材の定量的な耐震性能や 地震時のふるまい（挙動） の評価を行い、有効な改 修方法を予想した。特定の 建築物に対する検証に留 まらず、現行法規等で安全 性が憂慮される点につい て調査検討を深化すること が今後の課題の一つと考 える。
謝 辞
東 京 工 業 大学 元 結正 次 郎教 授 、東 京 工 芸 大学 水 谷国 男 教 授 よ り 、 本 研 究 に 関 す る 貴 重 な 助 言 を 頂 き ま し た 。 ま た 、 本 論 文 の 執筆 に 当た り 、本 学修士 の 武 田 和也 氏 、学 部生 の 市 場 智 也 氏 、米 山 嘉貴 氏 、島倉雅 宗 氏 、矢 ヶ﨑 啓 介氏 に ご 協 力 頂 き まし た 。こ こ に記 して 深 謝 致 しま す 。
注 記
1)引 張 試 験の 試 験体 数 は 新 品試 験 体 は 8 本 ，2 分 加振 は 8 本 ，4 分 加 振 は 8 本 ，6 分 加振は 8 本 ，8 分 加 振 は 8 本 ， 10 分 加 振 は 6 本 で 行っ た 。
2)吊 り ボ ルト に 1 本 に 加わ る鉛 直 荷 重 を算 出 し、吊 りボ ル ト の 有 効 断面 積 で除 す るこ とで 、単 位断 面 積 当た り の鉛 直 荷 重 を 求め た 。
参 考 文 献
1)NHK： かん さ い熱 視 線 ，2013.5.20
2)志 津 え りか ，西 川 豊宏：事 業継 続 計 画 にお け る建 築 設備 の 地 震 リ スク に 関す る 研究 (第 1 報 )，空 気 調 和・衛生 工 学 会 大 会 学術 講 演論 文 集， pp． 2333-2336， 2012.9 3)島 村 賢 太 ， 山 下 哲 郎 他 ： 首 都 圏 に 建 つ 超 高 層 キ ャ ン パ
ス の 地 震 応答 制 震補 強 に関 する 研 究 (そ の 1)，日 本 建築 学 会 大 会 学術 講 演梗 概 集 (東 北)B-2（ 2009），pp.475-476 4)田 中 良 一 ，久 田 嘉 章：首 都 圏に あ る 超 高層 キ ャン パ スの
地 震 防 災 に関 す る研 究 (そ の 2)，日 本 建 築 学会 大 会学 術
講 演 梗 概 集 B-2（ 2007）， pp.615-616
5)志 津 え りか ，西 川 豊宏 、事 業継 続 計 画 策定 に おけ る 建築 設 備 の 地 震 リ ス ク に 関 す る 研 究 (第 3 報 )天 吊 り 機 器 の 地 震 被 害 か ら み た 吊 り ボ ル ト の 耐 久 性 に 関 す る 実 験 と 地 震 リ ス ク， 空 気調 和 ・衛 生工 学 会 大 会、 2013.9 6)建 築 設 備技 術 者協 会 震 災復 興 支 援 会議：東 日 本 大震 災
に よ る 建 築設 備 被害 状 況に 関す る 調 査 報告 書 ，pp.8-16，
2011.10
7)公 益 社 団法 人 空 気 調和・衛生 工 学 会：建築 設 備 の耐 震 設 計 施 工法 ， pp.276-278， 2012.11
8)一 般 財 団 法 人 日 本 建 築 セ ン タ ー ： 建 築 設 備 耐 震 設 計 ・ 施 工 指 針 2014 年 版 ，p.75， 2014.9
9)吉 田 献 一，西井 宏 安，永 島茂人 ，金 子英 樹：吊 式 空調 機 器 の 落 下 再現 実 験 ，空 気 調 和・衛 生 工 学 会大 会 講演 論 文 集 （ 札 幌 ）， pp.2321-2324， 2012.9
10)武 田 和也 ，西 川 豊宏 他：建築 設 備 に おけ る 天吊 り 配管 と 吊 り ボ ルト の 耐震 性 能に 関す る 実 験 的研 究 ，空 気 調 和 ･衛 生 工学 会 論文 集 ，No.208（ July,2014），pp.21-28，
2014.7
11) 公益 社 団法 人 空気 調 和・衛 生 工 学 会：建築 設 備の 耐 震 設 計 施工 法 ，p.154，2012.11
