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おがっちわーるど

提案プラン集・施工例集です

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E-ディフェンスを用いた3階建て木造住宅の倒壊実験 

E-ディフェンスを用いた3階建て木造住宅の倒壊実験

you tube では http://youtu.be/adP5fbAoxV0
  1(奥側)が耐震補強された「長期優良住宅」
  2(手前)が現行の建築基準法に則った普通の住宅

倒壊したのは長期優良住宅のほうです。
耐震等級2くらいでは実際に効果があるかないか微妙ということでしょうか?

実際の建物を考えてみると、材料強度のバラツキや施工の上手下手、計算に乗るところと乗らないところ、など考えると1.25倍は誤差の範囲でしょう。1.5倍だって大した差は出ないかもしれません。

この試験体のひっくり返ったところを見ると2階の床はかなりしっかり作られているようですが、
実際の建物ではこんなに剛床ではないと思います。
耐震等級1では床の剛性は確認しませんが2、3ではするようになります。
ここで差が出るかもしれません。



 「E-ディフェンスを用いた3階建て木造住宅の倒壊実験」で検索するといろいろな見解がでてきます。


http://febnet.cocolog-nifty.com/column/2009/10/e6-456b.html より


27日の実験は、市街地で進む木造三階建て住宅の性能評価として行われた。
いわゆる、市街地にありがちな「木造三階建て戸建て住宅」である。
基本的には、いわゆる住公庫のローンを考えた135平方メートル住宅として設定されている。
総重量30トンとどこにでもある標準的なタイプと考えればよい。
①は、耐震等級2の基準を満たす、いわゆる「長期優良住宅」である。
②は、現在の建築基準法と同じ程度の性能を保たせた住宅である。
基本は、震動実験が始まると、①、②ともに急激に揺れ、
「長期優良住宅」である①が残り、建築基準法準拠の②が倒壊するだろうと想定されていた。

実際は、最初①と②は共に大きく揺れた。
5秒ほど経過した後、②の住宅は破断が見えるかという状態だった(②に注目していたため)。
10秒ほど経過したとき、②の柱が折れた。①は1階と2階の壁面接合部に亀裂が窺えた。
(ひょっとすると、①の方が座屈するのではないかと思った)
15秒ほど経過したとき、①の壁面亀裂は2階と3階の部分を始め、亀裂が全体に大きくなった。
この時点で①の倒壊が起きると考えた。
18秒ほどであったと思う(違っているかも知れない:正確ではない)が、
①は、耐えきれず破断し1階部分から倒壊(完全に消滅)、2階部分は横転し一部座屈した。
3階部分が横転し屋根は転覆した。(実際には、大音響とともに吹き飛んだという表現が適切である)
20秒ほど経過し、この状況と共に実験は終了した。
②は、柱が折れたまま基本的には自立(基準の上では全壊に相当?)。



http://blog.livedoor.jp/mineot/archives/51645941.html より

「長期優良住宅」の基準を満たす木造3階建ての震動台実験がEディフェンスで先月末に実施された。

その結果を、日経新聞では次のように報じている。
実験では同じ設計の木造3階建て住宅を2棟使用。1棟は「耐震等級2」を満たす長期優良住宅。
もう1棟は柱の接合部のみを弱くしてあり、同等級を満たさない。
2棟を並べて耐震基準の1.8倍、震度6強相当の人工地震波で約20秒間揺らした。
実験した住宅はともに耐震基準の1.44倍に耐える設計だが、
実際には余裕を持たせて建築しているため揺れを上乗せした。
その結果、長期優良住宅は揺れ終わる間際に壁が崩れ横転するように倒れた。
計画では、ぎりぎり倒れないはずだった。
もう一方は揺れ始めて約10秒後に柱の接合部が壊れたが、完全には倒壊しなかった。

実験の映像は日経BPケンプラッツのWEBに掲載されている。その記事によれば、
実験時に撮影した動画を見ると、開始10秒後の大入力で試験体2の柱脚が引き抜け、
試験体全体が大きく傾いたことが確認できる。
実験後の研究者グループの発表によると、このときの層間変形角は7分の1にも達していた。
一方、試験体1の柱頭柱脚は最後まで外れなかった。
だが大変形で、これ以上傾くと崩壊するという限界を超え、
変形が進むほど重力加速度の影響が強まる「P-δ効果」によってゆっくりと変形が進み、倒壊に至った。
実験前の事前解析の結果では、最大層間変形角は30分の1程度で収まる見込みだった。


試験体1は柱脚が壊れずに建物の全体倒壊に至った。
試験体2は柱脚が壊れた(抜けたため)全体倒壊には至らなかった。
どちらのケースが望ましいということは、これだけの情報だけでは判断できないが、
建物の耐震性はどうあるべきかを考えさせられる結果ではないか。

寺田寅彦は「鎖骨」というエッセーの中で『家屋の鎖骨』を設計施工しておいて、
大地震の時にはこの鎖骨が壊れることで、他の大事な部分を守るということができないかと述べている。
今回の実験で1階の柱脚はまさに「家屋の鎖骨」だったのだろう。


この記事のコメントでは

寺田寅彦博士の先見性には脱帽させられる。
フレーム(構造部材)のどこで、エネルギーを吸収させれば良いかということである。
阪神大震災の時、同地区で同じようなRC造で壊れたものと、何とも無かったものがあり、
よく調べてみると後者は杭がやられていたそうだ。
杭がエネルギーを吸収し、上物への入力が小さくなったのだろう。
免震構造は建物固有周期変換装置とみることも出来るが、
免震層でエネルギーを吸収させていると見ることも出来る。
低降伏点鋼のダンパーや、スリットを入れた曲げ系耐震壁等はそこへエネルギーの集中を図っている。
長期優良住宅対応3階建て住宅は試験体1は柱脚が強かったため結果的に耐力壁に力が集中し
層間変形1/30を超え(それ以下なら靭性が高かったはず)P-δ効果でつぶれたように見える。
試験体2はホールダウンが伸びたのかロッキングしている。
このことで固有周期が長くなり応答加速度が小さくなったのかもしれない。
計算では試験体1の方が強度が高いので、試験体2が潰れて試験体1が残る様に意図したらしいが、
破壊モードまでを含めた動的応答を予想する事は難しいと思う。

試験体1が壊れるか、試験体2が壊れるかは紙一重の差。
実際の地震被災建物を見ても壊れた理由はなんとなく説明出来る気がする。
つまり耐震構造では剛性の高いところに力が集中し、そこが最初にやられる。
そこでエネルギーが吸収し切れれば他に被害は及ばない(小変形で済む)。
そうでないと次のモードに進む。という順序だろう。これが保有水平耐力の増分解析的考え方。
しかし、同地区で同様な建物があって壊れていないものを見ると、
固有周期の僅かな違いが被害程度の差を生み出したか、
ローカルサイトエフェクト(LSE)で入力のオーダーが違ったのだろうと思うしかない。
今回の実験ではLSEは無いが、
前者の固有周期も曲者で初期剛性と変形が進行してからの剛性は変わってくる。
剛性(固有周期)が変わったことが吉となるか凶となるかは紙一重だ。

一般に地震波の短周期成分が卓越している場合は、
共振→塑性化→剛性低下→長周期化→応答量減少となるが、
キラーパルス(長周期成分)を含んでいると剛性低下したところにキラーパルスが共振し
必殺パンチとなってダウンしてしまう。
しかし、それも揺れの方向によっては助かる方の動きになる場合もある。
こう考えると塑性化を許す耐震構造では壊れるか壊れないかは紙一重の差である。
板一枚ほどの差(耐震性能の違いが分るよう)にするには免震構造にするしかないと思う。

壊れた建物の理由付けは比較的容易だが、壊れなかった建物の理由付けはかなり難しい。
本当は紙一重で助かっただけだと思うのだが、
耐震壁の平面的バランスがよかったとか、階毎の剛性の変化率が少なかったとか、
もっともらしい理由を付けることになる。
壊れなかったのだから何とでも書いても支障はない訳だ。

研究の対象も壊れた物に注目し原因を究明し、対策を立てるという対症療法的な研究が多い。
しかし、壊れなかった事の研究の方も大事だと思う。こちらの方が本当は難しい。
その意味で、壊れないで残った試験体2の挙動の一部始終が残っている映像(動画)は貴重だと思う。
「ロッキングダンパー」の可能性を示唆している。

今回の実験は3階建てなので引き抜き力が大きかったということもあろうが、
実際の被災木造住宅を調べると2階建てでもホールダウン・アンカーは伸びているし、
柱についている引き寄せ金物も変形している。
ここをもっと積極的に「鎖骨」にすれば倒壊にいたる層間変位を小さくできるのではないか。

今回の実験映像を見るまで戸建て住宅は「鎌倉大仏方式」=減震が
ローコストで出来る有効技術の筆頭だと思っていたが
「ロッキングダンパー」の方が地震後の残留変位(移動)の心配も無いし
殆んどお金をかけないで出来そうだ。

気を付けるべき事は今回の実験は一方向加力だが
実際の地震時は四隅の柱に1.5倍くらいの力がかかると思っていたほうが良い。
ホールダウンの定着長さと基礎のせんだん破壊がクリティカルになってくる。


ロッキングで浮き上がった柱が着座したときには大きな加速度(衝撃)が発生すると思いますので、
衝撃をやわらげる対策も必要になるのではないでしょうか。
ロッキングダンパーは、ずんぐりむっくりした建物よりは、
建物の幅に対して高さが高い建物の方が有効に働きます。
このあたりの適用条件もありそうです。
しかし、敷地に余裕がない都市部の狭小住宅等の耐震性向上には活用できるかもしれません。

現在のホールダウンは引き抜き防止が主目的ですので片効きです。
引き寄せ金物はL字型で l のところが柱に付き、
-のところの中央をボルトが貫通して上にナットがきます。
したがって落ちてくる時は成り行き任せで衝撃も大きいでしょう。
そこで、-の下端にもナットを付けロッキングによって「L」を「レ」にしたり「へ」にしたりして
エネルギーを吸収させようというアイデアです。
L字型金物のサイズにもよりますがストロークを3インチ(75mm)くらいは取れると思います。

ところでEディフェンスでの実験を見ていると
これ以上のロッキングは無いと思うくらい思いっきり浮き上がっています。
着地時の衝撃でどういう不具合があったか、あるいは何とも無かったのか知りたいところです。

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[ 2012/09/08 06:11 ] 未分類 | TB(0) | CM(0)
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おがっち

Author:おがっち
岡山県で住宅の営業をしています
住む人の要望をできるだけ取り入れた家づくりが目標です
一級建築施工管理技師

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