JP6120559B2 - 多層構造物の残存耐震性能評価方法 - Google Patents

Description

本発明は多層構造物の残存耐震性能評価方法に関し，とくに多層構造物の保有耐震性能のうち地震被災後に残存する耐震性能を評価する方法に関する。

地震に被災した建物その他の多層構造物のなかには，本震時の損傷ゆえに余震によって更に損傷が拡大して居住者（利用者）に二次被害を生じるものがある一方で，逆に余震に対して十分な耐震性能を残しているにもかかわらず居住者（利用者）が恐怖心から避難するものがある。余震による二次被害と避難民を共に減らすためには，被災した構造物の残存耐震性能（構造物の保有耐震性能のうち地震被災後に残存する耐震性能。残余耐震性能ということもある。以下同じ）を迅速に評価することが必要である。従来は，専門技術者が目視によって構造物の骨組部材の損傷度を判定し，その判定結果に基づき残存耐震性能を評価する方法が一般的である。しかし，この方法は，判定すべき項目（例えば，鉄骨構造（Ｓ造）では鋼材の皺や破断状況等，鉄筋コンクリート構造（ＲＣ造）ではひび割れ状況等）は挙げられているものの，耐火被覆や仕上げ材によって骨組部材の損傷を簡単に目視できないことも多いため，残存耐震性能の評価に時間がかかる問題点がある。また，判定者によって評価結果にバラツキが生じる問題点もある。

これに対し，従来の目視判定による方法に代えて，地震に被災した構造物の残存耐震性能を迅速に評価する技術が提案されている（非特許文献１〜２，特許文献１〜３参照）。例えば非特許文献１は，被災した部材のひび割れ幅に基づく損傷度（耐震性能の低下係数）と残存耐震性能との関係を予め定量化しておき，地震直後に部材の損傷度から建物上部構造の被災度（地震時に消費された耐震性能）及び残存耐震性能を迅速に評価する方法を提案している。また特許文献１及び２は，建物の少なくとも基礎部と上層階とに設置した各加速度センサにより計測した加速度計測値を積分することにより建物上の計測点での絶対変位を算出し，建物の振動モード形を仮定して建物各階の相対変位と絶対加速度を算出し，これらの値から建物の応答変形量及び応答加速度を計算して性能曲線を算出し，他方で基礎部での加速度計測値を入力地震動として加速度応答スペクトル及び変位応答スペクトルを計算して建物の要求曲線を算出し，性能曲線と要求曲線との比較によって建物の残存耐震性能を迅速に評価する方法を提案している。

特開２００３−３４４２１３号公報 特開２０１１−０９５２３７号公報 特開２００８−０３９５０７号公報 特開２００９−２８６９２７号公報 特許第２５０８２４４号公報

文野正裕ほか「部材の残余耐震性能に基づいた震災ＲＣ造建物の被災度評価法に関する研究」コンクリート工学年次論文集，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３，２０００年発行 楠浩一「建築物の地震後の残余耐震性能評価」コンクリート工学，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．５，２００６年５月発行 秋山宏「エネルギーの釣合に基づく建築物の耐震設計」技報堂出版，１９９９年１１月２６日発行 日建設計東京オフィス構造設計室「建築物の性能設計と検証法−耐震設計を中心として」オーム社，ｐｐ．３６〜４５，２００３年９月発行 高橋元美他「高層ＲＣ造骨組の柱の変動軸力を考慮した等価曲げせん断モデルによる地震応答解析」日本建築学会構造工学論文集，Ｖｏｌ．３９Ｂ，ｐｐ．１４７〜１５４，１９９３年３月発行 生産計測技術研究センター「応力発光体を用いた構造物の安全管理」産総研ＴＯＤＡＹ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．７，２０１０年７月，インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｉｓｔ＿ｊ／ａｉｓｔｉｎｆｏ／ａｉｓｔ＿ｔｏｄａｙ／ｖｏｌ１０＿０７／ｐ１８．ｈｔｍｌ＞ 社団法人日本免震構造協会「免震構造−部材の基本から設計・施工まで−」オーム社，ｐｐ．９１〜１６５，平成２２年１２月１５日発行

非特許文献１の評価方法は，部材の損傷度から評価した建物上部構造の被災度と従来の目視判定による建物全体の被災度との間に線形関係があることを前提としている。ただし，建物全体の被災度を直接求めるものではなく，部材毎にバラツキのある損傷度から建物全体の被災度（残存耐震性能）を推定・評価しているので，評価結果のバラツキを避けることは困難である。これに対し，特許文献１及び２の評価方法は，建物の性能曲線と要求曲線とから建物全体の残存耐震性能を直接求めているので，部材毎の損傷度のバラツキに影響されることなく地震に被災した構造物自体の残存耐震性能を客観的・定量的に評価することができる。

しかし，特許文献１及び２の方法は，主に地震時に生じる建物の最大変形に着目して残存耐震性能を評価するものであり，変形の繰り返しが建物の耐震性能に与える影響を適切に評価することができない問題点がある。例えば鉄骨構造（Ｓ造）の建物では，地震時に受ける振動の最大振幅が同じであっても，その振動の繰り返しが１０回である梁は破断しないのに対し，振動の繰り返しが２０回にも及ぶ梁は破断することが経験されている。地震に被災した構造物の残存耐震性能の評価精度及び評価の信頼度を高めるためには，構造物が受ける最大変形（振幅）の影響だけでなく，地震時に加わる変形の繰り返し回数の影響をも考慮して残存耐震性能を評価することが重要である。

そこで本発明の目的は，地震時に加わる変形の繰り返しの影響も考慮して地震被災後の多層構造物の残存耐震性能を評価できる方法を提供することにある。

本発明者は，地震時の構造物に入力されるエネルギーの釣り合いに注目した。地震時の構造物の揺れ方を把握するためには構造物の運動方程式を解かなければならないが，運動方程式の両辺を地震継続時間で積分してエネルギーの釣合式（（１）式参照）を作成し，エネルギー授受の観点から地震時の構造物の挙動（壊れ方）を把握する手法（エネルギー法）が開発されている（非特許文献３参照）。（１）式に示すように，構造物に入力される地震の総エネルギーＥは，構造物の弾性振動エネルギーＷｅ，累積塑性ひずみエネルギーＷｐ，及び減衰によるエネルギー吸収量Ｗｈの総和と釣り合っている。このうち，地震時の弾性変形は地震収束後に解放されて無ひずみ状態に復帰するが，塑性変形は解放されずに破壊状態に至るまで蓄積されることから，地震時に構造物が受けた被災度は（１）式における累積塑性ひずみエネルギーＷｐと対応している。
Ｅ＝Ｗｅ＋Ｗｐ＋Ｗｈ ……………………………………………………………（１）

すなわち，地震時に構造物に蓄積された累積塑性ひずみエネルギーＷｐを求めれば，地震時の変形の大きさ及び繰り返し回数の両者の影響によって消費された構造物の耐震性能（消費耐震性能）を定量的に評価することができる。また，地震前に構造物に蓄積され得る累積塑性ひずみエネルギーＷｓを求めれば，その構造物が予め保有する耐震性能（保有耐震性能）を定量化することができ，その保有耐震性能と消費耐震性能とから地震後の構造物の残存耐震性能を定量的に評価することができる。本発明は，この着想に基づく研究開発により完成に至ったものである。

一般に，多層構造物の特定階層に一方向の水平力が入力されたときの荷重−層間変形の関係は図５（Ａ）のように表すことができる。同図において，Ｑｙは降伏耐力，δｙは降伏耐力Ｑｙに対応する降伏変形（弾性層間変形）を示す。また，この階層の塑性化の進展度合は塑性変形（δｐ−δｙ）として定義され，その塑性変形（δｐ−δｙ）と降伏変形δｙとの比である（２）式の塑性変形倍率μにより計測することができ，この階層に蓄積される塑性ひずみエネルギーＷｐは塑性変形倍率μを用いて（３）式のように表すことができる。
δｐ＝（１＋μ）・δｙ …………………………………………………………（２）
Ｗｐ＝Ｑｙ・（δｐ−δｙ）＝μ・Ｑｙ・δｙ ………………………………（３）

他方，多層構造物の特定階層に地震動が入力されたときの荷重−層間変形の関係（復元力特性）は図５（Ｂ）のように表すことができる（非特許文献３〜５参照）。同図においても，Ｑｙは降伏耐力，δｙは降伏耐力Ｑｙに対応する降伏変形（弾性層間変形）を示す。また，この場合の塑性化の進展度合は，荷重−層間変形の各ステップにおける塑性変形Δδｐ１，Δδｐ２，Δδｐ３，Δδｐ４を加算した（４）式の累積塑性変形δｐとして定義され，累積塑性変形δｐと降伏変形δｙとの比である（５）式の累積塑性変形倍率ηｐにより計測することができる（非特許文献３〜５参照）。従って，この階層に地震時に蓄積される塑性ひずみエネルギーＷｐは，累積塑性変形倍率ηｐを用いて（６）式のように表すことができる。すなわち，上述した構造物の累積塑性ひずみエネルギーＷｐ，Ｗｓに対応する消費耐震性能及び保有耐震性能は，それぞれ入力地震動に対する構造物の累積塑性変形倍率ηｐ（＝Ｗｐ／Ｑｙ・δｙ），ηｓ（＝Ｗｓ／Ｑｙ・δｙ）を指標として求めることができる（（６）式及び（７）式参照）。
δｐ＝（Δδｐ１＋Δδｐ３）＋（Δδｐ２＋Δδｐ４） …………………（４）
＝ηｐ・δｙ …………………………………………………………………（５）
Ｗｐ＝Ｑｙ・δｐ＝ηｐ・Ｑｙ・δｙ …………………………………………（６）
Ｗｓ＝Ｑｙ・δｓ＝ηｓ・Ｑｙ・δｙ …………………………………………（７）

一側面において本発明は，図２の実施例及び図４の流れ図に示すように，多層構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣに強さの異なる想定地震動Ｖｓを入力して階層Ｆｉ毎の荷重−層間変形履歴（図６参照）を求めるサイクルを安全限界に達する階層Ｆｋ（例えば３階）が検出されるまで繰り返し且つその検出階層Ｆｋの累積塑性変形倍率ηｓとして構造物２０の保有耐震性能を算出し（図４のステップＳ２０３〜Ｓ２０７），その保有耐震性能ηｓ以下の所定累積塑性変形倍率η１（例えば保有耐震性能ηｓ×５０％）に相当するエネルギーを吸収した時点で破断，発熱又は発色するマーカー２５（図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）参照）を作成して構造物２０の検出階層Ｆｋに取り付け（図４のステップＳ２０８），地震被災後にマーカー２５の破断，発熱又は発色状況により構造物２０の残存耐震性能ηｒを判定する（図４のステップＳ２０９）多層構造物の残存耐震性能評価方法を提供するものである。

望ましい実施例では，多層構造物２０の保有耐震性能ηｓを，前記検出階層Ｆｋに代えて，構造物２０の振動モードの振幅が最大となる階層又は構造物２０の指定された階層の累積塑性変形倍率として算出し，その算出した階層にマーカー２５を取り付ける。また，好ましい実施例では，図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように，マーカー２５に，多層構造物２０の保有耐震性能ηｓ以下の複数の異なる所定累積塑性変形倍率η１，η２，η３（例えば累積塑性変形倍率ηｓ×５０％，×７０％，×９０％；図１の設計手段１３参照）に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断，発熱又は発色する複数の順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，……を含め，地震被災後に破断，発熱又は発色した部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，……の順番により多層構造物２０の残存耐震性能ηｒを判定する。

例えば，図２（Ｃ）に示すように，順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ……をそれぞれ，複数の異なる所定累積塑性変形倍率η１，η２，η３に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断する鋼材ダンパーとすることができる。或いは，図２（Ｄ）に示すように，順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ……をそれぞれ，複数の異なる所定累積塑性変形倍率η１，η２，η３に相当するエネルギーを吸収した時点で所要温度に発熱し且つその発熱により変色又は融解する組成物２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ……が表面に塗布された摩擦ダンパー又は鋼材ダンパーとすることもできる。

本発明による多層構造物の残存耐震性能評価方法は，多層構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣに強さの異なる想定地震動Ｖｓを入力して安全限界に達する階層Ｆｋを検出し，その検出階層Ｆｋに蓄積された累積塑性ひずみエネルギーＷｓ（累積塑性変形倍率ηｓ）に基づいて構造物２０の保有耐震性能ηｓを求め又は視覚化し，地震被災時に検出階層Ｆｋに蓄積された累積塑性ひずみエネルギーＷｐ（累積塑性変形倍率ηｐ）に基づいて構造物２０の消費耐震性能ηｐを求め又は視覚化し，構造物２０の消費耐震性能ηｐと保有耐震性能ηｓとを比較することにより被災後の構造物２０の残存耐震性能ηｒ（＝ηｓ−ηｐ）を判定するので，次の有利な効果を奏する。

（イ）構造物２０に蓄積された累積塑性ひずみエネルギーＷｐに基づいて保有耐震性能及び消費耐震性能を求めることにより，地震時の最大変形だけでなく変形の繰り返し回数の影響も考慮して構造物２０の残存耐震性能を評価することができる。
（ロ）地震計（加速度計，変位計等）の計測地震動Ｖｐを利用して被災後の残存耐震性能を算出することもできるが，所定の累積塑性ひずみエネルギーを吸収した時点で破断，発熱又は発色するマーカー２５によって構造物２０の保有耐震性能を予め視覚化しておくことにより，たとえ被災時に計測地震動Ｖｐが利用できないときでも，地震被災後にマーカー２５を観察するだけで構造物２０の残存耐震性能を容易に評価することが可能となる。

（ハ）マーカー２５は，専門知識を持たない構造物の居住者（利用者）が自ら地震直後に観察して残存耐震性能を簡単に評価することができ，避難すべきか否かについて迅速で直感的な判断を援助することができる。
（ニ）また，マーカー２５は電力その他の外部エネルギーの供給を要としないものとすることができるので，インフラが使用できないような大地震直後においてもマーカー２５を確実に動作させて構造物２０の残存耐震性能を評価することが可能となる。
（ホ）さらに，マーカー２５は構造物２０の竣工時に取り付けておけばメンテナンスその他の維持コストを必要としないので，地震計（加速度計，変位計等）を利用する場合よりも経済的に残存耐震性能を評価することが可能である。

以下，添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
本発明で用いる残存耐震性能評価プログラムの一実施例の機能ブロック図である。 本発明による残存耐震性能評価マーカーの一実施例の説明図である。 本発明で用いる残存耐震性能評価プログラムの流れ図の一例である。 本発明によるマーカーを用いた残存耐震性能評価方法の流れ図の一例である。 累積塑性変形倍率の説明図である。 図２の実施例における階層毎の荷重−層間変形履歴の説明図である。 図２の実施例における階層毎の地震動応答及び累積塑性変形倍率の説明図である。 図２の実施例における安全限界に到達する階層の検出手法の説明図である。 図２の実施例における構造物の保有耐震性能の算出方法説明図である。

本発明の詳細は実施例１において説明するが，その前提として先ず，本発明で用いる多層構造物の残存耐震性能評価プログラムについて説明する。図１は，残存耐震性能評価プログラムを内蔵したコンピュータ１のブロック図の一例を示す。図示例のコンピュータ１は，キーボード・マウス等の入力装置２とディスプレイ・プリンタ等の出力装置３と加速度計・変位計等の地震計９とが接続され，多層構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣ等を記憶する記憶手段７を有している。記憶手段７に記憶するデータは，入力装置２から入力手段５を介して入力することができる。また図示例のコンピュータ１は，内蔵プログラムとして，算出手段１１と判定手段１２と，入力手段５及び出力手段６とを有している。出力手段６は，判定手段１２による評価結果（残存耐震性能）を出力装置３に出力するプログラムである。なお，図示例のコンピュータ１は内蔵プログラムとして，算出手段１１の算出した構造物２０の保有耐震性能に基づいて後述する残存耐震性能評価マーカー２５（図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）参照）を設計するマーカー設計手段１３を有している。ただし，マーカー２５を使用しない場合はマーカー設計手段１３を省略できる。

図３は，図１のコンピュータ１によって，図２に示すような多層構造物２０の地震被災後の残存耐震性能を評価する方法の流れ図を示す。図２の多層構造物２０は，コンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ造）の柱とＨ形鋼の梁とを骨組部材とした２３階建ての鉄骨構造（Ｓ造）である。以下，図３の流れ図を参照して図１の各プログラムの機能を説明するが，本発明は鉄骨構造（Ｓ造）への適用に限定されるものではなく，鉄筋コンクリート構造（ＲＣ造），鉄骨鉄筋コンクリート構造（ＳＲＣ造）等の残存耐震性能を評価する場合にも適用可能である。

先ずステップＳ１０１において，多層構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣを構築して記憶手段７に記憶する。解析モデルＣは，後述するように想定地震動Vｓ又は計測地震動Ｖｐを入力して各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴（図６参照）を算出するためのものである。例えば，構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣを，層全体を１つのバネとして各階層Ｆｉの質点を直列につないだ平面モデル（質点モデル）とし，各階層Ｆｉの復元力特性を適切にモデル化して荷重−層間変形履歴を算出する。好ましくは，構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣを各骨組部材の位置と形状と弾塑性応答特性（復元力特性等）とを含む立体解析モデルとし，地震動Ｖｓ，Ｖｐの入力に応じて各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴と共に各骨組部材の荷重−層間変形履歴を算出する。立体解析モデルを用いることにより，簡易な平面モデル（質点モデル）を用いた場合に比して，後述する構造物２０の保有耐震性能ηｓの算出精度を高めることが期待できる。

次いでステップＳ１０２において，想定地震動データＶｓを記憶手段７に記憶する。例えば，過去の適当な地震記録を選択して想定地震動データＶｓとすることができる。好ましくは，評価対象の多層構造物２０の設置位置において発生が予測される周辺の震源位置・震源規模（マグニチュード）等を選択し，その震源距離と震源規模と距離減衰式とから経験的手法により，実際に発生する可能性の高い地震動データＶｓを予想して記憶手段７に記憶する。更に好ましくは，構造物２０の設置位置における地盤特性データ（増幅特性）Ｕを記憶手段７に記憶し，構造物２０の設置地盤による増幅を考慮して地震動データＶｓを予想する。後述するように，想定地震動データＶｓの入力に応じて各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴を算出し，その荷重−層間変形履歴に基づいて構造物２０の保有耐震性能を算出するので，実際に発生する可能性の高い想定地震動データＶｓを用いる（更に構造物２０周辺の地盤による増幅を考慮する）ことにより，構造物２０の保有耐震性能ηｓの算出精度を高めることが期待できる。

ステップＳ１０３〜Ｓ１０７は，図１のコンピュータ１の算出手段１１によって構造物２０の保有耐震性能を算出する処理を示す。算出手段１１は，ステップＳ１０３において記憶手段７から想定地震動Ｖｓを読み出して初期強度（×１．０）に設定したうえで構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣに入力し，ステップＳ１０４において解析モデルＣの各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴を算出する。図６（Ａ）は，ステップＳ１０４で算出された階層Ｆｉ別の荷重−層間変形履歴の一例を示す（図示例は３階Ｆ３）。図５（Ｂ）を参照して上述したように，図示例のような荷重−層間変形履歴の各ステップにおける塑性変形Δδｐ１，Δδｐ２，Δδｐ３，Δδｐ４から，各階層Ｆｉ及び各骨組部材の累積塑性変形δｐ（（４）式）及び累積塑性変形倍率ηｓ（（６）式）を算出することができる（図７（Ｂ）参照）。また，各ステップにおける降伏変形δｙ及び塑性変形Δδｐ１，Δδｐ２，Δδｐ３，Δδｐ４の大きさから，各階層Ｆｉ及び各骨組部材の最大層間変形（例えば最大層間変形角等）を算出することができる（図７（Ａ）参照）。

また算出手段１１は，ステップＳ１０５において安全限界に達する階層Ｆｋが検出されたか否かを判断し，検出されない場合はステップＳ１０６に進んで想定地震動Ｖｓの強さを１段階増大させたうえでステップＳ１０３へ戻り，安全限界に達する階層Ｆｋが検出されるまで上述したステップＳ１０３〜Ｓ１０６のサイクルを繰り返す。例えば，初期強度（×１．０）の想定地震動Ｖｓの入力では安全限界に達する階層Ｆｋが検出されない場合に，ステップＳ１０６において想定地震動Ｖｓの入力倍率を×１．２，×１．４，×１．６，×１．８，×２．０に増大させながらステップＳ１０３〜Ｓ１０６のサイクルを繰り返す（図７参照）。図６（Ｂ）は，想定地震動Ｖｓの入力倍率を増大したときにステップＳ１０４で算出された階層Ｆｉ別の荷重−層間変形履歴を示す（図示例は３階Ｆ３）。

多層構造物２０の特定の階層Ｆｋが安全限界に達したか否かは，例えば各骨組部材に累積疲労損傷則を適用し，その階層Ｆｋの何れかの骨組部材が破断（疲労破壊）を起こすか否かにより判断することができる（図８参照）。例えば，予め骨組部材（例えば梁部材）に発生する応力振幅σ１，σ２，……，σｉがそれぞれ破断に至るまでの繰り返し回数Ｎ１，Ｎ２，……，Ｎｉを求めて記憶手段７に記録しておき，ステップＳ１０４において各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴から各骨組部材に発生する応力振幅σ１，σ２，……，σｉの繰り返し回数ｎ１，ｎ２，……，ｎｉを計測し，（１１）式のように各応力振幅σ１，σ２，……，σｉの損傷度の総和によって各骨組部材の破断に対する損傷度Ｄを算出する。ステップＳ１０５において，各階層Ｆｉにおいて何れかの骨組部材の損傷度Ｄが１以上となるか否かを検出し，損傷度Ｄが１以上の骨組部材の発生した階層Ｆｋを安全限界に達したと判断する。
Ｄ（破断に対する損傷度）＝Σ（ｎｉ／Ｎｉ） ………………………………（１１）

図８は，想定地震動Ｖｓの入力倍率が×１．４以下であれば骨組部材の損傷度Ｄが１以上となる階層Ｆｋは検出されないが，入力倍率が×１．６のときは３階Ｆ３において損傷度Ｄが１以上となり，入力倍率が×１．８のときは３階Ｆ３だけでなく２階Ｆ２においても損傷度Ｄが１以上となり，入力倍率が×２．０になると２〜５階において損傷度Ｄが１以上となることを示している。ただし，ステップＳ１０５の安全限界の判断は，骨組部材の損傷度Ｄを用いた方法に限定されず，従来技術に属する他の方法によって判断することも可能である。例えば，図７（Ｂ）に示す骨組部材毎の更累積塑性変形倍率ηから破断の危険性を判断して各階層Ｆｉが安全限界に達したか否かを判断してもよい。

ステップＳ１０５において安全限界に達する階層Ｆｋが検出されたときはステップＳ１０７に進み，安全限界到達が検出された階層Ｆｋ（図示例では３階Ｆ３）を評価対象階層Ｆｋとして選定すると共に，その想定地震動Ｖｓの入力倍率における評価対象階層Ｆｋの累積塑性変形倍率ηｓとして構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出する。図９は，想定地震動Ｖｓの入力倍率の変化に応じて各階層Ｆｉの累積塑性変形倍率ηｓを算出した結果を表しており，上述したように入力倍率が×１．６のときの３階Ｆ３を評価対象階層とする場合は，この構造物２０の保有耐震性能ηｓが１４であることを示している。算出した構造物２０の保有耐震性能ηｓは記憶手段７に記憶し，後述する判定処理（ステップＳ１１０）で利用する（図１も参照）。

なお，構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出するべき評価対象階層Ｆｋは，必ずしも安全限界到達が検出された階層を選定しなくてもよく，例えば図７（Ａ）において入力倍率が×１．６のときに最大層間変形（最大層間変形角）が最も大きい値となる４階Ｆ４を評価対象階層Ｆｋとして選定し，ステップＳ１０７において安全限界到達が検出された３階Ｆ３と異なる４階Ｆ４の累積塑性変形倍率ηｓを構造物２０の保有耐震性能ηｓとすることができる。この場合は，ステップＳ１０５において評価対象階層Ｆｋ（４階Ｆ４）の安定限界到達が検出されるまで上述したステップＳ１０３〜Ｓ１０６のサイクルを繰り返し，ステップＳ１０７において安全限界到達が検出された評価対象階層Ｆｋ（４階Ｆ４）の累積塑性変形倍率ηｓとして構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出する。

また，例えば図示例の多層構造物２０内の重要な設備等がおかれた指定階層（例えば５階Ｆ５）を評価対象階層Ｆｋとして選定し，そのような指定階層（例えば５階Ｆ５）の安全限界到達が検出されるまでステップＳ１０３〜Ｓ１０６のサイクルを繰り返し，ステップＳ１０７において指定階層（例えば５階Ｆ５）の安全限界到達時の累積塑性変形倍率ηｓとして構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出してもよい。更に，別途の固有振動モード解析等によって１〜３次モードまでの振幅（変位モード）が最大となる階層Ｆｋが検出されているときは，その振幅が最大となる階層Ｆｋを評価対象階層Ｆｋとして選定し，その評価対象階層Ｆｋの安全限界到達時の累積塑性変形倍率ηｓとして構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出することも可能である。

図３のステップＳ１０８〜Ｓ１１０は，地震が発生した場合に，図１のコンピュータ１の判定手段１２によって被災時の構造物２０の消費耐震性能を算出し，その消費耐震性能ηｐとステップＳ１０７で算出した保有耐震性能ηｓとから構造物２０の残存耐震性能ηｒを判定する処理を示す。判定手段１２は，ステップＳ１０８において地震計９による被災時の計測地震動Ｖｐを構造物２０の弾塑性応答解析モデルＣに入力し，ステップＳ１０９において解析モデルＣの各階層Ｆｉの荷重−層間変形履歴を算出する。荷重−層間変形履歴の算出方法は，入力地震動が相違する点を除いて上述したステップＳ１０４と同様である。また判定手段１２は，ステップＳ１０９において，計測地震動Ｖｐにおける評価対象階層Ｆｋの累積塑性変形倍率ηｓを構造物２０の消費耐震性能ηｐとして算出する。この消費耐震性能ηｐの算出方法も，入力地震動が相違する点を除いて上述したステップＳ１０７における保有耐震性能ηｓの算出方法と同様である。

更に判定手段１２は，ステップＳ１１０において，構造物２０の消費耐震性能ηｐと保有耐震性能ηｓとを比較することにより，被災後の構造物２０の残存耐震性能ηｒ（＝ηｓ−ηｐ）を判定する。上述したように図示例の多層構造物２０は保有耐震性能ηｓ＝１４であるから，例えば消費耐震性能ηｐ＝６程度であれば残存耐震性能ηｒ＝８（＝１４−６）であると判定し，保有耐震性能ηｓの約５７％（＝８／１４）が残っているので余震によっても構造物２０は倒壊するおそれがないと判定することができる。また，例えば消費耐震性能ηｐ＝１２程度であれば残存耐震性能ηｒ＝２（＝１４−１２）であると判定し，保有耐震性能ηｓの約１４％（＝２／１４）しか残っていないので構造物２０が余震により倒壊するおそれがあると判定することができる。

図３の流れ図のステップＳ１１１〜Ｓ１１２は，残存耐震性能ηｒに基づいて構造物２０の倒壊のおそれを判断し，必要に応じて構造物２０を補修・改築する処理を示す。また，ステップ１１３において残存耐震性能ηｒの評価を継続するか否かを判断し，継続する場合はステップＳ１０８に戻って例えば余震の発生を待ち合わせ，余震が発生したときはその計測地震動Ｖｐを判定手段１２に入力して余震による消費耐震性能ηｐ´を算出し，本震後の構造物２０の残存耐震性能ηｒと比較することにより余震後の残存耐震性能ηｒ´（＝ηｒ−ηｐ´）を判定する。ステップＳ１０８〜Ｓ１１３を繰り返すことにより，余震が繰り返し発生する場合にも構造物２０の倒壊のおそれを適切に判定することが可能となる。

図３の流れ図によれば，多層構造物２０の保有耐震性能及び消費耐震性能を評価対象階層Ｆｋの累積塑性変形倍率ηｓとして，すなわち評価対象階層Ｆｋに蓄積された累積塑性ひずみエネルギーＷｐに基づいて算出するので，地震時の最大変形だけでなく変形の繰り返し回数の影響も考慮して構造物２０の残存耐震性能を評価することができる。また，被災時の計測地震動Ｖｐを入力するだけで構造物２０の残存耐震性能を迅速に且つ定量的に評価することができ，余震に対する安全性の判断を援助することができる。更に，余震が繰り返されるような場合でも，累積塑性ひずみエネルギーＷｐに基づき耐震性能の段階的な低下（消費）を把握して構造物２０の倒壊のおそれを適切に判定することができる。

上述した図３の流れ図では，地震計９の計測地震動Ｖｐを利用して地震被災後の多層構造物２０の残存耐震性能を算出しているが，残存耐震性能を評価すべき構造物２０にそれぞれ地震計９を設けることは合理的・経済的ではなく，被災直後に地震計９の計測地震動Ｖｐを利用できない場合もある。図４の流れ図は，地震計９の計測地震動Ｖｐの利用に代えて，残存耐震性能評価マーカー２５（図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）参照）を利用して地震被災後の構造物２０の残存耐震性能を評価する本発明の評価方法の流れ図を示す。また，図１のコンピュータ１は，残存耐震性能評価マーカー２５を設計するマーカー設計手段１３を有している。以下，図４の流れ図を参照して，マーカー２５を利用した残存耐震性能評価方法及び図１のマーカー設計手段１３の機能を説明する。

図４のステップＳ２０１〜２０７は，上述した図３のステップＳ１０１〜Ｓ１０７と同様に，コンピュータ１の算出手段１１によって多層構造物２０の保有耐震性能ηｓを算出する処理を示す。ステップＳ２０８において，算出手段１１の算出した構造物２０の保有耐震性能ηｓをマーカー設計手段１３に入力し，先ず保有耐震性能ηｓ以下の所定累積塑性変形倍率η１を設定する。図１のマーカー設計手段１３は，例えば保有耐震性能ηｓに対して５０％，７０％，９０％の３つの累積塑性変形倍率η１，η２，η３を設定しているが，設定数及び設定割合は任意に選択することができ，少なくとも１個の所定累積塑性変形倍率η１（例えば保有耐震性能ηｓ×５０％）を設定すれば足りる。次いでマーカー設計手段１３は，設定した所定累積塑性変形倍率η１に相当するエネルギーを吸収した時点で破断，発熱又は発色する残存耐震性能評価マーカー２５を設計して製造する。

例えば，力学的エネルギーを吸収して弾性変形領域ないし塑性変形領域で発光する応力発光物質が開発されており（特許文献４，非特許文献６参照），その発光の繰り返し回数，発光時間，発光量等から吸収したエネルギーを推定することができる。このことから，所定累積塑性変形倍率η１に相当するエネルギー（塑性ひずみエネルギー）を吸収した段階で所定の発光繰り返し回数，発光時間，又は発光量を示すような発光物質を設計・製造して残存耐震性能評価マーカー２５とすることができる。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように，そのように設計・製造したマーカー２５を，多層構造物２０の評価対象階層Ｆｋの層間部材（例えば壁，間柱，犠牲部材等）に塗布又は充填することにより取り付け，地震被災後にマーカー２５の発色状況（発光の繰り返し回数，発光時間，発光量等）を観察することにより，構造物２０の蓄積された塑性ひずみエネルギー（累積塑性ひずみエネルギーＷｐ）が所定累積塑性変形倍率η１（例えば保有耐震性能ηｓ×５０％）を超えたか否か，すなわち構造物２０の残存耐震性能を判定することができる（後述のステップＳ２０９参照）。マーカー２５には，必要に応じて，発光の繰り返し回数，発光時間，発光量等を記録する受光手段及びメモリ等を含めることができる。

好ましくは，図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように，多層構造物２０の保有耐震性能ηｓ以下の複数の異なる所定累積塑性変形倍率η１，η２，η３（例えば保有耐震性能ηｓの５０％，７０％，９０％）に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断，発熱又は発色するような複数の順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，……を残存耐震性能評価マーカー２５に含める。そのような複数の順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，……を用いることにより，地震被災後に破断，発熱又は発色した部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，……の順番から，構造物２０の残存耐震性能ηｒをより詳細に判定することができる。

順番付き部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃ……は，例えば図２（Ｃ）に示すように，複数の異なる累積塑性変形倍率η１，η２，η３……に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断する鋼材ダンパーとすることができる。図示例の鋼材ダンパー２６は，地震の揺れ（塑性変形エネルギー）を吸収して破断するように蜂の巣状のハニカム孔２７を設けた鋼材（例えば鹿島建設株式会社製のハニカム・ダンパー，特許文献５参照）であり，鋼材の材質とハニカム孔２７の形状とから設計手段１３によって破断を起こす累積塑性変形倍率ηを設計することができる。例えば構造物２０の保有耐震性能ηｓに応じて３つの鋼材ダンパー２６ａ，２６ｂ，２６ｃを備えた残存耐震性能評価マーカー２５を設計・製造し，図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように，それを構造物２０の評価対象階層Ｆｋの層間（例えば壁等）に配置して取り付ける。好ましくは，構造物２０の評価対象階層Ｆｋの水平２方向の壁面にそれぞれマーカー２５を設置するが，設置位置・設置数は図示例に限定されない。

また，図２（Ｄ）に示すように，順番付き部材２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ……を，複数の異なる累積塑性変形倍率η１，η２，η３……に相当するエネルギーを吸収した時点で所要温度に発熱し，その発熱によって変色又は融解する組成物２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ……が表面に塗布された摩擦ダンパー又は鋼材ダンパーとすることも可能である。図示例の摩擦ダンパー２６は，所要摩擦係数の滑り材を滑り面に所要圧縮力で押し付け，滑り材と滑り面との摩擦力によって地震の揺れ（塑性変形エネルギー）を吸収するものであり，滑り材の摩擦係数と圧縮力とから設計手段１３によって塑性変形エネルギーの吸収に応じた発熱量を設計することができる（非特許文献７参照）。また，例えば上述したハニカム・ダンパーその他の鋼材ダンパー２６も，破断する前は塑性変形エネルギーの吸収に応じて発熱するので，その発熱量を破断設計手段１３により設計することが可能である。

図２（Ｄ）において，摩擦ダンパー又は鋼材ダンパー２６の表面に塗布する組成物２８は，例えば所定温度になると色調変化を起こし且つ色調変化後は温度が低下しても色調が元に戻らない化学物質（感温組成物）とすることができる。不可逆的に変質する感温組成物２８を用いることで，地震収束後にダンパー２６が冷却した後に吸収した塑性変形エネルギーを検出することができる。例えば異なる塑性変形エネルギーη１，η２，η３を吸収した時点で同じ所定温度に発熱する３つのダンパー２６ｄ，２６ｅ，２６ｆの表面にそれぞれ所定温度で変質する感温組成物２８を塗布した残存耐震性能評価マーカー２５を設計・製造し，構造物２０の評価対象階層Ｆｋの層間に（柱又は壁等に）取り付ける。同じ構造のダンパー２６ｄ，２６ｅ，２６ｆの表面に，異なる発熱温度で変質する感温組成物２８を塗布してマーカー２５とすることも可能である。或いは，組成物２８を所定温度になると溶解する接着剤等の化学物質（感温接着剤）とし，所定温度になるとダンパー２６の表面に貼り付けた目印が不可逆的に剥離するように構成してもよい。

図４のステップＳ２０９は，地震が発生した場合に，地震被災後の残存耐震性能評価マーカー２５を観察して破断又は発熱した部材２６の順番により構造物２０の残存耐震性能を判定する処理を示す。例えば，保有耐震性能ηｓの５０％，７０％，９０％の塑性変形エネルギーη１，η２，η３を視覚化した３つの順序付き部材２６を備えたマーカー２５において，変形エネルギーη１の部材２６ａは破断又は発熱しているが変形エネルギーη２の部材２６ｂは破断又は発熱していない場合は，保有耐震性能ηｓの３０％以上が残っていると判断することができる。また，変形エネルギーη１，η２，η３の部材２６ａ，２６ｂ，２６ｃが全て破断又は発熱している場合は，保有耐震性能ηｓの１０％未満しか残っていないので構造物２０が余震により倒壊するおそれがあると判定することができる。図４のステップＳ２１０〜Ｓ２１２は，図３のステップＳ１１１〜Ｓ１１３と同様に，必要に応じて構造物２０を補修・改築し，更に余震後の残存耐震性能ηｒ´を判定する処理を示す。

残存耐震性能評価マーカー２５を利用する図４の流れ図によれば，構造物２０の保有耐震性能を予め視覚化しておくことができ，たとえ被災時に計測地震動Ｖｐが利用できないときでも，地震被災後にマーカー２５を観察するだけで構造物２０の残存耐震性能を容易に評価することができる。また，マーカー２５の観察による残存耐震性能の評価は，専門知識を持たない構造物２０の居住者（利用者）が自ら地震直後に行うことができるので，避難すべきか否かについて居住者（利用者）による迅速で直感的な判断を助けることができきる。更に，マーカー２５は電力その他の外部エネルギーの供給を必要としないので，インフラが使用できないような大地震直後においても構造物２０の残存耐震性能を評価することができる。
こうして本発明の目的である「地震時に加わる変形の繰り返しの影響も考慮して地震被災後の多層構造物の残存耐震性能を評価できる方法」の提供を達成することができる。

１…コンピュータ ２…入力装置
３…出力装置 ５…入力手段
６…出力手段 ７…記憶手段
９…地震計（加速度計，変位計等）
１１…算出手段 １２…判定手段
１３…マーカー設計手段
２０…多層構造物 ２１…柱
２２…梁
２５…残存耐震性能評価マーカー ２６…ダンパー
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…鋼材ダンパー
２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ…滑りダンパー
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ…ハニカム孔
２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ…変色又は溶融物質
Ｃ…応答解析モデル Ｇ…地盤
Ｆｉ…階層 Ｆｋ…検出階層
Ｕ…地盤特性データ（地盤モデル）
Ｖｓ…想定地震動 Ｖｐ…計測地震動
Ｑ…荷重 δ…層間変形
μ…塑性変形倍率
ηｓ…保有耐震性能（安全限界到達時の累積塑性変形倍率）
ηｐ…消費耐震性能（地震被災時の累積塑性変形倍率）
ηｒ…残存耐震性能
η１，η２，η３…所定累積塑性変形倍率に相当するエネルギー
Ｅ…地震時の総エネルギー入力
Ｗｅ…地震時の構造物の弾性振動エネルギー
Ｗｐ…地震時の構造物の累積塑性ひずみエネルギー
Ｗｈ…地震時の構造物の減衰によるエネルギー吸収量

Claims (5)

1. 多層構造物の弾塑性応答解析モデルに強さの異なる想定地震動を入力して階層毎の荷重−層間変形履歴を求めるサイクルを安全限界に達する階層が検出されるまで繰り返し且つその検出階層の累積塑性変形倍率として前記構造物の保有耐震性能を算出し，前記保有耐震性能以下の所定累積塑性変形倍率に相当するエネルギーを吸収した時点で破断，発熱又は発色するマーカーを作成して前記検出階層に取り付け，地震被災後に前記マーカーの破断，発熱又は発色状況により前記構造物の残存耐震性能を判定してなる多層構造物の残存耐震性能評価方法。
2. 請求項１の方法において，前記構造物の保有耐震性能を，前記検出階層に代えて，前記構造物の振動モードの振幅が最大となる階層又は前記構造物の指定された階層の累積塑性変形倍率として算出し，その算出した階層に前記マーカーを取り付けてなる多層構造物の残存耐震性能評価方法。
3. 請求項１又は２の方法において，前記マーカーに，前記構造物の保有耐震性能以下の複数の異なる所定累積塑性変形倍率に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断，発熱又は発色する複数の順番付き部材を含め，地震被災後に前記マーカー内の破断，発熱又は発色した部材の順番により前記構造物の残存耐震性能を判定してなる多層構造物の残存耐震性能評価方法。
4. 請求項３の方法において，前記順番付き部材をそれぞれ，前記複数の異なる所定累積塑性変形倍率に相当するエネルギーを吸収した時点で順次に破断する鋼材ダンパーとしてなる多層構造物の残存耐震性能評価方法。
5. 請求項３の方法において，前記順番付き部材をそれぞれ，前記複数の異なる所定累積塑性変形倍率に相当するエネルギーを吸収した時点で所要温度に発熱し且つその発熱により変色又は融解する組成物が表面に塗布された摩擦ダンパー又は鋼材ダンパーとしてなる多層構造物の残存耐震性能評価方法。