高層建築物の火災崩落・進行性崩壊解析


WTCの崩壊要因とリダンダンシーについて, 2008年度日本建築学会大会(中国)構造部門(応用力学)パネルディスカッション「建築構造設計における冗長性と頑強性の役割」資料, (2008), pp.39-46.


高層建築物の火災を引き起こす要因や火災規模は様々であるため,総合的に対応できる低コストの構造対策を構築するのは困難である.世界中を震撼させた9.11事件によるニューヨーク世界貿易センター(WTC)ビルの完全崩壊については,米国の研究調査機関FEMAとNISTがまとめた報告書で,風外力に対する補強システムとして上層階に設置されたアウトリガートラス構造が,崩壊開始までの時間を稼ぐのに有効であった可能性が示唆された.また同時に,WTC1号棟と2号棟で航空機の衝突箇所および火災範囲が異なったことが,それぞれの崩壊開始時間の差異につながったとしている.高層建築物においては,火災範囲が広範囲に渡ると建物内の応力伝達経路が限られてくるため,集中した応力を冗長的に緩和することが困難となる.その一方で,チューブ構造上部にアウトリガートラス構造が設置されていると,応力伝達経路が増し,外力が緩和され,崩壊開始までの時間が延びることも十分に考えられる.いずれにしても,上記項目は高層建築物の火災対策にとっても重要な問題であるため,一連のメカニズムを解明する必要がある.
 30層7スパンのチューブ骨組構造に大規模火災が発生した場合に,その火災範囲,アウトリガートラス構造の強度,接合部強度,柱の軸力比が建物の崩壊開始時間や崩壊挙動に及ぼす影響について数値解析を通じて検証した.上層階にアウトリガートラス構造を配置し,コアの30階にあるフレームにブレースを付ける.これは,架構の剛性を高め,転倒モーメントに対抗し,外周部をコア部で懸垂することを想定したシステムである.モデルおよびアウトリガートラス構造の概要を図1に示す.積載荷重,床スラブ,壁荷重を含んだ設計用床荷重を10.0 kN/m2と想定した.部材にはSN490の鋼材を用い,弾性係数,降伏応力,ポアソン比,密度はそれぞれ214 GPa;325 MPa;0.3;7.9×10-6 kg/mm3とした.部材断面寸法は,1層部分の柱をBOX 鋼□-700×28,梁をH-700×300×13×24とし,これらの太さを上層方向へ5層ごとに段階的に細くした.火災範囲は,アウトリガートラス構造によって確保される応力伝達経路の影響を調べるため,図2に示す3種類の火災パターンを設定した.



図 1 解析モデル


図 2 火災範囲
(21F〜24F)

 
図 3 火災崩落解析結果(接合部強度係数:0.3,パターンA)



図 4 火災崩落解析結果(接合部強度係数:0.3,パターンB)


図 5 火災崩落解析結果(接合部強度係数:0.3,パターンC)

図3,4,5にそれぞれの火災パターンの場合の崩壊挙動を示す.接合部強度係数は0.3としてある.崩壊開始時間は、応力伝達経路の確保が困難なパターンCの場合がやはり一番短かった.パターンAのような対称火災の場合は,崩壊開始時間が延びている.
(詳細については文献を参照のこと)

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関連文献(Books):

磯部大吾郎: 建築構造設計における冗長性とロバスト性, 日本建築学会応用力学シリーズ12, ISBN:978-4-8189-0611-2, pp. 84-98, 2013.

関連文献(Journals):

都井 裕, 磯部大吾郎: 骨組構造の有限要素崩壊解析における順応型 Shifted Integration 法, 日本造船学会論文集, 第171号, (1992), pp.363-371. abstract

Y.Toi and D.Isobe: Adaptively Shifted Integration Technique for Finite Element Collapse Analysis of Framed Structures, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol.36, (1993), pp.2323-2339. abstract

都井 裕, 磯部大吾郎: 順応型 Shifted Integraion 法による骨組構造の座屈崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第174号, (1993), pp.469-477. abstract

都井 裕, 磯部大吾郎: 順応型 Shifted Integration 法による骨組構造の動的崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第175号, (1994), pp.299-306. abstract

Y.Toi and D.Isobe: Finite Element Analysis of Quasi-Static and Dynamic Collapse Behaviors of Framed Structures by the Adaptively Shifted Integration Technique, Computers and Structures, Vol.58, No.5, (1996), pp.947-955. abstract

磯部大吾郎, 都井 裕: 順応型 Shifted Integration 法による脆性骨組構造体の動的崩壊挙動の有限要素解析, 日本造船学会論文集, 第180号, (1996), pp.471-478. abstract

D.Isobe and Y.Toi: Analysis of Structurally Discontinuous Reinforced Concrete Building Frames Using the ASI Technique, Computers and Structures, Vol.76, No.4, (2000), pp.471-481. abstract

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D. Isobe, L. T. T. Thanh and Z. Sasaki: Numerical Simulations on the Collapse Behaviors of High-Rise Towers, International Journal of Protective Structures, Vol. 3, No. 1, (2012), pp.1-19. abstract

関連文献(Proceedings):

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今西 健介,磯部大吾郎: ASI-Gauss法を用いた骨組構造の進行性崩壊解析, 日本建築学会2005年度大会(近畿)学術講演梗概集B-1, (2005), pp.329-330. abstract

今西 健介,磯部大吾郎: ASI-Gauss法による骨組構造の進行性崩壊解析, 日本機械学会第18回計算力学講演会講演論文集, No.05-2, (2005), pp.325-326. abstract

小室 友暢,磯部大吾郎: 火災による耐力低下を考慮した骨組構造の崩落解析, 日本建築学会2006年度大会(関東)学術講演梗概集B-1, (2006), pp.271-272. abstract

今西 健介,磯部大吾郎: 部材接合係数を考慮した骨組構造の進行性崩壊解析, 日本建築学会2006年度大会(関東)学術講演梗概集B-1, (2006), pp.273-274. abstract

小室 友暢,磯部大吾郎: 建物の火災崩落挙動について, 日本機械学会第19回計算力学講演会講演論文集, No.06-9, (2006), pp.251-252. abstract

今西 健介,磯部大吾郎: 進行性崩壊現象における部材接合強度の影響, 日本機械学会第19回計算力学講演会講演論文集, No.06-9, (2006), pp.253-254. abstract

小室 友暢,磯部大吾郎: 建物の耐震強度が火災崩落挙動に与える影響, 日本機械学会第20回計算力学講演会講演論文集, No.07-36, (2007), pp.295-296. abstract

磯部大吾郎,小室 友暢: ASI-Gauss法を用いた骨組構造の火災崩落解析, 計算工学講演会論文集, 第13巻, 第1号, (2008), pp.129-130. abstract

D. Isobe: An Adaptive Finite Element Code Using Linear Timoshenko Beam Elements and Its Applications, CD-ROM Proceedings of 6 th International Conference on Computation of Shell and Spatial Structures IASS-IACM2008, (2008), Ithaca, New York USA. abstract

磯部大吾郎: ASI-Gauss法を用いた動的崩壊解析手法によるWTCの崩壊要因究明, 第57回理論応用力学講演会NCTAM2008講演論文集, (2008), pp.247-248. abstract

D. Isobe and T. Omuro: Fire-Induced Collapse Analyses of High-Rise Towers using ASI-Gauss technique, Abstracts of the 8th World Congress on Computational Mechanics, (2008), Venice, Italy. abstract

横田 仁,磯部大吾郎: 火災加熱効果を導入した骨組構造の進行性崩壊解析, 日本建築学会2008年度大会(中国)学術講演梗概集B-1, (2008), pp.393-394. abstract

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横田 仁,磯部大吾郎: ASI-Gauss法を用いたミニWTCモデルの火災崩落解析,日本機械学会第21回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.08-33, (2008), pp.61-62. abstract

レティタイタン, 磯部大吾郎: 耐震設計が施された建物の火災崩落解析, 計算工学講演会論文集, 第14巻, 第1号, (2009), pp.329-332. abstract

D. Isobe, H. Yokota and L. T. T. Thanh: Fire-Induced Progressive Collapse Analyses of High-Rise Towers, CD-ROM Proceedings of the 2nd International Workshop on Performance, Protection, and Strengthening of Structures under Extreme Loading (PROTECT2009), (2009), Hayama, Japan. abstract

レティタイタン,磯部大吾郎: 高層建築物の火災崩落挙動に及ぼすアウトリガーシステムの効果, 日本建築学会2009年度大会(東北)学術講演梗概集B-1, (2009), pp.275-276. abstract

レティタイタン,磯部大吾郎: アウトリガートラス構造が高層建築物の火災崩落挙動に与える影響,日本機械学会第22回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.09-21, (2009), pp.151-152. abstract

D. Isobe:An adaptive finite element code for impact and collapse analyses of buildings, Abstracts of the 2nd International Workshops on Advances in Computational Mechanics (IWACOM-II), (2010), Yokohama, Japan. abstract

D. Isobe: Structural Collapse Analyses of Buildings Using an Adaptive Finite Element Code, Abstracts of the 4th Korea-Japan COSEIK-JSCES Workshop on Computational Engineering, (2010), Fukuoka, Japan. abstract

D. Isobe, L. T. T. Thanh, T. Katsu and Y. Arakaki, Recent Applications of ASI-Gauss FE Code in Structural Collapse Problems of Large-Scale Framed Structures, Proceedings of the 9th World Congress on Computational Mechanics and 4th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM/APCOM2010), (2010), Sydney, Australia. abstract

L. T. T. Thanh and D. Isobe, Numerical Investigations on Effects of Structural Parameters in Fire-Induced Collapse Behaviors of High-Rise Buildings, Proceedings of the 9th World Congress on Computational Mechanics and 4th Asian Pacific Congress on Computational Mechanics (WCCM/APCOM2010), (2010), Sydney, Australia. abstract

レティタイタン,磯部大吾郎: アウトリガートラス構造を有する高層建築物の火災時崩壊開始時間に関する考察, 日本建築学会2010年度大会(北陸)学術講演梗概集B-1, (2010), pp.285-286. abstract

レティタイタン,磯部大吾郎: 火災崩落解析による高層建築物の崩壊開始時間に関する検証,日本機械学会第23回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.10-2, (2010), pp.424-425. abstract

D. Isobe and L. T. T. Thanh: Effects of Outrigger Truss Systems on Collapse Initiation Times of High-Rise Towers Exposed to Fire, Applied Mechanics and Materials (Selected, peer reviewed papers of the 3rd International Workshop on Performance, Pretection and Strengthening of Structures under Extreme Loading (PROTECT2011)), (2011), Vol. 82, pp.344-349, Lugano, Switzerland. abstract

D. Isobe: A Collapse Analysis Code and Its Recent Applications, Abstracts of the 1st Spain - Japan Workshop on Computational Mechanics, (2012), Barcelona, Spain.abstract

除村 直樹,鈴木 淳一,磯部大吾郎: 鋼構造建築物の火災時における非構造材飛散に関する研究, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第18巻, (2013). abstract

除村 直樹,鈴木 淳一,磯部大吾郎: 火災時における非耐力壁の落下飛散範囲に関する数値解析的検討,日本建築学会2013年度大会(北海道)学術講演梗概集, (2013), pp. 71-72. abstract

J. Suzuki, N. Yokemura and D. Isobe: Damage Estimation of Steel Frame Buildings under Fire Using Collapse Analysis, Extended Abstracts of the 1st International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2014), (2014), pp. 436-439, Sendai, Japan. abstract

大井 康平,磯部大吾郎: キーエレメント指標を用いた火災時の建物の崩壊危険性予測, 計算工学講演会論文集CD-ROM, 第20巻, (2015). abstract

大井 康平,磯部大吾郎: キーエレメント指標を用いた火災時の建物の崩壊危険性予測,日本建築学会2015年度大会(関東)学術講演梗概集, (2015), pp. 293-294. abstract

大井 康平,磯部大吾郎: キーエレメント指標と火災時の建物の損傷度合いの関連性について,日本機械学会第28回計算力学講演会講演論文集CD-ROM, No.15-19, (2015). abstract

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