建物の設計強度と進行性崩壊の発生危険度との関連性
Abstract
2001年の米国同時多発テロによるニューヨーク世界貿易センタービル（WTC）の崩壊は，世界中を震撼させた．WTC１号棟および2号棟は，航空機の衝突とそれによって引き起こされた火災が原因となり，後者は航空機衝突後約1時間，前者は約1時間半で人々を飲み込んだまま進行性崩壊を起こし完全崩壊した．大規模火災や衝突物といった外乱を建物が受ける場合，進行性崩壊を防ぐことで人命や周りの建物への被害を軽減させることができるものと思われる．このWTCツインタワービルの崩壊問題に対し，Bazantらは火災により柱の鉛直支持能力が失われ上層部の落下が生じた後の挙動についてエネルギー論に基づく考察を行った．衝突する下部を完全弾性体として仮定し，衝突時の下部に加わる力は設計許容荷重を大きく超過していることを明らかにした．そしてWTCのような超高層ビルにおいて上層部が垂直落下するような崩壊が起こる場合，進行性崩壊が防止されるような設計を行うことは現実的にはほぼ困難であると述べている．しかし，Bazantらの研究では以上の考察をWTCツインタワーにのみしか適用していない．また，衝突する下部を完全弾性体として扱うため，建物の崩壊条件の特定には至っておらず，進行性崩壊の危険性を評価するには不十分であった．
そこで本稿では，建物の設計強度により進行性崩壊の規模が変化する度合いを調査することを目的とする．部材の存在軸力と全断面降伏軸力の比である軸力比，設計用地震層せん断力の計算に用いられる指標であるベースシア係数に注目し，比較的設計強度の低い複数の鋼構造モデルに対してASI-Gauss解析コードにより進行性崩壊解析を実施する．また，進行性崩壊の規模の大きさを定量的に表す指標として，崩壊前後での位置エネルギー減少率を用いる．設計強度と位置エネルギー減少率の関係を調査することにより，進行性崩壊の危険性を評価することを目指す．
In this paper, the progressive collapse phenomenon of buildings,
which occurred to the World Trade Center (WTC) towers during the 9/11 terrorist
attacks, was evaluated on the basis of an overload ratio. The risk of
progressive collapse was underestimated, in the past reports, by treating the
lower part of a building as an elastic body. In this study, the collapse
behaviors of steel-frame buildings were simulated by using the ASI (Adaptively
Shifted Integration) -Gauss code. By removing specific columns or beams from
the models designed under different axial force ratios, progressive collapse
behaviors were simulated. The total potential energy values of structural
members after the collapse were used to evaluate the damage of the buildings.
The qualitative relationship between the risk of progressive collapse and the
design strength of the buildings was investigated.