Structural Design Requirement on the Tsunami - iisee

Contents （本日の内容）
Structural Design Requirement
on the Tsunami Evacuation Buildings
1) Categorization of the damage to buildings
caused by tsunami
（津波避難ビルの構造設計法）
（津波による被害パターンの分類）
2) Structural design requirement on the tsunami
evacuation buildings
Hiroshi FUKUYAMA
Director, Dept. of Structural Engineering
Building Research Institute
（津波避難ビルの構造設計法）
独立行政法人 建築研究所
構造研究グループ長 福山 洋
1
2
Most of the RC buildings were survived
without any structural damage
（多くの
多くのRC
RC造建築物は構造的にほぼ無被害で
造建築物は構造的にほぼ無被害で残存した）
残存した）
Damage to RC buildings
（鉄筋
鉄筋コンクリート造建築物
コンクリート造建築物の被害）
の被害）
Rikuzentakada city
（陸前高田市）
・・・ However
However,, severe damage were observed in a part of RC Buildings
3
（・・・
（・
・・ ただ、
ただ、一部の
一部のRC
RC造建築物には大きな
造建築物には大きな被害も見られた）
被害も見られた）
4
1
(1) Total collapse （倒壊
（倒壊））
(2) Collapse of 1st story （1階の崩壊）
Tsunami
pressure
（津波波力）
2F (wall)
column
1F
column
5
6
(3) Overturning （転倒
（転倒））
Mechanism of overturning
（転倒のメカニズム）
Small openings
（開口が少ない）
Buoyancy
（浮力）
Overturning
moment
Tsunami load
（津波波力）
（転倒させる力）
Building
weight
（建物自重）
Resistance to
overturning
（転倒に抵抗する力）
Center of
rotation
（回転の中心）
The building overturned with climbing over the fence
→ Huge buoyancy happened
（この塀を乗り越えて転倒した → 大きな浮力が作用した）
7
Resistance of piles
（杭による抵抗）
8
2
(3) Overturning （転倒
（転倒））
Accumulated air under floor slab Influence to buoyancy
Overturning of RC buildings with pile foundation was observed
→ Overturning moment due to tsunami load was larger than the resistance
to overturning by building weight and pile contribution
（杭基礎の建築物でも転倒したものが見られた
→ 自重と杭による抵抗よりも、津波荷重により転倒させる力の方が大きかった）
It should be considered in the structural design
（構造設計で考慮が必要）
（浮力に影響する天井下の空気溜まり）
9
(4) Failure of walls （壁
（壁の破壊）
の破壊）
10
(5) Scouring （洗掘
（洗掘））
Shear walls and columns should not be
failed to resist to later tsunami and
aftershocks.
構造耐力上主要な部分である耐力壁や柱
は、第２波、第３波の津波や、余震に抵抗
するため破壊させてはならない
11
（５）洗堀
Scouring happened at the corner of the building due to strong whirl stream of
tsunami （非常に強い津波の流れが建築物のコーナー部で渦となり洗掘を起こす）
12
3
(5) Scouring & Tilting （洗掘
（洗掘・傾斜）
・傾斜）
(6) Sliding （滑動）
Tsunami
pressure
（津波波力）
A building with mat foundation tilted due to scouring
（洗掘により直接基礎の建築物が傾斜した例）
13
Pile foundation is effective to prevent sliding （滑動防止には杭基礎が有効）
14
(7) Debris impact （漂流物
（漂流物の衝突）
の衝突）
Damage to steel buildings
（鉄骨造
鉄骨造建築物
建築物の被害）
の被害）
Large trees rushed into the building
（開口部からの大木の突入）
Failure of shear wall
（構造耐力上主要な部分である耐力壁の破壊）
15
16
4
(1) Failure of exposed column base
(２) Failure of column top connection
（露出型柱脚の破壊）
（露出型柱
脚の破壊）
（柱頭接合部の破壊）
（柱頭
接合部の破壊）
Rupture of anchor bolt, basebase-plate or welding part between column and
base--plate
base
（アンカーボルト、ベースプレート、もしくは柱とベースプレートとの溶接部の破断）
アンカーボルト、ベースプレート、もしくは柱とベースプレートとの溶接部の破断）
17
18
(4) Washed away of interior & exterior finishing
(3) Overturning （転倒
（転倒））
（内外装材
内外装材の破壊・流出
の破壊・流出）
）
（5）Large residual deflection （大きな
（大きな残留変形）
残留変形）
Exterior finishing was survived. Then large tsunami load and buoyancy
happened.
（外装材がほとんど残存したため、大きな波力と浮力が作用したと推測される）
19
20
5
Importance of tsunami evacuation buildings
（津波避難ビルの位置付け）
Study on the structural design requirement
on the tsunami evacuation buildings
・ Evacuation to a high ground is a basic principle when
t
tsunamis
i occur （津波の際には高台避難が原則）
津
津波の際には高台避難が原則）
際
高
が
・ If there is no high ground to evacuate to, a tsunami
evacuation building will protect human lives instead of
高台が近くに無い海岸地域では、津波避難ビルが
high ground （高台が近くに無い海岸地域では、津波避難ビルが
（津波避難ビルの構造設計法に関する検討）
高台に代わって人命を守る））
高台に代わって人命を守る
・ Tsunami evacuation building should be prepared for
quick evacuation in coastal area
（海岸地域での迅速な避難のために、津波避難ビルの整備が必要）
21
Proposal of the structural design method for tsunami evacuation buildings （津波避難ビルの構造設計法の提案）
22
Objective （目的）
Background （背景）
Review the structural design method of the 2005 Guidelines
(Japanese cabinet office) based on the observed damage
General principles for the measures against
・ Tokai E.Q. (May, 2003) （東海地震対策大綱）
・ Tonankai
Tonankai,, Nankai E.Q. (Dec, 2003) （東南海・南海地震対策大綱）
（東南海 南海地震対策大綱）
by the Central Disaster Prevention Council （中央防災会議）
(内閣府 「ガイドライン」 に示された構造設計法を被害の実態に基づき検証）
Tsunami pressure = 3×h
（津波波圧＝設計用浸水深の33倍の高さの静水圧
（津波波圧＝設計用浸水深の
の高さの静水圧））
2004 Study on tsunami evacuation buildings (BCJ)
（津波避難ビルに関する調査検討 （（財）日本建築センター）

Tsunami pressure
（津波波圧）
津波波圧
2004.12.26 Indian Ocean earthquake and tsunami
3h
設計用浸水深
Inundation
depth
p
（設計用
浸水深）
2005.6 The Guidelines concerning the tsunami evacuation
buildings etc,
etc, by Cabinet Office of Japanese Government
Building
建物
（建築物）
h

（スマトラ島沖地震津波（インド洋大津波））
33ρg
ρgh
h：Design inundation depth
(m) （設計用浸水深）
ρ ：Specific gravity of water
( / 3) （水の単位体積質量）
(t/m
（水 単位体積質量）
g ：Acceleration of gravity
(m/s2) （重力加速度）
（津波避難ビル等に係るガイドライン （内閣府））
（巻末資料② 構造的要件の基本的な考え方）
23
New proposal based on the impulse of stream （流勢に応じた新たな提案）
24
6
Analysis based on the field survey
Analyzed structures （検討対象構造物の例）
Collapsed Building
（崩壊した建築物）
Survived Building
（残存した建築物）
Collapsed CB wall
（崩壊したブロック塀）
（現地調査に基づく検討）
（現地調査に基づく
検討）
Survived RC fence
（残存したRC
（残存した
RC塀）
塀）
１） Set the height of tsunami pressure at ah, and calculate
tsunami load
（津波波圧の高さを浸水
津波波圧の高さを浸水深
深h h の
の a倍とおき、波力を算定）
とおき 波力を算定）
２） Calculate lateral capacity of structures
（構造物の水平
構造物の水平耐力を算定
耐力を算定）
）
３） Calculate a, when lateral capacity = tsunami load
（水平耐力＝波力となる aを逆算）

Tsunami津波波圧
pressure
ah
設計用浸水深
Inundation
depth
Collapsed CB column
（倒壊したブロック柱）
Overturned stone
monument
（転倒した石碑）
Overturned seawall
（転倒した防潮堤）
25
Relationship between a and damage pattern
12
*3
10
*2
8
Damaged
被害あり
被害
あり
6
×,＊：
＊：Damaged
Damaged
g 作物）
無被害（塀などの工作物）
無被害（塀な
傾斜（塀などの工作物）
structures
崩壊（塀などの工作物）
○,◇：
◇：No
Nod
amaged
残存（建築物）
structures
崩壊（建築物）
No-Damaged
No被害無し
*1
4
With defense
（遮蔽効果有り）
2
0
0.0
1.0
2.0
水深係数a（構造物耐力相当時の浸水深／計測浸水深）
1.0
a
Damaged and no‐‐damaged Damaged and no
structures were classified at a =
structures were classified at a =1.0
（a=1.0
a=1.0程度で被害／無被害構造物
程度で被害／無被害構造物
が区分される）
Measured inundation depth（計測浸水
depth
（計測浸水
水深） (m)
計測浸水深η
m(m)
Measured inun
ndation depth（計測浸水
depth
（計測浸水
水深） (m)
計測浸水深η
m(m)
14
3.0
aρgh
3ρg
Tsunami load = a2ρgh2/2
26
Influence of defense
（aと被害程度の
と被害程度の関係）
関係）
16
h

Collapsed RC bridge
（崩壊したRC
（崩壊した
RC鉄道橋）
鉄道橋）
Structure
建物
（遮蔽物の影響）
16
×崩壊（塀などの工作物）
：Damaged
structures
14
12
Tsunami
direction
10
Damaged
被害あり
被害
あり
8
（津波来襲
方向）
6
4
W/O defense
（遮蔽効果無し）
2
0
0.0
1.0
2.0
水深係数a（構造物耐力相当時の浸水深／計測浸水深）
1.5
3.0
a
Damaged and no‐damaged Damaged and no‐
structures were classified at a ==1.5
structures were classified at a （a=1.
a=1.5
5程度
程度で被害／無被害構造物
で被害／無被害構造物
が区分される）
27
28
7
Influence of defense & distance from the sea
Structural design requirement on the tsunami
evacuation buildings （津波避難ビルの構造設計法）
（遮蔽物の影響、海岸からの距離の影響）
Design target （設計目標）
Influence of defense （遮蔽物の影響）
Results of field
investigation
1 :1
1.5
5
（調査結果より）
with defense
w/o defense
(遮蔽物あり
遮蔽物あり))
(遮蔽物なし
遮蔽物なし))
a = = 2
2
a = = 3
3
１） Not to collapse （倒壊しないこと）
２） Not to overturn （転倒しないこと）
（Stream is reduced）
Stream is reduced）
３） Not to slide （滑動しないこと）
Refer to previous guidelines & test results
（既往のガイドラインや実験結果等を参照）
Influence of distance from the sea （海岸からの距離の影響）
When distance ≧ 500m, stream is reduced. Then a = 1.5
（海岸から500m
（海岸から
500m以上離れると流勢がさらに弱まる
以上離れると流勢がさらに弱まるので
ので a a =1.5
=1.5）
The walls and columns, for the tsunami contact side
shouldn’t be destroyed by the wave pressure
（外側にある壁や柱は、津波波圧に対して破壊しないことを確認）
30
29
① Calculate tsunami pressure （津波波圧の算定
津波波圧の算定））
Design flow （設計の流れ）
Tsunami pressure is obtained as static water pressure distribution
with height of design inundation depth multiplied by coefficient a
（津波波圧は設計用浸水深のaa倍の静水圧で算定される）
（津波波圧は設計用浸水深の
（浮力の算定）
④
（津波波圧の算定）
②
③
Calculate
l l tsunamii load
l d
（津波波力の算定）
Calculate buoyancy
a) Buoyancy
b)Buoyancy
f design
for
d i off
f design
for
d i off
superstructure foundation
Calculate story shear force
（上部構造の設計
に用いる浮力）
（各層せん断力の算定）
⑤
Design of exterior elements
⑥
Design for debris impact
⑦
Tsunami p
pressure（
pressure
（津波波圧
津波波圧）
）
津波波圧
(基礎の設計に用
いる浮力))
いる浮力
ah
（設計用
浸水深）
建物
（建築物）
h
(漂流物に対する検討
漂流物に対する検討))
Design for scouring
aρg h
3ρg
(洗掘に対する検討
洗掘に対する検討))
Design for collapse prevention (倒壊の検討
倒壊の検討))
⑨ Design for overturning prevention (転倒の検討
転倒の検討))
⑩
Design for sliding prevention
⑪ Design of foundation beam
（浸水係数）
h：Design inundation depth
(m) （設計用浸水深）
ρ ：Specific gravity of water
(t/m3) （水の単位体積質量）
g ：Acceleration of gravity
(m/s2) （重力加速度）
Building
Design
inundation
設計用浸水深
depth (h)
(耐圧部材の設計
耐圧部材の設計))
⑧
a：Coefficient

Calculate tsunami pressure

①
(滑動の
検討))
検討
（基礎梁
の設計） 31
with defense
w/o defense
（遮蔽物あり）
（遮蔽物無し）
Regardless of
distance
（距離によらず）
Distance from sea
or river（海岸や河川
≧ 500m
＜ 500m
a
1.5
2
等からの距離）
3
32
8
Calculate ② tsunami load & ③ story shear force
（津波波力および層せん断力の計算）
a=1.5
a=2.0
Tsunami direction
a=3.0
Defense（遮蔽物）
遮蔽物
a=1.5
Tsunami load can be reduced due to ratio of openings
津波来襲方向
500m
（津波
津波波力
波力は
は開口
開口率に応じて
率に応じて低減
低減できる）
できる）
Lower limit is 0.7 （波力
波力は無開口
は無開口の
の７割を下限とする）
Sea
Tsunami direction
a=2.0
津波来襲方向
500m
Sea
Defense
（遮蔽物）
33
④ Calculate buoyancy （浮力の算定）
34
⑤ Design of exterior elements （耐圧部材の設計）
Buoyancy influences to design of collapse prevention,
overturning prevention and sliding prevention, should be
calculated
Tsunami load ≦ Ultimate capacity of columns and walls
（津波波圧によ
（津波波圧
により生じる力
り生じる力 ≦ 部材終局強度）
Failure of columns and walls should be prevented
（倒壊防止、転倒防止、滑動防止の設計に直接関係する浮力を計算する）
（柱と耐力壁
柱と耐力壁が
が波力によって破壊しないことを確認
波力によって破壊しないことを確認）
）
35
36
9
⑥ Design for debris impact
⑦ Design for scouring （洗掘に対する検討）
（漂流物に対する検討）
Pile foundation is recommended to prevent tilting of
superstructures due to scouring
Preventing failure of walls and columns is not easy
（漂流物によっては柱・壁部材の破壊を防止するのは困難）
漂流物によっては柱・壁部材の破壊を防止するのは困難）
（洗掘に対して上部構造が傾斜しないよう杭基礎
洗掘に対して上部構造が傾斜しないよう杭基礎を推奨
を推奨する
する））
Axial capacity of each story should be kept even after
the failure of exterior column or wall due to debris impact
（外部に面する柱等
外部に面する柱等が漂流物により破壊しても、その軸力支持能力を喪
が漂流物により破壊しても、その軸力支持能力を喪
失しない（他の柱等で支持できることを確認する）
37
Mat foundation （直接基礎）
Pile （杭基礎）
⑧ Design for collapse prevention
⑨ Design for overturning prevention
（倒壊防止の検討）
（転倒防止の検討）
38
Axial capacity of piles ＞ Axial force of piles
Story shear capacity ＞ Story shear force
（杭の
杭の極限支持力
極限支持力 or 極限引抜抵抗力 ＞ 杭の軸方向力）
（各階の水平耐力 ＞ 津波による各階に生じる力）
39
40
10
Base shear required for tsunami evacuation buildings
⑩ Design for sliding prevention
（津波避難ビルに要求される強度）
（滑動の検討）
（In case of RC residential buildings：
buildings：RC
RC集合住宅の場合
集合住宅の場合）
Lateral capacity of piles ＞ Lateral force of piles
CB: Base shear coefficient in short direction （1階の層せん断力係数）
Inundation depth（浸水深）
（杭の水平耐力 ＞ 杭に作用する津波荷重）
5m
10m
15m
a = 3.0
CB=0.97
CB=2.83
CB=4.56
a = 2.0
CB=0.38
CB=1.44
CB=2.42
a = 1.5
15
CB=0.3
03
CB=0.78
0 78
CB=1.36
1 36
◎
◎
◎
△
○
◎
△
△
○
◎ ： Strength due to seismic design is larger than strength due to tsunami design
(except piles and foundations) （杭と基礎を除き、要求強度は耐震設計の方が津波設計を
上回る）
○ ： Meeting demand is available by increase of strength (need special consideration for
piles and foundations) （設計要求の充足は可能。ただし、杭と基礎は特別な検討を要する）
41
Design example （設計例）
△ ： Require special consideration for increase of strength of supersuper-structure, piles and
42
foundations （上部構造、杭、基礎の強度を大きく高めるための特別な工夫を要する）
Design of tsunami evacuation building
（津波避難ビルの設計）
Inundation depth （浸水深） = 10m，
10m， a = 2.0
・ Increase steel bars in columns and beams（柱・梁の配筋を増やした）
梁の配筋を増やした）
・ Increase wall thickness （230
230→
→350
350mm
mm））
（妻面の耐力壁を厚くした）
妻面の耐力壁を厚くした）
Plan（平面図）
Plan
（平面図）
・ Increase pile diameter （1300
1300Φ
Φ→
1900Φ
1900
Φ） （杭径を大きくした）
杭径を大きくした）
Design tsunami force is capable of over seismic force in
（浸水深が10m
10mを超える
を超える
case inundation depth is larger than 10m （浸水深が
と 設計用地震力よりも津波力の方が大きくなることがある）
と、設計用地震力よりも津波力の方が大きくなることがある）
South elevation （南側立面図）
43
High capacity buildings required （耐震設計より強い建築物が必要）
 thicker wall, much steel （壁を厚く、 柱・梁の配筋を多く）
 bigger, longer piles （杭を太く、長く）
→ available with conventional techniques （従来技術で対応可）
44
11
Conclusion
（まとめ）
It is highly expected the proposed structural design method
accelerate construction of tsunami evacuation buildings for
protecting lives from tsunami disasters.
（提案した構造設計
（提案した構造
設計法
法が津波避難ビル
津波避難ビルの建設を促進し、命を守
の建設を促進し、命を守
る津波防災に資すること
る津波防災に資する
ことが大いに期待される
が大いに期待される))
BRI will continue the technical support for recover of the
disaster area as quick as possible.
（建築研究所は、被災地の一日も早い復興
（建築研究所は、
被災地の一日も早い復興のために、さらなる
のために、さらなる
技術支援を続けていく予定））
技術支援を続けていく予定
45
Thank you for your attention
（ご静聴有り難うございました）
BRI, Japan
建築研究所
46
12