CFS6階建を振動台実験【海外レポ】

*本ページでは米国Build Steel.orgが提供している記事を翻訳して紹介します。

「6階建てのビルが振動台で耐震実験で、揺れても焼かれても倒れない」

昨年の夏、サンディエゴで6階建ての鉄骨構造物が複数の巨大地震と火災に耐えました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校工学部の研究者は、軽量の冷間成形スチール製6階建てビルに、一連の地震波を与えました。6階建ての建物のレイアウトは、複数世帯の住宅を再現するように設計されています。

実験の主な目的の一つは、歴史的な地震とそれに続く火災に、複数階建ての集合住宅が耐えられるかどうかを確認することでした。この記事で紹介されている実験結果は、CFS建築が地震や火災に耐えられるだけでなく、従来の木造やコンクリート構造よりもはるかに効率的に立てられることを示しています。

複数団体が実験に協力

このプロジェクトは、2つの学術機関（カリフォルニア大学サンディエゴ校とウースター工科大学）、2つの政府・機関の助成機関（住宅都市開発省とカリフォルニア地震安全委員会）、そして15以上の産業界のパートナーが協力して実施しました。業界スポンサーには、資金面、建設面、資材面でサポートを提供したCalifornia Expanded Metal Products Co.とSure-Boardのほか、DCI Engineers、SWS Panels、Rivante、State Farm Insurance、The Insurance Institute for Business and Home Safety、DPR Construction、Walters & Wolf、MiTekなどが名を連ねています。

実験棟には，まず7つの地震波が与えられて、そして2階と6階で火災実験を行った後にもう2つの地震波が加えられました。振動台実験に使われる入力地震波は、1992年のメンドシーノ岬地震のリオデル陸橋，1994年のノースリッジ地震のカノガパークとリナルディ受信所，2010年のチリのマウル地震のキュリコであり、４つとも過去の地震記録から選んだものです。

今回の実験に使われた建物は、これまで行ってきた振動台実験で使われてきたCFS建築の中で最も高い建物でした。CFS建築は、同じ高さのコンクリート製の建物より軽いため、建物を損傷させる地震力を生み出すだけの質量に及びません。

揺れるが壊れない

UCSDの振動台実験の目的は、現行のCBCおよびASCE 7-10の設計要件に沿って、R = 6.5の建物を建設することでした。CFS部材、Sure-Boardウォール、ダイアフラムシアー（シリーズ200&200S）、タイダウンシステムを組み合わせて、実際の地震シナリオに対応した建物を建設しました。この建物は、以前の多くの建物のように「性能に基づいた設計（performance based design）」で建てられたものではないため、現場で建てられた構造物が実際の地震でどのように反応するかを示す真の結果を得ることができました。この組み合わせが同建築物にもたらす利点としては、固有の不燃性、同種の建築方法と比較して高いせん断力とダイヤフラム性能、そしてこのような大規模な自然現象の後でも居住可能で安全な構造物を提供できることが挙げられます。

本当にこれでいいの？

Sure-Boardシステムは、不燃性の床下地材です。200Sシリーズの特徴は、一人で施工できることと、独自のタブ機能によりパネル接合部のブロックが不要であることです。200シリーズシアパネルは、0.027(22g)の鋼板に仕上げ板が既に積層されているため、施工者は横方向のシアと不燃性の仕上げ板を2工程ではなく1工程で施工することができます。施工上のメリットだけでなく、タイダウンシステムと一緒に設置されたこれらの製品は、ダイナミックで靭性的な建物を生み出しました。この構造体は、1994年のカリフォルニア州ノースリッジ地震の150％MCE（Maximum Considered Earthquake）を含む複数の地盤変動にも耐え、外壁には表面的なひび割れしか生じませんでした。このシステムは弾力性があるだけでなく、居住者の安全を確保しながら、将来の不測の事態にも対応できることを証明しました。

UCSDのシェーカーテーブルプログラムは、Sure-Boardシステムの地震せん断能力、耐火性、弾力性をテストするために設計されたものですが、このタイプの建築物には他にも多くの利点があり、国や世界的にも有用です。このシステムは、パネル化が容易で、現場での迅速な組み立てが可能であり、使用されているすべての製品は、カビ、シロアリ、耐候性に優れています。また、このシステムは、ハリケーンのような強風や飛来物、さらには爆風や弾道の防護など、大規模なイベントでの使用がテストされています。これらの成果により、今後の設計に大きな可能性があります。

より安く、より良く

CFS建築の鉄骨構造は、他の構造タイプに比べて、特にプレハブ工法で建てられた場合、設置やメンテナンスのコストを低く抑えることができます。CFSは、固有の延性を持つ材料で形成されており、軽量で耐久性があり、リサイクル材料から製造されています。他の軽量フレーム構造と比較して、CFSは不燃性であり、これは延焼を最小限に抑えるための重要な基本特性です。

火災の前後に構造物が大きく動くことを想定していたので、耐火建築物の接合部がどのように機能するかを確認することも重要でした。壁の頭頂部の接合部には、2種類の防火措置が施され、観察されました。周辺の接合部には、伝統的な方法として紙テープと接合粘着剤が使われる一方、壁の頭頂部の接合部にはCEMCO HOTRODという圧縮性と膨張性がある防火材が施されました。

実験結果

火災前の地震実験：サービスレベルの地震実験では，実験体の損傷は最小限に抑えられ，準線形の範囲にほぼとどまり，実験体に課せられたドリフトの要求は非常に低かった（層間ドリフト＜0.2％）。

火災実験：所定の換気条件で実施した6つの区画火災実験では、すべての実験でフラッシュオーバー後の状態が達成され、対応する区画の最高温度は800～1,100 °Cでした（6つの実験のうち4つは1,000 °Cを超えました）。この高温により、鉄板上の内装耐火石膏ボードや平板耐火石膏ボードが著しく劣化し、構造強度が低下しました。

火災後の地震実験：低振幅の余震では，火災前の一連の地震により周期が長くなったため，建物内の地震対策が大幅に減衰した。しかし、SureBoardとZone4のタイダウンシステムによる荷重の再配分とフレーミングの効果により、試験棟は倒壊を免れました。倒壊を免れただけでなく、研究者は安全に試験棟内を歩き、火災・地震後の構造物の状態を分析することができました。

「乾式壁を自ら施工する全米最大のゼネコンとして、DPR建設はスチールスタッド構造の耐震性能実験に参加できたことを誇りに思います。実験の結果は、木造やコンクリートに代わるスチールスタッド構造の建物を非常に説得力のあるものにしています。建築基準法を変更してこれらの建築材料を使用することは、より安全で持続可能な地域社会を築くための第一歩です。DPRは、CEMCO Steelのような企業と共に、建築業界の変革をリードしていきます」。- Carl Spaete DPRサンディエゴ

参考資料
Earthquake and Fire Performance of a Mid-Rise Cold-Formed Steel Framed building – Test Program and Test Results: Rapid Release Report by Xiang Wang, Tara Hutchinson, Gilbert Hegemier, Srikar Gunisetty (UCSD), Praveen Kamath, Brian Meacham (WPI).

実験概要の動画は以下からご覧ください。

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