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新しい免震システムの開発を目指して〜未来の安全と安心を創る〜

近年、建築構造物が地震を受けたときの被害を低減するために、免震構造というシステムを採用する例が増えつつあります。これは、建物と地盤・基礎を隔離し、その間に地震の揺れを吸収する層（免震層）を備えた構造システムです。地震が起こった際、地盤・基礎が振動しても、免震層が大きく変形することによって、その上の建物自体には揺れが伝わりにくく、ゆっくり揺れることが特徴です。海溝型巨大地震や内陸直下地震などの超大型の地震を受けたときに、免震層の変形が大きくなり過ぎる現象を低減させる手法を開発することが研究の目的です。

免震構造に欠かせないダンパーの今と課題

免震建物の免震層には、柔らかいゴムと鋼板が重なったアイソレーター (isolator)とダンパー (damper)が入っています。地震の際には、地盤・基礎の揺れがアイソレーターに伝わり、ゴムが大きく変形することで、その上の建物への揺れを伝えにくくします。しかしながら、アイソレーター自体は揺れをゆるやかにするものであり、止めるものではないため、押したブランコが揺れ続けるように、揺れ自体は残り続けてしまいます。そこでダンパーが活躍します。ダンパーが地震エネルギーを吸収することによって、建物の揺れを止めるのです。私は、このダンパーに関する研究を行っています。巨大地震発生により、免震層に過大な変形が生じた場合、建物と擁壁（周囲の壁）のクリアランス（すき間）が十分でないと免震層が擁壁に衝突する可能性があります。高い耐震性能を有することが期待されている免震建物にあっては、特に見過ごせない事象であり、今後、新築される免震建物はもとより、免震層のクリアランスが十分確保できていない既設の建物についても、このような過大な地震入力に対して応答変位（免震層の変形）を低減させることは喫緊の課題です。免震層の応答変位を抑制するためにパッシブダンパーを付加し、減衰力を大きくすることも考えられますが、発生回数の多い中小地震動に対する応答加速度が増大し、免震構造の性能が低下することが懸念されます。

問題を解決するオンオフダンパー

そこで、本研究室では、図1のような免震層の応答変位と応答速度に応じて減衰力のオン・オフが切り替わるダンパー（オンオフダンパー）を提案しています。このオンオフダンパーには接続部にルーズホールを設けてあります。応答変位がある程度大きくなったときのみ、接続部がルーズホールの端にぶつかってシリンダーを押す、または引っ張って減衰力が生じる仕組みになっています。既製のオイルダンパーのピン支承部の形状を変更するだけで実現できることを意図したもので、既存の減衰装置に若干の改良を加えてつくることができます。今後、その有効性を検討し、また、既存のダンパーでは擁壁に衝突してしまうような大きな揺れの場合に、提案した減衰装置を用いることで上部構造の応答にどのような効果を及ぼすかについて検討を行います。まず、数値計算により最適な実験モデルを決定するためのパラメトリック解析を行う予定です。オンオフダンパーを免震層に設置した免震建物を構造解析するには、一般の汎用ソフトでは解析できず、専用の数値計算プログラムを作成しなければなりません。
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振動台実験とシミュレーション解析を併用したリアルタイムハイブリッド実験

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免震層の位置は建物の最下層とする基礎免震が一般的ですが、擁壁との間にクリアランスを設けるので敷地面積に対して建築面積が小さくなること、地盤を深く掘り下げる必要があることなどの短所もあります。それを避けるために、最近では免震層を最下階以外に設ける中間層免震構造の物件が増えつつあります。中間層免震建物の場合、免震層より下部の動的特性が建物全体の応答特性に大きな影響を及ぼすため、それを考慮しながら建物全体を設計することが重要です。

しかし、建物全体を実験モデルとして試験体をつくる場合、試験体が大型化し、製作費の増大や、振動台の搭載重量制限を超えるという問題が生じます。そこで、中間層免震建物の上部（免震層を含む）は、試験体を振動台で加振し、下部はシミュレーションモデルとして解析を行うリアルタイムハイブリッド実験を検討しています（図2）。上部と下部の力のやり取り（相互作用）を加味し、下部からは、下部最上層の応答加速度を上部の振動台実験モデルの入力加振動として与えます。上部からは免震層のダンパー減衰力を下部のシミュレーションモデルに入力、加振実験と時刻歴応答解析を同時に行います。

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私は、学生時代からの研究テーマとして、建物の振動と地盤の振動が互いに影響を及ぼしあう、「建物と地盤の相互作用」を取り扱っています。構造解析を行う際に、上部構造と基礎・地盤系を別々のモデルとし、それぞれが相手に及ぼす力を相互に与えながら、計算は別々のモデルで行うという方法を用いていました。この相互作用を考慮した構造解析手法は、今後のリアルタイムハイブリッド実験にも役立ちます。私にとってはダンパーの開発、何より実験を行うこと自体が始めての取り組みであり、現在勉強の日々です。未来の安全・安心を創りだす研究に興味がある方はぜひ、一度研究室に遊びに来て下さい。

研究室HP

http://www.arch.kobe-u.ac.jp/research/structure/s7/index.html

主要論文