木造免震住宅の最適ダンパー量の検討
標準的な木造住宅に対する数値実験杉本 宙威
 はじめに 検討対象住宅のモデル化と振動特性

木造免震住宅は, 民間主導で開発・普及が進められ

標準的な木造住宅の設定と概要てきたが, 表層地盤増幅の評価を目的とした地盤調査

本研究では, 先行研究 2)で作成された, 延べ床面積がの煩雑さとコストの問題から, 住宅全体の供給量に比120m2 程度, 階高が 2.8m の木造軸組構法による 1～3 階して採用された事例は少ない. これらの問題のうちコ建の標準的な木造住宅を対象とした. 重量算定のためスト抑制の解決策として島津らは後述する滑り支承にに決定された屋根・壁部の仕様を表 1 に示す.

よる免震システムの開発に取り組み, そのシミュレーション解析モデルを構築した 1) . このシステムは, まだ開発段階にあるため, 免震支承自体の改良も続けられているが, 免震層にはエネルギー吸収能力を有するダンパーが不可欠で, その投入量を明らかにしておく必要がある. 本研究は, これらを背景に, 標準的な木D 従前の免震システム造住宅を対象に, 免震層の最適ダンパー量を数値実験

E 新たな免震システムにより検討した結果を述べる.

図  新たな免震システムの概要  新たに開発するシステム

表  屋根と壁の仕様

免震システムの基本原理

本研究で構想するシステムの概要を図 1 に示す. 本システムは, 自重を復元力に変換できる機構として,伝統工法の石場立てのように柱勝ちとした柱脚部に半球状の金属材料を取り付け, それと対となる凹型の球面を基礎コンクリートに埋め込むものである. ここでまた, 各住宅の平面図を図 2 に, 設計条件を図 3 に示対象とする免震システムは境界摩擦による滑りを前提す. なお, 図 3 における降伏せん断力は, 後述する復元とするため, 摩擦係数の影響が強いことが特徴である.

力特性の設定により算定された値である. 本研究では,このシステムを採用することで, 木造住宅用の免震窓や壁などの配置は変更していない. 以降の解析では,システムとして標準的な鉄骨架台が不要となり, 大幅屋根と壁の仕様の組み合わせを軽×軽（スレート屋根な導入コストの削減を可能とする. 本研究では期待さ×サイディング壁）として, Y 方向のみ検討を行った.

れる免震効果を得ることに主眼を置き, 免震層に必要有効壁長の算出には耐力壁のみならず, 準耐力壁も考とされるダンパー量を検討対象とする.

慮する.



免震システムの概要

先行研究

1)

復元力特性の設定において, 本試験体による振動台実験の本研究では, 上部構造の耐震要素の復元力特性に五結果に対するシミュレーション解析として, 静止摩

十田ら 3) の提案した Bi-linear + Slip モデルを用いた.

擦・動摩擦を考慮した精算法を採用しており, 結果と同モデルは, 各種の実験で再現性が検証されている他,して得られた復元力特性は Bi-linear に置換されている.

モデルの有効壁長から復元力特性が容易に設定できる

本研究では, その際に設定された静止摩擦係数𝜇𝑠 =特徴がある. モデルの適用範囲は, Slip 型の層間変形, 免 震層 の 2 次剛 性 k 2 = 2.54 × 10 (kN/

角 1 / 30 ~ 1 / 20 rad 間に負剛性を設定することで, 木mm), 及び 1 次剛性k1 = 1500k 2を用いて解析を行っ造住宅の安全限界である 1 / 30 rad 以降の検討を可能た. また, 後述する標準的な木造住宅の重量 W(kN)かにしているが, 同モデルでは考慮していない. 免震層ら, 免震層の降伏せん断力を𝜇𝑠 𝑊(kN)として設定した.の復元力特性は前述した Bi-linear モデル 1)を用いた.

4.0 × 10−2−263-1

計算刻みは ∆𝑡 = 1/1000s とし, 免震層の減衰項は 0～固有値解析によるモデルの振動特性把握

表 2 に検討モデルの上部構造の 1 次固有周期と免震0.6kN/(cm/s)までを 0.05kN/(cm/s)毎に, 計 13 種を用い周期を示す. また, 図 4 に 2 階建, 3 階建モデルにおけて検討した. 上部構造の減衰は耐震要素の復元力特性

る上部構造の 1 次固有モード図を示す. 上部構造の固に対してℎ = 3%を見込み, 減衰項は固有値解析から求有値解析は Jacobi 法により初期剛性を用いて行った.

まる上部構造の 1 次固有振動数により算出された瞬間

また, 免震周期は上部構造を剛体, 減衰係数 c を 0 とし剛性比例減衰を用いた.

た場合に, 免震層が 45cm 変位した時の割線剛性を用い

 解析結果て算出した. 変位を 45cm とした理由は, 先行研究 の各モデル 3 種, 各地震波 10 種, 免震層の各減衰係数

試験体における鋼製凹型球面の半径が 50cm であり, 柱13 種における応答変位, 応答加速度, 復元力の最大値

脚が変位可能な寸法は約 45cm であったためである.

を算出した. 図 6 に, 各地震波における各最大応答値

 入力地震波と解析条件の最大最小値及び, それらの平均値をモデル及び減衰

係数毎に示した.

1)

入力地震波



本研究では, 様々な周期特性を持つ地震波に対する応答を調べるため, 過去に発生した代表的な地震 4 波

図 6(a)より, 最大変位は全てのモデルにおいて減衰（El Centro-NS, Hachinohe-EW, Kobe-Ns, Taft-EW）の位係数が増加する程, 上部構造では大きくなる傾向があ相特性にランダム位相を加えた告示波 5 波を, Lv.1, Lv.2

る. また, 地震波 Lv.1 より地震波 Lv.2 の方が最大最小の 2 つの異なる入力レベルとして計 10 波を採用した.

値の差が大きい傾向がみられる. 平屋について, c=0.15,入力地震波の疑似速度応答スペクトルを図 5 に示す.

0.3～0.45kN/(cm/s)における上部構造の最大最小値の差



解析条件

10010
910 1820

3640

は 小 さ く , 平 均 値 の 差 は 最 大 で 約 0.04cm で あ り ,3640

ditional brace in case of using heavy roof

数値積分には変位増分によるNewmark β 法を用いた.
CL

c=0.35kN/(cm/s)において免震層の最大変位は 45cm をY

重ラスモルタル

中

6370
910

重軽

サイディング軽ガルバリウム鋼板

最軽

bedroomweight[kN]

WC

bedroom

表  検討モデルの固有周期と免震周期

1 -CLstory

1F

平屋

2階建

3階建

1次固有周期(s)

0.24

0.37

0.49

免震周期(s)

4.73

4.69

4.67

CLbalcony

2F200WCbathroom
1820

2730

livingroom

2F

7280

kitchenlavatory

1F
1820

6370

10010

1820

1820
910
5460

WC

livingroom

CLWC
CL

2730

910
5460

kitchen

Ent

910
5460

4550

CLJapanesestyleroom

bedroombedroom

3F

CL

2730

2730

2730
8190

0

6370
910 910

Ent
910

100

1820

Japanesestyleroom

2730

CL

bedroom

1820

CL

1820

2740

300

土壁

CL

2730

2730

bedroomnom

wall typebedroom
最重

瓦葺き（ふき土無し）
スレート

4550

WC CL

roof type

瓦葺き（葺き土有り）X

2740
910 910

C

2730

CL

sliding door

最大層間変位図  検討対象として設定した木造住宅の平面図
3640
910
2730

図  各モデルの設計条件

7280

図  上部構造の  次固有モード図

図  入力地震波の擬似速度応答スペクトル63-2超えていた. 2 階建について, c=0～0.35kN/(cm/s)におけ化が小さいことが分かる. また, 地震波 Lv.2 では c=0,る上部構造の最大最小値の差は小さく, 平均値の差は0.15～0.4kN/(cm/s)における上部構造の最大最小値の差

最大で約 0.4cm であり, c=0, 0.05, 0.2kN/(cm/s)においてがさく, RF では c=0.3, 0.35kN/(cm/s), 2F では c=0.2,免震層の最大変位が 45cm を超えていた. 3 階建につい0.25kN/(cm/s)で減少している. 3 階建について, 地震波て, c=0.15～0.35kN/(cm/s)における上部構造の最大最小

Lv.1 における 3F 以外の平均値は, 減衰係数による変化

値の差は小さく, 平均値の差は最大で約 0.3cm であっが小さいことが分かる. また, c=0.25～0.35kN/(cm/s)にた. また, 2 階建における最大変位は 2 層, 1 層の順で大おける上部構造の最大最小値の差は小さく, c=0.25～

きく, 3 階建においては 3 層, 1 層, 2 層の順で大きくな0.35kN/(cm/s)の順に, 地震波 Lv.1 では小さくなり, 地っている.

震波 Lv.2 では大きくなっている. 同様の範囲における

平均値の差は最大で約 29.5gal であった.

最大加速度

図 6(b)より, 最大加速度は全てのモデルにおいて減

最大復元力

衰係数が増加する程大きくなり, 1F と直上階は概ね逆

図 6(c)より, 上部構造における復元力と変位は近いの 挙 動を 示 す傾 向が ある . 平 屋に つい て , c=0.15 ～挙動を示していることが分かる. また, 最大復元力は0.4kN/(cm/s)における上部構造の最大最小値の差は小減衰係数が増加する程大きくなる傾向がある. 平屋にさく, 平均値の差は最大で約 8.8gal であった. またついて, c=0.15, 0.3～0.4kN/(cm/s)における上部構造の最c=0.3, 0.4kN/(cm/s)において, 地震波 Lv.2 の RF 最大加大最小値の差は小さく, c=0.3, 0.4kN/(cm/s)で減少する速度は減少している. 2 階建について, 地震波 Lv.1 にお傾向がある. 2 階建について, c=0.15～0.35kN/(cm/s)における最大最小値の差及び平均値は, 減衰係数による変ける上部構造の最大最小値の差は小さく, 平均値の差

D 上部構造の最大変位

E 免震層及び上部構造の最大加速度

F 上部構造の最大復元力
図  各条件における最大応答値
63-3

は最大で約 7.6kN である. 3 階建について, c=0.15～

表  最適な免震層の減衰係数の推定値

0.3kN/(cm/s)における上部構造の最大最小値の差は小減衰係数(kN/(cm/s))

さく, 平均値の差は最大で約 5.6kN であった.

推定範囲

 免震層の最適な減衰係数の考察

推定値
モデル別

5 章より,モデル毎に異なる性質の地震波を入力した

平屋

0.15, 0.3, 0.40.15

2階建

0.25～0.350.25

際の, 各減衰係数における最大応答値の平均値と最大3階建0.25～0.350.25

共通0.3

最小値の差が小さくなること, 及び免震層の最大変位が変位可能な 45cm を超えていないことを基準に, 免震層の減衰係数を推定した. 推定した免震層の最適な減衰係数を表 3 に示す. 推定した減衰係数における免震効果を確認するため, 例として入力地震波（El Centro-D 入力地震派の加速度波形NS）と, 2 階建の c=0kN/(cm/s)及びモデル別の最適な減衰係数の推定値 c=0.25kN/(cm/s)における応答値を図 7に示し, 比較を行う. まず, 免震層の減衰の有無による応答の変化について, 図 7 (b)～(d)から, c=0kN/(cm/s)
より c=0.25kN/(cm/s)における応答値の方が上部構造では大きくなり, 免震層では小さくなる傾向が見られ,上部構造の応答変位及び応答加速度の変化は 0.9～1.4倍であった. 免震層の応答変位については, 最大応答値は大きく変わらないが, 振動の減衰は大きくなることが確認できる. 次に, 入力地震波の加速度と 2 階建の応答加速度について, 図 7(a),(c)より, 本免震システ
E 免震層及び上部構造の応答変位ムを採用することで, 上部構造の応答加速度は入力地震波の加速度より概ね小さくなり, 最大で 1/2 程度に減少することが確認できる.
 まとめ本研究では, 対象とする免震システムを採用した標準的な木造住宅を対象として, 免震層に限定しての必要とされるダンパー量を推定することを目的に, 解析的に検討した. 得られた知見は次の通りである.
1)

F 免震層及び上部構造の応答加速度モデル, 地震波及び減衰係数の違いを考慮した免震建物の応答計算を構築し, 各条件における最大応答値の比較により最適な減衰係数を推定した.

2)

推定した減衰係数の免震システムにより, 期待した免震効果が確認されたため, 今後, 免震金物の改良等を進めるとともに, 異なる摩擦係数や, 現在改良中の免震システムで同様の検討を行い, 本免震システムと比較することが必要である.

参考文献
2)

3)

島津由貴, 他:木造住宅を対象とした免震システムの開発-基礎実験に基づく応答計算手法の検証, 日本建築学会技術報告集,第 68 号, 2022.2 (掲載予定)
光武大貴, 他:壁量計算で計画された木造住宅の地震応答評価
その 1 仕様の違いによる木造住宅の重量・質量, 大会学術講演
梗概集, No.495-496, 2019,9
五十田博, 他：木造軸組構法住宅に用いる壁の復元力特性モデ
ル-木造建物の地震時挙動に関する研究-, 日本建築学会構造系
論文集, 第 616 号, pp.157-163, 2007.6

G 免震層及び上部構造の復元力特性
図  入力地震波と２階建の応答値
63-4