コンクリート構造入門 第 6 回地震に耐えるための設計と構造
1．はじめににはおこるかもしれない大地震に対しては多少壊れて前回までに、鉄筋コンクリート構造物に力が作用し多少壊れてもよいといっても、人命にかかわるようなもよいとして設計されています。この場合、大地震でたときに、柱や梁などの部材の内部にどのような応力崩壊はしないように設計することが大切です。

が生じ、その結果部材がどのように壊れていくのか説

地震はもともと地面の振動ですから、建物の振動に明しました。

対する性質に応じて、建物に作用する水平力の大きさ

実際の構造物にはさまざまな力が作用しますが、構も変わってきます。この振動に対する性質として重要造物を設計する際に、わが国において最も考慮しなけなのが固有周期と呼ばれるものです。たとえば大男がればならない力は地震による力といえるでしょう。今いて、高層ビルの一番上を水平に 1m ほど押してから回はコンクリート構造入門の最終回にあたり、この地手を離した状態を想像してみてください。建物の最上震に対する設計の考え方と、免震や制振といった対応部はもとの位置に戻ろうとし、もとの位置を 1m ほど技術について説明したいと思います。

行き過ぎて、また逆方向に動きはじめるでしょう。このように建物は何回か行ったり来たりの運動をするこ

2．耐震設計とになりますが、1 回行って、また帰ってくるまでに地震が起こると構造物は水平方向や垂直方向に揺す

期は建物の形状、特に高さの影響を大きく受けます。

られるわけですが、設計にあたっては構造物に水平方低層の建物では 0.1 から 0.5 秒程度ですが、高層にな向の力が作用したものとして計算していきます。地震るほど周期が長くなり、200 ～ 300m の高層ビルになにより生じる水平方向の力の大きさを決め、これにると固有周期は 3 ～ 6 秒くらいとなります。

かかる時間がその建物の固有周期になります。固有周よって柱や梁に生じる応力を計算し、この応力が材料

地震による地面の揺れは地震計などに記録されていの強度を超えないように部材の寸法、コンクリートのます。地震の波形、たとえば阪神淡路大震災のときの強度、鉄筋の本数などを決めていくのが許容応力度等波形などをみても、特に一定の周期で揺れているよう計算と呼ばれる設計方法です。許容応力度等計算は耐にはみえません。しかし地震の波形はいろいろな周期震設計法の一種ですが、基本的には地震に耐えられるの振動が合成されてできていると考えることもできる頑丈な建物を作ればよいという考え方にたっています。のです。詳細に分析すると、地震によってある周期の今まで観測された最大の地震が起こっても、まった近辺の揺れが強く、ある周期の近辺の揺れが弱いといく損傷を受けないように設計することも技術的には可うことがわかってきます。一般の地震では 1 秒以下の能ですが、経済性の観点からは必ずしも最善とはいえ周期の短いところの揺れが強く、長い周期の揺れが弱ません。そこで通常は建物が使用される期間に何度かいことが多くなっています。

起こるであろう中程度の地震に対して、建物は損傷を地震の揺れの周期と建物の固有周期が一致すると、受けないように設計し、建物が使用される期間にまれ建物は大きく揺れることになります。長い定規の端を地震に耐えるための設計と構造

建物
滑り面
表面が平滑な板

水平バネ（建物を元の位置に戻す）

図1

下を持って動かした長い定規の揺れ
左：手をすばやく動かした時
右：手をゆっくり動かした時

図2

滑り摩擦支承による免震持って、できるだけ速く手を前後に動かしても定規はあまり揺れないのに、ゆっくり手を動かすと大きくゴム

鋼板揺れるようなことを経験することがあります（図 1）。
これは手の動きの周期と、定規の固有周期があったときに大きく揺れるためにおこる現象で、共振とよばれ図3ています。長い周期の成分が弱い地震においては、高積層ゴム支承

層ビルは共振することがなく、結果として建物に作用上に載った建物は動かずにいることが観察できるはずする水平力があまり大きくならないことになります。

です。

高層ビルの耐震設計は建物を頑丈にして耐えるというこのような免震装置は滑り摩擦支承と呼ばれ、実際ことではなく、地面の揺れと違う周期で揺れるようにに使われているものですが、この支承だけでは風が吹して、建物に大きな力が作用しないようにしているといても建物が移動したり、地震の際に建物が大移動をいえます。

したりと不都合なことが起こる可能性があります。そこで滑り摩擦支承に加えて、建物が移動したときに元3．免震構造に戻す働きをする工夫が加えられています。その工夫

地面と建物を切り離して、地震によって地面が揺れ滑な板を下に湾曲させて重力でもとの位置に戻るようとしては水平方向のばねとなるゴムを設置したり、平ても、建物を揺れないようにしようというのが免震構にする方法があります。

造の考え方です。建物が揺れなければ、地震による水滑り摩擦支承とは別に、よく使われる免震装置とし平力も作用していないことになり、建物が地震で壊れて積層ゴム支承があります。これは薄いゴムの板と鋼ることはありません。しかしながら地球には重力があ板を交互に重ね合わせて作ったものです（図 3）。建り、建物を宙に浮かすことはできませんので、完全に物と地面を切り離して揺れを伝えないようにするとい切り離すことは実際には不可能です。

うことでは、単に軟らかいゴムの上に建物を載せるこ切り離した状態に近い状態として、滑らかな平面のとでもできそうに感じられますが、ゴムだけでは建物上に載せて、水平方向に力がかかると滑って動くようの重さでつぶれてしまってうまく働かなくなります。

な状態が考えられます。ステンレスの平滑な板を設置

そこで鉛直方向には硬く、水平方向には軟らかい積層し、建物の下に摩擦の小さいテフロンなどを貼り、板ゴムが開発されたのです。の上に載せるという方法です（図 2）。地震が生じた

積層ゴムの中心部に円筒状の鉛を配した鉛プラグ入ときにこの建物を上空から見ることができるとすれり積層ゴムというものもあります。鉛が変形することば、土台のステンレスの板は水平方向に振動しますが、で地震のエネルギーを吸収し、免震効果を高めるようコンクリート構造入門にした支承です。消費されるエネルギーの大きさは、まったくないわけではなく、実際に高層ビルの上部で力の大きさにその力によって動いた距離を掛け合わせは大きな揺れが観測されるという報告もあります。揺た値となります。動かすために大きな力を要し、動いれても壊れるわけではありませんが、中の家具が倒れても壊れない大きな変形能力を持ったものが優れたエたり、船酔いのようになって気分が悪くなるようなこ

ネルギー吸収効果を示すことができます。さらに、通とは好ましいことではありません。このようなことか常使われる天然ゴムに代わってエネルギー吸収能力のら揺れようとする建物の揺れを小さくする技術も開発

高いゴムを用いた高減衰型積層ゴム支承というものもされてきました。これを一般に制振技術と呼んでおり、開発されています。

地震による揺れを抑えるということから制震という字

免震支承は建物の最下部に設置されるのが普通ですがあてられることもあります。

が、必ずしも最下部でなければならないわけではなく、いろいろな制振装置が開発されていますが、代表的中間階に設置された例もあります。また建物の一部や、なものに、錘 ( おもり ) を建物上部に配置し、それを大事な装置だけを免震するということも可能です。美動かすことによって建物の揺れを抑える方法がありま術館で貴重な作品のコーナーだけが免震構造になってす。錘の大きさは建物の質量の 1％程度とされることいることもあります。

が多いようです。建物の揺れを感じるとコンピュー免震構造は新築の建物はもちろんですが、既存の建ターが計算し、揺れを抑える運動を錘に与える方式を物に組み込むことも可能です。使い勝手の面から壁をアクティブ制振と呼んでいます。

増設して耐震性を高めることが現実的でないような建錘の動きを振動にあわせて制御するのではなく、錘物でも、免震装置を入れることで建物全体の地震に対にばねなどをつけて建物の揺れが生じると、その揺れする安全性を確保することができるわけです。

によって錘が動き、この錘の運動が建物の揺れを小さこのように免震構造といってもさまざまなものが開くするということもできます。このような方法をパッ発、実用化されています。開発の歴史は古いのですが、シブ制振と呼んでいます。パッシブ制振には錘として普及が進んだのは阪神淡路大震災のあとからです。免液体の入ったタンクを利用したものもあります。建物震装置の費用が普及のネックだったのですが、コストの揺れによって動く液体の運動が、建物の揺れを抑えパフォーマンスのよい装置の開発と、地震対策の必要ることになります。

性に関する認識の高まりが呼応して、多くの建物に採錘を使わない制振装置として、ダンパーと呼ばれる用されるようになってきました。

エネルギー吸収装置を間柱やブレースに組み込む方法

ここで説明した積層ゴム支承や滑り摩擦支承などのもあります。ダンパーにはピストンが粘性の高い油の免震装置は、地面と建物を完全に切り離しているわけ中を動くようにしたオイルダンパーや、免震装置のとではありませんが、建物の固有周期を大きくする効果ころにでてきた鉛ダンパーなどがあります。

をもっています。高層ビルの耐震で説明したように、免震構造でも建物の固有周期を大きくすることで、短5．最後にい周期に強い揺れのある地震に対して安全な構造体になっているというようにみることができます。

構造入門ということで、数式などは極力使わずに、構造に関する考え方や最近の話題を説明してきまし4．制振構造た。分かりやすくということを第一にしましたので、高層ビルなどでは建物の固有周期が長く、地震の周を感じられたかもしれません。読んでくださった皆様

期とずれていることで大きな力が作用しないというこに少しでも構造を身近に感じ、普段の業務や生活に少とをお話しました。しかし地震に長い周期の成分がしでもお役に立つことになれば幸いです。

構造が専門の方から見ると正確性や厳密性の面で問題