昭 和 電 線 レ ビ ュ ー26

Vol. 66 (2020)

伝統的木造建物の特徴を考慮した粘弾性ダンパーの適用設計
Application Designs of Visco-elastic Damper Considering Characteristics
of Traditional Wooden Building
三須基規

加藤直樹

Motoki MISU

佐藤信夫＊Naoki KATO

内 田 龍 一 郎 ＊＊＊Ryuichiro UCHIDA

花 里 利 一 ＊＊Nobuo SATO

荻 原 幸 夫 ＊＊＊＊
Yukio OGIWARA

Toshikazu HANAZATO

坂本功 ＊＊＊＊＊

Isao SAKAMOTO

神社仏閣に代表される伝統的木造建物には柱と梁の接合方法や木材のめり込み等，鉄骨造やコンクリート造に無い構造的な特徴がある。既存建物の改修では歴史的重要度に応じた制約もあり，汎用の耐震補強製品の適用が難しい。
粘弾性体は加振速度に応じて弾性が変化するので，長期間に渡って生じる変位に追従しながら地震時に所定の性能を発揮できる。この材料特性を活かした粘弾性ダンパーを設計製作して，伝統的木造建物の接合部のめり込みやガタを吸収しながら地震力を低減できる新しい振動制御技術の実現に貢献した。
Traditional wooden buildings have features and restrictions not found in steel and concrete structures, such as
connection of columns and beams. Furthermore, it is difficult to apply general reinforcing products in the renovation.
Visco-elastic damper can reduce seismic force while absorbing long-term displacement due to velocity dependence ofmaterial. The dampers considering material properties have contributed to the realization of new vibration control
technologies for slip at connections of traditional wooden building.

1．はじめに神社仏閣は，特性や形状が規格化された材料による住宅
より高層または大空間の伝統的木造建物が多く，その挙動の定量評価は難しい。例えば五重塔は江戸時代以前に建立さ現在，松井建設株式会社は三重大学花里研究室他と共同で，古来から継承された伝統的木造建物の特徴を活かした制振構造の実用化に取り組んでおり，当社は用途や制約に応じて粘弾性ダンパーの設計・製作を担当している。
そこで本論文では，伝統的木造建物の制振構造に必要なれた現存 22 基中，修理記録から詳細が分かった 12 基は震粘弾性体材料特性の評価結果と，新築五重塔及び既存本堂

度 6 以上と推定される地震に 16 回遭遇して，うち 7 回（5 基）に設置された粘弾性ダンパーの製品設計について報告する。

で傾斜や後述する頂部の部分被害を受け，記録に残るだけ

2．伝統的木造建物と粘弾性ダンパーの特徴

でも平均すると 60 年に 1 度は修理されている 1）。一方で地伝統的木造建物の特徴震によって倒壊したという史料は残されていないので，五2.1

重塔は相応の構造安全性を有し，継続的な修理でその性能

伝統的木造建物の主な特徴や制約を以下に示す。

を維持している木造建物と言える。

〈新築建物〉

また文化財に指定された木造建物のうち室内に大空間を有する本堂は，歴史的背景や用途等から大幅な建物構造の・時間経過に伴って，柱や梁の接合部で自重による鉛直変位の漸増（クリープ）が進行する可能性がある

変更や追加工が難しい 2）。そのため構造安全性を定量評価〈既存建物〉しながら最新の地震対策技術を効果的に適用する取り組み

・伐採時の丸太形状を活かした梁の場合，その断面寸法や，今後の維持管理を考慮した改修技術が求められている。

や形状が一様とは限らない
・文化財は歴史的経緯や意匠への配慮が必要で，例えば*		 松井建設株式会社**		 三重大学*** 内田建築構造コンサルタント**** 元 株式会社田治見エンジニアリングサービス***** 東京大学

開口部への耐震壁の設置や追加工等が極めて難しい〈新築・既存共通〉
・接合部で木材に「めり込み」が起きると水平加振時に変位原点付近でスリップ（ガタ）が生じる場合がある伝統的木造建物の特徴を考慮した粘弾性ダンパーの適用設計

2.2

粘弾性ダンパーの概要

271500粘弾性ダンパーは粘性と弾性を併せ持つ粘弾性体を鋼板重で振動低減と剛性補強を得る製品である。ここで図中「長さ方向」と「幅方向」を，伝統的木造建物のクリープ等の長期使用時の変位方向と地震力の作用方向に合わせて設置すれば，接合部のガタ等を吸収しながら地震力を低減できせん断荷重［N］に接着させ，図 1 のせん断変位時に粘弾性体が発生する荷0

ひずみ振幅±50％
ひずみ振幅±100％ると考えられる。
−1500
−8

長さ方向
幅方向

粘弾性体

−40
せん断変位［mm］

48（ａ）試験順序①②：初期変位前のせん断荷重−変位関係

せん断変位
接着面

厚さ0

幅方向

せん断荷重［N］

鋼板
接着範囲

長さ方向

図12.3

せん断変位時の粘弾性体−50−100−150−200

初期変位が粘弾性体の特性に与える影響の検証

0昭和電線製ジエン系粘弾性体 SDM-13）が所定のせん断変

20406080100

初期変位を与えてからの経過時間［sec］

位を受けた状態で地震力を与えられた時の挙動を評価す（ｂ）試験順序③：せん断荷重の経過時間変化るため，図 2 の試験体にせん断ひずみ 25％相当の初期変位−1.25 mm を与える前後で振動数 0.5 Hz，ひずみ振幅±50％及び± 100％の正弦波を 5 サイクル加振した。また初1500

初期変位測定値：−1.33 mm間隔で記録した。試験条件を表 1，
試験結果 4）を図 3 に示す。

15020M12

正弦波加振方向

305040

初期変位

粘弾性体10

せん断荷重［N］

期変位を与えてから 95 秒後までのせん断荷重を 5 ～ 10 秒

0（ひずみ振幅25%）

ひずみ振幅±100％55555M6 40−1500−8③初期変位を与える④初期変位を与えて5 分後の特性⑤⑥⑦初期変位を与えて6 時間後の特性

1500

正弦波加振

ひずみ 変位［％］ ［mm］
00

振動数［Hz］
0.5－−25−1.250.5

ひずみ［％］

変形［mm］± 50± 2.5± 100± 5.0－

－

± 50

± 2.5

± 100

± 5.0

± 50

± 2.5± 100± 5.0

せん断荷重［N］

試験条件

初期②8

初期変位測定値：−1.29 mm

試験体：単位 mm
表1

初期変位を受けない時の特性

4（ｃ）試験順序④⑤：初期変位5分後のせん断荷重−変位関係

5

図2

①0
せん断変位［mm］

40 50

せん断荷重
せん断変位

試験順序・項目

−4

鋼板
5正側

ひずみ振幅±50％0

ひずみ振幅±50％
ひずみ振幅±100％−1500−8−40
せん断変位［mm］

4（ｄ）試験順序⑥⑦：初期変位6時間後のせん断荷重−変位関係

図3

試験結果

8

昭 和 電 線 レ ビ ュ ー

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3．適せん断荷重－変位関係は初期変位前の試験順序①②と，

用

事

例

新築五重塔への製品設計・製作内容

初期変位を与えた後の試験順序④⑤で殆ど変化しなかった。

3.1

初期変位を与えた直後のせん断荷重−184 N は図 3（ｂ）の東長寺（福岡県福岡市）五重塔は 2011 年 3 月の竣工後，とおり時間経過に伴う応力緩和で約 1/5 に相当する−35 N

設計時の地震応答解析結果や，2014 年 3 月伊予灘地震及びまで減少した。試験順序⑥⑦でも同様のせん断荷重－変位

2016 年 3 月熊本地震の観測結果等が報告されている 5），6）。

関係を描いていたので，初期変位で発生したせん断荷重は五重塔の構造的な挙動についてはこれらに譲り，ここでは数十秒で応力緩和したまま安定したと考えられる。

粘弾性ダンパーへの要求事項と製品設計について述べる。

正弦波加振 3 サイクル目の材料特性を定量評価するため
図 4 の等価剛性 Keq と減衰係数 Ceq を算出した結果を図5 に示す。ひずみ 25％相当の初期変位はこれらに殆ど影響相輪を与えなかった。粘弾性体は分子鎖がランダムに折り畳まれた高分子材料なので接着面に並行する方向は等しくせん

心柱

図7（ａ）
ダンパー設置個所断変位である。従って，もし正弦波加振直交方向に初期変位を与えても同様の挙動を示すと推定される。
このような特徴を持つ粘弾性体を伝統的木造建物に適用すれば，木材のめり込みや接合部のガタには柔らかく追従

塔身しながら地震力には所定の特性を発揮できると考えられる。
Keq ： Xmax 〜 Xmin 間の傾き

△W

せん断荷重点

せん断変位

Ceq ＝
heq ＝

図4Keq

heq：振動数π f（ａ）断面図；単位 mm△W

図64π W（ｂ）外観

東長寺五重塔 4），5）

前掲 1 章「頂部の部分被害」には図 6 の相輪（そうりん）

等価剛性 Keq，減衰係数 Ceq 算出方法と呼ばれる部分が地震で塔身（とうしん）に接触して変形・損傷した場合が含まれる。そのため相輪と塔身を守るために限られた空間へ相応の減衰と剛性を発揮するダンパーを等価剛性［N/mm］

4 方向に設置する必要があった。更にダンパーはクリープ
300±2.5 mm±5 mm

200方向の地震力を低減できることが求められた。
そこで粘弾性ダンパーを下記内容で設計・製作した 5），7）。
・粘弾性体を図 7 に示す縦向き 2 層形状として鉛直方向100にもせん断変位できる形状とした。
・粘 弾性体接着部分以外の各部品をボルト接合として，

05分経過

6時間経過

初期変位前

設置位置に応じて施工時に調節できる形状とした。
・粘弾性ダンパーと取付金物はピン接合として水平方向

初期変位後に自在に変形・回転できるようにした。

（ａ）等価剛性Keq

減衰係数［N･s/mm］と呼ばれる自重による鉛直変位の漸増に追従しながら水平・ピ ンは頭部直径が大きくなるように切削加工をして，粘弾性ダンパーと取付金物の取り合い孔を重ねて上か60±2.5 mm±5 mm

ら落とし込むことで脱落しない形状とした。
・更 にピンの下部に脱落防止用の止め輪をはめ込んで，40もし心柱と塔身間の鉛直変位が大きくなっても粘弾性ダンパーは外れない構造とした。

20・鋼材，ボルト，ピン類の材質は全てステンレスとして
05分経過
初期変位前

6時間経過
初期変位後

（ｂ）減衰係数Ceq

図5等価剛性 Keq，減衰係数 Ceq 算出結果

長期使用時の発錆対策とした。
東長寺五重塔に設置された粘弾性ダンパーを図 8 に示す。
なお竣工後に観測を継続していたクリープは想定の範囲内で推移していた 8）ので，今後の地震時に所定の機能を発揮できると考えられる。伝統的木造建物の特徴を考慮した粘弾性ダンパーの適用設計
粘弾性体：100×72×厚さ10 mm−2層

粘弾性ダンパー29

前掲 1 章のとおり本堂の室内に耐力壁を設置できないので，図 9（ａ）着色部に示す小屋裏（こやうら）と呼ばれる空間の，天井板の上に位置する梁に粘弾性ダンパーを設

ピン

心柱ボルト接合置することとした。しかし設置位置の梁の直径や断面形状等を事前に測定した結果に合わせてダンパーを個別に設計・製作する必要があった。更に文化財なので梁への加工脱落防止用の止め輪（ａ）心柱への配置

図7や，荷重の集中によるめり込みを避ける必要があった。

（ｂ）粘弾性ダンパー形状

そこで粘弾性ダンパーを下記内容で設計・製作した 9），10）。

五重塔用粘弾性ダンパー 4），5），7）

・ダ ンパーは小屋裏の外周部に沿って図 9（ｃ）赤線の20 箇所に分散設置した。
・事 前に測定した設置位置寸法から図 10 に示す長さ調

粘弾性ダンパー整ブレースは 12 種類製作（8 箇所で共用）して，粘弾性ダンパー片端にボルト接合して計 20 体とした。
・粘弾性ダンパーは 20 体とも共通の横向き 2 層形状とし心柱
塔身
ピンを上から落とし込むてテフロン部品を四隅に組み込むことで，粘弾性体の厚さを維持しながら長さ調整ブレースの重量を支持してスムーズにせん断変位できる構造とした。

取付金物

取付金物

（ａ）取付金物への仮組み

図8（ｂ）下から見た設置状態

・ダンパーと取付金物はピン接合として水平方向に自在に変形・回転できるようにした。なお隣接する梁間の鉛直変位差は小さいと予想されたことや強度からピン東長寺五重塔への設置状態は六角ナットで固定した。また長さ調整用ブレースの片端に球面軸受を組み込んで，粘弾性体に曲げまたは3.2既設本堂への製品設計・製作内容ねじり変形が与えられないようにした。

長念寺（神奈川県川崎市）本堂は 1824 年に建立され，・ゴムシートを巻いた梁を取付金物で挟んで通しボルト

1923 年関東地震で受けた被害の復興工事を経て 1990 年にと六角ナットで締め付けることで，取付金物の回転や川崎市の市重要歴史記念物に指定された。近年では屋根の葺き替えや基礎補強等が実施され，併せて粘弾性ダンパー設置工事も実施され，2017 年に竣工した。こちらも本堂のガタ，梁へのめり込みを防いだ。
・粘弾性ダンパー，長さ調整用ブレース，取付金物等の材質は前掲 3.1 節と同様に全てステンレスとした。

地震応答解析や振動測定結果は報告されている 9）ので同様

長念寺本堂に設置された粘弾性ダンパーを図 11 に示す。に粘弾性ダンパーへの要求事項と製品設計について述べる。

こちらも地震観測を実施しているので，今後はダンパーの設置効果を検証できると考えられる。
粘弾性ダンパー（共通）

長さ調整ブレース

粘弾性体：
216×100×厚さ10 mm−2層

小屋裏
図9（ｃ）

1425

ダンパー
設置箇所
天井板

長さ800 mm以上は分割して施工時の重量を軽減

ボルト接合

ピン孔

球面軸受

テフロン部品（ａ）断面：単位 mm（ｂ）外観

図 10

本堂用粘弾性ダンパーと長さ調整ブレース 9）

粘弾性ダンパー
長さ調整用ブレース

柱長さ調整ブレース
梁16800

粘弾性ダンパーピンと六角ナット 粘弾性ダンパー

梁
17400

取付金物

柱梁

取付金物

（ｃ）ダンパー配置；単位 mm

図9（ｄ）取付状態イメージ図

長念寺本堂 9）（ａ）側面から

図 11通しボルトと六角ナット
ゴムシート（ｂ）斜め上から長念寺本堂への設置状態

梁昭 和 電 線 レ ビ ュ ー30

4．まとVol. 66 (2020)め

研究者や建物設計・施工者と共同で，柱や梁の接合部における長期使用時に発生する変位に追従しながら地震力を低減できる粘弾性ダンパーを設計・製作した。その結果，

昭和電線ケーブルシステム㈱三須 基規（みす もとき）
免震制振部 技術課
免制震製品の設計・開発に従事

新築五重塔や既存本堂の制振構造の実現に貢献できた。
しかし伝統的木造建物の挙動は未解明の部分があるので今後も地震観測結果から検証を進める予定である。

謝辞

東長寺の藤田紫雲住職と長念寺の小林泰善住職には建設工事中に格別のご配慮を頂きました。また粘弾性ダンパー
設計に必要な伝統的木造建物の構造解析では元 株式会社

昭和電線ケーブルシステム㈱加藤 直樹（かとう免震制振部長

松井建設株式会社

なおき）

佐藤 信夫（さとう
博士（工学）
技術部 技術課のぶお）

アーク情報システムの田中規子氏，東長寺の振動測定では福岡大学髙山峯夫教授，測定・解析作業では福岡大学髙山
研究室と三重大学花里研究室の学生諸氏に多大なご協力を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。

三重大学

花里 利一（はなざと としかず）
工学博士
大学院 工学研究科 建築学専攻 教授

参考文献1）‌濵島正士，他：五重塔のはなし，建築資料研究社（2010）2）‌佐 藤信夫：粘弾性ダンパーを水平方向に付加した伝統的木造建物の制振補強に関する研究，三重大学学位論文（2020）3）‌曽 田五月也，他 : 建築用高機能粘弾性ダンパーの開発，昭和電線
レビュー，Vol. 48, No. 2, pp. 96-102（1998）
4）‌H anazato, T., et al: Seismic Design and Construction of a

内田建築構造コンサルタント
内田 龍一郎（うちだ博士（工学）りゅういちろう）

元 株式会社田治見エンジニアリングサービス
荻原幸夫（おぎわらゆきお）

Traditional Timber-Made Five-Storied Pagoda by Applying
C oupled Vibra tio n C ontrol , 15th W orl d C onf ere nc e o nEarthquake Engineering (2012)5）‌佐 藤信夫，他 : 木造五重塔の心柱の応答制御技術，日本建築学会
技術報告集，第 24 巻，第 57 号，pp. 619-624（2018）6）‌大 村祐樹，他 : 心柱に制振工法を用いた伝統的木造五重塔の地震
時挙動－ 2016 年 4 月 14 日熊本地震による観測記録－，日本建築学会大会学術講演梗概集，pp. 595-596（2019）7）‌木 造多重塔の制振構造，特許第 5263843 号
8）佐藤信夫，他 : 伝統構法による新築木造五重塔の鉛直変位の測定，
日本建築学会大会学術講演梗概集，pp. 287-288（2016）9）佐藤信夫，他 : 水平構面に粘弾性ダンパーを付加した木造本堂の制振技術，日本地震工学会論文集，
20 巻，
第 4 号，
p.4_38-4_55（2020）
10）伝統木造建物の水平構面制振補強方法，特許第 6095017 号

東京大学

坂本 功（さかもと工学博士
名誉教授いさお）