産業素材

粘弾性ダンパーによるケーブルラックの制振化
Viscoelastic Rubber Dampers for Cable Racks
＊野村武史

川畑陽輔

高田友和

池田孝

浅妻栄作

舟橋純

Takeshi Nomura

Takashi Ikeda

Yosuke Kawabata

Tomokazu Takada

Eisaku Asatsuma

Jun Funahashi

建築物や工場に設置される電気配線用ケーブルラックは、非構造部材であるため耐震設計された構造物に対し地震時の損傷が多くみられた。このため本稿では、実際の設置状況に即した試験体を製作し実大振動台実験によりケーブルラックの振動特性を調査し、損傷や落下を有効的に防止する制振構造の最適化を行った。さらに、実用を想定した既存建物への施工性についても検証した。
Cable racks for electrical wiring in buildings and factories have received a lot of damage during earthquakes compared tothose in seismic structures because they are non-structural materials. We investigated the vibration characteristics of thecable racks by shaking test tables in actual use conditions. Then we optimized the damping structure of the racks toenable them to hold wires tightly and prevent damage effectively. We also examined the workability of the rack structure
for existing buildings.
キーワード：ケーブルラック、非構造部材、制振、粘弾性ダンパー

1.

緒

言る。実験においては特に落下の原因となるケーブルラックと2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震では、非構造部材の損傷が多くみられ、その被害は甚大であった。

直交方向の入力に対する耐震性を評価対象として得られた結果を報告する。

非構造部材の一つである電気設備では、ケーブルラックの被害が全体の68%を占めていたという報告がある（1）。ケーブ
ルは重量物であり、写真1のように落下すれば人命に関わる

2.

ケーブルラックシステム

ため、その耐震性を向上させることは重要である。既往の研（1）ケーブルラックシステムの概要

究としては角、寺本らによる研究 がある。また、民間企業

ケーブルラックとは電力幹線や通信幹線、各種ケーブル類による検証も行われているものの、学術論文等の報告数は少を整理して乗せるための部材で、配管工事などと比べて施工ない。

性が良く、大量のケーブルを敷設するのに適したシステムで（2）

そこで本稿では、ケーブルラックの各種地震対策方法のある。図1のように、水平構面は親桁と子桁が梯子状に組まれ特性を振動台実験にて評価し、効果を確認した。その結果当ることにより構成されており、親桁と子桁はそれぞれ溶接に社の粘弾性ダンパーを使用した制振システム“Nsys（エヌシより接続されている。スラブに埋め込んだインサートや鉄骨ス）”がケーブルラックメーカーであるネグロス電工㈱よりにとめた金具などから吊りボルトを下し、ラック支持材で吊リリースされた。ここでは、実験と製品概要について紹介すりボルトの自重を支える。耐震要素として12m間隔以下でブレース等を配置するように定められている（3）。本研究では、規模の大きいものとして幅1000mmのものを対象とする。

写真1

128

ケーブルラックの落下

粘弾性ダンパーによるケーブルラックの制振化

図1

実験の対象とするケーブルラックシステム

3.

（2）耐震要素と提案する制振部材

振動台実験計画

3－1

本研究では振動台実験に用いる耐震要素として図3に示す試験体概要およびパラメータ3種類を用いる。ターンバックルによる一般的な耐震ブレー試験体は、10.8mごとに耐震要素が入ったケーブルラッスを用いたもの（図2（a））
、耐震ブレースの代わりに粘弾性クを想定し、対称性を考慮して5.4mの区間を取り出したもダンパーを配置したもの（図2（b））
、耐震補強を想定し、吊のとする。試験体の基本架構を図3に示す。ケーブルラック

りボルト間に粘弾性ダンパーを配置したもの（図2（c））がは1.8m間隔で吊りボルトおよびラック支持材により鉛直方ある。粘弾性ダンパーを配置した構面では、吊りボルトを向に支持されている。試験体の両端、すなわちY1、Y4構面

図2（d）のように座屈補剛し、かつ補剛材と吊りボルトの間には耐震要素、もしくは粘弾性ダンパーが配置され、その配には図2（b）（c）で示す場所に樹脂系のスペーサーを入れて、置が試験体のパラメータとなる。ケーブルの質量は97.2kg/いる。ダンパーは外筒と内筒の間に厚さ5mmのスチレン系m、ケーブルラックの質量は8.9kg/mである。またケーブ

高減衰粘弾性材料を挟みこみ接着されたもので、それを直ルの境界条件を考慮して、試験体の両端部では鉄板により列につなげており、実質10mmの厚さとなるようにしていケーブルの長手方向の動きを拘束している。実施工と同条件る。表1に供試したダンパーの性能諸元を示す。ここでK'dを想定して、2.7m間隔でナイロンバンドによりケーブルとは等価せん断剛性、Cdは等価せん断減衰係数とする（4）。ダ子桁と結束した。

ンパー同士は内筒をM6ドリルねじで固定し、外筒はM12中ボルトで架構に接続している。

吊りﾎﾞﾙﾄﾗｯｸ支持材

ｽﾍﾟｰｻｰの位置
ﾀｰﾝﾊﾞｯｸﾙ(a) Br構面

70627ZX150

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ

1 ,8 0 0 ×

Y1(b) VE構面

3 = 5 ,4Y2

吊りﾎﾞﾙﾄ450

1,000Y4

図3

座屈補剛(c) VE(R)構面

00

Y3

樹脂系
ｽﾍﾟｰｻｰ

ｽﾍﾟｰｻｰの位置

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ

Y

1,000

62

13,1

試験体概要図（試験体Br-Noの場合。ケーブルは描いていない）(d) 補強吊りボルトの断図2

鉛直構面詳細試験体のパラメータ一覧を表2に示す。Br-Noが一般的な
表1仕様と位置づけられる試験体で、Y1構面のみに耐震ブレー

制振ダンパーの諸元値許容せん断ひずみ250%

限界せん断ひずみ

500%

動的性能
※基準条件

スが入っている。Br-Brは追加でY4構面にも耐震ブレースを入れたもので、Br-VEとBr-VE(R)は代わりにダンパーを入K'd3.28 kN/cmれた試験体である。Br(R)-VE(R)+CoはBr-VE(R)の水平構面

Cd0.446 kN・s/cmを厚さ1.6mmの底板カバーで補強したものである。Br(R)-減衰力

3.24 kN

VE(R)+Co試験体のY1構面の吊りボルトのみ、Y1構面の吊※温度：20℃ 周波数：1Hz せん断ひずみ：1.5

表2

試験体パラメータ

試験体名

Br-No

Br-Br

Br-VE

Br-VE(R)

Br(R)-VE(R)+Co

固有周期

0.706秒

0.319秒

0.322秒

0.324秒0.234秒

減衰定数

2.5%

2.9%

4.1%

4.2%

5.1%

粘弾性量－－100cm 2×2本150cm 2150cm 2カバー－－－－○座屈補剛

耐震ﾌﾞﾚｰｽ

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ

ﾀﾞﾝﾊﾟｰ

形状
耐震ﾌﾞﾚｰｽ

耐震ﾌﾞﾚｰｽ

耐震ﾌﾞﾚｰｽ

耐震ﾌﾞﾚｰｽ

耐震ﾌﾞﾚｰｽ
底板ｶﾊﾞｰ2016 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 188 号

129

りボルトも座屈補剛している。試験体名のBrは耐震ブレー

た（u1～u4）。試験体のZ軸回りの回転を確認するために、ス（Brace）、VEは粘弾性ダンパー（ViscoElastic）、Rは耐震

Y1構面のY方向変位を計測した（δy1, δy2）
。ダンパー周補強（Retroﬁt）、Coは底板カバー（Cover）を意味する。

辺の計測を図6（b）に示す。内筒に貼った歪ゲージからダン試験体のセットアップを図4に示す。ボールねじ式の振動

パー軸力（Fd）を求めた。2つの粘弾性体に2ヶ所ずつ変位計台に吊りフレームを設置し、吊りフレームにケーブルラッを設置しており、ダンパー変位udは式（1a）で求める。接合

クを取り付けた。加振方向はX方向である。吊りフレームの部などのダンパー変形以外の影響を調べるために全体変位1次固有振動数は、衝撃力による自由振動の結果、約50Hzuaも計測しており、式（1b）で求める。粘弾性ダンパーにはであった。境界条件を満足するために、図5のように、Y1計4本の熱電対を挿入し、加振開始時の粘弾性ダンパーの温構面の近辺でケーブルラックのZ軸周りの回転を拘束する治度は20±0.2℃で温度管理を行った。

具を取り付けた。X方向（加振方向）の動きに抵抗せず、Y方.....（1a, b）

向の力に高剛性で抵抗する機構を作るため、親桁には抑えバーを取り付け、その下のL型鋼をボールキャスターで挟んだ。ボールキャスター間の距離は、下にある薄板で調整してその他に、吊りボルトや耐震ブレースにも歪ゲージを貼おり、L型鋼との隙間は0.7mm以下となるようにした。なり、軸力やモーメント分布を計測した。また、耐震ブレース

お、Z軸回りの回転拘束は上記のY1構面のみで行っているでもダンパーと同様に全体変形を計測した。

が、これはケーブルラックの変形状態はせん断変形が支配的で、曲げ変形はほとんどないと考えられるためである。

δ y1

吊りフレームu tot 1・・

u1

δ y2

u tot 2・・u2

u tot 3・・

u3u tot 4・・

u g1・・

u4

u g2・・(a) 耐力要素以外
Z
回転拘束治具

振動台

加振方向

図4

熱電対

u a1

YX

ua2

振動台実験のセットアップ

ud1

ud3

ud2

(b) ダンパー周辺
吊りボルト（Y1構面）
抑えバー

親桁

ボールキャスター

図6Z

図5

振動台実験の計測計画

YX
振動台

調整薄板

ud4
歪ゲージ

Z軸回りの回転拘束治具

3－3

加振計画と応答スペクトル

ケーブルラックのような非構造部材は、一般に建物応答が入力として加わるが、ここでは特定の建物を想定せず、様々な周期帯に影響する波の中で一般的な波として
BCJ-L2※1 を採用した。BCJ-L2波は基準化して用いており、10%→30%→50%→70%→100%→170%の順に行った。

3－2

計測計画

各入力の間には10%の入力を行い、試験体の動的特性の変図6（a）に示す計測計画のように、加振方向両端に加速度.. ..
計を配置した（ug1, ug2）
。また、全体挙動としてY1～Y4構面..
..
、振動台と固のラック支持材に加速度計を配置し（utot1～utot4）

動を把握している。

定した治具から相対水平変位をワイヤー変位計により計測し体的に目標値よりも3割程度高い傾向となった。ただし、試130

粘弾性ダンパーによるケーブルラックの制振化

BCJ-L2_170%加振で計測された入力地震動の加速度応答スペクトルを図7に示す。周期帯により傾向は異なるが、全験体の挙動が振動台の制御に影響していると考えられ、試験悪かったと考えられる。ダンパーの取り付け方法が違うBr-体の固有周期近辺ではそれ以外の周期帯よりも若干低くなる

VE(R)とBr-VEの比較では、制振補強の施工を考慮している傾向がみられる。

Br-VE(R)でもBr-VEと同等な効果が発揮できている。ラックの剛性を高くするためにカバーを付けて、更に制振要素としてダンパーを取り付けることで地震応答を大幅に低減させる

S pa (gal)4000

S pa (gal)S pa (gal)h =2 , 5 , 1 0 , 2 0%

ことができた。
4－22000の上昇温度とエネルギー吸収量を表3に示す。最大せん断

1000
0

ダンパー及び耐震ブレースの履歴

ダンパーの荷重－変形関係を図9に、各試験体のダンパー

3000

T(s)
00.4

0.8

1.2

1.6(a) Br-No

図74.

T(s)

00.4

0.8

1.2(b) Br-VE(R)1.6

歪、伝達関数のカーブフィッティングより求めた固有円振動T(s)00.40.8

1.2

1.6(c) Br(R)-VE(R)+Co

実験値

入力波の応答スペクトル（実践：計測、破線：目標）

6振動台実験結果

4－16Fd(kN)

442200-2-2-4-4

最大応答-6最大応答変位・加速度をそれぞれ図8に示す。高振動数の-30-20-1001020ud(mm) -6-30306

期0.06秒以下はカットした。耐震構面の間隔が違うBr-No

4422るが、加速度が大きくなっている。耐震・制振の違いである

00-2-2

Br-BrとBr(R)-VE(R)+Coで比較すると、制振のBr(R)-VE(R)-6られている。カバーの有無のBr(R)-VE(R)+CoとBr-VE(R)の-30-20なしではケーブルラックの剛性が低く、力の伝達の効率が100%
最大変形

170%

1 70%

2100%

170%3
最大変位変位 (mm)240

変位 (mm)240-10図9Br-NoBr-Br01020ud(mm) -6-3030240

変位 (mm)

最大変位2001601601601601201201201208080808040404040000Y2Y3Y4最大加速度

Y1

Y2加速度(gal)

2500

Y3

Y12500Y2加速度(gal)Y3

Y4最大加速度

Y1

2000

2000

2000

1500

1500

1500

1500

1000

1000

1000

1000

500

500

500

500

000Y2

変形 (mm)120

Y3Y4Y1変形 (mm)120

最大変形Y2Y3Y4

最大変形

120

Y1

Y2

変形 (mm)

Y30Y4

最大変形

100

100

10080808080606060604040404020202020000Y2Y3

図8Y4Y1Y2Y3Y4Y1Y2Y1変形 (mm)120100Y101020ud(mm)30Br-VE(R)Br-VE
最大変位Y3Y40Y2
加速度(gal)

2500

2000

Y1-100Y4最大加速度

変位 (mm)

240

200

加速度
(gal)

-20

Br(R)-VE(R)+Co
Br-VE(R)200

Y1ud(mm)30(d) Br-VE(Fd 2-ud 2)

200

2500

20

ダンパー荷重－変形関係（BCJ-L2-170%)

Br-Br
Br(R)-VE(R)+Co

最大変位

10Fd(kN)(c) Br-VE(Fd 1-ud 1)

比較では、カバーがないBr-VE(R)の応答が大きく、カバー

変形…
70%

0-4-4+Coの方がより最大変位・変形共に小さく、加速度も抑え-10(b) Br-VE(R)
6Fd(kN)とBr-Brで比較すると、Br-Brは変位・変形が小さくなってい120
100806040200-20(a) Br(R)-VE(R)+Co

ノイズを取り除くため、加速度はローパスフィルタにより周計算値

Fd(kN)Y1

Y3Y4Y3Y4Y3Y4最大加速度

Y2最大変形

Y2

最大変位・加速度・変形（上段：変位、中断：加速度、下段：変形）

2016 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 188 号

131

表3

ダンパー上昇温度とエネルギー吸収量（BCJ-L2-170%）

5.

施工検証

実験にて効果を確認した粘弾性ダンパー仕様VE(R)につ

試験体名

上昇温度

エネルギー吸収量

BR(R)-VE(R)+Co

9.22 [℃]5.61 [kN･m]

いて、実際の建物への施工検証を実施した。供試したダBr-VE(R)

6.83 [℃]5.07 [kN･m]

ンパーは、実験に使用した粘弾性体厚み5mmとは異なる

Br-VE

7.22 [℃]5.98 [kN･m]

10mmの仕様を1本／ヵ所設置するタイプを用いた。建物は岩手県金ヶ崎市の商業施設で、既存のケーブルラック（幅：70cm、100cm、吊り長さ：626～1394cm）を対象とし、数、ダンパーの上昇温度（表3）を用いて文献（5）の評価式により求めた粘弾性ダンパーの履歴も合わせて示す。実験値と計算値は楕円の形が概ね一致しており、ダンパーが想定通りに挙動したと言える。ダンパー温度が上がると粘弾性体が軟化するため、最大応答が増加する傾向にあったが、せん断歪250%程度ならダンパーの温度上昇も10℃以内であり9m以内に1本設置されるよう計12ヵ所へ施工した。手順としては、吊りボルトへ座屈防止金具を設置した後にダンパーを取り付けた。その後、延長金具を使用しダンパーの全体の長さの調整を行った。施工後の様子を写真2に示す。作業者
2名にて約30min／ヵ所、合計約7hrにて完了し、特に施工性に問題のないことを確認した。

（表3）、ダンパーの履歴も安定したループを描いていた。ダンパー力とダンパー周辺部の変形（ua - ud）の関係を図10に示す。ダンパー周辺部はほとんど変形しておらず、剛性はダンパー剛性と比べて非常に高いことから、ダンパー接合部や周辺部材は剛に近い理想的な状態であった。耐震ブレースの荷重－変形関係を図11に示す。Br-Br, Br(R)-VE(R)+Co試
験体ともに圧縮時に剛性が著しく低下していることから、耐震ブレースの座屈を確認できる。Br-Br試験体では徐々に負の軸力にシフトしていることから、耐震ブレースの圧縮側が塑性化したと考えられる。一方、Br(R)-VE(R)+Co試験体では、繰り返しが安定していることから弾性範囲内での挙動となっているため、耐震ブレースは試験終了後も健全な状態であったと言える。
写真23設置状況

Fd(kN)

26.

10

ケーブルラックに対する粘弾性ダンパーの制振効果につい-2て、振動台実験により耐震ブレースに比べ入力地震動が大き-0.2-0.1

8 Fb(kN)

8 Fb(kN)

4400-4-4-8-8-12-12-16-7.5-5-2.50(a) Br-Br
図11

くなるほど応答加速度および応答変位をバランスよく低減すua-ud(mm)0.10.20

接合部の剛性（Br(R)-VE(R)+Co-10BCJ-L2-170%)ることを確認した（表4）。変形を抑えるとともに、加速度を低減することは吊り元にかかる荷重の負担を軽減することか

表4項

ub(mm) -162.55-10-7.5-5-2.50ub(mm)2.5570％(b) Br(R)-VE(R)+Co

耐震ブレースの荷重－変形関係（BCJ-L2-170％）

100％

170％

132

言-1-3

図10

結

粘弾性ダンパーによるケーブルラックの制振化

目

従来方法と制振仕様の比較
Br-No

【A】
Br-Br

【B】Br-VE

低減率(B-A)/A

変位 mm

13229.6

31.56%

加速度 cm/s2

998856

737

-14%

変形 mm

46.4

21.4

20.5-4%

変位 mm

16238.1

44.015%加速度 cm/s2

1092

1135

1029

-9%

変形 mm

66.7

29.1

30.65%

変位 mm

232

76.7

84.6

10%

加速度 cm/s2

1312

2490

1774

-29%

変形 mm

111

58.5

59.0

1%

者 ----------------------------------------------------------------------------------

ら従来仕様に対し、よりケーブルラックの落下リスクを軽減執筆することができると考えられる。また、本システムにおいて野村

武 史＊ ：住友理工㈱ 化工品事業部住宅技術部長

川畑陽 輔 ：住友理工㈱住宅技術部

高田友 和 ：住友理工㈱ 化工品事業部
住宅技術部 課長

耐震補強を想定した既存建物への施工性確認を実施し実用化へと進めることができた。今後は動的シミュレーションによる効果予測方法を確立し本構法の普及を推進していく。

化工品事業部

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

BCJ-L2（財）日本建築センターが作成した大地震を想定した設計用入力地震動である模擬地震波形。100%の場合の最大速度、最大加速度の入力はそれぞれ57.4cm/sec、355.7cm/sec2であり、計測震度階は震度6強。

池田孝 ：ネグロス電工㈱
部長代理

製品開発部

浅妻

栄 作 ：ネグロス電工㈱
課長補佐

製品開発部

舟橋

純 ：ネグロス電工㈱
参事

製品開発部

・Nsys（エヌシス）は、ネグロス電工㈱の登録商標です。

参 考 文 献（1） 須藤諭、「電気設備の被害」、第60回東北環境設備研究会／シンポジ
ウム『東日本大震災・建築設備被害報告と今後に向けて』、pp. 9-11（2012.3）（2） 角耀、寺本隆幸、大宮幸、篠崎政樹、「電気設備ケーブルラックの耐震性に関する研究」、電気設備学会誌、Vol.24、pp.804-810（2004.10）（3） 日本建築センター編、建築設備耐震設計・施工指針 2014年版（2012.7）（4） 日本免震構造協会編、「パッシブ制振構造設計・施工マニュアル」第3版、
P193（5） 野村武史、小原勝彦、千田諭、「木造軸組構法向け制震ダンパーの開発
その1 ブレースタイプの力学特性およびモデル化」、日本建築学会大会
学術講演梗概集、C-1、pp. 469-470（2009.7）---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

2016 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 188 号

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