日本建築学会近畿支部
構造力学講究録第 71 号，2024 年 3 月

実大免震試験機と免震建築･制振建築のさらなる推進
和田 章１, 米田雅子２

1.

はじめに免震構造・制振構造に使われる実大の免震部材や制振部材を対象に、大荷重・大変位・実速度の載荷が可能な動的試験機は 20 年以上前に米国、続いて中国、イタリア、トルコなどの地震国に設置され稼働しているが、日本には設置されていなかった。これが可能な実大免震試験機の実現は、構造設計者、橋梁技術者、設計事務所、建設会社、免震部材・制振部材のメーカーだけでなく、土木工学や建築学に関わる研究者の大きな夢であった。日本学術会議、特に土木工学・建築学委員会（委員長: 米田雅子 2017-2020）は公開シンポジウム（2019 年 1 月 15 日、参考１）を主催、そして提言（2019 年 4 月 16 日、参考２、文献１）の発出によって、実大免震試験機の必要性を強く主張してきた。この動きは国土交通省、文部科学省および内閣府に広がり、試験機の具体的な設置への機運が高まっていった。
実大免震試験機に関する研究は、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーシ
ョン創造プログラム（SIP）「国家レジリエンス（防災・減災）の強化」（管理法人：国立研究開発法人防災科学技術研究所）の中の一つの課題として公募が行われ、これに採択されたプロジェクトである。この研究は、京都大学の高橋良和を研究代表者、東京工業大学の竹内徹、吉敷祥一、大成建設の篠崎洋三などの多くの研究者や技術者の叡智を結集し、防災科学技術研究所と E-Defense のご協力を得て実施された。具体的には、構造計画研究所の設計監理のもと、大成建設、三菱重工機械システム、日鉄エンジニアリング、黒沢建設などの先進企業の努力と協力によって 2023 年３月に予定通りに兵庫県三木市の E-Defense の隣地に完成した。
実大免震試験機の設計・製作・施工に携わった研究者および多くの関連企業の 300 人を超える熱意ある人々は、地震国日本には免震構造・制振構造の進展と信頼性確保が重要であるとの共通認識を持ち、世界一の性能の実大免震試験機を設置する目標に向かって真剣に取り組んだ。2023 年 3月号に発表された英文論文 ”High-performance Dynamic Testing Installation for Seismic Isolation
Bearings and Damping Devices” 文献２）のまとめに、本プロジェクトに関わり、支援をいただいた多くの方々の氏名を掲載し謝意を示した。

2.

実践と理論
現在の力学の原点はガリレオ・ガリレイに始まり、約 400 年前に出版された力学に関する著書「新科学対話」は戦前に和訳されている。図１は石材の片持ち梁の強さを調べる実験を表し、石材の幅と成を B と D とするとき、断面の曲げ強さはこの石の引張強さに BD２/2 を乗じて計算できることを示した。現在の教科書では、鋼梁や木梁の断面係数は Z＝BD２/6 とされているが、石材の引っ張り強さが圧縮強さに比べて圧倒的に小さいことを考えると中立軸は圧縮縁端になるためガリレオの計算式の方が正しい。この計算式は曲げを受けて、全断面が折れて破断する石材の姿を見て考えたに違いない。

１２

東京工業大学 名誉教授
東京工業大学 特任教授

図１ 石材の片持ち梁の強さ

図２ 長方形断面の梁の強さの比較

図２は、例えば 1 対 5 の長方形断面の石材を、縦においた場合と横においた場合の曲げ強さを比べている。石の材料強さが同じであれば、BD２/2 式は縦に置くと 25/2、横の場合は 5/2 となり、縦に置いた方が 5 倍強くなる。この考察の手順は、実験の観察から求めた理論を汎用的に応用したことを表す。
我々が扱っている建築構造の安全性確保についても基本的な進め方は同じである。構造部材や構造物の強さや壊れ方を実験によって調べ、この性質を説明できる汎用的な理論を展開し、この理論を実際の構造設計そして施工に役立てる。これらの計算式を活用するためには、鉄骨構造の場合はその構造物に用いる鋼材の強さ、延び能力、靱性が必要であり、鉄筋コンクリート構造の場合についても工事に用いるコンクリートの圧縮強さ、引張り強さ、鉄筋の強度や延び能力などが必要である。これらの材料強度の試験は全国にある公的な第三者の試験機関で行われている。
3.

免震構造および制振構造の安全性確保と信頼性向上
免震構造、制振構造の安全性確保の進め方も基本的に同様であるが、これらの構造に組み込まれる積層ゴムやオイルダンパーなどの免震部材や制振部材が工業製品であるという点が大きく異なる。これらの部材に使われる鋼材、ゴム、粘性体などの材料が仕様書通りの性能や性質を持っていることは大前提であるが、免震部材や制振部材は複雑な工程で生産されるため、加工精度、接着、組立の正確さ、最終的な調整によって各製品の性能が発揮される。これらの性能は手で触れる製品の丁寧な製作によって発揮されるものであり、鋼材やゴムの材料の性質がわかっていても、組み立てた一つ一つの製品の性能の良否を数値解析で調べることは原理的にできない。
メーカー各社は不良品の出荷を起こさないために、免震部材や制振部材の全製品を対象にして、製品に損傷を与えない範囲の荷重、変位、速度の載荷条件で出荷試験を行なっている。この載荷条件は、各社の試験機に能力の限界もあり、免震部材や制振部材が大地震に発揮すべき荷重、変位、速度に比べて小さく、設計者や施工者が期待している製品の性能を十分に調べているとは言えない。
実大免震試験機（E-Isolation）はこの限界を打破するために、2023 年春に設置された公的試験機である。この新しい試験機を活用することにより、免震部材・制振部材の大地震時を想定した大荷重・大変位、実速度の試験が可能になり、新しい免震部材や制振部材の開発研究はもちろん、社会に出荷する各種の製品の第三者試験が可能になり、免震構造および制振構造の安全性の確保と信頼性を圧倒的に向上することができる。

4.

免震部材および制振部材の性能認証と性能確認
実大免震試験機 E-Isolation を活用して免震部材および制振部材の性能を調べ、具体的に建設される免震構造および制振構造の信頼性を確保する仕組として、性能認証（Certificate）と性能確認（Project）を考える。
１）性能認証（Certificate）
製造メーカの申請により、製造メーカが製造している主要な免震部材および制振部材について、3 年に一度の頻度で実大動的試験を実施し、第三者機関として性能を認証する。結果として、発注者、設計者、施工者が安心してこれらの部材を用いることができる。
建設時に試験を行わなくて済むため、建設工事の進捗に影響を与えない利点がある。免震部材および制振部材を多用しない小規模構造や工期が短く性能確認（Project）の試験を行わない免震構造および制振構造の場合に有効な性能認証（Certificate）である。
２）性能確認（Project）
性能確認（Project）は、個別プロジェクトにおいて、その構造物に使われる多数の免震部材および制振部材から試験体を選び、実大動的試験を行い、これらの品質・性能を第三者機関として確認する方法である。大規模な免震構造および制振構造の場合に有用な方法である。実際の建物に使用する免震部材および制振部材の性能を直接確認するので、事前に確認する上記の性能認証（Certificate）と併せて、品質についてより高い信頼性を与えることができる。

5.

実大免震試験機（E-Isolation）
2023 年３月に竣工した実大免震試験機の載荷能力を以下に示し、全景を写真１に示す。
（鉛直方向）
・荷重 36,000kN（静的）30,000kN（動的）・変位： ±12.5cm
・速度： 7cm/sec（水平方向）
・方向： 一方向・荷重： 6,400kN（静的）5,100kN（動的）・変位： ±130cm
・速度： 80cm/sec

写真１ 兵庫県三木市に完成した実大免震試験機（E-Isolation）

写真２ 上加振台（赤色）と反力梁（黒色）の間に試験体を設置して、試験する
実大免震試験機（E-Isolation）の特徴を一つ述べる。海外に作られた同種の試験機では、水平荷重の測定を水平アクチュエータ先端の荷重検出機（load cells）によって行っている。この方法では、試験機の水平可動部分に大鉛直荷重によって生じる摩擦力および大重量の加振台の慣性力が含まれてしまい、正しい測定結果を得るのが難しい。
この試験機では、摩擦や慣性力の影響を受けないように、反力梁を鉛直方向には「剛」に水平面内には「柔」に設置し、実験時には水平方向に 1mm 程度の動きが起こるようにした。この反力梁に４本の荷重計測器を設置して水平荷重を計測するシステムを組み込んでいる。
6.

免震構造の利点と推進
建築基準法では、大地震時に 1.0 に相当する水平力が作用するとされている。この大きな水平荷重に対して、構造物の塑性変形能力に期待して骨組の耐力を０.25 から０.55 まで低減している。
「靱性確保」は「損傷覚悟」である。損傷を受けた構造物は取り壊されることになりやすい。さらに、大地震時の基礎固定の一般的な建物内の応答は１.０G 以上になり、免震構造の応答の 10 倍を越える。社会には壊れやすく脆いもの、不安定なものが多くあり、建物が剛強で壊れないとしても、地震直後の社会の機能維持は難しい。これらは重要事項であるにもかかわらず、一般の人々に伝わっていない。
免震構造（seismic isolated structures）の場合、数百年に一度、極めて稀に襲うとされる大地震動を受けるときに生じる一階の層剪断力係数は 0.15 以下である。基礎固定の普通の建築が、数十年の間に２、3 度のように稀に受けるとされる中小地震に対する一次設計用剪断力係数は 0.20、この水平力に対して許容応力度設計が行われている。免震構造の 0.15 はこれより小さい。この考察から明らかなように、大地震時の免震構造の基礎、上部構造は、一般建築よりやや小さな水平荷重に対して許容応力度設計を行えば良い。構造体に必要な力学的性能は「一般的な建築よりやや小さな強度」であり「過剰な靱性確保」は不要になる。上部構造の設計が容易になるだけでなく施工性が大いに高まる。この良さを十分に活用すれば、免震構造は一般的な構造より安くできるに違いない。
これまで多くの専門家は、「免震建築は数百年に一度の大地震を受けても被害を受けない技術」であると説明してきた。しかしこの説明では、一般の人々には「遠い将来になるまで役立つことはない技術」だと思われてしまう可能性があった。これについて、川口健一、竹内徹から指摘があり「免震建築には明日から享受できる良さがある」ことを議論した。この議論を整理して以下に纏める。

a.

意匠設計、構造設計、設備設計に際し、地震の少ない国のような自由な設計が可能になる。

b. 建物内部に激しい揺れが起きないため、快適で美しい建築空間の設計が可能になる。
c.

免震構造は層間変形角が小さいため、天井、設備配管、間仕切り壁、サッシュ、ガラスなどの設計が自由になり、美しい意匠が可能になる。

d. 免震構造の大地震動時の設計層剪断力係数は０.１５以下、基礎固定の建物の中小地震動時（一次設計）の０.２より小さいため、1981 年までに使われていた許容応力度設計法が使える。
e. 新耐震設計法の二次設計（保有水平耐力）は不要になり、骨組の増分応力解析も不要になる。
f.

設計用層剪断力が小さく弾性設計が可能なため、柱本数を減らすことができ、柱・梁の断面を小さくすることもできる。

g. 耐震壁や筋違を活用して、剛性と耐力を外郭または中央のコアーなどで集中的に確保し、その他の部分の柱や骨組を軽快にすることができる。
h. 免震層に偏心が無く上部構造が低層のときは、1981 年以前のように弾性的な捩れ変形を考慮すれば良い。
i.

鉄筋コンクリート構造で求められる靱性保証のための過剰な剪断補強筋などが不要になり、コスト軽減と施工性向上が図られる。

j.

鋼構造で求められる鋼部材の幅厚比制限が緩和でき、接合部は存在応力で設計できるので保有耐力接合は不要になり、鋼材量の軽減だけでなく施工性の向上が図られる。

k. 集合住宅、病院や行政施設、計算センター、美術館、事務所、工場、大型倉庫など、大地震直後に機能を維持しなければならない建築の構築が可能になる。
l.

もし大地震を受けても、機能は維持され、建物を取り壊さなくても良い、建て直す必要もない。
そして都市の命も続く。

7.

制振構造の利点と推進
制振構造にはいろいろな取り組みが行われているが、ここで考察する制振構造（damped structures、passive controlled structures）は、骨組の設計を工夫し、上部構造の骨組の弾性限界の変形域を一般の構造物より若干大きく取るようにし、小さな層間変形からエネルギー吸収を発揮する制振部材を骨組の要所要所に組み込む構造法である。結果として、大地震時の応答変形が骨組の弾性変形域を超えないようにすることができる。制振部材（damped members, sacrifice members）は座屈拘束筋違、摩擦筋違、粘性壁、オイルダンパーなど多様であるが、骨組を守るために進んで地震エネルギーを吸収する。大地震時には柱梁などの主要部材には大きな損傷は起きず、制振部材の性能確認を行えば良い。1990 年代から鉄骨の高層ビルに適用が始まり、高層鉄筋コンクリート構造、最近では低層建築にも応用されている、ほとんど全ての建築に使える技術であり、免震構造と同様、上手に設計すれば、一般の耐震建築より安くできる。近い将来に地震が起こるとされているから、地震後に使えなくなり建て直す建築に比べ、制振建築は圧倒的に価値がある。

参考文献
１：日本学術会議提言「免震・制振のデータ改ざん問題と信頼回復への対策」土木工学・建築学委
員会委員長：米田雅子、副委員長：前川宏一、委員：小林潔司、田辺新一、磯部雅彦、小池俊雄、池田駿介、大西 隆、嘉門雅史、木下 勇、桑野玲子、小松利光、寶 馨、竹内 徹、塚原健一、内藤廣、望月常好、吉野 博、依田照彦、和田 章、髙橋良和、田村和夫、永野正行、2019 年 4 月 16 日、
日本学術会議ホームページ
２： “High-performance Dynamic Testing Installation for Seismic Isolation Bearings and Damping
Devices”, Yoshikazu Takahashi, Toru Takeuchi, Shoichi Kishiki, Yozo Shinozaki, Masako Yoneda,
Koichi Kajiwara, and Akira Wada

参考１）日本学術会議公開シンポジウムのポスター（2019 年 1 月 15 日に開催）参考２）日本学術会議提言の抜粋（2019 年４月 16 日に発出）提⾔抜粋 -2

提⾔抜粋 -3

提⾔抜粋 -4