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日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿） 2023 年 9 月

高鉛直荷重下の水平荷重測定において摩擦力と慣性力から解放された実大動的免震実験装置の開発と実現―その 1 実験装置の設計コンセプトと概要―
免震支承
実大試験
動的試験

正会員
同
同
同

高精度荷重計測

高橋
吉敷
米田
〇和田

良和*1
祥一*3
雅子*5
章*7

同
同
同

竹内 徹*2篠崎 洋三*4
梶原 浩一*6

序
免震・制振構造は，1980 年代から国内で実用化が進み，機能継続が可能な構造として普及してきた。一方，米国，イタリア，中国や台湾には，大型動的実験装置が設置され，実大の免震・制振部材の動的実験検証が行われているが，国内には実大動的免震実験装置が存在しなかった。
戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)において，「高精度荷重計測機構を有する動的試験機を活用した解析
図 1 従来の試験機計測技術法の開発」が選出された。
「その 1」~「その 17」では，本研究の検証のために開発された実大動的免震実験装置について報告する。特に，「その 1」では実大動的免震実験装置の設計コンセプトと概要について報告する。
実大動的試験機を活用した大型構造物の解析法の開発
2.1 研究概要
構造設計で求められる規模・精度を考えると，Society5.0 時代の大型構造物の評価・解析法として，数値計算と質の高い情報を得られる大規模実験とを同期・融合させる
図 2 新しい試験機計測技術コンセプト
ことは有力な方法論と考える。これを実現するため，高精度荷重計測機構を有する動的試験機と数値解析を同期させ験体反力を計測することは困難であるのが現状である。
るハイブリッドシミュレーションの高度化を図り，より安
2.3 大型動的加力試験装置の設計コンセプト
心・安全でレジリエントな社会の実現を目指す。
本研究開発における設計は，MIT の Suh 教授が 1990 年
2.2 大型動的加力試験装置が抱えている課題に提案した Design Axiom2)の考えに従っている。どのよう長大橋や超高層ビルを支持する免震装置は数千トンの大な設計においても要求すべき functional requirements (FRs)が鉛直荷重を支持するため，質の高いフィジカル空間情報のあり，設計よって決めるべき design parameters (DPs)がある。
取得のためには，大鉛直荷重下で高速度・大変形の動的加これらの関係は design matrix (A)によって「FRs =A・DPs」
力試験を実施しなければならない。このためには，試験体のように表される。A は非常に複雑な行列になるが，複雑を水平に高速で変形させるための加振台が必要になるが，なまま対処しようとするのではなく，新しい発想を組み込加振台には，鉛直荷重（上下方向），加振台と鉛直荷重載むことによって A を単純化し，設計の信頼性や確実性を高荷システム間の摩擦力（水平方向），高速水平加振によっめようとするものである。て生じる加振台の慣性力（水平方向），試験体の変形に伴試験体の水平荷重を固定端側で計測する方法として，多うせん断力（水平方向・計測したい値）と試験体の上下端
くの二軸ロードセルを固定端と試験体の間に配置する試験部に生じる曲げモーメント（回転方向）が作用する。
機もあるが，ロードセル群が互いに依存し合い，また大き世界各国に存在する大型動的加力試験機は，固定端に試な圧縮力を受けるロードセルで鉛直荷重の 10%程度の水平験体を設置し，加振台を動かすアクチュエータに設けた荷力を測定させねばならないことから A は複雑となり，不具重検出器によって水平荷重を計測しているため，試験体の合の特定や水平荷重の測定精度を高めるのが難しい。
抵抗力に混入する力を除去することに苦心している（図試験体反力計測に潜む課題を解決するため，従来の固定1）。特に摩擦力は速度，大鉛直荷重などに依存する複雑な側を，試験体の上側に水平方向は「ほぼ無抵抗」，鉛直方水平力であり，世界各国の試験機では摩擦面の潤滑を高め向は「概ね固定」となるように支持された反力梁を配置し，る方策などが取られているものの，物理的に摩擦力をゼロさらに反力梁に水平方向について剛な荷重測定リンクをピにすることは不可能であり，リアルタイムで計測したい試
ン接合に近い形で接合する（図 2）。このように試験装置
Development and Verification of Experimental System for Real-size Seismic Isolator excluding friction and inertia force under highaxial load – Part1 Design Concept and Abstract of Experimental System Yoshikazu Takahashi, Toru Takeuchi, Shoichi Kishiki, Yozo Shinozaki, Masako Yoneda, Koichi Kajiwara, WADA Akira— 497 —

を設計することで，加振台の水平ベアリングの摩擦力や慣性力の影響を受けない試験体の水平荷重を，鉛直方向に自由な荷重計測リンクの軸荷重として計測することができる
ため，A は単純な対角行列にすることができ，結果として水平荷重の測定精度を高めることができる。
実大動的免震試験装置 E-Isolation
高精度荷重計測機構を採用した実大動的免震試験装置の概要を図 3 に示す。
3.1 大鉛直荷重作用下で試験体反力測定可能な反力機構
試験体に作用する力を，反力側で直接計測するためには，コンクリートドック上に設置される鉛直方向に高い剛性を有する反力梁について，鉛直方向を剛，水平方向を自由と見なせる接合法が必要であり，低剛性で小振幅でも線形性の高い複数の積層ゴム支承をコンクリートドック上面に設置し，プレストレスにより反力梁，支持支承とコンクリートドックを鉛直方向に締め付ける反力構造を採用する。
反力梁とコンクリートドックの４つのコーナーとの間に設けられた荷重計測リンクに設けられた荷重検出器により，加振台の慣性力や摩擦力を介在させることなく，リアルタイムで直接測定できるため，従来技術より圧倒的に精度が高い。反力梁を支持する複数の積層ゴムの弾性剛性の低さより，試験体水平反力のおよそ 98~99％は反力計測リンク
図 3 実大動的免震試験装置(E-Isolation)の概要の軸力として直接測定されるため，単純で高精度な機構と水平面回転拘束機構なるが，反力梁支持支承部に生じる水平変形(1~2mm)を測定し，予め同定した積層ゴムの水平剛性の積により，更に上下動時並行維持装置
クロス配管補正することができる。
3.2 安定性と高精度を兼ね備えた加振機構
加振台の動作は，取り付けられた複数のアクチュエータ鉛直アクチュエータの制御により 6 自由度姿勢制御されるが，その制御を単純下加振台化するため，24 台の鉛直アクチュエータが取り付けられる下加振台と 4 台の水平アクチュエータにより水平一方向yに可動する上加振台を水平方向のリニアベアリングで接続xした上下分離型加振テーブル機構を採用した。
z(上向）本試験装置は二軸試験機であるため，大変形した試験体
図 4 安定した加振機構のための下加振台支持機構の上下端部に生じる曲げモーメントに対して下加振台の回転を抑制する必要があるが，ソフトウェアによる鉛直アクチュエータの姿勢制御に加え，平行移動定規の仕組みを応 エンス（防災・減災）の強化」（管理法人：国立研究開発
用した上下動時並行維持装置を開発，下加振台の四隅に設 法人防災科学技術研究所）によって実施した。ここに謝意置（図 4）して，メカニカルに姿勢制御を支援することに を表します。
より，下加振台の転倒拘束モーメントを大きくした。
参考文献結1) Takahashi, Y. et al., E-Isolation : High-performance Dynamic
1) 高精度荷重計測機構を有する実大動的免震実験装置のTesting Installation for Seismic Isolation Bearings and
設計コンセプトおよび概要について報告した。
Damping Devices, International Journal of High-Rise
謝辞
Buildings, Vol.12, No.1, pp.93-105, 2023.
本研究は，内閣府総合科学技術・イノベーション会議の 2) Suh, Nam P., The principles of design, Oxford University
戦略的イノベーション創造プログラム（SIP)「国家レジリPress, 1990.
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京都大学 工学研究科社会基盤工学専攻 教授 博士（工学）東京工業大学 建築学系 教授 博士（工学）東京工業大学 未来産業技術研究所 教授 博士（工学）
大成建設株式会社 設計本部副本部長
東京工業大学 環境・社会理工学院 特任教授 博士（環境学）
防災科学技術研究所 兵庫耐震工学研究センター 主幹研究員 博士（工学）東京工業大学 名誉教授 工学博士

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Professor, Dept. of Civil and Earth Resources Eng., Kyoto University, Dr. Eng.
Professor, Dept. of Arch. and Build Eng., Tokyo Institute of Technology, Dr. Eng.
Professor, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology, Dr. Eng.
General manager for structural engineering, Taisei Corporation
Specially Appointed Professor, School of Environment and Society, Tokyo Institute of Technology, Dr. Env.
Senior Researcher, Hyogo Earthquake Engineering Research Center, NIED
Professor Emeritus, Tokyo Institute of Technology, Dr. Eng.

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