巨大化する構造部材の３方向動的加力装置の実現に向けた動き
東京工業大学笠井特任教授和彦（かさい かずひこ ）1985 年カリフォルニア大学バークレー校土木工学科構造工学系修了、Ph. D（工学）。カリフォルニア大学バークレー校地震工学研究所研究員、イリノイ工科大学助教授、イリノイ工科大学準教授、リーハイ大学準教授、東京工業大学教授、東京工業大学建築物理研究センター長を経て2017年実大加力実験工学共同研究講座代表、東京工業大学特任教授（現職 ）。

超高層建物における構造部材の実験検証
世界の超高層技術に関する講演会が2019 年7月上海で開催され、筆者は日本の超高層制振・免震の講演を行った。世界一高いハリファ・タワー（ 828m ）、竣工予定の１kmを超えるジッダ・タワー（ 1,008m ）、世界トップ 10 に 6 棟を連ねる中国の超高層建物の講演もあった。様々な大断面の構造部材のスライドを見ながら、ちょうどCOCNプロジェクト（後述 ）で調べていた日本の杭が、ジッダタワーよりかなり大きいことにも気が付いた。続く超高層化の中で、構造部材も大型化し続けるだろう。
ところで、構造部材には大きいものほど脆いという「寸法効力実大スケールの部材実験で確かめ、データを蓄積することが図1a 大型動的加力装置の性能比較( 水平力と鉛直力の最大値を示す )必要である1 ）、2 ）。超高層建物で言うと、柱・杭や免震支承など向上が必要とされる現状に対し、シミュレーションの信頼性をに対し、大鉛直力と水平方向の大きな揺れを与える実験が必高める具体的な策を政府に提言した。筆者が代表を務めた東須である。図１a は、各国の動的加力装置の鉛直圧縮荷重と水京工業大学がリーダー、新日鐵住金がコ・リーダー、建築・土平荷重それぞれの最大値を示す。地震大国日本が実験能力で木の構造部材、免震・制振部材の 2 分野で竹中工務店とブリ著しく遅れていることが分かる。世界一の震動台 E-Defense

ヂストンがサブ・リーダーで、35 の企業・機関が参加した。報は 5 階程までの建物が実験可能だが 、それを部材の加力実

告書では、海外の様々な技術分野で行われているシミュレー果」がある。その程度は材料や応力により様々であるため、極3）

図1b 世界最高の載荷能力をもつ中国の装置（試験体高さ<10m ）験に転用しても全く及ばない（図 1a ）。図 1b は 2021年にできションのV&V、つまり解析の検証（ Verification ）と妥当性確認

た世界一の施設で、高さ10mまでの部材が実験できる。

（ Validation ）を、地震国日本の大型建設に適用する必要性を述べた。

シミュレーション精度向上に必須の実験データ（COCN 報告書）

また、構造部材、免震・制振部材の解析や実験について大手ゼネコン5 社、免震・制振部材メーカー 7 社に調査を行った。
図 2 が示すように部材サイズが大きく、載荷能力の理由から断超高層建築や橋梁などの大型建設物の強い揺れの実験は面積 0.1倍以下に縮小した実験が多い。例えば鋼管断面 1,050困難であり、それらの開発や設計は解析シミュレーションに依×1,050×40mm のコンクリート充填鋼管（ CFT ）柱では、1/4存するため、各部材のモデル化精度が非常に重要である。産倍つまり断面積 0.063 倍の縮小試験体の実験結果を外挿し、業競争力懇談会（ COCN ）の 2019 年度プロジェクト「大型構それを適宜低減して耐力を評価している。また、免震部材で造物の次世代評価法」報告書 では、内閣府の国土強靭化、は破壊までの実験は殆ど行われていない。高速の試験装置が国交省の機能継続ガイドラインなどにより大型建設物の性能国内にないため、動的特性は準静的試験をもとに外挿により4）

6 ● 新都市ハウジングニュース Vol.103 2022. 冬

特集 「タテに伸びる都市」

巨大化する構造部材の３方向動的加力装置の実現に向けた動き立した。2022 年度終了後、大型加力施設に関する活動のため両コンソーシアムが融合に向かう。
図 3 は、大型加力施設コンソーシアムのメンバーへのアンケート結果の一部である。33 企業で集計した「利用頻度」のグラフから、2 ～ 3 年に１回の企業が最も多く、使用日数は、1 回につき平均 7日、それに大学・研究機関 63日を足して188日となり、他の使用者も考えると最大稼働日数 220日を超える。
「試験対象」のグラフから、RC、鉄骨、混合構造の柱・壁・杭・部分架構など、耐震部材の実験ニーズが免震・制振部材の 2 倍近くある。制振部材にも壁型（図 2 ）や間柱型があり、背の高い部材
図2

大型構造物と部材（ COCN プロジェクト22 種の検討部材から4）抜粋）

評価するか、縮小試験体で動的試験を実施している。制振部の試験能力が望まれる。
「試験費用」のグラフから平均許容額87.5 万円 /日で、海外での試験コストの半分程である。図示していないが、「設置場所」は東京近辺という希望が圧倒的だった。

材でも、様々なパターンが予想される破壊の実験は殆ど行われていない。
このように部材評価では、縮小実験と外挿により、寸法効果は当事者の判断で加味されるが、予測精度を上げるため極力大きなスケールで破壊実験するべきである。外挿でなく内挿による部材評価、部材解析のV&Vを進める必要がある。

実験施設実現に向けた様々な活動と成果

回答数15回答数

123089829230159106623100

利用頻度13122210201527202063

回答数184013

試験対象許容する試験費用

図 3 大型加力施設コンソーシアム・アンケート調査結果の例

企業･団体の支援で東工大に2017年度設立された「実大加力実験工学共同研究講座（ ALREM ）」5 ）の代表を筆者が務め、2020 年度末終了後も、以下の様々な活動を継続している。

海外大型装置による実験と大型装置の能力の調査：
講座の資金で各分野の第一人者の研究者と、実大・縮小実験を行っている。1番目は RC 杭頭圧縮試験で、国家地震工程学術会議マスタープランと文科省ロードマップへの申請：
百億円、千億円レベルの費用を要する研究の 3 年ごとの公募、日本学術会議マスタープラン2017 では、世界最大容量（鉛研究中心（台湾 ）のBATSを用い、寸法効果による耐力低下を確認した。2 番目は鉄骨柱梁部分架構であり、接合部破壊への寸法効果を確認した。

直力12,000トン、図 1a 参照 ）の 3 自由度大型加力装置を提案

3 番目は、BATSを使用した鉛プラグ入り免震ゴム支承の実し（約 90 億円 ）、重点大型研究計画に選ばれたのち文部科学験であり（図 4 ）、熱発生とそれによる耐力減少の寸法効果が省ロードマップ 2017（予算化 ）に推薦されたが、選外であった。
重点大型研究計画に一度選ばれた課題は、3 回まで継続可能であり、6 自由度装置に拡張した案が2020 年に再度採用されたが 2 ）、予算化に至っていない。3 回目の申請締め切りは 2022年 3月である。
大学・学協会・コンソーシアムとの協調：
上記の申請に際し、全国 23 大学の 82 名の構造系の先生方、

図 4 鉛プラグ入り免震ゴム支承の実大・縮小実験

14 の学協会から賛同書を頂いた。また、43 の大手・中堅ゼネ
コン、免震・制振装置メーカー、設計事務所を含む企業・機関

0.01Hz800から賛同書を頂き「大型加力施設コンソーシアム」を設立した。
ALREMをベースに、東工大が科学技術振興機構（ JST ）産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（ OPERA ）の5 年間の競争的資金も獲得し、超高層建物の安全安心に関する「社会活動継続技術共創コンソーシアム（ SOFTech ）」を設

0.1Hz

水平力(kN)800

変位(mm)-250

0

水平力(kN)

変位(mm)
250

製造者-800 台湾実験

-250

0250

製造者
-800 台湾実験

図 5 同一の大試験体に対する製造者の出荷前試験（ 黒実線 ）と台湾BATS での試験（ 青実線 ）の比較：振動数 0.01Hzと0.1Hz

新都市ハウジングニュース Vol.103 2022. 冬● 7

予測されている。現在、大試験体の実験が終了した段階であるが、試験装置の重大な計測問題が露呈した。図 5 のように同じ試験体に対する製造者とBATS の試験の結果が著しく異なった 6 ）。この両方とも正しくないという可能性がある（次章 ）。

大型試験装置の提案
試験体反力の計測法の提案：
水平力・鉛直力・曲げモーメントをそれぞれ F、P、Mとし、添え字 a は加振力、fは装置摩擦力、iはテーブル等の慣性力、sは求める試験体反力とする。
図 6a「上梁固定形式」は、世界の大型装置に共通である。

図 7 鉛直力・水平力に対する効率的なシステムでき、「鳥籠構造」と同様に、材料節約・工期短縮が図れる。

試験体反力 Fs、Ps は、計測値 Fa、Pa から推測値 Ff、Pfを引いて推測する。また Ms は、Ff、Pf、それらの腕の長さ、およびMf の推測を必要とし、評価し難い。
なお、Pf、Mf の位置と大小は可動部の詳細による。Ff、Pf、JSSI の規模縮小案に関する注釈：
2020 年 9月の日本免震構造協会（ JSSI ）シンポジウムでパンフレット等により提示された案（鉛直力 4,000トン）を、最近Mfともに、載荷中の試験体反力 Fs、Ps、Ms の増減と異なるの変更も加えて説明する。元は、図 8 のカリフォルニア大学サ増減傾向を示すため、データへの影響度が著しい場合がある。

ンディエゴ校（ UCSD ）の装置であり、背の低い試験体に特化

図 6b「上梁分離形式」は、筆者らの実績 1)-3)、5)、7)、8) に基く。

している。長スパンの１方向梁は、鉛直力でのたわみ、水平力反力梁に繋げた水平・鉛直リンクで Fs、Ps、Msを直接計測すとP-Δ効果によるねじれが生じ易く、梁は大きな断面となる。

る。鉛直リンク端部が剛接の場合はそのせん断力・曲げモーメ

JSSI 案は、図 9 の如く反力梁とコンクリート壁上面との間にント（数 % の寄与）の計測値も加味する。本形式は装置可動部

ゴム支承 12 基を挟み、上梁分離式に変えている。しかし鉛直の詳細によらず、標準的計測法となり得る。

リンク（図 6b）と異なり、鉛直力・曲げモーメントは計測できない。また、せん断力は、各支承の異なる多軸応力、ゴムの歪依

図 6 装置摩擦力の扱い：(a)上梁固定形式と(b)上梁分離形式（(a)では水平加速度の計測から求めたFiをFsに加える）
図 8 カリフォルニア大サンディエゴ校（ UCSD）の加力装置

鳥籠・周壁構造の提案：
上梁分離形式で試験体反力の全てが計測できるが、それを支える効率的な反力システムも提案する。
図 7a の如く2 方向短スパンであるため比較的小断面の反力反力梁（一部）
水平リンク

ゴム支承梁と基礎を鉛直リンクで連結した「鳥籠構造」により、試験体の大鉛直力やP-Δモーメントを封じ込み、周壁に伝えない。

2.2m

図 7b の如く、UCSD（後述 ）と同様に水平アクチュエータを周壁の角に接合し、壁に面内力として伝えるが、水平リンクも同様にする点が異なる。面外曲げに抵抗する通常の反力壁より高剛性・高耐力で、水平力を封じ込み、背の高い試験体にも有効な「周壁構造」ができる。壁厚はリブで補剛しながら薄く

8 ● 新都市ハウジングニュース Vol.103 2022. 冬試験体
PCストランド

図9 日本免震構造協会によるUCSD 装置の拡張案（パンフレット内容の変更を含む）

特集 「タテに伸びる都市」

巨大化する構造部材の３方向動的加力装置の実現に向けた動き

存など様々な依存性に対し当事者が推測しなければならず、誤は、推測を伴わない部材実験・評価法が必須である。国土強差範囲は明らかではない。反力梁の水平変位によるPCストラ

靭化への有効性、企業・大学の様々なニーズから、背の低い試

ンド48 本の深さ10m の狭い穴での（図 9 ）動きは予測しがたい。

験体に特化せず、装置汎用性を極力高める努力が必要である。

JSSI 案に対する部分変更の提案：< 謝辞 >

筆者らの鳥籠・周壁構造と、水平・鉛直リンクの案は、JSSI記載した様々な活動は、共同研究講座の設立支援者である

実大免震試験施設基本設計部会 2021年度 3月の提言書に掲

オイレス工業、KYB、昭和電線ケーブルシステム、日本鉄鋼連載された。一方で上記 JSSI 案は、当初提案した多数の支圧型盟、ブリヂストン、および研究支援者である熊谷組により可能ロードセルから水平リンクに変更したが、ゴム支承使用の点はとなりました。ご支援に深謝致します。COCN では、コ・リー変わらず、そのメリットや計測の信頼性が明らかになっていない。

ダー・日本製鉄、サブリーダー・竹中工務店（耐震関連 ）、ブリ当時の部会主査の山本雅史博士（竹中工務店）と筆者は、リンヂストン（免震関連 ）、オイレス工業（制振関連 ）に支えて頂き、計測精度面でました。COCNプロジェクト、大型加力施設コンソーシアムにクや類似要素の実績を公表しており3 ）、5 ）、7 ）、8 ）参加頂いた各企業、大学の先生方、新旧の講座メンバーに深のリンク使用の優位性を確信している。

謝致します。
補強トラス
反力梁< 文献 >
1.

笠井和彦：実大加力装置の実現に向けて－建築物の構造安 全 性と部材の寸法 効果、日本鋼構造協会季 刊誌2020 年冬季号

5.5m
試験体
鉛直リンク
（金属ロードセル柱）

水平リンク

2.

するための世界最大の 6 自由度動的加力装置

2.2m

試験空間
2.2〜5.5mに増加

第 24 期

学術の大型研究計画に関するマスタープラン2020、重点大型研究計画番号 26、2020 年
3

図10 免震構造協会現案のゴム支承を鉛直リンクに変更した設計

笠井和彦ほか 6 名：実験の全体概要および非制振状態での応答性状

3 次元震動台による実大 5 層制振構造

建築物の実験研究

図 10 は、ゴム支承を鉛直リンクに変える案を示す。試験体

その1

日本建築会構造系論文集

第 76 巻 第 663 号, 997-1006, 2011.5

反力の約半分が補強トラス斜材から鉛直リンクに伝わり、残りが上の反力梁を通じて鉛直リンクに伝わる。この利点は、1 ）リ

巨大構造物の実大部材における破壊・力学性状を解明

4.

COCN 報 告 書：
「大 型 構 造 物 の 次 世 代 評 価 法」、産ンク計測値と釣合式で、試験体全 6 方向力の高精度計測がで業 競 争 力 懇 談 会（ COCN ）、http://www.cocn.jp/きる、2 ）補強トラスで有効せいが倍増し、反力梁の鉛直・ねじ

report/2019/

れ変形が半減し、変位・力の載荷精度が向上する、3 ）反力梁5.

ALREM：東 京工業大 学 実大 加力実 験 工学 共同研究

応力もほぼ半減し、ボルト孔・角部での応力集中に有効となる、

講 座 Advanced Loading and Real-scale Experimental

4 ）補強トラス底板を外して背の高い試験体が実験できる（図Mechanics Lab., http://alrem.jp/10 ）。

6.

牟ほか3 名：鉛プラグ入り免震ゴム支承の力学特性の寸本来なら、鳥籠・周壁構造に変えたいが、これであればゴム法効果に関する実験と解析 その 3. 試験機の加力精度、支承案とほぼ同コストで（見積済 ）世界初の高精度システムに

日本建 築 学会 大 会 学 術講 演梗 概 集（東海 ）、pp.437-なりえる。最近の中国・台湾の施設のように、背の高い試験体

438が実験可能になり、COCN、国土強靭化、機能継続ガイドライ

7.

笠井和彦ほか3 名：K 型ブレースによるシアリンク制振機

ンに沿い、JSSI だけでなく、鋼、コンクリート、混合構造に関す構を用いた木質架構の動的挙動、日本建築学会構造系

る多数の協会、学会、企業、研究者に有用な装置となる。

論文集、第 598 号、2005.12
8.

おわりに

山本雅史：水平地動を受ける人体の動特性：振動台実
験および立位時簡易人体モデル、日本建築学会構造系
論文集

第 76 巻 第 667号、1631-1637、2011.9

データ改ざん問題以後、より重要視されているデータ精度の向上のため、また、世界に誇る高精度システムを提示するために新都市ハウジングニュース Vol.103 2022. 冬● 9