トピックス

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

１ はじめに笠井 和彦 東京工業大学のものが、カリフォルニア大サンディエ

２ 装置概要ゴ校（UCSD）にある（図 1）。鉛直力の建設物の巨大化が進み、海外では地震時の再現に必要な鉛直・水平容量は圧縮 5,340 tと大きいが、引張それに対応して構造部材の実証施設

方向の動的加力装置は他国の大学・実験や支承以上の高さの試験体の実が建てられている。特に地震時の破研究所で整備され、一般も料金支払験はできない。同様な装置がイタリア

壊の検証のため大型の動的加力施設

いにより使用でき、実験研究、守秘義に 2 台、台湾に 2 台、中国に 2 台ある。

が増えているが、一方で、地震大国・務を伴う検証・製品認証などに用いらまた、圧 縮 10, 800 t の装置など 2019技術立国の日本にはないという状態れる。鉛直１軸・水平 2 軸方向の動的年完成予定のものが中国に 2 台あるが続いている。本来であれば、先進試験機として現在まで 20 年間世界一（図 1、図 2）。

国のうち地震のリスクが最も高い日本
で、建設物の大型化における寸法効果の検証、安全・安心の確保のため、かつ世界の地震工学の主導的立場の維持のためにも、世界最高の加力施設があってしかるべきである。
海外に大きくリードされた現状を逆転すべく、企業･団体の支援により東京工業大学に設立された「実大加力実験工学共同研究講座（ALREM）」の活動として筆者らは、世界最高の加力能力と計測精度をもつ大型加力装置（G-Force3D）を設計し、その検証 を 行ってきた（http://alrem.jp/）。
G-Force3D の提案は、日本学術会議マスタープランにおいて 16 倍の競争率から選ばれた「重点大型研究計画」

図1

米国・中国の動的試験機および提案する試験機 G-Force3Dとして、2017 年から今まで認められており、3 年に一度の文科省ロードマップ･予算化のための審査が、今年度予定されている。文科省のルートを本筋と考えるが、それのみに期待することなく、同時に他の幾つかのルートで政府に予算化を訴える活動を行っている。
本稿では、まず G-Force3D を既存の海外試験機と比較しながら説明し、予算 獲 得のため現 在 進行している様々な活動を紹介する。また、最後に国内外の施設を用いた寸法効果に関する実験検討プロジェクトの内容を述べる。
20

図22020.WINTER No.40

国内外の動的試験機の比較

トピックス
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

放 型の形 状により6×6下のラムシリンダーを同時に用いて試× 7.5m ほどの試 験 空間

験体への力と、挟み込む力の両方を生が確保される。

じさせることができる。伸びにより圧建設後に性能増強を繰

縮力を支圧面にかけるだけのラムシリり返し、20~30 年間は世ンダーの適用により、接合部は支圧を界一の加力能力を維持で受けるだけの単純なディティールにできるように計画している。

き、これにより低コスト・大容量の 3施設の初期段階の建設軸動的試験機が可能になった。さらは政府資金、増強は民間に、貫通ロッドと上梁の接合部は球座資金とし、また、運営もほを介しており、上梁を傾かせることもとんど民間資金で行うと可能であるため、並進 3 方向、回転 3いう案である。民間資金方向の加力ができる。上梁を下げるこの確保のために、試験機とや試験体と上梁の間に治具を接続の使用料金を積み立てるすることで、免震支承のように背の低という計画である。

い試験体も効率的に実験でき、さら図 3 に 示 す よ う に、にダンパーなどの横に長い試験体は、G-Force3D の 構 造 部 品

可動テーブル上面と外にある反力壁には、反力床に固定された固定して実験できる。

下梁、その上を滑動する
図3

G-Force3D の立面・平面図

とともに中央に試験体の３ 予算獲得を目指した活動

下端を固定する可動テー

破壊力学や地震工学の学問だけで一方、日本では一部の企業が動的ブル、可動テーブルを上部から押えるなく建設産業の技術展開や認証にも試験機を持つが、性能は上記をかな押え格子とそれを固定する下リンク4

G-Force3D は大きな役割を果たすこり下回り、使用は自社のみに限られ本、試験体の上端を固定する上反力とは言うまでもない。文科省の審査でる。一般が使用できる試験機の鉛直梁とそれを固定する上リンク5 本、下は産業界の支持も問われるため、以下

力は圧縮わずか 400 tと、著しく後れ梁と押え格子を貫通し、上梁に固定すの活動を行っている。ている（図 2）。他国に実験を依存するる貫通ロッド4 本からなる。

3．1

産業競争力懇談会（COCN）
推進テーマ採択

場合、実施まで 1年以上待つことや、また、試験体は可動テーブル上面と日本の卓抜した知識や展望での共同上梁下面の間に固定し、押え格子上面

2019 年度に「大型構造部材の次世研究も難しいことが、学問・産業の両と貫通ロッドに固定した上ブロックの代評価法」と題した検討課題を申請面で問題である。世界最高の加力能間に設置する上ラムシリンダー 8 基、し採択された。リーダーが東京工業

力と計測精度の試験機を極力早く実反力梁下面と貫通ロッドに固定した下大学、コ・リーダーが日本製鉄であり、現すれば、日本の耐震工学と実務をブロックの間に設置する下ラムシリンサブリーダーとして竹中工務店とブリさらなる発展の方向に導ける。

ダー 8 基が、油圧で伸びることで、試ヂストンが参加している。WG 参加企提案する試験機 G-Force3D は、他験体に対しそれぞれ鉛直方向の引っ業として 18 社、オブザーバーとして 6国の試験機に対し（図 1）水平・鉛直張り、圧縮載荷を行う。さらに、可動社・機関が参加している。大学からも方向の載荷荷重が大きく上回るだけテーブルに接続した水平X、Y 方向そ多数の教員がアドバイザーとして参加でなく、初めて水平力と同時に大きなれぞれ 2 本、1 本の水平アクチュエーいただいている。

引っ張り鉛直力もかけられ、後述するタが高速載荷を行う。

課題は構造部材や制振・免震部材ように 6 自由度の載荷が可能である。

G-Force3D の 動 作 の 特 徴を 述 べ

から建物全体の解析による評価法のまた、試験体抵抗力のデータに計測る。可動テーブルは貫通ロッドを介現状を調査し、評価法、特に時刻歴不可能な装置摩擦力が混入する他国

して下梁と押え格子に挟み込まれる応答シミュレーションの改善のため、の試験機と対比して、G-Force3Dではため、転倒モーメントなどにより可動極力大型の実験と解析法、大型建設試験体の反力を頂部の水平リンクでテーブルが下梁から離間して試験が物の高密度モニタリング、シミュレー直接計測するため最も精度が良く、開不安定になることがない。つまり、上ション専門家育成などの検討を提案
2020.WINTER No.40

21するものである。中間報告を昨年10月

約 390 人の参加者のほとんどから施用した（図 4）。大試験体は寸法が小試に終え、現在最終報告書を作成してお設実現に対する賛同が得られた。

験体の 4 倍、面積が 16 倍であるため、り、それを大臣クラスの方々に報告す

また、一般市民対象に 2018 年 8月

その横軸の値は小試験体の 4 倍、縦る機会が与えられる。国内外の実験に開催されたイノベーションジャパン

軸は 16 倍としている。小試験体では、施設を利用した大型実験などが継続

2018 に「世界一の大型動的加力装置最大荷重後の耐力低下が 緩やかで的に行われれば、施設の必要性の説による建設物の安全・安心の実現」とあるが、大試験体でより激しい。小・得力が増すと考えられる。

題して、VR 動画も含んで展示を行っ

中・大試験体（有効せい＝250、500、3．2

大型加力施設コンソーシアムた。当ブースには 2 日間で 400 名ほど1000 mm）の最大荷重を加力板の面

G-Force3D の実現に関し、49 の企の方に来場いただき、アンケートには積で基準化した結果を図 4（d ）に示

業・機関から賛同をいただいた。これ

179 名からの回答をいただいた。来場す。小・中 試 験 体 は 材 料 強 度 fc =らの各企業・機関との協力体制を築者の多くは地震大国日本に大型加力

46.7 MPa の共通のコンクリートからなき、装置建設に必要な予算の獲得に装置がない現状に驚きを示し、装置のり、2 種の大試験体は fc = 37.3MPa、向けた新たな活動内容や、建設後の実現に対し賛同が得られた。

47.7 MPa と異なるコンクリートからな運営方法を検討するコンソーシアムを昨年 10 月に設 立した。装置実現後、コンソーシアムは日本の技術の発展の４実大・縮小実験による寸法効果の検討るため、それらの最大耐力を補間して fc = 46.7 MPaの場合を推測した。
中・大試 験体の強度は小試 験体の0.9、0.8 倍であり、寸法が大きくなるとため、実験施設を活用した認証試験

鉄筋コンクリート構造、鉄骨構造接と実験研究および基準策定を運営委

合部、免震ゴム支承の分野の第一人員会に委託する。運営委員会はデータ者を招き研究会を設立し、寸法効果

このような現象は、既に鉄筋コンク開示と共同研究の程度に基づく試験の検討、海外施設を用いた実大・縮リート梁（一方向せん断）について報料金体系により、試験受注の収入に小実験を行っている。
「なぜ、実大部告されたが、杭頭試験体（二方向せんよる施設拡充と研究費の充填、社会材の加力実験が必要なのか」を示す

断）で確認されたのはおそらく世界でに有益なビッグデータの構築を行う。

ことが目的である。

初めてである。

東京工業大学および国内の大学･ 研

4．1

4．2

鉄筋コンクリート杭頭強度が低下することが分かる。

鉄骨柱梁接合部究機関がコンソーシアムへの専門的協

鉄筋コンクリート杭頭の大試験体は鉄骨構造は超高層建築物に使用さ力や共同研究を行うことを想定してい日本国内の実験設備では載荷できなれるものと同様な大きさの試験体をる。

いため台湾の実験装置（BATS）を使製 作し、国内で加力実 験を行った。

3．3

委員会・社会啓発活動

近年の免制振製品の検査偽証問題に対し、業界の信頼回復と免制振製品の健全な普及へと導く自主検査基準を、免震構造協会（JSSI）が認証機関として提案・実施していくことを検討している。この一環として、大型加力装置の実現に関する検討も行われており、筆者らも参加している。
また、日本学術会議土木工学・建築学委員会は、「免震・制振データ改ざんの背景と信頼回復への道筋」と題したシンポジウムを 2019 年 1 月15日に開催し、筆者も基調講演を行った。
シンポジウムは第三者機関として公平に免震・制振デバイスを検査できる機関の必要性が訴えられた一方、大型試験装置が日本にないことも示した。
222020.WINTER No.40

図4

鉄筋コンクリート杭頭の実大・縮小実験

トピックス
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

演繹により設計されている。
提 案 する試 験 機 G-Force3D からは、学術的価値が極めて高い実大実験データが得られ、既往の解析技術や評価基準を見直すことで、学 術および産業の進展に大きく寄与すると共に、安全・安心でレジリエントな都市・建物を実現するという、国民の期待に応える施設でもある。試験機の実現に向けた様々な活動により、賛同していただける企業・機関が多くなり、予算獲得への機運の高まりを感じている。
図5

鉄骨柱梁接合部の実大・縮小実験

謝辞：記載した様々な活動は、共同研
究講座の支援者であるKYB,

昭和電線ケーブルシステム、日本鉄鋼連盟、ブリヂストン、オイレス工業により可能となりました。ご支援に深謝いたします。また、実大・縮小実験研究の代表者は、鉄筋コンクリート杭頭：市之瀬
図6

鉛プラグ入り免震ゴム支承の実大・縮小実験計画（2020 年 BATS にて実施予定）

実験時には、各大学や企業から21 機6）。本 実 験 で計 画している試 験 体関を招待して見学会を実施し、実大実寸 法は大試 験 体でゴム層の直径 が験の必要性を訴えた（図 5）。

1200mm、中試験体が直径 800mm、試験体 S、L の荷重 - 変形関係を図

小試験体が直径 500mmであり、各サ5（c）、（d）に示す。試験体 L は、試験イズを用いた体系的な動的な試験は体 S の試験体寸法および溶接欠陥寸今までに実施されていない。早い速度法を4 倍にスケーリングしたものであの加振では試験体に熱電対を挿入しる、試験体 S は回転角 ± 4θp の載荷て鉛プラグの温度を計測することで鉛2 サイクル目の正側で、試験体 L は ±プラグで発生した熱の伝播特性と力4θp の載荷 1サイクル目の負側で破学特性の温度依存性、免震支承が破断した。エネルギー吸収から求めた累断にいたるまで静的にせん断ひずみを積塑性変形倍率で比較した場合、試与えた時の限界特性について試験体

験体 S は試験体 L の 2.8 倍の変形性サイズの違いを検証することで、免震能を有することが分かった。大試験体支承における寸法効果を解明する。の母材シャルピー値の方が格段に高い一方で、大試験体が小試験体に比べ小さな塑性変形で破断すると分か

敏勝教授（名工大）、鉄骨柱梁接合部：中込忠男特任教授（信州大）、吉敷祥一准教授（東工大）、川畑友弥教授（東大）、鉛プラグ入り免震ゴム支承：高山峯夫教授（福岡大）、菊地優教授（北大）であり、検討研究会の委員長は和田章名誉教授（東工大）です。
以上の先生方の積極的なご活動に感謝いたします。

東京工業大学
科学技術創成研究院
未来産業技術研究所特任教授

笠井 和彦

５ おわりに（かさい かずひこ）

東日本大震災の後、首都圏直下地り、寸法効果が表れている。

震や東海・東南海地震などの可能性

4．3

鉛プラグ入り免震ゴム支承が頻繁に指摘され、国民全体が地震2020 年度の実施を目標として、国への備えの必要性を強く認識してい家地震工程研究中心（台湾）の BATSる。一方、都市を構成する高層建築なを使用した鉛プラグ入り積層ゴムのど巨大建設物は、実大規模での部材実 大・縮小 実 験を計画している（図

実験なしに、縮小実験による知見の〈略歴〉
1985 年 カリフォルニア大バークレイ校講師 /研究員
1986年 イリノイ工科大学 助教授
1992 年 イリノイ工科大学 準教授
1993 年 リーハイ大学 準教授
1997 年 東京工業大学 教授
2017 年 現職

2020.WINTER No.40

23