東京都市大学と東急建設の研究チームが高減衰制震構造システムの実証実験を実施 -- 免震と制震のハイブリッド構造の実用化に目途

東京都市大学 2018年10月15日

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東京都市大学(東京都世田谷区/学長:三木千壽)工学部建築学科の西村功教授と東急建設株式会社(東京都渋谷区/代表取締役社長:今村俊夫)技術研究所の研究チームは8月31日、油圧ダンパーと積層ゴム支承を組み合わせた新型ハイブリッド制震構造の実証実験を行った。実験は実在建物の約4分の1スケールのモデルを用いて行い、従来のパッシブ型制震構造を大きく上回る性能があることが実証された。研究チームは、2020年を目途に建物に適用することを目指している。




 東京都市大学と東急建設株式会社は2017年4月に産学連携に関する包括契約を締結し、大学が持つ研究シーズと企業の事業ニーズのマッチングを行って共同研究を推進している。今回の共同研究は、その一環として行われた。

 西村教授の発明によるこの新型ハイブリッド制震構造は、これまで小型振動台実験によってその減衰性能が学術的に評価されていたが、今回、東急建設技術研究所の大型振動台で過去の代表的な被害地震3種類の地震波加振実験を行った結果、実在建物の合理的な構造システムとして、実用化できる性能が確認された。

【研究成果の実現性】
○制震構造(※1)の主要部材である減衰装置(油圧ダンパー)と免震構造(※2)の主要部材である積層ゴム支承(※3)との組み合わせにより、従来のパッシブ型制震構造が有する減衰性を大幅に上回る性能を発揮。
○これまでは、大学の研究室において、小型模型を用いた振動台実験によって新型ハイブリッド制震構造の減衰性能に関する振動制御理論の妥当性を検証していたが、今回、実在建物の約4分の1スケールモデルによって、この理論値と実験結果が一致することを確認した。
○従来のパッシブ型制震構造に比較して、ほぼ2倍の地震動に適応できるため、これまでの制震デバイスでは、設計で想定した制震性能を発揮することが困難であった中低層建築物の合理的な制震構造システムとして、実用化が期待される。
○工期・コストの側面で現実的な地震対策が難しい既存不適格建物に対して、経済的かつ高性能な制震補強技術として適用することが可能。
○災害発生時の防災拠点として、建物の機能維持が要求される病院、小・中学校、消防署などの中低層公共施設に採用することで、発生危険度が高い巨大地震の防災・減災に寄与する。

【研究の背景と経緯】
 パッシブ型の制震構造は1980年代後半から研究開発が活発に行われ、この約30年間でさまざまな減衰装置が開発されてきた。特に油圧ダンパーは、中小地震から大地震に至るまで安定した制震性能が期待され、多くの建物に採用されている。
 これまで建築振動工学の分野では、これらの減衰装置を建物各層に設置することで、比較的容易に減衰性能を発揮できると考えられてきた。しかし、構造モニタリング技術とインターネットの発達により、多くの実在建物で地震観測データが得られるようになると、従来の層間型のパッシブ制震構造では、設計で想定するような減衰性能が発揮されていない事実が明らかになってきた。
 西村研究室では、その原因究明にあたり、独自の振動制御理論を構築することによって、建築架構の減衰率と振動数は、個別に独立して変化するのではなく、一定の関係を有しながら変化することを明らかにした(文献1)。この結果、高い減衰性能を発揮して地震時の構造的な損傷を低減するためには、大きな振動数の変化が必要であることも判明し、この構造形式を「部分免震構造」として特許登録した(文献2)。
 今回の実験的研究では、積層ゴム支承と減衰装置のハイブリッド構造によって、比較的簡便に大きな振動数の変化と高い減衰性能を実現できることを検証した。

【実用化に向けた体制】
 西村研究室では現在、積層ゴムメーカーや建設会社、構造設計事務所、研究機関など複数の企業と団体からなる研究会「淡広会(たんこうかい)」を定期的に開催。地震発生時の防災・減災を目指した情報共有と研究開発の課題共有を図っている。
 西村研究室と東急建設は、この研究会の構成員として本共同研究の成果を活用し、2020年度を目途に建物へ適用し、新型ハイブリッド制震構造の社会実装に向けた取り組みを加速する予定。

<用語解説>
(※1)制震構造
 減衰装置を建物の骨組みに設置することで減衰性能を高めた構造形式
(※2)免震構造
 積層ゴム支承で支えられた建築構造で、耐震性能の高い構造形式
(※3)積層ゴム支承
 鋼板とゴムを重ね合わせて製造した構造部材で、免震構造の主要部材

<参考文献・特許>
(文献1)「構造物内部に設置された減衰装置の性能評価」日本建築学会構造系論文集 第579号、pp.23-30、2004年5月
(文献2)発明の名称「部分免震構造」、特許番号6298402号、出願日2014年12月2日

(関連記事)
・東京都市大学と東急建設が包括契約を締結 -- 連携体制を強化し、共同研究をさらに推進(2017.05.16)
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