第1回：エネルギーに着目した構造計画

みなさんこんにちは、今回からしばらくお付き合いをいただきます東京工業大学の竹内です。

このシリーズでは日本の様な地震国における建築構造計画および設計について、少しいままでと発想を変えた考え方を紹介していきたいと考えております。

その結果、より自由度の高い構造デザインができるようになると良いと思っております。

さて、構造設計を生業とされている皆様は「建築家」から建物のプランを示された際にどのように構造を考え始めるでしょうか。

• ラーメン構造を基本とし、耐震要素の配置、崩壊形を意識して架構形態を決定
• レベル1地震に対して弾性解析を行い許容応力度設計（1次設計）
• 弾塑性解析を行い、レベル2地震に対して崩壊または過大な変形になっていないことを確認（2次設計）

といったところでしょうか。しかしこの方法は、

• 架構形態の自由度が少ない
• 安定した崩壊形が特定できない空間構造では弾塑性設計が困難

といった問題があります。そこで、

• 鉛直荷重のみを意識して主架構形態を決定（地震のない欧米と同じ自由な架構設計）
• 水平載荷（または予備応答解析）時に大きな相対変位が生じる節点間にダンパー（エネルギー吸収部材）を配置。または最初に塑性化する部材をダンパーに交換
• 簡易応答評価で応答予測し、保有耐力計算、限界耐力計算、エネルギー法、時刻歴応答解析などで安全性を確認

という順番で考えてみてはいかがでしょうか。

まず皆さんが考え始める「ラーメン構造」ですが、このような「曲げ系」の構造はトラスやブレース構造のような「軸力系」構造より剛性・耐力を確保する上で非効率であることは周知の事実です。

なぜラーメン構造を使うのでしょうか？

【図1】トラス構造の損傷制御

【図1(a)】のようなトラス構造を考えてみましょう。

地震力のような横力を加えていくと、足元の柱材が座屈を生じます。

部材の座屈はRC壁のせん断破壊と同様、「脆性的」で「好ましくない」破壊形式です。

実際に鋼管に繰り返し荷重を加えると【図2】のように座屈するだけでなく、局部座屈を起こしてあっという間に破断してしまいますので、このトラス架構は数回の繰り返しで倒壊してしまいます。

【図2】繰返しを受ける鋼管ブレースの破断

これに比べるとラーメン構造の梁端部曲げ破壊は「靭性」がありエネルギー吸収能力があると教えられてきました。

でもそうでもないことを我々は阪神大震災で知ってしまいました。

【図1(a)】のトラス構造で座屈する柱を補強しても、他の部材が次に座屈するため補強しただけでは靭性のある架構にはなりません。

でもこれらの足元の2本を【図1(b)】にように靭性のある「座屈拘束ブレース」に交換してみてはどうでしょうか。

座屈拘束ブレースが降伏軸力に達すると、繰り返し荷重に対し架構は安定した履歴ループを描くようになり、他部材に加わる水平力は頭打ちとなり、他の部材は座屈することはもうなくなります。

3％程度の層間変形角を繰り返し載荷しても数十回はびくともしません。

この効果を入力をカットする「ヒューズ」効果とエネルギー吸収する「ダンパー」効果と呼ぶことにしましょう。

ヒューズ効果は靭性のある部分でわざと力を抜いてやることで周期を伸ばして入力加速度を落としながら他の脆性的な部分に力が行かないようにし、ダンパー効果は付加減衰によって加速度・変位応答を落とす効果があります。

何かに似ていますね。そう、免震構造です。

免震構造も制振構造もヒューズ効果とダンパー効果を利用した耐震システムといえます。

でも考えてみればラーメン構造も梁端部をヒューズやダンパーとして利用した設計法なので、弾塑性耐震設計、免震・制振構造はすべて同じコンセプトに立脚していると言えます。

問題は梁端部がそれほど優秀なヒューズ・ダンパーではなかったことです。

では、なぜ2本の部材を座屈拘束ブレースに取り替えただけで架構の耐震性能が飛躍的に向上するのでしょうか。

「それは制振部材だから」と言ってしまえばそれまでですが、座屈拘束ブレースも2種類の軸力鋼材を組み合わせたものに過ぎません。

入ってくる地震エネルギーが同じだとしたら、どこが違うのでしょうか。

【図3】軸力材の塑性化領域

【図3】は一般的な鋼管ブレースと座屈拘束ブレースが軸力を受けて塑性化したとき、どこに塑性歪が分布しているかを示した概念図です。

一般的な鋼管ブレースでは、全長の2～3％の軸変形を受けると全体座屈、局部座屈を生じて塑性歪は局部座屈部の一点に集中し、数10%に達します。

うまく設計・製造された座屈拘束ブレースでは芯材が拘束材内部でまんべんなく部材に沿って分布し、2～3％にとどまります。

従って、両者の耐震性能の差は「どれだけの体積の鋼材に塑性歪エネルギーを均等に分配したか」に依存することになります。

秋山宏先生(東京大学名誉教授)は、構造物が一定以上の周期帯に存在する際、地震により建物に入力されるエネルギーは概ね周期によらず一定となることを示しました。

しかし架構が消費できるエネルギー量は、素材のエネルギー吸収能力が有限である以上、部材破壊に至るまでにこれを「どう安定した部分に分散させ消費するか」にかかっています。

このように架構のどの部分で力を抜き(ヒューズ)、入力されたエネルギーを架構のどの部分で消費するかというコンセプトが耐震設計を行う上でとても重要となります。

【図4】さまざまなトラス構造の損傷制御

【図4】はトラス構造への「エネルギー吸収型ヒューズ」(Energy-dissipating Fuse)の配置例です。

このようなコンセプトは立体トラスの耐震設計や通信鉄塔の耐震改修（【図5】）等に応用されています。

【図5】の通信鉄塔の耐震改修では、強度型補強では「いたちごっこ」となるトラス架構を、数段の斜材を座屈拘束ブレースに交換するだけで全体の耐震性能を向上させています。

【図5】自動ラックや通信鉄塔の損傷制御例

今回は地震エネルギーの吸収能力に優れたトラス構造のコンセプトについて紹介しました。

次回からはこのコンセプトを建物に応用した様々な構造デザインの事例を紹介していきたいと思います。どうぞご期待下さい。

>> 「第2回：外郭構造のデザイン」