バッコ博士の構造塾

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タワーマンションに住むなら制振か免震か?専門家でも決めかねる難問

近年建設されるタワーマンションの大半が制振構造または免震構造となっています。

 

□■□疑問■□■

スーパーゼネコン各社がタワーマンション用の高性能な制振システムを開発しています。それでも免震構造が耐震性に最も優れた構造なのでしょうか。

 

□■□回答■□■

基本的には免震を推します。普通の制振と比べれば断然優れています。スーパーゼネコン各社の新しい制振技術も高い耐震性を備えていますが、免震ほどの性能はありません。

ただし、これは建築基準法の規定に沿った検証の範囲の話です。さらに大きい地震を対象とした場合、免震の方が優れているという保証はありません。

優れているのは「免震だ」と断言する建築士もいますし「制振だ」と控えめに言う建築士もいます。免震がやや優勢な気もしますが、「現時点ではわからない」というところです。

 

 

タワーマンションの制振構造

2011年3月11日に発生した巨大地震は震源から遠く離れた首都圏や関西圏に建つ超高層ビル群に大きな揺れをもたらしました。

 

タワーマンションでもいくつかの建物で揺れが計測されました。タワーマンションにおける耐震、制振、免震の揺れの大きさを比較したところ以下のような結果になりました。

 

耐震 制振 免震

 

免震構造が優れた性能を示した一方、制振構造は耐震構造とほとんど変わらないという結果でした。「振動を制御する」と言っておきながら、その効果は無かったようです。

 

鉄筋コンクリートで造られている超高層のマンションは「重くて硬い」ので、制振による効果が出にくい建物です。また、制振と一口に言っても、その性能はピンからキリまであります。タワーマンションの制振構造はほとんどが「キリ」だったようです。

建物の減衰とは何か:減衰係数と減衰定数の違いと各種減衰の紹介

 

タワーマンションでは振動を制御したくて制振構造を採用するのではなく、制振構造であるというセールスポイントを得たいがために採用している場合が多いです。

耐震・制振・免震:メリット・デメリット以前に知っておくべき性能の違い

 

スーパーゼネコンの新しい制振システムと免震

従来の申し訳程度にダンパーを設置した制振構造が「キリ」だとすると、スーパーゼネコン各社が有するタワーマンション用の制振システムは「ピン」でしょう。使用するダンパーの量も多く、その設置方法も独特です。まだ実際の建物に適用されていない技術もありますし、マンション全体からみれば極々少数ですが、この先の動向に注目です。

大林:DFS(デュアル・フレーム・システム)

鹿島:スーパーRCフレーム構法

大成:TASS Flex-FRAME

竹中:THE制振ダブル心柱システム

 

どのシステムも、タワーマンション特有の中央の空いたスペースを利用する点は共通です。ダンパーに変位が集中するよう工夫している点も共通です。建物の構成がある程度決まっている以上、最適解は似たような形状になるのでしょう。

 

これらの制振構造であれば、東北地方太平洋沖地震時に計測されたような無残な結果になることは無いでしょう。大いに制振効果を発揮してくれるものと思います。

 

ただ、免震構造に匹敵する効果があるかと言えば、答えはノーです。如何にダンパーがエネルギーを効率よく吸収しようと、地震のエネルギーが建物に入力されることに変わりはありません。建物に入力されるエネルギー自体を小さくしてしまう免震とは根本的に違うのです。

 

「免震のような効果」、「免震以上にエネルギーを吸収」、「免振では実現できない」、その他いろいろな謳い文句はあるでしょうが、現実に揺れを小さくできるのは免震です。免震のような効果も出せるでしょうし、エネルギー吸収も免震以上にもできるでしょう。免震は超高層ビルには効果が薄いという意見もあります。それでも、免震と制振の間にはとてつもなく大きな壁があります。

 

実際にタワーマンションの建設数のうち、制振よりも免震の方が圧倒的に多いです。これが全てを物語っています。敷地や形状の都合で免震化が難しいタワーマンションに対しては、積極的にこれらの優れた制振システムを適用していってほしいです。

 

タワーマンションと免震の相性

超高層と免震

直下型の地震では地面がガタガタと素早く揺れます。免震構造では、建物の下に免震層と呼ばれる柔らかい層を設置することで建物をゆっくり揺れるようにします。これにより地震の揺れが建物に伝わりにくくなります。

免震構造がよくわかる:固有周期・振動モード・エネルギー吸収

 

低層建物はガタガタと素早く揺れますが、超高層建物はグラグラとゆっくり揺れます。そのため、免震層を設置してゆっくり揺れるようにしなくても、元々地震の影響を受けにくい建物と言うことができます。免震化しなくてもそれほど地震の力が大きくないため、免震化による効果は低層建物と比べ小さいことになります。

 

しかし、低層部分の加速度(揺れの強さ)の低減、後揺れ時間の短縮、ある程度の地震の力の低減は見込めますので、制振構造よりも十分に性能を向上させることができます。100点満点ではないが、70点くらいはある、というところでしょうか。

 

タワー形状と免震

「タワーマンション」と「超高層マンション」は似ていますが、少し違います。タワー、つまり塔のようにスレンダーな形状でなければ、いかに高層であろうとタワーマンションではありません。とはいえ明確な定義があるわけではないので、ロの字型に住戸を配した高層のマンションは全てタワーマンションと呼ばれているのが現状です。

 

スレンダーかどうかの1つの目安として「アスペクト比」があります。建物の高さと幅の比で、これが4を超えるとなかなか細長い印象を受けます。このアスペクト比が免震構造を採用できるかどうかの重要な指標として使われます。

 

アスペクト比4の建物の頂部を右方向に押すとします。そうすると右側の1階の柱には押した力の4倍の力が圧縮力として作用します。反対に左側の1階の柱には押した力の4倍の引張力が作用します。アスペクト比が5なら5倍ですし、6なら6倍になります。

 

免震建物を支える「積層ゴム」は圧縮に強く引張に弱い装置です。負担している建物重量を超える力が作用すると、ゴムが引っ張られることになってしまいます。そのため、あまりアスペクト比が大き過ぎるとゴムの設計ができないために、免震構造を採用することができなくなるのです。建物規模にもよりますが、アスペクト比が4を超えると設計の難易度がかなり上がってきます。

免震建物を支える免震ゴム:強くて柔らかいを実現する秘密

 

タワーマンションの終局状態

耐震工学は地震の度に建物が壊されることで進歩してきました。過去数十年の間に、それこそおびただしい数の建物が倒壊しています。実験室で1棟や2棟壊してみるよりも、遥かに多くの知見が得られます。木造住宅、中低層のRCマンション、高層の鉄骨オフィス、いろいろな種類の建物が被害を受け、それと同時に課題を浮き彫りにしてきました。

 

では、超高層ビルはどうでしょう。2011年に初めて本格的な地震を経験しましたが、倒壊はおろか構造的な被害すらありませんでした。もちろんこれは素晴らしいことですし、先人達の功績です。しかし結局のところ、超高層ビルがどう壊れるかということはほとんどわかっていないのです。

 

超高層ビルよりはデータがあるものの、免震建物でも似たような状況です。非常によい性能を示したことはわかるのですが、限界を超えたときに何が起こるかはわかりません。

 

ではこの未知の部分が多いタワーマンションと免震を組み合わせた場合、一体どうなるのでしょうか。答えはもちろん「余計にわからなくなる」です。免震タワーマンションが最終的にどう壊れるか、いろいろな意見はありますが、実際のところは誰にもわからないのです。

 

想定している大地震に対してはもちろん優れた性能を発揮します。免震にした方が絶対にいいでしょう。しかし、それ以上の巨大な地震が発生した場合の性状は不明なままです。

 

タワーマンション単体でもよくわからないのは確かです。ただ、少なくとも柱が地面にしっかりとくっついているので、倒れるまではかなり粘るだろうと考えられています。

 

それに対し免震タワーマンションでは、足元が引張に弱いゴムです。アスペクト比も大きいです。建物自体が健全でもゴムが引き抜けてしまい、全体がゴロっと倒れてしまうかもしれません。倒れないまでも、ゴムが損傷して建物重量を支えられなくなることも考えられます。

 

ほとんどの場面で免震がよさそうですが、「もし」、「万が一」を考えたときに不安があるというのも事実です。それはどんな建物にも言えることではありますが。

 

免震は素晴らしい技術です。最高の地震対策技術です。ただ、完璧な技術ではありません。免震建物に住んでいるからと言って、地震に対する備えを怠ってはいけません。