「免震」というと、なんだか最新の技術のように思われる方もいますが、実際にはかなり長い歴史があります。
1890年代にはすでにアイデア自体はあり、その後いくつも特許が出されています。建物を縦横に並べた丸太の上に載せる、ボールの上に載せる、ヒョロヒョロな細い柱で支持する等あり、「どうすれば建物を柔らかく造れるか」ということに苦心したことが伺えます。
世界初の免震建物は日本と同じく地震国であるニュージーランドで1981年に竣工しました。「積層ゴム」と呼ばれる現在日本でも主流となっている装置を用いることで「柔らかい」を実現しました。
日本では少し遅れて1982年（1983年？）に初の免震建物が建設されています。しかし、その後はほとんど普及せず、年間でも数える程度しか実績がありませんでした。
契機となったのは1995年の兵庫県南部地震です。非常に高い効果を発揮したことで一般に広く認知され、今では毎年多くの免震建物が建てられています。
免震はすごい、これはいまや建築業界では常識といってもいいでしょう。
しかし、なぜ高度な計算機が無い時代から、免震建物の有効性が専門家の間で認知されていたのでしょうか。簡単な力学を交えながら、「なぜ免震が効果的なのか」を考えてみましょう。
固有周期：共振を避ける
免震というシステムの基本かつ最も重要な点、それが「固有周期を伸ばして共振を避ける」という考えです。詳しく見ていきましょう。
地震の周期と建物の周期
地震計による地震の観測は1872年から行われていたようです。もちろん今のようにきめ細かく地震計が設置されていたわけではありませんし、観測自体も非常にアナログなやり方でした。
それでも、「大地震の主要な揺れの周期は1秒から1.5秒くらいだ」ということが専門家の間では共有されていました。データの読み取りや解析には大変な苦労があったでしょう。
地震の「周期」とは、揺れが一往復するのに必要な時間です。地面が元の位置から右に動き、その後また元の位置に戻ってきて、さらに左に動き、そしてまた元の位置に戻ってくる、この一連の動きをするのに1～1.5秒かかるということです。「元→右→元→左→元」ですね。
そして、建物にもまた周期があります。バネをつけたオモリと同じ様に、建物に変形を与えてから力を抜いてやれば振動を始めます。このとき揺れが一往復するのに必要な時間を「固有周期」と呼びます。
固有周期は建物高さに比例し、建物高さ（m）に0.02～0.03を乗じたものが固有周期（秒）になります。高さが100mだと概ね2～3秒になっています。
ただ、木造住宅はもう少しばらつきが大きく、同じ木造2階建ての住宅でも固有周期は大きく変わります。現在の基準で建てられているものは固有周期が0.1～0.3秒程度ですが、古いものでは0.3～0.5秒程度と言われています。
あくまでもこの数値は目安なので、建物をガチガチに固めればもっと周期を短くできますし、逆に柔らかくすれば長くもできます。現行の基準に適合するよう設計すると、大体このくらいになる、ということです。
地震時の建物の揺れと免震の周期
この地震の周期と建物の固有周期が一致することを「共振」といいます。地面の揺れと建物の揺れが一致することで、揺れをどんどんと増幅させてしまう危険な現象です。
逆に周期が大きく離れていれば、地面と建物の揺れが打ち消し合うように作用することもあります。そのため、うまく周期を外せば建物の揺れを小さくすることができます。
昔の技術者たちは、建物を簡単なモデルに置き換えることで建物の揺れを数式で表現し、建物がどのように揺れるかを理解していました。共振が危険ということが分かっているからこそ「共振を避ける」という「免震」の発想に至っているわけです。
現在は当時よりももっと多くの地震波の観測データがあります。それらを解析すると、非常に重要なことがわかりました。
1秒から1.5秒の周期を避けるのはもちろんですが、より重要なのは「建物の周期が4秒を超えると、建物に生じる加速度は非常に小さくなる」ということです。
建物に生じる地震の力とは、建物の重量に加速度を乗じて得られる慣性力です。つまり建物の周期を4秒以上にさえしておけば、建物に作用する地震の力は非常に小さくなるということです。
そのため、大半の免震建物は周期が4秒、あるいはそれ以上に設定されています。
「柔らかい」のがいい理由
固有周期4秒というのは、150m級の高さを持つビルと同程度です。低層建物の固有周期は本来ゼロコンマ数秒なので、4秒を実現するには非常に柔らかい層を建物下に挿入しなければなりません。
この建物の下に挿入される柔らかい層を「免震層」といいます。「免震はとても柔らかい」、これは非常に重要なことです。
しかし、柔らかい層があれば地震時の変形量も当然ながら大きくなります。大きく変形するのであれば、加速度も大きくなりそうなものです。ただ、実際はそうはなりません。
なぜなら、物体が振動するときの加速度は変形に比例し、周期の二乗に反比例するからです。柔らかくすることで変形は増えますが、周期が長くなった効果がそれを上回り、結果として加速度は小さくなります。
免震のように建物を柔らかくしなくても、建物を極端に硬くすれば共振は避けられます。しかし、建物に生じる加速度を低減するにはやはり「柔らかさ」が重要なのです。
固有モード：変形を集中させる
固有周期の長さを変えるだけが免震の効果ではありません。ここでは「固有モード」という用語を使って、免震の別の効果について説明します。
超高層ビルの固有周期
先ほども書いた通り、建物の固有周期は建物の高さに比例して長くなっていきます。高さが200mを超えるような超高層ビルでは、免震建物よりも固有周期が長いものもザラにあります。
そのため、超高層ビルに生じる地震の力は、建物の重さの割には小さくなります。また、それがわかったことで超高層ビルが建設できるようになった、とも言えます。
しかし、だからといって超高層ビルの耐震性が免震建物よりも高いわけではありません。自動的に固有周期が長くなってしまう超高層ビルと、あえて固有周期を長くした免震建物とは勝手が違います。
以下、それを説明していきましょう。
超高層ビルと免震建物のモード形状の違い
超高層ビルの固有周期が長いのは、各階が少しずつ変形し、それが積み重なって建物全体として大きな変形となるからです。建物が変形することが前提の柔らかさなのです。
超高層ビルの変形を小さくするために建物自体を硬くしていくと、固有周期が短くなってくることで地震の力が大きくなってしまいます。「建物を硬くする効果」が「地震の力が大きくなる効果」を上回った分だけしか変形が小さくならないということです。
免震建物の固有周期が長いのは、建物自体が柔らかいのではなく、その下に設置された免震層が柔らかいからです。建物が変形しなくても、免震層が変形してくれることで固有周期を長くしてくれます。
免震建物の変形を小さくするために建物を硬くしても、固有周期にはほとんど変化はありません。免震層の変形が支配的になるため、建物自体を変更してもほとんど影響が無いのです。そのため、硬くした分だけ変形は小さくなります。
超高層ビルの基本の揺れ方は、各階が少しずつ同じ方向に変形し、建物上部ほど変形が大きくなる『／』のような状態です。一方の免震建物の基本の揺れ方は、免震層だけが大きく変形し、上部の建物はほとんど変形しない『」』のような状態です。
この建物が揺れる際の基本となる形を「固有モード」といい、今回示した形状はその中の最も影響度が大きい「一次モード」と呼ばれるものです。
免震建物の独特の固有モードが、「系全体としては柔らかいが建物は変形しない」という理想的な状態を実現可能にします。そしてこの固有モードは、「免震層が柔らかい」からこそ実現できるのです。
低層部の加速度低減
先ほど書いたように、超高層ビルは主として『／』のように揺れています。上の方が大きく変形しているので加速度も大きそうに見えますが、そうとも限りません。
建物に作用するのは、「地面の変形に伴う加速度」と「建物の変形に伴う加速度」を足し合わせた「絶対加速度」だからです。建物が右に揺れても、地面が左に揺れていれば大きな加速度にならない場合があります。
しかし、低層部は違います。上層部が大きく地面と反対方向に揺れたとしても、低層部はほとんど地面と同じ様な動きをします。そのため、加速度をキャンセルする効果がありません。
つまり、「固有周期が長いと加速度が小さくなる」という効果は建物低層部には及ばないということです。
しかし、免震建物では『」』のような揺れ方をします。免震層より上の部分、つまり1階の床から地面とは違う動きができるのです。
その結果、建物全体の加速度を低減する効果が出るのです。
減衰定数：エネルギーを効率よく吸収する
「固有周期を長くすること」と「固有モードが変化すること」を説明してきました。最後にもう一つ、「減衰」の効果について書きます。
減衰とは
建物であれ何であれ、動力源無しに永遠に揺れ続けるものはありません。いくら時間がかかったとしても、いつかは止まってしまいます。
ではなぜ止まるかというと、揺れのエネルギーが熱や音といったものに姿を変えて出ていってしまうからです。このエネルギーが逃げていって揺れが止まることを「減衰」といいます。
そして免震建物では、減衰を簡単に大きくすることができるのです。
減衰の基本
その建物が持つ減衰の大きさ、つまりどのくらいで揺れが収まるかを表す指標として「減衰定数」があります。
減衰定数は、ダンパー（エネルギーを吸収する装置）の能力と固有周期に比例し、建物の重さに反比例します。そのため、固有周期が長い免震建物は減衰定数を大きくしやすいと言えます。
じゃあ超高層建物も減衰定数を大きくできるかというと、そうではありません。なぜなら、「ダンパーは変形量が大きいところに入れるほどよく効く」からです。エネルギー吸収量が「ダンパーの減衰力×変形量」だからです。
超高層ビルの頂部は地面に対して非常に大きく移動していますが、建物頂部とダンパーを繋ぐ場所がありません。まさか地面と建物頂部を繋ぐような長いダンパーを作るわけにはいきませんし、仮に作ったとしても硬さが十分でないとうまくダンパーに力を伝えられません。
結局「3階の床と4階の床を繋ぐ」というような、全体の変形に比べると非常に小さな場所にしかダンパーを設置できません。もちろんいろいろな工夫を凝らした設計もありますが、やはり大変なのは変わりません。
免震建物では『」』という揺れ方からもわかるように、地面とそのすぐ上の1階床との間で大きく変形します。単に地面と1階の床を繋ぐだけで、簡単に減衰定数を大きくすることができます。
ダンパーの入れ過ぎは厳禁
建物の地震時や強風時の揺れを抑えるためにダンパーを組み込んだ建物を「制振」といいます。制振であれば、ダンパーの量は基本的に多ければ多いほどいいです。
しかし、免震ではそうはなりません。ダンパーには最適な量があり、それを超えるとむしろ性能が低下してしまいます。それはなぜでしょうか。
免震が効果を発揮するうえで重要なことは上記で説明してきましたが、要は「柔らかいこと」です。減衰により性能を多少上積みすることは可能でも、減衰自体は免震の本質ではありません。「柔らかい」を阻害しない範囲でしか減衰は付加してはいけないのです。
ダンパーとはあくまでもブレーキのようなものです。地面と建物の間に設置されたブレーキが効き過ぎれば、地面から建物へ力を伝える役割を果たしてしまいます。
また、ブレーキが効くことで免震層に生じる変形が減れば、免震層が硬くなったのと同じようなことになります。せっかく柔らかくした効果を台無しにしてしまう可能性があります。
もちろんダンパーがゼロだといつまでも揺れが止まらないことになりますし、上部に伝わった揺れが増幅してしまうこともあります。相場としては建物重量の3%程度の力を発揮するダンパーを入れておけばいいでしょう。ダンパーの種類によってはもう少し多くしてもいいかもしれません。
長周期地震動に対して安全なのか
東北地方太平洋沖地震では地震の規模が非常に大きく、広大な範囲がゆっくり時間をかけてズレました。そのため、「長周期地震動」と呼ばれる非常に周期の長い地震が起こりました。
今後発生が危惧されている南海トラフや相模トラフ沿いの巨大地震でも、この長周期地震動が発生するとされています。
過去にはこうした周期が長い地震のことはあまり知られていませんでした。低層の建物が多く、周期が長い地震と共振して被害を受けるような建物がほとんどなかったからです。
しかし、今や日本中に周期の長い超高層ビルや免震建物が建っています。勝手に周期が長くなってしまった超高層ビルはともかくとして、わざわざ周期を長くしている免震建物は大丈夫なのでしょうか。
確かに、免震の「共振を避ける」という考えは通用しません。むしろ共振するような建物になってしまっています。
しかし、共振したからと言って固有モードの形状が変わるわけではありません。基本的には免震層が変形してくれるわけで、上部の建物が変形しにくいという効果は依然として残っています。
また、共振では突然揺れが大きくなるのではなく、揺れのエネルギーが蓄積することで徐々に揺れが大きくなります。蓄積する分以上にダンパーがエネルギーを吸収すればよく、減衰定数の大きい免震ではそれほど増幅しません。
もちろん免震にとって長周期地震動は得意な相手ではありません。しかし天敵かというと、そこまでではないでしょう。
「硬い」免震もある？
免震が柔らかいこと、柔らかいから効果があることを書いてきました。ただ、一見すると「硬そう」な免震もあります。
例えば、電子顕微鏡を使用するような研究施設では強風や交通による微振動を嫌います。そうした用途の建物では、常時は建物が硬い方が望ましいわけです。
そのため、摩擦によるエネルギー吸収を行う装置を用いて免震層を構築することになります。常時は摩擦があるので硬く、地震時には摩擦が切れて滑り出すことで柔らかくなります。
摩擦によりエネルギー吸収を行い、かつ非常に硬い装置と言えば新日鉄住金エンジニアリングの「球面すべり支承」です。金属製の装置なので、滑り出す前はほとんど変形しないものとして扱います。
摩擦係数が大きいものでも4%程度と小さな値から滑り始め、滑り量に応じて若干だけ荷重が増加します。
もしこの装置が5mm滑った場合を考えると、建物重量の4%に相当する力＋αで5mmの変形ですから、装置をバネと考えた場合の等価な周期は0.7秒に相当します。しかし30cmも滑れば建物重量の7～8%に相当する力を負担し、等価な周期は4秒程度まで伸びます。
つまり硬い装置を使おうが、大地震時には大きく変形して固有周期は4秒、あるいはそれ以上まで長くなります。逆に言うと、それだけ変形できず無用な力を発揮してしまうような装置は効果が薄いということになります。
結局免震は柔らかい、これに尽きます。
