前回は五重塔の「やじろべえ・スネークダンス」説が間違っていることを説明しました。
しかし、まだまだ怪しい説がたくさん残っています。
特に、五重塔の象徴的存在である「心柱」に関連した説が多数提案されています。そして、さしたる根拠もないまま、広く知られるようになってしまいました。
今回は「心柱振り子」説について取り上げてみます。
心柱振り子説
五重塔の中心を貫く長い柱、それが心柱です。数多ある建物を構成する部材の中で、心柱ほど有名なものは他にないかもしれません。
古くは穴を掘ってそこに根元を埋め込んで立てていたのですが、時代を経るにつれ、建物の上部から吊り下げるタイプのものが出てきました。懸垂式と呼ばれ、日光東照宮の五重塔が有名です。
心柱は建物の上部からただ吊るされているだけですから、比較的小さな力で動かすことができます。ブラブラと振り子のように動くわけです。
そして「振り子のようになった心柱が、地震の際に建物と反対方向に揺れることで、建物の揺れを小さくする」効果がある、というのが「心柱振り子」説です。
振り子による制振技術
重量物を建物上部に吊るすことで建物の揺れを止める技術は、実際に存在します。もっとも有名なのは、台湾の台北101でしょう。金色の巨大な鉄の塊が、長いワイヤーによって支持されています。
これはTMD（Tuned Mass Damper）と呼ばれる制振技術の一つで、主として超高層建物に用いられます。
TMDには、振り子に限らず、いろいろなタイプのものがあります。振り子タイプは主流ではなく、限られた数しか存在しません。オモリをゴムで支持するタイプが多いと思われます。
振り子が建物の揺れを小さくするための条件
振り子により建物の揺れを小さくすることができるのは確かですが、どんな振り子でもいいわけではありません。やはり条件があります。
周期
振り子を持ち上げてから離すと、一定の時間でブラブラと揺れ続けるのがわかります。振り子が一往復するのにかかる時間を「周期」と言い、周期は振り子を吊るすヒモの長さで決まります。オモリが重くても軽くても、ヒモの長さが同じであれば同じ周期になります。
建物の揺れを効果的に止めるには、建物の揺れ方と振り子の揺れ方をうまく合わせる必要があります。一般に、建物と振り子の周期を同じ程度にそろえると効果が高まることが知られています。
重さ
どれだけタイミングよく振り子が建物の揺れを止めようとしても、止める力が小さければ意味がありません。そして、止める力というのは、振り子の重さに比例します。軽ければ軽いなりの、重ければ重いなりの力を発揮します。
つまり、振り子で揺れを止めようと思えば、振り子にはある程度の重量が必要ということになります。実際、超高層ビルでは、数百トン、あるいは千トン以上のオモリが使用されます。
振れ幅
振り子が大きな力を発揮するのに必要なのは、重さだけではありません。揺れる勢いも重要です。
そもそも、止める対象が建物という非常に大きなものであり、当然振り子自身よりも重たいものになります。そのため、基本的に振り子は建物よりも大きく揺れることになります。
減衰
最後の条件は、普通の振り子には備わっていない性質です。それは、振り子が揺れている振動のエネルギーを吸収することです。
地震はガタガタと不規則な揺れ方をしますので、それによって建物に生じる揺れにも不規則な成分が入ります。いくら振り子の周期を調整しても、常に建物の揺れを打ち消せるわけではありません。
そこで、多少タイミングがずれても揺れを抑えるために、振動のエネルギーを吸収する必要があります。これを「減衰」と言います。
心柱は揺れを小さくするための条件を満たすか
振り子に必要となる条件がわかりました。では、心柱はこれらの性質を備えているのでしょうか。
周期の一致度合い
まず周期ですが、あまり一致しているとは言えません。例えば、日光東照宮の五重塔では、建物の周期と心柱の周期が2倍以上違います。
もちろん、地震によって建物が変形すれば、接合部が緩むなどして建物の周期は伸びてきます。模型実験では2倍以上に伸びたという結果が得られていますし、倒壊するような状態になれば、もっと伸びることも予想されます。
ただ、そんな風にコロコロと変わる建物の周期に対し、一瞬だけ周期が一致したところで効果は望めません。むしろ建物の揺れを大きくしてしまう時間の方が長いかもしれません。
心柱の重さ
次に、心柱の重さを見てみましょう。
もちろん塔によってまちまちなのですが、数トンくらいあるようです。ただの木の柱としてはものすごく重たいと言えるでしょう。
ただ、肝心なのは五重塔の重さとの比率です。五重塔は優に100トンを超えるため、心柱の重さの比率は1～3%程度になります。
この数値は悪くはありません。超高層ビルでは1%も確保できない場合が多いでしょう。揺れを止めるためのポテンシャルがかなりあることがわかります。
心柱の可動範囲
続いて、心柱が揺れることができる範囲はどれくらいになるでしょうか。
心柱は、上部から吊られてはいますが、大きくブラブラ揺れられるようにはなっていません。一番下に振れ止めが設けられており、途中でぶつかって止まるようになっています。
そして、心柱と振れ止めとの間はせいぜい一寸程度、つまり3cmしかありません。
五重塔は、高いものであれば、大した損傷もせずに1mくらいは変形できます。であれば、心柱にはできれば数m、最低でも1mは動いてもらわないといけないことになります。
3cmではあまりにも小さいです。
心柱の減衰
現在、TMDには必ずといっていいほど「オイルダンパー」が用いられています。振り子の動きに応じて伸び縮みし、振動のエネルギーを吸収する装置です。
当然、五重塔にはそんな装置は付いていません。その代わり、竹で作った緩衝材を入れてあったり、塔体とぶつかったときに木材がめり込んだりすることでエネルギーを吸収するとされています。
しかし、その効果は限定的と言えるでしょう。なぜなら、オイルダンパーが「振り子が動いている間ずっと」効果を発揮するのに対し、竹や木は「衝突した瞬間だけ」しか効かないからです。
ほとんどエネルギー吸収は期待できないと言っていいでしょう。
心柱の振り子としての効果
振り子が建物の揺れを小さくするための4つの条件と、心柱が持つ性質とを比べてみました。
結論としては、重さは十分あるけれど、周期は一致せず、振れ幅はほとんどなく、エネルギー吸収も非常に小さい、というものです。これではまともな効果を期待できるわけがありません。
実際、振り子説を取り上げた記事や論説などでは、数値的な裏付けがどこにも出てきません。出せばすぐに効果が無いことがばれてしまうからです。せいぜいが「塔体と心柱とが違った動きをする」程度のことで、どんな振り子でもそうなります。
もともと心柱を上から吊り下げているのは、経年による木材の収縮対策です。塔体と心柱の収縮の度合いが違うことで高さの差が生じ、塔体と心柱とに隙間ができてしまうのを防ぐためです。
先人の素晴らしい知恵ではありますが、それを地震にも効果があると言ってしまうのは現代人の思い込みでしかありません。
