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免震・制震・地震応答解析 2018.04.07

建築構造形式を知ろう!耐震構造、制震構造、免震構造の違いとは?


建物はすべて「構造」で支えられています。柱や梁などの構造がしっかりしていてはじめて、建物は機能や安全を維持できます。構造は、人間の体で言えば骨格に当たる重要な要素で、台風や地震など自然の脅威から建築を守る役割を担っています。特に地震国・日本ではその重要度が高いことは言うまでもありません。

建物を支える構造形式には耐震構造・制震構造・免震構造があります。ここではそれぞれの構造形式の違いを説明します。

1)耐震構造の特徴

(1)どんな構造か?

耐震構造は、地震が起きた時に柱や梁、壁で地震の力に抵抗します。つまり建物の構造体を強くすることで耐震性能を高め、地震の揺れに耐える構造と言えます。

現行の耐震基準(新耐震基準)は,中規模の地震(震度5強程度)に対しては,ほとんど損傷を生じず,極めて稀にしか発生しない大規模の地震(震度6強から震度7程度)に対しては,人命に危害を及ぼすような倒壊等の被害を生じないことを目安としています(ひび割れや一部損壊、建物が傾くことは許容しています)。

耐震構造は、極めて稀にしか発生しない大規模の地震に対しては建物の骨組みが損傷(主に梁が塑性化)して地震エネルギーを吸収するため、結果的に部材の損傷や、建物の傾きを許容する構造になります。

2)制震構造の特徴

(1)どんな構造か?

制震構造は、建物の構造体に取付けた制震装置(錘やダンパー等)により、地震エネルギーを吸収することによって、建物の揺れを小さくする構造です。よって耐震構造に比べて揺れを抑えられるため、建物の骨組みは弾性変形範囲にとどまり、柱・梁の損傷を防ぐことができます。

また、建物の変形も押さえられることから、居住者の揺れによる恐怖感も少なく、耐震安全性や機能性、居住性の向上が図れる構造です。一般的には、耐震性が耐震構造より優れており、さらに高層ビル(鉄骨造)など、風揺れ対策を目的に採用されることが多いです。

3)免震構造の特徴

(1)どんな構造か?

免震構造は、建物と基礎の間に積層ゴム等の免震装置を設け、地震による揺れが直接建物に伝わらないようにした構造です。つまり地震によって地盤が激しく揺れても、建物は地盤の揺れに追随せずゆっくり動くために地盤から地震力を受けないため、大地震時に構造体が損壊することはほぼ無く、建物が傾くといった地震の被害はほぼなくなります。免震構造はこれから、耐震構造、制震構造に比べて、耐震性能は最も高くなります。

4)耐震構造、制震構造、免震構造の比較

以上から、建築の構造形式には耐震構造・制震構造・免震構造があり、それぞれの地震による揺れのイメージが違います。揺れに耐える耐震構造、揺れを吸収する制震構造、揺れを伝えない免震構造をそれぞれ比較してみましょう。


※1999 年以降2017 年までの免震建物及び制振建物の棟数のデータ集積結果/一般社団法人日本免震構造協会より

5)設計と計算

(1)設計は重要であるが・・・

建築の構造設計は「建築基準法」に基づいて行われます。耐震設計に関しては2 段階の地震力に対しての設計を行うことになり、それぞれ1 次設計、2 次設計と呼ばれています。

1 次設計は「稀な地震」あるいは「建物存在中に数回受けるであろう地震」に対して設計し、 建物の損傷を防ぐことを目的としています。2 次設計は「極めて稀な地震」あるいは「数百年に一回程度発生する可能性のある地震」に対して設計し、建物の被害はある程度許容しますが倒壊を防ぎ、人命を守ることを目的としています。

しかし、このように設計された建物でも注意する点があります。それは建築基準法は最低限を定めた基準であり、大きな地震を受けた場合は人命を守ることはできますが、建物には被害が生じる可能があるということです。被害を減し、安全性をどこまで高めるかは設計者と協議する必要があります。

(2)構造設計(計算)の重要性

安全性をどこまで高めるかを設計者と協議する場合、安全性を高めるためには、柱や梁を大きくする、壁の量を増やすことも考えられますが、その分の建設コストも増加します。また免震構造や制震構造といった技術を用いるとさらに地震に対しての安全性は増します。よって平面計画(使い勝手)や費用対効果を考えて地震に対する安全性をどこまで高めるか決めていくことが重要になります。

そこで安全性と費用対効果をバランス良く決定するために構造設計(計算)が必要となります。構造設計とは、個々の建築に最適な構造形式を提案し、建築に作用するさまざまな力を理解し、その力によって構造体にどういう現象が起きるかを把握することです。

特に耐震構造に比べて制震構造、免震構造は地震応答解析という複雑で高度な設計(難易度が高い)が求められ、構造設計の様々な局面では、経験を積んだ構造設計者の判断が必要となります。この地震応答解析とは、地盤や建物の各部がどのような力を受けるかなどを調べるために、地盤および建物・構築物を適切な解析(計算)モデルに置き換え、設計用の地震動を計算し、各位置が受ける力と揺れの大きさを算出することです。

6)まとめ

以上より、建築の構造形式には耐震構造・制震構造・免震構造があり、それぞれの地震による揺れのイメージが違うことが理解できたと思います。また、建築構造の安全は、本来は確定的に決められるものではなく、その度合いも一義的なものでなく、建築基準法などの法律は最低水準を社会的な合意として規定していることも分かったと思います。

構造設計は安全性に関して社会への説明責任を担うことから法律への適合が求められています。しかし、適法であることだけで安全で機能を維持した建物とは言えず、安全性を備え良質な建物は、構造設計者の技術力・工夫・配慮によって達成されるものです。構造設計者は、様々な施工技術・技能の実態を理解した上で設計を進め、建物構造の品質を確保しつつ、建築地域の状況やプロジェクトの規模などに応じて適用可能な技術および構造材料を前提に、構造設計を行っていきます。このように様々な局面で、経験を積んだ構造設計者の判断が必要となることが理解できたと思います。