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耐震と制震

「耐震」_より強くより硬く

これまで大きな地震が起きて甚大な被害が起きるたびに国の耐震基準が見直され、新たな基準で診断し補強をすることが求められてきました。その変遷は「耐力壁量」の見直し、構造材を止める「金物」の見直し、「壁配置バランス(偏心)の見直しなど、あくまで耐震要素の強化(より強くより硬く)というものが中心でした。
耐震補強で真っ先に思い浮かぶのは「筋交」でしょう。新耐震基準ができたのは昭和56年(1981年)で、それまでの筋交はせいぜい三ツ割(柱材を三つに割いたもの)と呼ばれるうすいものが主流で、留め方も釘で打ち付けた仕様でした。やがて二つ割り(柱材を二つに割いたもの)の使用が普通になっていきました。
そして、平成7年(1995年)の阪神淡路大震災を機に、さらに厳しい基準が設けられ、筋交の留めつけは金物を使用することが義務付けられるようになりました。また、筋交とともに構造用合板などの強い面材をたくさんの釘で軸組に留めつける面材補強が一般的になっていきます。
平成12年(2000年)以降は、建物の重心と壁固さの中心(剛心)を近づけるることで「建物のねじれを抑える」という配慮(偏心の矯正)も義務付けられていきます。
軸組み構造は補強がなければ簡単に倒れます
耐震補強で最も知られているのが筋交です
さらに面材を張るととても強くなります
蓋を閉じていないケーキの箱は押すと簡単に潰れます。蓋を閉じた箱を押すと今度は転がろうとします。このとき押したほうの下側が持ち上がろうとする動きが引き抜きと言う現象です。このように補強して壁が強くなるほど、大きな引き抜きが起きますので適切な引き寄せ金物が必要になるのです。

耐震+制震

これまでは、壁を固くし強くするという耐震性能の強化が追及されてきましたが、その流れは熊本地震で一変します。震度7が三日の間に2回続いたことにより、最新の耐震性能を持つ新築の家まで大きな被害がでました。その後の調査により、最大の原因は1回目の震度7の揺れで耐震性能を実現していた筋交や合板をとめる釘が緩み、耐震性能が極端に落ちていたことで2度目の震度7に耐えられなかったことが判明したのです。その事実により、耐震性能を落とさない仕組みについての研究が進み、「免震」や「制震」という新しい工法の研究が進み実現してきました。
「免震」とは、地震の力が建物に伝わらないよう切り離そうというアイデアで、建物と地盤の間に何らかの層を設ける必要があり、今出ている技術では新築に限られます。
「制震」とは、地震の力(エネルギー)をすばやく収束させて建物の耐震構造にかかるダメージを小さくしようというアイデアです。あくまで耐震性能があることが前提で「耐震+制震」が正確な表現です。
「制震」には現在数種類の材料や機構があり、それぞれ特徴があります。

制震1.粘弾性体系_フォークト型

これまでの制震装置の中で一番採用されてきた構造は「粘弾性体」とよばれる衝撃を熱に変えて消すという性質をもつ物質(ゴム系)を使ったものでした。
どのような機構でも地震力を1カ所ないし数か所に集める機構であれば使用できるメリットを持っています。
粘弾性体は温度により性質が変化し、夏は柔らかくなって制震効果は小さくなり柱の引き抜きも小さくなり、冬は固くなって制震効果は大きくなるのですが柱の引き抜き力も大きくなるという特徴があります。そのため設計にあたっては、制震効果は夏の弱い数値を採用し、柱の引き抜きには冬の数値を使うという2重の設計をする必要があります。ことに冬の引き抜き力は夏の3倍程度になることもありますから、無筋基礎ではもたず有筋基礎の新設が必要となることもあって、施工コストアップとなるケースも出てきます。また、地震の揺れには海溝型の長周期振動と直下型の短周期振動がありますが、粘弾性体は短周期振動には効果があるものの長周期振動にあまり大きな効果が期待できないという特徴もあります。ただ低層の木造住宅に大きな被害をもたらすのは短周期振動なので、その点はあまり心配する必要がないかもしれません。
力が集中する箇所にはさんで力を熱に変える

制震2.オイル系_マクスウェル型

「制震」という言葉は最近になってよく聞かれるようになりましたが、実はすでによく知られている「自動車のダンパー」が実は制振装置なのです。車の揺れをスプリングが受け止め揺れをいったん吸収したのちスプリングの戻ろうとする動きを早急に止めるのがダンパーの役目です。この機能がじつは制振効果で、スプリングだけではいったん揺れ始めた車を静かな状態に戻すために時間が必要ですが、オイルを使った水鉄砲のようなシリンダーとピストンの原理ですばやく揺れを収束させます。
オイルの性質はもともと温度変化に左右され、粘弾性体よりは程度が小さいものの、夏は制震効果が小さく冬は大きくなります。また引き抜きも夏は小さく冬は大きくなります。
オイル系は車のダンパーのような構造で揺れを吸収

制震3.摩擦系_バイリニア型

異種金属同士を強い力で押し合わせ、摩擦熱を発生させ揺れを消す構造
(九州大学で開発されたこのシステムでは金属同士の摩擦による摩耗は生じません。)
他の制震装置のような温度変化による性能の変化地震周期の大きさによる制震機能の変化がなく、いつでも安定した性能が発揮できる点が最大のメリットです。
金属同士の摩擦により熱を発生させエネルギーを消す

摩擦系制震を採用

様々な制震装置の原理の特徴を比較した結果、温度や地震の速度に依存しない(暑さ寒さや地震の周期により効果が変わらない)摩擦系制振装置が有利との結論に達しました。
当社が採用した摩擦系制振装置は実大実験を繰り返し、国土交通省の壁倍率(新築用)と建築防災協会の技術評価認定(改修用)を得ている評価の高いものです。
温度や地震の周波数の影響を受けない特性による最大のメリットは、「施工コストが抑えられる」点です。
粘弾性体やオイルを使用する制震装置は冬に増大する引き抜きに対応するため、無筋基礎の住宅では装置設置個所の下に有筋基礎を新設するなど大きなコストがかかりますが、摩擦系ダンパーでは有筋基礎の新設は不要となりますのでコストも工期も抑えることができます。
摩擦系制振装置はあらゆる点で優れています
気温の変化や地震の周波数に影響されない制振ダンパー

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