柔構造

柔構造︵じゅうこうぞう︶とは、建築物に働く地震の力を柔軟な構造を用いて吸収することにより、建築物の破壊を防ぐ構造のこと。高層ビルのほか、水路や樋管などにも応用されている。

建築物における柔構造

構造物を外力に耐えさせる考え方として、一つは、外力をそのまま構造体全体に入力する﹁剛構造﹂がある。実際の構造計算においては、想定される外力が十分な時間にわたって作用し続けると仮定した静的解析を行うことが主流であるが、結果として、﹁外力を生のまま全て受け止める﹂形式になる。この考え方は、固有周期の短い構造体が受ける地震力に近く、現在でも中低層の建築物における構造計算では主流となっている。

一方、固有周期の長い構造体では、地震の揺れが構造物全体に伝わるまでに時間がかかるため、上記の解析方法は現実と全く一致しない。短周期の揺れが基礎に入力されても、構造体が応答する前に逆方向の力を受けることとなるためである。この違いは、柔らかい棒を立て、ゆっくりと揺らした場合と素早く揺らした場合の動きを見れば想像できる。もし構造物の固有周期が、地震波の主要な成分よりも十分に大きければ、その構造体が受ける地震力は十分に小さくなる。

こうした発想に基づき、固有周期を長くするため、構造体全体の剛性を低くする発想が﹁柔構造﹂であり、特に、もともとの固有周期の長い高層建築物での構造計算で主流となっている。

この事情から、柔構造が地震力を﹁受け流す﹂とする表現は、必ずしも正しくない。確かに細部で見れば、各部材が地震力を直接に受けるのではなく、より上部の構造に流してしまう形となっており、その意味では﹁受け流す﹂と言えるが、構造物全体で考えれば、やはり地震力に耐えることには変わりはなく、むしろ地震力自体を小さくするために﹁地震に同調しない﹂と言ったほうが近い。作りの上でも、敢えて剛性を抑えることもあるが、強度は必要である。力を受けずに﹁受け流す﹂のは、むしろ免震構造である。

また、固有周期をもって地震力を﹁受けないようにする﹂柔構造では、固有周期を剛構造よりも精密に求める必要があり、場合によっては特定の部分の剛性を低くする必要すらある。この計算、検討の作業には大きな労力が必要である。建築物の場合、中低層では結果として柔構造として扱えない可能性が高いため、中低層で柔構造的に解析するケースは希である。一方、橋梁や鉄塔の中には、それほど大きなもので無くとも柔構造として扱えるものもある。

近年では、コンピュータによる構造計算が発達したことで、入力された地震力が構造体の中を伝わってゆく様子を時系列で解析してゆく時刻歴応答解析と呼ばれる手法も登場しており、かつてよりも高さのある建築物の設計が可能となっているが、この時刻歴応答解析は、柔構造と親和性が高い。

歴史

高層ビルにおいては、地震や強風といった様々な圧力に対して、十分な強度を確保する必要があり、そのための実現の方策として柔構造の利用が提唱された。とりわけ、地震の多い日本に1,000年以上立ち続けている例もある五重塔の構造から構想を得たものともいわれている。

一方、柔構造に対して、外力に対して変形などを防ぐために強固の構造とする﹁剛構造﹂がある。1923年関東大震災の後昭和初期にかけて、柔構造を支持する海軍省技師の真島健三郎と剛構造を支持する東京帝国大学の佐野利器やその門下生武藤清教授による柔剛論争があったが、これは地震動の種類に基づきどちらがよいかを判断するものであり、データが十分にない当時では基本的に決着はつかなかったが、どちらの技術もその後の建築に多大の影響を与えた。

その後、日本初の高層ビルとなった霞ヶ関ビルを構造設計するにあたり、耐震構造の専門家で柔構造研究をしていた武藤清︵東京大学教授; 鹿島建設副社長︶は柔構造を採用し、その設計を行った。

長所・短所

●剛性を一定以下に抑えることを前提としているため、構造物全体の重量を抑えることができる。軽量化は地震力の低減にも結びつく

●剛構造では設計不可能な高層建築物が設計できる

●風圧などにより揺れやすくなる︵現在は免震構造技術と共に用いられることも多い︶

●中低層の建築物の設計手法としては採用できないことが多い

●長周期地震動に対しては、逆に強度不足となる可能性がある。超高層建築物を倒壊させるほど、周期が長く、かつ強い長周期地震動が発生する可能性は低いと考えられているが、この点に関しては、より詳細な研究が必要である

その他の柔構造

構造体を変形させる﹁力﹂ではなく、変形する﹁量﹂︵変位量︶が予め想定可能である場合、変形すること自体を許容することで、実質的に力を受けないようにすることもできる。例えば、地中に埋設された配管類は、地震に対して変形せずに耐えることもできるが、地震による動きに追従できる程度に柔らかいものにして、地震力自体を受けないような発想もありえる。この中間として、剛性の高い配管の途中、一定程度の長さごとに柔らかい︵フレキシブルな︶部分を設ける場合もある。

このような作りは、まさに﹁力を受け流す﹂発想そのものであり、これを指して﹁柔構造﹂と呼ぶこともある。ただし、構造計算における柔構造とは発想を異にする点に注意が必要である。

関連項目

• 剛構造
• 構造計算
• 固有周期
• 免震構造
• 時刻歴応答解析