学科Ⅳ（構造）
一級建築士 令和5年度 学科Ⅳ（構造） 問24
問題・正答・学習用解説
問題
耐震構造、制振構造及び免震構造に関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。選択肢
正答と解説
正答：（2）
正答の考え方
鋼材ダンパーが弾性範囲でもエネルギー吸収能力を発揮するという記述が誤りです。鋼材ダンパーは、鋼材を意図的に降伏させ、その後の塑性変形で地震のエネルギーを消費する装置です。柱や梁の主要部分より先に、交換や確認を想定した部分へ変形を集中させます。
弾性範囲では、鋼材はばねのようにエネルギーを一時的に蓄え、元へ戻るときに返します。理想的な弾性ばねの力と変形の関係は行きと戻りが同じ直線なので、履歴曲線が囲む面積は0です。ダンパーとして期待する塑性履歴によるエネルギー吸収は、降伏後に発揮されます。
したがって、小さな地震でまだ降伏しない場合、鋼材ダンパーの剛性による影響はあっても、本来の塑性による吸収性能は十分に働きません。小振幅から抵抗とエネルギー消費を生じる粘性ダンパーなどと同じ扱いにはできません。装置名だけでなく、どの力・変形の段階で、何の仕組みによってエネルギーを消費するかを見分ける必要があります。
各選択肢の解説
選択肢1
（1）は、塑性変形などで地震エネルギーを吸収できる能力を考慮し、必要保有水平耐力へ反映する構造特性係数です。粘り強く変形できる骨組は、弾性のまま全地震力へ抵抗する場合より小さな強度で倒壊を防ぐ考え方を使えます。一方、脆く壊れる骨組では大きいが必要です。減らしてよいのは所定の靱性等を確保した場合で、設計者が根拠なく任意に低減できるという意味ではありません。
選択肢2
（2）鋼材ダンパーの主な吸収機構は降伏後の塑性履歴です。弾性範囲にとどまると、与えたエネルギーをほぼそのまま返すため、期待する履歴減衰を発揮しません。「力を受けている」ことと「一往復でエネルギーを消費している」ことは別です。ばねを押して離すと物を押し戻すのに対し、塑性変形では元へ戻らない変形が残り、仕事が消費されます。この違いから記述を判断します。
選択肢3
（3）建物の層間変形の一部がダンパーの取付部や支持部材の変形へ使われると、ダンパー本体へ入る変形が小さくなります。柱の伸縮で骨組全体が曲がる場合も、想定したせん断変形が本体へ伝わらないことがあります。吸収エネルギーは本体の力と変形の経路で決まるので、取付け側が柔らかいと効率が低下します。高性能な装置を選ぶだけでなく、そこへ必要な変形と力を伝える周囲の硬さが重要です。
選択肢4
（4）積層ゴムは、ゴムの層と鋼板を交互に重ね、鉛直荷重を支えながら横へ変形できる免震部材です。通常の範囲では水平力と変位はほぼ比例し、水平剛性はほぼ一定ですが、非常に大きく変形するとゴムの硬化によって剛性が増え、さらに進めば破断します。座屈を生じない範囲という前提の下で適切な記述です。どこまでも一定の柔らかさで動けるわけではなく、限界変位と鉛直荷重を合わせて確認します。
周辺知識
耐震構造は、柱・梁・壁が地震に抵抗する基本的な方法です。制振構造は、ダンパーを設けてエネルギーを消費し、主要な骨組の損傷や揺れを減らす方法です。免震構造は、建物と地盤の間などに横へ動きやすい層を設け、建物の揺れを長周期化して、上部へ伝わる加速度を小さくする方法です。
免震層にも、鉛直荷重を支えるアイソレータと、過大な変位を抑えるダンパーという役割があります。一つの装置が両方の機能を持つ場合もありますが、横に柔らかいだけでは変位が増えすぎるため、エネルギー吸収との組合せを考えます。
ダンパーには鋼材の塑性、油などの粘性、摩擦、粘弾性などの方式があります。塑性型は降伏荷重、粘性型は動く速さ、摩擦型は滑り始める条件などが効きます。小さな揺れへの効果と大地震への効果は同じとは限りません。また装置本体の性能が高くても、支持部材や接合部が先に変形・破壊すると十分に働かないため、周囲の構造と一体で設計する必要があります。