軽量低層建築物を対象として、地盤上のべた基礎上面に超高分子量ポリエチレンシートを敷き、その上に上部構造用基礎を設置する事で、大地震時には基礎の滑りにより免震に準じた効果を発揮する一方で、小地震時や強風時には、上部構造内に設置するオイルダンパによる制振効果を活用する構造システムを考案した。実験的・解析的な検討を通じて、過酷な地震動の作用に対しても上部構造の変形・加速度を地震直後から建築物の継続使用を可能とする範囲に収めることが可能なことを実証した。

過去の大地震時に、特に大きな人的被害の要因となった既存不適格木造戸建住宅を主な対象として、低コストで粘性減衰性能を高めるための構造システムの開発を行った。木造の特質は釘・ビスによる接合は引張に弱いこと、曲げに対しては脆性的に折れることであり、それらへの対応として圧縮力のみ発揮するリリーフ機構付きの圧効きオイルダンパを開発・設計・製作し、性能試験を繰り返して最終的に商品化に至らしめた。構造システムとしての有効性も実大試験等により検証済みである。特に強い地震時には基礎が滑ることで入力低減を図る仕組み(滑り基礎)とのハイブリッド化も有効であることを実験・解析で検証したが、これに関しての最終的な実用化確認は時期研究に持ち越しとなった。リンク機構を併用したオイルダンパにより、前述の両構造における平面的および立面的な損傷集中を防止できることを確認した。これらの新規開発構造法の有効性を検証するために、新たに慣性力加振装置を製作して制振装置を設置した部分加構のエネルギー吸収性能を検証するための実験を行い、さらに実大住宅における施工性ならびに制振効果の実証を大型振動台実験によって確認した。これらの実験結果は、地震応答解析によっても正確に模擬できることを確認し、最終的には限界耐力計算を応用して耐震計算法としても整理できた。地震応答解析に用いる木造建物の力学モデルとして、既往のNCLモデルを改良した拡張NCLモデルを導入したことで高精度の地震応答予測が可能になった。その他に、RD法を拡張して、複数の振動モードの減衰定数を正確に予想する手法を新たに開発し、ダンパを設置することで、住宅の1次減衰定数を5-10%上げられることを明らかにした。

初年度は小型鉄骨造モデルの制御を対象とする最大荷重約300Nのダンパーを新たに設計製作して正弦波繰り返し加力により基本特性の把握を行った。また、同ダンパー力学特性をビンガムモデルとして模擬できることを、ランダム加力実験等により確認した。続いて、5層の鋼製小型フレームを製作し、フレームのみ、およびフレームに小型のパッシブオイルダンパー(速度依存型)、を設置した場合それぞれに対して減衰性能評価を行い、推定精度の向上を多面的に検討した。さらに、MRダンパーを1層のみに設置して、種々のアルゴリズムに基づくセミアクティブ制御による制振効果の検証を行った。周期の短い構造の振動制御においては、MRダンパーの電流印加に対する反応の遅れが制御効果を低減させる可能性もあることがわかった。
第2年度は、前年度の製作した小型鉄骨造5層モデルを上部構造としてセミアクティブ免震制御の有効性を検証することを目的とした。はじめに、前年度に製作したダンパーと同じ構造をもち、ストロークを免震用に拡大して最大荷重を100N程度とする超小型MRダンパーを設計製作し、その性能を検証した。正弦波繰り返し加力により基本特性の把握を行い、ビンガムモデルとして力学特性を模擬できることを、ランダム加力実験等により確認した。また、三角波による定速度加力中に、電磁石への印加電流を急変することに対するダンパー抵抗力の追従性を検討し、免震建物モデルの制御に関しては、十分な反応速度を有することを確認した。一般的な免震建物では、積層ゴムの変形に伴うシステムの減衰定数は2〜3%であるので、実験用の転がり支承の減衰を可及的に小さくするために、鋼鉄製のV溝を同じく鋼鉄のベアリング転がせる方式を採用することで約3.5%の低減衰を実現した。本研究では、地震入力に対する応答の低減を目標として、建物モデルの振動半サイクル入力エネルギーをMRダンパーにより吸収して、上部構造の大きな加速度応答を抑制すると同時に、免震層の変形を抑えることを目的として制御を行った。古典的に適用される瞬間最適制御による効果との比較検討により、本提案手法の有為性を確認した。解析および振動台実験でもそれを実証する。

初年度(平成13年度)
本研究プロジェクト研究の事前に試作した20kNMRダンパーによる実験で得た知見を踏まえて、本課題で実施予定の振動台実験で用いる大ストロークの免震建物用40kNダンパーを設計・製作した。各種の動加力実験による性能検証結果を踏まえてデティルの変更を行い、安定した性能の得られるMRダンパーを利用できることと、MRダンパーの力学モデルをダッシュポットとクーロンスライダーの並列結合とするBinghamモデルにより代表できることを確認した。引き続き、約10tfの鋼製重量をローラーベアリングで支える簡易免震建物モデルに上記のMRダンパーを設置して、参加研究者がそれぞれに考案するセミアクティブ制御アルゴリズムの策定を行った。
次年度(平成14年度)
初年度に実施した小型免震建物モデルによる振動台実験の成果を踏まえて、さらに実建物に近い大きさ(約2/3)の建物モデルによる振動台実験を実施した。総重量約20.0tfの3層鉄骨造フレームモデルをその1階床の四隅においてベアリング式のローラーベアリングにより支える免震システムとし、固有周期を約3秒に設定するために天然積層ゴムを水平ばねとして設置した。積層ゴムは建物重量を支えていない。ダンパーとしてセミアクティブ可変制御が可能なMRダンパーを用いることが本実験の大きな特徴である。研究参加者それぞれによるオリジナルなセミアクティブ制御の何れも有効であることを確認した。免震構造に対する既往パッシブダンパーの利用に対する優位性を持つためには、「変形の増加を招くことなく加速度応答の低減を実現する」事が必要であるが、(1)最適制御、(2)スカイフック制御、(3)原点復帰型履歴制御の何れにおいても目標がよく達成できることを確認した。初年度に実施したMRダンパー単体に対する模擬制御実験で確認されていた、制御信号に対する制御力に遅れが生じることも、免震建物のように比較的周期の長い建物においては問題が無かった。また、何れの制御実験においても、実験結果と解析結果との対応は極めて良好であった。

粘弾性仕口ダンパおよび粘弾性筒形ダンパを適用する場合に、より効果的に制振効果を発揮させるために、各ダンパを主構造へ取り付ける詳細を実大振動台実験および動的繰り返し加力実験により検討し、さらに解析結果と整合することを検証した。を行い、滑り基礎構造と粘弾性仕口ダンパを併用することの有用性を示した。接着剤接合に関する研究としては、取り付け金具の曲げ剛性を増大させ、または/さらにクランプにより端部を固定することで寸法効果を低減出来ることを実験的に明らかするとともに、FEM解析によりその根拠を検討した。さらに、実験的検討よりエポキシ系接着剤は接着部の養生期間中の環境湿度の影響が大きいことを明らかにした。

本研究では、免震構造に準じた効果を低コストで実現することを目的として考案した滑り基礎構造の実用化に向けて、種々の角度より主に理論的に検討した。滑り基礎構造とは、上部構造とべた基礎構造の間に適度な滑りを生じさせるための摩擦係数の小さな高分子系シートを敷き、さらに上部構造の構面にオイルダンパを設置した構造である。中小地震時には構面に設置したオイルダンパにより地震力を吸収し、大地震時には上部構造が高分子系シートの上を滑ることによって上部構造に伝わる地震力を抑制する。大地震後も建物を修復することなく継続して使用できることを目標とするものであり、その実現のために今年度は設計法の構築に向けて下記の理論的な研究を中心に実施した。１）最大加速度応答の推定方法滑り基礎構造は、建物の基礎を滑らせることによって建物に入力される地震エネルギーをある一定量にまで抑制する構造システムである。その性能は摩擦力によって一意に決まるものであるから、摩擦係数が分かっていれば時刻歴応答解析に依ることなく、上部構造の最大応答加速度を予測することが可能である。本研究では、滑り基礎を含む2質点振動モデルを対象として、最大応答加速度を予測する方法を提案した。２）滑り基礎構造の最大滑り量と残留滑り量はじめに、周期と最大速度を入力地震波の卓越周期と最大速度と等しく設定したSin波1回の滑り変位量を算出することによって、概ね傾向を示すことができることを確認したのちに、さらに一般的な地震波の卓越周期を周期とする正弦波に対する滑り変位量により地震動による滑り変位量を予測出来ることを示し、最終的に、過度な変位を抑制する摩擦係数μについて検討した。３）上記、1)、2)の検討より、滑り基礎の摩擦係数を0.15-0.2の範囲で設定すれば、戸建て住宅上部の最大加速度応答を400-500cm/s^2、基礎の最大滑り量を40-50cmと出来ることを理論的に裏付けた。

　本研究で対象とする構造システムは免震構造用のダンパーとして新たに考案した付加慣性機構を利用するものである。線形のバネに支持された上部建物と地盤との間を回転する振動子を介して接続することにより、その振動子の固有周期に対応する地震動の卓越周期成分の入力を遮断することを目的としている。リニアモーターを利用して製作した小型振動台による実験を基本にして検討を進め、種々の実験結果と解析結果との整合性を確認の上で、さらに幅広く、提案システムの汎用性を解析的に検討した。得られた知見のなかの主要なものは下記のとおりである。１） 正弦波入力による実験・解析からは、定常応答の状態では提案構法がその振動子の固有周期と同じ周期の入力波を遮断する特性を効果的に発揮することを確認できたが、外乱の作用開始直後や作用終了直後の非定常な状態においては変位・加速度応答共に大きな値を示すことが明らかになった。２） 地震動を模擬した非定常ランダムな外乱の作用を想定した実験・解析からは、振動子の固有周期と等しい成分の地震外乱を十分には遮断できず、変位応答は低減されるものの、加速度応答の低減は難しいことが判明した。　地震時の地震表面の振動は比較的広い範囲にそのスペクトルを有するために、１個の慣性質量により上部建物への外乱の伝播を遮断することは難しい。従って、本構法の適用性を高めるためには、慣性質量を複数にすることや、振動子個々の減衰特性の最適化を計るなどの検討がさらに行われねばならない。

はじめに、ダンパーなどにより特には高減衰化されていない建物の固有の減衰性能を評価するために小型の鋼製フレームによる実験を行った。フレームを構成する柱梁接合部の接合法の違いに関しては高力ボルト摩擦接合による場合が溶接接合による場合より約2倍の減衰定数になること、何れの接合方法によっても塑性変形（損傷）を経験した直後は減衰性能が高くなるが、十分な時間の経過後には元の性能にほぼ復することを確認した（成果資料1）。一般の鋼構造建築物ではその減衰定数が1%前後と低いため、特に超高層建築物のように風の影響を受けやすい建物では揺れによる不快感を引起こす可能性があることを、実際の超高層オフィスビルの風揺れ観測などから確認し、それを防止するには粘弾性ダンパーの応用による建築物の高減衰化が有効であることを明らかにした（成果資料２）建築物の総合的な耐震安全性を確保するためには構造本体の保全のみならずその収容物、付帯物の保全、あるいはそれらの移動%転倒%落下による2次被害の防止も必要である。そのためには、建築物の変形・加速度の両者を同時に抑制する構造システムが望ましく、免震構法採用の次善の策として粘弾性ダンパーの活用が有効なことを明らかにした。粘弾性ダンパーによる建築構造の高減衰化は、大地震に対しても弾性設計を可能にすること、また弾塑性建物では予測が難しい複雑な地震動の作用に対しても特定層への変形集中を防止し、応答予測を比較的容易、正確に行えることは今後の性能規定形の設計法に向けて大きな利点となるであろう。粘弾性材料はさらに高性能なものが開発されつつあり、本論で示した結果よりもさらに良い結果が期待できるようになると考えられる（成果資料3）。研究成果1) 1998年9月、 加振実験による鋼製模型建物の減衰特性の検討（その1$2）、日本建築学会秋季学術講演会2) 1998年4月、鋼構造超高層建築物の風入力に対する居住性確保への粘弾性ダンパーの応用、日本鋼材クラブ奨励研究研究梗概集3) 1998年9月、 粘弾性ダンパーの建築構造物への設置容量の決めかたについて（その１、2）、日本建築学会秋季学術講演会

　建築物の対震安全性を向上させるために特別な制振装置（ダンパー）を設置して建築物の減衰性能を高める事を有効と考えるが、設置するダンパーの必要性能を決定するには、建築物自体が保有する減衰特性の量的な評価のみならずメカニズムの特定もする必要がある。従来より、建築物の減衰特性に関してはその定量化のみが中心に扱われ、その発生機構の特定に関する研究はほとんど実施されていないので、本課題では先ず、小型の鋼製フレームを用いて振動実験によりその減衰機構を特定することに関する基本的な検討を行った。剛とみなされる梁（床）に4本の柱をボルト接合した1層モデルにより、柱材の有する内部減衰と接合部の有する減衰性能を量的に比較した。減衰特性の違いに及ぼす要因として、柱の材質（鋼、銅）、固有周期、振幅、経験塑性変形の大小などを考慮し、下記の3点を明らかにした。　1)実験に使用した鋼構造フレームの減衰性能には粘性減衰として評価できる成分はほとんど存在せず、摩擦による減衰が大半を占める。全摩擦減衰に対する柱の内部摩擦の割合は小さく、大半を接合部における摩擦減衰が占める。　2)鋼（強磁性体）の柱材は銅（非磁性体）の柱材に比べて高い内部粘性減衰性を有するものであるが、フレームとしての減衰性能では両者の違いはほとんど認められない。この事からもモデルの減衰性能の大半が接合部の摩擦機構によるものであると考える事が出来る。　3)柱が塑性変形した後に構造の減衰性能は上昇するが、時間の経過とともに減少し、十分な時間の経過後には塑性変形を経験する前の性能とほぼ同じに復する。　今年度の研究では、接合部を溶接とする場合の検討と、多層フレームの高次モードに対応する減衰定数の検討が行われておらず、今後の課題として残った。