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超高層ビル屋上に巨大振り子、長周期地震動の揺れ半減

鹿島と三井不動産は、超高層ビルの屋上に巨大な重りの付いた振り子を載せて、長周期地震動などの揺れを半減する制振技術を実用化した。三井不動産が運営する東京都新宿区の新宿三井ビルディングに初採用する。

新宿三井ビルの屋上に超大型の制振装置を載せたイメージ。塔屋まわりに6基の振り子を配置する。実際は各やぐらの外周にカバーが付く(資料:三井不動産、以下同じ)

重りの最大振幅は約2mで、全方向に自由に動けるようにする。重りの周囲にはオイルダンパーを取り付けて、設計以上の大地震が発生したときは、重りをスムーズに減速させ、過大な変形や損傷を防ぐ。

55階建ての同ビルの屋上に、建物総重量の約3%に当たる計1800tの重りを載せる。鉄骨のやぐらを6基組み立てて、それぞれに300tの重りを長さ8mの鋼製のケーブルで吊るす。

既存の建物の柱や梁を補強する必要はほとんどない。屋上とやぐらとの間に梁を新設して、重りの荷重がビルの柱に直接伝わるようにする。

振り子の外観。長さ8mのケーブルで重りを吊る。新宿三井ビルの固有周期は5.4~5.7秒程度。ケーブルの長さは固有周期から逆算して決めた
振り子が建物の動きとは反対方向に揺れることで、地震による振動エネルギーを吸収する。TMD(チューンド・マス・ダンパー)と呼ばれる機構だ
振り子(TMD)の架構工法。剛性の高い梁を追加することで、重りの荷重を既存の柱に直接伝える
写真中央が新宿三井ビル。高さ210mの鉄骨造で1974年に竣工した。日本設計事務所(現在の日本設計)と武藤構造力学研究所が設計し、鹿島と三井建設(現在の三井住友建設)のJVが施工した

揺れの継続時間は6分の1に

従来の超高層ビルでも、屋上に載せた1つ50t程度の重りを建物の動きと逆方向に動かして、風揺れなどを抑える技術はあった。しかし、長周期や直下型の地震動といった大きなエネルギーを吸収するために必要となる巨大な重りを、大振幅で安全に揺らす技術がなかった。

鹿島などは、高さ制限に余裕のある屋上を利用して、ケーブルで吊った振り子式の重りを考案。大変形に追従できる特殊なオイルダンパーと組み合わせた。

屋上に据え付けた振り子のイメージ。長周期地震動だけでなく、直下型地震や暴風による超高層ビルの揺れも抑える。鹿島は「D3SKY(ディースカイ、Dual-direction Dynamic Damper of Simple Kajima stYle)」と名付けて、既存や新築の超高層ビルに展開する方針だ
新宿三井ビルでは6基の振り子を配置する。架構工法は鹿島と三井不動産が共同で特許を申請している

重りの数や吊り長さを変えれば、様々な高さや形の建物に対応できる。繰り返しの揺れに対する装置の耐久性が高いうえ、モーターなどを使わないので停電の影響も受けない。

新宿三井ビルにおける対策工事の概要。屋上に6基の振り子を設けるほか、5~10階の短辺方向のコアまわりにオイルダンパーを取り付ける。いずれの設置工事もテナントの業務に支障なく実施できる

三井不動産によると、新宿三井ビルは東日本大震災の長周期地震動によって、水平方向に片側で最大1mの揺れが2分間続いた。今回の対策によって、揺れ幅を最大40cm、継続時間を20秒ほどに抑える。

当初は窓際にダンパー設置を検討

新宿三井ビルで両社は当初、建物各階の外周の窓際にオイルダンパーを設けて制振する方法を検討した。

しかし、テナントの居室の有効床面積が減ることや工事中の影響、眺望の悪化などから断念。理想的な制振技術を求めて、一から検討し直した。

新宿三井ビルでは、屋上に巨大な振り子を載せる技術の実現によって、建物躯体へのオイルダンパーの設置を最小限に抑える。具体的には、オイルダンパーの設置を5~10階の低層部のコアまわりに限定しても、十分な制振効果が得られることを確かめた。

対策工事の工期は2013年8月中旬から15年4月末まで。施工は鹿島が担当する。屋上にタワークレーンを設置して、資材を吊り上げる。三井不動産は総工費として約50億円を投じる。

5~10階のコアまわりに設けるオイルダンパーの詳細。ピンク色で示した部分は、鹿島が開発した「HiDAX-e」と呼ぶ高性能オイルダンパー
13年7月に撮影した新宿三井ビルの屋上。振り子を吊る鉄骨のやぐらは、写真右に見える既存の塔屋とほぼ同じ高さになる(写真:日経アーキテクチュア)

(日経アーキテクチュア 瀬川滋)

[ケンプラッツ 2013年8月22日掲載]

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