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免震構造建物の設計
業務フローとポイント.（工事中）... |
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 免震構造建物の設計から施工まで |
| スタート | 計画の概要のヒアリング | 確認事項 |
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| 施主説明 | 免震構造の機能と効果、経費の増加の程度 | 説明資料 |
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| 設計準備調査 | 周辺状況、地盤特性、地形、地震環境、災害歴 | 調査事項 |
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| 設計性能説明 | 目標耐震性能の設定、免震化に伴う必要管理 | 設定例と管理事項 |
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| 設計手法と工程 | 設計手法、審査による工程相違 | 確認申請 or大臣認定 |
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| 基本構造計画 | 免震構造の特徴を考慮した構造体の計画 | 計画上のポイント |
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| 免震層の計画 | 免震性能の向上と経済性を考慮した計画 | 計画上のポイント |
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| 設計外力の選定 | 地震動、暴風、積雪による外力を設定 | 設定上のポイント |
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| 免震システム選定 | 予備応答性能による性能評価とコスト比較 | 評価と比較のポイント |
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| 実施設計 | 設計外力による応答確認と納まりの確認 | 確認と調整のポイント |
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| 申請の準備と対応 | 確認申請、大臣認定に対する準備 | 準備の要領とポイント |
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| 設計監理と施工 | 製造、設置、竣工監理、維持管理 | 各工程の管理ポイント |
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| エンド | 設計の終了と継続する性能調査 | 継続する調査とは |
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（2015.01.27編集中）
| 確認事項 1. 計画位置-------------->地盤の状況の確認、地震動の予測 2. 敷地と建物配置--------->免震層の平面配置と水平クリアランス量の確認 3. 建物の平面・立面形状---->免震層位置の設定、偏心の程度、浮き上がりの可能性 4. 各階の用途、平面計画---->構造形式の設定 5. 建物の構造形式--------->スパン割と免震部材の平面配置の想定、 6. 建物の構造種別--------->支持荷重、免震部材の種類想定 Top↑ |
| 説明資料 ・免震構造の長所と短所、その特徴 長所：巨大地震に対しても無損傷に設計が可能となり、以下の特徴を確保できる。 短所：免震部材の追加とそれらを設置する免震層が必要とされ、建設コストのアップ。 特徴：建物の使用期間に震度6強以上の巨大地震を受けた場合、免震構造には以下の事項 が期待される。 ①人命の安全確保 ②建物の機能確保（居住機能、避難機能、消防機能、救命機能、対策機能ほか） ③建物の損傷を防ぎ、２次被害を無くせる。 Top↑ |
| 調査事項 1.敷地周辺状況---計画地を踏査し、地形：地盤の傾斜・河川、崖の有無、造成歴 2.地盤特性-------ボーリング調査 ： 地層構成、地層歴、工学的基盤深さ、Ｎ値、地下水位、 室内試験 ： 乾燥・湿潤・土粒子密度、粒度特性、一軸、三軸試験、圧密 ＰＳ検層 ： せん断速度Ｖｓの測定、密度検層 動的三軸試験 ： 水平せん断剛性、等価粘性減衰 常時微動測定 ： 計画地地盤の固有周期を測定（地震動の卓越周期予測） 3.地震環境-------震災予測 ： 発生震度、液状化予測 4.被災歴---------過去の地震歴 Top↑ |
| 設定例と管理事項 ・一般に目標耐震性能は地震規模と設計部位に分けて設定します。 ・稀に発生する地震（中規模地震（中震～強震：震度4～5強程度））、 ・極めて稀に発生する地震（大規模地震（烈震～激震：震度6弱～7程度）） 目標耐震性能（例） --------------------------------------------------------------------- 部 位 | 稀に発生する地震時 | 極めて稀に発生する地震時 ---------------------------------------------------------------------- 上部構造 ｜ 短期許容応力度以内 ｜ 短期許容応力度以内 ｜ 層間変形角(<1/500) | 層間変形角(<1/200) --------------------------------------------------------------------- 免震層 ｜ 設計クリアランス以内 ｜ 設計クリアランス以内 ｜ 層間変形（<200mm) | 層間変形（< 500mm） --------------------------------------------------------------------- 免震部材 ｜ 安定性能以内 ｜ 限界性能以内 ｜（せん断歪 <100%) ｜ （せん断歪 < 200% ） ｜（短期許容面圧以内） ｜ （圧縮限界強度以内） --------------------------------------------------------------------- 下部構造 ｜ 支持力：短期許容支持力以内、 応力：短期許容応力以内 ｜ --------------------------------------------------------------------- ここに、短期許容面圧は、Ｈ12建告示2009号に準じ、0.9X圧縮限界強度x2/3とする。 Top↑ |
| 確認申請 or大臣認定 現在（H27）、免震建築の構造設計における確認申請ルートは以下の２つがる。 その１：Ｈ12建告2009号第6による限界耐力法を用いて地震応答計算を行い、免震層の変位と 負担せん断力を算定する。上部構造に発生する層せん断力は、履歴系減衰材の水平抵 抗力がＡｉ分布で増幅するとする。ただし、以下の条件の建物は適用できない。 条件１：高さが60mを超える建物 条件２：地盤が液状化の可能性がある第２種地盤、および第３種地盤 条件３：免震層の下に居室等を有する中間階免震で、その階によって地盤からの地震力 が増幅される可能性がある場合。 条件４：基礎部周辺の地盤に著しく高低差があり、基礎部を均等に囲んでいない場合。 条件５：工学的基盤の傾斜が５°を超える場合 その他：限界耐力法、応答スペクトルを用いた解析方法では不適切な建物条件が あると判断される場合。 その２：時刻歴応答解析により地震応答計算を行い、免震層と建物の各階の変位と負担せん断力などを算定する。 ここで、その２のルートは、「大臣認定ルート」とよばれ、日本建築センターなどの性能認定機関で審査される。 （その１のルートとなる建物の条件と法律の関係） ・建物高さが６０ｍ以下の場合は、法２０条第二号に区分される場合、安全上必要とされる構造方法が令第３６条第２項第二号の区分となり技術的規準は平１２建告２００９第４の耐久性関係規定に準拠し、構造計算は、高さが３１ｍを超える建物は令第８１条第２項第一号ロで限界耐力計算と同等以上の計算方法として平１２建告２００９号第６を準拠する。また高さが３１ｍ以下の建物は、令第８１条第２項第二号ロで限界耐力計算と同等以上の計算方法として平１２建告２００９号第６を準拠する。 また、法２０条第三号に区分される場合は、令第３６条第３項の区分により技術的規準は平１２建告２００９第４の耐久性関係規定に準拠し、構造計算は、令第８１条第３項で第８２条と同等以上の計算方法として平１２建告２００９号第６を準拠する規定に適合することが必要とされる。 基礎構造は第３８条第３項により免震構造は平１２建告２００９号第３を準拠する。 （その２のルートとなる建物の条件と法律の関係） ・建物高さが６０ｍを超える場合は、法２０条第一号に区分され、安全上必要とされる構造方法が令第３６条第１項により耐久性等関係規定に適合することとあり、令第８０条の２第二号で構造分類により免震構造の建物は大臣認定の技術的基準である平１２建告２００９号第５に規定する同第４の所定の規定に適合することが必要とされている。基礎構造は第３８条第１項、第５項、第６項と第３項により免震構造は平１２建告２００９号第３に準拠する。 また、安全を確かめる構造計算は令第８１条の第四号で計算方法の基準は平１２建告１４６１号によるとされており、時刻歴解析が必要となる。 Top↑ |
| 基本構造計画上のポイント 免震構造は免震部材（装置）を設ける層が必要になります。まず、その層をどこに設けるかを 計画することが最も重要です。一般に免震層の設置位置は、以下の３つの種類があり、その適正を考慮し、決定します。それに応じて上部、下部構造域が分かれます。 １．基礎免震タイプ ：最下階床下と基礎構造体の間に設定する。 特徴：建物全体を免震化する場合に選択される。免震層が地盤より 下になるため、水平に移動が可能なように建物周辺にドライエリヤのような 空間が必要となるため地下掘削量が多くなる。 ２．中間階免震タイプ：例えば１階と２階の間に床を設けて免震層を設ける。 特徴：免震層より下層は免震化はできないが、駐車場やロビーだけの ような用途の建物で選択される。地下の掘削が軽減され、隣地境界まで の水平クリアランスも犬走りスラブが不要となり少なくなる。 ３．ステップ免震タイプ：上記２タイプを建物の平面内に混在させた場合が相当する。 特徴：地下階の有無により基礎部に段差階がある場合や、建物平面上で 著しく用途が異なり免震化を避けるエリヤがある場合、また、免震レトロに おいて水平クリアランスの確保が著しく難しい場合などに採用されている。 上部構造は、意匠や設備の計画に調和した構造種別・形式であり、立体空間のバランスが必要ですが、免震性能を考慮すると以下の点を配慮することが計画上のポイントとなります。 １．狭小なスパン（例、５ｍ程度以下）を避ける。 ：免震部材が多くなりやすくコストアップになるだけでなく、引き抜き力が生じやすくなり 免震部材の引張限界との調整が難しくなる。やもえず、引き抜き対応の免震部材を採用 する場合は免震層の偏心の調整を忘れないように再度行う。 また、設計ルートは大臣認定となることも考慮する必要がある。 ２．連層耐震壁を設ける場合は支点の浮き上がりに注意する。 ：高さ方向に連層壁を設ける場合や連層壁になる場合（共同住宅の戸堺壁など）は、水平力 が集中するため両支点に引き抜き力が生じ浮き上がりを生じる場合がある。対策として 構造スリットを設ける場合が多いが、層剛性を低下させること、構造スリットの施工誤差、モ デル化の不整合性などを考慮すると最適な策とはいえない。 できれば、耐力壁は集中配置を避け分散配置とし、免震性能を高めることで浮き上がりを 抑えるべきと考える。 ３．主部材断面（柱、梁）をやたら小さくしない。 ：免震構造の耐震クライテリアとして許容応力度以内となる断面設計を目指すことが一般的で あることから、やたら小断面は避け、むしろ耐震基準の１次設計で設計可能な程度の断面と して部材剛性を確保することが、高次モードの卓越を抑え、免震効果を高めることとなる。 その結果、鉄筋、鉄骨の量を低減し、経済性を高める。 ４．平面形状上、ＥＸＰ.Jを設ける形状でも一体化を検討する。 ：一般にＬ型、Ｔ型の平面はその突出長さが２スパン以上になるとＥＸＰを設けて応力の集中を 避ける平面計画がなされる。免震構造では、上部構造の応力を下げられることからＥＸＰ.Jを 設けないで計画が可能となる場合多くその検討をする。可能な場合は、接合部のスラブの せん断耐力が充分に有るように計画し、剛床スラブの仮定が成り立つことを確認する。 ＥＸＰ.Jを設ける場合は、層間変形量を隣接建物の量も考慮し充分に確保する。ＥＸＰ.Jを 免震層直上部床に設けるか否かによって解析モデルが異なることにも注意する。 免震層直上部床に設ける場合は、各棟を個別建物として扱えるますが、免震層直上部床に 設けない場合は免震層を１層モデル、上部構造を２棟のツインモデルとする。 ５．その他、今後追記します。 Top↑ |
| 免震層の計画上のポイント 免震性能の向上と経済性は幸いに比例的な関係にあります。耐震構造は、部材断面を大きくすることが耐震性を高める方向になりますが、免震構造ではむしろ逆の傾向となる。 一般に免震部材の断面の大きさはその免震部材が支持する荷重に比例し、その大きさ（面積）や数は荷重次第となるが、それはそれぞれの免震部材の支持可能な荷重が基準荷重に近く 設定されている場合で、必要な変形性能上、支持荷重に余裕がある場合は、できるだけ荷重で決まる部材を選択すれば、自然と性能と経済性が向上します。 そのため高支持性能（高面圧タイプなど）の部材を使用することになります。ただし、高面圧タイプの免震部材は変動性能が大きいもの、クリープ量が大きいものがあるため、長所と短所を調査して使用することが重要です。 そのような特徴を考慮し、免震層の計画では以下の点がポイントとなります。 １．免震部材の選択では、経済性が優先されがちですが、耐久性を優先すべきです。 ：建物の長期寿命化と使用者・所有者の変遷を考慮すると、免震性能は竣工後数十年が 経つと設計者・施工者は責任を逃れ（免責）、不明となりがちです。免震層の性能は、メン テナンスとその部材の耐久性にのみに保証されます。６０年から８０年以上その性能を維 持できれば初期価格は十分に償却できることになります。 即ち、免震部材は大臣認定品のみが使用可能ですが、製品の耐久性能に係わる試験 が入念に行われているものを選定することが重要です。 ２．免震部材の配置は、支持荷重によりサイズが決まりがちです。その配置はシンメトリックな 配置とする。 ：偏心の調整がしやすくなることもあるが、荷重により変動性能がある免震部材は、地震時 の荷重が建物形状にもよるが、一般にシンメトリックに分布する。その変動荷重による 性能変動が免震部材タイプをシンメトリックに配置することでキャンセルされます。 このことは応答計算の中で考慮し難い要素であるが大きな影響を持つことを自覚しな がらも省略していることで、このキャンセル効果に暗黙に期待しています。 ３．免震部材タイプの選択は、免震層に必要とされる基本機能「支持性能」・「復元性能」・「減衰 性能」を目標耐震性能（クライテリア）と照合して決定する。 ４．その他、今後追記します。 Top↑ |
| 外力設定上のポイント 免震構造物の外力には、主に風荷重と地震荷重が対象となる。 １．風荷重に対しては、施行令87条にある過去の台風の記録風速（Vo=34～46m/s)に加えて Ｈ12建告1461号三項ロに規定している暴風（1.25Vo)に対して上部構造の強度上の安全性 の確認と免震層に残留変形が生じない程度にする。そのためには、免震層の復元力特性に おいて風荷重が降伏点を超えないようにする。または、多少超えることになったとしても残留 変形が、所定値以下で有ることを確認できれば問題ないといえる。ここで所定値とは、免震 層のＥＸＰ．などの変形が使用上許容できる範囲であること、応答上必要とされる水平クリア ランスが残留変形を考慮しても確保されること。また、維持管理上に支障を生じない程度の 変形となる。 ２．地震荷重に対しては、地震規模と設計部位に分けて設定した目標耐震性能を満たすように する。その規模は、Ｈ12建告1461号四項にある「稀に発生する地震（中規模地震（中震～ 強震：震度4～5強程度））」と「極めて稀に発生する地震（大規模地震（烈震～激震：震度 6弱～7程度））」の２段階のレベルを設定する。勿論、上限を規定はしていない。 これら２段階レベルの地震動は、Ｈ12建告1461号四項に規定された解放工学的基盤の 減衰定数5％の加速度応答スペクトルを用いて設計用入力地震動を設定する。 ただし、この設定は最小限必要な条件として設定されており、実務では、慣例的な工学的 判断が加味され、応答解析の方法によって以下の２つの方法に決められている。 （H12建告2009号第6による告示計算では） Ｈ12建告1461号四項にある「極めて稀に発生する地震」の加速度応答スペクトルを用いて 計画地の地表の加速度増幅率Ｇｓ倍した加速度応答スペクトルを作成し入力地震動とする。 告示計算では、この地震動のみで許容応力度設計で設計条件を満たす。 即ち、大規模地震（烈震～激震：震度6弱～7程度）を代表する地震に対して、上部構造は 許容応力度設計が可能で、免震部材は設計限界範囲の変形と応力状態で、更に基礎が上部 構造を安全（許容応力以内）に支持できれば良いとしている。 （時刻歴地震応答解析計算では） 安全性の確認の意味では、告示計算と同じであるが、慣例的に居住性の確認の意味もあっ て「稀に発生する地震」に対して応答確認を行う。勿論、各主要部材は許容応力度の範囲であ り、免震層の変形は設計限界変形の1/3程度を目指す。基礎部はもともと居住性に与える影響 は少なく、変形量も少ない部材であるため、このレベルの検証は省略される場合が多い。 「極めて稀に発生する地震」のレベルに対しては、告示計算で用いる加速度応答スペクトルを 用いた地震波の他に、観測波、サイト波が準備される。 時刻歴地震応答解析計算は、その用語の通り、入力地震動は時刻歴地震波として扱う。 告示波と呼ばれる地震波は、 Ｈ12建告1461号四項の極稀の加速度応答スペクトルと任意な 観測地震波の位相（角）を組み合わせて時刻歴波を作成する。一例を以下に紹介する。 （観測波 ３波） EL CENTRO 1940 NS成分 （最大速度25, 50cm/s基準化） TAFT 1952 EW成分 （最大速度25, 50cm/s基準化） HACHINOHE 1968 NS成分 （最大速度25, 50cm/s基準化） （告示波 ３波） K-HACHINOHE NS (HACHINOHE 1968 NS成分の位相の表層波） K-TKYBN EW (想定東京湾北部地震 EW成分の位相の表層波） K-RAN (乱数による位相の表層波） （サイト波 2波、東京地域の場合） TKYBN-EW （想定東京湾北部地震 EW成分の表層波） T-KANTO （想定南関東地震の表層波） Top↑ |
| 評価と比較のポイント 免震システムの選定では、予備応答性能による性能評価とコスト比較がポイントとなりがちです。勿論、免震部材の品質、耐久性能が最優先でここでは同程度であればとする。 選定するためには、幾つかの免震システムのパターンを計画してみる必要があります。 そのためには、以下の手順が有効です。 手順１．どのような免震部材の種類が有るかを調査します。参照：ＪＳＳＩの免震部材標準品リスト 手順２．免震構造に必要な「支持機能」、「復元機能」、「減衰機能」をどの免震部材で対応させるかを決めます。この時点で、免震システムのパターンが概ね決定します。 例えば、 CASE1：「支持機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承、 「復元機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承、 「減衰機能」 ： 鋼材ダンパー CASE2：「支持機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋錫プラグ入り積層ゴム支承、 「復元機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋錫プラグ入り積層ゴム支承、 「減衰機能」 ： 錫プラグ入り積層ゴム支承、 CASE3：「支持機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋鉛プラグ入り積層ゴム支承 「復元機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋鉛プラグ入り積層ゴム支承、 「減衰機能」 ： 鉛プラグ入り積層ゴム支承、 CASE4：「支持機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋高減衰積層ゴム支承 「復元機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋高減衰積層ゴム支承 「減衰機能」 ： 高減衰積層ゴム支承 CASE5：「支持機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承＋弾性すべり支承 「復元機能」 ： 天然ゴム系積層ゴム支承、 「減衰機能」 ： 弾性すべり支承 ＋ オイルダンパー CASE6：その他 このようにパターンを検討するだけで、メーカと配置が想定できます。メーカは信頼が置ける資料を提供され、価格においても対応できるところに自然と絞られます。配置は、各柱支点の支持荷重に対して免震部材の基準面圧以下とし、比例的な大きさとなりますが、変形量をある程度想定し安定して変形できる大きさが下限値となります。想定変形は建物規模によりますが、400mm～600mm程度を想定します。 ある程度モデル化が可能になれば、予備応答計算で絞り込みます。配置において、免震部材の種類分けは、引き抜きなどが生じる場合は特殊な配置となりますが、基本的には、平面的にシンメトリックとし、剛性、減衰が大きいものは外周に配置する。浮き上がり抵抗が全くない弾性すべり支承は中央部に用いられます。また、弾性すべり支承は面圧（支持荷重）により水平抵抗が変わるため、変動軸力の変化が大きいところは避けることになる。 また、長周期長時間の地震動など想定している場合は、繰り返し変動が少ない免震部材も考慮にしなければならない。 こうして免震部材の種類と配置を絞りこみ免震システムを複数準備する。 手順３．各免震部材の性能を各メーカの性能リストから調べ、解析の準備を行う。 手順４．予備解析を行う。 この時点では上部構造の部材サイズが有る程度決定している必要があり、上部構造の水平地震力を仮定し、静的な許容応力度解析を行っておく。 上部構造の重量や支持荷重を用いて、「免震層の偏心率の計算」、包絡法(エネルギー法)、告示計算法などを用いて、免震部材の配置や必要剛性、必要減衰量を絞り込む。 また、仮定した水平地震力の調整を行う。必要水平クリアランスも算出する。 手順５．この時点で免震システムの応答性能上の特徴（個性）を概ね評価する。構造設計上、調 整 が難しいと思えるシステムはこの時点で外す。また、類似免震システムを用いている場合は、まとめる。 ３システム程度に絞り込む。 手順６．免震部材のメーカに連絡し見積調査を行う。調査では、以下の点の扱いがどのようになっ ているかを確認する。さらに、設計価格と実勢価格を確認する。 ・すべり支承やオイルダンパーには、養生カバーが常時必要となる。作製を要請する。 ・取り付けベースプレート製作費（メーカによっては含めていない場合が多い） ・運搬費を建設計画地から設定させる。 ・製品の受け渡し方法 （一般には、現場の車上引き渡しが多い） ・製品検査費 （認定では全数性能検査が指定されている場合が多いが、寸法検査のみの製 品がある） 手順７．免震システムの特徴の比較表を作成する。比較表には以下の事項を記述し、決定要因が 明確になるようにする。 ・免震部材の配置図、免震部材のリスト（種類、メーカ、基数、主諸元（サイズ、性能）） ・予備解析による応答性状（上部構造の設計層せん断力係数、層変形角、免震層変形） ・見積価格 （見積条件も併記する） ・納まり上の特徴（免震層の高さ、設備機器との緩衝の有無）、メンテナンス上の特徴、 ・設計者の総合評価 Top↑ |
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