本論文では、建築物の耐震性・居住性の向上をはかる手段として構造物に適用される免震・制振構造を取り上げる。耐震構造において有効な設計法であるエネルギー収支に基づいた応答評価法を、この新しい構造形態である免震・制振構造に適用し、設計法として提案した。さらに実際に設計された免震・制振建物の応答解析結果との比較により提案した予測式の検証を行った。従来の手法により設計した建物に対してエネルギー収支の観点から再評価を行った。

　我が国の建築物は耐震設計がなされている。その極限耐震設計においては、構造骨組は塑性化しても倒壊に至らなければよいことを判定基準としている。

　病院や銀行の電算センターなどにおいては、大地震後も構造体や建物内部の諸設備が正常に機能し続けることを求めるようになってきた。また一般の高層事務所ビルや高層ホテルなどでは、強風時や地震時のゆれ、大スパンの床の上下振動など振動に対する居住性について関心が持たれ始めた。

　このような社会的要求や積層ゴムアイソレータ・ダンパーなどの新素材の開発を背景に、地震の影響を受けない建築物を実現する理想主義に燃えた先駆者の努力と情熱が、新しい構造形態である免震・制振構造を産み出した。現在、建物の耐震性・居住性の向上を目標に、これらの構造に対する多くの研究や開発が行われている。

　建物の耐震性を論ずる方法として、秋山により提唱されたエネルギーの収支に基づいた応答評価法がある。この方法は、地震動の構造物への荷重効果をエネルギー入力として捕らえ、建物に投入された総エネルギー入力が骨組各部にどのように配分されるか、エネルギー配分を支配する振動諸元はなにか、また、振動諸元の変動がエネルギー配分にどのように影響を与えるかを、数多くの電子計算機を用いた数値解析結果から、エネルギー収支に関わる概念としてまとめ上げ、耐震設計法として理論構築されたものである。

　動的解析により建物の地震時挙動をシミュレーションすることで、初めて応答低減効果を把握することのできる免震・制振構造を設計するには、地震時の動的挙動を規定する諸元とそれらの諸元の変動が応答に与える影響を明らかにする必要がある。また、耐震設計の目標を見失わないためにも、構造物の応答特性を一般的にとらえ、個々の応答結果を総合的に評価できるようにする必要がある。

　エネルギーの収支に基づいた応答評価法は、解析結果を抽象化しその中から一般性を導き出すことに主眼をおいた方法である。免震・制振構造においてこの方法が成立することは、構造計画における種々の選択を大局的の行うこと可能にし、設計法の基礎になり得ると考える。

　本論文の目的の一つは、免震・制振構造に適用するためのエネルギーの収支に基づいた応答評価法を提案することにある。さらに、これらの応答評価法に基づき、構造物の耐震安全性を問題とする場合の免震・制振構造の限界について考察を加える。

　第二の目的は、実際に設計された建物の解析モデルを用いて応答評価法を検証することである。建物設計例を用いた地震応答解析を行い、現実的な振動諸元を用いた解析値と予測値の比較により応答予測式を検証する。さらにエネルギー論的な視点からこれらの設計例に評価を加える。

　筆者は振動外乱を受ける建築物を耐震構造・免震構造・制振構造に分け、制振構造については、エネルギー吸収機構・質量効果機構・自動制御機構に分類している。制御方式の違いにより、構造物をパッシブ制振構造とアクティブ制振構造に分類すると、アクティブ制振構造である自動制御機構を除き、耐震構造を始めとして他はパッシブな構造に分類される。パッシブな制振構造では、地震動による建物の総エネルギー入力についても通常の耐震構造と同じ扱いができ、耐震構造との違いは構造物内部でのエネルギー配分のみに限られる。

　本論文において対象とするものは、免震・制振構造のうち、パッシブ制振構造である免震構造・エネルギー吸収機構・質量効果機構とする。この検討においてはアクティブ制振構造は除外している。

　以下に、対象とする免震・制振構造をエネルギー論的な観点から述べる。

　(1)免震構造は、第1層の剛性を上層部に比べて格段に小さくし、総エネルギー入力を第1層に集中させる構造であり、第1層の最大変形を抑制するためにエネルギー吸収機構としてダンパーが取り付けられる。上部構造へのエネルギー入力は小さく、構造骨組は塑性履歴エネルギー吸収能力は必要としない。

　(2)地震動の総エネルギー入力を構造骨組の弾性歪エネルギーとして蓄えたものを、各階に取り付けたエネルギー吸収機構であるダンパーが層間変位を利用して徐々にエネルギー吸収を行い、応答変位を抑制するものである。大きな弾性歪エネルギーを蓄積できる高層建物に適用される例が多く、骨組架構を塑性化させない設計も可能になる。

　(3)チューンドマスダンパー(Tuned Mass Damper)を設置した建物の地震時の応答低減効果は、マスダンパーによるエネルギースペクトルのピークカット効果と、マスダンパーが振動エネルギーとして入力エネルギーを蓄えるエネルギー吸収効果に分けることができる。

　エネルギースペクトルのピークカット効果は、建物の共振振動数における応答スペクトルが、付加質量を付けることで2つのピークに別れ、結果的に減衰を付加した場合の応答スペクトルと等価な効果をもたらすものである。

　入力エネルギー吸収効果は、地震動により建物が加振されるとマスダンパーが共振し、マスダンパーに振動エネルギーが蓄積される。この蓄積されるエネルギーが大きいほど応答低減効果が大きくなる。建物と可動質量の間に取り付けられたダンパーは、建物へのエネルギーの逆流を生む可動質量の過大な変位を抑制するとともに、マスダンパーに蓄えられたエネルギーを徐々に消費する。

　これらの研究から、新しい構造形態である免震・制振構造にも、応答低減効果には限界が存在することが明らかになった。

　(1)免震構造では、ダンパーの調整効果によるせん断力低減効果は最大1/2であり、周期が長周期化することによる応答せん断力の低減に帰着する。

　(2)エネルギー吸収機構による応答低減効果は、最も有効に働いた場合においてもDs値で0.4程度に留まるため、応答層せん断力をさらに低減するためには、構造骨組自体が長周期化する必要がある。

　(3)質量効果機構では、マスダンパーの建物の質量に対する質量比によりエネルギー吸収効果に限界が生じる。質量比が小さい場合はエネルギースペクトルのピークカット効果の方か応答低減効果が大きいが、地震動のように周波数特性が規定できなものについてはエネルギー吸収効果に頼らざるを得ない。

　これらの限界を知ることが、新しい構造形態の設計する上では大変重要なことと考える。

　免震・制振構造にエネルギー収支に基づいた設計法を提案し、建物設計例に適用した結果、つぎのような結論を得た。

　免震・制振構造の応答特性をより一般的に捕らえ、耐震設計の目標を見失わないためにも、個々の応答結果を総合評価する必要がある。エネルギーの収支に基づいた応答評価法は、応答解析結果を抽象することから導き出された一般性に主眼をおいた方法である。この方法は大局的な見地から構造計画における種々の選択を行うことを可能にし、新しい構造形態の有力な設計法になり得ると考える。特に免震・制振構造のように地震動に対する動的検討を必要とする場合、エネルギー収支に基づく応答評価法は設計者にとって有力な武器になると確信する。今後ともエネルギーの収支に基づいた応答評価法を適用することで、新しい構造形態を実現し、建築設計の自由度を高めて行きたいと考える。

　本論文は「エネルギーの収支に基づく免震・制振構造物の設計法」と題し7章から成る。

　第1章序章では本論文の目的、方法論が述べられている。従来の建築物の耐震設計(耐震構造)では、構造主要部材の塑性化により、地震によるエネルギー入力を吸収させることにより安全性の確保がはかられてきたが、経済力の発展に伴って、構造安全性以外に居住性、財産保護等の性能要求が高まり、免震構造・制振構造が実現される段階に至った。耐震構造では地震入力エネルギーと建築物のエネルギー吸収能力の釣合条件から耐震性を評価する方法が定着しつつある。こうした背景の中で、本論文は、エネルギー論点視点から免震・制振構造を評価し、耐震設計との脈絡の上で統一的な評価体系を構築し、その有効性を著者の設計した実際の設計例において実証することが目的であることが述べられている。

　第2章「エネルギー収支に基づく応答評価法の適用にあたっての考え方」では耐震性の評価の基本となるエネルギー収支に基づく耐震設計法に関する既往の研究成果をまとめ、免震構造、制振構造へのエネルギー論的手法の適用に際する基本事項、エネルギー入力と建物周期との関係を示すエネルギースペクトルの基本形態が述べられている。

　第3章「耐震・免震・制振構造の分類」では耐震・免震・制振構造の分類が示されている。動的外乱を受ける構造を耐震構造・制振構造・免震構造に分け、制振構造をエネルギー吸収機構・質量効果機構・自動制御機構に分類し、更に実施例に基づいて細分類が行なわれている。尚、自動制御機構は本論文の対象外とされている。

　第4章「免震構造の設計法」では免震構造に対するエネルギー収支に基づいた設計法が提案されその有効性が検証されている。エネルギー論を免震構造に適用した既往の研究成果を発展させ、現在常用されている免震構造支持装置としての積層ゴムアイソレータの性能を予測式に組込み、地震に対する免震構造の応答特性を把握すると共に免震構造の可能性を論じている。更に、上部構造の建物各層に作用するせん断力、床加速度、床上に設置された什器等の加速度応答スペクトル(床応答スペクトル)を応答解析により求め、エネルギースペクトルに基づく免震構造の主要応答と対応させて、設計用床応答スペクトルを提案している。提案された手法の有効性は、実際に設計された4棟の免震建物についての地震波を用いた直接地震応答解析により実証されている。

　第5章「エネルギー吸収機構の設計法」ではエネルギー吸収機構を組込んだ建物に対するエネルギー収支に基づいた設計法が提案され、その有効性が実証される。エネルギー吸収機構としては完全弾塑性型の復元力特性を持つ履歴減衰型のダンパーを取り上げている。弾性的に挙動する骨組にダンパーを組込み、各層間のダンパーの吸収エネルギー分布を仮定することにより、エネルギー収支に基づいて応答予測式が導かれる。

　実際にエネルギー吸収機構として摩擦ダンパーを取り付けた高層建物にエネルギーの釣合式を適用し、この建物の諸元を用いて直接応答解析を行ない、予測式の有効性を確認するとともに、ダンパーの降伏耐力と応答低減効果の対応関係を明らかにしている。

　第6章「質量効果機構の設計法」では建物最上部に可動質量系(Tuned MassDamper)を付加した場合の制振効果を明らかにしている。制振効果は、エネルギースペクトルにおけるスペクトル値の低減効果(ピークカット効果)と付加質量系のエネルギー吸収効果に分けて論ぜられる。ピークカット効果は従来の振動論に基づいて評価されるが、エネルギー吸収効果はエネルギー収支に基づいて評価され付加質量の本体質量に対する比、付加マス系の減衰定数をパラメータとする応答予測式が導かれる。

　得られた予測式は実際にTMDを取り付けた塔状構造物についての地震観測結果と比較検討されその有効性が確められている。

　7章は結論であり、6章までに見られた成果がまとめられている。

　以上、本論文は、免震構造、制振構造と言った今後の耐震設計の多様な展開に対して基本となる、エネルギー収支に基づく共通の応答評価手法を追求し、応答評価式を導き、その有効性を実際に設計された多くの建築物について実証したもので、地震に対する建築物の設計技術の向上における貢献は大であり、よって、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。