鋼材は破断するよりも曲がる性質があるため、地震が頻繁に発生する地域において非常に適しています。もろい材料は応力を受けた際にただひび割れしますが、鋼材は実際に伸びて、エンジニアが制御された降伏（controlled yielding）と呼ぶ現象を通じて振動エネルギーを吸収します。今日の建築設計では、モーメント耐力フレームや偏心ブレースシステムなどの構造を用いて、この特性を活かしており、地面の動きに対して力を分散させるようにしています。例えば免震システムは建物とその基礎の間に設置され、日本やカリフォルニアの一部など、地震の多い地域で横方向の動きを約4分の3削減できることが示されています。これらの技術革新のおかげで、大きな地震でも建物が無事だった事例があります。
延性のある鉄骨フレームは、地震発生時に実際にエネルギーを吸収して分散させることができ、構造物が一度に崩壊するのを防ぎます。冗長性（レダンダンシー）の概念とは、一部が破損しても構造全体が倒壊せずに済むように、複数の補助的な支持経路を設計に組み込むことを意味します。FEMAのP-750文書に掲載された研究によると、このような柔軟な鉄骨フレームで建設された建物は、剛性的なコンクリートで建設された建物と比べて、崩壊する可能性が約3分の1低くなるとのことです。この種の安全対策は、大地震の後も繰り返し余震に見舞われる環太平洋造山帯沿いの地域において特に重要になります。
| 基準 | 鉄骨構造 | コンクリート構造物 |
|---|---|---|
| 重量 | 60%軽量 | 重量が大きく、地震荷重が増加 |
| 修理の容易性 | 局所的な損傷；修復が容易 | 破壊的損傷が一般的 |
| エネルギー散逸 | 高い（降伏による変形能） | 低い（脆性破壊） |
鋼材の軽量性により、地震時の慣性力が低減される一方、コンクリートの剛性は高価で修復不能な損傷を引き起こすことが多い。2023年のトルコにおける地震後の評価では、鉄骨造の建物は 修繕費用が40％低かった ことがコンクリート構造と比較して示された。
The FEMA P-750 のガイドラインは鉄骨の優位性を裏付けており、適切に設計された塑性フレームにより、大地震時の倒壊確率が50分の1から167分の1に低下することを示している。これはASCE 7-22などの国際基準と一致しており、地震多発地域の重要インフラにおいて鉄骨の ヒステリシス減衰 性能を重視している。
今日の耐震鋼構造物は、パフォーマンスベース設計（PBD）と呼ばれる手法を頻繁に使用しています。このアプローチにより、地震が発生した際に建物が実際に必要とされる性能を発揮でき、一定の安全基準を満たしつつ、業務の継続を円滑に保つことができます。従来の建築基準はエンジニアに対して段階的な指示を提供するだけですが、PBDは異なる視点を持っています。これは、地震時の許容できる損傷の程度を評価しつつも、建物が引き続き適切に機能することを目指します。地震後でも医療行為が必要な病院や、何があってもサーバーをオンラインに保たなければならないデータセンターなどを想像してみてください。いくつかのエンジニアリング会社による研究では、PBDの導入により、古い技術と比較して修理費を約40％削減できる可能性があると示しています。このようなコスト削減は、安全性を犠牲にしないより賢明な材料選定によって実現されており、地震という重大なリスクを考慮すると非常に印象的です。
建物が地震力をどのように受けるかは、屋根から基礎に至るまで荷重経路が連続しているかどうかに大きく依存します。鉄骨造の建物では、主にモーメント耐力フレームと構造体の重要な位置に配置された耐力壁によって、この要件を満たしています。これにより、横方向の揺れを制御します。特に高層建築では、従来のブレース付きフレームと鋼板耐力壁が組み合わさったハイブリッド方式への関心が高まっています。このような組み合わせにより、構造剛性を25％から35％程度向上させることが可能で、大きな地震発生時における性能に大きな差をもたらします。ただし、これらの部材間の接合部の詳細設計が非常に重要であり、わずかな設計上のミスでも、実際の地震時にその有効性が損なわれる可能性があります。
有効な耐震設計は、以下の3つの原則のバランスを取ることに基づいています：
鋼材の本質的な延性により、接合部での制御された塑性変形が可能となり、突然の破壊なしに地震エネルギーを吸収します。2023年の補強構造物の分析によると、座屈拘束ブレースを採用することで、従来の設計と比較してエネルギー散逸性能が50%向上することが明らかになりました。
交換可能なヒューズ部品などの高度な機能は、建物の耐震性を確実に高めますが、依然として約3分の2の請負業者が不要なコスト増加であるとして抵抗しています。しかし、ライフサイクルコストに関する研究をより広い視点から見ると、鉄骨構造物における耐震詳細への適切な投資について興味深い知見が得られます。データによれば、地震後に大規模な再建を必要としないため、初期段階で追加費用をかけることが、将来的には4倍もの節約につながる可能性があるのです。これは、エンジニアや予算決定担当者が建設プロジェクトにおいて本当に重要なことについて一致した理解を持てるよう、これらの便益を計算するための標準的手法を策定すべきであるという強い主張につながります。
鉄骨構造は、地震時にその一体性を維持するために、正確に設計された接合部と接続部に依存しています。剛性のある梁柱接合部を持つ耐力骨組は力を均等に分散させ、接続ポイントにおける補強詳細により局所的な破損が防止されます。適切に設計された鉄骨接合部は、従来の設計と比較して地震後の修復コストを最大40％削減できます。
最新の高力ボルト接合には、スリップクリティカルな界面と張力付与された高力ボルトが採用されており、永久変形なしに制御された動きを可能にします。ハイブリッドな溶接・ボルト複合接合は、施工の迅速さと耐震耐久性を両立し、ASCE 7-22の性能要件を満たしながら建設時間を25％短縮できます。
2022年のカリフォルニア州I-395インターチェンジの改修工事では、もろいピンとハンガー接続部が、エネルギーを吸収する延性リンクを用いた鋼製ボックス・ジャーダーシステムに置き換えられました。この8500万ドルを要したプロジェクトは、2023年に発生したマグニチュード4.0以上の余震7回をすべて無傷で耐え抜き、重要インフラにおける高度な鋼構造の補強改修の費用対効果を実証しました。
V字ブレースに設置されたパルドンパーは、中層階建築物において最大35％の地震エネルギーを吸収します。コアウォールに設置された粘弾性ダンパーと組み合わせることで、主要な研究機関による振動台試験データによれば、これらのシステムは階間変形を50～70％低減します。
従来の耐圧 Brace は圧縮時に突然破損するのに対し、座屈拘束 brace（BRB）はコンクリート充填チューブで覆われた鋼製コアを使用しています。この設計により、FEMA P-795ガイドラインで確認されているように、エネルギー散逸能力が300%向上し、安定したヒステリシスループを維持します。
東京の55階建て「トラナモン・アザブダイトワー」では、1,200トンの調質質量ダンパーが粘性壁面ダンパーと連携して作動しています。このハイブリッド方式により、2023年の台風ナンマドル通過時において、風振動および地震振動を記録的な60%低減する成果を達成しました。
地震帯に2020年以降に建設された鉄骨構造の超高層ビルの78%以上が何らかの制震技術を導入しており、これは2010年の42%から増加しています。世界の制震ダンパーマーケットは、地震多発地域での建築基準の厳格化を背景に、2028年までに42億米ドルに達すると予測されています。
ニッケル・チタン形状記憶合金（NiTi SMA）は、変形後に元の形状に戻る能力があるため、耐震鋼構造物の建設方法を変革しています。建物が地震で揺れると、これらの特殊な材料はそのエネルギーの一部を吸収し、揺れが収まると元の位置に戻ります。これにより、全体的な永続的損傷が軽減されます。研究によると、エンジニアがビーム・コラム接合部にSMA技術を取り入れることで、従来の鋼材接合部よりも約12％大きな横方向の力に耐えられるようになります。特に注目すべき点は、温度変化に応じて反応できることであり、これにより建物の特定の部分が軽微な損傷後に自ら修復するような機能を持つことができます。これは、活断層の近くにある構造物における最大の弱点の一つに対処するものです。
自己中心化を目的とした鋼構造フレームは、通常、ポストテンションケーブルまたは摩擦ダンパー付きビームを組み込んでおり、地震による揺れの後に建物が元の位置に戻るのを助けます。この技術により、残差変形（残留ひずみ）が大幅に削減され、場合によっては約80％も低減されるため、従来の建築方法でよく見られるような建物の傾きが生じにくくなります。昨年、東京での事例では、エンジニアが40階建ての建物にこの手法を試験的に適用しました。地震発生後、構造物の変位はほとんどなく、地震前と比べて約92％の使用機能を維持したまま利用可能でした。このような性能は、単に建物の倒壊を防ぐだけでなく、災害後に人々が速やかに内部に入れるようにすることを目指す、現在の建築基準と一致しています。
特殊な座屈拘束ブレースや犠牲ビーム端部など、地震時にエネルギーを吸収する交換可能な部品を使用することで、地震後の修復作業を特定のエリアに集中させることができる。これは家庭の分電盤のようなもので、これらの部品が損傷の大部分を引き受けるため、従来の修理方法のように数週間から数か月待つ必要なく、約3日間で交換が可能になる。現代のほとんどの建物では、側面支持構造の約4分の1から3分の1がこうした交換可能な部品で構成されており、それでも建物全体として構造的完全性を維持している。このアプローチにより災害発生時に時間と費用の両方を節約でき、エンジニアは損傷部分を修復するために構造の大きな部分を解体する必要がなくなる。
自己修復鋼材システムは、一見すると従来の選択肢に比べて約18〜22％高い価格がついています。しかし長期間にわたる影響を検討すると、研究では50年間で維持管理コストが約40％削減されることが示されています。一方で、初期費用の追加コストが、最初の段階で予算が最も重要な貧困地域での普及を妨げていると指摘する声もあります。反対に、保険会社はこうしたスマート材料を備えた建物に対して、リスク低減効果が明確なことから、15〜20％の割引を始めています。最近では、初期費用がかかっても地震多発地域でこうした技術の使用を建築基準で義務化すべきかどうかについて活発な議論が行われています。こうした特に重要な地域において、安全性の利点が財政的配慮を上回るかどうかが問われています。
今日の地震リスク評価では、地盤の動きの予測と過去の地震記録に基づいて、地域をさまざまな危険度カテゴリーに分類しています。カリフォルニア州の有名なサンアンドレアス断層や、インドネシア周辺の活発な火山地帯である「火の輪（リング・オブ・ファイア）」など、特にリスクの高い地域を検討する際、多くのエンジニアはよりよく曲がり、衝撃を効果的に吸収できるため、鉄骨構造を好んで採用しています。2024年の最近の研究でも興味深い結果が示されており、地震が最も頻繁に発生する「ゾーン4」と呼ばれる地域にある鉄骨構造の建物は、マグニチュード7の地震を模擬した試験において、同規模のコンクリート構造物と比較して約40％少ない損傷しか受けなかったことがわかりました。こうした知見は、建設プロジェクトで使用される材料の選定に大きな影響を与えています。実際、東京やロサンゼルスなどの大都市では、この10年間の初めから鉄骨の使用量が毎年約18％ずつ増加しています。
2023年のトルコ・シリア地震（マグニチュード7.8）は、コンクリート中心の構造における重大な欠陥を明らかにしました。倒壊した建物の92%が非延性コンクリートフレームを使用していました。対照的に、2011年の日本の東北地方太平洋沖地震（マグニチュード9.1）では鉄骨の耐震性が示され、仙台市内の鉄骨造高層建築物のうち解体が必要となったのはわずか0.3%でした。主な教訓は以下の通りです。
新興経済国は、限られた予算と耐震安全性の要件との間でバランスを取るという独自の課題に直面しています。費用対効果の高いアプローチとは、以下を組み合わせることです：
2023年のスマートダンピングシステムに関するレビューでは、チリやネパールのような開発途上国が、従来システムと比較してコストを60%削減した簡易型座屈拘束ブレースを導入していることが強調されています。この手法により、カトマンズなどの都市では年間150以上の重要建物を耐震補強でき、建設予算の85%を維持することが可能になっています。
スチールは延性があり、地震時のエネルギーを吸収・散逸できるため、崩壊を防ぎ、損傷を最小限に抑えることができるからです。
スチール構造物はコンクリートより60%軽量で、修理が容易であり、エネルギーの散逸性能も優れています。一方、コンクリートはしばしば修復不可能な損傷を受けることがあります。
ボルト接合や溶接接合などの高度な接合部は、応力下でも構造の完全性を保ち、地震中および地震後の耐久性を高めます。
形状記憶合金（SMA）などのスマート材料は自己修復機能を提供し、長期的なメンテナンスを削減するとともに、構造の完全性を向上させます。
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