青銅器時代には、秩序ある格子と洗練された配管を備えた印象的な都市を構築することができたいくつかの文明を含む、いくつかの成功した文明が台頭しました。現在、科学者たちは、地殻活動がこれらの古代文化の一部の終焉に寄与した可能性があると考えています。たとえば、メギド市（現在のイスラエルの一部）で行われた研究は、大規模な地震が都市を壊滅させ、発掘調査で発見されたサンドイッチ状の層につながった可能性があることを示唆しています。そして、紀元前 1900 年に突然消滅したハラッパ文明 (現在のパキスタン) は、一連の地震によって崩壊した可能性があります。
私たちは今日も同様に、強力な地震の余波の影響を受けやすくなっています。地震波によって生じる突然の横方向の力にさらされると、現代の建物や橋でさえ完全に機能しなくなり崩壊し、建物の中や上、周囲の人々が押しつぶされる可能性があります。むしろ、都市環境に住む人が増え、構造物が成長するにつれて、問題は悪化しています。幸いなことに、過去数十年にわたり、建築家やエンジニアは、住宅、集合住宅、高層ビルが曲がっても壊れないようにするための、数多くの賢い技術を考案してきました。その結果、建物の住人は無傷で外に出て、破片を拾い始めることができます。
次の数ページでは、これらの地震を阻止するテクノロジーを10 個まとめました。中には数年前から存在しているものもあります。カウントダウンの最初の項目など、その他のアイデアは比較的新しいアイデアであり、まだテスト中です。
10: 浮遊財団
エンジニアや地震学者は、 地震時に建物を保護する手段として長年にわたって免震を支持してきました。その名前が示すように、この概念は建物の下部構造を上部構造から分離することに基づいています。そのようなシステムの 1 つは、ゴムと鋼の交互の層で包まれた固体の鉛コアを含む鉛ゴムベアリング上で建物を基礎の上に浮かせることを含みます。鋼板は建物とその基礎にベアリングを取り付け、地震が発生したときに、その上の構造物を動かすことなく基礎が動くことを可能にします。
現在、日本の技術者の中には、免震を新たなレベルに引き上げた人もいます。彼らのシステムは実際に空気のクッションの上で建物を浮遊させます。その仕組みは次のとおりです。建物のセンサーが、地震の証拠となる地震活動を検出します。センサーのネットワークはエアコンプレッサーと通信し、警報を受けてから 0.5 秒以内に建物と基礎の間に空気を送り込みます。空気のクッションによって構造物が地面から最大 3 センチメートルまで持ち上げられ、引き裂かれる可能性のある力から構造物が隔離されます。地震が収まるとコンプレッサーが停止し、建物は再び基礎に戻ります。唯一足りないのは、「グレイテスト・アメリカン・ヒーロー」のテーマソングです。
9: ショックアブソーバー
建物を地震に耐えるのに役立つもう一つの実証済みの技術は、自動車産業からヒントを得ています。あなたはショックアブソーバー、つまり車の不要なスプリングの動きを制御する装置をよく知っています。ショックアブソーバーは、跳ねるサスペンションの運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、作動油を通じて放散することで、振動の速度を落とし、振動の大きさを減らします。物理学では、これはダンピングとして知られているため、ショックアブソーバーをダンパーと呼ぶ人もいます。
ダンパーは、耐震性のある建物を設計するときに役立つことがわかりました。エンジニアは通常、建物の各レベルにダンパーを配置し、一方の端を柱に、もう一方の端を梁に取り付けます。各ダンパーは、シリコン オイルが満たされたシリンダー内で動くピストンヘッドで構成されています。地震が発生すると、建物の水平方向の動きによって各ダンパーのピストンがオイルを押し、地震の機械的エネルギーが熱に変換されます。
8: 振り子の力
減衰にはさまざまな形があります。別の解決策、特に超高層ビルの場合、構造物の頂上近くに巨大な塊を吊り下げることが含まれます。スチール製のケーブルが質量を支え、質量と保護対象の建物の間には粘性流体ダンパーが配置されています。地震活動により建物が揺れると、振り子が逆方向に動き、エネルギーが散逸されます。
エンジニアは、各振り子が構造の固有振動数に正確に調整されているため、このようなシステムを調整マス ダンパーと呼びます。地震動によって建物がその共振周波数で振動すると、建物は大きなエネルギーで振動し、損傷を受ける可能性があります。調整されたマス ダンパーの役割は、共振を打ち消し、構造の動的応答を最小限に抑えることです。
台北 101 は、高さ 1,667 フィート (高さ 508 メートル) の超高層ビルの階数を指し、地震や強風に伴う振動の影響を最小限に抑えるために調整されたマス ダンパーを使用しています。システムの中心には、8 本の鋼製ケーブルで吊り下げられた 730 トン (660 メートルトン) の金色のボールがあります。これは世界最大かつ最も重いチューニングマスダンパーです。
7: 交換可能なヒューズ
電気の世界では、回路内の電流が一定のレベルを超えた場合にヒューズが切れて保護されます。これにより電気の流れが遮断され、過熱や火災が防止されます。インシデントが発生した後は、ヒューズを交換してシステムを通常の状態に復元するだけです。
スタンフォード大学とイリノイ大学の研究者らは、耐震性のある建物の建設を目指して同様のコンセプトを実験してきた。構造を構成する鉄骨フレームは弾性があり、基礎の上で揺れることができるため、彼らはそのアイデアを制御された揺動システムと呼んでいます。しかし、それ自体は理想的な解決策とは言えません。
研究者らは、鉄骨フレームに加えて、各フレームの上部を基礎に固定して揺れの動きを制限する垂直ケーブルを導入しました。それだけでなく、ケーブルには自己調心機能があるため、揺れが止まったときに構造全体を引き上げることができます。最後のコンポーネントは、2 つのフレームの間または柱の基部に配置された交換可能なスチール製ヒューズです。ヒューズの金属歯は、建物が揺れるときに地震エネルギーを吸収します。地震の際にそれらが「吹き飛ばされた」場合は、比較的迅速かつコスト効率よく交換して、建物を元のリボンカットの形状に復元することができます。
6: ロッキングコアウォール
多くの現代の高層ビルでは、エンジニアは低コストで耐震性能を向上させるためにコアウォール構造を使用しています。この設計では、鉄筋コンクリートのコアが構造の中心を貫通し、エレベーターバンクを囲んでいます。非常に高い建物の場合、コア壁は非常に大きくなる可能性があり、各平面方向に少なくとも 30 フィート、厚さは 18 ～ 30 インチになります。
芯壁構造は建物を地震に耐えるのに役立ちますが、完璧な技術ではありません。研究者らは、コアウォールを備えた固定基礎の建物でも、重大な非弾性変形、大きなせん断力、損傷を与える床加速度が発生する可能性があることを発見しました。解決策の 1 つは、すでに説明したように、免震、つまり鉛ゴム製ベアリングの上に建物を浮かせることです。この設計により、床の加速度とせん断力が軽減されますが、コアウォールの基部の変形は防止されません。
地震帯の構造物に対するより良い解決策には、免震と組み合わせた揺動コア壁が必要です。ロッキングコアウォールは地面レベルで揺れ、壁内のコンクリートが永久に変形するのを防ぎます。これを達成するために、エンジニアは建物の下 2 つのレベルを鋼鉄で補強し、高さ全体に沿ってポストテンションを組み込みます。ポストテンションシステムでは、鋼製緊張材がコア壁に通されます。腱は輪ゴムのように機能し、油圧ジャッキでしっかりと引き伸ばすことでコア壁の引張強度を高めることができます。
5: 耐震透明マント
波というと水や音を思い浮かべるかもしれませんが、地震でも波が発生し、地質学者は実体波と表面波に分類します。前者は地球内部を急速に移動します。後者は地殻上部をよりゆっくりと移動し、地面を垂直に動かすレイリー波として知られる波のサブセットが含まれます。地震に伴う揺れや被害のほとんどは、この上下の動きによって引き起こされます。
ここで、地震波の伝達を遮断できるかどうかを想像してください。エネルギーの方向を変えたり、都市部の周りにエネルギーの経路を変更したりすることは可能でしょうか?そう考える科学者もおり、彼らはその解決策を、建物を表面波から見えなくする能力にちなんで「地震透明マント」と呼んでいます。 技術者らは、建物の基礎の下に埋められた100個の同心のプラスチックリングから「マント」を作ることができると信じている。地震波が近づくと、地震波はリングの一端に入り、システム内に閉じ込められます。 「マント」内で利用される波は、そのエネルギーを上の構造物に伝えることができません。彼らは単に建物の基礎の周りを通過して反対側に出て、そこでリングを出て長距離の旅を再開します。フランスのチームは 2013 年にこのコンセプトをテストしました。
4: 形状記憶合金
先ほどのカウントダウンで説明したように、材料の可塑性は、耐震構造を構築しようとするエンジニアにとって大きな課題となります。可塑性は、力が加えられたときに材料に生じる変形を表します。力が十分に強い場合、材料の形状が永久に変化してしまい、適切に機能する能力が損なわれる可能性があります。鋼鉄は塑性変形を起こす可能性がありますが、コンクリートも同様です。それでも、これらの材料は両方とも、ほぼすべての商業建設プロジェクトで広く使用されています。
形状記憶合金を使用すると、 大きなひずみに耐えても元の形状に戻ります。多くのエンジニアは、従来の鉄骨とコンクリートの構造に代わるものとして、これらのいわゆるスマート材料を実験しています。有望な合金の 1 つはニッケル チタン、つまりニチノールで、鋼よりも 10 ～ 30 パーセント高い弾性を備えています。
3: カーボンファイバーラップ
新しい建物を建てるときに耐震性を考慮するのは当然ですが、古い建物を改修して耐震性能を向上させることも同様に重要です。エンジニアは、構造物に免震システムを追加することが実現可能であり、経済的にも魅力的であることを発見しました。もう 1 つの有望なソリューションは、実装がはるかに簡単ですが、繊維強化プラスチック ラップ( FRP)として知られる技術を必要とします。メーカーは、 炭素繊維とエポキシ、ポリエステル、ビニル エステル、ナイロンなどの結合ポリマーを混合してこれらのラップを製造し、軽量でありながら信じられないほど強力な複合材料を作成します。
改修用途では、エンジニアは橋や建物のコンクリート支柱の周りに材料を巻き付け、柱と材料の間の隙間に加圧エポキシを注入するだけです。設計要件に基づいて、エンジニアはこのプロセスを 6 ～ 8 回繰り返し、強度と延性が大幅に向上したミイラに包まれたビームを作成します。驚くべきことに、地震で損傷した柱でも炭素繊維のラップで修復することができます。ある研究では、研究者らは、複合材料で覆われた弱くなった高速道路橋の柱は、包まれていない柱よりも 24 ～ 38% 強度が高いことを発見しました [出典:
2: 生体材料
エンジニアたちは形状記憶合金やカーボンファイバーのラップでなんとかしのぎますが、将来はさらに優れた材料が耐震構造に利用できるようになるかもしれないと予想しています。そして、これらの素材のインスピレーションは動物界から得られる可能性があります。海の岩に付着しているか、または取り除かれてワインで蒸した後、私たちのディナー皿に載っている二枚貝の軟体動物である ヘビガイを考えてみましょう。不安定な止まり木に付着し続けるために、ムール貝は足糸として知られる粘着性の繊維を分泌します。これらの糸の中には硬くて硬いものもあれば、柔軟で弾力性のあるものもあります。波が貝に衝突すると、柔軟な繊維が衝撃を吸収し、エネルギーを消散するため、貝はその場に留まります。研究者らは、ムール貝に粘着性を与える硬い繊維と柔軟な繊維の正確な比率 (80:20) を計算しました 。現在は、ムール貝とその驚異的な静止能力を模倣した建築材料の開発が課題となっている。
別の興味深い糸がクモの南端から来ています。クモの糸が鋼鉄よりも強いことは誰もが知っていますが (ピーター・パーカーに聞いてください)、MIT の科学者は、クモの糸を非常にユニークなものにしているのは、大きな負担をかけたときの天然素材の動的応答であると信じています。研究者らがクモの糸の個々の糸を引っ張ったり引っ張ったりしたところ、糸は最初は硬く、次に伸び、その後再び硬くなることがわかりました。この複雑で非線形な応答が、クモの巣の弾力性を高め、クモの糸が次世代の耐震構造を模倣するのに魅力的な素材となっているのです。
1: ボール紙チューブ
また、住宅やオフィスビルに耐震技術を組み込むことが経済的に不可能な発展途上国ではどうなるでしょうか?彼らは地球が揺れるたびに何千人もの死傷者を被る運命にあるのだろうか？必ずしもそうとは限りません。エンジニアのチームは世界中で、地元で入手可能な、または簡単に入手できる材料を使用して耐震構造を設計するために取り組んでいます。たとえばペルーでは、研究者らがプラスチックメッシュで壁を補強することで、伝統的な日干しレンガ構造をはるかに強化した。インドでは、エンジニアが竹を使ってコンクリートを強化することに成功しました。そしてインドネシアでは現在、砂や石を詰めた古いタイヤから作られた簡単に作れるベアリングの上に建っている家もある。
ボール紙でも、丈夫で耐久性のある建築材料になることができます。日本の 建築家、坂茂氏は、主要なフレーム要素としてポリウレタンでコーティングされたボール紙チューブを組み込んだいくつかの構造を設計しました。 2013 年、潘氏は自身の設計の 1 つである移行大聖堂をニュージーランドのクライストチャーチで発表しました。この教会は、木製の梁で補強された 98 本の巨大なボール紙管を使用しています 。ボール紙と木の構造は非常に軽くて柔軟性があるため、地震の際にはコンクリートよりもはるかに優れた性能を発揮します。そして、たとえ崩壊したとしても、内部に集まった人々が押しつぶされる可能性ははるかに低いです。全体として、トイレットペーパーの芯に挟まれているボール紙の筒をもう少し敬意を持って扱いたくなるでしょう。
著者メモ: 建物の地震耐性を助ける 10 のテクノロジー
2011 年にバージニア州地震が発生したとき、私は震源地から約 55 マイル (89 キロメートル) のところにいました。それは機関車のような轟音を発し、説明するのが難しい不安定な方法で地球を動かしました。母の家の近くにあるルイーザとミネラルという小さな町では、いくつかの建物が倒壊し、さらに多くの建物が大きな被害を受けました。地震自体は恐ろしかったが、それよりも不安だったのは、環太平洋火山帯や地殻変動の絶え間ない脅威から遠く離れているため、この種の出来事からはどういうわけか隔離されているという私たちの集団意識だった。バージニア州の建築基準法が更新されて、これらの耐震技術が組み込まれたのではないかと疑問に思います。
