カテゴリー14の台風に「奮闘」、この「耐風魔法兵器」はどうやって超高層ビルを守るのか？

「カプリコーン」、「ベベジア」、「プラサン」…9月以降、我が国の東部と南部の沿岸地域に強力な台風が次々と上陸し、強風と大雨をもたらしました。特に「ベベジア」は、上陸時の中心付近の最大風速が14（42メートル/秒）、中心気圧の最低値が955ヘクトパスカルだった。これは1949年以来、上海に上陸した最強の台風として知られている。

ソーシャルメディアで拡散している動画には、「ベベジア」が上陸した際、上海の有名なランドマークビルである上海タワー125階の「耐風人工物」ダンパーが約1メートルの振幅で大きく前後に揺れた様子が映っている。

▲ダンパーが作動し始めます。出典: Shangguan News

前回の台風の際、建物が風で揺れる動画を撮影した人がいて、多くのネットユーザーが恐怖で叫び声を上げました。建物の基礎に何か問題があり、「粗雑な建築」だと考える人もいた。ネットユーザーの中には、建物が風で揺れるなんて信じられず、はっきり「フォトショップで加工された」と言った人もいました。

台風が来ると本当に建物は揺れるのでしょうか？本当に大丈夫ですか？重さ数千トンのダンパーは何に使われるのでしょうか？

超高層ビル：台風や地震の時だけでなく、平常時も

超高層ビルが台風や地震に遭遇すると、変化する風荷重（風が建物に及ぼす力）と地面の振動の影響を受け、往復運動による動的変形が生じ、これが誰もが「揺れ」として感じます。構造物の振動は避けられず、動的影響下における構造物の必然的な反応です。

実際、建物は通常の状況でも振動しますが、振動の振幅は非常に小さいため、人々がそれに気づくのは困難です。台風や地震などの強い負荷がかかると、建物の振動振幅もそれに応じて増加します。さらに、超高層ビルは台風や地震によって入力される膨大なエネルギーを消散させるために「揺れる」必要もあります。

台風で建物が揺れるというだけで「粗悪な造り」と判断するのは科学的根拠がないことがわかります。

建物の建設が始まる前に、エンジニアは構造設計を実行する必要があります。エンジニアは、建物の地理的位置に基づいて、建物が受ける可能性のある地震や台風の影響を推定し、これらの外部荷重（構造物にかかるすべての外部環境力の総称）下での建物の構造応答を最小限に抑えるための適切な設計を行います。

風の強い沿岸地域では、風荷重が構造設計の決定要因となることが多いため、エンジニアは耐風設計を採用することがよくあります。耐風設計は、構造強度、剛性、快適性、疲労耐性などの設計要件を満たす必要があり、風荷重下で構造物が倒壊したり、ひび割れたり、過度に変位したりしないことを保証し、それによって構造物の安全性を確保します。

台風の時に建物の中にいると、なぜ揺れを感じないのか不思議に思うかもしれません。

実際、人間の快適性に影響を与える主な要因は、振動周波数、振動加速度、振動持続時間です。振動の持続時間は主に風の作用の持続時間に依存し、構造物の振動周波数を調整することは難しいため、構造設計では、人々がより快適に感じるように、構造物の振動の加速を制限する方法が一般的に採用されています。

▲人体振動快適制御限界＊1 gal = 1/100 m /s^2

建物の振動加速度が0.15 m/s^2に達すると、建物内の人々は建物の揺れを感じます。

ダンパー：風が動かなければ、私も動きません。風が南に吹けば、私は北に動きます。

高層ビルや超高層ビルは高高度の風速の影響を受けて揺れやすく、構造疲労が増大して建物の安全性が低下するだけでなく、高層ビルの居住者に明らかなめまいを引き起こす可能性もあります。そのため、物理的原理を利用して振動応答を低減し、構造疲労を軽減することは、超高層建築物の耐震設計において重要な技術課題であり、ダンパーはその目標とする解決策の一つです。

この装置は、以前は航空宇宙、航空、軍事産業、銃器、自動車などの産業で広く使用されていました。 1970年代以降、建築、橋梁、鉄道などの構造工学に利用されてきました。特に一部の超高層ビルでは、強風の影響で建物が揺れた場合、ダンパーが逆方向の動きを生じさせて建物の揺れを相殺し、ダンパー自身の巨大な重量を利用して建物への風の影響を打ち消し、建物の揺れを緩やかにする役割を果たします。

上海理工大学物理学科の准教授で、中国人工知能学会科学普及委員会委員でもある田偉氏は、メディアのインタビューで、ダンパーの動作原理は、揺れる「ネットセレブ橋」（吊り橋）の上の人がバランスを取るために「ネットセレブ橋」の揺れと反対方向に体を動かすようなものだとさらに説明した。 「ある方向から強い風が吹くと、カウンターウェイトは風の方向に揺れる巨大な『振り子』のようになり、風向きと反対の力を生み出して建物の揺れを減らし、強風が建物に与える影響を相殺する」と同氏は語った。

ダンパーは一般的に、エネルギー吸収ダンパーと同調ダンパーの 2 種類に分けられます。エネルギーの観点から見ると、台風や地震によって建物に入力されるエネルギーは一定です。したがって、エネルギー吸収装置によって消散されるエネルギーが大きければ大きいほど、構造自体が消散する必要のあるエネルギーは少なくなります。エネルギー吸収ダンパーはこの原理を利用して建物の振動を低減します。マレーシアのクアラルンプールにあるペトロナスツインタワーでは、2つのビルの間にあるエアブリッジを利用して、ビル間の揺れを均衡させるエネルギー吸収ダンパーが採用されています。エアブリッジと建物の接続点にはエネルギー吸収ダンパーが設置されています。地震や台風の影響により、真っ先に非弾性状態となり、大量の地震エネルギーを消費し、構造物の振動を低減します。

同調ダンパーは、下部構造を追加することで、建物のエネルギーを下部構造に伝達します。これらの基礎構造の重量は数百トンにもなることが多く、台風や地震で建物が一方に揺れると、ダンパーも慣性運動によって建物の動きと反対方向に動きます。

異なるサブ構造に応じて、チューンドダンパーはチューンドマスダンパー (TMD) とチューンドリキッドダンパー (TLD) に分類されます。同調質量ダンパーは、高層建築構造に対する振動制御効果が良好で、建物の機能への影響が少なく、コストが低く、設置面積が小さく、設置、保守、交換が容易であるため、実際の高層建築構造の風振動制御プロジェクトで広く使用されています。

上海タワーは高さ632メートルで、中国で最も高い建物であり、高さが600メートルを超える中国唯一の建物です。その上部は通常、秒速数十メートルの強風に耐えなければなりません。台風が襲来すると上海タワーは揺れ、最上部の最大振幅は1.4メートルに達する。同社のダンパー「上海スマートアイ」は渦電流同調質量ダンパーであり、高い応答感度、強力な耐久性、可変減衰、低いメンテナンスコストなどの利点を備えた中国の革新的な技術です。このダンパーは世界一重いもので、重さは1,000トン、建物の重量の約0.118%を占めています。建物内に長さ25メートルの鋼鉄ケーブル12本で吊り下げられており、片側最大振幅は2メートルです。

ダンパーは地上583メートルの建物3階から4階に設置されている。強風が吹くと、この巨大な振り子が風の方向に揺れ、その揺れによって建物の揺れを軽減します。上海タワーの建設会社である上海建設グループが提供したデータによると、このダンパーは風による最大加速度を43％以上低減し、建物内の90％の人々が快適に過ごせるようになるという。

▲中国一高いビル、上海タワー。画像出典: Shangguan News

ダンパーは建物の揺れを軽減することができるので、すべての超高層ビルに設置する必要があるのでしょうか？超高層ビルの耐風性や耐震性は主に建物の構造や外観デザインに依存しており、「建物自体が強固である」必要があると一部の専門家は指摘する。ダンパーの役割は、むしろ「ケーキの上のアイシング」のようなものです。一方で、揺れを軽減し、体験を最適化し、建物の品質を向上させます。一方、構造物の耐久性も向上します。我が国の関連規制によれば、建物にダンパーを設置することは義務付けられていません。

また、ダンパーの動作範囲には上限があります。例えば、上海タワーのダンパーに設定されている制限値は、片側2メートルの揺れです。ダンパーの揺れが一定振幅を超えると、制限保護装置がダンパーをロックし、建物の構造や周囲の装飾部品への衝撃を防ぎます。

わずかな揺れは建物の構造に影響を与えません

では、ダンパーが設置されていない高層ビルの場合、台風のときに心配する必要があるのでしょうか？

防城港市住宅・都市農村開発委員会の張主任エンジニアはメディアのインタビューで、台風が来ると一部の高層ビルに住む住民は軽い揺れを感じるが、これは正常な現象であり、台風が建物自体の構造に悪影響を及ぼすことはないと語った。建築設計に関する関連規制によれば、高層ビルは強風時に多少の揺れが許容されており、30階建て以上のビルでは数センチのずれが生じることも珍しくない。床の揺れの度合いは面積の比率に関係します。平面建物面積が大きい場合、揺れの振幅は比較的小さくなります。一方、平面の建物面積が比較的狭い階では、より激しく揺れることがあります。

建設の専門家によると、気象方程式を使用すると、都市部の風速は地表近くの風速よりも実際に大きいことが計算できるという。そのため、強風が吹くと高層ビルの方が影響を受けやすく、建築の世界では「風振動効果」と呼ばれています。

高高度での風速増加のもう一つの理由は、高層ビルによって引き起こされる「狭チャネル効果」です。高層ビルの遮蔽により、風の通過面積が半分になると、風の通過速度は約2倍になります。高層ビルの狭い通路では風がさらに強くなります。そのため、超高層ビルの頂上では一般的に変位が発生しますが、その大きさは様々です。床が高くなるほど、振幅が大きくなります。そのため、最上階に住む住民が「揺れ」を感じるのは当然ですが、建物の構造自体の安全性には影響しません。

高層ビルを建設する場合、風は最初に考慮すべきことの一つです。耐風性能については、一般的な建物では50年に1度の強風に耐えられることが求められます。高層ビルにはより高い要件が課せられ、一般的には100年に一度発生する強風にも耐えられる必要があります。したがって、建物が耐風設計に厳密に従って建設されている限り、危険はありません。高層ビルが揺れて壁が落ちるなどの問題が発生した場合、住民は注意を払い、状況を地元の住宅安全部門に速やかに報告する必要があります。

出典：中国科学普及局、環球時報、紅星報、尚観報