トカゲにインスピレーションを受けて！科学者が耐震性と安全性に優れた建物を設計 →

自然の力の前では、人間はいつもとても小さく見えます。地震は地球上で最も一般的な自然災害の一つであり、しばしば破壊的な被害をもたらします。伝統的な建築構造は大地震の衝撃に耐えられないことが多く、その結果、頻繁に倒壊し、深刻な被害が発生し、多数の死傷者が出ています。

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こうした悲劇は、建物の耐震性を向上させることが急務であることを私たちに思い起こさせ続けています。次は、新耐震ビルの謎を解き明かしましょう！

トカゲにヒントを得た新しい建築システム設計

2024年5月15日、中国の科学者たちはトカゲにヒントを得た建築システムに関する論文をネイチャー誌に発表した。このタイプの建物の登場により、地震などの外部からの衝撃による建物倒壊のリスクを回避し、私たちの生命の安全を守る強固な防衛線が構築されることが期待されます。

研究結果はネイチャー誌に掲載された。画像出典: 参考文献 1

地震が発生すると、地震波によって周期的な振動が発生します。これらの地震波が建物の固有振動数に近い場合、共振が発生し、建物がより大きな振幅で振動し、建物への被害が悪化します。建物の設計における共通の課題は、初期の損傷が構造全体に広がり、壊滅的な完全崩壊を引き起こすのをいかに防ぐかということです。したがって、建物の設計においては、建物が外部からの衝撃を受けたときに、いかにしてトカゲのように素早く反応し、被害の拡大を防ぎ、より大きな破壊を回避するかが重要な課題となります。

トカゲの尾の軟骨組織には、決まった破断点が多数あります。トカゲは危険を察知すると、尾の筋肉を収縮させ、所定の位置で尾を素早く折ります。尻尾が折れると、トカゲの体は粘液を分泌して折れた部分を覆い、感染を防ぎ、失血を減らします。粘液は捕食者を混乱させる効果もあり、トカゲが逃げるチャンスを増やすことになる。この動作にヒントを得て、科学者たちは「崩壊隔離」という概念を提案し、それを新しい建築システムの設計に適用しました。

「崩壊隔離」概念の応用

地震や外部からの衝撃があった場合に建物内の損傷部分のさらなる拡大を防ぐために、科学者は「崩壊隔離」の概念を適用し、構造システムの破壊レベルを制御することで、初期の大きな破壊によって引き起こされる崩壊を隔離します。

科学者たちは建物の重要な場所に特定の破壊点構造を設置した。建物が損傷すると、これらの部品はあらかじめ決められたパターンで破損し、最も重要な部品よりも先に特定の要素が破損することになります。このようにして、建物全体がさまざまなユニットに分離され、耐損傷性が向上します。同時に、新しい建物システムのさまざまなユニットは、互いに荷重を再分配し、崩壊の伝播をさらに隔離するのに十分な接続性を備えています。

階層構造に基づく崩壊免震設計（a、階層最適化に基づく梁柱接合、b、階層構造に基づく建物の部分崩壊免震シミュレーション、c、従来の建物の崩壊シナリオシミュレーション）画像出典：文献1

フィールドテストと結果の検証

研究者らは、この「階層的崩壊隔離」設計の実際の地震での崩壊防止効果を検証するため、コンクリートを使って長さ15メートル、幅12メートルの2階建ての建物を建てた。現在の建物の標準的な床の高さと同様に、建物の両側の各階の高さは2.6メートルです。研究者らは、まず小規模な衝撃を受けた後の崩壊を防ぐ連動構造の能力を検証し、次に建物の崩壊隔離効果を検証するという二重のテストを実施した。

最初の一連のテストでは、研究者らは建物の角にある2本の柱のうち1本を取り外し、建物が広範囲に崩壊せず、従来の構造的サポートを依然として提供できることを発見した。 2回目のテストでは、研究者らはより極端な初期損傷を与え、角に残っていた柱を除去した。その結果、「階層的崩壊隔離」設計コンセプトに基づいて製造された建物は、構造全体の崩壊をうまく回避し、荷重経路に沿った建物の一部のみが崩壊したことが示されました。これは、このタイプの建物の設計により、倒壊を限られた範囲に限定できることを証明しています。

建物の設計とテスト (a、テストのさまざまな段階で取り外された実物大のプレキャストコンクリートと柱構造、b、建設中の 1 階の接続、c、建設中にプレキャスト梁を配置した後の 2 階の接続、d、第 1 段階のテスト中に準静的に取り外すための 2 本の柱のセットアップ、e、コーナー柱を取り外すための 3 つのヒンジ機構) 画像ソース: 参照 1

結論

科学技術の急速な発展により、新たな耐震建築技術が登場しました。これらの技術は、伝統的な建築の設計概念を覆すだけでなく、材料、構造、施工などの面で革命的な革新を実現します。地震による建物の被害を大幅に軽減できるだけでなく、災害後にはより安全な避難場所を提供し、私たちの命を守る重要な防壁となります。近い将来、新しいテクノロジーがさまざまな種類の建物に広く使用され、都市がより安全で堅牢なものになると信じています。

参考文献

[1]Makoond, N.、Setiawan, A.、Buitrago, M. 他崩壊隔離により建物内の崩壊伝播を阻止します。ネイチャー629、592–596（2024）。

[2] 董炳軍トカゲの尾の切断と再生に関する研究[J]。生物学紀要、2009年、44(1):24-25。

[3] Zheng Jianguo、Xu Jian、Qian Chunyu 他。古代建築物の耐震性と振動制御のためのいくつかの重要な技術に関する研究[J]。中国土木工学ジャーナル、2023年。

[4] Jin Bo、Zhang Minzheng、Guo Xun、他。耐震建築物の構造健全性解析と施工対策[J].世界地震工学、2009(2):4.

企画・制作

出典：中国科学普及協会

著者: Shi Wuyao、生物学博士

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者：イヌオ

校正：Xu Lai、Lin Lin