鋼材でサポートされた技術が建物の制振に革命を起こす

鉄骨造の構造制震システムは、貴重な床面積を占有することなく、高層ビルの地震時の安全性を高め、風の揺れを軽減できる可能性があります。

世界中の拡大する都市の不動産価格が上昇し続ける中、開発業者はより高層でスリムな建物を建設することで対応している。

ロンドン中心部、香港、ニューヨーク、トロント、ウェリントン、マニラ。いずれも世界で最も価値の高い不動産を所有しており、これらのビジネス拠点の中心に住み、働きたいという意欲は依然として高いため、開発業者は空に目を向けています。

現代の建設方法により、ますます小さな敷地に、それに応じて細さを持たせた超高層ビルを建てることが可能になっています。しかし、これらの細い超高層ビルは重要な宿泊施設を提供する一方で、風で揺れる傾向もあります。「VCD モジュールは、3M 粘弾性ポリマーをサンドイッチした標準的な日本の SM490A 構造用鋼を使用して製造されています。これは非常に耐久性のある材料です。」その影響は上層階ほど顕著であり、安全性への影響はありませんが、居住者が一種の乗り物酔いを経験する可能性があります。この揺れに対抗するために、開発者はエンジニアやデザイナーに対し、この揺れを軽減するダンピングシステムを開発するよう呼びかけた。

建物の上部に設置されるダンパーには 2 つのタイプが好まれています。あらゆる動きを吸収するように機能する機械システムであるチューニングマスダンパーと、水で満たされたタンクを使用して重量を加えて揺れを打ち消すダンパーです。

どちらもかさばり、2 階建てで 100 平方メートルのスペースが必要であり、都市では 1 平方センチメートルあたりの床の価値が高く、高価になる可能性があります。

既存の減衰システムのコストが高いことは、トロントに本拠を置く企業Kinetica Dynamicsが、材料メーカーの3Mおよび鉄鋼専門会社の新日鉄住金エンジニアリングと協力して、貴重な床面積を占有することなく、あらゆる風の揺れや地震の動きを減衰できるシステムの開発を進めてきた理由の1つでした。

その粘弾性カップリング ダンパー (VCD) は、粘性材料のせん断抵抗とひずみ抵抗、および 3M チームが開発した粘弾性ポリマーで結合された弾性材料の伸縮記憶の組み合わせを利用しています。

メーカーの新日鉄住金エンジニアリングは、この粘弾性材料を何層にも重ねて高強度鋼の層の間に挟んで、VCD モジュールの 1 つを作成しています。

これらのモジュールは現場に移送され、そこで超高層ビルの構造コンクリートに鋳造される鋼材部分に固定されます。これらの「埋め込み物」は、公差保持装置として機能する「テンプレート」を備えた鉄鋼メーカーによって現地で製造されており、これにより、後日高張力鋼ボルトを使用して VCD を固定できるようになります。これにより、プロセスを建設サイクルのクリティカル パスから外して、時間を節約し、構築中の効率を向上させることができます。

「これは、ゼネコンが専門家のチームを連れてこなくても作業を実行できることを意味します。地元の生産者からの標準的な構造用鋼セクションである埋め込みを鋳造するのは十分に簡単です」とキネティカの最高技術責任者兼マネージングプリンシパルのマイケル・モンゴメリーは説明します。

彼は、トロント大学での 8 年間の開発とテストのプロセスを通じて、3M および新日鉄住金エンジニアリングと協力して、高層鉄筋構造物での VCD の使用に取り組んでおり、現在、この技術の導入を目の当たりにしています。

この試験計画には、鋼鉄と粘弾性技術を検証するための本格的なダンパー試験が含まれており、減衰の有効性と堅牢性が確認されました。彼らは、ハリケーンレベルの風や極端な地震シナリオの厳しいテストだけでなく、頻繁な風や地震レベルに対する従来の構造設定と比較して大幅な性能の向上を示しました。

「私たちは長年にわたってこれらの VCD に取り組み、完全にテストされていることを確認してきました。VCD モジュールは、3M 粘弾性ポリマーを挟んだ日本の標準的な SM490A 構造用鋼を使用して製造されています。これは非常に耐久性のある素材です」とモンゴメリー氏は説明します。

「テスト中に、スチールとポリマーの間に追加の結合層を追加しない方がダンパーの性能が向上することがわかりました。クランプ力を提供するスチールボルトは、標準的な日本製の A490 六角スチールボルトです。」

タワーフレーム周囲のダンパーの配置と位置は、構造および耐震エンジニアによる設計に依存します。重大な地震活動が発生している地域では、地震振動のレベルと激しさを軽減できるだけでなく、地震後の修復作業の量も軽減します。

「テスト中に、スチールとポリマーの間に追加の結合層を追加しなくてもダンパーの性能が向上することがわかりました。」

事前定義された負荷に合わせて容量が設計されている場合、VCD 接続要素は「構造ヒューズ」として機能し、隣接する構造要素の損傷を防ぎます。極度の地震の後、これらのヒューズを検査し、必要に応じて交換または修理するだけで済みます。

Kinetica、3M、および新日鉄住金エンジニアリングの VCD は、高い風荷重と地震活動の両方にさらされる地域の有名な開発施設にすでに設置されています。

マニラでは、パーク セントラル タワーズ開発が行われており、高さ 267 メートルと 217 メートルの 2 つのタワーが建設されています。それらは激しい台風地域に位置し、主要な断層線からわずか数キロメートルのところにあります。各タワーには 32 個の VCD があり、各構造物にかかる風荷重と地震荷重を軽減します。そして、トロントの 62 階建て Y+C コンドミニアム開発では、タワーの中央部分の鋼製連結梁を 42 台の VCD に置き換えました。

大都市の宿泊施設やオフィススペースの将来が超高層ビルにますます注目する中、床面積を最大化しながら安全性と快適性を向上させるこの鉄骨造技術の可能性は、非常に貴重であることが判明する可能性があります。