明清時代の典型的な斗栱の横方向ヒステリシス挙動と簡易モデルに関する実験・数値研究

建物を地震から守る古い木製の支点構造

中国の多くの歴史的な木造の門、堂、塔は、何世紀にもわたる地震に耐えてきました。その重要な理由の一つが、斗栱と呼ばれる、互いに組み合わさった木片と梁の不思議な積み重ねです。本研究は、明清時代に用いられたこれらの斗栱のうち重要な一群が、揺れの際にどのように転動や滑りを示すか、そしてその挙動をどのように単純な工学モデルで表現できるかを詳しく調べます。この隠れた木製の「ショックアブソーバー」を理解することは、世界遺産的建築の保存をより良くし、それに触発された現代構造物をより安全に設計する助けになります。

社会的意味を帯びた木製パズル

斗栱は単なる構造的工夫にとどまりません。身分や格を示す象徴でもあります。一般の歴史的住宅では小さく簡素な斗栱しか許されない一方で、城門や宮殿の大広間には大きく華やかに彩色された木片の積み重ねが置かれました。著者らは、重要な公共建築で用いられた中〜高位の明清の斗栱に着目しています。宋代のより装飾的で複雑なものと比べると、明清の斗栱は薄くコンパクトで、張り出しの腕が少なく、屋根から柱や壁へ力が伝わる経路がより直接的です。これらの違いは、従来の多くの研究が扱ってきた古い形式とは異なる地震応答を示す可能性があることを示唆します。

三種類の斗栱、骨組みにおける三つの位置

研究者たちは、木造フレーム内でそれぞれ異なる位置を占める三つの典型的な斗栱配置を調べました。1種類は柱の間に位置し（DGPS）、柱に直接組み込まれていません。2種類目は柱の上に載るもの（DGZT）、3種類目は二つの壁が交わる隅に置かれるもの（DGJ）です。北京と山西の歴史的な門や塔の現地調査を綿密に行い、研究チームはこれら三つの配置を実物の三分の一スケールで再現し、原材と同じ松材を用いて試験体を作成しました。まず木材自体の基本強度を試験し、その後歴史的形状に忠実な斗栱試験体を組み立てました。

揺らして隠れた運動を明らかにする

試験体は頑丈な鋼製フレームに取り付けられ、地震動を模したゆっくりと制御された往復サイクルで前後に押されました。小さな重りが上からかかる屋根荷重を模擬しています。変位が大きくなるにつれて、チームは割れ、離開、破壊の発生を観察し、押し引きの力を記録しました。三種類とも、接触する木面間で強い滑りが起き、主要な接触点で木繊維の徐々の潰れや割れが生じました。力と変位の曲線は中央で狭まるループを描き、「ピンチング」と呼ばれる効果を示しました。これは部材が各サイクルで開閉し、剛性が徐々に低下することを示します。三種のうち、柱上（DGZT）と隅部（DGJ）の斗栱はエネルギー吸収が優れており、柱間（DGPS）は剛性を比較的保つ一方で散逸エネルギーは少なめでした。

複雑な彫刻から単純な線へ

実際の斗栱は多数の小さなブロックと接触面を含むため、詳細な数値モデルは建物全体を対象とする場合に時間とコストがかかります。これに対処するため、著者らは各斗栱の精緻な三次元シミュレーションを構築し、応力が集中する主要な内部の「力の流れ」経路を追跡しました。そして複雑な形状を数本の理想化した梁と斜材に置き換え、一部は実際の木材中に物理的に存在しない要素であっても、全体挙動を代表する役割を担わせました。特に隠れた栓（ダウエル）周辺で圧縮された木材の変形がどのように生じ、部材がどの程度移動して降伏するかを支配するかに注意が払われました。その結果、主要な転動・滑り挙動を追跡しつつ、元の数値モデル要素・節点のごく一部（数パーセント程度）で表現可能な簡易梁モデルが得られました。

その近似が本当に機能するかの検証

簡易モデルは実験で用いたのと同じ変位を仮想空間で与えられて押されました。比較の結果、簡略化モデルは実験曲線の全体的な形状や変位増加に伴う剛性低下の様子を再現することが分かりました。簡易モデルにおける高応力・低応力の分布パターンも詳細モデルと一致しました。非常に大きな変位領域では、実材の欠陥や複雑な摩擦現象が重要となり差異が現れましたが、構造評価で通常問題となる範囲では実用的に十分な一致が得られました。

今日の歴史的建築にとっての意義

非専門家向けの主要メッセージは、これらの層状の木製斗栱が脆弱な装飾ではなく、歴史的建築が揺れ、滑り、地震エネルギーを放散して崩壊を免れるための組み込みのクッションとして機能しているということです。本研究は、明清の「より簡素な」版であってもこの保護的役割を果たすことを示し、建築全体の数値モデル内でそれらを簡潔に表現する方法を提供します。これにより、大規模な木造記念物の安全性を確認し、元の性格を尊重した修復や補強計画を立てることが格段に容易になります。

引用: Cui, Z., Chun, Q., Yuan, Y. et al. Experimental and numerical research on the lateral hysteretic behavior and simplified model of typical Dou-Gong in Ming-Qing dynasties. npj Herit. Sci. 14, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02340-x

キーワード: 斗栱, 耐震性, 木造遺産, 明清建築, エネルギー散逸