構造コラム第20回「建物の『バランス』-剛性率と偏心率-」

みなさんは、建物の『バランス』を考えたことはありますでしょうか。

例えば、木造の建物で告示上の耐力壁の量が足りていても、実際に構造計算をすると建物のバランスが悪いため、想定よりも大きな力が働き、部材が大きくなってしまう場合があります。

では、建物の『バランス』の良し悪しは建物のどこに宿っているのでしょうか。
今回は、建物の『バランス』を考える際の構造上の指標についてご紹介します。

構造上の建物のバランスを計る指標として、『剛性率』、『偏心率』という2つの考え方があります。
この2つの指標を満たすことで、構造上は『建物のバランスがよい』と考えます。

まず、『剛性率』とは『立面的なバランス』を計る指標になります。

図①

図①は、柱・梁が同じ部材である建物として考えます。
上図の通り、図左側の建物は各階の階高がほぼ等しく、
【地震に対して各層が均等に変形する=各層の剛性率がほぼ同じ値になる】
ことが予想されます。
一方、図右側のような吹き抜けなどが存在し、一部の階高が突出して高い建物の場合は様子が異なります。
図右側の建物では、
【階高の高い層の変形が大きくなり、上下階とのバランスを見ると、その層のみ柔らかくなる=階高の高い層のみ剛性率が小さくなる】
ことが予想されます。

図をご覧の通り、階高の高い層に力が集中してしまい、その層のみ被害が大きくなる恐れがあるため、構造上注意を要します。
この場合は、階高の高い層のみを強度の高い柱断面に変更するといった構造的な対策をする必要があります。

このように高さ方向の『立面的なバランス』を計る指標が『剛性率』になります。

次に、『偏心率』とは『平面的なバランス』を計る指標になります。

図②

図②は、平面的にバランスがよい建物になります。
建物の平面的なバランスを考える際には、
【各方向の地震力ごとに耐震要素を分解する】
ことが重要になります。
各方向の地震力に対して、耐震要素がどのように配置されているかを見ることで平面的なバランスがわかります。

ご覧の通り、図②の建物は、どちらの方向の地震力に対しても上下、左右にバランスよく配置されていることがわかります。
このような建物の場合には、地震に対しても大きな偏りなく、抵抗することができると考えられます。

では、平面的なバランスが悪い場合として、南側に大開口を設けた場合を考えてみましょう。

図③

上図の通り、X方向の地震に対して平面的なバランスが取れていないことがわかります。
建物上下で耐震要素のバランスが悪く、建物下側の耐力壁に大きな力が働くことが予想されます。
この場合は、偏心率が大きくなり、ある一定の数値を超えると、構造計算上割増係数をかけて耐力に余裕を見る必要があります。

このように耐震要素の配置による『平面的なバランス』を計る指標が、『偏心率』になります。

告示に則り建物を設計していると、耐力壁や、柱の数など部材の『量』にのみどうしても目がいってしまいます。
もちろん部材の『量』を満たすことは重要ではありますが、その上で部材の『バランス』まで気を配ることができれば、必要以上の部材がなくなり、すっきりとしたデザインが実現できます。

構造コラム第19回「RC造ラーメンの耐震壁について」

RC造ラーメン架構の耐震要素として、耐震壁があります。

どのようなRC造の壁も耐震壁となるのかと言うと違います。

耐震壁とできる壁の条件は、下記になります。

 

 

しかし、実際には採光などの問題で、RC造の壁に開口を設ける場合があります。

開口(1つまたは2つ)を開けた場合に耐震壁とできるかの条件は、下記になります。

 

 

開口の面積や位置によって、耐震壁にできる場合とできない場合があることがわかります。

 

また、耐震壁の構造設計を行う際に、√(A0/A),L0/L,H0/Hの3つの割合に基づき、耐震壁の剛性や耐力を低減させます。

 

低減という言葉からわかるように、耐震壁からすると開口=欠損となってしまいます。

 

同じ階の同じような耐震壁でも厚さや配筋が違ったりするのは、この低減による場合もあるのです。

 

せっかく壁を計画しているのですから、耐震壁として有効に活用したいものです。

構造コラム第18回「コンクリートのせん断ひび割れ」

現在の日本では、建築物の構造体に使われる材料は木・鋼・コンクリートが主流になっています。その中でもコンクリートは、鉄筋コンクリート造はもとより木造や鉄骨造の基礎にも使用され、最も多く使用される構造材料と言えるでしょう。

 

今回はそのようなコンクリートの性質についてご紹介します。

 

コンクリートはひび割れしやすく、乾燥収縮やクリープ荷重(長期的にかかる荷重から瞬間的にかかる荷重を引いたもの)で簡単にひび割れてしまいます。補修管理を怠ると、鉄筋が錆びたりコンクリート片が落下して重大な事故につながりかねません。

 

力学的には圧縮に強く、引張に弱いという特徴があります。引張力を受けると途端に割れてしまうため、構造計算ではコンクリートが引張に耐えることには期待しません。

さらにもうひとつ、力のかかり方に「せん断力」という力があります。この力は物を二つに分断しようとする力で、はさみで紙を切ることができるのは、紙にせん断力がはたらくからです。このせん断力とコンクリートの関係について詳説しましょう。

 

このようなモデルを考えてみましょう。

コンクリートには両端にせん断力がかかります。

せん断力がかかっている部分を細かく観察すると、斜め方向に引張力が作用しています。この力を「斜張力」といいます。先ほど述べたように、コンクリートは引張に弱いので、この斜張力と直交にひび割れが生じてしまいます。このひび割れを「せん断ひび割れ」と呼びます。

 

実際の建物では、このような形状をよく見かけます。

構造体の長さが短くなると、せん断破壊が起こりやすいという性質があり、この場合壁がない柱の部分にせん断力が集中してしまいます。すると

このように柱にせん断ひび割れが生じ、さらに力が加わるとせん断破壊が起こります。せん断破壊はとても脆い(ガラスのような壊れ方をする)性質があり、大変危険です。もちろん構造設計ではこのような破壊が生じないように設計しますが、地震の際、このようなひび割れを見つけた時は要注意ですね。

構造コラム第17回「ねじれ剛性」

四号建物を設計するとき、仕様規定(建築基準法施行令36条~80条の3)のみを満たしていれば、安全であると判断していませんか。

もちろん満たすことは最低限のルールですが、キチンとした構造計算をした方がよい場合も存在します。

例えば、上記のような木造の建物【A】・【B】を考えてみます。

どちらも同様の基礎形式として、壁量の規定(施行令46条)など仕様規定を満足できます。

法律上はどちらも問題がないように思いますが、構造上は【B】が安全な建物であると判断できます。

ポイントは、壁位置にあります。

構造上では、両者の【ねじれ剛性】(ねじれに対するかたさ)に差があると言います。

【ねじれ剛性】は、【剛心(剛性の中心)から壁(地震力抵抗要素)までの距離】×【壁の剛性(かたさ)】に依存しています。

つまり、【A】と【B】においては、両者の壁量が変わらないため、できるだけ外周部に壁があるほど、ねじれにくい安全な建物であると判断できるのです。

ご覧の通り、【B】に比べ【A】の建物は中心部に壁が集中しており、ねじれ剛性が小さい建物と判断できます。

法律上は、仕様規定を満足していれば問題ありませんが、実際に構造解析をするとねじれの影響もあり、【外周部の柱が大きく変形する】ため注意を要します。

 

このように法律上は満足していても、実際に構造解析をすると注意が必要な場合が数多く存在します。

今回は、その一例として【ねじれ剛性】をご紹介しました。

 

構造コラム第16回「構造設計と各種規基準と地震」

建築基準法及び関連法令で建築物に求められる性能は、極めて稀に起こる地震時に建築物が崩壊しないという性能になります。
要は、大震災時に建物が崩れない様にし、避難ができる状態を確保しましょうと言うことです。

そして、建築基準法,関係法令はその性能を確保するための最低限を規定しています。
関係法令とは別に、構造設計の規準などが有ります。
こちらもその性能を確保するには、どの様な検討を行えば良いのかなどが書かれています。
※各規基準は、改正・改訂された時点で現実的な対策が取れる状況に対しての性能になります。

従って、各規基準を満たす(その建築物設計時点で考えられる最低限の性能)=極めて稀に起こる地震時に建物が崩れないであろう となります。
建物にどの程度の余力を持たせれば崩れない建物となるのかは、わかっていません。
※天災であり、建築地や施工状況,建物の使用状況,築年数など様々な要因もあるので、『崩れないであろう』という表現になってしまいます。
また、崩壊しない建物を作ろうとすると、コストやプランの面で現実的ではない場合もあると思われます。
(耐震診断・耐震改修についても同様)

お気づきかはと思いますが、崩壊しなかった建物が、その地震の前と同様に使用可能どうかについて一切ふれていません。
また、たとえ上家の被害が軽度で使用可能であっても、基礎が使用不可能な被害を受けてしまえば、結果として建物は使用不可となってしまいます。
(基礎の研究については上家ほど進んでいないようです)

構造設計とは、建物を如何に崩壊から遠ざけ、使用可能な建物に近づけるのかを設計するという事なのです。

構造コラム第15回「弾性と塑性」

この世に存在する物体は、力を加えれば必ず変形します。肉眼ではわからないですが、ダイヤモンドのようなすごく硬い物でも、力を加えれば変形します。

ばねをイメージしてみましょう。

ばねの硬さはいろいろあれど、引っ張ればその分伸び、離せば元の長さに戻ります。
このような性質を「弾性(だんせい)」とよびます。

もっと力を加えてもっと引っ張ってみましょう。
するとある変化が起こります。

ある瞬間から、力を一定にしても伸び続けるようになりました。
このような性質を「塑性(そせい)」とよびます。
いったん塑性すると、力を除いても変形が残ってしまいます。
これを「塑性ひずみ」といいます。

建築で使う材料も、例外なくこれらの性質を持っています。
鉄骨の骨組みや鉄筋に使う「鋼」の性質をみてみましょう。鋼は少し複雑です。

弾性から塑性へ変化することを「降伏(こうふく)」といい、この点を降伏点とよびます。
まさに鋼が降参した状態ですね。
そこから紆余曲折を経て破断に至ります。
実は、塑性すると断面が細くなるので、実際はこのようなグラフにはなりません(真応力-真ひずみ)が、構造設計の実務で使うことはほとんどないのでここでの説明は割愛します。

構造設計では、「震度4~5弱の地震に対して柱や梁を弾性の範囲内に、震度6強では部分的に塑性させても良いが、建物を倒壊させてはならない」ということを目標に設計します。

構造設計者は、使用する材料の特性を熟知し、適材適所に設計することが大切です。

構造コラム第14回「4号特例(平屋or2階建ての木造住宅)の基礎の設計について」

コラム第12回でもご案内したとおり、4号申請の建物でも安全性の確認は必要です。
また、上家については壁量計算や許容応力度計算などで安全性の確認ができることもわかりました。

基礎部分(基礎梁・直接基礎)の安全確認はどうでしょうか。
許容応力度計算では、上家から基礎部分まで一連で安全性の確認を行います。

また、耐震等級○・耐風等級○取得や等級○相当の設計のご依頼もあります。
その場合、上家を設計する地震・風の力が1.25倍ないし1.5倍となります。
上家が1.25倍ないし1.5倍の地震・風の力に耐えられても、それに見合った基礎を用意しないと意味がありませんので、基礎も1.25倍ないし1.5倍の力で設計します。

これを 上家→『耐震等級2(=1.25倍)』で設計,基礎→『等級なし(=1.0倍)』での設計の状態から考えてみたいと思います。
イメージしやすく『重さ125kgの荷物』と『持てる重さが100kgまでのAさん』と置き換えます。

Aさんは100kgまでしか持てないので、荷物を100kgまで減らしてしまいます。
折角、等級2の上家=荷物を用意したのに、等級なしの基礎=Aさんでは十分に持ち上げられません。
これでは建物全体として、等級無しの建物となってしまいます。

Aさんがトレーニングをして、『持てる重さが125kgまでのAさん』となれば、等級2の上家,等級2の基礎なので、建物全体として等級2の建物が出来上がります。

『構造設計をすると基礎が大きくなる』というお話も聞いたことがありますが、このあたりの事の話なのではないでしょうか。

2016年は熊本地震もあり、住宅の地震に対する安全性の関心が高まっていると思います。
お施主様のご要望に合わせた設計手法のご依頼をお願いいたします。

構造コラム第13回「震度と構造計算」

「この建物はどのくらいの震度までもつの?」「震度7に耐えられるようにしてほしい!」
というお言葉をしばしば耳にします。

今回は、震度と構造計算の関係についてご紹介します。
現在気象庁の震度階は「0~4、5弱、5強、6弱、6強、7」の10階級となっています。
これはみなさん馴染みのある表現だと思います。
ちなみに、これまでに震度7を観測した地震は、気象庁が1949年に震度7の震度階級を設定してから5回あります(平成29年6月1日現在)

・「平成7年(1997年))兵庫県南部地震」
・「平成16年(2004年)新潟県中越地震」:新潟県川口町※(計測震度6.5) ※現:新潟県長岡市
・「平成23年(2011年)東北地方太平洋沖地震」:宮城県栗原市(計測震度6.6)
・「平成28年(2016年)熊本地震」の4月14日の地震(M6.5):熊本県益城町(計測震度6.6)
・「平成28年(2016年)熊本地震」の4月16日の地震(M7.3):熊本県益城町(計測震度6.7)、熊本県西原村(計測震度6.6)

一方構造計算では、この震度階をどの様に扱っているのでしょう。

実は建築基準法の構造計算のなかでは「震度」という考え方は存在しません。
厳密にいうと、地震によって建物が受ける加速度がどれくらいなのか、その加速度で建物に生じる力がどのくらいかということが定められています。これについては別の機会に詳しくお話ししましょう。

ですから建築基準法をクリアした建物がどの程度の地震に耐えるのかはなかなか特定できません。構造計算では地震の規模を「中地震時」と「大地震時」という2種類で表現します。
中地震時…建物の耐用年限中に2~3回発生する地震で、柱や梁はひび割れ程度の損傷しか受けない。
大地震時…建物の耐用年限中に1回発生するかもしれない地震で、柱などが折れたりして建物が倒壊せず、人命を守る。
という目標で設計を行います。

じゃあそれが震度とどういう関係なの?ということになりますね。
気象庁の震度階級で表現すると
中地震は「震度5弱程度」、大地震時は「震度6強程度」
を想定しているといわれています。

ちなみに、「震度7」というのは上限がありません。震度6強に近い「震度7」もあれば、大げさに言うと大地が割れて地上の建物が全て倒壊してしまうような大激震でも「震度7」なのです。つまり「震度7に耐える!!」というのは正しい表現ではありません。ですから「震度6強程度」としているのです。

ですが、構造計算の大地震を超えるような地震が実際起こっているのも事実です。過去の地震によって大きな被害を受けるたびに、法律の改正が行われてきましたが、現行の建築基準法も完璧ではありません。

過去の教訓を踏まえ、それぞれの土地や建物の特性を十分理解したうえで構造設計を行う必要があるのです。

出典
・気象庁HP
http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/shindo/
・一般社団法人 日本建築構造技術者協会 (JSCA)
パンフレット「安心できる建物をつくるために」

構造コラム第12回「4号特例(平屋or2階建ての木造住宅)の上家の設計について」

4号特例とは、建築士が設計した建築物であれば、確認申請時に申請図書の一部省略ができる特例になります。
省略できる申請図書には、構造設計図書が入っています。
申請の際に構造設計図書の添付が省略可能なだけであって、構造規定の適合が不要になるわけではありません。
建築士の責任において構造規定に適合させる必要があります。

では、どのように安全性の確認を行うのかと言うと、主に下記①②にて行います。

①壁量計算,告示金物などを満足する。
存在壁量 > 必要壁量 を満足すること,告示金物 を満足すること など。

壁量や金物などの告示の規定あり。
必要な『梁断面や床構面など』の規定なし。

簡単に言い換えると“2階建て木造住宅には、一定以上の壁及び、その壁に見合った金物が必要ですよ”と言う内容です。

もっと極端に言い換えると、壁量計算の名前の通り『耐力壁と金物だけ考える』となります。

②許容応力度計算を満足する。
許容応力度設計規準を満足する。

必要な『柱梁断面や床構面、壁量や金物など』の設計規準あり。

簡単に言い換えると“①+バランスの良い壁配置+壁と壁はしっかりした床でつなぐなど建物全体で設計しますよ”と言う内容です。

『鉄骨造や鉄筋コンクリート造と設計のベースとなる考え方が同じ』となります。

実施設計段階で、『許容応力度計算を壁量計算と同じように考えられないのか?』というお言葉をいただくこともあります。
上でご案内しましたように、それぞれの計算方法で安全性を確保するための考え方が違いますので、出来かねております。

また、一般的に耐震等級や長期優良住宅の設計は、許容応力度計算にて行っております。
お施主様のご要望に合わせた設計手法のご依頼をお願いいたします。

構造コラム第11回「建物も人も粘り強く」

構造設計をしていると、「脆性的(ぜいせいてき)」という言葉を耳にします。
あまり聞きなれない言葉ですが、脆い(もろい)という意味です。

構造設計では、建物が脆性的な壊れ方をせず
粘り強く地震に耐えられるような設計をします。

「建物が脆性的だとどうしてダメなの?」「粘り強く耐える?」
そんな人のために、ある例で解説しましょう。

力自慢のAさんとBさんとCさんがいます。
Bさんは軽量級で2tの重さまで支えられます。
AさんとCさんは重量級なので4tまで支えられます。

ちなみにBさんには双子のB’さんがいますが
2人は性格が全く異なります。
Bさんはすぐ諦めてしまい、2tの荷重がかかるとすぐに倒れてしまいます。
一方B’さんはとても辛抱強い性格です。
ですからずっと2tまでは支え続けることができます。

これからAさんBさんCさんと、AさんB’さんCさんのそれぞれに分かれて
体重1tの象を支えてもらいます。
2グループでどのような違いが出るか注目です。

まずは象を3頭支えてもらいましょう。
荷重は3人均等にそれぞれ1tかかります。
BさんとB’さんはまだまだ余裕です。

余裕そうなので思い切って象を9頭に増やします。

均等に荷重がかかると、一人あたり3tかかる計算です。
Bさんのグループでは、案の定Bさんが諦めてしまいました。
するとAさんとCさんは9tの荷重を二人で支えなければなりません。

二人は4tまでしか支えられないので、たちまち二人も倒れてしまいます。
これが実際の建物だと「倒壊」です。

一方B’さんのグループでは、B’さんは2tまで諦めずに支えています。
つまりAさんとCさんは残りの3.5tを支えればいいのです。

支えられる最大の荷重は同じでも
最後まで諦めず3人で協力すれば支えることができるのです。

これを構造分野では「協同効果」といいます。

現実の建物においても、柱や梁に粘り強さが求められます。
このような性質を「靱性(じんせい)」と呼び、協同効果を発揮する大事な要因になるのです。

辛抱強く耐えていれば、きっと誰かが助けてくれるということですね。
人間も同じではありませんか。