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Feature 特集No.9

総戸数の多い木造軸組の耐震設計について



2000年品確法による住宅性能表示制度から耐震等級により建物の耐震性が明示されました。
現在も変わりません

耐震等級1 極めてまれに(数百年に一度)起こる地震に対する力(法施工令88条3項に定めるもの
に対して
倒壊・崩壊等をしないもの(建築基準法上の最低必要耐震)

稀に(数十年に一度程度)発生するの地震による力
建物が損傷を受ける程度を、(東京を想定したときの震度5強程度)に対して
損傷を生じない程度 
耐震等級2 極めてまれに(数百年に一度)起こる地震に対する力(法施工令88条3項に定めるもの
に対して
1.25倍の力に対して倒壊・崩壊等をしないもの
耐震等級3 極めてまれに(数百年に一度)起こる地震に対する力(法施工令88条3項に定めるもの
に対して
1.5倍の力に対して倒壊・崩壊等をしないもの

極めてまれに起こる地震の定義は、大規模地震の定義は震度6から震度7程、中規模の地震は震度5程の地震昭和56年1981年の新耐震法からの適用されています

震度6程と、曖昧ではあるが自然災害における建物耐震性を簡潔に示すことは本来困難です
住宅性能表示制度として等級性による国基準として建築主は等級3なら安心と勘違いをします
一度の地震で倒壊・崩壊を想定しているもので、
震度5程度の地震は損傷を想定しています
震度6程の地震定義崩壊に対して一考察をしています
前偏は、建築基準法上の地震力に対する現行の木造軸組の構造計算についての考察です




  構造計算について


建物の荷重(
固定荷重・積載荷重・積雪荷重等)長期的に作用する通常荷重と、非常時は、長期的荷重に暴風・地震などの短期荷重が、外力(地震・風圧・土圧等)に対する応力により部材の応力度(曲げ・たわみ・せん断)が超えないよう各構造や計算方式により定められた
弾性・塑性変形・限界点
を決める計算です。
荷重計算・応力計算・部材算定の順に行います(一次設計:許容応力度)



許容応力度 構造部材を弾性のおさめる事を目標。弾性により建物にひびが入る程度。地震では中規模を想定。木造では許容応力度で計算するのが一般的です
保有耐力度 構造部材に塑性変形する事は許容するが、倒壊を防ぐ事を目標とする設計体系。
限界耐力度 地震の震動特性や建物振動応答特性を使用、弾性・崩壊に十分耐力があるが、変形の度合の確認現高層対応 
時系歴応答対応度 地表面に地動加速度を与えて、各階応答速度、速度、変位を計算。限界耐力計算はこの解析を 簡略化した計算。
超高層建築60m以上に義務 
エネルギー法 壁に加わるエネルギーを、耐力・塑性・減退エネルギー(制震ダンパー等)を振り分けることを目標、土木(橋梁)、主に鉄骨造

木造は規模により限界耐力度算定まで可能です
低層木造は数字の見解が難解になる場合もあり小規模の建物には活用不可となる
低層における時経歴応答対応解析ソフトもあるが数的根拠が検証例も少なく現況は高層対応である(限界耐力以下の計算法については、高層建築ため省きます)




  木造構造法令(地震力)


地震に対する
木造構造法令は、許容応力度・保有水平耐力と層間変形角・剛性率・偏心率に対する定義となります

層間変形角 建物のひずみの検討。建物の水平変位を階高で除する角度。1/200 木造1/120緩和
剛性率 剛性バランス:層せん断力の反力。水平変形のしにくさ 0.6以上、1.0になるほど変形がしにくい
偏心率 建物重心に対するねじれの度合い。平面バランス 0.15以下 剛性による偏心の度合い。


層間変形角

剛性率・偏心率

確認申請上は保有水平耐力は小規模木造は省くことはでき許容応力度+各靱性率でもできます
建物の水平変変位のバランスを組み合わせることにより、建物の偏りをなくすため耐震性を向上させることになります。



 木造2階建ての場合
一般壁量倍率による壁量計算は、地震には床面積、風圧には壁見付け面積から必要壁量を算出します。
(建築基準法上の最低ライン計算)
壁の充足率 残存壁量(4分割法)/必要壁量に充足率が1.5倍と壁面線距離・床長6/10かつ4mの有効壁長がその通りの壁面存在量を超えると、耐震等級3も超えることができます
4分割法 平面XY軸に4分割に分け両端面積の壁量を残存壁量とみなす。簡易的に偏心計算となる

地震等級の
基準法施工令88条は地震力を算定したもので、当該建築物の各部分の高さに応じ標準せん断力係数Coを0.2以上(関東大震災振動水平震度の1/3の大きさ想定は0.1)にしたもので、等級2の計算ではCo=0.2x1.25倍=0.25、等級3ではCo0.2x1.5倍=0.3で計算します(許容応力度計算時)

4分割法図

 
地震力=建物重量xi階の層せん断係数
地震力(水平力)は、保有する建物の壁の耐力と床の剛性で抵抗します。

主要部材の応力の破壊強度の1/3を超えないように中地震、震度5程度までに対する建物の損傷が起こらないことが基準法上とされています
一次設計:耐震等級1
大地震想定の場合、常時荷重に対する主要部材に主に短期許容応力度に、水平外力から破壊限度を求めるのが保有水平耐力となります
二次設計:木造小規模は保有水平計算まで確認申請上は必要ないが 偏心率が0.3を超える場合必要とされる)

 保有水平耐力(QUD)≧必要保有耐力(QUn)

保有水平耐力計算の場合は標準せん断係数を1.0(計算形式が変わります)
各階に生ずる水平力の計算 
QUD=Z x Rt x Ai x Co x W  (建物の中央部分に作用する地震力:各階ごと計算)

QUDi:階の層せん断力(地震力)
Z:地震地域係数、地震の多い地域等で変わる東京・神奈川1.0札幌0.9
Rt:振動特性係数、地盤の堅さと建物の固有周期に応じる低減係数。地盤は硬質・普通・軟質別に軟質地盤は0.4
Ai:建物の高さの方向の違いを求める係数、高いほど係数が上がる
Co:標準せん弾力係数0.2は中地震と想定(許容応力度)、保有水平耐力計算では1.0
W: 固定荷重と積載荷重の総和、寒冷地は積雪荷重プラス。
Ci:ZからCOまでの乗算=i階の層せん断係数

必要保有水平耐力

Qun=Ds x Fes x QuD
Ds: 構造特性係数 建物が靱性型となるほど低減される係数、木造は係数割り出しに物議あり、0.3一般
Fes: 形状係数 各階の剛性率x偏心率の割り増し係数せん断力の割り増し(表示制度:許容応力度)でなく各階も高さと平面のバランスによる係数
QuD: 保有水平耐力

地震に対する木造の構造形式を略式的に書いてみました。建主は構造計算になじみがないのですが指標として考え、建築士は数字を把握検証し必要部材を決定します(わかりやすく書いたつもりですが、質問等がありましたらMailにて承ります)




  建物診断と新築住宅の構造計算


日本防災協会指定ソフトによる検証(詳細は簡略しています)

保有水平耐力算定q値により各階数XY軸ごとに1.0未満になると崩壊の可能性があると診断されます。
防災協会のソフトが主に精密診断(保有水平耐力)は、1881年の新耐震法以前の建物に適用のため、
ソフト検証すると現行の住宅では住宅表示制度の耐震等級2以上になる場合が多い。
係数の数値を変え現用に合わせてなければ、耐震診断用算定と新築用とは別物として考えることが望ましい。
旧数値、Is値(簡易計算)では0.6未満が崩壊の可能性があると診断。q・Is値両診断が望ましい
診断には、実施調査評価(目視診断)が重要で、目視、打診等による評価でほぼ住宅の問題点は把握できます

 検証

地震力の比較で一般壁量による計算は、簡易のため耐力壁の安全設計のため数的に高く設定されてると考えるが、実質木造2階建ては許容応力度の算定を同物件で試算すると
壁量は増えることになります。

構造計算上、地震せん断力比較では
1階2階とも基準法壁量計算より・表示制度耐震2・許容応力度試算ではおよそ1.2倍~1.35倍必要となった。(総2階と2階床面積が小さい場合とは異なる)

許容応力度計算では表示制度2とおよそ同力
表示制度耐震2(基準法の1.25倍)は、計算複雑化するより数的にはわかりやすい。あまり凹凸・段差形状のない木造軸組では、大きくは変わらず目安としては良い。
性能表示制度では、耐力壁線相互間距離8m・12mの規定もあります。(一般木造住宅は8m内)

中規模以上の木造2階建も、保有水平耐力まで試算し塑性とバランスを数的安全性を確かめることは今後高くはなる。計算の簡易ソフト化によっては木造の限界耐力までの一般化(基準法化)の可能性もありえます。
(小規模木造の試算は保有水平耐力は多少の相違ができるため各係数の検討が必要で、限界耐力は地震・地盤データーの考慮方法を係数化できるかが問題点)


 壁量と耐震性は構造設計では比例します(施工不備除く)
 建物重量が大きいと壁量が増し建物の浮き上がり力(引き抜き力)が計算上大きくなります


 木造は他構造体より軽量
で規模により木材の実質的な弾性力や材のばらつきがあるなど構造計算上、中層他種構造物より数的には精度が乏しい一面もあります。精度が乏しいため安全側の構造計算上数値は大きく設定せざるおえない

軸組2階建てを他構造体(RC.鉄骨)を耐震性比較するには、愚問ではあるが、材料比による比較で木材は、
圧縮は鉄・コンクリートの2倍と9.5倍、引っ張りは鉄の4倍と225倍と鉄・コンクリートは強度が限界になると破壊するが、大まかに考えると木材は小応力に対しては、粘りがあり耐久性はある。

コンクリートは亀裂等深くなると破壊進度は早くなる。木造軸組は弱点を考慮することで、耐震性向上はできます。又、材料強度の違う材質を構造体使う場合(混構造:躯体分離は別)は、地震による被害を増大する一因にも関係するためなるため、本来、建物での混構造はさける方が良い


 数的耐震性の向上は、構造計算をする構造建築士の中で、他種構造物より木造の構造計算の熟練や経験(木造の棟数をこなし数値比較・検証ができる人:自社でも検証はするが、数字を厳しくすると壁量は増えるため、窓のない間仕切りの多い凹凸のない傾向になり木材量も増えます。

プランにどこに重点をおくか、建築主の考え方(耐震重視)や設計者・施工者による数的見解の違いもあり、基準法上の試算目安として新築時は三者で協議することが望ましい。同時に地域により
耐風等級・耐雪等級も考慮することも重要です。





  震度に対する建物の周期


 地震を表す単位は
震度、ガル(地動加速度G)カイン(速度K)マグニチュードで表しています

建物には地震力から
ガルと比較されています。建物の安全性評価(日本建築学会)では地震と加速度の関係を掲載しています
震度5強-150~270ガル・一次設計 震度6弱-270~480ガル・二次設計以上 震度6強-480~850ガル震度7-850ガルと提示しています。

震度6弱が数百年に起こる地震は、
加速度で270~480ガル、二次設計(保有水平耐力以上)の構造計算が必要としています。
(木造2階500㎡以下は壁量計算・表示制度試算に、高さ・床バランス計算上で建築基準法上緩和されています)

わかりやすい図で震度6を説明すると

【1】地震計図
【2】応答スペクトルによる周期の成分図
 阪神大震災震度6東日本大震災震度7の震災地域での観測波形です

地震動は、様々な性質を持ち震度や
加速度(ガル)が大きいから地震動が強く被害が大きくなるものではありません
【1】では、東日本大震災は非常に大きな加速度長時間に渡って揺れているのに対して阪神大震災は遥かに小さく持続時間も短い。
観測地での地震での被害比較では東日大震災ではありません、阪神大震災は、
観測地で59.4%の木造家屋全壊が生じました。
(
1981年新耐震以前の住宅が大半を占める


【3】地震動の強さ指標に対応する地震動の周期の関係図

震度が大きくなれば、被害が大きくなる事ではなく、地震の周期成分とによって被害状況がかわります。
低中層非木造物の
固有周期は0.2~0.5秒程度です。全壊などの大きな被害となると、周期は3~4倍程度、1秒以上となります。東日本大震災の建物が耐震性能が高いからではありません。(日本地震工学会:地震動の強さ))
大きな弾性応答をもった地震動1秒~2秒間が木造家屋・低層の大きな被害をもたらす。
低層の周期が0.2~0.5秒に対し地震周期が1~2秒の等価周期で共振する。

建物の構造がゆるんで(
塑性化)し周期が延びることで周期のずれが生ずることになります。

 地震スペクトル強度とは、地震で構造物がどの程度被害を生じるかを表す指標として、一般建物構造物がもつ固有周期帯域(0.1~2.5秒)の応答スペクトル(地震動の性質:波【2を用いて数値化(SI)したものであります。高層ビルや石油タンクに代表される固有周期が数~十数秒の長大構造物に対して、それらに影響を与えることや長周期地震動成分がSI値には含まれないため有効な指標として用いることはできない問題点はある。

震波は、多くの周期成分の波で構成されています。【3】
固い地盤では、短い周期成分を持った波が勢力をまし、柔らかい地盤では長い周期を持った波が勢力をまします卓越周期帯
卓越周期帯にある建物の固有周期帯が同様であれば、共振しやすくなる。

関東大震災
は、固い地盤の山の手に短い固有周期の倉(剛性がある)の被害が多く、柔らかい地盤の下町は倉より長い固有周期をもつ木造住宅多く崩壊した。
構造体の高さ、重さ、強さ、ねばり強さ、また配置の仕方等でも固有周期は変わるが、建物が重く大きくなるほど長くなり、逆に剛性(固さ)が大きくなるほど短くなります。そのため、剛性が同じような建物でも、重い建物ほどゆっくり揺れます。一般的に、鉄骨造より鉄筋コンクリート造の建物の方が剛性が大きいため固有周期は短くなり、中低層の建物は高層の建物に比べて固有周期が短くなるのが一般的な考えとなります。

 震度は予報として、被害はその地震の周長・地震動の性質・地盤により変わるため、周長・地震動の性質の予報が可能であれば震度の表示はなくなる。震度は予報としての地震目安としてしか考えないことです。
気象庁の緊急地震速報の震度計は、P波(初期微動する縦波エネルギー小)S波(初期微動が次に横波エネルギー大)震度はS波 で、速報はP波が来たときにS波の予想時間と予想震度の計算により速報として流れます
地震の、1秒~2秒の地震動性質を予想するにはかなりの難問になる。(等価線形化解析と時経歴応答解析等は解析としてあるが自然災害予報としては確立したものできない。ハザードマップ等による自宅の地盤・地震歴等を各個人で把握する事が重要

建築の低層における時系列応答対応計算プログラムはあるが、構造計算で使用するのは現況一部の高層建築だけです。静的解析(一定水平力:地震力)を動的解析(各応答辰幅)するため、地震の加速度や増幅特性(地盤等)を正確に把握しなければならずデーターを誤ると数値の均一化(最大値の確定)は低層では無理と思われる(現行は不用)






  構造計算の問題点


 高層建築では
保有水平耐力が限界耐力計算を上回る逆現象が問題視されています。建物の柱の径が細く鉄筋量が少なくなる。2000年以降、限界耐力計算の地震力算定法に、地盤や建物を振動特性を考慮したより精度の高い計算になることで安全率が高いとみなされ、地盤が良好な高層建築物の場合、地震力が小さくなり前建物の性能より劣ることがあります。

大臣認定で新しいソフト計算法により、性能劣化の建物が増える危険性も懸念されている。建築物より地震解析による検証データー見極めが重要になる。 高層になるほど審査機構は専門家同士によるチーム編成による解析が行われます。コンピューター化演算機能の高度化によるシュミレーションの容易により、以前の様に手計算の時代より、建物の安全率が低くなる場合もある。判断基準を間違えると計算上で劣化建築ができてしまう。

低層の場合は、許容応力度+層間変形角・剛性率・偏心率(木造)か、許容応力度+保有水平耐力+層間変形角計算が最も扱いが多い計算法で、検証経験値が最も高いとはいえます。


 マンションにおける耐震等級は等級1が85.5%等級3が1.7%と住宅の比でなく等級性では低い。マンションの方が地震に強いと思われる。構造計算では、大規模ほど、数字が多くなれば合理化や数字精度を上げることが可能になり、構造別では層間変形角や基準法上要求される強度や精度が異なるため、住宅木造壁量計算等による等級比較はできません。住宅と高層マンションの耐震性能を表示制度で比較する事はできないことになります。同構造体で比較することは低層における耐震比較は可能だが、構造特性や構造細部の性能差もあり単純比較にはならない。




Consideration 考察1


 設計的思考は、意匠設計の方々は人にもよりますがでは、合理性・デザイン・構造設計など、空想的で数的根拠だけで考える方が多い。特にびっくり箱のようにデザインを追求して、耐震性は数的にはありますが、施主の要望を叶うため無理な設計を強いられ、無理に数的根拠を割り出す方も見受けられます。

物を造りだすには、想像から始まり検証で、生産の合否が決まる。意匠設計は検証能力も問われる。
木造住宅でも構造材をを少なくする事に力を注ぐ方もいます。構造設計に固守するあまり無駄を省くため、柱数本と梁材を抜き構造計算上問題ないのですが、施主に説明不足等の場合は会社の方針も疑われます。

 実質、軸組構造材を減らすことで、一棟あたり10万円にもなりません。

過剰装備になるのが施工的思考になります。
(現場監督・大工等、現場経験値が高い)
携わる人のモラル
経験値=安全ではないですが、最も価格の高い現地製品で机上計算だけでなく現場能力や現場での思考の経験値も必要視される
時間と費用の関係
低層・木造における高層レベルの構造計算は数値として表れづらい、必要性も問われる
安全数値の必要性
自ずと、安全率を高めるため係数を高く設定することにより安全性を確保することになる

建築主は、設計・施工思考を両方を必要とし望む。
未だに、木造2階建てに免震設備を取り付けても強地震の場合、実験(シュミレーション)のような地震動や周期とは思えず、直下型地震・共振・地盤の状況により効果がない場合や住居密集地における増幅作用もあると考察するため、低層の免震設備の重要性があるとは思えない


 木造軸組は、プラン的に2x4工法より自由度のあるプランが可能です
自由度のあるプランには、2x4工法の開口幅・開口率・耐力壁等の制限などはありません
自由度がある上、耐震上は本来検討項目は多いはずです

平成12年の法改正で軸組構造面により、壁面バランスの計算四分割法、壁量充足率・壁率比・偏心率の簡易計算の義務、地耐力に応じて基礎の特定・構造在とその場所に応じて継手・仕口の仕様の特定(筋交い端部と耐力壁の脇柱頭・柱脚の仕様が明確になる)により、軸組の弱点が多少なり改善されました。

一般軸組は軸と筋交いによる接合強度で耐力がきまり、構造上では部材の断面欠損も含め、壁量耐力の2x4工法に比べ設計上は水平力(地震力)に弱いと数的にも表れます。
一般軸組の場合、特に2階床面強化(重要)と、4隅の柱と隅金物補強、準耐力壁(下がり壁等)は耐力壁と考えない、軸接点強化(小さい応力と地震時の応力)などを考慮が耐震プランには必要です

 木造軸組工法の設計的耐震構造は、軽量・低層ゆえ構造体を剛構造するのが近道と現状では考えます。

総戸数の多い木造軸組は、熊本地震も含め耐震的に構造体の強化傾向に進んでいくと思われ、1981年新耐震以前の木造軸組は耐震改修等の必要性が高く、建物の長寿化がこれからの木造住宅に不可欠となる。

建物耐久性・断熱性・価格・築後の対応性など、工法別に一長一短あり、住宅戸数の多い構造・木造軸組の設計的耐震性の一考察










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