バッコ博士の構造塾

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現代の心柱:鉄筋コンクリート建物における連層耐震壁の働き

いくつもの層に連なって配置されている耐震壁を「連層耐震壁」と言います。この連層耐震壁を現代の「心柱」として利用しようという設計思想があります。

 

□■□疑問■□■

建物の上から下まで連続して壁を配置すると強いということを聞いたことがあります。感覚としてはわかるのですが、何がそんなにいいのでしょうか。

 

□■□回答■□■

壁は柱に比べて硬いため、建物に生じた地震の力の大部分が壁に集中します。壁が連続していない場合、折角壁に集めた力をまたどこかに伝達する必要があり、周辺に負担がかかってしまいます。壁が上から下まで連続している場合、壁が負担した力は壁内を真っ直ぐに流れていくことができ合理的です。

また、連層耐震壁があることで、建物の特定の階に力や変形が集中することを防ぐことができます。壁が調整役となり、負担が大きい階の地震力を低減、負担が小さい階の地震力を増加させることができます。全ての階がしっかりと働くことで、倒壊までに耐えられるエネルギーを増大します。

 

 

連層耐震壁とは

読んで字のごとく、「複数の層に連なる地震の力に耐える壁」のことです。一般的には建物の1階から最上階まで連続している耐震壁を指します。上の方で壁がなくなる場合もありますが、これも連層耐震壁と呼びます。

 

構造設計では、意匠設計者が欠いたプランに合わせて耐震壁を配置します。上下階が似たようなプランの場合、上下階で壁の位置を合わせるように配置します。

 

鉄筋コンクリート建物における耐震壁とは壁の4辺の内、左右の辺が柱に、上下の辺が梁に囲まれている壁です。柱が無くても耐震壁とみなすことはできますが、耐力を低減しなくてはなりません。

 

耐震壁は柱と比べて硬さが非常に大きく、地震の力の大部分を負担します。壁板には大きなせん断力が、壁の両側に取り付く柱には大きな圧縮力および引張力が生じます。

 

壁が上下階で連続していれば、この壁のせん断力や柱の圧縮力と引張力はそのまま下の階の壁と柱に伝達するだけで問題ありません。しかし壁が平面的にずれていると、下の階の耐震壁まで梁や床を介して力を伝達しなくてはなりません。折角の耐震壁の効果が半減してしまいます。

 

そのため、できるだけ耐震壁は連続するように設計するのです。1階は玄関があるため基準階とプランが異なることが多いですが、必要とあれば意匠設計者にプランの調整をしてもらうこともあります。

 

その代わり「エントランス横の柱を細くする」などの交換条件を出すことが多いです。構造設計のための建物ではなく施主のための建物ですから、安全性だけを優先するわけにはいきません。

 

連層耐震壁は現代の心柱

兵庫県南部地震や熊本地震では特定の階が潰れてしまうような被害が見られました。建物としては完全に再使用不可能な状況ではありますが、潰れていない他の階はまだ健全である場合が多いです。

 

これは建物が持つ強さを使い切ることなく壊れてしまった、もったいない例と言えます。もし潰れてしまった階の力の一部を他の階が負担することができたなら、この建物は地震に耐えることができたのです。ではどうすれば力の分担割合をうまく調整できるのでしょうか。

 

ここで出てくるのが連層耐震壁です。柱と梁で構成されたフレームはその階の変形が上下階に与える影響が小さく、階ごとに独立した構造と言えます。逆に連層耐震壁は建物を上から下まで貫く一本の棒のようなものです。特定の階だけが変形するのではなく、壁全体が変形します。

 

建物に損傷が生じると、その部分の硬さが小さくなり、余計に変形が集中し始めます。これにより阪神でも熊本でも被害が出たわけですが、連層耐震壁があれば防げた現象です。損傷が生じた階が負担していた力を上下の階に振り分け、変形を制御します。

 

これはあたかも五重塔の心柱が各層の変形を調整するような働きです。そのため、連層耐震壁を「現代の心柱」と形容する人もいます。まあ、実際には五重塔の心柱の働きは解明されておらず、変形を調整する機能はないとも言われていますが。

五重塔はなぜ倒れない:構造のわからなさがわかる話

 

足元が回転できる連層耐震壁

連層耐震壁は建物の耐震性向上に大きく寄与しますが、負担する力が強すぎて設計が困難になる場合があります。硬くしたいのに、硬くし過ぎると壊れてしまうというジレンマに陥ってしまいます。

 

これを解消する手立てとして、連層耐震壁の足元を回転できるようにした建物があります。「足元が回転したら用をなさないのではないか」と思われるかもしれませんが、そんなことはありません。各階が負担する力を分担するには、むしろ都合がよくなります。

 

実際にこの方法により耐震改修を行っているのが東工大のすずかけキャンパスです。元建築学会会長で東工大の名誉教授である和田先生が設計されたものです。建物の元々の形状をうまく利用しており、耐震改修とは思えない洗練されたデザインになっています。

 

まだ実際の建物には適用されていませんが、大成建設のTASS-Flex FRAMEも足元が回転できる連層耐震壁を利用しています。こちらの建物も面白い構成になっていますので、よかったら見てみてください。

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