建物の耐震性を高めるには耐力壁をバランスよく配置しなくてはなりません。
□■□疑問■□■
耐力壁を四隅に配置するのが耐震構造の基本と言われました。木造住宅ではコーナーサッシなどは諦めた方がいいのでしょうか。
□■□回答■□■
建物の四隅に柱や耐力壁を必ずしも配置する必要はありません。適切な量の耐力壁が適切な位置に設置されていればよく、四隅だけを特別扱いしなくても大丈夫です。
「四隅の壁配置が重要」と主張されているのはよく見ますが、雰囲気やイメージによるものが多く、力学的な裏付けがされているものは見たことがありません。ここでは、どうして四隅に耐力壁を設けなくてもいいのか、力学的に検証していきます。
木造住宅は「壁」の構造である
木造住宅のほとんどは「耐力壁」の多寡で耐震性が決まります。柱と梁で地震に耐える「ラーメン構造」というものもありますが、木造住宅全体から見れば極少数です。
柱と柱の間に合板や筋違を設置したものが耐力壁です。必然的に耐力壁の両端には柱があることになります。
耐力壁を右から左に押すと、左側の柱には土台にめり込むような力が、右側の柱には土台から引き抜かれるような力がかかります。地震時には右に左に壁が押されるので、柱は押されたり引っ張られたりすることになります。
地震の力の向きや大きさによって変動する柱の軸方向の力なので「変動軸力」と呼ばれます。この変動軸力に対して柱の設計を行うことになります。
耐力壁や柱を建物の端の方、つまり四隅に設置することで変動軸力を小さくできる、という主張があります。「電車が揺れても足を開いていれば倒れないでしょ」ということらしいですが、これは完全に間違っています。
確かに、建物全体で力を負担するラーメン構造の場合は当てはまります。四隅に柱を設けた方が「足を開く幅を広げる」ことになります。しかし、個々の耐力壁が力を負担する構造の場合には当てはまりません。
壁を押す力が一定の場合、壁の幅が大きいほど柱にかかる力は小さくなります。つまり壁の両端にある柱間の距離を離せば「足を開く幅を広げる」ことになるのであって、壁が建物の端の方にある、真ん中の方にあるということは関係がありません。
「変動軸力を小さくするためには四隅に柱や壁を設けるべき」と言うのは、電車の例えを続けるなら、「足を開く幅」ではなく「隣に立っている人との距離」を広げよう、というようなものです。どれだけ隣の人と距離を空けようと、足を閉じていれば倒れてしまうのは明らかです。
「四つ角」が大事なのは何故？
「建物の角は構造上大切だ」ということで四隅に耐力壁を設置したほうがよい、という主張があります。確かに「角は大切」そうな気がしますし、そこに耐力壁があれば強くなりそうな気がします。
しかし、「じゃあなんで角が大切なの？」という疑問に答えてくれる人が見当たりません。雰囲気やイメージだけで言っているのでしょうか。
同じ理屈で言えば、建物の平面形状が五角形なら5つの角が、八角形なら8つの角が大切なのでしょう。では角の数を増やしていくと究極的には円になってしまいますが、そうすると円周全てが大切なのでしょうか。あるいは円には角が無いので、気にしなくてもいいのでしょうか。
全て大切というのも変な気がしますし、全て大切ではないというのも変な気がします。また、十二角形だと四角形に比べて円に近いですが、百角形だともうほとんど円です。どこまでが角でどこからが角ではないか、一体どこで線引きをすればいいのでしょうか。
結局のところ、「角とはこういうものだ」と明確に言えないわけです。ということは「角が大切」ということも雰囲気やイメージの域を出ていないことになります。
「L型の壁」は強いのか？
建物の四隅に壁を配置すると、隣り合う辺同士の壁「一」と「ｌ」が交差するので「L型の壁」になります。隅に配置しなければ交差しないので「ハ型の壁」になります。この「L型」を強く推す人たちがいますが、何か力学的に説明がつくでしょうか。
負担できる地震の力
耐力壁というのは地震の力の向きが壁と平行な場合にのみ抵抗します。力の向きが壁と直交している場合には地震の力を負担できません。
地震の力の向きが「→」であれば「一」の壁だけが、「↑」であれば「l」の壁だけが抵抗することになります。これは「L型」であっても「ハ型」であっても同じです。
「L型」にしたからと言って「→」向きの力に対し「l」の部分が抵抗できるようになるわけではありません。
壁の「硬さ」と「強さ」
では「L型」も「ハ型」も全く同じかと言うとそうではありません。
壁同士が一体化されている分、「ハ型」よりも「L型」の方が「硬く」なります。先ほど出てきた「変動軸力」により柱が伸び縮みしないよう、直交する壁が抵抗するからです。
しかし「やっぱりL型の方がいいじゃないか」とはなりません。むしろ逆の効果が
ありそうです。
いくら「硬く」なったからと言って、壁が「強く」なったわけではありません。「硬い」部分には力が集まりやすくなるので、むしろ壊れやすくなっている可能性があります。
画用紙による工作
小学生の頃に画用紙を使って工作をしたことがあると思います。4本脚の椅子や家のようなものを作るとき「角に脚を入れると強くなりますよ」と言われたかもしれません。
事実、8本のペラペラな脚で支えるよりも、画用紙を折り曲げて「L型」断面にした脚4本の方が、使用している画用紙の量が同じでも大幅に強くなります。やはり「L型」は強いのでしょうか。
しかし、これもまた強くなる理由にはなっていません。
ペラペラな脚だと外側にぐにゃっと曲がってしまって力を支えられないのは事実です。しかし木の柱はペラペラな画用紙ではありません。柱単独でも何トンもの重量を支えられます。
使用する材が薄ければ薄いほど「L型」と「ハ型」の差は顕著になります。「L型」には、ぐにゃっとなるのを防ぐ効果があるからです。
しかし、曲がりやすい画用紙ではその差は歴然でも、ベニヤ板くらいになるとほとんど差はなくなります。10cm以上もある実大の柱になると、「L型」も「ハ型」も関係なくなってしまいます。
「隅」に関する基準
建築基準法では「二階以上の建築物の隅柱又はそれに準ずる柱は通し柱としなければならない」と定められていますが、それ以外に「隅」には言及されていません。耐力壁については「釣り合いよく配置」するよう定められています。
「釣り合いよく」＝「四隅」でないことは明らかです。もしそうなら「四隅」に入れるよう明文化するでしょう。法に関わる人は一言一句、細かいところまで注意を払っています。
法律上、「四隅には耐力壁を入れなくてはならない」と言う風に勘違いしている建築士は流石にいないでしょうが、「入れるべきだ」と思っている建築士は多そうです。
「隅」は「通し柱」にしなくてはならない、ということは「隅」は大事だ、じゃあ「壁」も「隅」に入れよう、と言う風に拡大解釈をしてしまっているのでしょうか。
「四隅」に壁を入れるメリット
長々と「四隅」に壁を入れなくていい理由を書いてきました。力学的に考えると、「四隅」に壁を入れる明確な理由は見当たりませんでした。
しかし、たくさんの人が「四隅に入れるべき」と感じるにはそれなりの理由があります。
まず、四隅に壁を入れれば、自然とバランスよく配置されます。少なくとも各辺に2枚ずつ入ることになるからです。どうしても南側は開口部が増えがちですが、それを抑制することができます。
また、捩じれ変形をしにくくなります。四隅ということは建物の最外周部なので、捩じれに対して最も効率よく壁が抵抗できます。
そして、1階、2階ともに同じ位置に壁が入る確率が上がり、地震の力の伝達がスムーズになります。
壁の配置バランス、捩じれにくさ、壁の連続性、この3つは建物の耐震性を高めるうえで非常に重要な要素です。四隅に壁を配置したからと言って完全にこれらを満足できるとは限りませんが、かなり高い確率で達成できるはずです。
もちろん四隅に全く壁を配置しなくても達成できる内容ではありますが、気を使って設計を行う必要があります。
「四隅に壁を入れる」のは強い家を造るための必要条件でも十分条件でもありません。ただ、この制約条件を満たすことで誰が設計しても、つまり優秀でない建築士が設計しても、最低限の性能は確保することができそうです。
