コラム

耐震設計って何?地震に強い建物と弱い建物

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耐震について興味があっても、実際にどんな建物が地震に強く、どんな建物が地震の被害に遭いやすいのかがわかりにくいという方が多いことと思います。

今回は耐震設計の具体的な考え方についてご説明します。

 

地震に強い建物って? 

建物の耐震性能は、地震エネルギーの受け方で捉えることもできます。

エネルギー吸収能力を高めるには、建物そのものの強度を高くすること、変形する能力を大きくすること、二つの方法があります。

耐震壁や筋かいをたくさん設けると強度が増しますが、その場合、変形能力はそれほど高くなくなります。

一方、大地震時に梁や柱などの部材が弾性限界を超え塑性化することで、地震エネルギーを吸収できるように設計して、変形能力を高めることもできます。


弾性とは、バネを引っ張った時に元に戻る性質のこと。塑性とは、より強い力で引っ張った時に、手を離しても伸びたまま、元の状態に戻らない性質のことを言います。

 

大地震が起きた時、地震の力に対して柱や梁などの骨組みが弾性体のまま抵抗するように高い強度を持つように設計するものを「強度型」、部材が大きく変形することを許容するような設計をするものを「じん性型」と呼び、それぞれ選択肢があるのです。

どちらが良いということはなく、昔から「柔剛論争」として議論され続けています。

 

地震に弱い建物って?

まず、構造体のバランスを考えるときには、平面的なバランスと立体的なバランスの両方を考える必要があります。

 

平面的なバランスの悪さは、建物の「重心」の位置と、建物が地震に抵抗する力の中心である「剛心」の位置のズレによって起き、このズレの大きさを「偏心距離」と呼びます。

偏心距離の大きな構造体が地震を受けると、剛心を中心に回転の動きが発生し、建物はねじれ変形を起こしてしまいます。

 

立体的なバランスとは、わかりやすくいうと建物の形を表します。

例えば一階を駐車場にするなどピロティ建築を採用した場合、ほかの階に比べて壁の量が極端に少ないため、その階に地震の力が集中して壊れやすくなります。(図1)また、平面の形が真四角ではなく低層階部分と上層階部分の大きさが極端に異なるものは、構造に偏りがあるため弱点ができやすくなります。

 

いびつな建物

        (図1)

 

また、建物の崩壊メカニズムの例として、塑性ヒンジと呼ばれ、柱や梁で部材が変形しやすくなっている箇所が存在します。

著しく変わった形の建物でなくても、構造上一部のつくりが弱くなっている場合があります。

建物が全体崩壊する場合は建物全体で均等にエネルギーを吸収していますが、部分崩壊する場合は特定の場所に変形が集中するため、そこだけが崩壊します。局部崩壊する場合は、建物全体としては地震への抵抗力を失っていませんが、柱が損傷して建物の一部を支えることができなくなります。

 

建物全体で均等に地震の力を受けた場合、各部材はそれほど大きな損傷にはなりませんが、塑性化する部材が一部に集まると、結果として建物が「大破」に至る可能性もあります。こうなってしまうと非常に危険なため、構造体のバランスをよくすることで、建物の中の人命が守られる構造が不可欠なのです。

 

つまり、耐震設計を考える時には、建物が「どうしたら安全に壊れるか」「どうしたら人命を守れるか」を工学的に追及する必要があるのです。

そして、建物の構造体をバランスよく設計することで、大地震の時に十分その耐震性能を発揮することができるようになります。

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