2012年5月2日

No.141 建物の基礎と杭の接合は過剰設計!

ちょっと真面目チョット皮肉 141

石山祐二 *

最近の建物では、基礎と杭の接合が強化されるようになってきた。しかし、この接合は過剰であると思うので、その点について話してみたい。

建物の耐震設計では、図 1 a)のように地震力に相当する静的な水平力を考えるが、実際には地震力は動的に作用する。すなわち、地震時の建物の振動は多くのモードが重なるので、地震力は大きさも方向も時々刻々変動する。それを設計のために簡略化したのが図 1 a)の設計用地震力である。個々のモードによる地震力は 1次モードでは図 1 b)のように建物の上から下まで同じ向きに作用する(その大きさは時間的に変動し地震力が逆向きに作用することもある)が、高次モードでは例えば図 1 c)の 2次モードのように地震力が上から下まで同じ向きに作用することはない。

cyot141_img_0a ) 設計用地震力        b ) 1次モード        c ) 2次モード
図 1 設計用地震力と振動モードによる地震力

建物の典型的な地震被害として 1階の層崩壊がある。これは、地震力が最上階から下階に順次伝達され、(最終的には地盤に伝達されるが) 1階に作用する「地震層せん断力」(ベースシャー)が 1階の「保有水平耐力」を上回ってしまった結果である。このように建物の地震被害に最も大きく影響するのが地震層せん断力で、耐震設計においては、各層に作用する地震層せん断力の最大値を求め、それに対して設計するのが基本である。

建物に作用する地震力は、すべてのモードが重なって生じるが、高次モードの地震力は(大きさや向きが変動しても)、図 1 c) のように常に左右両方から作用するので、地震層せん断力に影響する割合は低く、最も大きく影響するのは 1次モードである。例えば、 1 階の地震層せん断力の高次モードの割合は 1~2 割程度である。更に、建物基礎の浮き上がりに直接影響する転倒モーメントを考えると、 1次モードによる図 1 b ) の M1 に比べて図 1 c ) の M2 はほとんど 0で、高次モードの転倒モーメントへの影響は無視できる。

さて、耐震設計に用いる AI 分布は各層に生じる地震層せん断力を計算するためのものである。よって、 AI 分布を用いた地震層せん断力から求めた地震力によって基礎に生ずる引張力や圧縮力を計算した場合には、高次モードの影響を取り除く必要がある。 更に、基礎が浮き上がっても建物が転倒することはないので(これについては別の機会に説明したい)、地震時に基礎の浮き上がりを許容した方が建物の崩壊につながる地震入力は小さくなり、また基礎が地盤や杭の上で滑っても、それによって建物への地震入力が低減されることになる。

以上のようなことから、基礎と杭の接合は、過剰であるばかりでなく、不要であり、場合によっては危険側に作用することもあると考えられる。

耐震計算ルート 3において、保有水平耐力の計算が必要なのは地上部分のみで、地下部分では必要がない。これは、大地震動時に建物の浮上がりや滑動を許容しているからであると考えることができる。

最近は保有水平耐力を求める際に、地上部分と地下部分を一体にモデル化し、便宜上 AI 分布による水平力を用いた増分解析を行う場合が多くなっている。もちろんこのこと自体は誤りではないが、基礎の浮き上がりに直接影響する転倒モーメンから高次モードの影響が減じられていないし、法令上は地下部分に保有水平耐力の考え方を拡大する必要はない。

耐震偽装事件以降の構造規定の改正により、建物の構造性能が向上することよりも、計算上の偽装がし難いように計算方法を定めてしまったように思える。構造技術者は、よい構造になるのであれば労力も時間も惜しまないであろうが、よい構造とはならないのであれば単に規定を満足する設計を行ってしまうであろう。構造技術者の創意工夫によって、よりよい建物ができるような規定へと改正されることを期待している。


* いしやまゆうじ 北海道大学名誉教授
(社団法人)建築研究振興協会発行「建築の研究」2012.4掲載

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