2022年07月15日

限界耐力計算とは?

限界耐力計算とは?
限界耐力計算とは?

私たちが安心して自宅で過ごせるのは、建物がしっかりとした構造になっているからであり、ちょっとやそっとの揺れでは簡単に崩れないからです。構造上に安全かどうかを確かめるのが構造計算です。構造計算にはいくつか種類がありますが、その中の1つが限界耐力計算。

今回は限界耐力計算にスポットを当て、限界耐力計算とは何か、限界耐力計算を利用するメリットやデメリット、以前話題になった耐震偽装との関係性についてまとめました。

1. そもそも限界耐力計算とは何か

耐力計算とは何か?

そもそも限界耐力計算とはどのようなものなのか、限界耐力計算についてご紹介します。

地震や積雪、暴風に耐えられる限界を求める

限界耐力計算とは、外部からの力が加わる際にどこまで耐えることができるのか、その限界をチェックするための計算方法です。この場合の「外部からの力」とは地震はもちろんのこと、積雪や暴風も含まれます。この後にご紹介する許容応力度等計算とは計算方法という点でさほど差はないものの、より外部からの力に特化したという点で違いがあります。

また限界耐力計算では応答スペクトルという考え方を採用しています。応答スペクトルとは、構造物が持つ特性のある周期に対し、地震のパワーがどれくらいの揺れを与えるのかを端的に示すものです。応答スペクトルの中で建物などは1つの振り子として扱われ、その揺れをチェックします。小刻みに揺れるのか、ゆっくり揺れるのか、その違いがグラフでわかるようになっています。

限界耐力計算を通常使うのは2号建築物

限界耐力計算が用いることができるのは2号建築物です。2号建築物とは木造で作られた建築物で、3階建て以上の建物、もしくは面積500㎡以上で高さが13メートルなどの条件に該当するケースです。木造の3階建て住宅は一般的にもありふれていますが、この場合は2号建築物となり、限界耐力計算を用いることができます。必ず限界耐力計算を用いなければならないということではなく、許容応力度等計算を使うこともできます。

特に高さが31メートル未満だった場合は許容応力度等計算で問題ありません。ですので、一般的な3階建て住宅において絶対に限界耐力計算を使わなければならないケースはなく、このあたりは建築士などの判断となります。

限界耐力計算が導入されたのは2000年以降

限界耐力計算が導入されたのは2000年以降です。これは2000年に建築基準法が改正されたためで、阪神淡路大震災で大規模な被害が生じたことをきっかけに木造建築に関するルールが大きく変わりました。これまでは許容応力度等計算などがあり、高層ビルに関しては時刻歴応答解析が用いられてきました。時刻歴応答解析に関しては阪神淡路大震災でも注目されましたが、元々計算がやや複雑だったこともあり、よりわかりやすいものにするために様々な計算方法が登場し、2000年に限界耐力計算法が登場します。時刻歴応答解析に近い結果が出やすいとも言われています。

2. 2000年以前の計算方式と何が違うのか

2000年以前の計算方式と何が違うのか?

限界耐力計算が出るまでは許容応力度等計算が使われてきました。では、限界耐力計算と許容応力度等計算はどのような違いがあるのか、ご紹介します。

そもそも許容応力度等計算とは?

両者の違いを解説する前に、そもそも許容応力度等計算とはどういうものかについてご紹介します。許容応力度等計算は、外部からの力によって構造材にかかってくる力が、構造材が耐えられる力を下回るかどうかを確かめるための計算方法です。金属は柔軟性がなさそうに見えますが、金属バットでも鋭くスイングすれば多少はしなるように、許容できる外力であれば元に戻る特性があります。要するにどれだけ力が加われば元に戻らないか、元に戻るギリギリのラインはどこかを探るのに許容応力度等計算があります。

違うのは地震力の計算方法

許容応力度等計算の説明を読んだ方は、あれどこかで読んだことがある?と思ったかもしれません。実は限界耐力計算の項目で、このようなことを書きました。

「限界耐力計算とは、外部からの力が加わる際にどこまで耐えることができるのか、その限界をチェックするための計算方法」

つまり、許容応力度等計算と限界耐力計算はほとんど差がなく、考え方はほとんど同じです。外部からの力にどれだけ耐えられるかという点ではほぼ同じといっても過言ではありません。だからこそ、二号建築物の中でも限界耐力計算ではなく、許容応力度等計算でも問題はないという判断がなされます。

一番の違いは地震力の計算方法だけです。許容応力度等計算の場合、地震によって構造物がどのような変形を行うかを検証できません。そのため、ある程度の推測から耐久力を判断することになります。しかし、限界耐力計算であれば変形に対する計算ができるようになっているため、より正確な数値を出すことが可能です。建物の地震に対する強さは、「耐震」の場合には、まず「許容応力度計算」で、震度5強程度の地震でも損壊しない耐力があるかどうかを確かめます。次に、震度7程度の大きな地震でも家が倒壊しないか「水平耐力計算」を行います。この許容応力度計算に対して「制震」の場合には「限界耐力計算」を用います。熊本地震のような繰り返しの地震に対して、制震ダンパーは有効に働きますので、制震ダンパー設置の際には必須となります。

科学の進化が計算の正確性を高めた

限界耐力計算が正確な数値を出せるようになったのは科学の進化が大きいです。限界耐力計算では耐震工学に関する新しい解釈が用いられており、それに基づいて計算がなされています。一方で構造計算に関しても日本の規制がきしびかったこともあって、いわゆる規制緩和の1つとして限界耐力計算という考え方が導入された背景もあります。つまり、日本の一般的な構造計算のやり方から一変させられた面もあると言えるのです。

3. 限界耐力計算を行う上での流れ

限界耐力計算を行う上での流れ

実際に限界耐力計算を行うにはどのような流れがあるのか、ご紹介していきます。

積雪や暴風などで損傷しないことをチェックする

まず積雪や暴風による力で損傷しないかどうかをチェックしていきます。ここでのチェックはいくつか段階があり、まず最初に建物が建ち続けている間に、最低でも1回は発生するであろう積雪もしくは暴風で損傷しないかどうかを確かめます。時折関東でも大雪で大パニックになることがありますが、あのような積雪が発生した場合でも損傷しないかを確かめていきます。

次に1世紀に1回など、発生自体があるかどうかわからないレベルの大規模な暴風などで影響が出ないかどうかを確かめます。関東で50センチを超えるような積雪はほとんど考えられていませんが、気象状況の変化などで発生する可能性が生じることもないとは言い切れません。そこまでの積雪や暴風を考慮して限界耐力計算を行っていくことになります。

可能性が高そうな大きめの地震で損傷しかないかを確かめる

次にチェックをするのは、地震による損傷です。阪神淡路大震災のような震度7レベルの地震は100年に1度ぐらいですが、それより一回り小さい震度5レベルの地震であれば10年に1回ぐらいはどこでも起こりえます。こうした地震に耐えられるかどうかを確認していきます。逆にこのレベルで壊れるようでは非常に厳しいと言えるでしょう。

ちなみにこの計算を行うのは先に地上部分の損傷の有無を確認した後で地下部分の確認を行います。この段階までに関する検証は損傷限界耐力に関するもの。損傷限界耐力に関してはのちほど詳しくご紹介します。

極めてまれな地震で倒壊しないか確かめる

次は、極めてまれな地震で倒壊しないかを確かめること。東日本大震災のように1000年に1度発生するような地震で倒壊しないかを確かめていきます。この場合に登場する言葉に「安全限界」があります。安全限界に関しても後程詳しく触れます。ここまでのことを行えば、あとは変形や振動の有無、そして、外装材に目を向けて安全かどうかをチェックします。

4. 限界耐力計算に関わる2つの限界耐力

限界補強計画
限界補強計画
限界補強計画

先ほどもご紹介した損傷限界と安全限界。この2つがいったいどのようなもので、それぞれどのように違うのかをご紹介します。

損傷限界耐力

損傷限界耐力とは、数十年に1度は起こる可能性があるとされるL1地震のダメージにも、損傷が起きないラインを指します。L1地震はレベル1地震とも呼ばれ、中規模の地震を想定しており、加速度は200から300ガル程度とされます。震度5弱や5強までがレベル1地震となるので、震度5レベルの地震にも構造体の損傷が発生しないラインを示すことができます。ですので、地震後もそのまま建物が使えることを想定しており、使えるかどうかの限界のラインもわかります。

損傷限界耐力は一次設計という呼び方でも表すことが可能です。この一次設計は許容応力度等計算を行えば、一次設計のほとんどを賄えるため、許容応力度等計算を行えばOKです。

安全限界耐力

安全限界耐力は、大地震が発生した際に建物が倒壊せず、安全が確保できる限界値を示します。損傷限界耐力では震度5レベルで損傷が起きないレベルを示しましたが、安全限界耐力では震度7レベルで倒壊しない限界を求めていきます。

損傷限界耐力では一次設計とほとんど変わらないことを説明しましたが、安全限界耐力に関しても二次設計という呼び方にすることもできます。二次設計で設定される大地震は500年に1度で発生すると仮定しており、500年に1度の地震でも倒壊しないラインを算出します。一次設計では許容応力度等計算を行いましたが、二次計算では保有水平耐力計算というものでチェックしていきます。

なぜ安全限界と損傷限界で計算を分けるかですが、これはそれぞれの限界が違うためです。損傷限界では地震の後もそのまま建物を使用することを想定しましたが、安全限界では人命の安全のために倒壊しない限界を求めました。つまり、安全限界では地震後に使用し続けることを想定していません。もし一次設計を賄える許容応力度等計算で計算すると震度7クラスの地震が起きてもそのまま使い続けることを想定するため、自然と構造材が大きくなってしまいます。

損傷限界耐力と安全限界耐力の違いは実は結構大きな差であり、構造計算がいくつも存在する理由の1つにもつながっていくと言えるでしょう。

5. 限界耐力計算を利用するメリットとは?

限界耐力計算を利用するメリットとは?

限界耐力計算を行うのはちゃんとしたメリットがあるからです。では、そのメリットとは何なのか、ご紹介します。

地震力を小さくすることができる

これまでの設計は、想定より大きめの地震が発生したことを想定して行われており、実際の性能は想定以上の耐久力が出やすくなる傾向にあります。いい意味でどんぶり勘定で地震などを大きめに想定することにより、構造材などより大きめで、頑丈なものを選ぶことになるので、自由度という点でやや制約がかかりやすい欠点がありました。

しかし、2000年以降に登場した限界耐力計算では、コンピューターを主役とし、より正確な計算を行うようになりました。そのため、どんぶり勘定的な想定は消えて、より細かく正確性の高い計算が行われるため、これまでよりも地震力を小さくすることができるようになったのです。地震力をどれだけ小さくできるかは様々ですが、場合によっては半分まで小さくさせることもできます。これがもたらすメリットはこの次の項目で詳しく説明します。

建設コストを下げられて安い物件を提供できる

地震力を小さくすることができるのは、マンションディベロッパーなどマンションの供給側にとってとても大きなことです。なぜなら建設コストを下げることで市場よりも安い値段でマンションの供給が行えるようになるからです。高層マンションが話題を集めるようになった21世紀初頭ですが、限界耐力計算の登場とリンクします。仕入れコストを下げればもうけが出やすくなるのは商売の常識です。

限界耐力計算を使えば、通常の構造計算よりも半分程度地震力を小さくできるわけですから、構造材も自由に使え、色々なバリエーションのものを作り出すことができます。当然設計にも自由度が出てくるなど、様々な面でプラスが生じることは明らか。計算上は地震にも耐えられるわけですから、決して危険とは言い切れません。

6. 限界耐力計算を利用するデメリットとは?

限界耐力計算を利用するデメリットとは?

限界耐力計算のメリットはどちらかといえばマンションなどの供給側にプラスに働きやすい傾向にあります。では、デメリットはどちらにマイナスに働きやすいのか、ご紹介します。

そもそも仕組みや計算が難解である

マンションの供給側にとって「便利な道具」とも言える限界耐力計算ですが、実はそうとも言えない現実があります。それは限界耐力計算そのものの仕組み、計算が結構難しいからです。そもそも耐久性に関する計算は、計算の難しさと正確性が比例しやすく、計算が難しければ精度もそれだけ高くなり、簡易的であれば精度も低くなります。その最たる例が許容応力度等計算です。

限界耐力計算の考え方はプロである建築士すら完全に理解している人は少ないとされ、構造計算に関する専門知識が乏しい人からすればイチから説明してもすぐに理解できないのは当然です。プロですら難しい限界耐力計算ですが、耐震改修等で計算する場合は、限界耐力計算頼みで数値を上げる会社もあります。耐震補強を前提に制震ダンパーは利用するものになりますので、通常の構造計算の上に限界耐力計算をしなければなりませんので、耐震改修の実績が多い会社に相談しましょう。設計会社に頼めば安心ということではないので注意してください。

新しい計算方法であるということ

高層マンションが出来始めたのは21世紀以降ですが、特にたくさんの高層マンションが出来始めたのは東名阪が多く、特に首都圏に集中しています。確かに東日本大震災が発生し、関東でもそれなりに被害がありましたが、構造計算における損傷限界耐力レベルの地震にとどまっており、そのレベルであれば計算通り機能している状況です。

しかし、関東といえば大正時代に発生した関東大震災を思い浮かべる人がいます。大正以降いつ起きてもおかしくないとされる関東での直下型地震が明日にも起こるかもしれません。限界耐力計算はここ20年で登場し、特に関東は限界耐力計算の答え合わせをまだしていない状況と言えます。関東大震災やそれ以上の地震が発生した時に本当に耐えられるのかはわかりません。

もしも耐えられないとなれば、倒壊の恐れがある高層マンションによって大問題が生じることも。その場合、深刻な社会問題になる可能性も考えられます。もちろん計算が優れていて、全く問題がない可能性もありますが、こればっかりは実際に地震が起きなければわからないのです。

耐震偽装に使われる恐れがある

限界耐力計算の最大のデメリットは耐震偽装の問題です。耐震偽装問題は2006年に発覚し、多くのマンションの耐震力が不足していると社会問題になりました。実はこの時に不安を駆り立てたのは、計算方法によって結果が全く異なったからです。2000年以前のやり方で計算すると耐震力に問題があっても、限界耐力計算を用いれば問題なしとなるという事案が出たことで、何をもって安全なのかがわからなくなったからです。どちらも建築基準法で定められた計算方法であり、どちらで計算してもいいわけです。

たとえこれまでの構造計算でアウトな結果が出ても、限界耐力計算ではセーフとなれば、そちらの結果を示せばいいだけのこと。もし耐震偽装された物件で限界耐力計算で基準を満たしていれば、自治体がお墨付きを出すことで耐震偽装をしたとしても何もしなくて済むことにもなります。

限界耐力計算を業者が悪用すれば、最終的に割を食うのはその物件を購入した消費者です。どの構造計算を行ったのか、消費者が知るには相当難しく、業者を信用するほかありません。そのためにも実績のある会社への相談が必須となります。

7. 限界耐力計算の後に待ち受ける適合性判定

限界耐力計算の後に待ち受ける適合性判定とは

限界耐力計算を行えば耐震力に疑問がありつつ、数字上はセーフな物件がどんどん出てくるかもしれないと思った方も多いでしょう。しかし、現状では耐震偽装問題の二の舞を防ぐ策が講じられています。その名は適合性判定。適合性判定とはどういうものか、ご紹介します。

適合性判定とは

適合性判定は、正確には「構造計算適合性判定」と言います。一定の条件に該当した物件の場合、建築確認申請を行い、その申請で添付した構造計算書が本当に正しいのかを第三者機関が判定します。この判定をクリアしなければ工事を行うことができません。また限界耐力計算で構造計算を行った場合は規模に関係なく、構造計算てきごうはんていを行わなければなりません。

適合性判定登場のきっかけは耐震偽装問題

構造計算適合性判定が登場したのは、2007年6月20日からです。耐震偽装問題の際、本来偽装を見抜くべき人たちが限界耐力計算などの複雑さで見抜くことができず、多くの耐震偽装物件を世に送り出してしまったことが大きな要因です。構造計算適合性判定は2015年の建築基準法の改正で、建築主などが直接申請を行う形となりました。それまでは建築確認申請の流れで建築主事などが依頼する形でしたが、大きく変わりました。

適合性判定には最長2か月程度かかる

構造計算適合性判定は建築主などが申請を行った場合、本来は14日以内に判定結果の回答がもらえることになっています。しかし、最長35日、その期間が延長になることもあり、最長50日程度かかります。またそれだけの日数がかかっても判断がつかないケースもあり、その場合はその旨を通知し、建築主などは新たに説明をしなければなりません。そしてヒアリングなどを重ね、最終的に判断が出るのは最長2カ月近くです。

この2か月は工事を行うことができないため、工事はストップします。もし14日以内を想定していた場合、最悪のケースでは1カ月半も工期がズレ込むことになってしまうほか、繁忙期次第ではさらに延びる可能性もあるので、施工側は細心の注意を払うことになります。

許容応力度等計算を使えば適合性判定を回避できる

場合によっては3カ月かかるとも言われる構造計算適合性判定ですが、これを回避する方法もあります。それは許容応力度等計算で構造計算を行った場合です。許容応力度等計算は比較的シンプルである分、判断がしやすいことがその理由です。当初は許容応力度等計算も構造計算適合性判定の対象となっていましたが、ある一定の条件を満たした検査機関に審査を依頼した場合は構造計算適合性判定をせずに済みます。

これに伴い、2か月もしくは3か月かかる可能性がある構造計算適合性判定を回避できるため、工事期間の空白を生じさせない形にすることができるのです。

コストをとるか工期をとるか

構造計算適合性判定を回避できるなら許容応力度等計算を導入すればいいと思いがちですが、物事はそんなに単純ではありません。許容応力度等計算は一次設計、損傷限界耐力を求めるのに必要な計算なので、地震が発生してもそれ以降使い続けられる状態になるかどうかが重要なので、構造材のコストが高くなりやすいのです。つまり、コスト面で割を食う可能性があります。

しかし、構造計算適合性判定を行ってでもコストをとった場合、今度は工期の問題が生じます。コストをとるのか、工期をとるのか、この判断を迫られることになります。限界耐力計算を行えば自動的に構造計算適合性判定を行うことになるので、そこまで含めて考えなければなりません。

8. まとめ

今回は限界耐力計算について解説を行いました。極めて難解で、プロの建築士ですら勉強しないとついていけない部類とされています。裏を返すと限界耐力計算をよりわかりやすく説明できる建築士はかなり頼りになるはずです。2005年から2006年にかけて発生した耐震偽装問題は色々な波紋を呼びましたが、結果的に安全につながる仕組みが強化された形となりました。

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< 著者情報 >

稲葉 高志

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ハイウィル株式会社 四代目社長

1976年生まれ 東京都出身。

【経歴】

家業(現ハイウィル)が創業大正8年の老舗瓦屋だった為、幼少よりたくさんの職人に囲まれて育つ。

中学生の頃、アルバイトで瓦の荷揚げを毎日していて祖父の職人としての生き方に感銘を受ける。 日本大学法学部法律学科法職課程を経て、大手ディベロッパーでの不動産販売営業に従事。

この時の仕事環境とスキルが人生の転機に。  TVCMでの華やかな会社イメージとは裏腹に、当たり前に灰皿や拳が飛んでくるような職場の中、東京営業本部約170名中、営業成績6期連続1位の座を譲ることなく退社。ここで営業力の基礎を徹底的に養うことになる。その後、工務店で主に木造改築に従事し、100棟以上の木造フルリフォームを職人として施工、管理者として管理

2003年に独立し 耐震性能と断熱性能を現行の新築の最高水準でバリューアップさせる戸建てフルリフォームを150棟、営業、施工管理に従事。2008年家業であるハイウィル株式会社へ業務移管後、 4代目代表取締役に就任。250棟の木造改修の営業、施工管理に従事

2015年旧耐震住宅の「耐震等級3」への推進、「断熱等級4」への推進を目指し、 自身の500棟を超える木造フルリフォーム・リノベーション経験の集大成として、性能向上に特化した日本初の木造フルリオーム&リノベーションオウンドメディア 「増改築com®」をオープン

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