「迫り来る震度7」その11 大地震で建物が壊れる原因と対策(木造編)③

 古来から繰り返し大地震が発生する地震大国の日本にとって、大地震に耐える木造建築物は重要な課題でした。

 今回は、木造住宅が大地震に耐えるために必要な耐震性をテーマにご案内します。

建物の持つ弱点を襲う大地震

 建築構造物の架構は基本的に梁柱構造(架構式構造)となっており、木造・鉄骨造・鉄筋コンクート造・鉄骨鉄筋コンクリート造が該当します。

 地震により建物に伝わる強い揺れを、その架構式構造で受け止めます。

 は水平方向の構造部材で、壁・柱や床・屋根の重量(=)を支えて、そのを鉛直方向の構造部材のに伝えます。

 この時のとは、重量=質量×重力加速度 によるものです。

 柱・梁は自然に生じる自重によるで壊れないように、十分な強度を持たせています。

 地震時の地震力に対しても、壊れないように耐えれる強度が必要ですが、木造編その①その②でご案内しました様に、特に木造住宅は大きな地震被害に見舞われてきました。

 そもそも、木材は引っ張り強度や圧縮強度で鉄やコンクリートよりも強い優れた建築資材です。従って、倒壊被害の原因は建築資材として弱いのではなく、工法として弱い要因が有り、特に大地震ではその弱点が顕著に影響を受けることで大きな破壊が生じて倒壊に至ることが原因と言えます

 では、在来軸組工法で、どのようなことが倒壊原因になるのでしょうか?

倒壊原因を事前に探る耐震診断

 日本木材学会編「木造住宅の耐震 1996年4月」で阪神・淡路大震災における木造住宅の被害に関してまとめられていますが、木造住宅の倒壊原因と大地震に耐えるための耐震性に関して非常に参考になる内容で、ぜひご一読をお勧めします。

以下に一部抜粋します。
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1.2 阪神・淡路大震災における木造住宅の被害
1.2.1 建築年次が古い木造住宅
・建設後かなり経過した、いわゆる古い木造住宅は、震源地はもとよりかなり広範囲で倒壊した。
・倒壊した住宅の柱や土台に腐朽やシロアリなどによる断面欠損などが多く見られてたことは紛れもない事実である。・・・被害状況を見る限り、腐朽、シロアリなど劣化が生じていなかったとしても被害が生じたであろう、と言う要因があまりにも多いのである。
建設当時の構造計画、材料の選択、施工技術の耐震性配慮の乏しさが主たる要因と考えられる。

過去の地震を検証し、多くの実台構造実験をやってきたものの目で見れば、壊れるべくして壊れたという印象が強い。

1)茸土瓦、木舞壁、木摺り漆喰壁など重量が大きいにも拘らず、地震力に抵抗するに必要な耐力壁が少ない。
2)気候、風土条件から概して開口部が大きく、開放的な構造が多い。
3)構造的な補強もせずに平屋を2階建てに安易に増築した。
4)筋かいのないもの、筋かいの接合不足。
5)接合金物の欠如による粘り不足。
6)近年の住宅と違ってボード類などの内装材や耐力壁にカウントされない間仕切り壁などが極めて少なく、余力が少ない。
7)水回りや雨仕舞いの悪さなどで、部分的に腐朽、シロアリなどの劣化が生じたことによる体力低下の可能性が大きい

などが倒壊の要因とされる。なぜなら、比較的新しい住宅の半壊や全壊の要因もこれらとほとんど一致しているのである。

倒壊した多くの木造住宅は残念ながら構造的な配慮耐久的な配慮もされていなかったといえよう。

1.2.2 木造軸組モルタル構造

1)建物重量の大きさ
 倒壊した木造住宅のうち葺土瓦の比率が大きかったのは目立った傾向であった。しかしながら「瓦屋根の住宅が潰れた」は、「瓦」に原因が有るのではない。もちろん瓦葺は屋根重量としては大きいので、地震力が大きかったことは事実である。しかしながら建物の構造として考えるならば、瓦葺の重い屋根の地震力に耐えるための耐力壁を多くすればよいだけのことであり、倒壊した理由はその配慮がなされていなかったとみべきである。
・・・・

1.3 地震対策の4条件

耐震性
①構造計画が適切か
②材料が適切か
③施工管理が適切か
④維持管理、補修がなされているか
の、4条件次第である。

 この4条件のどれが欠けても、安心できる住宅にはならないのは、過去の地震、そして今回の被害例がまさに示している。
すなわち、いずれの構法※も4条件次第で強くもなれば弱くもなるということである。
※木質系プレハブ、枠組壁工法(ツーバイフォー)、在来軸組構法

今回の地震で、「ツーバイフォーは強かった」ではなく、「今までこの地域で建設されたプレハブやツーバイフォーは構造計画、施工管理、維持管理がある一定のレベルにあった」と評価されてもよかろう。もちろん在来構法木造もその条件を満たしていたものは被害が同じく少なかった。

■■■■■■■■■引用終わり

 これらの見解から、倒壊に至る地震被害の要因は、日常の平穏な状況下では、なかなか気付けない建物に潜在化している弱点が、大地震により顕在化し大きな破壊に至ることで倒壊が発生することが分かります。

 破壊は外力が加わった時、最も弱いところから始まります。

 例えば強い鎖が引っ張られて切断されるとき、一番弱いところが壊れます。一度に全体がバラバラにはなりません。

 破壊を防ぐために、より強い材料でより強い形状にしても、その強度を超える強い力により壊れるものであれば必ず破壊されます
 最も大切なことは、破壊に至る局所的な弱点を作らないことです。

 その②でもご案内しました下記グラフですが、各建築時期ごとの縦方向で見ると、決して古い建物だから、重たい建物だから倒壊するのではなく、地震対策の4条件を、築年次が古いほどに満たせていない建物が多くなり、結果として大地震で倒壊に至る建物が古い建物ほど多くなっていると言えます。

 1981年以前の建物であっても、無被害や軽微~中波の被害に収まっている建物が半数以上有ります。
 又、1981年以降の新耐震基準の建物であっても倒壊が発生している原因は地震対策の4条件を満たせていなかったことが原因と言えます。

 建物に加わる地震エネルギーが更に大きくなれば、倒壊被害が拡大することになります。


出典:「熊本地震における建築物被害の原因分析を行う委員会 報告書」に加筆

 耐震性は下記のイラストの通り、「地盤」「基礎」「上部構造」がそろって地震に耐える耐震性が必要です。

 地盤が緩いと、基礎が弱いと大地震で上部の建物をしっかりと支えることが出来なくなり、歪な揺れで大きな損傷を与えることに繋がります。

 建築時期と耐震性を法的な規定の変遷から見ると以下となります。
A→B→Cの順で、建物の弱点となる要因が多くなると言えます。

 建物の耐震診断は、大地震により倒壊につながる「根本的な要因」を見つけ出すための有効な手段と言えます。

耐震基準を遥かに超える熊本地震

 1981年以前の建物は「旧耐震基準」と呼ばれ、1978年に発生した「宮城県沖地震」の甚大な被害を受けて、「新耐震基準」として抜本的に改正されました。更に阪神淡路大震災での甚大な被害から「2000年規準」に改定され、2016年の熊本地震では1981年から2000年に建てられた建物に大きな被害が発生しました。

「震度6強~7に達する程度の大規模地震でも倒壊・崩壊するおそれのない建築物とする」ことを定めている現行の耐震基準(2000年規準)以前に建てられた建物の耐震性は、耐震診断により評価する必要があります。

 耐震診断とは建物が基準法で定める大地震の揺れによる倒壊の危険性を見極めるための調査です。

 木造住宅の耐震診断の基準は、「木造住宅の耐震診断と補強方法」(財団法人日本建築防災協会)に記載されている「誰でもできるわが家の耐震診断」、「一般診断法」、「精密診断法」の3つの方法があります。
 専門家による耐震診断は、「一般診断法」及び「精密診断法」の上部構造評点(Iw)の結果により判定します。
 建物が必要な耐震性能を満たすには、Iwが1.0以上である必要があります。

 大地震が発生した際に想定される地震力に対して、建物が倒壊しない為に必要な耐力がどれほどあるかを上部構造評点で示します。

上部構造評点(Iw)= 「現在の家が持つ保有耐力 / 耐震のために必要な耐力」

 例えば、建物に加わる地震のエネルギーと全く同じ耐久力を持っていた場合、上部構造評点は1.0/1.0=1.0となります。

1.0以上の「一応倒壊しない」とは

 丁度、必要な耐力と建物の保有する耐力が均衡しているイメージです。
実際、天秤がゆらゆらと揺れている時のような感じで、どちらが優勢かは判断が難しいところです。

 国土交通省の「新耐震基準の木造住宅の 耐震性能検証法 (新耐震木造住宅検証法)」で、・・・判定に「一応」とあるのは、建築基準法で考慮していない耐力要素も評価に含んでおり、余力が少ない点等の他、不確定要素も含まれるため、新築で建築基準法を満足している建物と全く同じ性能とはいえないためである。・・・とされていますので、現行基準(=耐震等級1)と全く同じ性能とはいえないことになります。

 従って、不確定要素を考慮すると、同様に・・・・

 上部構造評点(Iw)が1.5以上で「倒壊しない」判定になりますが、これは定められた地震エネルギーにより導かれる結果であり、実際の地震エネルギーがそれ以上のものである場合には、「倒壊しない=倒壊寸前までは許容される」範囲以上の損傷が建物に発生し倒壊に至る可能性は有ると言えます。

以下「熊本地震における建築物被害の原因分析を行う委員会 報告書 概要」より引用

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地震及び地震動の特徴
 平成28年(2016年)熊本地震の特徴としては、内陸の活断層の活動によること、震源の近くでは強い揺れに何度も襲われた地区があること等が挙げられる。
 気象庁、国立研究開発法人防災科学技術研究所(K-NET及びKiK-net)、及び熊本県等の震度計で多くの強震観測記録が得られ公開されている。震度7が観測された益城町および西原村で得られた地震動は、周期1~2秒の範囲で、前震についてはJR鷹取(1995)等の過去地震と同程度かそれ以下であったが、本震については過去地震を超える記録が観測されている(図1参照)。熊本市及び宇土市の本震記録も告示スペクトルを上回っていた。

■■■■■■■■■引用終わり

 地震波によって構造物がどのように振る舞うかを知る方法として応答スペクトルがあります.。
ここでは、加速度応答スペクトルでなく、擬似速度応答スペクトル ( pSv)で表示されています。

 震源アスペリティーから発生する指向性パルスによる、周期1~2秒の地震動は「キラーパルス」と呼ばれ、木造家屋に大きな被害をもたらす特徴があり、阪神大震災では、特に「震災の帯」に見られる軟弱地盤で多くの木造家屋が倒壊しました。
 このキラーパルスが、熊本地震の本震では阪神大震災を遥かに超えるものであったことが分かります。

 更に、「熊本市及び宇土市の本震記録も告示スペクトルを上回っていた」と有ります。

 告示波(告示スペクトル)は、平成12年建設省告示第1461号第四に定められた設計用地震動で、解放工学的基盤における加速度応答スペクトルに適合する地震波を作成し、表層地盤の増幅を考慮した設計用地震波で、レベル2(極めて稀に発生する地震動)に対して、対象建物が崩壊・倒壊しないことを確認することになっています。

グラフのBSL(Gs(2)*Z1.0)の文字の下に薄く線が有ります(縦軸の目盛りで170程)が、建築基準法令における地表面の地震動の応答加速度です。


線を強調しました

 告示スペクトルよりも、いかに熊本地震が大地震であったかが良く分かります。


【出典:国土交通省(住宅性能表示制度創設以降の木造建築物被害状況)】

 2000年建築基準法及び耐震等級1で倒壊が発生し、等級3では倒壊を免れているいることからは、耐震等級3で、建築基準法の目標である、レベル2(極めて稀に発生する地震動)に対して崩壊・倒壊しないことに到達していると言えますが、熊本地震がレベル2(極めて稀に発生する地震動)を遥かに超える大地震であったことは事実です。

 現行基準法同等、耐震等級1、耐震等級2は、「レベル2の地震動に対して崩壊・倒壊しない」ことを満たせていないものだったのか?、耐震等級3でなければいけなかったのか?と言うと、必ずしもそういうことではなく、1981年以前の建物であっても、無被害や軽微~中波の被害に収まっている建物が半数以上有ります。又、1981年以降の新耐震基準の建物であっても倒壊が発生している原因は、地震規模もさることながら、地震対策の4条件を満たせていなかったことが原因と言えます。

 大地震に遭遇した時、建物に生じる損傷の程度は建物が持つ耐震性に大きく依存しますが、建設時に確保すべき耐震性は建築基準法に制定されています。

 大地震により甚大な被害が発生するたびに、基準法が改定されることで耐震性が向上し、それまで無かった大地震に対する耐震性を追加した新耐震基準が1981年から施行されました。

 しかし、1995年(平成7年)の阪神・淡路大震災で多くの木造住宅が倒壊したことで、1981年の新耐震基準をより厳しくした「2000年規準」に改正されましたが、その後の度重なる震度7の大地震や4号特例での施工不備による倒壊などにより、2022年6月に改正された「建築基準法」と「改正建築物省エネ法」が2025年4月から施行されることになります。

大地震に耐える粘り強さ

 木造軸組工法には、西洋建築の影響を受ける以前の「伝統構法」と西洋建築の思想を取り入れた「在来工法」が有ります。(ご参考:木造編①

 伝統構法は、金物を使わない架構構造の「木組み」による、日本の伝統的な建築構法です。
 木組みの柔軟な「変形性能」によって、地震による揺れのエネルギーを吸収・受け流す構造になります。
 大きな梁や太い柱で形成される伝統構法で用いられる貫(ぬき)は、柱同士を水平方向につなぐ材のことで、柱を貫通させくさびで固めることにより、柱に加わる水平力に対して粘り強く抵抗する働きがあります。

 粘り強さは「急激な力を加えた時の壊れにくさ」で、「靭性(じんせい)」とも言います。

在来工法は、柱と梁をピン接合して斜材(ブレース)を加えた構造で、ブレースとして「筋交い」を設けることで、地震や暴風などにより建物に生じる水平力に耐えて変形や倒壊を防ぐ構造です。

 阪神淡路大震災や熊本地震の直下型大地震では、横揺れの前に、凄まじい縦揺れで建物が飛び上がり、多くの建物で「柱のほぞ抜け」と呼ばれる、柱と土台が離れてしまう現象が生じました。

一般的には、縦揺れよりも強い横揺れにより、耐力壁の破壊や仕口部の破壊が生じますが、直下型の大地震では、断層の近傍で鉛直方向のピークが水平方向より大きいことが有り、凄まじい縦揺れに襲われます。

 在来工法は、基準法の改定により剛性(曲げやねじりの力に対する変形しにくさ)を高めることで耐震性を高めてきていますが、在来工法の剛性は、「材種・構成・接合部」の3要素で、木材・ブレース構造・柱と土台や梁桁を仕口で結合する構造で成り立っています。

 「粘り強い」の反対は「もろい」で、強さや硬さは有るが、伸びや衝撃力に対して弱い性質をいい、脆性(ぜいせい)」とも呼びます。

どんなに硬くて強くても、その強度の限界を超えて破壊される時は、一気に破壊が生じる危険性があります。

 筋交いや仕口部が破損して倒壊することは、加わる地震力に対して「もろい」ことが原因です。

 地震波は振動による運動エネルギーで、建物に加わるエネルギーは衝撃荷重にほかなりません。この衝撃荷重が加わった時の頑丈さが、粘り強さです。

 強度は一般的に硬さに反比例し、粘り強さに比例するといわれますが、これは衝撃に対しては粘り強さが大切であることを物語っています。

 在来工法では、衝撃に対して粘り強さを付加する手段として「制振ダンパー」が用いられています。

制振ダンパーの素材には「オイル」「ゴム」「鋼材」の3種類があり、柱と梁・土台間にその素材からなる装置を設置して、地震エネルギーを吸収し建物の損傷を抑えます。

 弊社では、粘り強さを付加する素材として、しなやかな高弾性材料を用いる木造SRF工法をご推奨いたします。
 装置を設置する方法ではなく、しなやかな高弾性材料を貼り付ける工法で、木造住宅が本来持っている収震性を高める方法です。

(木造SRF工法に関しましては、構造品質保証研究所ウェブページの木造SRF工法をご参照ください)

 

安全で安心な木造住宅

 安全安心快適な住生活環境の担い手として、木造住宅はこれからも私たちにとって大切な存在です。

今後の大地震の備えとして、

①「震度7」は最大級の被害をもたらすものであり、甚大な災害に襲われることです。
②まずは1度の大地震で建物が倒壊せず避難できることが大切です。
③繰り返し発生する大地震には粘り強い耐震性が必要です。
④耐震性の長期的な維持で、劣化予防の維持保全が欠かせません。
⑤耐震補強は、リフォームの一環として検討することが費用面で効果的です。

 これらのことから、耐震補強コストと性能をご検討されるときは、倒壊の危険性回避のための耐震性と、長期的な資産維持の観点から使用期間や家族構成などのライフスタイル、建物の耐久性や維持保全のためのコスト等を含めてご検討されることが大切です。

 

耐震リフォーム専門ページを開設しました。

 木造耐震リフォームをご検討の方は、ぜひ「イシテク耐震リフォーム」ホームページをご覧ください。

イシテク耐震リフォーム 

 今後も「イシテク耐震リフォーム」ホームページの内容を充実してまいりますので何卒宜しくお願いいたします。

 

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石山テクノ建設株式会社は、皆様のくらしの安全と安心を、補修・補強・耐震補強技術でサポートします。

ご参考ページ

「迫り来る震度7」その1 震度7とは

「迫り来る震度7」その2 活断層

「迫り来る震度7」その3 建築基準法と大地震

「迫り来る震度7」その4 新耐震基準でも倒壊

「迫り来る震度7」その5 南海トラフ地震はいつ発生?

「迫り来る震度7」その6 南海トラフ地震前に関西で直下型大地震の可能性は?

「迫り来る震度7」その7 南海トラフ地震による西日本大震災に備えるための耐震補強の重要性

「迫り来る震度7」その8 大地震で建物が壊れる原因と対策(RC造編)

「迫り来る震度7」その9 大地震で建物が壊れる原因と対策(木造編)①

「迫り来る震度7」その10 大地震で建物が壊れる原因と対策(木造編)②

「迫り来る震度7」その11 大地震で建物が壊れる原因と対策(木造編)③

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