保有水平耐力計算とは～計算体系を整理
保有水平耐力計算とは～構造特性係数Dsの数値の意味
保有水平耐力計算とは～増分解析と復元力特性
保有水平耐力計算とはのシリーズになります。
今回は保有水平耐力計算を組み立てる上で重要な崩壊形についてと、その意図している崩壊形になっていることを確認する上で重要なヒンジ図のチェックの視点について書いていきます。
①崩壊形・Ds値を設定する
これは当たり前のことだと思うかもしれませんが重要なことでもあるので扱っておきたい内容です。
一貫計算でモデルを入力すれば気軽に保有水平耐力計算まで行ってくれるので、設計を始めたばかりに陥りがちなのがDs値の決定（＝崩壊形の決定）を一貫計算に任せてしまうことです。
一貫計算で算出されたDs値による必要保有水平耐力に対して、耐力が満足しているかどうかに一喜一憂するよりも重要なことは、想定している崩壊形になるように調整することです。
保有水平耐力計算における崩壊形は、建築物が地震時にどのようなメカニズムで破壊に至るかを表す重要な概念です。構造設計は壊れないように設計することを考えることも大切ですが、合わせて壊れる場合にはどのように壊れれば安全（人命は守れる）か考える工学でもあります。
中地震時の検討（一次設計）では崩壊形という概念はありませんが、大地震時と合わせてどのような特性（偏心率や剛性率のバランス）を持った建物にするのかをイメージ＋数値で設定しましょう。
②崩壊形の種類と特徴
崩壊形の種類の前に塑性ヒンジとは何かを固定しておきます。
塑性ヒンジとは部材が地震などの大きな力によって降伏（塑性変形）し、それ以上荷重が増えても変形だけが進む、まるでピン（回転自由な状態）のような状態になる部分を指します。この塑性ヒンジを意図的に特定の場所に形成させることで、建物全体として粘り強く、倒壊しにくい構造を目指します。その上で以下のような崩壊形の種類があります。
- 全体崩壊形
建物全体が均等に塑性変形し、各階が少しずつ変形することで地震エネルギーを効率的に吸収する崩壊形です。梁が先に降伏し、柱は最後に降伏する「梁降伏先行型」の構造です。想定した層間変形角（一般的には層間変形角1/50）に達成するまで、すべての部材で脆性的な破壊が生じなければこの崩壊形に該当すると言えます。そのため部材には靭性があるのでDs値は低くなります。
例えば、純ラーメン構造や座屈拘束ブレース、曲げ破壊が先行するような細長い耐震壁などの構造になります。
- 部分崩壊形
特定のいくつかの階や特定の構造部材に塑性変形が集中し、その部分が大きく損傷する崩壊形です。例えば、1階や中間階の柱のみが過度に損傷したり、特定のフレームだけが大きく変形したりする場合などがこれに該当します。建物全体でエネルギーを吸収できず、被害が一部に集中するため、崩壊形の中でも慎重な設計が必要になる分類です。
剛性率や偏心率のバランスが悪い場合（ピロティ建物）の崩壊形になるのでDs値を大きくするだけでなく、Fesなどの割増しで必要保有水平耐力を大きくして安全率を高める傾向にあります。
- 局部崩壊形
建物の一部が脆性的な破壊・倒壊する崩壊形です。基本的には耐震壁が多いなど強度型の建物で採用する崩壊形になります。各種文献で柱や梁が脆性的な破壊をするものも含めたような記載にも見えますが、実務の中ではそのような崩壊形を想定して設計することはほとんどないと言えると思います。
軸力保持に影響のない耐震壁での脆性破壊といった部分的な破壊が生じた時点を崩壊形とします。そのため変形が小さくエネルギー吸収が小さいためDs値は大きな値を採用します。
このように崩壊形のよって建物の特徴（変形の仕方）が変わってくるので保証設計の捉え方も変わってきます。保証設計の詳細についてはまた別の記事で書いていきます。
③ヒンジ図のチェックの視点
今回示すのはどの崩壊形を想定していても確認するべき基本的な視点についてになります。
・想定している崩壊形か
もっとも基本的なことではありますが、まずは想定の崩壊形になっていることを確認しましょう。全体崩壊形を想定しているのに、どこかの部材がせん断破壊していたり、強度型を想定していたのに変形が1/50になっているといった崩壊形の種類が違っていないかを確認しましょう。
また想定していた崩壊形の種類は違っていなくても、全体崩壊形の1/50が決まっている節点が、非剛床部分の特異点である場合や、特定の階にだけ変形が集中して1/50の変形になってる場合、部分崩壊形であっても想定していた耐震壁ではない、柱梁や違う階の耐震壁のせん断破壊が生じていないことも確認しましょう。
Ds値を想定するだけでなく、ヒンジの生じる順番も想定したうえで確認するようにしましょう。
・梁降伏先行型か
柱よりも梁に塑性ヒンジが発生する「梁降伏先行型」の崩壊形になっているかを確認します。これは、地震エネルギーを効率よく吸収し、柱の破壊による建物全体の崩壊を防ぐために非常に重要です。曲げ破壊と言っても軸力保持の観点から考えても、鉛直変位の生じる柱降伏とするよりも梁降伏を優先することが基本的な考えになります。
また柱に塑性ヒンジが発生する場合、最上階の柱頭、最下階の柱脚では許容しますが、中間階での塑性ヒンジは部分的な層崩壊を誘発する可能性があります。
すべてが梁降伏先行型でなくてはいけないかというわけではなく、部材の重要度や役割を踏まえて判断しましょう。そのような判断するためにも、前段に書いたような基本的な概念を理解しておきましょう。例えば耐震間柱要素であれば柱降伏先行型である必要があります。
ヒンジが生じている箇所の鉄筋のおさまり、柱梁部材のサイズ勝ち負けなどの詳細も踏まえてどのような力の伝達でヒンジが生じるのかも確認するようにしましょう。
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