剛性率は偏心率とセットで扱われやすく、構造設計ルートの判断や必要保有水平耐力の算出に関わる重要な指標です。しかし、対象とする震災被害や、着目するバランスはそれぞれ異なります。
偏心率が平面の剛性バランスを対象にしているのに対して、剛性率は立面方向の剛性バランスを対象にしています。
今回の記事では、剛性率が設定された背景から、具体的な数値が意味すること、そして実務場面での判断における留意点について解説します。
参考：偏心率～立体解析との関係
①剛性率導入の背景と目的
剛性率の概念は、1968年の十勝沖地震や1978年の宮城県沖地震での被害調査から生まれました。これらの地震では、建物の特定階に被害が集中する現象が多く観察されました。特に1階に駐車場や店舗などの開放的な空間を設けた建物では、上層階に比べて剛性が極端に低くなり、地震時の変形が1階に集中して崩壊する事例が数多く報告されました。
上層階は壁が多く配置されていて剛性が高いのに対し、1階は柱のみで構成されており剛性が極端に低くなります。このような建物では、地震時に1階部分に変形が集中し、柱が短時間で破壊されて上層階が崩落するという致命的な被害が発生しました。
これらの被害を受けて、1981年の建築基準法改正（新耐震設計法）において、剛性率という指標が導入されました。剛性率は、各階の剛性が建物全体でバランスよく分布しているかを評価するための指標として位置づけられました。
剛性率の規定は、特定の階に変形が集中する「層崩壊メカニズム」を防止することを主な目的としています。建物が地震時に均等に変形することで、全体崩壊形を形成し、エネルギー吸収能力を最大限に発揮し、特定階への損傷集中を避けることができます。これは、建物全体としての靭性能を確保するための重要な要素となっています。
②「0.6」の根拠とは？剛性率の規準値が意味するもの
剛性率は0.6以下となると、設計ルートの選択や必要保有水平耐力の割増しの有無が変わってきます。ではこの0.6という数値はどのような背景から決まっているのでしょうか？
建築基準法施行令第82条の2では、剛性率の下限値として0.6が規定されています。この数値は、過去の震災被害分析と実験的研究から導き出されたものです。
剛性率0.6という値は、ある階の剛性が平均剛性の60%以上あれば、層崩壊を防止できるという知見に基づいています。実際の被害調査では、剛性率が0.6を下回る建物で層崩壊が多く発生していたことが確認されています。
次に必要保有水平耐力との関係についてです。剛性率が0.6未満の場合、建築基準法では必要保有水平耐力を割り増す規定があります。これは、剛性の低い階に変形が集中することによる損傷リスクを、耐力の増加によって補おうという考え方です。
具体的には：
剛性率が0.6以上：割増係数Fs = 1.0
剛性率が0.6未満：Fs = 2 – (Rs / 0.6)
※剛性率が0.6未満の場合、ルート2は適用できません。0.6より剛性率が小さくなるにつれてFsは大きくなり、最大値は2.0と定められています。
当初の最大値は1.5でしたが、阪神・淡路大震災の被害状況を踏まえて1998年（平成10年）の建築基準法改正で最大値が2.0に引き上げられたという背景があります。
この際に偏心率による割増係数Feの最大値1.5は見直されませんでした。
③数値だけでは不十分？実務で活かす剛性率の注意点
剛性率は各階の相対的な剛性を評価する指標ですが、実際の地震時の変形集中を完全に表現できるわけではありません。剛性率の計算のベースとなる層間変形角の計算は一般的には弾性剛性における値になります。
参考：剛性評価／相対性の評価が重要 ①告示での剛性の位置づけ
実際に層崩壊が問題になるのは、大地震時の塑性化が発生して変形が大きくなった段階です。非線形領域での挙動は、初期剛性だけでは予測が難しい場合があります。弾塑性解析などを併用して、より詳細な検討を行うことが1つの解決策になります。
まずは、弾性剛性での剛性バランスと、大地震時の剛性低下の関係をイメージすることが必要になります。
次に剛性率と偏心率の総合的判断についてです。
剛性率と偏心率は異なる現象を対象としていますが、両方とも建物の地震時挙動に大きく影響します。実務では、これらを個別に評価するだけでなく、総合的に判断することが重要です。例えば、剛性率が基準を満たしていても偏心率が大きい場合、ねじれ振動によって特定の柱に損傷が集中する可能性があります。
また、前述したように剛性率のバランスの悪さによる被害というのはピロティ階や中間階に極端に剛性の低い階が存在した場合に発生しており、そういった建物を対象に数値が定められています。
そのため、部分地下（構造計算上は地上階）のように低層階だけ剛性が高い場合や、屋上に小規模な壁式がある場合などには、他の階が相対的に剛性が低くなるため、剛性率が悪化します。
構造関係技術基準解説書の中でも、偏心率や崩壊形を踏まえてFsの割増を不要にする条件の例も記載されています。
このように一貫計算で算出された数値だけを鵜呑みにするのではなく、まずは架構計画を踏まえて設計目標値を設定するようにしましょう。
セットバックのある建物や、中間階で断面が急変する建物では、剛性率の評価に特に注意が必要です。このような形状では、剛性の不連続点が生じやすく、地震時に予期せぬ応力集中が発生する可能性があります。計算上もどのように評価されているのかを注意深く確認するようにしましょう。
まとめ
剛性率は、建物の立面方向の剛性バランスを評価し、特定階への変形集中による層崩壊を防止するための重要な指標です。1981年の新耐震設計法導入時に規定された0.6という基準値は、過去の震災被害分析に基づいており、この値を下回る場合は必要保有水平耐力の割増しや、より詳細な構造計算が求められます。割増係数Fsにおいては阪神・淡路大震災の被害状況を踏まえて最大値が引き上げられました。
剛性率の概念を正しく理解し、その背景にある物理的意味を踏まえた設計判断を行うことで、より安全で信頼性の高い建築構造を実現することができるでしょう。
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