これまでの記事の中から一級建築士の製図試験の主に記述部分で使える考え方が学べるものを選定しました。
記事の言葉はそのまま使えるものというよりも、定型文を習得しやすくするためのベースの知識になると思います。また、想定外の内容が出たとしても、何となくであっても頭に残っていれば、応用できると思います。
まず、構造設計の大きな枠組みを掴んでもらえればと思います。
①耐震性は耐力と硬さ（剛性）のバランスで考える
エネルギーを消費して地震に耐えている
構造設計では地震により建物に入ってくるエネルギーを力に置換して解析を行っています。
理科や物理の授業で習った位置エネルギーや運動エネルギーを思い出すとイメージしやすいと思いますが、地震によって生じる力も加速度と重量を定量化して地震力という力に置き換えています。
なので建物が重いと地震力が大きくなり対抗するための耐震要素が多く必要になります。
揺れることでエネルギーを消費して建物の揺れは収まります。中地震であれば揺れだけでエネルギーを消費できますが、大地震のようにエネルギーが大きくなると揺れるだけではエネルギーを消費することができないので、どこかを損傷させることでエネルギーを消費します。なので、大地震時には損傷することが前提になります。
⇒大地震時には損傷前提で設計している！？
免震構造や制振構造というのは簡単にいうとエネルギーを吸収する部分をあえて作ることで、柱や梁といった部材を損傷させない構造形式です。
耐震性には耐力と剛性のバランスが大事
実際の地震の際の被害の大きさ、建物の継続的な利用という観点から言うと、建築物の構造体の耐力が高くても十分に安全と言えないことがわかってきています。
もう一つ重要なことは建物がどの程度変形したかということです。建物の中には構造躯体だけでなく、壁や天井や設備機器・配管などがあるのでそれが変形に追随できる程度に構造体の変形をおさえておく必要があります。
想定以上に大きく変形してしまうと、壁や天井や設備機器・配管などが脱落や損傷をしてしまい継続使用を困難にしてしまうだけでなく、人命に関わる可能性があります。
建築基準法の中では大地震時の変形について明確な数値での規定は特にありませんが、近年では国土交通省の構造設計基準では変形に関する検討について、法とは関係なく行う方向に向かっています。
②層間変形角～変形と損傷の関係と建物の継続利用をどう考えるか
層間変形角が法的に定められた背景と目的
この「粘り強く変形する能力」を確保し、かつ「変形しすぎて不安定にならない」ように制限をかけるための具体的な指標として、「層間変形角」が導入されました。
具体的には『建築基準法施行令 第82条の2』で定められており、まれに発生する地震（中地震動、一次設計）に対して、層間変形角を原則1/200以下（ただし、著しい損傷が生じない場合は1/120まで緩和可能）とすることが求められています。仕上げ材などのない状態であれば変形することで損傷するものがないので緩和することができます。
ここで重要なのは、この数値規定はあくまで中地震（一次設計）に対するものであり、極めてまれに発生する大地震（二次設計）時の層間変形角について、法律上の明確な数値基準はないという点です。保有水平耐力計算で用いる層間変形角（例えば1/100など）は、部材の終局状態を仮定するための計算上の数値であり、これにも法的な決まりはありません。
大地震時の変形と被害の関係
層間変形角の大きさは、建物の損傷度合いと密接に関連しています。一般的に主要な構造体は1/200～1/150での損傷は建物の耐力を急激に失わせるような致命的なものではありません。
一般的な目安として1/150を超え始めると、非構造部材（内外装材の脱落、建具の変形による開閉不能、窓ガラスの破損など）に被害が発生しやすくなります。1/100を超えると建物の傾き（残留変形）が目に見えて分かるようになり、余震による倒壊の危険性が高まります。補修して再利用することは困難なレベルです。
ここで重要なのは、建築基準法が求める層間変形角1/200は、あくまで「人命を守るための最低基準」であり、「無被害」や「軽微な損傷」を保証するものではないという点です。
実務において、構造設計者は法律を守ることはもちろん、その建物の重要度や用途、事業継続性の要求に応じて、より高い性能目標を設定することが求められます。
一般的に使われる数値として重要度係数があります。Ⅰ類～Ⅲ類で分類されており、耐力を割り増すことで、建物の継続的な利用ができるかどうかを設定します。しかし、この割増はあくまで「耐力」に関する規定のため、「変形」については別途設計者が検証する必要があります。
建物の継続的な利用や人命の無事を考える際には、前述したような躯体自体の損傷の具合だけを考えるだけでは不十分です。非構造部材や設備機器が変形に追随できずに転倒や落下するかどうかが、継続的な利用や人命の無事への影響が大きいことは誰もが知るところになっています。
多くの大地震を経験していく中で、構造体への対策が進んで来たからこそ、東北地方太平洋沖地震以降に非構造部材への対策にも注目が集まっています。特定天井の法律ができたのもこの震災以降です。
こういった認識が浸透しているからこそ、層間変形角の評価というのはより注目される性能指標になってくると考えています。
参考：基準法の変遷から学ぶこと～一歩先の構造設計
参考：力を発揮できる変形が部材によって違ってくる
③建築設備の耐震性能の考え方
建築設備の設計用地震力
水平震度0.4は建築物の大地震時（二次設計）の入力地震動に相当との考え方からきています。実際の入力地震動が400～500cm/s2となっているのかという部分には追求の余地が残っていますが、この想定と整合する形で建築設備の設計用地震力は設定されています。
まずここで認識しておく必要があることは、建築物のように中地震時と大地震時という考え方で区分しているのではなく、大地震時を想定しているということです。
クライテリアの考え方
地階および1階については地面からの入力地震動と同等の設定でした。それに対応して上層階・屋上・塔屋については、揺れが増幅されることから水平震度として1.0として設定されています。これは地上と比べて頂部では2～3倍の増幅があるという考え方になります。
中間階についてはその間を取った形の1.5倍の増幅として水平震度0.6になります。これらの水平震度の違いはあくまでも設置階による違いになります。
これまで示してきた値はグレードとしては1番低い耐震クラスＢの値にあります。その上には耐震クラスＡ（上層階：1.5、中間階：1.0、1階：0.6）、耐震クラスＳ（上層階：2.0、中間階：1.5、1階：1.0）があってそれぞれの水平震度は前述のようになります。
ここでのポイントは設置階による増幅とグレードによる割り増しは別々に設定されているという構造を把握しておくことになります。
上層階に設置されていると揺れやすいから耐震グレードSにするという考え方にはならないと言うことです。
④杭の耐震設計の変遷と外力の考え方
杭の耐震設計の変遷
S53年（1978年）に発生した宮城県沖の地震の被害で、上部構造には重大な障害が発生しなかった建築物において、杭頭部の破壊、杭のひび割れ棟の被害が生じたという報告がありました。
この被害報告を受けて、建築物の上部構造と基礎構造の耐震性は同じ水準での設計が必要であるという議論があがりました。
S59年（1984年）に日本建築センターからは杭の一次設計を初めて規定した『地震力に対する基礎の設計指針』が発刊されました。
一方で同年に、建設省から通達が出たものの、そこでは法的に杭の設計を義務付けることにはなりませんでした。
現在もですが地盤については非常に未知なことが多く、法的に定めるまでの見解がまとめきれなかったことと、以下の記事でも書きましたが、日本では基準法で一度決めてしまうと非常に変更がしにくいという特徴があるのでこういった形になったことが想定されます。
参考：法改定の背景を知り構造設計を魅力的なものへ
そのような状況の中、国よりも先行して東京都がH3年（1991年）に軒高さ15m以上又は階数5以上の建物においては杭に対する中地震時（一次設計）に対する検討を行うように義務付けました。
その後H7年（1995年）の阪神大震災によっても杭頭部分での損傷が多く確認されたこともあり、基準法としてはH12年（2000年）の法改定で中地震時（一次設計）に対する検討を行うように義務付けられました。
2001年の建築基礎構造設計指針（日本建築学会）の改定の際に大地震に対する検討が明確化されましたが、地盤定数や設定は解析モデル等の整備が一部不完全でしたが、2019年の改定で未完部分が補われました。
まだまだ未知が多い杭（地面）の世界
2019年の建築基礎構造設計指針では具体的な方法が明記されていますが、検討方法は多数示されており、状況に応じて使い分けられるようになっています。
これは検討方法の取り方によっては、外力にも幅があるし、クライテリアとしても最大変形をいくつにするのか、杭頭の塑性化を許容するのかといった幅があります。
一番安全側の設定を積み重ねた場合と一番危険側の設定を積み重ねた場合とで、地盤の状況にもよりますが杭材料コストベースの比較でいうと余裕で1.5倍は超えるようなイメージだと思われます。
そのため建築基礎構造設計指針で明確化されたといっても法的な義務付けはできない状況だと思われます。
杭の耐震設計の変遷からもわかるように杭の大地震時を言われ出したのが2001年だとするとそれ以前に設計した杭はたくさんあります。それでも大地震時にあまり問題になっていないという事実も踏まえて、外力やクライテリアが過剰になりすぎないように設定していくことが構造設計者に求められていて、これがまさに性能設計になります。
参考：余力をどのように設定する？過剰思考になっていない？
全体的に未知な部分は多いですが、影響の大きな部分としては液状化の評価や、地盤の減衰効果、基礎の根入れ効果、杭内のセメントミルクの強度の効果などかなと考えています。細かなところを考え出したら無数にあるのでまずは大きな部分を押えていくことが重要です。
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