【わかりやすい構造設計】地震力の基本～地震力とはどのように決まるのか

構造設計の法や基準というのは非常に地震被害と身近な関係にあると言えます。大地震というのはこれまで整備してきた法や基準の有効性が確認されます。

実際に大地震での被害と法や基準の改定はセットになっている場合が多いです。
そこで今回の記事ではそもそもの地震力というのがどのようにモデル化されているのかを解説していきます。

①基準法の変遷から学ぶこと

まずはこちらの記事の要約になりますが、法や基準の改定と地震被害の関係を掴んでいきたいと思います。

地震被害を受けると今後は同様な被害が発生しないようにと、法や基準を改定することで前回の地震で問題になった事象は解決します。これは日本の耐震工学が非常に優秀だから実現できることだと思います。

しかし、免震や一部の制振構造を除けば、変形・損傷することで、地震の揺れのエネルギーを吸収し、建物全体の倒壊を防ぐということになります。

そのため部分的な損傷を回避するだけでは、完全に問題を解決することになりません。残った地震エネルギーは何らかの形で消費する必要があります。その結果として、次に弱点となる部分が損傷・崩壊するということになります。

その繰り返しが地震と法改定の間で行われてきました。近年になって天井のような非構造部材についての耐震性について注目度が高まっているのは、構造躯体については崩壊はほとんどなくなった結果とも言えます。

設計時に建物の崩壊形を想定する思考とも似ていますが、目先的な対応をしても建物の安全性を確保することはできなくて、どこかを補強した次はどこが損傷するのか？また別の角度での弱点ができていないかを多面的な視点を持って考える必要があります。

②建築基準法で想定している地震力

次に具体的に基準法での地震力はどのように定義されているのかを見ていきます。
以下の記事からの引用になりますが2段階で地震力は設定されています。

耐震設計の2段階アプローチ

では、具体的に建築基準法はどのように耐震性能を規定しているのでしょうか。現在の耐震設計は、大きく分けて2つのレベルの地震動を想定する「2段階設計」が基本です。

1. 一次設計（許容応力度計算）：
   • 想定する地震：建物の耐用年数中に数度は遭遇する可能性のある中程度の地震（震度5強程度）。
   • 目標性能：建物の構造部材（柱や梁など）に生じる力が、材料が弾性範囲に収まる「許容応力」を超えないように設計します。これにより、建物はほとんど損傷せず、地震後も問題なく使用し続けられる状態を目指します。また、過度な揺れによる不快感や内外装の軽微な損傷を防ぐため、層間変形角を1/200以内（一部1/120）に抑えるという明確な変形制限があります。
2. 二次設計（保有水平耐力計算など）：
   • 想定する地震：極めて稀にしか発生しない大規模な地震（震度6弱〜7程度）。
   • 目標性能：このレベルの地震に対しては、建物の損傷を許容します。構造部材が塑性化（元に戻らない変形）することで地震エネルギーを吸収し、建物全体としての倒壊・崩壊を防ぎます。この計算（ルート3と呼ばれることが多い）では、建物がどれだけの水平力に耐えられるか（保有水平耐力）を確認し、それが大地震時に必要とされる耐力（必要保有水平耐力）を上回ることを検証します。一次設計のような明確な変形制限値はありませんが、著しい変形による局部的な崩壊を防ぐ検討も求められます。

この2段階の想定を具体的な計算で用いるためにどのように数値化しているのかを以降で解説していきます。

③地震力はどのような要素で決まるのか

地震力の根本的な考え方は高校の物理などでも学ぶ慣性の法則F=maの関係になります。

F：力　m：質量　a：加速度

大きく捉えると重くて硬い建物ほど地震により発生する力が大きくなるということです。

質量が集中している層に慣性力が生じることになるので、地震力もモデル化する際には荷重の中心となるスラブ部分に地震力を作用させます。

この考え方をより色々な要素を持つ建築物に当てはめられるようにしたものが一級建築士試験でもよく見る以下のような地震力の算出式になります。

Qi＝Ci×Wi　（Wi：i階より上の全重量）

m：質量はWiがそのまま当てはまりますが、a：加速度を算出するための要素が複合的に詰め込まれているのがCiと捉えることができます。

この計算式で算出されるQiはi層目で負担する地震力になります。なので計算モデルを作る上では、最上階以外では層ごとで加算される地震力とQiは別になります。

ユニオンシステムのSS7を例に見ていくとその使い分けはQiとPiになります。i層とi+1層の差分をPiとして各階の重心に加力していくことになります。

Qi（層せん断力）： その階が支えるべき地震力の総和（積算値）。
Pi（外力）： 各階の重心に作用させる「その階単体の地震力」。

この違いを理解していないと、例えば各層の水平構面での力の伝達を考える際には荷重のオーダーが大きく違ってきてしまいます。

次に加速度へ影響してくる要因についてCiの中身は何で構成されているかという観点から見ていきます。

Z：地域係数　建設地において地震が起こる確率やこれまでの地震の大きさによって地震力を低減できる係数ですが地震力を考える上であまり本質的な係数ではありません。なので今回は詳細な解説は割愛します。

Co：層せん断力係数　前述した２段階の地震力を評価している係数になります。1次設計では0.2、2次設計では1.0になります。この数値は地表面での加速度を踏まえて1層目に作用する加速度になります。 どちらの数字も実態を踏まえた数値と言えます。

0.2ついては新耐震設計法以前から用いられておりそれが踏襲されています。地動加速度としては0.1G程度の想定になります。

1.0については新耐震設計法導入時に検討されました。大地震時の地動加速度を0.33～0.4Gと考えた場合に短周期建物の弾性時地震応答倍率を2.5～3と考えるとおおよその応答は1.0Gになるというところから来ています。しかし、最近の大地震からもわかるように実際には0.4Gよりも大きな地動加速度が観測されています。

Rt：振動特性係数　敷地の地盤状況と建物の固有周期（固有振動数）で決まってくる係数になります。地盤が硬質であればそれだけ地震による地盤の揺れの増幅は小さくなります。また、固有周期が長くなるような高層の建物であれば加速度は小さくなります。こういった加速度への影響がある特性を係数化しています。条件が良ければ地震力を低減できる係数になります。

Ai：高さ方向の分布係数　高さ方向による加速度の違いを評価している係数になります。これまでの係数は建物に1つの係数でしたがAiについては層ごと算出することになります。イメージしやすいと思いますが、低層階部分よりも上層階の方が大きく振られるので加速度も大きくなります。1層目を1.0として上階にいくにつれて大きくなります。この振られやすさというのは各層の荷重の分布や建物の固有周期によって決まってきます。

具体的な計算式は解説している書籍があるのでここでは割愛します。いきなり式に当てはめるのではなくまずは趣旨を掴んで応用を利かせられるようになりつつ間違えにも気付けるようになりましょう。

まとめ：地震力は「建物の重さ」と「揺れの性質」の掛け算

今回の記事では、建築基準法が想定する地震のレベルと、地震力を決定する要素（係数）の物理的な意味について解説しました。

構造設計者がブラックボックス化させないために、以下の3つのポイントを押さえておきましょう。

• 「壊れ方」を設計する： 法改正によって躯体が強くなった結果、行き場を失った地震エネルギーが天井などの非構造部材を破壊するようになりました。一部を強くすれば全体が安全になるわけではなく、「どこを損傷させてエネルギーを吸収するか」という全体的な崩壊メカニズムの想定が必要です。
• 2段階の耐震設計： 建築基準法は、中地震に対しては無損傷で使い続けられること（一次設計）、大地震に対しては部材の損傷（塑性化）を許容してでも建物の倒壊を防ぎ人命を守ること（二次設計）という、2つの明確な目標を掲げています。
• Qi（層せん断力）とPi（外力）の違い： 地震力は基本法則 F=ma に基づき、重さと加速度で決まります。ある階を支える力の合計である層せん断力（Qi）と、その階の床に直接作用する力（Pi）を混同すると、床スラブの応力検討などを大きく見誤るため、明確に区別して扱う必要があります。

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