【わかりやすい構造設計】保有水平耐力計算とは～計算体系を整理

保有水平耐力計算を完結させるためにその中で多くの種類の検討をしています。計算書を出力するとわかりますが、多くの場合で計算書の半分を占めます。

その体系を理解できていないと、チェックの視点が保有水平耐力が必要保有水平耐力を上回っていることの確認だけになっているなんてことがあります。それでは、どのような改善が必要なのかもわからないことになってしまいます。

今回の記事では保有水平耐力計算についてどのような体系になっているのかを整理していきたいと思います。

こちらの記事を読んで頂いた方が以下の内容がわかりやすいと思います。
【わかりやすい構造設計】耐震性は耐力と硬さ（剛性）のバランスで考える～構造計算プログラムの結果が正しいとは限らない

①Ds判定・保有水平耐力算出・保証設計
②混在しやすい内容の整理
③各種検討で注目する視点

①Ds判定・保有水平耐力算出・保証設計

保有水平耐力計算の中で行っていることは大きく分けると以下の3つに分類されます。

・Ds判定：言葉の通りDsを決定するための検討を行っています。具体的には増分解析を行うことで、崩壊系を確認した結果と各種部材の断面情報から部材ランクを決定してDs値を決定します。

参考：構造特性係数Dsの数値の意味

・保有水平耐力算出：Ds算定時と同様に増分解析を行います。設計者が設定した保有水平耐力を決定する状態になるステップまで増分解析を行い、その状態の応力図の中で鉛直構面（柱や耐震壁）が負担している水平力（せん断力）の和が保有水平耐力となります。
その保有水平耐力がDs値と偏心率と剛性率による割り増し係数を踏まえて算出された必要保有水平耐力との大小関係を比較します。

※増分解析以外の方法として極限解析による方や節点振分け法その他の解析方法も告示の中には明記されてはいますが現状一貫計算の主流は増分解析ということを踏まえて書いています。

参考：偏心率～立体解析との関係

・保証設計：前述の二つの計算結果を保証するために、部材耐力の余裕度を見込んだ必要耐力を有しているのかを確認します。
例えば、増分解析の中ではせん断破壊が起こっていない部材においても、発生応力に対してギリギリのせん断耐力しか有していなかった場合には、ちょっとした想定外が発生しただけで、せん断破壊（脆性的破壊）を起こしてしまう可能性が高くなります。その場合には前段の計算結果が信用できない結果となってしまいます。

構造設計の中には施工精度や材料強度のばらつきなど、地震力に限らず設計・計算内容がそのままになるわけではない要素が多い工学です。それらを包括することも踏まえた内容になります。

以上のことをより簡単に言うと、架構の状況を踏まえて『必要保有水平耐力を算出』⇒『保有水平耐力を算出』⇒『必要保有水平耐力と比較』⇒『以上の結果を保証するための安全率の確認』の流れで検討を行っています。

②混在しやすい内容の整理

次に検討の流れを把握した後に、これらの検討を理解する際に混在しやすいと思われる内容についても整理していきます。

・保有水平耐力算出時はどのような状態？
保有水平耐力を決定する状態の定義は建築基準法上では明確に定義はされていません。なので設計者が定義することになります。ある層間変形角を設定してその変形に達した際やある部材が脆性的な破壊をした時点での耐力を保有水平耐力として扱っています。

なぜ保有水平耐力が各部材の最大耐力の和ではなくて、ある変形時点で負担している水平力の和になっているかというと、各部材が最大耐力を発揮するタイミング（変形角）が違うからです。

極端なところで言えば耐震壁と柱では最大耐力を発揮するタイミングが違うことはイメージしやすいと思います。柱同士でも、プロポーションによって異なってきます。

参考：力を発揮できる変形が部材によって違ってくる

・2度増分解析を行う理由と違いはなに？
ほぼ同じような計算を2度しているため、どのように使い分けているのか？違いはなにか？といったところが迷う点だと思います。
まずDs算定時では建物全体の崩壊系を確認するために、できるだけ多くの節点周りの部材がヒンジ状態になるまで増分解析のステップ数を多くして、建物の変形を大きくします。どこまで変形させるかは決められてはいませんが、一般的に層間変形角1/50（全体崩壊系）を採用することが多いと思います。

強度型の建物場合にはある部材が脆性的な破壊をした時点を崩壊系（部分崩壊系）とすることもあります。なので強度型の建物の場合には、Ds算定時と保有水平耐力時の計算結果が同じになることもあります。

ただし、耐震壁などが脆性破壊した時点で計算を終了してしまうと、非常に変形が小さく他の部材の崩壊系が確認できないという理由で、脆性的な破壊をした場合にも増分解析を止めずに層間変形角1/50が変形した場合のフレーム部分の状態を確認すると考え方もあります。

あとは支点の浮き上がり状態を、固定にするのか、浮き上がりを考慮するのかをDs算定時と保有水平耐力時で使い分ける場合もあります。

崩壊系や構造特性係数の趣旨を理解して、架構の特徴に応じて使い分けていきましょう。

・保有水平耐力計算で大地震時の変形も計算できる？
冒頭の引用記事の中でも書いていますが、重要なことなので少し重なる部分もありますが、改めて補足しておきます。

保有水平耐力時の検討用に設定した、最大の層間変形角と実際の地震によって生じる変形角は別の話になってきます。ここがややこしい部分ではあるのですが、あくまでも保有水平耐力計算は言葉の通り耐力の面から評価しているので、変形（剛性）については特に検討していないことになります。保有水平耐力時の応力状態というのは、耐力を計算するために便宜的に想定したものになります。

特にDs値を低く設定しているいわゆる靭性型と言われる純ラーメンに近い架構では、保有水平耐力を最大層間変形角1/100で設定していた場合では、実際には1/100以上変形していると考えるのが妥当です。