構造解析のモデル化の基本シリーズです。
一貫計算で用いられる構造計算モデルでは、線材モデルが主流です。その際、耐震壁のような面材が線材モデルの中で具体的にどのようにモデル化されるのかについて書いていきたいと思います。
①耐震壁のモデル化～壁エレメント置換とは？
線材モデルによる応力解析のような簡易なモデルと相性の良い方法として、『壁エレメント置換』が主に用いられています。
まず簡単に説明すると、『壁エレメント置換』は線材の剛性と剛域をパラメータとして、面材である耐震壁の特性を表現する方法と捉えることができます。
様々なパラメータの中でも、耐震壁の特性として最も重要なのはせん断変形に対する剛性です。以降で詳しく述べますが、耐震壁として扱うか雑壁として扱うかの大きな判断軸として、周辺架構の変形が曲げ変形とせん断変形のどちらが卓越するか、という点があります。
そのため、せん断剛性を等価とした壁柱を配置することで、面材が配置されている状況に大きく近似させることができます。
せん断剛性の次に重要なのは付帯梁です。付帯梁の剛性を梁断面のままとしてしまうと、不適切な変形が生じてしまいます。しかし、実際には耐震壁と一体であれば梁に変形は生じません。そこで、梁要素は全断面が剛域としてモデル化されます。
次に付帯柱ですが、この部材の役割は軸剛性です。柱頭柱脚はピン扱いのため、その部位における曲げ剛性やせん断剛性には寄与しません。付帯柱の軸剛性が壁の鉛直荷重支持能力を表現します。適切な断面積を設定することが重要です。
②長期荷重に対する耐震壁の扱い
長期荷重を負担するように耐震壁を使用する場合には、特別な注意が必要です。前述のように、壁エレメント置換法では主にせん断剛性を優先的にモデル化していますが、これはあくまでも水平力（地震力や風圧力）に対する挙動を表現するためのものです。
そのため、鉛直方向のせん断剛性は水平方向とは異なってくるため、特に耐震壁を設けることで長スパンを飛ばすような場合には、補正をしていない計算結果を鵜呑みにすることは避けるべきです。
鉛直方向に曲げ変形するようなケースを考えてみましょう。そのような場合には、一貫計算においてスパンを跨いでいる場合、具体的な補正としては付帯梁の軸剛性を考慮するために非剛床にする必要があります。また、曲げ（断面二次モーメント）やせん断（断面積）剛性も数百倍に評価されているため、変形が小さくなる可能性があります。したがって、鉛直方向については別途倍率を指定する必要があります。
倍率の妥当性を確認するには、1層分の梁せいを持つ梁として別途たわみを計算し、差がないように倍率を決定するなどの検証を行うと良いでしょう。
一貫計算では断面算定もされないため、1層分の梁としての断面算定が別途必要になります。その際の応力を水平力を負担している際の応力と足し合わせても構造耐力上安全であることを確認することも不可欠です。
クリープ変形や開口がある場合の長期的な応力集中によるひび割れ（剛性低下）については、一貫計算には現れてこないため、設計者として配慮が必要です。
③耐震壁とするか雑壁とするかはどう決める？
一貫計算における耐震壁と雑壁の扱いの大きな違いは、耐力の評価、剛性の評価、そしてそれらを踏まえた周囲の部材への影響があります。
基本的には柱梁の主架構の中にあって開口条件を満足しているものが耐震壁として評価されます。しかし、それに該当しない場合でもコア周りなどには建物の挙動へ影響がありそうな壁がある場合もあります。
そういった壁であっても、一貫計算の中で軸を追加し、壁と同厚の柱梁を配置すれば、現実的に平面図は何も変わっていなくても耐震壁として扱うことができます。
もっと極端なことを言えば、耐震壁内に開口周比が0.4を超えるような開口があったとしても、軸を追加して小径の柱を配置すれば同じ構面の中でも部分的に耐震壁とするようなモデルにすることもできてしまいます。
おそらく1次設計に関しては、耐力を無駄なく評価していると言えるかもしれません。しかし、2次設計に関しては、上記のようなことをしたからといって構造計算が楽になるわけではありません。
偏心率や剛性率の数値が悪くなる可能性もあるし、Ds値が上がったり、増分解析で早期に脆性破壊が発生して耐力が出ない可能性もあります。
上記の事例のように、何でも耐震壁として評価し、耐力や剛性を上げていった場合、危険側の設計になっているかというと、一概には言えません。これが構造設計の難しさであり、面白さでもあります。
参考：耐震壁のモデル化と開口
参考記事に記載されているような耐震壁と雑壁の特性の違いとして代表的なのは、卓越する変形性状が曲げ変形かせん断変形かという点です。これらを踏まえて、適切に評価しモデル化を進めましょう。
※※計算上のモデル化における扱いや仕様の違いについても、別途記事にしていきます。
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