2009年02月28日

第1回伝統構法を考える勉強会報告(2)・・・伝統木造の耐震要素(土塗り壁・柱の曲げ・貫)

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■伝統木造の耐震要素
 ●土塗り壁
 ここから、どういうものを伝統木造の耐震要素として見込めるかという話をしたいと思います。まずは要素に分解していく話です。 いくつか耐震要素として考えられるものがあります。土塗り壁、これは代表的なものです。今度のE-ディフェンスの実験でも、少し土壁が多すぎるのではという意見はよく聞きますが、土壁が耐力を決める決定的な要素でした。土壁については色々な方が実験等をされて、ずいぶん色々な事がわかっては来ていますが、各地域で色々な仕様、やり方があり、それを全部実験している訳ではないので、まだわからないこともたくさんあります。とにかく仕様によって大きく変わります。
  
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 図2:土塗壁の荷重―変形角包絡曲
 
 土塗り壁についても、粘りがあるはずだと言われますが、図2は、住木センター発行の土塗り壁その他のマニュアル(茶色本)に出ている、大橋先生がやられた、色々なタイプの土塗り壁の実験結果です。これから私の話の中でグラフが2〜3種類出てきますが、一番良く出てくるのはこのタイプのグラフなのでこの見方を説明しておきます。これは壁の実験結果ですが、壁を用意して足下は止めておき、横からジャッキで押し引きをします。厳密にはくり返しで押したり引いたりするのですが、一方向にぐっと押したとすると,例えば、1KN(昔の言い方で100kgf)で押したときに、1pだけ頭が動いたとして、壁の高さが300pだとすると1/300の傾きになります。今度は200kgf加えたら2/300というふうに、力と変形の関係をプロットしていきます。最初のうちはフックの法則でだいたい直線関係にありますが、あるところから損傷が始まると、変形の方が進み出し、力は2倍になっても変形は2倍以上になってしまう。だからグラフが段々カーブしてきて、最後は変形がどんどん進んだり、あるいは変形が進むにつれて力が下がっていったりする。そういうプロットを一つ一つの試験体についてやると、いろいろなカーブのグラフが描けます。縦軸は横から加えている力、横軸は変形、oで表現したり、高さで割って角度で表現したりします。縦軸は力がどこまで上がったかを示しますから、グラフのカーブが上にあがっているものは、大きな力に耐えたことになり、横軸の変形が進んでも力が下がらない(カーブが下がらない)ものは、粘りのある構造だといわれます。
 上のグラフで「片五」「片三」が1/100を少し超えたあたり、「両五」「両三」だと1/60くらいで最大耐力(一番荷重が上がったところ)に達しています。
(試験体の詳しい仕様については、「土塗壁・面格子壁・落とし込み板壁の壁倍率に係る技術解説書」財団法人 日本住宅・木材技術センター発行 を、ご参照ください。)

 土壁というのは荒壁をやって、乾燥でひび割れたところを中塗りで埋める、そこまでやると強度は上がっていく、という性質を持っているので、単純な厚さだけではなく、塗り重ねると耐力は上がっていきます。
見ていただきたいのは、荒壁だと粘りのある構造になっています。中塗りまでやって壁の耐力を上げると今度は1/50以下で最大耐力に達してあとは、力が下がっていく。これは多分皆さんのイメージとだいぶ違って、決してものすごく粘る構造ではない。現代木造の構造用合板のカーブと非常に似ています。そう言うとだいたい反発を食らうのですが、クールに見るとそうなんです。
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 図3:荷重変形関係(土塗り壁)
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 図4:荷重変形関係(筋かい)
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 図5:荷重変形関係(面材)

左は「木造住宅の耐震診断と補強方法」(財団法人 日本建築防災協会 発行)で使っている土壁のカーブ(図3)です。1/50で最大に達します。同じ診断で使っている筋かいのカーブです。(図4)筋かいもタイプによって違いますが、土壁とそんなに変わらない雰囲気のカーブもあります。構造用合板(図5)はものにより、1/25あたりにピークがあります。これを見ると、構造用合板の方が粘る構造という感じがします。
 関西版のマニュアルにすごく粘りのない構造用合板のカーブが出ていいますが、あれはよく見ると釘の打ち方がなってないんです。構造用合板だってきちんと施工しないと粘りは出ません。比較をするときは良い物同士を比較するようにしましょう。

 クールに見ると土壁というのは必ずしも粘りがあるわけではない。強くすると特に構造体として見たときの変形能力(粘り)は無くなってきます。靭性があるなんてよく表現する耐震工学的な意味での粘りです。
 実験結果を倍率でまとめると、荒壁だと倍率で1前後、片面中塗りまでして、1.3くらい、両面中塗りで、2を超えるくらい出ます。しかし、ばらつきが相当あるのと経年劣化や土壁は重たいことなども考慮して、少し数字を下げ、現在、告示の倍率で片面中塗りで1、両面中塗りで1.5です。それの元になった実験です。その他、貫の段数や、水合わせの有無など、仕様を変えた実験をやって、そういう違いでどのくらい変わるかを一生懸命見ようとしてもあまり差は出ないのです。
継手の実験も昔やりましたが、目違いを立てて開くのを押さえたらどのくらい耐力が上がるかを実験してもほとんど差が出ず、それよりは材料の個体差の方が断然大きい。

 土壁は土が圧縮筋かいのように働いて抵抗するので、どのくらいの密度の物が詰まっているかでほとんど決まってしまいます。仕様を変えたことで耐力が、がらっと変わることは多分あまりないですが、東北や日本海側で割竹だけではなく、ストロー系の葦などを束ねた木舞を使うことがありますが、中に空隙があるので、押されたときに潰れるのか、少し耐力が下がる等、そういう仕様による差はありますが、この実験結果で見る限りそんなに差がないです。
ただ、熊本の土で中塗りをやった場合、関東の土で中塗り、京都の土で中塗りをやった場合、と、土の地域差は出ている感じはありました。ところが、これも大橋先生の実験ですが、土だけ取り出して圧縮試験をすると、関西の土は関東の土に比べ、めっぽう強いんです。多分引っ張っても強いと思います。それが壁になるとその差はあまり出ない。土の持っている圧縮強度の差が、土壁の耐力にそのまま出てきているわけではないということです。ということで土塗り壁が重要な耐震要素であることがわかります。

 ●柱の曲げ
 
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 図6:地震による柱曲げ破戒模式図
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 図7:木材の強度的性質
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 図8:垂れ壁付き独立柱の変形
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 図9:柱の曲げ破壊有無による違い
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 図10:荷重変形関係グラフの柱と壁の効果
 柱が曲げで抵抗する。柱の上部の差し鴨居又は薄鴨居の上に垂れ壁があると横から地震力を受けたときに柱が曲がり、曲がることによって抵抗する。ただこれは
危ない面もあって鴨居付け根で折れやすいです。実際に過去の地震被害では、調査に行く度に、折れているのを目にします。柱が折れるか折れないかが大変重要
です。

 木材の強度的な性質として、柱が曲がることにより最後は「ぽきっ」と折れて破壊をする曲げ破壊は、工学的に見ると非常にもろい粘りのない破壊です。そう言うと大工さんから、「いや、杉は結構粘るんだよ。」などと言われます。確かに樹種ごとのそういう差はありますが、ここで言う意味は広く色々な材料を見た上での話で、木材の曲げ破壊は粘りが有るか無いかと言えば、無いんです。それは釘をぐにゅっと曲げるのと、割り箸をぼきっと折るのをイメージしていただければよくわかると思います。釘はどこまでもぐにゅーっと曲がっていきます。割り箸はあるところでいきなりばきっと折れますね。これは粘りのない破壊と言えます。

 唯一、木材で粘りがある壊れ方は、繊維直角方向の圧縮です。いわゆるめりこみ、又は全面圧縮でもそうですが、繊維直角方向に押された時は、変形がどんどん進むけれども力はなかなか抜けず、粘りになります。貫の回転抵抗のようなものは、粘りのある構造です。木材が常に粘らないわけではないのですが、柱が曲がって折れる「曲げ破壊」は残念ながら粘らないんです。

 垂れ壁が付いている柱一本あたりでどのくらいの力を発揮し、耐震性能に寄与するのかを、耐震診断の中で考えています。柱1本とその周辺の垂れ壁だけを取り出してみます。垂れ壁は横から力を受けると平行四辺形になります。その時の柱の頂部から根元までの水平の移動量は、垂れ壁の変形量を表しますが、たれ壁の堅さがわかれば計算で出ます。また、柱はまっすぐなままではなく曲がるので、それがどのくらいかも計算で出せます。縦軸が力、横軸が変形を表すグラフに垂れ壁と柱、各々の力と変形の関係をプロットすると、右のようなグラフが描け、その2本のグラフの変形を足し算することで、垂れ壁の付いた柱の力と変形の関係のグラフが描けます。簡単なモデル化ですが、このように計算できます。

 これを取り入れているのが、今の耐震診断、あるいは文化庁の耐震診断の柱一本あたりの曲げ抵抗の考え方です。ここから先が重要なのですが、問題は柱がどこで折れるかです。柱が折れてからは、力が上がらないので変形を足し算するときに、柱が折れたところで終わります。柱が折れないと、足し算した結果がどんどん上がっていきます。ピークに達すると今度は垂れ壁の方が壊れ始めて力を失って行くので、グラフは山形のカーブを描きます。両者を比べると、柱が折れる位置が違うために最大耐力に差が出ますが、三割くらいの耐力の差で、あまり違わないと思うかもしれません。しかし、大地震の時に何が重要かというとこの最大耐力ではないんです。このグラフの下で囲まれる面積は、柱が折れるとほとんど三角形で、わずかな面積しかありません。柱が折れないと土壁がだらだら壊れていくところまで、ずっとグラフが続きますから大きな面積になり、比較するとえらい違いです。この面積というのが大地震の時の性能を表しており、力と距離のかけ算で、単位はエネルギーです。大地震で建物はだんだん壊れて行くけれど、なんとか倒壊を免れようというときには、エネルギーをどれだけ吸収するかが大事です。このエネルギーの吸収量が大きければ大きいほど、大地震の時に性能を発揮してくれます。縦軸の高さも大事ですが、それだけではなく、この面積の大きさが大地震動時の性能を示していると考えると、柱が折れるか折れないかで、決定的に違うわけです。耐震診断ではこの面積も考慮して許容耐力を決めて耐震診断の中に柱一本あたりの耐力として盛り込んでいます。感覚的におわかりいただけるように、柱が太くなれば折れにくくなります。垂れ壁が強くて頑張ってしまうと柱が折れやすくなる。だから柱が折れないためには柱を太くするか、柱が細ければ、むしろ垂れ壁を弱くするか、その方が性能的には良いということになります。 

 これは、地震被害のあった農家型の住宅の例ですが、結構怖い思いをして中に入ってプランを採り、平面図を起こして、柱の耐力を全部と、少ないながらも壁があるので、土塗り壁の耐力を加算していきます。地震の力が入り被害を受けた方向に、この建物はどのくらいの耐力があったかを計算して結果を見ると、先ほどのグラフで囲まれた面積の考え方で言うと、実は少なく見えた土塗り壁がこわれ始めるまでの間、柱が稼いでくれた面積というのはこんなもんですね。どちらが大きいかということです。建物全体で、土壁も柱もどちらも抵抗していますが、割合から言えば、少なく見えた土塗り壁の方が寄与が大きいんです。これはほんの一例ですが、柱の曲げ抵抗というのは、感覚的に考えると結構有りそうですが、このように実際に積算していくと、そんなに大きくならないということがあります。


 ●貫
次は良く出てくる貫の効果です。貫も耐力的には寄与してくれます。稲山先生が昔やった実験ですが、厚さ30、せいが90で、ベイマツで作った貫を3段入れた試験体と、これはもうやってはいけないくらい貫を厚くして、120の柱に60の厚さの貫を6段入れた試験体で実験をしました。ベイマツは結構堅いので、抵抗力はあると思いますが、そこまでやって、やっと倍率3程度ですね。30ミリの3段の貫だと、倍率にすると0.5くらい、貫の抵抗というのはそんなに大きくないんです。これは、建物の中に接合部の数がたくさんありますから、数で稼いでいるような面はあります。関東だと普通の貫は8分とか9分厚で、それを4段か5段入れますが、入っていたとしても、多分倍率としては0.5程度です。土塗り壁の実験をするときは貫も入れた状態で評価していますから、その中に隠れているぐらいの効果です。本当に貫を効かせようと思ったら、イレギュラーな事をやらないと、大きな抵抗力にはならない。ただ、めりこみで抵抗するので、なかなか壊れない・粘りがある構造になるという利点はあります。格子壁や落とし込み板壁も、同じ様な傾向があります。
 伝統的な木造住宅の、抵抗要素は、いろいろありますが、その中でも、やはり頑張ってくれるのは土塗り壁、柱、あとは土塗り壁の中に潜んでいることが多いですが、貫。それらは、地震に直接抵抗してくれる鉛直構面の要素です。
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posted by これ木連 at 19:43 | Comment(0) | 第1回勉強会(河合直人氏)報告 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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