2009年02月28日

第1回伝統構法を考える勉強会報告(3)・・・建物全体の挙動(水平構面・建物全体の構造モデル)

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■建物全体の挙動
 ●水平構面
 鉛直構面を繋いでいる水平構面と呼ばれる、屋根や2階の床などは、どういう働きをしているのでしょう。それを考えるには、建物全体でどういう動き方をするのを見ていかないと話が進みませんので、全体の挙動を考えてみましょう。
  
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図11:昭和60 年八郷町民家水平加力実験
 古い話になりますが、昭和60年に筑波の八郷町で、明治の末に建てられた農家型民家の水平加力実験をしました。私も若い頃で、「ああ、民家というのは工学的に見ようとしたらこういうふうに見えるんだな」という、その時つかんだ感触を未だに引きずっている、そういう感じの実験です。この時は大黒柱と長者柱の間に松丸太を並べて、そこに油圧ジャッキを挟んで、そこからワイヤーを伸ばし、このワイヤーはユンボにくくりつける。ユンボは引っ張っているのではなく、あくまでもワイヤーを固定するだけの働きです。実際に建物を動かすときには、後ろのジャッキは遊ばせておいて、手前にあるジャッキを縮めていくと、この建物がだんだん前へせり出してくる。今度は、前はゆるめておいて、後ろのジャッキを縮めると、建物は全体後ろへ動いていく、そういう加力をしました。

 出来上がった荷重変形曲線は、結構きれいなカーブが取れました。最大耐力に達するくらいの変形量でだいたい傾き1/30ですが、特に目立った損傷はありませんでした。最大耐力がいくらかというと5tをちょっと超えたくらいです。建物の自重との比率でいくと、0・2とか0・25です。決して高くは無いです。他の色々な民家の実験がありますが、だいたいそんな感じのものが多いです。
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 図12:八郷町民家実験荷重変形曲線 図13:水平構面変形状態

 この時に得られたデータで、変形状態を上から見ると、最初は長方形だったものが、どんどん形が崩れて来ます。つまり、水平構面が決して剛ではない。よく構造で、「剛床仮定」(ごうしょうかてい)と言って、上から見て長方形だった建物は揺れた後も長方形を保っているという仮定をして解くことが多いのですが、それが成り立ちません。この時の印象はとにかく水平構面が柔らかいなあというものです。

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 図14-1:竿縁天井(左)格天井(右) 
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 図14-2:瓦葺屋根(左)茅葺屋根(右) 
 その後、文化庁の耐震診断を考えていた時期だったと思いますが、実際に水平構面の加力をしたらどうなるのか、水平構面だけ要素を部分的に取り出してきて
実験をやりました。竿縁天井、格天井、それから瓦葺きの屋根で、これは丁寧に、下にトントン葺きをやっています。それから、茅葺き屋根。こういう実験は、
滅多にやられていないんですが、実際に試験体を造って実験をしました。実験で得られた力と変形の関係を見ると、竿縁天井は、変形が進むとイナゴがポンポンとはずれて、力が下がるんですが、相当大きな変形まで耐力は保っていました。同じように他の物もそう言う意味ではわりと、粘りのある性状を示していて、耐力的に一番強かったのは、瓦葺きの屋根です。下にトントン葺きがあって、それが竹釘で止まっているので、面として頑張ってくれました。茅葺き屋根は残念ながらとっても柔らかいです。抵抗がほとんど無いと言っていいくらい。竹を縛ってあったりしますから、大変形になったらそれなりに頑張ってくれるのかなと思いましたが、そうでもないんです。むしろ茅葺き屋根は無いと思っていいようなものかもしれません。

 まとめると、全面土塗り壁は耐震壁として働く、柱の曲げ抵抗というのもそれなりにある。ただ、柱の曲げ抵抗は土塗り壁に比べると格段に柔らかい、それから柱が細くて折れると、耐震性能に寄与する割合がかなり低くなる。それから、屋根、天井、床、などの水平構面は結構柔らかい。そのようなイメージを持っています。


●建物全体の構造モデル
 それではそういうものは構造力学的に、どういう力で建物全体がどう変形するかを、簡単に解けないのかと言うと、解けます。水平構面がそのような変形をするというモデルを作ればよくて、これは、兵庫県南部地震で被害があったお寺で、修理工事をした時の建物全体のモデルです。垂れ壁、柱がある、柱の曲げ破壊が結構大きかった建物なんですが、ブレース置換と言って、モデル上、等価な働きをするブレースとして、水平構面を表し、建物全体を解くと、三次元的に水平構面も変形するモデルが出来ます。実際、補強後の解析でこういうことを安芸構造計画事務所の古川さんという方がやられていました。こういうモデルは作るのが大変なので、もうちょっと簡単にならないかと、私が今提案しているモデルです。結構使い勝手がよいので、お勧めをしています。
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図15:瓦葺屋根(左)茅葺屋根(右) 図16:パンケーキモデル

 これは柱の列が3×4並んでいる1階建て場合のモデルです。水平構面が平行四辺形に変形するというモデルを作り、これだと、どのくらいの力が加わると、どういう変形をするかを解くには、最終的に連立一次方程式を解きますが、もっと面倒くさい計算になると、連立一次方程式はマトリックスの形になって、逆行列演算をします。そのマトリックスの大きさが、この柱列の数だけになります。柱と柱の間の伸び縮みが無いという前提条件を置くと、7×7の大きさのマトリックスを解く、別の言い方をすると7元の連立一次方程式を解く問題になります。7元の連立一次方程式くらいだとエクセル上で簡単に解くことが出来ます。これが非線形の領域、つまり直線的に力と変形の関係が上がって行くのではなく、変形ばかり進むようになるところまで追いかけて、エクセル上で計算することも可能です。こういった簡単なモデルで建物が表現できれば、割合簡単に、水平構面が変形するようなもの、つまり伝統木造の伝統木造的な解き方も出来る。
2階建てになったらどうかというと、また2階建てで、マトリックスを足せば良くて、この場合だと、柱列がこちらに4列こちらが5列あるので1層なら、4プラス5の9×9のマトリックスを解けば良いんですが、2階があると、18×18のマトリックスを解けばいい、それだけのことです。
2〜3年前に大工育成塾の卒業制作の建物の静的加力実験をやり、それをこれで解こうとしたんですが、あれは、通し柱というのが結構効いています。このモデルはこのままだと通し柱の効果が入れられないのですが、ちょっと頑張ってマトリックスを工夫すると通し柱の効果も2階建てくらいまでなら簡単に入れられます。なので、私としてはお勧めです。
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posted by これ木連 at 18:08 | 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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