保有水平耐力とは、地震力などの水平荷重に対して建物が耐える能力を数値化したものです。
建物がどれだけ大きな地震動を受けても倒壊や崩壊を回避できるかを判断するうえで重要な指標となります。
一般的に、耐震設計では許容応力度設計や限界耐力設計といった方法がありますが、保有水平耐力は、主に「限界耐力設計」における考え方として用いられます。
大地震にさらされた際に、建物が倒壊を防ぐために必要な耐力を、部材や接合部ごとに評価し、総合的に確認する手法です。
保有水平耐力が重要な理由
- 安全性の確保
耐震基準では、大地震の発生時でも人命を守ることが最優先とされます。保有水平耐力は、最悪のシナリオを想定しても建物が崩壊しない水準に設計されているかを示す指標です。 - 建物の継続使用
倒壊を回避するだけでなく、大地震後もある程度の使用が続けられるレベルを目指す場合があります。保有水平耐力を高めておくことで、大規模な補修をせずに事業継続が可能になるケースもあります。 - 地震エネルギー吸収
近年の耐震設計は、剛性だけではなく粘り強さを重視します。保有水平耐力を適正に設定することで、建物が塑性化してもエネルギーを吸収しつつ倒壊を防ぐ仕組みを作れます。
保有水平耐力と許容応力度設計・限界耐力設計の比較表
| 項目 | 許容応力度設計 | 限界耐力設計 (保有水平耐力) |
|---|---|---|
| 考え方 | 材料が許容できる応力以下で使用 | 材料の塑性域も考慮し、最悪ケースでも倒壊回避 |
| 地震動レベルへの対応 | 中規模地震までを主対象 | 大規模地震まで想定し、塑性化を許容 |
| 安全性の評価 | 弾性範囲内での安全率 | 弾性範囲＋塑性範囲まで含めて総合評価 |
| 設計の自由度 | 部材寸法や補強方法に制約が多い | 部材に粘りを持たせる設計が行いやすい |
| メンテナンスとの関連 | 弾性範囲に収めるため、使用後の損傷は少ない傾向 | 大地震後は補修が必要になる場合がある |
保有水平耐力を評価するポイント
- 部材の降伏特性
部材（柱・梁など）が弾性域を超えて塑性域に入るとき、どの程度変形しても破壊に至らないかを評価します。降伏点や塑性ヒンジの形成がどこで起きるかを把握し、全体的な水平耐力を計算します。 - 接合部の強度
柱と梁の接合部や、基礎と柱の接合部で剛性や耐力が不足すると、せん断破壊や接合部破壊が先行して建物全体の安定性を損なう可能性があります。接合部は特に念入りに検討する必要があります。 - 崩壊機構の把握
最悪の場合にどのような破壊モードが発生しうるのかを想定し、その破壊モードの形成前に建物が十分な水平耐力を発揮できるかを確認します。柱や梁が順序よく塑性化し、過剰なせん断破壊などが起きない設計が理想です。 - 変形性能の確保
建物全体の変形能力を高めることで、大地震時の衝撃を部材内の塑性変形で吸収できます。保有水平耐力の概念は、単に数値的な強度のみならず、変形性能を含めて検討する点が特徴です。
保有水平耐力の計算例
\[ Q_u = \Sigma (F_y \cdot l_e) \] \begin{array}{ll} \text{ここで:} & \\ Q_u & : \text{保有水平耐力（kN）} \\ F_y & : \text{各部材の降伏強度（kN）} \\ l_e & : \text{塑性ヒンジの形成によるレバーアーム長（m）} \\ \end{array}
これは極めて単純化したモデルですが、降伏強度Fyと塑性ヒンジの位置関係を掛け合わせることで、建物の保有水平耐力を概算する考え方を示しています。
実際には柱や梁、接合部のせん断や軸力など、多角的な検討が必要です。
保有水平耐力の向上策
- 粘り強い部材の採用
高強度鋼材や鉄筋コンクリートでも、降伏後の変形能力に優れた材料を使うことで保有水平耐力が向上しやすくなります。 - 靭性補強
接合部に拘束材（補強筋）を追加したり、溶接部を強化したりして、塑性域へ移行しても破壊しにくい構造を実現します。 - 制震・免震技術の導入
ダンパーや免震装置で地震エネルギーを吸収・遮断することで、部材に過大な力がかからないようにし、結果的に保有水平耐力の評価を高められます。 - 全体バランスの最適化
建物の剛芯と重心を近づけるなど、ねじれを招かない平面・立面計画を行うことで、一部の部材に過大な負荷が集中しにくい設計が可能です。
Q&A
Q1: 保有水平耐力はどのような建物規模から検討すべきでしょうか？
A1: 高層建築や中層のオフィスビルなど、大きな水平力が想定される建物では必須です。木造住宅でも、高耐震仕様を目指す場合に保有水平耐力の考え方を採用することがあります。
Q2: 保有水平耐力設計と耐震等級の関係はどうなりますか？
A2: 耐震等級3など、高い等級を目指す場合には保有水平耐力がしっかり確保されていることが重要です。ただし設計法は複数存在するため、必ずしも保有水平耐力のみで耐震等級が決まるわけではありません。
Q3: すでに建っている建物でも保有水平耐力を向上できますか？
A3: 耐震補強工事や制震デバイスの導入などで向上可能です。ただし補強工事が大規模になる場合もあり、費用対効果の検討が大切です。
Q4: 保有水平耐力と靭性とは同じ意味ですか？
A4: 異なります。保有水平耐力は建物全体が保持している水平抵抗力のことを指し、靭性は材料や構造が塑性変形に耐えられる「粘り強さ」を表します。両方を総合的に高めることが望ましいです.
Q5: 保有水平耐力を明示的に規定している法律や規準はありますか？
A5: 日本では建築基準法や国交省告示、AIJ（日本建築学会）の設計指針などに示唆があります。特に大規模建築物ではこれらの規定に沿って詳細設計が行われます。
まとめ
保有水平耐力は、極めて大きな地震動に直面したとき、建物が倒壊を回避できるかどうかを左右する重要な指標です。
単純に弾性範囲内での安全率だけを見るのではなく、柱や梁が塑性域に達した後もどれだけ耐力を維持できるかを評価することで、より実際の地震挙動に即した設計が可能になります。
接合部の補強やダンパーなどの制震技術、あるいは免震技術の導入によって保有水平耐力を高めることで、建物の安全性と長期使用の両立が期待できます。
大地震後の補修コストや事業継続リスクを低減するうえでも、保有水平耐力設計の考え方は今後ますます重要となっていくでしょう。