第2回：外郭構造のデザイン

前回は地震エネルギーの吸収能力に優れたトラス構造のコンセプトについて紹介しました。

今回はいったんエネルギー吸収部材から離れて、建物の耐震構造計画について考えてみたいと思います。

19世紀初頭まで、ヨーロッパでは煉瓦や石積みによる外壁が床や屋根を支えていました。

鉄筋コンクリートや鉄骨によるフレーム架構が発明されると、外壁は支持材としての役割から解放され、カーテンウォールとして設計されるようになりました。

一方、地震国においては耐震壁や耐震ブレースを各階に設けることが必要であり、多くの場合コア周りや廊下などの間仕切りに沿って配置されています。

しかし、建物が長寿命化を目指すようになると、用途の変更に伴ってこういった耐震要素が邪魔になることが多いこともわかってきました。

敷地や容積率が制限された地域では、改修に際し建物の外壁線を変更することはほとんどありません。

その一方で内部平面は用途に応じて様々に変更できることがサステナブルな建築には求められます。

このような場合、外壁に耐震要素を配置することで内部にオープンな空間を確保する構造計画が有効となります。

ここではこれを「外郭構造」と呼びます。

【図1】は外郭構造を用いた建物の代表的な事例です。

【図1】外郭構造の適用例

外郭構造を「かご」のようにデザインすることで、水平力だけでなく鉛直荷重も支持できる軽快な構造デザインが可能となります。

以下に、筆者が設計に携わった事例を紹介したいと思います。

【図2】は2011年に竣工した東工大の附属図書館です。

建物の90％は地下と緑化された人工丘の下に納まっていますが、三角形状の学習棟が地上部に設置されています。

この学習棟の構造について見てみましょう。

学習棟は地下図書館への入口のキャノピーとして機能させるため、先端が20m近いキャンティレバーとなっており、とても不安定な構造に見えます。

【図2】東工大附属図書館

学習棟の構造を【図3】に示します。

これを見るとこの建物は側面の2つのV架構だけではなく、背面に隠されたY架構との3点支持の外郭架構となっていることがわかります。

しかも各支持点は三角形平面の各辺の中央に設けられているため、建物の重心は支持点の中央に位置しており、あんがい安定していることがわかります。

【図3】学習棟の構造

次に、外郭架構を構成している部材について見てみましょう。

【図4】に見るようにこの外殻架構はせいが500～1,000mm、幅が250mmの扁平な箱型断面で構成されています。

ただし、部材応力はウエブに当たる2枚の鉛直プレートのみで伝達できるよう設計されており、フランジに当たる水平材は座屈補剛の補助材として位置づけられています。

この構成により、接合部は鉛直プレートの縦向き現場溶接のみで接続できるようになり、柱梁接合部もダイヤフラムを通さずに済むようになります。

この納まりは香港などの超高層建築の外殻構造で用いられているテクニックです。

同様の構成で各階床を支える鉛直柱は幅100mmの極薄断面で設計されており、仕上がったあとの立面では外壁サッシュに隠れて全く見えなくなります。

鉄骨建て方時と完成時の学習棟の様子を【図5】に示します。

【図4】外郭構造の部材断面

【図5】鉄骨建て方時と完成時の学習棟（写真：石黒守）

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このように、外殻構造は様々なデザインの自由度があり、小規模な軽量建物であれば地震時の入力エネルギーを弾性範囲で受け止めることが可能となります。

この学習棟は確認申請上$\small D_s=0.4$の保有水平耐力計算で構造設計されていますが、別途時刻歴応答解析を行い、1G相当の応答加速度に対しほぼ弾性限以内に収まるよう設計されています。

本建物は竣工間際に2011年東北地方太平洋沖地震において、最大地動加速度$\small 150cm/s^2$程度の揺れを経験しましたが、幸い外装ガラスを含め被害は皆無でした。

では、今度は鉄筋コンクリート造の外殻構造について見てみましょう。

【図6】は、コンクリート耐震壁を外面に市松状に配置した建物(東工大緑が丘6号館)です。

【図6】鉄筋コンクリートの外郭構造

この建物では、耐震壁を斜めに配列することでブレースとしての機能を持たせています。

内部にはほとんど壁がなく柱も2本しかないため、様々な用途変更に対応することが可能です。

耐震壁は耐震設計ルート2-2を満足する壁量が確保されていますが、それ以上の地震力が加わった際には、耐震壁のせん断破壊によって崩壊メカニズムが決定され、靭性のある架構とは言えません。

外郭の鉛直支持能力が失われれば、各床のポテンシャルエネルギー（位置エネルギー）が解放され、建物は崩壊してしまいます。

そこで、本建物では市松状の耐震壁付き外殻構造の内側に柔らかく靭性の高いモーメントフレームを忍ばせ、これに各床を支持させることで耐震壁の破壊後も水平耐力と鉛直支持能力を確保する構造となっています。（【図7】）

【図7】ダブルフレーム外郭構造

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【図8】内部のオープンな空間

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この複層の外殻構造によって、本建物は耐震性能を確保しながら、【図8】にみるような内部に全く壁のないオープンな空間を実現しています。

今後、大学の施設では組織の改変や講義室と研究室のコンバージョンなど様々な用途変更が求められるため、このような構造計画が求められるケースが増えてきています。

以上の小中規模の外郭構造では基本的に地震時に建物に入力されたエネルギーを剛性・耐力の高い外郭部の弾性ひずみエネルギーとしていったん受け止め、これを地盤に戻して逸散させることで耐えるシステムです。

その間に部材損傷により鉛直支持能力が失われ、各床の持っている膨大なポテンシャルエネルギーを解放させることは避けなければなりません。

建物が高層化すると自重が大きくなるため、足元に要求される耐震要素の量はたちまち大きくなり、やがて外郭構造を大地震に対し弾性で設計することは困難となります。

そこで、第1回で紹介したエネルギー吸収部材が登場することになります。

次回は「エネルギー吸収部材を用いた外郭構造」について紹介していきたいと思います。

>> 「第3回：エネルギー吸収型外郭構造」