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耐震診断と地震に強いビルの判断基準

お役立ち

2013年5月4日

清水建設株式会社 前林 和彦 氏

清水建設株式会社
BCP・防災ソリューション室
室長 前林 和彦

清水建設株式会社 本田 義人 氏

清水建設株式会社
BCP・防災ソリューション室
耐震グループ
グループ長 本田 義人

旧耐震ビルと新耐震ビルは どのように違うのか

建物はすべて、その設計時に制定されている建築基準法に則って構造設計がなされています。建築基準法は、人命の保護を第一に考え、建物が崩壊しないことを目的に1950年に制定されたもの。その後、数回の大地震での被害を教訓に、その都度、耐震性能を増すための改正が行われてきました。

一度目の改正は、新潟地震や十勝沖地震を経験した後の1971年です。二度目の大きな改定は、宮城県沖地震後の1981年です。この頃になると、超高層ビル実現のための研究成果の蓄積や、コンピュータ解析技術の進歩に伴い、地震が建物に及ぼす影響も詳しく分かるようになりました。そこで新たに作られたのが、従来の耐震設計法を抜本的に改定した「新耐震設計法」でした。これを境に、それより以前に設計された建物を、いわゆる「旧耐震ビル」、それより後に設計された建物を「新耐震ビル」と呼んでいます。

新耐震設計法の施行前と施行後で大きく違うのは、耐震性能の考え方です。施行前は、建物の重量に基づいて地震力(地震時に建物に作用する力)を一義的に定め、それを上回る強度を建物に付与することにより耐震性能を確保するという考え方でした。一方、施行後は、強度だけでなく地震時の建物の挙動や、柱や梁の粘り(変形性能)にも配慮するようになりました。具体的には、壁の偏在による地震時の建物のねじれ(偏心率)や、各階の壁の配置量のばらつきによる特定階への変形の集中(剛性率)の考慮、柱や梁の脆性的な破壊の防止などです。つまり、従来よりも極めて厳しい耐震基準が採用されることになったのです。

また、新耐震設計法では、地震時に建物に作用する力の大きさを二段階で考え、それぞれに目標を設定しています。建物が存続する間に何度か遭遇する可能性のある震度5強程度の中小地震に対しては、建物の機能保持を図る。一方で、建物が存続する間に一度遭遇するかもしれない震度6強〜7程度の大地震では、建物の機能は失われたとしても、人命が損なわれるような建物崩壊は回避する。このように、大地震での人命保護を明確に打ち出していることも新耐震設計法の特徴です。

新耐震設計法で規定された新基準は、既存の建物へは効力を及ぼさないため、新基準に適合しない旧耐震ビルが今もそのまま使用されています。もちろん、旧耐震ビルのすべてが耐震性能に問題があるわけではありません。しかし、新耐震設計法の施行後に起こった阪神淡路大震災では、新耐震ビルの被害は軽微だったのに対し、旧耐震ビルでは倒壊や大破など甚大な被害が顕著でした。古い建物ほど経年劣化の影響を受けやすいとはいえ、新耐震設計法施行の前後での耐震性能の差は明らかだと言われています。

 阪神淡路大震災の被害状況をふまえ、1995年には耐震改修促進法が公布・施行されました。これにより、旧耐震ビルのうち特定の用途かつ一定規模以上の建物については、新耐震ビルと同等の耐震性能を確保する努力義務が課せられたのです。その耐震性能を測定するツールが、耐震診断です。診断の結果、基準を満たさない場合は、耐震性能を引き上げるための補強や改修を実施することが求められています。実際に旧耐震ビルに対して耐震診断を行うと、現状のままで十分な耐震性能を確保しているビルはごくまれです。当社の耐震診断実績からすると、必要な耐震性能レベルの7〜8割程度となる事例が多くなっています。一方で、新耐震設計法の施行後に建築された新耐震ビルについては、耐震規定に適合したビルであるとの位置づけのため、あえて耐震診断が行われることはありません。

ところで、新耐震ビル、旧耐震ビルの範疇に区分できない建物があります。国土交通省の大臣認定が必要となる、高さが60mを超える高層ビルです。これら高層ビルの建築には、建築基準法の規定よりもさらに厳しい基準での設計が求められているため、建設時期にかかわらず、必要な耐震性能を満たしているものと考えられています。とはいえ最近は、長周期地震動の超高層ビルに与える影響などの問題が指摘されるようになり、新たな規制の枠組みについて議論されているところです。また、超高層ビルであっても自主的に耐震リニューアルを実施し、さらなる耐震性能の確保による建物の価値向上を図るケースも見受けられます。

一般的な建物への適用が多い 第2次耐震診断法

耐震診断のフローチャートの例

耐震診断のフローチャートの例

それでは、耐震診断とはどのような診断なのでしょうか。

鉄筋コンクリート造や鉄骨鉄筋コンクリート造の場合、診断方法には「第1次診断法」「第2次診断法」「第3次診断法」の3つがあります。第1次診断法は、柱と壁の強度を水平断面積から求め、それに基づき建物の耐震性能を算定する簡便な診断法です。それに対して、第2次診断法は、柱や壁に内蔵されている鉄筋や鉄骨の効果も加味してそれらの強度、変形性能を定め、それに基づき建物の耐震性能を精密に診断します。ここまでの1次と2次では、梁は壊れないものとして検討対象外としていますが、梁も加えて柱と壁と梁の強度、変形性能から耐震性能を精密に診断するのが第3次診断法です。

どの診断法を採用するかは、建物の構造的な特徴や診断の目的などを考慮して決定します。例えば、壁の多い低層の建物を短時間で診断するには、第1次診断法が適しています。また、柱に比べて著しく梁が弱い建物などには、第3次診断法を用います。その他の一般の中層建物のほとんどには、第2次診断法が適用されます。よく誤解されるのですが、1次から2次、3次へと次元が上がるほど、上級の診断法になるわけではありません。2次の後には3次を行ったほうがいいということではなく、第2次診断法が適した建物と、第3次診断法が適した建物があるということです。

そのような中で、現在最も多く行われているのが第2次診断法です。過去の震災では、柱の損傷が落階や倒壊といった深刻な被害と直結していることが多いため、一般的な建物の耐震性能を評価するには、柱や壁を詳細に評価する第2次診断法が適していると考えられているのです。

耐震性能を示すIs値0.6以上が目安

耐震診断において、構造体の耐震性能を示すのが「構造耐震指標(Is値)」と呼ばれる指標です。Is値は、次の式によって求められます。

Is=Eo×SD×T

Eoとは、建物が保有する基本的な耐震性能を表す指標で、建物にどのくらいの力が加わると壊れるのか(強度)、建物が壊れずにどこまで変形して持ちこたえられるか(変形性能)などを考慮して算定します。SDは、建物の形状の複雑さや、剛性バランスの良し悪しなどが耐震性能に及ぼす影響を表す指標(形状指標)、Tは経年による劣化が耐震性能に及ぼす影響を表す指標(経年指標)です。

Is値の必要最低レベルを示す指標が、「構造耐震判定指標(Iso値)」です。これは、過去の地震で被災した建物のIs値と被災度の関係を調べ、人命が損なわれないためには、つまり倒壊や大破しないためにはどの程度のIs値が必要か、という検証もふまえて定められた値です。第2次診断法を採用した場合、Iso=0.6という数字になります。ただし、地域によっては、地震発生の確率の高低によって地域地震係数が加味されるため、Iso値が異なることにも注意が必要です。例えば、地域地震係数が1である東京都内では、Iso=0.6×1=0.6です。その一方で、全国には地域地震係数が0.9や0.8という地域も多く、地域地震係数が0.9の地域ではIso=0.6×0.9=0.54となります。この場合、Is値が0.54以上であれば、必要な耐震性能を確保していると判定されます※。

他にも耐震性能に関わる指標にはCTUSD値やq値があります。Is値が強度と変形性能に基づく指標であるのに対し、CTUSD値やq値は強度のみを考慮した指標です。なぜこれらの指標が存在するのかというと、耐震性能にはある程度の強度が必要だという考えからです。Is値は、強度が低くても変形性能が極端に高ければ、計算上は0.6以上になり得ます。しかし、過度に変形性能に期待すると、構造体が安定性を失って一気に倒壊したり、ドアやガラスなどの非構造体が損傷を受けることが予想されます。そこで最低限の強度を確保しているかどうかを判断するために、CTUSD値やq値も参考にするのです。とはいえ、耐震診断が必要なコンクリート系の古い建物は堅いという特性があり、変形性能はそもそも高くないため、CTUSD値やq値が問題になることはあまりありません。

※地域地震係数の取り扱いについては、上述のとおりIso値に乗じて判定値を引き下げる方法 と、判定値はそのままとして評価値であるIs値を地域地震係数で除して評価値を引き上げ る方法がある。

耐震診断結果の例

1地震力の加力方向 地震力の加力方向はX方向の正加力(→)・負加力(←)、Y方向の正加力(↑)・負加力(↓)の4方向があり、各々耐震性能を評価する
2破壊形式 強度指標、靱性指標を決定付ける、個々の部材の壊れ方
3強度指標 建物の耐震上の終局強度を表す強度指標
4靱性指標 終局強度時の変形性能(どこまで壊れずに変形できるか)を表す靱性指標
5Is値 Is値は構造耐震指標と言い、Is=Eo×SD×Tにて算出される
6Eo値 強度指標、靱性指標から算出される、構造体の基本的な耐震性能を示す保有性能基本指標
7SD値 平面形状の整形性や階高の均等性、剛性バランスの良し悪しなどによりEoを低減する形状指標。最大で1.2の値となる。耐震補強を考える上ではこの値の改善も効果的
8T値 竣工後の経年劣化に基づく構造体の性能低下を評価しEoを低減する経年指標。2次診断では0.49〜1.0の値となるが、0.9を下回る事例は稀
9CTUSD値 強度のみで決まる値で、過大な変形性能を見込む弊害を除外するための指標。過大な変形性能を見込むと、構造体の変形に対し固定された仕上げや設備等が追随できず、開閉障害や脱落等の発生が懸念される。Is値とCTUSD値が判定ギリギリでOKという場合なども要注意
10判定 判定は、加力方向毎(4方向)及び各階毎に示される

耐震壁や鉄骨ブレース 強度増大のための補強が中心

耐震補強の考え方

耐震補強の考え方

当社は、1995年に耐震改修促進法が施行されてから現在までに、2,000件を超える耐震補強を実施してきました。その内訳としては、生産施設が最も多く全体の33%、次にオフィスが25%です。採用した補強工法は、耐震壁の新設や、耐震壁の増打ち、鉄骨ブレースによる強度を増大する補強が多くなっています。

このような補強工法が多く採用される背景には、工事の効率や、建物の利用者が建物の中に居ながらにして工事を行えるといった利点が挙げられます。前述のように、耐震性能は構造物の強度と変形性能で評価されるため、耐震性能を高めるには強度を上げるか、変形性能を上げるか、もしくはその両方を上げる必要があります。強度を上げるには、耐震壁や鉄骨ブレースを必要な台数だけ設置するなど局部的な対応で可能ですが、変形性能を高めるには構造体すべてが工事対象となり建物全体に手を加えることになりかねません。建物全体への工事になれば、建物内に居ながらにしての改修は難しく、また工事期間も長期化が予想されます。そのような理由から、局部対応が可能な強度を増大する補強計画となることが多いのが実状です。

耐震壁や鉄骨ブレースなどの補強工法を採用すると、外観が変化したり、屋内の使用性が低下するなどの問題を生じる場合があります。また、コストの点からは、できるだけ補強箇所を減らすのが効果的です。その結果、補強工事は往々にして必要とされる耐震性能をギリギリで確保するものとなります。このような補強を行った旧耐震ビルの耐震性能は、建築基準法で定められた最低限の耐震性能(=基準級)、つまり大地震が起きた場合に、人命は守れるが建物はおおよそ中破程度の損傷を被るレベルです。それ以上の耐震性能を目指すには、例えば東京ではIs=0.6ギリギリを確保するのではなく余裕を持たせるほか、これまで述べてきた耐震構造ではなく、制震構造や免震構造を採用する方法もあります。

耐震構造と、制震構造や免震構造では、地震に対処する仕組みが全く異なります。耐震構造が、建物の骨組みを強化することで地震の揺れに耐える強度や変形性能を生み出すものであるのに対し、制震構造は制震ダンパーが地震エネルギーを吸収して揺れを低減する構造、免震構造は免震装置により地震の揺れを直接建物に伝えにくくする構造になっています。耐震構造と他の2つの構造では、耐震性能の評価手法が異なるため、同じものさしで比較することはできませんが、実現できる耐震性能レベルとしては、耐震構造<制震構造<免震構造の順になります。大地震が起きても局部的な被害に抑える上級レベル(小破程度)や、被害がほとんど生じない特級レベル(軽微・無被害)の耐震性能を確保するには、必要な補強量とそれによる建物の使用性の低下も加味すると、制震構造や免震構造に分があります。特に天井や間仕切り壁などの非構造部材や設備機器、さらには家具や什器類の被害を抑え、建物の機能維持までも考慮するなら、免震構造は最も適したものといえます。

BCP観点から見たビルの判断基準

東日本大震災以降、BCPの観点から、建物の耐震性能を重視する企業が増えています。先の震災では、津波の被害が強烈なインパクトを残しましたが、その一方で地震の揺れによる被害も少なからず起こっています。構造体には大きな被害はなくても、天井が落ちるなど非構造部材の損傷による被害が多数報告されているのは周知の事実です。人命の保護を図るという、新耐震設計法が目指す最低レベルの耐震性能を確保するだけでなく、事業継続を実現するための耐震性能が求められているのを強く感じます。

当社では、BCPの観点から、立地環境と施設全体の安全性を総合的に判断する「総合防災診断システム」を提案しています。これは、施設のBCP対策を進める第一歩として、施設全体の防災上の課題を抽出する診断です。評価項目として、立地環境、建物躯体、内外装、各種設備、防火・避難、BCPなど6分野110項目を設定しています。建物の安全性を総合的に判断するなら、建物自体の耐震性能だけでなく、立地の安全性や、周辺地域の状況なども考慮する必要があるでしょう。オフィスビルの安全性を判断する際にも、こうした総合的な視点が、今後ますます重要になると考えます。

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上記の記事の内容は オフィスジャパン誌 2013年春季号 掲載記事 掲載当時のものです。

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