講 座Lecture「安全率を考える」第３回

Returning to the fundamentals of safety factor No．
３

３．建築構造物の設計と安全率
Design of building structures and their safety factor

キーワード：水平震度，応答倍率，荷重のばらつき
Key words：horizontal seismic coefficient, amplification ratio, variability of actions
高橋徹 Toru TAKAHASHI／千葉大学 Chiba University

３．
１ はじめに法施行規則において当初規定されていた荷重は自重と積本稿をお引き受けする際に，若干とまどったのは，私載荷重のみであった。上述の諸外国における条例や事前的には現在の建築物の設計，特に耐震設計においては陽の学会による下案などには存在したにもかかわらず，法な意味での安全率という概念はほとんど無くなっている

令となる段階で削られたのは，荷重の性質が良くわからのではないか，と考えていたことだった。だとすれば，なかったからであろうといわれている。地震荷重につい何について議論をすれば読者の期待に応えられるのだろては諸外国の規定にも存在せず，佐野利器による家屋耐うか，ということを考えた末に，本稿では建築物の構造

震構造論は１９１５年に発表されているが，施行規則に取り設計において安全率という概念がどのように取り扱われ入れられたのは関東大震災の被害を受けて改正されたてきたのかをまず歴史的に概観し，現在の状況について

１９２４年のことである。

簡単に解説することにした。肩すかしにあった読者諸兄

３．
３ 水平震度の導入と構造安全率には悪しからずご了承いただきたい。本編に入る前に，関東大震災ではレンガ造のみならず最新の鉄筋コンク建築物の構造設計で考慮している荷重の概要を図示する

リート造の建物も軒並み被害をこうむったことを受け，と図３．
１のようになる。建築構造物はこれらの荷重・外市街地建築物法にも耐震規定が取り入れられた。東京の力に対して安全であるように設計される必要がある。

下町では水平震度０．
３程度の地動が起こりうると考えら

３．
２ 許容応力度設計と材料安全率

れ，そのようなごくまれに起きる外力に対しては安全率

日本で建築物の構造設計が行われるようになったのはを設ける必要がないという判断の下，水平震度０．
１に対江戸時代の鎖国が解けてレンガ造の建築物が建てられるして許容応力度設計を行うことが規定された。これには，ようになってからである。当然のことながら規定類は整水平震度１／１５でほぼ無被害だった，内藤多仲設計の日備されておらず，シカゴ市条例やベルリン市条例などの本興業銀行本店の存在も大きかったと言われている。当諸外国の規定が参考とされた。そこで用いられている設計法は許容応力度法であり，材料強度として鋼材強度とコンクリート強度が規定され，材料強度を許容応力度で除した材料安全率としては３程度が採用されていた。他
方，建築物の構造設計においては入力となる荷重が非常にばらつくので，設計荷重というものが規定される。したがって，安全率というのはこの設計荷重に対する構造物の破壊までの安全の余裕度，ということになる（図３．
２参照）。ところが，初期の構造設計においてはこの設計荷重をどのように規定するかについても模索段階だったので，諸外国の規定値がそのまま用いられることが多かった。わが国独自の規定が定められるには明治１０年に開学する工部大学校の卒業生が活躍するのを待たなければならなかった。（なお，正確には明治４年に工部省工学寮が，明治６年には同寮に大学が設置され，１期生は明治６年に入学している１）。
）
ところで，わが国最初の構造規定である市街地建築物

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図３．
１ 建築物を取り巻く荷重・外力

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講 座

図３．
２ 地震力と許容応力度・建築構造物の耐力の関係（鉄筋コンクリート構造物のイメージ）

時は建物の応答という概念がなく，剛体に作用する水平鉄骨の短期許容応力度は降伏応力度と同じレベルまで高外力のイメージで設計されていたと思われる。結局，東く設定された。ここに到って（鉄骨造については）材料

雪荷重京下町における地震外力に対する安全率は１．
０と安全率も１．
０になったことになる。

いうことになる。ただし，構造物全体で考えれば，どこ

１９５０年に制定された建築基準法では，基本的にこの考か１箇所が降伏したからといって全体が崩壊するわけでえ方が継承された。すなわち，コンクリート強度に関しはないので，その意味での安全率は存在した。しかしなては長期で３，短期で１．
５，鋼材強度に関しては長期でがら，当時はそのような塑性状態まで考慮する技術が存

１．
５，短期で１．
０（ただしこれらは破断強度ではなく降伏在せず，ましてや想定した外力を超える地震力がどの程強度に対するもの）という材料安全率が設定された。市度の頻度で襲来するのかなどうかがい知ることはできな

街地建築物法と比較してコンクリートに対する短期の許かった（図３．
２a）参照）。

容応力度は２倍（安全率は半分）に設定されたので，対

３．
４ 臨時戦時規格

応する水平震度は２倍に設定された。これが，今日に到水平震度導入からあまり時を置かないうちに，日本はるまで許容応力度設計（許容応力度等計算による耐震設中国と，次いで欧米列強と戦争に突入し，２０年もたたな計の１次レベル）に用いられている（図３．
２b）参照）。

い１９４
３年に市街地建築物法は停止され，臨時戦時規格が３．
６ 地震・応答の研究と新耐震導入された。物資を節約するために許容応力度を従来のところが，当初下町での関東大地震レベル（水平震度２倍まで引き上げ，それに応じて地震力を下町で０．
２，０．
３の地動）を想定していたはずの水平震度０．
２は，その山の手で０．
１５と定めた。山の手では実質的に地震力を低後の研究で，建物の応答というものがどういうものかが減したことになる。積載荷重の値は引き上げられなかっ明らかになるにつれて，一般の建築物に対しては震度４たので，常時の荷重に対しては安全率が小さくなったこの上限から震度５弱にしか相当しないことが明らかにとになる。

なってきた。どういうことかというと，弾性応答によっ３．
５ 日本建築規格３００１と建築基準法て地動が建築物の応力になる時に加速度が２．
５倍〜３倍

戦後，市街地建築物法は停止したままだったので，に増幅されることがわかってきたのである。そうなると，

１９４
８年に日本建築学会により日本建築規格３００１という構関東大地震クラスの地動０．
３Gを受けると，弾性応答だ造規定が定められた。ここで初めて長期と短期という２とすると水平震度にして０．
７〜０．
９程度の応力が発生する本立ての許容応力度が提案される。これは常時の荷重にことになる。さらには，地震動の観測結果などから，下対してはより大きな安全率を確保する一方で，非常時の町での地動０．
３Gというのはやや小さく，明らかにそれ荷重に対してはよりぎりぎりの応力度まで材料強度を見以上の入力が想定されるという認識が専門家の間で広ま込もうとする考え方であった。したがって，正確には荷るにつれて，水平震度０．
３の先は我関せずでは設計クラ重の長期載荷・短期載荷とは関係ない。これに伴って，イテリアとして不十分で，弾性応答で水平震度１．
０程度

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図３．
３ 荷重と耐力のばらつきと設計値になるような入力（地動で０．
４G程度）に対する応答を，程度に抑えるか，という命題であり，その確率をどの程塑性領域まで考慮して設計することの重要性が法律に盛度に設定すべきか，という問題については，正直なとこり込まれることになった。これが１９８１年の建築基準法施ろ，日本建築学会でも意見が統一されているわけではな

行令の大改正（新耐震法）である。この時点で初めて，い。参考資料としては近年の建築雑誌２）や，荷重運営委

建築物が存在する期間内に発生するか否かがわからない員会・最低基準のあり方に関するWG報告書３）などが挙ようなごくまれに発生する地震動に対しては建築物の塑げられるであろう。

性化を許し，中にいる人の命だけは守る，という設計クライテリアが導入された（図３．
２c）参照）。

荷重も耐力もばらついているときにその破壊確率をどのように考えればよいのかについては信頼性工学の分野

市街地建築物法に水平震度法が導入された当初には材で研究されており，その概略を記すだけでも本稿に許さ

料安全率３．
０を見込んで弾性設計していたのに対し，新れた紙幅を超過するのは明白ではあるが，誤解を恐れず耐震設計法では最初から塑性化することを前提に設計しにごく大雑把にまとめれば，何らかの手法によって構造ているところが特徴的であり，安全率という概念がない物の望ましい破壊確率を設定することができれば，荷重と述べたのはこのことを指している。と耐力それぞれのばらつきを考慮して，設計点を設定す

３．
７ 限界状態設計法

ることは可能である。ここで規定される設計点は上述のここまで述べてきた地動や材料強度・構造物の応答にような材料レベルで規定することも可能ではあるが通常はばらつきの概念は含まれていなかった。実際には材料は構造物の崩壊モードを考慮してシステムとしての破壊強度にもばらつきが存在するし，応答は構造物の減衰を確率を考えるのが普通である。建築物の場合，一般のビどの程度見込むかによって大きく異なる結果をもたらす。

ル物では不静定次数が高いので地震動に対するロバスト

さらに，地動もどのような揺れになるのか起こってみな性（構造安定性）は高いと言える。

ければわからない。都合よく０．
３Gまたは０．
４Gの揺れが起きるほうがまれであろう。となれば，建築基準法を守っ３．
８ 建築基準法と建築関係者の現状性能規定型設計を標榜した１
９９８年の建築基準法改正は，ていれば１００％安全性が確保されると考えるのは幻想に外圧によるところが大きかったにせよ，構造設計者に上過ぎず（そもそも，建築基準法で規定しているのは公共述のようなばらつきを考慮した設計法への道を開くことの福祉を確保するための最低水準である），建築物が破になるのではないかと期待された。ところが，内閣法制壊する可能性もあるのだ，ということを冷静に心得てお局などとの調整過程を経て２０００年に施行された同施行令く必要がある。技術者が対応可能なのはその確率をどのでは，「限界耐力計算」という似たような響きの計算過J. of the Jpn. Landslide Soc., Vol.44, No.4263 (2007)

５９講 座程が導入されたが，荷重に関してはある程度の地域性やばらつきが考慮されたものの，耐力のばらつきについては考慮されなかった。諸外国においてはLRFD（荷重耐力係数設計法）や部分係数設計法に代表される限界状態設計法が広く用いられるようになっている中で残念なことである。
そんな中で，２００５年１１月には姉歯元一級建築士による構造計算書偽装事件が明るみに出て，社会的な問題となった。前述のように建築基準法は最低基準であるのに，それに対する安全率を０．
５以下にまで下げるという前代未聞の事件であったが，それに引き続いて類似の事件が何件か発覚し，建築基準法や建築士法の大改正につながっていることは周知のとおりである。
ここで，彼が節約しようとした建設コストがどの程度のものであったのか，神田ら４）による興味深い試算があるので紹介しておく（図３．
４）。この試算によれば，構造種別によらず，耐力を半分にすることによって節約でき

図３．
４ 標準せん断力係数C０と建設費の関係４）

る建設コストはわずか５％ほどであり，逆に言えば，耐力を２倍にしてもそれによって上昇する初期建設コストは１０％程度である。たった５％を節約しようとしたがために，何人もの人々の人生設計を狂わせることになってしまったとは何とも痛ましい。もしもこのような関係が広く一般に知られていれば，このような事件は起きなかったのではないかと悔やまれる。
神田らの研究には話の続きがあり，もしも構造耐力が高ければ地震などの外乱で損傷を受ける確率は低くなる。
初期建設コストの勾配が比較的なだらかなので，建物の存在期間中での総費用は現行設計水準付近でほぼフラットになってしまう（図３．
５）。長期的視点を持つことが出来れば，Pareto最適解として何処を指向すべきかは，賢図３．
５ 初期建設費と期待損失・総費用の関係３）

明な読者には自明であろう。
３．
９ まとめ
市街地建築物法に水平震度の概念が導入されて以降のいない状態とも言える。
もし，全ての部分的な安全率の意味づけが明確になり，耐震規定における安全率の概念とその周辺について概観

建築基準法などで規定されたとしても，全ての建築物のし，今日の建築物の構造設計における問題点を指摘した。

耐力が最低値に集まってしまっては望ましい状態とは言実際の構造設計はもっと詳細で多岐にわたるので，例えまい。自然外力のばらつきを制御することは所詮不可

えば設計コンクリート強度と実際に打設されるコンク能なので，施主や利用者の意見を取り入れながら設計者

リート強度の違い，型枠寸法の誤差，鉄筋の位置や鉄筋が適切な安全の余裕度を見込むこと，しかもそれは確率の定着長さの誤差，各種設計式で見込んでいる安全の余的にしか論じることのできない安全性なのだと理解する

裕度，設計で見込んでいない雑壁の剛性や耐力，そしてことしか道はないのではないか，と考えている。

何よりも，設計者が各自の判断で見込む安全の余裕度により，部分部分ごとに少しずつ安全側に評価されること

参考文献

が多く，設計で見込んでいる地震動を上回る地震動が

１）大橋雄二：日本建築構造基準変遷史，日本建築センター，１９９３．
２）日本建築学会：特集「建築基準法．最低基準の意味」建築雑誌Vol．
１
１９，No．
１５２６，２００４．
１２．
３）日本建築学会・構造委員会・荷重運営委員会：最低基準に関するWG報告書，http : //news-sv.aij.or.jp/kouzou/s10/WG01/
４）神田 順，浅野美次，石井 修，鈴木哲夫，橋元正美：地震
荷重を変動させた時の各種建物の建設費について，日本建築学会大会学術講演梗概集，B−１，１
５−１６，１９９４．
（原稿受付２００７年９月２６日，原稿受理２００７年１１月９日）

襲ったとしても多くの建築構造物が健全な状態を保っていることは最近の兵庫県南部地震，新潟県中越地震などの被害地震の被災例をみれば明らかである。
大局的にみれば，設計の中で見込んでいる種々の安全率によって建築構造物の安全性が確保されている状態，ということができようが，実際の建築構造物がどの程度の安全余裕度をもっているのか，実はまだ良くわかって

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