JP5130129B2

JP5130129B2 - 木造軸組工法住宅の許容応力度計算を支援するコンピュータプログラム

Info

Publication number: JP5130129B2
Application number: JP2008162145A
Authority: JP
Inventors: 美奈清川
Original assignee: Fujitsu FIP Corp
Current assignee: Fujitsu FIP Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP2010001670A

Description

木造軸組み住宅建築に関して、建築基準法および住宅の品質確保の促進等に関する法律の下では構造の安定に関する性能評価を行うことが求められている。財団法人日本住宅・木材技術センター企画編集による「木造軸組工法住宅の許容応力度設計」によれば、構造の安定に関する性能評価は、地震荷重を柱および壁に配分し、偏心率に基づく捩れ補正係数を考慮して、柱および壁の発生応力と許容応力を比較するという流れに沿って行われる。

いわゆる建築物の構造計算をコンピュータによって行うためのプログラムは種々開発されているが、木造軸組み構造の許容応力度計算を支援するものはない。また、木造軸組み建物の構造が決定された場合に、地震時に当該構造に発生する応力または荷重を計算するプログラムを開発すること自体は一般に容易であるとしても、地震時に発生する応力または荷重が、柱または壁の許容応力または許容水平荷重を超えている場合に、構造をどのように修正すべきかは、技術者の熟練と勘によるところが大きく、設計を修正しては地震時の応力または荷重をチェックすることを繰り返すために非常に大きな時間と労力が費やされる作業であった。

本発明は、技術の現状が有する上記のような困難に鑑み、木造軸組み工法住宅の許容応力度設計をする際に、対象構造物の地震時発生応力または荷重を計算するだけでなく、発生応力または荷重が当該部材の許容応力または許容水平荷重を超えている場合に、発生応力または荷重が許容応力または荷重未満になるよう自動的に構造を修正するとともに、修正された構造が許容応力度設計基準を満たす（つまり、発生する応力または荷重が許容応力または荷重未満である）ことを計算によって確認するものである。

したがって、木造軸組工法住宅の構造の決定のための労力が大幅に削減され、作業の迅速化が図られると共に、技術者の熟練と勘に依存しない構造設計手法が提供される。本発明はこのような許容応力度計算を支援するコンピュータプログラムおよびこれらのコンピュータプログラムを格納した記憶媒体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、木造軸組工法住宅の許容応力度計算を支援するコンピュータプログラムであって、与えられた構造に対して、
ａ）水平方向の地震荷重または風荷重と当該階の水平剛性の総和の比から、当該階の剛性の過不足について１次判断をする過程と、
ｂ）剛性が不足すると１次判断された場合には、当該不足分の剛性を所定の位置に追加する過程と、
ｃ）ねじれ補正係数を考慮した所定の計算式に基づいて、各通りの構造部材の追加剛性を含む剛性から、各通りの構造部材が負担する地震荷重及び風荷重を算出する過程と、
ｄ）各通りの構造部材が負担する荷重と当該通りの構造部材の許容水平荷重を比較する過程と、
ｅ）１または２以上の通りにおいて構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重を超えた場合、当該構造部材の剛性を負担荷重と許容水平荷重の比に応じて増大させる過程と、
ｆ）増大された構造部材の剛性に基づいて前記過程ｃ）ないしｅ）を、構造部材の剛性の増分としては過程ｅ）を最初に実行した際に決定した増分を変更せずに、構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重以下になるまで繰り返す過程と、
ｇ）構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重以下になった場合は、その際の各通りの構造部材が負担する地震荷重及び風荷重、許容水平荷重、および、過程ｂ）およびｅ）において増大させた剛性を出力するコンピュータプログラムを提案する。

上記ａ）の過程における当該階の剛性の過不足について行う１次判断とは、たとえば、当該階の桁行方向（あるいは梁間方向）に加わる地震荷重を、当該方向の荷重を支持する柱と壁（ここでは筋交いも壁の一種として扱う、以下同じ）の剛性で除した商が所定の値未満である場合には、捩れ補正係数を考慮するまでも無く、柱と壁の剛性が不足していると判断する過程である。これは、柱と壁の剛性が、柱と壁の許容加重と一定の比例関係を有していることを前提としている。

上記のように柱と壁の剛性が不足している判断された場合、上記ｂ）の過程では、前記与えられた構造の柱または壁の断面を増大させてもよいし、与えられた構造の下では柱または壁が存在しない位置、例えば、間仕切壁の位置に、新たに柱または壁を設ける（あるいは間仕切壁を耐力壁に変更する）ものであっても良い。構造を与える際に、必要であれば柱または壁を設ける位置を、予め設定しておき、プログラムは柱と壁の剛性が不足していると判断された場合にこれらの位置を柱または壁とするものであってもよい。

地震力の算定は、例えば、財団法人日本住宅・木材技術センター企画編集「木造軸組工法住宅の許容応力度設計」１章、４．７に記載の方法によることができ、ねじれ補正係数の算定は、例えば、同書１章、４．８に記載の算定方法に基づくことができる。これらを考慮して、各通りの構造部材、つまり柱と壁、が負担する地震荷重及び風荷重を算出する。地震荷重及び風荷重の算出は、当該階に加わる地震力を、通り毎の剛性に応じて比例配分した後に、捩れ補正係数によって割り増しを行う方法が一例である。

各通りとは柱と鉛直構面を含む鉛直方向の水平面の通りを意味しており、柱および建物に加わる水平力に抵抗できる要素を有する鉛直面の意味である。ここで、水平力に抵抗できる要素とは、上下が横架材（梁または基礎）に接続された左右の柱に接する面材または筋交いである。

前記ｅ）の過程において、構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重を超えた場合、当該構造部材の剛性を負担荷重と許容水平荷重の比に応じて増大させるとは、当該構造部材の剛性に負担荷重と許容水平荷重の比を乗じることであっても良いが、さらにこれに所定の倍率をかけても良い。所定の倍率は、剛性を増大させる柱または壁の捩れ補正係数が１以上の値である場合には、１未満であってもよく、捩れ補正係数が１未満であれば１より大きくても良い。従来は、構造部材の剛性を増大させる必要があると判断された場合にも、剛性をどの程度増大させれば負担荷重が許容水平荷重以下に収まるかについて具体的な目安が無かったので、適切な剛性を発見するまでに過大なくり返し計算が必要になったり、あるいは、過剰な余裕のある構造で満足せざるを得なくなったりすることが多く、作業が非効率であった。これに対して、本発明の方法によれば、適切な解への収束が機械的に行われ且つ確実に収束するので、作業が効率的であり、構造設計をするものの負担は大幅に軽減されることになる。

本発明の方法はさらに、特定の通りに関して、構造部材が負担する荷重が当該通りの構造部材の許容水平荷重を下回っている場合、当該構造部材の剛性を減少させるものであっても良い。この場合の剛性の減少の程度は、許容水平荷重と負担荷重の比に基づいてもよく、あるいはこれに所定の倍率を掛けた値でも良い。プログラムは、さらに、構造部材の負担荷重が許容水平荷重を超えた場合にどの位置に柱または壁を増設するか、あるいはどの位置の柱または壁の断面を増大させるかを指定しておくことができるのが好ましい。構造部材の負担荷重が許容過重未満である場合に、当該通りの剛性を減少させるか否か、構造部材の負担荷重が許容過重をどの程度下回った場合に剛性を減少させるか、どの程度減少させるかについて予め設定しておくことができるようにしておくことが好ましい。

柱および壁の剛性を変更した場合、変更後の建物について再度負担荷重の計算を行う。再度の計算によって、負担荷重が許容水平荷重未満となるか、あるいは、さらにその偏差が所定の範囲内であれば当該建物の構造を最終状態として、負担荷重、柱および壁の剛性、断面積等を出力する。再度の負担荷重の計算によっても、負担荷重が許容水平荷重未満とならないか、あるいは、その偏差が所定の範囲内に収まらない場合、再度剛性の修正を行った負担荷重の計算を行うが、この時、剛性の修正の程度は、第１回目の修正と同じ方法によって決定することもできるし、第１回目の修正幅を維持して２回目以降の計算を行うこともできる。第１回目の修正幅を維持した場合には、負担荷重が許容水平荷重未満となる構造に到達するまでのくり返し演算の数が大きくなりすぎることがない。

本発明においては、前記過程ａ）において、水平方向の地震荷重または風荷重が、１ラジアンあたりの力で表した当該階の水平剛性の総和の１５０分の１よりも大きいときに当該階の剛性が不足していると判断するよう構成しても良い。

前記過程ｂ）における所定の位置は、ねじれ補正係数が最大となる位置であるのが好ましい。つまり、上記ａ）の過程において当該階の剛性の過不足について１次判断を行った結果、柱と壁の剛性が不足していると判断された場合、捩れ補正係数が最大である位置、一般には最も外側の通りであって重心に近い方の通りの剛性を増大させるのが好ましい。

前記ねじれ補正係数は、以下の式によって計算することができる。

さらに、過程ｈ）およびｄ）において、各通りの構造部材が負担する荷重と当該通りの構造部材の許容水平荷重を比較した結果、所定の通りの構造部材が負担する荷重と当該構造部材の許容水平荷重の比が所定の値を下回っている場合は、当該通りの剛性を低減してもよい。

本発明はまた、上記のような方法を実行するコンピュータプログラムを格納した、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体にも関するものである。

発明を実施するための形態

以下に、実施例に基づき本発明を実施するための形態について記載する。添付の図面および実施例に関する記載は、本発明の理解を助けるために例示するものであって、本発明はこれらの図面および実施例の記載によって限定されるものではない。

本発明のプログラムに基づいて、与えられた構造に対して、地震または風荷重を設定し、柱および壁あるいは床の負担荷重を算出するまでの手順は、財団法人日本住宅・木材技術センター企画編集「木造軸組工法住宅の許容応力度設計」による。当該手順について以下に簡単に述べ、次に、当該手順によって算出された応力または負担荷重が許容応力または許容水平荷重を超えている場合の本発明による処理手順について説明する。

１．鉛直構面の検討
図１に示す建物の、鉛直構面の検討においては、通り（柱および壁からなる耐力壁面）毎の負担荷重（地震荷重または風荷重）を、図２に示す手順に従って算出する。当該算出手順の基本的な考え方は、当該階が負担する全荷重（水平力）を、通りの剛性に比例して各通りに配分し、さらに通り毎のねじり補正係数を掛けて割り増し（または低減）するというものである。

このようにして計算された結果の一例を、表１に示す。

ここで、例としてY3通りに着目することにする。
Ｙ3通りは発生した風圧力Qwijが14.67kNで、通りの許容水平荷重Qaijが12.70kNなので、風圧力に起因する負担荷重が許容水平荷重（耐力）を超えており、表１の右端に記載した判定はＮＧとなっている（検定値1.15、検定値が１を超えるとＮＧ）。
単純計算では、14.67kN−12.70kN＝1.97kNだけ許容水平荷重（耐力）が足りないことになる。第１近似としては、許容水平荷重を1.97kNだけ増大することによって検定値が１．０になることが期待される。しかし、通りの許容水平荷重が増すと、風荷重に関しては通りが負担する風圧力も増大し、地震荷重に関しては当該通りの荷重負担比率とねじれ補正係数が変化するために、Y3通りの許容水平荷重を1.97kN増加させても検討結果がOKにならない場合もある。

したがって、本発明によるプログラムでは、まず、上述の計算方法によって求められた増分1.97kNだけ許容水平荷重を増加させて再度負担荷重を算出し、負担荷重と許容過重の比較を行なう。その結果、検定値が１．０以下になっていれば、当該構造が許容応力度設計の基準を満足するものと判断して各通りの剛性、負担荷重、プログラムが剛性を増加させた通りの名称（番号）とその値等を出力して終了する。しかし、上記のように許容水平荷重を増加させて１回目の修正を行ってもなお、検定値が依然として１．０を超えている場合、再度許容水平荷重（剛性）を見直して負担荷重と許容水平荷重の比較を行い、検定値が１．０以下になるまで当該作業を繰り返す。この場合、本実施例においては、第１回目の算出時の許容水平荷重の増加幅1.97kNを維持して同じ値だけ許容水平荷重（剛性）を増加させる。ただし、2回目以降については、再度その度ごとに許容水平荷重の不足分を算出して、当該不足分だけ許容水平荷重を増加させるようにしても良い。ここで、壁の剛性は、せん断変形角が１／１５０radの時の耐力を含めて導かれていることから、壁の許容水平荷重（耐力）と剛性との間には以下の関係があることに留意する必要がある。

あるいは、剛性または許容水平荷重の変化による捩れ補正係数の変化を無視して、剛性または許容水平荷重を以下の式１によって求めても良い。

ｊ通りについて必要な許容水平荷重が求められた場合、当該必要な許容水平荷重と与えられた構造におけるｊ通りの許容水平荷重との差から、追加すべき許容水平荷重を求めることができ、さらに、壁倍率Ａを用いて追加すべき許容水平荷重を追加すべき壁の長さ（Ｌ_aij）に換算することができる。この場合、プログラムは、以下のようなメッセージを自動出力しても良い。
「ｊ通りに壁倍率Ａの耐力壁をＬ_aij（ｍ）追加してください」、あるいは、「ｊ通りに壁倍率Ａの耐力壁をＬ_aij（ｍ）追加しました」。ここで、壁倍率とは、以下のように定義される値である。

２．水平構面の検討
次に、水平構面の検討においてＮＧとなった水平構面に対し、計算結果ＯＫとなるために追加が必要な許容水平荷重および床量を算出する手順について説明する。水平構面の検討では鉛直構面の検討と異なり、自身の水平構面の許容水平荷重が発生するせん断耐力に影響しないため、不足している水平構面許容水平荷重は下式で計算できる。

水平構面の負担荷重が許容水平荷重を上回った場合、水平構面の許容水平荷重を増大する方法は以下の２つである。
A) 床の仕様（厚さ、根太ピッチ）を変更する
B) 火打ちの追加、または火打ち水平構面内の梁せいを増大する

したがって、例えば床の使用を変更することによって負担荷重を許容荷重以下に抑えようとする場合、以下の式によって必要平均床倍率を算出することができる。

床の仕様の変更によって水平構面の許容水平荷重を増大させた場合、プログラムは、上記の方法によって必要な床量を算出した後、以下のようなメッセージを出力することができる。
ａ）「i通り〜j通り区間に○○倍率以上の床倍率をもつ水平構面仕様を採用してください」
ｂ）登録されている床構面、屋根構面仕様から、該当の倍率をもつ仕様に自動修正いたしました。

火打ちの追加、または火打ち水平構面内の梁せいを増大することに関しては、以下の式で必要な火打ち本数を算出することができる。

表２の該当する床倍率の行の最低梁せいを、火打ち水平構面内にある梁に採用することもできる。この場合、プログラムは、例えば以下のメッセージを出力する。
ａ）「i通り〜j通り区間に火打ちを○本追加してください」
ｂ）「i通り〜j通り区間の梁せいを○○以上にしてください。」
ｃ）位置○○に火打ちを○本追加しました。
ｄ）梁せいを○○以上に拡大しました。

３．柱頭柱脚金物の検討
柱頭柱脚金物の検討においてＮＧとなった柱に対しては、以下に記載する手順に従って、計算結果ＯＫとなるために必要な許容引張耐力、または低減が必要な耐力壁の許容せん断耐力を算出することができる。柱頭柱脚金物の検討でも鉛直構面の検討と異なり、自身の許容水平荷重が発生する必要引張耐力に影響しないため、不足している許容引張耐力は下式で計算できる。

ただし、柱頭柱脚金物は、あらかじめ設計者が使用する金物を登録している金物一覧から自動配置されるようにすることができるが、その場合は、登録されている金物の最大耐力を超える必要引張耐力Ｖτが発生した場合には、変更できる金物は存在しない。その場合は、プログラムは必要な金物強度を出力する。あるいは、金物を変更するのではなく、構造を変更することにより、必要引張耐力を低減する下記方法を検討することもできる。

金物の必要引張耐力の算定方法は以下の通りである。

ここで、耐力壁の倍率を変更することにより、Ｖｓおよび上階のＶｓを低減することが可能である。（βとＶＬは変更なし）

よって、Ｖτ＝Ｖa（金物の許容水平荷重）を満足する、該当階のαiまたは上階のαiを算出することができる。この場合、プログラムは以下のような出力を行うものであるのが好ましい。
ａ）「柱に取り付く耐力壁の倍率を○以下に変更してください。」

本発明の上記以外の実施例は、特許請求の範囲に記載した発明および明細書の記載にもとづいて当業者であれば容易に想到することができる。

本発明に基づく鉛直構面の検討を示す模式図本発明において採用する鉛直構面の負担荷重を算出するための演算を説明した式本発明に基づく水平構面の検討を示す模式図である

Claims

木造軸組工法住宅の許容応力度計算を支援するコンピュータプログラムであって、与えられた構造に対して、
ａ）水平方向の地震荷重または風荷重と当該階の水平剛性の総和の比から、当該階の剛性の過不足について１次判断をする過程と、
ｂ）剛性が不足すると１次判断された場合には、当該不足分の剛性を所定の位置に追加する過程と、
ｃ）ねじれ補正係数を考慮した所定の計算式に基づいて、各通りの構造部材の追加剛性を含む剛性から、各通りの構造部材が負担する地震荷重及び風荷重を算出する過程と、
ｄ）各通りの構造部材が負担する荷重と当該通りの構造部材の許容水平荷重を比較する過程と、
ｅ）１または２以上の通りにおいて構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重を超えた場合、当該構造部材の剛性を負担荷重と許容水平荷重の比に応じて増大させる過程と、
ｆ）増大された構造部材の剛性に基づいて前記過程ｃ）ないしｅ）を、構造部材の剛性の増分としては過程ｅ）を最初に実行した際に決定した増分を変更せずに、構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重以下になるまで繰り返す過程と、
ｇ）構造部材が負担する荷重が当該構造部材の許容水平荷重以下になった場合は、その際の各通りの構造部材が負担する地震荷重及び風荷重、許容水平荷重、および、過程ｂ）およびｅ）において増大させた剛性を出力するコンピュータプログラム。
前記過程ａ）においては、水平方向の地震荷重または風荷重が、１ラジアンあたりの力で表した当該階の水平剛性の総和の１５０分の１よりも大きいときに当該階の剛性が不足していると判断する請求項１に記載のコンピュータプログラム。
前記過程ｂ）における所定の位置は、ねじれ補正係数が最大となる位置である請求項１または２に記載のコンピュータプログラム。
前記ねじれ補正係数は、以下の式によって計算する請求項１ないし３のいずれかに記載のコンピュータプログラム。
さらに、
ｈ）過程ｄ）において、各通りの構造部材が負担する荷重と当該通りの構造部材の許容水平荷重を比較した結果、所定の通りの構造部材が負担する荷重と当該構造部材の許容水平荷重の比が所定の値を下回っている場合は、当該通りの剛性を低減する過程を含む請求項１ないし４のいずれかに記載のコンピュータプログラム。
請求項１ないし５のいずれかに記載のコンピュータプログラムを格納した、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体。