私は、10年ほど前から住宅の構造の劣化を計測する技術に大きな関心を持っているのですが、今回は、住宅の常時微動を計測することで、構造の劣化を評価する技術のお話です。
１．住宅の劣化
私は一度、戸建て住宅のオーナーになりましたが、その時感じたのは、住宅の維持管理の大変さです。設備は、想像以上に早く劣化するし、外壁も汚れてきます。屋根も手入れが必要です。こういうところをコマメに手入れをしていないと、躯体に悪影響が及びます。
こんな話は、建築には、当たり前の話だと思いますので、実際に劣化の影響はどのように表れるかを調べてみました。
図-1は、兵庫県南部地震での被害住宅の調査結果の一例ですが、「蟻害・腐朽あり」住宅での全壊率が、「蟻害・腐朽なし」住宅より、はるかに高いことが分かります。
【出典】宮野道雄, 土井正：兵庫県南部地震による木造住宅被害に対する蟻害・腐朽の影響, 家屋害虫, Vol.17, No.1, pp70-78, 1995.
兵庫県南部地震は、1995年の出来事なので、この倒壊住宅の多くは、1980年以前に建てられた住宅だと思います。現代の住宅は、建築当初の耐震性能は、1980年以前よりも高いとは言え、維持管理の状態が悪ければ、時間の経過に伴って劣化すると考えられます。
であれば、住宅の維持管理においては、住宅の劣化の程度をどれだけ正確に把握するかということが、とても重要だと言えます。
２．住宅の性能を測る
さて、それでは、蟻害の有無や雨漏りによる腐朽の有無、それらが、住宅の構造に及ぼしている影響を、どのように確認すればよいのでしょう？。
住宅の性能表示制度では、修復履歴などを記録することになっていますが、壁の中までを確認することはできませんし、耐震性がどの程度低下したのかを具体的に知ることはできません。
京都大学の林・杉野研究室が公開している資料を見ていると、図‐2のような計測記録が出てきます。この図は、1981年に建築された木造二階建て住宅で常時微動を計測し、建物の固有周波数を計測した結果です。
「常時微動」は、風や波、交通振動や工場の振動等で、住宅が常時振動しているわずか揺れのことです。これを、高精度の速度計や加速度計で計測します。
【出典】地震被害とリスク，京都大学建築保全再生学講座, 林・杉野研究室webサイト
http://www.hayashi.archi.kyoto-u.ac.jp/topics.html
図中には、特定の周波数（横軸）でピークが現れています。この時の周波数を「固有周波数」と言います。固有周波数は、建物固有の値で、建物が硬いほど大きく、軟らかいほど小さくなります。耐震性の高い住宅は、固有周波数が大きくなります。
図-2から、地震前の固有周波数は6.8Hzですが、深度3程度の地震を受けた後の固有周波数は6.2Hzに低下しています。このことから、この住宅は、震度3程度の地震を受けたことで、耐震性が低下したということが分かります。
震度3程度の地震でも、住宅の固有周波数の変化として見て取れるほどの影響を及ぼすことに驚きませんか？私は、驚きました。東日本大震災以降、私の感覚はマヒしているので、「震度3なんて大した地震じゃない」と考えてしまうのですが、木造住宅には、こんなに大きな影響を及ぼすんですねえ。
３．常時微動計測技術の活用
私は、東日本大震災で、非常に大きな揺れを経験して以来、住宅の劣化の影響を可視化することに大きな関心を持っています。先に示したように、微動計測技術によって、住宅の劣化の程度を確認することは可能で、最近では、地震によってどのような被害が発生するかを推定する方法も提案されています。
【参考文献】例えば、以下のような研究
・杉野未奈，大村早紀，徳岡怜美，林 康裕：常時微動計測を用いた伝統木造住宅の簡易最大応答変形評価法の提案, 日本建築学会構造系論文集, 第81巻, 第729号，pp.1869-1879，2016.
・西塔純人，杉野未奈，林 康裕：常時微動計測による低層住宅の1 次固有振動数低下率の変形依存性評価ー在来木造、軽量鉄骨造および伝統木造についてー, 日本建築学会構造系論文集, 第84巻, 第757号, pp.343-350, 2019.
これらの研究は、出来上がった建物に対するお話ですが、設計段階でも活用すべき技術です。なぜなら、地震動は地形と地層構成の影響を強く受けるためです。
特定の建築物の設計においては、地表面の揺れ方を推定して地震力を設定しますが、木造住宅では、そこまでの検討はされていません。お金も時間もかかるからでしょう。しかし、私は、個人の資産で建設する住宅だからこそ、地震力の設定を厳格に行うべきではないかと考えています。
建築基準法では、想定する地震力は、住宅の質量に水平加速度200gal（ガル）を作用させたものとして設定されます。建物の耐震性を耐震等級３とする場合は、この力の1.5倍ですから、水平加速度300galが作用すると考えます。地盤の揺れ方は、地形や土質で大きく変わりますが、現在では、日本中一律にこのような方法で地震力を算定しています（地域係数も考慮されます）。
ところが、大地震で住宅に大きな被害が出る場合、その範囲が局所的であることが多く、それは、地形や地表面付近の土質が影響していると言われています。このことは、対象となる宅地毎に地盤の揺れ方を推定し、以下の三つの段階のうち、どれに一致するのかを確認し、適切な地震力の設定を行う必要があることを表していると、私は考えています。
- 考えておくべき加速度が建築基準法レベルで大丈夫なのか
- 耐震等級３でなければならないのか
- 耐震等級３より大きな加速度を想定しておくべきなのか
地盤を対象に微動計測をすることで、地表面の揺れ方を予測することが可能になります。
建築基準法でも、その方法は定められていますが、微動計測結果を、例えばSHAKE（シェイク）という名前の有名な一次元地震応答解析ソフトに入力して計算をすることで、地表面の揺れ方を再現することが可能です。近年は近隣ボーリングデータの公開が進んでいるので、対象宅地の近傍で同一の地形に位置するボーリング調査結果があれば、これを利用して地層区分ができるので、比較的簡単に地表面の揺れ方を推定できるでしょう。計算のためには、様々な基礎知識が必要ですが、建築士に合格できるような知性のあるあなたなら、何の問題もなく利用できると思います。
４．まとめ
私は、構造物の建設には、「設計精度の確保」と「設計計算結果の検証」、「継続的な性能の確認と補修」が必要だと、土木構造物の設計に関わる中で教わりました。
最近の住宅分野では「メンテナンスフリー」であることが喜ばれるようです。私も、何もしないので良ければ、そっちの方が楽でよいと思います。しかし、定期的な「点検」は必須です。
自動車のタイヤも、基本的に、メンテナンスフリーですが、「スリップサイン」が出れば交換が必要になります。屋根や壁も同じで、コマメに点検していれば、交換や補修時期を知ることが可能です。定期的な点検をしていれば、知らないうちに深刻な劣化が進行することもありません。
微動計測技術は、構造自体の劣化を可視化することができるので、とても便利なツールだと思います。住宅分野で広く普及していくことを期待したいです。
神村真
