住宅の構造には様々な種類があります。
木造建築であれば在来工法やツーバイフォー工法、鉄骨系であればプレハブなどです。
この中で、住宅として最もポピュラーな構造は在来工法と言うことが出来ます。
ところで、在来工法の特徴は、柱や梁、そして筋交いなどを組み合わせて作るのですが、意外に各部材について理解されていないのでは無いか…とも思われます。
例えば、柱は「住宅を支える」といった点は理解されているでしょうが、それではどの様な支え方をしているかは、誰もが答えられる物では無い様にも思われます。
そこで、ここでは木造住宅の部材…特に柱の重要性について考えて行きたいと思います。
柱の性質と重要性
まずは、柱の性質と重要性を再確認したいと思います。
上からの荷重を受ける
建築物は人が中に入って使用するため、どんなことがあっても倒れたり潰れたりしてはいけません。
仮に倒壊などが起こった場合には、建物内で生活している人を巻き添えにしてしまうからです。
さて、それでは建物を潰れない様に支えている部材ですが、これがまさに柱と言うことが出来ます。
それでは、建物を潰れない様に保持するため、どの様な力に耐えているかですが、この荷重はいくつかに分類することが可能です。
まず挙げられるのが建物の自重です。建物は柱の他にも梁や筋交いなどの構成部材がありますし、壁や屋根などの部材もあります。
そして、これらの部材は、それだけでも非常に重いです。
次に挙げられるのが、建物内で生活する人や設置する家財の重量です。これは主に床に掛かり、それを柱が支えます。
また、屋根に積もる雪や、強風時の風圧力なども建物は受けます。
そして、これらも柱で受けます。
この様に、建物に加わる上からの力は様々で、それらを支えるのが柱なのです。
地震などの時にも重要
さて、ここで荷重の種類について考えてみましょう。
荷重にはいくつかありますが、「静かに加わる物」と「動く様にして掛かる物」があります。
この内、静かに加わる物の代表は建物の自重や中で生活する人や家財の重量です。
この時、中の人の動きによって、確かに動く力は加わるのですが、建物の重量から比べると微々たる物なので、ここでは静荷重にカウントします。
さて、次に動く荷重です。
これの代表格は突風などによる力です。
風は突然吹き、そして意外なまでに強いです。
時折突風によって屋根が飛ばされるアクシデントをテレビで見ることがありますが、それから察するにしても、強風は危険です。
そして、意外かも知れませんが、地震の力も動く力に該当します。地震は縦揺れと横揺れに分けられますが、縦揺れはまさに柱に加わる物であり、しかも衝撃波とも言える強い力です。
そして、仮に柱が地震に耐えられないと、建物はやはり崩れてしまいます。
この様に、柱は建物に加わる力…地震などに対しても耐えなければならないのです。
木造住宅の柱の素材
さて、木造住宅の素材は言うまでも無く木材なのですが、今の物は昔の建物で使われている素材とは違います。
ここでは、素材の相違点について取り上げてみます。
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集成材が使われる
さて、昔の木造建築物を見てみると、柱などは非常に立派な木材が使われていることが分かります。
特に、数百年の時代を乗り越えて来た建築物の柱は立派です。
ところで、これらの柱の素材は基本的には天然木です。
確かに腐敗防止のために伝統的な手法での処理はされてはいますが、基本的には今の工業製品としての木材とは一線を隔てていると言えるでしょう。
それでは、今の木造住宅の柱はどの様な物かと言うと、これには集成材が使われています。
集成材は木材を一旦小さい材料に割り、節などを撤去して接着剤で貼り付けて作ります。
つまり原木を単に切り出すのでは無いのです。
集成材の特徴
それでは、木造住宅の維持において、一番重要な特徴にはどの様な物が挙げられるのでしょうか。
集成材には寸法の安定性など、天然木よりも優れた性能はあるのですが、やはり強度的な安定が特筆されると言えます。
と言うのも、強度的に安定するならば、建物の強度を机上での計算で算出しやすいからです。
先に挙げた様に、建物には様々な力が加わります。
床には人や家財の力、屋根には風圧や積雪による力など、様々です。
これらの力は確かに様々ではあるのですが、一定の上限値を設定してやれば、建物に加わる上からの力のトータルの値を出すことが出来ます。
そして、柱はこの計算で出したトータルの力を支えることが出来れば、建物を支えることが出来ることになります。
そして、この時に柱の強度が安定しているならば、強度の判定の精度が上がり、安全確認の上で有利となるのです。
集成材を使うメリットを建物に当てはめてみると…
ここで、もう少し集成材を使う上で有利な点を挙げてみましょう。
先にも挙げた様に、集成材の安定性は高く、強度の判定精度も高くなります。
そして、これは建物の高さが増すほどに重要となります。
つまり、平屋より2階建て、そして3階建ての順序で強度判定の重要性が増すのです。
ちなみに、建物の自重を単純に考えるならば、平屋の場合は1階の自重を支える訳ですが、2階建ての場合は下の階の柱は2倍の力を支える計算になります。
そして、更に3階の場合は3倍の自重を支えることになり、それだけに柱の強度判定が重要となるのです。
そして、強度の判定を確実にするならば、素材の強度を確実に把握することが重要です。
集成材はこの面で優れ、建物の安全確認の面でも有利となるのです。
材料強度のバラつきについて
ここで、もう少し材料の強度について考えてみましょう。
と言うのも、材料強度の安定性は建物の安全性の判定の上で重要だからです。
それでは、柱の素材となる強度の測定はどの様に考えるのでしょうか。
材料強度の考え方
建物の構造を計算し、安全かどうかの判定をする上では、各素材の強度の安定性が確実でなければ計算精度は上がりません。
それでは、その素材の強度を判定するのはどうすれば良いのでしょうか。
これは、材料が壊れる力がどれくらいかを測定することによって判断が可能となります。
例えば、1センチ角の断面が正方形の棒材を垂直に引っ張ったとします。
この棒材は一定の力が加わると破断してしまいますが、この破断する力の測定が建物の強度判定のカギとなるのです。
具体的に言うと、例えば1センチ角の棒材が10kgの力に耐えたならば、10センチ角の棒材は、この100倍の力を耐えることになります。
つまり10センチ角の角材は1トンの力に耐えられる計算になるのです。
そして、更に言うならば、この柱を5本立てるならば、トータルで5トンの力に耐えることが可能な計算となります。
そして、その5トン以内に建物の自重や積雪などの外力が納まるなら、その構造は安全である…と言うことが可能なのです。
材料強度にバラつきがあると…
さて、ここで素材の強度が安定せず、バラつきが発生している場合を考えてみましょう。
先にも挙げた様に、建物の構造の強さは素材の強度によって決まります。
先の例で言えば10kgという数値が計算のベースとなります。
しかし、この10kgという数値にバラつきがあった場合、すなわち5kgだったり15kgだった場合はどうなるでしょうか。
ある構造は弱かったり、ある構造は強かったりします。
そして、仮にそれらの強度にバラつきがある材料が混在して建物が構成されると、建物のある部分は強くなり、他の部分は弱くなったりします。
そうすると、仮に外力が加わった場合などは弱い部分が壊れやすくなり、建物の強度維持に問題が発生するのです。
天然木と集成材
さて、ここで天然木と集成材を比較してみましょう。
天然木は自然な風合いが魅力的ですが、強度的には安定性に欠いてしまいます。
例えば、切り出して来た木材をよく見ると、節などを見つけることがあります。
そして、この節の部分は硬かったりして、他の部分とは様相が違います。
つまり、一本の木材であっても、節とそれ以外の部分では強度が異なるのです。
しかし、集成材の場合は、作る段階で節などを取り去って作ります。
その結果木材の強度が均一になり、強度の判定の正確性がアップするのです。
部材の接合を考えてみる
ところで、木造住宅は非常に緻密に計算されながら造られていますが、昔の家の場合などは今の物の様には行かないのが現実です。
特に、木造住宅は2000年に耐震基準が改定されているため、構造が違います。
それでは、古い家と今の家、柱に関してはどの様な点で違うのでしょうか。
建物の破損を見てみると…
ここで、地震などで倒壊した木造住宅の様子を観察してみましょう。
木造住宅の破損には、筋交いなどの部材の破断などを見つけることが出来るのですが、柱が接合部分から抜けてしまっているケースも見られます。
これは、柱が抜けるのが先か、筋交いの破断が先かの判定は難しいのではありますが、複合的に不具合が発生するために起こった破損…とも言うことが出来ます。
つまりは接合部の強度不足が、破損の大きな原因の1つとなっているのです。
接合部の補強
さて、2000年に耐震基準が改定されたのは前述の通りですが、この時に構造の条件も加えられました。
この構造条件が、部材の接合部分には金具を使って接合強度をアップさせることが含まれています。
つまり、金具で固定させることにより、部材の引き抜けを防止し、構造全体を守るという物です。
ちなみに、今は建物を実際に機械で揺さぶって地震のシミュレーションを行うことが可能となっています。
そして、今の建物はその様な実験を行っても、構造は倒壊しないで維持されています。部材が折れたりせず、引き抜けることも無くなっているのです。
まとめ
木造住宅の柱について紹介して来ました。
今の住宅が集成材を使って建てられていることや、集成材だから得られるメリットなども分かったことと思います。
そして、今の住宅が非常にいレベルで安全が確認しているかのイメージも出来たことと思います。
日本の今の住宅は非常に優秀です。そして、それは柱を通して、素材の研究を通して確率されていることを覚えましょう。
そして、その知識は、中古住宅の購入やリノベーションなどにも役に立つことでしょう。
