スマートウォール工法のご紹介

阪神・淡路大震災では、震度7の地域で大破や倒壊する建物がある中、壁式構造は、大破や倒壊どころか開口部に幅5mmのひび割れが発生した程度の損傷が2棟あっただけで済んでいます。上の写真は東日本大震災で震度7を計測した陸前高田の被災写真です。壁式構造の建物が1つだけ残っています。

このように、他の過去の大震災からも実質耐震性が極めて高い構造形式であることは、私たち構造設計者には半ば常識となっております。

壁式構造は、その他にも柱型や梁型が居室空間に出てこない広々とした空間や高い耐久性・耐火性・気密性・遮音性、そしてローコストがメリットとして挙げられます。それらのメリットはそのままで、更にコストの追求と施工性、耐久性を向上させた『スマートウォール工法』をご紹介します。

スマートウォール工法の特徴

  • 耐久性の大幅な向上を可能とする構造躯体
  • ローコストを実現する「壁式×シングル配筋」の構造
  • 施工性の向上による施工不良発生率の低下と工期短縮
  • 過去の震災で実証済みの「高耐震壁式鉄筋コンクリート造」
  • ひび割れ抵抗性能向上仕様としたコンクリートの採用と外断熱工法※1

※1 コンクリート性能、外壁の工法については、地域性やご希望の仕様に合わせて変更する事が可能です。

スマートウォール工法 一般的なWRC造 一般的なRCラーメン造
耐久性
耐震性
コスト
施工性
プランの自由度

ローコストを実現する「壁式×シングル配筋」の構造

壁式構造は、通常のRCラーメン構造より躯体費が安価となりますが、スマートウォール工法は壁配筋がシングル配筋となるため、ダブル配筋に比べ鋼材料と配筋工事の手間が1/2となり更にローコストに繋げることができます。

施工性向上による施工不良発生率の低下と工期短縮

鉄筋の密度が少なくコンクリートのまわりが良くなります(施工性が良い)。そのため打設時の空隙が少なくジャンカと呼ばれる耐久性上有害な施工不良の発生が少なくなります。

プランの自由度

壁式構造は、壁で建物構造を支えており「壁の多さ=耐震性の高さ」となるため、建築基準法で定められた必要壁量以上となるように壁を配置しなくてはなりません。窓やドアなどの開口部の場所や数、大きさも制限されるため、壁式構造のデメリットとして「プランの自由度の低さ」が挙げられます。

しかし、スマートウォール工法に限らず、壁式構造のデメリットは意匠設計者と構造設計者が協力することである程度克服することが可能です。

弊社が実際に建てた実大実験棟「カンティーナ」は初期から構造設計者が計画に携わり、スマートウォール工法だけでなく、スペースウォール工法も併用する構造計画としました。その結果、壁式構造では採用することが難しい要素を多く取り入れた、より自由度の高い、開放感のあるプランニングを実現しています。

▲ スマートウォール工法とスペースウォール工法を複合的に計画した
実大実験棟『 カンティーナ 』

壁式構造に見えない開放性、スキップフロアで4階建てに見えず
ロフトまであるスマートウォール工法 カンティーナ

カンティーナを作ったときはファサードデザインをガラスカーテンウォールにしているせいで、建築関係者から「ラーメン構造でしょ?」と毎回言われ「壁式構造ですよ」というと、みなさん驚かれます。

銀行さんからは「これ3階建てですよね?融資申請では4階建てなんですが?」と当初と違う建物を建てていると心配されました・・・。カンティーナは手前だけ3層で階高を高くし奥側はスキップフロアにして4層にしており間違いなく4階建てです。

またスキップフロアだけでなく、内装工事でロフトも設置しています。プランの制約が多いといわれる壁式構造でありながら、初期計画段階から構造設計者と意匠設計者が協力し、スマートウォール工法とスペースウォール工法の両方の特徴を生かした構造計画をすることで、建築業者も驚く、自由なプランニングと大空間の確保を実現しています。

耐震性

1968年に5階建て壁式構造アパートの実大実験の論文1)が発表されています。この論文を基にスマートウォール工法の耐震性能の検証を行いました。

参考文献
1) 松島豊 実大5階建壁式RC造アパートの実験的研究、昭和43年度建築研究所年報 1968.11

実大立体耐震実験 建物概要

層数 :5 層
壁厚 : 全階15cm
壁量(長手方向) : 12cm/㎡

実験方法

反力機構および20連連動油圧ジャッキ(最大能力1000t)を用い、試験体の破壊まで行う水平加力実験です。

最大荷重 760kN ✕ 5 = 3800kN
基礎部分を除いた建物総重量  3100kN
1階の地震層せん断力係数   3800 / 3100 ≒ 1.2
建物重量の1.2倍の力で加力

保有水平耐力余裕度の算出

建物重量の1.2倍の力で加力した際、建物は部分的に破壊したものの、倒壊までには至らなかったため、この時点の水平力を本建物の保有水平耐力とし、保有水平耐力の余裕度を算出しました。

Ds:0.55、Fes:1.0とすると

必要保有水平耐力
Qun = 0.5 ✕ 3100kN = 1705kN

保有水平耐力
Qu = 3800kN
Qu/Qun 3800kN / 1705kN = 2.2

保有水平耐力の余裕度 2.2

実大立体耐震実験の検証結果

『実大5階建壁式RC造アパートの実験的研究』によると、壁厚15cmの壁式構造であっても保有水平耐力の余裕度が2.2倍程度あり、高い耐震性能を有していることがわかりました。

最低壁量について

ルート1の壁量(地震時重量に対する壁断面積)というのは『建物が保有している耐力』と同じ意味です。弊社ではスマートウォール工法の最低壁量をルート1の壁量の1.5倍程度(耐震等級3相当)となるように規定しています。

耐久性

耐用年数

通常ダブル配筋では30mmのかぶり厚さですが、シングル配筋とすることで主要部分のかぶり厚さが60mm 確保できることから、「建築工事標準仕様書・同解説 JASS5 鉄筋コンクリート工事」を参照し耐用年数を算出した結果、耐久性が大幅に向上することに期待できることがわかりました。

ひび割れについて

ひび割れはゼロにすることはできない
施主や技術者にとって、ひび割れの発生をゼロに抑えることが理想ですが、残念ながら現在の建築技術では、そのレベルに達していません。ひび割れに関するクレームを低減したい大手のゼネコンでも、ひび割れの発生をゼロにするための対処をするのではなく、ひび割れ発生位置をコントロールするよう工夫しています。
すべてのひび割れが有害なのか
施施主は、すべてのひび割れが瑕疵だと考えがちですが、ひび割れによる構造耐力上主要な部分に瑕疵が存在する可能性については「鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ制御設計・施工指針(案)・同解説」に次のように規定されています。

構造耐力上主要な部分に瑕疵が存在する可能性(引き渡し後10年以内)

レベル 不具合事象 瑕疵の可能性
1 下記のレベル2およびレベル3に該当しないひび割れ 低い
2 幅0.3mm以上0.5mm未満のひび割れ(レベル3に該当するものを除く)

一定程度存在する

3 ①幅0.5mm以上のひび割れ
②さび汁を伴うひび割れ

高い

ある程度のひび割れは許容していますが、建物に悪影響を及ぼさないレベルになるよう設計・施工で制御しなくてはなりません。

壁厚さとひび割れの関係
ひび割れにはいくつもの基本的な要因があると言われていますが、その中でもひび割れの大きな要因となりやすい乾燥収縮に焦点をあて、壁厚との関係を考えてみます。下図は厚さが及ぼす乾燥収縮と時間的変化への影響を表しています。これによると、乾燥収縮量が600μに達する、乾燥日数は壁厚180mmの場合が約1400日(約4年)程度になるのに対し壁厚150mmの場合は、約900日(約2年半)程度となり壁厚が薄くなる程、短い時間で乾燥収縮していくことがわかります。壁厚さによって乾燥収縮の進み具合は違いますがその差は600μで1年半程度と大きくありません。そして時間が経てば壁厚150mmも180mmも乾燥収縮がいずれ同じになります。つまり時差はあるとしても、ひび割れ量は同程度発生すると言えます。

ひび割れを制御するために
スマートウォール工法に関わらず、さくら構造で有効だと考えるひび割れ制御法をご紹介します。 ひび割れの制御方法は目的によって異なり、目的は大きく下記3つに分けられます。

1 . ひび割れそのものを減らす
2 . ひび割れを目立たせなくする
3 . ひび割れ幅を小さくする

それぞれ目的別の具体策をご紹介します。

1. ひび割れそのものを減らす対策

◆ 骨材での対策(実大実験棟カンティーナで採用)

近年のひび割れの研究では、骨材の乾燥収縮率がコンクリートの収縮ひび割れに対して非常に大きな割合を占める事が分かってきました。「日本の骨材資源」によると、日本の骨材は安山岩と砂岩が主原料となっていると言われていますが、乾燥収縮率が小さくなるのは石灰岩砕石の骨材を使用した場合だと言われています。

ただし、同じ石灰岩でも採掘地によって品質の差が大きく、乾燥収縮率は400~800μと広く分布しており、推定は難しいため現在弊社では、各地の生コン工場に問い合わせ、石灰岩を使ったコンクリートの乾燥収縮率データを調査し全国マップを作成しています。詳しくは営業窓口へお問い合わせください。なお、地域によっては石灰岩を指定することによって、コンクリートの単価が上がる場合もあります。

石灰岩と安山岩の乾燥収縮率比較

◆ 基礎梁と壁の鉄筋量の差を小さくする

1階壁と基礎梁の収縮ひずみの違いは、壁と基礎梁の厚みや鉄筋量に極端な差が生じることが影響していますので、この差を小さくすれば改善することになります。つまり基礎梁の応力が小さくなるような構造計画を行い、壁と基礎梁の鉄筋量の差を小さくして、ひび割れを減少させるという考えです。具体的には杭基礎の場合だと壁直下にできるだけ杭(支点)を配置する、長い壁の両端に杭を配置する等が考えられます。独立基礎の場合も同様です。逆にいうとW18以上のダブル配筋を採用したとしても、極端に地中梁が大きく配筋が多い場合には、同じようにひび割れしやすい現象が発生する事になります。1階の外壁だけでもW18以上のダブル配筋を採用する考えもあります。

2. ひび割れを目立たせなくする対策

◆ ひび割れ誘発目地を採用し、位置のコントロールを行う

長い無開口の壁はひび割れが生じやすい部分となります。仕様として誘発目地を設けひび割れ位置をコントロールすることはクレームリスクを減らす意味でも効果的と思います。断面欠損率は少なくとも20%以上確保するのが望ましく、壁厚180mmなら外部打増し25mm、内部打増し20mmの全壁厚225mmの20%となり、目地深さの総和は45mmとなります。実務上、断面欠損率20%を確保することは容易ではないため、目地深さ不足を妥協してしまうことが多いのが現実です。つまり、同じ目地深さであれば壁厚が薄い方がひび割れ発生位置をコントロールしやすいということです。

◆ 美観上問題になりやすい部分は仕上げでカバーする

例えば、美観上問題になりやすい内壁はボードでカバーし、外壁は伸縮性のある塗料で仕上げするなどの対策でクレームリスクを減らす方法もあります。この方法で100棟以上設計していますが、クレームは一度もきていません。

参考文献

  • 日本建築学会編.2010.鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ制御設計・施工指針(案)・同解説
  • ひび割れトラブル完全克服法
  • コンクリートの劣化と補修がわかる本
  • 日本の骨材資源 -とくに砕石資源について-



続きは資料で確認する

まとめ

スマートウォール工法による、ひび割れへの影響は適切な配慮をすれば、通常の壁式構造と大きくは変わらない程度コントロールできると、さくら構造では判断しました。

また、『 1.ひび割れそのもの減らす』『 2.ひび割れを目立たせなくする』『 3.ひび割れ幅を小さくする』の3つの制御方法をご紹介しましたが、コストをかけるなら1⇒2⇒3の優先順位で対策をとることをさくら構造ではお勧めしています。

コストをかければ、ひび割れを減らすことができますが、コストを削減しつつ、ひび割れの制御も行う設計はジレンマが生じます。経済設計を行う時ほどひび割れへの配慮が必要だと考えています。

理論的に説明しても、スマートウォール工法の実績がなければ、採用するのに不安な方がいると思い、実際に札幌本社の隣に4階建て、壁厚150mm、シングル配筋の実大実験棟カンティーナを建てました。

実大実験棟カンティーナ

建物概要

構造種別 壁式構造
(スマートウォール工法とスペースウォール工法の併用)
層数 4層
延床面積 496㎡
用途 レンタルキッチン&オフィス
建設地 北海道
壁厚(壁配筋) 壁厚150mm(D10@250シングル配筋)を標準とし一部のみ壁厚を上げている。
骨材 石灰石(乾燥収縮量600μ)を採用(詳細は上記「ひび割れを制御するために」参照)※骨材を指定しない場合は安山岩(乾燥収縮量900μ)となる
その他 外断熱工法を採用し内壁はすべて打放し仕上げとして、ひび割れ観察が可能な配慮を行った。

現場写真

竣工写真

経過報告

上棟時(2018/11)から2020/10時点までひび割れは壁梁と壁に数本見つかっていますが、現状構造的に深刻な悪影響を与えるひび割れは一つも発生していません。下図は建物全体のひび割れの中で、一番大きく発生したひび割れ写真です。このような、長い無開口の壁はひび割れが生じやすい部分となります。他にひび割れが生じやすい部分として開口際が挙げられますが、ここにはひび割れがほぼ発生しておらず、骨材に石灰石を採用した効果が得られたのだと考えられます。

また、カンティーナを見学したお客様から建物全体のひび割れが少ないとのお言葉を頂きました。なお、この写真とは別のフレームに一部誘発目地を開口際に設けましたが、現状は周辺の壁にはひび割れが全くでておりませんでした。引き続き観察を継続する予定です。



実験棟カンティーナの詳細は
資料で確認する

スマートウォール工法への思い

壁式構造は6面体として地震や台風などの外力を受け止める強度に優れた構造です。過去の大震災において壁式構造が倒壊はもちろん大きな被害を受けた例はありません。高い耐震性を持っている壁式構造ですが、木造に比べると建築コストが多少高めになることが普及の障害になってきました。

私たちは、もう少しだけコストを下げることができれば耐震性の高い壁式構造を普及させることができると考えスマートウォール工法を開発しました。壁厚が薄く配筋も少ないため従来よりも経済的で、耐震性が高い壁式構造の良さを活かしつつ施工性や耐久性を向上させることに成功しました。一つでも多くの高耐震建物を地震国日本に普及させることを私たちは目指しています。

「壁式×薄肉シングル配筋」スマートウォール工法 FAQ

1. スマートウォール工法は5階建てでも設計可能ですか?
建物形状が整形で壁量が十分に確保されている場合は、5階建てでも設計可能です。ただし、1,2階の壁が部分的に厚くなる場合があります。お問い合わせいただければ、設計可能か判断致しますのでお気軽にご相談ください。
2. 壁の貫通スリーブ位置に制限はありますか?
スマートウォール工法用の標準図でスリーブ配置不可の範囲を明示して現場への指示を行います。
3. 壁をW15に薄くしても、告示にある壁量を確保するために壁の長さを長くしたらコンクリート数量は大幅には変わらないのではないでしょうか?
ご指摘の通り、壁量を告示ギリギリに設定していて、壁厚を薄くした分壁長を長くした場合、コンクリート数量は大幅に変わりません。しかし、今まで見てきた壁式構造の共同住宅の多くは外壁、共用部、戸境壁にRC壁を配置している、壁量が十分余っているプランニングです。

そのような建物に対し、壁長はそのままで壁厚さを薄くするスマートウォール工法を開発し、コンクリート数量削減を実現しています。“壁長はそのままで壁厚さを薄くする”スマートウォール工法に対し、“壁厚さは厚くなるが、壁を極限まで減らす”工法もございます。(スペースウォール)どちらの工法も壁量の最低量を目指しているので、同等のコンクリート数量となります。
4. 許容せん断耐力は壁厚に依存しますが、ひび割れに対する検討は行っていますか?
壁式鉄筋コンクリート造・設計計算規準(2015)ではC0=0.2の中地震時に顕著なせん断ひび割れを生じさせない事を目的として一定の壁率を確保するとあります。スマートウォール工法でも同様に最低壁量をルート1相当の壁量(地震時重量に対する壁断面積)の1.5倍としているため、一定の壁率を確保できせん断ひび割れは生じないと考えられます。
5. スマートウォール工法の品質について、御社が配慮している点、こだわっている点を教えていただけないでしょうか?
ご存知の通り、壁式構造は6面体として地震や台風などの外力を受け止める、強度に優れた構造です。過去の大震災において、壁式構造が倒壊はもちろん大きな被害を受けた例はありません。高い耐震性を持っている壁式構造ですが、コストに比重を置く施主が多く、木造などほかの構造種別と比較すると壁式構造が選択される割合が少ないと感じています。

コストを下げることができれば、壁式構造が選ばれる割合が増えると思い、スマートウォール工法を開発しました。壁厚は薄くなり、配筋は減っているかもしれませんが、耐震性が高い壁式構造の良さは変わらないと思っています。高耐震化の建物を日本に普及していくことが弊社のこだわりです。
6. 施工・工事関係者等すべての人にスマートウォール工法が構造上問題ないと自信持って説明したいです。
<耐震性について>
壁式構造の共同住宅でよく見られる外壁、共用部、戸境壁にRC壁を配置しているプランニングでは、ルート1の壁量(地震時重量に対する壁断面積)が2倍以上の余裕があることが多いのですが、このルート1の壁量というのは『建物が保有している耐力』と同義です。つまり、建物の保有水平耐力余裕度が2倍以上あるといえます。なお、弊社ではスマートウォール工法の最低壁量をルート1の壁量の1.5倍程度となるように規定しています。 また、建設省建築研究所が行った実大実験(5階建て、全階壁厚150mm、壁量120mm/㎡)の論文より保有水平耐力余裕度が2倍程度あることがわかっています。以上のことから、スマートウォール工法の耐震性が極めて高いことがご理解いただけると思います。

<耐久性について>
シングル配筋とすることで主要部分のかぶり厚さが60mm確保できることから、「建築工事標準仕様書・同解説 JASS5 鉄筋コンクリート工事」を参照し耐用年数を算出した結果、耐久性が大幅に向上することにも期待できることがわかりました。

今までに外壁厚さ180mm、ダブル配筋を採用し、内壁厚さは150mm、シングル配筋を採用したスマートウォール工法を100棟以上設計していますが、ひび割れ等のクレームは一度もきていません。 そして、弊社代表の田中は、自信をもって多くの人にスマートウォール工法を勧めるために自腹で借金してまで実大実験棟カンティーナを建てているんだと思います。

ぜひ、上記の内容を施工・工事関係者様にご説明いただき、
一緒に実績を作っていけたら嬉しいです。

ご興味ある方は、ぜひ札幌までカンティーナを見に来てください。
札幌に中々行けないよ、という方はこちらの動画を御覧ください。

さくら構造構造躯体最適化SVシステム工法

自社工法に関するコラム

さくら構造(株)は、
構造技術者在籍数日本国内TOP3を誇り、
超高層、免制震技術を保有する全国対応可能な
数少ない構造設計事務所である。
構造実績はすでに5000案件を超え、
近年「耐震性」と「経済性」を両立させた
構造躯体最適化SVシステム工法を続々と開発し、
ゼロコスト高耐震建築の普及に取り組んでいる。

【さくら構造株式会社】
事業内容:構造設計・耐震診断・免震・制振・
地震応答解析・
構造躯体最適化SVシステム・
構造コンサルティング

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