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支点を理解すれば構造力学が分かる

久々に新しい記事を作成しています。大学院まで建築構造のことを学び、構造設計の仕事をしていますが、ようやく最近、構造力学のことが理解できてきました。


こちらは僕も1冊持っている鋼構造の本です。内容が分かりやすく、学生と実務初心者にもおすすめです。わかりやすい鉄骨の構造設計

学生のころ、決まりきった計算問題を解いては満足していた自分。仕事を始めて何もできないことを知りました。それから、少しは成長できたかなと思っています。

さて、今回はそんな経験を元に記事を作成しました。まずは、『支点を理解すれば構造力学が分かる』ということについて。

構造力学で支点とは、ピン、ローラー、固定端の3種類ありました。これらの違いは、学生さんでも理解されていると思います。しかし、それは既にモデル化されている問題の範囲ないのこと。実物の建物や、部材を相手にしたとき、それをどのようにモデル化すればよいか途端にわからなくなります。

例えば、次のような梁があるとしましょう。

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このとき、横につながっている梁のモデル化はどのようにすれば良いでしょうか?今回は鉄骨造の場合とします。私が新社会人の時、この梁は両端ピンでモデル化をして計算していました。

しかし、上司に説明されそれが間違いであることに気づかされるのです。そう、この梁は両端ピンのモデル化は正しくなく、真ん中にも支点がある、連続梁が正解です。連続梁ということは、ピンではなく真ん中は固定端になります。

一方で、私が当初考えていたように両端ピンで設計してもそれは間違いではありません。なぜなら、連続梁で設計するよりも、両端ピンで計算する方が、部材に対しては厳しい計算であるため、安全側の配慮ともいえます。部材の経済設計の兼ね合いですが、けっしておかしいことでもありません。

さて、構造設計とは、荷重を地面まで安全に伝えることです。その、荷重を伝える経路や荷重に対して発生する応力に部材が持つか持たないか検討する必要がありますが、要するに『支点』が最も重要で、地面にまで伝えるためには、いかに支点を作るかが肝といえます。

構造力学で計算するとき、あんなに嫌だった不静定構造物ですが、今では不静定にしようと努力しています。つまり、片持ち部材をなるべく作らない努力です。片持ち部材は、1端でした受けていません。

バルコニーや庇は片持ち部材で仕方ないですが、できる限り作りたくありません。不静定部材を多く作ることで、支点が多くなりその分、荷重が安全に伝えることができるといえます。

(一方で、柱を多くしたり、極端な柱割にして柱を増やすと地震力が集中するというデメリットも発生しますが、今回この件は省略します。)

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