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力の流れとは?1分でわかる意味、構造力学、建物の構造部材との関係

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力の流れとは、柱や梁などの構造部材に伝わる「応力の移動経路」のことです。構造力学や材料力学、建物の構造設計などで「力の流れ」という用語を使います。特に、建築物の構造設計では力の流れを意識した部材配置を行います。今回は力の流れの意味、構造力学、建物の構造部材との関係について説明します。


トラス構造の力の流れ、構造部材の意味は、下記が参考になります。

トラスの部材力を簡単にしらべる方法

構造部材とは?1分でわかる意味、種類、定義、非構造部材との違い

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力の流れとは?

机の真ん中に本を置くと、本の重量は机の「天板」⇒「脚」⇒「床」の順に伝わります。これが力の流れです。



構造力学で、力が「どのように伝わるか」はとても重要な問題です。下図をみてください。本を机の脚の真上に置きました。


図 机と力の流れ


この場合、本の重量はほとんど直接、脚に伝わります。机の真ん中に本を置く場合と比較して、力の流れが変わります。


力の流れが変わると、構造部材の大きさが変わります。作用する力が小さければ、部材も小さくて良いからです。


また構造部材に伝わる力は、大きく分けて下記の3つがあります。


引張力

圧縮力

せん断力


各応力の意味は、下記が参考になります。

引張、圧縮とは?1分でわかる意味、違い、符号、強度の関係

圧縮力とは?1分でわかる意味、単位、破壊、筋交いとの関係

せん断応力とは?1分でわかる意味、公式と計算法、記号、平均せん断応力


外力の作用位置、種類、構造部材の配置など、色々な条件で「力の流れ」と「伝わる力」が変わります。


優れた建築物の多くは、力の流れを上手くデザインしています。そういった構造設計者の方を、構造家(こうぞうか)といいます。構造設計のスペシャリストです。詳細は下記が参考になります。

若手設計者のキミに伝えたい、すぐに分かる構造計算の書籍7選

力の流れと構造力学

構造力学=数学や物理、というイメージがあるかもしれません。しかし、実際は異なる分野です。構造力学の本質は、力の流れを把握することです。


極端にいうと「どの部材に、どういった力が作用するのか、どう伝わるのか」が理解できれば、細かい構造力学の計算を暗記する必要も無いでしょう。

力の流れと建物の構造部材

建物の構造部材は、必ず力の流れを意識して設計します。さらに、建物は鉛直方向の力だけでなく、水平方向の力(水平力)に対して力の流れを考えます。代表的な水平力として、


地震力

風圧力


があります。詳細は下記が参考になります。

地震力の算定方法と、簡単にわかるZ、Rt、Ai、Coの意味

風圧力と速度圧、風力係数とは何か?1目でわかる算定方法や関係


水平力に対する力の流れは、普段の生活では意識しません。よって、直感的に理解しにくい部分もあり、構造設計の実務を経験して初めて分かるでしょう。

まとめ

今回は力の流れについて説明しました。意味が理解頂けたと思います。力の流れは、応力の移動経路です。力の流れを把握して、「どの部材に、どのような力が作用するか」理解します。その第一歩として、構造力学を勉強するのです。構造設計に興味がある方は、下記も参考になります。

構造設計は、どんな仕事なの?

構造設計と構造計算 その違いとは?

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