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境界条件とは？1分でわかる意味、種類と例、はりとの関係

この記事の要点

境界条件とは、建築や物理では、端部の拘束条件を意味します。

境界条件を指定し、応力解析や変形解析などを行います。

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境界条件とは、建築や物理では、端部の拘束条件を意味します。境界条件を指定し、応力解析や変形解析などを行います。境界条件が変われば、応力や変形に影響します。はりの計算は、「荷重」と「境界条件」の２つが重要です。

構造力学では、支持条件や支点条件ともいいます。今回は、境界条件の意味、種類と例、境界条件とはりの関係について説明します。※支持条件は、下記の記事が参考になります。

支点とは？わかりやすい意味【図解】

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境界条件とは？

境界条件とは、端部の拘束条件のことです。構造力学や物理学では、変形を拘束する条件です。例えば、境界条件の１つに「固定」があります。端部を固定した場合、水平、鉛直方向、回転方向の変形を拘束します。

構造力学では、境界条件のことを支持条件（支点条件）ともいいます。下記の記事が参考になります。

支点とは？わかりやすい意味【図解】

境界条件が変わるだけで、応力や変形に大きく影響します。例えば、端部の境界条件が「固定」と「自由」では、結果が全く変わります。

境界条件は、はりの計算や座屈計算に関係します。はりの計算は下記の記事が参考になります。

梁のたわみを求める方法

梁の反力と、演習問題から学ぶ計算方法

座屈の計算は、下記が参考になります。

座屈とは？座屈荷重の基礎知識と、座屈の種類

境界条件の種類と例

境界条件の種類と意味を下記に整理しました。

・固定　⇒　鉛直、水平方向、回転方向の変形を拘束する条件

・ピン　⇒　鉛直、水平方向の変形を拘束する条件

・ローラー　⇒　鉛直または水平方向の変形を拘束し、一方の変形を自由にした条件

・自由　⇒　変形を一切拘束しない条件

境界条件とはりの関係

はりの計算をするとき、境界条件が影響します。境界条件とはりの変形の影響を下記に示します。

下図をみてください。梁の両端を固定したとき、はりの変形は最も小さくなります。

固定端のはり

両端をピンにすると、回転を拘束しない分、固定とした境界条件より変形が大きいです。

両端ピンのはり

片側をローラー、片側をピンにすると、両端ピンの境界条件と変形は同じです。但し、水平方向に荷重が作用するとローラー支点は変形し、部材がのびます。

ローラー支点のはり

片側固定、片側自由にしたはりを、片持ち梁といいます。自由端は変形を一切拘束しません。最も変形が大きくなる境界条件です。

自由端のはり

はりの変形と境界条件の関係は、下記の記事が参考になります。

梁のたわみを求める方法

混同しやすい用語

固定端（こていたん）

鉛直・水平・回転の全方向の変形を拘束する境界条件です。ピンやローラーより拘束が強く、たわみが最も小さくなります。

ピン（ヒンジ）

鉛直・水平方向の変形を拘束し、回転を自由にした境界条件です。固定端と異なり曲げモーメントが生じません。

ローラー

一方向（通常は鉛直方向）の変形のみ拘束する境界条件です。水平方向は自由なため、ピンとは異なる反力の組み合わせとなります。

試験での問われ方｜管理人の一言

境界条件に関する問題は建築士試験の構造分野で出題されます。定義と計算の両面から理解しておきましょう。

境界条件の定義・適用条件・計算式は建築士試験の構造分野で出題される基本事項です。

用語の定義を正確に理解したうえで、関連する規準・法令との関係を整理することが大切です。

まとめ

今回は境界条件について説明しました。意味が理解頂けたと思います。境界条件は、端部の拘束条件です。建築では、はりなど、構造部材の計算に境界条件が必要です。境界条件の種類として、固定、自由、ピン、ローラーがあります。各条件の意味を理解してください。また、境界条件は「支持条件」ともいいます。下記の記事が参考になります。

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