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剛体ってなに？剛体の意味と、構造計算での扱い

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剛体という用語をご存じでしょうか。実は建築の専門用語ではなくて、物理学で「剛体」を習います。では、剛体とは何でしょうか。今回は剛体について説明します。

似た用語に「剛性」があります。詳細は下記をご覧ください。

剛とは？1分でわかる意味、読み方、柔の意味、違い、建築用語との関係

剛性とは？本当に分かる剛性の計算、単位、強度との違い、バネ定数

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剛体ってなに？

剛体とは、

力が作用したとき、変形しない物体

です。下図をみてください。

仮想の物体に力を作用させます。すると、変形せずに、そのまま平行移動しました。このように、力を加えても変形しない物体を剛体と言います。

剛体には大きさや重心があります。よって、重心位置に力を作用させれば、剛体は変形せずに並進移動します。

また、力の位置を、剛体の重心位置とずらして作用させると、力のモーメントの作用により、剛体は回転します。

※力のモーメントに関しては、下記が参考になります。

力のモーメントってなに？本当にわかるモーメントの意味と計算方法

但し、剛体とはあくまでも「考え方」です。厳密にはそんな物体はありませんが、剛体として考えた方が計算上の都合がよく、剛体として考えても工学的に差支えない場合もあります。これは後述します。

さて、下図をみてください。これは単純梁と言います。両側の支点に、梁が掛けられ荷重が作用しています。「橋」をイメージすれば分かりやすいと思います。

力のつり合い

さて、この梁に荷重が作用すると当然梁は、変形します。この状態を「たわむ」と言います。車や人が通る橋も、本当はたわんでいます。しかし、変形量がごく僅かであるため、私たちが生活をする場面では、気が付かないのです。

もちろん、物体が変形する以上「剛体」ではありません。では、建築の構造計算では、何が剛体とみなせるのでしょうか。

剛体と構造計算での扱い

構造計算では、実際の物体を剛体とみなすことがあります。考えられるケースは２つです。

物体の大きさに対して力がごく僅か
力に対して物体の断面性能が遥かに大きい

例えば、鉄筋コンクリート造の壁は、場合によっては剛体とみなせるケースもあります。ＲＣ壁は面内方向の断面性能がとても大きいからです。また、建築物の構造計算は、「剛床仮定」という重要な理論があります。

剛床仮定とは、

「床の変形量は、梁や柱に比べて小さい。すなわち剛体とみなせる」

というものです。詳細は省きますが、剛床仮定を適用することで、地震時の検討がとても簡単になります。下記も参考にしてください。

微小変形理論とは？1分でわかる意味（定義）と解析、微小なひずみ、応力計算の考え方は？

まとめ

今回は剛体について説明しました。剛体は、変形しない物体だ、と覚えておけば楽ですよね。構造計算での扱いも、頭の片隅にいれておきましょう。下記も併せて参考にしてください。

力のモーメントってなに？本当にわかるモーメントの意味と計算方法

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名前　ハナダユキヒロ/MITUME lab主宰.（筆者のコラムはこちら）
2010年　弊サイトを開設
2010～2017年　国立大学大学院修了
2017年12月に当HPが書籍化。
「わかる構造力学」
2022年4月に「わかる構造力学」の改訂版出版。
「わかる構造力学(改訂版)」

10数年以上、建築の学問、研究、構造設計の実務に携わった経験を元に、未経験の方、建築関係の学生、社会人の方に役立つ知識を、分かりやすくお伝えします。

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