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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。

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剛体ってなに?

剛体とは、

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。


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。

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、

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。

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。

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