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構造解析とは?1分でわかる意味、建築で使う手法、目的、fem

構造解析とは、構造部材のあらゆる部分に生じる応力、変形などの力学性状を明らかにすることだと考えます(※当サイトの定義です)。似た用語で、構造計算があります。建築でいう構造計算は、部材の応力や変形を求めることで、詳細な力学性状まではわかりません。構造解析の方が、構造計算よりも高級な手法と考えています。今回は、構造解析の意味、建築で使う手法、目的、femとの関係について説明します。※femについては下記の記事が参考になります。

有限要素法の概要

構造解析とは?

構造解析とは、構造部材のあらゆる部分に生じる応力、変形などの力学性状を明らかにすることです。


構造計算は、線形モデルした部材の応力、変形を求めるだけです。一方、構造解析では、部材の断面をそのままモデル化し、線形モデルではわからない力学性状まで明らかにします。


構造解析の方が、構造計算よりも高級な手法だと考えてよいでしょう(※ただし、優劣は無いです)。

構造解析の目的

構造解析の目的は、下記です。

などです。例えば、鉄骨部材の接合部の力学性状を知りたいとき、FEMにより構造解析を行います。線形モデルでは、応力集中の状況、微小な変形が把握できないためです。※応力集中については下記の記事が参考になります。

応力集中と応力集中係数の基礎知識


また、スカイツリー建設など国家的なプロジェクトでは、より実状に即した応力、変形性状を把握するため、構造解析が必要です。


ちなみに私は、鉄骨造の接合部に関する研究をしていました。接合部の応力集中、ボルトのすべり、孔壁とボルトとの接触など、FEMを使った構造解析により行いました。

構造解析と建築で使う手法

構造解析といっても、建築で使う手法は限られています。主に下記の構造解析があります。


時刻歴応答解析は、建築独自の構造解析です。建物は地震の影響を一番に受けます。地震により、「どこに力が集中するのか」「揺れ方はどうか」など、実際の地震波を考慮して計算します。下記の記事が参考になります。

多質点系の時刻歴応答解析


固有値解析も、振動の影響を解析する手法の1つです。固有値解析は下記が参考になります。

固有値解析とは?モーダルアナリシスについて


有限要素解析は、部材のある部分や、接合部など、詳細な力学性状を解析する際、用いる手法です。最近では、コンピューターの計算速度が上昇し、架構全体をFEMでモデル化した事例もあるでしょう。

構造解析とfemの関係

構造解析の代名詞が、fem(有限要素法)です。元々、建築ではなく航空分野(機械分野)で開発された解析手法です。現在は、実務でも良く使う手法です。有限要素法については下記が参考になります。

有限要素法を学ぶ

まとめ

今回は、構造解析について説明しました。意味が理解頂けたと思います。構造解析の方が、構造計算よりも詳細に力学性状が把握できます。建築で使う解析手法を覚えてくださいね。特に、FEMは研究や実務でも使う機会がありますよ。

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