安定構造物を目指して～荷重と応力～【建築コラム】
本日は、構造計算に関わる荷重と応力、構造物の安定についてお話しします。
荷重とは？
建物には、部材・仕上げ材による自重（固定荷重）、人間や物品などの積載荷重、積雪荷重、風圧力、地震力、土圧、水圧、振動及び衝撃による外力などの力が作用します。
構造計算において、これらをまとめて「荷重」といいます。
建築基準法施工令 第83条～第88条において、荷重にかかる規定が記載されています。
荷重の種類
荷重は、作用している状況から判断して以下のように分類されます。
①集中荷重
部材の1点に集中して作用する荷重 単位→N,kN
②等分布荷重
部材に平均的に分布して作用する荷重 単位→N/m,kN/m
建築基準法施工令 第84条において 各部にかかる固定荷重の設計用荷重が定められています。
例）屋根・天井・床・壁の仕上げ材
③等辺分布荷重
部材に一定の比率で変化しながら作用する荷重 単位→N/m,kN/m
④モーメント荷重
部材上のある点にモーメントとして作用する荷重 単位→N/m,kN/m
これらのような荷重を想定し、建物が倒壊しないように構造を考えていきます。
応力
構造物に外力が加わり変形しそうになるとき、その外力に抵抗して、構造物の部材内には「応力」というものが生じています。
部材内の応力がどんどん伝わって、最後に構造物を支える部分の反力となっていきます。
応力の種類
①軸方向力 部材の軸方向にかかる応力 （部材が材軸方向に伸縮されるのに逆らおうとするイメージの力）
②せん断力 部材に垂直方向に発生する応力（部材が垂直に切断されようとするのに耐えようとするイメージの力）
③曲げモーメント 部材を曲げようとする応力（部材が曲げられることに反発しようする力）
構造力学上の構造物の種類
安定構造物
これまでにご説明したような外力や荷重を受けて応力・反力が発生した時に、移動・変形しない構造物を「安定構造物」といいます。
構造設計では、基本的に「安定構造物」を目指すことになります。
安定構造物の中をさらに分類すると
「静定構造物」「不静定構造物」と分けられる場合があります。
一見すると、静定構造物が良くて、不静定構造物が良くないような印象がありますが、それは違います。
静定構造物
これまで説明してきた、力のつり合いを考えて、反力や応力を求めることが出来る構造物です。
シンプルにつり合いが保たれた安定構造物です。
不静定構造物
力のつり合いを考えても、反力や応力を計算できない構造物です。
これは、支える部材が多く入っているなどして、計算が複雑になっている構造物です。
簡単に言うと、余分な部材が存在し、強化し過ぎている構造物といえるでしょう。不静定構造物は、外力によって、一部に強い力がかかり、部材が壊れてしまうことがあれども、構物全体が崩壊する可能性は低くなります。
ここまでにご説明した、力のつり合い、荷重の想定、部材毎の応力等を考えながら、安定構造物を目指すための計算をするのが、構造計算です。構造力学というと、物理学が基本にある学問であり、苦手意識を持たれる方もいらっしゃるのではないでしょうか。
これまでの構造力学に関するコラムを通して、建築構造力学の大まかなイメージをつかんで頂き、建築物の構造を理解する上での一歩になると幸いです。
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