構造計算

構造計算は、建築構造物や土木構造物が、様々な荷重に対してどのように変形し、応力を生じるかを計算するプロセスです。この計算は、構造物が安全に使用できるかを判断するために不可欠であり、構造物の安全性と使用性を確保することを目的としています。最終的には、計算結果は詳細な構造計算書としてまとめられ、その規模は100枚から5000枚に及ぶこともあります。

構造物に加わる力

構造物には、様々な力が組み合わさって作用します。これらの力に対して構造物が安全である必要があります。ただし、地震荷重と風荷重は同時に発生しないものとして考慮されます。

固定荷重（死荷重）: 構造物自体の重さによる力で、常に鉛直方向に加わります。木造では比較的軽く、鉄筋コンクリート造では非常に重くなります。柱、梁、壁、床、設備など、構造物に付随する全てのものが含まれます。これらの重さを計算する作業は「荷重拾い」と呼ばれ、地道な作業となります。
積載荷重（活荷重）: 構造物に乗る可動物体の重さによる力で、これも鉛直方向に加わります。建築物では人や家具、土木構造物では車両などが該当します。積載荷重は変動するため、最小、最大、または標準的な値を用いて計算が行われます。
積雪荷重: 雪の重さによる力で、鉛直方向に作用します。積雪量は地域によって異なり、雪が多い地域では大きくなります。
風荷重: 風による力で、主に水平方向に加わります。構造物の表面積が大きいほど、また形状によってもその影響は変わります。木造建築物や高層ビルなど、揺れやすい構造物では特に重要になります。
地震荷重: 地震による力で、主に水平方向に作用します。構造物が重いほど、その影響は大きくなります。地震国である日本では、特に重要な要素です。
その他の荷重: 土圧や水圧など、構造物によっては他の荷重も考慮される場合があります。

構造物に及ぼす影響

これらの力が構造物に作用すると、構造物は変形し、部材に応力が発生します。変形が過度になったり、部材の応力が許容値を超えると、構造物が部分的に破壊し、最終的には崩壊に至る可能性があります。

変位: 構造物の一点の移動量と回転量を表します。3次元の場合、合計6つの値で表されます。
応力: 構造部材に生じる力を表します。3次元の場合、軸方向力、せん断力、曲げモーメント、ねじりモーメントなど、合計6つの値で表されます。

計算方法

構造計算は、以前は手計算が主流でしたが、現在ではコンピュータを用いた計算が一般的です。計算には、表計算ソフトやマクロ言語を使用した簡単なものから、専用の構造計算ソフトを使用した高度なものまであります。手計算とコンピュータ計算を組み合わせることもあります。

手計算: 紙、鉛筆、電卓を使用します。計算ミスや時間がかかる可能性がありますが、構造に関する深い知識が必要になります。現場での緊急時などに行われることがあります。
表計算ソフトやマクロ言語: パソコンと表計算ソフトを使用します。手計算よりは効率的ですが、入力ミスには注意が必要です。簡単な形状の構造物や小規模な木造住宅などで利用されます。
専用の構造計算ソフト: 現在の主流です。GUI画面で入力するだけで自動で計算され、結果を出力します。構造に関する知識がなくても使えますが、結果を正しく解釈するためには専門知識が不可欠です。ソフトウェアは高価であり、維持費もかかる場合があります。構造設計事務所では、確認申請まで対応できる一貫計算ソフトがよく使われますが、複雑な設計では応力解析プログラムが必要になることもあります。

日本製の計算ソフト: Build一貫+、Super Build／SS7 など
海外製の計算ソフト: Midas Gen、Revit Structure、Staad Pro、Prokon など

計算手法

力学的な計算手法の代表例を紹介します。

力の釣り合いやモールの定理による方法: 構造力学の教科書に載っている基本的な計算方法で、小規模で単純な構造物によく用いられます。
マトリックス変位法: 構造物のすべての節点の変位と部材の応力を正確に求めることができます。トラス構造やラーメン構造などに適用されます。
有限要素法: 構造物の微小部分における変形と応力度を正確に計算できます。床板や複雑な形状の構造物などに用いられます。

これらの計算手法を組み合わせることもあります。

関連項目

荷重
構造デザイン
建築構造設計
構造力学
構造エンジニア
構造家
エンジニア・アーキテクト
耐震基準
欠陥住宅
道路橋示方書
構造計算書
構造計算書偽造問題

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