バッコ博士の構造塾

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実建物におけるピン接合と剛接合:構造設計における本音と建て前

構造力学の授業で必ず出てくるのが「ピン接合」と「剛接合」です。

 

□■□疑問■□■

「ピン接合」と「剛接合」が具体的にどういうものなのかわかりません。また、構造設計の際にどのように使い分けするのでしょうか。

 

□■□回答■□■

「ピン接合」、「剛接合」ともに力学における理想的な状態を仮定しているに過ぎません。実際には本当のピン接合も剛接合も存在しません。全ての接合部はある有限の硬さを持った「半剛接合」と言えます。ただ、計算の簡略化のため、工学的判断によりピン接合、あるいは剛接合として取り扱っています。

コンクリートの場合は基本的には全て剛接合、鉄骨梁の場合はウェブのみ接合した場合はピン接合、フランジも接合すると剛接合となります。鉄骨柱脚の場合は接合形式によりピン接合から剛接合まで変化します。

接合条件に応じて建物の変形量や部材の応力は変化します。硬さが不足する場合は剛接合に、力が大きくなり過ぎる場合はピン接合にするといった対応を行う場合があります。

 

 

ピン接合・半剛接合・剛接合とは

建物は柱や梁、壁等の構造部材により構成されています。当然各部材はそれぞれに太さや厚さを持っていますが、構造計算に使用するモデルでは一本の線(線材置換)で表されることが多いです。

 

この時、一本一本の線が他の線とどのように繋がっているか、地面とはどのように繋がっているかが重要になります。がっしりと繋がり、全ての力を伝えられるのが「剛接合」、縦や横にずれる分には力を伝えられるものの、回転する力には無抵抗なのが「ピン接合」です。その中間で、回転する力に抵抗はするものの、回転変形もするのが「半剛接合」です。

 

身近な例で言えば、ドアの蝶番は抵抗なく自由に回転できるので「ピン接合」、ドアのノブは力を入れれば回転するので「半剛接合」、ドアの外枠は長方形を保つ(勝手に平行四辺形にならない)ので「剛接合」と言えそうです。

 

厳密には蝶番にも少しは抵抗があるので、完全なピン接合ではありません。またドアの外枠も力が大きくなると若干回転変形してしまうため、完全な剛接合ではありません。

 

実際の建物における具体例

鉄筋コンクリート建物

型枠に凝固前のコンクリート(フレッシュコンクリート)を流し込み一体化させるため、基本的に鉄筋コンクリートの接合部は「剛接合」となります。しかし、ひび割れが入るとそこを起点に回転できるようになるため、半剛接合に変化します。さらに変形が進み、内部の鉄筋が降伏(ある力を超えると軟化する現象)するとピン接合に近づいていきます。

 

部材が損傷(ひび割れ、降伏)することで接合部が緩んでいくわけですが、コンクリートが健全な状態でピン接合とすることはまず不可能です。引っ張る、ずらすといった力には抵抗する必要があるため、接合部にはある程度の大きさが必要になりますが、大きさを持つということは回転にも抵抗してしまうということです。

 

壁のような形状の柱(壁柱)の場合、部材が薄いためひび割れが生じやすいです。そのような場合、柱を曲げようとする力が伝わらないよう梁をピン接合にしたくなります。

 

柱と梁が一体化してしまわないよう、柱に設けた出っ張りに梁を載せるだけにし、ずれ止めとして鉄筋を配置する「半剛接合」の納まりはいくつかあります。実際にどの程度の硬さを持った接合部になっているか評価は難しいですが、柱にひび割れが入るのを防ぐ効果はあるようです。

 

鉄骨建物

ピンとして取り扱われるものの代表として「鉄骨小梁」があります。柱と柱の間に架ける水平の部材を大梁、床を支えるために大梁と大梁の中間に架けるのが小梁です。

 

梁に使用するのは「H形鋼」と呼ばれる断面が「H」の鉄骨です。実際には「H」を横にして「エ」の状態で使用します。地面と水平になる2辺「二」をフランジ、垂直になる1辺「l」をウェブといいます。

 

小梁は端部を大梁と繋ぐ際に、フランジは繋がず、ウェブのみを繋ぎます。部材の硬さ、強さの大部分がフランジによるものなので、「ピン接合」と見なしても実用上問題ありません。大梁はフランジ、ウェブ共に柱に繋ぐため「剛接合」です。

 

1階柱の脚部は基礎のコンクリートと繋がる部分です。鉄とコンクリートの異種材料間の接合のため、その評価は複雑になります。

 

ベースプレートと呼ばれる厚い鋼のプレートとボルトを使用して繋ぐ方法を「露出柱脚」といいます。ボルトやプレートの硬さを考慮して「半剛接合」として扱います。

 

柱を基礎のコンクリートの中に埋め込む「埋め込み柱脚」、1階の真ん中までコンクリートの土台を立ち上げる「根巻柱脚」は「剛接合」として扱いします。ただし、コンクリートと鉄の境界面から少しコンクリート側に寄った部分からが有効です。

 

床振動の検討:ピン接合が剛接合に

事務所ビルなどでは柱と柱の間隔が広いため、人の歩行による揺れが問題になることがあります。地震の揺れと比べると非常に小さな揺れですが、静かに座って仕事をしていると感じられる揺れです。

 

床組をモデル化し、人が歩く際に生じる荷重を与えて解析を行います。このとき、小梁の端部はなんと「剛接合」として扱います。人の歩行程度の小さな荷重に対してはウェブを繋いでいるボルトが滑らず、回転に抵抗できるという考えからです。

 

梁の端部を詳細にモデル化して解析してみると、確かにフランジを繋いでいる、いないに関わらずかなりの硬さを有しています。また、実際にはコンクリートの床板が取り付いているため、さらに硬さは上がる方向です。

 

そのため「剛接合」とするのは理にかなっていますが、「ではなぜ小梁の設計はピン接合でやるのか?」という疑問が湧いてくるでしょう。実際のところは「ピン接合に近い」、「剛接合に近い」というよりも設計の簡便化という側面が最も大きいと思われます。何にせよ、実状とは違うということを知っておく必要があります。

 

怪しい構造設計

免震建物の設計において一番問題となりやすいのが、建物を支える積層ゴムに生じる引張力です。積層ゴムは圧縮力に強く、建物の重さを支えるには十分な性能を有していますが、引張力にはとても弱く、圧縮力の1/30しか負担できません。

免震建物を支える積層ゴム:強くて柔らかいを実現する秘密

 

地震には縦揺れと横揺れがありますが、縦揺れによって積層ゴムが負担している圧縮力が瞬間的に大きくなったり、小さくなったります。さらに横揺れによって柱を押したり引いたりする力が生じるため、縦揺れと横揺れによる建物の応答を考慮して積層ゴムの設計をする必要があります。

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横揺れは外側の柱に対して最も影響が大きくなります。柱に取り付く梁に力が生じ、それが何層分も積み重なって大きな力となります。このとき梁が硬ければ硬いほど力が集まってくることになり、結果として積層ゴムを引っ張る力も大きくなります。

 

これを避けるには、梁の硬さを小さくする必要があります。そこで、外側の柱に繋がる大梁の接合部を「剛接合」ではなく「ピン接合」にします。そうすることで力を制限することができます。

 

しかし、「ピン接合」と言っても「フランジを繋がず、ウェブのみ繋ぐ」だけです。これで本当に期待しているような性能が発揮されるのでしょうか。解析上、「ピン接合」か「剛接合」かというのは大きな差ですが、「フランジを繋ぐ」か「フランジを繋がない」かで、そこまで大きな差を生み出せているかは不明です。

 

「実際の建物」と「解析上のモデル化」には乖離があることを知り、自分が行っている解析が実現象とどの程度違っているか把握することが求められます。