【わかりやすい構造設計】一貫計算設定の考え方～モデルの基本構成と剛性・応力計算条件

一貫計算ソフトには数多くの条件設定項目があります。これらの設定は、計算結果に与える影響の度合いが状況によって変わるため、その影響度を理解した上で設定することが重要です。

デフォルト設定のままでも計算結果は得られますが、それでは実際の建物の挙動と計算結果が乖離してしまう可能性があります。

この『一貫計算設定の考え方』シリーズでは、一貫計算における一般的な設定項目の中から、特に迷いやすい部分を解説していきます。

今回の記事では、モデルの基本構成、剛性計算、応力計算に関わる内容について解説します。

※主に使用しているソフトがユニオンシステムのSuper Build/SS7であるため、一部の表現が同ソフトに寄ったものになりますが、他のソフトでも共通する内容です。

①基本事項
②剛性計算条件
③応力計算条件
まとめ

①基本事項

・構造種別

構造計算における「構造種別」は、主に構造計算ルートの判定と、地震力算定に用いる固有周期の係数（木造の0.03か、それ以外の0.02か）を決定するための重要な情報です。混構造の場合は、耐震要素や地震時の挙動を最も支配する構造種別を選択する必要があります。

・高さ／レベル

階高や部材レベルは、建物を線材にモデル化する上で不可欠な情報です。詳細な入力も可能ですが、線材モデルの原理を理解し、計算結果への影響度を考慮した上で、モデルを簡略化し効率化を図ることも大切です。これにより、設計の本質的な部分に集中できます。

参考：線材モデルについてとモデル化の目的

・ダミー層とは？

ダミー層はスキップフロアなどの複雑な床レベルをモデル化する際に使用します。通常層とは別の剛床として扱われますが、「階」としては認識されず、地震力や保有水平耐力の算定対象外となります。そのため、どの通常層に属させるかを定義する必要があります。

応力解析ではダミー層もモデル化の対象となりますが、剛床範囲の設定には注意が必要です。特に、ダミー層によって柱の中間に節点が生じる場合、剛床仮定を適切に解除しないと、柱に不自然な応力が発生する原因となります。

参考：間違え探し⑤（吹抜け部の剛床）

②剛性計算条件

・雑壁スラブを考慮した断面2次モーメントの計算方法

断面2次モーメントの計算方法は、精算法と略算法の2通りがあり、略算法の中には4パターンの方法があります。部材によっては計算方法によって2倍以上のオーダーで数値が変わってきます。

どの設定が唯一の正解ということはなく、建物の特性（靭性型か強度型かなど）に応じて適切な方法を選択する必要があります。設計の途中で設定を変更すると結果が大きく変動し、手戻りの原因となるため、設計の初期段階で方針を固めておくことが重要です。決める際には以下の記事を参考にしてください。

参考：剛性評価／相対性の評価が重要

・剛性に考慮する部材

パラペット、片持ち床、外部袖壁、鉄筋・鉄骨などの剛性を考慮するかどうかを選択できます。実態に近いモデル化という観点では、パラペットの剛性考慮は必須と言えるでしょう。片持ち床や外部袖壁についても、規模や形状によりますが、基本的には考慮することが無難です。

鉄筋・鉄骨ついては少し数値合わせ的な考えになるかもしれませんが、初期は段階は考慮しておかないで、実施設計終盤で必要に応じて考慮するのがよいと思います。

前段の参考記事の中にも記載していますが、剛性は想定的な関係が大事なので、全体の部材に影響のある鉄筋の剛性を考慮しても応力はほとんど変化することなく、剛性だけを高めることができます。保有水平耐力が変形（剛性）で決まっているときに、終盤で荷重が増えて保有水平耐力が不足したときに1～2%耐力を補ってくれます。なので最後の余力として取っておくと手戻りを防げます。

なお、鉄筋コンクリート構造計算規準（RC規準）の8条では、鉄筋の剛性を考慮した方が実測値との対応が良いとされています。

・Ｓ梁のスラブの剛性

RC梁ではスラブと一体でT形断面として評価されますが、S梁は材料が異なるため評価方法も異なります。S梁では、床スラブによる断面2次モーメントの増大を考慮するかを選択できます。正曲げ（スラブが圧縮側）と負曲げ（スラブが引張側）で剛性が変わりますが、応力状態としては正曲げと負曲げで半分づつになることから、主に平均値を採用する方法が採用されています。

③応力計算条件

・柱の軸変形の考慮

柱の軸変形の有無というのは構造解析技術の進化を理解しておく必要のある内容です。手計算時代（固定モーメント法）には少しでも未知数を減らすために軸変形は考慮していませんでしたが、立体解析となることで考慮できるようになりました。背景としては剛床仮定に似ている部分です。

参考：剛床仮定とはなにか／非剛床の事例

ただし、立体解析で考慮される軸変形は、完成した建物に一括で荷重がかかるという仮定に基づいています。実際の施工では段階的に荷重が作用するため、特に高層のRC造建物などでは、計算上の変形と実際の変形に差異が生じることがあります。

この背景を理解した上で、軸変形を「考慮する／しない」の両方のケースを検討し、結果を比較して適切な設定を判断したり、安全率を適切に設定したりすることが実務上のポイントとなります。

参考：幅を持って安全性をデザインしていく～両極端を把握する

・支点の浮き上がりとは？

一次設計における「支点の浮き上がり」とは、地震時などの短期荷重に対して、支点に引張力が発生する現象を指します。一次設計では、原則として浮き上がりが発生しないように設計します。

浮き上がりをしないというのは、直接基礎であれば自重以下に浮き上がり力を抑える、杭基礎であれば自重＋杭の引抜き耐力以下に浮き上がり力を抑えることになります。

浮き上がりと判定された場合に、その支点を取り除いて（浮き上がり耐力が自動的に0kNに設定）再度計算を実行します。周辺部材に力を流すこと（直交方向の梁など）で浮き上がる支点がなくなるまで繰り返し計算を行います。

2次設計での浮き上がりに対する考え方は異なってくるため、2次設計用に別途設定することができます。

まとめ

今回は、一貫計算ソフトの基本的な設定と考え方について解説しました。この記事で紹介したように、構造計算は多くの仮定と簡略化の上に成り立っています。

これらの設定の意図と影響を理解することで、構造計算の『精度のレベル』を把握できます。何でも詳細に入力するのではなく、計算の本質を見極め、適切なモデル化を行うことが重要です。

逆に、建物の形状を正確に入力しても、計算上のルールを理解していないと実態と合わない、誤った結果を導き出してしまう可能性があることを忘れないでください。