線材モデルについてとモデル化の目的
剛床仮定とはなにか／非剛床の事例
構造解析のモデル化の基本シリーズです。
支点条件はどのようなモデル化、解析方法の中でも重要な要素になります。支点の条件によって応力や変形が大きく変わってきます。
今回は主に一貫計算での支点条件の設定が適切に扱えるようになるための内容を書いていきます。
①支点はどこに配置するのか？
一般的な平地に立っている建物の構造計算をするときには、支点をどこに配置するかというと地面に接していて、地面に力を流す部分が支点となります。
杭基礎の場合の方がイメージがしやすいと思うので、杭基礎から触れますが支点を設定した部分というのは現実場面では杭が配置されているということになります。なので支点反力の値が杭に求められる支持力（耐力）になります。
直接基礎の場合は、独立基礎であれば鉛直力に対しては杭基礎と同様の考え方でイメージができると思いますが、布基礎やべや基礎のような点ではなく面で力を負担する場合には少しイメージが変わってきます。
布基礎やべや基礎の場合には支点での荷重を基礎梁や底版を通して地面に流す必要が出てくるので、支点反力の値を適切に周囲のどの基礎にどの程度流すのかを計画する必要ができます。
②支点条件の基本
支点の種類としては以下の3つが基本になります。
- 固定支点：回転と水平・鉛直の変位を固定とします。反力としては曲げモーメント、水平力、鉛直力が発生します。
- ピン支点：水平・鉛直の変位を固定とします。反力としては水平力、鉛直力が発生します。
- ローラー支点：鉛直の変位を固定とします。反力としては鉛直力が発生します。
※回転固定の固定とは回転角がゼロ、変位の固定とは変位がゼロのことに示しています。
基本的な支点の条件はゼロか100かの極端な支持条件になっていることがわかります。なので、この3種類のモデルの間を表現する支点をモデル化することも可能です。
固定支点⇔ピン支点の間には回転ばねを評価したもの（半固定、半剛接などと言ったりします）、ピン支点⇔ローラー支点の間のには水平ばねを評価したものを使用する場合もあります。また、どの支点においても鉛直方向のばねを評価するというものもあります。
例えば、水平ばねで支点を評価する場面としては、接地レベルが異なる場合があります。すべてをピン支点にしてしまうと、計算上は上のレベルの杭に多くの力が流れる想定になってしまうので、水平ばねを設けることで適切な水平剛性まで下げることをします。
③支点条件がピン支点なのはなぜか？
一貫計算では支点条件をピンとすることが一般的です。その理由を知っておくことが、支点を条件を応用して利用していくための基本になります。
ここで告示や構造関係技術基準解説書との関係についても触れておきたいと思います。告示については具体的に言うと”第594号第２ 第一号ロ”が今回の内容に該当します。
ロ 基礎又は基礎ぐいの変形を考慮する場合にあっては，平成13年国土交通省告示第1113号第１に規定する地盤調査の結果に基づき，当該基礎又は基礎ぐいの接する地盤が弾性状態にあることを確かめること。
このような書き方だけから意図を組むのは難しいですが、解説を読んでいくと大きな解釈としては、基礎の支点条件はピンとすることが原則で、一般的な地盤調査ですべての地盤ばねを設定することは困難であるし、地盤ばねを考慮しなくても問題ないというのが結論となっています。
だからといってなんでもピン支持で検討しておけば問題ないということではありません。一般的に基礎梁部分は地上階に比べても剛性耐力共に高い部材で構成されます。そのため、現実には支点ごとに多少の変形差が出たとしても応力を分配できるということも加味しての判断になっていると思います。
保有水平耐力計算の中でも基礎梁にヒンジが発生すると、ワーニングメッセージが出てきます。これはヒンジができるということは基礎部分の剛床が成立していると想定してよいかということを確認しているとも言えます。
耐震壁下の杭のように大きな引抜力が発生するような支点についてはピン支点としてだけでの検討だけでなく、支点の浮き上がりを考慮したばねの設定をした場合との比較が必要になってきます。このような浮き上がりの仮定が成立するのも基礎部分の剛性耐力が高いことが前提になっているので、それも踏まえて検討をするようにしましょう。
支点の状態によって上部構造の応力を簡単に変化させることができてしまいます。地盤部分は不確定要素が多いためそれに関係する部分は安全率を見つつ色々な可能性に対応する必要があります。なので、都合のよい条件だけを採用しないようにしましょう。
参考：まだまだ未知が多い杭（地面）の世界
参考：幅を持って安全性をデザインしていく
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