構造解析のモデル化の基本～剛性評価／相対性の評価が重要
こちらの記事でモデル化の基本として剛性について書いてきました。剛性と密接な関係にあるのが変位（変形）です。
構造設計をする中でも非常に重要な要素が変位ですが、その変位の中にも2つ絶対変位と相対変位の概念があります。普段の会話の中では絶対変位と相対変位を使い分けている人は少ないと思います。
今回の記事では絶対変位と相対変位の使い分け方について書いていきます。
①絶対変位とは
絶対変位とは、地球（あるいは地盤）のような動かないものからの変位を絶対変位と言います。
地震時に建物が大きく揺れたときに、建物全体が地盤に対してどれだけ水平方向に移動したか、あるいは垂直方向に沈下したり浮上したものが、その建物の絶対変位として捉えられます。
計算の中でもどこかに動かない基準点を設定すると思いますが、そこからの変位量が絶対変位になります。
②相対変位とは
相対変位は言葉の通り何かと比べての相対的な変位になります。絶対変位との違いとしては動かない基準点に対してではなく、一緒に動くものとの比較になります。
構造設計の中では相対変位による概念が多く使われています。例えば、層間変形角になります。これは建物全体の変位に対して評価するだけでなく、各階の層間変形角に対しての基準が設けてあります。
その層間変形角をベースとした偏心率や剛性率も通りごとや階ごとの相対的な変位に対してのバランスを評価しているものになります。
③絶対変位と相対変位を区分して見えてくること
基本的な概念を踏まえて実務での活かし方のいくつか実例を出していきます
・基準点の確認
任意応力解析系のソフトで解析を行った際に出力される変形は、基本的には節点が元々あった位置からの変位量（絶対変位）が出力されます。この場合に各単体の部材自体の変形をチェックする場合には、絶対変位と相対変位の両方を見ていく必要があります。
例えば小梁の変形を1/250以下になっているかを確認をする際には小梁単体の変形量を見る必要があります。小梁の端部の変位は大梁剛性によって決まってきます。仮に大梁と小梁の交点の変位が3mmだとします。小梁の中央の変位が10mmとなっていた場合には、小梁の剛性によってきまる変位は7mmということになります。
なので、小梁の剛性をどんなに上げたとしても絶対変位は3mmより改善することはできませんが、小梁単体の設計としては問題ないと判断できます。
このように確認したい内容は何を基準に確認すると良いのかを判断するようにしましょう。
・偏心率・剛性率
ルート２を満足させる場合や必要保有水平耐力を算出する際には偏心率と剛性率を使用しますが、ここでも数字を満足させることだけを考えると必ずしも安全側の変更になっていない可能性があります。
偏心率・剛性率はベースに対しての比を使って算出するため、そのベースとなる数値によっては必要以上に悪い数値になることがあります。
全体的に剛性が高く非常に変形が小さい建物があった場合には、数値上は偏心率や剛性率の数値が悪くても、絶対変位が小さいためねじれや一部の層に損傷が集中するようなことは起こりません。
ねじれの方がイメージしやすいかもしれませんが、相対的に見るとねじれていたとしても、実際のねじれ変形量（絶対変位）が小さければ損傷しません。
数値を改善するために、必要以上に耐震スリットを設けたり耐震壁の厚さを薄くすることが必ずしも耐震性を向上させるとは限りません。
参考：偏心率～立体解析との関係
・コンクリートのひび割れ
コンクリートのひび割れの主要な原因の1つとして相対変位があります。コンクリートはひび割れをゼロにするというのは材料の特性上不可能になります。これは絶対変位はゼロにはならないということです。なので目地を設けることでそこに集約します。（相対変位とは違いますが、相対的に剛性を落とすことで集約しています。）
本題の相対変位によるひび割れというのは、基礎梁のように大きなボリュームの取りつく壁のひび割れです。これはコンクリートのボリュームによる乾燥収縮による変位量の違いによるものです。
参考：RCの材料的特徴
・相対変位を活かして力の流れを作る
相対変位が大きくなる場合に、お互いに悪影響を及ぼす（局所的に力が集中する）場合があります。
例えば、鉄骨純ラーメンがほとんどでそこに部分的にRC造の壁式一体になっていた場合には、鉄骨部分は変形してRC壁式部分は変形しないので、接続部がちぎれる（構造力学的にいうとせん断力や引張力作用する）かRC壁式部分にもたれるようになりRC部分が小規模にも関わらず大きな力を負担することになります。その改善策としてEXP.Jを設けるといった手段があります。
逆にRC壁式が大半で、剛性の低い鉄骨が部分的であれば一体に動くように水平剛性を高めることで、相対変位が出ないようにすることで鉄骨部分が力を負担しないようにすることができます。
相対変位をあえて生じさせてそこにダンパーを設置すれば制振構造になります。
このように変位の種類を正しく理解することで力の流れも作れるようになります。こういった基本概念を理解することで、材料や構造特性が違うと反射的になんでもEXP.Jを設けたり、逆にあまり気にせず一体にしてしまうようなこともなく、柔軟に判断ができると思います。
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