2017
02.25

ハンブリーのパラドックス(その2)

Category: 構造設計
「ハンブリーのパラドックス」の続き。

文献 1 の"10.2 The elastic design process"を見ながら、スツールの設計を通して弾性設計の手順について確認してみよう。

4本脚のスツールの釣合い式は 3 つだけだが、未知数は各脚に生じる内力 4 つである。各内力は、各脚が床から受ける反力 R1、R2、R3、R4 に等しい。また、これらの和は腰かける人の体重 60 kgf(原文では 600 N)に等しい。

モーメントの釣合いから、対角上に位置する脚が負担する力は等しいことが分かる。式で書くと、R1 = R3 と R2 = R4 である。このことから、R1 + R2 = 30 kgf となる。R1、R2 とも正の値を取るので、0 ≦ R1, R2 ≦ 30 が求まる。

この問題を解くためには、スツールの弾性特性を考慮する必要がある。座面のたわみまで考えると、四隅を支持された平板の解析というかなりやっかいな問題になるので、座面は剛体と見なし、脚の軸方向の伸び(ここでは縮み)だけを考慮する。そうすると、結果は容易に求まって、脚のヤング率の値がいくらであろうと、どの脚も 15 kgf を負担することが分かる。

この結果はもちろん一様な境界条件を暗黙の内に仮定して得られたものである。一様な境界条件とは、床は剛で平坦、またどの脚も初めの長さは同じで、同じように床に着いているということである。前々回の記事で見たように、実際の世界ではこのようなことはあり得ない。実際の境界条件は、未知であり不可知なのである。

この程度のちょっとした不整は、実際にはさしたる影響もないと結論付けたくなるが、弾性解析はこの常識的な見解を支持しないのである。文献 1 には以下のように書かれている(拙訳)。

1本の脚が床から浮いたスツールを解析してみると、床と脚との隙間が 0.01 mm、0.1 mm、1 mm のように異なれば、脚に掛かる弾性的な力もひどく異なった値となることが見出される。

このように異なる値を取ることは実験でも確認される。脚にゲージを貼って実験を行うと、1本の脚に掛かる力は、0 と 30 kgf の間の任意の値を取ることが認められ、数多くの実験で 0 または 30 kgf ちょうどの力がかかることが示される。

忠実な訳では無いかも知れないので、以下の原文も確認されたい(300 N を 30 kgf としたのは、前々回の記事に合わせたため)。

If the stool is analysed with one leg clear of the floor, then profoundly different values for the elastic leg forces will be found for clearances of say 0.01, 0.1 and 1 mm.

These different values will be confirmed by experiment; if tests are carried out, with gauges attached to the legs, then the load in a leg may be found to have any value lying between 0 and 300 N, and a fair of experiments will record the load as exactly 0 or 300 N.

拙訳では、文中の will を推量の意味とせずにもう少し強めの意味があるように訳してみた。というのも、この後に続く部分でこういったことが1930 年代にイギリスの SSRC(Steel Structures Research Committee) によって確認されたと書かれているからである。

その部分も以下に示そう。

1930年代に SSRC によってまさにこういった見解が示されたのである。彼らが下した結論とは、構造物に内在する少なからぬ不整のために、弾性解析は誤った設計手法となるということであった。

こういった見解や Kazinczy、Maier-Leibnitz らによって行われた実験も相まって、鋼構造物を対象として(実際にはあらゆる靭性的材料で作られる構造物の設計法に)塑性設計法が導入されるに至ったのである。


以下は原文。

It was precisely observation of this sort that were made by the Steel Structures Research Committee in the 1930s, and their conclusion was that the host of geometrical imperfections in structures made elastic analysis the wrong tool for design.

It was these observations, coupled with the experimental work of Kazinczy, Maier-Leibnitz and others, that led to the plastic method of structural design for steel structures (or indeed of a structure made of any ductile material).

こういったこともあって、イギリスの設計規準は大変早い段階に許容応力度設計におさらばしている。このことを説明している日本語の資料として文献2がある。末尾に載っているコラム「アメリカとイギリスにおける限界状態設計法の現状」のイギリスに関する部分を以下に示そう。

... イギリスにおいては限界状態設計法の普及はかなり進んでいる。鉄筋コンクリート造の代表的な設計規準であった BS CP 114(許容応力度設計法)は、1972 年に BS CP 110(限界状態設計法)に改められ、さらに、 1985 年には BS 8110 として改訂された。現在は、ほとんどの鉄筋コンクリート造の建物は限界状態設計法に基づく BS8110 によって設計されている。

鋼構造の設計規準としては BS 449(許容応力度設計法)が広く用いられていたが、1977 年に限界状態設計法試案が示され、1985年に BS 5950(限界状態設計法)として発行された。

現在は法的には BS 449、BS 5950 の両方の設計法が認められているが、実務においては限界状態設計法に基づく BS 5950 の使用比率が 80~90% を占め、大手設計事務所では 95% 以上にもなる。ただし、BS コードは耐震設計をカバーしていない(イギリスには地震はほとんどない)ことを注記しておく。

文献2はかなり古い本だが、BS 8110とBS 5950は現在でもイギリスの主要な設計規準である。ちなみに、このコラムにはアメリカはここまで早く(LRFDに)移行していないことも書かれている。さすがパイオニアの国イギリスは、独立独歩で我が道を歩んでいるのである。


参考文献

  1. Jacques Heyman : Structural Analysis: A Historical Approach, Cambridge University Press, Cambridge 1998.

  2. 神田 順 編 : 限界状態設計法のすすめ - その魅力と可能性を探る 建築技術 1993年




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