構造力学の問題解説

1級建築士 構造 わかりやすい構造特性係数Dsの決め方①

こんにちは、ワンワンです。

級建築士試験の勉強をしていると構造特性係数Dsという言葉が出てきます。しかし、この構造特性係数の決め方が分からないという人も多いかと思います。

特に1級建築士試験では「Dsが小さくなる、大きくなるのか」を問われる問題が出て、問題を解く時にはDsをどのように決めるのかという事を理解していなければ、解くことは難しいです。

そこで今回は、構造特性係数Dsを2回に分けて解説をしていきます。

この記事では、

  • 構造特性係数Ds

について、1級建築士のワンワンが解説していきます。

ワンワン
ワンワン
構造特性係数Dsは保有水平耐力計算をする上で重要な係数となります。この構造特性係数を決めるということは、建物の構造性能を決めることになります。ぜひ、この構造特性係数Dsというものを理解しましょう。

構造特性係数Dsとは

構造特性係数Dsは、建物の構造の変形、破壊性状等によって、建物に必要な地震力を低減させる係数となります。

と上記で難しい言葉で説明しましたが、要は地震力を低減させる係数と考えてください。

では、どのような条件の時に地震力を低減させるのでしょうか。

まず、構造特性係数Dsは保有水平耐力計算で使う係数となります。この保有水平耐力計算時には、建物に必要な保有水平耐力Qunというものを計算する必要があります。

  • 保有水平耐力 Qu:建物が持つ水平方向の耐力
  • 必要保有水平耐力 Qun:建物に必要な水平方向の耐力
  • 保有水平耐力 Qu ≧ 必要保有水平耐力 QunとなればOK

$$必要保有水平耐力耐力 Qun=Ds・Fes・Qud$$

  • Ds:構造特性係数
  • Fes:剛性率、偏心率から算出される形状係数
  • Qud:弾性応答1Gの時の水平力

今回は構造特性係数Dsに焦点をあててるので、Fes、Qudの説明は省きます。

ここで下図を説明します。

グラフは力と変形の関係を表したものとなり、縦軸が上に行けば大きい力、横軸に行けば大きい変形となります。この図から二つの図形があります。

  • 三角形のOAB 力が高く、変形が小さい
  • 台形のOCDE 力が低く、変形が大きい
  • 三角形OABの面積=台形OCDEの面積

実はこの面積がそれぞれが地震時に建物が吸収できるエネルギーの大きさとなります。

この三角形のOABと台形OCDEの面積が等しいのであれば、同じだけの地震エネルギーを吸収できる性能があると考えられています。そう考えると三角形OABと台形OCDEは耐震性が同等と評価します。

そして、変形能力が大きいと力を低減することができるという評価ができるということです。

ここで要点をまとめると、

  • 「力が強く、変形が小さい強度のある建物」=「力が弱いが変形能力がある建物」
  • 変形能力があると地震の力を低減させることができる要素として構造特性係数Dsという係数で評価する。
  • 変形能力が大きいほど構造特性係数Dsは小さくなる。

建物の変形能力があるかどうかで構造特性係数Dsという数値が決まってきます。このグラフの関係から言えば、

  • 変形能力が小さい建物 → Dsは大きい → 必要保有水平耐力Qunが高い
  • 変形能力が大きい建物 → Dsは小さい → 必要保有水平耐力Qunが低い

となります。

この変形能力については塑性時の変形能力となるので塑性変形能力となり、塑性変形能力を「靭性」という言葉で表現します。

  • 靭性のある建物 →  変形能力が大きい建物 → Dsは小さい
  • 靭性のない建物 →  変形能力が小さい建物 → Dsは大きい

塑性について知りたいあなたは、こちらをお読みください。

1級建築士 構造力学 全塑性モーメント問題①こんにちは、ワンワンです。 少し時間が空きましたが、久しぶりの1級建築士の構造力学問題を解説します。今回は全塑性モーメント問題①と...

この靭性については、下記の2点を考慮してDsの値を決めます。

  • 部材(柱、梁、筋交い、耐力壁)の靭性能力
  • 建物の保有水平耐力に対する筋交い、耐力壁の水平耐力の割合

この2点については次の機会に詳しく説明していきます。

「1級建築士 構造 わかりやすい構造特性係数Dsの決め方①」まとめ

$$必要保有水平耐力耐力 Qun=Ds・Fes・Qud$$

  • Ds:構造特性係数
  • Fes:剛性率、偏心率から算出される形状係数
  • Qud:弾性応答1Gの時の水平力
  • 靭性のある建物 →  変形能力が大きい建物 → Dsは小さい
  • 靭性のない建物 →  変形能力が小さい建物 → Dsは大きい
ワンワン
ワンワン
この記事を書いていて、本当に構造特性係数Dsの説明をわかりやすくするのが難しいなあと感じました。今回は第1弾ということで構造特性係数Dsという大きな枠組みの考え方を説明しました。次は、Dsを決めるにあたり細かい条件を説明していきます。

構造特性係数Dsの第二弾を読んでいないあなたは、まずこちらからお読みください。

1級建築士 構造 わかりやすい構造特性係数Dsの決め方② こんにちは、ワンワンです。 今回は構造特性係数Dsの第二弾となります。 構造特性係数Dsの第一弾を読んでいないあなた...

1級建築士試験の構造力学の問題を知りたいあなたは、こちらをお読みください。

1級建築士試験 構造力学の問題解説!こんにちは、ワンワンです。 1級建築士の学科試験で構造は30点満点と重要な科目の一つとなっています。特に構造力学が不得意で苦手意識...