'06/6/6
建築構造設計に唯一解は存在しない 目次
吉見 吉昭

 電子工学者の知人から,例の耐震偽装問題の報道について「同じ設計図でも建築士によって耐震強度の計算はまちまちになると書かれているのですが本当なんでしょうか?それは,法的に正しい計算結果が複数あることが認められるということで,まるっきり科学的じゃないと思います。」というコメントがありました。電子の動きだけを追いかけて,理論が厳密に成立することに馴れているいる電子工学者には建築構造設計が全く理解されていないようです。材料力学で唯一解があるのは弾性理論だけで,それも極めて限られた形状と境界条件の場合だけに理論解が存在します。また,客観的な強度の評価ができるのは,実大実験が可能な小型建物の場合だけでしょう。

 
建物は柱・壁・梁・床からなる三次元構造物で,柱の数や階数が多い場合は,部材(ぶざい)の数の多い非常に複雑な構造物です。建物の構造設計では,モデル化の仮定・入力地震動・構造計算方法・材料強度などについて選択肢または不確実性が存在します。重力・地震力・風力に耐えるように“構造設計”を行いますが,単純梁などの一部の構造物以外は,力のつり合いだけでは応力が決まらない“不静定”構造物で,まず部材断面を仮定して,トライアル・アンド・エラーで計算を進めることになります。断面は長方形または円形ですが,その寸法と長辺/短辺比は自由に選べます。建物全体を連続体として数値解析することは,不可能ではありませんが,要素数が膨大になるので実際的ではありません。そこで,柱と梁の二次元骨組みにモデル化して,ふつうは曲げ変形だけを考えて解析します。解析の結果断面の応力が決まっても,断面寸法と鉄筋量の組合せは無限にあります。要するに唯一解は存在しない世界なのです。「科学的じゃない」というのは的はずれの批判です。柱を太くすれば鉄筋量を減らすことができますが,そうすると有効床面積が減るので,「柱を細くして,なおかつ鉄筋を減らせ」という無茶な要求を出したことが問題なのです。

 
既設建物の強度を評価するためには,まず鉄筋が設計通りに入っているか,コンクリート強度は十分かなどを確認しなければなりません。構造解析法はかなり改善されているとはいえ,多くの単純化を含んでいますので,構造設計の実務は一種の手続きであって,真の強度の評価とは別次元の話です。