钢桥研究

許容応力度設計法

　わが国の鋼橋の設計法として長らく用いられてきたのが，許容応力度設計法である．許容応力度設計法では，原則的に，各種荷重によって鋼橋各部材に作用する垂直応力度の合計σやせん断応力度の合計τが，表１に対応する許容応力度許容応力σａおよびτa以下になるように，構造物を構成する設計法で，
σ≦σａ　　　　　　　　 （式１）
τ≦τａ　　　　
の関係が満足されるように設計する．許容応力度σａは，普通材料の降伏点応力度σｙを適当な安全率γで割って，次のように決められる
σａ＝σｙ／γ　　　　　　（式２）
τａ＝τｙ／（γ√３）
コンクリートのように降伏点が明碓でない材料では，破壊強さσＢを基準にとり，これを安全率で割って許容応力が決めるが，この場合安全率は，一般に降伏点を基準にした場合より大きくとられなければならない．安全率はまた直接的には，材料強度のばらつき，降伏後の材料の延性などを考慮して決められる．許容応力度設計法は，構造物の弾性理論に従い，材料の弾性限度内で間題を取り扱っているので，弾性設計法ともよばれることがあるが，安全率の決め方に，材料の延性的性質はいくらか考慮されており，塑性的性質がまったく無視されているわけではない．安全率はまた，設計計算をｌつのシステムとして考えるならば，荷重の性質・構造解析の精度・構造物の重要性なども考慮に入れて決定されていると考えるべきである．したがって，構造解析の精度の向上，材料の信頼性の向上，実際の構造物における経験の積重ねなどとともに，同一レベルの材料であっても許容応力度は，時代とともに変わっている．（式２）は，引張材についての許容応力の決め方であるが，圧縮材に対しては，座屈応力度σｃｙがσｙの代りの基準となる．この場合部材の細長比により塑性座屈が対象とされる．

表１　鋼材の許容応力度

許容応力度の 総称記号	作用力の 区分	公式の詳細	安全率γの値
σａ	引張 （曲げ引張）	σｔａ＝σｙ／γ	γ＝1.68～1.77
	圧縮	σｔａ＝σｃｙ／γ
	曲げ圧縮	σｔａ＝σｂｙ／γ
τａ	せん断	τａ＝σｙ／（γ√３）
注）　σｙ：降伏点，σｃｙ：柱の座屈強度 　　　σｂｙ：梁の横倒れ座屈強度

許容応力度は，まれにしか作用しないような荷重や，まれにしか起こり得ないような荷重の組合せに対して，割増し係数を用いて割り増すのが普通である．この点からは，許容応力度法においても荷重の作用の確立論的性質はある程度考慮されていると考えらるが，常時作用すると考えられる死荷重と活荷重の差異は考慮ざれないのが普通であり，荷重係数設計法と荷重に対する考え方がかなり異なっていることがわかる．

限界状態設計法

　限界状態設計法は，「その構造物に生じてはならない種々の限界状態を想定し，それぞれの状態に対する安全性を個々に照査する方法」と定義されている．許容応力度設計法と本質的な違いはないものの，条項の決め方にきめ細やかさが見られ，設計の自由度が増加していると考えられる．また，言葉自体のもつ意味からは，確率論を取り入れているようには思われないが，その歴史的経緯から確率論と限界状態設計法を切り離すことはできない．限界状態設計法の研究がソ連において始められたときに，既に確率論が導入されていたと言われている．限界状態設計法の最も顕著な特徴の１つとして，単一ではなく，複数の安全率（部分安全係数）を用いていることがあげられる．部分安全係数は，Ｂａｓｌｅｒ（１９６０）の論文から限界状態設計法での適用が検討され，規定上は複雑になるものの，合理的な設計が可能になることが認められ，全面的な採用に至った．
　また，限界状態は終局限界状態，使用限界状態，疲労限界状態の大きく三つに分類することができる．終局限界状態は構造物または部材が破壊したり，大変形，大変位などを起こし，機能や安定を失う状態と定義でき，最大耐力に対応する限界状態であり，耐用期間中にただ一度作用するかもしれない非常に大きな荷重が作用することによって生じる状態である．使用限界状態は構造物または部材が過度な変形，変位，振動等を起こし，正常な使用ができなくなる状態と定義することができ，通常の供用または耐久性に関する限界状態であり，頻繁に作用する荷重により生じる可能性が大きい．疲労限界状態は構造物または部材が繰り返し荷重により疲労損傷し，機能を失う状態であり，変動荷重，荷重振幅の影響が大きいと言える．
　構造物の安全性を照査するには，最大値と想定される荷重に対する荷重効果Ｓ（断面力あるいは応力）と確率的に見て十分安全と思われる抵抗値Ｒとを比較して，下式が成り立つことが必要と考えられる．
　　　　　Ｓ≦Ｒ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
すなわち，十分大きな荷重に対する荷重効果Ｓと十分小さな抵抗値Ｒとを比較して安全性を確保しようという考え方である．
　しかしながら，確率統計の理論に基づいて荷重効果Ｓや抵抗値Ｒを十分安全側に扱ったとしても，設計から施工に至るまでのあらゆる段階における未知の要因をＳやＲへ含めることはできず，無知係数とも呼べるような安全率ν（ν≧１）を考えることが，数多くの事例や教訓から提案されてきた．そして，式（１）の安全性の照査式をさらに安全側とするために，ＳとＲとの間に一定の比で表される安全率を確保するために，式（２）がＮａｖｉｅｒによって提案された（１８２６年）．
　　　　　Ｓ≦Ｒ／ν　（応力で示せば，σ≦σa＝σu／ν：σu＝材料強度）　　　　　（２）
　その後材料の進歩と相まって，長い間，式（２）が許容応力度設計法の照査式として使われてきた．
　限界状態設計法のフォーマットが明確になるように，現行の許容応力度設計法の抵抗値側に含まれていた安全率νを抵抗値から独立させ，式（２）を変形すると下式の限界状態照査式をえることができる．
　　　　　ν・ΣＳ(Ｆd)／Ｒ(ｆd)≦１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
　ここに，Ｆd：設計荷重，ｆd：設計材料強度，Ｓ：荷重効果，Ｒ：抵抗値，ν：安全率．式（３）が土木学会基準である鋼構造物の限界状態設計法の基本照査式であり，この限界状態設計法の照査式が現行の許容応力度設計法によるものと等価であることは周知の通りである．一方，コンクリート構造物の限界状態設計法では，下式の安全性照査式が用いられている．
　　　　　γi・ΣγaＳ(γfＦk)／(１／γb・Ｒ(ｆk／γm))≦１　　　　　　　　（４）
　ここに，Ｆk：荷重の特性値，ｆk：材料強度の特性値，Ｓ：荷重効果（断面力），Ｒ：抵抗値（断面耐力），γf：荷重係数，γa：構造解析係数，γm：材料係数，γb：部材係数，γi：構造物係数である．この式はＩＳＯ国際規準に準拠したものであり，式（３）に見られる安全率νを５つの係数に割り振り，技術の進歩にあわせて安全性を確保するための係数を変更しやすくした点に特徴がある．ただし，式（３）と式（４）を比較すると本質的な差異はなく，不確定要因について，どちらがきめ細かく対応できる書式であるかという点だけである．
（参考文献）
１）
１）      土木学会　鋼構造物設計指針小委員会：鋼構造物設計指針　ＰＡＲＴ　Ａ　一般構造物［平成９年版］
２）
２）      日本鋼構造協会：鋼構造物技術総覧［土木編］，1998.5
３）
３）      鋼橋技術研究会　設計部会：調査研究報告書（限界状態設計法に関する調査・研究），H7.5
４）
４）      鋼橋技術研究会　限界状態設計法研究部会：限界状態設計法の書式による鋼道路橋設計指針，H10.12

性能規定

　鋼橋に限らず，他の土木構造物，建築，機械，船舶，航空機，電気製品，電子機器等のほぼ全ての工学分野において，製作の前に設計という作業が行われる．設計結果は，一般に設計計算に基づいた製作図面という形で最終的に表現される．


　鋼橋における設計の目的は，景観や維持管理に配慮し，要求された機能を満たし，安全で，経済的な鋼橋を製作・架設するのに必要十分な情報を提供することである．機能を満たし，安全で，経済的であることを保証する手段が，設計法と呼ばれるものである．橋梁は公共性の強いものであるから，設計者によって設計結果が著しく異なることは避けるべきであり，そのため，共通の設計規準が一般に用意されている．鋼橋の設計規準はある特定の設計法に基づいて記述される．現在，我が国において，鋼道路橋の設計規準には設計法として許容応力度法が採用されており，鋼鉄道橋の設計規準では限界状態設計法が適用されている．両設計法は，対象とする橋梁も異なり，表現の方法も異なるが，考え方に大きな相違があるわけではない．いずれの規準においても，鋼材の基準強度としては，降伏点がとられており，鋼材の塑性的な性質は少なくとも表向きには考慮されていない．限界状態設計法では安全係数が導入されており，安全性の照査がよりきめ細かく行われているということは，述べておく必要がある．なお，現行の許容応力度法に基づく鋼道路橋の設計規準を限界状態設計法の書式で書き換えるという試みも，本研究会の特定部会で既に行われている，ということを付記しておく．


　最近では，従来の仕様規定型の設計法に代わって，新しい設計体系として性能規定型の設計法が提唱され，建築では実際に実行に移されている．1998年4月に改訂された建築基準法では，従来，建築規制の枠組みの中で，材料の種類や寸法，工法などが細かく規定されていたのに対して，建材や工法が自由に選べるようになった．


　鋼橋の性能規定型設計法については，本研究会に特定部会が設けられており，詳しくはそちらを参照して頂きたいが，具体的にどのようなものになるかは，今のところ，必ずしも合意が得られているわけではない．極端な例として，要求される性能のみが規定され，その性能が満足されていることを照査する方法は設計者に完全に委ねられる，ということも考えられるが，現時点では現実的ではないであろう．設計結果が設計者によってかなり異なったものとなることが予想されるからである．

　いずれにしても，性能規定型設計法においては，鋼橋に要求される性能が規定され，それが十分満たされるように設計が行われる．ここで，鋼橋に要求される性能は，実際には，限界状態として表現されることが一般的であり，その限界状態に対して必要十分な余裕を有していることが照査されることになる．限界状態は，通常，終局限界状態と使用限界状態の２つに大別される．終局限界状態というのは，構造物が崩壊あるいは破損に達した状態であり，ISOで要求されている性能，「構造物あるいは構造部材が，建設中あるいは使用中に発生が予想される最大あるいは頻繁に繰り返す作用に耐えること」に対応している．一方，使用限界状態は，構造物の健全な使用が困難になった状態であり，ISOで要求されている性能，「予想され得る全ての作用（荷重，強制変形等）下において健全に機能すること」に対応していると言える．座屈破壊や疲労破壊は前者の例であり，過大なたわみや著しい振動は後者の例である．この他に，景観，環境負荷，保守などに関しても要求性能が規定されるべきであるという議論もある．


　鋼道路橋示方書については，性能規定型の規定を限界状態設計法の書式で表現する方向で，現在，改訂作業が進められているとのことである．

要是有中文的就好了  :mad:

日本的钢桥，世界领先啊。