荷重条件
荷重条件とは、構造物や機械要素に作用する外力・外圧・慣性力・温度差などの作用の内容、大きさ、分布、時間変化、組合せ規則を体系的に定める前提条件である。幾何形状・材料特性・支持条件（境界条件）と並ぶ設計の基本入力であり、これが不適切であれば解析や試験の結果は直ちに信頼を失う。設計基準では代表値、特性値、部分係数、組合せ係数を用いて常時・稀時などの状態を定義し、許容応力度設計や限界状態設計に接続する。実務では荷重ケースを明確に命名し、検証可能な根拠（仕様書、規格、実測、統計）で裏づけることが肝要である。
定義と位置づけ
荷重条件は、作用の種類（例：重力、圧力、熱）、作用点・作用面・作用線、空間分布（集中・線・面・体）、時間特性（定常・準静・時刻歴）、確率的性質（代表値、上限・下限）、組合せ規則（同時作用、排反、主・従）を含む概念である。評価指標は最大応力、たわみ、反力、座屈荷重、固有値変化、疲労損傷度などであり、サービス性（SLS）と終局（ULS）で要求が異なる。符号規約や座標系を事前に定め、誰が扱っても同じ解釈となるよう仕様書化する。
主な荷重の区分
- 静的荷重：自重（死荷重）、搭載物・人荷（活荷重）、締結予荷重、内圧・外圧、面外圧力。
- 動的荷重：地震、風、振動、衝撃、流体励起、移動荷重。時刻歴やスペクトルで表す。
- 熱荷重：温度上昇・降下、温度勾配、熱膨張拘束による相当応力。
- 回転由来：回転数に比例する遠心力、アンバランス、ジャイロ効果、トルク変動。
- 磁気・電気・その他：電磁力、摩擦、毛細管力、真空差圧、製造時の組立応力。
用途ごとに支配的な作用が異なる。圧力容器では内圧と熱、回転機ではアンバランスと熱、電子機器では落下衝撃と熱サイクルが重要となる。
モデル化と表現
- 空間分布：集中荷重（点・節点）、線荷重、面荷重、一様・台形・三角分布、体積力（重力）。
- 時間特性：定常値、ランプ、矩形・正弦波、ランダム（PSD）。衝撃は等価静荷重やインパルスで近似する。
- 数学表現：荷重ベクトル、モーメント、圧力（面正規方向）、慣性項（m・a）や減衰項（c・v）。
- 境界入力：温度境界、変位・回転の強制入力、基礎加速度入力（地震）。
FEMでは圧力→節点等価荷重の換算、複数荷重の同時付与、スケーリング、位相差を明示する。符号と座標はモデル内で統一する。
設計における組合せ
荷重条件は単独ではなく組合せで評価する。常時（自重＋常時温度）、風時（自重＋風）、地震時（自重＋地震）などのケースを定義し、限界状態設計では荷重係数γ、材料係数γm、組合せ係数ψを適用する。許容応力度設計では安全率で設計応力≦許容応力とする。片寄せ、偏心、局所効果の重畳は見落としやすいため、作用線・モーメント中心を図示して確認する。
支持条件・境界条件との関係
同じ荷重条件でも支持条件が違えば応答は変わる。固定端・ピン支持・ローラー支持・ばね支持・すべり拘束などの境界条件は、反力の流れと剛性分配を決める。過拘束は二次応力を生み、逆に拘束不足はたわみ過大を招く。設計段階で支持条件を過度に理想化しないこと、実機の柔らかさをばね要素で近似すること、熱膨張の逃げを考慮することが重要である。
解析手法と指標（手計算・FEM）
- 梁・柱：集中荷重、等分布、三角分布、端モーメントに対するたわみ・曲げ応力・せん断応力を公式で評価。
- 板・殻：面外圧力・面内荷重・座屈。境界条件に応じた近似解や数値解を使う。
- FEM：荷重ステップ、サブケース、線形静解析、非線形（大変形・接触）、固有値、周波数応答、時刻歴。
評価指標は最大主応力、相当応力（von Mises）、たわみ、反力、接触圧、座屈固有値比、疲労損傷度（S-N、Miner則）などである。
設定手順の実務ポイント
- 要求仕様の読解：使用条件、環境、寿命、法規・規格の適用範囲を明確化する。
- 荷重リスト化：根拠、代表値、作用位置、分布、時間特性、発生頻度を表にまとめる。
- ケース編成：常時・稀時・試験時・輸送時を分け、命名規則とバージョン管理を行う。
- 座標・符号の統一：右手系、回転正方向、モーメント向きを図で固定する。
- 感度確認：代表荷重を±10〜20%振って応答変化を把握し、支配因子を特定する。
- トレーサビリティ：計算書・モデル・荷重根拠資料のリンクを残し、再現性を担保する。
よくある誤りと対策
- 自重の二重適用：材料密度で重力を与えた上に別途重力荷重を入れてしまう。→どちらか一方に統一。
- 分布→集中換算の誤り：等価節点荷重の配分をメッシュに適合させていない。→形状関数に基づき配分。
- 熱の取り扱い：温度境界と熱荷重の混同。→温度場解析と構造解析の連成手順を整理。
- 回転体の近似：アンバランスとジャイロ項の無視。→回転数依存の剛性・減衰をモデル化。
- 衝撃の準静近似：インパルスが短いのに静解析で済ませる。→時刻歴解析または等価動的係数。
- 組合せ漏れ：排反と同時作用を取り違える。→組合せ表で網羅し、レビューで確認。
根拠と規格の扱い
荷重条件は規格・ガイドライン・社内標準に依拠する。機械では取扱説明書・試験規格、建築・土木では設計基準、配管・圧力機器では圧力・温度・地震・熱膨張の組合せが定められる。根拠の明示と最新化、実測データの反映、保守運用フェーズのフィードバックにより、荷重設定の妥当性を継続的に高めることができる。