構造力学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、10 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

はりの支点反力

つり合い
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
等分布荷重
合力 w·L は荷重の中央に作用
モーメント
M = F·d

解き方

  1. 自由体図を描き、各支点を反力に置き換えます。
  2. 分布荷重はそれぞれ、その図心に作用する 1 つの力に置き換えます。
  3. 一方の支点まわりのモーメントをとり、もう一方の支点反力を求めます。
  4. ΣFy = 0 を使って残りの反力を求め、もう 1 つのモーメントの式で確かめます。

せん断力と曲げモーメント

せん断力と曲げモーメント
V = 片側の ΣF、 M = 片側の ΣF·d
曲げ応力
σ = M·y/I
長方形
I = bh³/12
断面係数
W = I/ymax
単純支持、等分布荷重
Mmax = wL²/8

解き方

  1. はり全体のつり合いから支点反力を求めます。
  2. 必要な断面ではりを切断し、片側だけを考えます。
  3. せん断力：その側に働く鉛直方向の力の和。曲げモーメント：それらの力の切断面まわりのモーメントの和。
  4. 最大曲げモーメントは、せん断力がゼロになる位置を求めて調べます。

トラス：節点法

節点法
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
切断法
ΣM = 0 about a cut point
部材力
正 = 引張、負 = 圧縮

解き方

  1. トラス全体の支点反力を求めます。
  2. 節点法：未知の部材力が 2 つ以下の節点から始め、ΣFx = 0 と ΣFy = 0 を使います。
  3. 断面法：求めたい部材を通るように切断し、ほかの未知部材が交わる点まわりのモーメントをとります。
  4. 引張と仮定します。答えが負なら圧縮です。

はりのたわみ

支間中央の集中荷重
δ = PL³/(48EI)
等分布荷重、単純支持
δ = 5wL⁴/(384EI)
片持ちばり、先端荷重
δ = PL³/(3EI)
片持ちばり、等分布荷重
δ = wL⁴/(8EI)
重ね合わせの理
δ = δ1 + δ2

柱の座屈

オイラー座屈荷重
Pcr = π²EI/(KL)²
有効座屈長さ係数
K = 1 ピン–ピン、0.5 固定–固定、0.7 固定–ピン、2 固定–自由
座屈応力
σcr = Pcr/A
細長比
λ = KL/r, r = √(I/A)

2演習問題

1.はりの支点反力ふつう
P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​ = ?RB​1 m2 m2 m

単純ばりは A がピン支点、B がローラー支点である。鉛直支点反力 RA を求めよ。

L = 5 mP1 = 35 kN 位置 1 mP2 = 25 kN 位置 3 m
RA = kN
2.はりの支点反力むずかしい
P = 75 kN, 40°Q = 60 kNABα = ?4 m2 m2 m

単純ばりは A がピン支点、B がローラー支点である。A から 6 m の位置に水平と 40° をなす荷重 P が、A から 4 m の位置に鉛直荷重 Q が作用する。 ピン A における全反力と水平とのなす角 α を求めよ。

L = 8 mP = 75 kN 位置 6 m, θ = 40°Q = 60 kN 位置 4 m
α = °
3.せん断力と曲げモーメントふつう
w = 12 kN/mAB断面1 m3 m

支点 A から x = 1 m の断面における曲げモーメント Mx を求めよ。下側が引張となる曲げモーメントを正、左側断面で上向きのせん断力を正とする。

L = 4 mw = 12 kN/m（0 から 4 m まで）x = 1 m
Mx = kN·m
4.せん断力と曲げモーメントむずかしい
w = 2 kN/mABC5 m1 m

はりは A でピン支点、B でローラー支点に支持され、B から自由端 C まで 1 m 張り出している。全長 A–C に等分布荷重 w が作用する。 支点 B における曲げモーメント MB を求めよ。 下側が引張となる曲げモーメントを正、左側断面で上向きのせん断力を正とする。

L = 6 mw = 2 kN/m（0 から 6 m まで）支点の位置 x = 0 と x = 5 m
MB = kN·m
5.トラス：節点法ふつう
ABBCACACB20 kN4 m3 m3 m

節点法を使って部材 BC の軸力 FBC を求めよ。引張を正、圧縮を負とする。

スパン = 4 m高さ = 3 mB は A から 3 m鉛直荷重 = 20 kN
FBC = kN
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB55 kN25 kN8 m2 m2 m

節点法を使って部材 BC の軸力 FBC を求めよ。引張を正、圧縮を負とする。

スパン = 8 m高さ = 2 mB は A から 2 m鉛直荷重 = 55 kN水平荷重 = 25 kN ←
FBC = kN
7.はりのたわみふつう
w = 2 kN/mδL = 5 m

片持ちばりの全長に等分布荷重 w が作用する。自由端のたわみ δ を求めよ。

w = 2 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (鋼)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.はりのたわみむずかしい
P = 65 kNAB2 m2 m

一端固定・他端支持ばりは A で固定され、B で単純支持されている。スパン中央に集中荷重 P が作用する。EI は一定である。 支点 B の反力 RB を求めよ。

L = 4 mP = 65 kN 位置 2 m
RB = kN
9.柱の座屈ふつう
PL = 3 m20 × 40 mm断面

アルミニウム製の長さ L の柱が下端固定・上端ピンである。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。

L = 3 mE = 70 GPa (アルミニウム)b × h = 20 × 40 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 75 kNL = 6 md = ?断面

アルミニウム製の長さ L の中実円柱が下端固定・上端ピンである。座屈に対する安全率 3 で 75 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 75 kNn = 3L = 6 mE = 70 GPa (アルミニウム)
d = mm

3溶液

1.はりの支点反力

答え: RA = 38 kN

静的つり合い：静止した物体では、任意の点まわりに ΣFx = 0、ΣFy = 0、ΣM = 0 が成り立ちます。一方の支点まわりのモーメントをとると、その支点反力が式から消えます。

P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​1 m2 m2 m

自由体図

支点を反力に置き換えます。ローラーは鉛直反力を 1 つ与えます。鉛直荷重のみなら、ピンも鉛直反力を 1 つ与えます。

つり合い

A まわりのモーメント（反時計回りを正）。次に鉛直方向の力のつり合い。

ΣMA = 0: RB·5 = 35·1 + 25·3
RB = 110/5 = 22 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 22 = 38 kN

答え

RA = 38 kN
2.はりの支点反力

答え: α = 36.2 °

静的つり合い：静止した物体では、任意の点まわりに ΣFx = 0、ΣFy = 0、ΣM = 0 が成り立ちます。各分布荷重を、荷重図の図心に作用する合力（その面積）に置き換え、支点まわりのモーメントをとってその支点の反力を式から消去します。

P の成分

Pv = 75·sin 40° = 48.21 kN
Ph = 75·cos 40° = 57.45 kN

反力

ΣMA = 0: RB·8 = 48.21·6 + 60·4 → RB = 66.16 kN
Ay = 48.21 + 60 − 66.16 = 42.05 kN
Ax = Ph = 57.45 kN

A での向き

α = atan(Ay/Ax) = atan(42.05/57.45) = 36.2°

答え

α = 36.2°
3.せん断力と曲げモーメント

答え: Mx = 18 kN·m

断面法：内力を求めたい位置ではりを切断し、片側を残します。せん断力 V はその側の鉛直力と、曲げモーメント M はそれらの切断面まわりのモーメントとつり合います。

支点反力

はり全体のつり合い。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 12·4 = 48 kN、作用点 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 12·4·2
RB = 96/4 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 kN
w = 12 kN/mABRA​ = 24RB​ = 24断面1 m3 m

x = 1 m で切断し、左側を残す

切断面より左の力だけを考えます。分布荷重の一部は、その部分の中央に働く 1 つの力として扱います。

M = RA·x − （切断面より左の各荷重 × 切断面までの距離）
Mx = 24·1 − 12·1·0.5 = 18 kN·m

答え

Mx = 18 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: MB = −1 kN·m

断面法：内力を求めたい位置ではりを切断し、片側を残します。せん断力 V はその側の鉛直力と、曲げモーメント M はそれらの切断面まわりのモーメントとつり合います。 最大曲げモーメント：dM/dx = V なので、曲げモーメントはせん断力が 0 を通過する位置、つまり集中荷重の位置か分布荷重の区間内で最大になります。

支点反力

張出し部の荷重を含めた、はり全体のつり合い。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 2·6 = 12 kN、作用点 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 2·6·3
RB = 36/5 = 7.2 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 7.2 = 4.8 kN

B で切断し、張出し部を残す

張出し部の荷重 w·a は B から a/2 の位置に作用し、はりを支点上で上に凸に曲げます（負の曲げ）。

MB = −w·a²/2 = −2·1²/2 = −1 kN·m

答え

MB = −1 kN·m
5.トラス：節点法

答え: FBC = −15.81 kN

節点法：トラスの各節点はつり合っているので、各節点で ΣFx = 0、ΣFy = 0 が成り立ちます。未知部材力が 2 つ以下の節点から始めます。結果が負なら、その部材は圧縮です。

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

支点反力

トラス全体のつり合い。A まわりのモーメント（反時計回りを正）。

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 15 = 5 kN

節点 C

ローラーは鉛直反力しか与えないので、節点 C の未知部材力は 2 つだけです。どちらも引張と仮定します。

sin γ = 3/3.162 = 0.9487, cos γ = 1/3.162 = 0.3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0.9487 = −15.81 kN

答え

FBC = −15.81 kN (圧縮)
6.トラス：節点法

答え: FBC = −23.72 kN

節点法：トラスの各節点はつり合っているので、各節点で ΣFx = 0、ΣFy = 0 が成り立ちます。未知部材力が 2 つ以下の節点から始めます。結果が負なら、その部材は圧縮です。

ABBCACACB55 kN25 kNAy​Cy​Ax​

支点反力

トラス全体のつり合い。A まわりのモーメント（反時計回りを正）。

ΣMA = 0: Cy·8 = 55·2 − 25·2 → Cy = 7.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 7.5 = 47.5 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN

節点 C

ローラーは鉛直反力しか与えないので、節点 C の未知部材力は 2 つだけです。どちらも引張と仮定します。

sin γ = 2/6.325 = 0.3162, cos γ = 6/6.325 = 0.9487
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7.5/0.3162 = −23.72 kN

答え

FBC = −23.72 kN (圧縮)
7.はりのたわみ

答え: δ = 6.51 mm

はりのたわみ：たわみは曲率 M/(EI) を 2 回積分して得られます。代表的な場合は表にまとめられており、たとえば先端集中荷重の片持ちばりは PL³/(3EI)、全長等分布荷重の単純ばりは 5wL⁴/(384EI) です。別々の荷重によるたわみは足し合わせられます（重ね合わせ）。

単位をそろえる

N と mm で計算します：P は N、w は N/mm (kN/m = N/mm)、L は mm、E は N/mm² (GPa × 1000)、I は mm⁴。

w = 2 N/mm, L = 5000 mm
EI = 2.4 × 10¹³ N·mm²

たわみ

δ = wL⁴/(8EI) = 2·5000⁴/(8·2.4 × 10¹³) = 6.51 mm

答え

δ = 6.51 mm
8.はりのたわみ

答え: RB = 20.31 kN

はりのたわみ：たわみは曲率 M/(EI) を 2 回積分して得られます。代表的な場合は表にまとめられており、たとえば先端集中荷重の片持ちばりは PL³/(3EI)、全長等分布荷重の単純ばりは 5wL⁴/(384EI) です。別々の荷重によるたわみは足し合わせられます（重ね合わせ）。 不静定ばりでは、余分な支点を 1 つ取り除き、そこでのたわみが 0 になる条件（適合条件）を課します。

支点 B を取り除く

支点 B がなければ、はりは片持ちばりです。その自由端は荷重によってたわみます。

δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

支点 B での適合条件

支点反力 RB だけで自由端は RBL³/(3EI) 持ち上がります。支点 B はたわみを 0 に保つので、両者は打ち消し合わなければなりません。EI は消去されます。

RB·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → RB = 5P/16 = 5·65/16 = 20.31 kN

答え

RB = 20.31 kN
9.柱の座屈

答え: Pcr = 4.178 kN

オイラー座屈：細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1（ピン–ピン）、2（固定–自由）、0.7（固定–ピン）、0.5（固定–固定）です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。

最小の断面二次モーメント

長方形は弱軸まわりに座屈するので、小さい方の寸法の 3 乗を使います。

Imin = h·b³/12 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·26667/2100² = 4178 N = 4.178 kN

答え

Pcr = 4.178 kN
10.柱の座屈

答え: d = 104 mm

オイラー座屈：細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1（ピン–ピン）、2（固定–自由）、0.7（固定–ピン）、0.5（固定–固定）です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。

必要な座屈荷重

Pcr = n·P = 3·75000 = 225000 N
KL = 0.7·6000 = 4200 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·4200²/(π³·70000))^(1/4) = 104 mm

答え

d = 104 mm

確認：細長比 KL/r は 161.5 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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