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
w = 3 kN/mP = 15 kNABMA​ = ?4 m4 m

片持ちばりは A で壁に固定されている。全長に等分布荷重 w が作用し、壁から 4 m の位置に集中荷重 P が作用する。 壁における反力モーメント MA の大きさを求めよ。

L = 8 mP = 15 kN 位置 4 mw = 3 kN/m（0 から 8 m まで）
MA = kN·m
2.はりの支点反力むずかしい
P = 25 kN, 40°Q = 25 kNABRA​ = ?3 m2.5 m0.5 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 5.5 m の位置に水平と 40° をなす荷重 P が、A から 3 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 RA の大きさを求めよ。

L = 6 mP = 25 kN 位置 5.5 m, θ = 40°Q = 25 kN 位置 3 m
RA = kN
3.せん断力と曲げモーメントふつう
45 kN10 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

点 A から G は、梁を 6 つの等しい部分に分けています。曲げモーメントの大きさが最大になるのは、正曲げでも負曲げでも、どの点ですか？ 図でそれをクリックしなさい。

45 kN @ 8 m10 kN @ 6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
4.せん断力と曲げモーメントむずかしい
w = 8 kN/mAB2 m4 m

単純ばりのスパンの一部に等分布荷重が作用する。 はりの最大曲げモーメント Mmax を求めよ。

L = 6 mw = 8 kN/m（0 から 2 m まで）
Mmax = kN·m
5.トラス：節点法ふつう
ABCDEFGH15 kN40 kN10 kN20 kN4 × 3 m4 m

このトラスの部材のうち、これらの荷重で力を受け持たないのはちょうど 1 つです。ゼロ部材はどれですか？ 図でそれをクリックしなさい。

B: 15 kN ↓C: 40 kN ↓F: 10 kN ↓G: 20 kN ↓
  1. 1部材 AB
  2. 2部材 BC
  3. 3部材 CD
  4. 4部材 DE
  5. 5部材 FG
  6. 6部材 GH
  7. 7部材 AF
  8. 8部材 HE
  9. 9部材 BF
  10. 10部材 CG
  11. 11部材 DH
  12. 12部材 FC
  13. 13部材 HC
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB20 kN20 kN8 m6 m3 m

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

スパン = 8 m高さ = 3 mB は A から 6 m鉛直荷重 = 20 kN水平荷重 = 20 kN ←
FAC = kN
7.はりのたわみふつう
P = 14 kNABδ6.5 m1.5 m

単純ばりの支点 A から a = 6.5 m の位置に集中荷重 P が作用する。荷重位置のたわみ δP を求めよ。

P = 14 kNa = 6.5 mL = 8 mE = 200 GPa (鋼)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.はりのたわみむずかしい
w = 8 kN/mP = 24 kNδL = 2 m

単純ばりに等分布荷重 w とスパン中央の集中荷重 P が作用する。重ね合わせを用いて中央たわみ δmax を求めよ。

P = 24 kNw = 8 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (構造用木材)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.柱の座屈ふつう
PL = 2.5 md = 60 mm断面

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

L = 2.5 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 60 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 95 kNL = 6 md = ?断面

鋼製の長さ 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 95 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 95 kNn = 3L = 6 mE = 200 GPa (鋼)
d = mm

3溶液

1.はりの支点反力

答え: MA = 156 kN·m

片持ちばりのつり合い：固定支点は上向きに押すことも回転に抵抗することもできるので、鉛直反力 RA と反力モーメント MA を与えます。ΣFy = 0 から RA が、壁まわりのモーメントから MA = Σ(荷重 × 壁からの距離) が求まります。分布荷重は、荷重図の図心に作用する合力として働きます。

分布荷重の合力

W = 3·8 = 24 kN, x̄ = 4 m

壁まわりのモーメント

MA = P·a + W·x̄ = 15·4 + 24·4 = 156 kN·m

答え

MA = 156 kN·m
2.はりの支点反力

答え: RA = 23.63 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。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 = 25·sin 40° = 16.07 kN
Ph = 25·cos 40° = 19.15 kN

反力

ΣMA = 0: RB·6 = 16.07·5.5 + 25·3 → RB = 27.23 kN
Ay = 16.07 + 25 − 27.23 = 13.84 kN
Ax = Ph = 19.15 kN

A での合力

RA = √(19.15² + 13.84²) = 23.63 kN

答え

RA = 23.63 kN
3.せん断力と曲げモーメント

答え: E (x = 8 m)

最大曲げモーメント：せん断力が変わるところでは M の傾きが変わるので、そのピークはせん断力がゼロを横切る位置にあります：集中荷重の下、分布荷重の内側、または張り出し梁の支点の上です。片持ち梁の固定端では、モーメントは壁で最大です。それらの位置で M の大きさを、正曲げでも負曲げでも比べます。

支点反力

一方の支点まわりのモーメントをとり、次に鉛直方向の力の釣り合いを使います。

R1 = 20 kN, R2 = 35 kN

各点での曲げモーメント

切断面の一方の側にあるすべての力のモーメントを合計します。正曲げ（下に凸）を正、負曲げ（上に凸）を負とします。

MA = 0, MB = 40, MC = 80, MD = 120, ME = 140 kN·m, MF = 70, MG = 0

答え

点 E: ME = 140 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: Mmax = 11.11 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

はり全体のつり合い。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 8·2 = 16 kN、作用点 x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·6 = 8·2·1
RB = 16/6 = 2.667 kN
ΣFy = 0: RA = 16 − 2.667 = 13.33 kN

せん断力 0 の位置

せん断力は RA から始まり、荷重のない区間では一定のまま、荷重区間内では勾配 w で減少します。

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 13.33/8 = 1.667 m

最大モーメント

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 13.33·1.667 − 8·1.667²/2 = 11.11 kN·m

答え

Mmax = 11.11 kN·m
5.トラス：節点法

答え: 部材 DH

ゼロ部材：節点では、力がどの方向でも釣り合わなければなりません。節点に荷重も支点もなく、3 つの部材のうち 2 つが一直線上にあるなら、その直線に直交する方向の釣り合いには 3 つ目の部材だけが関わるので、その力はゼロです。荷重のない節点に集まる部材が 2 つだけで、それらが一直線上にないなら、両方ともゼロです。

節点 D

CD と DE は一直線上にあり、節点に荷重はありません。その直線に直交する方向で力を釣り合わせると、DH だけが残ります。

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

節点法で確認する

すべての節点を解くと、次の部材力が得られます（T = 引張、C = 圧縮）。

AB: 36.56 kN (T), BC: 36.56 kN (T), CD: 27.19 kN (T), DE: 27.19 kN (T), FG: 54.38 kN (C), GH: 54.38 kN (C), AF: 60.94 kN (C), HE: 45.31 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 20 kN (C), DH: 0, FC: 29.69 kN (T), HC: 45.31 kN (T)

答え

ゼロ部材: DH
6.トラス：節点法

答え: FAC = 5 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 kN20 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 = 20·6 − 20·3 → Cy = 7.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 7.5 = 12.5 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 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 = 3/3.606 = 0.8321, cos γ = 2/3.606 = 0.5547
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7.5/0.8321 = −9.014 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−9.014)·0.5547 = 5 kN

答え

FAC = 5 kN (引張)
7.はりのたわみ

答え: δP = 4.864 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。

P = 14000 N, a = 6500 mm, b = 1500 mm, L = 8000 mm
EI = 1.14 × 10¹³ N·mm²

荷重位置のたわみ

δP = Pa²b²/(3EIL) = 14000·6500²·1500²/(3·1.14 × 10¹³·8000) = 4.864 mm

答え

δP = 4.864 mm
8.はりのたわみ

答え: δmax = 4.293 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。

P = 24000 N, w = 8 N/mm, L = 2000 mm, EI = 1.32 × 10¹² N·mm²

各荷重を単独で

δP = PL³/(48EI) = 24000·2000³/(48·1.32 × 10¹²) = 3.03 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·2000⁴/(384·1.32 × 10¹²) = 1.263 mm

足し合わせる

δmax = 3.03 + 1.263 = 4.293 mm

答え

δmax = 4.293 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 17.58 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

円形断面はどの軸まわりでも I が同じです。

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 2·2500 = 5000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/5000² = 17581 N = 17.58 kN

答え

Pcr = 17.58 kN
10.柱の座屈

答え: d = 84.87 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 = 3·95000 = 285000 N
KL = 0.7·6000 = 4200 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·285000·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 84.87 mm

答え

d = 84.87 mm

確認：細長比 KL/r は 197.9 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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