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​ = 40 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​ = ?3 m2 m1 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 RB を求めよ。

L = 6 mP1 = 40 kN 位置 3 mP2 = 20 kN 位置 5 m
RB = kN
2.はりの支点反力むずかしい
w = 12 kN/mP = 55 kNABRA​RB​ = ?1 m1 m1 m1 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 RB を求めよ。

L = 4 mP = 55 kN 位置 2 mw = 12 kN/m（1 から 3 m まで）
RB = kN
3.せん断力と曲げモーメントふつう
6 kN/m25 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。

25 kN @ 6 m6 kN/m, 4–12 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 = 10 kN/mP = 15 kNAB5 m1 m

単純ばりの全スパンに等分布荷重 w が作用し、さらに集中荷重 P が作用する。はりの最大曲げモーメント Mmax を求めよ。

L = 6 mP = 15 kN 位置 5 mw = 10 kN/m（0 から 6 m まで）
Mmax = kN·m
5.トラス：節点法ふつう
ABBCACACB25 kN6 m2 m4 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 = 6 m高さ = 4 mB は A から 2 m鉛直荷重 = 25 kN
FBC = kN
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB55 kN20 kN4 m1 m4 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 = 4 m高さ = 4 mB は A から 1 m鉛直荷重 = 55 kN水平荷重 = 20 kN ←
FAC = kN
7.はりのたわみふつう
w = 2 kN/mδL = 2 m

単純ばりの全スパンに等分布荷重 w が作用する。スパン中央の最大たわみ δmax を求めよ。

w = 2 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (構造用木材)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.はりのたわみむずかしい
w = 6 kN/mδL = 1.5 m

単純ばりに等分布荷重 w が作用する。たわみはスパン/360 を超えてはならない。この制限を満たす最小の断面二次モーメント Ireq を求めよ。

w = 6 kN/mL = 1.5 mE = 70 GPa (アルミニウム)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.柱の座屈ふつう
PL = 1.5 md = 40 mm断面

鋼製の長さ 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 = 1.5 mE = 200 GPa (鋼)d = 40 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 40 kNL = 2 md = ?断面

アルミニウム製の長さ L の中実円柱が両端固定である。座屈に対する安全率 2.5 で 40 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 40 kNn = 2.5L = 2 mE = 70 GPa (アルミニウム)
d = mm

3溶液

1.はりの支点反力

答え: RB = 36.67 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​ = 40 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​3 m2 m1 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·6 = 40·3 + 20·5
RB = 220/6 = 36.67 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 36.67 = 23.33 kN

答え

RB = 36.67 kN
2.はりの支点反力

答え: RB = 39.5 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。

w = 12 kN/mP = 55 kNABRA​RB​1 m1 m1 m1 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。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 12·2 = 24 kN、作用点 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 55·2 + 12·2·2
RB = 158/4 = 39.5 kN
ΣFy = 0: RA = 79 − 39.5 = 39.5 kN

答え

RB = 39.5 kN
3.せん断力と曲げモーメント

答え: D (x = 6 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 = 28.5 kN, R2 = 44.5 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 = 57, MC = 114, MD = 159 kN·m, ME = 130, MF = 77, MG = 0

答え

点 D: MD = 159 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: Mmax = 52.81 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 = 10·6 = 60 kN、作用点 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 15·5 + 10·6·3
RB = 255/6 = 42.5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 42.5 = 32.5 kN

V = 0 となるのはどこですか？

RA − w·x0 = 0 → x0 = 32.5/10 = 3.25 m

最大モーメント

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 32.5·3.25 − 10·3.25²/2 = 52.81 kN·m

答え

Mmax = 52.81 kN·m

それは A から x = 3.25 m の位置に生じます。

5.トラス：節点法

答え: FBC = −11.79 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。

ABBCACACB25 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·6 = 25·2 → Cy = 8.333 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 8.333 = 16.67 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 = 4/5.657 = 0.7071, cos γ = 4/5.657 = 0.7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −8.333/0.7071 = −11.79 kN

答え

FBC = −11.79 kN (圧縮)
6.トラス：節点法

答え: FAC = −4.688 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 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·4 = 55·1 − 20·4 → Cy = −6.25 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − −6.25 = 61.25 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 = 4/5 = 0.8, cos γ = 3/5 = 0.6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−6.25/0.8 = 7.813 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(7.813)·0.6 = −4.688 kN

答え

FAC = −4.688 kN (圧縮)
7.はりのたわみ

答え: δmax = 4.456 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 = 2000 mm
EI = 9.35 × 10¹⁰ N·mm²

たわみ

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·2000⁴/(384·9.35 × 10¹⁰) = 4.456 mm

答え

δmax = 4.456 mm
8.はりのたわみ

答え: Ireq = 1.356 × 10⁶ mm⁴

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）。

たわみの制限

δallow = L/360 = 1500/360 = 4.167 mm

必要な断面二次モーメント

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·1500⁴/(384·70000·4.167) = 1.356 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 1.356 × 10⁶ mm⁴

答え

Ireq = 1.356 × 10⁶ mm⁴
9.柱の座屈

答え: Pcr = 225 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.7·1500 = 1050 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/1050² = 224989 N = 225 kN

答え

Pcr = 225 kN
10.柱の座屈

答え: d = 41.44 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 = 2.5·40000 = 100000 N
KL = 0.5·2000 = 1000 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·100000·1000²/(π³·70000))^(1/4) = 41.44 mm

答え

d = 41.44 mm

確認：細長比 KL/r は 96.53 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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