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​ = 20 kNP2​ = 60 kNABCRA​ = ?4 m4 m2 m

はりは A でピン支点、A から 8 m の B でローラー支点に支持され、B から自由端 C まで張り出している。上向きを正として鉛直反力 RA を求めよ。

AB = 8 mAC = 10 mP1 = 20 kN 位置 4 mP2 = 60 kN 位置 10 m
RA = kN
2.はりの支点反力むずかしい
w = 5 kN/mP = 60 kNABRA​RB​ = ?6 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 = 8 mP = 60 kN 位置 7 mw = 5 kN/m（6 から 7 m まで）
RB = kN
3.せん断力と曲げモーメントふつう
8 kN/m50 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 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。

50 kN @ 2 m8 kN/m, 2–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
4.せん断力と曲げモーメントむずかしい
w = 3 kN/mP = 50 kNAB断面3.5 m2.5 m

支点 A から x = 3.5 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 = 6 mP = 50 kN 位置 3.5 mw = 3 kN/m（0 から 6 m まで）x = 3.5 m
Mx = kN·m
5.トラス：節点法ふつう
ABBCACACB60 kN4 m1 m2 m

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

スパン = 4 m高さ = 2 mB は A から 1 m鉛直荷重 = 60 kN
FAB = kN
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB20 kN5 kN4 m1 m2 m

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

スパン = 4 m高さ = 2 mB は A から 1 m鉛直荷重 = 20 kN水平荷重 = 5 kN ←
FAB = kN
7.はりのたわみふつう
w = 6 kN/mδL = 4 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 = 6 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (アルミニウム)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.はりのたわみむずかしい
w = 20 kN/mP = 3 kNδL = 3 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 = 3 kNw = 20 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (鋼)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.柱の座屈ふつう
PL = 1 m30 × 50 mm断面

鋼製の長さ 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 = 1 mE = 200 GPa (鋼)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 80 kNL = 1.5 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 2.5 で 80 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 80 kNn = 2.5L = 1.5 mE = 200 GPa (鋼)
d = mm

3溶液

1.はりの支点反力

答え: RA = −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。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。

A まわりのモーメント

反時計回りを正とします。

ΣMA = 0: RB·8 = 20·4 + 60·10
RB = 680/8 = 85 kN

鉛直方向のつり合い

RA = 20 + 60 − 85 = −5 kN

答え

RA = −5 kN

RA は負です：A のピンははりを下に押さえつけなければなりません。

2.はりの支点反力

答え: RB = 56.56 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 = 5 kN/mP = 60 kNABRA​RB​6 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 = 5·1 = 5 kN、作用点 x̄ = 6.5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 60·7 + 5·1·6.5
RB = 452.5/8 = 56.56 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 56.56 = 8.438 kN

答え

RB = 56.56 kN
3.せん断力と曲げモーメント

答え: C (x = 2 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 = 41.33 kN, R2 = 24.67 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 = 41.33, MC = 82.67 kN·m, MD = 70, ME = 49.33, MF = 24.67, MG = 0

答え

点 C: MC = 82.67 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: Mx = 86.04 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 = 3·6 = 18 kN、作用点 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 50·3.5 + 3·6·3
RB = 229/6 = 38.17 kN
ΣFy = 0: RA = 68 − 38.17 = 29.83 kN
w = 3 kN/mP = 50 kNABRA​ = 29.83RB​ = 38.17断面3.5 m2.5 m

x = 3.5 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 = 29.83·3.5 − 3·3.5·1.75 = 86.04 kN·m

答え

Mx = 86.04 kN·m
5.トラス：節点法

答え: FAB = −50.31 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。

ABBCACACB60 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 = 60·1 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 15 = 45 kN

節点 A

すべての部材が引張（節点から離れる向きに引く）と仮定します。A で鉛直成分をもつのは AB だけです。

sin α = 2/2.236 = 0.8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −45/0.8944 = −50.31 kN

答え

FAB = −50.31 kN (圧縮)
6.トラス：節点法

答え: FAB = −19.57 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 kN5 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 = 20·1 − 5·2 → Cy = 2.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 2.5 = 17.5 kN
ΣFx = 0: Ax = 5 kN

節点 A

すべての部材が引張（節点から離れる向きに引く）と仮定します。A で鉛直成分をもつのは AB だけです。

sin α = 2/2.236 = 0.8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −17.5/0.8944 = −19.57 kN

答え

FAB = −19.57 kN (圧縮)
7.はりのたわみ

答え: δmax = 3.401 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 = 6 N/mm, L = 4000 mm
EI = 5.88 × 10¹² N·mm²

たわみ

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·4000⁴/(384·5.88 × 10¹²) = 3.401 mm

答え

δmax = 3.401 mm
8.はりのたわみ

答え: δmax = 3.164 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 = 3000 N, w = 20 N/mm, L = 3000 mm, EI = 7.2 × 10¹² N·mm²

各荷重を単独で

δP = PL³/(48EI) = 3000·3000³/(48·7.2 × 10¹²) = 0.2344 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·20·3000⁴/(384·7.2 × 10¹²) = 2.93 mm

足し合わせる

δmax = 0.2344 + 2.93 = 3.164 mm

答え

δmax = 3.164 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 55.52 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 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 2·1000 = 2000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/2000² = 55517 N = 55.52 kN

答え

Pcr = 55.52 kN
10.柱の座屈

答え: d = 38.84 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 = 2.5·80000 = 200000 N
KL = 0.7·1500 = 1050 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·200000·1050²/(π³·200000))^(1/4) = 38.84 mm

答え

d = 38.84 mm

確認：細長比 KL/r は 108.1 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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