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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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

自由体図を描き、各支点を反力に置き換えます。
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。
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。
ΣF_y = 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/y_max
単純支持、等分布荷重: M_max = wL²/8

解き方

はり全体のつり合いから支点反力を求めます。
必要な断面ではりを切断し、片側だけを考えます。
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。
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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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

トラス全体の支点反力を求めます。
節点法：未知の部材力が 2 つ以下の節点から始め、ΣF_x = 0 と ΣF_y = 0 を使います。
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。
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: P_cr = 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: σ_cr = P_cr/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

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 M_A の大きさを求めよ。

L = 8 mP = 80 kN 位置 4 mw = 3 kN/m（0 から 8 m まで）

M_A = kN·m

2.はりの支点反力むずかしい

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 R_A を求めよ。

L = 4 mP = 40 kN 位置 1 mw = 8 kN/m（0 から 1 m まで）

R_A = kN

3.せん断力と曲げモーメントふつう

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。

60 kN @ 2 m40 kN @ 5 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

4.せん断力と曲げモーメントむずかしい

30 kN @ 6 m5 kN/m, 0–5 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

5.トラス：節点法ふつう

節点法を使って部材 BC の軸力 F_BC 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 4 m鉛直荷重 = 20 kN

F_BC = kN

6.トラス：節点法むずかしい

節点法を使って部材 AB の軸力 F_AB 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 1 m鉛直荷重 = 45 kN水平荷重 = 15 kN →

F_AB = kN

7.はりのたわみふつう

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 δ_max を求めよ。

w = 15 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (構造用木材)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

8.はりのたわみむずかしい

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 I_req を求めよ。

w = 4 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (アルミニウム)

I_req = × 10⁶ mm⁴

9.柱の座屈ふつう

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 P_cr を求めよ。

L = 2.5 mE = 200 GPa (鋼)b × h = 25 × 100 mm

P_cr = kN

10.柱の座屈むずかしい

アルミニウム製の長さ L の柱が両端ピンである。細長比と、オイラーの式による座屈応力 σ_cr を求めよ。

L = 1.5 mE = 70 GPa (アルミニウム)d = 60 mm

σ_cr = MPa

3溶液

1.はりの支点反力

答え: M_A = 416 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 R_A と反力モーメント M_A を与えます。ΣF_y = 0 から R_A が、壁まわりのモーメントから M_A = 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

M_A = P·a + W·x̄ = 80·4 + 24·4 = 416 kN·m

答え

M_A = 416 kN·m

2.はりの支点反力

答え: R_A = 37 kN

静的つり合い：静止した物体では、任意の点まわりに ΣF_x = 0、ΣF_y = 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。

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 = 8·1 = 8 kN、作用点 x̄ = 0.5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 40·1 + 8·1·0.5

R_B = 44/4 = 11 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 11 = 37 kN

答え

R_A = 37 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 = 46.67 kN, R₂ = 53.33 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。

M_A = 0, M_B = 46.67, M_C = 93.33 kN·m, M_D = 80, M_E = 66.67, M_F = 53.33, M_G = 0

答え

点 C: M_C = 93.33 kN·m

4.せん断力と曲げモーメント

答え: F (x = 5 m)

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 = 6.5 kN, R₂ = 48.5 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。

M_A = 0, M_B = 4, M_C = 3, M_D = −3, M_E = −14, M_F = −30 kN·m, M_G = 0

答え

点 F: M_F = −30 kN·m

5.トラス：節点法

答え: F_BC = −14.91 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 ΣF_x = 0、ΣF_y = 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。

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）。

ΣM_A = 0: C_y·6 = 20·4 → C_y = 13.33 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 13.33 = 6.667 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 = 4/4.472 = 0.8944, cos γ = 2/4.472 = 0.4472

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −13.33/0.8944 = −14.91 kN

答え

F_BC = −14.91 kN (圧縮)

6.トラス：節点法

答え: F_AB = −39.83 kN

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）。

ΣM_A = 0: C_y·8 = 45·1 + 15·2 → C_y = 9.375 kN

ΣF_y = 0: A_y = 45 − 9.375 = 35.63 kN

ΣF_x = 0: A_x = −15 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

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −35.63/0.8944 = −39.83 kN

答え

F_AB = −39.83 kN (圧縮)

7.はりのたわみ

答え: δ_max = 4.984 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 = 15 N/mm, L = 2000 mm

EI = 6.27 × 10¹¹ N·mm²

たわみ

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2000⁴/(384·6.27 × 10¹¹) = 4.984 mm

答え

δ_max = 4.984 mm

8.はりのたわみ

答え: I_req = 137.1 × 10⁶ mm⁴

たわみの制限

δ_allow = L/360 = 8000/360 = 22.22 mm

必要な断面二次モーメント

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·4·8000⁴/(384·70000·22.22) = 1.371 × 10⁸ mm⁴

I_req = 137.1 × 10⁶ mm⁴

答え

I_req = 137.1 × 10⁶ mm⁴

9.柱の座屈

答え: P_cr = 83.93 kN

オイラー座屈：細長い柱は P_cr = 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。

I_min = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 0.7·2500 = 1750 mm

座屈荷重

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/1750² = 83925 N = 83.93 kN

答え

P_cr = 83.93 kN

10.柱の座屈

答え: σ_cr = 69.09 MPa

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

断面二次半径と細長比

A = 2827 mm²

r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm

KL = 1·1500 = 1500 mm

KL/r = 1500/15 = 100

座屈応力

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69.09 MPa

答え

σ_cr = 69.09 MPa

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