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​ = 60 kNP2​ = 50 kNABRA​RB​ = ?2.5 m1.5 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 = 5 mP1 = 60 kN 位置 2.5 mP2 = 50 kN 位置 4 m
RB = kN
2.はりの支点反力むずかしい
P = 30 kN, 45°Q = 40 kNABα = ?1 m3.5 m1.5 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 1 m の位置に水平と 45° をなす荷重 P が、A から 4.5 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 = 6 mP = 30 kN 位置 1 m, θ = 45°Q = 40 kN 位置 4.5 m
α = °
3.せん断力と曲げモーメントふつう
w = 5 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 = 5 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 = 5 kN/mABC5 m1.5 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 1.5 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 = 6.5 mw = 5 kN/m（0 から 6.5 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
ABBCACACB45 kN4 m3 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 = 4 m高さ = 2 mB は A から 3 m鉛直荷重 = 45 kN
FBC = kN
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB45 kN5 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 = 45 kN水平荷重 = 5 kN →
FBC = kN
7.はりのたわみふつう
P = 24 kNABδ2.5 m0.5 m

長さ L の片持ちばりは A で固定され、A から距離 a = 2.5 m の位置に集中荷重 P が作用する。 自由端 B のたわみ δB を求めよ。

P = 24 kNa = 2.5 mL = 3 mE = 200 GPa (鋼)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.はりのたわみむずかしい
w = 12 kN/mAB3 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。全長に等分布荷重 w が作用する。EI は一定である。 固定端における曲げモーメントの大きさ MA を求めよ。

L = 3 mw = 12 kN/m
MA = kN·m
9.柱の座屈ふつう
PL = 5 md = 40 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 = 5 mE = 200 GPa (鋼)d = 40 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 5 kNL = 2.5 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 2.5 で 5 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 5 kNn = 2.5L = 2.5 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 = 70 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​ = 60 kNP2​ = 50 kNABRA​RB​2.5 m1.5 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·5 = 60·2.5 + 50·4
RB = 350/5 = 70 kN
ΣFy = 0: RA = 110 − 70 = 40 kN

答え

RB = 70 kN
2.はりの支点反力

答え: α = 52.53 °

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 = 30·sin 45° = 21.21 kN
Ph = 30·cos 45° = 21.21 kN

反力

ΣMA = 0: RB·6 = 21.21·1 + 40·4.5 → RB = 33.54 kN
Ay = 21.21 + 40 − 33.54 = 27.68 kN
Ax = Ph = 21.21 kN

A での向き

α = atan(Ay/Ax) = atan(27.68/21.21) = 52.53°

答え

α = 52.53°
3.せん断力と曲げモーメント

答え: Mx = 7.5 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 = 5·4 = 20 kN、作用点 x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 5·4·2
RB = 40/4 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 10RB​ = 10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 = 10·1 − 5·1·0.5 = 7.5 kN·m

答え

Mx = 7.5 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: MB = −5.625 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 = 5·6.5 = 32.5 kN、作用点 x̄ = 3.25 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·6.5·3.25
RB = 105.6/5 = 21.13 kN
ΣFy = 0: RA = 32.5 − 21.13 = 11.38 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 = −5·1.5²/2 = −5.625 kN·m

答え

MB = −5.625 kN·m
5.トラス：節点法

答え: FBC = −37.73 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。

ABBCACACB45 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 = 45·3 → Cy = 33.75 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 33.75 = 11.25 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 = 2/2.236 = 0.8944, cos γ = 1/2.236 = 0.4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −33.75/0.8944 = −37.73 kN

答え

FBC = −37.73 kN (圧縮)
6.トラス：節点法

答え: FBC = −39.53 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。

ABBCACACB45 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 = 45·3 + 5·3 → Cy = 37.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 37.5 = 7.5 kN
ΣFx = 0: Ax = −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 = −37.5/0.9487 = −39.53 kN

答え

FBC = −39.53 kN (圧縮)
7.はりのたわみ

答え: δB = 22.57 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, a = 2500 mm, L = 3000 mm
EI = 7.2 × 10¹² N·mm²

自由端のたわみ

荷重位置のたわみに、荷重位置のたわみ角 × 残りの長さを加えます。

δP = Pa³/(3EI) = 17.36 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0.01042 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 22.57 mm

答え

δB = 22.57 mm
8.はりのたわみ

答え: MA = 13.5 kN·m

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 = wL⁴/(8EI)

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) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·12·3/8 = 13.5 kN

固定端のモーメント

荷重と支点 B の反力による A まわりのモーメント。

MA = wL²/2 − RB·L = 54 − 40.5 = 13.5 kN·m

答え

MA = 13.5 kN·m
9.柱の座屈

答え: Pcr = 2.481 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 = 2·5000 = 10000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/10000² = 2481 N = 2.481 kN

答え

Pcr = 2.481 kN
10.柱の座屈

答え: d = 32.6 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 = 2.5·5000 = 12500 N
KL = 0.7·2500 = 1750 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·1750²/(π³·70000))^(1/4) = 32.6 mm

答え

d = 32.6 mm

確認：細長比 KL/r は 214.8 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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