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​ = 50 kNP2​ = 55 kNABCRB​ = ?1.5 m1.5 m1 m

はりは A でピン支点、A から 3 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 RB を求めよ。

AB = 3 mAC = 4 mP1 = 50 kN 位置 1.5 mP2 = 55 kN 位置 4 m
RB = kN
2.はりの支点反力むずかしい
w = 8 kN/mP = 45 kNABRA​RB​ = ?2 m3 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 = 8 mP = 45 kN 位置 7 mw = 8 kN/m（2 から 5 m まで）
RB = kN
3.せん断力と曲げモーメントふつう
60 kN55 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。

60 kN @ 1 m55 kN @ 2 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 = 8 kN/mP = 30 kNAB2 m4 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 = 30 kN 位置 2 mw = 8 kN/m（0 から 6 m まで）
Mmax = kN·m
5.トラス：節点法ふつう
ABBCACACB20 kN6 m2 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 = 6 m高さ = 2 mB は A から 2 m鉛直荷重 = 20 kN
FBC = kN
6.トラス：節点法むずかしい
ABBCACACB60 kN20 kN8 m6 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 = 8 m高さ = 2 mB は A から 6 m鉛直荷重 = 60 kN水平荷重 = 20 kN ←
FAB = kN
7.はりのたわみふつう
w = 10 kN/mABθ2.5 m

単純ばりの全スパンに等分布荷重 w が作用する。支点 A におけるはりのたわみ角 θA をラジアンで求めよ。

w = 10 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (鋼)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.はりのたわみむずかしい
P = 15 kNABδ3.5 m2.5 m

単純ばりの支点 B から b = 2.5 m の位置に集中荷重 P が作用する。 スパン中央のたわみ δmid を求めよ。

P = 15 kNb = 2.5 mL = 6 mE = 200 GPa (鋼)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmid = mm
9.柱の座屈ふつう
PL = 1.5 m30 × 80 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 = 1.5 mE = 200 GPa (鋼)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.柱の座屈むずかしい
P = 90 kNL = 2.5 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 90 kN を支える必要がある。最小直径 d を求めよ。

P = 90 kNn = 2.5L = 2.5 mE = 200 GPa (鋼)
d = mm

3溶液

1.はりの支点反力

答え: RB = 98.33 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·3 = 50·1.5 + 55·4
RB = 295/3 = 98.33 kN

鉛直方向のつり合い

RA = 50 + 55 − 98.33 = 6.667 kN

答え

RB = 98.33 kN
2.はりの支点反力

答え: RB = 49.88 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 = 8 kN/mP = 45 kNABRA​RB​2 m3 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。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 8·3 = 24 kN、作用点 x̄ = 3.5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 45·7 + 8·3·3.5
RB = 399/8 = 49.88 kN
ΣFy = 0: RA = 69 − 49.88 = 19.13 kN

答え

RB = 49.88 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 = 86.67 kN, R2 = 28.33 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。

MA = 0, MB = 86.67, MC = 113.3 kN·m, MD = 85, ME = 56.67, MF = 28.33, MG = 0

答え

点 C: MC = 113.3 kN·m
4.せん断力と曲げモーメント

答え: Mmax = 72 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 = 8·6 = 48 kN、作用点 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 30·2 + 8·6·3
RB = 204/6 = 34 kN
ΣFy = 0: RA = 78 − 34 = 44 kN

V = 0 となるのはどこですか？

V(2⁻) = RA − w·2 = 28 kN
V(2⁺) = 28 − 30 = −2 kN
荷重の位置でせん断力の符号が変わるので、最大値は荷重の位置にあります。

最大モーメント

Mmax = RA·2 − w·2²/2 = 44·2 − 8·2²/2 = 72 kN·m

答え

Mmax = 72 kN·m

それは A から x = 2 m の位置に生じます。

5.トラス：節点法

答え: FBC = −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 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 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 = 20·2 → Cy = 6.667 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 6.667 = 13.33 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 = 2/4.472 = 0.4472, cos γ = 4/4.472 = 0.8944
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6.667/0.4472 = −14.91 kN

答え

FBC = −14.91 kN (圧縮)
6.トラス：節点法

答え: FAB = −63.25 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 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 = 60·6 − 20·2 → Cy = 40 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 40 = 20 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 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 = 2/6.325 = 0.3162
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −20/0.3162 = −63.25 kN

答え

FAB = −63.25 kN (圧縮)
7.はりのたわみ

答え: θA = 0.00383 rad

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）。 たわみ角 θ = dv/dx は M/(EI) の 1 回目の積分です。単位をそろえればラジアンで得られます。

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 = 10 N/mm, L = 2500 mm
EI = 1.7 × 10¹² N·mm²

端部のたわみ角

θA = wL³/(24EI) = 10·2500³/(24·1.7 × 10¹²) = 0.00383 rad

答え

θA = 0.00383 rad

これは 0.2194° です。

8.はりのたわみ

答え: δmid = 27.02 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 = 15000 N, b = 2500 mm, L = 6000 mm
EI = 2.4 × 10¹² N·mm²

中央たわみ

δmid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 15000·2500·(3·6000² − 4·2500²)/(48·2.4 × 10¹²) = 27.02 mm

答え

δmid = 27.02 mm
9.柱の座屈

答え: Pcr = 39.48 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

有効座屈長さ

KL = 2·1500 = 3000 mm

座屈荷重

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/3000² = 39478 N = 39.48 kN

答え

Pcr = 39.48 kN
10.柱の座屈

答え: d = 51.64 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 = 2.5·90000 = 225000 N
KL = 0.7·2500 = 1750 mm

直径について解く

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·225000·1750²/(π³·200000))^(1/4) = 51.64 mm

答え

d = 51.64 mm

確認：細長比 KL/r は 135.6 なので柱は細長く、オイラーの式が使えます。

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